Transcript
VUT Praha Fakulta elektrotechnická Katedra mení
Diplomová práce Autonomní micí systém
Leden 2008
Jakub Svatoš
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
estné prohlášení estn prohlašuji, že diplomovou práci na téma „Autonomní micí systém“ jsem vypracoval samostatn a použil k tomu úplný výet citací z literatury uvedené v seznamu v závru této práce. Nemám námitek proti pjování nebo zveejování mé diplomové práce nebo jejích ástí a využití výsledk této práce Elektrotechnickou fakultou VUT se souhlasem katedry mení.
V Praze 18. ledna 2008
……………………………...
Stránka1
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Podkování Rád bych zde podkoval Doc. Ing. Josefu Vedralovi, CSc. za poskytnutý námt, konzultace a odborné vedení pi tvorb diplomové práce. Dále bych rád podkoval své rodin za vytvoení výborných podmínek a za plnou podporu pi tvorb diplomové práce.
Stránka2
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Anotace Náplní této diplomové práce je návrh a realizace micího systému pro sbr a zpracování
signál
z tenzometrických
mstk,
odporových
sníma
teploty
a termolánk a jejich následné zpracovaní pomocí mikroprocesoru. Práce dále obsahuje analýzu chyb a ovení vlastností tohoto micího systému. Souástí práce je analýza statických a dynamických chyb systému vetn linearizace pevodních charakteristik sníma. Systém je vybaven komunikaním rozhraním RS232, napovou linkou 0 až 1 V a proudovou linkou 0 mA až 1 mA. Rovnž je zde popsán zpsob realizace hardwaru a softwaru.
Annotation This thesis concerns design and implementation of a data acquisition system for measuring signals from strain gauge brides, RTDs and thermocouples and subsequent processing using a microprocessor. The thesis also contains error analysis (both static and dynamic) and experimental verification of the parameters of the data acquisition system. The transfer characteristics of the sensors used are linearized. The system features an RS232 communication interface, analog voltage output 0 – 1 V and current output 0 – 1 mA. The implementation of the hardware and the software is presented.
Stránka3
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Obsah estnéprohlášení.........................................................................................................................1 Podkování...................................................................................................................................2 Anotace.........................................................................................................................................3 1.Úvod..........................................................................................................................................6 1.1.Cílpráce..............................................................................................................................6 1.2.Systémypromeníasbrdat..........................................................................................6 2.Požadovanéparametrysystému.............................................................................................7 2.1.Specifikazapojenísníma................................................................................................7 2.2.Blokovéschéma.................................................................................................................8 2.3.Požadavkynaobslužnouaplikaci.......................................................................................8 3.Rozborešení............................................................................................................................9 3.1.Snímae..............................................................................................................................9 3.1.1.SnímaPt1000.............................................................................................................9 3.1.2.TermolánektypuK..................................................................................................11 3.1.3.Tenzometrickýmstek..............................................................................................12 3.2.Filtr...................................................................................................................................14 3.3.MikrokontrolerADuC.......................................................................................................16 3.3.1.Charakteristika..........................................................................................................17 3.3.2.A/pevodník...........................................................................................................18 3.4.PipojeníkPC...................................................................................................................18 4.Realizace.................................................................................................................................19 4.1.VývojovýkitADuC834.....................................................................................................19 4.2.InSystemProgramming...................................................................................................20 4.2.1.Napájení....................................................................................................................20 4.2.2.SchémazapojeníceléhokituADuC834....................................................................22 4.3.AnalogovéI/Oobvody......................................................................................................23 4.3.3.ModulpromenínaRTDsnímai............................................................................23 4.3.4.Modulpromenínatermolánku...........................................................................24 4.3.5.Modulpromenínatenzometrickémmstku........................................................25 4.3.6.Výstupníobvody........................................................................................................26 4.4.Seznamsouástek............................................................................................................28 4.5.Návrhavýrobadeskyplošnýchspoj..............................................................................29
Stránka4
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
5.Firmware.................................................................................................................................31 5.1.Požadavkynafirmware....................................................................................................31 5.2.Linearizanífunkce...........................................................................................................31 5.3.Hlavníprogram.................................................................................................................32 5.3.1.PenosdatdoPC.......................................................................................................33 5.3.2.Konfiguraceakalibrace.............................................................................................33 5.3.3.Implementace...........................................................................................................34 5.4.Nahránífirmwaredomikrokontroleru............................................................................38 6.Aplikaníprogram..................................................................................................................39 6.1.Úkolyaplikace..................................................................................................................39 6.2.Píjemazpracovánídat....................................................................................................39 6.3.Implementaceobslužnéaplikace.....................................................................................40 7.Návodkpoužitíaplikaníhoprogramu..................................................................................43 7.1.Nastaveníkomunikace.....................................................................................................43 7.2.Kalibrace...........................................................................................................................44 7.3.Výbrvzorkovacífrekvence.............................................................................................44 7.4.Uloženídatdosouboru....................................................................................................44 7.5.Nastavení/Apevodníku...............................................................................................45 7.6.Spuštnímení...............................................................................................................45 7.7.Demonstraníaplikace.....................................................................................................46 8.Testováníaanalýzachyb........................................................................................................47 8.1.MenéparametryA/pevodníku.................................................................................47 8.2.MeníparametrA/pevodníku..................................................................................47 8.3.Meníparametrsystému.............................................................................................48 8.3.1.Meníefektivnírozlišitelnosti.................................................................................48 8.3.2.Menínaanalogovýchvýstupech...........................................................................51 8.3.3.Meníasovékonstanty..........................................................................................51 9.Závr.......................................................................................................................................53 10.Citovanáliteratura...............................................................................................................55 11.Seznamobrázkatabulek...................................................................................................56 12.Popispíloh...........................................................................................................................58
Stránka5
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
1. Úvod 1.1. Cíl práce Cílem této diplomové práce je navrhnout a realizovat zaízení pro sbr dat z tenzometrických mstk, odporových sníma teploty a termolánk. Pístroj bude sloužit jako demonstraní úloha ve výuce. Základem pípravku je mikroprocesor ADuC od firmy Analog Devices, který zpracovává namené údaje a výsledky mení penáší po sériové lince do osobního poítae. Realizované zaízení poskytuje možnost urit minimální rozlišovací schopnost micího etzce pi psobení rušivých vliv, jako je šum rezistor i nelinearita a offset AD pevodníku. Souástí práce je ovládací aplikace vytvoená v prostedí National Instruments CVI. Jedním z výsledk analýzy dat je histogram, udávající rozptyl namených údaj pi stabilní teplot vlivem výše zmínných faktor.
1.2. Systémy pro mení a sbr dat Systémy pro sbr dat slouží k mení a zaznamenávání fyzikálních veliin jako napíklad teploty, tlaku nebo zrychlení. Namená data je dále možné automaticky zpracovávat a analyzovat. Typický systém pro mení a sbr dat musí zajistit následující úkoly: mení vstup zaznamenávání vstupních hodnot posílání dat nadazené jednotce nebo jejich záznam zpracování získaných údaj Jedna z možností jak tento systém realizovat je pomocí inteligentního senzoru, který v sob zahrnuje vlastní idlo, obvody pro úpravu signálu, A/ pevodník, mikroprocesor pro zpracování a analýzu signálu a obvody pro komunikaci s okolím.
Stránka6
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
2. Požadované parametry systému Systém sbru a zpracování dat ze sníma založený na mikrokonvertoru ADuC má umožovat: x
zpracování signál z tenzometrických mstk 120 :::
x
zpracování
signál
z odporových
sníma
teploty
Pt1000
v rozsahu
0 °C až 850 °C x
zpracování signál z termolánk typu K v rozsahu 0 °C až 1000 °C
x
kmitotovou filtraci signál, potlaení stejnosmrných a stídavých rušivých signál (50 Hz)
x
analogov íslicový pevod s vysokým rozlišením (16 až 24 bit) s vzorkovací frekvencí podle možnosti mikrokonvertoru
x
záznam dat do pamti
x
íslicové zpracování signálu (kalibrace, korekce chyb, linearizace)
x
zpracované údaje pevést na analogový signál pro napový výstup 0 – 1 V a proudovou linku 0 – 10 mA
x
odesílat namená data k dalšímu zpracování do poítae PC pomocí rozhraní RS232
Pomocí obslužné aplikace na PC se provádí analýza statických a dynamických chyb systému, pedevším se jedná o chyby A/ pevodníku a šum odpor.
2.1. Specifika zapojení sníma Odporové snímae je poteba budit malým konstantním proudem (cca stovky μA), který neovlivní menou teplotu. Mikrokontroler musí být proto vybaven zdrojem konstantního proudu. Výstupní veliinou použitých sníma je naptí o velikosti ádov stovky mV, které je pivádno na vstup A/ pevodníku. Aby se vylouilo kolísání naptí sníma vlivem nestability zdroje proudu, je vhodné použít referenci a naptí senzoru vztahovat k této referenci. Souástí pístroje musí být i /A pevodník, který budí analogové výstupy micího systému.
Stránka7
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
2.2. Blokové schéma Z výše uvedených požadavk vyplývá obecné blokové schéma celého micího systému, které je uvedeno na obrázku 2.1.
pevad úrovní
proudový zdroj
senzor
Reference
filtr, zesilova
PC
adi I/O
A/ pevodník
procesor
filtr, zesilova
pam
/A pevodník
budi I, U výstup
Obr. 2.1 Obecné blokové schéma micího systému
2.3. Požadavky na obslužnou aplikaci Obslužná aplikace musí zobrazovat okamžité hodnoty meného naptí a odpovídající teploty. Získaná data a jejich asový prbh je teba zobrazovat v grafické podob. Aplikace také vykresluje histogram etností teplot, pomocí kterého je možné analyzovat chyby systému. Program dále slouží ke kalibraci a konfiguraci micího systému.
