Hardware

Technische Daten, Datenblatt und eine detaillierte Funktionsbeschreibung der Hardware.

Varianten

Zum Start ist das Datacake Masterbrick in einer Variante zu haben. Diese bietet 6 Anschl├╝sse f├╝r Tinkerforge Bricklets. Dabei werden s├Ąmtliche Bricklets ├╝ber das On-Board Power Management mit Spannung versorgt.

Masterbrick 6p

  • Startvariante des Masterbrick System.

  • Anschluss f├╝r sechs Tinkerforge Bricklets.

  • Spannungsversorung der Bricklets ├╝ber On-Board Power Management und Batterie.

Masterbrick 12p

  • Gegen Anfang 2020 verf├╝gbare Variante mit zw├Âlf Bricklet-Ports.

  • Stromversorgung von vier Bricklets ├╝ber internes Power Management wie beim Masterbrick 6p.

  • ├ťbrige acht Bricklets werden ├╝ber externes Netzteil mit Spannung versorgt.

Particle.io E Series

Particle.io E Series - Kern des Datacake Masterbrick

Kern des Datacake Masterbrick ist das Particle.io E Series Mobilfunkmodul. Durch dessen Nutzung greifen wir auf eine solide Plattform zur├╝ck. Diese bringt folgende Eigenschaften mit:

  • 120 MHz STM32F2 Mikrocontroller

  • uBlox SARA U201 GSM / UMTS Mobilfunkmodem

  • Telefonica Embedded SIM Karte

  • BQ24M Power Management IC

  • Management f├╝r Lithium Ionen Batterien

  • Fuel Gauge zur Erfassung des Ladestands

  • FreeRTOS Betriebssystem

Mehr Informationen zum Particle.io E Series Mobilfunkmodul finden Sie unter folgendem Link:

Anschl├╝sse

Der Masterbrick bietet folgende Anschl├╝sse:

  • 1x USB-Schnittstelle

  • 1x Extension Header

  • 1x uFL Antennen-Connector auf E Series Modul

  • 1x Footprint f├╝r SMA Adapter

  • 6x Tinkerforge 7p Ports

  • JTAG-Device

Externe Komponenten

Das PCB des Masterbrick verf├╝gt ├╝ber eine Handvoll Komponenten, die sowohl f├╝r die Kommunikation mit dem Tinkerforge Bricklets notwendig sind als auch f├╝r die Grundfunktionalit├Ąt des Systems. Diese Komponenten sind:

  • Flash

  • FRAM

  • Watchdog

  • SPI Bustrenner

In den folgenden Abschnitten wird gesondert auf die jeweiligen Komponenten und dessen Funktion eingegangen.

Flash

Der Masterbrick verf├╝gt ├╝ber einen externen Flash-Speicherbaustein mit 4 Megabyte Kapazit├Ąt. Dieser wird von der Firmware des Masterbrick f├╝r folgende Aufgaben genutzt:

  • Verschl├╝sseltes Backup der Server-Keys

  • Speicherung der System- und Bricklet-Konfiguration

FRAM

Zus├Ątzlich zum Flash-Speicher besitzt das Masterbrick 64 Kilobyte Ringspeicher. Dieser wird von der Firmware als Ringspeicher f├╝r das kurzzeitige Aufzeichnen der gewonnenen Messdaten genutzt. F├Ąllt die Netzwerkverbindung tempor├Ąr aus, werden gewonnenen Messdaten hier zwischengespeichert und beim Wiederherstellen der Verbindung an die Plattform ├╝bertragen

Warum FRAM?

Ausf├Ąlle der Mobilfunkverbindung sind eher seltener Natur. Es kommt jedoch regelm├Ą├čig zu einem Reconnect seitens des Mobilfunkanbieter. Da der Masterbrick keine Info ├╝ber einen bevorstehenden Abbruch bekommt, kann es in dieser kurzen Phase zum Verlust der Messdaten kommen.

Auch beim Einsatz mobiler Anwendungen, wo z.B. Messdaten in einer sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Apparatur befinden, kann es zu Ausf├Ąllen kommen. Damit diese Daten nicht verloren gehen, werden diese kontinuierlich in den Ringspeicher des FRAM geschrieben.

Hier greift das Konzept des FRAM: Im Gegensatz zum klassischen Flash Speicher bieten diese zwar deutlich geringeren Speicherplatz, jedoch nahezu unendliche Schreib- und Lesezyklen sowie die gleiche F├Ąhigkeit, die Daten auch ohne Spannung speichern zu k├Ânnen.

