具有集成LoRa和CAN總線的ATMEGA328P模塊

PCB圖如下：

描述

具有集成 LoRa 和 CAN 總線的 ATMEGA328P 模塊

具有集成 LoRa 和 CAN-BUS 的 ATMEGA328P 模塊

介紹

為了完善我的 LoRa 遙測系統(tǒng)，我已經(jīng)完成了很多原型。這篇文章將重點介紹下一個節(jié)點設計。由于我將部署系統(tǒng)的區(qū)域非常大，但邊界圍欄線大致呈方形，我決定嘗試減少覆蓋整個區(qū)域所需的 LoRa Radio 節(jié)點的數(shù)量。這為利用 CAN-BUS 將僅傳感器節(jié)點連接到無線電節(jié)點并讓它們報告異常狀態(tài)以及來自無線電節(jié)點的請求提供了機會。

因此，該設備將用作 LoRa 到 CAN-BUS 網(wǎng)關，具有一些本地自動化來控制向主站傳輸數(shù)據(jù)。這個概念也可以適用于其他領域，例如家庭自動化或工業(yè)環(huán)境。

在該設備的核心，我堅持使用多功能 ATMEGA328P，排除當前的芯片短缺和當前的高價，它是一款非常便宜的芯片，具有許多經(jīng)過良好測試的庫，并且學習曲線相對較低，主要是由于它在 Arduino 生態(tài)系統(tǒng)中的廣泛使用。

LoRa 組件由 AI-Tinker（非贊助）的 RA-02 甚至 RA-01H 模塊處理。正如我們在之前的原型中看到的那樣，該設備需要使用邏輯電平轉(zhuǎn)換器，因為它只接受 3.3v 邏輯電平。雖然如果我從 3.3v 為 ATMEGA328P 供電，我可以擺脫這些問題，但它會產(chǎn)生兩個問題，其中一個仍然會強制使用電平轉(zhuǎn)換器......

我選擇以 16Mhz 運行 ATMEGA328P，這基本上迫使我使用 5v 為芯片供電。除非您非常徹底地閱讀了一些數(shù)據(jù)表，否則第二個原因并不那么明顯......

CAN 總線組件由 MCP2515 獨立 SPI 轉(zhuǎn) CAN 控制器以及 TJA1050 CAN 總線收發(fā)器處理。

這就是事情變得有趣的地方...... MCP2515 可以在 3.3v 上運行，但 TJA1050 是僅 5v 的設備。因此，理論上我可以只在 MCP2515 和 TJA1050 之間使用邏輯電平轉(zhuǎn)換器，同時在 3.3v 上運行電路的其余部分......

鑒于我寧愿在 16Mhz 上運行 ATMEGA328P，而且我的 LoRa 無線電模塊電路及其邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路工作得非常好，我決定不改變這一點，并保持 CAN 總線在 5v 下運行一路走來，因為我仍然必須為此目的在 PCB 上使用 5v 穩(wěn)壓器。

LoRa 和 CAN BUS 模塊的 IO 連接

兩個集成組件（Lora 和 CAN）都是 SPI 設備。這意味著它們共享公共 SCK、MISO 和 MOSI 線（在 ATMEGA328P 上分別由引腳 D13、D12 和 D11 提供。然后通過使用 CE 引腳進一步選擇單獨的 SPI 設備進行操作，每個設備一個唯一的引腳， MCU將其拉低以向設備指示它應該注意在SPI總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)......

LoRa 和 CAN 都使用其他引腳，LoRa 需要一個連接到 D9 的復位引腳，一個連接到 D10 的 CS/CE 引腳以及一個連接到 D2 的硬件中斷引腳。（請注意，這是與 Sandeep Mistry 的 LoRa 庫一起使用的。Radiolib 庫需要一個額外的引腳，通常連接到 LoRa 模塊上的 DIO1。該設備在其當前布局中不提供對這些引腳的訪問，因此您只能使用它與 Sandeep Mistry 圖書館，至少現(xiàn)在......）

CAN 模塊在 D4 使用 CE/CS 引腳，在 D6 使用 IRQ 引腳，雖然不是硬件中斷引腳，但確實具有 PCINT 功能。

引腳 D10、D9 和 D2 未斷開以供用戶訪問。雖然我決定允許訪問 D4 和 D6 以及 SPI 總線 D11、D12、D13，以允許與邏輯分析儀連接，或?qū)⑵渌?SPI 設備添加到總線......

這給我們帶來了一個非常有趣的觀點……這兩個 SPI 設備真的可以一起玩嗎？我所說的“一起玩得很好”是什么意思？

為了回答這個問題，我們不得不先看一些理論，以及了解 SPI 和 I2C 之間的根本區(qū)別......

SPI和I2C的區(qū)別

我們大多數(shù)人都會非常熟悉 I2C，因為它是一種非常常見的協(xié)議，用于將傳感器連接到微控制器。它僅由兩條 IO 線組成，SDA 用于數(shù)據(jù)，SCL 用于時鐘?？偩€上的每個設備都有自己的內(nèi)置地址，就像 PCF8574 IO 擴展器一樣，該地址可以在 0x20h 和 0x27h 之間選擇。所有設備共享這些公共數(shù)據(jù)線，并且只有在主控制器專門尋址時才會響應......除非您不小心將具有相同地址的兩個設備放在同一總線上，（如果這甚至可以工作），沒有錯誤的設備會響應任何數(shù)據(jù)請求的方式......