Stránka8
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
3. Rozbor ešení Zde si podrobnji probereme jednotlivé komponenty podle obecného blokového schématu (obr. 2.1).
3.1. Snímae 3.1.1. Sníma Pt1000 Principem odporových kovových teplomr je teplotní závislost odporu kovu na teplot, který lze aproximovat rovnicí: ܴሺߴሻ ൌ ܴ ሾͳ ߙሺT െ T ሻ ߚሺT െ T ሻଶ ߛሺT െ T ሻଷ Ǥ Ǥ Ǥ ሿ
(1)
kde R0 je odpor pi teplot T0 a [K-1], [K-2], [K-3] jsou teplotní koeficienty prvního, druhého a tetího ádu.
Standardní kovové odporové senzory se používají pro rozsah teplot -200 °C až 850 °C. Pro platinový sníma Pt1000 jsou hodnoty jmenovitého odporu a prvních tí koeficient následující:
R0 = 1000 = 3,9083x10-3 °C-1
= -5,775x10-7 °C-1 ɀ = -4.183x10-12 °C-1, pro ɀ ൏ Ͳιܥ ɀ = 0 °C-1, pro ɀ Ͳιܥ V tabulce jsou uvedeny odpory Pt1000 podle vzorce (1) pro vybrané teploty:
T[°C] 0 100 400 800
Rrtd[k ] 1 1,385 2,470 3,757
Tab. 3.1 Hodnoty odporu snímae Pt1000
Stránka9
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Pevodní charakteristika je tedy nelineární a maximální odchylka od linearity v rozsahu teploty 0 °C až 100 °C je 1,45 10-3. Její prbh je na obr. 3.1. R/R0 1,385
.100 °C 1,45.10-3
0
50
100
T[°C]
Obr. 3.1 Závislost odporu Pt senzoru na teplot V našem pípad použijeme pro pipojení RTD snímae tysvorkové zapojení pro kompenzaci chyb zpsobených odporem pívod a sníma budeme napájet proudov. Odpor referenního rezistoru byl pro sníma Pt1000 zvolen jako optimální 5,6 k:protože minimální naptí na referenci by mlo být minimáln 1 V.
Obr. 3.2 Schéma pipojení snímae k mikrokonvertoru
Pi buzení proudem o velikosti 200 μA (což je standardní hodnota proudového výstupu ADuC) a pi teplot 0 °C je podle Ohmova zákona úbytek naptí roven 200 mV, pi teplot 850 °C je roven cca 900 mV. Minimální teplotní rozlišení bylo zvoleno 0,1 °C. Ze vztahu (1) vyplývá, že sníma má nejnižší citlivost pi nejvyšší pípustné teplot. Rozdíl výstupních naptí odpovídající teplotnímu rozdílu T uríme ze vztahu: ߂ ݑൌ ܴܫ ሺሾͳ ߙሺTሻ ߚሺTሻଶ ሿ െ ሾͳ ߙሺT ߂T ሻ ߚሺT ߂T ሻଶ ሿሻ
Stránka 10
(2)
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Pro teplotu T = 850 °C, T = 0,1 °C a I = 200 μA dosazením do rovnice pro ȟݑ dostáváme u = 5,84 μV. Rozsah A/ pevodníku je uren referenním naptím. Z Ohmova zákona plyne, že pi zvoleném budicím proudu je úbytek naptí na referenním rezistoru 1,124 V. Ze vztahu (3) pro rozlišení A/ pevodníku uríme, že pi rozsahu Um = 1,150 V je poteba rozlišení minimáln 18 bit, aby byla kvantovací chyba A/ pevodníku srovnatelná se zvoleným teplotním rozlišením. Pi rozlišení 18 bit a vstupním rozsahu 1,150 V je rozlišitelnost rovna 4,28 μV. ܷௌ ൌ
(3)
ଶಿ
kde Um je napový rozsah pevodníku a N je efektivní poet bit
3.1.2. Termolánek typu K Termolánky jsou tvoeny dvojicí rozdílných kov nebo slitin a pracují na principu zmny tepelné energie na elektrickou zpsobené Seebeckovým nebo termoelektrickým jevem. Princip termolánku je patrný z obr. 3.3. 1
1
2
2 Us
Obr. 3.3 Princip termolánku
Když mají konce 1 a 2 termolánku rozdílnou teplotu, vznikne na svorkách Seebeckovo naptí: ܷ௦ ൌ σே ୀ ܽ T
(4)
kde ߙ jsou koeficienty závisející na typu termolánku a T je teplota.
Stránka 11
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Koeficienty ߙ ovlivují chyby termolánku jako je chyba offsetu nebo chyba linearity. Linearizaci charakteristiky termolánku provádíme pomocí tabulky, proto musí mít systém dostatenou kapacitu pamti. Termolánek typu K se vyrábí ze slitiny NiCr-NiAl. Jeho prmrná citlivost je pibližn 40,5 V/°C. Teplotní rozsahy termistor K se pohybují v rozmezí od nízkých teplot -200 °C po vysoké teploty do 1200 °C. Pro pipojení termolánk se používá izotermální svorkovnice. Jedná se o blok z materiálu s malou tepelnou kapacitou (zajišuje konstantní teplotu celého bloku), k nmuž jsou pipojeny srovnávací konce termolánk a referenní teplotní senzor, který je souástí mikrokonvertoru. Toto uspoádání umožuje kompenzaci teploty studeného konce. Minimální teplotní rozlišení bylo zvoleno stejn jako u RTD sníma 0,1 °C, což odpovídá zmn naptí u = 4,05 μV a pi rozsahu A/ pevodníku 80 mV je tedy podle rovnice (3) poteba užít 16 bitový A/, aby byla kvantovací chyba A/ pevodníku (1,22 μV) srovnatelná se zvoleným teplotním rozlišením.
3.1.3. Tenzometrický mstek Principem innosti tenzometru je zmna jeho elektrického odporu, která je závislá na deformaci senzoru, tedy na zmnách rozmr nebo krystalografické struktury použitého materiálu. U klasických sníma dojde pi namáhání tahem k prodloužení vodie tenzometru a zmenšení jeho prezu, ímž se jeho elektrický odpor zmní podle vztahu (5).
Obr. 3.4 Princip funkce tenzometru
ܴൌߜ
(5)
ௌ
kde l je délka, S prez a Ɂ mrný odpor materiálu
Stránka 12
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Úpravou vztahu (5) dostaneme rovnici pro pomrnou zmnu odporu tenzometru v závislosti na deformaci (6).
௱ோ ோ
ൌ
௱
ʹߤ
௱
௱ఘ ఘ
ൌ
௱
ቆͳ ʹߤ
೩ഐ ഐ ೩
ቇ ՜
௱ோ ோ
ൌܭ
௱
ൌ ߝܭ
(6)
kde K je tenzometrická konstanta, ρ Poissonova konstanta a ɂ pomrné prodloužení
Pro kovové tenzometry je K ~ 2 a pomrné prodloužení ádov H = 10-3. Kovové i polovodiové snímae mají ve stavu bez deformace odpor typicky 120 :, 350 : nebo 1000 :. Tenzometry se nejastji zapojují do mstk (obr. 3.5) [3]. Nkteré z použitých senzor pak slouží k vlastnímu mení deformace a nkteré slouží ke kompenzaci vlivu teploty. V pípad mstku s jedním rozvažovaným ramenem má kompenzaní tenzometr stejné parametry a je vystaven stejné teplot jako pracovní senzor, nesmí být ale namáhán v ose citlivosti. Poloviní využívá dva micí a dva kompenzaní snímae, jeho citlivost je dvojnásobná oproti mstku s jedním rozvažovaným ramenem. Plný mstek má tynásobnou citlivost a používá tyi micí tenzometry, z nichž dva jsou namáhány tahem a dva tlakem. U plmstku i plného mstku je vliv teploty kompenzován. Chyba vlivem odporu pívod se odstrauje tyvodiovým zapojením. Výstupní naptí plného tenzometrického mstku se vypoítá podle vztahu:
ܷ ൌ ܷ
௫ሺଵାఓሻ ଶሾଶା௫ሺଵିఓሻሿ
(7)
kde ρ je Poissonova konstanta a x je zmna odporu tenzometru.
Pi zapojení tenzometr tak, že na n psobí mechanické naptí stejné velikosti, ale opaného znaménka, lze výsledný vztah zjednodušit na:
ܷ ൌ ܴܫ
οோ
(8)
ோ
kde οܴ je maximální zmna odporu tenzometru.
Stránka 13
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Toto nejen zvýší citlivost mstku, ale i zpsobí, že výstup je lineární.
Obr. 3.5 Plný tenzometrický mstek
Maximální výstupní naptí mstku je 50 mV. Vzhledem k tomu, že mení tenzometrem má vtší dynamiku než mení teploty, je poteba zvolit maximální možnou frekvenci A/ pevodníku. Pi rozsahu A/ pevodníku 80 mV a vzorkovací frekvenci 105 Hz (maximální frekvence mikrokontroleru) je rozlišení A/ pevodníku 14 bit. Pi tomto nastavení je rozlišitelnost 4,88 μV.
