#cortex-m4

受信機としての基本的なアーキテクチャはFriskSDRとまったく同じです。ローカル発振器としてSi5351aを使い、ジョンソンカウンタで2相信号を作成、アナログマルチプレクサをミキサとして使います。

もともと53x27mmの基板サイズに詰め込んでいたものを、大きな基板(といっても58x88mm)にゆったりと再配置した感じです。使っている主要な部品はSMDの同じものです。

ディスプレイはカラーグラフィックLCDを採用することにしました。LPC-Link2やNanoVNAで使ったSPI LCD(ILI9431)が実績があるので、またこれを使ってみることにします。操作はロータリーエンコーダのワンノブスタイルです。

MCUは、FriskSDRと同じくSTM32F303の予定です。実時間処理しながらグラフィック描画をするにはMCUが非力ですが、全く不可能というわけではないはずです。

FriskSDRではCodec TLV320AIC3204のADCの前段にあるVGAのみをアンプとして使っていました。シンプルな構成で、たしかに受信機として動作させることはできていたのですが、正直ゲイン不足であることは否めませんでした。そこで今回は、ゲインブロックを追加で一段置いてみることにしました。さらに、RF入力部にはプラグインモジュールを挿せるようにしておいて、アンプを入れたり、フィルタやミキサを置いたりなど、いろいろ実験できることを目論んでいます。

基板の裏面にはシルクでブロック図を描いてみました。表側には対応する部品が載っています。絵に描いたような実装で、眺めるだけで原理がわかると良いなと思っています(ただ、図として見ると、信号の流れが右→左と少し違和感があります)。実験をしやすいよう各信号にアクセスするパッドを各所に設けてみました。パッドとブロック図がちゃんと対応しています。

ソフトウェアはこれからですが、まずは実績のあるChibiOSベースのものを移植することになると思います。

基板はすでに発注して、製造は完了したようです。試作が進んだらまたご報告したいと思います。

実は明日からのMakerFaireTokyoに出展予定です。今回のプロジェクトも展示したいと思っていたのですが、残念ながら輸送が間に合いませんでした。なので今回は新作の実物は展示が無いのですが、資料や、これまで作ったFriskSDRやNanoVNAご覧いただけます。もしお時間ありましたら、是非、東京ビッグサイトへ。ブースの場所はE08-06です。

参考

3年程前になりますがAD9859 DDSを使ったVNAを試作していました。VNWAとして販売されている製品の原理を、QEXに掲載されていた情報を元に追試しました。その際にいろいろと課題がわかりましたので、その後改良版を作るつもりいたのですが、そのまま放置になっていました。

信号源としてSi5351Aを使うと部品がかなり減らせます。違いとしては、DDSだと出力は正弦波ですが、Si5351Aはクロックジェネレータなので方形波です。VWNAではDDSのエイリアスを使うことでGHz前後の上の帯域をカバーしていました。ここがVNWAのすごいところだったのですが、方形波でも倍音成分を使うことで同様なことができるのではないかと期待しています。ここは実験次第です。

ところで、最近の工作で、オーディオコーデックとしてTLV320AIC3204をよく使っていますが、実はこのチップを選定した理由の一つが、VNWAのスタンドアロン版を作ることを想定していたからなのでした。VNWAでは、観測すべき信号が三つ、これをステレオサウンド入力の2チャネルで観測するためにアナログスイッチで信号を切り替えていました。一方、TLV320AIC3204は入力が3つあり、これをチップの設定で切り替えることが可能です。しかも差動入力で使えるので、ギルバートセルミキサSA612の出力をそのまま入れることができます。さらにPGAが入っているのでアンプも不要で、とてもシンプルな構成とすることができます。

スタンドアロン化のため、LCDディスプレイと、レバースイッチとプッシュボタンを用意しました。レバースイッチにもボタンが付いていますが、それとは別にボタンを追加したのは、スキャン開始の操作をしやすくするためです。LCDはLPC4370 SDRで実績のあるILI9431で、基板に直接実装するタイプの部品が入手可能なのでこれを使います。おまけとしてこのLCDには抵抗膜タイプのタッチパネルが装備されています。これを基板の裏に直接載せて、フレキケーブルをハンダ付けして実装する予定です。全体で10mm以下と、自作品にしては薄く仕上げられる予定です。

