Progetto di un sistema di comunicazione audio wireless a luce visibile basato su ESP32 – Parte 2

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Nella prima parte del progetto del sistema di comunicazione audio wireless a luce visibile abbiamo introdotto il progetto e ne abbiamo anche descritto i principali componenti, ossia il diodo led del trasmettitore, il fotodiodo del ricevitore e la scheda di sviluppo ESP32 DEVKIT C V4. In questo articolo, completeremo la descrizione del progetto approfondendo il funzionamento mediante la trattazione dettagliata delle schede del trasmettitore e del ricevitore.

Il trasmettitore

Il trasmettitore ha la funzione di inviare in modalità wireless segnali ad audiofrequenza mediante l’emissione di impulsi luminosi da un diodo LED bianco. All’ingresso del trasmettitore è possibile applicare vari tipi di sorgenti audio ad esempio provenienti da computer, sintonizzatori radio, lettori MP3, iPOD, amplificatori stereo, ecc., provvisti di uscita line-out e/o uscita cuffie.

Seguendo lo schema elettrico del trasmettitore riportato in Figura 1, l’elemento fondamentale del progetto è il microcontrollore ESP32, il tuttofare del sistema di trasmissione, in quanto acquisisce i campioni analogici del segnale audio e ne effettua la conversione analogico-digitale il cui risultato numerico viene utilizzato dall’ESP32 per determinare per ogni valore restituito dall’ADC il corrispondente duty-cycle del segnale PWM che l’ESP32 è in grado di generare e far uscire da una delle sue porte digitali tramite uno dei canali della sua periferica LEDC di generazione di frequenze PWM.

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Figura 1: Schema elettrico del trasmettitore

Come si osserva nella rappresentazione grafica delle forme d’onda sinusoidale e impulsiva PWM (Figura 2) la larghezza dell’impulso PWM, quindi il duty cycle, varia in maniera direttamente proporzionale all’ampiezza del segnale audio applicato all’ingresso del convertitore ADC dell’ESP32. In pratica, la forma d’onda audio viene campionata e convertita in un valore numerico dall’ADC, ovvero ogni campione del segnale audio corrisponde ad un valore di duty cycle del segnale PWM.

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Figura 2: Forme d’onda sinusoidale e PWM

Il segnale audio applicato all’ingresso del trasmettitore, amplificato dallo stadio U2:C dell’integrato operazionale quadruplo U2 LM324, viene inviato all’ingresso della porta analogica GPIO36 corrispondente al canale ADC1_CH0 dell’ESP32, quindi, il segnale audio viene campionato e il risultato digitale numerico della conversione viene inserito all’interno di una variabile del codice che contiene il valore del duty-cycle del segnale PWM all’uscita della porta digitale GPIO17. Il segnale PWM con duty cycle modulato dall’ampiezza del segnale audio viene applicato al generatore di corrente costante costituito dai transistor 2N2222 Q1 e Q2 che pilota il LED a luce bianca con una corrente costante di 20 mA, per la durata dell’impulso positivo del segnale PWM.

Soffermiamoci ora sul ruolo degli operazionali dell’integrato U2 LM324. U2:B è un buffer usato per riportare all’ingresso non invertente dello stadio successivo U2:A un livello di tensione continua regolabile da sovrapporre al segnale audio per far sì che il convertitore A/D dell’ESP32 abbia la massima dinamica di conversione ed evitare inoltre che il valore ohmico del trimmer RV1 interferisca con l’impedenza dello stadio successivo. Infatti, U2:A è un operazionale sommatore che effettua la somma del segnale audio in uscita dall’amplificatore U2:C applicato all’ingresso invertente di U2:A, con la tensione continua regolata applicata all’ingresso non invertente sempre di U2:A. L’uscita di U2:A sarà quindi un segnale analogico con offset che viene applicato al buffer U2:D la cui uscita è collegata alla porta ADC GPIO36 dell’ESP32 che provvede alla conversione A/D del segnale audio.

