Собираем управляемый Arduino радиоприемник с AM на СВ/КВ и FM в УКВ диапазоне

Добавлено 8 октября 2017 в 18:53

Объедините радиоприемник Si4844-A10 с аналоговой настройкой и плату Arduino, чтобы собрать полнофункциональный, многодиапазонный радиоприемник.

Идея радиоприемника на одной микросхеме выглядит довольно увлекательной. Такая возможность интересна особенно мне, потому что, честно говоря, я завидую людям, обладающим навыками в аналоговой схемотехнике, необходимыми для создания радиоприемника. Когда я просматривал литературу на эту тему, я наткнулся на микросхемы от Silicon Labs. Моё внимание привлекла одна из этих микросхем, Si4844-A10. Этот приемник может работать в AM сигналом в диапазонах СВ/КВ и FM сигналом в диапазоне УКВ и предназначен для работы с микропроцессором и компонентами управления, при этом потребуется лишь небольшая антенна. Я не мог удержаться.

Справочные документы

Рекомендуется с данными микросхемы и информацией по её использованию. Рекомендуется ознакомиться с тремя документами, приведенными ниже, для понимания и сборки проекта:

Основная схема

Схема радиоприемника
Схема радиоприемника

На рисунке 1 представлена основная схема радиоприемника, взятая и адаптированная из технического описания Silicon Labs Si4844 и рекомендаций по применению. Для приема в диапазоне КВ я использовал ферритовую антенну от старого портативного приемника. Q1 – усилитель для СВ/УКВ, здесь я так же использовал телескопическую антенну от старого приемника. Стоит заметить, что руководство по проектированию, приведенное выше, дает несколько альтернатив и различные подходы к антеннам.

Переменный резистор (VR1) является критичным элементом схемы, поскольку он будет использоваться для настройки частоты приемника (ручка настройки). Рекомендуется использовать линейный потенциометр. Для аудиовыхода я решил использовать пару «экономичных» аудиоколонок со встроенным усилителем, которые у меня остались от старого компьютера. Разумеется, можно использовать простой стереоусилитель.

Возможно, наиболее сложная часть сборки – это работа с микросхемой в корпусе SSOP-24. Если у вас нет опыта работы с SMD микросхемами, возможно, самым простым способом будет использование переходной платы. У меня была переходная плата SSOP-28; немного пайки, и с микросхемой стало можно работать, как с микросхемой в DIP корпусе. Другими потенциально трудными компонентами для работы является пара из ферритового фильтра (бусинки) и конденсатора. Эти компоненты также можно припаять на переходную плату, чтобы работать с ними как с DIL элементом.

SMD компоненты, припаянные на переходные платы
SMD компоненты, припаянные на переходные платы
Список компонентов основной схемы
КомпонентОписание
B1Ферритовый фильтр (бусинка) 2,5 кОм (100 МГц)
C1,C2,C5Неполярный конденсатор 4,7 мкФ
C3,C4Конденсатор 22 пФ
C6,C7,C9Конденсатор 0,1 мкФ
C8Неполярный конденсатор 47 мкФ
C10,C11Конденсатор 0,47 мкФ
C12,C14Конденсатор 33 нФ
C13Конденсатор 33 пФ
C15Конденсатор 10 пФ
IC1Радиоприемник Si4844-A10
Q1NPN транзистор SS9018
R1, R2Резистор 2,2 кОм
R3Резистор 1 кОм
R4,R7Резистор 100 кОм
R5Резистор 10 Ом
R6Резистор 120 кОм
R8Резистор 100 Ом
L1Индуктивность 270 нГн
VR1Линейный потенциометр 100кОм
Y1Кварцевый резонатор 32,768 кГц
ANT1Ферритовая антенна
ANT2Телескопическая/штыревая антенна

Подключение Arduino

Еще одна вещь, которую надо решить до включения схемы для тестирования, – это взаимодействие с Arduino. Здесь я решил использовать плату Arduino Pro Mini 3В/8МГц. Это небольшая плата Arduino, полностью работающая на напряжении 3,3 В и совместимая с Si4448-A10, что является главным преимуществом. Небольшой размер платы – второе преимущество. Подключение к Si4448-A10 осуществляется по четырем линиям, как описано ниже:

