RADIOODBIORNIK RDS NA MIKROKONTROLERZE AVR ATMEGA88, W OPARCIU O UKŁAD RDA5807M

(1)

DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.95.0004

__________________________________________

* Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Paweł KARDAŚ

^*

, Jakub PĘKSIŃSKI

^*

RADIOODBIORNIK RDS NA MIKROKONTROLERZE AVR ATMEGA88, W OPARCIU O UKŁAD RDA5807M

W artykule autorzy przedstawili nowatorskie podejście do tematu radia RDS (eng.

Radio Data System). W zaproponowanym rozwiązaniu, mikrokontroler komunikuje się z układem radioodbiornika za pomocą magistrali I2C, sprawdzając poszczególne adresy pamięci, pod którymi kryją się aktualne dane z radiowego systemu danych. Wybór stacji, czy dostrajanie częstotliwości odbywa się za pomocą intuicyjnego menu użytkowni- ka na wyświetlaczu OLED I2C. Wykorzystując przyciski micro switch lub korzystając z pilota podczerwieni użytkownik jest w stanie wybrać stację radiową, a nawet ustawić alarm i zamienić niewielkich wymiarów mobilne radio w wygodny budzik

1. WPROWADZENIE

Pod koniec lat siedemdziesiątych dwudziestego wieku rozpoczęto prace nad wynalezieniem innowacyjnej technologii mającej na celu wprowadzić ułatwienia w posługiwaniu się odbiornikami UKF FM. Pierwsze projekty systemu przeka- zującego dodatkowe informacje i zarazem nie powodującego zakłóceń zostały przedstawione przez kraje takie jak Finlandia, Francja, Holandia, Szwecja i Wielka Brytania. Przeprowadzone testy wykazały, że system przygotowany przez Szwedów okazał się najbardziej trafny. Na podstawie treści zawartych w artykule Krzysztofa Sagana [1] wynika, że w 1986 roku Międzynarodowy Komitet Radiokomunikacyjny (CCIR) zalecił stosowanie go do przekazywania dodatkowych informacji wraz z sygnałem stacji UKF. Od tego czasu system RDS został stopniowo wprowadzany w poszczególnych krajach Europy. W Pol- sce został wprowadzony w roku 1990.

Popularne urządzenia odbiorcze wyposażone w tytułowy RDS są w obecnych czasach pewnego rodzaju standardem. Użytkownicy mają dostęp do wersji od- biorników zarówno stacjonarnych, samochodowych jak i przenośnych, które stanowią trzy charakterystyczne grupy radioodbiorników, różniące sie (w zależno- ści od miejsca użytkowania) przede wszystkim obudową oraz licznymi podzespo- łami elektronicznymi mającymi zazwyczaj na celu zwiększenie wygody użytko-

(2)

36 Paweł Kardaś, Jakub Pęksiński

wania. Przykładowe radioodbiorniki zaliczające się do wyżej wymienionych grup można znaleźć w dziale spisu odbiorników na stronie radiopolska.pl [2].

RDS z tłumaczenia na język polski oznacza system danych radiowych. Sys- tem ten charakteryzuje się pewnymi funkcjonalnościami, dzięki którym stosun- kowo łatwo jest go zaimplementować w niezależnych i autorskich prototypach radioodbiorników. Wyróżniamy osiem charakterystycznych funkcji omawianej technologii RDS [3], które definiują przesyłane informacje:

‒ Programme Services (PS) – nazwa stacji,

‒ Programme Type (PTY) – charakter programu,

‒ Radio Text (RT) – dowolny tekst,

‒ Clock Time and Date (CT) – aktualny czas i data,

‒ Traffic Programme / Traffic Announcement (TP/TA) – informacje dla kie- rowców,

‒ Programme Identification (PI) – kod identyfikacyjny stacji,

‒ Alternative Freqensiec (AF) – lista alternatywnych częstotliwości,

‒ Enhanced Other Networks (EON) – informacje o programach innych stacji.

