Rilevamento di tono audio con uno PSoC – Progetto Completo

PSOC sensore audio

In questo articolo, si spiega in dettaglio la parte hardware di un sensore audio realizzato con un componente particolare. Si può imparare a montare il componente in un circuito stampato (PCB) e configurare i moduli hardware interni per gestire un segnale analogico. Si passa poi alla componente logica e quindi a quella software. Per quest'ultima in particolare si analizzano le funzionalità e come utilizzarle per misurare il livello del segnale, espandere la dinamica della catena di amplificazione e condividere in modo affidabile queste informazioni in diverse modalità con il mondo esterno.

PREMESSA

La mia piattaforma robotica Rino è in continua evoluzione, una piattaforma di sviluppo che non sarà, forse, mai completata [1].

Come mostrato nel mio articolo "Robot Navigazione e Controllo" [2], la piattaforma può navigare autonomamente in un ambiente sconosciuto.

Nell'articolo “Sistema di Sensori per applicazioni di robotica" [3], ho spiegato come costruire un sottosistema dedicato alla scoperta di un ostacolo su un percorso del robot e a trovare alcuni obiettivi utilizzando sensori comuni normalmente disponibili sul mercato.

Ora, voglio concentrarmi su di uno specifico tipo di sensore, quello più complicato per le persone che di solito progettano circuiti digitali: il sensore audio.

La sua progettazione richiede una buona conoscenza dei circuiti analogici. Fortunatamente, i moderni chip op-amp aiutano molto in questo tipo di progettazione, riducendo la complessità e instabilità tipica di tali circuiti. Ma, è comunque necessario un buon background di elettronica analogica, sia pratica sia teorica, per evitare risultati indesiderati. Ancora una volta è la tecnologia in continua evoluzione che ci aiuta.

Cypress Semiconductor ha sviluppato un sistema programmabile su un singolo chip (PsoC, Programmable System-On-Chip) che al suo interno ha diversi blocchi analogici e digitali che possono essere facilmente collegati insieme (vedi foto 1). Ci sono molti "mattoncini", come un sistema della Lego, che rappresentano i diversi tipi di funzione e si possono disporre in modo tale da avere un circuito che trasforma il segnale analogico in base alle proprie esigenze. Si può prescindere da una conoscenza pratica per affrontare questo progetto. Si usa il mouse invece del saldatore, non c'è bisogno di provare in anticipo molti componenti passivi discreti su una breadboard. Si può semplicemente programmare e riprogrammare lo PSoC fino a che l'obiettivo non è raggiunto.

 

Photo-1

Foto 1 – Lo PSoC della Cypress Semiconductor con il suo programmatore, utilizzati in un circuito reale.

Lo PSoC è molto diverso dai ben noti microcontrollori, CPU o FPGA. Richiede un programma all'interno per eseguire alcune attività, ma non è solo un microcontrollore. Mescola diversi blocchi elettronici funzionali, ma non è un FPGA. La sua caratteristica unica è che ha il potenziale per elaborare un segnale analogico, mantenendolo tale e con tutte le sue caratteristiche semplicemente modificando i blocchi on-the-fly da programma. In alternativa si potrebbe utilizzare un controller di segnale digitale (DSP) per campionare il segnale analogico ed applicare tutte le trasformazioni in modo digitale, ma servirebbero comunque un'amplificazione, una miscelazione ed un filtraggio prima d'inviarlo a un ADC per l'elaborazione del segnale via software. In molti casi, uno PSoC può fare tutto questo (e molto altro) da solo. I blocchi analogici sono veramente analogici! Sono reali amplificatori operazionali, non sono una simulazione software di un comportamento analogico o una elaborazione matematica. Di digitale rimane solo la modalità usata per programmare la capacità dei condensatori tramite la tecnica detta “Switched Capacitor” o “Capacità commutata”. Regolando frequenza e/o duty cycle della commutazione, è possibile modificare la capacità e quindi i parametri dei blocchi analogici, senza aggiungere componenti esterni.

Analizzando i data sheet, è possibile trovare gli stessi parametri di un normale op-amp: GBP, fattore di rumore, rapporto reiezione di modo comune e così via.

 

Photo-2a

Foto 2a - È possibile acquistare un kit di valutazione completo di tutto il necessario per iniziare a sperimentare.

Photo-2b

Foto 2b - Oppure si può acquistare il miniprogrammer meno costoso da utilizzare con i propri prototipi o la scheda finale. In entrambi i kit, vi è un campione, Cypress Semiconductor CY8C29466-24PXI PDIP PSoC, perfetto per i nostri scopi.

Un esempio: esiste un modulo amplificatore di strumentazione. Unico tra i dispositivi programmabili. Questo è uno dei circuiti più difficili da realizzare anche con costosi amplificatori operazionali. Si richiede una buona conoscenza per ottenere valori molto alti d'impedenza, larghezza di banda sufficiente, un buon rapporto di reiezione di modo comune e quant'altro necessario per avere un buon strumento di misura. Non si può realizzare con un microcontrollore standard.

 

Non voglio scrivere un manuale di uno PsoC, non ho intenzione di spiegare ogni caratteristica dello PSoC. Mi limiterò a spiegare come costruire un circuito rivelatore di tono con un dispositivo della Cypress, concentrandomi su alcune caratteristiche specifiche che ho trovato. Anche se non si ha bisogno di un circuito tone-detector a 4 kHz, gli stessi princìpi di base che sto per descrivere possono essere utili per molti altri tipi di progetti. Consideriamolo come un " training on-the job”.

 

BASI

Vi ricordate il circuito descritto nel mio articolo Scheda Sensori? In una gara di robot esploratori, il robot deve autonomamente trovare alcune sorgenti sonore che emettono un Tono a 4 kHz. Per raggiungere questo obiettivo, il robot ha tre microfoni sui tre lati. Il circuito di condizionamento e di rivelazione si basa su un quad op-amp e un rivelatore di tono. C'è un primo stadio che mescola e amplifica i segnali provenienti dai microfoni, un filtro attivo passa banda sintonizzabile, un secondo stadio amplificatore e un Rivelatore di toni NXP Semiconductors NE567. I rimanenti op-amp nel chip sono utilizzati come un riferimento di massa virtuale attivo comune consentendo una maggiore impedenza ai loro ingressi.

Il mio obiettivo minimo è stato quello di ottenere le stesse funzioni con un solo PSoC. Ho raggiunto e superato questo obiettivo e ho aggiunto un po' di funzionalità [...]

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3 Commenti

  1. Davide Di Gesualdo 4 febbraio 2016
  2. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 4 febbraio 2016
  3. Emanuele Bonanni Emanuele 6 febbraio 2016

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