Hardware¶

ESP32 im Überblick¶

HALMET basiert auf dem leistungsfähigen Mikrocontroller-Modul ESP32-WROOM-32E. Der ESP32 ist ein Dual-Core-Mikrocontroller mit integriertem WLAN und Bluetooth. Wegen seines niedrigen Preises, seiner guten Peripherieausstattung und seiner einfachen Handhabung ist der ESP32 eine beliebte Wahl für IoT-Anwendungen.

Funktionsblöcke der Platine¶

Im Folgenden werden die verschiedenen Funktionsblöcke der Platine beschrieben.

NMEA 2000 sowie Spannungseingang und Schutzbeschaltung. Der NMEA-2000-Anschluss verfügt über folgende Schutzelemente:
- Selbstrückstellende Sicherung mit 500 mA
- Verpolungsschutzdiode
- TVS-Dioden zum Überspannungs- und ESD-Schutz
- Zweistufige Störfilterung
Stromversorgung. Ein Schaltnetzteil mit einem maximalen Ausgangsstrom von 2 A.
CAN-Transceiver für NMEA 2000. RX- und TX-LEDs zeigen die CAN-Bus-Aktivität optisch an.
I2C- und 1-Wire-Schnittstellen zum Anschluss weiterer Sensoren.
Bedienelemente. Ein Reset-Taster, ein Taster für den Boot-Modus, der auch allgemein nutzbar ist, eine rote Betriebs-LED und eine blaue benutzerprogrammierbare LED.
USB-2.0-Schnittstelle zum Programmieren und Debuggen.
ESP32-WROOM-32E-Modul mit integriertem WLAN und Bluetooth. Das Modul auf der HALMET-Platine enthält 16 MB Flash-Speicher.
Schaltung zur galvanischen Trennung der Digital- und Analogeingänge.
Analogeingänge. Die Platine hat vier Analogeingänge mit 16-Bit-Auflösung und einer maximalen Eingangsspannung von 33 V. Jeder Eingang verfügt über einen Unter- und Überspannungsschutz sowie eine Tiefpassfilterung mit einer Grenzfrequenz von 160 Hz, um Störungen bei der Messung zu verringern.

Die Analogeingänge besitzen eine optionale Konstantstromquelle mit 10 mA für die aktive Widerstandsmessung. Die Konstantstromquelle lässt sich über die CCS-Jumper-Stiftleisten aktivieren.

Im Widerstandsmessbetrieb beträgt der maximal messbare Widerstand 300 Ω.
Digitaleingänge. HALMET hat vier Digitaleingänge mit einer maximalen Eingangsspannung von ±32 V. Die Eingänge verfügen über einen Schmitt-Trigger, der die Störfestigkeit verbessert.

Galvanische Trennung¶

Die Platine ist zwischen den Digital- und Analogeingängen und dem ESP32-Mikrocontroller galvanisch getrennt. Die Trennung wird durch Digitalisolatoren für I2C beziehungsweise die vier Digitaleingänge sowie durch einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler zur Versorgung des getrennten Bereichs erreicht.

Dank dieser Trennung kann die Platine ohne die Gefahr von Masseschleifen aus dem NMEA-2000-Netzwerk versorgt werden. Die Trennung schützt außerdem vor Spannungsspitzen und Störungen an den Eingängen.

