HackerBox 0051: MCU Lab: 10 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Zdravím hackery HackerBox z celého světa! HackerBox 0051 představuje laboratoř HackerBox MCU. MCU Lab je vývojová platforma pro testování, vývoj a prototypování s mikrokontroléry a moduly mikrokontroléru. K prozkoumání funkčních bloků laboratoře MCU se používá Arduino Nano, modul ESP32 a SMT32 Black Pill. Bloky funkcí MCU Lab zahrnují přepínače, tlačítka, LED diody, OLED displej, bzučák, potenciometr, RGB pixel, posunovač logické úrovně, výstup VGA, vstup pro klávesnici PS/2, sériové rozhraní USB a oblasti prototypování bez pájení.

Tato příručka obsahuje informace o tom, jak začít s HackerBox 0051, který lze zakoupit zde do vyprodání zásob. Pokud byste chtěli každý měsíc dostávat HackerBox přímo do své schránky, přihlaste se k odběru na HackerBoxes.com a připojte se k revoluci!

HackerBoxes je služba měsíčního předplatného pro hardwarové hackery a nadšence do elektroniky a výpočetní techniky. Přidejte se k nám a žijme HACK LIFE.

Krok 1: Seznam obsahu pro HackerBox 0051

• MCU modul 1: Arduino Nano 5V, 16MHz
• Modul MCU 2: WEMOS ESP32 Lite
• Modul MCU 3: Černá pilulka STM32F103C8T6
• Exkluzivní deska plošných spojů MCU Lab
• Sériový adaptér FT232RL USB
• OLED 128x64 displej I2C 0,96 palce
• Obousměrný 8bitový řadič logické úrovně
• WS2812B RGB SMD LED
• Čtyři hmatová tlačítka pro povrchovou montáž
• Čtyři červené rozptýlené 5mm LED diody
• Piezo bzučák
• Konektor VGA HD15
• Konektor klávesnice Mini-DIN PS/2
• Potenciometr 100K Ohm
• 8polohový přepínač DIP
• AMS1117 3,3V lineární regulátor SOT223
• Dva tantalové kondenzátory 22uF 1206 SMD
• Deset rezistorů 680 ohmů
• Čtyři lepicí gumové nohy PCB
• Dva 170bodové mini pájecí prkénka
• Jedenáct 8kolíkových zásuvkových konektorů
• Odlamovací hlavička 40 pinů
• Balíček 65 propojovacích kabelů
• Nálepka se zvýšenou deskou na desce s plošnými spoji
• Štítek Hack The Planet Smiley Pirate
• Exkluzivní klíčenka HackerBox „Odebrat před letem“

Některé další věci, které budou užitečné:

• Páječka, pájka a základní pájecí nástroje
• Počítač pro spouštění softwarových nástrojů

A co je nejdůležitější, budete potřebovat smysl pro dobrodružství, hackerského ducha, trpělivost a zvědavost. Vytváření a experimentování s elektronikou, i když je velmi přínosné, může být občas ošidné, náročné a dokonce frustrující. Cílem je pokrok, ne dokonalost. Když vytrváte a užíváte si dobrodružství, lze z tohoto koníčku odvodit velké uspokojení. Udělejte každý krok pomalu, pamatujte na detaily a nebojte se požádat o pomoc.

Ve FAQ HackerBoxes je k dispozici velké množství informací pro současné i potenciální členy. Téměř všechny e-maily netechnické podpory, které dostáváme, jsou zde již zodpovězeny, takže si velmi vážíme toho, že jste si přečetli FAQ několik minut.

Krok 2: HackerBoxes MCU Lab

MCU Lab je kompaktní, leštěná verze vývojové platformy, kterou používáme k prototypování a testování různých návrhů založených na mikrořadiči (MCU). Je to velmi užitečné pro práci s moduly MCU (jako je Arduino Nano, ESP32 DevKit atd.) Nebo jednotlivými balíky zařízení MCU (jako ATMEGA328s, ATtiny85s, PIC atd.). Cílové MCU lze umístit do kteréhokoli z mini nepájivých prkének. Dva MCU lze propojit dohromady pomocí obou nepájivých desek nebo jeden z prostorů na prkénku lze použít pro jiné obvody.

