WisBlock Base RAK19001 Базовая плата двойного ввода-вывода

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 особенности базовой платы двойного ввода-вывода RAK19001

• Гибкий блочно-строительный дизайн, предусматривающий модульную реализацию и расширение
• Высокоскоростные межплатные соединительные коннекторы, обеспечивающие надёжность и целостность сигнала
• Множественные контакты интерфейсов и модульные слоты для модулей WisBlock
  • Два (2) слота ввода-вывода IO
  • Шесть (6) слотов датчиков/сенсоров, с маркировкой от A до F
  • Все ключевые линии ввода-вывода WisBlock Core разведены на контактные выводы
  • Доступ к различным коммуникационным шинам GPIO, I2C, SPI, UART, USB, ADC
  • Один программируемый кнопочный переключатель
• Поддержка источников питания
  • Порт 5В DC USB
  • Перезаряжаемая батарея 3.7-4.2В DC
  • Неперезаряжаемая батарея и 3.3–5.5В DC
• Минимизация энергопотребления за счёт управления питанием модулей WisBlock
• Ползунковый переключатель для выбора между перезаряжаемой или неперезаряжаемой батареей

Технические характеристики

• Модель: WisBlock Dual IO Base Board RAK19001 (SKU: 110081)
• Версия платы: RAK19001_VB
• Напряжение питания: 3.7-4.2В (Li-Ion), 5В (USB-порт, солнечная панель), 3.3-5.5В (неперезаряжаемая батарея)
• 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
• Максимальный ток: DC-DC1 600 мА, DC-DC2 1200 мА
• Шины цифровых и аналоговых данных: GPIO, UART, I2C, SPI, ADC
• Модульные разъёмы: 1 x CPU Slot, 6 x Sensors (A, B, C, D, E, F), 2 x IO Slot (A, B)
• Защита ESD: LCR399-04AT1G
• Контроллер заряда: TP4054, 4.2В/500мА
• Переключатель нагрузки: SGM6019 SGMICRO
• 2 программируемых светодиода и 1 программируемая кнопка SW1
• Кнопка сброса Reset
• Ползунковый переключатель батареи питания: SS-12D10
• Шаг между выводами J10-J12, J15: 2.54 мм (0.1")
• Гнездо солнечной панели P1: JST ZHR-2 1.5мм
• Гнездо батареи P2
  • для перезаряжаемой: JST PHR-2 2мм
  • для одноразовой: FWF20009-S02S22W1B
• Размеры: 60 х 67 x 14.5 мм
• Комплектация
  • Базовая плата двойного ввода-вывода RAK19001 Duai IO Base Board X 1шт
  • Кабель USB-AF/USB Type-C Х 1 шт
  • Винты крепления М1.2*3 - 22 шт
  • Винты крепления М2.5*4 - 8 шт
  • Штекер FHG20005-S02M2W1B с проводами 10 см - 1 шт

Внешний вид и расположение элементов RAK19001 WisBlock Dual IO Base Board

Базовая плата WisBase RAK19001 — это основа всех основ в модульной системе WisBlock. Базовая плата связывает модули в единое устройство, образует согласованное соединение между ядром платформы WisCore и интегрированными дачтиками, сенсорами, или интерфейсами. Самая большая на сегодняшний день модель несущей платы WisBlock Base Board RAK19001 намеренно создана для сложных, многозадачных проектов, позволяет разместить увеличенное количество задействованных модулей. Она располагает двумя слотами ввода-вывода и шестью слотами датчиков-сенсоров. Винтовое крепление для межплатных разъёмов A, C, E и F поддерживает длину модулей 10мм и 23мм, для разъёмов B и D - только 10мм. Системная шина распределения питания и организации связи в базовой плате RAK19001 Dual IO целиком открыта для разработчика. В цифровых интерфейсах расширения J10, J11, J12, и J15 содержится максимальное количество периферийных контактов.

Каждый существующий блок в платформе WisBlock спроектирован так, чтобы он быстро и легко, буквально одним щелчком, устанавливался на базовую плату, или так же просто снимался. Высококачественные соединительные коннекторы блоков WisBlock гарантируют целостность сигнала для каждой встроенной шины данных. Базовая плата комплектуется набором монтажных винтов. Надёжное крепление блоков к базовой плате исключает расстыковку соединений в окружении с вибрацией.

Блочная диаграмма

Блочная диаграмма демонстрирует внутреннюю архитектуру и внешние интерфейсы платы RAK19001.

