• Autor: Brișculescu Mihai-Darius
• Grupa: 335CA
• An universitar: 2025–2026, semestrul 2
• Curs: Proiectare cu Microprocesoare (PM)
• Facultate: Automatică și Calculatoare, UNSTPB

MiniSynth V2 este un sintetizator/sampler digital portabil, polifonic, alimentat la baterie, construit pe baza microcontroler-ului Teensy 4.0 (ARM Cortex-M7 @ 600 MHz). Dispozitivul reproduce sunete prin trei mecanisme complementare:

1. Forme de undă matematice (sine, sawtooth, square, triangle, pulse, noise) generate în timp real de Teensy Audio Library.
2. Instrumente wavetable (pian, corzi, tobe etc.) preîncărcate în flash-ul firmware-ului, sintetizate de obiectul AudioSynthWavetable.
3. Sample-uri WAV utilizator încărcate de pe un card microSD (44.1 kHz, 16-bit, mono).

Toate instrumentele dispun de anvelope ADSR per-instrument, acordare pe scale muzicale (Chromatic, Major, Minor, Pentatonic, Blues, Dorian etc., cu rădăcină configurabilă) și un lanț de efecte (Reverb, Delay, Chorus, Flanger, Bitcrush, Distortion). Polifonia este de 8 voci cu alocare dinamică (oldest-voice stealing).

• Tastatură de 25 de taste (C4–C6) cu butoane de octave shift (Oct+ / Oct−) ce extind acoperirea pe întregul interval MIDI.
• Ieșire stereo prin difuzoare integrate (2× Sony SS-TSF550, 4 Ω) amplificate digital de 2× MAX98357A Class-D.
• Ieșire pentru căști mufă jack 3.5 mm (TRS, comutată).
• Ieșire pentru amplificator de chitară mufă jack 6.35 mm (mono, comutată) cu sumare L+R în mono.
• Display OLED 1.3” (SSD1306, 128×64) pentru meniu și feedback vizual.
• Joystick analogic pentru pitch bend / modulation în mod cântat și navigare în meniu.
• Potențiometru rotativ pentru volum master / ajustare parametri în meniu.
• Alimentare dintr-un acumulator 18650 Li-Ion, încărcare USB-C prin TP4056.

Realizarea unui instrument muzical electronic complet, autonom (battery-powered, fără PC), care să acopere cele 7 teme de laborator ale cursului PM (GPIO, UART, Întreruperi, Timere/PWM, ADC, SPI, I2C) într-o aplicație coerentă și utilă.

Mi-am dorit un proiect care să combine electronica analogică (audio path, alimentare, jack-uri comutate) cu DSP în timp real (sinteză polifonică, efecte, eșantionare) și o interfață utilizator propriu-zisă (display + meniu navigabil). Un sintetizator polifonic portabil, cu eșantionare bifurcată (instrumente factory + sample-uri user pe SD card), îndeplinește toate cele trei criterii și demonstrează simultan toate cele 7 laboratoare PM, nu doar minimul cerut de 3 — fiecare modul al proiectului mapează firesc pe câte un laborator (GPIO/UART/INT/PWM/ADC/SPI/I2C), fără implementări forțate.

• Pentru utilizator: un instrument muzical portabil, hackabil (sample-urile sunt simple fișiere WAV pe SD card, fără recompilare), cu funcție educativă (modul “scale-locked” împiedică notele false — util pentru începători și improvizație).
• Pentru mine: un proiect care îmbină ferm partea hardware (PCB design, audio analog, alimentare) cu firmware embedded real-time (DSP, DMA, drivere I2S/SPI/I2C/ADC), oferindu-mi expunere directă la întregul stack al unui sistem embedded de complexitate medie.