3.2. Filtr Výrobce mikrokontroleru doporuuje mezi senzor a A/D pevodník umístit pouze jednoduchý RC filtr typu dolní propust (obr. 3.6), který slouží jako antialiasing filtr a filtr vysokofrekvenního rušení. 1 k:
100 nF
Obr. 3.6 Antialiasing filtr
Stránka 14
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Pro výrobcem doporuené hodnoty R = 1 k a C = 100 nF, dostáváme zlomovou frekvenci:
݂ିଷௗ ൌ
ଵ ଶగோ
ൌ ͳǡͷͻሾ݇ݖܪሿ
(9)
Pro potlaení síových kmitot 50 Hz je implementován íslicový filtr pímo na mikrokonvertoru. Tento dolnopropustní filtr také filtruje kvantizaní šum modulátoru. Jeho zlomová frekvence se dá programovat pes speciální funkní registry. Potlaení 50 Hz rušení filtru pes celý rozsah hodnot registru SF tj. od 13 Dec do 255 Dec ukazuje obr. 3.7.
Obr. 3.7 Potlaení 50Hz rušení v závislosti na SF
Stránka 15
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
3.3. Mikrokontroler ADuC Úkolem mikrokontroleru je ídit innost ostatních komponent systému, provádt linearizaci
pevodní
charakteristiky
snímae
a
komunikovat
s programem
pro vyhodnocení získaných údaj na PC. Protože datový tok nebude mít velký objem a ani zpracování signálu nebude píliš nároné, není výpoetní výkon omezujícím faktorem- postaí kterýkoliv 8bitový procesor s výkonem pod 1 MIPS, dležitá je spíše nízká spoteba (omezení rušení). Mikrokonvertory z rodiny ADuC v sob kombinují analogové funkce jako napíklad A/ a /A pevodníky, napové reference a teplotní senzory s klasickým mikrokontrolerem a pamtí flash. K uchování firmware postaí pam flash s kapacitou ádov jednotky kB. Požadavkm uvedeným v této kapitole vyhovuje svou spotebou i integrovanými periferiemi mikrokonvertor ADuC 834, jehož blokové schéma je na obr. 3.8.
Obr. 3.8 Blokové schéma ADuC 834
Stránka 16
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
3.3.1. Charakteristika Zde je uvedena podrobnjší specifikace mikrokontroleru ADuC 834 pevzatá z [5].
Hlavní funkce x
dva nezávislé sigma-delta A/ pevodníky s vysokým rozlišením (24bitový hlavní a 16bitový pomocný) s napovým rozsahem 20 mV až 2,56 V
x
pam tvoená 62 kB integrovanou Flash/EE programovou pamtí, 4 kB integrovanou Flash/EE Datovou pamtí a 2304 Byt integrovanou Data RAM
x
jádro založené na 8051 pln kompatibilní s instrukní sadou tohoto mikroprocesoru (maximální taktovací frekvence je 12,58 MHz), hodinový signál je generován integrovaným programovatelným fázovým závsem (PLL) z 32 kHz externího krystalu
x
ti 16bitové ítae/asovae
Integrované periferie x
integrovaný teplotní senzor, který je pipojen k jednomu ze vstup pomocného A/ pevodníku
x
12bitový napový /A pevodník, schopný pracovat také v 8mi bitovém módu
x
dva 16bitové sigma-delta AD pevodníky/PWM modulátory
x
dva proudové zdroje
x
obvod pro detekci reference
x
íta asových interval schopný zajistit poítání interval trvajících od 1/128 s do 255 hod
x
sériový I/O obvod UART
x
vstupn-výstupní obvod kompatibilní s SPI a I2C
x
watchdog Timer nastavitelný v devíti asových periodách od 0 – 2000 ms
x
monitorování napájení
Stránka 17
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
3.3.2. A/ pevodník Mikrokonvertor
ADuC
824
je
vybaven
sigma-delta
A/
pevodníkem
se jmenovitým rozlišením 24 bit. Minimální použitelná vzorkovací frekvence je 5,35 Hz a maximální 105 Hz. Jelikož pedpokládáme, že micí systém bude využíván pro sledování relativn pomalých zmn signálu, je vhodné volit nízkou vzorkovací frekvenci.
Pevodníky
implementované
v mikrokonvertorech
ADuC
dosahují
nejvyššího efektivního rozlišení (ER) pi frekvencích v ádu jednotek hertz. Tabulka 3.2 uvádí pehled efektivního rozlišení A/ pevodníku v závislosti na zvoleném rozsahu a vzorkovací frekvenci.
Vzorkovací ObsahSF frekvence registru [Hz] 13 105,3 69 19,79 255 5,35
±20 14,7 16,2 116,7
±40 15,7 16,7 17,7
±80 16,7 17,7 18,7
Vstupní rozsah[mV]
±160 ±320 ±640 ±1,28 ±2,56 17,7 17,7 18,2 18,7 18,7 18,7 19,7 20,2 20,7 22,1 19,7 20,7 21,2 21,7 22,2
Tab. 3.2 Závislost efektivního rozlišení na rozsahu a vzorkovací frekvenci
Parametry uvedené v tabulce odpovídají požadavkm v kapitole 3.1. Abychom dosáhli vyššího efektivního rozlišení, volíme nejnižší možnou vzorkovací frekvenci 5,35 Hz.
3.4. Pipojení k PC Komunikace s PC probíhá pes rozhraní RS-232 (sériová linka). Komunikaní adi UART je integrován v mikrokonvertoru. Je poteba zajistit pevod napových úrovní signálu z TTL (0 a 5 V) na hodnoty podle standardu EIA-232 (-10 a +10 V) a naopak.
Stránka 18
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
4. Realizace Výrobce mikrokonvertoru ADuC 834, firma Analog Devices nabízí vývojový kit, který umožuje demonstrovat možnosti a vyhodnotit vlastnosti MCU. Je zbytené vytváet zákaznickou desku plošných spoj, protože vývojový kit pro zadanou aplikaci pln vyhovuje. Rozhodl jsem se tento kit využít a zbylé pomocné obvody navrhnout na samostatných deskách plošných spoj jako výmnné moduly pro rzná mení.
4.1. Vývojový kit ADuC 834 Vývojová deska obsahuje kompletní obvody a souástky, které zajišují nezbytné funkce mikrokontroleru. Kit obsahuje mikrokontroler ADuC 834, který je detailnji popsán v kapitole 3.3, resetovací tlaítko, napájecí ást umožující napájení jednak z baterie nebo ze síového adaptéru. Na desce se dále nachází pesná napová reference AD780 2,5 V, vývod rozhraní RS232 pro komunikaci s PC, rozhraní SPI/I2C a dále souástky pro poteby ladní jako LED diody, ochranné obvody, ale i RTD sníma na jednoduchou demonstraci mení teploty. Kit má také vyvedeny analogové a digitální porty mikrokonvertoru. Vstupy A/ pevodníku jsou opateny dolnopropustnými RC filtry. pevad úrovní
PC
Kit ADuC 834 proudový zdroj
senzor
Reference
filtr, zesilova
adi I/O
procesor
AD pevodník
pam
filtr, zesilova
/A pevodník
Obr. 4.1 Blokové schéma pípravku
Stránka 19
budi I, U výstup
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
4.2. In-System Programming Bhem vývoje a ladní firmware je nutné asto nahrávat novou verzi programu do pamti flash (zabudované v mikroprocesoru). Proto je vhodné využít možnosti programování v obvodu (In-System Programming), kterou mikrokontroler ADuC 834 nabízí. Program se v tomto režimu nahrává do pamti po sériovém penosu pes rozhraní RS 232, kterým se posílají i ídicí píkazy pro programování. Výrobce dodává spolu s kitem také propojovací kabel, který má v sob zabudovaný pevad úrovní logických signál.
4.2.1. Napájení Vývojový kit mže být napájen jednak z 9 V baterie, kde se zcela vylouí síové rušení, nebo pomocí síového transformátoru RH41 (AC/DC 230V/9V). Protože všechny komponenty kitu vetn mnou vyrobených pídavných modul jsou napájeny 5 V, musí být toto naptí vytváeno lineárním napovým regulátorem ZR78L05G. Jedná se o napový stabilizátor s pevným kladným výstupem naptí 5 V. Dále je vybaven proudovým omezením a teplotní ochranou. Na výstupu regulátoru je dolnofrekvenní filtr. Schéma celého napájecího bloku je na obr. 4.3.
+9VD AVDD
DVDD D1
R3
1R6
R1
L1
U4 ZR78L05/SOT
0R 3
IN
OUT
1
D2 D3
R2 560R +
C3 10uF
J6-2 J6-1 J6-3
+
+
C2 10uF
C1 .33uF
D4
J5-1 (+9V)
Obr. 4.2 Schéma napájecí ásti kitu
Stránka 20
BT1 9V
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Jelikož mikrokontroler obsahuje A/ pevodník s vysokým rozlišením, je vhodné oddlit analogovou a digitální ást, aby nedocházelo k rušení analogových obvod proudovými špikami z digitální ásti. To je v tomto pípad provedeno oddleným umístním digitální a analogové ásti micího systému podle obr 4.2 a oddlením zemí pomocí feritového odrušovacího filtru.
Obr. 4.3 Oddlené umístní digitální a analogové ásti
Stránka 21
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
4.2.2. Schéma zapojení celého kitu ADuC 834
Stránka 22
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
4.3. Analogové I/O obvody Pro poteby mnou navrhnutého mícího systému musí být vývojový kit doplnn o analogové vstupní obvody vetn reference a výstupní obvody pro proudovou a napovou linku. Po domluv s vedoucím diplomové práce bylo rozhodnuto, že micí obvody budou navrženy jako pídavné moduly pro rzné senzory.
