Version vom 17. November 2014, 14:28 Uhr

RP6 ArduIO Erweiterungsplatine

Die RP6-ArduIO Erweiterungsplatine (siehe auch das Vorgängerprojekt,die RP6-MultiIO-Erweiterungsplatine) im üblichen RP6-Layout ist als reine I2C-Erweiterung sowohl für den RP6, als auch für Arduino-Boards und –Shields gedacht. Entwickelt wurde sie zusammen mit einigen Mitgliedern des Roboternetzes von fabqu (Hardwarearbeiten) und Dirk (Softwarearbeiten).

Umfangreiche Dokumentation, sämtliche Beispielprogramme und Bibliotheken, Daten, Teilelisten und eine Lötanleitung finden sich unten in den Weblinks.

Bestellung des Multi-IO-Moduls

Diese Platine kann bei fabqu bestellt werden. Sie ist mit Lötstopplack (schwarz) sowie beidseitig mit einem weißen Bestückungsdruck versehen. Ganz im üblichen RP6-Design eben.

Das Board ist nicht aufgebaut, aber fabqu bietet an, es komplett aufzubauen, zu löten und zu testen.

Features des ArduIO-Moduls

• Externe Stromversorgung
  • Bis zu 10 Volt Eingangsspannung
  • Verpolungs- und kurzschlussicher
  • Netzgerät möglich
  • 5V- und 3,3V-Regler on Board
• USRBUS, alle 14 Pins stehen zur freien Verfügung
• XBUS
  • Nutzung des externen Akkus für RP6-Basiseinheit möglich
  • Nutzung des Akkus der RP6-Basiseinheit möglich
  • Pinherausführungen für I2C (5V- und 3,3V-Pegel, incl. bidirektionalen Pegelwandlern)
• 48 IOs via I2C, 32 davon für 5V-Pegel, 16 für 3,3V-Pegel; freie Adresswahl der ICs, alle IO-Expander sind Interrupt-fähig (Int1 bis Int3)
• 12 ADCs via I2C; freie Adresswahl der ICs, ein ADC kann die angeschlossene Akkuspannung überwachen
• 3 DACs via I2C; freie Adresswahl der ICs
• 16 PWM-Outputs via I2C, daran:
  • 4 jumperbare LEDs
  • 8 Dual Leistungs-MOSFETs, je vier n- und vier p-Channels
  • MOSFET-Schaltzustände werden jeweils durch eine eigene LED angezeigt
  • Leistungs-MOSFETs sind über eine resttable Fuse zusätlich gesichert
  • 4 freie PWMs
• Arduino-Aufnahme
  • Sowohl Boards als auch Shields möglich
  • I2C für Arduino mit 5V- oder 3,3V-Pegel möglich (jumperbar)
  • Arduino-Shields können jumperbar durch 16 IOs und 4 PWMs via I2C emuliert werden
  • Arduino-Boards können jumperbar durch 16 IOs und 4 ADCs ausgelesen/gesteuert werden
• Eine kleine Hardware-Überraschung -> mehr dazu demnächst...

Software

Die Software wird von Dirk erstellt. Diese Bibliotheken sind natürlich nur ein Vorschlag und sollen nur zur Anregung eigener Projekte und eigener Bibliotheken dienen. Es ist geplant, eine Bibliothek für die RP6v2 Base, die RP6Control M32 und die RP6M256 WiFi für alle fest installierten Aktoren aufzubauen. Diese Bibliothek liegt – wie das gesamte Projekt – als Open Source vor und wird den Usern zugänglich gemacht.

Wir haben die Artikel für Soft- und Hardware der Übersichtlichkeit wegen getrennt.

Der Software-Artikel befindet sich [HIER].

Kurzbeschreibung

Neben einer Anschlussmöglichkeit für eine externe Stromquelle (Akku, Netzgerät) kann der Hauptakku des RP6 zur Versorgung genutzt werden. Ebenso kann zwischen ArduIO-Boardeigenem 5V-Regler und der RP6-eigenen 5V-Versorgung gewählt werden.

Ein 3,3V-Regler mit bidirektionalen MOSFET-Pegelwandlern für den I2C-Bus gehören ebenso zur Ausstattung.

Die Erweiterung RP6-ArduIO enthält 48 IO-Pins (16mal für 3,3V-Pegel und 32mal für 5V-Pegel), 12 AD- sowie 3 DA-Wandler sowie einen 16fach 12bit-PWM-Treiber. Ein 5V-IO-Expander sowie vier der AD-Wandler können jumperbar verwendet werden, um einerseits Pegelstände eines eventuell angeschlossenen Arduino-Boards oder –Shields auszulesen, andererseits können die IO‘s ebenso genutzt werden, um ein nicht vorhandenes Arduino-Board zu emulieren, also nachzuahmen, wenn Arduino-Boards und –Erweiterungen ohne eigenes Shield angeschlossen sind. Des weiteren können Arduino-Boards und –Shields direkt mit dem RP6 kommunizieren und in einem Mehrkern-Verbund interagieren.

Der 16fach PWM-Treiber kann verwendet werden, um jumperbar 4 boardeigene LEDs sowie vier Dual-n-p-Channel Power-MOSFETs zu treiben. LEDs zeigen die Zustände der jeweiligen Channels an. Diese vier n- und vier p-Channel MOSFETs kommen auch beim RP6v2 als Motortreiber zum Einsatz, sind hier jedoch in erster Linie als Treiber für „normale“ ohmsche Verbraucher gedacht. Sollen sie als Motortreiber („H-Brücke“) genutzt werden, bitte den zugehörigen Artikel genau lesen und bei Bedarf weitere Literatur hinzuziehen.

Hardware

5V-IO-Expander #1:

Baustein: PCA9535

Name auf Board: "IC8"

Pegel: 5V

Adresse: 0100-A2-1-A0, A2 und A0 wählbar

Zubehör: Ein 2x3-Pin-Header dient als Adressjumper für die Adressen A0 und A2. Der Kondensator "C3" beträgt 100nF. Zwei 10polige Wannenstecker dienen als Pinherausführungen für je acht IOs sowie je einmal 5V und GND.

Datenblatt

Beschreibung: Dieser I2C-IO-Expander steht zur freien Verfügung. Alle 16 IOs sowie +5V und GND sind an Wannensteckern herausgeführt. Die Adresspins A0 sowie A2 können jumperbar auf 0 oder 1 gesetzt werden.

5V-IO-Expander #2:

Baustein: PCA9535

Name auf Board: "IC13"

Pegel: 5V

Adresse: 0100-A2-1-A0, A2 und A0 wählbar

Zubehör: Ein 2x3-Pin-Header dient als Adressjumper für die Adressen A0 und A2. Der Kondensator "C9" beträgt 100nF. Ein 2x8-Pin-Header (GPIOs 00 bis 07) sowie ein 2x6-Pin-Header (GPIOs 10 bis 15) dienen als Pinherausführungen und Jumper auf den Arduino-Sockel. Die GPIOs 16 und 17 sind auf einem 1x2-Pin-Header herausgeführt und stehen zur freien Verfügung, sind jedoch nicht an den Arduino-Sockel geführt.

Datenblatt

Beschreibung: Dieser I2C-IO-Expander steht zur freien Verfügung. Alle 16 IOs können an Jumperreihen abgegriffen oder über Jumper mit den jeweiligen Pins der Arduino-Aufnahme verbunden werden. Die Adresspins A0 sowie A2 können jumperbar auf 0 oder 1 gesetzt werden.

3,3V-IO-Expander #3:

Baustein: PCA9535

Name auf Board: "IC12"

Pegel: 3,3V

Adresse: 0100-A2-1-A0, A2 und A0 wählbar

Zubehör: Ein 2x3-Pin-Header dient als Adressjumper für die Adressen A0 und A2. Der Kondensator "C6" beträgt 100nF. Zwei 10polige Wannenstecker dienen als Pinherausführungen für je acht IOs sowie je einmal 3,3V und GND.

Datenblatt

Beschreibung: Dieser I2C-IO-Expander steht zur freien Verfügung. Alle 16 IOs sowie +3,3V und GND sind an Wannensteckern herausgeführt. Die Adresspins A0 sowie A2 können jumperbar auf 0 oder 1 gesetzt werden. Die IOs sind zwar für 3,3V-Pegel gedacht, sind dennoch 5V-Tolerant.

5V-AD-DA-Expander #1:

Baustein: PCF8591

Name auf Board: "IC11"

Pegel: 5V

Adresse: 1001-A2-1-A0

Zubehör: Ein 2x3-Pin-Header dient als Adressjumper für die Adressen A0 und A2. Der Kondensator "C7" beträgt 100nF. Der 10polige Wannenstecker dient als Pinherausführungen für die vier ADCs sowie für je einmal 5V und GND. Der DAC ist auf einem 1x2-Pin-Header bei "DAC1" herausgeführt. Zwei 100kOhm Widerstände, SMD 0805, messen die Batteriespannung an AD13 (AD-Wandler #1, AD-Eingang #3).

Datenblatt

Beschreibung: Dieser I2C-AD-DA-Expander steht zur freien Verfügung. Alle 4 ADCs sowie +5V und GND sind an einen Wannenstecker herausgeführt. Die Adresspins A0 sowie A2 können jumperbar auf 0 oder 1 gesetzt werden. Der DAC ist herausgeführt („DAC1“).

Am ADC3 dieses AD-Wandler-ICs liegt jumperbar (Jumper "AD-UB") die Batteriespannung über einen 2:1-Spannungsteiler (wie im RP6 einfach 2 100kOhm-Widerstände). Die Batteriespannung wird hier erst NACH der resettable Fuse "F2" gemessen, wodurch theoretisch auch softwareseitig ein Kurzschluss durch falsche Beschaltung der Leistungs-MOSFETs SP8M3 bemerkt werden kann, da dann die resettable Fuse abschaltet.

5V-AD-DA-Expander #2:

Baustein: PCF8591

Name auf Board: "IC10"

Pegel: 5V

Adresse: 1001-A2-1-A0

Zubehör: Ein 2x3-Pin-Header dient als Adressjumper für die Adressen A0 und A2. Der Kondensator "C8" beträgt 100nF. Der 10polige Wannenstecker dient als Pinherausführungen für die vier ADCs sowie für je einmal 5V und GND. Der DAC ist auf einem 1x2-Pin-Header bei "DAC2" herausgeführt.

Datenblatt

Beschreibung: Dieser I2C-AD-DA-Expander steht zur freien Verfügung. Alle 4 ADCs sowie +5V und GND sind an einen Wannenstecker herausgeführt. Die Adresspins A0 sowie A2 können jumperbar auf 0 oder 1 gesetzt werden. Der DAC ist an einem Einzelpin herausgeführt („DAC2“).

5V-AD-DA-Expander #3:

Baustein: PCF8591

Name auf Board: "IC9"

Pegel: 5V

Adresse: 1001-A2-1-A0

Zubehör: Ein 2x3-Pin-Header dient als Adressjumper für die Adressen A0 und A2. Der Kondensator "C11" beträgt 100nF. Die vier ADCs sind auf einem 2x4-Pin-Header herausgeführt, wodurch man diese vier ADCs jumperbar auf die A0- bis A3-Pins des Arduino-Sockels legen kann. Der DAC ist auf einem Einzelpin bei "DAC3" herausgeführt.

Datenblatt

Beschreibung: Dieser I2C-AD-DA-Expander steht zur freien Verfügung. Alle 4 ADCs sind an Jumpern herausgeführt und können an die Eingänge der Arduino-Aufnahme angejumpert werden. Die Adresspins A0 sowie A2 können jumperbar auf 0 oder 1 gesetzt werden. Der DAC ist an einem Einzelpin herausgeführt („DAC3“).

5V-PWM-Expander, 16fach, 12bit:

Baustein: PCA9685

Name auf Board: "IC3"

Pegel: 5V

Adresse: 1000-A2-1-A0

Zubehör: Ein 2x3-Pin-Header dient als Adressjumper für die Adressen A0 und A2. Der Kondensator "C10" beträgt 10uF.

Datenblatt

Beschreibung: Dieser I2C-PWM-Expander steuert unter anderem vier LEDs und die Leistungs-MOSFETs (siehe unten) an. Die PWMs 12 bis 15 stehen zur freien Verfügung und sind an Einzelpins herausgeführt. Dabei können die PWMs 12 bis 14 an die PWM-Pins des Arduino-Sockels gelegt werden. Da im Arduino wahlweise 6 PWMs zur Verfügung stehen, sind hier dreifach-Jumper angebracht, wodurch je ein PWM auf einen oder zwei Arduino-Pin(s) gelegt werden können. Die Adresspins A0 sowie A2 können jumperbar auf 0 oder 1 gesetzt werden.

LEDs

Die vier Status-LEDs "LED1" bis "LED4" können mittels PWMs 8 bis 11 des IC3 angesteuert werden.

MOSFETs

Bausteine: 4x SP8M3, je dual ein n- und ein p-Channel

Namen auf Board: "IC4" bis "IC7"

Zubehör: 10poliger Wannenstecker, acht LEDs mit zugehörigen Vorwiderständen, 3 Stück 1x2-Jumper um die LEDs anzuschalten und um bei bedarf die resettable Fuse "F2" zu überbrücken.

Datenblatt

Beschreibung: Jeder dieser vier MOSFET-ICs enthält einen p- sowie einen n-Channel. Ihre Ausgänge sind zusammen mit der Batteriespannung (nach der resettable Fuse) und GND an den Wannenstecker herausgeführt. Sie werden durch den I2C-PWM-Expander (Ausgänge 0 bis 7) angesteuert und erreichen daher eine maximale Schaltfrequenz von 1kHz. Sie sind grundsätzlich für ohmsche Lasten ausgelegt, nicht für induktive (Motoren). Ihre Schaltzustände (On und Off) werden für jeden Kanal durch die LEDs 6 bis 9 (p-Channels 1 bis 4) und 10 bis 13 (n-Channels 1 bis 4) angezeigt. Diese LEDs können durch zwei Jumper komplett deaktiviert werden.

Eine resettable Fuse ("F2") dient zum Schutz der MOSFETs vor zu starkem Stromfluss. Hier muss jedoch beachtet werden, dass diese vergleichsweise langsam schaltet und ein Auslösen unter Umständen unbemerkt bleiben kann. Sie funktioniert einfach dadurch, dass sie sich bei hohen Strömen ( >4,5A ) aufheizt und dann hochohmig, also nicht-leitend wird. Nach dem Abkühlen sinkt der Widerstand wieder und sie wird leitend.

Mit etwas Fachwissen können die MOSFETs schnell zu zwei Motortreibern, also H-Brücken umgebaut werden. Dafür müssen die Dioden D6 bis D9 sowie D2 bis D5 (richtig herum!) eingelötet werden. Diese sind als Rücklaufdioden für die in den Spulen der Elektromotoren gespeicherte elektrische Energie gedacht. Es handelt sich dabei um solche vom Typ BYM10-50. Darüber hinaus muss beachtet werden, dass die maximale PWM-Frequenz 1kHz beträgt. Diese Frequenz ist vom menschlichen Gehör spürbar, es kann also zur Geräuschentwicklung durch die angesteuerten Motoren kommen. Dies ist für die Motoren natürlich nicht von Nachteil, lediglich für den Zuhörer. Es muss jedoch unbedingt auf eine korrekte Beschaltung der MOSFETs geachtet werden, da sonst ein Kurzschluss droht. Wird ein p- und ein n-Channel-MOSFET an einem Motorkontakt angeschlossen und beide in den On-Status versetzt, wird ein Kurzschluss der Batteriespannung auf GND erzeugt. Die kann mehrere teils verehrende Folgen für dieses Board haben: Im besten Fall brennt die Hauptsicherung „F1“ durch oder die resettable Fuse „F2“ unterbricht den Kontakt. Im schlimmeren Fall könnten die MOSFET-IC-Bausteine Schaden nehmen oder sogar Zuleitungen platzen. Dann wird eine Reparatur sehr aufwändig. Also hier bitte nur mit dem nötigen Fachwissen rangehen! Es wird außerdem empfohlen, die MOSFETs bei Verwendung als H-Brücke mit einer eigenen Batterie zu versorgen, nicht mit dem Hauptakku des RP6 über den XBUS.

Der LC-Schwingkreis, bestehend aus einer 10uH-Spule (L1) und einem 470uF-Elko (C14), dient zur Abschwächung möglicher Störungen durch Motoren.

Arduino-Aufnahme

An den mit „Arduino“ bezeichneten und eingerahmten Pinheadern können Arduino-Boards (von unten) und –Shields (von oben) aufgesteckt werden. Die Stromversorgung für das jeweilige Board kann über Jumper gewählt werden: Batteriespannung („UBat“), +5V oder +3,3V. Natürlich darf hier immer nur einer der drei Jumper gesteckt sein, sonst regeln zwei oder mehr Spannungsregler gegeneinander und können Schaden nehmen. Bei Verwendung von 3,3V muss natürlich auch der 3,3V-Regler durch den Jumper angeschaltet sein. Auch kann der Pegel des I2C-Busses, welcher an "A4" und "A5" der Arduinos anliegt, gewählt werden. Dies gescheiht über zwei dreifach-Jumper. Hier ist jeweils der mittlere Pin mit "A4" bzw. "A5" des Arduino-Sockels verbunden und die beiden äußeren dann dementsprechend jeweils mit den Leitungen des I2C. Auf der einen Seite für den 3,3V-Pegel, auf der anderen für den 5V-Pegel.

Anschluss von externen Spannungsquellen

An die Buchse „B1“, können externe Spannungsquellen (Netzgeräte, Akkus, etc) angeschlossen werden. Dadurch würde der GND-Kontakt der Buchse automatisch unterbrochen (bauteilebedingt). Dies kann der Abschaltung der Elektronik im Akku-Ladebetrieb dienen. Dies ist jedoch über den Jumper "JP_LOAD" überbrückbar. Auch der Hauptakku des RP6 ist über den XBUS nutzbar. Schalter „S1“ schaltet die Stromversorgung (egal, ob über XBUS oder die Buchse "B1").

Sicherung „F1“ und Verpolungsschutz

Die Sicherung "F1" dient natürlich der Sicherung vor Kurzschlüssen etc, jedoch in Verbindung mit der darunter liegenden Diode „D1“ auch dem Verpolungsschutz. Bei Verpolung schaltet die Diode auf Masse durch und die Sicherung schmilzt.

5V-Regler

Baustein: AP1117E50G

Name auf Board: "IC2"

Zubehör: 2x Kondensatoren 2uF ("C1") und 10uF ("C2"). LED mit Vorwiderstand ("LED14", "R14").

Beschreibung: Der 5V-Regler kann für die Versorgung des ArduIO-Boards genutzt werden, ebenso jedoch (nicht empfohlen) der RP6-eigene 5V-Regler über den XBUS. Die Auswahl findet durch einen 3fach-Jumper statt. "LED5" zeigt den Zustand an.

3,3V-Regler

Baustein: LD1117AS33TR

Name auf Board: "IC1"

Zubehör: 2x Kondensatoren, 2,2uF ("C4") und 10uF ("C5"). LED mit Vorwiderstand ("LED5", "R5").

Beschreibung: Der 3,3V-Regler kann jumperbar on/off geschaltet werden. „LED14“ zeigt den Zustand an.

3,3V-I2C

Bausteine: BSN20, zwei Stück, und 2k2-Ohm Widerstände

Name auf Board: "Q1" und "Q2", "R15" und "R16"

Beschreibung: Zwei MOSFETs ("Q1" und "Q2") dienen als bidirektionale Pegelwandler. Natürlich muss der 3,3V-Regler aktiviert sein! Die Widerstände "R15" und "R16" dienen als Pullups.

Int-Leitungen #1 bis #3 des XBUS

Die Int-Leitungen "Int1", "Int2" sowie "Int3" finden auf diesem Board eine Verwendung und sind mit Pullup-Widerständen ausgestattet. "Int1" liegt am IO-Expander #2, "Int2" an IO-Expander #1 und "Int3" am IO-Expander #3. Alle Int-Leitungen sind dabei jumperbar und besitzen Pullup-Widerstände "R25", "R26" und "R27" (je 2k2 Ohm).

Die Hardware-Überraschung

...nur nicht neugierig werden...

Weblinks

-> [HIER] findet ihr Umfangreiche Dokumentation, sämtliche Beispielprogramme und Bibliotheken, Daten, Teilelisten und eine Lötanleitung. Einfach das .zip runterladen, fertig.

-> [HIER] findet ihr den Software-Artikel.