Anschlüsse¶

Anschlüsse auf der Oberseite¶

NMEA-2000-Anschluss. Der Anschluss ist ein 4-poliger steckbarer Klemmenblock, kompatibel zu Phoenix MC 3.81. Über ihn wird die Platine an ein NMEA-2000-Netzwerk angeschlossen und mit Spannung versorgt.
1-Wire-Stiftleiste. An die 1-Wire-Stiftleiste lassen sich 1-Wire-Sensoren anschließen. Es handelt sich um eine 3-polige Stiftleiste mit 2,54 mm Rastermaß. Sie ist ab Werk nicht bestückt, weil sie die Platzierung der Einbausteckverbinder im Gehäuse behindern kann.
I2C-Stiftleiste. An die I2C-Stiftleiste lassen sich I2C-Sensoren anschließen. Es handelt sich um eine 4-polige Stiftleiste mit 2,54 mm Rastermaß.
Micro-USB-Anschluss. Der Anschluss dient zum Programmieren und Debuggen der Platine.
Unbestückte Lötpads für die Signale Reset (EN) und Boot (IO0).
GPIO-Stiftleiste. Die GPIO-Stiftleiste ist zweireihig mit 2×10 Pins und 2,54 mm Rastermaß. Sie führt die verfügbaren GPIO-Pins des ESP32 heraus und lässt sich auch als JTAG-Stiftleiste nutzen.
Stiftleiste für die Versorgung des getrennten Bereichs. Über sie können externe Geräte aus 3V3 und GND des getrennten Bereichs versorgt werden.
Kontakte der Jumper-Stiftleiste für die Konstantstromquelle (CCS) der Analogeingänge. Die Konstantstromquelle wird aktiviert, indem die Jumper-Kontakte gebrückt werden.
Analogeingangs-Anschlüsse. Die Anschlüsse sind 2-polige steckbare Klemmenblöcke, kompatibel zu Phoenix MC 3.81. Über sie werden analoge Sensoren an die Platine angeschlossen.
Digitaleingangs-Anschlüsse. Die Anschlüsse sind 2-polige steckbare Klemmenblöcke, kompatibel zu Phoenix MC 3.81. Über sie werden digitale Sensoren an die Platine angeschlossen.

Anschlüsse auf der Unterseite¶

Lötbrücke für den CAN-Abschlusswiderstand. Durch Schließen der Lötbrücke wird der Abschlusswiderstand von 120 Ω für den CAN-Bus aktiviert. Verwenden Sie den Abschlusswiderstand nicht in NMEA-2000-Netzwerken.
Lötbrücke für den Tiefpassfilter. Durch Schließen der Lötbrücke wird der Tiefpassfilter am jeweiligen Analogeingang aktiviert. Der Filter hat eine Grenzfrequenz von 2,3 kHz. Er lässt sich zum Beispiel nutzen, um Störungen im Signal eines Drehzahlmessers zu verringern.
Lötbrücke für den Pull-down-Widerstand. Durch Schließen der Lötbrücke wird am jeweiligen Digitaleingang ein Pull-down-Widerstand von 100 kΩ aktiviert. Mit dem Pull-down-Widerstand lässt sich ein Schließer (normally open) auslesen, der den Eingang im geschlossenen Zustand auf High zieht.
Lötbrücke für den Pull-up-Widerstand. Durch Schließen der Lötbrücke wird am jeweiligen Digitaleingang ein Pull-up-Widerstand von 100 kΩ aktiviert. Mit dem Pull-up-Widerstand lässt sich ein Öffner (normally closed) auslesen, der den Eingang im geschlossenen Zustand auf Low zieht.
Lötbrücken zur Auswahl der I2C-Adresse des ADS1115. Durch Schließen der Lötbrücken wird die I2C-Adresse des ADS1115-ADC ausgewählt. Sie dienen dazu, Adresskonflikte zu vermeiden, wenn mehrere ADS1115-ADCs am selben I2C-Bus angeschlossen sind. Die Lötpads lassen sich außerdem nutzen, um weitere I2C-Geräte an den getrennten Bereich der Platine anzuschließen.

GPIO-Referenz¶

HALMET belegt einen Teil der GPIO-Pins für die Eingangsperipherie. Die verfügbaren GPIO-Pins sind auf die zweireihige GPIO-Stiftleiste mit 2×10 Pins herausgeführt. Die folgende Tabelle listet die GPIO-Pins und ihre Funktionen auf.

GPIO	Funktion	Anmerkungen
0	Boot-Taster	Wechselt in den Bootloader, wenn auf Low gezogen
1	TXD0	Datenübertragung zum USB
2	LED	Rote LED auf der Platine
3	RXD0	Datenempfang vom USB
4	1-Wire DQ	1-Wire-Datenleitung
5	-	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar
12	- / TDI	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar. Optional: JTAG TDI
13	- / TCK	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar. Optional: JTAG TCK
14	- / TMS	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar. Optional: JTAG TMS
15	- / TDO	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar. Optional: JTAG TDO
16	-	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar
17	-	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar
18	CAN RX	Empfang von NMEA 2000
19	CAN TX	Senden an NMEA 2000
21	I2C SDA	I2C-Datenleitung. Für die Analogeingänge genutzt
22	I2C SCL	I2C-Taktleitung. Für die Analogeingänge genutzt
23	DI1	Digitaleingang 1
25	DI2	Digitaleingang 2
27	DI3	Digitaleingang 3
26	DI4	Digitaleingang 4
32	-	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar
33	-	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar
34	-	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar
35	-	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar
36 (VP)	Nur Eingang	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar
39 (VN)	Nur Eingang	Auf der GPIO-Stiftleiste verfügbar

Stromversorgung¶

Der zulässige Eingangsspannungsbereich der Platine beträgt 5–32 V. Die typische Stromaufnahme liegt bei 90 mA bei 12 V mit aktivem WLAN-Modul (entspricht 1,1 W).