另一方面，SPI 以完全不同的原理運行，使其比 I2c 快很多倍，有源設備同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)...... SPI 也稱為四線協(xié)議。每個設備至少有 4 條數(shù)據(jù)線，分別是 SCK（時鐘）、MOSI（用于從主設備傳輸?shù)綇脑O備的數(shù)據(jù)）、MISO（用于從從設備傳輸?shù)街髟O備的數(shù)據(jù)）和一個 CE 或 CS（芯片選擇 ) 引腳。

SCK、MISO 和 MOSI 對所有設備都是通用的，這意味著它在所有設備之間共享。CE/CS 是每個設備的唯一引腳，這意味著如果總線上有四個 SPI 設備，則必須有四個單獨的 CE/CS 引腳！

如果主機將其各自的 CE/CS 引腳拉低，則設備將或者更確切地說應該只響應 SPI-BUS 上的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在你應該很快就會明白，這會很快變成一個非常非常復雜的混亂。

讓我們舉一個很好的例子。ST7789 SPI顯示模塊，有便宜的版本，在速賣通和其他網(wǎng)上商店都有賣。我假設這個特定模塊是為了使其更易于使用，默認情況下，CE/CS 引腳在內(nèi)部被拉低到地……那你可能會問呢？這有什么問題，因為它為您節(jié)省了一個 IO 引腳？

事實上這是非常錯誤的，如果您曾經(jīng)嘗試在 SPI 總線上使用其中一個顯示器與其他 SPI 設備一起使用，您將很快發(fā)現(xiàn)這一事實......什么都不起作用，或者只有顯示器可以工作（如果你是幸運的）

但為什么？

將 CE/CS 拉低，向芯片發(fā)出信號，表明它應該響應公共 SCK、MISO 和 MOSI 線上的指令。將引腳內(nèi)部拉低，從而迫使該芯片始終響應，即使它不應該響應。因此用垃圾污染了整個 SPI-BUS...

問題的答案

在這個非常冗長的解釋之后，這仍然是非?；镜模菚r候回到我們最初的問題了：

Sx127x ( RA-02 ) 模塊和 MCP2515 控制器能否在同一總線上運行良好？答案并不簡單，因為它歸結(jié)為您使用哪些庫......

請記住，庫必須拉低它要與之通信的設備的 CE/CS 引腳。一些庫錯誤地認為它們是唯一在使用的庫，并忽略了一個簡單的事實，即它們應該在每次事務后釋放 CE/CS 引腳，以釋放總線以供其他設備使用它......

然而，經(jīng)過廣泛的測試，我可以說Sandeep Mistry 的 LoRa 庫以及mcp_can庫確實可以很好地結(jié)合使用。這兩個庫不會將單獨的 CE/CS 引腳拉低，并允許共享 spi 總線。

上面討論的 ST7789 模塊并非如此，硬件實際上一直在拉動引腳……

仔細看看PCB

讓我們仔細看看PCB。Ra-02 模塊 ( LoRa ) 占據(jù)了 PCB 左側(cè)的大部分區(qū)域，ATMEGA328P 在其右側(cè)。RA-02 被電平轉(zhuǎn)換器包圍，使用 BSS138 N 溝道 Mosfet 和 10k 電阻器（Q1 至 Q6、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R9、R10、R11、R12、R13 )

C1 和 C2 是 Ra-02 模塊的旁路電容

在左下角，我們有一個硬件重置按鈕，用于重置 ATMEGA328P，旁邊有一個黃色跳線（H1）。該跳線控制 CAN 總線的 120 歐姆鎮(zhèn)流電阻 (R17)。移除跳線將移除鎮(zhèn)流器。正下方是 CAN 連接器，標記為 U5，CH 為 CAN-H，CL 為 CAN-L 端口。

U3 和 U4 與 R18、R19、X2、C16、C17 一起構(gòu)成 PCB 上的 CAN 組件。去耦由 C6、C7、C8 以及 C9 和 C12 提供（包括 ATMEGA328P 的去耦）

在 U1 (ATMEGA328P) 上方提供了一個 ICSP 編程頭，用于與 USPASP、AVRASP 或 Arduino 作為 ISP 和類似設備一起使用。

板上沒有提供 USB 到串行轉(zhuǎn)換器，可以通過 Arduino 引導加載程序為 Arduino NANO 加載串行上傳（以利用所有模擬輸入）。RxD、TxD 和 DTR 引腳在 PCB 的兩側(cè)分出，以及接入 3.3v、5v 和 GND 引腳。

提供一個直流電源插座。它可以接受高達 12v 的直流電壓，盡管我建議不要超過 7.2 伏，以免對 PCB（LDO1 和 LDO2）背面的 LDO 穩(wěn)壓器施加太大壓力。

在上圖中，我已將 USB 轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器以及 CAN-BUS 連接到設備。

原理圖，示意圖

詳細示意圖如下：

表 1（上圖）負責 ATMEGA328p 及其支持電路，以及通過 LDO 穩(wěn)壓器提供的電源。

表 2（下）負責邏輯電平轉(zhuǎn)換器、RA-02 (Sx1278) LoRa 模塊以及 CAN-BUS 控制器和收發(fā)器電路。

軟件和固件

為了測試這個模塊，我使用了Cory J Fowler 的 mcp_can 庫，用于 CAN-Bus 部分，

以及Sandeep Mistry 的 Arduino-LoRa

同時使用 LoRa 和 CAN 的組合示例將與項目的下一部分一起發(fā)布，即 CAN 繼電器模塊

代碼

https://github.com/sandeepmistry/arduino-LoRa