オリジナル OnStep基板 Rev3.0(ESP32)

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OnStep基板 Rev3.0(ESP32) にGPSを載せる方法

 基板概要

 この基板は、オープンソース赤道儀制御ソフトウェア OnStep の実装基板です。ESP32をコアに使用します。必要な部品を実装し、OnStepを書き込むことにより、赤道儀の自動制御が可能になります。
詳しくは、OnStepのオフィシャルサイトとOnStep Wikiにまとめられています。
また、ソースコードは OnStep GitHub を参照してください。
OnStepバージョンは 4.24以降 を推奨します。

基板は私個人が作成したもので、オフィシャルのPCBとは設計が多少異なります。主な仕様は次の通りです。

• ピンマップは MaxESP3に一応準拠
• ESP32-DevKitC モジュールに対応
  
• 赤道儀ドライバはDRV8825、TMC2100、TMC2130、TMC5160などに対応
• DCモジュールOKI-78SRを採用。5V必須。 代替品はこちら。
  
• フォーカサー用のドライバを実装可能（オプション）
• フォーカサー用ドライバはDRV8825、DRV8834、TMC2100などに対応
• Raspberry Piサイズ。ケースはPi 4用のものを使用可。（ケース高さが必要）
• ST4インターフェイスあり
• Smart Hand Controller (SHC) に対応
  

表面

主要部品の実装面です。
ESP32 は ESP32-DevKitC という、ESP32評価開発ボードを使用します。載っているESP32モジュールによって、ESP32-DevKitC-32D とか ESP32-DevKitC-32E があります。
ステッピングモータードライバは、RA、DEC、フォーカサー用の3つ搭載可能です。
また、拡張I/Oポートを基板下側に引き出してあります。

裏面

ステッピングモータードライバの設定を行うためのはんだジャンパがあります。
MaxESP3に準拠した AUX2ジャンパもあります。

回路図

※オフィシャルのPCB図面と異なる点
ST-4ポートのピンアサインが異なります。本基板は赤道儀メーカーが多く採用している並びに合わせています。
ST-4ポートを Smar Hand Controller として使用する場合、この信号ラインの並びが違いますので、回路図を見て接続配線を変更してください。

実装パターン

ESP32 ＋ RA、DECモータードライバ がベース実装になります。
ESP32, モータードライバ2個, DCモジュール5V が実装必須となります。
フォーカサードライバ をオプションで追加できます。拡張I/Oポートを使えば、GPSモジュールの搭載も可能です。

ベース実装

パーツ表

記号番号	パーツ名	数	備考
U2	ESP32-DevKitC	1	丸ピンソケット化推奨。 秋月　ESP32-DevKitC-32E
Axis1 Axis2	モータードライバ DRV8825 TMC5160など	2	RA, DEC用 同じドライバを2つ使用することが前提です。丸ピンソケット化推奨
U1	OKI-78SR 5V	1	DCモジュール 代替品参照
C1, C2	コンデンサ 100μF	2	耐圧25V以上あればとりあえず。
R1	抵抗 330Ω	1	LEDに適応する値に。
RN1	抵抗アレイ	1	2.2KΩ 4素子。 共立エレショップ　抵抗アレイ
D1	ショットキーバリアダイオード	1	基板5VとESP32ボードUSB電源の衝突防止用。 秋月　SB340LS
D2	LED	1	ステータス用。ヘッダピンにしてLEDを引き出してもOK
J4, J5	MINI-DIN4P コネクタ	2	秋月　ミニDINソケット4P (※1)
J6	6極6芯モジュラ	1	秋月　6極6芯モジュラ (※1)
J1	DCINジャック	1	秋月　2.1mm標準DCジャック (※1)
J3	ヘッダピン 2P	1	電源ライン用
-	丸ピンソケット(1列) 8P	4	モータードライバ用 秋月 丸ピンICソケット(1列)
-	丸ピンIC連結ソケット(1列)8P	4	モータードライバ用 秋月 DIP連結ソケット（1列）
-	丸ピンソケット(1列) 19P	2	ESP32-DevKitC-32E用 秋月 丸ピンICソケット(1列)
-	丸ピンIC連結ソケット(1列)19P	2	ESP32-DevKitC-32E用 秋月 DIP連結ソケット（1列）
-	Raspberry Pi 4用ケース	1	OKI-78SRの高さがあるため、厚みのあるケースを選択してください。 私が使用しているのは、 共立エレショップ Raspberry Pi 4用 ABSケース (黒) シンプルで加工しやすくオススメです。

