HackerBox 0051: MCU Lab: 10 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Salutacions als hackers de HackerBox de tot el món! HackerBox 0051 presenta el laboratori MCU HackerBox. El MCU Lab és una plataforma de desenvolupament per provar, desenvolupar i prototipar amb microcontroladors i mòduls de microcontroladors. Un Arduino Nano, un mòdul ESP32 i una píndola negra SMT32 s’utilitzen per explorar els blocs de funcions del MCU Lab. Els blocs de funcions MCU Lab inclouen commutadors, botons, LEDs, pantalla OLED, brunzidor, potenciòmetre, píxel RGB, canvi de nivell lògic, sortida VGA, entrada de teclat PS / 2, interfície sèrie USB i zones de prototipatge sense soldadura.

Aquesta guia conté informació per començar a utilitzar HackerBox 0051, que es pot comprar aquí fins que esgotin els subministraments. Si voleu rebre un HackerBox com aquest a la vostra bústia de correu cada mes, subscriviu-vos a HackerBoxes.com i uniu-vos a la revolució.

HackerBoxes és el servei de caixa de subscripció mensual per a pirates informàtics i entusiastes de l’electrònica i la tecnologia informàtica. Uniu-vos a nosaltres a viure la vida HACK.

Pas 1: Llista de contingut per a HackerBox 0051

• Mòdul MCU 1: Arduino Nano 5V, 16 MHz
• Mòdul MCU 2: WEMOS ESP32 Lite
• Mòdul MCU 3: pastilla negra STM32F103C8T6
• Circuit imprès exclusiu MCU Lab
• Adaptador sèrie USB FT232RL
• Pantalla OLED 128x64 I2C 0,96 polzades
• Canviador de nivell lògic bidireccional de 8 bits
• LED SMD WS2812B RGB
• Quatre botons tàctils de muntatge superficial
• Quatre LEDs vermells difosos de 5 mm
• Piezo Buzzer
• Connector VGA HD15
• Connector de teclat Mini-DIN PS / 2
• Potenciòmetre de 100K Ohm
• Interruptor DIP de 8 posicions
• Regulador lineal SOT223 AMS1117 3,3V
• Dos condensadors de tantal 22uF 1206 SMD
• Deu resistències de 680 Ohm
• Quatre peus de PCB de goma adhesiva
• Dues taules de pa Mini Solderless de 170 punts
• Onze endolls femella de 8 pines
• Capçalera de ruptura de 40 pins
• Paquet de 65 cables de pont masculí
• Adhesiu de tauler de circuits de puny aixecat
• Adhesiu pirata pirata smiley del planeta
• HackerBox exclusiu "Treu abans del vol" Clauer

Algunes altres coses que us seran útils:

• Soldador, soldador i eines bàsiques de soldadura
• Ordinador per executar eines de programari

El més important és que necessiteu un sentiment d’aventura, esperit de pirata informàtic, paciència i curiositat. Construir i experimentar amb electrònica, tot i que és molt gratificant, pot ser complicat, desafiant i fins i tot frustrant de vegades. L’objectiu és el progrés, no la perfecció. Quan persisteix i gaudeix de l'aventura, d'aquesta afició es pot obtenir una gran satisfacció. Feu cada pas lentament, tingueu en compte els detalls i no tingueu por de demanar ajuda.

A les preguntes freqüents sobre HackerBoxes hi ha una gran quantitat d’informació per a membres actuals i potencials. Gairebé tots els correus electrònics d’assistència no tècnica que rebem ja s’hi responen, així que agraïm molt que dediqueu uns minuts a llegir les PMF.

Pas 2: HackerBoxes MCU Lab

El MCU Lab és una versió compacta i polida d’una plataforma de desenvolupament que fem servir per prototipar i provar diversos dissenys basats en microcontroladors (MCU). És molt útil per treballar amb mòduls MCU (com ara Arduino Nano, ESP32 DevKit, etc.) o paquets de dispositius MCU individuals (com ATMEGA328s, ATtiny85s, PICs, etc.). Es pot col·locar una MCU objectiu a qualsevol de les mini taules de suport sense soldadura. Es poden connectar dues MCU juntes utilitzant ambdues taules de control o un dels espais de les taules de control es pot utilitzar per a altres circuits.

