Synchro radio

Le contexte

L'idée n'a rien de nouveau, puisqu'il s'agit de faire jouer ensemble plusieurs orgues de barbarie. De concert pourrait-on dire.
La technique habituellement utilisée consiste à diffuser la totalité des messages midi générés par un instrument maître. Dans le flux reçu, les récepteurs choisissent ensuite les messages qui les concernent. D'un strict point de vue technique il s'agit plutôt d'une diffusion de données que d'un processus de synchronisation. Les données reçues sont synchrones par définition... à condition qu'elles arrivent.
Les principales difficultés posées à l'amateur par cette technique sont au moins de deux ordres :
1. La bande passante radio nécessaire est assez conséquente car le signal midi requiert tout de même un débit de 32500 bauds. Il faut donc utiliser des équipements capables d'assumer cette contrainte.
2. La continuité et l'intégralité du flux des messages reçus doivent être garantis, faute de quoi on aura des interruptions dans la musique. Une liaison bidirectionnelle avec processus d'acquittement et de réémission est donc souhaitable.
Pas si simple en fait...

Et si on faisait autrement ?

Les deux idées de base sont les suivants :
1. On trouve sur le marché des modules radio en 433 MHz pour un prix dérisoire (de l'ordre 1€ la paire). Hélas leur bande passante est assez faible, mais quand-même hein... ils ne sont pas chers.
2. Par principe, chaque module PPCaP dispose de ses propres données concernant le morceau à jouer dans une carte à puce. Il n'est donc nullement besoin de les diffuser puisqu'elles sont déjà là. Il faudrait "juste" les synchroniser.

Le principe

Il peut s'énoncer de manière très simple : Chaque instrument exécute son propre morceau de musique sous le contrôle d'un instrument maître qui impose son rythme. Ce dernier est le chef d'orchestre en somme. Et nous voilà revenus à la notion de concert. :o)

Les contraintes

1. La bande des 433 MHz est très encombrée par des dispositifs de toutes sortes (télécommandes de portes et portails, jouets, sondes des stations météo domestiques etc...). Il faut donc sécuriser les messages radio au maximum et concevoir un système qui soit robuste vis à vis des aléas de transmission.
2. Ces modules radio autorisent un débit maximum de l'ordre de 2 kbits/s. Il est donc hors de question de transmettre une grande quantité d'information.
3. L'intégration dans l'existant doit être quasi-transparente. Un minimum de matériel additionnel et une mise à jour soft seraient l'idéal.

La solution retenue

Oui retenue, car plusieurs autres solutions ont été envisagées et testées.

En premier lieu, on se rend compte qu'il ne suffit pas de synchroniser le départ des morceaux. La disparité des quartz des cartes arduino est telle que l'on se retrouve assez facilement avec des décalages de l'ordre de la seconde en fin de morceau et ce n'est guère acceptable.
L'idée du calibrage des cartes a été tentée, mais selon la température, la tension de la batterie et que sais-je encore, la dérive finit par se faire sentir.
Une sélection de cartes arduino qui seraient de meilleure qualité a été par principe écartée. Comment apprécier cette qualité à priori et sur quels critères puisqu'aucune spécification de ce genre n'est mentionnée à leur cahier des charges.
Des techniques de recalage sur des informations de référence insérées dans les morceaux ont également été essayées avec plus ou moins de succès quant aux effets sur le déroulé musical et sa fluidité. Et puis les contraintes en amont étaient trop lourdes.

La technique retenue consiste à remonter à la source des signaux musicaux et à ce qui les génère, plus précisément à leurs horloges et à comparer le comportement de celles-ci sur des périodes fixes. Autrement dit, on va mettre en place une dispositif d'asservissement de ces horloges. Entre autres avantages, aucun travail particulier préalable ne sera requis sur les fichiers de musique, autre que celui de l'arrangement bien sûr.

Alors ça fonctionne comment ?