Definicję systemu danych radiowych można przedstawić jako częstotliwość pomocniczą (tzw. podnośną), z możliwością modyfikacji za pomocą informacji cyfrowych, która zostaje dodana do tradycyjnej emisji ultra krótkich fal (UKF) modulowanych częstotliwościową (FM, z ang. Frequency Modulation); pozwa- lającą na wydzielanie strumienia danych przez odpowiednio przystosowane odbiorniki, a co za tym idzie poprawę odbioru oraz możliwość dostarczania dodatkowych informacji (które zostały wymienione jako funkcje RDS w po- przednim akapicie) [4].

Zasadę działania technologii, można opisać w sposób następujący: sygnał nadawany przez stację radiową UKF zawiera dodatkowo zakodowane informacje (na podnośnej 57 kHz) zarówna dla samego odbiornika jak i odbiorcy. Użyt- kownik radioodbiornika jest w stanie zaobserwować na wyświetlaczu urządzenia informacje takie jak min. nazwa stacji, aktualna data i godzina, czy dowolny tekst wysyłany z wybranej radiostacji. Podczas gdy sam odbiornik odbiera dane min. do strojenia urządzenia, a w związku z tym, informacje te są powtarzane o wiele częściej niż informacje wyświetlane słuchaczowi takie jak nazwa stacji, czy aktualny czas. Dzięki temu użytkownik nie jest w stanie rozróżnić momen- tów, w których odbiornik przełącza się na odbiór z lepszego nadajnika. Proces ten nie koliduje w żaden sposób z informacjami dla odbiorcy.

2. AUTORSKI RADIOODBIORNIK RDS

Ideą na konstrukcję niezależnego urządzenia, przedstawionego w artykule, wykorzystującego radioodbiornik RDS była potrzeba pokazania możliwości stworzenia uniwersalnego i niewielkiego radia, które można wykorzystać do

(3)

różnego rodzaju imprez plenerowych. Drugą sprawą była chęć nauki oraz po- znania nowych narzędzi software’owych związanych z projektowaniem: sche- matów, układów elektronicznych; programowaniem oraz fizycznym montażem zaprojektowanych układów.

2.1. Założenia projektu

Do celów projektowych autorzy przyjęli następujące założenia projektowe:

‒ Odbiór sygnałów ze stacji UKF FM oraz RDS,

‒ Wyświetlanie informacji z RDS na wyświetlaczu typu OLED,

‒ Możliwość odtwarzanie dźwięku za pomocą wbudowanego głośnika oparte- go na wzmacniaczu typu mono audio,

‒ Możliwość odtwarzania dźwięku poprzez słuchawki zewnętrzne, wykorzy- stując złącze typu Jack 3.5 mm oraz sygnał z wykorzystanego radioodbiornika FM,

‒ Wyświetlanie aktualnego czasu, daty oraz temperatury na wyświetlaczu typu OLED w oparciu o układ RTC,

‒ Możliwość ustawienia alarmu w oparciu o układ RTC,

‒ Intuicyjny interface użytkownika w oparciu o wyświetlacz typu OLED, trzy przyciski typu micro switch oraz pilot IR,

‒ Wyprowadzone złącze do komunikacji Bluetooth / WiFi (możliwość rozwi- nięcia urządzenia o komunikację z urządzeniami w sieci IoT),

‒ Zasilanie urządzenia niewielkim akumulatorem typu Li-Poly, wykorzystując przetwornicę ATB-LION,

‒ Możliwość ładowania urządzenia za pomocą przewodu micro USB, w oparciu o ładowarkę ATB-LION.

W powyższej liście głównych funkcjonalności urządzenia nie uwzględniono elementów „pasywnych” z punktu widzenia użytkownika (np. testowa dioda LED, układu konwersji napięć itd.). Zostaną one wymienione i opisane w pod- rozdziałach 2.2 oraz 2.3.

