Obsah
| 1. Úvod
|
6. Konstrukce HW
|
1. Úvod
1.1 Kde se vzal Sběrač dat?
Zařízení, jemuž jsem dal pracovní název Sběrač dat, mělo původně posloužit pro ověření správné funkce pásmové propusti do úplně jiného projektu. Nakonec se z této pomůcky, která měla být zhotovena v co nejkratším čase, aby její vývoj nebrzdil vývoj původního záměru, stala práce na celý půlrok. Výsledkem usilovného snažení je přístroj, který si Vám v následujících řádcích dovolím blíže představit.
Přemýšlel jsem jak co nejstručněji charakterizovat účel a hlavní rysy této věci, aniž bych se musel podrobně rozepisovat o jednotlivých částech. Široké spektrum použití ovšem nedovolí říci jednou větou, "Sběrač dat je dvojitý voltmetr a čítač s pamětí a sériovým portem, pro komunikaci s počítačem". Tím by jsem celé zařízení zaškatulkoval mezi ostatní voltmetry a čítače a různá "udělátka" připojitelná k PC a zamlžil tak skutečný účel a přednosti mého Sběrače dat. Nicméně, …
1.2 Co to je a k čemu slouží Sběrač dat?
… Sběrač dat jsou dva nezávislé voltmetry a čítač.
Zařízení však nemá sloužit pro zobrazení aktuálně měřených hodnot
příslušných veličin v daný okamžik, tak jak tomu je u běžného voltmetru a
čítače, ale je určen pro zachycení vzájemně závislého vývoje hodnot
jednotlivých měřených veličin, sledovaných na jednotlivých kanálech, nebo jejich
vývoje v určitém časovém úseku. Produktem měření, nebo spíše
výstupem sběru dat, je tabulka hodnot sbíraných veličin, vyjadřující
vzájemnou závislost jednotlivých veličin, nebo závislost těchto veličin na čase.
Získaný textový soubor s nasbíranými vzorky je zpracovatelný jak v
běžném textovém editoru, tak v programech Excel nebo Access. Produkty Excel a Access nemusím
představovat (tabulky, výpočty, grafy, databáze, statistika, prohledávání,
třídění atd.). Tabulka hodnot sledovaných veličin z reálného světa, nemusí
být pro experimenty s počítačovými modely neuronových sítí či modelů
regulátorů atd. výjimkou. Např. v matematické laboratoři balíku MATLAB (tento produkt
podporuje řadu profesionálních HW doplňků pro získávání dat z
reálného prostředí, ale jejich cenová dostupnost pro "malého" vědce
bývá často překážkou bránící ve vlastním, osobním,
vývoji). Samozřejmě, Sběrač dat je možné používat jako běžný voltmetr nebo čítač.
Aktuální měřené hodnoty U1, U2 a f jsou ve spojení s PC zobrazeny na monitoru, ale k
tomu není přístroj určen.
1.3 Provozní režimy
Zařízení pracuje ve dvou možných režimech. Režim PC nebo FLASH. V režimu PC je Sběrač dat propojen s počítačem pomocí sériového portu. V tomto režimu je možné pohodlně provádět jak konfiguraci HW z uživatelského prostředí programu SbDat.exe, tak vlastní měření. Režim FLASH je určen pro měření v terénu bez připojeného PC. Sbíraná data nejsou v tomto případě ukládána rovnou do souboru, tak jak je tomu v režimu PC, ale do paměti FLASH. Sesbírané vzorky obou napětí a frekvence budou v paměti FLASH uloženy, dokud je pomocí počítače v režimu PC sami nesmažete. I po vypnutí napájecího napětí.
1.4 Program SbDat.exe
Program SbDat.exe je prostředníkem ke komunikaci s HW, vlastním Sběračem dat. S jeho pomocí budeme nadále měnit měřící rozsahy čítače, časové intervaly ve kterých budou sbírány vzorky v režimu FLASH, obsluhovat paměť FLASH, provádět vlastní měření v režimu PC a určovat způsoby měření, ukládat data do souboru atd. Snažil jsem se SbDat.exe napsat tak, aby jeho používání bylo co nejvíce intuitivní.
 |
1.5 Doplnění Sběrače dat o externí moduly
Sběrač dat však sám o sobě bude použitelný jen pro omezený počet měření. Toto zařízení je totiž koncipováno jako základní měřící modul s jasně definovanými parametry, který je předurčen pro snadné připojení dalších pomocných modulů uzpůsobených pro měření příslušných veličin v jejich příslušných rozsazích.
Jelikož napětí U1, U2 a frekvence f mohou být veličiny, které budou sledovanou veličinu pouze reprezentovat, může jí být i veličina neelektrická jako je např. teplota, tlak atd., nebo veličiny elektrické ale jiného charakteru jako je třeba proud, odpor atd., budou externími moduly např. děliče napětí, předzesilovače, impedanční převodníky, převodník sledované veličiny na napětí nebo frekvenci, převodník na absolutní hodnotu (možno indikovat polaritu na speciálním vstupu pro každý voltmetr zvlášť), různé filtry atd.
Návodů na stavbu takovýchto funkčních bloků bylo a je publikováno stále mnoho. Většinou se jedná o vyzkoušená, často učebnicová zapojení v různých modifikacích.
Pro naplnění záměru snadného rozšiřování Sběrače dat o další externí moduly, jsou nedílnou součástí zařízení zdroje externího napájecího napětí +5 V a ±12 V. Je tedy počítáno jak s obvody TTL tak s obvody s operačními zesilovači.