NMEA 2000¶

NMEA 2000 ist ein weit verbreiteter Kommunikationsstandard, mit dem Sensoren, Bedien- und Anzeigegeräte auf Booten und Schiffen verbunden werden. Er basiert auf dem Controller Area Network (CAN-Bus), einem Fahrzeugbus-Standard, der Geräten die Kommunikation untereinander ohne Hostrechner ermöglicht.

Die Platine erfüllt den NMEA-2000-Standard, solange keiner der nicht getrennten Anschlüsse mit anderen massebezogenen Geräten verbunden ist. Ein 1-Wire-Temperatursensor mit langem Kabel lässt sich zum Beispiel verwenden, weil er keine gemeinsame Masse mit anderen Geräten hat. Der Anschluss eines I2C-Analog-Digital-Wandlers an den nicht getrennten I2C-Anschluss würde die NMEA-2000-Konformität dagegen aufheben.

TODO: NMEA-2000-GPIO-Pinbelegung

Status-LEDs¶

Auf der HALMET-Platine befinden sich zwei Taster und zwei LEDs. Die beiden Taster sind mit Reset und Boot beschriftet. Der Reset-Taster startet die Platine neu, indem er den Enable-Pin des ESP32 auf Low zieht. Der Boot-Taster ist mit GPIO0 verbunden und lässt sich während des Gerätestarts nutzen, um das Modul in den Download-Modus zu zwingen. Ansonsten kann er als normaler Tastereingang verwendet werden.

Die beiden LEDs sind nicht ausdrücklich beschriftet. Die rote LED leuchtet, sobald auf der Platine 3,3 V Versorgungsspannung anliegen. Die blaue LED ist mit GPIO2 verbunden (dem Pin, der auf ESP32-Entwicklungsboards üblicherweise für eine LED genutzt wird). Sie kann von Benutzerprogrammen angesteuert werden, um den Zustand des Geräts anzuzeigen.

1-Wire¶

1-Wire ist ein Bussystem für die Gerätekommunikation, das von Dallas Semiconductor entwickelt wurde; das Unternehmen wurde inzwischen von Maxim Integrated Products übernommen. Obwohl 1-Wire ein langsames Protokoll ist und nur Geschwindigkeiten bis 16,3 kbit/s unterstützt, lässt es sich sehr einfach umsetzen und funktioniert auch über große Entfernungen. Es wird häufig für Temperatursensoren und ähnliche einfache Sensorbausteine verwendet.

Die 1-Wire-Umsetzung des HALMET verfügt über eine ESD- und HF-Störungsfilterung sowie über eine Tiefpassfilterung, um die Zuverlässigkeit des Netzwerks zu erhöhen.

Beachten Sie, dass der 1-Wire-Datenpin (Beschriftung „DQ“) physisch auf GPIO4 gelegt ist; verwenden Sie in Ihrem Programm daher GPIO4 für alle 1-Wire-Daten.

I2C¶

I2C (Inter-Integrated Circuit) ist ein sehr verbreiteter synchroner serieller Kommunikationsbus, der häufig zur Anbindung unterschiedlichster ICs verwendet wird. Er nutzt zusätzlich zu Versorgungsspannung und Masse zwei Datenleitungen.

HALMET nutzt I2C intern für den Analog-Digital-Wandler ADS1115. Der I2C-Bus ist außerdem auf eine 4-polige Stiftleiste herausgeführt, um weitere I2C-Geräte anschließen zu können.

Der I2C-Bus ist mit GPIO21 (SDA) und GPIO22 (SCL) des ESP32 verbunden. Diese Pins sind die Standard-I2C-Pins in der Arduino-ESP32-Umgebung, unterscheiden sich aber von den Standard-Pins des SH-ESP32.