本帖最后由 华北kingsky 于 2016-6-5 00:20 编辑
第二章:SAM2195及其升级型号SAM2695单芯片硬音源解决方案分析
2.1 SAM2195初探
笔者曾与坛友“梁工”闲聊时,得知一款使用SAM2195制作的硬音源。这是国外一帮爱好者(大概是日本技术宅)们的作品,型号为ms-d200。这群爱好者的官方网站已关闭(www.altmustech.com/ ),官方Twitter也只更新到了2014年。图2-1便是MS-D200的图片。
图2-1:altmustech ms-d200音源板,使用SAM2195方案(图片来自于altmustech官方Twitter)
很难能可贵的是,altmustech也提供了一个使用ms-d200播放MIDI的示范曲,让客户能够有机会听到SAM2195的声音效果。附件2-1便是由ms-d200,也就是SAM2195播放出来的声音实录。
附件2-1:ms-d200(SAM2195)声音实录,迈克尔•杰克逊《战栗》(Michael Jackson,Thriller)。音频文件来自于altmustech官方网站(现已关闭)。
附件2-2为来自于altmustech官方网站的ms-d200整机电路原理图。
ms_d200_datasheet.pdf
(98.88 KB, 下载次数: 360)
附件2-3为来自于追梦官方网站的SAM2195芯片手册。
SAM2195.pdf
(371 KB, 下载次数: 358)
2.2 SAM2195芯片特点
从SAM2195的芯片手册来看,这款音源SoC主要有以下特点:
• MIDI信息可由标准MIDI串口或由外部MCU使用并行总线来输入;
• GM标准效果器(混响+合唱效果器),及追梦自有的空间感效果器(Spatial Effect);
• 4段立体声均衡器;
• 芯片内置立体声数模转换器,可直接输出模拟音频信号;
• 在不使用效果器情况下,最大可支持64复音;若使用效果器,最大支持38复音;
• 芯片内置CleamWave™波表数据、固件程序、效果器RAM等,无需外部芯片;
• 封装形式为QFN44,芯片体积为7x7毫米;
• 可使用3.3V,最低至1.8V电源提供供电,典型功耗75mW;
正是由于以上特点,使得SAM2195十分适合于空间和功耗受限的应用场景,如各种嵌入式设备或智能设备,以及随身电子乐器等。其合成效果在单芯片硬音源解决方案中,可以称得上品质优异。
2.3 SAM2195芯片固件与功能特色
作为一个SoC芯片,SAM2195当然也要运行着一套固件程序,以提供必要的MIDI信息解译和声音合成中所涉及的控制功能。SAM2195音源片已在自身内部存储器中,固化了追梦公司编译好的可执行程序,用户无需自己升级固件,便可直接使用MIDI指令控制音源发声,这无疑又简化了用户的二次开发难度。
通过阅读SAM2195的芯片手册,笔者发现,这款音源片可支持的合成功能,完全超出了笔者的预期。因此可想而知,追梦公司在该音源片的固件上也下了不少的功夫。MIDI的意义在于对音源设备所能提供的各个合成功能的控制,其本质是一套控制指令。所以从一个音源所能支持的MIDI信息类型,就能看出这个音源的合成功能是否足够丰富。而作为一个低成本的单芯片解决方案,SAM2195能做到如此广泛的MIDI信息类型支持,实属不易。
笔者将这款SAM2195音源片所能支持的MIDI信息类型,大致按照如下进行归纳:
注:因为MIDI信息的中文翻译术语并没有确凿的标准,故笔者在这里将使用英文原文,以保证精确性。另外,由于篇幅所限,笔者未将如Controller#等的具体名称在此列写,详细信息可参考SAM2195芯片手册。
• GM标准信息,如:
Note On;Note Off;Pitch Bend;Program Change;Channel Aftertouch等;
• SysEx信息,如:
GM System Reset;Master Volume;以及一部分遵循GS标准的SysEx信息;
• Controller 信息:
除了GM标准所支持的若干Controller,如:
000#,001#,005#,006#,007#,010#,011#,064#,065#,066#,067#,091#,093#,099#,101#,120#,121#,123#,126#,127#
之外,还有追梦公司自行定义的Controller,如:
080#,081#
• RPN、NRPN:
如GM标准所支持的RPN:
0000H,0001H,0002H
以及GS标准所支持的若干NRPN:
0108H,0109H,010AH,0120H,0121H,0163H,0164H,0166,18rrH,1ArrH,1CrrH,1DrrH,1ErrH
还有追梦自行定义的NRPN:
37xxH