1.6 Hlavní technické rysy
Hlavními technickými rysy Sběrače dat je rychlost vzorkování napětí na voltmetrech V1 a V2 v režimu PC až 1024 vzorků za 1 s pro oba kanály současně, rozsah měřitelného kmitočtu od 0 Hz až do 50 Mhz bez nutnosti použít vnějších děliček, velikost paměti FLASH až pro 3600 vzorků U1, U2 a f (vzorkem je myšlena hodnota napětí U1, U2 a kmitočet f současně; ve výsledném textovém souboru se jedná o jeden řádek; v paměti FLASH je to tedy až 3600 řádků - vzorků), možnost nastavit časový interval pro sběr vzorku (čas mezi vzorky) po 2 s od 2 s - 35 hod 59 min 58 s (režim FLASH), zdroje napájecího napětí pro externí pomocné moduly +5 V a ±12 V, galvanické oddělení Sběrače dat od PC, kompaktní design, uživatelské rozhraní pro PC, snadná konstrukce a oživení (popsán způsob, jak zkalibrovat čítač i bez referenčního přesného čítače), velmi nízké pořizovací náklady atd.
1.7 Je Sběrač dat výjimečné zařízení?
Sběrač dat není ničím výjimečné nebo zvláštní zařízení. Je to pouze do celku poskládaný souhrn možností, které odhalil mikrokontrolér PIC 18F252 při snaze uspokojit pohodlnost, potřebu vidět funkci pásmové propusti, jako závislost napětí U1 a U2 na kmitočtu f v přehledném grafu. Co možná bez zdlouhavého měření, zapisování údajů do notesu a pracného vynášení grafu na milimetrový papír.
Nemá význam básnit o možnostech využití tohoto přístroje. Nejen v elektronice. Osobně si ale myslím, že každý technik si udělá trochu jinou představu o využití této věci. Bude se odvíjet od směru jakým se ve svém snažení ubírá a hloubky, do které se pouští. Mnozí proto jistě brzo narazí na spoustu nedostatků a částí, které by bylo možné dále vylepšovat, nebo by bylo vhodné udělat je jinak. Každý nechť posoudí sám.
2. Parametry přístroje
2.1 Vstupní parametry voltmetrů V1 a V2
- Rozsah napětí: 0 - 5120 mV
- Rozlišení: 10 b tj. 5 mV
- Impedance: 2,2 K
- Počet vzorků U1 a U2 za 1 s: 1024 (režim PC)
- Nastavitelný čas vzorkování U1 a U2 po 2 s: 2 s - 35 hod 59 min 58 s (režim FLASH)
2.2 Parametry vstupů indikace polarity
Analogovými vstupy voltmetrů V1 a V2 nelze měřit záporná napětí. Potřebujeme-li sledovat napětí se zápornou polaritou, musíme před samotné voltmetry předřadit převodník na absolutní hodnotu, nebo usměrňovač. Tato zařízení většinou disponují logickým výstupem, jehož stav L nebo H reprezentuje záporné nebo kladné napětí na vstupu převodníku. Sběrač dat má vstup pro vyhodnocení těchto logických stavů pro voltmetr V1 i V2.
- Citlivost: TTL nebo CMOS
- Zápornému napětí -5120 mV až -0,005 mV na analogovém vstupu odpovídá logický stav L
- Kladnému napětí 0 mV až 5120 mV na analogovém vstupu odpovídá logický stav H
2.3 Parametry čítače f
- Vstupní citlivost: TTL
- Vstupní impedance: 1 M
- Vstupní kmitočtové rozsahy, rozlišení, časová základna, dělička viz tabulka
| Rozsah čítače | Rozlišení | Časová základna | Dělička |
| 1 Hz - 7 MHz | 1 Hz | 1 s | 1:1 |
| 1 Hz - 14 MHz | 10 Hz | 500 ms | 1:2 |
| 1 Hz - 28 MHz | 50 Hz | 250 ms | 1:4 |
| 1 Hz - 50 MHz | 100 Hz | 250 ms | 1:8 |
2.4 Parametry zdrojů napětí
Sběrač dat disponuje zdroji napětí pro napájení externích modulů. Zdroje jsou odděleny od zdrojů pro napájení vnitřní elektroniky Sběrače dat. K dispozici jsou tato napětí a proudy:
- Svorka S5: +5 V / 100 mA
- Svorka S3: +12 V / 100 mA a -12 V / 100 mA
2.5 Ostatní parametry přístroje
- Napájecí napětí: 230 V / 50 Hz
- Rozměry plošného spoje [mm]: 103 x 96
- Rozměry krabice [mm]: 150 x 130 x 50
- Paměť FLASH umožňuje uchovat až 3600 vzorků U1, U2 a f
- Program SbDat.exe byl testovaný na OS Windows 98 a Windows XP
3. Ovládání
3.1 Přepínač PC/FLASH
Je-li přepínač PC/FLASH v poloze PC je možné provádět veškeré operace z programu SbDat.exe. Pokud však bude přepínač v poloze FLASH, komunikace s PC není možná a Sběrač dat sbírá vzorky U1, U2 a f v takovém časovém intervalu, jaký byl nastaven při poslední změně programem SbDat.exe (po naprogramování mikrokontroléru, před jakoukoliv změnou uživatelem, je to čas 2 s). Veškerá nastavení HW jsou zapisována do EEPROM, proto zařízení zůstává ve své konfiguraci dokud ji sami programem nezměníte.
Stav přepínače PC/FLASH v poloze PC je považován za výchozí stav zařízení. Pokud není již prováděna komunikace s PC je to stav ve kterém zařízení čeká na podněty z PC nebo na to, až jej přepneme do polohy FLASH a spustíme tak sběr vzorků v nastavených časových intervalech do paměti FLASH.
