Koncentrator czujników cyfrowych Grove

Koncentrator zrealizowany jest w oparciu na układzie programowalnego ekspandera GPIO typu MCP23008, za pomocą którego możemy monitorować lub sterować poprzez magistralę I²C nawet ośmioma dodatkowymi liniami GPIO. Ekspander ma trzy wyprowadzenia A0, A1 i A2 ustalające adres, dzięki czemu umożliwia podłączenie do 8 koncentratorów na jednej magistrali I²C oraz rozszerzenie zestawu linii GPIO o maksymalnie 64 dodatkowe wyprowadzenia. Schemat koncentratora pokazano na rysunkach 1a i 1b.

Rysunek 1a. Schemat ideowy koncentratora

Rysunek 1b. Schemat ideowy koncentratora

Sygnały GPIO doprowadzone są do 8 złączy I0...I7 w standardzie Grove oraz do gniazd w standardzie Arduino Sensor S0, S4. Każde z gniazd ma podłączone zasilanie (GND, VCC), a  wszystkie linie GPIO wyposażone zostały w rezystory pull-down R4...R11, ustalające stan niewykorzystanych w aplikacji wyprowadzeń. Bufory U3...U6 sterują diodami LD0...LD7 sygnalizującymi fizyczne stany wyprowadzeń linii GPIO, co okazuje się bardzo przydatne podczas uruchamiania układu. Przełączniki SW03, SW47 umożliwiają zmostkowanie sygnałów ze złączy I0/I1, I2/I3, I4/I5, I6/I7, co okazuje się przydatne w przypadku czujników lub elementów wykonawczych korzystających z obu sygnałów GPIO złącza Grove, bez konieczności używania nietypowych przewodów. W tym przypadku do podłączenia modułów stosowane są odpowiednio złącza I0, I2, I4, I6. Normalnie przełączniki powinny znajdować się w pozycji OFF, wtedy każde z wyprowadzeń GPIO doprowadzone jest tylko do jednego złącza Grove. Rezystory RP1,2 separują U1 od złączy i zapobiegają jego ewentualnemu uszkodzeniu w wyniku błędnych połączeń lub konfiguracji. Układ U2 zapewnia poprawny reset U1 po włączeniu zasilania. Magistrala I²C wraz z zasilaniem doprowadzona jest do złączy I²CA/B, umieszczonych przelotowo, co ułatwia kaskadowe łączenie kilku koncentratorów. Dodajmy, że układ działa poprawnie w zakresie napięcia zasilania 3,3…5,5 V. Dioda LD8 sygnalizuje obecność zasilania.

Grove_SensorHUB zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej mechanicznie zgodnej ze standardem Grove – rozmieszczenie elementów zaprezentowano na rysunkach 2 a i 2b. Montaż jest typowy i nie wymaga szczegółowego opisu, a sam układ nie narzuca konieczności specjalnego uruchamiania – należy tylko ustalić położenie zwór adresowych. Adres bazowy koncentratora to 0x20, gdy wszystkie zwory są zalutowane w położeniach „0”. Gotowy układ pokazuje fotografia tytułowa.

Rysunek 2. Rozmieszczenie elementów

Sprawdzenie działania koncentratora najłatwiej wykonać za pomocą Raspberry Pi. Po podłączeniu do magistrali I²C, poleceniem i2cdetect –y 1 sprawdzamy obecność układu na magistrali, zgodnie z rysunkiem 3.

Rysunek 3. Detekcja koncentratora na magistrali I²C

Konfiguracja GPIO MCP23008 ustalana jest w rejestrach wewnętrznych. Do obsługi GPIO wystarcza konfiguracja trzech rejestrów:

• IODIR – 0x00 (ustala kierunek GPIO: 0 – wyjście, 1 – wejście),
• IOPOL – 0x01 (neguje stan pinu wejściowego GPIO: 0 – proste, 1 – negowane),
• GPPU – 0x06 (aktywuje rezystory pull-up GPIO: 0 – wyłączone, 1 – załączone).

W przypadku aktywacji rezystorów pull-up, wyprowadzenie podciągnięte zostaje poprzez rezystor wbudowany w U1 do napięcia VCC, co sygnalizowane jest w module poprzez zaświecenie odpowiadającej diody GPIO – należy o tym pamiętać.

Stan linii wejścia/wyjścia odczytywany jest z rejestru GPIO – 0x09, a zmiana stanu wyjść odbywa się poprzez rejestr OLAT – 0x0A.

Przykładowo: konfigurujemy GPIO0...3 jako wejścia, a GPIO4...7 jako wyjścia.

Po zmianie stanu wyprowadzeń 0...3 (poprzez połączenie ich do masy lub zasilania) możemy odczytać stan linii GPIO poleceniem:

Stan wyjść ustawiamy z użyciem komendy:

Jeżeli wszystko działa poprawnie, moduł można zastosować we własnej aplikacji. W przypadku kaskadowego łączenia koncentratorów, szczególnie przy dłuższych połączeniach, należy zwrócić uwagę na pojemności rozproszone, zdolne zakłócić działanie magistrali – w takich przypadkach rekomendowane jest zastosowanie buforów I²C np. na bazie układu TCA9511.

Adam Tatuś, EP