4.3.3. Modul pro mení na RTD snímai V analogové ásti micího obvodu pro RTD sníma je použito tysvorkové zapojení. RTD sníma je napájen proudov ze zdroje konstantního proudu o velikosti IEXC = 200 μA (je souástí mikrokonvertoru) a prochází jak snímaem (konektor J1), tak pesným referenním odporem R1, který je pipojen v sérii. Úbytek naptí na tomto rezistoru slouží jako reference pro A/ pevodník. Podle Ohmova zákona platí: ܷோ் ൌ ܫா Ǥ ܴோ்
(10)
ܷோாி ൌ ܫா Ǥ ܴோாி
(11)
kde ܴோ் je odpor RTD snímae a ܴோாி je odpor referenního rezistoru. Normalizovaný výstup A/ pevodníku je pomr jeho vstupního naptí k referennímu násobený zesílením vstupního zesilovae AADC. ܥܦܣ ൌ ܣ
ೃವ ೃಶಷ
ൌ ܣ
ூಶ ோೃವ ூಶ ோೃವ
ൌ ܣ
ோೃವ ோೃಶಷ
(12)
Dležité je, že normalizovaný výstup nezávisí na proudu ܫா , ale vždy odpovídá pomru odporu RTD snímae a referenního odporu R1 = 6,2 k:Velikost referenního rezistoru byla volena podle požadavku na referenní naptí A/ pevodníku ADuC, které musí být minimáln 1 V, aby byla zajištna správná funkce mikrokonvertoru. Pi napájení proudem 200 μA je úbytek na referenním rezistoru 1,12 V, který je postaující pro správnou innost A/ pevodníku. tysvorkové pipojení RTD snímae je doplnno osmi ochrannými diodami. Celé schéma vstupního obvodu pro RTD sníma je na obr. 4.4.
Stránka 23
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
+5VD 2 R3
D1 1 2
100R IEXC1
D2 1 +5VD 2
+5VD D3
J1
AIN1
1 2
4 3 2 1
J3
D4 1
+5VD 2
CON4
1 2 3 4 5 6 7
AIN2 D5
1 2 D6
R2
1
100R REFIN+
CON7
+5VD 2 R1
D7
REFIN-
1 2 D8
5k6R
1
Obr. 4.4 Schéma zapojení vstupního obvodu pro RTD sníma
4.3.4. Modul pro mení na termolánku Vstupní obvod pro termolánek je odlišný, odpadá zde nutnost tyvodiového pipojení, ale je vyžadováno použití externího obvodu reference, protože výrobce nedoporuuje používat interní referenci pro aplikace, které vyžadují A/ pevod ve vysokém rozlišení. Jako externí reference bylo použito obvodu AD780, tedy obvodu, který poskytuje velice pesné 2,5 V referenní naptí, má nízký drift 3 ppm/K a malý šum 100 nV/ξ . Schéma zapojení modulu pro mení na termolánku je na obr. 4.5. +5VD 2 D1
J1 2 1
AIN1
1 2
+5VD 2
D2 1
CON2
+5VD D3
1 2 +5VD
1 2 3 4 5 6
D4 1
C1 1u
U3 1 2 3
C2 100n
4
NC
O/P
+Vin
NC
TEMP
Vout
GND AD780
TRIM
8 7 6 5
J2
AIN2
CON6 REFIN+ REFINC3 100u
Obr. 4.5 Schéma zapojení vstupního obvodu pro termolánek
Stránka 24
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
4.3.5. Modul pro mení na tenzometrickém mstku Tenzometrické mstky je pro zvýšení pesnosti vhodné budit proudov. Aby se dosáhlo požadovaného výstupního naptí 50 mV, je nutné použít externí proudový zdroj. Byl zvolen zdroj LM134, který pevádí napájecí naptí pes odpor R1 na proud (obr. 4.6) podle vzorce (13).
Obr. 4.6 Základní zapojení proudového zdroje
ܫௌா் ൌ
ೃ ோೄಶ
ܫூௌ
(13)
kde ܫூௌ je pomocný proud a ܷோ je naptí na rezistoru ܴௌா் Jelikož je (pro daný proud) ܫூௌ jednoduše urité procento z ܫௌா் , mžeme rovnici pepsat: ܫௌா் ൌ
ସ ோೄಶ
(14)
Pi zadaném výstupu z mstku U0 = 50 mV a maximálním pedpokládaném rozvážení οோ ோ
ൌ ͷΨ je požadovaná velikost ISET urena podle vzorce (8). Požadovaný rezistor
RSET pak podle vzorce (14) pro teplotu 27 °C. Pehled udává tabulka.
R[:] 120 350 1000
Iset[mA] 8,3 2,9 1
Rset[:] 8 24 69
Tab. 4.1 Pehled velikostí Iset a Rset
Stránka 25
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Schéma celého zapojení pro mení na tenzometrickém mstku je na obr. 4.7.
+5VD LM134
SW1 2
R
1
V+
3
V-
U2 Rset3 69R
Rset2 24R
Rset1 8R
+5VD 2 J1
+5VD AIN1
D1
4 3 2 1
1 2
J2
D2 1
CON4
1 2 3 4 5 6
+5VD 2 AIN2
D3 1 2 +5VD
D4
CON6
1 U1
C1 1u
1 2 3 4
C2 100n
NC
O/P
+Vin
NC
TEMP
Vout
GND AD780
TRIM
REFIN-
8 7
REFIN+
6 5
C3 100u
Obr. 4.7 Schéma zapojení vstupního obvodu pro tenzometrický mstek
4.3.6. Výstupní obvody Analogový výstup z /A pevodníku mikrokonvertoru ADuC pracuje v rozsahu 0 - Uref, což je naptí interní reference, které je 2,5 V. Podle zadání má napová linka pracovat v rozsahu 0 - 1 V, naptí /A bylo proto sníženo na napovém dlii v pomru 1:1,5, tedy na 1 V a pivedeno na operaní zesilova, zapojený jako napový sledova. Zárove je toto naptí pivedeno na pevodník naptí-proud, který vytváí proudový výstup (proudová linka) 0-1 mA. Tato hodnota nekoresponduje se zadáním, ale byla zvolena z dvodu snížení zátže OZ (jinak by bylo nutné použít OZ s vyšším napájecím naptím). Pevodník U-I pevede naptí podle (15) na požadovanou hodnotu. Toto zapojení je možné použít, protože zde nevadí plovoucí zem.
ܫ௨௧ ൌ
ವಲమ ோళ
ൌ
ଵ ଵ
ൌ ͳሾ݉ܣሿ
kde ܫ௨௧ je výstupní proud a ܷଶ je výstupní naptí z /A snížené na dlii
Stránka 26
(15)
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Operaní zesilova je bžný typ TL082 (dva OZ v jednom pouzde) napájený symetricky ±5 V. Napájení operaního zesilovae je blokováno kondenzátory. Operaní zesilova je umístn v patici, aby jej bylo možné snadno vymnit pi poškození. Schéma zapojení viz obr. 4.7.
+5VD
1k R2 8 3
+
2
-
1k5 R1
C1 100n U1A 1 LM258A
4 -5VD
1k R3 +5VD
8
IEXC2/DAC
5
+
6
-
J1 1 2 3 4
U1B 7 LM258A
4
CON4
-5VD C2 100n
Obr. 4.8 Schéma zapojení výstupního obvodu Jelikož je celý výrobek napájen z kladného ptivoltového naptí, musí se symetrické napájení pro operaní zesilovae vytvoit obvodem ICL7660. Jedná se o napový konvertor z kladného na záporné naptí v rozsahu od 1,5 V do 10 V. Nábojová pumpa v obvodu potebuje ke své funkci dva kondenzátory, viz obr 4.8.
+5VD U2 1 2 C1 10u
+
3 4
NC CAP+ GND
V+
8 7
OSC
-5VD 6
LV
CAP- VOUT ICL7660
5 +
C2 10u
Obr. 4.9 Schéma zapojení napového konvertoru
Stránka 27
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Schéma celého pídavného modulu pro pipojení RTD snímae vetn proudové a napové linky a napájení je na obr. 4.9. Ostatní moduly nebudou realizovány.
+5VD +5VD 2 R3
D1 1 2
100R IEXC1
1k R6
D2
8
1
3
+
2
-
+5VD +5VD
2 D3
J1
AIN1
1 2
4 3 2 1
1k5 R5 J3
D4 1
+5VD D5 1 2 D6 1
R2
1 TL082 4
1 2 3 4 5 6 7 8
AIN2
2 CON4
-5VD
C1 100n U1A
C5 100n
100 R7 CON8
100R REFIN+
U1B
IEXC2/DAC
+5VD
5
+
6
-
7
J2 1 2 3 4
2 D7
R1
D8 1
CON4 REFIN-
1 2 5k6
+5VD U2 1
NC
2 C3
+
10u
CAP+
3 4
V+ OSC
GND
LV
CAP-
VOUT
8 7 -5VD 6 5
ICL7660
+
C2 10u
Obr. 4.10 Schéma zapojení celého modulu
4.4. Seznam souástek 2x
keramický kondenzátor 100 nF, 50 V, 10 %
C1, C4
2x
elektrolytický kondenzátor 10 PF, 50 V, 10 %
C2, C3
1x
rezistor 1 k:, 1 %
R6
3x
rezistor 100 :, 1 %
R2,R3,R7
1x
rezistor 1,5 k:, 1 %
R5
1x
rezistor 5,6 k:, 0,1 %
R1
1x
operaní zesilova TL 082
U1
1x
napový konvertor ICL 7660
U2
8x
dioda BAT 42
U7
2x
4 pinový konektor
J1, J2
1x
8 pinový konektor
J3
Stránka 28
Diplo omová Prácce
A Autonomní micí systém
4.5. Náávrh a výrooba desky plošných p sp poj Vzhledem m k zapojjení navržeeného obvodového eešení je vvyžadováno použití jeednovrstvé DPS D a msstkových prropojek neb bo dvouvrstvvé DPS. Kvvli lepší odolnosti o vi rušení byla b zvolenaa druhá varrianta – dvo ouvrstvá DP PS, kde na sspodní stran n desky jsou vedené spoje a hoorní strana je celá zallitá mdí a slouží jako rozlitá zeem (tzv. grround planee). Dležité je j dodržet návrhová n prravidla: x
c nejkratší analogové cesty co c mezi senzorem s a AD pevoddníkem
x
k konektory prro pipojeníí musí být na n okraji dessky
x
b blokovací koondenzátoryy musí být blízko b napájjení souásttek
Šíka použitých spooj je 24 miil, napájení je rozvádnno 40 mil sspoji. Na deesce jsou pooužity koneektory pro propojení moodulu s kiteem, pipojenní napájení a výstupy proudové p a napové liinky. Rozmry navrženné desky (ob br. 4.11) jsoou 80 x 76 m mm.
