Надрукований на 3д принтері пластиковий корпус спеціально призначений для мікроконтролерів Raspberry Pi Pico W з прямими пін-хедерами. Цей продукт є одним з продуктів у лінійці корпусів під брендом IoT Case Lab (aka ICL).

Дизайн моделі корпуса задуманий та розроблений так, щоб контролером у корпусі було зручно користуватися, витрачаючи мінімум часу на його складання та підключення решти компонентів проекту.

Якщо на вашому Raspberry Pi Pico W встановлено бічні пін-хедери, радимо розглянути інший корпус (ICL_RPIPW_SI_V1) виробництва ICL, який розроблений спеціально для такого розташування контактів.

Кому це потрібно

Цей корпус підійде для застосування у DIY проектах з використанням популярного мікроконтролера Raspberry Pi Pico W (плата зеленого кольору з micro USB  роз’ємом, зразка 2022 року).

Радіоаматори та DIY ентузіасти, які мають необхідність зручного підключення компонентів задуманого проекту до контролера RPi Pico W, знайдуть цей корпус простим та зручним з точки зору інсталяції і експлуатації мікроконтролера, а також його супутніх компонентів, які підключаються кабельними шлейфами(роз’єми типу Dupont).

Серед користувачів лінійки корпусів ICL сподіваємося бачити як початківців, так і професіоналів, що займаються дизайном та побудовою розумних речей, побутовою автоматизацією. Корпус має також підійти і тим, хто проводить багато часу у лабораторії: навчається та навчає, проводить випробування, програмує, готує навчальні матеріали, веде технічний блог.

Мотивація

У галузі DIY багато різноманітних плат мікроконтролерів на базі дуже популярних апаратних платформ, як-от Arduino, ESP8266, ESP32, Raspberry Pi Pico. 

Всі перераховані контролери продаються у готовому вигляді з впаяними прямими пін-хедерами, у так званому форматі “Dev Board”, коли для підключення компонентів до контролера найчастіше застосовуються кабелі з роз’ємами Dupont.

Пін-хедери на платі головного контролера – це дуже зручний спосіб швидкого підключення / відключення компонентів у проекті, особливо для тих користувачів, які не вміють чи не бажають брати до рук паяльник. 

Але є і суттєвий недолік: роз’єми Dupont дуже погано тримаються на своїх місцях, що призводить до поганого контакту в кращому випадку, а найчастіше до постійних відєднань між компонентами. Це дуже дратує, особливо коли проект має багато з’єднань чи виконується у обмеженому просторі.

Розробляючи цей продукт, у ICL вирішували одразу кілька задач:

• Забезпечити можливість користування роз’ємами типу Dupont, але надійно їх зафіксувати на пін-хедерах;
• Захистити плату контролера пластиковим корпусом, щоб унеможливити випадкове коротке замикання через різноманітні металеві поверхні;
• Надійно зафіксувати контролер у просторі;
• Зробити гарний за дизайном корпус для стандартного модуля контролера; 
• Надати можливість з’єднувати (поєднувати) корпуси різноманітних за розміром, розташуванням та призначенням компонентів проекту. 

Що робить продукт особливим?

• Розроблений спеціально під контролер Raspberry Pi Pico W;
• Контакти з’єднувачів типу Dupont надійно фіксуються панеллю;
• Всі пін-хедери плати контролера доступні для з’єднань;
• Контролер всередині корпусу фіксується за допомогою чотирьох штатних отворів кріплення плати RPi Pico W;
• Кнопку BOOTSEL виведено у отвір на корпусі;
• Корпус має власні зовнішні вуха кріплення;
• Хоча це і не передбачалося, внутрішній простір корпусу також дозволяє встановити пін-хедери для DEBUG-порту (SWDIO, GND, SWCLK);
• Має спеціальні прямокутні шипи – універсальні міжкорпусні з’єднувачі, якими оснащено всі продукти IoT Case Lab;
• Вентиляційні отвори виконано з трьох сторін: на двох бічних та верхній грані корпусу, щоб забезпечити пасивне охолодження.