Els "blocs de funcions" del MCU Lab es divideixen en capçaleres femenines similars a les que es troben en un Arduino UNO. Les capçaleres femenines són compatibles amb els passadors masculins.

Pas 3: Munteu el laboratori MCU HackerBoxes

COMPONENTS SMD A LA PART DE DARRER DEL TABLER

Comenceu muntant el regulador lineal AMS1117 (paquet SOT 233) i els dos condensadors de filtre de 22uF al revers de la PCB. Tingueu en compte que un costat de cada serigrafia del condensador és rectangular i l’altre costat és octogonal. Els condensadors s’han d’orientar de manera que la punta fosca del paquet s’alineï amb el costat de la serigrafia octogonal.

CONTINUEU AMB ELS COMPONENTS AL FRONT DE LA TAULA

Soldeu el LED RGB WS2812B. Orienteu la cantonada marcada amb blanc de cada LED perquè correspongui a la cantonada amb pestanyes tal com es mostra a la serigrafia del PCB.

Quatre botons tàctils SMD

Quatre LED vermells amb quatre resistències

Desplaçador de nivell amb el pin VA més proper al marcatge 3V3 i el pin VB més proper al marcador 5V. El mòdul Level Shifter es pot muntar a la platja soldant les capçaleres al mòdul i després lliscant els separadors de plàstic negre de les capçaleres abans de muntar el mòdul al PCB MCU Lab. Deixar els espaiadors posats també està bé.

Es poden trencar dues tires de la capçalera per connectar el mòdul FT232. Una secció de capçalera de 4 pins més petita també es pot utilitzar per a la capçalera 5V / GND just al costat del mòdul FT232.

De moment, empleneu la capçalera VGA femenina més propera al connector VGA HD15 i al sòcol del teclat. Tot i això, NO POBLEU la capçalera addicional adjacent a aquella o les cinc resistències entre aquestes dues capçaleres. Les opcions específiques per a la interfície de senyals de vídeo es discutiran més endavant.

Poblem les altres nou capçaleres femenines.

Traieu l’adhesiu de la part posterior de les dues taules de soldar sense soldar per fixar-les al PCB MCU Lab.

Col·loqueu els peus de goma adhesius a la part inferior del PCB MCU Lab per protegir el vostre banc de treball de les ratllades.

MANEIG D'ENTRADES DE POTÈNCIA

Hi ha almenys dos, i és més probable que n’hi hagi quatre, on l’energia pugui entrar al MCU Lab. Això pot causar problemes, de manera que tingueu en compte sempre els consells següents:

Tots els punts de capçalera etiquetats amb 5V estan connectats. El carril de 5V també es connecta a la presa del teclat, al canvi de nivell i al LED RGB WS2812B. Es pot subministrar alimentació al carril de 5 V connectant el FT232 a USB, connectant el capçal d'alimentació de quatre pins a una font externa o connectant un pont d'un dels pins de 5 V de la PCB a un mòdul de 5 V alimentat (normalment alimentat per USB).

De la mateixa manera, els pins GND estan connectats. Es connecten al USB GND del FT232 (suposant que el USB estigui connectat al FT232). També es poden connectar a terra mitjançant un pont entre un d'ells i un mòdul alimentat, tal com s'ha comentat per a la xarxa de 5 V.

El carril 3V3 és accionat pel regulador a la part posterior del PCB. És només una font i (a diferència del carril de 5V) no ha de ser accionat per cap mòdul ni cap altre circuit, ja que s’aconsegueix directament des del regulador del carril de 5V.

Pas 4: mòdul MCU Arduino Nano

Un dels mòduls MCU més comuns actualment és l’Arduino Nano. La placa Arduino Nano inclosa ve amb pins de capçalera, però no es solden al mòdul. Deixeu els passadors apagats per ara. Realitzeu aquestes proves inicials al mòdul Arduino Nano abans de soldar els passadors de capçalera. Tot el que es necessita és un cable microUSB i la placa Arduino Nano just quan surt de la bossa.

