Crea un lettore MP3 per auto

Basato sul modulo DFRobot, permette di ascoltare brani musicali memorizzati su una microSD o su una Pen Drive USB; le uscite di cui dispone permettono di collegarlo alla presa AUX della quale le moderne autoradio sono dotate.

Gli impianti per hi-fi car, sia di primo impianto che aftermarket, si sono evoluti nel tempo per adattarsi ai supporti che contengono la musica da riprodurre; se la radio è sempre rimasta quella, almeno dal punto di vista dell’origine del suono (che arriva sempre da un radioricevitore, indipendentemente dal fatto che si tratti di radio analogica o DAB/DAB+), il riproduttore musicale si è evoluto passando dal lettore di musicassette (stereo 8 prima e stereo 7 poi) al Compact Disc, prima solamente audio e poi dotato di converter mp3.

Per ascoltare la musica in questo formato compresso, estremamente pratico in quanto un solo disco permette di memorizzare anche 10 ore di musica ininterrottamente (in MP3 un MB equivale a circa un minuto di audio in alta fedeltà campionato a 44,1 kHz), il che per chi fa lunghi viaggi significa ascoltare la propria musica senza dover sostituire periodicamente il Compact Disc, né tantomeno comperare costosi e ingombranti cambiadischi.

Sempre per sfruttare gli MP3, sono poi nate le autoradio dotate di presa USB, che permette di accedere a molti più MB (se non a GB!) di musica digitale in formato compresso, per di più su un supporto che ormai quasi tutti portiamo in tasca: la Pen Drive (o penna USB che dir si voglia).

L’arrivo del Bluetooth ha reso accessibile all’autoradio i file multimediali contenuti nello smartphone, utilizzando la connessione audio e il profilo AUDIO del Bluetooth stesso, estendendo ulteriormente le possibilità di utilizzo.

Purtroppo non tutte le autoradio sono provviste di Bluetooth o di USB ma hanno, accessibile da una presa jack posta frontalmente o nel cassetto portaoggetti del cruscotto (ma anche volante su una RCA) l’ingresso ausiliario audio (siglato AUX).

Sfruttando questo potete collegare un riproduttore MP3 come quello proposto in queste pagine, che si basa sul modulo DFR0299 (lo trovate qui a fianco) che già avete conosciuto nel progetto Presepino, oltre che nella Demoboard MP3.

In questo circuito lo utilizziamo nella configurazione a controllo manuale semplificato, cioè lo gestiamo tramite pulsanti, come nella demoboard, prelevando il segnale audio dalla sua uscita BF stereo a basso livello.

Il circuito del lettore MP3

Prima di passare all’analisi dello schema elettrico spendiamo qualche parola sul modulo MP3, che è progettato per riprodurre i file MP3 e WAV memorizzati su una microSD-Card della capacità massima di 32 GB (purché formattata con FAT16 o FAT32) o da una Pen Drive, sempre della capacità massima di 32 GB, e formattata come già spiegato per la Card microSD.

Creato e sviluppato per il mondo Arduino, il modulo MP3 può anche funzionare autonomamente e non a caso nel progetto che trovate in queste pagine lo utilizziamo così, mediante pulsanti, grazie ai quali possiamo comandarne le funzioni che ci occorrono per ascoltare i brani; nello specifico, per ridurre il più possibile le dimensioni del PCB sono stati inseriti tre soli pulsanti (Play, Next, Prev) in modo da lasciare soltanto le funzioni base, ovvero scorrere in avanti o indietro sequenzialmente tra le tracce presenti nell’archivio utilizzato e comandare la riproduzione.

Non è quindi previsto l’accesso diretto a una determinata traccia (comunque supportato dal modulo DFR0299), ma crediamo che di tale funzione si possa fare a meno, anche perché in auto non c’è molto da distrarsi.

Il modulo contiene un decoder in grado di decomprimere l’audio in formato MP3 e un microcontrollore capace di accedere via SPI ai dati contenuti nella microSD-Card: man mano che lo stream di dati viene letto, il decoder lo trasforma in audio non compresso, che poi viene amplificato da un piccolo finale integrato, mono con uscita a ponte, da 3 watt, che sono una potenza più che sufficiente a pilotare un altoparlante in grado di “farsi sentire” nell’ambiente.

L’uscita di tale amplificatore fa capo ai piedini SPK1 e SPK2 del modulo, tuttavia il DFR0299 rende accessibili distintamente le uscite audio stereo L ed R ad alta impedenza e basso livello, che vanno bene per pilotare direttamente l’ingresso stereo AUX dell’hi-fi car di bordo.

