INTRODUZIONE
Con
questo progetto si puo' inviare, tramite seriale da un Arduino Uno ad
un Arduino Mega, sia un byte singolo (di comando) che un segnale audio
digitalizzato mediante due tasti individuali. La natura del
sistema che propongo e' del tutto didattica e serve solo a dimostrare
come sia possibile, su un unica linea, mandare un dato che potrebbe, ad
esempio, essere usato per attivare o disattivare una funzione
sull'Arduino ricevitore e un audio da ascoltare in altoparlante. Ciò
non toglie che questo sistema, se opportunamente arricchito, potrebbe
essere usato come interfonico digitale aggiungendo una linea RX-TX
(oppure utilizzarne solo una con lo standard RS485), dei microfoni ed
degli altoparlanti, usando un tasto come "parla ascolta" e l'altro per far
suonare un cicalino sull'interfonico remoto per la chiamata e
modificando un po' i programmi creandone uno identico per le due
postazioni. Nel caso vi cimenterete in tale lavoro vi converra'
sostituire l'Arduino Uno con un Arduino Mega perche' quest'ultimo
dispone di porte a 8 bit mentre il primo non le ha, esse
sono necessarie per inviare un byte al convertitore DAC con una
sola istruzione senza usare due porte di tipo diverso e relativi
spostamenti dei singoli bit.
Nella figura seguente e' rappresentato lo schema a blocchi del sistema.
Nella figura seguente e' rappresentato lo schema a blocchi del sistema.
BUFFER D'INGRESSO
Gli scopi del buffer d'ingresso sono 3:
1) Presentare all'ingresso analogico A0 una resistenza ed una capacita' basse.
2) Fornire, assieme al segnale, un bias opportuno.
3) Limitare la banda per attenuare l'aliasing in uscita del DAC.
1) Il primo scopo viene raggiunto dalla natura stessa dell'operazionale, gli operazionali presentano, mediamente, in uscita resistenze dell'ordine dell'ohm e capacita' dell'ordine del pF.
Nella figura seguente lo schema elettrico del buffer d'ingresso.
Il condensatore C1 deve essere del tipo non polarizzato, se avete difficolta' a reperirlo potete sostituirlo con due condensatori da 22uF collegati in serie in controfase.
1) Presentare all'ingresso analogico A0 una resistenza ed una capacita' basse.
2) Fornire, assieme al segnale, un bias opportuno.
3) Limitare la banda per attenuare l'aliasing in uscita del DAC.
1) Il primo scopo viene raggiunto dalla natura stessa dell'operazionale, gli operazionali presentano, mediamente, in uscita resistenze dell'ordine dell'ohm e capacita' dell'ordine del pF.
2) Il bias
deve avere un valore opportuno per poter far lavorare l'ADC in maniera
simmetrica per le due semionde del segnale audio. Anche se Arduino usa
10 bit per convertire un segnale analogico in uno digitale, in
questo progetto ne uso solo 8 per rendere il tutto piu'
facilmente e velocemente gestibile. Si vedra' dopo che il DAC
funziona anche lui con 8 bit e che il fondo scala raggiungibile
da esso e' 5V con un valore di byte pari a 255 e 0V
con un valore di byte pari a 0V. Questo ci fa intendere che il punto di
riposo, in assenza di segnale, deve stare a meta' tra questi due
valori, ovvero deve essere a 2.5V. Questo e' il valore di bias
che deve fornire il buffer d'ingresso. Per portare
l'uscita dell'operazionale del DAC a quel valore in modo preciso ho usato
un potenziometro che dovrete regolare nella fase preliminare del
collaudo usando un tester.
3) La banda deve essere limitata a
frequenze leggermente superiori a quella piu' alta della voce che e'
pari a 3400Hz, per non attenuare troppo le armoniche contenute nella
voce e al contempo attenuare l'aliasing, ho
deciso di scegliere una frequenza di taglio di 10KHz, un buon
compromesso.Nella figura seguente lo schema elettrico del buffer d'ingresso.
Il condensatore C1 deve essere del tipo non polarizzato, se avete difficolta' a reperirlo potete sostituirlo con due condensatori da 22uF collegati in serie in controfase.
ARDUINO UNO
Tanto
per cominciare conviene, per avere un buona rappresentazione digitale
della voce, settare Arduino Uno per la frequenza piu' alta possibile di
campionamento, questo si fa scrivendo nel programma le seguenti righe:
A queste impostazioni, in teoria, la frequenza di campionamento dovrebbe essere pari a 76.8 KHz, pero' facendo delle misurazioni ho trovato che quella reale e' 35.714 KHz corrispondente ad un tempo di campionamento di 28 uS. Quindi, ogni 28 uS e' pronto un pacchetto di dati da 8 bit che hanno una velocita' di:
Velocita' dei pacchetti = 8 / (20 * 10^(-6)) = 285714 bps (bit per secondo)
La velocità della seriale deve essere, per sicurezza, maggiore di quella dei pacchetti affinche' questi non arrivino i ritardo al ricevitore causando distorsione del segnale campionato, una velocita' di 500000 bps e' una buona scelta.
Il programma caricato su Arduino Uno e' piuttosto semplice; alla pressione del pulsante collegato al pin 3 vengono spediti i byte della conversione uno dopo l'altro ad Arduino Mega, mentre se viene premuto il pulsante collegato al pin 4 viene spedito un solo byte che ricevuto da Arduino Mega fara' illuminare un led, ad esso collegato, per un secondo .
Per poter discriminare il byte di attivazione del led dagli altri della conversione (che farebbero illuminare il led in continuazione) ho limitato il valore di questi ultimi a 254 lasciando riservato il byte di valore 255 per l'accensione del led.
