Автор текста: the_bat

Данное устройство было изготовлено и установлено уже более года назад. Работает отлично и «спасает» от возможных проблем с компрессором. Предыстория такова. Шел март 2023 года, на носу день рождения супруги, полный холодильник продуктов, через пару дней ждем гостей. Открываю дверцу холодильника и понимаю, что в нем нисколько не холоднее, чем в квартире...

Первая стадия – отрицание. Да этого не может быть! Выключаю холодильник на 5 минут из розетки, включаю снова и сажусь ждать. Мое нетерпение не позволяет мне отойти от него надолго. Через каждые десять минут открываю дверцу и ощупываю заднюю стенку в надежде, что произойдет чудо! Сухая и прохладная. Не холодная с мелкими замерзшими каплями, а именно прохладная – наши продукты ее остужают, но не наоборот! Так холодильник работать точно не должен.

Вторая стадия – гнев. Как так? В самый неподходящий момент! Судорожно начинаем искать холодильник во всех известных и неизвестных интернет-магазинах. Цены – ад, доставка через три дня. Это провал! Холодильник 1,8 метра (не знаю сколько уж он в объеме), но столько продуктов за 2 дня точно не съесть, а дальше все начнет портиться. Идет рабочая неделя и близятся выходные.

Третья стадия – торг. А что, если это просто плата управления или пускозащитное реле компрессора? Звоню знакомому по ремонту холодильников, кратко обрисовываю ситуацию. Диагноз «компрессор». Не верю. Бросаю трубку и достаю инструменты. Снимаю панель индикации и управления, чтобы добраться до платы с реле. Реле они такие – подгорели контакты, работы на 5 минут и холодильник как новый. Выпаиваю реле, проверяю – работает. Чертовщина! Выдвигаю холодильник (все еще полный продуктов) и ищу пускозащитное реле. Вторая наиболее частая поломка – это оно. Вижу коробочку рядом с компрессором, ищу, где есть в наличии в магазине, покупаю. Ставлю – не работает.

Четвертая стадия – депрессия. Все. Либо новый холодильник, либо ремонт этого с заменой компрессора. Сидим смотрим варианты холодильников. Перекладываем часть продуктов в морозильную камеру (в нашем холодильнике два независимых компрессора). Ужин прошел в молчании и был как никогда плотным. Спать легли рано, но сон не шел.

Пятая стадия – принятие. Позвонил знакомому, извинился за брошенную трубку. Позвал в гости. Помимо поломки компрессора, оказывается, есть масса неисправностей холодильников. Например, хладогент может утекать через трещины в трубках, которые вмонтированы в заднюю стенку. Такая проблема устраняется путем установки отдельной панели испарителя и выглядит это как на картинке ниже. Стоит эта процедура как треть холодильника и занимает массу времени.

Проверив компрессию, мастер убедился, что трубки в порядке – это немного обнадежило. И после установки нового компрессора, а точнее его аналога, холодильник ожил. Побросав остатки продуктов в холодильник, я спросил, из-за чего могла произойти поломка. После осмотра уплотнительной резинки и не найдя ничего подозрительного, мастер слегка захлопнул дверцу, и она открылась (отскочила) примерно на 1 см. Вот и ответ. Свет в холодильнике не загорается, а через образовавшуюся щель выходит холодный воздух, компрессор молотит постоянно и перегревается. При этом, повторюсь, проблем с самой резинкой нет на первый взгляд, и если она прилепилась, то нужно небольшое усилие чтобы холодильник открыть.

Достал инструкцию к холодильнику и принялся ее читать. На панели есть светодиод «Alarm», и мое предположение было, что датчик открытия двери все-таки есть, но деактивирован. Но нет – этот индикатор отображает наличие каких-то ошибок, но, видимо, не перегрев и выход из строя компрессора.

Лирическое отступление закончено. Я начал думать, как избежать такой проблемы в будущем. Интернет предлагал установить датчик освещенности и мониторить лампочку внутри отсека для хранения продуктов, но ее «концевик» срабатывает при чуть большем открытии. Можно его подпилить, но идея с батарейкой внутри холодильника мне не понравилась сразу, а использовать напряжение на лампочке я просто не захотел. Да и вообще, в плафоне не так много места. Должен быть более простой способ. Тогда на ум пришла идея на реле времени и герконе.

В дверце есть отсек для неиспользуемой петли (чтобы перевесить дверцу, и она открывалась в другую сторону), именно его я и задействовал для своей конструкции.

Приклеиваем плату сигнализации к пластиковому кожуху. Я на всякий случай обвел контур маркером, чтобы потом не искать положение относительно магнита, если вдруг буду снимать устройство.

С другой стороны двери также есть заглушка, в которую необходимо установить магнит. Подбираем его по габаритам (магнитной силе) таким образом, чтобы не было ложных срабатываний.

Пробовал устанавливать различные неодимовые магниты, но все они оказались довольно «сильными». У нормально-замкнутого геркона есть особенность. При приближении магнита он размыкает цепь, а если поднести его еще ближе, то цепь снова размыкается (что равносильно открытию). Методом проб и ошибок был найден подходящий по габаритам и силе магнит.

В общей сложности устройство стоит уже больше года. Батарейку не менял (CR2032), хоть в холодильник залезаем довольно часто. Так как писк прерывистый он не особо раздражает, и в то же время хорошо оповещает об открытом холодильнике. Получилось отличное решение, которое практически не требует вмешательства в конструкцию.

Спасибо за внимание и успехов!

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

Автор текста: the_bat

Привет, Пикабу!

Хоть название и громкое, но тут почти нет преувеличения. Моя разработка не предполагает ежедневного использования и сделана больше просто ради забавы, но тем не менее она довольно интересная. Владимир Анискин из Новосибирска, например, создал книгу на лавсановой пленке размерами 70х90 мкм, а почему бы и нет? На занесение в книгу рекордов Гиннеса я не претендую, но, если Вы остались заинтересованы, заходите под кат. Не хотел делить статью на части, так что наберитесь терпения.