LCDは320x240とピクセル数は多くはありませんがピクセルが細かいおかげで案外と綺麗な表示ができることがわかっています。ここに美しいスミスチャートを描きたいと思っています。色数が多いので、階調表現による滑らかな曲線を描くことができるはずです。UIと合わせてソフトウェアの工夫のしどころです。

操作はレバースイッチとボタンで行う前提にしておいて、タッチパネルはもしうまく使えそうなら試そうと優先度は下げて考えています。

スタンドアロンでの動作を最終的な目標にしますが、もちろんPCからUSBで接続して制御して使うことも想定しています。おそらく最初はPC前提に開発することになると思います。

電源はUSBですが、LiPoも試してみようと用意しています。アナログ部分のSA612の電源が5Vなのですが、LiPoの場合取れる電圧が3.6V程度でミキサの仕様外になってしまうので、果たしてうまく動作するかは不明です。

ブロック図を示します。

MCUにはSTM32F072を使うつもりです。信号処理とは言っても、SDRと違ってリアルタイムではないので、Cortex-M0で充分ではないかと考えています。小さなメモリでどこまで作り込めるかです。もし入らなかったらF303に変更します。

原発振には26MHzのTCXOを使います。TCXOは振幅の小さいClipped sine waveを出力するタイプのモジュールが多いですが、これがSi5351Aで使えることは実験で確認済みです。さらに周波数を微調整できるVCTCXOタイプを使ってMCUのDACで調整できるようにします。本当なら外部から10MHzを入れられると良いのですが、残念ながらSi5351Aだと無理です(実はSi5351Cなら可能なのです。代わりにピン数が増えてしまいますが)。

ブロック図には書き忘れましたが、余力があればSDカードに測定値をタッチストーン形式で記録することを検討しています。写真にあるソケットがそれです(基板から出っ張りますが面積的に仕方ありませんでした)。microSDではなくSDにしたのにはもちろん理由があります。これに関して、ちょっと面白いことができると良いなと思っています。

と、妄想はいろいろ膨らんでいますが、まだFriskSDRの作業が終わっていないので、VNAの実験と製作に取りかかるのはもうちょっと先になりそうです。果たしてうまくいくかどうかもわかりませんが、作業に取りかかるまで構想を練っておきたいと思います。

そういえば、CQ社RFワールド誌の次号(No.35)でVNAの製作記事が特集されると予告されていました。Windowsで制御するようですが、こちらも楽しみです。

リファレンス

VNWA http://sdr-kits.net/VNWA3_Description.html (そういえばトラ技で開発者による解説の翻訳が連載されていました)

以前VNWAのクローンを試作したレポート「DDS AD9859とGNURadioでVNAを作ってみる(1.動作原理解説)」 http://ttrftech.tumblr.com/post/42922407294/

「DDS AD9859とGNURadioでVNAを作ってみる(2.設計と実装)」http://ttrftech.tumblr.com/post/43539176274/

「DDS AD9859とGNURadioでVNAを作ってみる(3.信号処理とプロット)」http://ttrftech.tumblr.com/post/44220192957/

「Si5351Aクロックジェネレータを試用してみる」http://ttrftech.tumblr.com/post/138286883286/

今回のプロジェクトではChibiOSを使ってみています。STM32のチップのサポートが充実、USB対応、シェルがある、ペリフェラルの抽象化が適度、等々が魅力です。

ところで、STM32F303でUSBを使うためにはクロックを供給する必須です(HSI:内部RCクロックでは動作しない)。通常はクリスタルを付けるのですが、今回はSi5351Aを載せたので、MCUのクロックとして8MHzをSi5351Aから生成し、MCUに供給するという構成にしています。ところがSi5351Aを初期化するためにI2CでMCUからコマンドを送る必要があります。

このため、起動シーケンスとして、リセット直後RCオシレータ(HSI)で動作している間に、I2Cの初期化とコマンド送信し、クロックが起動したら外部クロック(HSE)に切り替えるという動作をしています。ChibiOSが起動する前に行う必要がありますので、この初期化はレジスタを直接操作して自前でおこないます。一方、起動後はI2Cの制御はChibiOS経由で行います。