L'Arduino Nano és una placa Arduino miniaturitzada, compatible amb taulers de muntatge, amb superfície integrada i USB. És increïblement complet i fàcil de piratejar.

Característiques:

• Microcontrolador: Atmel ATmega328P
• Voltatge: 5V
• Pins d'E / S digitals: 14 (6 PWM)
• Pins d'entrada analògica: 8
• Corrent continu per pin d'E / S: 40 mA
• Memòria Flash: 32 KB (2 KB per al carregador d'arrencada)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Velocitat de rellotge: 16 MHz
• Dimensions: 17 mm x 43 mm

Aquesta variant particular de l'Arduino Nano és el Robotdyn Nano negre. Inclou un port MicroUSB integrat connectat a un xip pont CH340G USB / Serial. Podeu trobar informació detallada sobre el CH340 (i els controladors, si cal) aquí.

Quan connecteu l’Arduino Nano per primera vegada a un port USB de l’ordinador, el llum verd d’encesa s’ha d’encendre i poc després el LED blau hauria de començar a parpellejar lentament. Això passa perquè Nano està precarregat amb el programa BLINK, que s’executa al flamant Arduino Nano.

PROGRAMARI: si encara no teniu instal·lat l’IDE Arduino, el podeu descarregar des d’Arduino.cc

Connecteu el Nano al cable MicroUSB i l’altre extrem del cable a un port USB de l’ordinador. Inicieu el programari Arduino IDE. Seleccioneu "Arduino Nano" a l'IDE sota eines> tauler i "ATmega328P (carregador d'arrencada antic)" a eines> processador. Seleccioneu el port USB adequat a eines> port (probablement sigui un nom amb "wchusb").

Finalment, carregueu un fragment de codi d'exemple: Fitxer-> Exemples-> Conceptes bàsics-> Parpellejar

El parpelleig és en realitat el codi que s’ha precarregat al Nano i que s’hauria d’executar ara mateix per parpellejar lentament el LED blau. En conseqüència, si carreguem aquest codi d'exemple, no canviarà res. En canvi, modificem una mica el codi.

Si ho mireu de prop, podeu veure que el programa encén el LED, espera 1000 mil·lisegons (un segon), apaga el LED, espera un segon i, tot seguit, ho fa tot de nou, per sempre.

Modifiqueu el codi canviant les instruccions "delay (1000)" per "delay (100)". Aquesta modificació farà que el LED parpellegi deu vegades més ràpid, oi?

Carregem el codi modificat a Nano fent clic al botó CARREGAR (la icona de fletxa) just a sobre del codi modificat. Mireu a sota del codi la informació d’estat: "compilació" i després "càrrega". Finalment, l'IDE hauria d'indicar "Càrrega completa" i el LED hauria de parpellejar més ràpidament.

Si és així, felicitats! Acabeu de piratejar el vostre primer fragment de codi incrustat.

Un cop carregada i executada la versió de parpelleig ràpid, per què no veieu si podeu tornar a canviar el codi per fer que el LED parpellegi ràpidament dues vegades i espereu un parell de segons abans de repetir-lo? Prova-ho! Què tal uns altres patrons? Un cop hàgiu aconseguit visualitzar el resultat desitjat, codificar-lo i observar-lo com funciona, heu fet un pas enorme cap a convertir-vos en un pirata informàtic competent.

Ara que heu confirmat el funcionament del mòdul Nano, continueu i soldeu-hi els passadors de capçalera. Un cop connectades les capçaleres, el mòdul es pot utilitzar fàcilment en una de les plaques de soldadura del MCU Lab. Aquest procés de provar un mòdul MCU descarregant algun codi de prova senzill, modificant-lo i descarregant-lo de nou és una bona pràctica sempre que s’utilitza un mòdul MCU nou o de tipus diferent.

Si voleu informació introductòria addicional per treballar a l’ecosistema Arduino, us recomanem que consulteu la Guia del Taller d’inici de HackerBoxes, que inclou diversos exemples i un enllaç a un llibre de text PDF Arduino.