Идея создания маленькой книги на электронных чернилах родилась уже довольно давно. Для этого даже был приобретен прямоугольный e-ink дисплей 2,13”, но по незнанию заказал версию, которая не поддерживала частичного обновления экрана. Смена страниц происходит только через полное стирание, а это занимает много времени и выглядит некрасиво. Поделка была заброшена на долгое время, но как-то на глаза попался мне дисплей 1,54” (200х200 pix), и я вновь загорелся этой идеей. После недолгих раздумий был заказан уже нужный дисплей. Пока посылка шла положенные три недели я решил сделать макетную плату и запустить старый дисплей, сил терпеть больше не было.

На плате не обошлось без ошибок. Я неверно выбрал ножки SPI для дисплея и чуть-чуть ошибся со схемой подключения CP2102 в режиме автоматического программирования. Несколько перерезанных дорожек и три проводка решили почти все мои проблемы.

Почему именно ESP32.
Во-первых, есть возможность закидывать файлы через Wi-Fi. Во-вторых, для этого модуля есть множество примеров скетчей, в том числе и для работы с e-ink. Также у меня есть одна не реализованная идея, которая потребует наличия беспроводной связи, но об этом не в этой статье (интрига). На самом деле я долго метался между микроконтроллером и модулем, но последний все-таки победил.

Немного по схемотехнике. Так как на момент написания статьи у меня уже была готова схема и pcb новой платы, я буду ориентироваться на нее. Схему включения/выключения книги я реализовал на CD4013.

Ток потребления микросхемы в состоянии покоя порядка микроампера, что меня вполне устраивает. IO4 от ESP32 позволит программно выключать устройство, например, при долгом бездействии. U/D – кнопки для перелистывания страниц. Сигнал OUT_KEY включает общее питание, что видно на следующем куске схемы.

Тут все просто. Питанием управляет CD4013 через полевик, до этого устройство выключено. Сигнал ADC_EN от ESP32 подает напряжение для измерения заряда аккумулятора. Сам зарядник LTC4054. Может стоило поставить что-то более навороченное с измерением заряда и шиной I2C, типа BQ25895, но как уж есть. Вместо LDO (как было на прототипе) для питания и использовал DC/DC. Нога CHARGE нужна для отслеживания окончания зарядки.

Так как используемые мной дисплеи pin-to-pin, схемотехника одна и та же. Все внутренние питания формируются из основного источника 3,3В.

Из таблицы на схеме видно, что можно подключить различные дисплеи. DIP переключатель я убрал и оставил резисторы. Сделано это ради экономии места, так как в данном проекте габариты решают. По этой же причине я не стал ставить SD карту. Памяти для хранения одной книги в txt должно хватить на внутренней SPIFlash.

Аккумулятор буду использовать LiPo 582728 3.7В 400 мАч. Этого достаточно и для недолгой работы в режиме Wi-Fi (проверено), но в крайнем случае, есть разъем microUSB. Из интересного по схемотехнике, пожалуй, все.

После того, как я латиницей вывел свой ник на дисплее, решил попробовать кириллицу. Библиотеки для работы с e-ink использовались «E-Paper_code» — так их можно найти на github. И да, там нет русских букв. Мои руки уже практически опустились. Отдельная благодарность Алексею a3x за помощь в подсчете offset букв (и не только в этом) в таблице ASCII, для правильной интерпретации.

if (char_offset > 1140) char_offset -= 780; // функция DrawCharAt в epdpaint.h

Для отрисовки русских букв нужно две вещи. Первое – это конвертер utf8rus (как пример). И тут все понятно, идем снова на github и находим скетч. Второе – нарисовать буквы в библиотеке. Здесь немного сложнее. В примере есть несколько размеров шрифтов: 8, 12, 16, 20, 24. Шрифт 8 имеет размеры 8х5 pix. Есть один существенный плюс – это 25 строк на странице. Смотрится шикарно, но читать почти невозможно. Шрифт 12 думаю будет самое то. Максимальная высота 10 pix. На дисплее можно отобразить 15 строк по 28 символов.

Какие мог буквы я перенес из английского алфавита (я понимаю, что похожие разноязычные буквы отличаются, как например «К» и «K»). Дальше просто пытался рисовать, но буквы оказывались кривыми и нечитаемыми. Решил воспользоваться программой «GLCD Font Creator». Дело пошло быстрее.

Программа позволяет сконвертировать шрифт в нужное количество точек. Так как для соседних строк нужен отступ библиотека работает с 12 пикселями высоты (12 шрифт). Многие буквы подрезались, некоторые стали нечитаемы, но исправить это куда проще, чем рисовать с нуля. В какой-то момент я еще вспомнил что букв в два раза больше, чем ожидалось (заглавные и строчные). Программа позволяет выгрузить шрифт в массив, но мне он не подошел по структуре. Писать преобразование одного массива в другой я был не готов морально. Пришлось преобразовать все в калькуляторе – то еще занятие. При корректировке нужно не забывать оставлять не менее 1 пикселя справа/слева, чтобы буквы не слипались в тексте. В коде буква выглядит примерно так:

// @ 'ф' (7 pixels wide)
0x00, //
0x00, //
0x38, // ###
0x10, // #
0x7C, // #####
0x92, // # # #
0x92, // # # #
0x7C, // #####
0x10, // #
0x38, // ###
0x00, //
0x00, //

Не скажу, что все буквы идеальны, но вполне читаемы. Если кому-то понадобится библиотека, могу поделиться. После того, как все буквы готовы пробуем вывести на новый дисплей.

Это самый первый вариант, и я его дорабатывал. Для чего вообще я рисовал заглавные твердый и мягкий знаки? Хотя … оказывается есть, например, слово «Ьмх» — это название советского локомотива. Ну и, конечно, можно будет почитать книги на болгарском языке, там есть слова, начинающиеся на «Ъ».

Используя скетч «ESP32_SPIFFS_test» я научился на SPIFlash класть текстовый файл книги. Когда я в первый раз вывел текст, я был огорчен. Как и следовало ожидать, все слова «рвались» на границе экрана. Пока я не сделал нормального форматирования текста пришлось воспользоваться online сервисом.

Помимо переносов по словам, тут есть выравнивание текста по ширине. Результат превосходен! Но и тут появилась новая проблема. Для переноса текста используется символы «CR»«LF». Мой недокод умеет искать только «\n» = «LF». Пришлось находу вычислять offset «CR» и заменять его на пробел, в противном случае на каждой строке справа появлялся символ в виде мусора. Это костыль, но рабочий.

Тут еще некоторые буквы кривые и слипаются. Также в тексте много ошибок в виде пропущенных букв и лишних пробелов в середине слова. Мне нравится читать электронную книгу, у меня для этого есть полноценная версия, но вот ошибки в тексте раздражают.

Ниже функция вывода страницы текста из файла на экран. Строго не судите – пишу код как могу.

void DrawPage(int page) {
if (!SPIFFS.begin(true)) {
Serial.println("An Error has occurred while mounting SPIFFS");
return;
}
if(EEPROM.read(3) == 0) {
file = SPIFFS.open("/book.txt", "r");
if (!file) {
Serial.println("Failed to open file for reading");
return;
}
char temp_qs[56];
while (file.available()) {
file.readBytesUntil('\n', temp_qs, sizeof(temp_qs));
Quantity_string++;
}
Quantity_page = (Quantity_string / 15);
if(Quantity_page > 255) {
EEPROM.write(2, Quantity_page/100);
EEPROM.write(3, Quantity_page%100);
} else {
EEPROM.write(2, 0);
EEPROM.write(3, Quantity_page);
}
EEPROM.commit();
file.close();
Serial.println(Quantity_page);
} else {
Quantity_page = (EEPROM.read(2)*100)+EEPROM.read(3);
Serial.println(Quantity_page);
}
file = SPIFFS.open("/book.txt", "r");
if (!file) {
Serial.println("Failed to open file for reading");
return;
}
if (Quantity_page == 0) {
paint.SetWidth(200);
paint.SetHeight(24);
paint.Clear(UNCOLORED);
paint.DrawStringAt(2, 2, utf8rus("Файл пустой...").c_str(), &Font12, COLORED);
epd.SetFrameMemoryPartial(paint.GetImage(), 50, 20, paint.GetWidth(), paint.GetHeight());
epd.DisplayPartFrame();
} else {
Serial.print("Page number:");
Serial.println(page);
Serial.println("File Content:");
for (int i = 0; i < page * 15; i++) {
int l = file.readBytesUntil('\n', one_string, sizeof(one_string));
}
paint.SetWidth(200);
paint.SetHeight(36);
//PAGE NUMBER
paint.Clear(UNCOLORED);
paint.DrawStringAt(2, 2, utf8rus(String(page_count + 1)).c_str(), &Font12, COLORED);
paint.DrawStringAt(30, 2, utf8rus("из").c_str(), &Font12, COLORED);
paint.DrawStringAt(52, 2, utf8rus(String(Quantity_page + 1)).c_str(), &Font12, COLORED);
paint.DrawRectangle(167, 5, 194, 15, COLORED);
paint.DrawStringAt(168, 5, "'''''", &Font8, COLORED);
epd.SetFrameMemoryPartial(paint.GetImage(), 2, 183, paint.GetWidth(), paint.GetHeight());
//PAGE
int k_line = 2;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
paint.Clear(UNCOLORED);
for (int s = 0; s < 3; s++) {
int l = file.readBytesUntil('\n', one_string, sizeof(one_string));
one_string[l] = 0;
//Serial.println(one_string);
paint.DrawStringAt(0, s * 12, utf8rus(one_string).c_str(), &Font12, COLORED);
}
epd.SetFrameMemoryPartial(paint.GetImage(), 2, k_line, paint.GetWidth(), paint.GetHeight());
k_line += 36;
}
file.close();
page_count++;
}
}

Тут идет чтение текстового файла из памяти ESP32. В переменную «page» я передаю номер страницы из (псевдо) EEPROM – это типа закладки. Для сдвига указателя в файле, сделан первый цикл for. Над этим еще нужно поработать.

Далее я решил формировать нижнюю строку для вывода количества прочитанных страниц из общего количества. Для отображения заряда аккумулятора у меня пока заглушка, нарисованная в 8 шрифте (чтобы не было пересечения при выводе) в рамке. То есть для вывода текста остается 15 строк. Следом формируется сама страница. Тут нужно отдельное пояснение.

int k_line = 2;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
paint.Clear(UNCOLORED);
for (int s = 0; s < 3; s++) {
int l = file.readBytesUntil('\n', one_string, sizeof(one_string));
one_string[l] = 0;
//Serial.println(one_string);
paint.DrawStringAt(0, s * 12, utf8rus(one_string).c_str(), &Font12, COLORED);
}
epd.SetFrameMemoryPartial(paint.GetImage(), 2, k_line, paint.GetWidth(), paint.GetHeight());
k_line += 36;
}
file.close();
page_count++;

Как я писал ранее – этот дисплей поддерживает частичное обновление фреймами. Максимальный размер фрейма в памяти 8192 pix. Заполнение одного фрейма занимает порядка 0,8 с. Сначала я сделал построчно и это занимало около 15 с. После некоторых расчетов стало понятно, что формировать можно по 3 строки за раз: 200х36=7200 (каждая строка 200х12). Тогда это займет порядка 5 с – это намного лучше (4 на текст и 1 на строку состояния). Поэтому внутренним циклом формируются три строки, а внешним вся страница. Здесь нет функции «epd.DisplayPartFrame()» (вывод на дисплей) не случайно. После включения книги пользователь видит последнюю читаемую страницу (ее я стартую в «void setup()»), а я тем временем готовлю следующую (над процессом чтения предыдущей страницы еще нужно подумать).

void loop()
{
if (((digitalRead(KEY_UP) == LOW) && (page_count <= Quantity_page + 2))) {
Quantity_page = (EEPROM.read(2)*100)+EEPROM.read(3);
//SAVE PAGE
Serial.println(page_count);
if(page_count > 255) {
EEPROM.write(0, page_count/100);
EEPROM.write(1, page_count%100);
} else {
EEPROM.write(0, 0);
EEPROM.write(1, page_count);
}
EEPROM.commit();
//LOAD PAGE
epd.DisplayPartFrame();
//PRELOAD NEXT PAGE
DrawPage(page_count);
delay(50);
//LIGHT SLEEP
esp_light_sleep_start();
}
}

В результате этого получается, что пока мы наслаждаемся лого загрузки и чтением первой страницы (5 с + 5 с) у меня готова следующая. По нажатию кнопки я моментально делаю вывод и начинаю формирование следующей, которая готова через ~5 с. Запись закладки в один и тот же адрес EEPROM ни к чему хорошему не приведет, но 10000 страниц я прочитаю. Вопрос в том, сколько страниц я успею прочитать на аккумуляторе 400 мАч. Без режима сна все-таки не обойтись, но это оказалось просто. Добавляем в конец «void setup()» и по нажатию кнопки функцию «esp_light_sleep_start()». Для пробуждения прописываем RTC_GPIO «esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_14, 0)». Итого: в момент «перелистывания» страницы потребление около 38 мА, дальше 5,0 мА. При выключении кнопкой мой мультиметр (UNI-T UT70A) показывает 0 в режиме измерения мкА (думаю, что врет).

На плате добавился еще один проводок для кнопки. Оказывается, не все пины на ESP32 можно задействовать как GPIO.

Пока я «писал код» в производстве была вторая итерация платы. Габариты получились 40х57мм.

Я особо не старался уменьшить размеры, так как решающую роль тут играет аккумулятор и сам модуль ESP32. Также, чем меньше будут габариты, тем нелепее буде выглядеть толщина устройства (аккумулятор 5,8мм). Я широким жестом удалил индикационные светодиоды (осталась только индикация процесса/окончания зарядки), хотя место для них есть, а для отладки они бы пригодились.

Из нереализованного:

1. Переделать запись в EEPROM.

2. Реализовать отправку книги по Wi-Fi.

3. Сделать перелистывание страницы назад.

4. Отслеживать и выводить заряд аккумулятора.

5. Поддержка epub.

6. Научиться писать код.

Не люблю использовать видео в статье, но тут без него не обойтись. Оно наиболее полно отображает работу устройства.

В целом поделкой я остался доволен. Практическое применение, конечно, минимально, но, как говориться, опыт бесценен, а также присутствует моральное удовлетворение. Думаю, я найду в себе силы прочитать пару книг на моем устройстве.

P. S.: Первая книга саги «Ведьмак» занимает 1654 страницы (24810 строк).

Чтение – к мудрости движение.
Спасибо за внимание и успехов!

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

Автор текста: smart_alex

Эта статья посвящена разбору решений по запитке 3,3-вольтовых контроллеров (и их периферии) от литиевых аккумуляторов, напряжение которых меняется в процессе работы от 4,2 В до 3 В и даже ниже, в случае глубокого разряда.

Получить стабильные 3,3 В в этом случае не так-то просто и, кроме этого, задача питания подобной аппаратуры от аккумуляторов выдвигает множество специфических требований, удовлетворить которые тоже непростая задача.

Обо всём этом мы и поговорим далее (решение есть!).

❯ Постановка задачи

Для начала давайте определим требования, которым должно удовлетворять подобное решение. Требования довольно противоречивые, поэтому их трудно учесть в каком-то одном решении (но компании Texas Instruments, похоже, удалось это сделать).

Стабильное напряжение 3,3 В при колебании входного от 4,2 до 3 В (и даже до 2,5 В). Основная сложность тут состоит в том, что входное напряжение может быть как больше, так и меньше выходного и типовые решения UP или DOWN конвертеров не подходят, нужен BUCK-BOOST конвертер.

Энергоэффективность. Поскольку речь идёт о питании от аккумулятора, то решение должно быть энергоэффективным, то есть КПД должен быть более 90% (допускается небольшая просадка в некоторых режимах).

Низкий ток покоя (холостого хода). Конвертер должен обеспечивать низкий ток собственного потребления при отсутствии нагрузки. На мой взгляд, приемлемыми можно считать значения до 50 мкА (судя по даташиту на серию TPS63xxx, инженеры TI тут со мной полностью согласны).

Приличная нагрузочная способность. Конвертер должен обеспечивать приличный ток нагрузки. Мои требования — максимальный ток до 300-400 мА, решения TI обеспечивают токи до 1-3 А.

Это основные требования, кроме них есть ещё множество специфических, наподобие уровня шумов в выходном сигнале, возможность отключения конвертера программным путём, индикация режимов работы и т. п.

❯ Сценарии работы

Меня лично интересуют два сценария работы подобной аппаратуры (у вас могут быть свои требования) и именно по отношению к этим двум сценариям я и буду рассматривать решения TI.

1. Микропотребляющая нода. Это может быть беспроводной датчик, который в основном режиме сна потребляет 5-10 мкА и периодически выходит в эфир, (очень) кратковременно поднимая потребление до 100 мА (например, ATmega328 + nRF24/LoRa). Для этого сценария определяющим является низкий ток покоя конвертера.

2. Функциональная нода. Это может быть модуль ESP8266/ESP32 с передачей данных по Wi-Fi и какими-то дополнительными функциями, или датчик/актуатор, периферия которого может потреблять значительный ток. Здесь на первый план выходит сочетание низкого тока покоя конвертера с его возможностью беспроблемно обеспечивать большой выходной ток в моменты активации периферии (или работы по Wi-Fi).

(Вообще, на этом принципе можно делать какие-то переносные девайсы, наподобие дозиметров или подобного, но эта тема меня пока не особо интересует.)

❯ Серия TPS63xxx

Вообще, существует множество вариантов решения этой проблемы от различных компаний, работающих на различных принципах: UP+DOWN, SEPIC, различные варианты BUCK-BOOST и т. д. В этом смысле серия TPS63xxx от Texas Instruments — это всего лишь один из доступных на рынке вариантов. Возможно не лучший, но после тестирования и практических экспериментов, искать что-то лучшее я не вижу особого смысла — всё, что мне надо там отлично работает.

С практической точки зрения, можно купить сами чипы и развести под них специальные платы (для конечных устройств так и нужно сделать), но для экспериментов и DIY устройств можно сэкономить время и силы и воспользоваться готовыми модулями, которые уже давно разработали и продают наши китайские друзья.

(По принципу: если ты что-то изобрёл, не спеши радоваться — зайди на Али — китайцы это уже придумали, сделали и давно продают.)

На Алиэкспресс доступны модули на основе чипов TPS63000, TPS63020, TPS63030, TPS63070, TPS63802, которые китайцы именуют либо по названию чипа, либо с приставкой «XL»:

XL63000
XL63020
XL63030
XL63070
TPS63802

Это всё вариации на одну тему, с некоторыми различиями как в свойствах микросхем TI, так и в свойствах самих модулей (где-то отдельно выведены контакты включения/выключения чипа, изменения режимов работы, качества выходного напряжения и т. д., а где-то — нет).

Пожалуй, из всего этого стройного ряда выделяется только вариант TPS63070 с входным напряжением до 16 В и напряжением старта 3 В — это может пригодиться в каких-то специфических случаях. Остальные отлично подходят для моих (наших) целей. Для моих уж точно — я не планирую нагружать аккумулятор более, чем на 300-400 мА, даже кратковременно, а ток покоя 50 мкА меня тоже, в принципе, устраивает.

Самым интересным тут выглядит вариант TPS63802 с его 11 мкА тока покоя — насколько грамотно это удалось воплотить китайцам в реальном модуле мы и посмотрим далее.

❯ Модуль TPS63802

Вообще, все эти модули производят неоднозначное впечатление — они сделаны (как бы) в одном дизайне, но при этом имеют разные габариты и разный набор выведенных пинов. То ли разработчики склонны к экспериментированию, то ли эти модули делают разные компании и похожи они только внешне.

Сходу можно сказать, что в реализации модуля TPS63802 допущены как минимум пять косяков:

1. Несовместимость с макетными платами. Прочие модули XL63xxx нормально вставляются в макетные платы, а в TPS63802 приходится НЕ распаивать по одному пину на площадках (чтобы можно было вставить в макетную плату).

2. Отсутствует пин EN. В модуле TPS63802 не выведен пин EN управления его включением/выключением. Для меня это не проблема — я вообще не очень представляю сценарий, когда с контроллеру нужно совершать суицид и самому себе отрубать питание. Но кому-то это может понадобиться.

3. Дорожка EN под микросхемой. Если вы захотите самостоятельно управлять включением TPS63802, то просто так вам не удастся это сделать — придётся отпаять микросхему и уже под ней перерезать дорожку, замыкающую EN на VCC.

4. Светодиод индикации питания. Воистину, дизайн модуля делала ключница — на модуле с 11 мкА тока покоя залудить светодиод индикации питания (!). Это нужно быть совсем «не алё» и похоже, что разработчик вообще был не очень в курсе, что он разрабатывает.

5. Резистор 3К на землю. Светодиода китайскому затейнику показалось мало и он добавил ещё резистор 3К на землю, который постоянно сливает энергию аккумулятора.

Всё это неприятные, но несущественные недостатки — при помощи паяльника и прямых рук решаются за несколько минут. За исключением перемычки под микросхемой — чтобы провернуть такую операцию, — нужно иметь хорошую квалификацию в пайке, острый взгляд, твёрдую руку и стальные нервы (смайл). Благо мне лично пин управления включением не нужен.

Итак, удаляем светодиод и резистор (можно выпаять, а можно и выломать — кому как удобнее), замыкаем перемычку PS (Power Saving, те самые вожделенные 11 мкА без нагрузки) и приступаем к практическому тестированию. Теория теорией, но кто знает что там китайские товарищи напаяли?

❯ Ток покоя (холостого хода, без нагрузки)

С током покоя всё просто: замеряем выходное напряжение без нагрузки, которое ожидаемо оказывается 3,32 В и потребляемый модулем ток, который оказывается 35 мкА (по тестеру UNI-T UT61E+). Это конечно не 11 мкА микросхемы TPS63802 из даташита, но довольно неплохо и более чем приемлемо для наших (моих) целей.

Почему 35, а не 11 мкА? Скорее всего лишнюю утечку дают дополнительные элементы на плате, плюс возможна какая-то погрешность при измерении моим тестером (интересно, а сам чип оригинальный?). Но в целом можно сказать, что этот тест модуль прошёл успешно — 35 мкА это не феноменальный, но более, чем приемлемый результат.

❯ Нагрузочный тест

Теперь посмотрим как модуль справляется со своей основной задачей — поддержанием стабильного выходного напряжения при различных нагрузках и с какой эффективностью он это делает.

Сделаем замеры и построим графики зависимости выходного напряжения и эффективности преобразования в зависимости от тока нагрузки. Тестировать я буду на наиболее востребованном и наиболее интересном мне диапазоне токов от 0 до 0,5 A.

А сами серии тестов проведём для (наиболее актуальных и информативных с точки зрения работы с литиевыми аккумуляторами) диапазонов 4,2/3,6/3,0 вольт входного напряжения.

Нагружаем модуль и проводим замеры входных и выходных напряжений и токов и вычисляем реальную эффективность преобразования.

По численному представлению информации трудно понять как ведёт себя модуль. Для наглядности сведём все эти данные и построим график зависимости выходного напряжения модуля TPS63802 от нагрузки при различных уровнях входного напряжения (характерных для литиевых аккумуляторов).

Из этого графика можно сделать вывод, что модулю вообще без разницы какое напряжение у него на входе — графики линий для 4,2/3,6/3,0 В практически слились в одну. Причём для 4,2 и 3,6 В модуль работает как понижающий, а для 3,0 — как повышающий. Это хорошо, но хуже то, что линия имеет явный наклон и пересекает «психологическую» черту в 3,0 В где-то в районе 500 мА нагрузки и уходит в «маргинальную» область напряжений менее 3 В.

Кстати, TI по какой-то причине не указывает в своих даташитах на серию TPS63xxx графики зависимости выходного напряжения от выходных токов, одни из самых важных, на мой взгляд (стесняется?).

Единственный подобный график от производителя, который мне удалось раскопать — это график для модели TPS63031 и он существенно отличается от полученного мной в реальности.

Чего стесняется TI и почему угол наклона в реальности значительно больше «теоретического» я сказать не могу — возможно дело в методике измерений и используемых инструментах, возможно дело в схемотехнике модуля TPS63802, а возможно в модуле стоит китайский клон TPS63802. И совсем крамольная мысль: поскольку в официальном даташите на TPS63802 нет этого графика — то может он такой кривой и должен быть? (смайл)

Но в любом случае, поскольку лично меня интересуют интервалы от нуля до 400 мА нагрузки при выходном напряжении от 3,3 до 3,0 вольт, то лично меня этот модуль устраивает, а тем, кому нужно больше, можно поглубже покопать эту тему (и сообщить нам о результатах своих изысканий).

Эффективность

Ок, теперь переходим к анализу энергоэффективности модуля TPS63802. Для начала график от производителя, видимо полученный на рефренсном дизайне платы, с рефренсной обвязкой чипа TPS63802, измеренный на рефренсной измерительной аппаратуре инженером TI высшей квалификации.

График из даташита — одно загляденье, но в реальности я наблюдаю несколько иную картину: с ростом нагрузки эффективность падает, но в заветном диапазоне 0-300 мА всё ещё «телепается» в районе более-менее приличных 80%. Причём тут уже видно расслоение графиков в зависимости от входного напряжения — чем ниже входное напряжение тем «труднее» модулю работать и тем меньшую эффективность он демонстрирует.

Аберрации и аномалии в районе нуля — это следствие погрешности измерений. Кстати, в процессе работы с модулем TPS63802 я заметил ещё одну его неприятную особенность: он демонстрирует своего рода «нереентерабельность» — в зависимости от внешних воздействий может впадать в некие устойчивые состояния, которые не нормализуются без полного его обесточивания и ожидания разрядки подключённых ёмкостей — это может сыграть злую шутку, например, когда выходной ток кратковременно превысит допустимый предел, а после этого модуль уже не восстановит нормальную работу. Этот момент нужно учитывать при проектировании устройств на модуле TPS63802 (а возможно и на чипе TPS63802).

❯ Уровень шумов

Уровень шумов в выходном напряжении — это тоже важный параметр, поэтому проведём замеры его в разных режимах работы модуля. Без нагрузки модуль выдаёт шумы в виде пилы амплитудой около 40 мВ. Не сказать, что мало, но и не сказать, что уж очень много.

При добавлении выходного электролитического конденсатора положение значительно улучшается и основная масса шумов укладывается в 20 мВ (с небольшими всплесками до 30 мВ).

Под нагрузкой пульсации возрастают аж до 90 мВ, что явно многовато (хотя на практике, я протестировал, — контроллеры работают с таким питанием без проблем).

Добавление электролитического конденсатора на выход модуля снижает уровень шумов до более-менее приемлемых 40 мВ (если при уровне шумов 90 мВ всё работает нормально, то при 40 мВ уж подавно проблем не будет).

Из этого можно сделать вывод, что и по этому параметру модуль TPS63802 проходит тест, рекомендуется только добавить конденсатор на его выход.

❯ Итого

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что модуль TPS63802, несмотря на некоторые недостатки, вполне подходит для создания энергоэффективных устройств на микроконтроллерах, работающих от литиевых аккумуляторов. Это могут быть беспроводные датчики, устройства на ESP8266/ESP32, а также различные носимые девайсы, наподобие дозиметров и прочего подобного.

Мне лично модуль понравился — он (легко и просто) закрывает целый пласт проблем по питанию от литиевых аккумуляторов. Но совершенство недостижимо и если вы знаете лучшие решения — делитесь ими в комментах — это всем будет полезно.

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

Автор текста: MaFrance351

Приветствую всех!

Последние годы довольно часто обсуждаются проекты open-source телефонов. В основном это всякие смартфоны на Linux, иногда припоминают и всякую экзотику типа OpenMoko. Но есть одна проблема — baseband, процессор модема, который непосредственно отвечает за всё его взаимодействие с сетями. Эти чипы исполняют проприетарный код, исходники которого распространяются под строгими NDA и недоступны практически никому.

Как насчёт того, чтобы создать открытый GSM-телефон? Именно об этом мы сегодня и поговорим, а заодно и попробуем запустить такой экземпляр.

Итак, в сегодняшней статье поговорим о том, насколько реально простому пользователю получить GSM-телефон, прошивка модема в котором работает без блобов. Попутно выясним, как это сделать и что из этого получится. Традиционно будет много интересного.

❯ Суть такова

У всех на слуху такие девайсы как PinePhone или Fairphone. Это довольно интересные устройства, но сегодня речь пойдёт не о них. Если у упомянутых телефонов основной упор сделан на операционную систему, ремонтопригодность и тому подобные параметры, то проект, который мы рассмотрим сейчас, касается радиочастотной части: модема, DSP и взаимодействия с сотовой сетью на низком уровне. Во всех ранее представленных экземплярах используется уже готовый модуль модема, тогда как тут всё практически полностью открыто, а прошивка собирается из исходников и лишена блобов.

Сразу предупреждаю: то, что есть сейчас — всего лишь концепт, до полноценного использования девайса как телефона ещё далеко. Тем не менее, это хороший пример того, как при помощи доступного даже простому школьнику железа получить открытый (ну почти) GSM-телефон.

❯ TI Calypso

Давным-давно, где-то в самом начале двухтысячных, в Texas Instruments придумали чипсет Calypso.

Он предназначался для построения на нём бюджетных кнопочных телефонов и использовался целым рядом компаний, в частности, Motorola, Sony Ericsson и Siemens.

