Hardware¶

Introduzione all’ESP32¶

HALMET è basato sul potente modulo microcontrollore ESP32-WROOM-32E. L’ESP32 è un microcontrollore dual-core con connettività WiFi e Bluetooth integrata. L’ESP32 è una scelta molto diffusa per le applicazioni IoT grazie al costo contenuto, al buon corredo di periferiche e alla facilità d’uso.

Blocchi funzionali della scheda¶

Di seguito sono descritti i diversi blocchi funzionali della scheda.

Ingresso NMEA 2000 e di alimentazione con relative protezioni. Il connettore NMEA 2000 dispone dei seguenti elementi di protezione:
- Fusibile autoripristinante da 500 mA
- Diodo di protezione contro l’inversione di polarità
- Diodi TVS di protezione contro le sovratensioni e le scariche elettrostatiche (ESD)
- Filtraggio dei disturbi a due stadi
Alimentatore. Un alimentatore switching con corrente di uscita massima di 2 A.
Transceiver CAN per NMEA 2000. I LED RX e TX forniscono un’indicazione visiva dell’attività del bus CAN.
Interfacce I2C e 1-Wire per il collegamento di sensori aggiuntivi.
Interfaccia utente. Un pulsante Reset, un pulsante Boot / pulsante generico, un LED rosso di alimentazione e un LED blu programmabile dall’utente.
Interfaccia USB 2.0 per la programmazione e il debug.
Modulo ESP32-WROOM-32E con WiFi e Bluetooth integrati. Il modulo montato sulla scheda HALMET dispone di 16 MB di memoria flash.
Circuiti di isolamento galvanico per gli ingressi digitali e analogici.
Ingressi analogici. La scheda dispone di quattro ingressi analogici con risoluzione a 16 bit e tensione di ingresso massima di 33 V. Ogni ingresso è dotato di protezione contro le sottotensioni e le sovratensioni e di un filtraggio passa-basso con frequenza di taglio a 160 Hz per ridurre i disturbi di misura.

Gli ingressi analogici dispongono di un generatore di corrente costante (CCS) opzionale da 10 mA per la misura attiva di resistenza. Il generatore di corrente costante si abilita tramite i connettori a pettine per jumper CCS.

In modalità di misura di resistenza, la resistenza massima misurabile è 300 Ω.
Ingressi digitali. HALMET dispone di quattro ingressi digitali con tensione di ingresso massima di ±32 V. Gli ingressi sono dotati di uno Schmitt trigger per migliorare l’immunità ai disturbi.

Isolamento galvanico¶

La scheda presenta un isolamento galvanico tra gli ingressi digitali e analogici e il microcontrollore ESP32. L’isolamento è realizzato con isolatori digitali, rispettivamente per il bus I2C e per i quattro ingressi digitali, e con un convertitore DC/DC isolato che alimenta la sezione isolata.

Grazie a questo isolamento, la scheda può essere alimentata dalla rete NMEA 2000 senza rischio di anelli di massa. L’isolamento protegge inoltre dai picchi di tensione e dai disturbi presenti sugli ingressi.