3.2 LED dioda STATUS
Přepínač PC/FLASH v poloze PC
- LED STATUS trvale svítí zeleně - HW nekomunikuje s PC ani není zapnuto měření (výchozí stav zařízení)
- LED STATUS svítí oranžově - HW komunikuje s PC; nastavení a čtení nastavení HW
- LED STATUS trvale svítí červeně - zapnuto měření pomocí PC
Přepínač PC/FLASH v poloze FLASH
- LED STATUS nesvítí a v daném určitém čase blikne červeně - sběr vzorků do FLASH v daném určitém čase
- LED STATUS bliká červeně periodou 1:1 - plná FLASH; nezapisují se nové vzorky; pro další použití Sběrače dat v terénu je nutné naměřená data uložená ve FLASH z FLASH pomocí programu SbDat.exe uložit do souboru a FLASH smazat.
3.3 Textový soubor se vzorky
Jak již bylo řečeno, výstupem měření je textový soubor zpracovatelný jak v textovém editoru tak především v programech Excel, Access nebo MATLAB. Aby bylo možné textový soubor s naměřenými daty v těchto programech otevřít, bylo nutné dodržet jistá pravidla. Textový soubor reprezentuje tabulku, kde jsou jednotlivé veličiny U1, U2 a f rozděleny do tří příslušných sloupců. Hodnoty těchto veličin, jednotlivé vzorky, představují jednotlivé řádky tabulky. Zmíněné programy vyžadují oddělení jednotlivých sloupců buď speciálními znaky jako je čárka nebo tabulátor a nebo pevně nastavenou mezerou. Zvolil jsem mezeru.
První sloupec přísluší napětí voltmetru V1, druhý sloupec napětí voltmetru V2 a třetí pak kmitočtu f změřeného čítačem. Napětí jsou vyjádřena v mV a kmitočet v Hz. Polarita napětí je reprezentována standardně znakem minus před daným číslem.
Při ukládání dat z FLASH do souboru, bude navíc automaticky vytvořen informační textový soubor *.inf, se stejným názvem jako soubor *.txt se vzorky, který popisuje aktuální nastavení Sběrače dat a počet sesbíraných vzorků. Při měření pomocí PC se tento informační soubor nevytváří.
Vzorky U1, U2 a f se do FLASH ukládají ve své surové podobě tak, jak je poskytnou A/D převodník a čítač. Teprve až při ukládání do souboru pomocí PC jsou hodnoty veličin přepočítány do podoby vyjadřující skutečné napětí a frekvenci. Pro výpočet napětí U1 a U2 je uplatněno hodnoty napětí referenčního zdroje 5120 mV. Pro výpočet kmitočtu jsou důležité informace o předděličce a o časové základně čítače. Tyto informace jsou uloženy v EEPROM Sběrače dat, odkud jsou v inkriminovaný okamžik ukládání do souboru čteny. V EEPROM je uloženo pouze aktuální nastavení přístroje. Je nutné si proto uvědomit, že pokud změníme nastavení rozsahu čítače nebo časový interval mezi ukládáním vzorků do FLASH a předchozí vzorky z FLASH neuložíme do souboru a nesmažeme, budou při následujícím čtení tato data vrácena systematicky v jiných hodnotách, než jaké ve skutečnosti byly naměřeny v předchozím měření s jiným nastavením rozsahů.
Tento systém umožnil využít paměť FLASH skutečně jen pro naměřená data a maximalizovat tak možný počet uložených vzorků U1, U2 a f. Každé z napětí U1 a U2 je ve FLASH reprezentováno 2 B včetně znaménka. Kmitočet je vyjádřen 3 B. Nastavení předděličky, časové základny čítače a intervalu mezi sběrem jednotlivých vzorků je zaznamenáno v EEPROM. V souboru jsou nakonec po přepočítání uloženy skutečné hodnoty U1, U2 a f tak, jak bychom je viděli na měřícím přístroji.
Při měření pomocí PC mohou být vzorky U1, U2 a f do souboru
ukládány buď v nejmenším časovém rastru 1024 x za vteřinu, nebo v
závislosti na pohybu hodnoty jedné z veličin podle nastavení, v prostředí SbDat.exe.
Rychlost 1024 x za vteřinu přesně definuje čas mezi jednotlivými vzorky, tedy řádky v tabulce se
vzorky (pro čítač samozřejmě platí čas daný časovou základnou čítače - dokud
není nová hodnota kmitočtu k dispozici, dle časové základny čítače, je do tabulky
zapisována hodnota předchozí). Stejné pravidlo platí i pro vzorky ukládané
do FLASH. Ovšem s jiným časovým rastrem (v tomto případě nastavitelným po 2 s).
Tento fakt tedy umožňuje provádět sběr vzorků v přesně definovaném čase. Tento čas je čtvrtou přesnou
měřenou veličinou k veličinám napětí U1, U2 a kmitočtu f, kterou je Sberač dat schopný z
vlastního měření poskytnout.
Pozn. Časový rastr 1024 vzorků za vteřinu odpovídá času mezi
jednotlivými vzorky, řádky, času 1/1024 s. Tento výsledný čas (ošklivé
desetinné číslo) krát 1024 je přesně 1 s…
4. Popis HW
Mikrokontrolér PIC18F252 se svými výkonnými periferiemi umožnil celou konstrukci velmi zjednodušit. Na chipu je implementována nejen programová paměť FLASH o velikosti 32 KB, která je zároveň použita i pro uložení naměřených dat, ale také 10 b A/D převodník, čtyři časovače/čítače s děličkami, moduly komparátorů, watchdog atd.