                         ┌───────────────────────────┐
                         │       Teensy 4.0          │
                         │   (NXP iMXRT1062, M7)     │
                         │       3.3 V GPIO          │
                         └─┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬─┘
                           │   │   │   │   │   │   │
        ┌──────────────────┘   │   │   │   │   │   └──────────────────┐
        │                      │   │   │   │   │                       │
        │ GPIO bit-bang        │   │   │   │   │ I2S1 (BCLK/LRCLK/DIN) │
        ▼                      │   │   │   │   ▼                       │
   ┌──────────┐                │   │   │   │  ┌──────────────┐         │
   │ 4× SR    │                │   │   │   │  │  UDA1334A    │──L/R───►│ Jack 3.5mm
   │ 74HC165  │◄──┐            │   │   │   │  │  I2S DAC     │         │ (căști, comutat)
   │ (25 keys)│   │            │   │   │   │  └──────┬───────┘         │
   └──────────┘   │            │   │   │   │         │                 │
                  │            │   │   │   │         │ 2× 47kΩ + cap   │
   ┌──────────────┴─────┐      │   │   │   │         ▼                 │
   │ 2× butoane octave  │      │   │   │   │      Sumare L+R ─────────►│ Jack 6.35mm
   │ (Omron B3F)        │      │   │   │   │                           │ (chitară, comutat)
   └────────────────────┘      │   │   │   │
                               │   │   │   │  ┌─────────────────┐
                               │   │   │   ├─►│ MAX98357A LEFT  │──► Boxă L (4 Ω)
                               │   │   │   │  └────────┬────────┘
                               │   │   │   │           │ SD_MODE
                               │   │   │   └───[direct]┘  (pin 14)
                               │   │   │
                               │   │   │      ┌─────────────────┐
                               │   │   ├─────►│ MAX98357A RIGHT │──► Boxă R (4 Ω)
                               │   │   │      └────────┬────────┘
                               │   │   │               │ SD_MODE
                               │   │   └───[210 kΩ]────┘  (pin 22)
                               │   │
                               │   │ ADC (A1, A2, A3)
                               │   ▼
                               │  ┌────────────────────┐
                               │  │ Joystick X/Y/SW    │
                               │  │ Potențiometru 10kΩ │
                               │  └────────────────────┘
                               │
                               │ I2C (SDA0, SCL0)
                               ▼
                              ┌─────────────────────┐
                              │  SSD1306 OLED 1.3"  │
                              │     128×64          │
                              └─────────────────────┘

   SPI hardware (CS, MOSI, MISO, SCK):
        ┌──────────────────────┐
        │  HW-125 microSD      │  ◄──  user samples (.wav)
        └──────────────────────┘

   Detecție jack-uri (GPIO + 100kΩ pull-up):
        Pin 6  ◄── SJ1-3535NG  (tip switch, "break")
        Pin 23 ◄── Switchcraft 112AX (tip switch, "make", polaritate inversată)

   Lanț de alimentare:
   18650 Li-Ion ──► TP4056 (USB-C) ──► MT3608 boost ──► 5V ──► Teensy VIN
                                        │                 │
                                        └► CHRG ── R ──► WP7113GD LED (verde, charging)
                                                          │
   3.3V LDO Teensy ──► logica (74HC165, joystick, pot, OLED, pull-up-uri)

Pe firul audio (digital → analog): Teensy generează stream-ul I2S (BCLK pin 21, LRCLK pin 20, DIN pin 7) care este distribuit simultan către trei dispozitive: UDA1334A (DAC pentru căști / chitară) și două MAX98357A (amplificatoare Class-D pentru difuzoarele stereo). Selecția canalului per amplificator se face prin pinul SD_MODE (analog multi-nivel), conform Tabelului 5 din datasheet-ul MAX98357A: ampul stâng primește SD_MODE direct dintr-un GPIO Teensy (HIGH = canal stâng), iar ampul drept primește SD_MODE printr-un rezistor serie de 210 kΩ care, împreună cu pull-down-ul intern de 100 kΩ, plasează tensiunea în intervalul B1–B2 (canal drept). Calculul rezistorului serie (din datasheet, pentru VDDIO = 3.3 V):

R_SMALL = 94.0 × VDDIO − 100  =  94.0 × 3.3 − 100  =  210.2 kΩ

→ se folosește 210 kΩ (E96) sau 220 kΩ (E24).