Комплектація, складання та встановлення

Комплектація продукту:

Корпус – 1 шт;

Ковпачок кнопки – 1 шт;

Панель корпусу – 1 шт;

Примітка. Саморізи, гвинти та гайки у складі продукту не постачаються. Плата контролера Raspberry Pi Pico W не постачається.

Маса корпусу (без гвинтів): 25.12 г

Матеріал: пластик PLA

Колір: колір відповідає фото. Відтінок може незначно відрізнятися від партії до партії і не залежить від виробника.

Необхідні навички, запчастини та інструменти:

• особливих вимог до навичок і досвіду немає;
• викрутка;
• гвинти для фіксації плати контролера – 4 шт;
• гвинти з гайкою для фіксації нижньої кришки, а також кріплення корпусу до потрібної поверхні – 4 шт;

Кроки із складання:

1. Переверніть корпус верхньою стороною вниз (грань з вентиляцією та отвором кнопки);
2. За допомогою пінцету встановіть ковпачок кнопки на своє місце зсередини;
3. Вкладіть плату контролера чипом вниз (пін-хедери вгору) на своє місце так, щоб спочатку роз’єм мікро USB зайшов у свій отвір, а потім і решта плати лягла на передбачені внутрішні стійки кріплення;
4. Закріпіть плату контролера чотирма гвинтами всередині корпусу так, щоб ковпачок кнопки у своєму отворі працював як треба;
5. Встановіть на пін-хедери контролера необхідні роз’єми кабелів так, щоб вони лягали по обидва довші боки корпусу;
6. Закрийте нижню заглушку корпусу відповідною панеллю;
7. Переверніть всю конструкцію у нормальне положення і за потреби прикріпіть корпус до поверхні за допомогою монтажних вух, або використайте монтажні вуха для того, щоб закріпити нижню панель, яку ви вже встановили.

Вихідні файли 3D моделі

Наразі ми ще не впровадили можливості придбати файли 3д моделі як віртуальний товар. Але ми плануємо зробити це в майбутньому.

На GitHub є модель зовнішніх контурів корпусу, який отримає клієнт, щоб оцінити розміри та пятно проекції корпусу на площини X,Y,Z.

Призначення

Емулятор детектора радіоактивних частинок – програмно-апаратний електронний модуль, призначений для емуляції лічильника рівня іонізуючого випромінювання. З цією метою емулятор включає в себе вихід підрахунку імпульсів на головний контролер. Arduino, ESP8266, ESP32, Raspberry Pi, STM32 та інші можуть використовуватися як хост-контролер.

Симульований рівень радіації та режим роботи емулятора відображається світловими сигналами на вбудованому RGB-світлодіоді.

GCemu20_V1 – недорогий та корисний прилад для:

• безпечного та системного навчання,
• модульного тестування і розробки нових пристроїв,
• виявлення та налагодження несправностей у системах, що вже працюють, тощо.

Цей модуль корисний під час навчання, тестування, та побудови вимірювальних приладів з визначення потужності іонізуючого випромінювання як в приміщенні, так і зовні, як в ручному / кишеньковому, так і в стаціонарному дизайні.

Єдине, що потрібно, щоб почати використовувати модуль емулятора, це будь-який мікроконтролер, який може підраховувати кількість вхідних імпульсів за одиницю часу на своєму GPIO, а також живлення через micro USB.

Специфікації

1. Розміри модуля – 30 x 65 x 10 мм. За основу взято модуль ESP12.OLED без дисплея.
2. Генератор справжніх випадкових чисел (True Random Number Generator) – вбудований TRNG ESP8266.
3. Потужність імітованої радіації: 5 режимів від 0 до 1.5 мкЗв/год.
4. Живлення: від AC/DC 5V адаптера (не постачається) через micro USB.
5. На платі модуля передбачено отвори 2.54мм під пайку для підключення консолі через UART. Консоль може застосовуватися під час експлуатації емулятора чи прошивки вбудованого у GCemu20_V1 контролера ESP8266.
6. Струм споживання – аналогічний до модуля ESP12.OLED_V1 та складає до 80 мА з включеним інтерфейсом WiFi (WiFi і АЦП вимагається TRNG).
7. Імпульсний вихід GCemu20_V1 сумісний з рівнями логічного сигналу 3V3 ACTIVE-LOW.
8. Тривалість імпульса на виході – близько 10 мкс, аналогічно GGreg20.
9. Програмне забезпечення: прошивка NodeMCU / Lua. Код емулятора стартує автоматично після подачі живлення у Режимі 1 (імітація нормального рівня радіації оточуючого середовища [18-35] CPM).

