Спецификация форм-фактора семейства Nicla

Этот документ описывает философию проектирования и технические характеристики форм-фактора Nicla. Используйте его как руководство при разработке плат и аксессуаров (шилдов/несущих плат), совместимых с этим форм-фактором.

Форм-фактор Nicla

Форм-фактор Nicla разработан с учётом потребностей промышленных приложений и DIY-проектов: всё необходимое для беспроводного сбора данных упаковано в один компактный модуль. Главный приоритет — сбор и обработка данных на периферии (edge computing) при минимальном энергопотреблении.

Платы Nicla интегрируют специализированные датчики и высокопроизводительные микроконтроллеры, способные обрабатывать «сырые» данные в реальном времени и передавать готовые измерения хост-плате или основному приложению.

Nicla поддерживают программируемое напряжение ввода/вывода в диапазоне от 1,8 до 3,3 В — опорное напряжение может подаваться извне или формироваться внутри платы.

Семейство Nicla создавалось для решения следующих ключевых задач:

• Низкое энергопотребление
• Встроенные сенсоры с поддержкой ИИ
• Беспроводная связь
• Частичная совместимость с форм-фактором MKR
• Промышленный температурный диапазон

Платы Nicla рассчитаны на три основных сценария использования:

• Автономный режим (Standalone) — Nicla работает как обычная плата Arduino: пользователь загружает финальное приложение, микроконтроллер выполняет его целиком, а интерфейсы платы используются для связи с внешними датчиками и исполнительными устройствами.
• Периферийное устройство ESLOV — Nicla подключается через разъём ESLOV (5 контактов: шина I2C, питание и GPIO). Через этот разъём плата сопрягается с MKR-платами напрямую или, через переходные кабели, с другими платами, имеющими аналогичные интерфейсы: QWIIC, STEMMA/STEMMA QT и GROVE. Nicla поставляется с готовой прошивкой, которая абстрагирует датчики и позволяет считывать обработанные измерения высокого уровня.
• Шилд для MKR — Nicla устанавливается на плату MKR в качестве шилда. В этом сценарии MKR выполняет основное приложение и общается с Nicla через I2C — так же, как через ESLOV.
• Беспроводной режим (Wireless) — Nicla работает от аккумулятора и передаёт данные беспроводным способом на центральный процессор. Как и в других сценариях, Nicla обрабатывает данные датчиков и предоставляет готовую информацию.

Механические характеристики

Размеры и форма платы

Форм-фактор Nicla — квадрат со стороной 900 мил (mil), не считая выступов разъёмов, предназначенных для вывода через корпус. Несмотря на квадратную форму, плата и её разъёмы намеренно сделаны асимметричными — это исключает неправильную ориентацию при установке.

Для создания единой экосистемы и обеспечения совместимости корпусов между всеми платами семейства форм-фактор Nicla фиксирует следующие механические позиции:

• Межплатные разъёмы
• Гребёнки ввода/вывода (I/O Headers)
• Отладочные контакты (debug fins)
• Элементы пользовательского интерфейса
• Кнопка
• RGB-светодиод
• Разъёмы для кабелей
• Разъём USB
• Разъём аккумулятора
• Разъём ESLOV

Гребёнки (Headers)

Контактные лепестки (Fins)

Пользовательский интерфейс

Разъёмы

Питание

Платы Nicla могут получать питание от четырёх источников:

• Разъём USB
• Разъём ESLOV
• Пин Vin
• Аккумулятор

При питании от USB, Vin или ESLOV плата может заряжать аккумулятор, если это разрешено программно. Все источники питания могут быть подключены одновременно без каких-либо проблем: три напряжения объединяются через ORed с помощью диодов. Пин Vin подключён к PMIC напрямую, тогда как два других источника проходят через диоды — это означает, что разъём ESLOV не сможет питать внешние устройства и предназначен прежде всего для работы в режиме периферии.

Платы Nicla оснащены встроенным зарядным устройством для однобаночных LiPo аккумуляторов с программируемым током заряда (зависит от конкретной модели). Все платы поддерживают режим сна, который минимизирует потребление тока от аккумулятора и удерживает систему в выключенном состоянии до нажатия кнопки сброса.