Pe firul de comandă (UI → DSP): Joystick-ul și potențiometrul sunt citite pe ADC. Joystick-ul efectuează în modul play pitch bend (X) și modulation (Y); apăsarea click-ului joystick-ului activează meniul. În meniu, mișcările joystick-ului sunt doar pentru navigare, iar potențiometrul este singurul mecanism de modificare a valorilor (volum master, ADSR, voice count, concert pitch, scale, root note). Această separație previne modificările accidentale în timpul navigării.

Pe firul de detecție și mute hardware: La introducerea unui jack (căști sau chitară), GPIO-urile de detecție (pin 6 și pin 23) basculează stările (cu polarități inversate, conform datasheet-urilor SJ1-3535NG vs. Switchcraft 112AX). Firmware-ul răspunde tragând pinii 14 și 22 (SD_MODE) în LOW, ducând ambele MAX98357A în shutdown hardware (~0.6 µA quiescent / chip). Acest mecanism elimină pop-urile audibile și economisește baterie când un jack rămâne introdus.

Pe firul de alimentare: Acumulatorul 18650 alimentează modulul TP4056 (charging + protecții); ieșirea acestuia merge la MT3608 care urcă tensiunea la 5 V. Acest rail unic alimentează Teensy (prin VIN, cu trasa VIN-VUSB tăiată — obligatoriu pentru a preveni back-feed-ul USB), cele două MAX98357A, UDA1334A și HW-125. LDO-ul intern al Teensy (3.3 V) alimentează apoi logica de joasă putere: 74HC165, joystick, potențiometru, OLED și toate pull-up-urile. LED-ul de charging WP7113GD este conectat direct între VBUS și pinul CHRG al TP4056 — nu consumă pini sau ciclii MCU.

Subansamble cheie deja proiectate (descrieri detaliate vor urma împreună cu schemele):

• Scanare tastatură — 4× SN74HC165 înlănțuite, alimentate la 3.3 V (range valid 2–6 V conform datasheet-ului SN74HC165), QH-ul ultimului 165 → pin 5 Teensy; SH/LD comun → pin 9; CLK comun → pin 8.
• I2S audio bus — BCLK (pin 21), LRCLK (pin 20), DIN (pin 7) partajate între UDA1334A și ambele MAX98357A. Fără MCLK (UDA1334A regenerează intern; MAX98357A “No MCLK Required” per datasheet).
• SD_MODE drive — pin 14 → SD_MODE LEFT (direct, 0 Ω); pin 22 → 210 kΩ → SD_MODE RIGHT. Jumperele de canal de pe breakout-uri NU se podesc (altfel GPIO LOW ar scurtcircuita rail-ul de 5 V prin GPIO de 3.3 V).
• Detecție jack-uri — pin 6 + 100 kΩ pull-up la 3.3 V (SJ1-3535NG, polaritate normal-LOW); pin 23 + 100 kΩ pull-up la 3.3 V (Switchcraft 112AX, polaritate normal-HIGH).
• LED charging — VBUS → anod WP7113GD → catod → R_LED (1 kΩ) → TP4056 CHRG (open-drain). Calcul: I_LED = (5.0 − 2.0) / 1000 = 3.0 mA (sub limita absolută de 25 mA).
• Divizor baterie — VBAT → 100 kΩ → ADC (A?) → 100 kΩ → GND, raport 1:2.