Limitare il valore dei byte della conversione a 254 serve anche per non far degradare il segnale audio nel caso si superi il valore 255 (per troppo segnale in ingresso), infatti la conversione superato il valore B11111111 seguita a fornire valori maggiori che prima azzererebbero gli 8 bit bassi e poi li incrementerebbero portando il segnale convertito dal massimo valore a zero e successivamente da zero al valor massimo e cosi via.
Nella figura seguente e' visualizzata la forma d'onda del segnale spinto oltre il valore binario 254, come si vede, grazie al programma, oltre quel livello non puo' andare (e sotto neppure dato che il valore non puo' scendere sotto lo zero), si trova cioe' nella classica situazione di clipping ben conosciuta nel campo analogico (si noti la simmetria tra la semionda negativa e quella positiva dovuta al bias di cui abbiamo parlato a proposito del buffer d'ingresso).
Quando non viene premuto alcun pulsante il programma spedisce in continuazione un byte di valore 128, questo serve per far si che in uscita del DAC (collegato ad Arduino Mega) sia presente una continua di 2.5V anche in assenza di segnale audio, se non fosse cosi la tensione all'uscita del DAC sarebbe pari a zero e al momento dell'invio dei dati della conversione salirebbe velocemente a 2.5V causando quel fastidioso "bum" in altoparlante.
Il diagramma di flusso del programma di Arduino Uno e' raffigurato nella seguente immagine.
A queste impostazioni, in teoria, la frequenza di campionamento dovrebbe essere pari a 76.8 KHz, pero' facendo delle misurazioni ho trovato che quella reale e' 35.714 KHz corrispondente ad un tempo di campionamento di 28 uS. Quindi, ogni 28 uS e' pronto un pacchetto di dati da 8 bit che hanno una velocita' di:
Velocita' dei pacchetti = 8 / (20 * 10^(-6)) = 285714 bps (bit per secondo)
La velocità della seriale deve essere, per sicurezza, maggiore di quella dei pacchetti affinche' questi non arrivino i ritardo al ricevitore causando distorsione del segnale campionato, una velocita' di 500000 bps e' una buona scelta.
Il programma caricato su Arduino Uno e' piuttosto semplice; alla pressione del pulsante collegato al pin 3 vengono spediti i byte della conversione uno dopo l'altro ad Arduino Mega, mentre se viene premuto il pulsante collegato al pin 4 viene spedito un solo byte che ricevuto da Arduino Mega fara' illuminare un led, ad esso collegato, per un secondo .
Per poter discriminare il byte di attivazione del led dagli altri della conversione (che farebbero illuminare il led in continuazione) ho limitato il valore di questi ultimi a 254 lasciando riservato il byte di valore 255 per l'accensione del led.
Limitare il valore dei byte della conversione a 254 serve anche per non far degradare il segnale audio nel caso si superi il valore 255 (per troppo segnale in ingresso), infatti la conversione superato il valore B11111111 seguita a fornire valori maggiori che prima azzererebbero gli 8 bit bassi e poi li incrementerebbero portando il segnale convertito dal massimo valore a zero e successivamente da zero al valor massimo e cosi via.
Nella figura seguente e' visualizzata la forma d'onda del segnale spinto oltre il valore binario 254, come si vede, grazie al programma, oltre quel livello non puo' andare (e sotto neppure dato che il valore non puo' scendere sotto lo zero), si trova cioe' nella classica situazione di clipping ben conosciuta nel campo analogico (si noti la simmetria tra la semionda negativa e quella positiva dovuta al bias di cui abbiamo parlato a proposito del buffer d'ingresso).
Quando non viene premuto alcun pulsante il programma spedisce in continuazione un byte di valore 128, questo serve per far si che in uscita del DAC (collegato ad Arduino Mega) sia presente una continua di 2.5V anche in assenza di segnale audio, se non fosse cosi la tensione all'uscita del DAC sarebbe pari a zero e al momento dell'invio dei dati della conversione salirebbe velocemente a 2.5V causando quel fastidioso "bum" in altoparlante.
Il diagramma di flusso del programma di Arduino Uno e' raffigurato nella seguente immagine.
DAC
Sul
convertitore DAC c'e' poco da dire se non della importanza di C1,
questo condensatore serve per arrotondare gli scalini della conversione
e diminuire l'effetto aliasing, C1 con R18 costituisce un filtro
passa basso con frequenza di taglio prossima a 4KHz.
Schema del DAC.
Nelle figure seguenti sono rappresentate diverse forme d'onda del segnale analogico convertito (quello in basso e' il segnale analogico in ingresso).
1) Segnale a 3500 Hz circa senza condensatore C1 (freeze).
2) Segnale a 3500 Hz circa con condensatore C1 (freeze).
3) Segnale a 3500 Hz circa con condensatore C1 (free run).
Schema del DAC.
Nelle figure seguenti sono rappresentate diverse forme d'onda del segnale analogico convertito (quello in basso e' il segnale analogico in ingresso).
1) Segnale a 3500 Hz circa senza condensatore C1 (freeze).
2) Segnale a 3500 Hz circa con condensatore C1 (freeze).
3) Segnale a 3500 Hz circa con condensatore C1 (free run).
ARDUINO MEGA
Il
programma di Arduino Mega e' continuamente in ascolto sulla seriale per
un dato in arrivo, se arriva quello con valore 255 illumina il led per
1 secondo, se no invia il dato al DAC.
Nella figura seguente il suo digramma di flusso.
File sorgente
Fabio
Nella figura seguente il suo digramma di flusso.
COLLEGAMENTI
File sorgente
Fabio