Радиоконструктор: FM радио на базе Atmega328-P и RDA5807M

Добрый день, уважаемые хабражители! Меня зовут Михаил Матвеев, и я хотел бы представить Вашему вниманию проект современного «радиоконструктора», основанного на МК Atmega328 и чипе RDA5807M.

Предыстория

Я думаю, многие из вас не только слышали, но и непосредственно сталкивались с такой платформой, как Arduino. И как показывает моя личная статистика, очень немногие заходят дальше, чем поморгать светодиодами. Когда я познакомился с Arduino в первый раз, меня останавливало то, что не было идей, как именно я бы мог использовать все возможности того же UNO на «полную катушку». Хватило только на сборку простенького робота на двух колёсах и сигнализации. Вместе с тем, хотелось сделать что-то более основательное. Тогда я вспомнил о своем детстве, в котором были так называемые «радиоконструкторы». Суровый советский DIY Kit, который при правильной сборке и грамотной пайке даже начинал работать, и ловил радиостанции в различных диапазонах: Юность, Электрон-М и другие. Ни один из таких Kit’ов мне не достался, зато достался ЭКОН-1: Основной «фишкой» этого конструктора было то, что с его помощью можно было быстро и просто собрать большое количество различных устройств, от простых «пищалок» до вполне полноценного радиоприемника. ЭКОН-1 — одна из многих причин, по которой я вообще оказался в сфере IT. И мне пришло в голову, что было бы неплохо создать современную версию подобного конструктора, чтобы все желающие могли получить удовольствие от только что собранного своими руками девайса.

Прототип на монтажной плате

Мой друг, талантливый инженер Константин Томаревский, поддержал идею, и мы начали думать о том, как сделать первый прототип. Идея была в том, чтобы создать FM приемник, которым можно было бы управлять через МК. Первый прототип был собран на монтажке, и стало понятно, что это работает 🙂 Для самой первой версии были выбраны следующие компоненты: 1. МК Atmega328P-PU 2. RDA5807M 3. Дисплей Nokia 5110 Такой микроконтроллер используется в Arduino UNO, соответственно, наше устройство совместимо с UNO на аппаратном уровне. RDA5807M — «сердце» нашего конструктора. Этот тюнер имеет следующие возможности: — Технология КМОП — Монолитный корпус, не требует внешних компонентов (почти) — Полоса частот: 50-115 МГц — Шаг между каналами – от 200 до 25 кГц — RDS/RBDS — АЦП и встроенный синтезатор частот — Адаптивное подавление шума — Цифровой интерфейс (I2C) — Уровень сигнала (RSSI) — Усилитель — Регулировка громкости звука Дисплей Nokia — черно-белый, 84х48 пикселей. Он очень прост в подключении и управлении. После пайки на монтажной плате получилось как-то так: Было решено использовать Bootloader от Arduino, это позволило сохранить совместимость со всеми многочисленными библиотеками и существенно снизить порог вхождения для тех, кто уже имел какой-либо опыт работы с платформой. Интерфейс взаимодействия с пользователем реализован следующим образом. Три кнопки, подключенные к аналоговому входу МК через резисторы, используются для переключения режимов и управления приемником. Еще одна кнопка служит для перезагрузки МК. Экран, соответственно, отображает информацию о громкости, станции и т.д.

ЛУТ, фоторезист и отладка

После успешных испытаний на монтажной плате мы решили создать ещё несколько прототипов методом ЛУТ (а в дальнейшем — фоторезистом). Также мы решили усовершенствовать приемник, добавив туда ещё один усилитель звука для подключения не только наушников, но и внешнего динамика. Выбор пал на PAM8403, это простой и недорогой усилитель, который требует питания 5В. Первый прототип, изготовленный методом ЛУТ, выглядел следующим образом: ЛУТ — хорошая штука для относительно быстрого прототипирования в домашних условиях, но когда дело доходит до двухсторонних плат, начинаются сложности. Количество компонентов на плате увеличивалось — например, мы решили разместить на плате разъем для программатора, чтобы не было необходимости каждый раз извлекать МК для перепрошивки. Так, последующий прототип стал двухсторонним, был изготовлен методом фоторезиста и стал выглядеть намного приятнее: В сборке: Следующим шагом был отказ от «навесных» компонентов, которые мы размещали на плате при помощи однорядных PINов. Так, было принято заменить усилитель на LM386N, установить преобразователь уровней CD4050BE. Всё это усложнило конструкцию, но устройство стало выглядеть намного лучше. Итоговый прототип, изготовленный нами в домашних условиях, выглядел так:

Заказ печатных плат

В Китае можно заказать печатные платы, выполненные промышленным способом. Стоимость выходит относительно небольшой даже при малых тиражах, а время ожидания (включая доставку) как правило не превышает 2-3 недель. Первую «партию» плат заказали на PCBWay. Так она выглядела: Одна из проблем, с которой мы по неопытности столкнулись: металлизация «съедает» значительную часть размера самого отверстия, поэтому некоторые компоненты с трудом «влезали» в нужные отверстия. При проектировании схемы необходимо учитывать этот момент. По результатам тестирования мы ещё немного доработали конструкцию, добавив несколько конденсаторов для более стабильной работы устройства. Собрали ещё один прототип: Разъём USB используется для питания приёмника. Питание также подаётся при подключении программатора. Всё работает!