Connettori¶

Connettori del lato superiore¶

Connettore NMEA 2000. Si tratta di una morsettiera estraibile a 4 pin compatibile Phoenix MC 3,81. Il connettore serve a collegare la scheda a una rete NMEA 2000 e ad alimentarla.
Connettore a pettine 1-Wire. Il pettine 1-Wire consente di collegare sensori 1-Wire alla scheda. Il connettore è un pettine a 3 pin con passo 2,54 mm. Il pettine non è montato sulla scheda di serie, perché può interferire con il posizionamento dei connettori da pannello della custodia.
Connettore a pettine I2C. Il pettine I2C consente di collegare sensori I2C alla scheda. Il connettore è un pettine a 4 pin con passo 2,54 mm.
Connettore Micro USB. Il connettore serve per la programmazione e il debug della scheda.
Piazzole libere per i segnali di reset (EN) e di boot (IO0).
Connettore a pettine GPIO. Il pettine GPIO è un connettore a 2 × 10 pin con passo 2,54 mm. Il pettine rende disponibili i pin GPIO liberi dell’ESP32 e può essere usato anche come connettore JTAG.
Connettore a pettine di alimentazione dell’area isolata. Il pettine consente di alimentare dispositivi esterni dai contatti 3V3 e GND della sezione isolata.
Contatti del pettine per jumper del generatore di corrente costante (CCS) degli ingressi analogici. Il generatore di corrente costante si abilita cortocircuitando i contatti del jumper.
Connettori degli ingressi analogici. I connettori sono morsettiere estraibili a 2 pin compatibili Phoenix MC 3,81. Servono a collegare sensori analogici alla scheda.
Connettori degli ingressi digitali. I connettori sono morsettiere estraibili a 2 pin compatibili Phoenix MC 3,81. Servono a collegare sensori digitali alla scheda.

Connettori del lato inferiore¶

Jumper a saldare della terminazione CAN. Chiudendo il jumper a saldare si abilita la resistenza di terminazione da 120 Ω del bus CAN. Non utilizzare la resistenza di terminazione con le reti NMEA 2000.
Jumper a saldare del filtro passa-basso. Chiudendo il jumper a saldare si abilita un filtro passa-basso sul rispettivo ingresso analogico. Il filtro ha una frequenza di taglio di 2,3 kHz e può essere usato ad esempio per ridurre i disturbi in un segnale del contagiri.
Jumper a saldare della resistenza di pull-down. Chiudendo il jumper a saldare si abilita una resistenza di pull-down da 100 kΩ sul rispettivo ingresso digitale. La resistenza di pull-down consente di leggere un interruttore normalmente aperto (NA) che alla chiusura viene portato a livello alto.
Jumper a saldare della resistenza di pull-up. Chiudendo il jumper a saldare si abilita una resistenza di pull-up da 100 kΩ sul rispettivo ingresso digitale. La resistenza di pull-up consente di leggere un interruttore normalmente chiuso (NC) che alla chiusura viene portato a livello basso.
Jumper a saldare per la selezione dell’indirizzo I2C dell’ADS1115. Chiudendo i jumper a saldare si seleziona l’indirizzo I2C del convertitore analogico-digitale (ADC) ADS1115. Servono a evitare conflitti di indirizzo quando allo stesso bus I2C sono collegati più ADC ADS1115. Le piazzole possono essere usate anche per collegare ulteriori dispositivi I2C all’area isolata della scheda.

Riferimento GPIO¶

HALMET riserva alcuni pin GPIO per le periferiche di ingresso. I pin GPIO liberi sono portati sul pettine GPIO a 2 × 10 pin. La tabella seguente elenca i pin GPIO e le rispettive funzioni.

GPIO	Funzione	Note
0	Pulsante Boot	Entra nel bootloader quando è portato a livello basso
1	TXD0	Trasmissione dati verso USB
2	LED	LED rosso sulla scheda
3	RXD0	Ricezione dati da USB
4	1-Wire DQ	Linea dati 1-Wire
5	-	Disponibile sul pettine GPIO
12	- / TDI	Disponibile sul pettine GPIO. In alternativa: JTAG TDI
13	- / TCK	Disponibile sul pettine GPIO. In alternativa: JTAG TCK
14	- / TMS	Disponibile sul pettine GPIO. In alternativa: JTAG TMS
15	- / TDO	Disponibile sul pettine GPIO. In alternativa: JTAG TDO
16	-	Disponibile sul pettine GPIO
17	-	Disponibile sul pettine GPIO
18	CAN RX	Ricezione da NMEA 2000
19	CAN TX	Trasmissione verso NMEA 2000
21	I2C SDA	Linea dati I2C. Usata per gli ingressi analogici
22	I2C SCL	Linea di clock I2C. Usata per gli ingressi analogici
23	DI1	Ingresso digitale 1
25	DI2	Ingresso digitale 2
27	DI3	Ingresso digitale 3
26	DI4	Ingresso digitale 4
32	-	Disponibile sul pettine GPIO
33	-	Disponibile sul pettine GPIO
34	-	Disponibile sul pettine GPIO
35	-	Disponibile sul pettine GPIO
36 (VP)	Solo ingresso	Disponibile sul pettine GPIO
39 (VN)	Solo ingresso	Disponibile sul pettine GPIO

