Релейный модуль под конструктор Raspberry Pi – описание платы расширения

Релейный модуль под конструктор Raspberry Pi – описание платы расширения

Модуль UniPi представлен платой расширения популярного конструкторского набора Raspberry Pi. Кроме того, что модуль имеет 12 (и более) цифровых входов, оснащённых светодиодной сигнализацией, на плате есть ещё два аналоговых входа (0-10В) и один аналоговый выход (0-10В). Но главной особенностью структуры UniPi выступают переключающие реле. По сути, этой платой расширения представлен релейный модуль Raspberry Pi – нужный и полезный инструмент конструктора.

Конфигурация платы расширения UniPi конструктора Raspberry Pi

Помимо уже отмеченных деталей релейного модуля, на плате присутствует одноканальный 1-проводной главный контроллер и блок часов реального времени. Два цифровых входа (13,14) и шина I2C_0 предназначены для подключения через P5 (только для версии B). Этот контакт, правда, недоступен на более новых версиях конструктора (B + и новее).

Под релейный модуль поставляется базовая библиотека (открытый исходный код на Phyton) для взаимодействия с платой расширения UniPi. Скачать библиотеку доступно на ресурсе GitHub, что рекомендуется потенциальному пользователю со стороны разработчиков.

КОММУТАЦИЯ

Релейный модуль UniPi как плата расширения конструктора Raspberry Pi
. Релейный модуль UniPi (конфигурация): 1 – аналоговый выход; 2 – аналоговый вход; 3 – конфигурация портов; 4 – выход напряжения 12В; 5 – цифровой вход; 6 – порт для Raspberry Pi; 7 – питающий порт (5В); 8 – модуль RTC; 9 – конфигурация шины I2C; 10 – порт I2C; 11 – порт 1Wire; 12 – UART; 13 – контакторы реле; 14 – внешняя шина I2C; 15 – триммер AO

Помимо стандартной библиотеки на релейный модуль UniPi, существует ещё масса платформ и библиотек. Все совместимы с рассматриваемой платой расширения конструктора Raspberry Pi, представляющей релейный модуль:

  • REX — инструмент автоматизации промышленных контроллеров,
  • FHEM — сервер GNU / GPL v.2 Perl для домашней автоматизации,
  • Wyliodrin — онлайн-сервис визуального программирования,
  • HomeSeer — система домашней автоматизации,
  • Другие платформы.

Плата расширения UniPi – релейный модуль, полностью совместима с версиями конструктора Raspberry Pi (A, A +, B, B +, B + модель 2). Также полная совместимость отмечается с монтажными отверстиями для «BeagleBone Black». Однако поддержка BeagleBone на релейном модуле не предусмотрена.

BEAGLEBONE

Релейный модуль UniPi и плата BeagleBone Black
Для рассматриваемой системы, обеспечивающей расширенные функции, предусмотрена совместимость с другими платформами, в частности с платой BeagleBone Black, что показана на картинке

Фактически плата расширения UniPi совместима только с Raspberry Pi модели B (ревизия 2). Подключение конструктора модели B (ревизия 1) возможно, но с учётом изучения описаний такого варианта в официальной документации.

Описание основных блоков платы расширения UniPi

На плате предусматривается установка релейного модуля одного из двух вариантов:

  1. Восемь реле под коммутируемое напряжение 250 вольт и ток 5А.
  2. Восемь реле под коммутируемое напряжение 24 вольт и ток 5А.

Есть на плате стандартный последовательный порт (UART), предназначенный для подключения последовательной консоли или других устройств, например, считывателей. Также имеется однопроводной двунаправленный (1Wire) интерфейс шины, на который допускается подключение датчиков – температурных, влажностных, других.

Дополнительные платы расширения могут подключаться к UniPi через интерфейс I2C. Этот интерфейс дополнен конфигурационными контактами для подключения шины I2C_0.

Наконец, присутствует на плате и блок RTC (часы реального времени), которым обеспечивается сохранение реального отсчётного цикла при отключении электричества.

Релейный модуль платы расширения UniPi

Максимальная коммутируемая мощность реле ограничена до 250В / 5А или 24В / 5А, соответственно, переменного и постоянного тока. Напряжения и токи, превышающие указанные границы, следует коммутировать через внешние реле или контакторы.

RASPBERRY PI

Релейный модуль UniPi в связке с конструктором Raspberry Pi
Так, примерно, выглядит организация электрической связки основной платы конструктора Raspberry Pi и платы расширения, представляющей релейный модуль

Релейный модуль контролируется микросхемой MCP23008 (адрес 0x20). Каждое реле дополнено светодиодным индикатором, показывающим рабочее состояние прибора.