Прошивка

Отдельно стоит остановиться на прошивке. Она написана на C++ и мы распространяем её по лицензии GPLv3: https://github.com/xtremespb/fm_receiver.Я практически не разрабатывал на C/C++, поэтому (вероятно) код далёк от идеала и может содержать ошибки, но GPL на то и GPL, чтобы можно было его дорабатывать сообществом 🙂 Текущие возможности прошивки включат в себя: — Ручную и автоматическую настройку станций — RDS — Управление громкостью — Включение режима усиленных басов — Включение и отключение подсветки дисплея — Отображение и динамическая визуализация уровня сигнала В следующей, четвёртой по счёту ревизии, мы сделаем ещё несколько полезных «фишек»: подключим левый и правый каналы к аналоговым входам на МК, что позволить «визуализировать» поступающий аудиосигнал. Кстати, возможности устройства не ограничиваются радио! Никто не мешает, например, написать какую-нибудь игру (интереса ради я сделал старый добрый Arkanoid) или другую программу, использующую возможности платы.

Production

Разработка устройства от идеи до реализации заняла около 6 месяцев, что, с практически полным отсутствием опыта в данной области, не так уж и плохо. На данный момент у нас есть около 10 полностью собранных комплектов, которые включают в себя всё необходимое для сборки своего собственного устройства: — МК Atmega328P-PU — Преобразователь уровня CD4050BE — Дисплей Nokia 5110 — Приемник RDA5807M — Программатор USBasp — Операционный усилитель LM386N — Разъемы под МК и программатор — USB B, Audio Jack 3.5, три кнопки, провода, однорядные коннекторы — 11 резисторов и 12 конденсаторов, 4 индуктивности, кварц, стабилитрон и светодиод — Динамик — Печатная плата Для сборки понадобится припой, флюс и паяльник, больше ничего не нужно. Все комплектующие упакованы в небольшую коробку из «крафтового» картона: Исходники прошивки уже выложены на Github; Gerber-файл, принципиальная схема и инструкция по сборке будут также опубликованы позднее. Микросхема RDA5807M — это FM радиоприемник нового поколения с поддержкой RDS/RBDS и цифровым управлением по I2C. Микросхема выполнена по CMOS технологии, что определяет ее минимальное энергопотребление. RDA5807M уже содержит все необходимые узлы и требует лишь небольшого числа внешних компонентов. А мощный аудиопроцессор обеспечивает оптимальное качество звука при различных условиях приема. Все это делает RDA5807M удачным выбором для носимых, портативных устройств. В интернет магазинах распространен модуль RRD-102v2, на котором распаяны RDA5807M, кварцевый резонатор и пара компонентов обвязки. В данной статье я опишу как подключить этот модуль к Ардуино и что нужно знать для создания радиоприемника на его основе.

Характеристики RDA5807M

Сразу даю ссылку на даташит: RDA5807M_datasheet_v1.1, наиболее полную информацию о характеристиках RDA5807M вы можете найти в нем. Я перечислю некоторые из них:

• Напряжение питания 2.7 — 3.3В
• Потребляемый ток (при напряжении питания 3В):
  • в рабочем режиме — не более 20мА
  • в режиме сна — не более 15мкА
• Диапазон принимаемых частот 50 — 115МГц
• Выбираемый шаг изменения частоты: 200кГц, 100кГц, 50кГц, 25кГц
• Выбираемый источник тактового сигнала: внешний или внутренний генератор (для внутреннего генератора требуется резонатор 32.768кГц)
• Поддержка RDS/RBDS
• Управление по шине I2C
• Возможность прямого подключения нагрузки от 32Ом

Диапазон напряжения питания не самый удобный, например, от лития без стабилизации запитать не получится. Зато наушники можно подключать прямо к выводам микросхемы, дополнительное усиление не требуется. Также можно отметить небольшой потребляемый ток микросхемы, что позволяет запитывать ее от цифрового вывода микроконтроллера (по крайней мере AVR) в тех случаях, когда требуется отключение питания радио в целях энергосбережения.

