N´AVRH HARDWARU A SOFTWARU MˇEˇRIC´I KARTY

(1)

N ´ AVRH HARDWARU A SOFTWARU Mˇ Eˇ RIC´I KARTY

Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace

Studijn´ı program: B2612 – Elektrotechnika a informatika

Studijn´ı obor: 2612R011 – Elektronické informaˇcn´ı a ˇr´ıd´ıc´ı systémy Autor práce: Michal Hudec

Vedouc´ı pr´ace: Ing. Martin Kysela

(2)

DESIGN OF HARDWARE AND

SOFTWARE OF THE MEASURING CARD

Bachelor thesis

Study programme: B2612 – Electrical Engineering and Informatics

Study branch: 2612R011 – Electronic Information and Control Systems

Author: Michal Hudec

Supervisor: Ing. Martin Kysela

(3)

(4)

(5)

(6)

Podˇ ekov´ an´ı

Dˇekuji Ing. Martinu Kyselovi za pomoc pˇri veden´ı bakaláˇrské práce.

Mé podˇekován´ı patˇr´ı téˇz Jarom´ıru Mayerovi za odbornou konzultaci a vˇecné pˇripom´ınky.

(7)

Abstrakt

Tato práce se zabývá problematikou pouˇzit´ı mˇeˇric´ıch karet pˇri analýze elektroniky posilovaˇc˚u ˇr´ızen´ı. Hlavn´ım c´ılem práce je navrhnout a vyrobit prototyp mˇeˇric´ı karty vhodné pro pouˇzit´ı pˇri analýze a procesu repasován´ı ˇr´ıd´ıc´ıch jednotek posilovaˇc˚u ˇr´ızen´ı pro spoleˇcnost TRW Frýdlant. Konstruovaná mˇeˇric´ı karta vyuˇz´ıvá mi- krokontroléru, který obsluhuje komunikaci mezi poˇc´ıtaˇcem a ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou a zároveˇn obsluhuje a zpracovává data z analogových a digitáln´ıch mˇeˇric´ıch vstup˚u a výstup˚u. Souˇcást´ı práce je analýza souˇcasného ˇreˇsen´ı pouˇz´ıvaných v TRW Frýdlant, návrhy zapojen´ı, popis výroby a oˇziven´ı prototypu.

Kl´ıˇ cov´ a slova:

Mˇeˇric´ı karta, mˇeˇric´ı systém, návrh hardwaru, návrh sofwaru, tes- tován´ı DPS

Abstract

This thesis discusses measuring cards in analysis of power steering electronic control units. The main goal of this work is to design and manufacture a prototype of a measuring card suitable for use in analysis and electronic control unit remanufacturing at TRW Fr´ydlant factory. The constructed measuring card uses a microcon- troler which controls communication between a computer and a control unit and also processes data from analog and digital inputs and outputs. This work includes analysis of current solution used at TRW Fr´ydlant, electronics design, manufacturing description and prototype construction.

Keywords:

Measuring card, measuring system, hardware design, software design, PCB testing

(8)

Obsah

Seznam zkratek . . . 9

Uvod´ 10 1 Souˇcasn´a ˇreˇsen´ı 11 1.1 Mˇeˇric´ı karta Nation Instruments . . . 11

1.2 Mˇeˇric´ı karta vyuˇz´ıvaj´ıc´ı Arduino . . . 13

1.3 CANcaseXL . . . 15

2 Poˇzadavky na mˇeˇric´ı kartu 16 2.1 Poˇzadavky technick´eho oddˇelen´ı . . . 16

2.2 Poˇzadavky v´yrobn´ıho oddˇelen´ı . . . 16

2.3 Poˇzadavky oddˇelen´ı kvality . . . 17

3 N´avrh hardwaru mˇeˇric´ı karty 18 3.1 Mikrokontrol´er . . . 18

3.2 Digit´aln´ı vstupy a v´ystupy . . . 18

3.3 Analogov´e vstupy a v´ystupy . . . 19

3.4 Komunikaˇcn´ı rozhran´ı USB . . . 19

3.5 Komunikaˇcn´ı rozhran´ı RS-485 . . . 20

3.6 Komunikaˇcn´ı rozhran´ı CAN . . . 20

3.7 Komunikaˇcn´ı rozhran´ı K-LINE . . . 21

3.8 Komunikaˇcn´ı rozhran´ı I2C a SPI . . . 21

3.9 3 f´azov´y m˚ustek pro ˇr´ızen´ı elektromotor˚u . . . 22

3.10 Obvod mˇeˇren´ı proudu . . . 23

3.11 Nap´ajec´ı obvod . . . 23

3.12 Celkov´a koncepce . . . 24

3.13 Dalˇs´ı moˇznosti ˇreˇsen´ı . . . 24

4 Realizace 26 4.1 Volba souˇc´astek . . . 26

4.2 N´avrh DPS . . . 26

4.3 V´yroba DPS . . . 29

4.4 Osazen´ı . . . 29

4.5 Oˇziven´ı . . . 31

4.6 Pouˇzit´e pˇr´ıstroje . . . 32

(9)

5 N´avrh softwaru karty 33 5.1 Komunikace . . . 34 5.2 Komunikaˇcn´ı protokol . . . 35 5.3 Test komunikace . . . 36

Z´avˇer 38

A Popis komunikaˇcn´ıho protokolu 42

B Obsah pˇriloˇzen´eho CD 43

(10)

Seznam zkratek

NI National Instruments

PWM Pulse Width Modulation, pulznˇe ˇs´ıˇrkov´a modulace

CAN Controller Area Network, sbˇernice pouˇz´ıvaná v automobilech USB Universal Serial Bus, univerzáln´ı sériová sbˇernice

USB OTG USB On-The-Go, mód pˇri kterém lze zaˇr´ızen´ı vyuˇz´ıt jako hostitelské USB CDC USB Communication Device Class, tˇr´ıda umoˇzˇnuj´ıc´ı vyuˇz´ıt USB jako

virtu´aln´ı s´eriovou linku

SPI Serial Peripheral Interface, sbˇernice urˇcen´e pro vnitˇrn´ı komunikaci DPS Deska ploˇsn´ych spoj˚u

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, s´eriov´e komunikaˇcn´ı rozhran´ı

MIPS Million Instruction Per Second, mili´en instrukc´ı za sekundu

TQFP Thin Quad Flat Package, standardizovan´e pouzdro integrovan´eho obvodu

MCLR Master Clear Pin External Reset, programovac´ı pin

PLL Phase-Locked Loop,modul integrovan´y v procesoru pro zmˇenu frekvence

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-only Memory, elektronicky mazateln´a pamˇet’

BLDC Brush-less DC, stejnosmˇern´y motor s elektronickou komutac´ı GPIO General Purpose Input/Output, programovateln´e piny

SMD Surface Mount Device, souˇcástka urˇcená pro povrchovou montáˇz THT Through-hole echnology, technologie osazován´ı souˇcástek s drátovými

v´yvody

HAL Hot Air Leveling, nanesen´ı roztavené c´ınové pájky

ICSP In-circuit System Programming, protokol firmy Microchip pro sériové programován´ı

FDT Frýdlant diagnostic tool, software vyv´ıjený v TRW Frýdlant

ASCII American Standard Code for Information Interchange, standardizovan´a tabulka znak˚u

(11)

Uvod ´

Mˇeˇric´ı karty se staly neodmyslitelnou souˇcást´ı modern´ıho procesu výroby ve vˇsech pr˚umyslových odvˇetv´ıch a to pro mˇeˇren´ı jak elektrických, tak i fyzikáln´ıch veliˇcin.

Pouhým pˇripojen´ım zaˇr´ızen´ı k pracovn´ı stanici lze z´ıskat profesionáln´ı mˇeˇric´ı systém.