Подключение Arduino к Si4844-A10
Arduino (3.3 В)Si4844-A10
A5/SCLSCLK
A4/SDASDIO
D2INT
D12RST

Кроме того, используется стандартный преобразователь USB/TTL для подключения Arduino к компьютеру для программирования. Таким образом, у Arduino также будут задействованы выводы TX, RX и GND. Так вы сможете программировать и тестировать Si4844-A10 «внутрисхемно», что облегчает разработку и экспериментирование. Когда всё будет завершено, это подключение может быть убрано для автономной работы нового радиоприемника. Питание платы радио и платы Arduino должно осуществляться внешним стабилизированным источником питания на 3,3 В. Не пытайтесь запитывать их от преобразователя USB/TTL, даже если у него есть выходной вывод 3,3 В – нельзя полагаться, что он обеспечит необходимый ток для питания и Arduino, и Si4844-A10.

Тестирование основной схемы

Когда у вас будет собранная на макетной плате схема, подключенные к ней Arduino и аудиоколонки со встроенным усилителем, вы сможете запустить тестовую программу, которая приведена в архиве в конце статьи (Si4844_Quick_Test.ino). Эта программа выполняет простой тест, который включает питание устройства, устанавливает диапазон FM (УКВ) и предоставляет информацию о версии микросхемы. Если всё пройдет хорошо, вы сможете настроить частоту радиоприемника, повернув ручку VR1, увидите частоту, динамически отображаемую на экране и, конечно, услышите то, что выдает радиоприемник.

Скриншот экрана с результатами вывода тестовой программы
Скриншот экрана с результатами вывода тестовой программы

Если основная схема и ее подключение к Arduino работают, то можно собирать полноценный радиоприемник.

Программирование Arduino

Микросхема Si в этом проекте является ведомым устройство I2C, имеющим фиксированный адрес 0x11; при этом ведущим устройством (мастером) является плата Arduino. Однако скорость обмена информацией по I2C у этой микросхемы относительно медленная: максимальная поддерживаемая скорость 50 кГц. Кроме того, во время процедуры включения питания скорость не должна превышать 10 кГц. Чтобы удовлетворить эти требования, мы должны явно установить у Arduino скорость I2C, которая, как правило, слишком велика для Si4844-A10. К счастью, благодаря большому количеству документации по функциям I2C Arduino, мы можем легко выполнить необходимые изменения.

В принципе, скорость I2C для наших целей определяется в программном обеспечении Arduino двумя переменными. Эти переменные – это TWBR и TWSR. Биты 0 и 1 TWSR управляют предделителем, который работает со значением TWBR для установки скорости I2C. Скорость (тактовая частота) передачи по I2C рассчитывается по формуле:

Частота = Тактовая частота процессора / (16 + (2 * (TWBR) * (предделитель))

Arduino Pro mini 3,3В работает на частоте 8 МГц. Чтобы установить скорость I2C на 10 кГц, мы используем значение TWBR 98 и установим предделитель в значение 4 (путем установки в 1 только бита 0 TWSR). Таким образом,

8 000 000 / (16 + (2 * 98 * 4 )) = 10 000 или 10 кГц

Чтобы установить скорость I2C на 50 кГц, мы используем значение TWBR 18 и установим предделитель в значение 4 (путем установки в 1 только бита 0 TWSR). Таким образом,

8 000 000 / (16 + (2 * 18 * 4)) = 50 000 или 50 кГц

Для более подробной информации смотрите документацию библиотеки Wire для Arduino. Суть в том, что мы можем выполнить изменение скорости I2C всего парой строк кода, что вы можете увидеть в тестовой программе.

