Модульная электроника

Хочу рассказать о проделанной работе по проектированию модульной электроники для 3D принтеров. 

Модули устанавливаются друг на друга формируя многоуровневую структуру плат подобно RAMPS. В основе процессорный модуль с двумя разъёмами общей шины.

Типовой набор модулей состоит из двух плат, его достаточно для 3D принтера с одним или двумя экструдерами (процессорный модуль и и комбинированная плата).

Набором из трёх плат достигается:

• 8 выходов для нагревателей (включая стол)
• 10 гнёзд драйверов ШД с поддержкой программной настройки драйверов на чипе TMC2130.
• 9 управляемых вентиляторов

Четвёртым уровнем может быть добавлена плата подключения PT100 терморезисторов или термопар для высокотемпературных хотэндов.

Процессорный модуль

Спроектированный на данный момент модуль рассчитан на прошивку RepRap Firmware (RRF). Соблюдено соответствие по выводам процессора с платой Duet 2 + Duex 5, поэтому должна работать оригинальная RRF без внесения изменений в код.

Модуль содержит:

• 32 битный процессор Cortex-M4 ATSAM4E8E 
• WiFi модуль. Ethernet версия в разработке
• Cлот для MicroSD карты
• Разъем подключения внешней SD карты
• Разъем подключения PanelDue
• Разъем подключения Z Probe
• MicroUSB
• Выход для управления блоком питания

Модульная конструкция позволит обновить процессор не меняя силовую электронику. Сейчас думаю над версией процессорного модуля под Smoothieware на чипе LPC1769 или LPC4330.

Комбинированная плата

На ней расположены: 

• 5 гнёзд под драйвера шаговых двигателей
• 3 выхода на нагреватели (выход для нагреваемого стола снабжён дополнительным предохранителем и более мощным разъёмом)
• 5 разъёмов для концевиков
• 3 выхода для управляемых вентиляторов
• 2 выхода для постоянно включённых вентиляторов
• 3 входа для подключения терморезисторов NTC 100K

Плата на десять драйверов шаговых двигателей

Имеет гнезда для драйверов шаговых двигателей и настроечные перемычки. Может быть установлена верхнем уровнем ввиду габаритов драйверов с радиаторами и необходимости максимального охлаждения драйверов.

Плата на восемь нагревателей

Кроме нагревателей стола и хотэндов на ней разведены: 

• 10 разъёмов для концевиков
• 9 выходов для управляемых вентиляторов
• 2 выхода для постоянно включённых вентиляторов
• 8 входов для подключения терморезисторов NTC 100K

Думаю над тем стоит ли добавить на эту плату выход для подключения стола 220В или не стоит этого делать в целях безопасности и не приближать проводку 220В к низковольтной электроники.

Плата подключения терморезисторов PT100

Имеет 8 входов для подключения терморезисторов Pt100, способных измерять температуры более 500C. Так же планирую спроектировать плату для подключения термопар.

Предыстория и идея

Около года назад мне довелось поработать над прошивкой RRF и дополнительными модулями совместимыми с электроникой Duet 2. Довольно длительное время в моих руках был оригинальный комплект электроники Duet 2 с платой расширения Duex 5 и я подробно познакомился как с программной так и с аппаратной частью. Железо спроектировано грамотно. В совокупности с платой расширения позволяет подключить до 10 шаговых двигателей и 8 нагревателей. Программная часть RRF уже сейчас предоставляет огромный функционал и интенсивно развивается, завоёвывает все новых и новых пользователей. Хочу отметить наличие в RRF очень удобного Веб-интерфейса, с которым, по моему мнению, удобнее работать чем с OctoPrint.

Захотелось самому обзавестись электроникой на RRF. Но цена оригинального Duet 2 составит £120, а с платой расширения £202.5, и это без доставки, что довольно дорого на мой взгляд. Китайские подделки тоже продаются не дёшево, да и качество сомнительное. Можно попытаться объяснить такую высокую стоимость тем, что на плате уже распаяны драйвера TMC2660. Но этот факт я бы скорее отнёс к минусам, поскольку сторонник решения со сменными драйверами. Они позволяет использовать уже имеющиеся драйверы, оперативно заменить вышедший из строя драйвер, произвести апгрейд при выходе более прогрессивной версии и пр.

Поискал альтернативы Duet 2 лишённые выше перечисленных недостатков и с полноценной поддержкой RRF... Не нашёл… Так и было решено спроектировать эту модульную электронику. Заложить максимальный функционал не меньший чем в Duet 2 с Duex 5 и реализовать проект как минимум в два раза дешевле, с качеством на том же уровне и возможностью смены процессорного модуля без силовой части. Роль трамплина в разработке сыграли открытые исходники программной и аппаратной части Duet 2, за что выражаю авторам проекта благодарность.

Модульное устройство электроники позволяет функционально гибко и компактно собрать итоговое устройство. Так же платы в стеке получаются проще, что позволяет заложить более толстые силовые линии и уместиться на двух слоях, а это дешевле в производстве и повторяемо, при должной сноровке, в домашних условиях.

На данный момент первые тестовые версии плат разведены в KiCad и подготовлены рендеры для данного материала. Пришел этап заказа комплектующих и производства первых прототипов плат для поиска всевозможных багов, нагрузочных тестов и замеров температур. Может быть удастся выпустить первые образцы в домашних условиях... А может и нет, тогда придётся заказывать платы у китайцев, покажет время.

Цель поста — услышать мнение сообщества, понять есть ли интерес и стоит ли писать ещё посты по проекту.

Ну и конечно получить конструктивную критику и предложения по добавлению на этапе проектирования какого либо недостающего функционала.