Emiglio modchip, la scheda custom (Parte 5)

Un PCB progettato da zero per Emiglio: ESP32, motori, audio, display e IR su una scheda sola

Nelle prime quattro parti Emiglio ha imparato a muoversi col radiocomando RC, a ragionare in locale, a suonare in bluetooth e a camminare sui motori.

Fino ad ora abbiamo tenuto insieme il circuito con un groviglio di cavi jumper e nastro isolante. Ogni volta che apro Emiglio per aggiungere una cosa devo incrociare le dita.

Con una PCB su misura è molto più comodo perchè è tutto integrato (embedded) nella scheda.

La scheda si chiama Emiglio modchip rev 1.0, progettata in EasyEDA. I componenti integrati sono: ESP32, USB-C per la programmazione, driver motori, amplificatore audio, display, ricevitore infrarossi e diversi GPIO liberi per collegarci occhi LED o pulsanti di input (o imput citando numero 5).

Il render 3D

Il progetto è pubblico e liberamente consultabile:

Emiglio modchip su EasyEDA

In questo articolo racconto anche come mi sono accorto dei suoi limiti (uno con una scintilla e un botto) e cosa si può migliorare. Anche le cose che ho sbagliato, perché sono quelle che insegnano di più.

Nuovo sponsor: PCBWay

Prima di entrare nel merito, una bella notizia:

Abbiamo il primo sponsor del blog! PCBWay!

Da oggi le schede di Emiglio e dei prossimi progetti del blog vengono prodotte da PCBWay: produzione di PCB e assemblaggio di qualità, tempi rapidi e prezzi onesti anche per il piccolo prototipo da hobbista come questo.

Il progetto è condiviso su PCBWay, quindi la scheda di Emiglio la puoi ordinare direttamente, assemblata, senza dover caricare niente:

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Se invece ti serve un PCB tuo, puoi ordinare qui.

Ringraziare con un semplice link mi sembrava poco, quindi ho fatto la cosa che un elettronico fa quando è contento: ho messo il logo dentro il firmware. C’è uno sketch dedicato che lo disegna sul display della scheda, con il wordmark che cade dall’alto e rimbalza e lo swoosh arancione che viene “routato” colonna per colonna come una pista su un PCB.

Il logo PCBWay sul display da 1,8 pollici, con la scheda modchip collegata via USB-C e il pannello retro con la serigrafia di Emiglio

Lo trovi tra gli sketch del repo.

Cosa c’è sulla scheda

Lo schematico completo della rev 1.0, disegnato in EasyEDA. Clicca per aprire il progetto su OSHWLab

Fisicamente è una scheda a 2 strati, 38,2 × 56,9 mm, FR-4 da 1,6 mm, solder mask nera e serigrafia bianca. Sul retro c’è la faccia di Emiglio disegnata in serigrafia, il logo goodman industries e un saluto a Johnny 5, perché un PCB senza easter egg è solo un pezzo di vetronite.

Lo schematico è diviso in sei blocchi, uno per ogni cosa che Emiglio deve saper fare.

Il cervello e la programmazione

Il cuore è un ESP32-WROOM-32E da 16 MB. Ci sono anche i pulsanti BOOT e RESET fisici, due pulsanti utente e due LED (alimentazione e debug).

i motori

Per i motori della c’è un TB6612FNG, driver a doppio ponte H: due canali, quattro pin di direzione, due di PWM e uno di standby. Rispetto al vecchio L298N è più efficiente e scalda molto meno, perché usa MOSFET invece di transistor bipolari.

Il pin STBY ha un pull-down da 10 kΩ verso massa, e questo è un dettaglio che ho messo di proposito: significa che durante il boot e dopo un reset il driver è disabilitato, quindi Emiglio non fa scatti mentre l’ESP32 decide chi è. Il firmware lo abilita solo dopo aver messo i pin di direzione a un livello noto e il PWM a zero.

I motori arrivano su un connettore a 4 vie e la batteria su un XH a 2 vie, separati dalla logica.

L’audio

Per lo speaker bluetooth della Parte 3 c’è un MAX98357A, amplificatore audio con ingresso I2S: nessun DAC esterno, nessun jack, l’ESP32 gli manda i campioni digitali e lui pilota direttamente l’altoparlante. Tre fili di segnale: bit clock, word select e dati.

Una cosa da sapere prima di ordinarlo: il MAX98357A è mono. Non riproduce lo stereo, o somma i due canali o ne butta uno. La resistenza sul suo pin di configurazione decide quale delle due cose fa, e sulla mia scheda è messa per ottenere la somma (L+R)/2, così non perdo metà degli strumenti del mix.

L’interfaccia: display, IR e occhi

Il display è un TFT da 1,8 pollici, 128x160, controller ST7735S, su un connettore KF2510 a 8 vie. Ha un interruttore dedicato per l’alimentazione, così posso spegnerlo quando non mi serve senza toccare il firmware.

Il ricevitore infrarossi è un TSOP4838: è quello che riceve il telecomando, il metodo di controllo più comodo per fare le prove in casa. E poi ci sono gli occhi a LED di Emiglio, che sono la cosa meno utile e più importante di tutta la scheda.

ATTENZIONE AL PACCO BATTERIE con da 12 V ha fatto il botto

Volevo più coppia sui motori, così ho collegato un pacco da 12 V , 1A al connettore della batteria. Scintilla, botto secco, odore inconfondibile: C4 (ironico che il nome sia proprio c4), il condensatore da 47 µF sul rail dei motori, si è messo in corto credo.