Obr. 4.11 Navržžená základnní deska
Stránka a 29
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Osazení desky (obr. 4.12) bylo provedeno run souástkami již použitými bhem testování na nepájivém poli.
Obr. 4.12 Pohled na finální výrobek
Stránka 30
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
5. Firmware Programové vybavení micího systému se skládá ze dvou celk. Jeden se zabývá ovládáním samotného ADuC – firmware, a druhý, aplikaní program, slouží uživateli k nakonfigurování pístroje a zobrazení namených dat. Nejdíve byla navržena obecná koncepce obou ástí a zpsob komunikace mezi nimi. Vývoj program probíhal souasn. Firmware byl naprogramován v jazyce C, konkrétn v prostedí Microvision 2 firmy Keil. Tato aplikace v sob spojuje editor zdrojových soubor, kompilátor, správu projektu a simulátor mikrokontroleru, jde o tzv. integrované vývojové prostedí – IDE.
5.1. Požadavky na firmware Podle požadavk uvedených v kapitole 2 musí firmware zajišovat následující innosti: x
naíst z pamti EEPROM konfiguraní a kalibraní údaje
x
inicializovat a nakonfigurovat periferie mikrokontroleru
x
v pravidelných intervalech vyítat hodnoty z A/ pevodníku
x
pevádt zmené naptí na hodnotu odporu a teploty snímae
x
vyslat získaná data po sériové lince do PC
x
zapisovat a vyítat obsah pamti EEPROM dle píkaz z PC
x
provádt kalibraci
Požadavky rozdlují firmware na dv hlavní ásti – hlavní program a proceduru na výpoet teploty z hodnoty naptí resp. odporu snímae.
5.2. Linearizaní funkce Mení teploty odporovými snímai se vyznauje malou dynamikou, a proto staí vzorkovací frekvence v ádu jednotek nebo desítek hertz. Výkon použitého mikrokontroleru je dostatený, aby pi tchto nízkých kmitotech mohl provádt vysoce pesnou
linearizaci
pomocí
analytického
výpotu
polynomu
aproximujícího
charakteristiku senzoru. Použitím prvních ty len Taylorova rozvoje dosáhneme dostatené pesnosti pi rozumné výpoetní složitosti.
Stránka 31
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Pevodní charakteristika snímae je rozdlena na dv ásti v závislosti na jeho odporu. Pro odpor vetší než 951 :je použit polynom (16) a pro hodnoty rezistoru vtší než 951 :pak (17). ଶ ܶ ൌ െʹͶʹǡͲͻͲ Ͳǡʹʹʹͺܴோ் ʹǡͷͳͺ ିͲͳ כସ ܴோ் െ ͷǡͺͳͻ ( ିͲͳ כ16)
ܶൌ
ିଷǤଽ଼ଷכଵషయ ାඥଵǡହ଼ସ଼כଵషల ାିଶǡଷଵכଵషవ ோೃವ ିଵǡଵହହכଵషల
(17)
Byla implementována následující funkce:
float T_rtd (float r) funkce provádjící vlastní linearizaci podle vztah (16) a (17). Vstupní údaj je odpor v ohmech a výstupní je teplota ve stupních Celsia.
5.3. Hlavní program Hlavní program obsahuje inicializaní a konfiguraní funkce a micí smyku. Po resetu probíhají následující operace: x
nastavení fázového závsu a tím i taktovací frekvence procesoru
x
natení kalibraních hodnot z pamti EEPROM do promnných
x
nastavení komunikaního adie UART
x
nastavení A/ a /A pevodník
x
nastavení zdroje proudu
x
spuštní A/ pevodníku
x
A/ pevodník v pravidelných intervalech daných vzorkovací frekvencí mí hodnotu výstupního naptí senzoru, linearizuje ji a vysílá do poítae
A/ pevodník mí kontinuáln v unipolárním režimu s použitím externí reference (tj. jeho rozsah je 0 - UREF). Po ukonení odmru pevodník vyvolá perušení a nastaví píznak, že namená data jsou k dispozici k dalšímu zpracování. Hodnota z A/ pevodníku je korigována pomocí kalibraních konstant.
Stránka 32
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
5.3.1. Penos dat do PC Zkorigovaná 24bitová hodnota z pevodníku je uložena v 32bitové lokální promnné typu long, z ní získané údaje o odporu a teplot pak v 32bitových promnných typu float. Tyto ti údaje tvoí rámec, který se následn odešle bajt po bajtu po sériové lince do PC. Formát rámce je na obr. 5.1. Pi maximální používané vzorkovací frekvenci 15 Hz a délce rámce 13 bajt je minimální potebná penosová rychlost 260 bajt za sekundu. Standardní modulaní rychlost sériového komunikaního rozhraní 9600 baud je pln dostaující.
4B
4B
hodnota A/
hodnota R
4B
1B
hodnota T
znak
„E“
Obr. 5.1 Formát rámce
5.3.2. Konfigurace a kalibrace Pístroj umožuje nastavit sinc3 filtr a tím potažmo i vzorkovací frekvenci. Kalibrace se provádí pomocí dvou známých odpor ve dvou pracovních bodech reprezentující krajní hodnoty teplot, pi kterých bude mení probíhat. Z tchto údaj se získá zesílení a offset pevodní charakteristiky pevodníku.
Jakmile je pijat znak po sériové lince, dojde k perušení a nastavení píznaku píjmu znaku. Následn je zavolána funkce pro konfiguraci a kalibraci a je zastaven pevodník. Píkazy z PC jsou tvoeny jedním znakem a mohou být následující:
S
nastavení filtru sinc3. Po pijetí tohoto píkazu eká zaízení na píjem jednoho bajtu, který udává pímo hodnotu registru SF nastavujícího filtr. Hodnota je odeslána zpt do PC pro potvrzení úspšného nastavení.
F
nastavení filtru sinc3 jako v pedchozím bod, ovšem hodnota je uložena do pamti EEPROM.
Stránka 33
Diplomová Práce
C
Autonomní micí systém
kalibrace. Po pijetí tohoto píkazu se eká na píjem ty bajt, které udávají aktuální hodnotu kalibraního odporu v jednom pracovním bod, a je spuštn jednorázový odmr. Poté se eká na píjem dalších ty bajt udávajících odpor ve druhém pracovním bod. Ze získaných hodnot se vypoítají koeficienty lineární pevodní charakteristiky, uloží se do EEPROM a pošlou se do PC. Na závr se vyšle znak C udávající konec kalibrace.
D
nastavení rozsahu /A pevodníku. Po pijetí tohoto píkazu eká zaízení na píjem ty bajt, které udávají zesílení a pak dalších ty bajt, které udávají offset pevodní charakteristiky /A pevodníku a uloží se do EEPROM. Na závr se vyšle znak D udávající úspšné nastavení.
5.3.3. Implementace Pi vývoji firmware byla použita knihovna 834keil.lib od výrobce procesoru, která poskytuje funkce pro konfiguraci a použití periferií mikrokontroleru a je urena pro kompilátor Keil C51. Byly využity následující funkce:
char AdcGo(char cMode) spuštní nebo zastavení primárního a pomocného A/ pevodníku. cMode je konkrétní nastavení pracovního módu: 0 vypíná pevod, 2 spouští jeden odmr A/ pevodníku, 3 spouští kontinuální mení.
char PllWcd(char cCd) nastaví pracovní frekvenci fázového závsu a tím i frekvenci, na které pracuje mikroprocesor. cCd bit, který nastavuje konkrétní frekvenci.
char UrtCfg(char cCfg, int iDiv) nastavení UART, cCfg nastavuje paritu, rychlost penosu, poet stopbit a výbr ítae, iDiv je hodnota nastavení asovae.
char AdcCfg (char cAd0, char cAd1, char cSf) konfigurace primárního a pomocného A/ pevodníku. Provádí nastavení reference, kanálu, unipolárního nebo bipolárního režimu a v pípad hlavního A/ pevodníku zesílení pedzesilovae.
Stránka 34
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
char DacCfg(char cDaccon) konfigurace /A pevodníku. cDaccon hodnota, která se má uložit do kontrolního registru /A pevodníku.
char DacOut(int iDac) nastaví výstup /A pevodníku na hodnotu iDac.
char AdcErr(void) vrací stav pevodníku. V pípad, že je pevod ukonen, zapíše hodnoty z registru do bufferu.
