Hardware¶

Introduktion til ESP32¶

HALMET er baseret på det kraftfulde mikrocontrollermodul ESP32-WROOM-32E. ESP32 er en dobbeltkernet mikrocontroller med indbygget WiFi og Bluetooth. ESP32 er et populært valg til IoT-applikationer på grund af den lave pris, det gode udvalg af perifere enheder og den enkle anvendelse.

Kortets funktionsblokke¶

Kortets forskellige funktionsblokke er beskrevet nedenfor.

NMEA 2000 samt strømindgang og beskyttelse. NMEA 2000-stikket har følgende beskyttelseselementer:
- 500 mA selvgendannende sikring
- Diode til beskyttelse mod omvendt polaritet
- TVS-dioder til overspændings- og ESD-beskyttelse
- Totrins støjfiltrering
Strømforsyning. En switchmode-strømforsyning med en maksimal udgangsstrøm på 2 A.
CAN-transceiver til NMEA 2000. RX- og TX-LED'er giver en visuel indikation af aktiviteten på CAN-bussen.
I2C- og 1-Wire-grænseflader til tilslutning af yderligere sensorer.
Brugergrænseflade. En reset-knap, en knap til boot-tilstand og generelle formål, en rød strøm-LED og en blå brugerprogrammerbar LED.
USB 2.0-grænseflade til programmering og fejlfinding.
ESP32-WROOM-32E-modul med indbygget WiFi og Bluetooth. Modulet på HALMET-kortet indeholder 16 MB flashhukommelse.
Kredsløb til galvanisk adskillelse af de digitale og analoge indgange.
Analoge indgange. Kortet har fire analoge indgange med 16-bits opløsning og en maksimal indgangsspænding på 33 V. Hver indgang har beskyttelse mod under- og overspænding samt lavpasfiltrering med en knækfrekvens på 160 Hz, som reducerer målestøjen.

De analoge indgange har en valgfri konstantstrømkilde på 10 mA til aktiv modstandsmåling. Konstantstrømkilden kan aktiveres med CCS-jumperstiklisterne.

I modstandsmåletilstand er den største modstand, der kan måles, 300 ohm.
Digitale indgange. HALMET har fire digitale indgange med en maksimal indgangsspænding på ±32 V. Indgangene har en Schmitt trigger, der forbedrer støjimmuniteten.

Galvanisk adskillelse¶

Kortet har galvanisk adskillelse mellem de digitale og analoge indgange og ESP32-mikrocontrolleren. Adskillelsen er opnået med digitale isolatorer til henholdsvis I2C og de fire digitale indgange samt med en adskilt DC/DC-omformer, der forsyner den adskilte del.

Takket være adskillelsen kan kortet forsynes fra NMEA 2000-netværket uden risiko for jordsløjfer. Adskillelsen beskytter også mod spændingsspidser og støj på indgangene.

Stik¶

Stik på oversiden¶

NMEA 2000-stik. Stikket er en 4-benet aftagelig klemrække, der er kompatibel med Phoenix MC 3.81. Stikket bruges til at forbinde kortet til et NMEA 2000-netværk og til at forsyne kortet.
1-Wire-stikliste. 1-Wire-stiklisten kan bruges til at forbinde 1-Wire-sensorer til kortet. Den er en 3-benet stikliste med 2,54 mm benafstand. Stiklisten er ikke monteret på kortet fra fabrikken, fordi den kan komme i vejen for placeringen af kabinettets panelstik.
I2C-stikliste. I2C-stiklisten kan bruges til at forbinde I2C-sensorer til kortet. Den er en 4-benet stikliste med 2,54 mm benafstand.
Micro USB-stik. Stikket bruges til programmering og fejlfinding af kortet.
Ubestykkede loddeflader til reset- (EN) og boot-signalerne (IO0).
GPIO-stikliste. GPIO-stiklisten er en 2×10-benet stikliste med 2,54 mm benafstand. Stiklisten fører ESP32'ens ledige GPIO-ben ud og kan også bruges som JTAG-stikliste.
Stikliste til forsyning af det adskilte område. Stiklisten kan bruges til at forsyne eksterne enheder fra 3V3 og GND i den adskilte del.
Jumperkontakter til konstantstrømkilden (CCS) til de analoge indgange. Konstantstrømkilden kan aktiveres ved at kortslutte jumperkontakterne.
Stik til analoge indgange. Stikkene er 2-benede aftagelige klemrækker, der er kompatible med Phoenix MC 3.81. Stikkene bruges til at forbinde analoge sensorer til kortet.
Stik til digitale indgange. Stikkene er 2-benede aftagelige klemrækker, der er kompatible med Phoenix MC 3.81. Stikkene bruges til at forbinde digitale sensorer til kortet.

Stik på undersiden¶

Loddejumper til CAN-terminering. Loddejumperen kan kortsluttes for at aktivere termineringsmodstanden på 120 ohm til CAN-bussen. Brug ikke termineringsmodstanden i NMEA 2000-netværk.
Loddejumper til lavpasfilter. Loddejumperen kan kortsluttes for at aktivere et lavpasfilter på den pågældende analoge indgang. Filteret har en knækfrekvens på 2,3 kHz. Filteret kan for eksempel bruges til at reducere støj i signalet fra en omdrejningstæller.
Loddejumper til pull-down-modstand. Loddejumperen kan kortsluttes for at aktivere en pull-down-modstand på 100 kohm på den pågældende digitale indgang. Pull-down-modstanden kan bruges til at aflæse en normalt åben (NO) kontakt, som trækkes høj, når den er sluttet.
Loddejumper til pull-up-modstand. Loddejumperen kan kortsluttes for at aktivere en pull-up-modstand på 100 kohm på den pågældende digitale indgang. Pull-up-modstanden kan bruges til at aflæse en normalt sluttet (NC) kontakt, som trækkes lav, når den er sluttet.
Loddejumpere til valg af ADS1115'ens I2C-adresse. Loddejumperne kan kortsluttes for at vælge I2C-adressen på analog-digital-omsætteren (ADC) ADS1115. Loddejumperne bruges til at undgå adressekonflikter, når der er forbundet flere ADS1115-AD-omsættere til den samme I2C-bus. Loddefladerne kan også bruges til at forbinde yderligere I2C-enheder til kortets adskilte område.

