Проектирование аппаратной части автоматизированной системы мониторинга подключений оптического кросса, страница 4

2.3):Таблица 2.3 - Сравнение микроконтроллеровцена *Простота монтажа опытногообразцаПростота программированияATMega-32870Шаг выводов2,56мм. Удобнодля макетированияArduino uno203STM8S103F326Шаг выводов2,54мм. Удобнодля макетированияШаг выводов0,65мм. Необходимость печатной платыPIC16F67643Шаг выводов2,54мм. Удобнодля макетированияSTM32F100C8T682ESP-12E122Шаг выводов0,65мм.

Необходимость печатной платыШаг выводов2мм. легко изготовить переходник для макетированияХороший выбор, в томчисле бесплатных сред.Си, ассемблер, многоподключаемых библиотекArduino-IDE простой ипонятный интерфейс наоснове языка Си, многобиблиотекОчень ограничен наборбесплатных сред программирования на Си.Ассемблер – доступен.Библиотек не многоХороший выбор, в томчисле бесплатных сред.Си, ассемблер, многоподключаемых библиотекВыбор есть, в том числебесплатных сред.

Си,ассемблер, много подключаемых библиотекArduino-IDE простой ипонятный интерфейс наоснове языка Си, многобиблиотекКол-вопортоввводавывода23НеобходимостьпрограмматораДа23Нет16да12да37Да16Программируетсячерез недорогойUART адаптерЗамечание: здесь и далее указана минимальная цена в рублях на 19.06.16 при заказепартии из 10 шт. на ресурсе Aliexpress.com [3].Однако, учитывая выбор интерфейса связи, очевидно, что логично использование модуля ESP-12 на базе микроконтроллера ESP8266.

Интересен тот факт, что этот модуль позиционируется именно как UART-WiFi адаптер, и программируется изготовителем именно для23такого использования. Однако, не составляет труда программировать этот микроконтроллерточно так же как, например, Arduino, и использовать его точно так же, как и любой другоймикроконтроллер.

Более того, микроконтроллер ESP8266 обладает завидной мощностью:Основные характеристики микроконтроллера:- 160 МГц 32-битный процессор Tensilica Xtensa LX106;- IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi. Поддерживается WEP и WPA/WPA2;- До 16 портов ввода-вывода, SPI, I²C, I²S, UART, 10-битный аналогово-цифровойпреобразователь;- Питание от 3,0 до 3,6 В. Потребление до 200 мА в режиме передачи, 60 мА в режиме приема. Режим пониженного потребления с сохранением соединения с точкой доступа порядка 1 мА [4];Микроконтроллер не имеет на кристалле пользовательской энергонезависимой памяти. Исполнение программы ведется из внешней SPI ПЗУ путём динамической подгрузки требуемых участков программы в кэш инструкций.

Подгрузка идет аппаратно, прозрачно дляпрограммиста. Поддерживается до 16 МБ внешней памяти программ. Возможен Standard,Dual или Quad SPI интерфейс. В модуле ESP-12Е уже установлено 4мб. Флэш-памяти.Производитель не предоставляет документации на внутреннюю периферию микроконтроллера. Вместо этого он дает набор библиотек, через API которых программист получает доступ к периферии. Поскольку эти библиотеки интенсивно используют оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) контроллера, то производитель в документах не указывает точное количество ОЗУ на кристалле, а только приблизительную оценку того количества ОЗУ, что останется пользователю после линковки библиотек — порядка 50 кБ.Предполагается, что он содержит 32 кБ кэша инструкций и 80 кБ ОЗУ данных.Использование встроенного микроконтроллера модуля ESP-12, вызывает, однако некоторые неудобства, главное из которых – ограничение количества свободно используемых портов ввода-вывода.

В разных модулях это количество колеблется от 0* до 14 шт. (*под цифрой 0 понимается не полное отсутствие портов, но невозможность их полноценного и независимого использования, например, при старте микроконтроллера). В табл. 2.4приведены сравнительные характеристики модулей.24Таблица 2.4 - Сравнение модулейESP-01Кол-во портов(кроме TX и RX)3ESP-022ESP-03ESP-04ESP-0577нетНаличие и тип антенныPCBРазъём IPX (длявнешней антенны)КерамическаяОтсутствуетРазъём IPXESP-067ОтсутствуетESP-077ESP-08ESP-09ESP-10ESP-11ESP-12ESD-12ESP-1376069911 GPIO + 4 SPI +аналоговый вход9ESP-14модульКерамическая+разъём IPXОтсутствуетОтсутствуетОтсутствуетОтсутствуетPCBPCBценаОсобенности125156170150133133контактные площадкирасположены снизу123133133133133118140Flash память 512 кбайтFlash память 4 мбайтPCB120Flash память 4 мбайтPCB1309PCB133WROOM9Есть291WROOM029РСВ300ESP-12E10х10ммдобавлен процессорSTM-82-х рядный штыревойразъём с шагом 2,54 ммДля разрабатываемого устройства был выбран модуль ESP-12E в связи с минимальнойстоимостью и хорошими техническими данными.2.2.4 Сдвиговые регистрыТребования, предъявляемые к регистрам следующие:1) Питание 3-5 Вольт;2) Разрядность – 8;3) Возможность параллельной загрузки;4) Возможность последовательной выгрузки;5) Наличие входной «защёлки»;6) Минимальное количество выводов;257) Минимальная цена.Всем указанным требованиям отлично подходит изделие Российского производства,регистр ИР-9 серий 155,555, 1531, 1533.