2.2. Wykorzystane podzespoły elektroniczne

W projekcie zastosowano wiele elementów elektronicznych pasywnych, ak- tywnych oraz gotowych układów scalonych. Zdecydowanie większa część ele- mentów przystosowana jest do montażu powierzchniowego (SMD) aby zmini- malizować powierzchnie płytki jak i całego urządzenia.

Poniżej znajduje się spis wszystkich wykorzystanych elementów:

‒ Mikrokontroler AVR ATMEGA88-AU, dokumentacja firmy Microchip [5],

(4)

‒ Układ RTC DS3231 – układ zegara czasu rzeczywistego z wbudowanym czuj- nikiem temperatury, dokumentacja techniczna firmy Maxim integrated [6],

‒ Układ RDA5807M – układ radioodbiornika FM z RDS, dokumentacja techniczna firmy RDA microelectronics [7],

‒ Układ TDA7052A – układ wzmacniacza mono audio, dokumentacja techniczna firmy NXP [8],

‒ Układ MCP1700T – stabilizator napięcia 3,3 V,

‒ Układ ATB-LION – moduł przetwornicy DC-DC (napięcie wyjściowe 5V) oraz ładowarki akumulatorów typu Li-Poly (maksymalny prąd ładowania 500 mA) , dokumentacja techniczna firmy ATNEL [9],

‒ Układ TSOP311236 – odbiornik podczerwieni,

‒ Wyświetlacz OLED I2C 128x64,

‒ Złącze typu Jack 3.5 mm,

‒ Rezystory: 0 Ω, 180 Ω, 510 Ω, 10 kΩ, 39 kΩ, 56kΩ, 100 kΩ, 330 kΩ, 1M Ω,

‒ Kondensatory ceramiczne: 22 pF, 1 µF, 10 µF,

‒ Kondensatory bipolarne: 22 µF, 100 µF,

‒ Dławiki: 10 nH, 10 µH,

‒ Tranzystory: N-MOSFET BSS138 – konwersja 5 V do 3,3 V na potrzeby komunikacji I2C z układem RDA5807M,

‒ Kwarc: 18.432 MHz,

‒ Złącza szpilkowe 2.54mm – uniwersalne wyjście linii Rx, Tx, VCC, GND / transmisja SPI,

‒ Akumulator litowo-polimerowy (Li-Poly) 2,8 V ~ 4,2 V.

2.3. Schemat układu elektronicznego

Schemat urządzenia został podzielony na części funkcyjne. Poszczególne z nich przedstawione są poniżej wraz z opisem.

(5)

Ry

Rys. 3. Za

ys. 2. Układ rad

asilanie układu

Rys. 1. Jedno

dioodbiornika F

- przetwornica (na po

ostka sterująca –

FM z RDS oraz

DC/DC 5V / ła otrzeby RDA58

– ATMEGA88

konwersja nap

adowarka oraz s 807M)

pięcia 5V do 3,3

stabilizator nap 3 V

ięcia 3,3 V

(6)

40

R

Rys. 6

Oprog w języku [10, 11]. W

Rys. 4. Układ w

Rys. 5. Ukł

. Układ odbiorn

2

ramowanie

C w środow Wgrywanie k

Paweł K

wzmacniacza m

ład zegara RTC

nika podczerwie

2.4. Zasada

do mikroko wisku Eclips kodu oraz te

Kardaś, Jakub P

mono audio oraz

C oraz wyjście m

eni oraz układ p

a działania

ontrolera AV se na podsta estowanie uk

Pęksiński

z układ wejścia

magistrali progr

podłączenia wy

urządzenia

VR ATMEG

awie książek kładu odbywa

słuchawkoweg

ramowej SPI

yświetlacza OLE

a

GA88 zostało k Mirosława ało się za po

go

ED I2C

o napisane a Kardasia omocą ma-

(7)

gistrali SPI i programatora USP-ASP. Program został napisany na podstawie założeń przedstawionych w podrozdziale 2.1.

