Laitteisto¶

ESP32 lyhyesti¶

HALMET perustuu tehokkaaseen ESP32-WROOM-32E-mikro-ohjainmoduuliin. ESP32 on kaksiytiminen mikro-ohjain, jossa on sisäänrakennetut WiFi- ja Bluetooth-yhteydet. ESP32 on suosittu valinta IoT-sovelluksiin edullisuutensa, hyvän oheislaitevalikoimansa ja helppokäyttöisyytensä ansiosta.

Kortin toiminnalliset lohkot¶

Kortin eri toiminnalliset lohkot kuvataan alla.

NMEA 2000 -liitäntä sekä käyttöjännitteen syöttö ja suojaus. NMEA 2000 -liittimessä on seuraavat suojaukset:
- 500 mA:n itsestään palautuva sulake
- Napaisuussuojausdiodi
- Ylijännite- ja ESD-suojaukseen tarkoitetut TVS-diodit
- Kaksivaiheinen häiriösuodatus
Teholähde. Hakkuriteholähde, jonka suurin lähtövirta on 2 A.
CAN-lähetinvastaanotin NMEA 2000:ta varten. RX- ja TX-LEDit näyttävät CAN-väylän liikenteen.
I2C- ja 1-Wire-liitännät lisäantureiden liittämiseen.
Käyttöliittymä. Reset-painike, boot-tilan painike (myös yleiskäyttöinen), punainen virran LED ja sininen käyttäjän ohjattava LED.
USB 2.0 -liitäntä ohjelmointiin ja virheenjäljitykseen.
ESP32-WROOM-32E-moduuli sisäänrakennetuilla WiFi- ja Bluetooth-yhteyksillä. HALMET-kortin moduulissa on 16 Mt flash-muistia.
Digitaali- ja analogiatulojen galvaaninen erotus.
Analogiatulot. Kortissa on neljä analogiatuloa, joiden erotuskyky on 16 bittiä ja suurin tulojännite 33 V. Jokaisessa tulossa on ali- ja ylijännitesuojaus sekä alipäästösuodatus, jonka rajataajuus on 160 Hz mittaushäiriöiden vähentämiseksi.

Analogiatuloissa on valinnainen 10 mA:n vakiovirtalähde aktiivista vastusmittausta varten. Vakiovirtalähteen voi ottaa käyttöön CCS-hyppyliittimillä.

Vastusmittaustilassa suurin mitattava vastus on 300 ohmia.
Digitaalitulot. HALMETissa on neljä digitaalituloa, joiden suurin tulojännite on ±32 V. Tuloissa on Schmitt trigger parantamassa häiriönsietoa.

Galvaaninen erotus¶

Kortissa on galvaaninen erotus digitaali- ja analogiatulojen sekä ESP32-mikro-ohjaimen välillä. Erotus on toteutettu digitaalisilla erottimilla I2C:lle ja neljälle digitaalitulolle sekä erotetulla DC/DC-muuntimella, joka syöttää erotettua osaa.

Erotuksen ansiosta kortin voi syöttää NMEA 2000 -verkosta ilman maasilmukoiden riskiä. Erotus suojaa myös tuloihin kohdistuvilta jännitepiikeiltä ja häiriöiltä.

