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基于uFUN开发板和扩展板的联网校准时钟

项目概述

上周在uFUN试用群里看到管理员说试用活动快结束了,要抓紧完成评测总结,看大家的评测总结也都写了,我也不能落后啊!正好最近做的扩展板到手了,于是赶紧进行调试,做了一个不用校准的时钟,时钟这种小设计应该说是烂大街了吧!我一开始学习51的时候做了个可按键校准,带闹钟功能的时钟,学习STM32的时候做。了个可以手机蓝牙APP校准的时钟,现在又用uFUN开发板做了个时钟,不过时钟这个的英文联网校准的由于之前做过桌面天气预报时钟,如下图:

所以这个联网校准时钟的小项目实现起来还是很顺利的,底板是使用的uFUN开发板,扩展板是自己设计的,使用PCIe的接口和uFUN开发板进行通讯。使用ESP8266 WiFi模块获取北京标准时间,然后对STM32内部的RTC进行校准,再通过OLED显示出来。我知道,这个小项目无论是PCB的设计,还是控制程序的编写,对于论坛里一些有着多年经验的大佬来说,这个小项目简直不值一提,我只不过是班门弄斧罢了。有不对的地方,欢迎各位大佬拍砖!

扩展板资源简介

  • 0.96寸OLED屏,IIC接口,128 * 64像素,通过外部电路的修改,可支持8080并口,SPI接口。
  • W25Q128,SPI接口,可以用来存储字库,配合uFUN开发板的SD卡功能,可以实现字库的更新
  • AT24C02,EEPROM,IIC接口,掉电不丢失,可以用来保存一些用户数据
  • SHT20,IIC接口温湿度传感器。
  • 5个LED,1个电源指示,4个用户LED,这四个LED都连接到了定时器的通道,可通过PWM占空比控制亮度
  • 1个光敏电阻,把光照强度转换为AD电压值,可以实现根据外界亮度控制OLED屏的亮度。
  • 1个OLED模块接口,可外插IIC接口的OLED模块
  • 蓝牙/ WiFi的模块兼容接口设计,可支持HC-05蓝牙模块,或者是原子的ESP8266模块。
  • 1个DHT11温湿度传感器模块接口

扩展板原理图设计

  • 电源电路

从uFUN的原理图可以看出,的PCIe扩展口中有5V电源,数字地,模拟3.3V,模拟地,而没有引出数字3.3V电源,为了不干扰模拟3.3V,扩展板的3.3V电源来自5V经过AMS117稳压,AMS117-3.3是一款比较常用的LDO电源芯片,最大可提供1A的输出电流,对于扩展板来说是足够用了。

  • OLED电路

OLED外围电路,参考中景园官方推荐的电路,使用的是IIC接口,因为之前没用过IIC总线挂载多个从机,为了避免调不通,所以OLED的IIC接口使用了独立的管教,同时上拉4.7K电阻。

  • W25Q128电路

W25Q128是采用的SPI通讯协议,正好扩展接口中有SPI接口,所以就用了STM32的硬件SPI2接口,当然也可以软件模拟。

  • AT24C02电路

实际上焊接的是ST公司的M24C64,目前读写还没调通,和底板的LIS3DH共用一组IIC总线。

  • SHT20电路

正好上次做板子,买的SHT20还剩几片,所以在这个扩展板上,也使用了这款传感器,这款数字温湿度传感器体积非常小,只有3 * 3 * 1.1mm,和底板的LIS3DH共用一组IIC总线,后面调试正常,可以获取到温湿度数据。

  • 无线蓝牙兼容接口

偶然发现HC-05和原子的ESP8266模块接口几乎一样,所以这部分设计成了兼容两种模块的接口,如下图:

  • 其他电路

4路LED都连接到了STM32的定时器输出通道,可以用来控制亮度,另外也充分利用了扩展口留出的模拟电源和模拟地,通过简单的分压原理,可以把光照强度转换为AD电压值,还增加了OLED模块接口和DHT11温湿度传感器接口。

扩展板PCB设计

  • 结构的设计

SHT20官方推荐的放置方式是在板子边缘挖个岛出来,然后把传感器放进去,这样能最大程度的减少板子热量的传递,从而提高精度,但是,由于扩展板面积较小,再挖个岛出来,看着太难看了,就没有挖。

