ChipKIT автономный
Для того, чтобы делать роботов, которые будут ездить туда-сюда по комнате, а не сидеть на привязи USB-шнура у ноутбука, нам нужно научиться использовать внешнее питание в виде аккумуляторных батарей и подключать к нему микроконтроллерные платы.
ChipKIT автономный from 1i7 on Vimeo.
Выбор и покупка аккумуляторной батареи
Наверное самый большой выбор аккумуляторных батарей в Интернете - в магазине Hobbyking. Стоимость подходящей нам батареи со средними характеристиками будет в районе $10.
Хоббикинг - ужасный магазин в смысле сервиса - посылку вполне могут только упаковывать целый месяц (это еще до отправки - потом еще месяц ждать, пока она дойдет по почте; посылка с goodluckbuy мне уже приходила домой за то время, пока в хоббикинге упаковывали заказ), но других площадок с аналогичным ассортиментом аккумуляторов сходу не нашлось.
К счастью, такие же аккумуляторы можно купить и в оффлайне в каком-нибудь магазине для любителей радиоуправляемых автомобилей, квадрокоптеров и самолетов. Например в Нижнем Новгороде они есть в магазинчике Хобби-сервис по адресу Казанское шоссе, дом 16 - от центра довольно далеко, зато совсем рядом с 6м корпусом Политеха. Правда аккумулятор там может обойтись примерно в 3 раза дороже, чем в Интернете, но для разовой покупки вполне приемлемая плата перепродавцам за то, что они дождались и растаможили эти аккумуляторы заранее вместо нас. Там же можно купить зарядное устройство для аккумуляторов и соединительные элементы для проводов, которые понадобятся далее.
Основные параметры при выборе аккумулятора - выходное напряжение в Вольтах и ёмкость в миллиамперах в час (плюс к ним конечно размер, который, впрочем, в значительной степени зависит от этих характеристик).
Ёмкость: время работы и миллиамперы
С ёмкостью понятно - чем больше ёмкость, тем дольше работает устройство. Измеряется в миллиамперах в час (мАч). Например, если ёмкость батареи 1500мАч, и у нас есть устройство, которое потребляет ток 1500 миллиампер (мА), то оно будет работать от этой батареи ровно час от полной зарядки до полной разрядки.
Например микроконтроллер PIC32MX320F128H на плате ChipKIT Uno32 потребляет 75мА:
на плате ChipKIT WF32 микроконтроллер PIC32MX695 потребляет 98мА во время работы на 80МГц, а модуль WiFi MRF24WG0MA потребляет максимум 237мА во время передачи данных:
За уточнением характеристик очевидно нужно обращаться к документу с технической документацией на устройство: reference manual для ChipKIT Uno32, reference manual для ChipKIT WF32.
Логично предположить, что на аккумуляторе с ёмкостью 1500мАч ChipKIT Uno32 проработает примерно 20 часов в режиме мигания лампочкой, а WF32 - примерно 5 часов при постоянном обмене данными по вайфай или 15 часов, если данными не меняться. Но это конечно если не подключать внешние устройства типа моторов.
Для сравнения - ёмкость аккумулятора в iPhone 5s - 1560 мАч.
Выходное напряжение: подключение платы и вольты
Лично я последовательный сторонник подхода "сначала попробовать, а потом разобраться, почему не работает", но случай подключения внешнего питания к плате - один из немногих, для которых я настоятельно рекомендую этот подход не применять. Следует ОЧЕНЬ ВНИМАТЕЛЬНО изучить раздел "Электроснабжение" (Power supply) в документе с техническим описанием платы ДО подключения аккумулятора, ИНАЧЕ МОЖНО ЛЕГКО СПАЛИТЬ УСТРОЙСТВО например из-за неправильно воткнутого джампера.
Здесь ключевая характеристика - допустимое входное напряжение в Вольтах: ни в коем случае нельзя выходить за верхнюю границу (иначе устройство просто сгорит), ну и попасть выше нижней границы тоже желательно, иначе оно просто не заработает.
Литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы с Хоббикинга по вольтажу обычно классифицируются так:
- 2 ячейки - 7,4В
- 3 ячейки - 11,1В
- 4 ячейки - 14,8В
- 5 ячеек - 18,5В
- 6 ячеек - 22,2В
Здесь ячейки (они же "банки") - это элементы питания, расположенные внутри одного аккумуляторного блока.
Я успешно пробовал питать платы ChipKIT Uno32 и WF32 аккумуляторами "2 ячейки - 7,4В - 800мАч" и "4 ячейки - 14,8В - 1550мАч".
Важно: допустимый порог входного напряжения может отличаться в зависимости от текущей конфигурации платы, определяемой положением джамперов. Конфигурация питания очень индивидуальна и сильно отличается от платы к плате - даже на двух визуально похожих платах ChipKIT Uno32 и WF32 (WF32 выглядит как Uno32, которую вытянули, чтобы добавить места под модуль WiFi и немного перетосовали джамперы) допустимые диапазоны абсолютно разные.
ВАЖНО: не подключайте плату одновременно к внешнему источнику питания и к компьютеру через шнур USB (например, чтобы залить новую версию прошивки) - может пострадать компьютер, например выгореть контроллер USB. Перед тем, как программировать плату, выдерните внешний источник питания и только после этого подключайте USB-шнур.
Питаем ChipKIT Uno32
Чтобы подать внешнее питание на Uno32, джампер JP2 нужно ОБЯЗАТЕЛЬНО перевести в положение REG, иначе если подать внешнее питание более 6В (самый самый слабый из испытанных аккумуляторов дает 7,4В) в режиме JP2=BYP, плата щелкнет, испустит характерный запах и больше не заработает.
В положении JP2=REG к плате можно подключать внешнее питание через разъем J4 от 7ми до 15ти Вольт (оба испытанных аккумулятора - 7,4В и 14,8В в диапазон попадают и плата с ними успешно работает).
Теперь проверим по документам. В спецификации на плату Uno32 этот диапазон видим в начале документа:
Он же в описании разъема J4 для подключения внешнего питания - всё сходится:
Однако чуть ниже в описании джампера настройки питания JP2:
видим, что в положении JP2=BYP входное питание не проходит через встроенный 5тивольтовый регулятор, и в этом случае максимальное напряжение на внешем источнике питания действительно может быть не более 6В (наших аккумуляторов с 7,4В и 14,8В будет вполне достаточно, чтобы в такой конфигурации выжечь плату).
Для окончательной полноты картины заглянем еще ниже в раздел Элекроснабжение ("Power supply") и посмотрим описание этого 5тивольтового регулятора:
Действительно, для регулятора 5В NCP1117, через который проходит внешнее питание при положении JP2=REG, максимальное рекомендуемое входное напряжение - 15В (абсолютный максимум - 20В, которые, кстати, уже упоминались выше в общих спецификациях платы, но экспериментировать с ними думаю не стоит). Минимум - 7В для нормальной работы.
Всё сошлось и прояснилось - теперь можно подключать провода.
Питаем ChipKIT WF32
Чтобы подать внешнее питание на WF32, нужно замкнуть джампер EXT на блоке J15. (кстати, пока здесь неподалеку, джампер UART отвечает за включение/выключение интерфейса UART на входе мини-USB, через который мы обычно программировали и питали плату ранее, а включение джампера USB позволит питать устройство через кабель микро-USB, который расположен на другом конце платы):
По документам. Спецификация на плату WF32 начало:
Рекомендуемое входное напряжение - 7-15В (оба аккумулятора 7,4В и 14,8В в диапазон попадают и плата с ними успешно работает).
Теперь посмотрим, откуда это всё берется. Раздел Электропитание (Power supply):
Да, чтобы запитать плату от внешнего источника через разъем J17 или штырьки J14, нужно замкнуть на блоке J15 джампер EXT.