Per la lettura e la conversione analogica-digitale del segnale audio viene scelta una frequenza di campionamento di 50 KHz, ovvero più del doppio della massima frequenza del segnale audio applicato all’ADC nella banda da 20 Hz a 20 KHz, quindi un periodo di campionamento di 20 µs (l’ADC legge un campione analogico della forma d’onda audio ogni 20 us) che soddisfa il requisito del minimo tempo necessario alla periferica A/D per l’acquisizione del campione analogico. Viene scelta la frequenza di 50 KHz anche per il segnale portante PWM. L’alimentazione del trasmettitore può essere fornita collegando il connettore microUSB della scheda di sviluppo ESP32 al computer o ad un power bank esterno con uscita a +5 V. L’ESP32 tramite il pin 3V3 fornisce una tensione di alimentazione a 3,3 V all’integrato U2 LM324 e, mediante il pin 5VO, una tensione di 5 V ai transistor driver del led e al led.

Il ricevitore

In Figura 3 è riportato lo schema elettrico del ricevitore ottico.

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Figura 3: Schema elettrico del ricevitore

Il ricevitore è composto da tre sezioni: il detector con amplificatore a transimpedenza che rivela, amplifica e converte in tensione la fotocorrente che fluisce nel fotodiodo, il demodulatore del segnale PWM costituito da un filtro passa-basso, l’amplificatore audio di bassa potenza. L’amplificatore a transimpedenza costituito dalla sezione U2:B del doppio operazionale LMV 797 è una particolare configurazione di amplificatore operazionale con altissima impedenza di ingresso che consente l’amplificazione di piccole correnti dell’ordine dei nanoampere e la trasformazione della corrente in tensione, per questo è necessario che l’operazionale abbia caratteristiche di basso rumore, il che lo rende particolarmente utilizzato quale amplificatore per fotodiodi. Il guadagno di transimpedenza si misura come il rapporto fra la corrente in ingresso e la tensione in uscita. Lo stadio successivo è la sezione U2:A che funziona da normale amplificatore operazionale invertente di tensione.

Il guadagno totale dei due operazionali è di 127 dB su una banda 50 Hz÷600 kHz a -3 db dal valore massimo. La sezione successiva è il demodulatore del segnale PWM, un filtro passa-basso a 7 poli costituito da U3:A, U3:B, U3:C e dal buffer U3:D dell’integrato amplificatore operazionale LM324. Il segnale PWM con modulazione del duty-cycle viene applicato all’ingresso di questo filtro che lascerà passare solo le frequenze del segnale audio tagliando fuori la frequenza portante PWM e relative armoniche. L’uscita del filtro viene applicata all’ingresso dell’amplificatore audio finale di BF realizzato con l’integrato U4 LM386 impostato per un guadagno in tensione di 50 con livello di ingresso regolabile mediante il potenziometro RV1.

La distorsione audio dell’amplificatore finale di BF è del 2,8 % alla potenza di uscita massima di 300 mW. L’uscita audio dell’amplificatore può essere applicata a cuffie con impedenza di 16÷32 ohm, oppure ad un altoparlante esterno escludibile dall’inserimento delle cuffie. Il circuito è alimentato a 5 V mediante una batteria a 9 volt collegata all’ingresso dell’integrato stabilizzatore U1 78L05; l’impiego dell’integrato 78L05 consente di alimentare il circuito anche con un alimentatore esterno da 9÷12 V. Il ricevitore ha una sensibilità che consente di rilevare un livello del segnale audio minimo udibile fino ad una distanza dal trasmettitore di circa 7 metri; la distanza ottimale per un buon ascolto e per avere una sufficiente illuminazione (con stanza al buio) è di circa 4÷5 metri.

