RU199632U1

RU199632U1 - Многофункциональный контроллер широкого применения

Info

Publication number: RU199632U1
Application number: RU2020124173U
Authority: RU
Inventors: Надежда Евгеньевна Бабенкова; Дмитрий Владимирович Устинский; Дмитрий Олегович Старов; Артем Сергеевич Поляков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Брейн Девелопмент"
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2020-09-10

Abstract

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.Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей микроконтроллера и улучшении его эксплуатационных характеристик.Технический результат достигается за счет того, что в многофункциональном контроллере предлагается в качестве основного микроконтроллера применить 32-битный чип STM32f407vgt6, а также ввести переключатель режимов BOOT: RUN, DFU, подключенный с одной стороны к основному микроконтроллеру, а с другой - к порту USB через схему защиты контроллера от перепадов напряжения на порту USB.

Description

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».

Например, известны следующие широко применяемые контроллеры:

контроллер Arduino Mega (Радио-точка [сайт]. URL: http://9v.ru/shop/arduino/kontrollers/kontroller-arduino-mega-2560-bez-kabelja/),

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),

-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),

контроллер Romeo V2-All in one Controller от DFRobot (DFRobot. Drive the future [сайт]. URL: http://www.dfrobot.com/wiki/index.php/Romeo_V2-All_in_one_Controller_(R3)_(SKU:DFR0225),

контроллер «Стрела» (Амперка [сайт]. URL: http://wiki.amperka.ru/продукты:strela).

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.

Постоянно ведутся разработки по совершенствованию данных устройств, поcкольку они широко применяются в настоящий момент. Известен ряд подобных устройств, описанных в патентной литературе.

Например, в заявке US 2011224828 описана «Платформа для разработки роботизированных систем». В заявке идет речь о единой системе для разработки роботизированных и других киберфизических систем. Единая система включает в себя платформу, которая может обрабатывать информацию, поступающую с датчиков, сенсоров и других модулей. Платформа совместима с множеством существующих систем. Различные модули разработаны для выполнения отдельных задач, которые обычно используются в робототехнике, такие как движение моторов или чтение и контролирование сенсоров. Модули взаимодействуют друг с другом и с другими устройствами, такими как компьютеры и модулями, построенными пользователями путем использования стандартного и распространённого протокола коммуникации.

В международной заявке WO 2020028750 описано аппаратное расширения для контроллера. Доступное для пользователей расширение аппаратного обеспечения для контроллера, которое позволяет пользователям управлять контроллером, используя любую совместимую платформу ввода посредством микроконтроллера. Контроллер может быть от фирмы KUKA, такой как контроллер KRC4 4-го поколения, который также может быть известен как “подвесной пульт обучения”. Расширения аппаратного обеспечения могут быть использованы для активации заранее запрограммированных движений робота, которого контролируют через контроллер.

Наиболее близким устройством к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков является полезная модель РФ 160905 «МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ШИРОКОГО ПРИМЕНЕНИЯ», которая выбрана в качестве прототипа. Известный многофункциональный контроллер состоит из основного микроконтроллера и подключенных к нему и к стабилизаторам напряжения на 5 В и 3,3 В 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, причем порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) разделены на 4 группы, первую «IN1»-«IN4» и третью «OUT1»-«OUT4» группы портов, которые подключены через соответствующие селекторы напряжения к понижающим стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В, вторую «IN5»-«IN8» и четвертую «OUT5»-«OUT8» группы портов, которые подключены к понижающему стабилизатору на 5В.

Недостатки прототипа:

недостаточная мощность и производительность,

невозможность программировать контроллер без использования компилятора,

нет переключателя режимов работы контроллера, что не позволяет прошивать его из визуальной среды на языке С++ и программной среды на языке Phyton,

электронные компоненты расположены на обеих сторонах печатной платы, что понижает надежность работы контроллера,

нет разъема для прошивки Bluetooth модуля, что усложняет контроллер, так как требует включение в его схему интерпретатор UART порта.

Задачей полезной модели является разработка многофункционального контроллера широкого применения, базирующегося на микроконтроллере STM32F407 от STMicroelectronics и отличающегося повышенной мощностью и производительностью, а также 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:

портов ввода-вывода общего назначения (GPIO), разделенных 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,

интерфейсной шины IIC (I2C), блока последовательного синхронного интерфейса передачи данных в режиме полного дуплекса (SPI), 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,

асинхронных приемопередатчиков (UART1 и UART2), соединенных с основным микроконтроллером и стабилизатором напряжения на 5В,

встроенного Bluetooth модуля со светодиодом для беспроводной связи с внешними устройствами, соединенного с основным микроконтроллером,

разъема для подключения плат расширения Arduino со светодиодом, подключенного к основному микроконтроллеру и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В,

порта ввода-вывода держателя карт памяти типа microSD для возможности увеличения объема памяти устройства, подключенного к основному микроконтроллеру и стабилизатору напряжения на 3,3В,

схемы автоматического переключения питания между внешним питанием и USB, которая подключена к универсальной последовательной шине (USB) и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В,

предлагается в качестве основного микроконтроллера применить 32-битный чип STM32f407vgt6, а также ввести переключатель режимов BOOT: RUN, DFU, подключенный с одной стороны к основному микроконтроллеру, а с другой - к порту USB через схему защиты контроллера от перепадов напряжения на порту USB.

Дополнительным отличием предлагаемого многофункционального контроллера является то, он выполнен на печатной плате, причем все электронные компоненты размещены на одной стороне этой печатной платы.

Предлагаемый многофункциональный контроллер представляет собой электронное устройство с возможностью многократного перепрограммирования в двух программных средах (Phyton и С++).

Контроллер является основным элементом робототехнического конструктора. В его задачи входит:

сбор и оцифровка сигналов с внешних цифровых и аналоговых датчиков;

обработка сигналов в соответствии с пользовательской программой (пользователь может самостоятельно запрограммировать плату);

управление внешними цифровыми и аналоговыми исполнительными устройствами.

коммуникация с другими устройствами по беспроводным и проводным цифровым каналам связи (датчики, моторы и т.д.);

управление 4-мя моторами постоянного тока различного типа от 6 до 12В.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется следующими рисунками.

На фиг.1 приведена структурная схема многофункционального контроллера. На фиг. 2 приведена печатная схема контроллера.

Условные обозначения на фиг.1:

черные линии - шины обмена данными;

красные линии - стабилизированное питание 5В;

зеленые линии - стабилизированное питание 3,3В;

фиолетовые линии - стабилизированное питание 5В или 3,3В в зависимости от состояния селекторов;

синие линии - нестабилизированное питание 6-18В.

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 приемопередатчики («UART1» и «UART2»);

14 - тактовые программируемые кнопки (5 шт.);

15 - универсальная последовательная шина (USB) ;

16 - схема защиты контроллера от перепадов напряжения на порту USB

17 - переключатель режимов обращения к контроллеру BOOT: RUN, DFU

18 - модуль Bluetooth;

19 - светодиод состояния работы модуля Bluetooth;

20 - светодиод индикации питания;

21 - трехцветный (RGB) светодиод.

Система питания:

22 - понижающий стабилизатор постоянного входного напряжения с 6-18В до 5В;

23 - кнопка включения/выключения питания

24 - система автоматического переключения питания между внешним питанием и USB;

25 - понижающий стабилизатор питания с 5В до 3,3В

26 - селектор напряжения для портов «IN1» - «IN4»;

27 - 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 5В. Выбор источника питания осуществляется системой 24 автоматического переключения питания. Стабилизированное питание 5В снижается до 3,3В с помощью понижающего стабилизатора 25. Селекторы 26 и 27 служат для выбора необходимого напряжения на части портов ввода-вывода общего назначения (6 и 8). Группы портов 6, 7, 8, 9 ввода - вывода общего назначения, интерфейсная шина 10 (I2C), блок 11 последовательного синхронного интерфейса передачи данных в режиме полного дуплекса и два независимых универсальных 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 блока 5 драйверов двигателей предназначены для подключения к многофункциональному контроллеру (до четырех двигателей постоянного тока или до двухшаговых 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 6, 7, 8, 9 ввода-вывода общего назначения, интерфейсов 7 (I2C), 12, 13 (UART) и может использоваться одновременно с ними. Модуль 18 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 схему 16 защиты от перепадов напряжения и переключатель 17 режимов обращения к контроллеру BOOT: RUN, DFU. Переключатель 17 BOOT: RUN, DFU позволяет обращаться к микроконтроллеру в режиме полной прошивки нижнего уровня (BOOT), как в режиме изменения части прошивки нижнего уровня (DFU), так и в режиме сохранения измененной части прошивки нижнего уровня (RUN). Через модуль 18 Bluetooth можно управлять работой портов микроконтроллера.

Порты 6-9 ввода - вывода общего назначения суммарно включают:

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 23В с нагрузкой до 1400 мА на каждый канал. Система стабилизации и защита от перепадов напряжения защищают микроконтроллер от перезагрузки.

Ниже приведена сравнительная таблица технических характеристик прототипа и предлагаемого контроллера.

Таблица 1

	Прототип Трекдуино	МФК PLUMPX32
Основной микроконтроллер	ATmega2560	Cortex-M4F
Рабочее напряжение	5В	1.8-3.6В
Флеш-память	256 КВ (из которых 8 КВ используется для загрузчика), возможность установки дополнительной памяти через слот Micro SD	1 Мбайт, возможность установки дополнительной памяти через слот Micro SD
ОЗУ	8 KB	196 Кбайт
Связь с компьютером	USB тип В	USB или Bluetooth
Частота	16 MHz	до 168 МГц
Цифровые Входы/Выходы	22 (11 из которых могут работать так же, как выходы с аппаратным ШИМ 8 бит)	Выведенные для удобного подключения 8х портов ввода с подведенным питанием (GND-Vin-S), все с цифроаналоговым преобразователем, 1-4 с прерываниями, выбираемое напряжение питания 5V/3V. Выведенные для удобного подключения 8х портов вывода с подведенным питанием, 1-4 с аппаратным ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) сигнала для управления микросхемами сторонних устройств, выбираемое напряжение питания 5V/3V. Выведенные 4x порта для подключения двигателей постоянного тока на 2x L293 драйверах с защитой по току. Управление, каждым из каналов которых осуществляется через 2 порта вывода для выбора направления вращения и торможения, а также через дополнительный порт с ШИМ-сигналом для управления скоростью вращения.
Различные интерфейсы	Bluetooth-соединение 2x UART, 2x 12C, 1xSPI	Стандартный интерфейс Arduino UNO R3, не зависимый от остальных портов ввода-вывода, позволяет подключать любые шилды и библиотеки для Arduino. Дополнительно увеличивает место для подключения внешних устройств на 24x порта ввода-вывода. 4x USART, 2x UART: 10.5 МБит/с, интерфейс ISO 7816, LIN, IrDA, modem control 3x I2C с поддержкой SMBus/PMBus 3x SPI (37.5 МБит/с), 2 из них с мультиплексированными полнодуплексными I2S для качественной передачи звука 1хSPI Интерфейс для прошивки и настройки Bluetooth
Индикация	RGB, Светодиоды RX и TX линий, светодиод порта D13, светодиод индикация питания	Трехцветный светодиод, который возможно программно зажигать любым из ~16 миллионов оттенков. Он позволит реализовать визуальную индикацию любых событий или параметров, светодиод порта D13, 2 светодиода индикации питания, светодиод индикации перегрузки
Энергонезависимая память	4 КВ	4 Кбайт backup SRAM (аналог EEPROM)

Из таблицы видно, что основной управляющий чип нового контроллера потребляет в 1,5-2 раза меньше напряжения в рабочем состоянии, имеет в 4 раза больше постоянной памяти, в 24 раза больше оперативной памяти, в 10 раз быстрее частота работы по сравнению с предыдущим прототипом Трекдуино. Многофункциональный контроллер позволяет работать не только по проводному каналу связи (USB), но и по беспроводному (Bluetooth), имеет больше интерфейсов подключения с большей пропускной способностью, наличием индикации о перегрузки контроллера (короткое замыкание), а также индикация стабилизированного напряжения в 5V на плате. В МФК PlumPX32 энергонезависимая память может использоваться в качестве сохранения резервной копии прошивки.

Микроконтроллер выполняется на одной печатной плате, размещенной в корпусе. Причем все электронные компоненты размещены с одной стороны печатной платы. 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.

Claims

1. Многофункциональный контроллер, состоящий из основного микроконтроллера и подключенных к нему:

отличающийся тем, что в качестве основного микроконтроллера применен 32-битный чип STM32f407vgt6, а также введен переключатель режимов BOOT: RUN, DFU, подключенный с одной стороны к основному микроконтроллеру, а с другой - к порту USB через схему защиты контроллера от перепадов напряжения на порту USB.

2. Многофункциональный контроллер по п.1, отличающийся тем, что он выполнен на печатной плате, причем все электронные компоненты размещены на одной стороне этой печатной платы.