Hardware¶

Introducción al ESP32¶

HALMET se basa en el potente módulo microcontrolador ESP32-WROOM-32E. El ESP32 es un microcontrolador de doble núcleo con conectividad WiFi y Bluetooth integrada. El ESP32 es una opción muy extendida en aplicaciones de IoT por su bajo precio, su buen conjunto de periféricos y su facilidad de uso.

Bloques funcionales de la placa¶

A continuación se describen los distintos bloques funcionales de la placa.

Entrada y protección de NMEA 2000 y de la alimentación. El conector NMEA 2000 cuenta con los siguientes elementos de protección:
- Fusible rearmable de 500 mA
- Diodo de protección contra inversión de polaridad
- Diodos TVS de protección contra sobretensión y ESD
- Filtrado de ruido en dos etapas
Fuente de alimentación. Fuente conmutada con una corriente de salida máxima de 2 A.
Transceptor CAN para NMEA 2000. Incluye LED RX y TX que indican visualmente la actividad del bus CAN.
Interfaces I2C y 1-Wire para conectar sensores adicionales.
Interfaz de usuario. Un botón de reinicio, un botón de modo de arranque y uso general, un LED rojo de alimentación y un LED azul programable por el usuario.
Interfaz USB 2.0 para programación y depuración.
Módulo ESP32-WROOM-32E con WiFi y Bluetooth integrados. El módulo de la placa HALMET incluye 16 MB de memoria flash.
Circuitos de aislamiento galvánico para las entradas digitales y analógicas.
Entradas analógicas. La placa tiene cuatro entradas analógicas con una resolución de 16 bits y una tensión de entrada máxima de 33 V. Cada entrada cuenta con protección contra subtensión y sobretensión y con filtrado de paso bajo con una frecuencia de corte de 160 Hz para reducir el ruido de medición.

Las entradas analógicas disponen de una fuente de corriente constante opcional de 10 mA para la medición activa de resistencia. La fuente de corriente constante se activa mediante los conectores de pines para puente CCS.

En el modo de medición de resistencia, la resistencia máxima que se puede medir es de 300 Ω.
Entradas digitales. HALMET tiene cuatro entradas digitales con una tensión de entrada máxima de ±32 V. Las entradas incorporan un Schmitt trigger para mejorar la inmunidad al ruido.

Aislamiento galvánico¶

La placa incorpora aislamiento galvánico entre las entradas digitales y analógicas y el microcontrolador ESP32. El aislamiento se consigue mediante aisladores digitales para el I2C y para las cuatro entradas digitales, respectivamente, y un convertidor DC/DC aislado que alimenta la sección aislada.

Gracias a este aislamiento, la placa se puede alimentar desde la red NMEA 2000 sin riesgo de bucles de masa. El aislamiento protege además frente a picos de tensión y ruido en las entradas.

Conectores¶

Conectores de la cara superior¶

Conector NMEA 2000. Es un bloque de terminales enchufable de 4 pines compatible con Phoenix MC 3.81. Sirve para conectar la placa a una red NMEA 2000 y para alimentarla.
Conector de pines 1-Wire. Permite conectar sensores 1-Wire a la placa. Es un conector de 3 pines con paso de 2,54 mm. No viene montado de fábrica porque puede interferir con la colocación de los conectores de panel de la carcasa.
Conector de pines I2C. Permite conectar sensores I2C a la placa. Es un conector de 4 pines con paso de 2,54 mm.
Conector Micro USB. Se utiliza para programar y depurar la placa.
Islas de soldadura sin montar para las señales de reinicio (EN) y de arranque (IO0).
Conector de pines GPIO. Es un conector de 2×10 pines con paso de 2,54 mm. Saca los pines GPIO disponibles del ESP32 y también se puede utilizar como conector JTAG.
Conector de pines de alimentación de la zona aislada. Permite alimentar dispositivos externos desde las señales «3V3» y «GND» de la sección aislada.
Contactos del conector para puente de la fuente de corriente constante (CCS) de las entradas analógicas. La fuente de corriente constante se activa puenteando los contactos.
Conectores de entrada analógica. Son bloques de terminales enchufables de 2 pines compatibles con Phoenix MC 3.81. Sirven para conectar sensores analógicos a la placa.
Conectores de entrada digital. Son bloques de terminales enchufables de 2 pines compatibles con Phoenix MC 3.81. Sirven para conectar sensores digitales a la placa.

Conectores de la cara inferior¶

Puente de soldadura del terminador CAN. Al cerrar el puente de soldadura se activa la resistencia de terminación de 120 Ω del bus CAN. No utilizar la resistencia de terminación en redes NMEA 2000.
Puente de soldadura del filtro de paso bajo. Al cerrar el puente de soldadura se activa un filtro de paso bajo en la entrada analógica correspondiente. El filtro tiene una frecuencia de corte de 2,3 kHz. Sirve, por ejemplo, para reducir el ruido de una señal de tacómetro.
Puente de soldadura de la resistencia de pull-down. Al cerrar el puente de soldadura se activa una resistencia de pull-down (a masa) de 100 kΩ en la entrada digital correspondiente. La resistencia de pull-down permite leer un interruptor normalmente abierto (NA) que lleva la señal a nivel alto al cerrarse.
Puente de soldadura de la resistencia de pull-up. Al cerrar el puente de soldadura se activa una resistencia de pull-up (a positivo) de 100 kΩ en la entrada digital correspondiente. La resistencia de pull-up permite leer un interruptor normalmente cerrado (NC) que lleva la señal a nivel bajo al cerrarse.
Puentes de soldadura de selección de la dirección I2C del ADS1115. Al cerrar los puentes de soldadura se selecciona la dirección I2C del convertidor analógico-digital (ADC) ADS1115. Sirven para evitar conflictos de direcciones cuando hay varios convertidores ADS1115 conectados al mismo bus I2C. Las islas de soldadura permiten también conectar dispositivos I2C adicionales a la zona aislada de la placa.