Za rozmach mˇeˇric´ıch karet m˚uˇze výhoda, která spoˇc´ıvá v automatizaci procesu mˇeˇren´ı a tud´ıˇz sn´ıˇzen´ı chybovosti operátor˚u. Dalˇs´ı výhodou automatizace procesu je sn´ıˇzen´ı náklad˚u za operátory - odborn´ıky, operátory staˇc´ı pouze proˇskolit na daný proces a o elektrotechnických mˇeˇren´ıch nemus´ı nic vˇedˇet. Výhodou je be- zesporu také modulárnost hardwaru a softwaru. Hardware mˇeˇric´ı karty je moˇzné sehnat v nejr˚uznˇejˇs´ıch proveden´ıch (intern´ı, extern´ı, bezdrátové, komunikuj´ıc´ı po s´ıti) a s r˚uzným poˇctem digitáln´ıch a analogových vstup˚u a výstup˚u. Modulárnost softwaru mˇeˇric´ıch karet nám nab´ız´ı výhodu konfigurovatelnosti pro r˚uzné mˇeˇric´ı

´

ulohy. Jedna mˇeˇric´ı karta tak m˚uˇze vyuˇz´ıvat nˇekolik softwarových konfigurac´ı a t´ım pádem slouˇzit pro v´ıce úloh.

Pˇrestoˇze je na trhu nepˇreberné mnoˇzstv´ı mˇeˇric´ıch systém˚u, ukázalo se, ˇze pro mˇeˇren´ı ˇr´ıd´ıc´ıch jednotek na testovac´ıch stolic´ıch v TRW Frýdlant se v´ıce osvˇedˇcil vlastn´ı návrh prototypu mˇeˇric´ıho systému dle návrhu bakaláˇrského projektu, neˇz návrh sestavený z komerˇcn´ıho ˇreˇsen´ı. Pro porovnán´ı s komerˇcn´ım systémem byl otestován na jedné zakázce. Prototyp samozˇrejmˇe nen´ı bezchybný, ale prokázal, ˇze má smysl se zabývat vývojem vlastn´ı mˇeˇric´ı karty dále, pˇrestoˇze je vývoj ˇcasovˇe nároˇcný.

Toto téma je pro mˇe zaj´ımavé z toho d˚uvodu, ˇze volnˇe navazuje na m˚uj ba- kaláˇrský projekt. Ten se zabýval návrhem jednoúˇcelové mˇeˇric´ı karty a pˇrizp˚usobovac´ıho obvodu pro testován´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky BMW/MINI pro automobil Mini Cooper.

Zkuˇsenosti z pˇredchoz´ıho vývoje a pˇredevˇs´ım poznatky z´ıskané bˇehem testovac´ıho provozu tohoto mˇeˇric´ıho systému je tedy moˇzné zúroˇcit v návrhu prototypu nového zaˇr´ızen´ı.

C´ılem práce je návrh nové mˇeˇric´ı karty dle poˇzadavk˚u TRW Frýdlant a výroba prototypu mˇeˇric´ı karty, umoˇzˇnuj´ıc´ı prozat´ım komunikaci s poˇc´ıtaˇcem. Do návrhu prototypu mˇeˇric´ı karty by se mˇely prom´ıtnout zkuˇsenosti z provozu souˇcasného mˇeˇric´ıho systému a zkuˇsenosti z testován´ı prototypu, který vzeˇsel z bakaláˇrského projektu. Prototyp mˇeˇric´ı karty bude otestován na jedné referenci ve výrobn´ım procesu pˇri vstupn´ım a výstupn´ım testu.

Pˇr´ınosem práce by mˇel být takový návrh, který zajist´ıˇcasovou úsporu pˇri zavádˇen´ı nových referenc´ı a sn´ıˇz´ı chybovost testován´ı.

(12)

1 Souˇ casn´ a ˇ reˇ sen´ı

Souˇcasná ˇreˇsen´ı pro mˇeˇren´ı na ˇr´ıd´ıc´ıch jednotkách posilovaˇc˚u ˇr´ızen´ı vyuˇz´ıvaj´ı vˇzdy mˇeˇric´ı kartu a k n´ı pˇripojený pˇrizp˚usobovac´ı obvod. Ten funguje v pˇr´ıpadˇe potˇreby i jako ovládac´ı obvod bˇehem testován´ı (zap´ıná/vyp´ıná napájen´ı, pˇrepojuje vstupy atd.). Mˇeˇric´ı obvod je pak pˇripojen k testovac´ı stolici s jehlovým polem.

1.1 Mˇ eˇ ric´ı karta Nation Instruments

Pro testován´ı ˇr´ıd´ıc´ıch jednotek se pouˇz´ıvá mˇeˇric´ı karta NI USB-6212 od výrobce National Instruments [12] . Karta disponuje 16 analogovými vstupy s rozliˇsen´ım 16 bit˚u a rychlost´ı 400 kS/s, dvˇema analogovými výstupy s rozliˇsen´ım 16 bit˚u a rychlost´ı 250 kS/s. Dále má karta 32 vstupnˇe-výstupn´ıch pin˚u a dva 32 bitové ˇc´ıtaˇce.

Cel´a karta komunikuje a je nap´ajena po sbˇernici USB.

Obr´azek 1.1: Mˇeˇr´ıc´ı karta National Instruments

Karta je um´ıstˇena v plastovém boxu a s pˇrizp˚usobovac´ım obvodem, který je um´ıstˇen na kaˇzdé testovac´ı stolici, je propojena pomoc´ı dvou konektor˚u D-SUB s 37 piny. Takovýto mˇeˇric´ı systém je tedy rozdˇelen na 2 moduly. Konektory jsou v rozd´ılném proveden´ı jak na modulu mˇeˇric´ı karty, tak na mˇeˇric´ı stolici a to z d˚uvodu

(13)

minimalizace chyby pˇri propojov´an´ı obou pˇr´ıpravk˚u, propojovac´ı kabely lze zapojit pouze jedn´ım zp˚usobem.

Obr´azek 1.2: Pˇrizp˚usobovac´ı obvod um´ıstˇen´y na testovac´ı stolici

O obsluhu karty se stará software vyv´ıjený internˇe v TRW Frýdlant, ten vyuˇz´ıvá dostupných knihoven pro programovac´ı jazyk C# a ovladaˇce NIDAQ. V softwaru jsou implementovány vˇsechny typy repasovaných ˇr´ıd´ıc´ıch jednotek a operátor po pˇripojen´ı vol´ı pouze typ jednotky pˇr´ıpadnˇe jej´ı ˇcásti (ˇr´ıd´ıc´ı elektronika, výkonový obvod). Tento software se vyv´ıj´ı z d˚uvodu pˇr´ıjemnˇejˇs´ıho vývoje, neˇz je vývoj v prostˇred´ı LabView, které nenab´ız´ı takové moˇznosti programován´ı a hlavnˇe ladˇen´ı programu.

Výsledný program je nav´ıc mnohem pomalejˇs´ı. Dalˇs´ım d˚uvodem je nav´ıc také úspora náklad˚u.

(14)

Obrázek 1.3: Software vyv´ıjený v TRW Frýdlant (FDT)

Nevýhodou tohoto ˇreˇsen´ı jsou neustálé problémy s ovladaˇcem karty. Ten evi- dentnˇe nespolupracuje s knihovnami C# tak, jak by mˇel. Pˇri testován´ı ˇr´ıd´ıc´ıch jednotek se tak vyskytuj´ı chyby, ty jsou problematické zejména pˇri koncovém testu, kde by se d´ıky chybˇe mohl dostat do prodeje vadný kus elektroniky. To má za následek finanˇcn´ı ztrátu pˇri reklamaci. Dalˇs´ı nevýhodou je cena mˇeˇric´ıho systému, v koneˇcném souˇctu stanice s kartou a 3 testovac´ımi stolicemi stoj´ı cca 50000 Kˇc.

Taková stanice se vyplat´ı pouze na reference repasované ve velkém roˇcn´ım objemu.

Jedinou výhodou tohoto zaˇr´ızen´ı pak z˚ustává podpora výrobce a záruka.