Liittimet¶

Yläpuolen liittimet¶

NMEA 2000 -liitin. Liitin on 4-napainen Phoenix MC 3.81 -yhteensopiva irrotettava riviliitin. Sillä kortti liitetään NMEA 2000 -verkkoon ja syötetään käyttöjännite.
1-Wire-liitin. 1-Wire-liittimeen voi kytkeä 1-Wire-antureita korttiin. Liitin on 3-nastainen, nastaväli 2,54 mm. Liitintä ei ole asennettu korttiin valmiiksi, koska se voi haitata kotelon paneeliliittimien sijoittelua.
I2C-liitin. I2C-liittimeen voi kytkeä I2C-antureita korttiin. Liitin on 4-nastainen, nastaväli 2,54 mm.
Micro USB -liitin. Liitintä käytetään kortin ohjelmointiin ja virheenjäljitykseen.
Kalustamattomat juotospisteet reset- (EN) ja boot-signaaleille (IO0).
GPIO-liitin. GPIO-liitin on 2×10-nastainen, nastaväli 2,54 mm. Liitin tuo esiin ESP32:n vapaat GPIO-nastat, ja sitä voi käyttää myös JTAG-liittimenä.
Erotetun alueen käyttöjännitteen liitin. Liittimestä voi syöttää ulkoisia laitteita erotetun osan 3V3- ja GND-navoista.
Analogiatulojen vakiovirtalähteen (CCS) hyppyliittimen nastat. Vakiovirtalähteen saa käyttöön oikosulkemalla nastat hypyllä.
Analogiatulojen liittimet. Liittimet ovat 2-napaisia Phoenix MC 3.81 -yhteensopivia irrotettavia riviliittimiä. Niillä kytketään analogiset anturit korttiin.
Digitaalitulojen liittimet. Liittimet ovat 2-napaisia Phoenix MC 3.81 -yhteensopivia irrotettavia riviliittimiä. Niillä kytketään digitaaliset anturit korttiin.

Alapuolen liittimet¶

CAN-päätevastuksen juotossilta. Sillan sulkeminen ottaa käyttöön CAN-väylän 120 ohmin päätevastuksen. Älä käytä päätevastusta NMEA 2000 -verkoissa.
Alipäästösuotimen juotossilta. Sillan sulkeminen ottaa käyttöön alipäästösuotimen kyseisellä analogiatulolla. Suotimen rajataajuus on 2,3 kHz. Suodinta voi käyttää esimerkiksi kierroslukusignaalin häiriöiden vähentämiseen.
Alasvetovastuksen juotossilta. Sillan sulkeminen ottaa käyttöön 100 kohmin alasvetovastuksen kyseisellä digitaalitulolla. Alasvetovastusta voi käyttää sulkeutuvan kytkimen lukemiseen, kun kytkin vetää jännitteen korkeaksi sulkeutuessaan.
Ylösvetovastuksen juotossilta. Sillan sulkeminen ottaa käyttöön 100 kohmin ylösvetovastuksen kyseisellä digitaalitulolla. Ylösvetovastusta voi käyttää avautuvan kytkimen lukemiseen, kun kytkin vetää jännitteen matalaksi sulkeutuessaan.
ADS1115:n I2C-osoitteen valinnan juotossillat. Silloilla valitaan ADS1115-AD-muuntimen I2C-osoite. Niillä vältetään osoitteiden törmäykset, kun samaan I2C-väylään on kytketty useita ADS1115-muuntimia. Juotospisteitä voi käyttää myös lisä-I2C-laitteiden kytkemiseen kortin erotetulle alueelle.

GPIO-taulukko¶

HALMET varaa osan GPIO-nastoista tulo-oheislaitteille. Vapaat GPIO-nastat on tuotu esiin 2×10-nastaiseen GPIO-liittimeen. Seuraavassa taulukossa on lueteltu GPIO-nastat ja niiden toiminnot.

GPIO	Toiminto	Huomautukset
0	Boot-painike	Siirtyy käynnistyslataajaan, kun vedetään matalaksi
1	TXD0	Datan lähetys USB:hen
2	LED	Kortin punainen LED
3	RXD0	Datan vastaanotto USB:stä
4	1-Wire DQ	1-Wiren datalinja
5	-	Vapaa GPIO-liittimessä
12	- / TDI	Vapaa GPIO-liittimessä. Vaihtoehtoisesti: JTAG TDI
13	- / TCK	Vapaa GPIO-liittimessä. Vaihtoehtoisesti: JTAG TCK
14	- / TMS	Vapaa GPIO-liittimessä. Vaihtoehtoisesti: JTAG TMS
15	- / TDO	Vapaa GPIO-liittimessä. Vaihtoehtoisesti: JTAG TDO
16	-	Vapaa GPIO-liittimessä
17	-	Vapaa GPIO-liittimessä
18	CAN RX	Vastaanotto NMEA 2000:sta
19	CAN TX	Lähetys NMEA 2000:een
21	I2C SDA	I2C:n datalinja. Käytössä analogiatuloille
22	I2C SCL	I2C:n kellolinja. Käytössä analogiatuloille
23	DI1	Digitaalitulo 1
25	DI2	Digitaalitulo 2
27	DI3	Digitaalitulo 3
26	DI4	Digitaalitulo 4
32	-	Vapaa GPIO-liittimessä
33	-	Vapaa GPIO-liittimessä
34	-	Vapaa GPIO-liittimessä
35	-	Vapaa GPIO-liittimessä
36 (VP)	Vain tulo	Vapaa GPIO-liittimessä
39 (VN)	Vain tulo	Vapaa GPIO-liittimessä