GPIO-oversigt¶

HALMET reserverer et antal GPIO-ben til de perifere indgangsenheder. Ledige GPIO-ben er ført ud til den 2×10-benede GPIO-stikliste. Følgende tabel viser GPIO-benene og deres funktioner.

GPIO	Funktion	Bemærkninger
0	Boot-knap	Går i bootloader, når benet trækkes lavt
1	TXD0	Sender data til USB
2	LED	Rød LED på kortet
3	RXD0	Modtager data fra USB
4	1-Wire DQ	1-Wire-datalinje
5	-	Ledig på GPIO-stiklisten
12	- / TDI	Ledig på GPIO-stiklisten. Alternativt: JTAG TDI
13	- / TCK	Ledig på GPIO-stiklisten. Alternativt: JTAG TCK
14	- / TMS	Ledig på GPIO-stiklisten. Alternativt: JTAG TMS
15	- / TDO	Ledig på GPIO-stiklisten. Alternativt: JTAG TDO
16	-	Ledig på GPIO-stiklisten
17	-	Ledig på GPIO-stiklisten
18	CAN RX	Modtager fra NMEA 2000
19	CAN TX	Sender til NMEA 2000
21	I2C SDA	I2C-datalinje. Bruges til analog indgang
22	I2C SCL	I2C-klokkelinje. Bruges til analoge indgange
23	DI1	Digital indgang 1
25	DI2	Digital indgang 2
27	DI3	Digital indgang 3
26	DI4	Digital indgang 4
32	-	Ledig på GPIO-stiklisten
33	-	Ledig på GPIO-stiklisten
34	-	Ledig på GPIO-stiklisten
35	-	Ledig på GPIO-stiklisten
36 (VP)	Kun indgang	Ledig på GPIO-stiklisten
39 (VN)	Kun indgang	Ledig på GPIO-stiklisten

Strømforsyning¶

Det tilladte indgangsspændingsområde på kortet er 5–32 V. Det typiske strømforbrug er 90 mA ved 12 V med WiFi-modulet aktivt (svarer til 1,1 W).

NMEA 2000¶

NMEA 2000 er en udbredt kommunikationsstandard, der bruges til at forbinde sensorer, styreenheder og displayenheder på både og skibe. Den bygger på Controller Area Network (CAN-bussen), som er en køretøjsbusstandard, der er udviklet, så enheder kan kommunikere indbyrdes uden en værtscomputer.

Kortet overholder NMEA 2000-standarden, så længe ingen af de ikke-adskilte stik er forbundet til andre enheder med fælles jordreference. En 1-Wire-temperatursensor med et langt kabel kan for eksempel bruges, fordi den ikke har fælles jordforbindelse med andre enheder. Derimod ville det bryde overensstemmelsen med NMEA 2000 at forbinde en I2C-AD-omsætter til det ikke-adskilte I2C-stik.

TODO: NMEA 2000-benforbindelser til GPIO

Status-LED'er¶

Der er to knapper og to LED'er på HALMET-kortet. De to knapper er mærket Reset og Boot. Reset-knappen genstarter kortet ved at trække ESP32'ens Enable-ben lavt. Boot-knappen er forbundet til GPIO0 og kan bruges under opstart af enheden til at tvinge modulet i download-tilstand. Ellers kan den bruges som en almindelig knapindgang.

De to LED'er er ikke udtrykkeligt mærket. Den røde LED lyser, når der er 3,3 V forsyning på kortet. Den blå LED er forbundet til GPIO2 (det ben, der almindeligvis bruges til LED på ESP32-udviklingskort). Den kan styres af brugerprogrammer og vise enhedens tilstand.

1-Wire¶

1-Wire er et bussystem til kommunikation mellem enheder, udviklet af Dallas Semiconductor, som siden er blevet opkøbt af Maxim Integrated Products. Selvom 1-Wire er en langsom protokol, der kun understøtter hastigheder op til 16,3 kbit/s, er den meget enkel at implementere og kan bruges over lange afstande. Den bruges almindeligvis til temperatursensorer og lignende enkle måleenheder.

HALMETs 1-Wire-implementering har ESD- og RF-støjfiltrering samt lavpasfiltrering, der forbedrer netværkets pålidelighed.

Bemærk, at 1-Wire-databenet (mærket »DQ«) fysisk er forbundet til GPIO4, så brug GPIO4 til alle 1-Wire-data i dit program.

I2C¶

I2C (Inter-Integrated Circuit) er en meget udbredt synkron seriel kommunikationsbus, der almindeligvis bruges til at forbinde en række forskellige IC'er. Den bruger to dataledninger ud over spænding og jordforbindelse.

HALMET bruger I2C internt til AD-omsætteren ADS1115. I2C-bussen er også ført ud til en 4-benet stikliste, så der kan forbindes yderligere I2C-enheder.

I2C-bussen er forbundet til GPIO21 (SDA) og GPIO22 (SCL) på ESP32'en. Disse ben er standardbenene til I2C i Arduinos ESP32-miljø, men de er forskellige fra standardbenene på SH-ESP32.