Moduł multiIO dla RPI Zero

Wtorek, 01 Marzec 2022

Moduł rozszerza możliwości komputerka Raspberry Pi Zero o osiem dowolnie konfigurowalnych wyprowadzeń. Mogą działać jako standardowe GPIO lub jako wejścia ADC albo wyjścia DAC. Będzie szczególnie przydatny przy realizacji domowej automatyki oraz aplikacji sterujących zawierających również inne SBC niż RPi.

Podstawowe parametry:

osiem dowolnie konfigurowalnych wyprowadzeń,
wyprowadzenia mogą działać jako standardowe GPIO lub jako wejścia ADC albo wyjścia DAC,
ADC oraz DAC o rozdzielczości 12 bitów,
wbudowanie źródło napięcia odniesienia,
wyprowadzenia cyfrowe mogą pracować w konfiguracji otwarty dren (OD), przeciwsobnej push-pull (PP) oraz trójstanowej (tristate).

Moduł bazuje na układzie Analog Devices typu AD5593R, którego struktura wewnętrzna została pokazana na rysunku 1. Układ umożliwia tworzenie ośmiokanałowych ekspanderów GPIO realizujących zarówno funkcje cyfrowe, jak i analogowe. Wyprowadzenia cyfrowe mogą pracować w konfiguracji otwarty dren (OD), przeciwsobnej push-pull (PP) oraz trójstanowej (tristate). Wyprowadzenia analogowe mogą pełnić funkcję przetwornika ADC/DAC o rozdzielczości 12 bitów. Aplikację układu ułatwia wbudowanie źródło napięcia odniesienia, konfigurowane rezystory pull-down oraz programowany zakres napięć ADC/DAC 0...Vref/0...2×Vref. W strukturze dostępny jest też czujnik temperatury.

Rysunek 1. Struktura wewnętrzna układu AD5593R

Budowa i działanie

Schemat ideowy układu został pokazany na rysunku 2. Moduł jest zgodny z Raspberry Pi Zero (HAT 40 PIN), zawiera układ U3 typu AD5593R, układ resetu MCP100T (U2) oraz niskoszumowy stabilizator U1 typu ADM7160. Całość zasilana jest napięciem 5 V z RPI. Sygnały GPIO wraz z zasilaniem doprowadzone są do złączy IO01...IO67 zgodnych ze standardem Grove. Złącze I2C umożliwia wyprowadzenie magistrali I2C do innych współpracujących modułów (standard 3,3 V).

Rysunek 2. Schemat ideowy układu

Montaż i uruchomienie

Moduł został zmontowany na dwustronnej płytce drukowanej, której schemat pokazuje rysunek 3. Sposób montażu jest klasyczny i nie wymaga opisu. Prawidłowo zmontowany nie wymaga uruchomienia.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB

Dla wstępnego sprawdzenia działania konieczna jest instalacja narzędzi magistrali I2C. Należy wpisać w konsoli następujące polecenia:

sudo apt-get install python-smbus
sudo apt-get install i2c-tools

Po instalacji i restarcie RPI należy sprawdzić obecność AD5593R poleceniem:

i2cdetect -y 1

Efekt powinien być podobny do tego pokazanego na rysunku 4. Układ powinien pojawić się pod adresem 0x11.

Rysunek 4. Układ AD5593R wykryty przy użyciu i2ctools

Wszystkie funkcje AD5593R definiowane są programowo poprzez odpowiedni zapis rejestrów konfiguracyjnych/danych. Zapis do układu wymaga zgodnie z rysunkiem 5 przesłania 4 bajtów informacji. W zależności od wartości wskaźnika (Pointer Byte, drugi wysyłany bajt) możliwe jest zapisywanie do rejestrów danych lub konfiguracji – tabele 1 i 2.