1.2 Mˇ eˇ ric´ı karta vyuˇ z´ıvaj´ıc´ı Arduino

Pro jednu referenci byl nav´ıc pokusnˇe pouˇzit mˇeˇric´ı systém sloˇzený z vývojového kitu Arduino MEGA2560 [13]. Vývojový kit disponuje 16 analogovými vstupy s rozliˇsen´ım 10 bit˚u, 54 vstupnˇe-výstupn´ımi piny, z nichˇz 14 je schopno generovat PWM signál.

Arduino pouˇz´ıvá mikrokontrolér ATmega2560 od výrobce Atmel. V nˇem je nahrán bootloader, který umoˇzˇnuje programován´ı v jazyce Wiring, ten vycház´ı z jazyka C, ovˇsem zjednoduˇsuje ho tak, ˇze nen´ı nutné pracovat s registry mikrokontroléru bˇehem programován´ı.

K vývojovému kitu je pˇripojen pˇrizp˚usobovac´ı obvod pro testován´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky posilovaˇce ˇr´ızen´ı pro BMW/MINI. Je navrˇzen tak, aby fungoval jako tzv.

”shield“ pro Arduino. V praxi to zanemená, ˇze má obvod tvar vývojového kitu a jeho vývody zapadaj´ı pˇresnˇe do vývod˚u kitu, po propojen´ı tvoˇr´ı tedy toto zaˇr´ızen´ı kompaktn´ı celek a celé je um´ıstˇeno pˇr´ımo na mˇeˇric´ı stolici s jehlovým polem.

(15)

Obr´azek 1.4: Mˇeˇric´ı syst´em vyuˇz´ıvaj´ıc´ı Arduino Mega2560

Zaˇr´ızen´ı je implementováno do stejného ovládac´ıho softwaru jako NI karta, ale pro komunikaci pouˇz´ıvá virtuáln´ı sériovou linku. Komunikace se zaˇr´ızen´ım je tedy velmi jednoduchá a skládá se pouze z pˇr´ıkaz˚u kartˇe a ˇcten´ı výsledk˚u. O samotné mˇeˇren´ı a zpracován´ı výsledk˚u se stará karta.

Nevýhodou tohoto zaˇr´ızen´ı je delˇs´ı vývoj, ten je následkem toho, ˇze je nutné naprogramovat jak software, tak pˇredevˇs´ım hardware samotného zaˇr´ızen´ı a to pro kaˇzdou referenci jiný, protoˇze u kaˇzdé jednotky je potˇreba mˇeˇrit jiné analogové veliˇciny i jiná vstupn´ı data. Dalˇs´ı nevýhodou je nedostateˇcná ochrana proti zkratu a proti pˇrepˇet´ı na vstupech.

Výhodou tohoto ˇreˇsen´ı oproti ˇreˇsen´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ı kartou National Instruments je pˇredevˇs´ım cena, za kterou lze sestavit, ta se pohybuje okolo 5000 Kˇc. Dalˇs´ı výhodou je pak um´ıstˇen´ı celého zaˇr´ızen´ı na mˇeˇric´ı stolici, t´ım pádem je na stole operátora o jednu vˇec ménˇe a jeˇstˇe se nemus´ı zabývat pˇripojován´ım propojovac´ıch kabel˚u.

Výhodou je také jednoduchý komunikaˇcn´ı protokol.

Toto zaˇr´ızen´ı bylo zpracováno v bakaláˇrském projektu jako moˇzná náhrada za ˇreˇsen´ı s NI kartou. V pr˚ubˇehu testován´ı vyplynulo nˇekolik nedostatk˚u, jako je napˇr´ıklad nefunkˇcn´ı obvod mˇeˇren´ı proudu nebo jiˇz zm´ınˇená nedostateˇcná ochrana proti zkratu. Aˇz na tyto nedostatky se ukázalo, ˇze je obvod prakticky bezproblémový a ukazuje tedy moˇznou cestu dalˇs´ıho vývoje. Jediný problém, který se u nˇej vyskytuje a je spoleˇcný u vˇsech ˇreˇsen´ı je degradace mˇeˇric´ıch jehel, kterým po ˇcase ztrác´ı pruˇznost pruˇzina nebo se zanesou jejich kontakty. Je tedy potˇreba dokonˇcit návrh nového systému up´ınán´ı do stolice tak, aby umoˇznil dotyk vˇsech mˇeˇric´ıch jehel stej- nou silou. Na tomto návrhu pracuje paralelnˇe jiná ˇcást technického oddˇelen´ı. Dále je potˇreba standardizovat jehly na jeden typ skrze vˇsechna zaˇr´ızen´ı a t´ım zlevnit výrobu a zjednoduˇsit logistiku pˇri výrobˇe takového zaˇr´ızen´ı.

(16)

1.3 CANcaseXL

Spoleˇcným nedostatkem obou pˇredchoz´ıch zaˇr´ızen´ı je absence jakékoliv komunikace s ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou. Tu je nutné zajistit dalˇs´ım zaˇr´ızen´ım a t´ım je CANcaseXL od výrobce Vector [11]. Ten slouˇz´ı jako dvoukanálová extern´ı CAN karta, která se pˇripojuje pomoc´ı USB k poˇc´ıtaˇci.

Obr´azek 1.5: CANcaseXL od spoleˇcnosti National Instruments

Karta je vyuˇz´ıvána k simulaci CAN s´ıtˇe vozidla ˇr´ıd´ıc´ı jednotce, ke ˇcten´ı dia- gnostických informac´ı z ˇr´ıd´ıc´ı jednotky a zápisu informac´ı do ˇr´ıd´ıc´ı jednotky, jako je napˇr´ıklad pˇr´ıkaz pro zapnut´ı elektrohydraulického ˇcerpadla oleje. Dále je tato karta vyuˇz´ıvána k vývoji pˇri reverzn´ım inˇzenýrstv´ı komunikace mezi ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou posilovaˇce a ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou automobilu, nebo mezi ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou posilovaˇce a diagnostikou.

Karta je dodávána jako zaˇr´ızen´ı k softwarovým nástroj˚um firmy Vector. Z tˇechto nástroj˚u je v TRW Frýdlant pouˇz´ıván hlavnˇe software CANape a CANoe pˇri vývoji nových referenc´ı. Zaˇr´ızen´ı se také pˇres jeho ovladaˇc podaˇrilo implementovat do softwaru vyv´ıjeného v TRW Frýdlant a lze tedy komunikovat skrze vlastn´ı software bez pouˇzit´ı licencovaného softwaru dodávaného firmou Vector.

(17)

2 Poˇ zadavky na mˇ eˇ ric´ı kartu

Vzhledem k tomu, ˇze trh nenab´ız´ı ˇzádnou vhodnou mˇeˇric´ı kartu, která by odpov´ıdala poˇzadavk˚um [10], je nam´ıstˇe zabývat se vývojem mˇeˇric´ı karty splˇnuj´ıc´ı poˇzadavky kladené ze vˇsech oddˇelen´ı pˇr´ıcházej´ıc´ıch s t´ımto zaˇr´ızen´ım do styku.

2.1 Poˇ zadavky technick´ eho oddˇ elen´ı

Poˇzadavky technického oddˇelen´ı urˇcuj´ı koncept celé mˇeˇric´ı karty, d˚uleˇzitá rozhran´ı a funkce. Hlavn´ım poˇzadavkem, který vycház´ı ze souˇcasných ˇreˇsen´ı je slouˇcen´ı mˇeˇric´ı karty s komunikaˇcn´ı kartou do jednoho celku tak, aby nebylo nutné pouˇz´ıvat v´ıce zaˇr´ızen´ı pˇri testován´ı a komunikace s poˇc´ıtaˇcem po sbˇernici USB. Hlavn´ımi parametry potom jsou:

• Mˇeˇren´ı analogov´eho napˇet´ı

• Generov´an´ı analogov´eho napˇet´ı

• Komunikace po intern´ıch sbˇernic´ıch I2C a SPI

• Komunikace s ˇr´ıd´ıc´ımi jednotkami po sbˇernic´ıch CAN a K-LINE

• Ovládán´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky skrze digitáln´ı vstupy a výstupy – Rychlé digitáln´ı vstupy

– Digitáln´ı vstupy a výstupy – PWM výstup

Dalˇs´ımi speciáln´ımi poˇzadavky je moˇznost mˇeˇren´ı proudu aˇz 100 A a 3 fázový m˚ustek pro ˇr´ızen´ı elektromotor˚u s elektronickou komutac´ı.

