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Gravity Board: una scheda di sviluppo per qualsiasi applicazione

da | 22 Dic, 20 | Embedded, RF/Wireless |

Gravity Board è una scheda di sviluppo tuttofare. Gli sviluppatori potranno realizzare, con essa, qualsiasi tipologia di applicazione senza la necessità di aggiungere alcun componente esterno. La potenza dell’unità di elaborazione e l’alto numero di dispositivi integrati nel sistema consentono una libertà di sviluppo senza eguali. Andiamo ad approfondire le parti sostanziali.

Tanti dispositivi utili

La Gravity Board nasce con un impressionante numero di sensori e dispositivi di serie. Gli sviluppatori non devono cercare diverse soluzioni per realizzare e integrare i loro progetti. E’ tutto onboard, come evidenziato in figura 1. Ecco, in breve, l’elenco della componentistica e dei dispositivi a bordo di questa fantastica scheda:

  • MCU nRF52840: è il microcontrollore principale che governa tutte le operazioni della scheda;
  • SOC nRF9160: questo SOC è utilizzato per la gestione del GPS e del GSM;
  • ESP12: è una MCU adoperata per l’integrazione del Wi-Fi;
  • SiP MPU-9250: è utilizzato per le funzione di giroscopio, di accelerometro e della bussola;
  • sensore BME680: è un sensore di precisione utilizzato per misurare la pressione, l’umidità, la temperatura e la presenza di Gas;
  • sensore BH1749NUC: si tratta di un sensore digitale del colore, utilizzato per rilevare con precisione il tasso di illuminazione e della temperatura colore della luce ambientale;
  • buzzer AST7525MATRQ: è un buzzer usato per riprodurre un suono audio;
  • sensore RCWL-0516: è un sensore Radar a microonde utilizzato per la rilevazione del movimento;
  • termistore NTCS0805E3103FLT: è un termistore NTC per la misura della temperatura;
  • schermo ILI9341: si tratta di un display LCD TFT per la visualizzazione dei dati e delle informazioni;
  • laser VL53L0X: modulo laser per la misura delle distanze;
  • sensore SW-420: usato per la rilevazione delle vibrazioni;
  • sensore OPT3004DNPR: sensore digitale di luce ambientale per misurare l’intensità della luce visibile;
  • microfono CMM-3722AT-42117-TR: microfono MEMS per il rilevamento del suono nell’ambiente circostante;
  • connettore AJU55-BS2111-L: si tratta del connettore micro USB B usato per il collegamento USB da nRF52 a un dispositivo esterno;
  • connettore d’antenna 5141-05RZDNWR01: si tratta del connettore NFC per antenna;
  • slot CM1402-03CP SF72S006VBAR2500: è il connettore per scheda SIM che permette l’inserimento della scheda SIM per operare con il modulo GSM;
  • alimentazione ADP536x: è il circuito integrato per la gestione dell’alimentazione.

Figura 1: il diagramma a blocchi della scheda di sviluppo

Esaminiamo, adesso, i vari componenti fisici e logici della scheda di sviluppo.

Il cuore del sistema: l’nRF52840

Si tratta di un SoC basato su Bluetooth 5 (vedi figura 2). Supporta i protocolli per Bluetooth 5, Bluetooth Mesh, Zigbee, Thread, ANT, stack proprietari 802.15.4 e 2.4 Ghz. Le caratteristiche principali di questo SoC sono:

  • ARM Cortex M4 a 32 bit;
  • Flash da 1 MB;
  • Bluetooth 5 e Bluetooth Mesh;
  • Zigbee;
  • UART, SPI, I2S, PDM, QSPI;
  • USB 2.0;
  • NFC-A.

E il processore principale della scheda di sviluppo e ha molta potenza di elaborazione, memoria e velocità per qualsiasi tipologia di applicazione. Inoltre esso dissipa bassa potenza grazie a un sistema di gestione dell’alimentazione adattivo su chip. Tutti i sensori e le periferiche sopra elencati possono essere controllati da questo controller principale direttamente o indirettamente.

Figura 2: il processore principale nRF52840 e la sua dislocazione sulla scheda

SOC nRF9160

Questo SiP (System In Package) nRF9160 viene utilizzato per aggiungere un sistema LTE a bassa potenza e la funzionalità di ricevitore GPS nella scheda di sviluppo (vedi in figura 3). Comunica con il processore principale Nrf52 tramite protocollo I2C. Il SiP è a bassa potenza e compatto e ha le seguenti caratteristiche:

  • 64 Mhz;
  • SiP completamente integrato per modem cellulare IoT multimodale LTE-M/NB-IoT con GPS;
  • Banda LTE 700-2200 Mhz;
  • 1 MB Flash 256 KB di RAM;
  • Cortex-M33 da 64 Mhz;
  • Supporto SIM ed eSIM.