	Toutes les 1024 occurrences de son horloge, l'émetteur envoie un message de synchronisation. Ce message est bref et dure environ 40 ms toutes les 4.267 secondes.
	Le récepteur compte également les coups d'horloge qu'il génère entre deux réceptions successives du message de l'émetteur et compare à 1024. La différence observée en positif ou en négatif, donne alors lieu à deux actions : 1. De manière immédiate : Rattrapage du retard ou correction de l'avance en agissant sur les temps d'attente des événements suivants et en appliquant un processus de lissage. 2. On tente d'établir la tendance de l'horloge locale par rapport à celle de l'émetteur et on procède à son ajustage. En résumé, si on est souvent en retard, on diminue la période de l'horloge locale pour accélérer et vice versa (tout est dans le "souvent" :o)).
	De cette manière on assure que le nombre de coups d'horloge exécutés des deux côtés sera en moyenne le même à l'issue de chaque séquence de 1024 et en conséquence les morceaux s'exécuteront de manière synchrone.

Principe de la synchronisation

A noter :
Tout ceci est mis en œuvre dans le contexte de l'excellente bibliothèque VirtualWire de Mike McCauley.
Les messages transmis comportent 80 bits : 36 bits de préambule + 12 bits de start + longueur utile + le message lui-même + un CRC. Avec la modulation utilisée et pour un débit de 2 kbit/s, leur durée d'émission est donc de 40 ms. Celle-ci s'effectue selon un processus d'interruptions sous le contrôle du timer1 de l'Atmega cadencé ici à 62.5 microsecondes et elle est quasi-transparente pour le programme principal. La réception s'effectue exactement de la même manière et sous le contrôle de ce même timer1.
La précision du positionnement temporel de la réception des messages est donc fonction de la période de ce timer. Il s'ensuit que la part "radio" de l'erreur de synchronisation est au maximum de 2 x 62.5 microsecondes (émission + réception). Je vous laisse faire le calcul de ce que cela représente musicalement. Ca existe des 1/4000 de croche ? ;o)

Mise en œuvre

Des résistances de 3.3 K sont mises en parallèle sur l'entrée du module émetteur ainsi que sur la sortie du récepteur. Leur présence ne perturbe en rien le fonctionnement de ces derniers et elle permet au programme de détecter lequel des deux est en service en marquant un '0' logique sur la broche correspondante lorsqu'un pullup interne à l'Atmega est momentanément activé pendant la phase de setup.
La mise en service d'un des modules s'effectuera donc simplement au moyen d'un commutateur raccordant sa connexion de données à la broche de l'arduino qui lui est dédiée.
Il n'est pas nécessaire de couper l'alimentation des modules inutilisés. Leur consommation est assez négligeable par rapport à l'ensemble du montage. Du reste, l'émetteur étant de type ASK, il n'émet strictement rien lorsque son entrée est à 0. Mais bon, pourquoi pas. Dans ce cas il faut des commutateurs à double-circuits.

Pour plusieurs raisons, le connecteur RF qui était présent en prévision sur les cartes PPCaP ne peut être utilisé en l'état. Difficile de penser à tout 4 années en avance. Selon le cas on procèdera donc aux mini-corrections suivantes :

1. Carton électronique ou commande électronique intégrée avec connecteur RF pré-câblé :
- Couper les deux liaisons existantes du connecteur RF vers les broches D0 et D1 de l'arduino.
- Relier la connexion émetteur à D9 et la connexion récepteur à D13.

Exemple de modification de câblage du connecteur RF sur une carte 29-32 notes

2. E-serinettes :
- Couper la liaison de la sortie midi vers D9 et la relier à D1.
- Créer un connecteur RF à 4 broches selon le schéma ci-dessous (5V, D13, D9, masse).

En résumé on doit avoir :
- Sortie midi : Broche Tx de l'arduino (D1)
- Données vers l'émetteur radio : Broche D9 (ex-midi sur les e-serinettes)
- Sortie du récepteur radio : Broche D13

Implantation des modules RF et exemple de carte d'adaptation

IMPORTANT :
Si vous avez réalisé l'implantation de ces modules dans une e.serinette, ne pas oublier de rediriger la sortie midi sur TX (fenêtre "Paramètres" du soft version 5.2).

Utilisation

Il suffit de positionner les commutateurs des différents instruments en fonction du rôle que l'on veut leur faire jouer avec pour règle : Un seul émetteur et autant de récepteurs que l'on veut. S'il a plusieurs "chefs"... là non plus ça ne va pas.

