Драйвер Серво UART c ESP32 Waveshare

Технические характеристики

• Модель: ESP32 Servo Driver expansion board Waveshare
• Напряжение питания
  • Разъём DC5521: 6-12В постоянного тока DC для драйвера и серво моторов
  • Порт USB-C: 5В постоянного тока DC для драйвера
• Экран: OLED 0.91", белый, 128х32 точек, чип SSD1306
• Контроллер: ESP32-WROOM-32 Espressif
• Беспроводная связь: WiFi 2.4ГГЦ b/g/n до 150 Мбит/с, в режиме точка доступа AP
• Рабочие режимы: нормальный (ESP-DEV), ведущий или ведомый (ESP-NOW)
• Сервисные режимы: отладка (Debug), обновление ПО
• Проводная связь: UART на скорости 115200 Бод
• Шина управления серво: полудуплексный UART на скорости 1 МБод
• Индикаторы: питание, пользовательские WS2812
• Кнопки: сброс (EN), прошивка ПО (BOOT)
• Монтажные отверстия: 4 х Ø2.75мм
• Размер платы: 65 х 30мм

Простой и многофункциональный драйвер Серво UART с ESP32 Waveshare предназначен для эксплуатации с рядом специализированных серво приводов и шаговых моторов, использующих для своего управления интерфейс цифровой последовательной полудуплексной шины UART. Драйвер позволяет организовать однопроводное последовательное подключение и управление для 1-20 серво, задействованных в самых разнообразных роботизированных проектах. Условно ограничивающий предел в размере 20 серво установлен на программном уровне, в теории допускается цепочка до 253 серво при правильной организации линий питания. Драйвер полностью совместим с оригинальными сервоприводами моделей SC15 Servo Waveshare и ST3215 Servo Waveshare, кроме того работоспособен с иными аналогичными моделями других производителей (официально не гарантируется). Драйвер примечателен возможностью полноценного замещения главного ЦПУ в проектах управления упрощённой робототехникой без дополнительного электронного "обвеса": колёсных роботах, человекоподобных роботах, паукообразных роботах с шестью ногами или в манипуляторах рука/захват. 

Драйвер построен на современном, быстром и мощном микроконтроллере ESP32-WROOM-32 Espressif. Cетевые технологии для стандарта беспроводной связи WiFi, интегрированные в чипе ESP32, обеспечивают работу в режимах точки доступа AP или клиента STA, предлагают удобный способ управления драйвером напрямую из Веб-приложения (Интернет-браузера) с любого смартфона или ПК. Встроенное ПО драйвера исходно настроено в режим защищённой паролем точке доступа WiFi. Настройка канала связи в режиме клиента STA, либо изменение исходных параметров точки доступа WiFi, осуществляется через редактирование данных сетевого подключения в исходном коде ПО драйвера с последующим обновлением прошивки. При сопряжении двух устройств c чипом ESP32 поддерживается передача данных по протоколу ESP-NOW (без WiFi-соединения). А также предусматривается распределение ролей на ведущий-ведомый, если плата Серво UART ESP32 соединяется с главным ЦПУ роботизированного устройства или с таким же драйвером.

Точка доступа WiFi по умолчанию имеет следующие параметры подключения:

• Имя сети "ESP32_DEV"
• Пароль "12345678"
• IP-адрес 192.168.4.1

Фабрично записанная версия программного обеспечения драйвера Серво UART с ESP32 Waveshare служит демонстрационным приложением для ручной настройки и диагностики подключенных к плате сервоприводов/моторов. Драйвер в реальном времени собирает подробные данные о состоянии выбранного серво, считывает показатели текущего угла, нагрузки, напряжения, температуры, заданного рабочего режима, идентификатора и других характеристик. Через приложение выполняется программирование номерного идентификатора ID в диапазоне 0-253 и запись режима "сервопривод/шаговый двигатель". Модуль драйвера транслирует сигналы в шину UART со скоростью 1 млн.бод, показывает высокую эффективность в схемах управления с обратной связью. В приложении задействован не весь функционал (но бóльшая его часть), имеющийся в исходном коде драйвера управления серво приводами с 3-пиновой шиной UART. ПО драйвера предоставляется в открытом виде, благодаря чему плата управления шиной UART с чипом ESP32 может быть очень легко адаптирована под конкретно взятый проект робототехники. Контроллер ESP32 совместим со множеством ПК-приложений разработки и программирования, в том числе поддерживается компилятором языка C/С++ в среде разработки Arduino IDE (потребуется установка библиотек ESP32). 

Расположение интерфейсов и назначение компонентов платы драйвера

1. Контроллер ESP32 2. Интерфейс последовательной шины управления серво мотором 3. Экран OLED 4. Кнопка BOOT входа в режим прошивки 5. Кнопка сброса 6. Коннектор USB TYPE-C 7. Схема автоматической загрузки 8. Индикатор RGB-LED 9. Разъем питания DC 5.5*2.1 10. Дополнительный интерфейс RGB-LED 11. Плоская печатная антенна PCB 12. Схема преобразования сигналов последовательной шины управления серво мотором

Плата укомплектована парой световых индикаторов RGB WS2812, сопровождающих состояние драйвера разноцветными сигналами, и одним красным индикатором напряжения питания возле разъёма USB Type-C. На небольшой OLED-экран белого цвета с разрешением 128х32 точки выводится подробная информация о WiFi-подключении (MAC-адрес, IP-адрес, режимы AP/STA) и количестве распознанных серво приводов/моторов. Порт USB Type-C дополнительно используется для отладочной коммуникации с контроллером ESP32 или его перепрошивки. Кнопка EN предназначена для сброса драйвера, кнопка BOOT — для входа в режим обновления ПО.

Схема последовательного подключения серво приводов к драйверу

Напряжение на входе драйвера 6-12В должно полностью соответствовать рабочему напряжению серво приводов/моторов. Линейная и нагрузочная стабилизация выходных параметров энергии для нормализации питания двигателей отсутствуют в схеме драйвера. Электроника драйвера серво UART c ESP32 также запитывается от источника входного напряжения через встроенный LDO-регулятор. Для наибольшей свободы подключения серво, на плате драйвера представлены два 3-контактных порта, симметрично расставленные по краям. Разъёмы полностью дублируют друг-друга, линии сиганала S полудуплексного UART и питания серво V+G в них запараллелены.

Физические размеры платы ESP32 Servo Driver expansion board Waveshare

Программное обеспечение

1. Исходники, примеры и библиотеки ПО для Драйвера серво UART с ESP32 (zip-архив)

Документация

1. Руководство пользователя драйвером Servo Driver with ESP32 (англ., PDF)
2. Схема шины управления UART ST3215 Servo (PDF)
3. Инструкция как пользоваться драйвером (web-версия)