RAK19003 WisBlock Base Мини базовая плата

Модульная система конструирования WisBLock Rakwireless

Создавая свои уникальные изделия для современной индустрии, большинство разработчиков электронных продуктов стремятся наделить устройства определённым набором функций и/или опций для выполнения одной или нескольких задач. Как правило, такие устройства не поддаются модифицированию в будущем, возможность изменения архитектуры попросту изначально не предусматривается. Закрытая архитектура устройств, в примерах с эффективностью использования лишь части существующего функционала, приводит к неизбежному поиску единственного оптимального, либо нескольких совместимых друг с другом устройств, удовлетворяющих поставленным задачам.

Производящая коммуникационную электронику для сферы IoT-решений, активно набирающей популярность и повсеместное распространение, компания RakWireless несколько по иному подходит к концепции изготовления целевых устройств. Представленная линейка продуктов серии WisBlock выполнена в стиле модульного конструктора. Она даёт возможность другим разработчикам или энтузиастам самостоятельно подбирать нужные комбинации элементов (блоков), моментально собирать готовые схемы или тестировать их прототипы, экономя время на подготовке аппаратной части. Вдобавок система WisBlock допускает будущий простой ремонт или модернизацию устройства.

Система быстрого конструирования WisBlock состоит из многочисленных модулей, куда входят микроконтроллерные модули (WisBlock Core MCU), датчики или сенсоры (WisBlock Sensors), и модули ввода-вывода (WisBlock IO). В основу вычислительных модулей WisBlock Core MCU интегрированы микроконтроллеры и блоки беспроводной связи LoRa, WiFi, Bluetooth BLE или другие приёмопередатчики. Собранная с датчиков информация обрабатывается контроллерами и отправляется в облачные сервера с помощью Lora- или WiFi-подключений. Интерфейс BLE применяется для связи с периферийными устройствами, расположенными на максимально близких дистанциях.

Любые данные с сенсоров слежения, окружения, ориентации, температуры, влажности, давления, или других внешних датчиков, подключенных к RAK19003 как расширение (включая проводные интерфейсы RS485 и UART), могут транслироваться по беспроводной связи LoRa, WiFi и BLE, выводится на экран. Совокупная многочисленность мультифункциональных модулей системы WisBlock позволяет создавать вариативную аппаратную часть, пригодную для широкого спектра применения. Модульная система WisBlock идеально подходит для проектов по возведению сетей из датчиков слежения за окружением с беспроводной трансляции данных, сетей сбора данных в промышленных зонах, сетей обнаружения и слежения за индивидуальными или подвижными объектами, и др. Наличие стандартных разъёмов подключения и открытая архитектура позволяют самостоятельно разрабатывать модули для совершенно разных задач, и совмещать их работу с уже существующими элементами системы WisBlock.

Ключевые возможности мини базовой платы RAK19003

• Дизайн свободного модульного конструирования, сочетание модульных функций и расширений
• Высокоскоростные соединяющие разъёмы на базовой плате WisBlock, обеспечивающие целостность сигнала
• Поддержка вычислительных контроллеров с низким энергопотреблением WisCore
• Поддержка модульных датчиков и сенсоров WisBlock. На одной плате может размещаться до двух элементов с 24-контактным Wis-коннектором
• Цифровые интерфейсы для дополнительного расширения
• Питание от низковольтных источников напряжения
• Встроенный контроллер заряда Li-Pol
• Поддерживаются 5-вольтовые солнечные панели
• Маленький форм-фактор

Технические характеристики

• Модель: RAK19003 V.B
• Питание: 3.7В (LiPo), 5В (USB-порт, солнечная панель)
• Энергопотребление
  • без установленных модулей: 2 мкА
  • режим ожидания, процессор и датчики в режиме сна: менее 10 мкА
  • активное состояние, модуль LoRa в режиме трансляции: до 130 мА
  • максимальный выходной ток: 750 мА
• Шины цифровые данных: GPIO, UART, I2C, SPI, ADC
• Модульные разъёмы: 1 x слот ЦПУ, 2 x слота сенсоров (C, D) 24pin
• DС-DС преобразователь: TPS62840YBG
• Защита ESD: LCR399-04AT1G
• Контроллер заряда: TP4054, 4.2В/350мА
• Переключатель нагрузки: TPS27082LDDC
• 2 программируемых светодиода
• Кнопка сброса
• Шаг между выводами J6-7: 2.54 мм (0.1')
• Разъём солнечной панели P1: JST ZHR-2 1.5мм
• Разъём аккумуляторной батареи P2: JST PHR-2 2мм
• Размер: 30 х 35 х7.2 мм

Комплектация

• Базовая плата RAK19003 Mini Base Board X 1шт
• Кабель USB-C Х 1 шт
• Набор винтов Х 1 комплект

Внешний вид и расположение элементов RAK19003 Wisblock Mini Base Board

Базовая плата RAK19003 Wisblock Mini Base Board — это основа всех основ в WisBlock, только гораздо более миниатюрная, чем старшая модель RAK5005-O. С помощью несущей платы объединяются воедино все остальные модули WisBlock-приложения. Базовая плата оснащена несколькими стандартизированными расширяющими коннекторами, предназначенными для присоединения одного вычислительного блока (WisCore), и до двух блоков с датчиком или сенсором (Slot C-D). Блок WisCore располагается на лицевой стороне, модули расширения - на обраной. Слот расширения D поддерживает только датчики или сенсоры длиной не более 10мм. В слоте C помещаются модули длиной до 23мм.