Распиновка и подключение к Ардуино

Выводы SDA и SCL модуля подключаются к одноименным выводам Ардуино. Для платы Uno это пины A4 и A5 соответственно. Их уровни превышают напряжение питания RDA5807M, но это не критично, микросхема отлично работает без преобразователя уровней. Питание берем с вывода 3v3.

Интерфейс управления

Здесь я хочу обратить внимание на имеющуюся в технической документации неточность (даташит на эту микросхему вообще очень мутный): в ней говорится, что I2C адрес микросхемы 0x10h, что внутренние адреса ее регистров не видны и что чтение и запись выполняются последовательно, начиная с фиксированного стартового адреса (0x0Ah для чтения, 0x02h для записи). После каждой операции чтения/записи происходит инкремент внутреннего счетчика и очередная операция будет выполняться уже для следующего регистра. Так до тех пор, пока внутренний счетчик не дойдет до верхней границы 0x3Ah, после этого он вернется к своему начальному значению. На самом деле RDA5807M отзывается на три I2C адреса, в чем легко убедиться, воспользовавшись I2C сканером:

Адрес 0x10h используется для последовательного обращения к регистрам, как было описано выше.Адрес 0x11h позволяет обращаться к произвольным регистрам.Адрес 0x60h позволяет работать с RDA5807M в режиме совместимости с TEA5767. Упоминание адреса 0x11h можно найти в документе RDA5807P_ProgManual_1.0. Хоть он и предназначен для другой микросхемы, но практически всё применимо и для RDA5807M. Ниже приведен фрагмент из данного документа, описывающий формат I2C обмена при использовании адреса 0x11h:

Как можно видеть, при записи в режиме произвольного доступа первым передается адрес интересующего регистра (REGISTER ADDRESS), затем старший и младший байты данных. Для чтения содержимого регистра из RDA5807M микроконтроллер сначала передает его адрес, затем считывает старший и младший байты. Чуть позже я приведу пример чтения/записи регистров, а пока разберемся с их назначением.

Регистры RDA5807M

Управление работой RDA5807M заключается в обращении к его регистрам: изменяя одни регистры, мы производим необходимые нам настройки; из других можно читать различную информацию (флаги, данные RDS и т.д.). Регистры 16-разрядные, их адреса и назначение приведены в даташите. Описание весьма скудное, поэтому я решил сам «пощупать» каждый регистр, чтобы понять какой бит за что отвечает. Для этого была написана следующая программа:

Данная программа читает значения регистров RDA5807M, отображает в удобном виде и позволяет изменять их, щелкая мышью по элементам управления. Ардуино при этом выступает в роли посредника между программой на компьютере и RDA5807M, для этого в нее должен быть загружен соответствующий скетч (вы найдёте его в программе по кнопке «Скетч для Ардуино»). Очень рекомендую попробовать данную программу, чтобы разобраться с назначением регистров. Скачать ее можно здесь. И, чтобы совсем не осталось вопросов по управлению RDA5807M, привожу описание регистров на понятном языке.

Это не все регистры RDA5807M, по старшим адресам доступны другие. Возможно, среди них есть еще что-то интересное. И если вам о них известно, пишите, добавлю их в список.

Программирование RDA5807M

Давайте начнем с простенького скетча. Если вы попробуете управлять RDA5807M из моей программы, то обнаружите, что для того чтобы заставить его работать достаточно установить несколько битов: ENABLE, DHIZ, DMUTE, SEEK. Установка последнего запустит поиск радиостанции. Эти же действия можно выполнить программно при помощи следующего скетча:

voidsetup() {   Wire.begin();   setRegister(0x02, 0xC101);  }  voidloop() { }  void setRegister(uint8_t reg, const uint16_t value) {   Wire.beginTransmission(0x11);   Wire.write(reg);   Wire.write(highByte(value));   Wire.write(lowByte(value));   Wire.endTransmission(true); }

Подключите RDA5807M к Ардуино по приведенной ранее схеме и залейте в нее скетч. Приемник выполнит поиск и настроится на первую найденную радиостанцию. Бит Tune при этом сбрасывается. Нажатие кнопки Reset на Ардуино и повторное выполнение функции setup будут снова устанавливать этот бит, инициируя поиск следующей станции. Работает? Двигаемся дальше. В примере скетча выше мы записали в регистр 02h заранее определенное значение. На деле такое требуется редко, разве что для инициализации некоторых регистров. В основном же значения регистров формируются в процессе работы программы при изменении отдельных битов. В таких случаях удобно использовать константы, содержащие номера этих битов или маски для их установки. Ниже приведен пример такого скетча. Он позволяет настроиться на конкретную радиостанцию, установить громкость и получить RSSI.

