Hardware¶

De ESP32 in het kort¶

De HALMET is gebaseerd op de krachtige microcontrollermodule ESP32-WROOM-32E. De ESP32 is een microcontroller met twee kernen en ingebouwde wifi- en Bluetooth-verbinding. De ESP32 is een populaire keuze voor IoT-toepassingen dankzij de lage prijs, het goede aanbod aan randapparatuur en het gebruiksgemak.

Functionele blokken van de print¶

De verschillende functionele blokken van de print worden hieronder beschreven.

NMEA 2000-aansluiting en voedingsingang met beveiliging. De NMEA 2000-connector heeft de volgende beveiligingselementen:
- Zelfherstellende zekering van 500 mA
- Ompoolbeveiligingsdiode
- TVS-diodes voor overspannings- en ESD-beveiliging
- Tweetraps storingsfiltering
Voeding. Een schakelende voeding met een maximale uitgangsstroom van 2 A.
CAN-transceiver voor NMEA 2000. RX- en TX-leds geven het verkeer op de CAN-bus zichtbaar weer.
I2C- en 1-Wire-aansluitingen voor het aansluiten van extra sensoren.
Gebruikersinterface. Een resetknop, een knop voor de bootmodus die ook als algemene knop dienstdoet, een rode voedings-led en een blauwe, door de gebruiker programmeerbare led.
USB 2.0-aansluiting voor programmeren en debuggen.
ESP32-WROOM-32E-module met ingebouwde wifi en Bluetooth. De module op de HALMET-print bevat 16 MB flashgeheugen.
Schakeling voor de galvanische scheiding van de digitale en analoge ingangen.
Analoge ingangen. De print heeft vier analoge ingangen met een 16-bits resolutie en een maximale ingangsspanning van 33 V. Elke ingang heeft een onderspannings- en overspanningsbeveiliging en een laagdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie van 160 Hz om de meetruis te beperken.

De analoge ingangen hebben een optionele constantstroombron van 10 mA voor actieve weerstandsmeting. De constantstroombron kan met de CCS-jumperheaders worden ingeschakeld.

In de weerstandsmeetmodus is de maximaal meetbare weerstand 300 Ω.
Digitale ingangen. De HALMET heeft vier digitale ingangen met een maximale ingangsspanning van ±32 V. De ingangen bevatten een Schmitt trigger die de ruisongevoeligheid verbetert.

Galvanische scheiding¶

De print heeft een galvanische scheiding tussen de digitale en analoge ingangen enerzijds en de ESP32-microcontroller anderzijds. De scheiding is gerealiseerd met digitale isolatoren voor respectievelijk I2C en de vier digitale ingangen, en met een gescheiden DC/DC-omzetter die het gescheiden deel voedt.

Dankzij deze scheiding kan de print vanuit het NMEA 2000-netwerk worden gevoed zonder risico op aardlussen. De scheiding beschermt de ingangen bovendien tegen spanningspieken en ruis.

Connectoren¶

Connectoren aan de bovenzijde¶

NMEA 2000-connector. De connector is een 4-polig steekbaar klemmenblok dat compatibel is met Phoenix MC 3.81. Via deze connector wordt de print op een NMEA 2000-netwerk aangesloten en gevoed.
1-Wire-pinheader. Met de 1-Wire-pinheader kunt u 1-Wire-sensoren op de print aansluiten. De connector is een 3-pins pinheader met 2,54 mm steek. De pinheader is standaard niet op de print gemonteerd, omdat hij de plaatsing van de paneelconnectoren van de behuizing kan hinderen.
I2C-pinheader. Met de I2C-pinheader kunt u I2C-sensoren op de print aansluiten. De connector is een 4-pins pinheader met 2,54 mm steek.
Micro-USB-connector. Deze connector wordt gebruikt om de print te programmeren en te debuggen.
Niet-bestukte soldeereilanden voor de reset- (EN) en boot-signalen (IO0).
GPIO-pinheader. De GPIO-pinheader is een 2×10-pins pinheader met 2,54 mm steek. Hij brengt de beschikbare GPIO-pinnen van de ESP32 naar buiten en kan ook als JTAG-pinheader worden gebruikt.
Voedingspinheader van het gescheiden deel. Via deze pinheader kunt u externe apparaten voeden vanaf 3V3 en GND van het gescheiden deel.
Contacten van de jumperheader voor de constantstroombron (CCS) van de analoge ingangen. De constantstroombron wordt ingeschakeld door de jumpercontacten door te verbinden.
Connectoren van de analoge ingangen. Het zijn 2-polige steekbare klemmenblokken die compatibel zijn met Phoenix MC 3.81. Hiermee sluit u analoge sensoren op de print aan.
Connectoren van de digitale ingangen. Het zijn 2-polige steekbare klemmenblokken die compatibel zijn met Phoenix MC 3.81. Hiermee sluit u digitale sensoren op de print aan.