Flash Speicher w├╝rde in dieser Applikation sehr schnell altern. Und man m├╝sste zus├Ątzliche Abfragen einbauen, wann nun ein Messwert abhanden kommt, um die Daten nur genau dann in den Speicher zu schreiben. Mit Hilfe des FRAM k├Ânnen wir im Falle eines Verlust einfach Zur├╝ckspulen, da wir st├Ąndig in den FRAM schreiben.

External Hardware Watchdog

Als eine zus├Ątzliche Sicherheit verf├╝gt der Masterbrick ├╝ber einen externen Hardware Watchdog. Dieser arbeitet wie folgt: In regelm├Ą├čigen Abst├Ąnden schickt die Firmware des Masterbrick dem Watchdog ein kurzes Signal. Dies signalisiert, dass das System wie gewohnt seine Arbeit verrichtet. Sollte die Firmware des Masterbrick aus unbekannten Gr├╝nden einfrieren, so f├Ąllt diese Signalisierung aus und der Watchdog startet den Masterbrick nach einer kurzen Zeit automatisch neu.

Damit jedoch einige Background Aktivit├Ąten, wie etwa das Over-The-Air Firmware-Update, weiterhin ausgef├╝hrt werden k├Ânnen, l├Ąsst sich der externe Watchdog grunds├Ątzlich deaktivieren. Dies wird von der Firmware des Masterbrick selbst├Ąndig durchgef├╝hrt.

Spannungsversorgung

Der Masterbrick kann auf drei Wegen mit Spannung versorgt werden.

USB

Der Masterbrick kann ├╝ber die USB-Schnittstelle mit Spannung versorgt werden. Da das uBlox GSM Modem w├Ąhrend des Betriebs kurzzeitige Spitzenstr├Âme von bis zu 1800mA ben├Âtigt, sollte ein spezielles USB-Netzteil verwendet werden, welches mindestens 10 Watt liefern kann. Beim Anschluss an USB Ports eines Endger├Ąts sollte dieser Port ebenfalls diese Leistung aufbringen.

Da die meisten USB Ports aktueller Endger├Ąte jedoch nur bis zu 500mA liefern, sollte hier gleichzeitig eine Lithium Ionen Batterie angeschlossen werden. Das intelligente Power Management nutzt dann im Falle solcher Leistungsspitzen die Batterie als kurzzeitige Reserve, stellt jedoch immer sicher, dass diese vollst├Ąndig geladen bleibt.

VIN

├ťber das Header-Interface kann eine externe Spannungsversorgung an das Masterbrick angeschlossen werden. Hier gelten die selben Leistungsanforderungen wie bei der USB-Schnittstelle. Die Spannungsversorgung sollte eine Leistung von mindestens 10 Watt bereitstellen k├Ânnen. Damit ein angeschlossenes Lithium Ionen Akku auch korrekt geladen werden kann, liegt die minimale Spannung bei 4,4V.

Stellen Sie zu jedem Zeitpunkt sicher, dass die Eingangsspannung des VIN-Pin niemals h├Âher als 5V ausf├Ąllt. Eine h├Âhere Spannung f├╝hrt zur Zerst├Ârung der angeschlossenen Tinkerforge Bricklets! Gr├╝nde und weitere Details dazu finden Sie hier.

Battery Connector

├ťber den Battery Connector k├Ânnen einzellige Lithium-Ionen-Akkus an den Masterbrick angeschlossen werden. Dieser nutzt hier das Power Management des Particle.io E Series Modul, welches sowohl ├╝ber ein Laderegelung als auch Erkennung des Ladestand ├╝ber Fuel Gauge verf├╝gt.

Der Ladestand wird in regelm├Ą├čigen Abst├Ąnden an die Datacake Plattform zur ├ťberwachung ├╝bermittelt. Bei Unterschreitung eines definierten Ladestands oder kritischen Akkuzust├Ąnden kann die Plattform dies per Benachrichtigung mitteilen.

Energiebedarf der Bricklets

Zus├Ątzlich zu den obigen Leistungsangaben gilt es, den Leistungsbedarf der angeschlossenen Bricklets mit einzukalkulieren. Einige Bricklets verbrauchen h├Âhere Mengen Strom. Hier reicht unter Umst├Ąnden ein 10 Watt Netzteil nicht immer aus.