Komunikacja między mikrokontrolerem, a układem radioodbiornika RDA 5807M odbywa się poprzez magistralę I2C. Jak można zauważyć na schemacie (rys. 1) ATMEGA88 zasilana jest napięciem 5 V, a RDA5807M napięciem 3,3 V (rys. 2). Aby można było bezpiecznie komunikować się pomiędzy układami zasilanymi napięciami 5 V oraz 3,3 V należało zastosować prosty układ konwersji napięć wykorzystujący tranzystory typu N-MOSFET BSS138 wraz z rezysto- rami PULL-UP na 3,3 V. Program działa na zasadzie pobierania danych z po- szczególnych adresów pamięci układu radioodbiornika, w których przetrzymy- wane są min. aktualne odczyty RDS. Odpytywanie układu RDA5807M odbywa się w sposób nieblokujący, a konkretnie w oparciu o licznik programowy utwo- rzony na bazie licznika (TIMERx/COUNTERx) sprzętowego. Odczytane informacje są konwertowane na zmienne typu „string” poprzez załadownie ich do bufora znaków (zmienne typu char), po czym zostają wysłane również za pomo- cą magistrali I2C na wyświetlacz OLED. W którym wyświetlanie odbywa się także w oparciu o liczniki programowe.

Równo co sekundę odpytywany jest układ zegara czasu rzeczywistego (RTC), skąd pobierana zostaje aktualna data, godzina oraz temperatura. Infor- macje są następnie przesyłane na wyświetlacz.

Za pomocą przycisków micro switch lub pilota podczerwieni (tryb kodowa- nia RC5) można rozwinąć menu użytkownika, z poziomu którego można usta- wić bieżący czas, datę, alarm oraz zwiększyć lub zmniejszyć poziom głośności (w zależności od podpiętych słuchawek lub nie podpiętych) za pomocą wzmacniacza TDA7052A lub RDA5807M. Po za wchodzeniem i wychodzeniem z menu użytkownik, może dokonać zmiany częstotliwości – zmiany odbieranej stacji.

Komunikacja mikrokontrolera z układem DS3231 odbywa się na takiej samej zasadzie jak w przypadku radioodbiornika.

Domyślnie po podłączeniu zasilania układ odtwarza dźwięk z wbudowanego głośnika połączonego z układem wzmacniacza mono audio TDA7052A. W pro- gramie na bieżąco sprawdzane jest czy do złącza Jack podpięto słuchawki. Jeżeli dojdzie do takiej sytuacji, zostanie wywołane zdarzenie, które przełączy odtwarzanie dźwięku z głośnika wbudowanego połączonego ze wzmacniaczem, bez- pośrednio na układ RDA5807M.

(8)

42

Można rzystanie furtkę jeż otwarcia m

Zaletą jak: DS32 ona z mik na oszczę tokołu ko larnie sto radiopolsk przenośne stosowany zastępowa montażow nie urząd bodność w

2.5 3. P

a stwierdzić, z liczników żeli chodzi o możliwości u

dobranych 231, wyświet krokontrolere ędność pamię omunikacyjne sowanych n ka.pl [2]) ta e, projekt ce y zamiast tra ać wszelkieg we (w każdy dzenia w wie

w rodzaju ew

Paweł K

5. Podgląd u

Rys. 7

PODSUMO

, że program sprzętowych wdrażanie n układu dla in

układów fu tlacz OLED em za pomo ęci pod wzgl ego dla trzec na rynku (na akich jak rad chuje się nie adycyjnych go rodzaju w ym rogu płyt

elu miejscach wentualnego

Kardaś, Jakub P

urządzenia

7. Prototyp - mo

OWANIE P

m został napi

h oraz progra nowych pom nnych urządz

nkcyjnych z oraz RDA5 ocą magistral lędem objęto ch układów)

podstawie s dia samocho

ewielkimi ga odbiorników większe radi ty PCB) umo

h, zostawiaj o montażu ur

Pęksiński

a w widoku

odel 3D

ROJEKTU

isany w post

amowych). C mysłów do p

zeń w sieci Io zastosowanyc 807M jest fa li I2C. Takie ości kodu (ob ). W stosunk

spisu radioo dowe czy z abarytami dz w RDS w śro

a przenośne ożliwiają uni

ąc przy tym rządzenia. K

3D

U

taci niebloku Co pozostaw rojektu, jak oT.