Еще один важный момент, связанный с программирование, заключается в том, что нам в коде нужно использовать подпрограмму внешнего прерывания. Мы используем INT0 на Arduino, и, когда Si4844-A10 установит уровень на этом выводе в 1, выполнится простая функция, которая «привязана» к этому прерыванию. Всё, что делает эта функция, это изменяет значение переменной флага, которая может быть проверена и изменена в других частях программы. Si4844-A10 будет запускать прерывания (т.е. подавать уровень логической единицы на вывод INT) при определенных условиях, в основном в случае изменения сопротивления потенциометра настройки. Так Si4844-A10 сообщает Arduino, что вы повернули ручку настройки, и что необходимо обновить данные на дисплее.

Программирование Si4844-A10

По сути, Arduino посылает команды микросхеме радиоприемника по шине I2C, затем микросхема выполняет запрошенные действия и возвращает информацию о состоянии. Микросхема Si может работать в нескольких режимах, что позволяет настроить в ней точную частоту и нужные параметры. В этом проекте мы используем чип Si4844-A10 в режиме, который принимает предварительно определенные (или стандартные) диапазоны радиочастот с параметрами по умолчанию. Этот режим был выбран потому, что он легко дает доступ к базовому функционалу и при этом предлагает определенную степень настройки.

Вместо того, чтобы просто устанавливать значение «регистра» СВ/КВ/УКВ, в радиочипе может быть выбран один из 41 различных частотных диапазонов. Диапазоны 0–19 – ультракороткие волны (FM) 87–109 МГц; диапазоны 20–24 – средние волны (AM) 504–1750 кГц; диапазоны 25–40 – короткие волны 5,6–22,0 МГц (SW). Эти дипазоны различаются шириной, что может усложнить настройку. Более того, частотные диапазоны нескольких запрограммированных диапазонов равны или отличаются незначительно, но имеют различные параметры, например, предыскажения (УКВ/FM), ширина канала (СВ/AM), пороги разделения стереосигналов (УКВ/FM) и уровня принимаемого сигнала. Для полного понимания этого необходимо обратиться к техническому описанию и примечаниям к применению, где вы сможете увидеть таблицы диапазонов, а также все режимы, команды программирования и форматы ответов и статуса.

В данном проекте программное обеспечение будет обеспечивать доступ ко всем стандартным диапазонам, а также к управлению основными параметрами, включая изменение режима (AM/FM/SW), громкость, тон и отключение звука.

Добавление клавиатуры

Для управления радиоприемником нам необходимо устройство ввода. Для наших целей достаточно простой мембранной клавиатуры. Их легко подключить к Arduino. Ниже приведена иллюстрация назначения выводов клавиатуры (где строки, а где столбцы), которую использовал я, вы должны убедиться, что ваша клавиатура аналогична.

Простая мембранная клавиатура
Простая мембранная клавиатура
Подключение клавиатуры к Arduino
КлавиатураArduino
Строка 1D8
Строка 2D9
Строка 3D10
Строка 4D11
Столбец 1D13
Столбец 2D14
Столбец 3D15

В программном обеспечении я использовал библиотеку от Марка Стэнли и Александра Бревига, которая выпущена под лицензией GNU General Public License. Для проекта мы сопоставим функции с кнопками, как показано ниже.

Назначение кнопок для управления радиоприемником
Назначение кнопок для управления радиоприемником

Назначение кнопок клавиатуры:

  • AM: переключить в режим AM (средние волны), диапазон 22;
  • FM: переключить в режим FM (ультракороткие волны), диапазон 8;
  • SW: переключить в режим SW (короткие волны), диапазон 31.

Обратите внимание, что стандартные диапазоны для изменения режима настраиваются в программе и легко могут быть изменены. Кроме того, текущие значения громкости и тона будут перенесены в новый режим.