Каждый существующий блок спроектирован таким образом, чтобы он быстро и легко, буквально одним щелчком, устанавливался на базовую плату, или так же просто снимался. Высококачественные соединительные коннекторы у блоков WisBlock гарантируют целостность сигнала для каждой шины данных. Входящий в комплектацию набор винтов рекомендован для крепления блоков к базовой плате, надёжного удерживания модулей в окружении с вибрацией.

Блок-схема RAK19003 Mini Base Board

В вычислительном контроллере модуля WisBlock Core предусмотрены шины цифровых данных I2C, UART и SPI, разведённые на коннекторы сенсорных модулей. По этим шинам контроллер способен управлять и извлекать данные из датчиков. В отличии от полноразмерной несущей платы RAK5005-O, у младшей версии RAK19003 отсутствует возможность подключения модулей ввода-вывода WisBlock IO. По причине достижения максимальной экономии свободного пространства, занимаемого аппаратной частью WisBlock-приложения, а также снижения энергопотребления и общего веса, нет соответствующего разъёма. Исходя из этого условия, некоторые существующие в модулях WisCore интерфейсы для связи с внешней периферией, наподобие второго выхода USB-шины, аналогового входа ADC (АЦП), или управляющего выхода SW1, физически не реализованы.

Некоторые типы вычислительных контроллеров WisCore имеют меньшее количество контактов ввода-вывода. В подобных случаях, соединены лишь часть контактов шины данных. Например, подключены только I2C или UART. Многие контакты ввода-вывода у вычислительных контроллеров, кроме основной, рассчитаны ещё и для альтернативных функций. Изменение какой-либо функции достигается её переназначением в программном обеспечении, либо перепроектированием (переcборкой из других модулей) аппаратной части устройства. Подробная информация располагается на странице с описанием Wisblock Core.

Энергопитание модуля мини базовой платы RAK19003 WisBlock

Модуль RAK19003 спроектирован с питанием от литиевой батареи (разъём P1), и обладает возможностью восполнения энергии аккумулятора через встроенный контроллер заряда TP4054. Зарядный контур платы Mini Base Board может работать от любого источника 5-вольтового напряжения, подключенного к порту USB-С, или от солнечной батареи с эквивалентным напряжением, присоединённой к специально предусмотренному для неё разъёму P2.

Низкотоковый LDO-регулятор используется в схеме для генерации стабильных 3.3 вольт. Это напряжение напрямую запитывает модули с вычислительным ядром WisBlock Core, а также модули датчиков и сенсоров. Максимальный ток, поддерживаемый 3.3-вольтовым LDO, составляет 750 мА.

Напряжение VDD генерируется модулем вычислительного контроллера, и используется для питания сенсорных модулей и блоков ввода-вывода данных. Модуль с контроллером работает непосредственно от 3.3-вольт. Однако с помощью встроенного регулятора, он может выдавать на собственные контакты ввода-вывода аналогичное напряжение, или напряжение с меньшим уровнем: 3.3 вольта, 2.5 вольта или 1.8 вольта.

3V3_S — это ещё один источник напряжения для сенсорных блоков и модулей ввода-вывода данных, управляемый логическим сигналом со стороны контроллера через контакт IO2. Например, когда само устройство находится в режиме ожидания, питание 3V3_S можно отключить, чтобы ещё больше сэкономить расходуемую электроэнергию.

• Высокий логический сигнал IO2=1, источник 3V3_S включен
• Низкий логический сигнал IO2=0, источник 3V3_S выключен

Порт USB Type-C

Соединительное гнездо USB Type-C соответствует спецификации USB2.0. Универсальный последовательный интерфейс USB напрямую соединяется с  вычислительным модулем WisBlock Core. Дополнительно, через этот порт осуществляется подзаряд аккумуляторной батареи. Разъём Type-C имеет несколько преимуществ:

• форма маленького размера с реверсивным подключением
• порт используется как вход или выход
• быстрый заряд батареи

Группы контактов расширения J6 и J7

Расстояние между выводами UART, I2C, и BOOT цифровых интерфейсов J6 и J7, выведенных на край несущей платы для целей дополнительного расширения WisBlock-приложения, составляет 2.54 мм. В таблице содержатся определения контактов ввода-вывода групп J6 и J7.