2.2 Poˇ zadavky v´ yrobn´ıho oddˇ elen´ı

Poˇzadavky výrobn´ıho oddˇelen´ı jsou zamˇeˇreny pˇredevˇs´ım na práci operátor˚u s mˇeˇric´ım zaˇr´ızen´ım. Lze pˇredpokládat, ˇze operátor nev´ı nic o elektronice a jevech s n´ı spo- jených. Proto je nutné zabezpeˇcit mˇeˇric´ı kartu ochranou proti zkratu a proti pˇrepˇet´ı zejména na pinech, které komunikuj´ı s ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou, protoˇze elektronika repa- sovaných zaˇr´ızen´ı bývá ˇcasto v dezolátn´ım stavu. Dalˇs´ım poˇzadavkem je pouze jeden konektor pro pˇripojen´ı k poˇc´ıtaˇci. Nem˚uˇze tud´ıˇz doj´ıt k omylu pˇri zapojován´ı

(18)

2.3 Poˇ zadavky oddˇ elen´ı kvality

Poˇzadavky oddˇeln´ı kvality jsou zamˇeˇreny hlavnˇe na provoz zaˇr´ızen´ı, jeho funkˇcnost a stálost. Protoˇze je nutné v pravidelných intervalech provádˇet kalibraci mˇeˇric´ı karty, metrolog by mˇel m´ıt k dispozici diagnostický pˇr´ıstup ke kartˇe, který umoˇzˇnuje kalibraci karty pin po pinu pˇriveden´ım napˇet´ı etalonu na jednotlivé piny dle dokumentace pˇriloˇzené k testovac´ı stolici a t´ım urˇcit jestli zaˇr´ızen´ı stále odpov´ıdá kalibraci. Dalˇs´ı moˇznost´ı jak usnadnit práci oddˇelen´ı kvality je samodiagnostická funkce mˇeˇric´ı karty, která by umoˇzˇnovala po spuˇstˇen´ı urˇcit, jestli je karta schopna provozu. Pˇr´ıpadnˇe by se tato funkce mohla spouˇstˇet automaticky v urˇcitém intervalu.

(19)

3 N´ avrh hardwaru mˇ eˇ ric´ı karty

3.1 Mikrokontrol´ er

Po seznámen´ı s mikrokontroléry s jádrem ARM bylo zjiˇstˇeno, ˇze vhodný mikro- kontrolér STM32F301C6 výrobce ST microelectronics je nedostupný u zavedených dodavatel˚u TRW. Bylo tedy rozhodnuto pouˇz´ıt mikrokontrolér s jiným jádrem a to dsPIC33EP256MU810 od firmy Microchip [5], který je dostupný u zavedeného dodavatele. Jedná se o 16 bitový digitáln´ı signálový kontrolér s výkonem 40 MIPS.

Zaj´ımavý je zejména bohatou výbavou v oblasti periferi´ı, které jsou základn´ım poˇzadavkem na volbu mikrokontroléru a to konkrétnˇe:

• Rozhran´ı USB Device i OTG

• 4x rozhran´ı USART

• 2x rozhran´ı SPI

• 2x rozhran´ı I2C

• 2x rozhran´ı CAN

Mikrokontrolér je pouˇzit ve 100 pinovém pouzdˇre TQFP, nemˇel by tedy být problém pˇri jeho pájen´ı na DPS a zároveˇn nebude zab´ırat moc m´ısta.

Mikrokontrolér od firmy Microchip byl zvolen také z d˚uvodu volnˇe dostupného kvalitn´ıho vývojového prostˇred´ı MPLAB X a kompilátoru XC16, který má omezen´ı pouze v krokován´ı programu, nikoliv omezen´ı velikosti programu. K programován´ı byl pouˇzit programátor PICkit 3, který je kompatibiln´ı s vývojovým prostˇred´ım a je od stejného výrobce.

Zapojen´ı samotného mikrokontroléru bylo voleno dle datasheetu [5], ten do- poruˇcuje opatˇrit vˇsechny napájec´ı piny blokovac´ımi kondenzátory 100 nF a programovac´ı pin MCLR pull-up rezistorem. Jako oscilátor je pouˇzit krystal o frekvenci 4 MHz. Tato frekvence je pomoc´ı PLL vynásobena na pracovn´ı frekvenci mikrokon- troléru 160 MHz.

3.2 Digit´ aln´ı vstupy a v´ ystupy

Pro ovládán´ı ˇr´ıd´ıc´ıch jednotek slouˇz´ı digitáln´ı vstupy a výstupy. Jelikoˇz mikrokon- trolér dsPIC33EP256MU810 pracuje v 3,3V logice a poˇzadavkem je 5V logika, je

(20)

Pro zaznamenáván´ı rychlých dˇej˚u a pro generován´ı signálu pulznˇe ˇs´ıˇrkové modulace jsou vyuˇzity porty mikrokontroléru. Pro pˇrevod napˇet’ových úrovn´ı slouˇz´ı integrovaný obvod 74LVC8T254, porty jsou tedy napˇet’ovˇe oddˇeleny od mikrokont- roléru.

Ostatn´ı vstupnˇe-výstupn´ı porty jsou ˇreˇseny pomoc´ı dvou integrovaných obvod˚u PCF8575. Jedná se o rozˇsiˇruj´ıc´ı port komunikuj´ıc´ı s mikrokontrolérem po sbˇernici I2C, porty jsou tedy také oddˇeleny od mikrokontroléru.

3.3 Analogov´ e vstupy a v´ ystupy

Analogov´y vstup mˇeˇric´ı karty je ˇreˇsen pomoc´ı dvou integrovan´ych obvod˚u MCP3208.

Jedná se o 12 bitový analogovˇe-digitáln´ı pˇrevodn´ık s osmi vstupn´ımi kanály (celkem tedy 16 vstup˚u) a rychlost´ı vzorkován´ı 400 kS/s. Tyto obvody komunikuj´ı s mi- krokontrolérem po sbˇernici SPI. Dále jsou vˇsechny vstupy mˇeˇric´ı karty opatˇreny ochranou proti pˇrepˇet´ı na vstupu. Ta je ˇreˇsena pomoc´ı Schottkyho diody, která je pˇripojena na 5V vˇetev napájec´ıho napˇet´ı.

Analogový výstup mˇeˇric´ı karty je ˇreˇsen pomoc´ı dvou obvod˚u MCP4728. Jedná se o 12 bitový digitálnˇe-analogový pˇrevodn´ık se ˇctyˇrmi výstupn´ımi kanály (celkem 8 výstup˚u). Tyto obvody byly zvoleny z d˚uvodu komunikace po sbˇernici I2C a n´ızkého klidového odbˇeru proudu 10 µA.

3.4 Komunikaˇ cn´ı rozhran´ı USB

Sbˇernici USB je vyuˇzita zejména z d˚uvodu jej´ı dostupnosti na prakticky kaˇzdém poˇc´ıtaˇci. Tato sbˇernice je pouˇzita jako jediná sbˇernice pro komunikaci s poˇc´ıtaˇcem, je tedy zat´ıˇzena nejvˇetˇs´ım datovým tokem. Mikrokontrolér disponuje integrovanou sbˇernic´ı USB 2.0 a na konektor USB typu B (ten je pouˇzit d´ıky jeho odolné kon- strukci) je pˇripojen pˇres integrovaný obvod USB6B1, který slouˇz´ı jako pˇrepˇet’ová ochrana. Dále je obvod doplnˇen Schottkyho diodou, která slouˇz´ı k oddˇelen´ı napájec´ıho napˇet´ı od napˇet´ı USB sbˇernice.