Куда ток потечёт дальше:
Видим, что внутренности платы питаются от регулятора MCP16301 на 3,3В, который на входе может принимать от 4х до 30ти (вот откуда абсолютный максимум в спецификациях) Вольт. Причем он подключен напрямую к нерегулируемой шине питания VU (она также выведена на штырёк на блоке J16 справа от J15), значит внутреннюю логику мы не спалим, даже если подключим источник с напряжением, выходящим за границы рекомендованного диапазона 7В-15В.
Разберемся, откуда берётся органичение в 7-15В.
Видим, что рекомендуемый максимум в 15В указан для 5тивольтового регулятора NCP1117LP, который используется для питания внешних устройств, подключаемых к плате.
Рекомендуемый минимум в 7В указан для него же. Таким образом, если мы не хотим сжечь этот 5тивольтовый регулятор, нам лучше находиться в безопасном диапазоне 7-15Вольт.
Здесь же видим предупреждение, что при подаче питания свыше 9В при высоких токах этот регулятор будет сильно перегреваться и автоматически выключать плату, чтобы спасти её от повреждений (1й аккумулятор на 7,4В вписывается и в это ограничение, а второй на 14,8В уже выходит за его границы - при случае можно будет провести испытания под нагрузкой, хотя питать прожорливые внешние устройства от платы всё равно не рекомендуется).
Далее в документе рассказывается, как можно включать или выключать этот регулятор при помощи джамперов на блоке J16 - желающие могут изучить самостоятельно, лично мне достаточно и так.
Подключаем провода
Аккумуляторы в посылке приходят как есть с торчащими наружу двумя толстыми проводами "плюс/минус" с разъемом типа "розетка" или "мама" (для отдачи заряда устройству и получение его обратно от блока питания) и пучком проводов потоньше (балансировка заряда между ячейками - о них потом ниже). Никаких дополнительных проводов и разъемов к ним не прилагается.
Разъем для подключения внешнего питания на платах ChipKIT Uno32 и WF32 выглядит по-другому, поэтому проблему воссоединения платы и батарейки предстоит решить дополнительно самостоятельно.
Для этого нам нужно найти подходящий штекер (купить где-нибудь в Китае, в Хобби-сервисе, на ближайшем радио-рынке или отрезать от ненужного блока питания) и разъёмы (купить в Хобби-сервисе):
Припаять разъём типа "штепсель" или "папа" к штекеру (первый раз за все время, когда паяльник действительно понадобился):
И подключить к плате, которая должна быть уже предварительно прошита программой для мигания лампочкой:
А можно было ничего не паять, а сразу найти аккумулятор с разъёмом, подходящим для двух маленьких штырьков, через которые тоже можно питать WF32 (на Uno32 так не прокатит):
В общем всё, последний нюанс.
Зарядка аккумулятора
Для зарядки аккумулятора нужно купить специальное зарядное устройство, которое продается всё в том же Интернете или в Хобби-сервисе. Если не хочется чего-то специального особенного, подойдет любой самый простой.
Придётся опять припаять нужный разъем к зарядному кабелю:
Подключить аккумулятор к зарядному устройству - плюсы-минусы аккумулятора к плюсам-минусам зарядника, провода балансировки заряда ячеек на аккумуляторе (они устроены таким образом, чтобы все ячейки в процессе зарядки получали заряд равномерно) в соответствующее гнездо на зарядном устройстве:
Подождать пару часов, пока лампочка позеленеет:
здесь же (добавлено): не храните аккумулятор долгое время полностью заряженным (он вздуется), а также ни в коем случае не разряжаейте до конца (он превратится в кирпичик, т.е. выйдет из строя и больше не будет заряжаться). Способ определить, до какого уровня можно разряжать аккумулятор в процессе работы - отдельная история: можно довериться интуиции, добавить в прошивку мониторинг уровня заряда батареи через аналоговый вход контроллера, использовать специальное устройство, которое разряжает аккумулятор до нужного уровня, может что-то еще.