Esp-12

Il modulo WiFi ESP 12 è implementato nella scheda di sviluppo per l’integrazione Wi-Fi (vedi in figura 4). Questo modulo comunica con il processore principale nRF52 tramite UART. Esso funziona a bassissima potenza ed è di piccole dimensioni, con le seguenti caratteristiche:

  • MCU a 32 bit;
  • 80 Mhz / 160 Mhz;
  • antenna Wi-Fi a bordo;
  • supporta RTOS;
  • stack del protocollo TCP/IP.

Figura 4: il modulo WiFi ESP12 e la sua dislocazione sulla scheda

Questi tre moduli sono i controller principali e forniscono tutte le funzionalità alla scheda di sviluppo. Di seguito sono riportati i dettagli dei sensori che si interfacciano alla stessa scheda di sviluppo.

Modulo MPU-9250

Si tratta di un modulo multi-chip (MCM) che contiene un magnetometro a 3 assi della Asahi Kasei Microdevices Corporation, un accelerometro a 3 assi e un giroscopio a 3 assi (vedi in figura 5). Esso comunica con l’MCU master con bus I2C. Le sue caratteristiche sono le seguenti :

  • Giroscopio:
    • sensori di velocità angolare degli assi X, Y e Z con uscita digitale con fondo scala programmabile dall’utente +250, +500, +1000 e + 2000 °/sec e ADC a 16 bit;
    • filtro passa basso programmabile;
    • corrente di funzionamento di 3.2 mA;
  • Accelerometro:
    • triassiale con fondo scala programmabile di + 2g, + 4g, + 8g, + 16g e ADC a 16 bit;
    • bassa corrente di esercizio di 450uA;
    • interrupt programmabili;
    • modalità a basso consumo: 8.4uA a 0.98 Hz e 19.8uA a 31.25 Hz;
  • Magnetometro
    • sensore magnetico a effetto Hall monolitico in silicio a tre assi con concentratore magnetico;
    • risoluzione dei dati a 14 bit (0.6uT / LSB);
    • l’intervallo di misurazione del fondo scala è +4800 uT;
    • corrente di 280 uA alla frequenza di 8 Hz;

Figura 5: Il modulo MPU-9250

Sensore BME680

Il BME680 è un sensore in grado di misurare la temperatura ambientale, l’umidità relativa, la pressione barometrica e i composti organici volatili nell’aria. Comunica con la MCU master con bus I2C. Le sue caratteristiche principali sono le seguenti:

  • precisione nella misurazione dell’umidità +3%;
  • precisione assoluta della misurazione della pressione barometrica +1 hPa;
  • precisione della temperatura di +1.0° C;
  • precisione dell’altimetro di 1 metro;
  • può essere utilizzato per una rapida localizzazione GPS e una migliore navigazione.

Figura 6: il sensore di temperatura BME680

Sensore dei colori BH1749NUC

Si tratta di un ottimo sensore di colori RGB digitale, mostrato in figura 7. Questo IC converte la luce infrarossa, rossa, blu e verde in valori digitali. È ampiamente utilizzato come regolazione della retroilluminazione LCD di cellulari, tablet, PC e TV. Comunica con la MCU master con bus I2C. Le sue caratteristiche sono le seguenti:

  • filtro Ircut;
  • risoluzione 0.0125 lx/conteggio;
  • è possibile selezionare 2 tipi di indirizzi slave I2C.

Figura 7: il sensore di colori BH1749NUC

Buzzer AST7525MATRQ

La figura 8 mostra l’AST7525MATRQ, un dispositivo per la segnalazione acustica (buzzer). E’ collegato all’nrf9160 tramite GPIO. Ha un livello di pressione sonora di 85 dB/min a 10 cm, alla tensione nominale di 3.6 V. Il massimo consumo di corrente è di 100 mA, mentre la sua frequenza di oscillazione è pari a 2700 Hz.

Figura 8: il buzzer AST7525MATRQ

La figura 9 mostra la disposizione dei quattro dispositivi MPU-9250 (Multichip), BME680 (termometro), BH1749NUC (sensore di colori) e AST7525MATRQ (buzzer) sulla scheda di sviluppo.

Figura 9: la disposizione dei quattro dispositivi MPU-9250, BME680, BH1749NUC e AST7525MATRQ sulla scheda di sviluppo

Radar RCWL-0516

L’RCWL-0516 (mostrato in figura 10) è un modulo sensore radar a microonde per il rilevamento del movimento. Esso è collegato al controller nrf52 tramite GPIO. La porta logica commuta a livello logico alto in caso di rilevamento del movimento e a 0 V quando non viene rilevato alcun movimento.

Figura 10: il radar a microonde RCWL-0516

NTC NTCS0805E3103FLT

Si tratta di un termistore NTC a basso ingombro (vedi in figura 11). Ha una precisione dell’1%. L’intervallo di misurazione della temperatura è compreso tra -40° C e + 150° C. E’ collegato al controller nRF52 tramite GPIO e la temperatura è calcolata dal controller utilizzando il convertitore ADC.