F303でUSBを使うため、USBのDPをプルアップ必要があるのですが、基板に入れ忘れた(F072では不要だった)のでリワーク。これでUSBが使えるようになるはずだったのですが、なぜか動作させることができませんでした。果たしてChibiOSのUSBがF303で動作するのか確信が持てなかったので、原因究明のためSTM32F3-Discoveryボードで試してみることにしました。Discoveryボードの良いところは、MCUに直結したUSBコネクタが用意されているので、ハードウェアのミスに悩まなくて済むことと、ChibiOSにDiscoveryボード用の基本的なサンプルがあることです。このサンプルにUSBとCDCを追加して動作確認したところこちらはあっさり動作OKでした。

F303での実績ができたので、もう一度FriskSDRに戻って、いろいろ確認していると、プローブでチェックを繰り返した際に押しつぶされたハンダが延びてQFPの足の間でショートしているのを発見、これを直し、そしてChibiOSを最新にしてみたところ動作OKになりました。

コマンドを追加できるようになれば、試行錯誤が容易になります。まずは、Si5351Aの周波数を設定するコマンドを追加してみます。周波数から分周器の係数を求めるところはちょっと悩みましたが、できてしまえば簡単です。波形をオシロで確認して自在に周波数を設定できていることが確認できました。続いてTLV320AIC3204コーデックを初期化するコードを、mbedでやっていたIQDDSからコピーしてきてクロック設定のみの修正して入れてみたところ、あっさりI2Sの波形が出てくるようになりました。あとはChibiOSのI2Sを調べて、コードで正弦波を発生させてI2Sで送るようにしてみたところ、ちゃんとトーンが出てきました。ここまでは作業が速かったです。自作のボードから最初に音が出るとやはり感動です。

さて、SDRとして動作させるためには、ミキサした信号を取り込みつつ、音を再生する必要がありますから、I2Sを全二重で動作させる必要があります。全二重動作は、STM32F401ではIQDDSで実績があったのですが、あちらはmbedで、しかもSTM32のHALを直接操作して実現していました。

ところがChibiOSを調べてみたところ、残念ながらI2SのFull Duplexには対応していないようなのです。シンボルは定義されているのですが、それを指定するとエラーになるようわざわざプリプロセッサ指定がしてあります。ここで困って、少し方針を考えたのですが、STM32のHALのコードを参考に、ChibiOSを全二重対応させてみることにしました。STM32のI2S Full Duplexはちょっと変なので、できればこのレイヤのコードは触りたくないのですが、仕方ありません。なるべく変更が少なくて済むよう、なんとかコードを追加しました。ちょっと重複が出てしまいましたが、動作させることが最優先にして目を瞑ります。少しデバッグして、無事Full Duplexが動作するようにできました。

まずはループバックのテストとして、キャプチャバッファと再生バッファを共有する構成にして、ADCでキャプチャしたデータを、そのままDACに送り返されるようにします。そうしてスマホ用のマイクを接続して、音が通ることを確認します。

これが確認できたら、ADCのルーティングを変更して、QSDミキサの出力を取り込むようにします。アンテナ代わりにリード線を接続して、Si5351Aの周波数をAM放送の周波数の4倍に設定(ジョンソンカウンタで分周されるため。NHK第一567kHzなら2268kHzに設定する)してみると、これだけであっさりと放送が聞こえてきます。AMの復調をしているわけではないので、音は少しおかしい(周波数シフトしているだけなので、Loの周波数のわずかなずれで、両サイドの側波帯から再生される音が上下逆方向にずれる)のですが、聞き取ることは十分可能です。

Si5351Aの周波数には、ずれがわずかにあります。30ppm程度で十分許容範囲といえばそうなのですが、クリスタルの負荷Cの設定で合わせられるかなと試したところ、6pFの設定だと20ppmほど高い。8pFの設定だと30ppm強低いと、どっちもどっちでした。結局する設定する周波数に係数を乗じて合わせるようにしました。調整量は-20750ppb(part per billion)としました。

PGAのゲイン設定や再生音量の設定コマンドを追加していろいろ試しています。screen /dev/cu.usbmodem401でシリアルターミナルを開くとChibiOSのプロンプトが現れます。helpで追加したコマンドも表示されます。引数を付けてコマンドにいろいろ試せます。強いて不満があるとすると、コマンドヒストリが欲しいところです。