Для чого і кому потрібен емулятор лічильника Гейгера

Головна ідея будь-якого емулятора в галузі DIY-електроніки полягає у тому, щоб під час розробки IoT-пристроїв, проведення експериментів чи навчання, замість реального модуля тимчасово, на певних етапах, використовувати віртуальний замінник, який дозволяє відтворювати роботу та характеристики реального пристрою з високою точністю. Емулятор має спростити та прискорити розробку, а також додати зручності на початкових етапах запланованого проекту, або під час виконання модульних тестів.

Переваги емулятора лічильника Гейгера

• Відсутність високої напруги на модулі
• Спрощений навчальний процес
• Нижча вартість порівняно зі справжнім лічильником Гейгера
• Реальне джерело радіації не потрібне
• Ресурс трубки Гейгера-Мюллера не виснажується, адже її немає
• Дані налагодження доступні через UART-консоль

Користувачі емулятора

• Радіоаматори у царині IoT- та DIY- мікроелектроніки
• Викладачі та студенти технологічних університетів
• Дослідницькі команди та інститути
• Батьки та діти, що опановують нові технології самостійно вдома
• Розробники та тестувальники стаціонарних та/чи кишенькових дозиметрів
• Випробувальні лабораторії з контролю якості та/чи захисту прав споживачів

Обмеження емулятора

Серед обмежень даного емулятора лічильника Гейгера, які наразі відомі, є кількість пам’яті контролера ESP8266, в якій в циклі створюється необхідна кількість одноразових таймерів з випадковим часом спрацювання. Кожен таймер по суті є функцією, яка займає певну оперативну пам’ять. 

Таймери що спрацювали, одразу ж вивільняють пам’ять. Виконання програмного коду нагадує пружину, що у циклі раз на хвилину різко стискається і поволі розтискається в межах наявної пам’яті контролера.

Таким чином, максимально можлива кількість випадкових подій, що генерується на виході емулятора, напряму залежить від кількості вільної оперативної пам’яті та швидкодії контролера.

Експериментально встановлено, що ESP8266 з прошивкою NodeMCU та мовою Lua здатен впевнено генерувати близько 260 подій на хвилину, або близько 1,5 мкЗв на годину. Це більш ніж достатня кількість імпульсів на хвилину для емулятора та рівнів радіації, які він начебто реєструє.

Як працює емулятор

Вбудоване програмне забезпечення в циклі створює в межах хвилини певну кількість одноразових таймерів. Кожен таймер, коли спрацьовує, ініціює на GPIO імпульсного виходу емулятора логічний рівень “1” (логіка ACTIVE-LOW). 

Тривалість логічного рівня “1” є близькою до 10 мікросекунд і є аналогічною до імпульсів на справжньому модулі лічильника Гейгера GGreg20_V3. Відмінність полягає лише у тому, що GGreg20_V3 може також підтримувати логіку 5V, натомість GCemu20_V1 підтримує лише 3V3-логіку.

Кількість імпульсів на виході емулятора та відповідних їм випадкових таймерів, в межах хвилини, задається випадково та має встановлений діапазон, що відповідає поточному режиму роботи емулятора. Емулятор може працювати в одному з п’яти режимів імітації потужності радіації.