	Côté récepteurs on introduit une carte tout en pressant le bouton. La led rouge s'allume, puis s'éteint au bout d'une seconde. On peut alors relâcher le bouton. Un clignotement rouge atteste que le module est en mode réception, puis la led verte s'allume. On peut tourner la manivelle pour produire de l'air, mais musicalement il ne se passe rien. On est en attente de déclenchement.
	On procède de la même manière côté émetteur, à ceci près qu'au lâcher de bouton la led rouge clignotera 2 fois avant l'allumage de la led verte, signifiant le fonctionnement en mode émission. Le morceau débutera alors immédiatement avec l'envoi simultané d'un signal de démarrage à tous les récepteurs.
	Et c'est tout ;o)

On pourra alors constater tout au long du morceau, que la led rouge de l'émetteur clignote brièvement environ toutes les 4 secondes, signifiant l'envoi d'un signal de synchronisation.
Parallèlement, la led rouge côté récepteur clignote également de manière synchrone, attestant de la réception du signal. Le système est plutôt robuste vis à vis des échecs de transmission et si le récepteur manque quelques synchros cela ne s'entendra vraisemblablement pas.

Particularités

	Il est préférable d'utiliser une version des logiciels à partir de 5.0 pour programmer les cartes si les morceaux contiennent des délais d'attente supérieurs à 8 secondes, ce qui sera souvent le cas dans un jeu à plusieurs instruments dans lequel ils se répondent.
	Ne pas utiliser le mode 32 notes pour de la synchro radio ! La précision de la représentation du temps y est insuffisante pour obtenir un calage précis entre des morceaux différents. Si on souhaite placer des marques dans les morceaux, passer en 42 notes.
	Si un des morceaux doit débuter en retard, il est nécessaire d'y insérer une note hors gamme en début de morceau. Elle ne sera pas jouée et ne doit pas non plus être déclarée dans les notes additionnelles. L'algo d'écriture sur cartes a été conçu pour économiser la mémoire et la présence de cette note l'oblige à passer outre et à insérer des blancs.
	La pénurie de broches dans le montage m'a amené à utiliser D13 pour les données du récepteur. Or, traditionnellement dans le monde arduino cette broche pilote une led. Selon les implantations des cartes Nano en particulier, cette led peut être précédée d'un ampli mais parfois seulement d'une simple résistance. Dans ce dernier cas et si on souhaite jouer au tempo midi, il est possible que l'on obtienne une fausse détection d'un récepteur alors que celui-ci est hors service ou même absent. Le module se retrouve alors bloqué en attente d'un signal de l'émetteur qui n'arrivera pas. Une simple pression sur le poussoir pendant que l'on tourne permet de démarrer le morceau et de retrouver le fonctionnement des versions antérieures.

Exemple d'implantation externe sur le carton électronique (Un peu à l'arrache je l'admets :o))

Choix des modules radio

Parmi toutes les offres de modules de ce genre, il est de loin préférable de commander la version superhétérodyne présentée en début de page. Si les émetteurs se valent, la sensibilités de ces récepteurs est bien meilleure que celle de celui qui est présenté ci-dessus dans ma version carton électronique et qui n'est rien d'autre qu'un montage à amplification directe.
De plus l'absence de réglage et la génération de la FI sous contrôle d'un quartz augurent d'une plus grande stabilité. Quoique hein... c'est sans doute aussi un quartz bas coût.

Logiciel

L'indispensable mise à jour logicielle est ici : PPCaP_V70

Test des modules radio

Après installation du soft sur un système PPCaP, il suffit d'observer la led rouge tant côté émetteur que récepteur pour s'assurer du bon fonctionnement du lien radio. Cependant, la période de clignotement est un peu longue pour procéder à des ajustages d'antennes, tester la portée etc.
Voici un petit programme qui effectue une émission toutes les 500 ms ou moins... C'est du code source et donc une occasion de bidouiller à votre convenance sous l'IDE arduino. A téléverser dans toutes les cartes concernées.
C'est ici : Software\Test_modules_RF.zip

Amusez-vous bien !