Hlavní program je tvoen následujícími funkcemi:
void PutFlashPage (unsigned int addr, unsigned char *dataptr) ukládá tyi po sob následující bajty do pamti EEPROM. Addr je adresa stránky v pamti EEPROM, kam se mají data uložit. *dataptr je ukazatel na 1. bajt, který se má uložit.
void GetFlashPage (unsigned int addr, unsigned char *dataptr) pete stránku z pamti EEPROM a uloží do ty po sob následujících bajt v pamti RAM. Addr je adresa stránky v pamti EEPROM, z které se mají peíst. *dataptr je ukazatel na 1. bajt, do kterého se mají uložit.
void TransmitLong(char *pData) vyšle 4 bajty po sériové lince, *pData je ukazatel na 1. bajt dat, která se mají vyslat.
void Config() provádí konfiguraci a kalibraci, tak jak bylo uvedeno v kapitole 5.3.2.
void main(void) vstupní bod programu, vykonává se po resetu procesoru a obsahuje hlavní smyku programu. Vývojový diagram je na obr. 5.2.
void UART_isr() interrupt 4 obsluha perušení od sériového portu. Uloží znak pijatý po sériové lince pro další zpracování.
void ADC_isr() interrupt 6 obsluha perušení od A/ pevodníku. Uloží zmenou hodnotu z registru pevodníku do pamti RAM a nastaví píznak, že namená data jsou k dispozici k dalšímu zpracování.
Stránka 35
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
ISR od UART
Pijmutí znaku?
Start
NE
Uložit do bufferu
ANO
Natení kalibraních konstant Uvolnní UART pro další innost Inicializace periferií
Konec
Spuštní A/
píznak pijmutí znaku
ANO Konfigurace
NE
píznak ukonení pevodu
NE
ISR od /A
ANO
Zjistit stav pevodníku a zapsat do bufferu
tení z bufferu
Výpoet odporu a teploty
Došlo k chyb?
NE Odeslání dat do PC Nastavit píznak ukonení odmru
Nastavení /A pevodníku
Konec Zrušení píznaku
Obr. 5.2a Vývojový diagram firmware
Stránka 36
ANO
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Kalibrace
Zjistit stav pevodníku a zapsat do bufferu
Pijmout znak po UART
ANO
Pijat znak „D“?
NE
Uložit do SF
Pijat znak „S“?
Vyslat zpt po UART
Pijmout znak po UART
NE
ANO Pijmout znak po UART
ANO
Uložit do SF Pijat znak „F“?
Vyslat zpt po UART
NE Uložit do EEPROM a SF
Vyslat zpt po UART
Pijat znak „C“?
ANO
NE
Spustit A/ pevodníku
Pijmout 4 bajty 1. Kalibraního rezistoru Vyslat zpt po UART
Konec Spustit jednorázový odmr
Zapsat dat do EEPROM
Spoítat kalibraní konstanty
Pijmout 4 bajty 2. Kalibraního rezistoru
Obr. 5.2b Vývojový diagram firmware
Stránka 37
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
5.4. Nahrání firmware do mikrokontroleru Firmware se nahrává do pístroje pomocí aplikace WSD (Windows Serial Download) od výrobce Analog Devices, která byla souástí použitého kitu. Tato aplikace umožuje reset mikrokontroleru, konfiguraci nahrání a download programu a dat pes sériovou linku, jak bylo uvedeno v kapitole 4.2. V konfiguraním okn obr. 5.3 je vyobrazeno nastavení aplikace ke správnému nahrání firmware. V levé horní ásti se nastaví íslo sériového portu, ke kterému je micí pístroj pipojen. Zárove se musí nastavit správná frekvence krystalu mikrokontroleru a modulaní rychlost.
Obr. 5.3 Konfiguraní okno aplikace WSD
Stránka 38
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
6. Aplikaní program Aplikaní program je uren pro platformu IBM PC a operaní systémy Windows 95 a vyšší. Poíta musí být vybaven sériovým portem, aby bylo možné zaízení pipojit. Byl naprogramován v jazyce C v prostedí LabWindows CVI od firmy National Instruments.
6.1. Úkoly aplikace Aplikace musí umožovat následující innosti: x
pijímat data z mícího zaízení
x
data zobrazit v podob grafu – asový prbh a histogram
x
nastavit konfiguraní a kalibraní data a vyslat je do pístroje po sériové lince
x
ukládat získaná data do souboru
6.2. Píjem a zpracování dat Jak bylo zmínno v kapitole 5.2.1, pístroj vysílá data v paketech o délce 13 bajt zakonených znakem „E“. Jakmile program detekuje píjem znaku E, oví, zda se jedná skuten o konec paketu a zahájí jeho zpracování. Procesory z rodiny 8051 ukládají data ve formátu big-endian (tzn., že nejvyšší bajt se ukládá na nejnižší adrese) a naopak PC procesory z rodiny x86 používají formát little-endian (tzn., že nejvyšší bajt se ukládá na nejvyšší adrese), píklad je na obrázku 6.1 (první pípad reprezentuje uložení dat 4A 3B 2C 1D na adresu 100 ve formátu big-endian a druhý na tu samou adresu ve formátu little-endian). Proto program pehodí poadí pijatých bajt ped jejich uložením do lokálních promnných. Data se mohou exportovat do souboru v textové form. Pijaté hodnoty se kvli zobrazení také ukládají sekvenn do pole o délce 512 prvk. Po naplnní pole se první prvek zahazuje, prvky se posunou a nový se uloží na konec pole.
Stránka 39
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Obr. 6.1 Zpsob ukládání dat
6.3. Implementace obslužné aplikace Uživatelské rozhraní je tvoeno dvma panely: x
Hlavní panel (obr. 6.2) - zobrazí se po spuštní programu a slouží k nastavení zaízení a vizualizaci a záznamu zmených dat.
x
Kalibraní panel (obr. 6.2) – slouží ke kalibraci zaízení a zobrazuje kalibraní konstanty.
x
Panel nastavení /A pevodníku (obr. 6.2) - slouží k nastavení /A pevodníku.
Obr. 6.2 Hlavní panel aplikace
Stránka 40
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Obr. 6.3 Kalibraní panel a panel nastavení /A pevodníku
Aplikace
byla
naprogramována
s využitím
standardních
knihoven
prostedí
LabWindows. Byly implementovány následující funkce:
Event_Char_Detect_Func funkce je spuštna pi pijmutí znaku „E“ po sériové lince, provádí zpracování a uložení dat uvedené v kapitole 6.2. Vykresluje asový prbh pijatých dat a histogram.
btnSetHist_CB je spuštna stiskem tlaítka pro nastavení parametru histogramu. Vymaže okno histogramu a nastaví parametry zadané uživatelem.
btnStart_CB je vyvolána stiskem tlaítka start. Vymaže grafy, oteve soubor pro export dat, oteve a nakonfiguruje sériový port, ímž pipraví aplikaci na píjem paket z pístroje.
btnStop_CB je vyvolána stiskem tlaítka stop. Zave sériový port a soubor, kam jsou ukládána data, ímž se zastaví píjem paketu z pístroje.
btnCalibrate_CB je vyvolána stiskem tlaítka Calibration. Oteve dialogové okno kalibrace.
Stránka 41
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
btnR_CB je vyvolána stiskem tlaítka potvrzujícího zadání prvního kalibraního odporu. Vyšle po sériové lince znak „C“, ímž uvede pístroj do kalibraního režimu. Provede zmnu formátu dat z little-endian na big-endian a pošle zadanou hodnotu kalibraního odporu do pístroje.
btnR1_CB je vyvolána stiskem tlaítka potvrzujícího zadání druhého kalibraního odporu. Provede zmnu formátu dat z little-endian na big-endian a pošle zadanou hodnotu kalibraního odporu do pístroje a eká na pijetí kalibraních konstant a znaku „C“, udávajícího úspšné provedení kalibrace.
btnFile_CBI je vyvolána stiskem tlaítka Select file. Oteve standardní dialogové okno ve Windows na otevení souboru .dat, do kterého se budou ukládat data.
btnDASet_CB je vyvolána stiskem tlaítka Set /A. Oteve dialogové okno nastavení rozsahu /A pevodníku.
btnDA_OK_CB je vyvolána stiskem tlaítka OK na panelu nastavení rozsahu /A pevodníku. Vyšle po sériové lince znak „D“, který uvede pístroj do režimu nastavení /A pevodníku. Spoítá parametry lineární pevodní charakteristiky. Provede zmnu formátu dat z little-endian na big-endian a pošle vypotené hodnoty do pístroje a eká na pijetí znaku „D“, udávajícího úspšné nastavení.
btnSetSF_CB je vyvolána stiskem tlaítka Save to EEPROM. Vyšle po sériové lince znak „F“, který uvede pístroj do režimu nastavení Sinc3 filtru, následovaný pímo hodnotou registru SF a eká na potvrzení úspšného nastavení.
Program dále obsahuje funkce pro obsluhu prvk uživatelského rozhraní, které pouze uloží uživatelem zadanou hodnotu do promnných a nemají žádnou další funkcionalitu, a tudíž zde nejsou rozebrány.
Stránka 42
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
7. Návod k použití aplikaního programu Aplikace je urena ke konfiguraci pístroje a zobrazení namených dat. Vyžaduje PC kompatibilní poíta s operaním systémem Windows 95 a vyšším. Poíta musí být vybaven sériovým portem, aby bylo možné konfigurovat a naítat data z micího pístroje. Program se nemusí instalovat a spouští se souborem mereni_T.exe.
A E
B C
G D F
H J
I
Obr. 7.1 Popis hlavního panelu aplikace
7.1. Nastavení komunikace Jako první se musí v programu nastavit, jakým komunikaním portem bude program s micím pístrojem komunikovat. Stisknutím tlaítka Select COM port vyjede lišta s výbrem portu A.