Časovač TMR0 je spolu s předděličkou použit jako čítač neznámého, měřeného kmitočtu f. Etalon času, časovou základnu, určující dobu po kterou jsou počítány periody měřeného, neznámého kmitočtu, zajišťuje časovač TMR1. K časovači TMR1 je přidružen modul CCP1 ve funkci komparátoru, který po daném čase zablokuje přes diodu D4 vstup čítače TMR0 a zamezí tak počítání dalších period neznámého kmitočtu f. Toto měření se děje na úrovni HW, tedy ze své podstatné části nezávisle na běhu programu, což usnadňuje konstrukci čítače a zajišťuje relativní přesnost měření kmitočtu.
Časovač TMR3 s modulem CCP2 ve speciálním módu, je určen pro přesné spouštění A/D převodníku.
Všechny tři časovače jsou nastaveny a použity v módu 16 b vnější čítač. TMR1 a TMR3 jsou řízeny krystalovým oscilátorem s krystalem Q2 o kmitočtu 32768 Hz. Pro jeho přesné doladění slouží kapacitní trimr C30. Krystal Q2 je běžně k dostání s přesností 30 ppm (používá se v hodinkách).
Časovač TMR2 jsem použil pro ostatní, časově nenáročná ošetření běhu programu. Obsluha komunikace s PC, blikání LED, ošetření zákmitu přepínače PC/FLASH atd.
Konfigurace Sběrače dat nastavována pomocí PC je ukládána do paměti EEPROM. K dispozici je 256 B. Jak paměť EEPROM tak programová paměť FLASH uchová informaci i po odpojení napájecího napětí. Nemusíme se tedy bát ztráty naměřených dat po výpadku sítě či přenosu zařízení z terénu do laboratoře.
Oscilátor s krystalem Q1 slouží jako zdroj "hodin" pro vlastní běh procesoru. Je použita násobička 4x což odpovídá době vykonávání jedné instrukce 100 ns. Chod programu je hlídán watchdogem.
Vstupu čítače neznámého kmitočtu f a vstupům pro vyjádření polarity napětí na voltmetrech V1 a V2 jsou předřazeny Schmittovy klopné obvody IO10. Tyto vstupy jsou předurčeny k připojení signálu s úrovní TTL nebo CMOS. Diody D6, D7, D10 a D11 chrání vstupy proti přepólování.
Analogové vstupy voltmetrů V1 a V2 jsou chráněny diodami D8, D9, D12 a D13 proti přepólování, přičemž D9 a D13 jsou zenerovy diody sloužící také jako ochrana proti přepětí.
Komunikace s PC je obstarána plně duplexním sériovým kanálem USART. Je zvolen 8 b režim s přenosovou rychlostí 115200 Bd. Sběrač dat je od počítače galvanicky oddělen. Je to důležité zvláště pro taková měření, kde nejsme schopni zajistit stejný napěťový potenciál zemí. Tímto je chráněno nejen PC ale i samotný Sběrač dat, proto se již zmíněným problémem nemusíme zabývat. Pro napájení převodníku MAX232, IO8 a optronu PC900V, IO11, je použit samostatný napájecí zdroj. Na schématu je to ta část s transformátorem TR2 a sekundárním vinutím S1. Ohraničeno přerušovanou čarou. Obvod MAX232 a napájecí zdroj se stabilizátorem 78L05, IO5, je zapojen dle doporučení výrobce.
Napájení mikrokontroléru a pomocných obvodů napětím +5 V obstarává precizní zdroj napětí LE50ABZ, IO4. Obvod stejného typu, IO3, je také použit pro realizaci zdroje určeného k napájení externích pomocných modulů. Oba obvody jsou napájeny z jednoho vinutí S2 transformátoru TR2. Od sebe jsou odděleny Schotkyho diodami D2 a D3. Zapojení respektuje doporučení výrobce. Kondenzátor C19 je Tantal. Toto rozdělení +5 V na okruh vnitřní a vnější zajišťuje bezpečnost běhu programu a tím správnou funkčnost zařízení i při krátkodobém zkratu na straně externích modulů. Mikrokontrolér PIC 18F252 je vybaven hlídáním velikosti napájecího napětí. V případě jeho poklesu pod stanovenou hodnotu, v našem případě se jedná o hranici 4,5 V, podrží obvod ve stavu RESET po dobu, dokud nedojde k obnovení požadované hodnoty napětí napájení. Tohoto nepříjemného stavu lze dosáhnout pouhým připojením vybitého elektrolytického kondenzátoru k napájecím svorkám mikrokontroléru. Rozdělením napájení na dva okruhy tento možný problém vylučuje.
Transformátor TR1 spolu se stabilizátory IO1 a IO2 realizuje symetrický zdroj ±12 V. Je určen pro napájení externích pomocných modulů s operačními zesilovači. Zapojení je opět podrobeno doporučení výrobce. V kladné části zdroje +12 V je pověšena Schotkyho dioda D1 a filtr z kondenzátorů C13 a C14, zajišťující napájecí napětí referenčnímu zdroji napětí pro A/D převodník IO7. Referenční zdroj podpírá A/D převodník napětím 5120 mV. Pro přesné nastavení tohoto referenčního napětí je určen 25ti otáčkový cermentový trimr TRIM. Kondenzátory C13 a C25 jsou Tantaly. Zapojení obvodu IO7 opět opisuje katalog.
Je třeba připomenout fakt, že záporný stabilizátor IO2 pro správnou funkci předpokládá připojení zátěže. Bez protékajícího proudu výstupem není zaručena jeho správná funkce (viz katalog). Tuto záležitost jsem vyřešil připojením modré svítivé diody LED. Je umístěna na čelním panelu jako indikace zapnutí přístroje.
Primární strana transformátorů TR1 a TR2 je jištěna pojistkou 80 mA. Je zde samostatná svorka S2 pro připojení síťového spínače a svorka S1 pro připojení síťového napájecího napětí.