Pas 5: exploreu MCU Lab amb Arduino Nano

POTENCIOMETRE

Connecteu el pin central del potenciòmetre al pin Nano A0.

Carrega i executa: exemples> Analògic> Entrada analògica

L'exemple és per defecte el LED integrat del Nano. Gireu el potenciòmetre per canviar la velocitat de parpelleig.

Modifica:

Al codi, canvieu LedPin = 13 a 4

Jumper del Nano Pin 4 (i GND) a un dels LED vermells del MCU Lab.

BUZZER

Salt de Buzzer a Nano Pin 8. Assegureu-vos que la placa GND està connectada a la GND del Nano alimentat, ja que la terra del buzzer està connectada a la xarxa GND de la placa.

Carrega i executa: exemples> Digital> toneMelody

PANTALLA OLED

A l'IDE Arduino, utilitzeu el gestor de biblioteca per instal·lar "ssd1306" des d'Alexey Dyna.

Connecteu OLED: GND a GND, VCC a 5V, SCL a Nano's A5, SDA a Nano's A4

Carrega i executa: exemples> ssd1306> demostracions> ssd1306_demo

LED RGB WS2812B

A l’IDE Arduino, utilitzeu el gestor de biblioteques per instal·lar FastLED

Connecteu el pin de capçalera del WS2812 al pin 5 del Nano.

Carrega: exemples> FastLED> ColorPalette

Canvieu NUM_LEDS a 1 i LED_TYPE a WS2812B

Compila i executa

ESCRIURE ALGUN CODI PER EXERCITIR ELS BOTONS I ELS COMMUTADORS

Recordeu fer servir pinMode (INPUT_PULLUP) per llegir un botó sense afegir cap resistència.

COMBINEU ALGUNS AQUESTS EXEMPLES JUNTS

Per exemple, cicleu les sortides d'alguna manera interessant i mostreu els estats o els valors d'entrada al monitor OLED o sèrie.

Pas 6: WEMOS ESP32 Lite

El microcontrolador ESP32 (MCU) és un sistema de baix cost i baix consum en un xip (SOC) amb Wi-Fi integrat i Bluetooth de doble mode. L'ESP32 utilitza un nucli Tensilica Xtensa LX6 i inclou interruptors d'antena incorporats, balun RF, amplificador de potència, amplificador de recepció de baix soroll, filtres i mòduls de gestió d'energia. (wikipedia)

El mòdul WEMOS ESP32 Lite és més compacte que la versió anterior, cosa que el fa més fàcil d’utilitzar en una placa de soldadura sense soldadura.

Feu la prova inicial del mòdul WEMOS ESP32 abans de soldar els passadors de capçalera al mòdul.

Configureu el paquet de suport ESP32 a l'IDE Arduino.

A eines> tauler, assegureu-vos de seleccionar el "WeMos LOLIN32"

Carregueu el codi d'exemple a Fitxers> Exemples> Conceptes bàsics> Parpellejar i programeu-lo al WeMos LOLIN32

L'exemple de programa hauria de fer parpellejar el LED del mòdul. Experimenteu amb la modificació dels paràmetres de retard per fer parpellejar el LED amb diferents patrons. Aquest sempre és un bon exercici per augmentar la confiança en la programació d’un nou mòdul de microcontrolador.

Un cop us sentiu còmode amb el funcionament del mòdul i com es programa, soldeu amb cura les dues files de pins de capçalera i proveu de nou els programes de càrrega.

Pas 7: generació de vídeo ESP32

Aquest vídeo mostra la biblioteca VGA ESP32 i un tutorial molt agradable i senzill del laboratori de bitluni.

La implementació demostrada de 3 bits (8 colors) utilitza ponts directes de cable entre el mòdul ESP32 i el connector VGA. Fer aquestes connexions a la capçalera VGA del MCU Lab és bastant fàcil, ja que no hi ha components addicionals.

