Płytka rozszerzeń do Nucleo-64

Płytka jest tak skonstruowana, aby można było osadzić w jej złączach dowolną płytkę Nucleo-64. Służą do tego dwa 38-stykowe gniazda, do których należy wsunąć złącza Nucleo nazwane w dokumentacji ST morpho connectors. Dają one dostęp do praktycznie wszystkich portów kontrolera oraz kilku dodatkowych wyprowadzeń, w tym do napięć zasilania.

Budowa i działanie

Pierwsze ulepszenie polega na umieszczeniu na płytce rozszerzeń dodatkowych styków. Są one połączone równolegle z wszystkimi wyprowadzeniami gniazd morpho. Dzięki temu bez problemu do jednego portu można podłączyć 2 różne przewody zakończone wtykami.

Drugie rozszerzenie polega na umieszczeniu gniazd do podłączenia zewnętrznego zasilania. W trybie programowania i debugowania płytki Nucleo można zasilać poprzez gniazdo USB zintegrowanego programatora, oznaczone na płytce ewaluacyjnej jako CN1. Napięcie pobierane z portu USB komputera ma wartość +5 V i prąd ograniczony wydajnością portu zwykle do 300...500 mA.

Płytki Nucleo można także zasilać z dodatkowego źródła podłączanego do wyprowadzenia oznaczonego jako VIN. Wejście to zasila Nucleo niezależnie od połączenia z portem USB. Zamontowane na płytce rozszerzeń gniada mini-USB (J1) i kostka zaciskowa (J2) dostarczają z zewnętrznego zasilacza napięcie do wyprowadzenia VIN. Diody D1 i D2 stanowią zabezpieczenie przed podaniem na gniazda napięcia o błędnej polaryzacji. Wartość napięcia powinna mieścić się w przedziale 7…12 V, a maksymalny prąd może wynieść do 800 mA. Korzystając z zewnętrznego zasilania należy przestawić zworkę JP5 na płytce Nucleo z pozycji U5V na E5V.

Mikrokontrolery Atmel używane w płytkach Arduino są wyposażone w wewnętrzną pamięć nieulotną typu EEPROM. Często jest ona wykorzystywana do przechowywania nastaw programu lub danych, które nie powinny zostać tracone podczas wyłączenia zasilania. Większość kontrolerów ST nie posiada takiej przydatnej pamięci. Sposoby polegające na wykorzystaniu w tym celu wewnętrznej pamięci FLASH, nie są zbyt wygodne. Z tego powodu na płytce rozszerzeń znalazło się miejsce na kostkę pamięci EEPROM z interfejsem I2C. Jej linie SDA i SCL połączone są z portami kontrolera mogącymi pełnić rolę wyprowadzeń sprzętowego interfejsu I2C. Najczęściej są to porty PB8 i PB9, które na płytkach Nucleo wyprowadzone są zawsze na te same złącza morpho. Jako pamięć EEPROM można zastosować dowolny układ w obudowie SO8. Do zasilania pamięci wykorzystano napięcie 3,3 V. Oprócz pamięci na płytce znalazły się rezystory R3, R4, podciągające linie SDA i SCL do poziomu zasilania.

Zwarcie zwór SJ1 i SJ2 dołącza wyprowadzenia pamięci do portów kontrolera. Jeżeli porty miały by być użyte w innej roli, wystarczy usunąć zwory odłączając tym samym linie SDA i SCL EEPROM-u.

Na płytce rozszerzeń można zamontować baterię 3 V podtrzymującą działanie zegara czasu rzeczywistego RTC w kontrolerze. Bateria poprzez zworę SJ3 łączy się z wyprowadzeniem VBAT kontrolera. Tym samym będzie podtrzymywana, także zawartość pewnej liczby wewnętrznych rejestrów RAM. Oprogramowanie może je wykorzystywać jako podręczną pamięć dla kluczowych ustawień odtwarzanych po przywróceniu normalnego zasilania. Jeżeli bateria będzie zamontowana, trzeba pamiętać o rozlutowaniu zwory SB45 znajdującej się na spodniej stronie płytki Nucleo. Jest to połączenie wyprowadzenia VBAT z zasilaniem VCC kontrolera.

Niektóre z kontrolerów zamontowanych na płytkach Nucleo, producent wyposażył w wewnętrzny interfejs USB-OTG-FS. Są to między innymi płytki -F401RE, -F411RE, -F446RE, -L476RG. Pozwalają one na bezpośrednie podłączenie pendrive, który może być użyty jako zewnętrzny dysk do przechowywania dużych ilości danych w formie plików. Na płytce rozszerzeń jest miejsce na wlutowanie gniazda typu USB-A oznaczonego jako X1 za pośrednictwem którego można do kontrolera podłączyć taką pamięć masową USB.

Montaż i uruchomienie

Na rysunku 1 został pokazany kompletny schemat ideowy płytki rozszerzeń. Do podłączenia Nucleo służą 2 dwurzędowe złącza SV2 i SV3. Używając gniazd 40 stykowych, dwa ostatnie styki w każdym złączu od strony krawędzi pozostaną nie podłączone. Ponieważ otwory pod styki gniazd mają spory luz a ich pozycjonowanie ma niewielką tolerancję, najlepiej podczas montażu pomóc sobie płytką Nucleo. Wciskamy złącza na jej styki, przykładamy płytkę rozszerzeń i lutujemy wyprowadzenia złącz do płytki.

Rysunek 1. Schemat ideowy płytki A-PT2

Miejsca pod złącza JP1 i JP2 mają tylko charakter pomocniczy. Pozostałych elementów, takich jak dodatkowe styki, baterię, gniazdo USB-OTG można nie montować, jeżeli nie planujemy ich użycia. Wydaje się, że zawsze warto wlutować złącza do zewnętrznego zasilania J1 i J2 wraz z diodami zabezpieczającymi D1, D2. Często przydaje się także EEPROM, którego wyprowadzenia w razie potrzeby można odłączyć od portów rozlutowując zwory SJ1 i SJ2. Na koniec od dołu płytki umieszczamy nóżki samoprzylepne, które zapobiegną przesuwaniu się płytki i przypadkowym zwarciom.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB wraz z rozmieszczeniem elementów

Fotografia 1. Płytka rozszerzeń z zamontowaną płytką Nucleo

Nowe, nie wyrobione złącza SV2 i SV3 będą stawiały spory opór podczas osadzania i wyjmowania płytki Nucleo. Dlatego należy robić to ostrożnie i stopniowo. Należy unikać wyginania płytki Nucleo od strony programatora ponieważ na skutek fabrycznych nacięć może się odłamać. Osadzając płytkę Nucleo w gniazdach płytki rozszerzeń najlepiej naciskać z góry w miejscach grzebieni jej styków. Przy wyjmowaniu podważamy płytkę od dołu przy krańcach gniazd płytki rozszerzeń.

Ryszard Szymaniak
biuro@ars.info.pl