Potete quindi scegliere se accontentarvi dell’uscita audio mono, oppure se prelevare l’audio dai pin 4 (out LEFT) e 5 (out RIGHT) del modulo e portarlo con un cavetto schermato stereo e due spinotti RCA alle prese RCA dell’AUX dell’autoradio. L’uscita stereo è stata resa accessibile dalla presa jack 3,5 mm stereo sulla scheda.

Tutte le funzioni del modulo che abbiamo implementato si governano da pulsanti posti sul circuito stampato, come mostra lo schema elettrico, che dopo queste premesse possiamo quindi analizzare.

Notate che per leggere lo stato pulsanti abbiamo adottato uno stratagemma che fa uso dell’A/D converter interno al microcontrollore (che governa il modulo MP3), assegnato alla linea ADKEY1; tale soluzione ci permette di acquisire lo stato di tre tasti utilizzando un’unica linea dell’U2 e peraltro è quella prevista dal costruttore per minimizzare il numero di linee e quindi di piedini per il collegamento con il mondo esterno.

Per l’esattezza, ricordiamo che le linee dell’ADC destinate alla gestione dei pulsanti sono due (ADKEY1 e ADKEY2) ma nel nostro progetto una basta e avanza.

La lettura dei pulsanti avviene rilevando la tensione che la pressione e conseguente chiusura di ognuno di essi determina all’ingresso cui è collegato; tale tensione dipende dalla resistenza in serie al pulsante.

Per completezza diciamo che ciascuno degli ADKEY1 e ADKEY2 dispone internamente al modulo di un resistore di pull-up che farà partitore con il resistore posto in serie a ogni pulsante, determinando -quando il pulsante stesso viene premuto- una certa tensione; nel firmware si trova scritta una tabella di valori corrispondenti ognuno alla lettura dell’ADC per ciascuno dei pulsanti presenti (qui sono tre, ma ADKEY1 ne supporta fino a 10; idem ADKEY2). Per esempio, chiudendo Pause/Play si determina su ADKEY1 un potenziale differente da quello che si verifica agendo su Next/Vol+ o su Prev/Vol- e via di seguito.

Sebbene in questo progetto utilizziamo solo tre pulsanti è utile sapere che in realtà ADKEY1 serve a leggere i 6 tasti funzione (tre dei quali li vedete nel circuito) più i primi quattro per l’accesso diretto ai brani se si opta per tale modalità (qui non utilizzata); ADKEY2 (non usato in questo progetto) serve invece a leggere i rimanenti tasti per l’accesso diretto ai brani.

Ciò detto, vediamo la funzione dei tre tasti presenti nel circuito: il primo, ossia Pause/Play, serve per mettere in pausa la riproduzione in corso, ovvero per riprenderla se la si è messa in pausa. Serve inoltre per avviare la riproduzione la prima volta, cioè quando viene riprodotto il primo brano.

Il pulsante Next/Vol+ ha anch’esso una duplice funzione: premuto brevemente fa saltare, durante la riproduzione di un brano, a quella del successivo; equivale, in questo caso, allo skip.

Se viene premuto a lungo, alza il volume di ascolto (cioè il livello del segnale audio fornito alle uscite e all’amplificatore integrato nel modulo) costantemente fin quando non viene rilasciato.

Similmente, il pulsante Prev/Vol- quando è premuto brevemente fa saltare la riproduzione da quella del brano in corso a quella del brano precedente (per esempio se il lettore sta riproducendo il decimo file nell’ordine di lettura, passa alla riproduzione del nono) mentre quando viene pigiato a lungo abbassa il volume d’ascolto progressivamente finché non viene rilasciato.

A proposito del volume d’ascolto, notate che all’avvio parte automaticamente dal livello più alto, quindi andrà regolato tramite tasti (più precisamente, si dovrà intervenire su Prev/Vol-) per adattarlo alle proprie esigenze.

Bene, analizzati i pulsanti, che costituiscono l’interfaccia utente della scheda, passiamo alle porte di comunicazione, che nello specifico si riducono alla USB, che fa capo al connettore USB-A e internamente all’interfaccia USB di tipo Device; in fabbrica è configurata per essere utilizzata come interfaccia verso la Pen Drive da cui caricare i file da riprodurre. Sebbene il modulo sia controllabile tramite interfaccia seriale a livello TTL, nel nostro circuito non utilizziamo tale funzione e l’unica USB che vedete nello schema elettrico è quella integrata nel modulo e utilizzata per caricare i brani MP3 da supporto di memorizzazione di massa USB.