„Funkční bloky“laboratoře MCU jsou rozděleny do ženských záhlaví podobných těm, které se nacházejí na Arduino UNO. Samice záhlaví jsou kompatibilní s kolíkovými propojovacími kolíky.

Krok 3: Sestavte laboratoř HackerBoxes MCU

KOMPONENTY SMD NA ZADNÍ DESCE

Začněte montáží lineárního regulátoru AMS1117 (balíček SOT 233) a dvou filtračních kondenzátorů 22uF na zadní stranu desky plošných spojů. Všimněte si, že jedna strana sítotisku každého kondenzátoru je obdélníková a druhá strana je osmiúhelníková. Kondenzátory by měly být orientovány tak, aby tmavé stipe na obalu bylo zarovnáno se stranou osmiúhelníkového sítotisku.

POKRAČUJTE S KOMPONENTY PŘED PALUBOU

Pájejte RGB LED WS2812B. Orientujte bíle označený roh každé LED diody tak, aby odpovídal rohu se záložkami, jak je znázorněno na sítotisku PCB.

Čtyři hmatová tlačítka SMD

Čtyři červené LED se čtyřmi odpory

Posuvník úrovně s označením VA pin nejbližší 3V3 a VB pin nejbližší 5V. Modul Level Shifter lze namontovat v jedné rovině s deskou plošných spojů pájením hlaviček k modulu a následným vysunutím černých plastových distančních vložek ze záhlaví před montáží modulu na desku plošných spojů MCU Lab. Nechat rozpěrky zapnuté je také v pořádku.

Pro připojení modulu FT232 lze oddělit dva proužky záhlaví. Menší 4pólovou sekci záhlaví lze také použít pro 5V/GND záhlaví hned vedle modulu FT232.

Prozatím naplňte hlavičku VGA samice nejblíže konektoru HD15 VGA a zásuvce klávesnice. NEPOPULUJTE další záhlaví sousedící s jedním nebo pěti odpory mezi těmito dvěma záhlavími. Konkrétní možnosti pro propojení videosignálu jsou diskutovány později.

Naplňte dalších devět ženských záhlaví.

Odstraňte lepidlo ze zadní strany obou nepájivých prkének a připevněte je k desce MCU Lab PCB.

Umístěte lepicí gumové nožičky na spodní stranu PCB MCU Lab, aby byl váš pracovní stůl chráněn před poškrábáním.

MANIPULACE S NAPÁJENÍM NAPÁJENÍ

V laboratoři MCU existují nejméně dvě a pravděpodobně až čtyři místa, kde může dojít k napájení. To může způsobit potíže, proto vždy pečlivě zvažte následující pokyny:

Všechny záhlaví označené 5V jsou připojeny. Lišta 5V se také připojuje k zásuvce klávesnice, řadiči úrovně a RGB LED WS2812B. Napájení lze dodávat na kolejnici 5 V zapojením FT232 do USB, připojením čtyřpólového napájecího konektoru k externímu napájení nebo propojením propojky z jednoho z 5V kolíků na desce plošných spojů k napájenému 5V modulu (obvykle napájenému z USB).

Podobně jsou všechny piny GND propojeny. Připojují se k USB GND na FT232 (za předpokladu, že USB je připojeno k FT232). Mohou být také spojeny se zemí pomocí propojky mezi jedním z nich a napájeným modulem, jak je popsáno u 5V sítě.

Lišta 3V3 je poháněna regulátorem na zadní straně desky plošných spojů. Je to pouze zdroj a (na rozdíl od 5V kolejnice) by neměl být řízen žádnými moduly nebo jinými obvody, protože je napájen přímo z regulátoru na kolejnici 5V.

Krok 4: Modul Arduino Nano MCU

Jedním z nejběžnějších modulů MCU současnosti je Arduino Nano. Přiložená deska Arduino Nano je dodávána s kolíky záhlaví, ale nejsou připájeny k modulu. Nechte piny prozatím vypnuté. Proveďte tyto počáteční testy na modulu Arduino Nano před pájením na kolících záhlaví. Vše, co potřebujete, je microUSB kabel a deska Arduino Nano, jak je, vychází z tašky.