Для каждого реле предусмотрены три контакта:

  • CO (переключающий),
  • NO (нормально разомкнутый),
  • NC (нормально замкнутый).

По умолчанию контакты CO и NC подключены (NO не подключен), при включении реле CO подключается к NO (NC отключен).

Релейный модуль – конфигурация на цифровые входы

Цифровые входы модуля допустимо активировать напряжением 5-24В постоянного тока, при условии минимальной длительности импульса 5 мс. Для облегчения визуального считывания рабочих состояний все цифровые входы оснащены светодиодами индикаторами.

 

При использовании интерфейса ввода-вывода общего назначения (GPIO) следует убедиться, что каждый элемент GPIO дополнен программным подтягивающим резистором.

Благодаря подтягивающим резисторам, обеспечивается нормальная работа интерфейса. В противном случае, гарантии сохранения стабильности состояний GPIO отсутствуют.

Рабочее напряжение (внутреннее) на релейный модуль

Все входы релейного модуля по умолчанию настроены на питание от внутреннего источника питания (+12 вольт). Линия (выхода) питания подключается через оранжевый разъём платы. Здесь допустима нагрузка на потребляемый ток не выше 200 мА.

Режим питания допускается настаивать с помощью системных перемычек. В случае использования внешнего источника питания ввод настраивается перемычками JP2 — JP5. Конфигурация по питанию выполняется строго до включения релейного модуля UniPi в работу.

Использованием внешнего источника питания и правильной конфигурацией перемычек обеспечивается гальваническая развязка входов. Конфигурация перемычек релейного модуля при условии применения внешнего источника питания следующая:

  • JP2 – разъём P02 (зелёной расцветки) действует как вход заземления от внешнего источника питания. В противном случае разъём P02 подключается к внутреннему источнику 12 вольт.
  • JP3 — входы I01 и I02 действуют как входы для сигнала подключенного периферийного устройства через внешний источник питания.
  • JP4 — входы I03 и I04 действуют как входы для сигнала подключенных периферийных устройств через внешний источник питания.
  • JP5 — входы I05 — I14 действуют как входы для сигнала подключенных периферийных устройств через внешний источник питания.

Аналоговые входы релейного модуля

Релейный модуль UniPi имеет два аналоговых входных канала 0–10В (через MCP3422, адрес 0x68), обозначенных как AI1 и AI2. У каждого канала есть свои (+) и (-) зоны.

Разъём (+) для положительного напряжения от подключенного устройства, соответственно, разъём (-) для отрицательного полюса (GND). Гарантированная точность составляет 5%, однако обычно достигается значение 1%.

Чтобы правильно рассчитать входное напряжение, необходимо учитывать коэффициент резистивного делителя. Коэффициент каждого канала сохраняется в микросхеме EEPROM как двоичный формат с плавающей запятой одинарной точности.

До версии 1.1 коэффициент не сохранялся в микросхеме EEPROM, поэтому есть необходимость рассчитывать коэффициент во время преобразования в программном обеспечении (обычно значение составляет около 5,56).

На релейном модуле UniPi используется микросхема EEPROM  серии 24C02, обеспечивающая объём памяти 2КБ. Структура памяти организована в один блок размером 256*8 бит.

Адресное пространство 0xe0 — 0xff зарезервировано, остальное доступно для пользовательского применения. Неиспользованные зарезервированные байты обнуляются.

Аналоговый выход на релейный модуль UniPi

Аналоговый выход релейного модуля управляется сигналом 18 PWM интерфейса ввода-вывода общего назначения и рассчитан на работу на частоте 400 Гц. Порт GPIO гальванически изолирован от остального выхода. Максимальный ток, подаваемый с этого выхода, составляет 20 мА.

Этот выход предназначен для управления устройствами сторонних производителей, которыми поддерживается уровень мощности в соответствии с уровнем сигналов 0-10 В. Точность значений аналогового выхода для релейного модуля UniPi v1.0 составляет + /-5%, но также зависит от загрузки процессора конструктора Raspberry Pi.

Внешнее напряжение подключается к разъёму AOV с максимальным напряжением 35 вольт постоянного тока. Требуется регулировка выходного напряжения с помощью триммера AO перед подключением устройств, чтобы исключить возможные повреждения.

Поведение триммера АО несколько изменилось по сравнению с версией 1.1. Ранее полный рабочий цикл на ШИМ предполагал выходное напряжение 0В, а 0% постоянного тока (или постоянный низкий уровень) соответствовало напряжению 10В. Но после версии 1.1 (включая v 1.1) процесс изменился (стал более логичным). Теперь 100% рабочий цикл равен 10В, а 0%, соответственно равен 0 В.


При помощи информации: UniPi