На самом деле практически никто не занимался разработкой и производством телефонов, все эти задачи были отданы на откуп тайваньской Compal, у которой просто закупали огромными партиями дешёвые ODM-трубки. Таких телефонов, использующих данный чипсет, по факту было ещё больше, чем может показаться. И, казалось бы, девайсы не были примечательны что для пользователей, что для энтузиастов, если бы не один примечательный факт. В 2008 году на сайте cryptome.org была выложена слитая документация на данный чипсет. Это вызвало поистине небывалый интерес в узких кругах, позже с использованием этих наработок было создано немало интересных проектов, в том числе во всех смыслах легендарный OsmocomBB. Но сегодня речь пойдёт не о нём, а о прямо противоположном устройстве. Раз есть базовая станция с открытым ПО, то почему бы и не быть такому телефону? Именно о нём мы сейчас и поговорим.

❯ FreeCalypso

Именно благодаря упомянутой утечке был создан проект FreeCalypso — открытая альтернативная прошивка для телефонов на таком чипсете. Для её использования понадобится только телефон из числа совместимых (их мы затронем чуть позже) и шнурок для подключения подопытного к компьютеру.

Несмотря на то, что прошивка цифрового сигнального процессора (он же DSP) так и остаётся «чёрным ящиком», можно с уверенностью сказать, что FreeCalypso наиболее близок к идее открытого GSM-телефона. На момент написания статьи ближе находятся только решения с использованием SDR, но простым пользователям они практически недоступны ввиду крайне высокой цены таких приборов, тогда как старый телефон на опыты может себе позволить практически каждый.

❯ Обзор оборудования

Итак, для того, чтобы повторить у себя этот проект, понадобится всего-ничего: совместимый телефон, кабель для прошивки и компьютер с Linux.

А вот и подопытный телефон. Это Motorola C139. Подойдут также C113, C115, C118, C155, но лично я с ними не пробовал. Под другие телефоны альтернативной прошивки нет.

Как и в C118, тут тоже есть сервисное меню, код для его входа такой же: **16379#. Тут можно включить трассировку, которую он будет отправлять в последовательный порт.

Интерфейс также очень похож на другие телефоны Motorola на чипсете TI Calypso. Ну а если достать C118, сомнения о том, что это телефоны из одной линейки, пропадают сразу же.

Для прошивки понадобится некий «T191 unlock cable», служащий для связи телефона с компьютером.

На практике его можно заменить переходником на базе CP2102 (или любым другим, у которого есть поддержка уровней 3,3 В. Не используйте переходники с пятивольтовыми уровнями. Спалите телефон). Как его спаять, я уже описывал тут. Подключать его надо к ПК с Linux, виртуалка не подойдёт. Возможно, у вас дела будут обстоять иначе, но на практике я столкнулся с тем, что при подключении такой штуки к ВМ начинается периодический пропуск байтов.

❯ Чуть-чуть об устройстве GSM-телефона

Немного затронем то, из чего вообще состоят обычные телефоны.
Сейчас нас интересуют именно кнопочные экземпляры, причём именно «традиционные», без какой-то пользовательской ОС и прочих наворотов. В отличие от смартфонов и коммуникаторов, где основной процессор общается с внешним модемом, здесь что пользовательские функции, что взаимодействие с сетью выполняются одним и тем же процессором, в нашем случае это тот самый TI Calypso.

Вот структурная схема телефона на таком чипсете. TI Calypso имеет в своём составе тот самый необходимый для работы сети DSP, процессорное ядро (ARM7TDMI) и аппаратные контроллеры интерфейса. К нему подключается радиочастотная часть: чип трансивера, высокостабильный генератор (тот самый, погрешности которого нам тогда не хватало, чтобы поднять свою БС без приёма синхросигнала от другой), антенна, фильтр, смеситель и антенный переключатель. Последний позволяет использовать одну антенну для приёма и передачи. Поскольку в GSM используется временно́е разделение, между кадрами на приём и передачу есть определённая задержка (равная длительности трёх кадров), так что этот чип представляет собой не частотно-разделительный фильтр, как в аналоговых телефонах (AMPS, TACS, NMT), а просто коммутатор, подключающий антенну то к приёмнику, то к передатчику.

Эти аналоговые сигналы обрабатывает DSP, прошивка и описание которого не разглашается даже производителям телефонов (тем же компаниям, которые и продают трубки, либо тем, кто выпускает ODM-телефоны, закупаемые предыдущими брендами).

Другими компонентами baseband являются аппаратный шифратор (реализующий те самые алгоритмы A5/1 и A5/2), ПЗУ с прошивкой DSP, аудиокодек, а также различные контроллеры — UART, дисплея, клавиатуры, ISO7816 (для чтения SIM-карты) и прочей периферии.

Что же до телефонов с двумя симками, то тут есть два варианта. Первый ныне практически полностью ушёл в историю — там используется один модем, а симки подключаются к нему через обычный мультиплексор. Таким образом, единовременно может быть доступна в сети только одна карта. Такая схема использовалась в первых таких телефонах (обычно это были дешёвые китайские трубки). Второй вариант сложнее — по сути это два полноценных модема, размещённых в одном корпусе. Так устроены ну практически все современные телефоны, начиная от стареньких Samsung Duos и заканчивая нынешними смартфонами.

❯ Ставим софт

Переходим к опытам. Для загрузки альтернативной прошивки нужна сама прошивка под нужный нам телефон, а также софт для этого. Всё это можно скачать тут. Нас интересуют архивы c1xx-fcmag-latest.tar.bz2 и fc-host-tools-latest.tar.bz2. Первый содержит прошивку и сопутствующие файлы, второй — утилиты для её загрузки.

Если прошивка поставляется собранной вместе с исходниками, то софт необходимо компилировать самому. Для этого распаковываем архив в папку, заходим в неё и традиционным для линукса образом собираем софт:

make
sudo make install

После непродолжительной сборки (я пробовал на Linux Mint и на Lubuntu, проблем не возникло) всё нужное ПО будет готово.

❯ Сливаем прошивку

Перед началом прошивки необходимо сделать резервную копию Flash. Она нужна на случай, если придётся вернуться к изначальной прошивке или если в процессе загрузки новой что-то пойдёт не так.