Figura 11: L’NTC smt NTCS0805E3103FLT

Display ILI9341

ILI9341 è un display LCD TFT basato su SPI dalla risoluzione di 240 x 320 pixel, come mostrato in figura 12. Dispone di bus dati a 8/9/16/18 bit e SPI di linea per interfaccia MCU. Questo LCD TFT è interfacciato con il controller nRF52 tramite linea SPI. Si tratta di un SoC a chip singolo a 262144 colori. In questa scheda di sviluppo esso può essere utilizzato per visualizzare qualsiasi tipo di informazione con colori RGB e risoluzione di 240 x 320 punti. Può essere facilmente utilizzato per molte applicazioni in cui l’hardware deve mostrare tanti dati al consumatore in modo sofisticato ed esteticamente bello.

Figura 12: il display LCD TFT ILI9341

In figura 13 è possibile osservare la disposizione del radar RCWL-0516, dell’NTC NTCS0805E3103FLT e del display ILI9341.

Sensore VL53L0X

VL53L0X è un sensore laser ultra-piccolo per il rilevamento del “time of flight” e utilizza l’interfaccia I2C per comunicare con il controller nrf52. E’ Visibile in figura 14. Esso ha le seguenti caratteristiche:

  • laser VCSEL da 940 nm;
  • misura di portata assoluta fino a 2 m;
  • segnale invisibile all’occhio umano;
  • indirizzo I2C programmabile.

Figura 14: il sensore laser ultra-piccolo VL53L0X

Sensore di vibrazione SW-420

SW-420 è un sensore di vibrazione non direzionale ad alta sensibilità (vedi in figura 15). L’uscita del sensore è a livello logico alto quando non c’è movimento e il modulo è stabile, mentre l’uscita è bassa quando c’è una vibrazione o un movimento sul sensore. E’ utilizzato per applicazioni automobilistiche, ciclistiche e per antifurto per moto. Può essere usato in applicazioni ludiche, di giochi e per il rilevamento di vibrazioni.

Figura 15: il sensore di vibrazione SW-420

Il sensore di luce OPT3004DNPR

Si tratta di un sensore di illuminazione ambientale che misura l’intensità della luce visibile (figura 16). E’, in pratica, un luxmetro a chip singolo che misura accuratamente l’intensità della luce vista dall’occhio umano. Ha le seguenti caratteristiche:

  • intervallo di misurazione da 0.01 lux a 83k lux;
  • filtraggio ottico di precisione, elimina più del 99% di IR su un angolo di incidenza pari a 85°;
  • gamma effettiva di 23 bit;
  • consumo di corrente molto basso, tipicamente 1.8 uA;

Figura 16: il sensore di illuminazione ambientale OPT3004DNPR

Microfono CMM-3722AT-42117-TR

Il CMM-3722AT-42117-TR è un microfono MEMS (micro-elettro-meccanico). Questo microfono è utilizzato per misurare l’ampiezza delle frequenze che si trovano all’interno della gamma udibile dall’uomo (vedi in figura 17). In questa scheda di sviluppo è implementato come rilevatore di rumore e può essere utilizzato in qualsiasi tipo di applicazione. Esso ha le seguenti caratteristiche:

  • è omnidirezionale;
  • sensibilità di -41 dB a 1 Khz, 94 dB SPL (livello di pressione sonora);
  • S/N (rapporto segnale / rumore) pari a 57 dBA ;
  • impedenza di uscita di 300 Ohm a 1 Khz.

Figura 17: il microfono MEMS CMM-3722AT-42117-TR

Tutti i sensori e i moduli comunicano con il processore principale per eseguire un controllo completo a 360°. Qualsiasi tipologia di applicazione IoT incorporata può essere implementata facilmente sulla scheda di sviluppo.

Schemi elettrici

Come ogni sistema di sviluppo basato su MCU, dispositivi e sensori digitali, lo schema elettrico risulta estremamente complesso. I prototipi dovrebbero essere prodotti industrialmente, dal momento che alcune piste del PCB risultano molto sottili. La figura 18 riporta lo schema elettrico dell’unità di governo principale, rappresentata dalla MCU nRF52840.

Conclusioni

La Gravity Board è una scheda di sviluppo eccezionale, che può risultare utile per qualsiasi tipologia di applicazione, anche di tipo IoT. Sebbene il suo costo finale potrebbe essere un tantino più elevato di altre schede, occorre considerare il fatto che essa ospita a bordo praticamente qualsiasi tipologia di sensoristica e il progettista non ha, pertanto, l’incombenza di ricercare e procurare altri componenti esterni. Per ulteriori informazioni sui PCB e sugli schemi elettrici, nonché qualsiasi altra indicazione tecnica e pratica sulla scheda, è possibile contattare i relativi autori e creatori della stessa.

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