Arduino Nano je miniaturizovaná deska Arduino s integrovaným USB pro povrchovou montáž, vhodná pro prkénko. Je úžasně plnohodnotný a snadno hacknutelný.

Funkce:

• Mikrokontrolér: Atmel ATmega328P
• Napětí: 5V
• Digitální I/O piny: 14 (6 PWM)
• Analogové vstupní piny: 8
• Stejnosměrný proud na pin I/O: 40 mA
• Flash paměť: 32 KB (2 kB pro bootloader)
• SRAM: 2 kB
• EEPROM: 1 kB
• Taktovací frekvence: 16 MHz
• Rozměry: 17 mm x 43 mm

Tato konkrétní varianta Arduino Nano je černý Robotdyn Nano. Obsahuje integrovaný port MicroUSB připojený k USB/sériovému čipu CH340G. Podrobné informace o CH340 (a ovladačích, je -li to nutné) najdete zde.

Když poprvé zapojíte Arduino Nano do USB portu vašeho počítače, měla by se rozsvítit zelená kontrolka napájení a krátce poté by měla pomalu pomalu blikat modrá LED. K tomu dochází, protože v Nano je předinstalován program BLINK, který běží na zbrusu novém Arduino Nano.

SOFTWARE: Pokud ještě nemáte nainstalované Arduino IDE, můžete si jej stáhnout z Arduino.cc

Připojte Nano do kabelu MicroUSB a druhý konec kabelu do portu USB v počítači. Spusťte software Arduino IDE. Vyberte „Arduino Nano“v IDE v části nástroje> deska a „ATmega328P (starý zavaděč)“v nabídce nástroje> procesor. V nabídce Nástroje> port vyberte příslušný port USB (pravděpodobně se jedná o název s „wchusb“).

Nakonec načtěte část ukázkového kódu: Soubor-> Příklady-> Základy-> Mrkněte

Blink je ve skutečnosti kód, který byl předem načten do Nano a měl by právě běžet, aby pomalu blikal modrý indikátor LED. Pokud tedy načteme tento ukázkový kód, nic se nezmění. Místo toho trochu upravme kód.

Když se podíváte pozorně, můžete vidět, že program zapne LED, čeká 1000 milisekund (jedna sekunda), vypne LED, čeká další sekundu a pak to udělá znovu - navždy.

Upravte kód změnou obou příkazů „zpoždění (1000)“na „zpoždění (100)“. Tato úprava způsobí, že LED bliká desetkrát rychleji, že?

Načtěte upravený kód do Nano kliknutím na tlačítko UPLOAD (ikona šipky) těsně nad upraveným kódem. Pod kódem najdete informace o stavu: „kompilace“a poté „nahrávání“. Nakonec by IDE mělo indikovat „Nahrávání dokončeno“a vaše LED by měla blikat rychleji.

Pokud ano, gratulujeme! Právě jste hackli svůj první kousek vloženého kódu.

Jakmile je verze rychlého blikání načtena a spuštěna, proč nezkusit, zda můžete kód znovu změnit, aby LED dvakrát rychle blikla, a poté počkat několik sekund, než to zopakujete? Pokusit se! A co nějaké další vzory? Jakmile uspějete ve vizualizaci požadovaného výsledku, jeho kódování a pozorování, aby fungovalo podle plánu, udělali jste obrovský krok k tomu, abyste se stali kompetentním hardwarovým hackerem.

Nyní, když jste potvrdili činnost modulu Nano, pokračujte a připájejte na něj kolíky záhlaví. Jakmile jsou připojeny záhlaví, modul lze snadno použít v jednom z nepájivých prkének MCU Lab. Tento proces testování modulu MCU stažením jednoduchého testovacího kódu, úpravou a opětovným stažením je osvědčeným postupem při použití nového modulu MCU nového nebo jiného typu.