動画です。画面に見えているのはST-Link2ですが、USBも接続されています。コネクタで接続されたスピーカで音が再生されています。

今のところ判明した課題は、

TLC320AIC3204にはDCオフセットがあるようで、QSDミキサとの間にカップリングコンデンサを省略したのは拙かった。PGAのゲインを上げるとオフセットが飽和してしまう。DCを通しくてCを略してみたのだが、さすがに無理だったようだ。

全体のゲインは少し不足を感じる。AM放送なら大丈夫だが、他は少し厳しいかも。

アンテナ端子に僅かにLoが漏れる。この意味でもRFアンプは欲しいところ。

消費電流は70mAと多め。100mAのLiPoだと1時間ちょいで空になってしまう。

ミスもいくつかありましたので、改めて修正した基板を作る必要があると考えています。

引き続き、

I2C LCDディスプレイの追加

レバースイッチの追加

USB複合デバイスとしてUSB Audioを追加し、キャプチャデータを取り込んでSDRソフトウェアから使えるようにする

同じくUSB複合デバイスとしてUSB HIDを追加し、HIDで制御可能とする

電源管理(消費電流削減とオフ状態の実装)。クロックを下げる、スリープを入れてみるなど。

等々を進めたいと思います。

実はプロジェクト名はNanoSDRにしてあるのですが、FriskSDRという名称も含めて再検討中です。

リファレンス

I2S FullDuplex対応を追加したChibiOS https://github.com/edy555/ChibiOS/tree/I2SFULLDUPLEX

まずは何はなくても電源です。USBマイクロBコネクタとレギュレータですので簡単です。マイクロBを使うのは初めてだったのですが、mini-Bに比べてちょっと扱いが難しく、機械的に弱いです。スマホ等で剥がれる事例を散見しましたが、さもありなん。位置合わせの突起があることに気付いておらず、基板側に穴を開け忘れました。とりあえず突起を削って対処します。

続いてクロック源のSi5351Aです。今回はこれを使ってみたいがために始めたプロジェクトです。25MHzの水晶として3225サイズ(3.2x2.5mm)を使いましたが、チップが薄くてハンダ付けしにくいです。厚い水晶だと側面に金メッキされたくぼみがあり付け易いのですが、使った水晶はこれがほとんどありません。またパッドサイズもギリギリのため、ハンダゴテを当てるスペースがありません。手ハンダするならパッドをもう少し大きくしておくべきでした。裏面にハンダメッキしてから確実に取り付けます。Si5351Aやパスコン、そしてついでにジョンソンカウンタのAHC74を取り付けます。

上の写真はこの段階でテストしたものです。Si5351Aモジュールを試したときのブレッドボードがありましたのでこれをそのまま使い、基板からI2Cと電源の4本の線を引き出して接続します。そして電源を入れてみればArduino(Pro Micro)からI2Cでコマンドが送り込まれます。無事に発振することを確認できました。

MCUが届いていなかったので、他のチップを取り付けてしまいました。アナログスイッチTS5A23157は今回初めて使ってみます。I2SコーデックはおなじみのTLV320AIC3204です。ヘッドフォンに接続するためのキャパシタはアルミ電解だと大きくて(6mm角)サイズが厳しかったので、タンタルにしてみました。これなら3220サイズで済みます。いろいろご意見はあるかと思いますが、電源もタンタルです。あとは1:4トランスはMiniCircuitのTC4-1です。コスト的な問題と、正負のバランスがこれに依存してしまうのとで悩ましいところです。この段階が下の写真です。

この段階でちょうど良いタイミングでMCUが届きました。48ピン、72MHz Cortex-M4のSTM32F303CBT6です。QFPの取り付けは簡単ですのでさくっとやってしまいます。さていよいよブートしてみます。BOOT0ピンをHにするとブートローダが起動するはずです。ジャンパワイヤを差し込んでプルアップし、USBから電源を投入します。

ところがDFUが動作しないのです。んーと思ってデータシートを確認してみると、USBのブートローダ(DFU=Device Firmware Updateという標準です)が動作するためには、二つ足りないものがありました。