Guardando i numeri con calma, i margini veri di questa scheda sono questi:

Componente	Limite
Motori di Emiglio	6 V nominali
TB6612FNG	15 V massimo assoluto, ma 1,2 A continui per canale
C4 (47 µF, tensione non dichiarata)	probabilmente 6,3–10 V

Il driver quindi i 12 V li teneva, ma i motori a 12 V assorbono circa il doppio della corrente prevista e sfondano il limite del TB6612.

La conclusione è che la scheda va bene così com’è, ma va alimentata come si deve: un pacco da 9 V, e per precauzione va usato lo sketch con il duty cycle limitato al 50%.

Con quel limite la tensione media ai motori resta intorno ai 4,5 V, ben dentro i 6 V nominali: l’induttanza degli avvolgimenti livella la corrente, quindi il motore lavora come se fosse alimentato a 4,5 V in continua. Il punto fondamentale è che quel limite esiste solo nel firmware: non c’è nessun limitatore hardware, quindi a 9 V un bug nel codice diventa un guasto fisico. Potete arrivare fino a 70% di duty cycle, non so non l’ho testato e non sono un elettronico

il problema sul reset che devo premere a mano

Quando stacco l’USB e lo riconnetto lo sketch non parte da solo: devo premere il pulsante RESET. Collego l’alimentazione, i LED si accendono, e il firmware sta lì fermo finché non gli dico io di partire. In laboratorio con la scheda sul tavolo lo fai senza pensarci. Su un robot che dovrebbe accendersi e camminare, no.

Ho due sospettati e non ho ancora deciso quale sia il colpevole:

• EN sale prima che il 3,3 V sia stabile. Il condensatore sul pin EN (1 µF con un pull-up da 10 kΩ) ha una costante di tempo di circa 10 ms: se l’alimentazione sale lentamente, l’ESP32 vede EN alto quando non ha ancora una tensione valida, e non si avvia bene. È il caso di manuale del “serve un reset all’accensione”.
• Il circuito di auto-reset tiene basso EN o IO0. Le linee RTS e DTR del CH340C pilotano EN e IO0 attraverso Q2. Se uno dei due transistor conduce quando non deve, l’ESP32 resta in reset oppure entra in download mode: acceso, vivo, ma senza eseguire lo sketch.

per ora rimane così e mi arrangio

Il bluetooth che non arrivava lontano

Mi sono dimenticato di togliere il rame sotto l’antenna dell’esp (possono esserci interferenze)

sotto l’antenna ci sono 2 strati di rame, andrebbero tolti

Gli sketch

Tutto il firmware sta nel repo del progetto:

github.com/AlessandroBonomo28/emiglio-modchip

Ogni cartella è uno sketch Arduino autonomo, pensato per provare un sottosistema alla volta: si flasha uno per volta, così quando qualcosa non va sai esattamente dove guardare.

• test_motori_minimo il firmware principale. Guida il TB6612FNG col telecomando IR (indirizzo 0x07, e ripremere il tasto della manovra in corso fa HALT) oppure da seriale con w s d a, x per lo stop, +/- per il duty, i per lo stato. PWM a 20 kHz per stare fuori dalla banda udibile, rampa di spunto a 8 step, STBY tenuto basso fino a fine inizializzazione e decodifica del reset reason con diagnostica dedicata al brownout che è la funzione che mi ha fatto capire più cose di tutte. È lo sketch da usare di default, per il motivo raccontato sopra: tutte le scritture PWM passano da un’unica funzione pwmWrite() che applica il clamp DUTY_MAX, così il limite non si può bucare per distrazione.

• LcdModchip bring-up e taratura del display. Azzera l’intera GRAM 132×162 (bordi non visibili compresi) subito dopo initR(), poi applica COLSTART=2 / ROWSTART=1 con una sottoclasse che espone il metodo protetto setColRowStart(). Senza quegli offset l’ultima riga e l’ultima colonna del pannello mostrano pixel casuali. Con LCD_BORDER_TEST 1 disegna la cornice di taratura con i quattro pixel d’angolo colorati.

• emiglio_speaker_max98357a Emiglio come cassa Bluetooth. Sink A2DP con nome Emiglio_Speaker, riconnessione automatica e volume gestibile via AVRCP dal telefono. L’I2S è inizializzato a mano coi pin della scheda invece di lasciare che la libreria usi i default, che cambiano tra le versioni. WiFi spento, task audio inchiodato al core 1 e CPU obbligatoriamente a 240 MHz: a 80 o 160 MHz la decodifica non sta dietro al flusso audio e il watchdog riavvia il chip, con un sintomo che sembra tutt’altro.

• telecom1 il telecomando che suona. Quattro note (DO/RE/MI/FA) sui tasti direzionali, con i campioni generati a runtime con sin() su I2S a 44,1 kHz e un fade di 10 ms in ingresso e uscita per evitare il pop. Dopo ogni nota riempie i buffer DMA di silenzio e ferma il clock, così il silenzio è davvero silenzio.

• pcbway la schermata per lo sponsor: il logo PCBWay animato sul display, wordmark che cade e rimbalza, swoosh disegnato colonna per colonna e striscia scorrevole in basso col link.

Nel README c’è anche la tabella completa delle librerie con le versioni verificate e le impostazioni dell’IDE Arduino da usare, compreso lo schema di partizionamento Huge APP che serve allo sketch A2DP per far stare lo stack Bluetooth.

STAY TUNED per i prossimi tutorial!