Plošný spoj je koncipován tak, aby na první pohled bylo zřejmé, kde se nachází blok síťového napájecího napětí, kde blok převodníku MAX232 pro komunikaci s PC a kde jsou obvody s mikrokontrolérem, tvořící výkonnou část zařízení. Praktickým a hlavním důvodem tohoto oddělení jednotlivých funkčních bloků, především pak síťové části od těch ostatních, je snaha zajistit co největší bezpečnost při užívání Sběrače dat a vyhovět podmínkám kladených normou.
5. Schéma zapojení
 |
|
Schéma zapojení - Kliknutím získáte náhled ve vyšším
rozlišení
|
6. Konstrukce HW
6.1 Plošný spoj
Konstrukci začneme osazením plošného spoje. Pokud si budete plošný spoj vyrábět sami, je vhodné jako první osadit průchody. Na desce jsou dva. Jeden je pod IO10 a druhý vpravo, těsně vedle svorky +12 V. Tento průchod je zde umístěn právě jen pro případ vlastnoruční výroby. Pájecí bod, který vede pod svorkovnici ze strany součástek, by jinak nebylo možné zapájet. Pokud však vlastníte profesionální vrtaný plošný spoj s prokovenými dírami, nepájivou maskou a servisním potiskem pro snadnou orientaci při osazování, není třeba se o tyto průchody starat. Odpadne i nutnost pájet nožičky ze strany součástek.
Na postup osazování desky nejsou kladeny žádné speciální požadavky. Praxe říká, je vhodné začít osazováním průchodů, odporů, diod, patic, tedy nízkých součástek a práci končit osazením transformátorů a stabilizátorů atd. Každý má vlastní osvědčené metody jak co nejpohodlněji a bez zádrhelů dojít do cíle.
 |
 |
 |
 |
6.2 Osazení plošného spoje
Zde je detail plošného spoje pro snazší orientaci při
osazování - vyrábíte-li si jej sami.
 |
|
Osazení plošného spoje - Kliknutím získáte náhled ve vyšším
rozlišení
|
6.3 Mechanické díly
Celé zařízení je namontováno do boxu KP6. Plošný je v krabici připevněn pomocí čtyř šroubů a čtyř plastových sloupků o výšce 9,6 mm.
Na přední ovládací části krabice, jsou umístěny panelové kovové konektory DIN 7 pro kontakt s vnějším světem, dvoubarevná LED STATUS, přepínač PC/FLASH, síťový spínač a modrá LED indikující zapnutí přístroje. Konektory DIN 7 jsem připevnil šrouby M2,5. Přepínač PC/FLASH má ve své konstrukci připraveny závity pro šrouby M2. V čelním panelu je vypilovaná drážka pro pohyb páčky a dvě díry pro šrouby. Dioda LED STATUS je umístěna v plastové průchodce a z vnitřní strany krabice přilepena chemoprenem. Modrá LED drží v kovové objímce, jenž je držena vlastní matkou. Síťový spínač je v panelu fixován dvěma zámky na svém pouzdru.
Na zadním panelu přístroje je zásuvka konektoru CAN 9 a vývodka se síťovou šňůrou. Způsob propojení konektoru CAN 9 s deskou plošného spoje lze vyčíst z obrázku. K propojení Sběrače dat s PC je nutné vyrobit kabel prodlužující 1:1 sériový port PC. Stačí přivést pouze signály RxD (2), TxD (3) a GND (5). Ostatní nejsou použity.
 |
6.4 Design čelního a zadního panelu
Vzhled čelního a zadního panelu je vytištěn na samolepku. Po
přilepení popisků na panel jsem papír přestříkal bezbarvým matným lakem ve
čtyřech, nebo pěti slabých vrstvách. Po důkladném zaschnutí, za pomoci
žiletkového nože, jsem teprve potom vyřezal díry na příslušné komponenty. Ve
vlastním panelu byly zhotoveny samozřejmě jako první.
Popis čelního panelu Sběrače dat - Kliknutím získáte náhled ve vyšším rozlišení
Popis zadního panelu Sběrače dat - Kliknutím získáte náhled ve vyšším rozlišení
6.5 Zapojení konektorů DIN 7
Do všech tří konektorů DIN 7 je přivedeno napájecí napětí
+5 V, ±12 V a 2x GND. V konektoru voltmetru V1 je připojen analogový vstup a digitální
vstup pro určení polarity napětí voltmetru V1. Totéž platí analogicky pro voltmetr V2.
Konektor čítače, krom napájení, obsahuje vstup TTL vlastního čítače. Sedmý
pin je v tomto případě nezapojen. Vše je vidět na obrázku.
7. Oživení a nastavení přístroje
7.1 Napětí na konektorech DIN 7
Máme-li kompletně sestavené celé zařízení, včetně osazených integrovaných obvodů v paticích a pojistky 80 mA v pouzdře, můžeme přikročit k oživení přístroje. Před prvním spuštěním vyjměte z objímky IO9, mikrokontrolér PIC18F252. Nyní zapněte přístroj. Měla by se rozsvítit pouze modrá LED, indikující zapnutí přístroje. Voltmetrem ověříme zda jsou na konektorech DIN 7 správná napětí na správných místech (+5 V, -12 V a +12 V) dle obrázku výše.
7.2 Nastavení referenčního zdroje 5120 mV
Nyní přikročíme k nastavení referenčního zdroje. Pro jeho kalibraci bude nutné použít 4 1/2 místný voltmetr, nebo jiný přesný voltmetr schopný zobrazit alespoň 5120 mV. Toto referenční napětí budeme měřit na pinu č. 5 proti GND tj. pin č. 8 patice pro obvod IO9 (počítáno standardně od klíče). 25ti otáčkovým trimrem TRIM nastavíme napětí 5120 mV. A/D převodník 10 b je schopen rozlišit 1024 úrovní napětí. Citlivost voltmetrů Sběrače dat je tedy 5 mV (5120 mV / 1024 b = 5 mV).