                      uint8_t volume = 1;  uint16_t freq = 1073;  uint16_t reg02h, reg03h, reg05h, reg0Bh;  voidsetup() {   Serial.begin(9600);   Wire.begin();      reg02h = RDA5807M_FLG_ENABLE | RDA5807M_FLG_DHIZ | RDA5807M_FLG_DMUTE;   setRegister(RDA5807M_REG_CONFIG, reg02h);         reg02h |= RDA5807M_FLG_BASS;   setRegister(RDA5807M_REG_CONFIG, reg02h);               reg03h = (freq - 870) << RDA5807M_CHAN_SHIFT;    setRegister(RDA5807M_REG_TUNING, reg03h | RDA5807M_FLG_TUNE);         reg05h = getRegister(RDA5807M_REG_VOLUME);    reg05h &= ~RDA5807M_VOLUME_MASK;    reg05h |= volume << RDA5807M_VOLUME_SHIFT;    setRegister(RDA5807M_REG_VOLUME, reg05h); }  voidloop() {      reg0Bh = getRegister(RDA5807M_REG_RSSI);   uint8_t RSSI = (reg0Bh & RDA5807M_RSSI_MASK) >> RDA5807M_RSSI_SHIFT;   Serial.print("RSSI = ");   Serial.print(RSSI);   Serial.println(" (0-min, 127-max)");   delay(500); }  void setRegister(uint8_t reg, const uint16_t value) {   Wire.beginTransmission(0x11);   Wire.write(reg);   Wire.write(highByte(value));   Wire.write(lowByte(value));   Wire.endTransmission(true); }  uint16_t getRegister(uint8_t reg) {   uint16_t result;   Wire.beginTransmission(RDA5807M_RANDOM_ACCESS_ADDRESS);   Wire.write(reg);   Wire.endTransmission(false);   Wire.requestFrom(0x11, 2, true);   result = (uint16_t)Wire.read() << 8;   result |= Wire.read();   return result; }

В этом примере значения регистров получаются установкой отдельных разрядов. Для этого используются определенные в начале скетча флаги и маски. Я описал несколько из них для примера, остальные добавляются по аналогии. Чтобы настроить RDA5807M на интересующую частоту необходимо установить значения BAND и SPACE и затем изменять только значение CHAN. Итоговая частота определяется по формуле:F = BAND + CHAN * SPACE. В скетче используются определенные по умолчанию BAND и SPACE (87..108МГц  и 100кГц соответственно). По ним можно определить значение, которое должно быть записано в биты CHAN для получения интересующей частоты. Не забывайте при записи CHAN устанавливать также бит TUNE. Для изменения громкости значение регистра 05h считывается из RDA5807M в переменную. Затем осуществляется сброс битов VOLUME. И уже после этого можно устанавливать новое значение громкости и записывать результат в регистр. Для получения RSSI выполняются обратные действия: в считанном из регистра 0Bh значении сбрасываются все биты, кроме содержащих RSSI. Затем результат сдвигается вправо, чтобы младший бит RSSI оказался в младшем разряде переменной. Так мы получим нужное нам значение. Теперь, когда описаны основные приемы управления RDA5807M, можно приступить к программированию. Нужно лишь определиться с функционалом и интерфейсом.

Добавим LCD дисплей и энкодер

Да, я люблю использовать в своих проектах LCD2004 с I2C интерфейсом и энкодер вращения. Это уже привычные для меня элементы создания пользовательского интерфейса. Используя их, я могу сосредоточиться на текущей задаче, а не заморачиваться с изобретением велосипеда. Поэтому сейчас я добавил их в схему:

Итак, моя текущая задача — это создание радио с базовым функционалом и индикацией. О законченном проекте речь пока не идет. Для меня это скорее знакомство с данным модулем. Поэтому в предлагаемом ниже скетче нет фишек вроде сохранения списка радиостанций в EEPROM. Нет и работы с RDS — использованию этой технологии в RDA5807M я посвящу следующую публикацию. В последствии я планирую сделать радио в оригинальном корпусе с OLED дисплеем. А пока можете оценить результат данного этапа, скетч доступен по ссылке. Для работы требуется библиотека LiquidCrystal_I2C_Menu, скачайте и установите ее. В скетче реализовано:

• Поиск радиостанции вверх/вниз и отображение частоты
• Регулировка громкости
• Ввод значения частоты энкодером
• Выбор поведения при повороте энкодера: регулировка громкости или поиск радиостанции
• Установка ряда параметров, отвечающих за звук и шумоподавление
• Сохранение настроек в EEPROM и чтение их при включении радио

На этом пока всё. Продолжение будет в следующей публикации с обзором RDS.

—> —> SELECTORNEWS — покупка, обмен и продажа трафика —> —>Используемые источники:

• https://habr.com/post/415291/
• https://tsibrov.blogspot.com/2019/11/rda5807m-part1.html
• https://www.radiokot.ru/circuit/analog/receiv_transmit/41/

</tr></trp_imgslider></table>