Pokud byste chtěli další úvodní informace pro práci v ekosystému Arduino, doporučujeme vám podívat se do Průvodce pro úvodní workshop HackerBoxes, který obsahuje několik příkladů a odkaz na učebnici Arduino PDF.

Krok 5: Prozkoumejte laboratoř MCU s Arduino Nano

POTENCIOMETR

Připojte středový pin potenciometru k Nano Pin A0.

Načíst a spustit: Příklady> Analogový> Analogový vstup

Příkladem je výchozí LED na palubě Nano. Otáčením potenciometru změňte rychlost blikání.

Upravit:

V kódu změňte LedPin = 13 na 4

Propojka z Nano Pin 4 (a GND) na jednu z červených LED v laboratoři MCU.

BZUČÁK

Propojka z bzučáku na nano pin 8. Ujistěte se, že GND desky je připojeno ke GND napájeného Nano, protože zem bzučáku je pevně připojena k GND síti desky.

Načíst a spustit: Příklady> Digitální> toneMelody

OLED DISPLEJ

V Arduino IDE nainstalujte pomocí správce knihovny „ssd1306“od Alexey Dyna.

Připojte OLED: GND na GND, VCC na 5V, SCL na Nano A5, SDA na Nano A4

Načíst a spustit: Příklady> ssd1306> ukázky> ssd1306_demo

WS2812B RGB LED

V Arduino IDE nainstalujte FastLED pomocí správce knihovny

Připojte kolíkový konektor WS2812 ke kolíku Nano 5.

Načíst: Příklady> FastLED> ColorPalette

Změňte NUM_LEDS na 1 a LED_TYPE na WS2812B

Zkompilovat a spustit

NAPIŠTE NĚKTERÝ KÓD PRO CVIČENÍ TLAČÍTEK A SPÍNAČŮ

Nezapomeňte použít pinMode (INPUT_PULLUP) ke čtení tlačítka bez přidání odporu.

KOMBINUJTE NĚKTERÉ Z TĚCHTO PŘÍKLADŮ SPOLEČNĚ

Například zajímavým způsobem cyklujte výstupy a zobrazujte stavy nebo vstupní hodnoty na OLED nebo sériovém monitoru.

Krok 6: WEMOS ESP32 Lite

Mikroprocesor ESP32 (MCU) je levný systém s nízkým výkonem na čipu (SOC) s integrovaným Wi-Fi a duálním režimem Bluetooth. ESP32 využívá jádro Tensilica Xtensa LX6 a obsahuje vestavěné anténní přepínače, RF balun, výkonový zesilovač, zesilovač s nízkošumovým příjmem, filtry a moduly pro správu napájení. (Wikipedie)

Modul WEMOS ESP32 Lite je kompaktnější než předchozí verze, což usnadňuje použití na nepájivém prkénku.

Proveďte svůj první test modulu WEMOS ESP32 před připájením kolíků záhlaví na modul.

Nastavte podpůrný balíček ESP32 v Arduino IDE.

V části nástroje> deska nezapomeňte vybrat „WeMos LOLIN32“

Vložte ukázkový kód do složky Soubory> Příklady> Základy> Mrkněte a naprogramujte jej do WeMos LOLIN32

Ukázkový program by měl způsobit blikání LED na modulu. Experimentujte s úpravou parametrů zpoždění, aby LED blikala s různými vzory. Toto je vždy dobré cvičení k vybudování důvěry v programování nového modulu mikrokontroléru.

Jakmile budete s provozem modulu a s jeho programováním spokojeni, opatrně připájejte dvě řady kolíků záhlaví na místo a znovu vyzkoušejte zaváděcí programy.

Krok 7: Generování videa ESP32

Toto video ukazuje knihovnu ESP32 VGA a velmi pěkný a jednoduchý návod z bitluniho laboratoře.

Předvedená 3bitová implementace (8 barev) využívá přímé drátové propojky mezi modulem ESP32 a konektorem VGA. Provedení těchto připojení na záhlaví VGA MCU Lab je poměrně snadné, protože nejsou zapojeny žádné další součásti.