• Arduino IDE + Teensyduino add-on (suportul oficial PJRC pentru toolchain-ul ARM)
• PlatformIO ca alternativă pentru build-uri reproductibile (CI)
• PJRC Audio Design Tool (GUI online) pentru proiectarea graph-ului DSP
• Teensy Wavetable Editor (repo oficial) pentru conversia SoundFont-urilor (.sf2) în header-e C
• KiCad 8 pentru schemă și PCB

• Teensy Audio Library (PJRC, BSD) — DSP graph, oscilatoare, filtre, mixere, efecte, wavetable, WAV playback
• Adafruit SSD1306 + Adafruit GFX (BSD) — driver OLED și primitive grafice
• SD (built-in Teensyduino) — acces card microSD
• FrankBoesing Teensy-WavePlayer (GitHub) — variantă optimizată pentru sample loop-points
• EEPROM (built-in) — persistare setări (master volume, voice count, ADSR per instrument, scale, root note)

• 8-voice polyphony cu alocare dinamică (oldest-voice stealing)
• Trei motoare de sinteză rulând în paralel:
  • AudioSynthWaveform / AudioSynthNoiseWhite (math)
  • AudioSynthWavetable (factory wavetable din PROGMEM)
  • AudioPlaySdWav (user samples cu loop-points)
• ADSR per-instrument persistat (factory în EEPROM-emulation, user în instrument.txt pe SD)
• Lanț de efecte fix-ordonat: Distortion → Bitcrush → Chorus → Flanger → Delay → Reverb (toggle ON/OFF per efect)
• Quantizare pe scale: mapare midi_note → scale_degree cu rădăcină configurabilă
• Pitch shift în timp real pentru sample-uri user (playback_rate = 2^(semitone_offset / 12))
• Sistem de meniu ierarhic cu 4 tipuri de noduri (Category, Instrument terminal, Effect terminal, Numeric/Enum parameter, Read-only display)
• Hardware mute la introducerea unui jack — driving SD_MODE LOW pe ambele amp-uri (fără manipulare buffer I2S)

• alegerea proiectului, research pe Teensy 4.0 vs. alternative (RP2040, ESP32, STM32 — ales Teensy pentru audio library matur și DMA I2S nativ).
• definirea arhitecturii hardware; selecție DAC (UDA1334A) și amplificator (inițial TPA6021A4N analog, apoi schimb la MAX98357A digital pentru imunitate la zgomot de alimentare).
• redactare documentație inițială OCW; început PCB layout în KiCad.

• Teensy 4.0 — PJRC store page și specs
• NXP UDA1334ATS — datasheet UDA1334ATS (NXP)
• Maxim/Analog Devices MAX98357A — datasheet MAX98357A/B
• TI SN74HC165 — datasheet SN74HC165 (Texas Instruments)
• Bourns 4608X-101-103LF — datasheet bussed resistor network
• Omron B3F — datasheet seria B3F tactile switches
• Kingbright WP7113GD — datasheet WP7113GD (V_F = 2.0 V tip., I_F max 25 mA)
• Solid State Industries WP154A4SUREQBFZGW — datasheet RGB LED (variantă alternativă)
• CUI SJ1-353xNG — datasheet seria SJ1-353xNG (3.5 mm switched jack)
• Switchcraft NL110X / MNL110X — datasheet seria 1/4” switched jack (variantă AX = “Tip Closed Circuit”)
• SSD1306 — datasheet controller OLED (Adafruit 938 monochrome breakout)
• HW-125 microSD module — schemă tipică (LDO + 74LVC125 level shifter)
• TP4056 — datasheet TP4056 (Nanjing Top Power) + schema modulului USB-C cu protecții
• MT3608 — datasheet MT3608 (Aerosemi) boost converter
• Sony SS-TSF550 — manual seria SS-TSF550/770/WSF550

• Teensy Audio Library — documentație oficială
• PJRC Audio System Design Tool
• Teensy Wavetable Synthesis — generare instrumente din SoundFont
• FrankBoesing/Teensy-WavePlayer
• Adafruit GFX Library guide
• Adafruit SSD1306 monochrome OLED guide

Export to PDF