Добавляем поддержку aptX в старый музыкальный центр Sony

Этот обзор посвящён Bluetooth-модулю BTM625B на микросхеме CSRA64215 и одному из возможных способов его применения, а именно доработке старенького музыкального центра Sony с целью внедрения в него поддержки aptX Bluetooth. ЛУТ, пайка и изменение настроек модуля самодельным программатором на основе FTDI FT232RL в комплекте. Будет много фото и скриншотов!

В комментариях к моему обзору о переделке музыкального центра Sony HCD-551 были выдвинуты предложения по замене применяемого мной адаптера Bluetooth на более современный, использующий протокол aptX, и даны ссылки на несколько моделей. В принципе, меня решение из моего прошлого обзора устраивало почти полностью (за исключением небольшого фонового шума во время тишины между треками или при паузе воспроизведения), но любопытство и желание попробовать что-то новое и прогрессивное пересилило, и я начал изучать устройства по приведённым ссылкам. Однако, в своём изначальном состоянии ни одно из них не подходило мне без переделки, поскольку, во-первых, мне хотелось на одной плате разместить ещё и эмулятор кассетной деки (напомню, в этом музыкальном центре приходится эмулировать сигнал с датчика оборотов шпинделя кассеты, поскольку иначе электроника центра считает, что воспроизведение кассеты закончилось и переключает электронный коммутатор входов звука в режим Mute), во-вторых для повышения устойчивости радиосвязи мне необходимо вывести Bluetooth-антенну за металлический корпус центра, в-третьих мне нужно управлять включением модуля, разрешая его работу лишь тогда, когда в этом имеется необходимость, а в остальное время модуль должен быть отключен, в-четвёртых, по цене готовое решение получалось несколько дороже. Но телефон мой этот стандарт вроде как поддерживает. Я начал искать альтернативный путь решения этой задачи.

И вот, оказалось, что на просторах AliExpress имеются “голые” модули адаптеров, содержащие на миниатюрной плате лишь саму микросхему, работающую с Bluetooth, а также минимально необходимую для её работы обвязку. Мало того, “фабричные”, уже готовые к использованию Bluetooth-ресиверы, собираются как раз именно на основе таких модулей. Я подумал, а почему бы и мне не сделать собственную плату на основе этого модуля, полностью адаптировав её подо все мои требования? Для своего проекта я выбрал модуль BTM625B на основе микросхемы CSRA64215, как наиболее современное решение.

Давайте посмотрим, что обещает на продавец на странице товара:
1. Поддержку стандарта Bluetooth 4.2
2. Малые габариты платы модуля: 15*18*2.0мм
3. Диапазон напряжений питания: 2.8-4.2 В
4. Частотный диапазон: 2402~2480 МГц
5. Кодеки: aptX,aptX Low Latency, SBC и AAC
6. TrueWireless Stereo (TWS)
и ещё много всего!

Это всё, конечно, хорошо, но поскольку этот модуль содержит дифференциальный вывод звука, а в той цепи музыкального центра, куда я буду подавать звук с Bluetooth-модуля используется небалансный вход, то нужно как-то преобразовать аудиосигнал. Для этих целей послужит ещё один модуль, который мне также нужно приобрести, на этот раз это будет усилитель на основе микросхемы SGM4812.

В теории всё просто и хорошо, но если бы я тогда знал, с какими проблемами мне предстоит столкнуться… Но об этом чуть позже!

Сказано-сделано! Я приобрёл на AliExpress необходимые модули, а пока они шли почтой, я развёл и изготовил первую ревизию платы моего будущего устройства. На этот раз было решено использовать SMD-компоненты. По сути, схема простейшая, но для большего понимания я всё же частично зарисовал её:

В качестве генератора импульсов, имитирующего сигнал вращения шпинделя деки, я использовал схему на основе выпаянной с платы старого привода CD-ROM микросхемы 74LS00, представляющей собой 4 логических элемента И-НЕ в одном компактном SMD-корпусе, где частоту генерации задают алюминиевый электролитический конденсатор 220мкФ x 6В и пара резисторов по 100 Ом. Почему резисторов два? Просто потому, что я у себя в закромах не нашёл один резистор на 200 Ом, зато имелось несколько на 100. В итоге, судя по встроенному в тестер частотомеру, с указанными номиналами элементов частота генерации составила 5,5 Гц. Далее, поскольку сигнал на включение мотора лентопротяжного механизма инвертирован (активный уровень сигнала — низкий), а BTM625B запускается высоким уровнем сигнала, то пускай тогда один из неиспользуемых логических элементов 74LS00 будет заниматься инвертированием сигнала, если уж в схеме уже имеется логический инвертор, почему б его не использовать? Кроме того, поскольку BTM625 питается напряжением 3,3 В (в отличие от 7400, работающей от +5 Вольт), то и логические уровни используются вовсе не пятивольтовые, поэтому сигнал с выхода инвертора на разрешающий вход модуля проходит через резистор 1 кОм. Также на плате имеются два раздельных линейных стабилизатора LM1117-3.3 для формирования питаний Bluetooth-модуля и модуля усилителя звука.

Через некоторое время заказанные модули приехали, и я впаял в плату и их тоже.

Ах как же жаль, что я не догадался тогда сделать фотографию первой ревизии моей платы, в тот момент ведь я даже не планировал писать на BTM625B обзор! В самом деле, что там писать, всё ж просто вроде бы: выход звука с модуля Bluetooth выдаём на вход усилителя и с выхода усилителя аудиосигнал подаём на вход аналогового переключателя музыкального центра, всё ж просто, всё как в прошлом обзоре, о чём тут писать? Ага, щазз, как бы не так!

Радостный, я подключил к только что собранной плате питание с лабораторного блока питания, замкнул разрешающий провод на землю, и увидел появившуюся сеть “BT Speaker”. Как же я в тот момент обрадовался! Мой телефон подключился без особых проблем, на экране выскочила надпись, сигнализирующая о том, что телефон и моё устройство работают по протоколу aptX, и я запустил музыкальный трек в надежде услышать звук из подключенного динамика. Но… Как бы не так, звука не было, хотя усилитель совершенно точно работал, это подтверждалось тем, что если коснуться его входа металлическим предметом, в динамике появлялся нискочастотный гул. Куда делся звук? Вот в чём вопрос. После непродолжительных поисков в Интернете выяснилось, что BTM625B по умолчанию сконфигурирован таким образом, что выдает звук не в дифференциальный аудиовыход, а в шину I2S, и чтобы перенастроить это поведение, необходимо к шине SPI микросхемы CSRA64215 подключить SPI-USB адаптер, да не простой, а проприетарный от самой компании CSR. Посмотрев, сколько стоит это чудо техники даже в варианте от китайцев, я пришёл в уныние. Но! Есть ещё добрые и талантливые люди, и в строке поиска поисковой системы меня заинтересовала ссылка на один проект на GitHub’е.

Автор проекта “csr-spi-ftdi” под ником lorf предлагает в качестве адаптера CSR SPI использовать дешевый адаптер USB-UART на основе микросхемы FT232R, который можно как собрать самостоятельно, так и приобрести готовый (просто наберите в поиске AliExpress или ebay “FT232R adapter”). Магия здесь в том, что микросхема FT232R в качестве одной из своих функций может использовать свои выводы в режиме BitBang, т.е. позволяет программно изменять их состояние из высокого в низкое и наоборот, что очень напоминает работу обычного LPT-порта или GPIO-выводов Arduino и многих других подобных плат, что открывает возможность создавать на её основе различные самодельные программаторы, адаптеры и прочее нестандартное оборудование. Программная реализация протокола SPI осуществляется при помощи библиотеки usbspi.dll, созданной автором проекта, причём поддерживаются как микросхемы производства самой FTDI, так и китайские клоны. Пришлось заказать ещё и адаптер, благо стоит он недорого.

Пока адаптер находился в пути, я решил сделать более компактную плату для моего будущего устройства и заложить в неё возможность программирования (разведя дорожки шины SPI).

Кроме того, судя по множеству отзывов, установленные на выходе модуля усилителя переходные электролитические конденсаторы имеют недостаточную ёмкость (100 мкФ), и установка конденсаторов с большей ёмкостью улучшает звучание усилителя на низких частотах, было решено их заменить. В хозяйстве нашлась лишь пара на 470 мкФ х 16 В, их и запаял. В будущем ещё заменю и 4 SMD-конденсатора по входу, т.к. по datasheet-у на микросхему SGM4812 их ёмкость должна составлять 390 нФ, а по факту стоят конденсаторы на 100 нФ.