7.3 Oživení komunikace s PC
Pokud máme referenční napětí nastaveno a napětí pomocných zdrojů přivedená na konektory na čelním panelu odpovídají požadovaným hodnotám +5 V, -12 V a +12 V vypneme přístroj a vložíme do patice naprogramovaný mikrokontrolér PIC 18F252, IO9. Po opětovném zapnutí, máme-li přepínač PC/FLASH v poloze PC bude LED STATUS trvale svítit zelenou barvou. Bude-li přepínač PC/FLASH v poloze FLASH, nebo jej do této polohy přepneme, LED STATUS bude zhasnutá a vždy po 2 s krátce blikne červeně.
Nastavíme přepínač PC/FLASH do polohy PC a připojíme zařízení k sériovému portu PC. Spustíme program SbDat.exe, zvolíme příslušný port a stiskneme tlačítko "Navaž komunikaci s HW". Proběhne-li vše v pořádku, LED STATUS zasvítí oranžově a na obrazovce PC bude vypsáno aktuální nastavení přístroje. Pokud vše v pořádku neproběhne, bude vypsáno chybové hlášení "Chyba komunikace!". Chyba komunikace může nastat z některých těchto příčin: chybně jsme zapojily sériový port nebo jsme zvolily jiné číslo portu než na kterém máme připojen Sběrač dat, nemáme přepínač PC/FLASH v poloze PC, nemáme zapnutý Sběrač dat, je přerušeno spojení se sériovým portem atd. Pokud komunikace proběhla v pořádku, můžeme přikročit ke kalibraci čítače.
Než tak učiníme, poznamenám ještě, že funkci voltmetrů můžeme nyní ověřit připojením zdroje napětí na vstupy voltmetrů V1 nebo V2 a naměřený údaj zobrazený na monitoru PC srovnat s údajem referenčního voltmetru, který máme připojený ke zdroji napětí. Hodnoty by měly ve svém daném rozlišení souhlasit. Pozor na maximální povolené vstupní napětí 5120 mV!
7.4 Kalibrace čítače
Pro kalibraci čítače potřebujeme zdroj známého kmitočtu, nebo zdroj nějakého kmitočtu a referenční čítač. Zapneme sběrač dat, spustíme program SbDat.exe, nastavíme rozsah čítače do pásma ve kterém budeme provádět kalibraci a spustíme měření pomocí PC. Na monitoru bude zobrazován kmitočet přiváděný na vstup čítače Sběrače dat. Kapacitním trimrem C30 jej nastavíme na hodnotu referenčního čítače.
Kapacitním trimrem C30 jsou současně také kalibrovány vnitřní hodiny pro spouštění A/D převodníku. Nemáme-li referenční čítač, se kterým bychom mohli srovnat hodnotu měřeného, neznámého kmitočtu, můžeme natavení provést jiným, poměrně zdlouhavým postupem, který ale vede k velmi dobrému výsledku.
Jak již bylo řečeno, kapacitní trimr C30 slouží zároveň k nastavení vnitřních hodin pro spouštění A/D převodníku. Nastavíme-li tedy programem SbDat.exe, interval pro sběr vzorků do FLASH např. po 10 s, můžeme snadno spočítat, kolik vzorků má být v paměti FLASH zaznamenáno např. přesně po 8mi hodinách. Tj. 8 hod * 60 min * 6 vzorků/1 s = 2880 vzorků/8 hod U1, U2 a f. Pokud počet vzorků zaznamenaný v paměti FLASH nebude po této době odpovídat předpokládanému údaji, znamená to, že nám oscilátor běží buď pomaleji - počet vzorků bude menší než předpokládaná hodnota, nebo rychleji - počet vzorků bude po daném čase větší než předpokládaná hodnota. To znamená, že pokud oscilátor poběží pomaleji, bude naměřený neznámý kmitočet větší než je jeho skutečná hodnota a opačně. Nyní je již nasnadě co je nutné provést s kapacitním trimrem C30. Bude-li neznámý kmitočet f podle předchozího měření vyšší než je jeho skutečná hodnota, pohneme trimrem C30 tak, abychom hodnotu kmitočtu o trochu snížily anebo opačně. Dále musí následovat opět zdlouhavý experiment s počtem vzorků v daném dlouhém čase. Čím bude doba pro sběr vzorků delší, tím přesnější kalibraci provedeme. Osobně jsem nastavil čítač podle referenčního čítače, který jsem měl k dispozici a následně jsem provedl jemné doladění podle předložené metody. Nastavením čítače podle referenčního čítače nebylo v mém případě natolik přesné, aby ve výsledku seděl i počet sebraných vzorků v dlouhém čase (v mém případě 32 hod.) Po experimentálním doladění souhlasil jak údaj o změřeném kmitočtu na monitoru s údajem referenčního čítače (běžný dílenský čítač), tak počet sebraných vzorků v daném čase 32 hodin (týden kalibrování).
Zkráceně řečeno, nakalibrujeme-li sběr vzorků tak, aby jejich sebraný počet souhlasil s předpokládaným počtem vzorků, který máme v daném dlouhém čase sebrat, bude nám sedět i měřený kmitočet. Oba systémy používají stejný zdroj hodin.