板子的整体结构图来自于前一段时间,@张进东张工在uFUN试用群里分享的AD版本的PCB图,那个图是这样的:

我进行了稍微的修改,把安装孔右边多余的部分去掉了,而且为了和底板一致,我把扩展板改成了圆角,但是接口和安装孔的相对位置没动,板子的TOP面:

  • 封装的选择

电阻电容封装的选择上,一开始觉得板子空间比较小,怕放不下所有的元器件,几乎所有的电阻和电容都选择了0402封装,同时也出现了一个比较尴尬的事,就是有1种电容和1种电阻,嘉立创SMT的基础库里没有,扩展库里才有,而如果使用扩展库里的元件,需要加每种20元的换料费,所以最终打板多花了40元,这一点也是我没有考虑到的。等投板之后,我又尝试着把所有的电阻电容封装都换成0603的,发现也能放得下。

  • 元件的布局布线

元件布局方面,为了防止元器件放在背面和底板的部分元件冲突,同时也为了满足嘉立创只能单面贴片的工艺要求,我把所有的元件都放在了TOP面,BOTTOM面只放了OLED裸屏的接口,为了方便连接外部的模块,把接口都放在了板子的边缘,LED也放在了板子边缘,由于SHT20是DFN封装,为了方便后面使用风枪进行焊接,周围留出了一点空间。

板子的BOTTOM面:

3D效果显示

我用的是AD9版本,3D效果渲染的还是挺不错的。

PCB的打样和调试

不知道今年是不是板材降价了,各大PCB板厂都在降价,去年做毕业设计的板子时还是50元5片10*10cm以内,今年就是30元5片10*10以内,而且连彩色油墨费都不收了。PCB打样和SMT贴片还是选择了之前用过的嘉立创,5片全贴,一共花了191大洋!生产工艺方面时,由于嘉立创只支持绿油进行SMT,所以只能用看着比较LOW的绿色油墨,其实我更喜欢蓝色油墨,而且和底板很搭!其他的工艺如过孔盖油、有铅喷锡,由于只是样板,就没有选择镀金工艺了,所以金手指成了锡手指,外加倒斜边,倒斜边是金手指板卡常用的一种工艺,是为了能够方便的插到插槽里面。还要注意非常非常重要的一点:PCB板的厚度,其实这个我一开始设计的时候就考虑过,使用之前做的1.6mm的板子试着往里面插了一下,发现根本插不进,网上也没搜到PCIe的板子应该做多厚,所以就选择了比1.6稍微薄一点的1.2mm厚度。详细的生产工艺:

PCB生产进度和SMT进度:

由于板子比较简单,从下单到发货大概用了3天的时间吧,实际的样板图片:

板子拿回来一插,发现还是稍微厚了点,不能完全插进PCIe座里面,而且底板的铜柱还不能对准扩展板的安装孔。

后来请教了 @张进东 张工,原来只需要1.0mm就够了,斜着插进去往下一压,再用铜柱固定就行。不过我用暴力手段解决了一下,直接用剪刀剪掉了一段金手指,还好金手指上面的铜箔没有掉,这样才勉强能用一个螺丝固定好,安装效果如文章第一张图:

就这么不完美的解决了,不过还是有几个管脚接触不良,如DHT11接口的那个引脚,稍微松动一点就不能用,不过已经板载了温湿度传感器,倒也影响不大。然后就试着点亮了OLED屏,先显示个uFUN的LOGO吧:

到这里觉得应该没啥问题了吧,开始调试WiFi接口,使用的是引出的串口3来和WiFi模块进行通讯,由于之前的程序是用的串口2,所以又稍微改了一下,调了半天,还是不通,就把同样的程序下载到其他板子上,没问题啊!难道是接触不好,最后一查,是uFUN的原理图中PB10和PB11的网络标号也反了,导致扩展板的TX和RX反了,这可怎么办呢?

又舍不得浪费板子啊!所以把原来TX和RX连接的两根线割断,重新飞了两根线,完美解决!这线飞的可没有uFUN开发板上的那根飞线漂亮!