Расскажу немного о процессе программирования BTM625B. Для перевода платы в режим программирования необходимо вывод PCM/SPI (вывод №5 BTM625B) через резистор 10 кОм подключить к напряжению +3,3 В, а непосредственно подключение к микросхеме происходит при помощи шины SPI. Для программирования необходимо подключить 6 выводов: общий провод, питание, а также сигналы CLK, CSB, MOSI, MISO через резисторы 220 Ом (по крайней мере, так рекомендовано автором проекта на GitHub'е) с адаптером. При разводке платы я про эти резисторы успешно забыл, а переделывать уже не хотелось, посему припаял их прямо в разрыв соединительных проводов. На моей плате уже имеется преобразователь на 3,3 В, поэтому (а также потому, что судя по данным из даташита на FT232R сила тока на выходе встроенного в неё линейного преобразователя на 3,3 В не может превышать 50мА) для питания модуля с платы адаптера идёт напряжение 5 В.

Соединяем адаптер и самодельную плату в соответствии со следующей таблицей:

Сигнал SPI     Вывод адаптера
    CSB		     DTR
    CLK		     RTS
    MOSI             RI
    MISO	     DSR
    GND	             GND

Обратите внимание! Сигнал DSR на адаптере обозначен как RSD! Вот он, верный признак настоящего качества…

Также для изменения настроек модуля нам потребуется программное обеспечение под названием “CSRA64xxx and CSRA63xxx Tools v2”. В Интернете довольно просто найти софт первой версии, но я где-то видел отзывы о том, что она не хочет работать с этим модулем из-за слишком новой версии встроенного в модуль программного обеспечения, и необходима именно вторая версия (позже оказалось, что это именно так). Софт версии 2 найти было намного сложнее, по большинству найденных мной ссылок программа была недоступна для скачивания, однако всё же мне удалось её скачать. Чтобы никому из читателей не пришлось так же, как и мне, лазить по куче китайских сайтов, выложил её на файлохранилище.

Итак, теперь необходимо установить программу, зайти в ту папку, в которую она была установлена (на моей системе это “C:\Program Files (x86)\CSRA64xxx and CSRA63xxx Tools v2” и заменить файл “usbspi.dll” на файл “lib-win32/usbspi.dll”, скачанный со страницы проекта на GitHub (не забыв предварительно сделать резервную копию заменяемого файла). Но, к сожалению, только этого недостаточно. Всё дело в том, что стандартный драйвер для Windows предоставляет для таких адаптеров лишь функциональность COM-порта, чего для наших нужд будет явно мало, поэтому необходимо временно заменить драйвер от FTDI на libusb-совместимый драйвер, что даёт возможность более низкоуровневого доступа к чипу. Для замены драйвера используется программа Zadig. Подключаем наш адаптер к USB-порту компьютера, скачиваем и запускаем программу Zadig. В открывшемся окне выбираем пункт меню «Options» и ставим галочку «List all devices», где находим название адаптера (что-то вроде “FT232R USB UART”), далее стрелочками выбираем драйвер “libusbK” и нажимаем кнопку “Replace driver” или “Install driver”.

Запускаем CSRA64xxx and CSRA63xxx v2 Configuration Tool, подаём (это только в моём случае, т.к. у меня в схеме используется инвертор; на голый модуль надо подавать высокий уровень на контакт MFB) низкий уровень сигнала на вход «EN» (замыкаем на землю), выбираем в списке «Select a device» устройство «FT232R 00000000» и жмём на «Read device», и, если соединения выполнены правильно, то программа считает все настройки с платы и позволит их изменять на наше усмотрение.

Первым же делом я, разумеется, изменил аудиовыход с I2S на DAC (встроенный ЦАП), собственно, ради этого всё и затевалось:

А также изменил название Bluetooth-точки с невнятного «BT Speaker» на «Sony MHC-551», это ж будет его блютус, не так ли?

И включил поддержку кодека AAC (по умолчанию почему-то отключена):

Вообще в программе имеется множество настроек, описывать их я не буду, кому это потребуется — разберётся самостоятельно.

Попробовал я ради интереса и первую версию программы — действительно, не работает!

На этом, в принципе, перепрограммирование устройства завершено, можно проверять! Я подал питание на модуль, подключился с телефона к точке «Sony MHC-551», и на экран выскочило сообщение о подключении к устройству с поддержкой aptX!

