BB1601 - PICAXE pour débutants - 13 - Générer des sons (partie 2)

PICAXE pour débutants - 13 - Générer des sons (partie 2)

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Troisième programme : sirène d'ambulance
Notation musicale grégorienne
Tableau récapitulatif des tonalités françaises
Limitation des instructions [SON] de LOGICATOR
Quatrième programme et premières instructions en BASIC - sirène d'ambulance
Police, gendarmerie, SAMU, pompiers

Troisième programme : sirène d'ambulance utilisant les instructions "son"

Tout d'abord, une fois n'est pas coutume, voici directement le programme.

Pour générer les trois tons de la sirène on utilise trois fois la fonction [Son].

Chacune des 3 fonctions est paramétrée pour générer la tonalité adéquate pendant 160 ms sur la sortie C2 :

note A4 pour le premier et le troisième son,
note C5 pour le deuxième son.

Quésaco "A4", "C5" etc. ?

Pourquoi pas la notation latine "Do,Ré, Mi..." comme nous l'avons apprise il y a bien longtemps déjà ?

Tout simplement parce que LOGICATOR utilise la notation musicale Grégorienne chère à nos voisins anglais et allemands.

Notation musicale grégorienne

Tableau des correspondances entre les notations
latine et grégorienne ou anglo-allemande, et leurs fréquences :

N° touche piano	Notation latine	Notation grégorienne	Fréquence (Hz)
53	Do4dièse	Cdièse5 ou Dbémol5	554,365
52	Do4	C5	523,251
51	Si3	B4	493,883
50	La3dièse	Adièse4 ou Bbémol4	466,164
49	La3	A4	440
48	Sol3dièse	Gdièse4 ou Abémol4	415,305
47	Sol3	G4	391,995
46	Fa3dièse	Fdièse4 ou Gbémol4	369,994
45	Fa3	F4	349,228
44	Mi3	E4	329,628
43	Ré3dièse	Ddièse4 ou Ebémol4	311,127
42	Ré3	D4	293,665
41	Do3dièse	Cdièse4 ou Dbémol4	277,183
40	Do3	C4 (en)	261,626
39	Si2	B3	246,942
38	La2dièse	Adièse3 ou Bbémol3	233,082
37	La2	A3	220

Le tableau complet est ICI.

Tableau récapitulatif des tonalités françaises normalisées
pour les véhicules de pompiers, police, ambulances, SAMU et gendarmerie

Ce tableau nous a été communiqué par notre camarade José.

Ce document est disponible en téléchargement ICI.

Ce tableau comporte aussi des liens internet qui permettent d'écouter les différentes sirènes.

Il donne les caractéristiques de 5 sirènes : police, gendarmerie, SAMU, pompiers, ambulances.

Petit extrait : sirène d'ambulance

Tonalités telles que les définit la réglementation

Descriptif Tonalité	AMBULANCE
1er ton	420 Hz ± 2/100
2ème ton	516 Hz ± 2/100
3ème ton	420 Hz ± 2/100
4ème ton	silence 1,5 secondes
Cadence	50 à 60 cycles/ minute.
Niveau sonore	Jour	Nuit
en dB	110	70 à 90

Les notes les plus proches des fréquences préconisées sont donc A4 (440 Hz au lieu de 420) et C5 (523 Hz au lieu de 516).

N.B. Dans le programme ci-dessus les notes ont été choisies toutes les deux par excès de la fréquence, pour conserver à peu près le même rapport entre les tonalités.

Limitations des instructions [SON] de LOGICATOR

Comme on peut le constater sur le tableau de la notation musicale grégorienne, la gamme s'étend sur 7 octaves plus 3 notes (87 demi-tons), de [A0] à [C8] soit de 27,5 Hz à 4185 Hz.

(Il s'agit de la gamme courante des fréquences musicales fondamentales d'un piano, mais pas de la totalité du spectre sonore).

Aïe !!!

LOGICATOR n'autorise que la gamme [C1] à [C5] soit une plage de fréquences de 32,7 Hz à 523 Hz.

C'est sympa mais très insuffisant pour permettre de programmer les sirènes de police, gendarmerie, et SAMU :

police : premier ton = 435 Hz ; deuxième ton = 580 Hz,
gendarmerie : premier ton = 435 Hz ; deuxième ton = 732 Hz,
SAMU : premier ton = 435 Hz ; deuxième ton = 651 Hz,

Sommes-nous en présence d'une impossibilité ?