Режими потужності радіації, яку імітує модуль GCemu20_V1, підібрано таким чином, щоб охопити весь спектр задач, в яких може бути доцільно використовувати емулятор:

Режим 0. Немає імпульсів (імітація помилки сенсора);

Режим 1. Природне фонове випромінювання (за замовчуванням після Power-On Reset);

Режим 2. Припустимий рівень випромінювання;

Режим 3. Підвищений рівень випромінювання;

Режим 4. Небезпечний рівень випромінювання.

Після подачі живлення на емуляторі за замовчуванням встановлюється Режим 1.

Щоб змінити режим роботи емулятора, потрібно натиснути кнопку Flash / D3 (SW1 на платі модуля). 

Режими обираються по черзі натисканням вбудованої кнопки Flash: 

Режим 1 -> Режим 2 -> Режим 3 -> Режим 4 -> Режим 0 -> Режим 1 …

Для кожного режиму потужності на вбудованому RGB-світлодіоді призначено свій колір так, щоб користувач бачив не лише вихідні імпульси від емулятора до хост-контролера, а також міг розрізняти поточний режими роботи:

Реальний модуль GGreg20_V3 оснащено трубкою Гейгера радянського виробництва СБМ-20. Ця трубка має наступний коефіцієнт перерахунку [імпульсів на хвилину, CPM] у [мікрозіверти на годину] для джерела Цезію-137:

мкЗв на годину = CPM * 0.0057 

Щоб розрахувати для діапазонів радіації вказану у таблиці вилку кількості імпульсів на годину, які мав би генерувати емулятор, працюючи у певному режимі, виконаємо обернену операцію:

CPM = мкЗв на годину / 0.0057

За зібраними IoT-devices LLC статистичними даними, трубка СБМ-20 є найпопулярнішою серед DIY проектів, саме тому в емуляторі зроблено прив’язку програмних характеристик емулятора GCemu20_V3 до цієї трубки.

Для забезпечення справжньої випадковості імпульсів на виході емулятора, застосовується апаратний генератор справжніх випадкових чисел контролера ESP8266 (True Random Number Generator, TRNG).

Щоб підсилити ефект випадковості, кожен щохвилинний цикл роботи емулятора генерує не стале число імпульсів, а знову ж таки, випадково обирає кількість вихідних імпульсів з діапазону значень, вказаного для кожного режиму у таблиці вище. 

Наприклад, Режим 1 буде генерувати за хвилину від 18 до 35 імпульсів і ця цифра буде щоразу змінюватися випадковим чином.

Відтак, на виході GCemu20_V1 має випадкову кількість випадково розподілених у часі (в межах кожної хвилини роботи) імпульсів.

Продукт GCemu20_V1 має вбудований, готовий до використання програмний код. Щоб почати працювати з емулятором необхідно лише подати живлення через порт micro USB та підключити імпульсний вихід до хост-контролера, який обробляє імпульси та розраховує рівень імітованої радіації. 

Придбавши цей продукт, користувач не має потреби щось програмувати чи прошивати самостійно, про це вже подбали у IoT-devices LLC.

Але за потреби користувач може прошити модуль іншою прошивкою і використовувати модуль на свій розсуд для інших задач через інтерфейс UART, призначеними для ESP8266 засобами.

Наразі відомо, що для модулів на базі ESP8266 існує безліч IoT-платформ, як-от ESP-IDF, Arduino, NodeMCU, MicroPython, ESPHome, Tasmota та багато інших.

Розміри модуля, призначення портів вводу/виводу

У якості апаратної платформи для GCemu20_V1 застосовується універсальний модуль контролера ESP12.OLED виробництва IoT-devices LLC, у виконанні без дисплея. Тому призначення портів на платі модуля відповідає документації на модуль ESP12.OLED та на контролер ESP8266, вбудований до цього продукту. 

Друкована плата модуля ESP12.OLED_V1:

Призначення всіх портів вводу-виводу модуля ESP12.OLED_V1, як апаратної платформи, на якій побудовано продукт емулятора лічильника Гейгера GCemu20_V1:

Втім, для роботи у ролі емулятора GCemu20_V1 застосовується лише частина наявних на контролері ESP12.OLED_V1 портів вводу-виводу.