Alimentazione¶

L’intervallo di tensione di ingresso ammesso sulla scheda è 5–32 V. L’assorbimento di corrente tipico è di 90 mA a 12 V con il modulo WiFi attivo (corrisponde a 1,1 W).

NMEA 2000¶

NMEA 2000 è uno standard di comunicazione diffusissimo, usato per collegare sensori, dispositivi di controllo e display su imbarcazioni e navi. Si basa sul Controller Area Network (bus CAN), uno standard di bus per veicoli progettato per consentire ai dispositivi di comunicare tra loro senza un computer host.

La scheda è conforme allo standard NMEA 2000 finché nessuno dei connettori non isolati è collegato ad altri dispositivi riferiti a massa. Ad esempio, è possibile utilizzare un sensore di temperatura 1-Wire con un cavo lungo, poiché non condivide una massa comune con altri dispositivi. Collegare invece un convertitore analogico-digitale I2C al connettore I2C non isolato farebbe decadere la conformità NMEA 2000.

TODO: piedinatura GPIO di NMEA 2000

LED di stato¶

Sulla scheda HALMET sono presenti due pulsanti e due LED. I due pulsanti sono contrassegnati con “Reset” e “Boot”. Il pulsante Reset riavvia la scheda portando a livello basso il pin Enable dell’ESP32. Il pulsante Boot è collegato a GPIO0 e, durante l’accensione del dispositivo, consente di forzare il modulo in modalità download. Negli altri casi può essere usato come normale ingresso a pulsante.

I due LED non sono contrassegnati esplicitamente. Il LED rosso è acceso ogni volta che sulla scheda è presente l’alimentazione a 3,3 V. Il LED blu è collegato a GPIO2 (il pin comunemente usato per il LED sulle schede di sviluppo ESP32). Può essere controllato dai programmi dell’utente per segnalare lo stato del dispositivo.

1-Wire¶

1-Wire è un sistema di bus per la comunicazione tra dispositivi progettato da Dallas Semiconductor, poi acquisita da Maxim Integrated Products. Sebbene 1-Wire sia un protocollo lento, che supporta velocità fino a soli 16,3 kbit/s, è molto semplice da implementare e può essere usato su lunghe distanze. È comunemente impiegato per sensori di temperatura e altri dispositivi di rilevamento altrettanto semplici.

L’implementazione 1-Wire dell’HALMET dispone di filtraggio ESD e dei disturbi RF, oltre a un filtraggio passa-basso, per migliorare l’affidabilità della rete.

Si noti che il pin dati 1-Wire (contrassegnato con “DQ”) è fisicamente mappato su GPIO4: nel proprio programma occorre quindi usare GPIO4 per tutti i dati 1-Wire.

I2C¶

I2C (Inter-Integrated Circuit) è un bus di comunicazione seriale sincrono molto diffuso, comunemente usato per interfacciarsi con numerosi circuiti integrati diversi. Utilizza due conduttori dati oltre all’alimentazione e alla massa.

HALMET utilizza il bus I2C internamente per il convertitore analogico-digitale ADS1115. Il bus I2C è portato anche su un pettine a 4 pin per il collegamento di ulteriori dispositivi I2C.

Il bus I2C è collegato a GPIO21 (SDA) e GPIO22 (SCL) dell’ESP32. Questi sono i pin I2C predefiniti nell’ambiente Arduino ESP32, ma sono diversi dai pin predefiniti di SH-ESP32.