Вывод контроллера BOOT предназначен для настройки режимов запуска вычислительных процессоров STM, интегрированных в модули WisBlock Core. Часто вывод BOOT используется для записи загрузчика (bootloader) и/или программного обеспечения приложения. Требуемое состояние вывода BOOT зависит от специфики модели задействованного модуля WisBlock Core.

Светодиодная индикация

На плате RAK19003 расположено три светодиодных индикатора, используемые для отображения рабочего состояния. Их функции:

• Красный - соединён с контроллером заряда и сигнализирует о текущем состоянии. Постоянно и ярко горит, пока батарея заряжается. После завершения процесса или при отсутствии батареи слабо светится или полностью гаснет.
• Зелёный - подключен к вычислительному блоку, программируется пользователем.
• Синий - подключен к вычислительному блоку, программируется пользователем.

Кнопка RESET

Кнопка Reset соединена с вычислительным модулем. Нажатие Reset приводит к перезапуску контроллера, встроенного в модуль WisBlock Core.

Разъёмы аккумуляторной и солнечной батареи

На представленном изображении, прямоугольные маркеры красного цвета указывают на верное расположение общих (минусовых) выводов GND разъёмов аккумуляторной и солнечной батареи.

Напряжение на выходе солнечной батареи не должно превышать 5.5 вольт. Повышенное напряжение может стать причиной постоянного повреждения базовой платы. Разъём подключения аккумуляторной батареи - JST ZHR-2 с шагом 1.5мм.

Напряжение аккумуляторной батареи должно укладываться в пределы 3.3 ~ 4.3 вольта. Подключаемая к разъёму JST PHR-2 с шагом 2 мм батарея должна заряжаться постоянным током не менее 350мА, и поддерживать ток разряда более 500мА.

40pin-коннектор для WisBlock Core

Определение контактов

Описание обозначений

• VBAT - напряжение питания от батареи
• GND - общий, заземление
• 3V3 - напряжение питания 3.3 вольта
• USB+ - плюсовой сигнал шины USB
• USB- - минусовой сигнал шины USB
• VBUS - напряжение шины USB
• SW1 - сигнал переключения
• TXD0, TXD1 - сигнал передачи данных от контроллера по шине UART0, UART1
• RXD0, RXD1 - сигнал приёма данных контроллером по шине UART0, UART1
• RESET - сброс контроллера
• LED1 - индикатор контроллера заряда
• LED2, LED3 - программируемый светодиод
• VDD - Напряжение генерируется вычислительным модулем для питания сенсорных модулей, если уровень напряжения на контактах контроллера отличается от 3.3 вольта
• I2C1_SCL, I2C2_SCL - сигнал тактирования шины I2C1, I2C2
• I2C1_SDA, I2C2_SDA - сигнал данных шины I2C1, I2C2
• AIN0, AIN1 - аналоговые входы АЦП
• BOOT0 - режимы загрузки, только для контроллера STM
• SPI_MISO, SPI_MOSI, SPI_CLK, SPI_CS - шина SPI, сигналы данных-тактирования-выбора чипа
• IO1, IO3-6 - выводы общего назначения
• IO2 - управление напряжением 3V3_S
• IO7 - не подключен

24pin-коннектор для Wisblock Sensor

На плате RAK19003 всего представлено 2 коннектора для присоединения модулей с датчиками или сенсорами. Они обозначены как Slot C и Slot D. Некоторые контакты этих коннекторов отличаются по назначению.

Определение контактов

• NC - нет подключения
• GND - общий, заземление
• TXD1 - сигнал передачи данных от контроллера по шине UART1
• RXD1 - сигнал приёма данных контроллером по шине UART1
• VDD - Напряжение генерируется вычислительным модулем для питания сенсорных модулей, если уровень напряжения на контактах контроллера отличается от 3.3 вольта
• I2C1_SCL - сигнал тактирования шины I2C1
• I2C1_SDA - сигнал данных шины I2C1
• SPI_MISO, SPI_MOSI, SPI_CLK, SPI_CS - шина SPI, сигналы данных-тактирования-выбора чипа
• IO3-6 - выводы общего назначения
• IO2 - управление напряжением 3V3_S
• 3V3_S - напряжение питания 3.3 вольта, управляемое контроллером

Физические размеры, мм

Техническая документация

1. Принципиальная схема Модуля базовой блаты RAK19003 Mini Base Board, часть 1 (.PNG)
2. Принципиальная схема Модуля базовой блаты RAK19003 Mini Base Board, часть 2 (.PNG)
3. Характеристики коннекторов FBB (.PNG)
4. Расположение монтажных отверстий и их диаметр, часть 1 (.PNG)
5. Расположение монтажных отверстий и их диаметр, часть 2 (.PNG)

Полезные ссылки

1. Репозиторий исходного кода WisBlock (веб-ресурс GitHub)