V závislosti na použitém MCU, jeho úrovni napětí, rozlišeních pixelů a požadovaných barevných hloubkách existují různé kombinace řadových odporů a odporových sítí, které lze umístit mezi MCU a VGA záhlaví. Pokud se rozhodnete trvale používat inline odpory, lze je připájet na desku plošných spojů MCU Lab. Pokud si přejete zachovat flexibilitu a zejména chcete -li používat komplexnější řešení, pak se doporučuje nepájet žádné odpory na místo a jednoduše použít pomocí nepájivých desek a VGA záhlaví připojit potřebné odpory.

Například pro implementaci 14bitového barevného režimu bituni zobrazeného na konci videa lze modul ESP32 umístit na jednu z mini pájecích desek a druhou bezspájkovou desku lze použít k připojení žebříků odporů.

Zde je několik dalších příkladů:

V HackerBox 0047 Arduino Nano pohání jednoduchý VGA výstup se 4 odpory.

Emulátor VIC20 je implementován na ESP32 pomocí rezistorů FabGL a 6.

Implementujte základní počítač pomocí odporů ESP32 a 3.

Hrajte Space Invaders na ESP32 pomocí FabGL a 6 rezistorů.

Generujte výstup VGA na STM32 se 6 odpory.

Simultánní textové a grafické vrstvy na STM32 s ukázkou videa.

Krok 8: Modul MCU s černou pilulkou STM32F103C8T6

Černá pilulka je modul MCU založený na STM32. Je to vylepšená varianta běžné Blue Pill a méně obvyklé Red Pill.

Černá pilulka je vybavena 32bitovým mikrokontrolérem STM32F103C8T6 32bit ARM M3 (datový list), čtyřpólovým konektorem ST-Link, portem MicroUSB a uživatelskou LED na PB12. Pro správnou funkci USB portu je nainstalován správný pull-up odpor na PA12. Tento pull-up obvykle vyžadoval úpravu desky na jiných Pill Boards.

Přestože je Black Pill svým vzhledem podobný Arduino Nano, je mnohem silnější. 32bitový mikrokontrolér STM32F103C8T6 ARM může pracovat na frekvenci 72 MHz. Může provádět jednostupňové násobení a dělení hardwaru. Má 64 kB paměti Flash a 20 kB paměti SRAM.

Programování STM32 z Arduino IDE.

Krok 9: 8bitový řadič logické úrovně TXS0108E

Datový list TXS0108E je 8bitový obousměrný řadič logické úrovně. Modul je nastaven na signály posunu úrovně mezi 3,3 V a 5 V.

Protože kanály úrovně signálu jsou obousměrné, mohou plovoucí vstupy způsobit neúmyslné řízení odpovídajících výstupů. K ochraně v takových scénářích je k dispozici ovládání výstupu (OE). V závislosti na tom, jak je řadicí páka připojena, je třeba dbát na to, aby výstup z řadicí páky (buď „úmyslný“nebo kvůli plovoucímu vstupu na druhé straně) nikdy nemohl křížově řídit výstup z jiného zařízení.

OE pin je ponechán odpojený ve stopách DPS. Pod modulem je k dispozici dvoukolíkový konektor pro připojení OE a 3V3. Zkratováním dvoukolíkového konektoru (pomocí kousku drátu nebo propojovacího bloku) se připojuje OE na 3V3, což umožňuje integrovanému obvodu řídit jeho výstupy. K OE pinu lze také připojit pulldown odpor a logické řízení.

Krok 10: HackLife

Doufáme, že si tento měsíc užijete dobrodružství HackerBox v oblasti elektroniky a výpočetní techniky. Oslovte a podělte se o svůj úspěch v níže uvedených komentářích nebo na facebookové skupině HackerBoxes. Pamatujte také, že pokud máte dotaz nebo potřebujete pomoc, můžete kdykoli poslat e -mail na adresu [email protected].

Co bude dál? Připojte se k revoluci. Žijte HackLife. Nechte si každý měsíc doručit skvělou krabici hackerského vybavení přímo do vaší poštovní schránky. Procházejte stránky HackerBoxes.com a zaregistrujte se k odběru měsíčního předplatného HackerBox.