Obr´azek 3.1: Schema zapojen´ı rozhran´ı USB

(21)

3.5 Komunikaˇ cn´ı rozhran´ı RS-485

D´ıky poˇzadavku na propojován´ı jednotlivých karet mezi sebou byla pouˇzita sbˇernice RS-485, ta je zvolena z d˚uvodu jednoduché implementace a moˇznosti pˇripojit aˇz 32 zaˇr´ızen´ı na ejdnu sbˇernici bez ztráty pˇrenosové rychlosti. Sbˇernice je realizována integrovaným obvodem ST3485. Ten slouˇz´ı jako transceiver pro tuto sbˇernici a byl zvolen zejména kv˚uli jeho dostupnosti.

Obr´azek 3.2: Schema zapojen´ı rozhran´ı RS-485

3.6 Komunikaˇ cn´ı rozhran´ı CAN

CAN sbˇernice je nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı sbˇernic´ı v automobilovém pr˚umyslu a komunikuj´ı po n´ı prakticky vˇsechny novˇejˇs´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky, je tedy prakticky nutnost´ı ji implementovat v mˇeˇric´ı kartˇe. Mikrokontrolér disponuje integrovanou sbˇernic´ı ECAN, která je kompatibiln´ı se sbˇernicemi CAN 2.0A a CAN 2.0B [5]. Signály CAN RX a CAN TX jsou pˇrevedeny pomoc´ı integrovaného obvodu PCA82C250T na signály CAN-H a CAN-L. Ten je vhodný pro automobilové aplikace a chránˇen proti ruˇsen´ı.

Velmi ˇcasto se také vyskytuje v ˇr´ıd´ıc´ıch jednotkách. Výstup integrovaného obvodu je vybaven odruˇsovac´ım filtrem a paralelnˇe pˇripojeným rezistorem o velikosti 120 Ω.

Ten slouˇz´ı jako termin´ator sbˇernice a zamezuje odraz˚um sign´alu.

(22)

Obr´azek 3.3: Schema zapojen´ı rozhran´ı CAN

3.7 Komunikaˇ cn´ı rozhran´ı K-LINE

Sbˇernice K-LINE se vyskytuje na ˇr´ıd´ıc´ıch jednotkách starˇs´ı výroby a v ˇr´ıd´ıc´ıch jed- notkách dneˇsn´ıch levnˇejˇs´ıch voz˚u. Náklady na jej´ı implementaci jsou niˇzˇs´ı z d˚uvodu snaˇzˇs´ı výroby, jelikoˇz funguje stejnˇe jako sbˇernice UART, ale pouˇz´ıvá jinou fyzickou vrstvu. Proto je tedy nutné implementovat tuto sbˇernici i na mˇeˇric´ı kartu. Komu- nikaci po sbˇernici K-LINE obsluhuje integrovaný obvod L9613. Jedná se o linkový vys´ılaˇc/pˇrij´ımaˇc vyuˇz´ıvaný pro komunikaci dle standardu ISO 9141. Pro komunikaci s mikrokontrolérem vyuˇz´ıvá sbˇernice UART.

Obr´azek 3.4: Schema zapojen´ı rozhran´ı K-LINE

3.8 Komunikaˇ cn´ı rozhran´ı I2C a SPI

Sbˇernice I2C je pouˇz´ıvána pˇreváˇznˇe pro komunikaci obvod˚u uvnitˇr ˇr´ıd´ıc´ı jednotky jako je napˇr´ıklad komunikace mezi mikrokontrolérem a pamˇet´ı EEPROM. Sbˇernice se tedy bude pouˇz´ıvat pro vyˇc´ıtán´ı obsahu pamˇet´ı v ˇr´ıd´ıc´ıch jednotkách, pˇr´ıpadnˇe simulaci pamˇeti v mˇeˇric´ı kartˇe a to pro potˇreby reverzn´ıho inˇzenýrstv´ı. Dále bude vyuˇz´ıvána v pˇr´ıpadˇe potˇreby pro komunikaci s dalˇs´ımi obvody uvnitˇr ˇr´ıd´ıc´ı jednotky.

(23)

Sbˇernice SPI bude pro stejnouf unkci u obvod˚u vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch sbˇernici SPI. Obˇe sbˇernice jsou vyvedeny z mikrokontrol´eru na konektor a jsou chr´anˇeny proti pˇrepˇet´ı pomoc´ı Schottkyho diod.

3.9 3 f´ azov´ y m˚ ustek pro ˇ r´ızen´ı elektromotor˚ u

Pro testován´ı stejnosmˇerných motor˚u s elektronickou komutac´ı (tzv. BLDC motor˚u) je vyuˇzito tˇrech budiˇc˚u IR2101. Ty byly zvolenyl z d˚uvodu jejich dobré dostupnosti a napájec´ımu napˇet´ı 10 aˇz 20 V. Tyto budiˇce jsou ˇr´ızeny pomoc´ı stavových signál˚u nebo pomoc´ı PWM signálu. Na konektor jsou vyvedeny signály pro buzen´ı výkonových tranzistor˚u na pˇrizp˚usobovac´ı elektronice a zároveˇn jsou na konektoru vyvedeny piny pro pˇriveden´ı bud´ıc´ıho napˇet´ı z testovaného obvodu.

Obrázek 3.5: Schema zapojen´ı rozhran´ı 3 fázového m˚ustku

(24)

Obr´azek 3.6: Blokov´e schema zapojen´ı sp´ınac´ıch tranzistor˚u

3.10 Obvod mˇ eˇ ren´ı proudu

Mˇeˇren´ı proudu aˇz 100 A je nutné z toho d˚uvodu, ˇze pˇri zátˇeˇzovém testu m˚uˇze být spotˇreba posilovaˇce ˇr´ızen´ı kolem 90 A. Pro mˇeˇren´ı proudu bylo tedy zvoleno Hallovo ˇcidlo ACS756SCA100BPF s analogovým výstupem. To je schopné mˇeˇrit proud aˇz 100 A s rozliˇsen´ım 20 mV/A pˇri napájec´ım napˇet´ı 5 V. ˇCidlo bylo zvoleno z toho d˚uvodu, ˇze vyuˇz´ıvá Hallova efektu pro mˇeˇren´ı proudu a disponuje analogovým výstupem. Nen´ı tedy nutné vyuˇz´ıvat k mˇeˇren´ı proudu boˇcn´ık a k nˇemu pˇripojený napˇr´ıklad rozd´ılový zesilovaˇc vyuˇz´ıvaj´ıc´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce.

3.11 Nap´ ajec´ı obvod

Jako hlavn´ı zdroj napˇet´ı pro mˇeˇric´ı kartu je pouˇzit step-down mˇeniˇc LM2575S, ten je moˇzné napájet vstupn´ım napˇet´ı 20 V. Výstupn´ı napˇet´ı regulátoru je 5 V a slouˇz´ı k napájen´ı vˇetˇsiny integrovaných obvod˚u s napájec´ım napˇet´ım 5 V. Dalˇs´ım zdrojem napˇet´ı je step-down mˇeniˇc APE1117H-33, ten je napájen z výstupu jiˇz zm´ınˇeného regulátoru a slouˇz´ı k napájen´ı obvod˚u pˇripojených na vˇetev 3,3 V.

V napájec´ım obvodu se dále nacház´ı druhý napˇet’ový regulátor APE1117H-33, který slouˇz´ı jako zdroj referenˇcn´ıho napˇet´ı pro analogovˇe-digitáln´ı pˇrevodn´ıky.

Pro napájen´ı budiˇc˚u 3 fázového m˚ustku je pouˇzit step-down mˇeniˇc LM2575S jehoˇz výstupn´ım napˇet´ım je 12 V.

(25)

Obr´azek 3.7: Schema zapojen´ı zdroje napˇet´ı pro mˇeˇric´ı

3.12 Celkov´ a koncepce

Mikrokontrol´er obsluhuje sbˇer dat a komunikaci a to jak mezi poˇc´ıtaˇcem a mˇeˇric´ı kartou, tak i mezi obvody vyuˇz´ıvaj´ıc´ı intern´ı komunikaˇcn´ı sbˇernice I2C a SPI a extern´ı sbˇernice CAN a K-LINE.