Realizzazione pratica

Per il montaggio dei circuiti è necessario dotarsi di due breadboard sperimentali da 830 contatti e jumper di collegamento. In alternativa (consigliabile) potete saldare i componenti su schede sperimentali ramate millefori.
Per reperire i componenti del trasmettitore e del ricevitore riferitevi agli schemi elettrici di Figura 1 e di Figura 3. Oltre ai componenti indicati negli schemi elettrici, il connettore J1 del ricevitore è una presa JACK stereo da 3,5 mm da circuito stampato che consente di collegare le cuffie escludendo l’altoparlante collegato all’uscita dell’amplificatore di potenza audio U4 LM386. Nella Figura 4 viene illustrato il jack audio stereo da 3,5 mm SERIE SJ1-352XN della CUDEVICES che abbiamo utilizzato nel progetto del ricevitore. Come tutti i componenti del progetto, anche il connettore stereo è acquistabile anche online, ad esempio da DigiKey con codice CP1-3525N-ND.

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Figura 4: Presa JACK stereo

Si consiglia di iniziare il montaggio partendo dai componenti di basso profilo, ossia resistenze, zoccoli dei circuiti integrati, scheda di sviluppo ESP32, trimmer, condensatori (facendo attenzione in particolare al rispetto della polarità degli elettrolitici), transistor, LED e fotodiodo (considerando che il catodo è il terminale più corto), per ultimo inserite i connettori d’ingresso e di uscita del segnale audio.

Saldatura dell’integrato SMD LM797

Riguardo il ricevitore, oltre a quanto già consigliato sopra per il montaggio dei componenti, occorre particolare attenzione alla saldatura dell’integrato SMD LMV797 in quanto per montarlo su uno zoccolo DIP a foro passante occorre saldarlo prima su un adattatore SMD/MSOP-08, come quello mostrato in Figura 5, che è un piccolo circuito stampato che converte i pin dell’SMD in un formato DIP per montaggio a foro passante.

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Figura 5: Adattatore SMD/MSOP-08

Per fare questa operazione è consigliabile dotarsi di un buon saldatore a punta sottile da 0,5 mm, una lente d’ingrandimento (meglio un buon microscopio) e buona illuminazione!
Prima di iniziare le operazioni di saldatura è bene pulire il rame dell’adattatore con dell’alcool puro (99%) per togliere eventuali depositi di grasso e sporcizia varia; si consiglia di passare poi con un pennellino, o una siringa, una goccia di flussante liquido sulle piste di rame. È poi opportuno bloccare l’adattatore con morsetti tipo “terza mano” e, prima di saldare i pin dell’integrato, aiutandosi con delle pinzette, posizionate i pin in perfetto allineamento con le piazzole in modo che il piedino 1 del chip sia in corrispondenza della piazzola di forma quadrata dell’adattatore. Tenendo premuto con le pinzette il corpo dell’integrato sull’adattatore, con il saldatore e filo in lega saldante da 0,5 mm di diametro, saldate i pin posti agli angoli dell’integrato per bloccarlo. Procedete poi con la saldatura dei restanti pin facendo attenzione a non fare cortocircuiti con i pin adiacenti.
In alternativa al saldatore potete usare la saldatrice a getto d’aria calda che vi permette di saldare il chip senza rischiare cortocircuiti; allo scopo, spalmate del flussante in pasta sulle piazzole riservate all’integrato e poi con la punta del saldatore sciogliete un velo di stagno su ciascuna piazzola; in seguito disponete l’integrato orientandolo come indicato prima e scaldatelo con l’aria calda a circa 300 °C muovendo il cannello dell’aria intorno ai pin ad una distanza di 10/15 cm fin quando non li vedrete affondare nello stagno. Una volta posizionati tutti i componenti sulle due breadboard, eseguite i collegamenti dei componenti del trasmettitore e del ricevitore seguendo i collegamenti dei componenti secondo gli schemi elettrici di Figura 1 e Figura 3.

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