ARDUINO
I/O Expansion Shield V5

ultimo aggiornamento 14 gennaio 2012


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La scheda di espansione DFRobot I/O Expansion Shield V5 è la versione aggiornata della V4. Questa nuova versione ora supporta il modulo Xbee.
Supporta anche la scheda di memoria SD che consente l'espansione finale delle funzioni di Arduino. Come il suo predecessore, supporta RS485, APC220, comunicazione Bluetooth, controllo servo.

Specifiche

  • Supporto RS485

  • Supporto Xbee (Xbee pro)

  • Supporto  Bluetooth

  • Supporto APC220

  • Supporto SD card lettura / scrittura

 

homotix

PCBONLINE

DFR0088_arduino.jpg DFR0088_arduino_xbee.jpg

Dall’analisi dello schema generale possiamo identificare varie parti che analizzeremo singolarmente. La sezione dedicata all’interfaccia con il modulo XBee, la sezione alimentazione per modulo XBee e l’interfaccia RS485.    Passiamo così all'analisi delle singole parti del circuito.

Schema generale della I/O Expansion Shield V5

Sigla Valore

C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7, C8,C9,C11,C12  

100nF

C10  

4,7uF

R1,R9  

10 kΏ

R2  

4.7 kΏ

R3,R4  

2.2 kΏ

R5,R6  

 10 Ώ

R7  

 120 Ώ

R8,R11,R12

 1 kΏ

R10

 15 kΏ

IC1

 Integrato SP485CN

IC3

 Integrato regolatore CX1117-3.3

D1

 Diodo tipo SS14

L

 Led SMD 0603 - Verde

ASSOC

 Led SMD 0603 - Rosso

TR1

 Transistor NPN 9013

JP1,JP2,JP3 

 Jumper 3 pin

DIGITAL_0_7

 Connettore maschio/femmina 1x8

DIGITAL_8_13

 Connettore maschio/femmina 1x8

ANALOG

 Connettore maschio/femmina 1x6

POWER

 Connettore maschio/femmina 1x6

Digital 1 -J5-J6

 Connettore maschio 8 (1x3)

Digital 2 - J8-J9

 Connettore maschio 8 (1x3)

Analogic - J10-J11

 Connettore maschio 6 (1x3)

J7 (alimentazione +3.3V)

 Connettore maschio 1X2

J14 (alimentazione Vin)

 Connettore maschio 1X2

J16

 Morsettiera da CS 4 poli

J17, J19

 Morsettiera da CS 2 poli

RST

 Pulsante da CS

SD  

 Connettore femmina 1x6

SV1

 (connettore APC220/Bluetooth Connettore femmina 1x7

I2C

 Connettore maschio 1x4

XBEE

 Doppio connettore femmina 1x10 passo 2mm

 

SS14 - diodo Schottky - 1A


Codice RS  652-7551
Piedinatura Datasheet Foto

Specifiche

Tipo Diodo  

Schottky

Altezza  

2.3mm

Lunghezza  

4.6mm

Profondità  

2.83mm

Pin Count  

2

Package fornitore  

SMA

Montaggio  

Per montaggio superficiale

Configurazione  

Singolo

Corrente di picco inversa  

400μA

Corrente massima forward  

1A

corrente sorgente di picco  

30A

Temperatura massima  

125°C

Temperatura minima  

-65°C

Tensione di picco  

0.5V

Tensione di picco inversa ripetitiva  

40V


9013 Transistor NPN
Piedinatura Datasheet Foto del transistor

Led smd 0603


Codice RS 466-3683 , 466-3728
Piedinatura Datasheet (Verde, Rosso) Foto

Specifiche

Codice RS

466-3728

466-3677

Colore

Rosso

Verde

Altezza

 1.1mm

Larghezza

 0.8mm

Lunghezza

 1.6mm

Dimensioni lente  

 1.2x0.8x0.6mm

Forma lente

 Rettangolare

Package

 SMD

Angolo visione  

 120°

Aspetto lente  

 Incolore non diffuso

Corrente massima di forward  

 30mA

Intensità  

100mcd

70mcd

Lunghezza onda di picco dominante  

640nm

568nm

Lunghezza onda di picco  

660nm

574nm

Materiale LED  

AlGaAs

AlGaInP

Potenza dissipata massima  

100mW

75mW

Temperatura operativa massima  

 85°C

Temperatura operativa minima  

 -40°C

Tensione di reverse  

 5V

Tensione massima di forward

2.5V

Sezione interfaccia modulo XBee

Sulla scheda è presente un apposito zoccolo per l'installazione di un modulo XBee (XBee pro). Come visibile nello schema non tutti i pin sono connessi ma lo sono solamente quelli necessari alla comunicazione seriale e all’alimentazione del modulo e riportati nella Tabella