Depenent de la MCU en ús, del seu nivell de voltatge, de les resolucions de píxels i de les profunditats de color desitjades, hi ha diverses combinacions de resistències en línia i xarxes de resistències que es poden col·locar entre la MCU i la capçalera VGA. Si decidiu utilitzar permanentment resistències en línia, es poden soldar al MCU Lab PCB. Si voleu mantenir la flexibilitat i, sobretot, si voleu utilitzar solucions més complexes, es recomana no soldar cap resistència al lloc i simplement utilitzar-ne les plaques sense soldadura i la capçalera VGA per connectar les resistències necessàries.

Per exemple, per implementar el mode de color de 14 bits de bituni que es mostra al final del vídeo, el mòdul ESP32 es pot col·locar en una de les mini plaques sense soldadura i l’altra placa sense soldadura es pot utilitzar per connectar les escales de resistències.

Aquí hi ha alguns altres exemples:

A HackerBox 0047 un Arduino Nano impulsa una sortida VGA senzilla amb 4 resistències.

Un emulador VIC20 està implementat a ESP32 mitjançant FabGL i 6 resistències.

Implementa un PC BASIC que utilitza ESP32 i 3 resistències.

Juga a Space Invaders a ESP32 amb FabGL i 6 resistències.

Genereu sortida VGA a STM32 amb 6 resistències.

Capes de text i gràfics simultanis a STM32 amb demostració de vídeo.

Pas 8: mòdul MCU de pastilla negra STM32F103C8T6

La píndola negra és un mòdul MCU basat en STM32. És una variant millorada a la píndola blava comuna i a la píndola vermella menys comuna.

La píndola negra inclou el microcontrolador STM32F103C8T6 de 32 bits ARM M3 (full de dades), una capçalera ST-Link de quatre pins, un port MicroUSB i un LED d’usuari a PB12. La resistència de tracció correcta del PA12 ve instal·lada per al funcionament correcte del port USB. Aquesta extracció normalment requeria una modificació del tauler en altres tauletes.

Tot i que és d’aspecte similar a l’Arduino Nano, la Black Pill és molt més potent. El microcontrolador ARM de 32 bits STM32F103C8T6 pot funcionar a 72 MHz. Pot realitzar multiplicacions de cicle únic i divisió de maquinari. Té 64 Kbytes de memòria Flash i 20 Kbytes de SRAM.

Programació de l'STM32 des de Arduino IDE.

Pas 9: Canviador de nivell lògic de 8 bits TXS0108E

El TXS0108E (full de dades) és un canvi de nivell de lògica bidireccional de 8 bits. El mòdul està configurat per a senyals de desplaçament de nivell entre 3,3 V i 5 V.

Com que els canals de nivell de senyal són bidireccionals, les entrades flotants poden provocar que les sortides corresponents siguin accionades sense voler. Es proporciona un control d’habilitació de sortida (OE) per protegir-lo en aquests escenaris. S'ha de tenir precaució segons com estigui connectada la palanca de comandaments per assegurar-se que mai no es permet que una sortida de la palanca de canvis (ja sigui "intencionada" o a causa d'una entrada flotant a l'altre costat) creui una sortida d'un altre dispositiu.

El pin OE es deixa desconnectat a les traces del PCB. Es proporciona una capçalera de dos pins a sota del mòdul per connectar OE i 3V3. En fer un curtcircuit a la capçalera de dos pins (utilitzant un tros de filferro o un bloc de pont) es connecta OE a 3V3, cosa que permet al CI controlar les seves sortides. També es pot connectar una resistència desplegable i un control lògic al pin OE.

Pas 10: HackLife

Esperem que gaudiu d’aquest mes de l’aventura HackerBox en electrònica i tecnologia informàtica. Arribeu i compartiu el vostre èxit als comentaris següents o al grup de Facebook HackerBoxes. Recordeu també que podeu enviar un correu electrònic a [email protected] en qualsevol moment si teniu alguna pregunta o necessiteu ajuda.

Que segueix? Uneix-te a la revolució. Viu el HackLife. Obteniu una caixa d’equips piratejables que es lliuri directament a la vostra bústia de correu cada mes. Navegueu a HackerBoxes.com i inscriviu-vos a la vostra subscripció mensual a HackerBox.