Connectoren aan de onderzijde¶

Soldeerbrug voor de CAN-afsluitweerstand. Door de brug dicht te solderen schakelt u de afsluitweerstand van 120 Ω voor de CAN-bus in. Gebruik de afsluitweerstand niet in NMEA 2000-netwerken.
Soldeerbrug voor het laagdoorlaatfilter. Door de brug dicht te solderen schakelt u een laagdoorlaatfilter in op de bijbehorende analoge ingang. Het filter heeft een afsnijfrequentie van 2,3 kHz. Het filter kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de ruis in een toerentellersignaal te verminderen.
Soldeerbrug voor de pull-downweerstand. Door de brug dicht te solderen schakelt u een pull-downweerstand van 100 kΩ in op de bijbehorende digitale ingang. Met de pull-downweerstand kunt u een maakcontact (NO) uitlezen dat bij sluiten hoog wordt getrokken.
Soldeerbrug voor de pull-upweerstand. Door de brug dicht te solderen schakelt u een pull-upweerstand van 100 kΩ in op de bijbehorende digitale ingang. Met de pull-upweerstand kunt u een verbreekcontact (NC) uitlezen dat bij sluiten laag wordt getrokken.
Soldeerbruggen voor de keuze van het I2C-adres van de ADS1115. Door de bruggen dicht te solderen kiest u het I2C-adres van de analoog-digitaalomzetter (AD-omzetter) ADS1115. Zo voorkomt u adresconflicten wanneer er meerdere ADS1115-omzetters op dezelfde I2C-bus zijn aangesloten. De soldeereilanden kunnen ook worden gebruikt om extra I2C-apparaten op het gescheiden deel van de print aan te sluiten.

GPIO-overzicht¶

De HALMET reserveert een aantal GPIO-pinnen voor de ingangsperiferie. De beschikbare GPIO-pinnen zijn naar de 2×10-pins GPIO-pinheader gebracht. De volgende tabel geeft de GPIO-pinnen en hun functies.

GPIO	Functie	Opmerkingen
0	Bootknop	Gaat naar de bootloader wanneer laag getrokken
1	TXD0	Data verzenden naar USB
2	LED	Rode led op de print
3	RXD0	Data ontvangen van USB
4	1-Wire DQ	1-Wire-datalijn
5	-	Beschikbaar op de GPIO-pinheader
12	- / TDI	Beschikbaar op de GPIO-pinheader. Optioneel: JTAG TDI
13	- / TCK	Beschikbaar op de GPIO-pinheader. Optioneel: JTAG TCK
14	- / TMS	Beschikbaar op de GPIO-pinheader. Optioneel: JTAG TMS
15	- / TDO	Beschikbaar op de GPIO-pinheader. Optioneel: JTAG TDO
16	-	Beschikbaar op de GPIO-pinheader
17	-	Beschikbaar op de GPIO-pinheader
18	CAN RX	Ontvangst van NMEA 2000
19	CAN TX	Verzending naar NMEA 2000
21	I2C SDA	I2C-datalijn. Gebruikt voor de analoge ingang
22	I2C SCL	I2C-kloklijn. Gebruikt voor de analoge ingangen
23	DI1	Digitale ingang 1
25	DI2	Digitale ingang 2
27	DI3	Digitale ingang 3
26	DI4	Digitale ingang 4
32	-	Beschikbaar op de GPIO-pinheader
33	-	Beschikbaar op de GPIO-pinheader
34	-	Beschikbaar op de GPIO-pinheader
35	-	Beschikbaar op de GPIO-pinheader
36 (VP)	Alleen ingang	Beschikbaar op de GPIO-pinheader
39 (VN)	Alleen ingang	Beschikbaar op de GPIO-pinheader

