RAK19007 WisBlock Base Базовая плата второго поколения

Модульная система конструирования WisBLock RAKwireless

Сейчас концепция устройств с модульной системой сборки не редкость среди неустанно растущего и активно развивающего множества электронных программируемых платформ. Абсолютно новая цифровая система WisBlock, реализующая самые смелые инновационные технологии и разработки в области радиопередачи на длинные расстояния в быстровозводимых сетях пакетной передачи LoRa, может по праву гордиться своей непревзойдённой миниатюрностью. Конструктивная сверхкомпактность, надёжность, простота и доступность, всецело раскрываются разработчику в модулях с размерами всего от одного квадратного сантиметра! Ультраэкономичное энергопотребление высокотехнологичных компонентов системы WisBlock позволяет раздвигать временные рамки автономного функционирования гораздо более широко, эффективно расходовать зависимые энергоресурсы. Конструктороподобная система WisBlock базируется на беспроводной коммутации двух и более отдельно взятых элементов, соединяющихся между собой с помощью интегрированных многоконтактных микроконнекторов в составе единого, полностью законченного электронного устройства. Всего-то и нужно сделать — защелкнуть подобранные блоки WisBlock и запрограммировать интегрированный процессор, после чего объединить рабочее устройство с другими приборами или узлами в составе развёрнутой беспроводной сети LoRaWAN.

Минимализм модульной системы RAKwireles WisBlock ориентирован не только на штучную сборку уникальных проектов. Платформа отлично адаптирована и подходит для крупномасштабного серийного производства, без необходимости прохождения этапа переработки или модернизации элементов аппаратной части. Широкий перечень функциональных модулей платформы WisBlock позволяет воспроизводить многозадачные приложения, в которых легко сочетаются и в произвольном варианте комбинируются различные датчики и сенсоры. Наиболее распространённые виды проводных и беспроводных интерфейсов, поддерживаемых платформой WisBlock, облегчают интеграцию с существующими IoT-решениями в различных областях и направлениях.

Главные возможности

• Гибкий блочно-строительный дизайн, предусматривающий модульную реализацию и расширение
• Высокоскоростные межплатные соединительные коннекторы, обеспечивающие надёжность и целостность сигнала
• Поддержка многочисленных типов вычислительных контроллеров с низким энергопотреблением
• Поддержка разнообразных типов датчиков и сенсоров. На одной плате может размещаться до четырех различных элементов
• Питание от маломощных источников напряжения и тока
• Встроенный контроллер заряда литиевых батарей
• Поддержка 5-вольтовых солнечных панелей
• Соответствие индустриальному уровню проектирования

Технические характеристики

• Модель: RAK19007 WisBlock Base Board 2nd Gen Ver.B (SKU: 110082)
• Питание: 3.7В (Li-Ion), 5В (USB-порт, солнечная панель)
• Энергопотребление
  • без установленных модулей: 2 мкА
  • режим ожидания, процессор и модули с датчиками в режиме сна: менее 10 мкА
  • активное состояние, модуль LoRa в режиме трансляции: до 130 мА
• Шины цифровых данных: GPIO, UART, I2C, SPI, ADC
• Модульные разъёмы: 1 x CPU Slot, 4 x Sensors (A, B, C, D), 1 x IO Slot
• Защита ESD: TPD2EUSB30DRTR
• Контроллер заряда батареи: TP4054, 4.2В/350мА
• Переключатель нагрузки: двухтранзисторный контур DTC0432ZEBTL+NCE40P05Y
• Пользовательские светодиоды: 2, программируемые
• Кнопка сброса
• Шаг между выводами J10-J12: 2.54 мм (0.1")
• Гнездо солнечной панели P1: JST ZHR-2 1.5мм
• Гнездо аккумуляторной батареи P2: JST PHR-2 2мм
• Размер: 60 х 30 х 8.2 мм
• Комплектация
  • Базовая плата второго поколения RAK19007 Base Board X 1шт
  • Кабель USB-AF/USB Type-C Х 1 шт
  • Винты крепления М1.2*3 - 15 шт
  • Винты крепления М2.5*4 - 8 шт