Que nenni !

Pas de panique !

LOGICATOR a plus d'un tour dans son sac : il s'agit de l'instruction [Code en BASIC] qui va nous permettre de contourner les limitations précédentes.

Quatrième programme et premières instructions en BASIC : sirène d'ambulance

Le document fourni pas José va nous aider.

En effet, à la fin du document on trouve les morceaux de codes qui correspondent aux différentes sirènes.

La sirène d'ambulance est composée de 3 tons : 420 Hz / 516 Hz / 420 Hz.

Pour obtenir ces tons on utilise la fonction BASIC :

PWMOUT,PWMDIV16, broche, période, rapport_cyclique

La documentation de cette fonction dans le manuel français est assez... obscure.
Un article détaillé est disponible ICI.

Résumé des formules utiles issues de cet article

période = 1 000 000 / fréquence PWM ⁽¹⁾

1 000 000 = 1/4 de la fréquence d'horloge du PICAXE.
fréquence PWM est exprimée en Hertz

(rapport_cyclique) = 4 x période x (rapport_cyclique_vrai) ⁽²⁾

(rapport_cyclique_vrai) est exprimé sous forme décimale. Il est compris entre 0 et 1.
(période), le paramètre, est compris entre 0 et 255.
(rapport_cyclique), le paramètre, est compris entre 0 et 1023.

Dans tous les cas (qu'on utilise pwmdiv-- ou pas) :

fréquence PWM = 1 / période_PWM ⁽³⁾

fréquence PWM en Hz,
période_PWM en secondes.

Cette fonction génère un signal en créneaux (PWM) sur la sortie C.2 du 08M2.

Ce signal pourra être perçu comme un son si sa fréquence est située entre 30 et 8000 Hz et si, bien entendu, on a branché un transducteur sur la sortie C2 du PICAXE.

On utilise la boite [Code en BASIC] que l'on nome "Ambulance", et on y entre le code BASIC ci-dessous :

En quelque sorte, grâce à cette possibilité, nous venons de créer une fonction supplémentaire et personnelle.

Analyse du paramétrage de l'instruction pwmout pwmdiv16, 2, 148, 298

Les formules ci-dessus, appliquées aux 3 tons normalisés 420 Hz, 516 Hz et 420 Hz, permettent le paramétrage de la fonction pwmout.

Remarque : avec l'utilisation de pwmdiv16

période = 1 000 000 / fréquence PWM devient : période = 62500 / fréquence PWM

Pour le ton à 420 Hz

période = 62500 / 420 soit : période = 148,9
(l'auteur a choisi la valeur 148 ! )

Pour un rapport_cyclique_vrai de 50% (0,5) on calcule le paramètre "rapport_cyclique" :

(rapport_cyclique) = 4 x 149 x 0,5 soit : (rapport_cyclique) = 298

Pour le ton à 516 Hz

période = 62500 / 516 soit : période = 121,12
(l'auteur a choisi la valeur 120 ! )

Pour un rapport_cyclique_vrai de 50% (0,5) on calcule le paramètre "rapport_cyclique" :

(rapport_cyclique) = 4 x 121,12 x 0,5 soit : (rapport_cyclique) = 242

Analyse rapide du programme

La sirène d'ambulance est composée de 3 tons consécutifs d'une durée de 166 millisecondes chacun, suivis d'un temps d'arrêt de 1,5 secondes.

Le petit programme BASIC comporte donc 3 groupes d'instructions du genre :

pwmout pwmdiv16, 2, 148, 298

pause 166

la valeur "2" représente la sortie C2, (broche 4) du 08M2, utilisée pour la diffusion du son ;
la valeur "148" représente la période totale du signal ;
la valeur "298" représente la période de "travail" du signal (duty cycles).

pause 166 correspond à l'émission du ton pendant 166 ms.
(C'est la fonction [Attendre] bien connue dans LOGICATOR).
l'instruction pause 1500 correspond à un temps d'attente de 1500 ms (soit 1,5 seconde) avant de redémarrer un nouveau cycle de 3 tons.

l'instruction pwmout 2, off bloque la sortie "son" pendant l'attente de 1,5 s.
l'instruction du début, setfreq m4, impose au 08M2 de fonctionner à 4 méga-Hertz.
(c'est en fait le réglage "naturel" du 08M2 et donc on pourrait se passer de cette instruction).
Si le 08M2 était réglé à 8 mHz par exemple (setfreq m8), tous les sons seraient générés une octave plus haute et les temps d'attente divisés par deux.