在将SAM2195可以支持的MIDI信息类型例举出来之后,笔者再对这些MIDI信息类型进行归类,于是笔者可以了解到,SAM2195除了能识别GM标准所支持的几乎全部MIDI信息之外,还扩展了一部分GS标准,以及追梦自定的MIDI信息的支持。于是SAM2195在一个普通的,可以发声的音源基础上,还可以做如下事情:
• 对音色的简单编辑,修改LFO(rate、depth、delay)参数,TVF(cutoff、resonance),参数,Env(attack、decay、release)参数,打击乐中每一种乐器(每一个音符)的Pitch、Level、Pan、Reverb Send、Chorus Send等;
注:关于TVF、Env的含义,笔者经查阅资料发现,这种说法源自于罗兰和GS标准。TVF就是Time-Variant Filter的缩写;而Env就是Envelope的缩写。
• 混响效果器、合唱效果器类型各8种类型,更改4段全局均衡器每一段的截止频率和增益;
• 通过系统码,可控制混响效果器参数(character,level,time,delay feedback)及合唱效果器参数(level,feedback,delay,rate,depth);
• 对part和channel的特殊操作(如指定任意channel为打击乐channel,设置每通道保留的复音数,指定一个channel给多个parts实现音色叠加等);
• 力度曲线矫正(可选多种slope与offset);
• 对调制轮、弯音轮、通道触后、可分配控制器1、可分配控制器2等调制源产生的调制项进行进一步控制(如调制轮控制器可同时改变音高、音量、LFO等参数,并且单独设置每一种参数的改变量权重);
• 使用标准MIDI串口与外部控制器并行接口,进行MIDI信息合并与路由;
从以上文字分析可以得知,SAM2195确实具有很丰富的合成功能。所以SAM2195可以说是一款全支持GM与部分支持GS双标准的音源片,于是用户对声音控制的自由度得到了很大的拓展。用户也可以通过对原厂预制的波表样本进行多种修改,深度定制,创造出新的音色。若有可能的话,用户甚至可以使用多个SAM2195辅以外部控制器的帮助,实现更多的声音层次,增加声音的厚度。
2.4 SAM2195内置音色
既然提到了音色,而且作为一款音源片,自然少不了对内置波表和音色的分析讨论。
SAM2195由于芯片内置波表,所以其波表并未包含很多的样本,其音色也只是刚刚覆盖GM音色表。不过该芯片的打击乐组却较GM音色表有所增添,这些额外的打击乐采样可以使SAM2195适应更多风格的音乐,提高一定的打击乐表现力。
具体的音色列表,可以查看附件2-3,SAM2195的芯片手册。而内置原厂音色的效果,也请参考附件2-1。
2.5 SAM2195的升级方案——SAM2695
追梦公司已推出了SAM2195的升级方案——SAM2695。那么SAM2695有哪些升级之处呢?追梦公司官网提供了一份应用笔记,《Migrate from SAM2195 to SAM2695》,见附件2-4。
附件2-4:“Migrate from SAM2195 to SAM2695”,文档来自追梦公司官网
AN_2695_MigrateFromSAM2195toSAM2695.pdf
(30.64 KB, 下载次数: 469)
从这篇应用笔记中可以看出,在MIDI合成这一块,SAM2695并没有特别多的升级。主要的升级是在SAM2195基础上新增了话筒输入及处理功能。而且SAM2695与SAM2195并不是引脚兼容的,不能直接替换。不过SAM2695将是追梦公司在音源单芯片SoC方面的主推方案,所以在新的设计上尽量考虑使用SAM2695。
附件2-5:SAM2695芯片手册,文档来自追梦公司官网
SAM2695.pdf
(296.05 KB, 下载次数: 1686)
附件2-6:SAM2695音源方案的官方参考设计图,文档来自追梦公司官网
2695-EK_REV1.pdf
(349.44 KB, 下载次数: 236)
2.6 总结
本章主要介绍了SAM2195这个音源SoC方案,以及其换代型号SAM2695方案,分析并讨论了这两款音源片方案的一些特点,并简单探索了一下可以挖掘的潜力。
这两个音源片在国内是可以买到的,价格也不贵,手工焊接也不难,而且开发者不需要使用追梦官方的开发套件进行开发。因为追梦公司并不对个人用户授权发放和使用开发工具及官方波表,所以对技术宅和个人开发者来说,这两个音源SoC方案是最便利地拿来接触和探索的。当然,这个方案的缺点也很明显:因为全集成,所以波表品质一般(据官网提供的信息,SAM2695使用的波表是最低端的512KB官方波表),能深入挖掘的潜力不大。
下一章里,笔者将介绍追梦公司的另一款稍微高档些的音源方案——SAM2635。