Внешний вид и расположение элементов RAK19007 WisBlock Base Board 2 Gen

Базовая плата RA19007 Wisblock Base Board 2 Gen — это основа всех основ в WisBlock. Наравне с предыдущими моделями, базовая плата RAK19007 WisBlock 2-го поколения используется для соединения процессорного ядра ​​WisBlock-приложения с модулями ввода-вывода и другими модулями системы WisBlock. Базовая плата координирует правильное распределение напряжения питания подключенных к ней модулей, и обеспечивает обоюдную взаимосвязь. Она оснащена несколькими коннекторами расширения для присоединения вычислительного блока (CPU Slot), блоков с датчиком или сенсором (Slot A-D), и блока ввода-вывода данных (IO Slot). Расстояние между выводами цифровых интерфейсов UART, I2C, GPIO, и аналогового ADC, предназначенных для дополнительного расширения LoRa-приложения (порты J10, J11 и J12), составляет 2.54 мм.

Каких-либо ощутимых изменений в новом поколении не последовало. Совместимость с предыдущим версиями почти целиком сохранена. Проведённая перекомпоновка расставила некоторые радиодетали в другие места платы. Технически устаревший входной разъём программирования и отладки Micro USB обновился до стандарта USB-C со спецификацией USB2.0. Если такая опция поддеживается ядром WisBlock Core, то проходящие сквозь порт USB-данные передаются по шине непосредственно в процессор вычислительного блока. В ином случае USB-данные преобразуются в другую совместимую форму при помощи моста USB-UART TTL.

Индикаторный светодиод D1 красного цвета, уведомляющий о наличии в цепях модуля RAK19007 питающего напряжения, "переехал" на другой угол. Передвинутый со старого места и развёрнутый на 90°, порт D освободил свободное посадочное место соседнего порта С, физически перекрываемого при установке 23-мм модулей на базовой плате первого поколения. В добавок, у порта D появился выход последовательной шины UART TX1/RX1. И на последок — цифро-аналоговый вход AIN0 в группе дополнительного расширения J11 изменился на вход AIN1.

Блок-схема RAK19007 Base Board 2 Gen

Шины данных WisBase RAK19007 второго поколения

В каждом процессорном модуле WisBlock Core предусмотрены несколько основных цифровых шин трансляции данных: I2C, UART и SPI. Эти линии внутрисистемной связи разведены среди всех коннекторов базовой платы. Обмениваясь информацией по связующим шинам, центральный программируемый модуль процессора WisCore способен управлять и извлекать данные из датчиков. Модули ввода-вывода WisBlock IO имеют связь с вычислительным блоком ещё и по шинам USB, GPIO и ADC (АЦП), получают полный доступ ко всем интерфейсам контроллера.

Некоторые типы вычислительных контроллеров WisCore имеют меньшее количество контактов ввода-вывода. Лишь часть контактов шины данных в подобных случаях соединено. Например, существует подключение только с I2C и UART. Множество контактов ввода-вывода контроллеров в вычислительном ядре WisCore, кроме основной предусматривают ещё и альтернативные функции. Настройка какой-либо функции достигается её переназначением в программном обеспечении. Детальная информация об этом находится на странице с описанием Wisblock Core.

Порт USB Type-C

Соединительное гнездо USB Type-C соответствует спецификации USB2.0. Универсальный последовательный интерфейс USB напрямую соединяется с процессорным модулем WisBlock Core. Дополнительно, через этот порт осуществляется подзарядка аккумуляторной батареи. Несколько выгодных преимуществ разъёма Type-C:

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

Блок-схема энергопитания базовой платы RAK19007 Second Generation

Базовая плата RAK19007 укомплектована системой энергопитания от 3.7-вольтовой литиевой батареи. Встроенный чип TP4054 заряжает малым током 350мА и контроллирует уровень напряжения батареи, и не допускает её повреждения от повышенного напряжения более 4.2 вольт. Микросхема TP4054 способна заряжать батарею от сетевого адаптера с 5-вольтовым DC-выходом, получая питающее напряжение через порт USB. Существует альтернативный способ зарядки батареи от 5-вольтовой солнечной панели, подключенной к специально предусмотренному для неё разъёму.