Essais comparés des deux programmes "ambulance"

le programme n°3 avec les instructions "son" ;
le programme n°4 avec les instructions PWM en BASIC.

Note : à la place du buzzer je vous recommande de brancher un petit haut-parleur en série avec une résistance de 47 Ohms / 1/4 Watt. Le son ne sera pas très fort mais de bien meilleure qualité.

Si en plus le petit HP est logé dans une petite boite qui lui sert d'enceinte acoustique, alors là... !

Dans la partie n°3 (article n°14) nous verrons comment obtenir un son plus fort, de façon très simple.

Télécharger successivement l'un puis l'autre programme et comparer la qualité sonore :

entre chaque son généré par le programme n°3 on entend un petit claquement assez gênant et si on tend l'oreille on constate que le son contient un petit grésillement. Pas très bon tout ça !
le son généré par le petit programme en BASIC est d'une bien meilleure qualité.
Pas de grésillement.
Pas de claquement entre chaque note et un timbre plus agréable à l'oreille et plus proche du réel.

D'autre part, grâce au paramétrage des instructions pwmout pwmdiv16, 2, x, y on respecte mieux les fréquences "officielles".

Pour les bidouilleurs :

Dans l'instruction pwmout pwmdiv16, 2, 148, 298 le paramètre 298 correspond au rapport travail / repos du signal sonore PWM.

Amusez-vous à le modifier, entre 50 et 500 par exemple (soit un rapport_cyclique_vrai d'environ 8% à environ 84%) : la fréquence du son va rester la même mais le timbre va changer. Plus "rond", plus "sec", plus "métal" suivant la valeur du paramètre.

Essayez. Ça vaut la peine.

En quelque sorte, et dans une faible mesure, ce paramètre permet un filtrage du son en faisant varier sa composition en fréquences harmoniques.

POLICE, GENDARMERIE, SAMU, POMPIERS

Extraits du document "Tableau récapitulatif des tonalités françaises", voici les 6 bouts de programmes que vous pouvez copier/coller dans la boite de paramétrage de la fonction [Code en BASIC] :

Sirène d'ambulance (exemple traité dans cet article)

setfreq m4
pwmout pwmdiv16, 2, 148, 298
pause 166
pwmout pwmdiv16, 2, 120, 242
pause 166
pwmout pwmdiv16, 2, 148, 298
pause 166
pwmout 2, off
pause 1500

Sirène de police

setfreq m4
pwmout pwmdiv16, 2, 143, 287
pause 545
pwmout pwmdiv16, 2, 127, 256
pause 545

Sirène de gendarmerie

setfreq m4
pwmout pwmdiv16, 2, 143, 287
pause 545
pwmout pwmdiv16, 2, 84, 171
pause 545

Sirène du SAMU

setfreq m4
pwmout pwmdiv16, 2, 143, 286
pause 545
pwmout pwmdiv16, 2, 95, 190
pause 545

Sirène de pompiers

setfreq m4
pwmout pwmdiv16, 2, 143, 287
pause 1070
pwmout pwmdiv16, 2, 127, 256
pause 1070

Sirène de pompiers américains

setfreq m4
b2=205
w9=b2*2
b4=65
b5=205
do
random w10                          'w10= (b21, b20)
w10=5*b20 +400                   'w10 aléatoire de 0 à 765
do
dec b2                                  'glissement fréquence
w9=b2*2                               'rapp cyclique 50%
pwmout pwmdiv16, 2, b2, w9
pause 30
loop while b2>b4                    'b4=65 -->940 Hz
pause w10
random w10 '(b21,b20)
w10=4*b20                            'B20 = 0 à 255 --> w10= 0 à 765
b21=b21//4                            'b21=0,1,2
b5=51*b21+100                     'b5 aléatoire
do
inc b2 w9=b2*2
pwmout pwmdiv16, 2, b2, w9
pause 50
loop while b2<b5                    'b5=205-->303Hz; 253-->246Hz
loop