Abych uvedl na správnou míru vyřčenou větu "Čím bude doba pro sběr vzorků delší, tím přesnější kalibraci provedeme…" musím připomenout, že maximální nastavitelný interval mezi sběrem jednotlivých vzorků do FLASH je 35 hod 59 min 58 s a maximální počet vzorků, které je možné do FLASH zaznamenat je 3600. Proto, abychom FLASH naplnily by bylo s nastaveným intervalem 35 hod 59 min 58 s zapotřebí téměř 15ti let! Je tedy třeba zvážit (upozornění pro perfekcionisty), jaký přínos má snaha o dosažení co největší přesnosti měření pro samotnou praxi :-).
Volba velikosti kmitočtu, na kterém budeme provádět kalibraci, je opět věcí názoru, nebo resp. bude se odvíjet jednak od zdroje kmitočtů, které máme k dispozici a hlavně od kmitočtového pásma, ve kterém budeme nejčastěji měření a sběr vzorků chtít provádět. Dále si musíme uvědomit, že máme k dispozici čtyři měřící rozsahy pro měření kmitočtu a tedy čtyři různé předřazené děličky, které spolu se zvolenou časovou základnou mají podstatný vliv na přesnost měření. Blíže viz tabulka. Logicky však lze říci, že na čím vyšším kmitočtu pro danou časovou základnu budeme kalibrovat, tím lepší bude výsledek.
Kalibraci počtu sebraných vzorků v dlouhém čase jsem prováděl za pomoci budíka s vteřinovou ručičkou. Zapsal jsem čas startu měření - na vteřinu přesně a přepínač PC/FLASH přepnul do polohy FLASH. Po 32 hodinách - na vteřinu přesně, jsem přepínač vrátil do polohy PC a pomocí PC přečet počet sebraných vzorků. Hýbnout trimrem C30, pokud údaj nesouhlasil s předpokladem a znova. Nemáme-li tedy referenční čítač, musíme mít trpělivost. Pak bude i přesný čítač!
8. Apeluji na bezpečnost
Tímto je nastavení přístroje skončeno. Nyní už jen zavřeme krabici víkem a přišroubujeme, aby zařízení drželo pohromadě. Dovolím si připomenout fakt, že Sběrač dat je napájen sítovým napětím 230 V. Dbejte na bezpečnost při stavbě a oživování a důsledně dodržujte minimální doporučení vyhlášky 50. Pro uchycení plošného spoje do plastové krabice použijte doporučené plastové sloupky, nebo podobné, aby byla co možná nejvíce splněna ochrana dvojitou izolací. Přívodní napájecí šňůra musí být s dvojitou izolací. Totéž platí i pro kabel k připojení síťového spínače na čelném panelu krabičky. Průchodka a zafixování síťového kabelu proti vytržení (např. stahovacím plastovým páskem) je samozřejmostí. Každý si bude Sběrač dat vyrábět sám, proto i zodpovědnost za jeho bezpečný provoz nese hlava konstruktéra. Nechť je vlastní stavba a užívání Sběrače dat při dalším bádání radostí!
9. Seznam součástek
| Označení | Typ/Hodnota | Upřesnění | Počet ks |
| C1, C5, C9 | 1000 µF/35 V | Elektrolytický | 3 |
| C11,C17 | 100 µF/25 V | Elektrolytický | 2 |
| C13, C19 | 10 µF/25 V | Tantalový | 2 |
| C2, C6, C4, C8, C14, C18, C10, C12, C16, C20, C21, C22, C23, C24, C34, C32 |
100 nF | Keramický | 16 |
| C25 | 4,7 µF/25 V | Tantalový | 1 |
| C26, C27 | 22 pF | Keramický | 2 |
| C28 | 33 pF | Keramický | 1 |
| C29 | 12 pF | Keramický | 1 |
| C3, C7, C15, C33, C35, C36, C37, C38 | 10 µF/25 V | Elektrolytický | 8 |
| C30 | 1,8 - 22 pF | Kapacitní trimr | 1 |
| C31 | 470 µF/35 V | Elektrolytický | 1 |
| D1,D2,D3 | 1N5819 | Schotka | 3 |
| D4, D5 | 1N4148 | 2 | |
| D6, D7, D8, D10, D11, D12 | 1N4007 | 6 | |
| D9, D13 | 5V6 | Zenerova dioda | 2 |
| IO1 | 7812 | Pouzdro TO220 | 1 |
| IO2 | 7912 | Pouzdro TO220 | 1 |
| IO11, IO12 | PC900V | 2 | |
| IO3, IO4 | LE50ABZ | Pouzdro TO92 | 2 |
| IO5 | 78L05 | Pouzdro TO92 | 1 |
| IO7 | LT1019CN8-5 | Referenční zdroj | 1 |
| IO10 | 74HC14 | 1 | |
| IO8 | MAX232 | 1 | |
| Můstek 1, 2, 3 | W06M | GM | 3 |
| Q1 | 10 MHz | 1 | |
| Q2 | 32628 Hz | 1 | |
| R1 | 43K | 1 | |
| R10, R11, R12, R14, R18 | 470 | 5 | |
| R15 | 1M | 1 | |
| R16 | 680 | 1 | |
| R19 | 1K | 1 | |
| R2 | 4K3 | 1 | |
| R3, R17, R13 | 10K | 3 | |
| R4, R7 | 15K | 2 | |
| R5, R8 | 56 | 2 | |
| R6, R9 | 2K2 | 2 | |
| S1, S2 | ARK700/2 | Svorkovnice GM | 2 |
| S3, S12, S13 | ARK550/3 | Svorkovnice GM | 3 |
| S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11 | ARK550/2 | Svorkovnice GM | 8 |
| TR1 | TRHEI305-2x12 | Transformátor GM | 1 |