今回のボードは、MCU用には水晶を取り付けず、Si5351Aから供給するつもりでいました。なので、パワーオン時はSTM32内のRCオシレータで起動させた後、I2Cでコマンドを送ってSi5351Aでクロック生成を開始する必要があります。DFUを動作させるためにはあらかじめHSE(High Speed External)からクロックを供給する必要があります。もう一つはD+を1.5kΩでプルアップしておく必要があります。これらのことは常識的なことなのですが、実はこのボードを設計した時、STM32F072を試用していたのですが、このチップはクロックとプルアップが無くてもDFUを動作させることが可能なのです。新しめのSTM32チップでは、だんだんと気の利いた機能が用意されるようになってきており大変便利なのですが、STM32F303もそうだと勘違いしていたのでした。

DFUはうまくいかないことが明らかになったので、他の作戦を考えます。ブートローダはシリアルでも使うことが可能です。ツールはWindows用が提供されています。ところがこれも試してみたのですがうまくいきません(F072では実績があります)。

次善の策としてST-Link2というSTMのデバッグアダプタを用意してあったので、これで確認してみたところ無事動作を確認できました。こんなこともあろうかと、JTAG/SWD用の50mil 10ピンのパタンを用意してあったので、ここからSWDの信号を引き出して、ST-Link2に接続します。便利のため電源もST-Link2から供給するようにしました。下の写真ではBOOT0のジャンパを付けていますが、ST-Link2を使うだけなら不要です。ST-LINK V2と書かれているのがST-Link2アダプタで、安価に入手可能です。実はわざわざ購入しなくても、ST-Link2はNUCLEOにも搭載されてますので、これを使うことも可能です。ST-Link2/1とちょっとバージョンが違うのですが、ドライブとしてマウントし書き込むことができとても便利です。ST-Link2の左に付いているのは、電圧電流を確認できるアダプタです。動作状態がモニタできるのでこれも便利です。こちらも安価に入手可能です。

ST-Link2をOSX/Linuxで使うために、st-utilというツールをインストールしておきます。OSXではbrewでインストール可能です。

$  brew install st-link

ST-Link2が接続されている状態で、st-infoコマンドを--chipidというオプションを付けて実行します。MCUへのアクセスが成功すると0x0422と表示されます。

$ st-info --chipid 0x0422

もし接続がうまくいっていないと何も表示されません。

接続がうまくいったなら、今度はst-utilコマンドを実行します。

$ st-util 2016-03-21T16:23:45 INFO src/stlink-common.c: Loading device parameters.... 2016-03-21T16:23:45 INFO src/stlink-common.c: Device connected is: F3 device, id 0x10036422 2016-03-21T16:23:45 INFO src/stlink-common.c: SRAM size: 0xa000 bytes (40 KiB), Flash: 0x20000 bytes (128 KiB) in pages of 2048 bytes 2016-03-21T16:23:45 INFO gdbserver/gdb-server.c: Chip ID is 00000422, Core ID is 2ba01477 2016-03-21T16:23:45 INFO gdbserver/gdb-server.c: Target voltage is 3525 mV 2016-03-21T16:23:45 INFO gdbserver/gdb-server.c: Listening at *:4242...

デバッガからの待ち受け状態になりますので、ここでgdbを起動します。arm-none-eabi-というプリフィクスの付いたツール類が必要です。ARM用のGCCをインストールするか、EclipseまたはLPCxpressoに含まれているツールを使うことも可能です。パスを通っていることが確認できたら、gdbを起動します。

$ arm-none-eabi-gdb

gdbのプロンプトに下記のコマンドでst-utilに接続します。

(gdb) target extended-remote :4242

接続するとst-util側にも反応があるはずです。

あとはメモリを確認したり、バイナリをロードしたり何でも可能です。

ここまでできたら後はソフトウェアです。ここからが本番ですが、また記事を改めることにします。

方針としてはRTOSとしてChibiOSを使ってみる予定です。F072で試した時はUSB-CDCを使えていたので、今回のボードもまずはこれを目指します。

この方針で作業開始していますが、まずはChibiOSをこのボード用に最低限のポーティングしました。そして、ここからが難航したのですがI2CでSi5351Aを動作させることができています。これでUSBを動かせるはずですのえ、CDCとDFUを動かせたらあとはかなりラクになるはずです。

リファレンス

ChibiOS http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php