Notate che il modulo prevede (tramite il comando da pulsante U/SD/SPI che qui non abbiamo previsto) la possibilità di selezionare manualmente la fonte da cui leggere i file da riprodurre (U/TF/SPI/Sleep): ogni pressione passa, nell’ordine, da USB a SD-Card ad SPI, quindi la terza pressione porta in Sleep Mode e poi si ricomincia; tuttavia non utilizziamo tale funzione, perché per ragioni di ingombro non abbiamo previsto il tasto per la scelta della fonte di riproduzione (USB/SD), pertanto qui viene sfruttata la scelta automatica prevista dal modulo.

Se, ad esempio, si inserisce la microSD e non la Pen Drive, la riproduzione avviene direttamente da microSD, mentre se si inserisce solo la chiavetta USB, all’accensione verrà eseguita la riproduzione da Pen Drive. Nel caso invece sia presente la microSD e si inserisce la Pen Drive USB, la riproduzione verrà automaticamente fermata e premendo il tasto Pause/Play si passerà automaticamente alla riproduzione da supporto USB o viceversa. In pratica ogni qual volta si inserisce il secondo supporto, la riproduzione si fermerà e rimarrà in attesa del comando di Play per far eseguire la riproduzione dal nuovo supporto inserito.

L’intero circuito è alimentato a tensione continua di valore compreso tra 9 e 12 V e il regolatore integrato U1, ricava dall’alimentazione principale i 5 volt stabilizzati occorrenti al modulo MP3.
I condensatori C1 e C2 filtrano l’alimentazione in ingresso (contatti + e – PWR del circuito) mentre i 5 volt stabilizzati dal regolatore 7805 vengono filtrati da C3 e C4. Questi ultimi condensatori filtrano localmente i 5 volt, impedendo che i disturbi propagati sulla linea d’alimentazione influenzino l’attività del microcontrollore che governa il modulo MP3.

Il cuore del lettore MP3

Il componente che utilizziamo nel lettore è un completo decoder MP3 basato su un integrato DFROBOT LISP3 della DFROBOT che permette di riprodurre brani musicali MP3 e in formato WAV senza dover utilizzare hardware costoso e impegnativo: infatti il DFR0299 è un completo decoder che attinge a un supporto di memorizzazione di massa come l’SD-Card o una Pen Drive USB, decifra l’audio e poi lo amplifica a bordo così da renderlo disponibile a un altoparlante da 8 ohm di impedenza, con quasi 3 watt di potenza.

È quindi l’ideale quando si desiderano riprodurre file audio standard come gli MP3 ma non si dispone delle risorse di calcolo (CODEC compreso) che la loro elaborazione diretta richiederebbe, ad esempio, a un piccolo microcontrollore. Il modulo nasce -non a caso- per essere gestito da Arduino, che ha risorse di calcolo limitate, che per gestirlo può limitarsi a inviare comandi seriali

Il nostro DFR0299 può anche essere utilizzato in modalità stand-alone, alimentandolo a 5 volt (la corrente richiesta per erogare 3 watt su 8 ohm, che si ottengono a 5 volt, è 0,45 ampere), collegandogli un altoparlante e dei pulsanti come vedete nello schema elettrico; oppure può essere usato in combinazione con qualsiasi microcontrollore o microprocessore dotato di porta seriale a livello TTL. Dispone di controllo tramite pin di I/O, tramite seriale (a livello 0/3,3V) o tramite ingresso analogico.

Supporta fino a 100 cartelle; ogni cartella può contenere fino a 1.000 brani MP3. La regolazione del volume, sia essa ottenuta per via seriale o localmente tramite pulsanti, prevede 30 livelli (± dalla posizione centrale).

L’alimentazione prevista è da 3,2V a 5V in continua (la corrente assorbita in standby è 20 mA).

Le principali caratteristiche del modulo sono:
• decodifica MP3 11172-3 e ISO13813-3 layer3;
• possibilità di equalizzazione Pop, Rock, Jazz, Classica ecc.;
• frequenze di campionamento in riproduzione: 8/11,025/12/16/22,05/24/32/44,1/48 kHz;
• DAC a 24 -bit che consente una gamma dinamica di 90 dB e un rapporto segnale/rumore di 85dB;
• supporto File System FAT16 e FAT32;
• massima capacità di memoria indirizzabile pari a 32 GB di Pen Drive o SD con blocchi di 64 MB Flash NOR;
• dimensioni: 20 x 20 x 13 mm.