(※1) 他メーカーのものだとピン位置が異なる場合があります。
(※2) 実験中に焼いてしまうのはモータードライバあるあるなので、ピンソケットで取り換えられるようにした方がいいです。

DCモジュールのOKI-78SRシリーズの代替品はこちら。

部品調達先

秋月電子通商　いつもお世話になっています。
スイッチサイエンス　モジュール系強し。変わったパーツ多数あります。
共立エレショップ　関西ならここ。学生時代に入り浸ってました。
マルツオンライン　部品点数の多さならここ。特殊部品も見つかったりします。
aitendo　液晶が豊富。モジュール系が充実。
朱雀技研工房ストア　ロボット系部材、モータードライバなど扱いあり。
ストロベリー・リナックス　電源系のモジュール探すならここ。
ロボショップ　ロボット系のパーツが豊富。Teensy, DRV8825の扱いあり。
Amazon 中華系ショップは海外発送だったりするので注意。コピー品が送られてくることがあるので品質は期待してはいけません(^^;

部品実装

Rev2.xと比較して表面実装もありませんので、はんだ付けの困難さはないと思います。
別途配線するような特にテクニカルな個所もありません。
丸ピンソケット化しておくと、後々、ドライバモジュールを交換したり、壊れた場合の交換に抜き差しできるのでオススメします。

記号番号	備考
J3	電源ラインのジャンパ。通常ショートして使用します。 電源スイッチやヒューズなどの保護回路をはさむことができます。 DCINの入力電圧がそのままモータードライバへかかります。DCIN＝12V を想定していますが、DCモジュール OKI-78SR の入力定格（7V～36V）以内であれば動作します。
J2	電源関係。DCIN(VCC), 5V, 3.3V, GND に接続します。 3.3VはESP32ボード上のレギュレータから得られる電源です。
D1	ショットキーバリアダイオード。 ESP32ボードをUSB接続したき、USBからの5Vが基板上の電源と衝突しないように入れておきます。
D2	ステータス表示用のLED。A、Kは図の通り。 今回の基板はレイアウトの都合上、LED位置がケースの穴位置からずれています。
RN1	ST-4ポート用の抵抗アレイです。ST-4ポートを実装しない場合は省略できます。 ST-4ポートを Smart Hand Contoller として使用する場合も実装が必要です。 ▲位置がコモンピンです。
その他	モータードライバの向きは図のピンがVMOTです。

ESP32-DevKitC(-32E)

秋月などで入手できます。

搭載している、ESP32のリビジョンによって、 -32D とか -32E があります。
ESP-32DはNRND（新規設計非推奨）になっているので、選ぶなら32Eが良いかと思います。秋月で正規品が入手できます。

AmazonやAliで売られている激安品の中には、出所の怪しいESP32が積まれているモノがあります。技適マークも正規品とはちょっと違う謎マークになっています。
技適も通っていない、リマーク品かもしれないのでお勧めしません。

よく似たボードとして、ESP32-DevKit V1 という類似品があります。こちらはピン数が違うので使用できません。ご注意ください。

コネクタ類

6極6芯モジュラ

ST-4互換インターフェイスです。
ピンアサインはポート正面から見て図のとおりです。オフィシャルのPCB設計とはピン配列が異なります。本基板は一般的なST-4ポートのピン配列に準拠しています。

MINI-DIN4P

コネクタ正面から見て、DRV8825ピンへの接続は図のとおりです。
モーターのラインへ接続してください。

ステッピングモータードライバ

この基板で利用できるステッピングモータードライバをいくつか例示します。
ここで挙げたもの以外でも、ピンアサインがDRV8825に近いものであれば利用できる可能性があります。各ドライバの電気特性やピン配線を確認の上、使用してください。
また、同じドライバチップでもモジュールメーカー、モジュールバージョンによってピンアサインが異なっている場合があります。
必ず、メーカーのデータシートを確認して使用しましょう。