Obrázek 3.8: Blokové schéma zapojen´ı mˇeˇric´ı karty

3.13 Dalˇ s´ı moˇ znosti ˇ reˇ sen´ı

Dalˇs´ı moˇznost´ı ˇreˇsen´ı mˇeˇric´ı karty je vyuˇzit´ı modulu CORE9G25 [14] m´ısto mikro-

(26)

CoreWind, který vyuˇz´ıvá operaˇcn´ıho systému Linux.

Obr´azek 3.9: Modul CORE9G25

Tento modul je vybaven mikroprocesorem AT91SAM9G25 s jádrem ARM9 od výrobce Atmel. Dále disponuje operaˇcn´ı pamˇet´ı o velikosti 128 MB a 256 MB flash pamˇet´ı. Komunikovat je schopný po tˇrech sbˇernic´ıch USB, ˇsesti sériových sbˇernic´ıch UART, dvou sbˇernic´ıch SPI a dvou sbˇernic´ıch I2C. Dále disponuje LAN modulem, 60 GPIO piny a ˇctyˇrmi analogovými vstupy.

Celý modul pracuje na napájec´ı napˇet´ı 3,3 V a je um´ıstˇen na ˇsestivrstvé DPS v rozmˇeru 40 x 40 mm. Modul je vyroben tak, aby jej bylo moˇzné pouˇz´ıt jako souˇcástku SMD.

Celkový návrh mˇeˇric´ı karty je obdobný návrhu se samostatným mikrokont- rolérem. Pouze pro v´ıce PWM port˚u a rychlý digitáln´ı vstup je pouˇzit mikrokontrolér PIC16F1784 od výrobce Microchip.

Obrázek 3.10: Blokové schéma zapojen´ı mˇeˇric´ı karty s modulem CORE9G25

(27)

4 Realizace

4.1 Volba souˇ c´ astek

Pˇreváˇznou vˇetˇsina souˇcástek byla volena v proveden´ı SMD z d˚uvodu menˇs´ı velikosti souˇcástek a jednoduˇsˇs´ıho osazen´ı ploˇsného spoje. Nˇekteré obvody se v proveden´ı THT ani nevyráb´ı, tud´ıˇz nen´ı jiné volby. Pˇri volbˇe souˇcástek bylo pˇrihlédnuto také na jejich dostupnost u zavedených dodavatel˚u TRW Frýdlant. To bylo nutné z d˚uvodu

´

uspory ˇcasu.

Zaveden´ı nového dodavatele je doprovázeno zdlouhavým procesem schvalován´ı na nˇekolika m´ıstech. Spoleˇcnost se snaˇz´ı redukovat poˇcet dodavatel˚u, nemusel by proto být poˇzadovaný dodavatel schválen. I celý proces nákupu je doprovázen procesem schvalován´ı a to jak celého projektu, tak i jednotlivých d´ılˇc´ıch nákup˚u. Je tedy lepˇs´ı vyhnout se nákupu poloˇzek, které nejsou skladem.

4.2 N´ avrh DPS

Pro návrh desky ploˇsných spoj˚u bylo vyuˇzito softwaru Eagle 6.5, ke kterému firma TRW Frýdlant vlastn´ı komerˇcn´ı licenci. Souˇcástky jsou rozm´ıstˇeny na dvouvrstvém ploˇsném spoji o rozmˇeru 160+x 100 mm. Na DPS je také um´ıstˇeno vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı testovac´ıch ploch tak, aby bylo moˇzné pˇri oˇzivován´ı jednotlivých obvod˚u a sbˇernic pˇripojit mˇeˇric´ı vodiˇce. V návrhu je také vyuˇzito rozlité mˇedi jako zemˇe z d˚uvodu sn´ıˇzen´ı zemn´ı impedance a lepˇs´ıho odvodu tepla.

Pˇri návrhu DPS zejména v okol´ı mikrokontroléru je dodrˇzeno doporuˇcen´ı uvádˇené v datasheetu a blokovac´ı kondenzátory jsou um´ıstˇeny co nejbl´ıˇze mikrokontroléru.

Pro sn´ıˇzen´ı náklad˚u na výrobu a zjednoduˇsen´ı výroby DPS (piny integrovaného obvodu nemaj´ı kulatý tvar, bylo by nutné vyfrézovat nestandardn´ı pájec´ı plochy), bylo upuˇstˇeno od myˇslenky um´ıstit obvod pro mˇeˇren´ı proudu na mˇeˇric´ı kartu. Ten nen´ı nutné pouˇz´ıt vˇzdy, proto bude um´ıstˇen v pˇr´ıpadˇe potˇreby na pˇrizp˚usobovac´ım obvodu.

(28)

Obr´azek 4.1: Motiv DPS ze strany souˇc´astek

Obrázek 4.2: Osazovac´ı plán DPS ze strany souˇcástek

(29)

Obr´azek 4.3: Motiv DPS ze strany spoj˚u

Obr´azek 4.4: Osazovac´ı pl´an DPS ze strany spoj˚u

(30)

4.3 V´ yroba DPS

Výrobu DPS byla zadána specializované firmˇe, a to konkrétnˇe firmˇe PragoBoard s.r.o., u které byly vyrobeny 2 prototypové desky. V pˇr´ıpadˇe znehodnocen´ı jedné DPS je tedy moˇzné pokraˇcovat na druhé a neztrácet t´ım cenný ˇcas. Obˇe DPS na sobˇe nesou nepájivou masku a jsou v povrchové úpravˇe HAL. Na vrchn´ı stranˇe DPS jsou natisknuty popisky v podobˇe osazovac´ıho plánu.

Obrázek 4.5: Na zakázku vyrobená DPS

4.4 Osazen´ı

Osazován´ı DPS souˇcástkami bylo provedeno pomoc´ı pájec´ı pasty. DPS byla po um´ıstˇen´ı do pˇredehˇrevu zapájena horkým vzduchem. Po prozkoumán´ı pájeného spoje pod mikroskopem bylo zjiˇstˇeno, ˇze se napˇr´ıklad mezi piny mikrokontroléru stále nacház´ı kuliˇcky nepˇretavené pájec´ı pasty. Ty by mohli být rizikem a pozdˇeji mikro- kontrolér vyzkratovat. Proto byla osazena i druhá DPS a to klasickým zp˚usobem.

Souˇcástky s v´ıce vývody byly nejdˇr´ıve zapájeny tak, ˇze se c´ın slil pˇres vˇsechny vývody a následnˇe byl odsán pomoc´ı mˇedˇené licny, která c´ın natáhla do sebe.

(31)

Obrázek 4.6: Mikrokontrolér pájený pájec´ı pastou

Obrázek 4.7: Mikrokontrolér pájený ruˇcnˇe

(32)

4.5 Oˇ ziven´ı

Pˇri oˇzivován´ı bylo postupováno od zdroje napájen´ı. Nejdˇr´ıve byl osazen 5V zdroj a ovˇeˇrena jeho funkˇcnost. Po ovˇeˇren´ı, ˇze je funkˇcn´ı byly zapojeny zbylé zdroje, kromˇe zdroje pro 3 fázový m˚ustek pro ovládán´ı motor˚u. Dále byl osazen mikrokontrolér a vˇsechny nutné souˇcástky pro jeho funkˇcnost. Po oˇziven´ı a ovˇeˇren´ı komunikace pˇres ICSP konektor byl zapojen také USB port tak, aby bylo moˇzné splnit hlavn´ı c´ıl práce - komunikovat s poˇc´ıtaˇcem.

Obrázek 4.8: Oˇzivené minimáln´ı zapojen´ı pro komunikaci

Pˇri oˇzivován´ı se vyskytlo nˇekolik chyb v návrhu ploˇsného spoje a také v návrhu celé karty.