Il decoder MP3 del modulo è stereo e le uscite sono disponibili a basso livello e alta impedenza sui pin 4 e 5 per pilotare amplificatori, ingressi di mixer, cuffie a 300 ohm ecc. L’amplificatore di potenza incorporato è invece mono ed amplifica la miscelazione dei canali destro e sinistro; l’amplificatore incorporato è basato su un integrato siglato YX8002A, prodotto dalla Thaieasyelec (http://thaieasyelec.com).

Schema elettrico

Piano di montaggio

Elenco componenti

C1: 100 nF ceramico
C2: 100 µF 35 VL elettrolitico
C3: 100 nF ceramico
C4: 100 nF ceramico
R1: 33 kohm
R2: 15 kohm
R3: 22 kohm 
U1: 7805
U2: DFR0299
USB: Connettore USB-A da CS
OUT: Presa Jack stereo 3,5mm da CS
P1÷P3: Microswitch h13 mm

Varie: 
- Morsetto 2 vie passo 2.54mm
- Strip femmina 4 vie 90°
- Contenitore plastico (SC-704)
- Circuito stampato S1279 (53 x 30 mm)

Realizzazione pratica

Bene, descritto il funzionamento possiamo passare alla costruzione del riproduttore, che richiede un circuito stampato a doppia faccia (ottenibile tramite il servizio PCBPRODUCTION) ma che, per agevolare anche gli sperimentatori poco esperti, si avvale esclusivamente di componenti a montaggio tradizionale (THT, ossia a terminale passante) quindi con un saldatore comune e senza fatica.

Una volta ottenuto lo stampato, montate per primi resistenze e diodi, quindi i tre pulsanti miniatura, che devono essere del tipo con tasto attuatore lungo 12 mm, in modo da sporgere dal contenitore in cui andrete a inserire il tutto; proseguite con gli strip femmina da 8 contatti l’uno (che ospiteranno il modulo MP3 facendogli da zoccolo) i condensatori (iniziate dai non polarizzati e prestate attenzione alla polarità degli elettrolitici) il regolatore integrato (da montare con la faccia metallica appoggiata all’apposita pista del circuito stampato interponendo della pasta termica al silicone per agevolare la trasmissione e lo smaltimento del calore).

Sistemate poi il connettore USB da c.s. e la presa jack 3,5 mm per l’uscita audio.
Infine montate sulle strip (8+8 pin) il modulo MP3, orientandolo come indicato.

Per tutte le fasi del montaggio tenete d’occhio la disposizione componenti pubblicata in queste pagine, così da conoscere il giusto orientamento dei componenti polarizzati (diodo, elettrolitici, modulo, regolatore di tensione).

Per renderne più agevole l’utilizzo in auto abbiamo previsto di inserire tutto il circuito in un contenitore plastico SC-704 della Futura Elettronica, che va lavorato per ricavare una finestrella superiore in cui inserire la microSD, una laterale per la presa USB e tre fori in alto (sempre sul coperchio) per far uscire gli attuatori dei tre pulsanti.

Test e utilizzo del lettore MP3

Una volta completato il montaggio (e l’assemblaggio) e verificatane l’esattezza, potete subito provare il lettore MP3 alimentandolo con una fonte di tensione continua di valore compreso tra 9 e 12 volt e capace di fornire 500 milliampere (se intendete collegare all’uscita mono del modulo un altoparlante, ovvero 200 se connettete una cuffia o il jack stereo all’ingresso di un amplificatore).

Ricordate che alla presa jack potete collegare, con un apposito cavetto jack/RCA, l’ingresso AUX dell’autoradio (in questo caso dovete unire i canali sinistro e destro).

L’alimentazione collegatela, invece, con uno spezzone di piattina (possibilmente rosso/nera o con un conduttore contrassegnato, in modo da agevolare il riconoscimento della polarità) a uno spinotto accendisigari.

Premete il tasto Pause/Play e verificate che venga riprodotto il primo brano; aggiustate il volume con Prev/Vol- perché probabilmente sarà troppo alto, dato che il modulo all’avvio parte automaticamente dal volume più alto (inizialmente, quindi, il volume sarà solo da abbassare).

Come accennato, il riproduttore supporta i file MP3 e WAV ed esegue la lettura automatica da Pen Drive o microSD se si inserisce solo una di esse, quindi non inserite mai entrambe.

Affinché il modulo MP3 possa riconoscere e riprodurre i file audio contenuti nel supporto di memorizzazione di massa è sufficiente che essi siano nei formati già descritti; il resto lo fa il modulo, che cerca, nell’ordine, nella root del supporto, poi in tutte le cartelle che trova.

Avviando la riproduzione con Pause/Play il circuito eseguirà i brani nell’ordine.