DRV8825

おなじみのドライバです。
本基板はこのドライバを基準に設計されているので、そのまま実装すれば問題なく使用できます。
モーターを接続前に必ず電流調整を行ってください。

TMC2100

TMC系のドライバモジュールは複数のメーカーから設計の異なるものが出てます。似て非なるものがあったりするので注意してください。
ここでは、 Silent2100 FYSETC.COM V1.3 というモジュールを取り上げます。
この基板は、マイクロステップの設定がモジュール上のジャンパで設定するようになっています。詳しくは、OnStep基板rev1.1 de TMC2100 こちらの記事を参照してください。
OnStep基板へはそのまま実装することができます。
電流調整をお忘れなく。

TMC5160

TMC5160はSPIモードをサポートしています。このモードは、ドライバチップの各種設定や動作をSPIシリアル通信によって制御する方式です。
TMC5160は電流制御用の可変抵抗がなく、ハードウェアによる電流調整が不要です。その代わり、SPIを使ったソフトウェアよる細かな電流制御が可能になっています。また、非常に低発熱です。

ここでは、 BIGTREETECH TMC5160 V1.2 を取り上げます。

このモジュールを実装するには、基板裏面の JP2, JP3 にあるジャンパ（デフォルトでショートしています）をパターンカットします。
このジャンパはDRV8825において、RESET と SLEEPピンをショートさせているパターンになりますが、TMC5160の場合、該当するピンが SDO と CLK になるため、パターンを切り離し問題なく動作するようにします。

もし、TMC5160以外に再度載せ替える場合は、JP2, JP3 をはんだでショートさせてください。

パターンカットしたら、あとはそのまま実装すればOKです。
電流制御は、OnStep の Config.h  で行います。RA/DECのドライバ設定箇所に電流値の設定があります。

#define AXIS1_DRIVER_MODEL            TMC5160_QUIET //    OFF, (See above.) Stepper driver model.                                      <-Often
#define AXIS1_DRIVER_MICROSTEPS       32 //    OFF, n. Microstep mode when tracking.                                        <-Often
#define AXIS1_DRIVER_MICROSTEPS_GOTO  OFF //    OFF, n. Microstep mode used during gotos.                                     Option
#define AXIS1_DRIVER_IHOLD            200 //    OFF, n, (mA.) Current during standstill. OFF uses IRUN/2.0                    Option
#define AXIS1_DRIVER_IRUN             330 //    OFF, n, (mA.) Current during tracking, appropriate for stepper/driver/etc.    Option
#define AXIS1_DRIVER_IGOTO            OFF //    OFF, n, (mA.) Current during slews. OFF uses same as IRUN.                    Option
#define AXIS1_DRIVER_REVERSE          OFF //    OFF, ON Reverses movement direction, or reverse wiring instead to correct.   <-Often
#define AXIS1_DRIVER_STATUS           OFF //    OFF, TMC_SPI, HIGH, or LOW.  Polling for driver status info/fault detection.  Option

AXIS1_DRIVER_IHOLD, AXIS1_DRIVER_IRUN, AXIS1_DRIVER_IGOTO が電流値(mA）です。詳細は、ここに説明がありますが、IHOLD が静止時の保持電流、IRUN がトラッキング時の動作電流の上限値を指定します。IGOTO はGOTO時の駆動電流ですが、無指定なら IRUNが適用されます。

AXIS2にも同じ設定がありますので、モーターに合わせた値を指定してください。

#define PINMAP                        MaxESP3

#define MOUNT_TYPE                    GEM

#define LED_STATUS                     ON

#define ST4_INTERFACE                 ON

ケース

コネクタ類のレイアウトを Raspberry Pi4 に合わせたので、RasPi4用のケースを推奨します。また、OKI-78SR の高さがあるため、ケースも厚めのものが必要です。


写真のケースはRasPi4用でファン取り付けが可能になっているため、ケース高があります。また、RasPi4 GPIO引き出し用のスリット部分から配線も引き出せたり、加工もしやすいのでオススメです。