Skip to content
aprs.helpWiedza i zasoby APRS

Arduino TNC i Arduino TNC Plus

Arduino TNC to otwarty projekt sprzętowego KISS TNC dla AFSK 1200, którego historia obejmuje kilka kolejnych etapów rozwoju i prac wielu krótkofalowców.

Projekt rozpoczął Robert Marshall KI4MCW, który stworzył programowy modem AFSK działający bez dedykowanego układu modemowego.

Sygnał audio był próbkowany przez przetwornik ADC mikrokontrolera AVR, a demodulacja oraz dekodowanie AX.25 realizowane były programowo.

Pierwotny projekt KI4MCW:

https://sites.google.com/site/ki4mcw/Home/arduino-tnc

Eksperymenty i rozwój projektu przez George’a Smarta M1GEO:

https://www.george-smart.co.uk/arduino/arduino_tnc/

Polska wersja konstrukcji:

https://hamspirit.pl/SQ9MDD/?p=337

Arduino TNC Plus:

https://hamspirit.pl/SQ9MDD/?p=541

Kod rozwijany przez SQ9MDD i SQ5RWU:

https://github.com/SQ9MDD/arduino_tnc

Idea projektu

Założenie było proste: wykorzystać popularny mikrokontroler AVR jako modem AFSK bez stosowania specjalizowanego układu modemowego.

Schemat funkcjonalny:

Radio
  |
audio + PTT
  |
Arduino
  |
AFSK / AX.25
  |
KISS
  |
komputer / aplikacja APRS

Arduino realizuje:

  • próbkowanie audio,
  • demodulację AFSK,
  • dekodowanie AX.25,
  • generowanie sygnału nadawczego,
  • sterowanie PTT,
  • komunikację KISS.

Zewnętrzna aplikacja realizuje natomiast wyższe funkcje APRS lub Packet Radio.

Początki: KI4MCW

Robert Marshall KI4MCW rozpoczął prace nad Arduino TNC około 2010 roku.

Projekt był eksperymentalnym programowym modemem APRS przeznaczonym głównie dla platform Arduino opartych na AVR.

Jednym z najważniejszych założeń było wykonywanie możliwie dużej części pracy bezpośrednio w kodzie mikrokontrolera.

Zamiast stosować układ taki jak TCM3105 lub MX614, wejście audio trafiało bezpośrednio do ADC procesora.

Radio
  |
audio
  |
ADC
  |
algorytm demodulacji
  |
AX.25

W kolejnych wersjach pojawiły się między innymi:

  • odbiór AFSK 1200,
  • KISS,
  • DCD,
  • automatyczna korekcja biasu ADC,
  • transmisja pakietów,
  • obsługa UART.

Kod był intensywnie optymalizowany pod kątem ograniczonych zasobów AVR.

Demodulacja programowa

Najciekawszym elementem oryginalnego projektu była rezygnacja z dedykowanego modemu analogowego.

Arduino próbkowało sygnał audio i programowo rozpoznawało tony:

1200 Hz
2200 Hz

czyli klasyczne AFSK Bell 202 używane w APRS.

Takie podejście pozwalało zbudować kompletny modem przy bardzo niewielkiej liczbie elementów.

Jednocześnie wymagało dokładnego dopracowania kodu, ponieważ ATmega328P dysponuje ograniczoną mocą obliczeniową.

Eksperymenty M1GEO

George Smart M1GEO szczegółowo testował projekt KI4MCW i eksperymentował z własnym torem wejściowym.

Prace obejmowały między innymi:

  • filtrowanie wejścia audio,
  • stabilizację napięcia biasującego ADC,
  • ograniczenie zakłóceń pochodzących z USB,
  • analizę częstotliwości próbkowania,
  • testy różnych wersji kodu KI4MCW.

M1GEO używał wersji 0.14, uzyskując dobrą pracę jako KISS TNC.

Eksperymentował również z przekazywaniem danych przez Bluetooth do telefonu oraz przygotował własną wersję płytki.

Pokazuje to jedną z ważnych cech Arduino TNC: projekt był na tyle otwarty i prosty, że łatwo było go adaptować do własnych zastosowań.

Polska wersja Arduino TNC

Na bazie wcześniejszych prac powstała wersja konstrukcji opisana przez SQ9MDD.

Celem było przygotowanie prostego i taniego interfejsu TNC, który można łatwo zbudować z dostępnych elementów.

Typowa konfiguracja:

Radio
  |
Arduino TNC
  |
USB / KISS
  |
Raspberry Pi / PC
  |
oprogramowanie APRS

Konstrukcja została przetestowana zarówno z materiałem testowym WA8LMF, jak i na rzeczywistym kanale APRS.

Projekt dobrze sprawdzał się jako niewielki modem dla Raspberry Pi, iGate lub stacji domowej.

Rozwój oprogramowania przez SQ5RWU

Istotny wkład w rozwój późniejszych wersji kodu wniósł Łukasz SQ5RWU.

Historia kodu obejmuje między innymi:

  • sprawdzanie CRC odebranych ramek,
  • poprawki stabilności,
  • poprawki obsługi odbioru,
  • usprawnienia transmisji,
  • porządkowanie kodu,
  • poprawki wymagane do stabilnej pracy.

Wersja:

0.15.3

zawiera duży zestaw poprawek i usprawnień SQ5RWU.

Następnie została przygotowana wersja:

0.15.4

oznaczona jako stabilne wydanie projektu.