Итак, заходим в папку loadtools и запускаем софт:

sudo ./fc-loadtool -h compal -c 1003 /dev/ttyUSB0

Само собой, порт нужно заменить на тот, который соответствует вашему переходнику. Если у вас не C139, то команду следует выполнить со следующими параметрами:

C11x/12x: fc-loadtool -h compal /dev/ttyXXX C139/140: fc-loadtool -h compal -c 1004 /dev/ttyXXX C155/156: fc-loadtool -h c155 /dev/ttyXXX

Если всё сделано верно, в консоли появится примерно следующее:

Коротко жмякаем кнопку питания. Удерживать её не надо, это приведёт к обычной загрузке, что нам пока что не требуется. Также не стоит пытаться делать это с подключенным зарядником — в это время загрузчик не работает.

Если подключение успешно, отобразится консоль loadtool. Вводим следующую команду:

flash dump2bin backup.bin

Начнётся копирование прошивки с телефона на ПК. Процесс этот ничуть не быстрый и занимает примерно десять минут.

По окончании в папке с программой будет создан файл с штатной прошивкой телефона.

❯ Калибровка

Компоненты, использованные в радиочастотной части телефона, неидеальны, а ручная подгонка их номиналов привела бы к непомерному удорожанию телефона. Поэтому поступают проще: собранный телефон подключается к тестовому стенду, после чего полученные поправки и коэффициенты записываются на Flash.

Многие из вас наверняка видели этот маленький высокочастотный разъём на телефоне, а кто-то ошибочно полагал, что нужен он для подключения внешней антенны.

На старых телефонах всё было именно так. Вот, например, такое подключение на Motorola M3688. На новых же трубках этот разъём служит исключительно для тестирования на заводе или в сервисе, никакие пользовательские аксессуары в него не втыкаются.

Более того, кустарные попытки что-то туда воткнуть, скорее всего, приведут к тому, что не самый распространённый в других областях разъём сломается и телефон перестанет ловить сеть.

Тестирование обычно происходит при помощи специальных (ориентированных именно на мобильные сети) анализаторов стоимостью как квартира в центре столицы нашей страны.

Так вот. После того, как нужные настройки радиочастотной части получены, их загружают в память телефона, где они лежат в одном из скрытых каталогов файловой системы. Если просто установить свою прошивку (а FreeCalypso затирает всю Flash), то эти данные будут утеряны и телефон превратится в электронный органайзер. Поэтому их надо оттуда извлечь. Для этого предназначена специальная утилита c1xx-calextr, лежащая в папке ./ffstools/caltools.

Выполняем следующую команду:

./c1xx-calextr -b rfbin backup.bin 0x3FC000

Здесь backup.bin — файл дампа Flash, 0x3FC000 — смещение. Оно определяется следующим образом. Если размер Flash равен двум МБ, то смещение равно 0x1FC000, если четырём, то 0x3FC000. Размер этот очень легко определить по самому файлу дампа — 2097152 байт для маленькой версии и 4194304 байт для большой. После выполнения команды создастся папка rfbin, содержащая в себе все необходимые файлы с параметрами.

❯ Аккумулятор

Теперь очередь контроллера питания. Для него тоже есть свои параметры, если их не задать, то телефон не будет заряжаться. В инструкциях FreeCalypso упоминается вот эта ссылка, но она нерабочая. В реальности нужные нам файлы лежат тут. Нам понадобится standard следующего содержания:

Где-то может упоминаться вот такой файл. Не используйте его, с ним работать не будет.

Ну что же, можно перейти к самому важному этапу.

❯ Загрузчик

Теперь самый ответственный момент — перезапись загрузчика Motorola на тот, который будет запускать софт FreeCalypso.

Внимание! Неправильная перепрошивка загрузчика или нештатная ситуация в её процессе ведёт к окирпичиванию телефона. Если вы запорете эту область памяти, вернуть трубу к жизни сможет только программатор!
В случае использования C155 перепрошивать загрузчик не надо, описанные в этом разделе действия окирпичат телефон.

Перед началом данного предприятия заряжаем телефон «под завязку», затем подключаем его к компьютеру. Если аккумулятор дохлый, то запускаем от ЛБП, для верности. Симку, если она была вставлена, необходимо вытащить. Из архива с прошивкой извлекаем compal-flash-boot-for-fc.bin. После этого запускаем софт для прошивки, ранее описанным образом запускаем на телефоне загрузчик и выполняем следующую команду:

flash erase-program-boot compal-flash-boot-for-fc.bin

Если всё было сделано правильно, загрузчик будет успешно записан.

❯ Освобождение «Калипсо»

Теперь, если загрузчик записан, можно приступать к самой прошивке. В архиве нас интересует папка build-c139-hybrid-ui-vo. В ней и находится интересующая нас прошивка. И тут есть один нюанс: в качестве «полноценного» телефона подойдёт только Motorola C139. Под другие телефоны прошивки тоже имеются, но они реализуют функционал голосового модема, а не полностью самостоятельного телефона. Это тоже необходимо учесть, если вы хотите использовать иной телефон.

Итак, идём в эту папку и закидываем содержимое туда, где у нас лежит софт для загрузки. Далее вводим команду:

exec flash-script

Прошивка начинается со стирания памяти.

Далее произойдёт загрузка самой прошивки.

И, после нескольких минут томительного ожидания, программа выдаст нечто вроде этого.

Затираем участок Flash, выделенный под системные файлы, для чего вводим команду:

flash erase 0x3C0000 0x30000

Первое число — смещение. Оно также отличается в зависимости от объёма памяти: 0x1C0000 для 2 МБ, 0x3C0000 для 4 МБ, 0x700000 для 8 МБ. Второе число — количество байт: 0x30000 для 2 и 4 МБ, 0xD0000 для 8 МБ.

С fc-loadtool по сути всё. Выходим, набрав exit....

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ ↩ (без регистрации и СМС)

Материал получился достаточно объемным и все подробности, к сожалению, не влезли :(

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.