Stránka 43
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
7.2. Kalibrace Jestliže nebyla provedena kalibrace, nebo se má pístroj kalibrovat v jiném teplotním rozsahu, vyvolá se stisknutím tlaítka Calibration C kalibraní okno. Do kolonky Value of first calibration rezistor 1 se zadá hodnota prvního kalibraního rezistoru a stiskne se tlaítko Set. Po stisku tlaítka se objeví kolonka Value of second calibration rezistor 2, do které se zadá hodnota druhého kalibraního rezistoru. Po zadání obou kalibraních rezistor se v polích 3 zobrazí kalibraní konstanty. Pro návrat z kalibraního okna slouží tlaítko OK, pro zrušení kalibrace Cancel 4. Zrušit kalibraci je možné pouze ped zadáním prvního kalibraního odporu.
1 2 4 3
Obr. 7.2 Popis aplikaního panelu aplikace 7.3. Výbr vzorkovací frekvence Stisknutím tlaítka Select frequency B vyjede lišta s výbrem vzorkovací frekvence (5,35 Hz, 10,04 Hz a 15 Hz). Zvolenou frekvenci je možné uložit do pamti EEPROM stiskem tlaítka Save to EEPROM.
7.4. Uložení dat do souboru Ped spuštním vlastního mení si mže uživatel zvolit, zda chce mená data zárove ukládat do souboru. Uložení do souboru je v textové form, aby se zaruila komptabilita s rznými aplikacemi jako je napíklad Microsoft Excel. Formát souboru je následující - na prvním ádku je uložena vzorkovací frekvence, další ádky obsahují namená data. V prvním sloupci je zaznamenána výstupní hodnota A/ pevodníku, ve druhém hodnota odporu zkorigovaná kalibraními konstantami a ve tetím vypotená
Stránka 44
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
teplota podle vztah v odstavci 5.2. Export do souboru se aktivuje zaškrtnutím políka Save to file E. Ped zaškrtnutím je poteba stiskem tlaítka Select file… zvolit adresá a jméno souboru, do kterého chce uživatel data ukládat.
7.5. Nastavení /A pevodníku Rozsah teplot, pi kterých mají pracovat analogové výstupy, se dá nastavit stisknutím tlaítka Set /A D. Uživatel nastaví minimální a maximální hodnotu 1 lineární ásti pevodní charakteristiky /A. Zadaná hodnota mže být v rozsahu -200 °C až 850 °C. Stiskem tlaítka OK 2 se nastavení uloží do pamti EEPROM.
1
2 Obr. 7.3 Popis konfiguraního panelu /A pevodníku
U[V]
1 0
min
max
T[°C]
Obr. 7.4 Nastavení /A pevodníku 7.6. Spuštní mení Mení se spustí stiskem tlaítka Start F a prbh mené teploty se zobrazuje v grafu G, zárove se v okn „Histogram“ vykresluje relativní etnost výskytu jednotlivých teplot. Krajní meze a poet sloupc v histogramu mže uživatel mnit J. Po zadání nových mezí, respektive potu sloupc, se histogram vynuluje. Aktuální data (naptí, odpor a teplotu) aplikace zobrazuje v H.
Stránka 45
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
7.7. Demonstraní aplikace Souástí aplikace je teoretická demonstraní úloha. Tento program demonstruje vliv aproximace pevodní charakteristiky RTD sníma po ástech lineární funkcí. Uživatel si mže vybrat ze tí typ sníma A, jejichž charakteristiku chce po ástech linearizovat. Dále se provede výbr potu vzork a rozsah teploty B. Po stisknutí tlaítka Generate data C se v grafu Generated data G zobrazí pevodní charakteristika. V kolonce Number of divide D zvolí uživatel kolika úsekami se má charakteristika aproximovat. Program zárove vypote a zobrazí maximální odchylku od pevodní charakteristiky (obr. 3.1) vypotené podle vztahu (1). Maximální odchylka závisí na potu úseek. V grafu F se zobrazuje závislost maximální odchylky na potu úseek. Maximální poet dlení, který má graf zobrazovat, se nastavuje pomocí kolonky E a po stisknutí tlaítka Calculate graph se graf vykreslí. Pro zjištní íselné hodnoty odchylky pro daný poet krok slouží kolonka H a tlaítko Find.
A B C D E
F
G H Obr. 7.5 Panel demonstraní aplikace
Stránka 46
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
8. Testování a analýza chyb Jedním z cíl zadání diplomové práce bylo experimentáln ovit vlastnosti systému a analyzovat jeho chyby. Byly oveny nejdíve parametry A/ pevodníku a poté parametry celého systému.
8.1. Mené parametry A/ pevodníku Mezi dležité parametry A/ pevodníku patí:
Efektivní rozlišitelnost (Effective Resolution – ER) Efektivní rozlišitelnost je definována podle vztahu:
ER
log2
FS RMSnoise
(18)
kde FS rozsah pevodníku a RMSNOISE je efektivní hodnota jeho šumu.
Efektivní hodnota (RMS) RMS diskrétního signálu je definována vztahem (19).
ଵ
ே
ୖୗ ൌ ට ୀଵ ୧ଶ ே
(19)
kde N je poet vzork a Ui je hodnota i-tého vzorku
8.2. Mení parametr A/ pevodníku Mení bylo provedeno pomocí programu WASP (obr. 8.1), který je dodáván spolu s vývojovým kitem. Mila se efektivní rozlišitelnost pi zkratovaných vstupech diferenního kanálu AIN1 – AIN2 na rozsahu r1,28 V a vzorkovacím kmitotu 5,35 Hz. Byla použita externí reference 2,5 V.
Stránka 47
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Obr. 8.1 Okno programu WASP
Pi mení bylo odebráno 2000 vzork s výsledkem ER= 20,8 bit. Namené parametry vycházejí ve srovnání s hodnotami deklarovanými výrobcem [5] o nkolik desetin LSB horší.
8.3. Mení parametr systému Stejné parametry jako u samostatného A/ pevodníku byly ureny i pro celý systém. Navíc byla zmena pechodová charakteristika systému s RTD snímaem a z ní urena asová konstanta.
8.3.1. Mení efektivní rozlišitelnosti K ovení statických parametr systému byla místo RTD snímae použita odporová dekáda a rezistor o velikosti 1 k:Odporová dekáda byla pipojena k systému kabel s banánky a 1 k:rezistor byl pipájen pímo na konektor micího systému, aby se vylouil vliv pívodních vodi.
Stránka 48
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Mení probíhala pro rzné vzorkovací frekvence a rzná nastavení dekády. Systém byl napájen z adaptéru a baterie, aby byl posouzen vliv síového rušení. Pi každém mení bylo odebráno 10000 vzork. Namená data se vyhodnocovala pomocí skriptu v programu MatLab. Výsledky jsou uvedeny v tabulkách tab. 8.1. f= 5Hz Napájení Baterie Mený dekáda rezistor 1k: ER[bit] 19,1 'T[K] 0,0025 f= 15Hz Napájení Baterie Mený dekáda rezistor 1k: ER[bit] 18,4 'T[K] 0,0043
rezistor 1,385: 1k: 18,4 19,2 0,0042 0,0024
Sí dekáda 1k: 18,9 0,0030
rezistor 1,385: 1k: 17,7 18,5 0,0069 0,0040
Sí dekáda 1k: 18,2 0,0049
Tab. 8.1 Pehled namených a vypotených hodnot Z tabulky plyne, že nejlepších výsledk bylo dosaženo pi použití rezistoru napájeného pímo na konektor micího systému napájeného z baterie. Jednotlivé faktory zhoršovaly výsledky o následující hodnoty: x
Vliv pívodních vodi – cca 0,1 bitu
x
Vliv síového rušení – cca 0,2 bitu
x
Vliv nastavení sinc3 filtru (potažmo vzorkovací frekvence) – cca 0,7 bitu
x
Vliv stoupajícího tepelného šumu se stoupajícím odporem – cca 0,7 bitu
Krom nastavení íslicového filtru došlo k nejvýraznjšímu zhoršení ER pi nastavení vtší hodnoty odporu. Píinou tohoto jevu je tepelný šum, který je úmrný hodnot odporu a teplot.
Stránka 49
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Histogramy pro nejlepší a nejhorší mení jsou na obrázcích 8.2 a 8.3 pi potu vzork 10000. Výskyt kódových slov má pibližn normální rozdlení.
Obr. 8.2 Histogram kódových slov pi mení rezistoru 1 k:Hz
Obr. 8.3 Histogram kódových slov pi mení odporové dekády 1,385 :+z
Stránka 50
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
8.3.2. Mení na analogových výstupech Byly také oveny parametry analogových výstup. Výsledky pro nastavení /A pevodníku v rozsahu 0 – 100 °C jsou uvedeny v tabulce 8.2. K proudovému výstupu byla pipojena zátž 1 k: T[°C]
R[:]
U[mV]
I[mA]
'U[mV]
GU[%]
'I[mA]
GI[%]
0
1000
2,1
0,01
2,1
0,21
0,01
1
10
1039
101,9
0,109
1,9
0,19
0,009
0,9
20
1078
200,7
0,209
0,7
0,07
0,009
0,9
30
1117
300,8
0,31
0,8
0,08
0,01
1
40
1155
400,8
0,41
0,8
0,08
0,01
1
50
1194
500,5
0,512
0,5
0,05
0,012
1,2
60
1232
600,8
0,613
0,8
0,08
0,013
1,3
70
1271
701,1
0,712
1,1
0,11
0,012
1,2
80
1309
801,1
0,813
1,1
0,11
0,013
1,3
90
1347
901
0,913
1
0,1
0,013
1,3
100
1385
1001,4
1,015
1,4
0,14
0,015
1,5
Tab. 8.2 Mení na proudové a napové lince Maximální chyba napového výstupu byla menší než 0,25% a chyba proudového výstupu dosáhla hodnoty 1,5%.
