Wellenrauschen mit ATtiny85

In der Zeitschrift Funkamateur 7/2018 habe ich einen Artikel von Klaus Sander gelesen: Rauschen mit Deltawellen. Ein Rauschen mit passender Amplitudenänderung soll beim Einschlafen helfen. Es wurde ein AVR-Controller verwendet um die Wellenmuster zu erzeugen, aber das Rauschen wurde rein elektronisch generiert und moduliert. Das Konzept hat mich überzeugt, sowas will ich auch bauen. Aber mein Ziel ist es, möglichst alles in Software zu gießen, sodass die Aufgabe von einem Tiny85 im Alleingang bewältigt wird. Dazu reicht ein Tiefpassfilter am PWM-Ausgang PB0 des Tiny85

Der erste Ansatz war, ich mache das wie bei meinem DDS-Generator im Lernpaket (8.6 Sinusgenerator 0…5 kHz). Statt einer Sinuswelle wird eine Rauschsequenz gespeichert, die beim Start mit der RND-Funktion erzeugt wird. Gesagt, getan und Reinfall. Die Sequenz ist zu kurz, sodass kein weißes Rauschen sondern ein Ton erzeugt wird.

Der zweite Versuch: Das Rauschen wird direkt in der Interrupt Routine erzeugt. Das Ergebnis war tatsächlich ein sehr überzeugendes weißes Rauschen. Ich konnte es im Kopfhörer hören, der über einen größeren Widerstand von 10 k am PWM-Ausgang lag. Es funktioniert schon ganz ohne Tiefpassfilterung, weil die PWM-Frequenz bei ca. 32 kHz liegt.

Tim1_isr:
   Portb.2 = 1
   E = Rnd(255)                                             'Rauschen
   Pwm0a = E                                                'Ausgabe
   Portb.2 = 0
Return

Das Ergebnis wurde mit leichter Filterung am Oszilloskop betrachtet. Mit einem zusätzlichen Printbefehl kann es auch mit dem Serien Plotter aus der Arduino-IDE angesehen werden.

Als nächstes wurde im Hauptprogramm der Wellenverlauf erzeugt. Ich stelle mir Wellen am Stand der Nordsee vor, die immer etwas unregelmäßig verlaufen, mal höher und mal flacher. Das könnte an der Überlagerung verschiedener Wellenfronten liegen, die aus unterschiedlichen Richtungen stammen. Deshalb möchte ich drei Sinusfunktionen mit unterschiedlicher Frequenz überlagern.

Do
  I = I + 1                                                 'Wellen
  B = I / 300
  A = Sin(b)                                                '-1...+1
  B = I / 250
  A = A + Sin(b)                                            '-2...+2
  B = I / 140
  A = A + Sin(b)                                            '-3...+3
  A = A + 3                                                 '0...6
  A = A * 30                                                '0...180
  A = A + 60                                                '60...240
  D = A
  Waitms 2
Loop


Tim1_isr:
   Portb.2 = 1
   Pwm0a = D                                                'Ausgabe
   Portb.2 = 0
Return

Die Summe der drei Wellen wird auf den Bereich eines Byte gebracht und dann in D an die Interrupt-Prozedur übergeben. Es entstehen typische Meereswellen mit wechselnden Amplituden.

Um das Rauschen mit den Wellen zu modulierten reicht eine Multiplikation. Das wurde zuerst im Hauptprogramm getestet, wobei die Rauscherzeugung noch zu langsam war.

Do
  I = I + 10                                                'Wellen
  B = I / 300
  A = Sin(b)                                                '-1...+1
  B = I / 250
  A = A + Sin(b)                                            '-2...+2
  B = I / 140
  A = A + Sin(b)                                            '-3...+3
  A = A + 3                                                 '0...6
  A = A * 30                                                '0...180
  A = A + 60                                                '60...240
  D = A
  E = Rnd(255)                                              'Rauschen
  O = D * E
  E = High(o)
  Pwm0a = E
  Print #1 , E
  Waitms 2                                                  
Loop

Damit wirklich ein überzeugendes Rauschen entsteht, muss es mit wesentlich größerer Frequenz erzeugt werden als die Wellenfunktion. Also Rauschen im Interrupt, Wellen im Hauptprogramm.

Do
  I = I + 1                                                 'Wellen
  B = I / 300
  A = Sin(b)                                                '-1...+1
  B = I / 250
  A = A + Sin(b)                                            '-2...+2
  B = I / 140
  A = A + Sin(b)                                            '-3...+3
  A = A + 3                                                 '0...6
  A = A * 30                                                '0...180
  A = A + 60                                                '60...240
  D = A
  Waitms 2                                                  
Loop


Tim1_isr:
   Portb.2 = 1
   E = Rnd(255)                                             'Rauschen
   O = D * E
   E = High(o)
   Pwm0a = E                                                'Ausgabe
   Portb.2 = 0
Return

Aber dabei gab es zuerst große Probleme. Das Programm wurde unzuverlässig und konnte stecken bleiben. Die Vermutung war, ein Zeitproblem. Die Interruptprozedur frisst so viel Zeit, dass nicht mehr genügend Rechenzeit für die Sinusberechnung übrig bleibt. Die Rechenzeit der Interruptroutine wird mit dem Oszilloskop an B2 sichtbar, weil ich den Port am Anfang um an Ende umschalte. Da konnte man schon sehen, dass die RND-Berechnung die meiste Zeit braucht, sodass sogar mehrere Timer-Überläufe überschlagen wurden.