Jedoch entsteht ein gro├čer Teil des Leistungsbedarfes des uBlox GSM Modems zum Zeitpunkt der initialen Verbindung mit dem Mobilfunknetzwerk. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannungsversorgung der Bricklets noch deaktiviert und wird erst nach erfolgreicher Verbindung aktiviert. Dies f├Ąngt den Gro├čteil der Stromspitzen ab.

SMA Antennen-Connector

Damit das Datacake Masterbrick auch in industriellen Anwendungen, Produkten oder anderen Formen eingesetzt werden kann, verf├╝gt die Platine ├╝ber einen nicht best├╝ckten Footprint f├╝r einen SMA Antennen-Connector. Dieser befindet sich im Lieferumfang und kann nachtr├Ąglich aufgel├Âtet und auf die Buchse des Particle.io E Series Modul gesteckt werden.

Extension-Header

Zum jetzigen Zeitpunkt dient das Header-Interface nur folgenden, unten aufgelisteten Zwecken. In Zukunft werden weitere Extension-Module mit unterschiedlichen Funktionen folgen, die dann (├Ąhnlich Arduino oder Raspberry Pi) einfach auf das Masterbrick aufgesteckt werden k├Ânnen.

Einspeisung der Spannungsversorgung ├╝ber VIN

Der Header f├╝hrt den VIN Pin nach au├čen, welcher f├╝r die Einspeisung der Versorgungsspannung ├╝ber ein externes Netzteil genutzt werden kann. Lesen Sie weitere Details zu diesem Thema hier.

Stellen Sie zu jedem Zeitpunkt sicher, dass die Eingangsspannung des VIN-Pin niemals h├Âher als 5V ausf├Ąllt. Eine h├Âhere Spannung f├╝hrt zur Zerst├Ârung der angeschlossenen Tinkerforge Bricklets!

Anschluss externer Taster f├╝r Reset- und Mode-Buttons

Eignet sich f├╝r die Integration des Masterbrick in Produkten, die es erfordern, dass die Bedienelemente Mode und Reset ├╝ber externe Taster nach au├čen gef├╝hrt werden m├╝ssen. Das Schaltbild f├╝r die Anbindung externer Taster kann aus dem Schaltplan des Masterbrick entnommen werden.

Bedienelemente

Mode und Reset

Wir haben das Particle.io typische Konzept der Bedienung ├╝bernommen und damit auch die zwei notwendigen Taster Mode & Reset.

RGB LED

Ebenfalls vorhanden ist die RGB LED, so wie man sie auf vielen Particle.io Boards und Produkten findet. Diese LED gibt je nach Farbe und Leuchtmuster Info ├╝ber den aktuellen Betriebsstatus des Masterbrick. Neben den Particle.io-typischen Leuchtmuster haben wir eigene erg├Ąnzt. Eine Zusammenfassung finden Sie unter:

Bricklet Connectors

Insgesamt stehen sechs sog. 7p Ports f├╝r den Anschluss von Tinkerforge Bricklets zur Verf├╝gung. Jeder dieser Ports kann, mit einem Co-Prozessor ausgestattete Tinkerforge Bricklets, ├╝ber dessen Schnittstelle erkennen und auslesen. Bricklets, die mit einem Co-Prozessor ausgestattet sind, erkennt man ├╝ber dessen 7p-Schnittstelle.

Bricklets mit einer 10p-Schnittstelle sind nicht mit dem Masterbrick kompatibel und zerst├Âren den Masterbrick bei Anschluss wohlm├Âglich unwiderruflich.

Passen Sie daher auf, dass Sie nur kompatible Bricklets verwenden. Eine genaue Liste der aktuell mit dem Masterbrick kompatiblen Bricklets finden sie hier. S├Ąmtliche, ├╝ber unseren Store verf├╝gbare Bricklets sowie die Kits sind selbstverst├Ąndlich kompatibel

Spannungsversorgung

Die Stromversorgung der angeschlossenen Tinkerforge Bricklets findet ├╝ber das Particle.io E Series Modul und dessen Power Management IC statt. Damit beim Bootup des Particle.io E Series Modul die Last nicht zu hoch ausf├Ąllt, ist die Stromversorgung der Bricklets in zwei Gruppen unterteilt und zus├Ątzlich schaltbar.