Запускаю музыкальный трек для проверки… Всё работает!!! Даже CSR GAIA Control (также выложил её в облако, может кому пригодится) видит устройство:

Теперь нужно это чудо техники установить в музыкальный центр. Разместить плату было решено за приводом CD-проигрывателя, там места предостаточно, и доступ к ней для доработок в будущем значительно упростится.

И снова я столкнулся с трудностями. После подключения моей платы к цепи питания +5 В музыкального центра, не запустился генератор импульсов для эмуляции работы лентопротяжного механизма (на выходе постоянно была лог. «1»), хотя от ЛБП всё совершенно точно работало… Знаете почему так произошло? Оказывается, что по линии 5 В в этом центре на самом деле идёт напряжение +5,6 В. Стоило бы найти источник более высокого напряжения (в схеме центра имеется источник 7,5 В) и добавить в свою схему преобразователь на чём-нибудь типа 7805, но травить-лудить-паять другую плату не хотелось совсем, да и делать это ради всего одной микросхемы? Не, проще перерезать дорожку к ножке питания 74LS00 и поставить диод, на нём упадёт как раз 0,6 В. Так и сделал, использовав диод 1N4148 в SMD-исполнении. После его установки генератор импульсов завёлся без проблем. Антенну Bluetooth (а по факту маленькую антенну WiFi) я просто закинул в держатель кассеты — потом что-нибудь придумаю, пока оставлю так.

Теперь нужно определиться, при каких условиях модуль будет включаться. От того, чтобы Bluetooth был включен постоянно, я отказался сразу же. В первой версии я подключал разрешающий сигнал к выходу сигнала "#POWER-ON" процессора муз. центра, который принимает низкий уровень при выходе центра из спящего режима в рабочий режим. Но опять же, я не всегда использую муз. центр для прослушивания музыки через Bluetooth, чаще всего он работает просто как усилитель звуковых сигналов с телевизора, поэтому модуль будет работать впустую. Решение нашлось практически сразу — раз я подключил выход модуля усилителя звука своей платы к входу усилителя деки, так надо уж и активировать Bluetooth-модуль по сигналу активации мотора лентопротяжного механизма «CAPM. ON/OFF», к тому же он тоже инверсный и переделывать в схеме ничего не нужно. Взять этот сигнал можно прямо с процессора муз. центра либо с базы транзистора Q407 (см. рисунок):

Теперь, когда всё припаяно и заработало должным образом, пора и поиграть немножко в новую игрушку!

Сначала я решил проверить, в каком режиме модуль Bluetooth работает с разными телефонами. Методика проверки проста и описана в моём предыдущем обзоре, но скопирую её сюда, чтобы не заставлять читателя ходить по ссылкам:
Результаты проверки 3 различных телефонов:
Ну и бонусом, лог соединения ноутбука на Ubuntu 16.04 LTS:

Теперь немного субьективщины о звуке от человека с обтопанными медведем ушами. Он восхитителен! Никаких лишних шумов, слышны все инструменты, по отношению к предыдущему BT-модулю, поддерживающему только кодек SBC, звук стал намного лучше, т.е. разницу между aptX и SBC слышу даже я! Для проверки включил трек Nightwish — Sleeping Sun и практически утонул в голосе Тарьи. Я очень доволен результатом!
В планах на будущее — переместить или как-либо облагородить светодиод индикации режимов работы. Может кто-нибудь из читателей подаст какую-нибудь идею? Жалко нет каких-нибудь светодиодных индикаторов в форме значка Bluetooth (по крайней мере я не нашёл)…
Прошу прощения за несколько сумбурный стиль изложения, но чукча не писатель, чукча — паятель. Если у кого-либо остались вопросы — милости прошу в комментарии…

P.S. Выложил файл платы в формате Sprint Layout 6, скачать здесь.

P.P.S. Обратите внимание! Теперь, благодаря пользователю player404 у нас есть патч для программы CSRA64xxx and CSRA63xxx Tools v2 с поддержкой Configuration Set версии [ROM,15]. Так что если при настройке модуля вы видите такую ошибку:

то просто распакуйте обновление в папку с установленной программой. Скачать обновление можно с Dropbox'а player404 или с моего облачного диска.