Voeding¶

Het toegestane ingangsspanningsbereik van de print is 5–32 V. Het typische stroomverbruik is 90 mA bij 12 V met de wifi-module actief (komt overeen met 1,1 W).

NMEA 2000¶

NMEA 2000 is een alomtegenwoordige communicatiestandaard waarmee sensoren, bedieningsapparatuur en displays op boten en schepen met elkaar worden verbonden. De standaard is gebaseerd op het Controller Area Network (CAN-bus), een voertuigbusstandaard die is ontworpen om apparaten zonder tussenkomst van een hostcomputer met elkaar te laten communiceren.

De print voldoet aan de NMEA 2000-standaard zolang geen van de niet-gescheiden connectoren is verbonden met andere apparaten die naar massa gerefereerd zijn. Zo kan een 1-Wire-temperatuursensor met een lange kabel wel worden gebruikt, omdat die geen gemeenschappelijke massa met andere apparaten deelt. Het aansluiten van een AD-omzetter met I2C op de niet-gescheiden I2C-connector doorbreekt de conformiteit met NMEA 2000 echter wel.

TODO: NMEA 2000 GPIO-pinbezetting

Status-leds¶

Op de HALMET-print zitten twee knoppen en twee leds. De twee knoppen zijn gemarkeerd met “Reset” en “Boot”. De Reset-knop start de print opnieuw op door de Enable-pin van de ESP32 laag te trekken. De Boot-knop is verbonden met GPIO0 en kan tijdens het opstarten van het apparaat worden gebruikt om de module in de downloadmodus te dwingen. Verder kan hij als gewone knopingang worden gebruikt.

De twee leds zijn niet apart gemarkeerd. De rode led brandt zodra er 3,3 V op de print staat. De blauwe led is verbonden met GPIO2 (de pin die op ESP32-ontwikkelborden gewoonlijk voor een led wordt gebruikt). Gebruikersprogramma's kunnen hem aansturen om de toestand van het apparaat aan te geven.

1-Wire¶

1-Wire is een communicatiebussysteem voor apparaten, ontworpen door Dallas Semiconductor, dat inmiddels is overgenomen door Maxim Integrated Products. Hoewel 1-Wire een traag protocol is dat slechts snelheden tot 16,3 kbit/s ondersteunt, is het heel eenvoudig te implementeren en bruikbaar over grote afstanden. Het wordt veel gebruikt voor temperatuursensoren en vergelijkbare eenvoudige meetapparatuur.

De 1-Wire-implementatie van de HALMET bevat ESD- en RF-storingsfiltering en daarnaast laagdoorlaatfiltering om de betrouwbaarheid van het netwerk te verbeteren.

Let op: de datapin van 1-Wire (de opdruk “DQ”) is fysiek gekoppeld aan GPIO4; gebruik in uw programma dus GPIO4 voor alle 1-Wire-data.

I2C¶

I2C (Inter-Integrated Circuit) is een zeer populaire synchrone seriële communicatiebus die veel wordt gebruikt om allerlei verschillende IC's aan te sturen. De bus gebruikt twee datadraden, naast voeding en massa.

De HALMET gebruikt I2C intern voor de ADS1115-AD-omzetter. De I2C-bus is ook naar een 4-pins pinheader gebracht om extra I2C-apparaten aan te sluiten.

De I2C-bus is verbonden met GPIO21 (SDA) en GPIO22 (SCL) van de ESP32. Dit zijn de standaard I2C-pinnen in de Arduino-ESP32-omgeving, maar ze wijken af van de standaardpinnen van de SH-ESP32.