RAK11200 WisBlock Core Процессорный модуль WiFi Bluetooth4.2 BLE

Процессорный модуль WisCore RAK11200 из серии WisBlock построен на мощном микроконтроллере Espressif ESP32-WROVER-B с двумя ядрами Xtensa 32-бит LX6. Модуль представляет высокопроизводительную систему, способную оперировать вычислениями на частотах от 80 МГц до 240 МГц, наделённую большим объёмом встроенной флеш-памяти 4 МБайт для разработки IoT-приложений. Модуль RAK11200 имеет крайне низкий уровень энергопотребления до 80 мА, снижаемый до еле заметной величины 10 мкА в режиме глубокого сна, и обладает всеми доступными программно-аппаратными ресурсами интегрированной технологии беспроводной передачи данных на ультракороткие дистанции Bluetooth 4.2 + BLE и малые расстояния WiFi, передаёт и принимает эфирные радиосигналы в диапазоне 2.4 ~ 2.5 ГГц.

Контроллер ESP32-WROVER-B располагает многоканальным 12-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), резистивным датчиком Холла определения уровня магнитного поля, богатым набором распространённых цифровых интерфейсов GPIO, I2C, SPI, UART, необходимых для общения с сенсорами WisSensor или внешней периферией. Модуль максимально эффективен для использования в самом широком спектре задач, в том числе в проектах с независимым, полностью автономным питанием от перезаряжаемых литий-полимерных (Li-Po 3.7V) аккумуляторных батарей или небольших 5-вольтовых солнечных панелей, и целиком адаптирован под архитектуру WisBlock. Вычислительному блоку RAK11200 по плечу взаимодействие с облачными сервисами в режимах точка доступа или клиент. Двухъядерный ESP32-WROVER в связке с дополнительной памятью PSRAM успешно справляется с обработкой простого цифрового мультимедиа контента (например, сжатый звук или фото-изображения) или реализацией несложного веб-сервера, предоставляющего накопленные данные в любую точку мира на скорости до 150 Мбит/с. Благодаря фабрично предпрошитому загрузчику, беспроводной приёмопередатчик RAK11200 WisCore поддерживает популярные среды программирования, такие как Arduino IDE, PlatformIO, Atom, MS Visual Code или Clion.

Технические характеристики

• Модель: WisBlock WisCore RAK11200_VD
• Питание: 2.3 ~ 3.6 В DC
• Рабочее напряжение: 3.3 В
• Потребляемый ток: до 500 мА
• Контроллер: ESP32-WROVER-B, 2-ядерный процессор ESP32-D0WD на основе 32-битных Xtensa LX6 с низким энергопотреблением
• Тактовая частота: до 240 МГц
• Внутренняя память:
  • 448 Кбайт ПЗУ для загрузки и базовых функций
  • 520 Кбайт статической ОЗУ для данных и инструкций
  • 8 Кбайт быстрой статической ОЗУ для домена питания реального времени (RTC), доступной через главный процессор во время загрузки из режима глубокого сна
  • 8 Кбайт медленной статической ОЗУ для домена питания реального времени (RTC), доступной через сопроцессор в режиме глубокого сна
  • 1 Кбит eFuse, 256 бит заняты системой (MAC-адрес и настройки чипа), 768 бит для пользовательских приложений, включая флеш-шифрование и идентификатор микросхемы (chip-ID)
• Встроенная память
  • SPI-ПЗУ (FLASH): 32 МБит / 4 МБайт
  • Псевдостатическая ПЗУ (PSRAM): 8 Мбайт
• Диапазон радиочастот: 2.4ГГц-2.5ГГЦ (2412М-2484М)
• WiFi:
  • Клиент, Точка доступа, Клиент+Точка доступа (station, softAP, station+softAP)
  • Протоколы WiFi: 802.11 b/g/n, до 150 Мбит/сек
  • Выходная мощность в режиме 802.11b: +20.5 dBm
  • Поддержка WiFi MAC
  • Технология STBC 2х1
• Bluetooth:
  • Версия 4.2 BR/EDR и BLE спецификации
  • Мощность передающего сигнала: +12dBm
  • NZIF-приёмник с чувствительностью -97dBm
  • Адаптивная форма скачкообразной перестройки частоты (AFH)
  • Class-1, class-2 и class-3 передатчик без внешнего усилителя мощности
  • Поддержка мульти-соединений в режимах классического BT и BLE
  • Поддержка многоранговых соединений Piconect и Scatternet
  • Поддержка голосовых кодеков CVSD и SBC
• Антенна: PCB, разведена на плате в виде дорожки
• Максимальный ток на контакт общего назначения: 12 мА, рекомендуемый 6 мА
• Интерфейсы: GPIO, UART, I2C, I2S, SPI, ШИМ, Ethernet MAC
• Скорость передачи данных UART: до 5 МБит/сек
• Встроенный переключатель приёма/передачи, согласующий высокочастотный трансформатор, усилитель мощности
• Встроенные блоки: согласования сети, фазовой автоподстройки частоты, управления питанием, блоки регулирования
• Встроенный датчик Холла, преобразователь сигналов USB в UART-TTL CH340
• Поддержка Arduino, PlatformIO, Atom, MS Visual Code или Clion
• Поддержка файловых систем SPIFFS, FATFS
• Поддержка программных наборов разработки (SDK), обновление прошивки по UART/OTA
• Размер: 36.4 х 20 х 4.3 мм