Teholähde¶

Kortin sallittu syöttöjännitealue on 5–32 V. Tyypillinen virrankulutus on 90 mA 12 V:n jännitteellä WiFi-moduulin ollessa käytössä (vastaa 1,1 W:n tehoa).

NMEA 2000¶

NMEA 2000 on laajalti käytetty tiedonsiirtostandardi, jolla liitetään antureita, ohjaimia ja näyttölaitteita veneissä ja laivoissa. Se perustuu CAN-väylään (Controller Area Network), joka on ajoneuvoväylästandardi ja mahdollistaa laitteiden keskinäisen viestinnän ilman isäntätietokonetta.

Kortti täyttää NMEA 2000 -standardin vaatimukset niin kauan kuin yhtäkään erottamatonta liitintä ei ole kytketty muihin maahan kytkettyihin laitteisiin. Esimerkiksi 1-Wire-lämpötila-anturia, jossa on pitkä kaapeli, voi käyttää, koska sillä ei ole yhteistä maata muiden laitteiden kanssa. Sen sijaan I2C-AD-muuntimen kytkeminen erottamattomaan I2C-liittimeen rikkoisi NMEA 2000 -yhteensopivuuden.

TODO: NMEA 2000:n GPIO-nastajärjestys

Tila-LEDit¶

HALMET-kortilla on kaksi painiketta ja kaksi LEDiä. Painikkeet on merkitty tunnuksilla Reset ja Boot. Reset-painike käynnistää kortin uudelleen vetämällä ESP32:n Enable-nastan matalaksi. Boot-painike on kytketty GPIO0:aan, ja sillä voi pakottaa moduulin lataustilaan laitteen käynnistyksen aikana. Muulloin sitä voi käyttää tavallisena painiketulona.

LEDejä ei ole erikseen merkitty. Punainen LED palaa aina, kun kortilla on 3,3 V:n käyttöjännite. Sininen LED on kytketty GPIO2:een (nasta, jota ESP32-kehityskorteissa yleisesti käytetään LEDille). Käyttäjän ohjelmat voivat ohjata sitä osoittamaan laitteen tilaa.

1-Wire¶

1-Wire on Dallas Semiconductorin suunnittelema laiteväyläjärjestelmä; yhtiön on sittemmin ostanut Maxim Integrated Products. Vaikka 1-Wire on hidas protokolla ja tukee vain enintään 16,3 kbit/s:n nopeuksia, se on hyvin yksinkertainen toteuttaa ja toimii pitkilläkin etäisyyksillä. Sitä käytetään yleisesti lämpötila-antureissa ja muissa yksinkertaisissa mittalaitteissa.

HALMETin 1-Wire-toteutuksessa on ESD- ja RF-häiriösuodatus sekä alipäästösuodatus verkon luotettavuuden parantamiseksi.

Huomaa, että 1-Wiren datanasta (merkintä ”DQ”) on fyysisesti kytketty GPIO4:ään, joten käytä ohjelmassasi GPIO4:ää kaikelle 1-Wire-datalle.

I2C¶

I2C (Inter-Integrated Circuit) on hyvin suosittu synkroninen sarjaliikenneväylä, jota käytetään yleisesti useiden erilaisten piirien liittämiseen. Se käyttää kahta datajohdinta käyttöjännitteen ja maan lisäksi.

HALMET käyttää I2C:tä sisäisesti ADS1115-AD-muuntimelle. I2C-väylä on tuotu myös 4-nastaiseen liittimeen lisä-I2C-laitteiden kytkemistä varten.

I2C-väylä on kytketty ESP32:n nastoihin GPIO21 (SDA) ja GPIO22 (SCL). Nämä ovat Arduinon ESP32-ympäristön oletusnastat I2C:lle, mutta poikkeavat SH-ESP32:n oletusnastoista.