Schema sezione interfaccia XBee

Pin #

 Nome

 Input/output

 Funzione

1

 VCC

 -

 Alimentazione + 3.3V

2

 DOUT

 O

 UART Data Out

3

 DIN / CONFIG

 I

 UART Data In

10

 GND

 -

 Terminale di massa

12

 CTS / DIO7

 I/O

 Clear-to-Send Flow Control

15

 Associate / DIO5

 I/O

 Associated Indicator

Robot_arduino_scheda-xbee.JPG

Dato che i moduli XBee funzionano a 3,3Volt, mentre il resto del circuito funziona a +5V occorre compiere degli adattamenti di livello.
Per la comunicazione da XBee verso Arduino non è necessario nessun adattamento poiché il processore essendo un dispositivo TTL, riconosce come livello logico alto una qualsiasi tensione superiore a 2Volt, avendo l’XBee un livello logico alto posto a 3,3 Volt il problema di adattamento non sussiste. Per i segnali in arrivo verso XBee, invece, dovremo adattare il segnale giacché il livello logico alto è di 5 Volt, troppo per i circuiti interni dell’XBee.
La soluzione utilizzata consiste nell’utilizzare un semplicissimo partitore di tensione fatto con due resistenze R9 e R10 da valore di 10 e 15 kΏ rispettivamente. Dai valori utilizzati si ricava che dal livello logico TTL alto (5V), in uscita dal partitore avremo una tensione pari a +3V

Caratteristiche principali delle varie serie di moduli XBee

 

XBee Serie 1

XBee Serie 2

XBee Pro

Indoor/Urban range

Up to 30m

Up to 40m

Up to 90 m,

Outdoor RF line-of-sight range

Up to 100m

Up to 120m

Up to 1600 m

Transmit Power Output

1 mW (0dbm)

2 mW (+3dbm)

63mW (18dBm)

RF Data Rate

250 Kbps

Receiver Sensitivity

-92dbm (1% PER)

-98dbm (1% PER)

-100 dBm (1% PER)

Supply Voltage

2.8 - 3.4 V

2.8 - 3.6 V

Transmit Current (typical)

45 mA (@ 3.3 V)

40 mA (@ 3.3 V)

250mA (@3.3 V)

Idle/Receive Current (typical @3.3V)

50 mA

40 mA

55mA

Power-down Current

10 uA

1 uA

< 10 μA

Frequency

ISM 2.4 GHz

Dimensions

2.4cm x 2.8cm

2.4cm x 3.3 cm

Operating temperature

-40 to 85 C

Antenna Options

Chip, Integrated Whip, U.FL

Number of Channels

16 Direct Sequence Channels

12 Direct Sequence Channels

Filtration Options

PAN ID, Channel & Source/Destination

PAN ID, Channel and Addresses

Alimentatore per modulo XBee

Per l'alimentazione del modulo XBee che deve essere di 3.3V è presente un apposito circuito (Figura 24) che riduce la tensione di 5V a quella di 3.3V necessaria al modulo.


Schema elettrico della sezione alimentatrice

L'integrato utilizzato è un CX1117-3.3 in contenitore SOT-223, che è un regolatore di tensione fisso in grado di garantire una corrente d’uscita di 1A, possiede inoltre un basso valore di drop-out che è garantito a un massimo 1.3V con la massima corrente di uscita.

CX 1117 1A Low dropout voltage regulator
Piedinatura Datasheet Foto dell'integrato

L'interfaccia RS485

Sulla scheda è presente la circuiteria per utilizzare un’interfaccia RS485 in alternativa al modulo XBee, il cui circuito è riportato sotto

Il bus di collegamento RS485 è generalmente formato da un cavo con due conduttori attorcigliati (twisted-pair) e una schermatura che collega i vari dispositivi.