Внешние интерфейсы

Гребёнки (Headers)

Пины гребёнок управляются двунаправленным преобразователем уровней напряжения, который позволяет отделить напряжение ввода/вывода от внутреннего напряжения процессора. Пины гребёнок привязаны к пину VDDIO, который либо формируется внутри платы с программируемым напряжением, либо подаётся извне.

Плата имеет два ряда штыревых/кастелированных контактов, частично совместимых с форм-фактором MKR. Конкретнее: плата Nicla рассчитана на установку в первую половину разъёмов MKR.

{/* , aligning it as in figure:

*/}

Благодаря такому подключению Nicla можно использовать как шилд для MKR или как контроллер для шилдов MKR — при условии, что шилд не задействует отсутствующие пины.

Распиновка

Низковольтные I/O (Low Power I/Os)

Как указано в таблице выше, платы Nicla имеют набор низковольтных I/O. Эти пины подключены через 8-битный двунаправленный преобразователь уровней напряжения с автоматическим определением направления (подробнее — TXB0108 datasheet), питаемый от VDDIO_EXT. Преобразователь конвертирует логические уровни от входов, работающих на 3,3 В и ниже, до 1,8 В (рабочее напряжение микроконтроллера). Поскольку преобразователь не имеет выводов управления направлением, каждый подключённый к нему вход и выход самостоятельно определяет и переключает направление сигнала. Поэтому номинальная работа этих пинов гарантируется только при подключении к логике CMOS.

Ниже описано взаимодействие с Low Power пинами в режиме входа и выхода.

Low Power пины как входы

К Low Power пинам можно подключать любые входные устройства, работающие при напряжении не выше 3,3 В. Встроенный преобразователь уровней автоматически определит подключение входного устройства и обеспечит преобразование с 3,3 В до 1,8 В для корректного сопряжения с платой Nicla.

Low Power пины как выходы

Любое низковольтное устройство можно подключить к Low Power пинам напрямую, если оно не потребляет ток. Преобразователь уровней автоматически определит подключение выходного устройства и переключит порт соответствующим образом. Выходное напряжение является цифровым; его значение определяется программными настройками VDDIO_EXT: VDDIO_EXT можно отключить или включить на 1,8 В либо 3,3 В.

Если же подключённое выходное устройство потребляет ток (например, LEDs, резистивные нагрузки, зуммеры и т. п.), необходимо использовать MOSFET или буфер для обеспечения нужного тока. Ниже приведена принципиальная схема подключения светодиода к Low Power пину через MOSFET.

Контактные лепестки (Fins)

Платы Nicla имеют набор контактных лепестков (fins), расположенных между пинами гребёнок. Они предназначены главным образом для отладки и первоначального программирования. Лепестки расположены так, что к ним легко подключиться, вставив плату в двухрядную гребёнку с шагом 1,27 мм/50 мил — это обеспечивает надёжный контакт как с лепестками, так и с пинами гребёнок при условии, что гребёнки ещё не припаяны.

Функции каждого лепестка зависят от конкретной платы, однако пины SWD для встроенных процессоров унифицированы и совпадают у всех плат семейства.

Распиновка

Аккумулятор

Клеммы аккумулятора доступны через 3-контактный разъём или через пины гребёнки. В обоих случаях поддерживается однобаночный литий-полимерный аккумулятор. Уточните в документации конкретной платы допустимые значения тока заряда и никогда не превышайте рекомендованный максимум. По возможности подключайте к клемме NTC термистор с отрицательным температурным коэффициентом для контроля температуры аккумулятора — это позволит остановить зарядку при достижении заданного порога.

Распиновка

ESLOV

ESLOV — 5-контактный разъём, доступный на платах MKR и Portenta. Он используется для подключения Nicla через кабель. Через этот разъём плата сопрягается с MKR и Portenta напрямую или, через переходные кабели, с другими платами с аналогичными интерфейсами: QWIIC, STEMMA/STEMMA QT и GROVE. Nicla поставляется с готовой прошивкой, которая абстрагирует датчики и позволяет считывать обработанные измерения высокого уровня от основного процессора Nicla.

Распиновка

USB

Разъём USB представляет собой micro USB; плата Nicla может работать только в режиме периферии. Напряжение с этого разъёма можно использовать для питания платы. Порт USB служит для программирования и отладки платы, а также для реализации пользовательских интерфейсов конкретного приложения.