Во всех вычислительных модулях WisCore платформы WisBlock существуют шины цифровых данных I2C, UART и SPI, разведённые на соединительные коннекторы сенсорных модулей и модулей ввода-вывода. Обмениваясь информацией по этим шинам, программируемый контроллер способен управлять и извлекать данные из датчиков. Модули ввода-вывода WisBlock IO могут общаться с вычислительным блоком ещё и по шинам USB, GPIO, и ADC (АЦП).

В базовую плату RAK19001 встроена система энергопитания от 3.7(4.2)-вольтовой литиевой батареи. Встроенный чип TP4054 заряжает малым током 500мА, контролирует уровень напряжения заряжаемой 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, либо от 5-вольтового модуля зелёной энергии, подключенного к порту Р1 (например, малогабаритная солнечная панель).

WisBlock Dual IO WisBase RAK19001 нормально функционирует от одноразовых элементов питания любого вида, с удовлетворяющими характеристиками напряжения и тока. Неперезаряжаемые батареи не подлежат повторному восполнению заряда электроэнергии. Этот процесс может привести к их воспламенению, крайне высок риск возникновения взрывоопасной ситуации. Одноразовые батареи в системе питания RAK19001 отделены индивидуальным разъёмом подключения, плата дополнена ползунковым механическим переключателем выбора источника.

Увеличиненное количество модулей может растрачивать больше энергоресурсов. Два низкотоковых LDO-регулятора разделяют входную электрическую мощность на неуправляемый и управляемый потоки. напряжением питания от первого 3.3-вольтового понижающего преобразователя DC-DC1 снабжаются вычислительный блок WisCore и модули ввода-вывода. Максимальный ток DC-DC1 не превышает 600 мА. Линии второго стабилизатора DC-DC2 с выходным напряжением 3.3В и лимитом по току 1.2А (обозначение 3V3_S), расходятся на все соединительный коннекторы для датчиков и сенсоров SLOT A-F. Управлением силовой микросхемы DC-DC2 заведует вывод IO2 вычислительного ядра WisBlock Core, логическими сигналами включает или выключает подачу энергии к датчикам или сенсорам.

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

Цифро-аналоговые интерфейсы

Базовая плата RAK19001 WisBase Dual IO WisBlock оснащена двумя группами цифровых и аналоговых интерфейсов расширения J10 и J15, каждый с 20-контактным наполнением и 2.54-мм шагом. Обе группы суммарно дублируют шину 40-контактного разъёма CPU SLOT для вычислительных модулей с ядром WisCore. В группе J10 находятся выводы с 1 по 20, в группе J15 содержаться остальные выводы с 21 по 40. Выводом BOOT0 конфигурируется режим запуска подключенного вычислительного модуля WisBlock Core. Чаще всего, нестройка режимов необходима для обновления загрузчика и/или программной прошивки процессора. Необходимость использования состояния BOOT0 зависит от выбранной модели вычислительного ядра WisCore.

Определение выводов для групп дополнительного расширения J11 и J12

Разъёмы двух типов батарей и солнечной панели

Показаны коннекторы для аккумуляторной (многоразово перезаряжаемой) и одноразовой (неперезаряжаемой) батарей, с обозначением плюсовой (V+) и минусовой (GND) полярности подключения. Тип разъёма аккумуляторного источника - JST PGR-2 с шагом 2мм. Тип разъёма для одноразового элемента питания - FWF20009-S02S22W1B (в комплекте поставляется ответный разъём FHG20005-S02M2W1B+FT20004-F2H с припаянными 10-см красными чёрным продами).

Полярность подключения разъёма солнечной панели отмечена в изображении. Установлено гнездо JST ZHR-2 с шагом 1.5мм между контактных штырей.

Светодиодная индикация

На плате RAK19001 расположено три светодиодных индикатора, используемые для отображения рабочего состояния:

• Красный - соединён с контроллером заряда и сигнализирует состояние заряда. Постоянно ярко горит во время заряда батареи. По окончании процесса, 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 главным процессором внутри вычислительного модуля WisBlock Core. Нажатие Reset приводит запусткает процесс перезагрузки процессора.

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-E-F для модулей Wisblock Sensor

Определение контактов

• NC - нет подключения
• GND - общий, заземление
• TXD1/RXD1 - сигнал передачи/приёма данных по шине UART1
• TXD0/RXD0 - сигнал передачи/приёма данных по шине UART0
• 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
• 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 RAK19001 Dual IO Base Board, часть 1 (.PNG)
2. Принципиальная схема Модуля базовой блаты RAK19001 Dual IO Base Board, часть 2 (.PNG)
3. Принципиальная схема Модуля базовой блаты RAK19001 Dual IO Base Board, часть 3 (.PNG)
4. Характеристики коннекторов FBB (.PNG)

Полезные ссылки

1. Репозиторий исходного кода WisBlock на сайте GitHub