В тестовом образце были использованы регистрыК555ИР9, купленные в магазине «Микрочип» г. Хабаровска по цене 4 рубля.2.3 Принципиальная схема устройства мониторинга2.3.1 Описание модуля ESP-12Выбранный модуль ESP-12E (DD1) является главным элементом схемы (рис. 2.3).Рисунок 2.3 - ESP-12EОсобенности модуля:- Поддержка стандартов IEEE 802.11 b/g/n;- Поддержка стандарта Wi-Fi Direct (P2P);- Встроенный стек протоколов TCP/IP;- Выходная мощность +19,5 дБм в режиме 802.11 b;- Ток утечки - менее 10 мкА;- Встроенный 32-разрядный микроконтроллер;- Поддержка стандартов SDIO, SPI, UART;- Пространственно-временное кодирование сигналов STBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO;- Агрегация кадров A-MPDU и A-MSDU;- Время до передачи пакета после включения - менее 2 мс;- Потребляемая мощность в режиме ожидания - менее 1 мВт;- 16 доступных портов ввода/вывода [5].Электрические характеристики модуля представлены в табл.

2.5.26Таблица 2.5 - Характеристика ESP-12EПараметрВходное напряжение низкогоуровняВходное напряжение высокогоуровняВходной ток утечкиВыходное напряжение низкогоуровняВыходное напряжение высокогоуровняЕмкость выводовНапряжение питанияТемператураСимволMin значениеMax значениеЕд. измеренияVil-0,30,25 * Vi0ВVih0,75 * Vi03,3ВIil50мАVol0,1 * Vi0ВVohCpadVi0TВ0,8 * Vi01,8-4053,3+125пФВ˚CНиже представлено назначение выводов (распиновка) модуля ESP-12E (рис.

2.4) и ихописание (табл. 2.6).Рисунок 2.4 - Назначение выводов модуля27Таблица 2.6 - Назначение выводов модуля№ Вывода Название выводаОписание1RST Вывод сброса. Активный низкий уровень Не подключенный вывод или внешний контроль микроконтроллера2ADC/TOUT10-битный аналоговый вход на 0-1 В3ENВключение модуля. Активный высокий уровень4GPIO16Интерфейс ввода/вывода (WEAK UP)5GPIO14Интерфейс ввода/вывода6GPIO12Интерфейс ввода/вывода7GPIO13 Интерфейс ввода/вывода Интерфейс UART2 (прием данных)8VCCПитание модуля 3.3 В9CS0Выбор чипа интерфейса SPI10MISOПередача данных от ведомого устройства ведущему в интерфейсе SPI11GPIO9Интерфейс ввода/вывода12GPIO10Интерфейс ввода/вывода13MOSIПередача данных от ведущего устройства ведомому в интерфейсе SPI14SCLKСчетчик в интерфейсе SPI15GNDЗаземление модуля16GPIO15 Интерфейс ввода/вывода Интерфейс UART2 (передача данных)17GPIO2 Интерфейс ввода/вывода Статус Wi-Fi18GPIO0Интерфейс ввода/вывода19GPIO4Интерфейс ввода/вывода20GPIO5Интерфейс ввода/вывода21RXD0Интерфейс UART0 (прием данных)22TXD0Интерфейс UART0 (передача данных)2.3.2 Стабилизатор напряженияДопустимый диапазон напряжения питания модуля ESP-12Е от 3,0 до 3,6 вольт.

Подача повышенного напряжения питания на модуль гарантированно приведет к выходу модуля из строя. Поэтому в схеме был предусмотрен источник стабилизированного напряжения+3,3 Вольт AMS1117 (UV1).Данная микросхема была выбрана из следующих соображений:1) Цена 2,3 рубля;282) Минимальный размер;3) Простая схемотехника «обвязки».Основные характеристики стабилизатора:- Максимально допустимое напряжение на входе – 15 В- Точность выходного напряжения +/- 0,2%;- Максимальный выходной ток – 1А;- Минимальное падение напряжение при нагрузке 0,8А – 1,1 В;- Температурный диапазон - от -40 до +125 градусов шкалы Цельсия;Схема включения стабилизатора использовалась типовая, рекомендованная производителем.2.3.3 Сдвиговые регистрыВ связи с тем, что количество опрашиваемых входных сигналов существенно превышают количество портов ввода-вывода модуля (24 против 11), было применено схемотехническое решение с использованием сдвиговых регистров DD2-DD4.Микросхема К555ИР9 имеет следующие электрические характеристики (Табл.