Prvn´ı zásadn´ı chybou v návrhu byl chybˇej´ıc´ı napájec´ı konektor, pˇr´ıvod napájec´ıho napˇet´ı byl tedy vyˇreˇsen napájen´ım dvou vodiˇc˚u pˇr´ımo na ploˇsný spoj.

Dalˇs´ı problém se objevil pˇri snaze spojit se s mikrokontrolérem pomoc´ı pro- gramátoru PicKit 3 pˇres programovac´ı rozhran´ı ICSP. Vývojové prostˇred´ı vypiso- valo chybu Target Device ID (0x0) does not matchexpected Device ID (0x18620000).

Po prostudován´ı podpory na stránkách výrobce bylo zjiˇstˇeno, ˇze chybu zp˚usobuje ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚u ˇspatnˇe zapojený mikrokontrolér. Po prozkoumán´ı byl zjiˇstˇen problém ve ˇspatném zapojen´ı programovac´ıch vývod˚u PGC a PGD. Po pˇrepojen´ı problém pˇretrvával. Po dalˇs´ım zkoumán´ı zapojen´ı bylo zjiˇstˇeno, ˇze problém zp˚usobuje pˇrehlédnut´ı nezapojeného napájec´ıho napˇet´ı pro USB. Po jeho zapojen´ı uˇz ˇslo mik- rokontrolér bez problému naprogramovat. Spolu s napájec´ım napˇet´ım byl pˇrehlédnut také vstup napájen´ı z USB portu, ten slouˇz´ı k detekci pˇripojen´ı k poˇc´ıtaˇci, tud´ıˇz by bez nˇej zaˇr´ızen´ı nebylo schopné komunikovat.

Dalˇs´ı probl´em se objevil po pˇripojen´ı mˇeˇric´ı karty k poˇc´ıtaˇci pˇres rozhran´ı USB.

Zaˇr´ızen´ı se ohlásilo jako neznámé zaˇr´ızen´ı. Tento problém mohl m´ıt mnoho pˇr´ıˇcin.

(33)

Po postupném testován´ı vˇsech moˇzných pˇr´ıˇcin bylo zjiˇstˇeno, ˇze jsou v návrhu proho- zeny datové vodiˇce sbˇernice. Po pˇrepájen´ı jiˇz zaˇr´ızen´ı bez problému komunikovalo.

Dále bylo také zjiˇstˇeno, ˇze napájec´ı obvod pro 3 fázový m˚ustek je zbyteˇcný. V datasheetu integrovaného obvodu IR2101 je uvedeno, ˇze vydrˇz´ı maximáln´ı napájec´ı napˇet´ı 20 V. Jelikoˇz je mˇeˇric´ı karta napájena napˇet´ım 13,5 V, nen´ı potˇreba step- down mˇeniˇce na 12 V.

4.6 Pouˇ zit´ e pˇ r´ıstroje

Pˇri osazován´ı DPS, oˇzivován´ı obvod˚u a programován´ı komunikace bylo vyuˇzito vybaven´ı v laboratoˇri mechatroniky v TRW Frýdlant a to konkrétnˇe mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚u a pájec´ı techniky.

Pˇri osazován´ı bylo vyuˇzito infraˇcerveného pˇredehˇrevu Puhui t-8280, horkovzduˇsné pájec´ı stanice HAKKO FR-803B a pájec´ı stanice HAKKO FM-206

Pro optickou kontrolu zapájen´ı souˇcástek bylo vyuˇzito elektronického mikroskopu Keyence VHX-700F a objektivem s 50 násobným zvˇetˇsen´ım.

Pro bˇeˇzná mˇeˇren´ı byl vyuˇzit multimetr Tektronix VC-1008 a pro nastaven´ı frekvence mikrokontroléru a pro ladˇen´ı komunikace byl vyuˇzit osciloskop Teledyne Lecroy HDO6034 a pro programován´ı mikrokontroléru programátor PicKit 3.

(34)

5 N´ avrh softwaru karty

Karta funguje jako komplexn´ı mˇeˇric´ı zaˇr´ızen´ı, kter´e nem´a vlastn´ı rozhodovac´ı logiku.

To znamená, ˇze pouze vykonává funkce, které dostane ve formˇe pˇr´ıkazu z poˇc´ıtaˇce.

Karta je k poˇc´ıtaˇci pˇripojena pomoc´ı sbˇernice USB a komunikuje se softwarem FDT CN, ten slouˇz´ı jako komunikaˇcn´ı uzel a pˇrevád´ı komunikaci z virtuáln´ıch CAN sbˇernic softwaru CANape a softwaru vyv´ıjeného v TRW Frýdlant (FDT) na sbˇernici USB mˇeˇric´ı karty.

Obr´azek 5.1: Blokov´e schema propojen´ı mˇeˇric´ı karty s poˇc´ıtaˇcem

(35)

Obr´azek 5.2: V´yˇcet parametr˚u z ˇr´ıd´ıc´ı jednotky pomoc´ı softwaru CANape

5.1 Komunikace

USB sbˇernice koncovým uˇzivatel˚um velmi zjednoduˇsila pˇripojován´ı periferi´ı k poˇc´ıtaˇci a eliminovala velké mnoˇzstv´ı r˚uzných typ˚u sbˇernic. Bohuˇzel touto eliminac´ı také proˇsla sbˇernice RS-232, která se velmi snadno implementuje do programu a pro svou jednoduchost funguje na poˇc´ıtaˇci i bez ovladaˇc˚u.

Z toho d˚uvodu je v mikrokontroléru implementována knihovna komuniakˇcn´ıho protokolu USB CDC[6]. Ta umoˇzˇnuje vyuˇzit´ı sbˇernice USB jako virtuáln´ıho sériového portu a usnadnit tak programován´ı softwaru v poˇc´ıtaˇci.

Tento protokol byl implementován pomoc´ı úpravy USB CDC knihovny dostupné pro jinou ˇradu mikrokontrolér˚u Microchip. Knihovna ˇreˇs´ı implementaci vˇsech vrstev komunikaˇcn´ıho protokolu USB, nen´ı tedy nutné znát dopodrobna jeho princip. Po pˇripojen´ı mˇeˇric´ı karty poˇc´ıtaˇc automaticky pouˇzije ovladaˇc pro virtuáln´ı sériový port a zaˇr´ızen´ı se objev´ı jako nový COM port.

(36)

5.2 Komunikaˇ cn´ı protokol

Pro ovládán´ı karty bylo nutné definovat komunikaˇcn´ı protokol, ten obsahuje sadu identifikátor˚u a pˇr´ıkaz˚u, které um´ı karta zpracovat. Komunikaˇcn´ı protokol je zvolen ve formˇe ASCII kódu, to umoˇzˇnuje i manuáln´ı obsluhu karty, a zároveˇn zjednoduˇsuje ladˇen´ı programu.

Pro komunikaci byla stanovena sada instrukc´ı, kter´e maj´ı pˇresnˇe definovan´y tvar.

Kaˇzdá zpráva je sloˇzena z urˇcité kombinace parametr˚u. Ty popisuje tabulka v pˇr´ıloze A.

Komunikace s kartou prob´ıhá tak, ˇze pˇr´ıjmu zprávy z poˇc´ıtaˇce karta rozdˇel´ı zprávu dle oddˇelovaˇce na jednotlivé parametry. Nejprve testuje, jestli je zpráva urˇcena pro konkrétn´ı kartu, pokud ne, zprávu pˇrepoˇsle na kartu pˇripojenou paralelnˇe s poˇzadovaným identifikátorem. Pokud taková karta neexistuje, zpráva je zahozena a karta odeˇsle zprávu o chybˇe. Pokud se shoduje identifikátor karty i identifikátor ve zprávˇe, karta pokraˇcuje dále ve zpracován´ı instrukc´ı a parametr˚u.

