Многофункциональный контроллер широкого применения
Полезная модель относится к многофункциональным контроллерам широкого спектра применения, предназначенным для подключения и управления внешним оборудованием. В качестве внешнего оборудования, в частности, могут выступать различные датчики, платы и модули расширения, электромоторы и т. д. Контроллер может использоваться для построения на его базе роботизированных систем, а также в образовательных целях, в качестве материнской платы в электронных конструкторах.
К аналогам предлагаемого устройства относятся контроллеры для создания роботизированных систем, а также систем «умного дома».
Известен контроллер Arduino Mega (Радио-точка [сайт]. URL: http://9v. ru/shop/arduino/kontrollers/kontroller-arduino-mega-2560-bez-kabelja/), построеный на микроконтроллере ATmega2560. Плата имеет 54 цифровых входа/выхода (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC или аккумуляторной батареи.
Известен контроллер-конструктор Atmel ATmega16, предназначенный для макетирования устройств, проектируемых на базе 8-разрядных микроконтроллеров серии AVR фирмы Atmel (Рынок Микроэлектроники [сайт]. URL: http://www. gaw. ru/html. cgi/txt/app/Atmel/micros/avr/mega16.htm). Конструктор позволяет быстро и с небольшими затратами собрать несложный контроллер с аналоговыми/цифровыми входами/выходами и возможностью связи с внешними устройствами по интерфейсу RS-232.
Известен микроконтроллер Freeduino Mega 2560 (ЧИП и ДИП [сайт]. URL: http://www. chipdip. ru/product/freeduino-mega-2560/), который является аналогом Arduino Mega 2560 (а также Seeeduino Mega), но имеет ряд достоинств, а именно:
- уменьшены габариты платы (вместе с разъемом не превышают габариты Arduino Uno);
- добавлено 16 дополнительных цифровых входов/выходов (используются все выводы микросхемы Atmega2560).
Семейство микроконтроллеров Freeduino представлено несколькими вариантами плат, имеющих в общем идентичный функционал, и полностью совместимых с аналогичными вариантами Arduino.
Известен также контроллер Romeo V2-All in one Controller от DFRobot (DFRobot. Drive the future [сайт]. URL: http://www. /wiki/index. php/Romeo_V2-All_in_one_Controller_(R3)_(SKU:DFR0225).
Недостатками аналогов являются:
- недостаточное количество портов;
- недостаточно прочный разъем для подключения USB;
- отсутствие встроенного беспроводного модуля;
- отсутствие полной совместимости с электроникой из робототехнического набора “HUNA-MRT-РОБОТРЕК”;
- невозможность одновременного подключения 4-х независимых двигателей или 2-х шаговых двигателей;
- отсутствие возможности перепрограммирования без использования проводов.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является контроллер «Стрела» (Амперка [сайт]. URL: http://wiki. amperka. ru/продукты:strela), выбранный в качестве прототипа.
Недостатки прототипа:
- невозможность соединения с контроллером по беспроводному соединению,
- недостаточное количество интерфейсов для подключения внешних устройств,
- нет защиты от неправильного подключения разъемов,
- недостаточное количество портов ввода-вывода,
- отсутствие полной совместимости с электроникой из робототехнического набора “HUNA-MRT-РОБОТРЕК”,
- отсутствие возможности перепрограммирования без использования проводов.
Задачей полезной модели является разработка многофункционального контроллера широкого применения, базирующегося на микроконтроллере Atmega2560 от Atmel и отличающегося расширенным набором интерфейсов для подключения внешних устройств, наличием встроенного модуля Bluetooth для беспроводной связи с контроллером и улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей микроконтроллера и улучшении его эксплуатационных характеристик.
Технический результат достигается за счет того, что в многофункциональном контроллере, состоящем из основного микроконтроллера и подключенных к нему и к стабилизаторам напряжения на 5В и 3.3В портов ввода-вывода общего назначения (GPIO), интерфейсной шины IIC (I2C), блока последовательного синхронного интерфейса передачи данных в режиме полного дуплекса (SPI), универсального асинхронного приёмопередатчика (UART0), универсальной последовательной шины (USB), а также тактовых программируемых кнопок, подключенных к основному микроконтроллеру, и блока драйверов двигателей, подключенных к основному микроконтроллеру и источнику внешнего питания, предлагается разделить порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) на 4 группы, первую «IN1»-«IN4» и третью «OUT1»-«OUT4» группы портов подключить через соответствующие селекторы напряжения к понижающим стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В, вторую «IN5»-«IN8» и четвертую «OUT5»-«OUT8» группы портов подключить к понижающему стабилизатору на 5В.
Предлагается также ввести:
- второй и третий асинхронный приемопередатчик (UART1 и UART2), соединенный с основным микроконтроллером и стабилизатором напряжения на 5В;- встроенный Bluetooth модуль со светодиодом для беспроводной связи с внешними устройствами, соединенный с основным микроконтроллером через мультиплексор и первый асинхронный приемопередатчик (UART0);- разъем для подключения плат расширения Arduino со светодиодом, подключенный к основному микроконтроллеру и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В;
- порт ввода-вывода держателя карт памяти типа microSD для возможности увеличения объема памяти устройства, подключенный к основному микроконтроллеру и стабилизатору напряжения на 3,3В;
- схему автоматического переключения питания между внешним питанием и USB, которая подключена к универсальной последовательной шине (USB) и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В.
Дополнительными отличиями предлагаемого многофункционального контроллера являются:
- в качестве основного микроконтроллера используется микроконтроллер ATmega2560;
- в качестве драйверов двигателей используются два четырехканальных драйвера двигателей постоянного тока, что обеспечивает возможность одновременного подключения 4-х независимых двигателей или 2-х шаговых двигателей;
- в качестве встроенного стабилизатора напряжения используется понижающий преобразователь напряжения с широким диапазоном входного напряжения;
- введен светодиод индикации питания, подключенный к микроконтроллеру, и трехцветный (RGB) светодиод, подключенный к микроконтроллеру и стабилизатору питания на 5В.
Предлагаемый многофункциональный контроллер имеет встроенный USB-UART конвертор на базе микросхемы FT232, позволяющий перепрограммировать основной контроллер через USB-кабель, а также встроенный Bluetooth-модуль, который позволяет перепрограммировать контроллер без использования проводов по беспроводному соединению. Встроенный RGB светодиод, кнопка питания и 5 тактовых кнопок позволяют легко контролировать и управлять контроллером. Кроме того, многофункциональный контроллер имеет интерфейс стандарта Arduino Uno R3 для подключения плат расширения Arduino, что позволяет значительно расширить функционал контроллера, а также устройств и роботизированных систем, которые могут быть построены на его базе. Также предлагаемый многофункциональный контроллер содержит держатель карт памяти типа microSD, который обеспечивает возможность увеличения объема памяти устройства и расширяет, таким образом, функциональные возможности многофункционального контроллера.
Пример структурной схемы многофункционального контроллера широкого применения приведен на фигуре, где сплошными линиями обозначены шины обмена данными, пунктирными линиями ‑ стабилизированное питание 5В, штрих-пунктирными линиями ‑ стабилизированное питание 3,3В, двойными сплошными линиями ‑ стабилизированное питание 5В или 3,3В в зависимости от состояния селекторов, утолщенными сплошными линиями ‑ нестабилизированное питание 6-18В и утолщенными прерывистыми линиями ‑ граница платы контроллера.
· Система обмена данными:
1 – основной микроконтроллер;
2 – разъем для подключения плат расширения Arduino;
3 – светодиод цифрового порта №13;
4 – держатель карт памяти типа microSD;
5 – блок драйверов двигателей;
6- порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) «IN1» - «IN4»;
7- порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) «IN5» - «IN8»;
8 - порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) «OUT1» - «OUT4»;
9 - порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) «OUT5» - «OUT8»;
10 – интерфейсная шина IIC (I2C);
11– блок последовательного синхронного интерфейса передачи данных в режиме полного дуплекса (SPI), объединенный с интерфейсом ICSP для внутрисхемного перепрограммирования основного микроконтроллера программаторами ISP;
12, 13– независимые универсальные асинхронные приёмопередатчики («UART1» и «UART2»);
14 – тактовые программируемые кнопки (5 шт.);
15 – универсальная последовательная шина (USB) ;
16 – микросхема FT232, работающая в режиме USB-UART конвертора
17 – светодиоды состояния линий универсального асинхронного приемопередатчика(UART0) ;
18 – мультиплексор линий TX/RX
19 – универсальные асинхронный приёмопередатчик (UART0);
20 – модуль Bluetooth;
21 – светодиод состояния работы модуля Bluetooth;
22 – светодиод индикации питания;
23 – трехцветный (RGB) светодиод общего назначения Система питания:
24 – понижающий стабилизатор постоянного входного напряжения с 6-18В до 5В;
25 – кнопка включения/выключения питания
26 – система автоматического переключения питания между внешним питанием и USB;
27 – понижающий стабилизатор питания с 5В до 3,3В
28 – селектор напряжения для портов «IN1» - «IN4»;
29 – селектор напряжения для портов «OUT1» - «OUT4».
Основной микроконтроллер 1 является ядром многофункционального контроллера и обеспечивает информационный обмен между внешними устройствами и другими компонентами многофункционального контроллера. Питание многофункционального контроллера осуществляется либо от питания USB, либо от внешнего через встроенный понижающий стабилизатор на 5 В. Выбор источника питания осуществляется автоматически системой переключения питания 26. Стабилизированное питание 5В понижается до 3,3В с помощью стабилизатора 27. Селекторы 28 и 29 служат для выбора необходимого напряжения на части портов ввода-вывода общего назначения (6 и 8) Группы портов ввода – вывода общего назначения 6, 7, 8, 9, интерфейсная шина 10 (I2C), блок последовательного синхронного интерфейса 11 передачи данных в режиме полного дуплекса и два независимых универсальный асинхронных приёмопередатчика 12 и 13 используются для подключения внешних устройств, таких как различные электронные модули, сенсоры и исполнительные устройства. К каждой группе портов ввода-вывода и другим внешним интерфейсам подведено питание. Каждая группа портов ввода-вывода (ввод и вывод) поделена пополам (на группы 6 и 7, 8 и 9), при этом селектор напряжения 3.3В/5В установлен только на одной из частей портов как ввода, так и вывода, что обеспечивает возможность одновременно подключать к портам ввода – вывода общего назначения внешние устройства, работающие от разного напряжения. Выходы драйверов двигателей 5 предназначены для подключения к многофункциональному контроллеру до четырех двигателей постоянного тока или до двух шаговых двигателей. Питание драйверов двигателей происходит напрямую от внешнего питания, возможность их питания от USB исключена. Разъем 2 для подключения плат расширения Arduino предназначен для подключения внешних модулей, совместимых с серией контроллеров Arduino. При этом разъем 2 для подключения плат расширения Arduino независим от портов ввода-вывода общего назначения 6, 7, 8, 9 ,интерфейсов 7 (I2C) и 12 и 13 (UART) и может использоваться одновременно с ними. Модуль 20 Bluetooth и универсальная последовательная шина 15 (USB) предназначены для подключения к многофункциональному контроллеру персональных компьютеров, смартфонов и других устройств, работающих под управлением различных операционных систем (например, Windows, Android, Linux и т. д.). Универсальная последовательная шина 15 (USB) взаимодействует с основным микроконтроллером через другой микроконтроллер 16, работающий в режиме USB-UART конвертера (например, на базе микросхемы FT232). Через модуль 20 Bluetooth и универсальную последовательную шину 11 (USB) посредством интерфейса 19 UART0 может осуществляться перепрограммирование основного микроконтроллера. Несмотря на то, что шина USB и модуль Bluetooth обмениваются с основным микроконтроллером через один интерфейс UART, благодаря логическому мультиплексору 18 конфликтов не возникает даже при одновременной работе обоих модулей.
Порты 6-9 ввода – вывода общего назначения суммарно включают:
· 8 стандартных 3-проводных штыревых разъемов стандарта Pitch 2,54 мм, подключенных к 10-битному АЦП.
· 8 стандартных 3-проводных штыревых разъемов вывода стандарта Pitch 2,54 мм для подключения исполнительных устройств. (В их числе 5 с возможностью создания аппаратного ШИМ-сигнала)
Драйверы двигателей, позволяющие подключать до 4 независимых двигателей постоянного тока или 2 шаговых, функционируют при рабочем напряжении от 6 до 23 Вольт с нагрузкой до 1400 мА на каждый канал. Система стабилизации и защита от перепадов напряжения защищают микроконтроллер от перезагрузки.
Сводный список основных характеристик многофункционального контроллера приведен в таблице 1.
Таблица 1.
Основной микроконтроллер | ATmega2560 |
Рабочее напряжение | 5В |
Входное напряжение (рекомендуемое) | 7-12В |
Минимальное входное напряжение | 6В |
Максимальное входное напряжение | не менее 18В |
Цифровые Входы/Выходы | 22 (11 из которых могут работать также как выходы с аппаратным ШИМ 8 бит) |
Аналоговые входы, подключенные к 10-битному АЦП | 14 |
Постоянный ток через один сигнальный канал ввода/вывода | 40 мA |
Суммарный постоянный ток для питания 3.3 В | не менее 700 мА |
Суммарный постоянный ток для питания 5 В | не менее 1,5А |
Флеш-память | 256 KB (из которых 8 КB используются для загрузчика), возможность установки дополнительной памяти через слот MicroSD |
ОЗУ | 8 KB |
Энергонезависимая память | 4 KB |
Тактовая частота | 16 MHz |
Напряжение двигателей (один канал) | 6-23В |
Максимальный ток двигателей (один канал, кратковременно) | 1200 мА |
Номинальный ток двигателей (один канал) | 600 мА |
Количество независимых портов двигателей | 4 |
Связь с компьютером | USB тип B |
Различные интерфейсы | Bluetooth-соединение 2x UART, 2x I2C, 1хSPI |
Индикация | RGB, Светодиоды RX и TX линий, светодиод порта D13, светодиод индикации питания |
Управление | Кнопка питания и 5 тактовых |
Микроконтроллер выполняется на одной печатной плате, размещенной в корпусе. На корпусе размещены отверстия для разъемов. При этом конструкция корпуса выполнена таким образом, что не позволяет подключать в разъемы ввода и вывода внешние устройства из наборов «HUNA-MRT-РОБОТРЕК» неправильно.
Таким образом, предлагаемый микроконтроллер обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками и расширенными функциональными возможностями.
Формула полезной модели
1. Многофункциональный контроллер, состоящий из основного микроконтроллера и подключенных к нему и к понижающим стабилизаторам напряжения на 5В или 3.3Впортов ввода-вывода общего назначения (GPIO), интерфейсной шины IIC (I2C), блока последовательного синхронного интерфейса передачи данных в режиме полного дуплекса (SPI), универсального асинхронного приёмопередатчика (UART0), универсальной последовательной шины (USB), а также тактовых программируемых кнопок, подключенных к основному микроконтроллеру, и блока драйверов двигателя, подключенных к основному микроконтроллеру и источнику внешнего питания, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) разделены на 4 группы, первая «IN1»-«IN4» и третья «OUT1»-«OUT4» группы портов подключены через соответствующие селекторы напряжения к понижающим стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В, , вторая «IN5»-«IN8» и четвертая «OUT5»-«OUT8» группы портов подключены к понижающему стабилизатору на 5В, дополнительно
также введены :
- второй и третий асинхронный приемопередатчики (UART1 и UART2), соединенный соединенные с основным микроконтроллером и стабилизатором напряжения на 5В, введен
- встроенный Bluetooth модуль со светодиодом для беспроводной связи с внешними устройствами, соединенный с основным микроконтроллером через мультиплексор и первый асинхронный приемопередатчик (UART0), введен
- разъем для подключения плат расширения Arduino со светодиодом, подключенный к основному микроконтроллеру и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В, введен
- порт ввода-вывода держателя карт памяти типа microSD для возможности увеличения объема памяти устройства, подключенный к основному микроконтроллеру и стабилизатору напряжения на 3,3В, введена
- схема автоматического переключения питания между внешним питанием и USB, которая подключена к универсальной последовательной шине (USB) и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В.
2.Многофункциональный контроллер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве основного микроконтроллера используется микроконтроллер ATmega2560.
3.Многофункциональный контроллер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве драйверов двигателей используются два четырехканальных драйвера двигателей постоянного тока, что обеспечивает возможность одновременного подключения 4-х независимых двигателей или 2-х шаговых двигателей;
4.Многофункциональный контроллер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве встроенного стабилизатора напряжения используется понижающий преобразователь напряжения с широким диапазоном входного напряжения.
5. Многофункциональный контроллер по п.1. отличающийся тем, что включает светодиод индикации питания, подключенный к микроконтроллеру, и трехцветный (RGB) светодиод, подключенный к микроконтроллеру и стабилизатору питания на 5В.
Реферат
Многофункциональный контроллер широкого применения
Полезная модель относится к многофункциональным контроллерам широкого спектра применения, предназначенным для подключения и управления внешним оборудованием. В качестве внешнего оборудования, в частности, могут выступать различные датчики, платы и модули расширения, электромоторы и т. д. Контроллер может использоваться для построения на его базе роботизированных систем, а также, в образовательных целях, в качестве материнской платы в электронных конструкторах. В многофункциональный контроллере порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) разделены на 4 группы, первая «IN1»-«IN4» и третья «OUT1»-«OUT4» группы портов подключены через соответствующие селекторы напряжения к понижающим стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В, вторая «IN5»-«IN8» и четвертая «OUT5»-«OUT8» группы портов подключены к понижающему стабилизатору на 5В. Дополнительно введены второй и третий асинхронный приемопередатчики (UART1 и UART2), соединенные с основным микроконтроллером и стабилизатором напряжения на 5В, введен встроенный Bluetooth модуль со светодиодом для беспроводной связи с внешними устройствами, соединенный с основным микроконтроллером через мультиплексор и первый асинхронный приемопередатчик (UART0), введен разъем для подключения плат расширения Arduino со светодиодом, подключенный к основному микроконтроллеру и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В, введен порт ввода-вывода держателя карт памяти типа microSD для возможности увеличения объема памяти устройства, подключенный к основному микроконтроллеру и стабилизатору напряжения на 3,3В, введена схема автоматического переключения питания между внешним питанием и USB, которая подключена к универсальной последовательной шине (USB) и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей микроконтроллера и улучшении его эксплуатационных характеристик.
Технический результат достигается за счет того, что многофункциональный контроллер, предлагается дополнить встроенным модулем Bluetooth для беспроводной связи с внешними устройствами. Также предлагается ввести в микроконтроллер разъем для подключения плат расширения Arduino и держатель карт памяти типа microSD для возможности увеличения объема памяти устройства..