2.7):Таблица 2.7 - Характеристики К555ИР9ПараметрНапряжение синхросигналаВыходное напряжение высокого уровняВыходное напряжение низкого уровняТок потребленияВходной ток высокого уровняВходной ток низкого уровняВыходной ток высокого уровняВыходной ток низкого уровняВремя задержки распространения сигналаПотребляемая мощностьСимволVCCV1вых.V0вых.Iпотр.I1вх.I0вх.I1вых.I0вых.tздр.Pпотр.Значение5,250,52,4200,020,4-2,6865105Ед. измеренияВВВмАмАмАмАмАнсмВтНиже представлены назначение выводов регистра К555ИР9 (рис. 2.5), их описание(табл.

2.8), а также таблица истинности (табл. 2.9) [6].29Рисунок 2.5 - Назначение выводов регистраТаблица 2.8 - Назначение выводов регистра (в соответствии с документацией)№ Вывода12345678910111213141516Название выводаWRCD4D5D6D7~Q7GNDQ7DD0D1D2D3DEVCCОписаниеЗапись-чтениеТактовый вход4-й вход5-й вход6-й вход7-й входИнверсный выходЗаземление регистраПрямой выходВход последовательного включения регистров0-й вход1-й вход2-й вход3-й входЗадержка тактаПитание регистраТаблица 2.9 - Таблица истинностиВходыWRLHHHHDEXLLLHCXLXDEXXHLXD0-D7d0-d7XXXXВыходыQ0d0Q00HLQ00Q1d1Q10Q0nQ0nQ10Q7d7Q70Q6nQ6nQ7030В процессе изучения модуля было выявлено несоответствие назначений выводов регистра данным, указанным в технической документации. Принципиальная электрическаясхема разрабатывалась с учетом внесенных изменений (табл. 2.10):Таблица 2.10 – Фактическое назначение выводов регистра№ Вывода12345678910111213141516Название выводаWRCD5D6D7DQ7GND~Q7D0D1D2D3D4DEVCCОписаниеЗапись-чтениеТактовый вход5-й вход6-й вход7-й входВход последовательного включения регистровПрямой выходЗаземление регистраИнверсный выход0-й вход1-й вход2-й вход3-й вход4-й входЗадержка тактаПитание регистра2.3.4 Прочие элементы схемыКроме описанных выше, в схеме используются 7 конденсаторов, 56 резисторов3 транзистора:Для проектируемой схемы выбраны транзисторы КТ315Д со следующимихарактеристиками:- Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер: 40 В;- Максимально допустимый постоянный ток коллектора: 100 мА;- Напряжение насыщения база - эмиттер при токе коллектора 20 мА, а токе базы –2 мА: 1,5 В;- Напряжение насыщения коллектор - эмиттер при токе коллектора 20 мА, а токебазы 2 мА: 1 В [7].31С1 – электролитический конденсатор 100 мкФ [8].С2-С5 – высокочастотные, 0,1 мкФ [8], располагаются в непосредственной близости отмикросхем DD1-DD4 для фильтрации высокочастотных помех.С6 – электролитический 22 мкф – в соответствии с рекомендациями производителя интегрального стабилизатора AMS1117 (UV1).Резисторы токоограничивающие:- R1-R24 – 56 Ом; 0,125 Вт: R = (3,3 В – 1 В - 1,2 В) / 0,02 А = 55 Ом;- R25-R48 – 470 Ом 0,125 Вт: R = (5 В - 0,4 В) / 0,01 А = 460 Ом;- R49-R51 – 1,1 кОм; 0,125 Вт: R = (3 В - 1,5 В - 1,2 В) / 0,002 А – (91 Ом / 8) = 139 Ом;- R52 – 330 Ом; 0,125 Вт: R = (3,3 В - (0,75 * 3,3 В)) / (0,012 А / 5) = 344 Ом.- R53-R55 – 390 Ом; 0,125 Вт: R = (3,4 В - (0,75 В * 3,3 В)) / (0,012 А / 5) = 385 Ом;- R56 – 120 Ом; 0,125 Вт: R = (3,3 В - (0,75 * 3,3 В)) / (0,012 А / 5 * 3) = 115 Ом.2.3.5 Описание работы схемыРазработанная принципиальная электрическая схема приведена в приложении А.Устройство мониторинга работает следующим образом:Питание +5 вольт подаётся на стабилизатор напряжения UV1.

С выхода стабилизатора+3,3 вольта стабилизированного напряжения поступают на питающий вход VCC модуляESP-12E. После внутреннего сброса встроенного в модуль микроконтроллера, он производит настройку встроенного Wi-Fi интерфейса для обмена информацией с точкой доступа.После настройки интерфейса, модуль начинает опрос датчиков, установленных на адаптерах коммутационной панели оптического кросса. Считывание происходит блоками по 8датчиков. Это было сделано для более равномерной нагрузки на питающие цепи.Считывание производится последовательной активацией выходов модуля GPIO5,GPIO4, GPIO2 высоким уровнем через токоограничивающие резисторы R49-R51 и транзисторы VT1-VT3 включенные по схеме «эмиттерный повторитель». Через коллекторныецепи транзисторов напряжение 2,3 Вольта поступает на оду из трёх групп из восьми светодиодов оптических датчиков одной оптической панели через токоограничивающие резисторы R1-R24.