Obrázek 5.3: Blokové schéma komunikace

(37)

5.3 Test komunikace

Pro základn´ı otestován´ı komunikace bylo pouˇzito zapojen´ı na obrázku 5.4. Data byla vys´ılána pomoc´ı softwaru FDT pˇripojeného pomoc´ı virtuáln´ı CAN sbˇernice k zaˇr´ızen´ı CANcaseXL, které bylo pˇripojeno na fyzikcou sbˇernici. Na tu byla také pˇripojena mˇeˇric´ı karta ECUTR, která komunikuje pˇres komunikaˇcn´ı uzel softwaru FDT se softwarem CANape.

Obrázek 5.4: Blokové schéma komunikace

Pro otestován´ı pˇrenosu zpráv byly v softwaru FDT nastaveny testovac´ı CAN zprávy. V softwaru CANape byly zobrazeny v logovac´ım oknˇe.

Obrázek 5.5: Seznam odes´ılaných zpráv

(38)

Obrázek 5.6: Log pˇrijatých zpráv

(39)

Z´ avˇ er

C´ılem práce bylo navrhnout mˇeˇric´ı kartu a vyrobit jej´ı prototyp s vyuˇzit´ım poznatk˚u z provozu karty spoleˇcnosti National Instruments a prototypu navrˇzeném v rámci bakaláˇrského projektu. Následnˇe navrhnout spolehlivˇejˇs´ı ˇreˇsen´ı. Tento c´ıl byl splnˇen a byl vytvoˇren prototyp mˇeˇric´ı karty umoˇzˇnuj´ıc´ı komunikaci se softwarem CANape.

Návrh mˇeˇric´ı karty splˇnuje poˇzadavky spoleˇcnosti TRW Frýdlant, témˇeˇr ve vˇsech ohledech. Je tedy moˇzné implementovat zbývaj´ıc´ı rozhran´ı karty. Zmˇenou oproti p˚uvodn´ım poˇzadavk˚um bylo pouze odstranˇen´ı dvou obvod˚u pro mˇeˇren´ı proudu do 100 A. Tato zmˇena byla provedena z d˚uvodu úspory náklad˚u na funkci, která nen´ı vˇzdy vyuˇzita a zjednoduˇsen´ı výroby DPS.

Pˇri oˇzivován´ı prototypu bylo odhaleno nˇekolik v´ıce, ˇci ménˇe závaˇzných chyb.

Ty se podaˇrilo provizornˇe odstranit a umoˇznit tak programován´ı mikrokontroléru a následnˇe komunikaci s kartou po sbˇernici USB.

Prototyp, který je výsledkem této práce, je moˇzné dále rozv´ıjet napˇr´ıklad v rámci diplomové práce

(40)

Literatura

[1] PLÍVA, Z., J. DR ÁBKOV Á, J. KOPRNICK Ý a L. PETRˇZÍLKA. Metodika zpracován´ı bakaláˇrských a diplomových prac´ı. 2. upravené vydán´ı. Liberec: Tec- nická univerzita v Liberc, FM, 2014. ISBN 978-80-7494-049-1.

[2] L ÁNÍˇCEK, R. Elektronika - obvody, souˇcástky, dˇeje. 1. vydán´ı. BEN-Technická literatura, 2002. ISBN 80-86056-25-2.

[3] ˇSANDERA, J. Návrh ploˇsných spoj˚u pro povrchovou montáˇz - SMT a SMD. 1.

vyd´an´ı. BEN-Technick´a literatura, 2006. ISBN 80-7300-181-0.

[4] KADLEC, V. Uˇc´ıme se programovat v jazyce C. 1. vyd´an´ı. Computer press, 2002. ISBN 80-7226-715-9.

[5] dsPIC33EP256MU810. 2009. Microchip Technology Inc. [online] Dostupn´e z:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70616g.pdf

[6] AN1164. 2008. Microchip Technology Inc. [online] Dostupn´e z:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01164a.pdf

[7] CAN bus. 2015. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA):

Wikimedia Foundation. Dostupn´e z: http://en.wikipedia.org/wiki/CAN bus [8] Serial Peripheral Interface Bus. 2015. Wikipedia: the free encyclope-

dia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation. Dostupn´e z:

http://en.wikipedia.org/wiki/Serial Peripheral Interface Bus

[9] I2C. 2015. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wiki- media Foundation. Dostupn´e z: http://en.wikipedia.org/wiki/I2C

[10] MAYER, J. 2014 Poˇzadavky na ECU Test Rig v1.3.x. Fr´ydlant.

[11] CanCaseXL manual. 2013. Vector [online]. Dostupn´e z:

http://www.vector.com/portal/medien/cmc/manuals/CANcaseXL Manual EN.pdf [12] NI USB-6212. 2015. National Instruments: Test, Mea-

surement, and Embedded systems [online]. Dostupn´e z:

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/207096

[13] Arduino Mega2560. 2015. Arduino [online]. Dostupn´e z:

http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560

(41)

[14] Low cost Linux Embedded SMD module: CORE 9G25. 2015. Co- reWind Tech: Industrial Board Provider [online]. Dostupn´e z:

http://armdevs.com/core9g25.html

(42)

Seznam obr´ azk˚ u

1.1 Mˇeˇr´ıc´ı karta National Instruments . . . 11

1.2 Pˇrizp˚usobovac´ı obvod um´ıstˇen´y na testovac´ı stolici . . . 12

1.3 Software vyv´ıjen´y v TRW Fr´ydlant (FDT) . . . 13

1.4 Mˇeˇric´ı syst´em vyuˇz´ıvaj´ıc´ı Arduino Mega2560 . . . 14

1.5 CANcaseXL od spoleˇcnosti National Instruments . . . 15

3.1 Schema zapojen´ı rozhran´ı USB . . . 19

3.2 Schema zapojen´ı rozhran´ı RS-485 . . . 20

3.3 Schema zapojen´ı rozhran´ı CAN . . . 21

3.4 Schema zapojen´ı rozhran´ı K-LINE . . . 21

3.5 Schema zapojen´ı rozhran´ı 3 f´azov´eho m˚ustku . . . 22

3.6 Blokov´e schema zapojen´ı sp´ınac´ıch tranzistor˚u . . . 23

3.7 Schema zapojen´ı zdroje napˇet´ı pro mˇeˇric´ı . . . 24

3.8 Blokov´e sch´ema zapojen´ı mˇeˇric´ı karty . . . 24

3.9 Modul CORE9G25 . . . 25

3.10 Blokov´e sch´ema zapojen´ı mˇeˇric´ı karty s modulem CORE9G25 . . . . 25

4.1 Motiv DPS ze strany souˇc´astek . . . 27

4.2 Osazovac´ı pl´an DPS ze strany souˇc´astek . . . 27

4.3 Motiv DPS ze strany spoj˚u . . . 28

4.4 Osazovac´ı pl´an DPS ze strany spoj˚u . . . 28

4.5 Na zak´azku vyroben´a DPS . . . 29

4.6 Mikrokontrolér pájený pájec´ı pastou . . . 30

4.7 Mikrokontrolér pájený ruˇcnˇe . . . 30

4.8 Oˇziven´e minim´aln´ı zapojen´ı pro komunikaci . . . 31

5.1 Blokov´e schema propojen´ı mˇeˇric´ı karty s poˇc´ıtaˇcem . . . 33

5.2 V´yˇcet parametr˚u z ˇr´ıd´ıc´ı jednotky pomoc´ı softwaru CANape . . . 34

5.3 Blokov´e sch´ema komunikace . . . 35

5.4 Blokov´e sch´ema komunikace . . . 36

5.5 Seznam odes´ılan´ych zpr´av . . . 36

5.6 Log pˇrijat´ych zpr´av . . . 37

(43)

A Popis komunikaˇ cn´ıho protokolu

(44)

B Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

• text bakaláˇrské práce

– bakalarska prace 2015 Michal Hudec.pdf – bakalarska prace 2015 Michal Hudec.tex

• fotografie

– fotografie pouˇzitˇe v pr´aci – fotografie pouˇzit´ych pˇr´ıstroj˚u

• zdrojový kód programu pro mikrokontrolér

• katalogov´e listy pouˇzit´ych obvod˚u