ВАЖНОЕ ДОБАВЛЕНИЕ: Перечисленных выше мер и вычислений всё равно недостаточно для того, чтобы при случае не спалить плату или отдельные её компоненты (особенно при подключении к ней внешних устройств). Учите закон Ома, следите за обновлениями!
ChipKIT автономный from 1i7 on Vimeo.
Выбор и покупка аккумуляторной батареи
Наверное самый большой выбор аккумуляторных батарей в Интернете - в магазине Hobbyking. Стоимость подходящей нам батареи со средними характеристиками будет в районе $10.
Хоббикинг - ужасный магазин в смысле сервиса - посылку вполне могут только упаковывать целый месяц (это еще до отправки - потом еще месяц ждать, пока она дойдет по почте; посылка с goodluckbuy мне уже приходила домой за то время, пока в хоббикинге упаковывали заказ), но других площадок с аналогичным ассортиментом аккумуляторов сходу не нашлось.
К счастью, такие же аккумуляторы можно купить и в оффлайне в каком-нибудь магазине для любителей радиоуправляемых автомобилей, квадрокоптеров и самолетов. Например в Нижнем Новгороде они есть в магазинчике Хобби-сервис по адресу Казанское шоссе, дом 16 - от центра довольно далеко, зато совсем рядом с 6м корпусом Политеха. Правда аккумулятор там может обойтись примерно в 3 раза дороже, чем в Интернете, но для разовой покупки вполне приемлемая плата перепродавцам за то, что они дождались и растаможили эти аккумуляторы заранее вместо нас. Там же можно купить зарядное устройство для аккумуляторов и соединительные элементы для проводов, которые понадобятся далее.
Основные параметры при выборе аккумулятора - выходное напряжение в Вольтах и ёмкость в миллиамперах в час (плюс к ним конечно размер, который, впрочем, в значительной степени зависит от этих характеристик).
Ёмкость: время работы и миллиамперы
С ёмкостью понятно - чем больше ёмкость, тем дольше работает устройство. Измеряется в миллиамперах в час (мАч). Например, если ёмкость батареи 1500мАч, и у нас есть устройство, которое потребляет ток 1500 миллиампер (мА), то оно будет работать от этой батареи ровно час от полной зарядки до полной разрядки.
Например микроконтроллер PIC32MX320F128H на плате ChipKIT Uno32 потребляет 75мА:
на плате ChipKIT WF32 микроконтроллер PIC32MX695 потребляет 98мА во время работы на 80МГц, а модуль WiFi MRF24WG0MA потребляет максимум 237мА во время передачи данных:
За уточнением характеристик очевидно нужно обращаться к документу с технической документацией на устройство: reference manual для ChipKIT Uno32, reference manual для ChipKIT WF32.
Логично предположить, что на аккумуляторе с ёмкостью 1500мАч ChipKIT Uno32 проработает примерно 20 часов в режиме мигания лампочкой, а WF32 - примерно 5 часов при постоянном обмене данными по вайфай или 15 часов, если данными не меняться. Но это конечно если не подключать внешние устройства типа моторов.
Для сравнения - ёмкость аккумулятора в iPhone 5s - 1560 мАч.
Выходное напряжение: подключение платы и вольты
Лично я последовательный сторонник подхода "сначала попробовать, а потом разобраться, почему не работает", но случай подключения внешнего питания к плате - один из немногих, для которых я настоятельно рекомендую этот подход не применять. Следует ОЧЕНЬ ВНИМАТЕЛЬНО изучить раздел "Электроснабжение" (Power supply) в документе с техническим описанием платы ДО подключения аккумулятора, ИНАЧЕ МОЖНО ЛЕГКО СПАЛИТЬ УСТРОЙСТВО например из-за неправильно воткнутого джампера.
Здесь ключевая характеристика - допустимое входное напряжение в Вольтах: ни в коем случае нельзя выходить за верхнюю границу (иначе устройство просто сгорит), ну и попасть выше нижней границы тоже желательно, иначе оно просто не заработает.
Литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы с Хоббикинга по вольтажу обычно классифицируются так:
- 2 ячейки - 7,4В
- 3 ячейки - 11,1В
- 4 ячейки - 14,8В
- 5 ячеек - 18,5В
- 6 ячеек - 22,2В
Здесь ячейки (они же "банки") - это элементы питания, расположенные внутри одного аккумуляторного блока.
Я успешно пробовал питать платы ChipKIT Uno32 и WF32 аккумуляторами "2 ячейки - 7,4В - 800мАч" и "4 ячейки - 14,8В - 1550мАч".
Важно: допустимый порог входного напряжения может отличаться в зависимости от текущей конфигурации платы, определяемой положением джамперов. Конфигурация питания очень индивидуальна и сильно отличается от платы к плате - даже на двух визуально похожих платах ChipKIT Uno32 и WF32 (WF32 выглядит как Uno32, которую вытянули, чтобы добавить места под модуль WiFi и немного перетосовали джамперы) допустимые диапазоны абсолютно разные.
ВАЖНО: не подключайте плату одновременно к внешнему источнику питания и к компьютеру через шнур USB (например, чтобы залить новую версию прошивки) - может пострадать компьютер, например выгореть контроллер USB. Перед тем, как программировать плату, выдерните внешний источник питания и только после этого подключайте USB-шнур.
Питаем ChipKIT Uno32
Чтобы подать внешнее питание на Uno32, джампер JP2 нужно ОБЯЗАТЕЛЬНО перевести в положение REG, иначе если подать внешнее питание более 6В (самый самый слабый из испытанных аккумуляторов дает 7,4В) в режиме JP2=BYP, плата щелкнет, испустит характерный запах и больше не заработает.
В положении JP2=REG к плате можно подключать внешнее питание через разъем J4 от 7ми до 15ти Вольт (оба испытанных аккумулятора - 7,4В и 14,8В в диапазон попадают и плата с ними успешно работает).
Теперь проверим по документам. В спецификации на плату Uno32 этот диапазон видим в начале документа:
Он же в описании разъема J4 для подключения внешнего питания - всё сходится:
Однако чуть ниже в описании джампера настройки питания JP2:
видим, что в положении JP2=BYP входное питание не проходит через встроенный 5тивольтовый регулятор, и в этом случае максимальное напряжение на внешем источнике питания действительно может быть не более 6В (наших аккумуляторов с 7,4В и 14,8В будет вполне достаточно, чтобы в такой конфигурации выжечь плату).
Для окончательной полноты картины заглянем еще ниже в раздел Элекроснабжение ("Power supply") и посмотрим описание этого 5тивольтового регулятора:
Действительно, для регулятора 5В NCP1117, через который проходит внешнее питание при положении JP2=REG, максимальное рекомендуемое входное напряжение - 15В (абсолютный максимум - 20В, которые, кстати, уже упоминались выше в общих спецификациях платы, но экспериментировать с ними думаю не стоит). Минимум - 7В для нормальной работы.
Всё сошлось и прояснилось - теперь можно подключать провода.
Питаем ChipKIT WF32
Чтобы подать внешнее питание на WF32, нужно замкнуть джампер EXT на блоке J15. (кстати, пока здесь неподалеку, джампер UART отвечает за включение/выключение интерфейса UART на входе мини-USB, через который мы обычно программировали и питали плату ранее, а включение джампера USB позволит питать устройство через кабель микро-USB, который расположен на другом конце платы):
По документам. Спецификация на плату WF32 начало:
Рекомендуемое входное напряжение - 7-15В (оба аккумулятора 7,4В и 14,8В в диапазон попадают и плата с ними успешно работает).
Теперь посмотрим, откуда это всё берется. Раздел Электропитание (Power supply):
Да, чтобы запитать плату от внешнего источника через разъем J17 или штырьки J14, нужно замкнуть на блоке J15 джампер EXT.
Куда ток потечёт дальше:
Видим, что внутренности платы питаются от регулятора MCP16301 на 3,3В, который на входе может принимать от 4х до 30ти (вот откуда абсолютный максимум в спецификациях) Вольт. Причем он подключен напрямую к нерегулируемой шине питания VU (она также выведена на штырёк на блоке J16 справа от J15), значит внутреннюю логику мы не спалим, даже если подключим источник с напряжением, выходящим за границы рекомендованного диапазона 7В-15В.