Зокрема в емуляторі GCemu20_V1 задіяно наступні порти контролера:

• порт живлення micro USB 5V;
• імпульсний вихід емулятора лічильника Гейгера (GPIO4 / D5, на платі позначено як SDA);
• інтерфейс (опціональний) UART для підключення консолі розробника:
  • UART0 Rx / GPIO3;
  • UART0 Tx / GPIO1;
• джампер X5 вибору режиму живлення (має бути встановлений під час живлення від micro USB);
• перемичка J2 для вибору режиму імпульсного виводу (налаштування користувача для перемикання випадкової кількості / фіксованої кількості імпульсів при поточному режимі емуляції);
• вбудований RGB-світлодіод:
  • GPIO14 / D5 – Blue; 
  • GPIO12 / D6 – Green;
  • GPIO13 / D7 – Red;
• кнопка Reset (на платі позначено як SW2);
• кнопка Flash (GPIO0 / D3, на платі позначено як SW1);

На наступному рисунку показано які саме це порти:

Рис. Порти вводу-виводу ESP12.OLED_V1 (без дисплея), які задіяно у емуляторі GCemu20_V1

Схема підключення модуля емулятора (MCU_B) ESP12.OLED_V1 до головного контролера (MCU_A) NodeMCU може бути така:

Також на цій схемі показано опціональне підключення консолі розробника / програматора через перетворювач UART – USB.

У якості довідкового матеріалу за нумерацією портів рекомендуємо наступні матеріали:

• Стандарт планування та застосування пінів розроблений alterstrategy.lab:

https://alterstrategy.com/recommended-pin-use-standard/

• Документація на прошивку NodeMCU:

https://nodemcu.readthedocs.io/en/latest/modules/gpio/

• Документація на модуль ESP12.OLED_V1 на сайті:

https://iot-devices.com.ua/en/product/esp12oled-universal-esp8266-mcuboard-oled-en/

та на Tindie:

https://www.tindie.com/products/iotdev/esp12oled-universal-esp8266096oled-mcu-board/

Розміри продукту GCemu20_V1, що побудовано на апаратній платформі ESP12.OLED такі:

• X: 65 мм;
• Y: 30 мм;
• Z: 12 мм.

Для порівняння, справжній модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3 з трубкою СБМ-20 має наступні розміри:

X: 126 x Y: 30 x Z: 12 мм.

Порівняння емулятора GCemu20_V1 та справжнього GGreg20_V3

Вмикання та вимірювання

Включення GCemu20_V1 рекомендується виконувати наступним чином:

Увага. Завжди перед (пере)запуском пристрою знімайте джампер J2 (GPIO2 <-> GND). GCemu20_V1 не буде стартувати, якщо не зняти джампер J2. Така особливість роботи пов’язана з тим, що GPIO2 який задіяно під джампер J2 приймає участь у завантаженні контролера ESP8266 і переводить його у інший режим роботи.

У той же час, джампер нормально працює після завантаження пристрою – його можна знімати чи встановлювати без обмежень.

Крок 1. Підключіть вхідну потужність від джерела живлення.

Крок 2. Увімкніть джерело живлення. Не більше ніж через 10 секунд ви побачите світлові сигнали на RGB-світлодіоді, які імітують потрапляння вдаваних частинок у детектор модуля. На імпульсному GPIO-виході модуля будуть з’являтися випадкові логічні одиниці тривалістю 10 мікросекунд кожна, за логікою 3V3 ACTIVE-LOW відповідно до встановленого режиму роботи.

Крок 3. Обрати необхідний режим роботи емулятора кнопкою Flash / D3 (на платі ESP12.OLED_V1 позначено як SW1).

Комплекти постачання продукту

GCemu20_V1 basic

1. Модуль ESP12.OLED (без дисплея)  — 1 шт
2. Готове до використання, вбудоване ПЗ емулятора — 1 шт
3. Комплект штирів 2.54мм під пайку для самостійного встановлення  — 1 шт

Технічний опис: GCemu20_V1 Datasheet UKR, GCemu20_V1 Datasheet ENG