Комплектация

• Модуль WisBlock Core RAK11200 WiFi х 1 шт
• Джампер-перемычка х 2 шт
• Вилка штыревая PLS-2 2.54 х 4 шт

Внешний вид и расположение компонентов RAK11200

Образец монтажа

Модуль RAK11200 WisCore спроектирован для установки на базовую плату WisbLock Base Board RAK5005-O или WisBlock Mini Base Board RAK19003, на которых реализовано USB-подключение, используемое для программирования ядра контроллера ESP32-WROVER. Вычислительный блок получает напряжение питания через Базовая плату. В добавок, на базовых платах в различном доступе разведены интерфейсы подключения датчиков, сенсоров, и блоков расширения.

На изображении показан способ крепления RAK11200 к верхней стороне RAK5005-O.

На лицевой стороне RAK11200 и прочих модулях серии WisBlock присутствует шелкографическая метка, указывающая на область приложения механического усилия для безопасного извлечения модуля из разъёма. Эта метка находится рядом с соединительными коннекторами.

Интерфейсы вычислительного модуля RAK11200

Модуль RAK11200 содержит два интерфейса UART: UART0 и UART1. Интерфейс UART0 задействуется в момент обновления прошивки (ПО) или в целях получения из последовательной консоли необходимой отладочной информации, считываемой через встроенный на несущей плате WisBlock Base Board порт USB. Интерфейс UART1 является главной шиной коммуникации с модулями WisIO или датчиками WisSensor. WisCore RAK11200 укомплектован индивидуальным двухнаправленным преобразователем сигналов из USB в TTL UART, обеспечивающим обмен данными между ПК и контроллером ESP32-WROVER-B.

RAK11200 располагает одним интерфейсом SPI с возможностью связи в полнодуплексном или полудуплексном режимах. Поддерживает следующие функции:

• Режимы ведущий (mastre) и ведомый (slave)
• Настраиваемая частота шины SPI
• Четыре трансляционных режима SPI, определяемые полярностью (CPOL, плюсовое или минусовое напряжение) и фазой (CHPA, передний или задний фронт) тактового сигнала SPI
• Встроенный 64-байтный FIFO буфер

Пара имеющихся в модуле RAK11200 шин с интерфейсом I2C, через прямое обращение к регистрам, позволяют более гибко управлять I2C-датчиками, сенсорами и другой периферией. В зависимости от их настройки, обе шины могут функционировать в режиме ведущего (master). Интерфейс I2C поддерживает:

• Стандартный режим со скоростью до 100 Кбит/с, и быстрый режим до 400 Кбит/с
• Частота тактирования до 5МГц, ограниченная силой подтягивания SDA
• 7-битный/10-битный режим адресации

40pin многоканальный коннектор WisBlock Core

Определение контактов

Cопоставление GPIO-выводов RAK5005-O и GPIO-выводов RAK11200

• RAK5005-O <-> ESP32
• IO1 <-> Arduino GPIO цифровой D14
• IO2 <-> Arduino GPIO цифровой D27
• IO3 <-> Arduino GPIO цифровой D26
• IO4 <-> Arduino GPIO цифровой D23
• IO5 <-> Arduino GPIO цифровой D13
• IO6 <-> Arduino GPIO цифровой D22
• SW1 <-> Arduino GPIO цифровой D34
• A0 <-> Arduino GPIO 36
• A1 <-> Arduino GPIO 39
• SPI_CS <-> Arduino GPIO цифровой D32
• LED1 <-> Arduino GPIO цифровой D12
• LED2 <-> Arduino GPIO цифровой D2

Домен питания реального времени RTC, режимы энергосбережения ESP32

Микросхема ESP32 подготовлена разработчиками из Espressif Systems к нескольким рабочим режимам, зависящим от особенностей конструируемого изделия и способов его энергоснабжения. Обладая надёжным внешним источником постоянного стабильного напряжения, контроллер может свободно функционировать в полноценном активном режиме. С другой стороны, автономное или аварийное питание от аккумуляторной батареи заставляет задумываться о максимальном и эффективном энергосбережении, напрямую связанным с продолжительностью работы платформы WIsBlock. Для подобных целей, в кристалле ESP32 размещён сопроцессор с ультранизким энергопотреблением (ULP-сопроцессор) и предусмотрены следующие режимы:

• Активный режим - блоки радиопередатчиков постоянно включены, чип может передавать и принимать данные, или вести постоянное радионаблюдение. Ток потребления составляет 95-240 мА.
• Режим спящего модема - функционируют все возможности чипа ESP32, за исключением блоков радиопередатчиков WiFi и Bluetooth. Частота процессора автоматически регулируется в зависимости от загруженности ядра и используемой периферии. Потребляемый ток снижается до 20-68 мА.
• Режим лёгкого сна - процессор ESP32 остановлен, при этом память и периферия домена питания реального времени RTC, а также ULP-сопроцессор, находятся в рабочем состоянии. Выход из режима сна основан на возникновении пробуждающих событий (MAC, хост, таймер RTC или внешние прерывания). Сила рабочего тока в режиме лёгкого сна не превышает 0.8 мА.
• Режим глубокого сна - напряжение получают только память и периферия (RTC_GPIO, RTC_I2C) домена питания реального времени RTC, включая ULP-сопроцессор. Все остальные элементы ESP32 обесточены. Настройки соединений WiFi и Bluetooth сохраняются в памяти RTC. Энергопотребление снижается до 10-150 мкА.
• Режим гибернации - встроенный кварцевый генератор на 8 МГц, ULP-сопроцессор и память домена RTC отключены от питания. Остаются активными таймер RTC и некоторые контакты RTC GPIO, с помощью которых возможен возврат из спящего режима. Рабочий ток в режиме гибернации составляет всего 5 мкА.

Датчик Холла, определение магнитного поля

Микросхема ESP32 содержит в себе встроенный резисторный датчик на основе эффекта Холла. Когда контроллер находится непосредственно в магнитном поле, датчик генерирует невысокое напряжение, изменяемое от силы поля или его полярности. Напряжение проходит через усилитель сигнала и измеряется аналого-цифровым преобразователем АЦП1. Величина числового значения при измерении силы поля напрямую зависит от расстояния между ESP32 и источником магнитного поля. Чем ближе их расположение, тем больше будет значение. Изменение полярности поля приводит к перемене положительных значений на отрицательные, и наоборот. 

Внутренняя память ESP32-WROVER, поддержка файловых систем SPIFFS и FATFS

Микросхема SPI-памяти 4 Мегабайт (32 Мегабита) в составе модуля RAK11200 WisCore предназначена для записи и хранения кода программного обеспечения WisBlock-приложения. Чип ESP32-WROVER поддерживает технологию обновления ПО по воздуху (OTA) и возможность создания раздела с файловой системой SPIFFS или FATFS. Выделяемое место для необязательных разделов ОТА или SPIFFS/FATFS определяется из свободного остатка физической памяти, не занятого исполняемым кодом приложения. Наличие и величина любой из трёх обозначенных областей может варьироваться в произвольной пропорции, однако их итоговая величина не должна превышать размер физической памяти.

Файловые системы SPIFFS или FATFS очень похожи на аналогичные системы, распространённые на ПК или мобильных гаджетах. Они позволяют выполнять базовые операции с файлами: удалять, переименовывать, записывать и хранить в энергонезависимой памяти текстовые файлы с данными скетча, файлы с различными настройками, графические файлы, готовые веб-страницы для веб-сервера, и так далее. Файловые системы FATFS и SPIFFS не предусматривают работу с папками или каталогами, и отличаются между собой быстродействием.

Физические размеры, мм

Примечание
Интересная заметка для пользователя. Оригинальные модули WisBlock Core RAK11200 проходят проверку качества с помощью предварительно установленной диагностической программы RAK12000 Test V1x. Программа запускается только на новом модуле (ни разу не прошитом после приобретения), и работает через консоль последовательного порта на скорости 115200 бод, сразу после перезапуска контроллера ESP32-WROVER-B кнопкой Reset на базовой плате. Её внутренние текстовые CMD-команды =TEST GPIO=, =TEST WIFI=, =TEST BLE= не эффективны для тестирования модуля за пределами производства.

Техническая документация

1. Принципиальная схема модуля WisCore RAK11200 WisBlock (.PNG)
2. Характеристики коннекторов FBB (.PNG)
3. Спецификация ESP32-WROVER-B (англ., PDF, Datasheet)

Полезные ссылки

1. Руководство начинающего пользователя RAK11200, подключение, программирование, поддержка в средах Arduino IDE, PlatformIO
2. Краткое руководство пользователя системы WisBlock
3. Библиотеки поддержки модулей WisBlock Core в среде Arduino IDE (веб-ресурс GitHub)
4. Репозиторий исходного кода WisBlock на сайте GitHub
5. 3D-модель RAK11200 (.STP)