  • Gruppe 1: Bricklet Ports A-D

  • Gruppe 2: Bricklet Ports E-F

Das Management der Stromversorgung wird vollst├Ąndig von der Firmware des Masterbrick ├╝bernommen. Ist der Boot-Prozess abgeschlossen und die Verbindung zum Mobilfunknetz sowie der Cloud hergestellt, wird die Stromversorgung der angeschlossenen Bricklets hergestellt. Je nach Bricklet wird die Betriebsbereitschaft ├╝ber das Aufleuchten einer blauen Status-LED signalisiert.

Zum jetzigen Zeitpunkt hat man als Nutzer keinen Einfluss auf die Stromversorgung. Sie dient nur dem Schutz vor ├ťberlast.

Besonderheit

F├╝r die Spannungsversorgung der Bricklets wird das Power Management des Particle.io E Series verwendet. Ferner wird hier der PMID-Pin des Moduls verwendet. Hier gibt es eine Besonderheit, auf der wir bei der Gestaltung des Masterbrick ganz bewusst keinen Einfluss genommen haben:

Liegt eine Spannung von kleiner gleich 5V am Spannungseingang des Particle.io E Series Modul an, so wird die Ausgangsspannung des PMID-Pin auf 5V geregelt, eben auch, wenn die Spannung kleiner als 5V ausf├Ąllt. Diese Tatsache nutzen wir, um angeschlossene Bricklets auch ├╝ber ein Lithium Ionen Akku versorgen zu k├Ânnen.

Liegt jedoch eine Spannung gr├Â├čer als 5V an, so entspricht die Ausgangsspannung des PMID-Pin der h├Âheren Eingangsspannung. Es wird dann keine Umwandlung durchgef├╝hrt. Dies hat zur Folge, dass bei einer Eingangsspannung gr├Â├čer als 5V, die angeschlossenen Bricklets ebenfalls mit dieser h├Âheren Spannung versorgt werden. Da die Bricklets aber maximal 5V vertragen, w├╝rde dies die Bricklets zerst├Âren.

Stellen Sie daher zu jedem Zeitpunkt sicher, dass die Spannung des VIN-Pin (sowie der USB Schnittstelle) niemals h├Âher als 5V liegt! Lesen Sie dazu die genauen, maximalen Spezifikationen in einer Tabelle nach!

SPI Bustrenner

F├╝r die Kommunikation zwischen Bricklet und Masterbrick wird die SPI Schnittstelle genutzt. Zur ├ťbertragung der Daten spricht Tinkerforge ein eigenes Protokoll. Zu jeder Kommunikation wird die Verbindung zu dem jeweiligen Bricklet explizit auf- oder abgebaut. Daf├╝r sind SPI Bustrenner auf dem Masterbrick implementiert, welche ├╝ber die Chip Select Leitungen angesteuert werden. Dies hat folgende Vorteile:

  • Deutlich positiveres EMV-Verhalten.

  • M├Âglichkeit, l├Ąngere Leitungen zwischen Bricklet und Masterbrick zu nutzen.

    Die Ansteuerung der Bustrenner wird von der Firmware des Masterbrick automatisiert durchgef├╝hrt.

Interne Abfrage der Tinkerforge Bricklets

Unabh├Ąngig von der gew├Ąhlten ├ťbertragung neuer und relevanter Messdaten an die Plattform, findet innerhalb der Firmware des Masterbrick eine Abfrage der angeschlossenen Bricklets statt.

Technische Daten

Stellen Sie sicher, dass die folgenden maximalen Angaben zu jedem Zeitpunkt eingehalten werden.

ÔÇő

Min.

Typ.

Max.

Einheit

Eingangsspannung (VIN)

+4,2

+5

+5,2

V

Eingangsspannung (VUSB)

+4,9

+5

+5,2

V

Leistungsaufnahme (typisch)

ÔÇő

180

250

mA

Leistungsaufnahme (Spitzenwert)

800 (UMTS)

ÔÇő

1800 (2G)

mA

Leistungsaufnahme (Deep Sleep)

ÔÇő

110

130

┬ÁA

LiPo Batterie

+3,6

ÔÇő

+4,4

V

Umgebungstemperatur

-10 [4]

ÔÇő

+60 [4]

┬░C

Luftfeuchtigkeit, nicht kondensierend

ÔÇő

ÔÇő

95

%

[4] When powering the Masterbrick with a LiPo battery (or other battery chemistries), please note that the operating temperatures will be affected accordingly.