SCHEDA I/O Expansion Shield V5 ultimo aggiornamento 14 gennaio 2012

La scheda di espansione DFRobot I/O Expansion Shield V5 è la versione aggiornata della V4. Questa nuova versione ora supporta il modulo Xbee.
Supporta anche la scheda di memoria SD che consente l'espansione finale delle funzioni di Arduino. Come il suo predecessore, supporta RS485, APC220, comunicazione Bluetooth, controllo servo.

Specifiche Supporto RS485 Supporto Xbee (Xbee pro) Supporto  Bluetooth Supporto APC220 Supporto SD card lettura / scrittura

Dall’analisi dello schema generale possiamo identificare varie parti che analizzeremo singolarmente. La sezione dedicata all’interfaccia con il modulo XBee, la sezione alimentazione per modulo XBee e l’interfaccia RS485.    Passiamo così all'analisi delle singole parti del circuito.

Schema generale della I/O Expansion Shield V5

SS14 - diodo Schottky - 1A
	Codice RS  652-7551
Piedinatura	Datasheet	Foto

Specifiche

9013 Transistor NPN
Piedinatura	Datasheet	Foto del transistor

Led smd 0603
	Codice RS 466-3683 , 466-3728
Piedinatura	Datasheet (Verde, Rosso)	Foto

Specifiche

Sezione interfaccia modulo XBee

Sulla scheda è presente un apposito zoccolo per l'installazione di un modulo XBee (XBee pro). Come visibile nello schema non tutti i pin sono connessi ma lo sono solamente quelli necessari alla comunicazione seriale e all’alimentazione del modulo e riportati nella Tabella

Schema sezione interfaccia XBee

Dato che i moduli XBee funzionano a 3,3Volt, mentre il resto del circuito funziona a +5V occorre compiere degli adattamenti di livello.
Per la comunicazione da XBee verso Arduino non è necessario nessun adattamento poiché il processore essendo un dispositivo TTL, riconosce come livello logico alto una qualsiasi tensione superiore a 2Volt, avendo l’XBee un livello logico alto posto a 3,3 Volt il problema di adattamento non sussiste. Per i segnali in arrivo verso XBee, invece, dovremo adattare il segnale giacché il livello logico alto è di 5 Volt, troppo per i circuiti interni dell’XBee.
La soluzione utilizzata consiste nell’utilizzare un semplicissimo partitore di tensione fatto con due resistenze R9 e R10 da valore di 10 e 15 kΏ rispettivamente. Dai valori utilizzati si ricava che dal livello logico TTL alto (5V), in uscita dal partitore avremo una tensione pari a +3V

Caratteristiche principali delle varie serie di moduli XBee

Alimentatore per modulo XBee

Per l'alimentazione del modulo XBee che deve essere di 3.3V è presente un apposito circuito (Figura 24) che riduce la tensione di 5V a quella di 3.3V necessaria al modulo.

Schema elettrico della sezione alimentatrice

L'integrato utilizzato è un CX1117-3.3 in contenitore SOT-223, che è un regolatore di tensione fisso in grado di garantire una corrente d’uscita di 1A, possiede inoltre un basso valore di drop-out che è garantito a un massimo 1.3V con la massima corrente di uscita.

CX 1117 1A Low dropout voltage regulator
Piedinatura	Datasheet	Foto dell'integrato

L'interfaccia RS485

Sulla scheda è presente la circuiteria per utilizzare un’interfaccia RS485 in alternativa al modulo XBee, il cui circuito è riportato sotto

Il bus di collegamento RS485 è generalmente formato da un cavo con due conduttori attorcigliati (twisted-pair) e una schermatura che collega i vari dispositivi.

Un bus formato da due soli fili è un bus detto half-duplex nulla toglie di raddoppiare il bus portandolo a quattro fili e ottenendo così un bus full-duplex.
Un buon bus RS485 lo si ottiene restando tra i 400 e i 500m di lunghezza massima. Ovviamente riducendo la velocità del bus è possibile arrivare anche a 1200m.
Poiché i moduli collegati sulla rete risentono anche notevolmente delle differenze di massa che si vengono a creare, soprattutto su reti molto lunghe, è consigliabile usare degli accoppiatori RS485 separati galvanicamente.
La trasmissione e del tipo differenziale ovvero il segnale è il risultato della differenza tra le tensioni dei due fili che compongono il bus

I trasmettitori RS485 mettono a disposizione (sotto carico) un livello in uscita di ±2 V tra le uscite A e B, i ricevitori riconoscono livelli di ±200 mV ancora come segnale valido.
Questa tecnica permette un'ottima immunità ai disturbi anche su tratte di cavo molto lunghe.
Tipicamente la sezione del cavo può essere di 24 o 22 AWG per medie distanze, e dovrà essere aumentata nel caso di lunghe tratte.
Per minimizzare le riflessioni, il primo e l'ultimo dispositivo della rete devono avere una resistenza terminatrice collegata in parallelo alla linea.
L'opzione sopra non è vera nel caso la linea sia fatta a stella per cui la posizione della resistenza di terminazione andrà provata sperimentalmente.
In questo tipo di rete, peraltro molto rara, si mette una resistenza di terminazione sul centro stella e la seconda resistenza sul nodo più lontano dal centro stella.
Lo standard RS485 teoricamente può supportare fino a 32 dispositivi connessi sul bus (con i moderni 485 si arriva tranquillamente a 128 nodi e con alcuni 485 particolari e per questo costosi si arriva sino a 256 nodi).
Tipicamente è necessario usare resistenze di terminazione il cui valore varia da 120 a 560 ohm, si veda più avanti le spiegazioni su come scegliere le resistenze di terminazione.

L’integrato utilizzato è un SP485CN-L prodotto dalla Exar Corporation ed è un Half Duplex RS-485 Transceiver con una velocità di trasferimento di 5 Mbps, un’alimentazione a 5V e basso assorbimento (900 μA) in contenitore NSOIC-8, la piedinatura è visibile nella Figura e nella Tabella.
I jumper J1-J2-J3 permettono di selezionare se il segnale della seriale di Arduino deve essere connessa al modulo XBee o alla RS 485.
Il pin 2 è connesso al pin che abilita la trasmissione/ricezione.  Del circuito fa parte la resistenza R7 (120 Ώ), l’altra sarà in parallelo all’altra estremità della linea, troviamo inoltre le resistenze R3 e R4 (2,2 k Ώ) che forniscono la polarizzazione.

SP485CN Low Power Half-Duplex RS-485 Transceivers
	Codice RS 686-5670
Piedinatura	Datasheet	Foto dell'integrato

Specifiche

Modifica dei connettori

Per poter permette l'impilamento della scheda è possibile rimuovere gli attuali connettori maschi e sostituirli con connettori femmina con pin allungati.