Un bus formato da due soli fili è un bus detto half-duplex nulla toglie di raddoppiare il bus portandolo a quattro fili e ottenendo così un bus full-duplex.
Un buon bus RS485 lo si ottiene restando tra i 400 e i 500m di lunghezza massima. Ovviamente riducendo la velocità del bus è possibile arrivare anche a 1200m.
Poiché i moduli collegati sulla rete risentono anche notevolmente delle differenze di massa che si vengono a creare, soprattutto su reti molto lunghe, è consigliabile usare degli accoppiatori RS485 separati galvanicamente.
La trasmissione e del tipo differenziale ovvero il segnale è il risultato della differenza tra le tensioni dei due fili che compongono il bus

I trasmettitori RS485 mettono a disposizione (sotto carico) un livello in uscita di ±2 V tra le uscite A e B, i ricevitori riconoscono livelli di ±200 mV ancora come segnale valido.
Questa tecnica permette un'ottima immunità ai disturbi anche su tratte di cavo molto lunghe.
Tipicamente la sezione del cavo può essere di 24 o 22 AWG per medie distanze, e dovrà essere aumentata nel caso di lunghe tratte.
Per minimizzare le riflessioni, il primo e l'ultimo dispositivo della rete devono avere una resistenza terminatrice collegata in parallelo alla linea.
L'opzione sopra non è vera nel caso la linea sia fatta a stella per cui la posizione della resistenza di terminazione andrà provata sperimentalmente.
In questo tipo di rete, peraltro molto rara, si mette una resistenza di terminazione sul centro stella e la seconda resistenza sul nodo più lontano dal centro stella.
Lo standard RS485 teoricamente può supportare fino a 32 dispositivi connessi sul bus (con i moderni 485 si arriva tranquillamente a 128 nodi e con alcuni 485 particolari e per questo costosi si arriva sino a 256 nodi).
Tipicamente è necessario usare resistenze di terminazione il cui valore varia da 120 a 560 ohm, si veda più avanti le spiegazioni su come scegliere le resistenze di terminazione.

L’integrato utilizzato è un SP485CN-L prodotto dalla Exar Corporation ed è un Half Duplex RS-485 Transceiver con una velocità di trasferimento di 5 Mbps, un’alimentazione a 5V e basso assorbimento (900 μA) in contenitore NSOIC-8, la piedinatura è visibile nella Figura e nella Tabella.
I jumper J1-J2-J3 permettono di selezionare se il segnale della seriale di Arduino deve essere connessa al modulo XBee o alla RS 485.
Il pin 2 è connesso al pin che abilita la trasmissione/ricezione.  Del circuito fa parte la resistenza R7 (120 Ώ), l’altra sarà in parallelo all’altra estremità della linea, troviamo inoltre le resistenze R3 e R4 (2,2 k Ώ) che forniscono la polarizzazione.

SP485CN Low Power Half-Duplex RS-485 Transceivers


Codice RS 686-5670
Piedinatura Datasheet Foto dell'integrato

 

Pin#  

Nome 

Descrizione

1  

RO  

Receiver Output.

2  

RE  

Receiver Output Enable Active LOW.

3  

DE  

Driver Output Enable - Active HIGH.

4  

DI  

Driver Input.

5  

GND  

Ground Connection.

6  

A  

Driver Output/Receiver Input - Non-inverting.

7  

B  

Driver Output/Receiver Input - Inverting.

8  

Vcc  

Positive Supply 4.75V<Vcc< 5.25V.

Specifiche

Corrente massima fornita  

0.9mA

Data rate  

5MBPS

Driving Mode  

Tre stati

Funzione  

Ricetrasmettitore di linea

interfaccia standard  

RS-422,RS-485

Lunghezza  

4.9mm

Profondità  

3.9mm

Altezza  

1.65mm

Package fornitore  

SOIC N

Montaggio  

Per montaggio superficiale

Numero di driver per linea  

32

Numero ricevitori  

1

Numero ricevitori abilitati  

1

Numero ricevitori per linea  

32

Numero trasmettitori  

1

Numero trasmettitori abilitati  

1

Pin Count  

8

Protezione ESD  

Temperatura massima  

70°C

Temperatura minima  

0°C

Tensione minima di alimentazione singola  

4.75V

Tensione singola alimentazione fornita  

5V

Tipo alimentazione  

Singolo

Tipo di ricezione  

RS-485

Tipo di segnale ricevitore  

Differenziale

Tipo segnale trasmesso  

Differenziale

Tipo trasmettitore  

RS-485

Tipologia trasmissione dati  

Multidrop,Multipoint

Modifica dei connettori

Per poter permette l'impilamento della scheda è possibile rimuovere gli attuali connettori maschi e sostituirli con connettori femmina con pin allungati.

DFR0088_modifica_pin-1.jpg

 

DFR0088_arduino_modificato.jpg DFR0088_modifica_pin-2.jpg

 

Elenco revisioni
14/01/2012 Aggiornato pagina
21/06/2011 Emissione preliminare