另外,扩展板IIC总线上的24C02读写一直没调通,不知道是物料的问题还是读写时序的问题,而同是IIC总线上的SHT20温湿度传感器就没问题。另外由于本项目中没有用到过多的中文,所以SPI Flash也没用到。

控制程序的设计

可能是由于字库文件没有进行精简,所以整个程序占用了非常多的空间,总是报内存不足的错误,为了能跑起来,我把单片机型号改成了STM32F103RE系列,由于RE系列比RC系列的存储空间要大的多,并没有报错误,而且程序可以正常运行,虽然都是大容量产品,程序可以兼容,但这是一种非常不推荐的方式。

实现思路

实现原理就是:STM32驱动ESP8266 GET北京时间的接口,得到一串JSON数据,然后STM32调用cJSON库进行解析,获取到时间信息,然后把这个时间信息写入到RTC寄存器,STM32内部RTC从当前时间开始运行,然后显示到OLED屏上,程序中设置的是每隔10分钟,获取一次时间。北京标准时间的来源使用了K780数据的API接口,地址:

http://api.k780.com:88/?app=life.time&appkey=10003&sign=b59bc3ef6191eb9f747dd4e83c99f2a4&format=json

,是JSON格式的,数据的解析使用了开源的JSON解析库cJSON,只有两个文件,使用起来还是比较简单的。

主要功能:

  • STM32 RTC的使用。
  • OLED的驱动,支持68 ASCII码显示,816 ASCII码显示,16*32数字0-9和冒号:的显示,汉字“周一二三四五六日”的显示。
  • ESP8266的驱动,和北京标准时间服务器接口建立TCP连接。
  • cJSON库解析接收的JSON数据,获取北京时间,年月日,时分秒。

关于JSON格式的说明和cJSON库的使用,可以参考我之前写的两篇文章:

很多API接口的数据格式都是JSON格式的,如我之前做的桌面天气预报时钟,使用的是心知天气的数据源,就是JSON格式,网上也有很多免费的API接口,可以做出很多好玩的东西,就看你的想象力了!

不足之处

  • 断电不能走时

这算是这个程序最大的一个BUG吧,虽然uFUN开发板有超级电容备用电池接着,但一直没调通断电走时的功能,这种情况带来的一个问题就是,如果不插WiFi模块的情况下重新上电,是不能从上次保存的时间继续运行的。

  • 程序不够精简

为了能让程序运行起来,把单片机改成大容量型号,应该从根本上精简字库,优化程序大小。

  • GET请求偶尔会失败

偶尔会出现发送GET请求,接收不到数据的情况,可能是内存分配的问题。

总结

这个小项目总得来说,硬件调试方面比较坎坷,又是飞线,又是割板子的。而软件调试方面,由于之前做过类似的设计,所以还是比较顺利的。由于评测活动的时间关系,本次评测的大作业我只做了这个简单的联网校准时钟。其实,有了WiFi/蓝牙模块接口和OLED屏,就可以做很多好玩的东西了,比如选择一个开放的云平台,如中移OneNET等等,然后和云台进行一些交互,如采集温湿度上传到云平台做个温湿度远程监测系统,或者是远程控制LED或者蜂鸣器,桌面天气预报等。下面这几个界面是我去年在学校时,使用中移OneNET云平台做的一些界面:

对于uFUN开发板的整体评测过程来说,虽然配套的文档存在一些瑕疵,在之前的评测文章中,我也都有提到,但是不影响新手入门STM32,况且论坛里还有那么多的入门教程,也希望我的这些评测文章能对那些刚入门STM32的小伙伴们有一些帮助,少走一些弯路。据说2.0版本的开发板已经在进行紧锣密鼓的开发中了,当然,如果能有幸得到2.0版本开发板的使用机会,我会试着做一些远程控制相关的小项目。期待ing。。。。

文件的下载

  • STM32工程: https://wcc-blog.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/BlogFile/uFUN_Extend_STM32_Prj.rar
  • 扩展板AD版本的原理图和PCB文件: https://wcc-blog.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/BlogFile/uFUN_Extend_PCB_Prj.rar
  • 扩展板各芯片的Datasheet: https://wcc-blog.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/BlogFile/uFUN_Extend_Datasheet.rar

uFUN评测系列文章

本文分享自微信公众号 - 电子电路开发学习(mcu149),作者:wcc149

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2019-04-09

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