Das Problem wurde über den Vorteiler zum Timer 0 gelöst. Der Timer wurde zunehmend langsamer getaktet, die RND-Funktion also seltener ausgeführt. Am Ende zeigte sich, dass es mit einem Vorteiler durch 8 funktioniert. Das Rauschen wird dann noch im Takt von 4 kHz erzeugt, was für andere Sound-Ausgaben zu wenig wäre, aber beim Rauschen nicht stört. Man bekommt dann auch spektrale Anteile über 4 kHz, was dem weißen Rauschen keinen Abbruch tut.

'DDSRausch.bas  'Meeresrauschen
$regfile = "attiny85.dat"
$crystal = 8000000
$hwstack = 80
$swstack = 80
$framesize = 80


Dim A As Single
Dim B As Single
Dim D As Word
Dim I As Long
Dim U As Word
Dim O As Word

Dim N As Integer
Dim M As Word
Dim P As Word

Dim E As Byte
Config Timer0 = Pwm , Prescale = 1 , Compare A Pwm = Clear Up       '32 kHz
Config Timer1 = Timer , Prescale = 8                        '4 kHz

Pwm0a = 0


On Ovf1 Tim1_isr
Enable Timer1
Enable Interrupts

Ddrb.2 = 1
Portb.3 = 1
Portb.4 = 1


Do
  I = I + 1                                                 'Wellen
  B = I / 300
  A = Sin(b)                                                '-1...+1
  B = I / 250
  A = A + Sin(b)                                            '-2...+2
  B = I / 140
  A = A + Sin(b)                                            '-3...+3
  A = A + 3                                                 '0...6
  A = A * 30                                                '0...180
  A = A + 60                                                '60...240
  If I < 600000 Then                                        '1 h, 10000 für 1 min
     D = A
     M = 65000                                              'Leise in 6,5 min
  Else
     M = M - 1
     P = M / 256
     P = P * A
     U = High(p)
     D = U
     If M < 2 Then
       Powerdown
     End If
   End If
  Waitms 2                                                  'ca. 6 ms insgesamt
Loop


Tim1_isr:
  'Timer1 8000 kHz / 256/ 8 = 4 kHz
   Portb.2 = 1
   E = Rnd(255)                                             'Rauschen
   O = D * E
   E = High(o)
   Pwm0a = E                                                'Ausgabe
   Portb.2 = 0
Return


End

Längeres Lauschen mit dem Kopfhörer zeigte, dass nun tatsächlich ein typisches Meeresrauschen zu hören ist. Es wirkt sehr entspannend, fast wäre ich dabei eingeschlafen. Für den Ernstfall am Abend habe ich dann noch eine Abschaltfunktion mit eingebaut. Das Rauschen läuft eine Stunde lang und wird dann in ca. sechs Minuten langsam ausgeblendet. Dann schaltet sich der Controller ab.

Für den realen Einsatz wurde die Mikrocontroller-Platine in das Gehäuse der Franzis-Boombox ("MP3-Verstärker") eingebaut. Der eigentliche Verstärker wurde nur provisorisch abgeklemmt und stattdessen der Mikrocontroller eingesetzt. Später wird der Wellengenerator vielleicht mal mit in ein Radio eingebaut.

Den Lautsprecher treibt der Tiny85 ganz ohne zusätzlichen Verstärker. Es gibt nur ein zweistufiges Tiefpassfilter und einen Koppelelko zum Lautsprecher. Tests haben gezeigt, dass man auch einen der Filterkondensatoren herausziehen kann. Damit bekommt dann Rauschen mehr Höhenanteile, was je nach Geschmack die Nordsee noch näher rückt.

Da strahlst du eine Ruhe aus,
die zieht dir die Schuhe aus.

(Robert Gernhardt)

Lautstärke und Filterung, Verwendung des ATtin45 von Ralf Bessner

Ich habe das Meeresrauschen-Programm ausprobiert. Ob es das Einschlafen verbessert, kann ich noch nicht beurteilen, aber zumindest stört mich das Rauschen nicht. Ich habe einen alten 8 Ohm-Kfz-Lautsprecher verwendet. Da er einen recht breiten Frequenzgang hat, habe ich das Tiefpassfilter abgewandelt und auch noch einen Trimmer zur Lautstärke-Einstellung hinzugefügt. Mit den gewählten Werten ist das Rauschen relativ leise, aber gerade richtig im ruhigen Schlafzimmer.

Die Schaltung läuft auch mit 2-3V aus zwei Mignonzellen; ggf. muss man den Brownout des ATtiny mit einem ISP-Programmmer weg-fusen bzw. auf 1,8V herabsetzen.

Wie man sieht, ist die Schaltung auf einem kleinen Platinenrest aufgebaut und mit Senkkopfschrauben und jeweils 2 Muttern als Abstandshalter huckepack auf einen Zweier-Batteriehalter geschraubt.

Ich hatte noch einen AtTiny45 herumliegen, für den musste ich die Werte für die reservierten Stackbereiche etwas herabsetzen, weil das SRAM zu knapp wurde. Man kann die Werte recht weit herabsetzen; mit

$hwstack = 60
$swstack = 20
$framesize = 10

funktionierte noch alles.

Elektronik-Labor Projekte AVR Tiny85