Разберемся, откуда берётся органичение в 7-15В.
Видим, что рекомендуемый максимум в 15В указан для 5тивольтового регулятора NCP1117LP, который используется для питания внешних устройств, подключаемых к плате.
Рекомендуемый минимум в 7В указан для него же. Таким образом, если мы не хотим сжечь этот 5тивольтовый регулятор, нам лучше находиться в безопасном диапазоне 7-15Вольт.
Здесь же видим предупреждение, что при подаче питания свыше 9В при высоких токах этот регулятор будет сильно перегреваться и автоматически выключать плату, чтобы спасти её от повреждений (1й аккумулятор на 7,4В вписывается и в это ограничение, а второй на 14,8В уже выходит за его границы - при случае можно будет провести испытания под нагрузкой, хотя питать прожорливые внешние устройства от платы всё равно не рекомендуется).
Далее в документе рассказывается, как можно включать или выключать этот регулятор при помощи джамперов на блоке J16 - желающие могут изучить самостоятельно, лично мне достаточно и так.
Подключаем провода
Аккумуляторы в посылке приходят как есть с торчащими наружу двумя толстыми проводами "плюс/минус" с разъемом типа "розетка" или "мама" (для отдачи заряда устройству и получение его обратно от блока питания) и пучком проводов потоньше (балансировка заряда между ячейками - о них потом ниже). Никаких дополнительных проводов и разъемов к ним не прилагается.
Разъем для подключения внешнего питания на платах ChipKIT Uno32 и WF32 выглядит по-другому, поэтому проблему воссоединения платы и батарейки предстоит решить дополнительно самостоятельно.
Для этого нам нужно найти подходящий штекер (купить где-нибудь в Китае, в Хобби-сервисе, на ближайшем радио-рынке или отрезать от ненужного блока питания) и разъёмы (купить в Хобби-сервисе):
Припаять разъём типа "штепсель" или "папа" к штекеру (первый раз за все время, когда паяльник действительно понадобился):
И подключить к плате, которая должна быть уже предварительно прошита программой для мигания лампочкой:
А можно было ничего не паять, а сразу найти аккумулятор с разъёмом, подходящим для двух маленьких штырьков, через которые тоже можно питать WF32 (на Uno32 так не прокатит):
В общем всё, последний нюанс.
Зарядка аккумулятора
Для зарядки аккумулятора нужно купить специальное зарядное устройство, которое продается всё в том же Интернете или в Хобби-сервисе. Если не хочется чего-то специального особенного, подойдет любой самый простой.
Придётся опять припаять нужный разъем к зарядному кабелю:
Подключить аккумулятор к зарядному устройству - плюсы-минусы аккумулятора к плюсам-минусам зарядника, провода балансировки заряда ячеек на аккумуляторе (они устроены таким образом, чтобы все ячейки в процессе зарядки получали заряд равномерно) в соответствующее гнездо на зарядном устройстве:
Подождать пару часов, пока лампочка позеленеет:
здесь же (добавлено): не храните аккумулятор долгое время полностью заряженным (он вздуется), а также ни в коем случае не разряжаейте до конца (он превратится в кирпичик, т.е. выйдет из строя и больше не будет заряжаться). Способ определить, до какого уровня можно разряжать аккумулятор в процессе работы - отдельная история: можно довериться интуиции, добавить в прошивку мониторинг уровня заряда батареи через аналоговый вход контроллера, использовать специальное устройство, которое разряжает аккумулятор до нужного уровня, может что-то еще.
ВАЖНОЕ ДОБАВЛЕНИЕ: Перечисленных выше мер и вычислений всё равно недостаточно для того, чтобы при случае не спалить плату или отдельные её компоненты (особенно при подключении к ней внешних устройств). Учите закон Ома, следите за обновлениями!