Низкотоковый LDO-регулятор используется в схеме для генерации стабильных 3.3 вольт. Это напряжение напрямую запитывает модули с вычислительным ядром WisBlock Core, модули датчиков и сенсоров, а также модули ввода-вывода данных. Максимальный ток, поддерживаемый 3.3-вольтовым LDO, составляет 600 мА.

3V3_S — это ещё один источник напряжения для блоков с датчиками и для модулей ввода-вывода, управляемый логическим сигналом вывода IO2 процессора WisCore. Когда устройство находится в режиме ожидания, можно отключить питание 3V3_S, и сэкономить ресурсы электроэнергии.

• Установить IO2=1, источник 3V3_S включен
• Установить IO2=0, источник 3V3_S выключен

Цифро-аналоговые интерфейсы расширения RAK19007

Определение выводов для групп дополнительного расширения J10, J11, J12. Шаг между контактами 2,54 мм.

Разъёмы аккумуляторной батареи и солнечной панели

Разъём P1 JST ZHR-2 1.5мм предназначен для подкючения литиевого аккумулятора, разъём P2 JST PHR-2 2мм — для солнечной панели. Коннекторы имеют отличительные разные размеры и шаг между выводами. Полярность присоедиения плюсовой и минусовой линий питания у них также отличается.

Светодиодная индикация

На плате RAK19007 расположено три светодиодных индикатора, используемые для отображения рабочего состояния:

• Красный - соединён с контроллером заряда и сигнализирует состояние заряда. Постоянно и ярко горит, пока батарея заряжается. По окончании процесса, слабо светится или полностью гаснет.
• Зелёный - подключен к процессорному блоку, программируется пользователем.
• Синий - подключен к процессорному блоку, программируется пользователем.

Кнопка RESET

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

Интерфейс 40pin-коннектора CPU Slot для модулей 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 питания USB
• SW1 - сигнал переключения
• TXD0, TXD1 - сигнал передачи данных от контроллера WisCore по шине UART0, UART1
• RXD0, RXD1 - сигнал приёма данных контроллером WisCore 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 - вход в режим прошивки сигналом высокого уровня, установленным во время сброса контроллера STM
• SPI_MISO, SPI_MOSI, SPI_CLK, SPI_CS - шина SPI, сигналы данных-тактирования-выбора чипа
• IO1, IO3-6 - выводы общего назначения GPIO
• IO2 - управление напряжением 3V3_S
• IO7 - не подключен

Интерфейс 24pin-коннектора SLOT A-B-C-D для модулей Wisblock Sensor

Базовая плата RAK19007 владеет четырьмя коннекторами для присоединения модулей с датчиками или сенсорами. С верхней стороны модуля RAK19007 расположены коннекторы SLOT A и SLOT B, с нижней —  SLOT C и SLOT D. Все разъёмы обозначены соответствующей маркировкой. Некоторые контакты этих коннекторов отличаются функционально.

Определение контактов

• NC - нет подключения
• GND - общий, заземление
• TXD1 - сигнал передачи данных от контроллера WisCore по шине UART1
• RXD1 - сигнал приёма данных контроллером WisCore 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
• IO1, IO3-6 - выводы общего назначения GPIO
• IO2 - управление напряжением 3V3_S
• 3V3_S - напряжение питания 3.3 вольта, управляемое контроллером WisCore

Интерфейс 40pin-коннектора IO SLOT для модулей WisBlock IO

Определение контактов

Описание обозначений

• NC - не подключен
• 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 питания 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
• SPI_MISO, SPI_MOSI, SPI_CLK, SPI_CS - шина SPI, сигналы данных-тактирования-выбора чипа
• IO1, IO3-6 - выводы общего назначения GPIO
• IO2 - управление напряжением 3V3_S
• IO7 - не подключен
• 3V3_S - напряжение питания 3.3 вольта, управляемое контроллером WisCore

Физические размеры, мм

Техническая документация

1. Принципиальная схема Модуля базовой блаты RAK19007 Base Board 2 Gen, часть 1 (.PNG)
2. Принципиальная схема Модуля базовой блаты RAK19007 Base Board 2 Gen, часть 2 (.PNG)
3. Характеристики коннекторов FBB (.PNG)

Полезные ссылки

1. Репозиторий исходного кода WisBlock на сайте GitHub