Referencia de GPIO¶

HALMET reserva varios pines GPIO para los periféricos de entrada. Los pines GPIO disponibles se sacan al conector de pines GPIO de 2×10 pines. La tabla siguiente enumera los pines GPIO y sus funciones.

GPIO	Función	Notas
0	Botón de arranque	Entra en el gestor de arranque al llevarse a nivel bajo
1	TXD0	Transmisión de datos al USB
2	LED	LED rojo de la placa
3	RXD0	Recepción de datos del USB
4	1-Wire DQ	Línea de datos 1-Wire
5	-	Disponible en el conector de pines GPIO
12	- / TDI	Disponible en el conector de pines GPIO. Opcional: JTAG TDI
13	- / TCK	Disponible en el conector de pines GPIO. Opcional: JTAG TCK
14	- / TMS	Disponible en el conector de pines GPIO. Opcional: JTAG TMS
15	- / TDO	Disponible en el conector de pines GPIO. Opcional: JTAG TDO
16	-	Disponible en el conector de pines GPIO
17	-	Disponible en el conector de pines GPIO
18	CAN RX	Recepción desde NMEA 2000
19	CAN TX	Transmisión a NMEA 2000
21	I2C SDA	Línea de datos I2C. Se usa para la entrada analógica
22	I2C SCL	Línea de reloj I2C. Se usa para las entradas analógicas
23	DI1	Entrada digital 1
25	DI2	Entrada digital 2
27	DI3	Entrada digital 3
26	DI4	Entrada digital 4
32	-	Disponible en el conector de pines GPIO
33	-	Disponible en el conector de pines GPIO
34	-	Disponible en el conector de pines GPIO
35	-	Disponible en el conector de pines GPIO
36 (VP)	Solo entrada	Disponible en el conector de pines GPIO
39 (VN)	Solo entrada	Disponible en el conector de pines GPIO

Alimentación¶

El rango de tensión de entrada admitido en la placa es de 5–32 V. El consumo de corriente típico es de 90 mA a 12 V con el módulo WiFi activo (equivale a 1,1 W).

NMEA 2000¶

NMEA 2000 es un estándar de comunicaciones omnipresente que se utiliza para conectar sensores y dispositivos de control y visualización en embarcaciones y buques. Se basa en el bus CAN (Controller Area Network), un estándar de bus para vehículos diseñado para que los dispositivos se comuniquen entre sí sin un ordenador anfitrión.

La placa cumple el estándar NMEA 2000 siempre que ninguno de los conectores no aislados esté conectado a otros dispositivos referidos a masa. Por ejemplo, se puede utilizar un sensor de temperatura 1-Wire con un cable largo, ya que no comparte masa común con otros dispositivos. En cambio, conectar un convertidor analógico-digital I2C al conector I2C no aislado rompería la conformidad con NMEA 2000.

TODO: asignación de pines GPIO de NMEA 2000

LED de estado¶

La placa HALMET tiene dos botones y dos LED. Los botones llevan las etiquetas «Reset» y «Boot». El botón de reinicio «Reset» reinicia la placa llevando a nivel bajo el pin Enable del ESP32. El botón de arranque «Boot» está conectado a GPIO0 y se puede utilizar durante el encendido del dispositivo para forzar el módulo al modo de descarga. El resto del tiempo se puede utilizar como una entrada de botón normal.

Los dos LED no llevan una etiqueta explícita. El LED rojo se enciende siempre que hay alimentación de 3,3 V en la placa. El LED azul está conectado a GPIO2 (el pin que se usa habitualmente para el LED en las placas de desarrollo ESP32). Los programas de usuario pueden controlarlo para indicar el estado del dispositivo.

1-Wire¶

1-Wire es un sistema de bus de comunicación entre dispositivos diseñado por Dallas Semiconductor, empresa adquirida posteriormente por Maxim Integrated Products. Aunque 1-Wire es un protocolo lento, que admite velocidades de solo hasta 16,3 kbps, resulta muy sencillo de implementar y se puede utilizar a largas distancias. Se emplea habitualmente en sensores de temperatura y otros dispositivos de medición sencillos.

La implementación de 1-Wire de HALMET incorpora filtrado de ruido ESD y RF, además de filtrado de paso bajo, para mejorar la fiabilidad de la red.

Conviene tener en cuenta que el pin de datos de 1-Wire (etiquetado «DQ») está asignado físicamente a GPIO4, por lo que en el programa se debe utilizar GPIO4 para todos los datos de 1-Wire.

I2C¶

I2C (Inter-Integrated Circuit) es un bus de comunicación serie síncrono muy extendido que se utiliza habitualmente para conectar circuitos integrados de todo tipo. Emplea dos hilos de datos además de la alimentación y la masa.

HALMET utiliza I2C internamente para el convertidor analógico-digital ADS1115. El bus I2C se saca también a un conector de 4 pines para conectar dispositivos I2C adicionales.

El bus I2C está conectado a GPIO21 (SDA) y GPIO22 (SCL) del ESP32. Estos son los pines I2C predeterminados en el entorno Arduino para ESP32, pero difieren de los pines predeterminados del SH-ESP32.