| TR2 | TRHEI305-2x6 | Transformátor GM | 1 |
| TRIM | 64Y5K CN>1 | 25ti otáčkový trimr GM | 1 |
| Patice pro pojistku s krytem | GM | 1 | |
| Trubičková pojistka | 80 mA | 1 | |
| Patice DIL6 | 2 | ||
| Patice DIL8 | 1 | ||
| Patice DIL14 | 1 | ||
| Patice DIL28 | 1 | ||
| Dvoubarevná LED R/G | Průměr 3 mm | 1 | |
| Plastová objímka na LED 3 mm | 1 | ||
| Modrá LED | Průměr 3 mm | 1 | |
| Kovová objímka na LED 3 mm | 1 | ||
| CAN 9 Z | Panelová zásuvka | 2 | |
| CAN 9 V | Panelová vidlice | 1 | |
| Kryt na CAN 9 | 2 | ||
| Konektor DIN 7 | Panelová kovová zásuvka | 3 | |
| Kabel pro propojeni PC a HW (RS 232 prodloužení) | Min. 3 vodiče | 2 m | |
| Napájecí kabel 230V | 1 | ||
| Průchodka na kabel | 1 | ||
| Síťový spínač 230V | P-H8600VB01 | GM | 1 |
| Přepínač | P-B144 | GM | 1 |
| Krabice | KP6 | Plastová GM | 1 |
| Plošný spoj | Dvoustranná deska | 1 | |
| IO9 | PIC18F252 | NAPROGRAMOVANÝ | 1 |
| Šroubek M2,5 + matka | 6 | ||
| Šroubek M2 + matka | 2 | ||
| Plastový sloupek + šroubek | 4 |
10. Použitá literatura
- Základním zdrojem informací byl samozřejmě Internet
- Dokumentaci k PIC18F252 naleznete u výrobce Microchip Technology Inc.
- Katalogové listy součástek (*.pdf) LT1019 LE50ABZ MAX232 PC900V 74HC14
- Katalog GM Electronic spol. s.r.o. 2004
- Konektory PC (Nakladatelství HEL)
- Učebnice jazyka C Pavel Herout
- Učebnice jazyka C 2.díl Pavel Herout
- Učíme se programovat v C++Builder a C++ Václav Kadlec
11. Download
Zde jsou soubory potřebné pro okamžitou výrobu Sběrače dat:
- Horní a spodní maska plošného spoje pcb.zip 57 KB
- Nálepky na čelní a zadní panel panely.zip 14 KB
- Program SbDat.exe pro PC SbDat_v1_04.zip 271 KB
- Program SbDat.hex pro PIC18F252 (omezená verze) SbDat_v1_02_DEMO.zip 6 KB
Omezená verze programu pro mikrokontrolér PIC18F252 je zde pro možnost vyzkoušet si, jak zařízení v principu pracuje. Tato verze programu není díky svým omezením určena pro skutečné měření - sběr dat. Zde je popis omezení této volně dostupné verze programu SbDat_v1_02_DEMO.hex:
Rozlišení A/D převodníku voltmetru V1 a V2 je omezeno z původních 10 b (5 mV) na 5 b (160 mV). Omezená verze tedy rozliší pouze 32 úrovní napětí na místo 1024.
Čítač není pro měření nijak omezen, ale není možné v omezené verzi změřený kmitočet ukládat do souboru. Na místo hodnoty kmitočtu jsou ukládány znaky ###. Na monitoru je kmitočet zobrazován normálním způsobem.
V omezené verzi Sběrače dat je možné do FLASH uložit max. 5 vzorků U1, U2 a f na místo původních 3600. Časová prodleva mezi vzorky není omezena.
Prostředí SbDat.exe je stejné pro obě verze a není nijak omezeno.
Máte-li zájem, potřebu vlastnit plně funkční Sběrač dat, pošlu Vám dobírkou naprogramovaný mikrokontrolér PIC18F252. Cena naprogramovaného mikrokontroléru PIC18F252 je 470,-. Zájemcům, kteří nechtějí nebo si nemohou vyrobit plošný spoj vlastními silami, nabízím vrtaný plošný spoj s prokovenými dírami, nepájivou maskou a servisním potisekem (na fotografii v článku) za cenau 278,-. K objednávce bude připočítáno poštovné a balné v hodnotě 80,-. Jsem plně připraven odpovědět na jakékoliv dotazy k tomuto zařízení. Své připomínky, návrhy a dotazy posílejte na adresu zajacikm@seznam.cz.
Věřím, že Sběrač dat Vám poslouží stejně dobře jako mě samotnému a svými možnostmi, snadným sběrem vzorků, otevře cestu k novému způsobu zpracování dat, než jak tomu bylo doposud. Nejde o Sběrač dat, jde právě a jen o data... Těším se na vzájemnou komunikaci!
Michal Zajačik
zajacikm@ seznam.cz.
DOWNLOAD & Odkazy
- Domovská stránka autora - http://www.zajacik.kvalitne.cz
- Základním zdrojem informací byl samozřejmě Internet
- Dokumentaci k PIC18F252 naleznete u výrobce Microchip Technology Inc.
- Katalog GM Electronic spol. s.r.o. 2004
- Konektory PC (Nakladatelství HEL)
- Učebnice jazyka C Pavel Herout
- Učebnice jazyka C 2.díl Pavel Herout
- Učíme se programovat v C++Builder a C++ Václav Kadlec
- Horní a spodní maska plošného spoje pcb.zip 57 KB
- Nálepky na čelní a zadní panel panely.zip 14 KB
- Program SbDat.exe pro PC SbDat_v1_04.zip 271 KB
- Program SbDat.hex pro PIC18F252 (omezená verze) SbDat_v1_02_DEMO.zip 6 KB