ch w projek akt, że komu e rozwiązani

bsłużenie jed ku do rozwią

dbiorników wykłe radio zięki czemu odkach trans . Zastosowa iwersalne za m użytkownik Kolejną i najw

ującej (ko- wia otwartą

chociażby kcie takich unikują się ie pozwala dnego pro- ązań popu- na stronie oodbiorniki może być sportu czy ane otwory amontowa-

kowi swo- ważniejszą

(9)

cechą projektu w porównaniu do popularnych radioodbiorników RDS jest moż- liwość zastosowania urządzenia w sieci IoT jako stacji centralnej, dzięki czemu nie zamykamy się wyłącznie na odbiór danych ze stacji radiowych ale umożli- wiamy użytkownikowi dostęp do szerszego zakresu funkcji takich jak komunikacja z urządzeniami zewnętrznymi korzystając z sieci Wi-Fi lub transmisji Bluetooth; jak np. komputery PC, czy tablety.

LITERATURA

[1] Sagan K., Historia radiofonii w Polsce: Prawie wolny rynek (1989-1994), radiopolska.pl/portal/article.php?story=Prawie_wolny_rynek, 2013.

[2] Sagan K. redaktor naczelny radiopolska.pl, spis popularnych radioodbiorników, radiopolska.pl/portal/staticpages/index.php?page=odbiorniki, 2004-2008.

[3] Sagan K., Funkcje RDS, radiopolska.pl/portal/staticpages/index.php?page=rds- funkcje, 2007.

[4] Sagan K., RDS, radiopolska.pl/portal/staticpages/index.php?page=rds, 2007.

[5] Dokumentacja firmy microchop, mikrokontrolera AVR ATMEGA88:

https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega88, 2016.

[6] Dokumentacja firmy maxim integrated, układu RTC DS3231:

https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS3231.pdf, 2015.

[7] Dokumentacja firmy RDA microelectronics, układu radioodbiornika RDA5801M:

http://cxem.net/tuner/files/tuner84_RDA5807M_datasheet_v1.pdf, 2011.

[8] Dokumentacja firmy NXP, układu wzmacniacza mono audio:

https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/TDA7052A_AT.pdf, 1991.

[9] Dokumentacja firmy ATNEL, przetwornicy DC/DC: http://atnel.pl/digi-lion- 3.html, 2016.

[10] Kardaś M., Mikrokontrolery AVR Język C – podstawy programowania, Wydaw- nictwo ATNEL, Szczecin, ISBN 978-83-931797-2-5, 2013.

[11] Kardaś M., Język C Pasja programowania mikrokontrelrów 8-bitowych, Wydaw- nictwo ATNEL, Szczecin, ISBN 978-83-931797-4-9, 2014.

RDS RADIO BASED ON AVR ATMEGA88 MICROCONTROLLER AND RDA5807M SYSTEM

In the article authors presented an innovate approach to the issue radio RDS (Radio Data System). In the proposed solution, the microcontroller communicates with the radio system via the I2C bus, checking individual memory addresses under which current data from the radio data system is hidden. Selection of the station, whether frequency tuning is carried out using the intuitive user menu on the OLED I2C display. By using a micro switch or infrared remote control, the user can select a radio station and even set alarm and change the small dimensions of a mobile radio into a convenient alarm clock. By minimizing the number of electronic components and using one bus for data transmis-

(10)

sion, small dimensions of the device have been achieved and with that fact, the device can be placed almost anywhere.

(Received: 31.01.2018, revised: 09.03.2018)