8.3.3. Mení asové konstanty Byla zmena asová konstanta systému s pipojeným snímaem Pt100. Sníma Pt1000 nebyl k dispozici, proto bylo nutné použít sníma Pt100 a upravit funkci pro výpoet teploty ve firmware. Byly zmeny dv charakteristiky – v prvním pípad byl senzor zahát proudem vzduchu a poté byl nechán voln vychladnout na pokojovou teplotu (obr. 8.5) a v druhém pípad byl z pokojové teploty ponoen do studené vody (obr. 8.6). Pechodový dj je dán vztahem (20), dosadíme-li za T = Wzjistíme, že asová konstanta odpovídá dob, bhem které teplota klesne na 0,37 mezi pvodní a novou ustálenou teplotou – obr. 8.4.
ܶ ൌ ሺܶଶ െ ܶଵ ሻ݁ ିഓ ܶଵ
Stránka 51
(18)
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
T T2
37% T1
W
t
Obr. 8.4 Mení asové konstanty
Obr. 8.5 Mení asové konstanty Pt100 pomocí ochlazení vzduchem
Obr. 8.6 Mení asové konstanty Pt100 pomocí ochlazení vodou
asová konstanta pi chladnutí na vzduchu je 21 s a pi ponoení do vody 7 s.
Stránka 52
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
9. Závr V této práci byl rozebrán zpsob, jak pomocí
mikrokonvertoru ADuCxxx,
vybaveným A/ pevodníkem s vysokým rozlišením, realizovat mící systém pro sbr a zpracování signálu z odporových sníma teploty, termolánk a tenzometrických mstk. Systém byl navržen s použitím vývojového kitu ADuC834 doplnným o vstupn výstupní analogové moduly. Realizován byl pouze spolený modul obsahující vstupy pro pipojení odporových sníma teploty a výstupy pro proudovou a napovou linku. Bylo vyvinuto píslušné programové vybavení, které umožní použít micí systém jako demonstraní úlohu pi výuce. Parametry systému byly zjištny testovacím mením. Realizovaný micí systém umožuje mit teplotu v rozsahu -200 °C až 850 °C s rozlišitelností 24 bit tj. nejistotou lepší než 0,01 °C pi vzorkovacím kmitotu až 15 Hz. Pístroj je možné napájet ze síového adaptéru nebo 9 V baterie. Micí modul je vybaven analogovými výstupy – proudovou linkou v rozsahu 0 - 1 mA a napovou linkou 0 - 1 V, a digitálním výstupem – rozhraní RS232. Vyvinutý firmware a obslužný program umožují nastavit vzorkovací frekvenci 5, 10 a 15 Hz a nastavit rozsah teplot, pi kterých jsou funkní analogové výstupy. Umožují kalibraci systému pomocí dvou známých hodnot odporu a vizualizaci dat jako asový prbh a histogram. Data je možné exportovat pro další zpracování. Pi provedených testovacích meních A/ pevodníku se nepodailo dosáhnout parametr deklarovaných výrobcem – zmené efektivní rozlišení bylo o 0,9 bit horší, než udávané. Nejlepší dosažené rozlišení celého systému bylo o dalších 1,6 bit horší, což je pravdpodobn zpsobeno pedevším šumem použitých souástek a šumem indukovaným v propojovacích kabelech. Jelikož sníma Pt1000 nebyl k dispozici, bylo jej nutné simulovat odporovou dekádou. V této konfiguraci by citlivost systému zaruovala rozlišení teploty lepší než setinu kelvinu. Další vývoj systému by mohl spoívat v implementaci zabezpeení penosu dat, aby nemohlo docházet k píjmu poškozených paket. Pro potlaení šumu je možné použít digitální filtraci ovšem za cenu snížení rychlosti odezvy. Lze uvažovat i o zastavení jádra mikrokonvertoru a penosu dat po sériové lince bhem A/ pevodu, ale z dokumentace není zejmé, zda by toto pomohlo zvýšit pesnost. Obslužná aplikace má v souasné dob minimální požadovanou funkcionalitu a je možné ji doplnit o adu dalších funkcí, napíklad zoom grafu nebo pokroilejší analýzu dat. Je poteba také
Stránka 53
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
realizovat vstupní moduly pro termolánky a tenzometrické mstky a píslušným zpsobem upravit firmware i obslužnou aplikaci. Podailo se vyvinout systém demonstrující použití integrovaných A/ pevodník s vysokým rozlišením pro mení teploty. Pípravek bude používán pi výuce na katede mení FEL VUT, což umožní jeho další vývoj.
Stránka 54
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
10. Citovaná literatura [1] Vedral, J., Fischer, J.: Elektronické obvody pro micí techniku,. Praha, vydavatelství VUT, 1999, první vydání. [2] Skalický, P.: Mikroprocesory ady 8051. Praha, vydavatelství BEN, 1998, druhé vydání. [3] ao, S., Kraidl, M.: Senzory a micí obvody. Praha, vydavatelství VUT, 1999, druhé vydání. [4] Pallas-Arney, R., Webster, J. G.: Sensors and signal conditioning, New York, John Wiley & sons Inc., 2001, second edition. [5] Analog.com, Datasheet ADuC 834, Analog Devices, 2003, Rev. A
Dokumentace k souástkám na WWW stránkách výrobc: www.analog.com www.national.com www.st.com
Stránka 55
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
11. Seznam obrázk a tabulek Obr. 2.1 Obecné blokové schéma micího systému ........................................................ 8 Obr. 3.1 Závislost odporu Pt senzoru na teplot ............................................................. 10 Obr. 3.2 Schéma pipojení snímae k mikrokonvertoru ................................................. 10 Obr. 3.3 Princip termolánku .......................................................................................... 11 Obr. 3.4 Princip funkce tenzometru ................................................................................ 12 Obr. 3.5 Plný tenzometrický mstek .............................................................................. 14 Obr. 3.6 Antialiasing filtr ................................................................................................ 14 Obr. 3.7 Potlaení 50Hz rušení v závislosti na SF.......................................................... 15 Obr. 3.8 Blokové schéma ADuC 834 ............................................................................. 16 Obr. 4.1 Blokové schéma pípravku ............................................................................... 19 Obr. 4.2 Schéma napájecí ásti kitu ................................................................................ 20 Obr. 4.3 Oddlené umístní digitální a analogové ásti ................................................. 21 Obr. 4.4 Schéma zapojení vstupního obvodu pro RTD sníma...................................... 24 Obr. 4.5 Schéma zapojení vstupního obvodu pro termolánek ...................................... 24 Obr. 4.6 Základní zapojení proudového zdroje .............................................................. 25 Obr. 4.7 Schéma zapojení vstupního obvodu pro tenzometrický mstek ...................... 26 Obr. 4.8 Schéma zapojení výstupního obvodu ............................................................... 27 Obr. 4.9 Schéma zapojení napového konvertoru ........................................................ 27 Obr. 4.10 Schéma zapojení celého modulu .................................................................... 28 Obr. 4.11 Navržená základní deska ................................................................................ 29 Obr. 4.12 Pohled na finální výrobek ............................................................................... 30 Obr. 5.1 Formát rámce .................................................................................................... 33 Obr. 5.2b Vývojový diagram firmware .......................................................................... 37 Obr. 5.3 Konfiguraní okno aplikace WSD .................................................................... 38 Obr. 6.1 Zpsob ukládání dat.......................................................................................... 40 Obr. 6.2 Hlavní panel aplikace ....................................................................................... 40 Obr. 6.3 Kalibraní panel a panel nastavení /A pevodníku ........................................ 41 Obr. 7.1 Popis hlavního panelu aplikace ........................................................................ 43 Obr. 7.2 Popis aplikaního panelu aplikace .................................................................... 44 Obr. 7.3 Popis konfiguraního panelu /A pevodníku ................................................. 45 Obr. 7.4 Nastavení /A pevodníku ............................................................................... 45 Obr. 7.5 Panel demonstraní aplikace ............................................................................ 46
Stránka 56
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
Obr. 8.1 Okno programu WASP ..................................................................................... 48 Obr. 8.2 Histogram kódových slov pi mení rezistoru 1 k:Hz.............................. 50 Obr. 8.3 Histogram kódových slov pi mení odporové dekády 1,385 :+z ......... 50 Obr. 8.4 Mení asové konstanty .................................................................................. 52 Obr. 8.5 Mení asové konstanty Pt100 pomocí ochlazení vzduchem ......................... 52 Obr. 8.6 Mení asové konstanty Pt100 pomocí ochlazení vodou................................ 52
Tab. 3.1 Hodnoty odporu snímae Pt1000 ....................................................................... 9 Tab. 3.2 Závislost efektivního rozlišení na rozsahu a vzorkovací frekvenci .................. 18 Tab. 4.1 Pehled velikostí Iset a Rset ................................................................................. 25 Tab. 8.1 Pehled namených a vypotených hodnot ..................................................... 49 Tab. 8.2 Mení na proudové a napové lince .............................................................. 51
Stránka 57
Diplomová Práce
Autonomní micí systém
12. Popis píloh Souástí práce je piložený disk CD-ROM, který obsahuje tento text v elektronické podob, dále pak zdrojové kódy firmware i obslužného programu pro PC a zkompilované programy.
Stránka 58