  • Vol+ / Vol- : Увеличить или уменьшить громкость на один шаг. Есть 64 уровня громкости. Поскольку в проекте используются колонки со встроенным усилителем, эти кнопки не сильно важны, но их наличие всё равно радует;
  • Band+/Band- : Изменение диапазона на один шаг, но из числа доступных в текущем режиме;
  • B/T+ / B/T- : Увеличить или уменьшить тон на один шаг. Я признаю, что несколько вольно использую термин «тон». Для режима FM это увеличит или уменьшит уровень низких частот от 0 (макс. бас) до 8 (макс. высокий). Для режимов AM/SW это установит канальный фильтр от 1 до 7. Фильтры составляют 1.0 кГц, 1.8 кГц, 2.0 кГц, 2.5 кГц, 2.83 кГц, 4.0 кГц и 6.0 кГц соответственно. Также обратите внимание, что для простоты и удобства программирования (т.е. лени) в режимы AM/SW могут быть добавлены уровни 0 и 8, но они не будут отличаться от уровней 1 и 7 соответственно;
  • Mute: Включить или выключить звук на выходе.

Добавление дисплея

Теперь, когда у нас есть устройство ввода, нам необходима возможность отображать настройки радиоприемника. Я не смог придумать ничего лучше, чем использовать дисплей от старых мобильных телефонов Nokia 5110/3310.

Дисплей Nokia 5110/3310
Дисплей Nokia 5110/3310

При работе с этим дисплеем необходимо учитывать два важных момента. Во-первых, существует несколько разновидностей этих дисплеев, и у них могут быть разные распиновки. Вы должны проверить распиновку на своем дисплее, убедиться, что он на самом деле работает от 3,3 В, и проверить правильность подключения к Arduino Pro Mini. Во-вторых, поскольку все входы/выходы Arduino используют напряжение 3,3 В, мне не пришлось использовать понижающие резисторы, которые вы обычно видите, когда эти дисплеи используются 5-вольтовыми платами Arduino, например, Uno.

Подключение дисплея Nokia 5110/3310 к Arduino
Вывод дисплея / НазначениеВывод Arduino или точка на схеме
1-RSTD3
2-CED4
3-DCD5
4-DIND6
5-CLKD7
6-VCCVcc (3.3v)
7-LIGHTGND
8-GNDGND

В программе я решил использовать библиотеку LCD5110_Basic, которая быстра и очень проста в использовании.

На рисунке ниже показан заполненный данными дисплей радиоприемника.

Дисплей Nokia 5110/3310 при использовании в радиоприемнике
Дисплей Nokia 5110/3310 при использовании в радиоприемнике (на скриншоте некорректно показаны единицы измерения частоты mHz, в прошивке это исправлено MHz)

Начиная с левого верхнего угла, мы показываем:

  • строка 1 – режим (AM/FM/SW) и номер диапазона;
  • строка 2 – частотный диапазон;
  • строка 3 – уровни громкости и баса/тембра;
  • строка 4 – текущая частота (МГц или кГц);
  • строка 1 – индикаторы стерео (только для FM) и выключения звука (если активно).

Разумеется, эта информация постоянно обновляется, чтобы показывать изменения в настройках или вводе с клавиатуры.

Собранный радиоприемник

Ниже представлен собранный на макетной плате проект радиоприемника – возможно, не такой аккуратный, каким мог бы быть (хорошо, здесь полный бардак), но полностью рабочий. Конечно, качество его работы можно улучшить только с помощью окончательной сборки.

Макет радиоприемника на Arduino
Макет радиоприемника на Arduino

Программное обеспечение для запуска приемника доступно для загрузки ниже. Оно снабжено комментариями и, надеюсь, легко понятно и при необходимости легко модифицируется. Основной цикл программы очень прост. Он (1) проверяет и отображает любое изменение частоты приемника и (2) проверяет, выполнено ли нажатие клавиши, и, если да, выполняет соответствующую команду. Остальная часть программы состоит из вспомогательных функций.

Я был очень впечатлен качеством приема с учетом того, что это просто макет. В FM всё очень хорошо. На средних волнах тоже всё нормально, и я смог принять довольно много сигналов на коротких волнах. Тем не менее, качество приема может быть улучшено за счет использования нормальных антенн.

Заключение

Это был сложный и приятный проект. Я определенно поражен микросхемой Si4844-A10 и ее возможностями. Этот проект только слегка затронул её функционал и может послужить основой чего-то для более сложного.

Код программ


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке