Модуль расширения портов с интерфейсом 1-wire (сделано в Украине)

Модули расширения портов или АЦП обычно управляются по интерфейсу I2C, который является внутрисхемным и не гарантирует работу на расстояниях больше единиц метров, интерфейс данного модуля рассчитан на расстояния до 100 метров. Модуль имеет 5 портов ввода/вывода общего назначения, из которых 4 имеют дополнительную функцию АЦП, 1 - дополнительную функцию ШИМ, 3 - дополнительную функцию SPI (конвертер 1-wire в SPI-master). Модуль можно использовать одновременно для чтения датчиков, управления нагрузкой, как охранную/пожарную сигнализацию, для взаимодействия с другим микроконтроллером, и даже для его перепрошивки.

Характеристики:

• Напряжение шины 1-wire: от 3.0 до 5.5В
• Собственное потребление: менее 1мА
• Паразитное питание: да
• Питание для подключаемых устройств: до 150мА
• Количество GPIO: 5шт
• Режимы GPIO: input, input_pullup, low, high
• Отслеживание состояния GPIO: да, установка тревоги
• Детектируемый импульс: не менее 50мкс
• Количество каналов АЦП: 4шт
• Точность АЦП: 1-16бит (до 12 эффективных)
• Опорное напряжение АЦП: VCC или внутреннее 1.1В
• Время АЦП преобразования: макс. 5.2мс (4 канала, 16бит)
• Сравнение АЦП с порогами: да, установка тревоги
• Количество каналов ШИМ: 1шт (8бит, ~1.5кГц)
• Параметры SPI: режимы 0,1,2,3, частота не более 20кГц

У модуля есть встроенная функция сравнения результата АЦП с верхним и нижним порогами, индивидуальными для каждого из 4 каналов АЦП, и установки флагов тревоги при выходе АЦП за диапазон, что позволяет снизить нагрузку на центральный контроллер, читая и обрабатывая результаты АЦП только с модулей с активированной тревогой. Аналогично модуль может непрерывно мониторить все свои порты и устанавливать флаги тревоги при (даже кратковременном) появлении заданного логического уровня, что позволяет не пропустить сигнал с охранного датчика или сигнал прерывания. В примерах к библиотеке есть готовые скетчи охранной сигнализации и мониторинга аналогового сигнала в пределах диапазона, которые можно использовать, в том числе, и со множеством модулей на одной шине, не теряя производительности.

К модулю можно подключать:

• датчики с логическим выходом (датчики движения, открытия двери, вибрации, протечки)
• датчики с аналоговым выходом или резистивные (термистор, датчик влажности, давления, освещенности, влажности почвы, сенсоры дыма/газов)
• транзисторные/симисторные ключи, твердотельные реле

Результат res = pex.analogRead(); при чтении аналогового значения с модуля находится в диапазоне 0..65535 (16бит) независимо от запрошенной точности, для приведения его к общепринятому диапазону 0..1023 (10бит) необходимо выполнить res >>= (16-10);.

Функция конвертера 1-wire в SPI-master переводит порты P2, P3, P4 в режим SCK, MOSI, MISO соответственно, а оставшиеся два порта P0, P1 сохраняют свои основные и дополнительные функции, один из них понадобится для сигнала SS (Slave Select), а другой можно использовать для GPIO, АЦП, ШИМ, чтения прерывания или как SS для еще одного SPI устройства. Функция создает туннель для протокола SPI поверх протокола 1-wire, что увеличивает дальность подключения и сокращает число проводов, но ценой снижения скорости обмена. Функция позволяет подключать датчики или исполнительные устройства с интерфейсом SPI, в том числе разработанные самостоятельно на микроконтроллере. При использовании AVR (установлен на большинстве плат Arduino) в качестве такого микроконтроллера, его можно даже перепрошивать по 1-wire (скорость прошивки ~140 байт/с).

Для реализации такой возможности порты P0..P4 модуля подключаются к портам Arduino: RST, SS, SCK, MOSI, MISO соответственно (P0 будет для перевода микроконтроллера в режим внутрисхемного программирования (ISP), а P1 - для взаимодействия с программой на микроконтроллере). В примерах есть скетч ArduinoOWISP, который превращает одну Arduino в полноценный программатор другой Arduino по 1-wire.

Обратите внимание, что при паразитном питании ток ограничен всего несколькими мА на всю шину 1-wire, при большом потреблении подключаемых датчиков и/или исполнительных устройств потребуется подключение линии VCC. Суммарный ток подключаемых к одному модулю устройств не должен превышать 150мА.

Настройка Raspberry Pi

В файле /boot/config.txt добавить строку:

dtoverlay=w1-gpio,gpiopin=4

В командной строке выполнить:

sudo apt-get update -y
sudo apt-get install -y owfs ow-shell

В файле /etc/owfs.conf добавить строку:

server: w1

Перезагрузить:

sudo reboot

Команда для просмотра идентификаторов всех найденных 1-wire устройств:

owdir /uncached

(идентификаторы модулей расширения портов начинаются на "20.")

Команда для запуска АЦП и чтения результатов с устройства 20.xxxxxxxxxxxx:

owget /uncached/20.xxxxxxxxxxxx/volt.ALL ;echo

Для управления устройством через веб-интерфейс открыть в браузере:

http://honey.com.ua/io/adc/control.htm

В поле "owhttpd address:port" ввести "127.0.0.1:2121" (127.0.0.1 заменить на IP-адрес Raspberry Pi) и нажать "Ok", в появившемся списке выбрать необходимый идентификатор модуля расширения портов.

Пример скетча для Arduino

#include < DS2450.h >
OneWire ow(10); // DQ на пине 10, также необходим резистор 1кОм между DQ и VCC
DS2450 pex(&ow);

void setup(void) {
  Serial.begin(9600);
}

void loop(void) {
  byte i, addr[8];

  if (!ow.search(addr)) {
    Serial.println("No more addresses.");
    ow.reset_search();
    delay(5000);
    return;
  }

  Serial.print("ROM =");
  for (i = 0; i < 8; i++) {
    Serial.write(' ');
    Serial.print(addr[i], HEX);
  }
  Serial.println();

  if (addr[0] == 0x20) { // код семейства расширителей портов
    double a, rh;
    // датчик влажности HIH-4031 подключен к GND,VCC,P0
    a = pex.analogRead(addr, 0) / 65536.0;
    rh = round((a*5 - 0.879323) / 0.030249567 * 100) / 100.0;
    Serial.print(" RH = ");
    Serial.print(rh);
    Serial.println("%");
  }
}

Ссылки:

• Руководство пользователя
• Библиотека для Arduino с примерами скетчей
• Драйвер для Linux
• Статья о подключении и использовании 1-wire
• Статья об управлении мощной нагрузкой
• Пример использования