Przy uruchomieniu urządzenie przedstawia się komunikatem:

Arduino TNC v.0.15.4

KISS

Arduino TNC pracuje jako klasyczny KISS TNC.

Typowy układ wygląda tak:

Radio
  |
Arduino TNC
  |
KISS
  |
APRSBox / Xastir / Linux AX.25 / inne oprogramowanie

KISS jest prostym standardowym interfejsem pomiędzy TNC a aplikacją.

Dzięki temu urządzenie nie jest związane z jednym konkretnym programem.

AFSK 1200

Podstawowym trybem pracy jest:

AFSK 1200 Bd
1200 / 2200 Hz
Bell 202

czyli klasyczna modulacja APRS używana na VHF.

Arduino generuje sygnał nadawczy programowo i steruje PTT.

Arduino TNC Plus

Kolejnym etapem projektu było Arduino TNC Plus, w skrócie ATNC+.

Powstał jako rozwinięcie wcześniejszej konstrukcji.

Podstawowa funkcjonalność została zachowana, ale tor radiowy został rozbudowany.

Najważniejszą zmianą było dodanie układu:

TCM3105

pracującego jako regeneracja sygnału według rozwiązania Adama SP5RZP.

Schemat funkcjonalny:

Radio
  |
tor audio
  |
TCM3105
  |
Arduino
  |
KISS
  |
komputer

Celem było poprawienie jakości sygnału dostarczanego do części cyfrowej i zwiększenie skuteczności dekodowania w rzeczywistych warunkach radiowych.

Zmiany sprzętowe w ATNC+

Oprócz TCM3105 wprowadzono również inne poprawki.

Dodano między innymi:

  • kondensatory odcinające składową stałą na wejściu transformatorów,
  • poprawiony tor audio,
  • możliwość sterowania radiotelefonami ręcznymi,
  • dodatkową zworkę konfiguracyjną,
  • rezystor 2,2 kΩ dla określonych sposobów sterowania PTT.

Płytka ATNC+ jest większa od pierwotnej wersji ze względu na dodatkowy układ modemowy.

Stabilne oprogramowanie ATNC+

Podczas testów Arduino TNC Plus okazało się, że również oprogramowanie wymaga dalszych poprawek.

Dużą część prac wykonał SQ5RWU.

W rezultacie powstała stabilna wersja oprogramowania używana z ATNC+.

Kod dostępny jest tutaj:

https://github.com/SQ9MDD/arduino_tnc

Repozytorium należy traktować jako późniejszą, poprawioną linię rozwojową projektu, a nie oryginalną wersję KI4MCW.

Parametry komunikacji

W stabilnej wersji Arduino TNC port szeregowy pracuje z prędkością:

19200 bit/s

Jest to prędkość używana przez interfejs KISS.

Izolacja toru audio

W konstrukcji stosowane są transformatory separujące.

Ich zadaniem jest elektryczne oddzielenie radia od części cyfrowej.

Pomaga to ograniczyć:

  • pętle masy,
  • zakłócenia z komputera,
  • problemy z poziomami audio,
  • zakłócenia powstające przez USB.

Sterowanie PTT

Arduino steruje nadajnikiem automatycznie.

Tor PTT wykorzystuje element separujący i tranzystor.

Arduino
  |
PTT
  |
separacja
  |
Radio

Pozwala to bezpiecznie współpracować z różnymi typami radiotelefonów.

Zastosowania

Arduino TNC i ATNC+ mogą pracować jako modem dla:

  • APRS iGate,
  • stacji domowej APRS,
  • Packet Radio,
  • Raspberry Pi,
  • komputerów Linux,
  • aplikacji obsługujących KISS,
  • własnych projektów eksperymentalnych.

Typowa instalacja może wyglądać tak:

Radio
  |
Arduino TNC Plus
  |
USB
  |
Raspberry Pi
  |
APRSBox

Projekt edukacyjny

Jedną z największych wartości Arduino TNC jest możliwość prześledzenia całej drogi pakietu.

Projekt pozwala zobaczyć w praktyce:

  • jak audio trafia do ADC,
  • jak rozpoznawane są tony AFSK,
  • jak dekodowana jest ramka AX.25,
  • jak działa CRC,
  • jak działa KISS,
  • jak generowany jest sygnał TX,
  • jak sterowane jest PTT.

Jest to bardzo dobry projekt dla osób zainteresowanych zarówno APRS, jak i mikrokontrolerami AVR.

Historia projektu

Rozwój Arduino TNC można przedstawić w uproszczeniu tak:

KI4MCW
  |
oryginalny programowy Arduino TNC
  |
M1GEO
  |
testy i rozwój toru radiowego
  |
SQ9MDD
  |
polska wersja sprzętowa
  |
SQ5RWU
  |
poprawki kodu i stabilizacja
  |
Arduino TNC Plus

Nie jest to więc pojedyncza konstrukcja jednego autora, lecz efekt kolejnych eksperymentów i poprawek wykonywanych przez kilku krótkofalowców.

Dla kogo jest ten projekt?

Arduino TNC może być interesujący dla osób, które:

  • chcą zbudować własny KISS TNC,
  • eksperymentują z Arduino i AVR,
  • chcą poznać AFSK 1200 od strony praktycznej,
  • potrzebują prostego modemu do Raspberry Pi,
  • interesują się AX.25,
  • chcą zrozumieć działanie programowego modemu.

Arduino TNC Plus będzie dodatkowo interesujący dla osób, które chcą wykorzystać rozbudowany tor radiowy z regeneracją sygnału.

Dokumentacja

Najważniejsze źródła: