EXAMENS ARBETE
Elektronikingenjör 180hp och Mekatronikingenjör 180hp
Bluetooth-styrning av skytteställ
Erik Halvarsson och Marcus Norrman
Examensarbete 15hp
Halmstad 2016-02-02
Dokumenthistorik
Revision Datum Beskrivning
0.1 2015-10-08 F¨orsta utkast. F¨orberedd inf¨or halvtidspresentation.
0.2 2015-10-12 Godk¨and som halvtidsrapport av handledare.
0.3 2015-11-13 Justerad efter kommentarer fr˚an examinator.
0.4 2015-11-29 Utf¨orande, Resultat och Diskussion tillagt.
1.0 2015-12-10 Godk¨and som slutrapport av handledare.
1.1 2016-01-17 Redigerad utifr˚an kommentarer fr˚an examinator och handledare.
Inneh˚ all
1 Introduktion 1
1.1 Bakgrund . . . 1
1.2 Syfte och m˚al . . . 1
1.3 Fr˚agest¨allningar . . . 2
1.4 Krav . . . 3
1.5 Avgr¨ansningar . . . 3
2 Bakgrund 5 2.1 Beskrivning av kunskapsl¨aget . . . 5
2.2 Liknande projekt och existerande l¨osningar . . . 5
3 Teori 11 3.1 Vridl¨osningar . . . 11
3.2 Transmissioner . . . 13
3.3 Bluetooth . . . 14
3.4 Mikrocontroller . . . 16
3.5 Sp¨anningsreglering . . . 17
3.6 Slutsats . . . 19
4 Metodbeskrivning 21 4.1 LIPS . . . 21
4.2 Testning . . . 22
4.3 CAD/Kretskortsdesign . . . 23
4.4 Finansiering . . . 23
5 Komponentval 25 5.1 Beskrivning av systemet . . . 25
5.2 Bluetooth-modul . . . 26
5.3 Mikrocontroller . . . 27
5.4 Sp¨anningsreglering . . . 29
5.5 St¨alldon . . . 29
5.6 Kraft¨overf¨oring . . . 31
Inneh˚all Inneh˚all
6 Utf¨orande 33
6.1 Elektronikkonstruktion . . . 33
6.2 Mjukvarudesign . . . 36
6.3 Vridst¨all . . . 39
7 Resultat 43 7.1 System¨oversikt . . . 43
7.2 Vridning . . . 44
7.3 Sp¨anningskvalitet . . . 45
7.4 R¨ackvidd . . . 46
7.5 Matning . . . 46
8 Diskussion 47 8.1 Mjukvara . . . 47
8.2 Monteringsmetod vridst¨all . . . 47
8.3 Vridst¨allets egenskaper . . . 48
8.4 Vridning . . . 48
8.5 R¨ackvidd . . . 48
8.6 Mottagarenheten . . . 49
9 Slutsats 53
A Testspecifikation 61
B Kravspecifikation 71
C Kretskortlayout 83
D Kretsschema 89
E Bill of material (PCB) 95
F Ritningar vridst¨all 97
G K¨allkod 113
F¨orord
Genomf¨orandet av detta projekt, som har bedrivits som ett examensarbete vid H¨ogskolan i Halmstad, har l¨art oss s˚a otroligt mycket om att jobba i projektform. Det har bedrivits inom ingenj¨orsprogrammen med inriktning mot elektronik och mekatronik och under tiden som det str¨ackt sig ¨over, har vi l¨art oss mycket inom b˚ade teknik och om ingenj¨orsskap.
Urban Bilstrup har handlett oss p˚a v¨agen och det vill vi s˚aklart tacka honom f¨or.
Systemet som har utvecklats har gjort s˚a f¨or AES Nordic AB, Halmstad.
Vi ¨ar mycket tacksamma, inte bara f¨or denna chans som de givit oss att jobba tillsammans med dem, utan ocks˚a f¨or f¨ortroendet som de har visat f¨or oss fr˚an start till m˚al. Johan Karlsson, AES Nordic, har varit v˚ar kontaktperson samt best¨allare och vi vill tacka honom f¨or det brinnande engagemang han visat. Vi riktar dessutom ett stort tack till Andreas Wickstr¨om, AES Nordic.
Vidare vill vi tacka v˚ara examinatorer Bj¨orn ˚Astrand och Per-Erik Andre- asson.
Erik Halvarsson Marcus Norrman
Halmstad, 2 februari 2016.
Sammanfattning
M˚anga skytteklubbar idag har n˚agon typ av ¨aldre styrsystem till deras m˚altavelst¨all. Dessa kan vara b˚ade sv˚ara att programmera och att man¨ovrera.
D¨arf¨or utvecklas i detta projekt ett nytt system f¨or att styra dessa st¨all, tillsammans med en vridst¨allsprototyp f¨or luftpistolsskytte.
Syftet ¨ar att fler medlemmar hos skytteklubbarna enkelt ska kunna pro- grammera systemet och kunna ta rollen som skytteledare.
Systemet best˚ar av en mottagarenhet, utrustad med en Bluetooth Low Energy-modul som uppr¨attar tr˚adl¨os anslutning till en handh˚allen enhet. P˚a vridst¨allet monteras ett kulf˚ang som elektriskt kan vridas 90 grader.
Konstruktion av b˚ade mottagarenhet och vridst¨allsprototyp genomf¨ors.
Bland annat unders¨oks ett antal vridl¨osningar och Bluetooth-moduler.
Resultatet ¨ar ett system som tar emot en programsekvens fr˚an en handh˚allen enhet och kan styra vridst¨allsprototypen utifr˚an programsekvensen.
Abstract
Today many shooting ranges uses outdated systems for controlling their shooting targets. These systems may be inconvenient to both use and to program. During this project a new system for controlling shooting targets is developed, togheter with a rotation target prototype for air pistol shooting.
The project aims to allow more members to easily learn how to use and to program their system. A system that is easy to use will also free more time for a shooting leader to superintend the shooters.
The core part of the system is its reciver, which is epuipped with a Bluetooth Low Energy module to establish a connection with a remote handheld device.
Both the reciever and rotation target prototype is developed. Different strategies for meeting the specified requirements are evaluated.
The result is a system that recievs a program sequence from a handheld unit and controls the rotation target prototype as specified by the user.
Kapitel 1
Introduktion
1.1 Bakgrund
Snabbskytte ¨ar en gren inom hobbyskytte d¨ar en skytt skjuter mot tavlor som vrids fram och i detta tillf¨alle ska denne sikta och skjuta innan tavlan
˚ater v¨ands bort.
Den elektronik som anv¨ands p˚a m˚anga skjutbanor idag f¨or att styra tavlorna ¨ar f¨or˚aldrad och sv˚ar att programmera sekvenser p˚a. Dessa system kr¨aver mycket uppm¨arksamhet av en skytteledare vid skjutningar. Detta
¨ar tid som ist¨allet b¨or anv¨andas till att ¨overvaka skyttarna s˚a att de f¨oljer reglerna och att s¨akerheten uppr¨atth˚alls.
Det finns banor f¨or b˚ade inom- och utomhusbruk. Utomhus ¨ar de st¨orre och de vrids oftast i stora sektioner om ca tio tavlor. Vridningen sker h¨ar med hj¨alp av tryckluft och detta medf¨or en snabb vridning. Snabba vridningar
¨ar viktigt i b˚ada typerna av tavlor. Inomhus skjuts med luftpistoler och p˚a kortare avst˚and. Tavlorna som anv¨ands inomhus vrids inte i sektioner, utan ist¨allet var f¨or sig. P˚a m˚anga banor ¨ar vridst¨allen gamla och de g˚ar heller inte att programmera samt att de varit kostsamma i ink¨op.
Det finns d¨arf¨or ett behov av att ta fram ett inbyggt system som kan sk¨ota styrningen av b˚ada typerna av tavelsystem. Dessutom finns behov att ta fram ett nytt vridst¨all som kan ers¨atta de gamla st¨allen som anv¨ands inomhus.
1.2 Syfte och m˚ al
Genom att anv¨anda systemet som utvecklats ska en skytteledare ges mera tid till att koncentrera sig p˚a skyttet och s¨akerheten kring det. Det ska ocks˚a ge en person som tidigare inte varit skytteledare en god m¨ojlighet att snabbt kunna ta rollen som ledare, utan att beh¨ova begr¨ansas av skyttesystemet.
Fler sm˚a klubbar ska ges m¨ojligheten att kunna k¨opa ett v¨al fungerande
1.3. Fr˚agest¨allningar Kapitel 1. Introduktion
skyttesystem utan att begr¨ansas av deras ofta l˚aga budget.
Ett system best˚ar av en mottagarenhet och en mobil handh˚allen enhet.
Den handh˚allna mobila enheten kan vara tillexempel en smartphone eller en surfplatta. Vid ett tr¨aningstillf¨alle f¨or skytte ska skytteledaren ges m¨ojlighet att skapa en sekvens p˚a den mobila enheten f¨or hur vridst¨allen ska uppf¨ora sig. Denna sekvens ¨overf¨ors sedan till mottagarenheten. Skytteledaren ska sedan kunna anv¨anda den mobila enheten f¨or att starta sekvensen.
Endast mottagarenheten konstrueras i projektet. Den ska best˚a av ett inbyggt system som utrustas med en Bluetooth-mottagare. Den ska ha en utg˚ang f¨or att styra vridst¨allen och dessutom en ing˚ang f¨or att kunna anv¨anda en tr˚adbunden startknapp som alternativ till den mobila enheten. Sekvensen ska ¨overf¨oras via Bluetooth till enheten. Detta ska d¨arf¨or g¨ora det m¨ojligt att ¨aven vid d˚aliga radiof¨orh˚allanden kunna ¨overf¨ora sekvensen och sedan anv¨anda den tr˚adbundna knappen.
Mottagaren ska konstrueras f¨or utomhusbruk och m˚aste s˚aledes kapslas s˚a att den klarar s¨arskilda omst¨andigheter vad g¨aller t¨athet f¨or b˚ade damm och v¨ata. Omgivningstemperaturen m˚aste ocks˚a tas h¨ansyn till.
Vridst¨allet som ska utvecklas ska bli betydligt billigare ¨an de nuvarande, utan att de krav som st¨alls p˚a en vridningsr¨orelse p˚averkas negativt. St¨allet ska ocks˚a fungera tillsammans med den mottagarenhet som ska utvecklas.
1.3 Fr˚ agest¨ allningar
• ¨Ar det att f¨oredra att bygga ett helt inbyggt system fr˚an grunden eller att anv¨anda en befintlig plattform?
Den f¨orv¨antade produktionen av systemet ¨ar endast sm˚askalig. D¨arf¨or
¨ar denna fr˚aga viktig att diskutera.
• Hur uppn˚as radior¨ackvidden?
R¨ackvidden ¨ar en viktig faktor i valet av Bluetooth-modul.
• Vilka egenskaper ¨ar viktiga hos ett vridst¨all?
Det som en utvecklare tycker ¨ar ett bra skyttest¨all kan skilja sig fr˚an vad en skytt tycker.
• Hur skapas vridmomentet?
F¨or att vrida m˚altavlan m˚aste ett vridmoment genereras.
Kapitel 1. Introduktion 1.4. Krav
1.4 Krav
Krav f¨or systemet finns i projektets kravspecifikation. Se Kravspecifikation i Bilaga B.
1.5 Avgr¨ ansningar
• Applikationen p˚a den handh˚allna enheten ing˚ar inte i projektet d˚a den redan ¨ar utvecklad sedan tidigare.
• De vridst¨all som anv¨ands utomhus idag ber¨ors ej.
• Endast en (1) prototyp tas fram.
Kapitel 2 Bakgrund
Det finns en m¨angd olika Bluetooth-moduler och olika versioner av Bluetooth.
Dessa m˚aste utredas f¨or att veta vilken som passar b¨ast till projketets ¨andam˚al.
Kretsen som ska utvecklas beh¨over en mikroprocessor som kommunicerar med Bluetoot-henheten och utf¨or de instruktioner som kommer fr˚an den handh˚allna enheten. H¨ar finns m¨angder med alternativ som m˚aste unders¨okas.
Den processor som v¨aljs till projektet kr¨aver vissa plattformsspecifika pro- grammeringskunskaper.
Kunskap om skytte och viktiga egenskaper kring den utrustning som ska utvecklas ¨ar ocks˚a n¨odv¨andigt att inh¨amta f¨or att kunna ta fram ett system som ¨ar uppskattat av skyttarna. Det finns kunskapsluckor kring framtagning av mekaniska produkter. Dessa m˚aste fyllas f¨or att kunna l¨osa uppgiften.
2.1 Beskrivning av kunskapsl¨ aget
F¨or att det ska vara m¨ojligt att bedriva ett lyckat projekt kr¨avs att kunskap kring de olika delarna inh¨amtas. F¨orstudiefasen kommer ¨agnas ˚at att inh¨amta kunskap kring f¨oljande:
• Bluetooth och Bluetooth-moduler.
• Olika typer av mikrocontrollers.
• Programmering som ¨ar specifik f¨or den aktuella processorn.
• Kunskap om skytte och om den utrustning som projektet ber¨or.
2.2 Liknande projekt och existerande l¨ osningar
En unders¨okning av tidigare projekt med likande problemst¨allningar ge- nomf¨ors. Det finns m˚anga projekt som anv¨ander sig av Bluetooth likt detta
2.2. Liknande projekt och existerande l¨osningar Kapitel 2. Bakgrund
projekt. Det ¨ar d¨aremot sv˚arare att hitta liknande projekt med vridst¨all.
2.2.1 Fj¨ arrstyrning av videokamera
Ett av projekten [1] som unders¨okts ¨ar fr˚an h¨osten 2011 och genomf¨ordes vid H¨ogskolan i Halmstad. I projektet konstruerades ett fj¨arrstyrt kamerast¨all.
Genom att anv¨anda Bluetooth gjordes m¨ojligt att via en applikation p˚a en smartphone styra kamerast¨allet. Det som ¨ar intressant i detta projekt ¨ar vad de valt f¨or metod f¨or Bluetooth-kommunikationen samt metoden de anv¨ander f¨or att r¨ora de r¨orliga delarna p˚a st¨allet.
Mottagarenheten best˚ar av ett Arduino Duemilove och en Bluetooth-modul som ¨ar anpassad till Arduinos plattformar. En Arduino-plattform valdes p˚a grund av att den: “[...]¨ar l¨att att arbeta med, att det finns mycket information om h˚ardvaran samt ¨oppen k¨allkod ute p˚a n¨atet”. Bluetooth-modulen valdes med anledning av att den uppfyllde kraven som st¨alldes och att: “[...]den ¨ar anpassad f¨or Arduinos plattformar, l¨att att koppla, samt att koppla upp sig p˚a. Den ¨ar liten, billig och l¨att att f˚a tag p˚a via Internet.”.
F¨or att utf¨ora vridning och rotation av kameraf¨astet anv¨ands servomotorer, vilket eventuellt kan vara aktuellt att g¨ora ¨aven i detta projekt.
Kraven p˚a Bluetooth-modulen i det unders¨okta projektet skiljer sig av- sev¨art fr˚an kraven i detta projekt. Krav st¨alldes p˚a str¨omf¨orbrukning och r¨ackvidden uppgick till 22 meter vid fri sikt. I detta fall ¨ar str¨omf¨orbrukningen inte ett krav och r¨ackvidden ska vara mer ¨an dubbelt s˚a l˚ang, s˚a d¨arf¨or l¨ampar sig inte denna Bluetooth-modul till detta projekt.
2.2.2 Fj¨ arrstyrt kameraf¨ aste: HE Remote
N¨asta liknande projekt [2] som unders¨okts ¨ar ocks˚a genomf¨ort vid H¨ogskolan i Halmstad. ¨Aven i detta projekt ¨ar det ett fj¨arrstyrt kamerast¨all som konstruerats. Till skillnad fr˚an f¨oreg˚aende projekt s˚a konstrueras h¨ar en fj¨arrkontroll f¨or styrningen. Fj¨arrkontrollen kommunicerar med mottagaren- heten via Bluetooth. B˚ade till mottagarenheten och fj¨arrkontrollen har valts en PIC-processor.
Tre olika Bluetooth-moduler unders¨oktes, varav en valdes bort p.g.a h¨ogt pris och den andra p.g.a kort r¨ackvidd. Den som sedan kom att anv¨andas i projektet var F2M03GXA fr˚an f¨oretaget Free2move.
Aven i detta projekt anv¨ands servomotorer f¨or att utf¨ora r¨orelser av¨ kameraf¨astet.
Kapitel 2. Bakgrund 2.2. Liknande projekt och existerande l¨osningar
2.2.3 Vehicle control system based on BLE
I en artikel fr˚an IEEE [3] beskrivs designen ¨over ett system d¨ar ett fordon kan ¨overvakas och styras fr˚an en smartphone, n¨armare best¨amt en iPhone 4S. I telefonen kan information om t.ex. br¨anslem¨angd och m¨atarst¨allning presenteras. Det finns ocks˚a funktioner f¨or att styra fordonets rutor, d¨orrar, lysen och l˚as. Som Bluetooth-modul anv¨ands en dongel fr˚an ok¨and tillverkare.
Bluetooth-chipet som sitter p˚a dongeln ¨ar ett chip CC2540 fr˚an Texas Instru- ment. Bluetooth-modulen sitter kopplad till ett kontrollkort. P˚a kontrollkortet sitter en Freescale MC9S12XS128-processor som sk¨oter kommunikationen med bilen och Bluetooth-modulen. Kommunikationen med bilen sker genom CAN-buss medans kommunikationen med CC2540 sker via SPI.
Detta system ¨ar likt det som utvecklas i detta projekt i det avseendet att en smartphone ska kommunicera med en BLE(Bluetooth Low Energy)-modul av n˚agon typ.
2.2.4 Industriautomations vridst¨ allsstyrning
Tony Ekl¨ov, en aktiv skytt anst¨alld hos f¨oretaget Industriautomation i Sand- viken AB har ocks˚a sett behovet av ett nytt styrsystem. F¨or att f˚a fram information om systemet kontaktades Tony Ekl¨ov via e-post (2015-09-30).
Tillsammans med f¨oretaget har han tagit fram ett system baserat p˚a ett Siemens PLC. Systemet inneh˚aller n˚agra standardprogram och d¨ar finns ocks˚a m¨ojlighet att programmera egna sekvenser. Val eller programmering av en sekvens g¨ors p˚a en touchsk¨arm som ocks˚a kommer fr˚an Siemens och
¨ar monterad p˚a l˚adan d¨ar PLC modulen ¨ar placerad. Start och stopp av programmen g¨ors via sk¨armen eller med hj¨alp av en tr˚adl¨os dosa.
Att utveckla systemet p˚a ett PLC ¨ar smidigt och minskar utvecklingstiden avsev¨art. De ¨ar dock dyra vilket medf¨or att kostaden f¨or systemet blir h¨ogt.
Ett system med ett l¨agre pris och m¨ojlighet till styrning via en smartphone kommer troligtvis att st˚a sig attraktivare p˚a marknaden.
2.2.5 Tyska skyttest¨ all fr˚ an Eigenbrod
Ett tyskt f¨oretag som heter Eigenbrod tillverkar idag ett tavelst¨all [4] f¨or samma anv¨andningsomr˚ade. De ¨ar i princip den enda tillverkaren vilket g¨or att deras produkt ¨ar dyr.
De leverar ett komplett system, d.v.s ett vridst¨all och ett system f¨or styrningen. Vridst¨allet ¨ar utrustat med fem seriekopplade tavelplatser som
¨ar monterade p˚a ett fyrkantsr¨or av aluminium. F¨or att utf¨ora vridningen anv¨ander de sig utav en 230 volts AC motor kopplad till en v¨axell˚ada. Vrid- ningen utf¨ors sedan genom att momentet fr˚an v¨axell˚adan ¨overf¨ors via en
2.2. Liknande projekt och existerande l¨osningar Kapitel 2. Bakgrund
excentrisk vev till en stav kopplad till st¨allen.
Styrsystemet har fyra standardprogram som kan startas och stoppas via en tr˚adbunden knapp eller en tr˚adl¨os fj¨arrkontroll.
2.2.6 Nuvarande system
Laholms Pistolskytteklubbs skjutbana
Ett bes¨ok har gjorts vid Laholms pistolskyttebana f¨or att studera funktionali- teten hos deras tavelst¨all. Banan ¨ar en utomhusbana p˚a 25 meter. Tavelst¨allen best˚ar av hemmabyggda tr¨aramar som placeras i en metallfot som i sin tur
¨ar kopplad till ett mekaniskt stag. Totalt 20 st¨allplatser ¨ar kopplade till staget. Stagets ena ¨anda ¨ar kopplad till en pneumatisk cylinder. Vid signal f¨or vridning skjuter cylindern fram det mekaniska staget vilket f˚ar st¨allen att vrida 90 grader.
Solheim System AB’s Duell
I dagsl¨aget anv¨ands ett system vid Laholms pistolskyttebana som heter Duell [5] och ¨ar utvecklat av Solheim System AB. Systemet ¨ar anpassat f¨or att anv¨andas p˚a befintliga st¨all. Det styrs av en mikroprocessor och har en sjusegmetdisplay som anv¨ands f¨or att konfigurera program samt f¨or att visa tider. Systemet har minne f¨or 99 f¨orprogrammerade program samt fyra program som kan anpassas av anv¨andaren. Visningstiderna f¨or tavlorna i programmen kan anpassas i tiondels sekunder. Systemet finns i tv˚a versioner som kan sp¨anningsmatas med antingen 12V likstr¨om eller med 24–230V v¨axelstr¨om.
2.2.7 Slutsats
Utifr˚an bakgrundsunders¨okningen kan konstateras att samtliga de unders¨okta projekten anv¨ander versioner av Bluetooth som ¨ar tidigare ¨an v4.0 (BLE).
Projekten skiljer sig ˚at s˚a mycket att det inte g˚ar att dra m˚anga slutsatser kring BLE utifr˚an dem.
Tv˚a av projekten anv¨ander sig av servomotorer f¨or att utf¨ora en mekanisk vridning. Noggrannare unders¨okningar av servomotorer m˚aste g¨oras f¨or att fastst¨alla huruvida det skulle g˚a att vrida vridst¨allet p˚a liknande s¨att.
Bes¨oket vid Laholms skyttebana gav kunskap och en inblick i hur en tavelvridning kan ske och lite hur en tavla kan uppf¨ora sig n¨ar den vrids. Att studera funktionen av vridst¨allet ledde ocks˚a till fler id´eer f¨or hur en vridning kan utf¨oras.
Bes¨oket ledde ocks˚a till insikt i vikten av att beh˚alla vissa delar av det gamla systemet. Utg˚angarna som styr vridningen b¨or fungera likt det gamla
Kapitel 2. Bakgrund 2.2. Liknande projekt och existerande l¨osningar
systemet f¨or att det ska g˚a smidigt att installera det nya. I det befintliga systemet startas vridsekvenserna via en tr˚adbunden knapp vilken ocks˚a ¨ar viktig att ha st¨od f¨or i det nya systemet.
Kapitel 3 Teori
Teorin bakom de l¨osningar som ¨overv¨agts att anv¨andas i projektet beskrivs h¨ar.
Fakta presenteras om Bluetooth-teknologi, mikrocontrollers samt mekaniska l¨osningar f¨or att vrida m˚altavlan.
3.1 Vridl¨ osningar
Det finns olika l¨osningar f¨or att utf¨ora vridningen av skyttest¨allet. Under denna rubrik analyseras n˚agra metoder som anses vara relevanta.
Figur 3.1: Aktuell vridr¨orelse av skyttest¨all.
3.1.1 Linj¨ art elektriskt st¨ alldon
Vridningen av tavelst¨allet skulle kunna l¨osas med hj¨alp av ett linj¨art st¨alldon.
[6] Ett elektriskt linj¨art st¨alldon anv¨ands f¨or att styra delar i ett mekaniskt system. De styrs oftast med en elektrisk styrsignal och utf¨or d¨arefter ett arbete i linj¨ar riktning. Det finns pneumatiska, hydrauliska, mekaniska och elektriska st¨alldon, d¨ar endast den elektriska modellen ¨ar intressant i detta projekt. Den vanligaste funktionen ¨ar att en motor via en transmission driver en skruv. Skruven skjuter i sin tur in eller ut en r¨orlig del. Se Figur 3.2.
3.1. Vridl¨osningar Kapitel 3. Teori
Figur 3.2: Utf¨orande, elektriskt linj¨art st¨alldon.
3.1.2 Solenoid
En elektromekanisk solenoid [7] ocks˚a kallad dragmagnet ¨ar en komponent som fungerar likt en pneumatisk cylinder. En spole viras runt en cylinder.
Se figur 3.3. I r¨oret placeras en kolv i ett magnetiskt material. N¨ar spolen str¨oms¨atts bildas ett magnetiskt f¨alt vilket p˚averkar kolven som d˚a f¨ors till ena ¨andan. Kolven h˚alls sedan d¨ar s˚a l¨ange som magnetf¨altet ¨ar kvar. De flesta solenoider ¨ar enkelriktade d.v.s de ¨ar konstruerade s˚a att magnetf¨altet endast kan f¨ora kolven ˚at ett h˚all. I vissa utf¨oranden sitter det en fj¨ader monterad f¨or att f¨ora tillbaka kolven till det ursprungliga l¨aget d˚a magnetf¨altet f¨orsvunnit.
Solenoider ¨ar mest l¨ampade att utf¨ora sm˚a r¨orelser d˚a de tenderar att bli svaga n¨ar kolven ska f¨oras l˚angt.
Figur 3.3: Utf¨orande solenoid.
3.1.3 Kuggv¨ axelmotor
En kuggv¨axelmotor [8] ¨ar en elektrisk motor varp˚a en v¨axell˚ada monterats.
V¨axell˚adans funktion ¨ar att bidra med en utv¨axling som ¨okar vridmomentet och s¨anker varvtalet p˚a kraftuttaget. Att ha en utv¨axling som minskar varv- talet med h¨alften ger ett dubblerat vridmoment. Motorns vridmoment kan
¨overf¨oras till vridst¨allet med n˚agon form av remdrift.
Kapitel 3. Teori 3.2. Transmissioner
3.1.4 Servomotor
En servomotor ¨ar uppbyggd likt en kuggv¨axelmotor men har kompletterats med en styrkrets och en potentiometer som tillsammans kan avg¨ora och stanna motorn i en exakt position. [9] Servon styrs med en PWM-signal som tolkas av styrkretsen. Dessa motorer anv¨ands i produkter d¨ar det ¨ar h¨oga krav p˚a noggrannheten. En servomotor med r¨att hastighet och vridmoment kan anv¨andas f¨or att vrida tavelst¨allet.
3.2 Transmissioner
Kraft¨overf¨oringen fr˚an ett linj¨art st¨alldon kan ske med hj¨alp av en h¨avarm ut fr˚an vridst¨allets axel enligt Figur 3.4.
Figur 3.4: Kraft¨overf¨oring mellan solenoid/elektriskt linj¨art st¨alldon och vridst¨allsaxel.
En st˚ang som ¨ar ledad i vardera ¨anda monteras mellan st¨alldon och h¨avarm. Solenoider ¨ar enkelverkande och d¨arf¨or kr¨avs det tv˚a don f¨or att kunna vrida st¨allet ˚at b˚ada h˚all. Ett elektriskt linj¨art st¨alldon ¨ar verkande i b˚ada riktningarna och d˚a r¨acker det med en komponent.
Om en kuggv¨axelmotor v¨aljs s˚a kommer kraften att ¨overf¨oras med hj¨alp av n˚agon form av rem likt Figur 3.5
Figur 3.5: Kraft¨overf¨oring mellan motor och vridst¨allsaxel.
3.2.1 Remmar
Planrem
Planremmen ¨ar den ursprungliga typen av rem. Precis som namnet antyder s˚a ¨ar remmen plan p˚a b˚ada sidor och kraft¨overf¨oringen sker genom att det uppst˚ar en friktionskraft mellan remmen och det hjul d¨ar den ¨ar monterad. P˚a
3.3. Bluetooth Kapitel 3. Teori
vissa modeller ¨ar insidan av remmen m¨onstrad eller kl¨add i gummi f¨or att ge en st¨orre friktionskraft. Hur h˚art sp¨and remmen ¨ar, ¨ar ocks˚a en faktor f¨or hur stor friktionskraft som kan bildas. Inuti remmen hittar man i de allra flesta fall en l¨angsg˚aende v¨av som tar upp den kraft som uppst˚ar i remmen. [10]
Sk˚arrem
Sk˚arremmen ¨ar en annan vanlig remtyp. Liksom f¨or planremmen s˚a ¨ar det en friktionskraft som ¨overf¨or momentet mellan axlarna och en inre v¨av som h˚aller emot kraften. Ist¨allet f¨or att vara plan s˚a har sk˚arremmen ett antal l¨angsg˚aende kilar p˚a undersidan. Kilarna ¨ar V-formade och trycks in i sp˚aren p˚a det hjul d¨ar remmen monterats. Desto djupare kilarna kilas in i hjulet, desto mer friktionsraft. [10]
Kuggrem
Kuggremmen skiljer sig fr˚an de tidigare remmarna och kan mer liknas vid en kedja. P˚a insidan av remmen sitter det kuggar som greppar tag i drivhjulens m¨onster. Denna rem klarar av st¨orre krafter d˚a den, liksom en kedja, inte kan slira. Dock klarar en kedja betydligt st¨orre krafter. F¨ordelar med en kuggrem, j¨amf¨ort mot kedjan; ¨ar att den kan rotera snabbare; kr¨aver ingen sm¨orjning och ¨ar tystare. Detta g¨or att den ¨ar v¨aldigt vanlig i automationsindustrin. [10]
3.3 Bluetooth
Bluetooth ¨ar en tr˚adl¨os kommunikationsteknologi f¨or korta avst˚and. Tekni- ken togs fram 1994 av det svenska f¨oretaget Ericsson. Informationen skickas tr˚adl¨ost p˚a det olicensierade ISM1-frekvensbandet; 2,4 – 2,485 GHz [11]. Ban- det ¨ar indelat i 79 mindre frekvensband med en bredd p˚a 1MHz. Tekniken anv¨ander sig av frekvenshoppning d.v.s att den byter frekvensband efter varje skickat paket f¨or att undvika st¨orningar fr˚an andra moduler. R¨ackvidden str¨acker sig fr˚an under en meter, upp till 100 meter beroende p˚a uteffek- ten/k¨anslighet hos systemet. Modulerna har delats in i tre olika klasser utifr˚an vilken uteffekt de har. [12]
• Klass 3 Maximal uteffekt: 1 mW(0 dBm). R¨ackvidd: <1 meter.
• Klass 2 Maximal uteffekt: 2,5 mW(4 dBm). R¨ackvidd <10 meter.
• Klass 1 Maximal uteffekt: 100 mW(20 dBm). R¨ackvidd <100 meter.
1Industrial, Scientific, Medical
Kapitel 3. Teori 3.3. Bluetooth
Klass 2 ¨ar den vanligaste varianten d˚a den ¨ar v¨aldigt str¨omsn˚al samtidigt som r¨ackvidden ¨ar tillr¨acklig f¨or de flesta applikationer. Den anv¨ands i de flesta av dagens mobiltelefoner samt m˚anga andra batteridrivna enheter.
2011 introducerades version 4.0 som kallas f¨or Bluetooth Low Energy (BLE) eller Bluetooth Smart. Uppgraderingen best˚ar av en ny stack men h˚ardvaran
¨ar den samma som i tidigare versioner. D¨arf¨or kan versionen anv¨andas p˚a samma h˚ardvara. I versionen finns ett Host Controller Interface (HCI-mode), vilket inneb¨ar att mycket av kontrollen f¨orflyttats till v¨ardenheten. Detta g¨or att den batteridrivna enheten kan befinna sig i vilol¨age under en l¨angre tid. I sin tur medf¨or det att batteritiden ¨okar. [13]
Host Controller Interfacet finns i Bluetooth-stacken och det tillh¨or d¨ari en grupp Transport Protocol Group. Denna grupp innefattar tillsammans med HCI ¨aven Baseband, Link Manager, Logical Link Control and Adaptation (L2CAP) samt design f¨or radiotrancivers. Transport Protocol Group ¨ar det l¨agsta lagret i stacken som upp˚at f¨oljs av Middleware Protocol Group och som i sin tur inneh˚aller protokoll som m¨ojligg¨or f¨or applikationer att anv¨anda Bluetooth. Exempel p˚a industristandardprotokoll ¨ar: Transmission Control Protocol (TCP), Internet Protocol (IP) och Point-to-Point Protocol (PPP).
Protokoll som ¨ar utvecklade av Bluetooth Special Interest Group (SIG)
¨ar bland annat RFCOMM som emulerar en RS-232-serieport och d¨arf¨or till˚ater applikationer som anv¨ander sig av serieporten att kommunicera ¨over Bluetooth. [14]
I Bluetooth Low Energy skickas data mellan enheter i ett Bluetooth- n¨atverk genom ett protokoll Generic Attribute Profile (GATT). Figur 3.6 illustrerar en typisk BLE-stack. [15] Protokollet definierar en GATT-server och en GATT-klient, d¨ar det ¨ar servern som lagrar datan som skickas samt svarar p˚a beg¨aran fr˚an klienten. Datan som skickas definieras ocks˚a av protokollet samt lagras som ett v¨arde i en characteristic tillsammans med information om vilken ˚atkomst till v¨ardet som till˚ats. En characteristic finns i en service som definierar en specifik funktion hos Bluetooth-systemet. [16]
Figur 3.6: Bluetooth Low Energy-stack.
3.4. Mikrocontroller Kapitel 3. Teori
En BLE-anslutning sker alltid mellan en v¨ard och en slav (alt. Central och Peripheral). I ett n¨atverk av anslutningar kan en slav vara ansluten till endast en v¨ard, men v¨arden kan vara ansluten till flera v¨ardar eller slavar samtidigt.
V¨arden ¨ar vanligtvis en smartphone/surfplatta, en PC eller liknande. Dess roll i anslutningen ¨ar att uppr¨atta en anslutning med den slav som beg¨ar s˚a.
Slaven kan i sin tur sedan acceptera anslutningen fr˚an v¨arden. [17]
Enligt standarden f¨or BLE begr¨ansas dess s¨andningsstyrka till 10dBm.
Detta g¨or att r¨ackvidden begr¨ansas kraftigt i j¨amf¨orelse mot Classic-modulerna som kan s¨anda med en styrka p˚a 20dBm.
Genom att anv¨anda en formel f¨or l¨ankbudget [18] kan ett systems r¨ackvidd ber¨aknas enligt:
d[km] = 10(maximum path loss)[dBm]−32,44−20log(f [MHz]) (3.1) d¨ar maximum path loss ber¨aknas genom att addera s¨andarens s¨andningsstyrka, mottagarens k¨anslighet samt eventuella antenn f¨orst¨arkningar och sedan dra av f¨or eventuella f¨orluster samt fade margin, enligt:
maximum path loss = TX + RX + gain− (losses + fade margin) (3.2)
3.3.1 Programmering av Bluetooth-modul
Bluegigas Bluetooth-moduler kan k¨oras b˚ade med en extern processor eller stand-alone, d.v.s att modulens inbyggda processor anv¨ands. Modulerna kommunicerar ¨over ett protokoll som kallas BGAPI [20] och detta protokoll sk¨oter kommunikationen mellan Bluetooth-stacken och v¨ardprocessorn.
Bluegiga har ett eget skriptspr˚ak kallat BGScript [19, s.7] som anv¨ands vid programmering av den inbyggda processorn. I skriptet finns funktioner f¨or att interagera med protokollet. Efters¨oks en stand-alone produkt men en utvecklingsmilj¨o i C inte finns tillg¨anglig kan det anses smidigt att anv¨anda skriptet. Om en extern processor anv¨ands kan inte skriptet k¨oras, utan d˚a har Bluegiga ist¨allet tagit fram ett bibliotek kallat BGLib [20]. Biblioteket ¨ar skrivet i ANSI C och inneh˚aller funktioner f¨or att kommunicera med stacken genom ett seriellt kommunikationsprotokoll. [20]
3.4 Mikrocontroller
F¨or att styra utg˚angar till vridst¨allen och f¨or att kontrollera Bluetooth- modulen anv¨ands en mikrokontroller. Det finns redan vid projektets start ett mindre program f¨ardigt. Det ¨ar framtaget sedan tidigare eftersom projektet p˚ag˚att en tid. Programmet ¨ar funktionsdugligt men beh¨over utvecklas vidare.
Det ¨ar skrivet i C och k¨ors under Linux p˚a en Raspberry Pi. Programmet tolkar en str¨om av ASCII-karakt¨arer fr˚an en Bluetooth-modul.
Kapitel 3. Teori 3.5. Sp¨anningsreglering
3.4.1 Raspberry Pi
Den f¨orsta Raspberry Pi [21] kom ut p˚a marknaden 2011. Det ¨ar en enkorts- dator i samma storlek som ett kreditkort.
Den senaste modellen av Raspberry Pi heter Raspberry Pi 2 Model B och sl¨apptes i februari 2015. Processorn p˚a kortet ¨ar en Broadcom BCM2836 som bygger p˚a en fyrk¨arnig ARM Cortex-A7 och k¨ors p˚a 900MHz. [22]
Raspberry Pi finns i en modell som ¨ar anpassad f¨or att anv¨andas i serie- tillverkning. Den har samma dimensioner som ett DDR2 SODIMM-minne och passar i en motsvarande sockel. Alla dess anslutningar finns i sockeln och passar d¨arf¨or tillverkare som g¨or sina egna kretskort. F¨or att snabbare bygga prototyper med denna modell finns en break-out board med sp¨anninsmatning, GPIO och andra portar, P˚a kortet sitter en Broadcom BCM2835, vilken ¨ar samma som p˚a den f¨orsta Raspberry Pi som introducerades. [23]
Tillverkarna av Raspberry Pi rekommenderar att operativsystemet Rasp- bian [24] installeras. Operativsystemet ¨ar anpassat f¨or ARM och ¨ar baserat p˚a Linux Debian Wheezy. Linux ¨ar inget realtidsoperativystem och i en j¨amf¨orelse som genomf¨orts vid Lindk¨opings universitet [25] rekommenderas att endast k¨ora applikationer p˚a systemet som har mjuka eller fasta realtidskrav med responstidskrav p˚a ¨over en millisekund. Ett bibliotek WiringPi [26] anv¨ands ofta f¨or att underl¨atta ˚atkomsten till GPIO-porten. Enligt samma j¨amf¨orelse har responstiden vid det specifika testscenariot en spridning p˚a 0,88 millise- kunder med biblioteket under Raspbian. I j¨amf¨orelsen har ¨aven vissa tester gjorts med realtidspatchen Xenomai [27] installerad tillsammans med Linux och slutsatsen drogs att med liknande patchar kan Raspberry Pi anv¨andas till realtidsapplikationer men att en mera grundlig unders¨okning kr¨avs.
3.4.2 ARM
Som ett alternativ finns att anv¨anda en helt frist˚aende ARM-processor [28], som inte sitter integrerad i n˚agon utvecklingsplattform som tillexempel i en Raspberry Pi. ARM ¨ar ett alternativ f¨or att det finns redan erfarenhet av att anv¨anda arkitekturen p˚a AES Nordic.
3.5 Sp¨ anningsreglering
En sp¨anningsregulator levererar en konstant sp¨anning till en krets, oberoende av dess insp¨anning och kretsens last.
Enligt krav ska mottagarenheten kunna matas med sp¨anningnar mellan 9-30V. Dessa sp¨anningar m˚aste regleras ned till en niv˚a som elektroniken kan drivas p˚a.
3.5. Sp¨anningsreglering Kapitel 3. Teori
3.5.1 Linj¨ ara/Switchade regulatorer
Linj¨ara regulatorer best˚ar av en reglerbar str¨omk¨alla samt en ˚aterkopplings- och kontrollkrets. Vanligtvis best˚ar str¨omk¨allan av transistorer som arbetar i sitt linj¨ara omr˚ade. Kontrollkretsen best˚ar vanligtvis av en OP-f¨orst¨arkare. I linj¨ara regulatorer kr¨avs att den sp¨anning som ska regleras ned ligger lite ¨over den ¨onskade sp¨anningen. Det finns tre olika grundtyper av linj¨ara regulatorer.
Den v¨asentliga skillnaden mellan dem ¨ar hur h¨og insp¨anning som kr¨avs f¨or reglera ner till den ¨onskade niv˚an. En LDO(Low DropOut)-regulator kr¨aver minst sp¨anningsskillnad f¨or att kunna reglera. [29]
Switchade regulatorer kan kopplas i flera olika konfigurationer: buck (step- down), boost (step-up) och buck-boost (inverterande).
Figur 3.7: Switchad regulator kopplad i buck-konfiguration.
En buck-regulator, se Figur 3.7, best˚ar av en brytare (i form av en transistor) som med h¨og frekvens kopplar till/fr˚an sp¨anning till en spole.
Spolen ¨ar kopplad i serie med lasten och en kondensator, som samtliga ¨ar kopplade parallellt med en motriktad diod.
N¨ar brytaren i en buck-regulator ¨ar sluten laddas spolen och kondensatorn upp fr˚an insp¨anningen samt att lasten matas. Sedan n¨ar brytaren st¨angs laddas den lagrade str¨ommen i b˚ade spolen och kondensatorn ur i en loop genom lasten och tillbaka genom dioden. N¨ar detta upprepas skapad en str¨om genom lasten som ¨ar ett medelv¨arde av den str¨om som g˚ar genom spolen. [30]
3.5.2 St¨ orningar fr˚ an DC-DC omvandlare
Vid anv¨andning av DC-DC omvandlare avges elektromagnetiska st¨orningar som uppst˚ar p˚agrund av den ofta relativt h¨oga switch-frekvens som anv¨ands.
Om frekvenser p˚a n˚agra MHz anv¨ands kan st¨orningar upp till GHz-omr˚adet f¨orekomma p˚a grund av ¨overtoner. [31]
Det finns m˚anga metoder f¨or att motverka dessa st¨orningar, t.ex genom att koppla in passiva filter p˚a omvandlarens in- och/eller utg˚ang. S˚adana metoder kan vara kostsamma och inneb¨ar dessutom att dessa extra komponenter tar upp plats p˚a kretskortet. Ett annat s¨att som dessa st¨orningar kan motverkas p˚a ¨ar genom att designa kretskortet p˚a ett gynnsamt s¨att. I en artikel fr˚an IEEE [31] testas tre olika fyralagerslayouter f¨or att best¨amma vilken som mest
Kapitel 3. Teori 3.6. Slutsats
motverkar st¨orningar fr˚an omvandlaren. Efter ett flertal tester genomf¨orts dras slutsatsen att ett jordplan direkt under omvandlaren ¨ar det som b¨ast f¨orhindrar st¨orningar. Testerna visar ocks˚a p˚a att en l¨agre impedans i kretsen ger mindre st¨orningar.
3.6 Slutsats
Projektets krav kan uppfyllas med samtliga komponenter som presenterats.
De olika komponenterna skiljer sig ˚at i pris och den mekaniska konstruktionen m˚aste anpassas utefter deras olika utf¨orande.
Raspberry Pi har inte m¨ojlighet att k¨oras i realtid och den har kring- komponenter som inte ¨ar n¨odv¨andiga. F¨or- och nackdelar med respektive komponent presenteras n¨armare i Kapitel 5 Komponentval.
Kapitel 4
Metodbeskrivning
Systemet utvecklas genom att medlemmarna arbetar i projektform. Hur detta genomf¨ors beskrivs vidare i detta kapitel, tillsammans med hur det dokumentras och testas.
4.1 LIPS
4.1.1 Projektmodellen LIPS
Projektet utvecklas med projektmallen LIPS. Modellen best˚ar av regler och instruktioner f¨or hur ett projekt kan drivas. Eftersom modellen i huvudsak
¨ar framtagen f¨or undervisningssituationer ¨ar den l¨ampad f¨or tillexempel examensprojekt och d˚a ¨aven projekt som detta.
Modellen har tre faser under projektets g˚ang och dessa ¨ar: F¨ore, Under och Efter projektet. Under dessa faser s¨atts b˚ade milstolpar och beslutspunk- ter upp. Beslutspunkterna s¨atts ofta i anslutning till och g¨arna t¨att efter milstolparna. Alternativt kan de l¨aggas mellan projektets olika faser.
F¨orsta fasen (f¨orefasen) skulle ocks˚a kunna kallas f¨or planeringsfasen.
Det ¨ar h¨ar projektet planeras och definieras tillsammans med kunden eller best¨allaren. Denna fas ¨ar viktig f¨or att projektet ska lyckas. Om n˚agot blir fel i den h¨ar fasen kan det bli kostsamma ˚atg¨arder. Det kan tillexempel h¨anda att helt fel produkt utvecklas om det inte finns en bra dialog med best¨allaren.
Fasen tar d¨arf¨or en relativt stor del av tiden under projektets g˚ang.
Andra fasen (genomf¨orandefasen) ¨ar d¨ar projektet med dess olika aktivi- teter utf¨ors. Dessa dokumenteras och testas, och specifikationerna blir mer detaljerade. Eftersom kommunikation ¨ar viktigt med best¨allaren ¨aven under denna fas informeras kunden om projektets status genom att denne regelbun- det mottager m¨otesprotokoll och statusrapporter. N¨ar fasen b¨orjar n¨arma sig sitt slutskede utf¨ors ett systemtest f¨or att testa att de olika delsystemen
4.2. Testning Kapitel 4. Metodbeskrivning
kan jobba tillsammans som det ¨ar t¨ankt och att projektets specifikationer ¨ar uppfyllda.
Vid den tredje och sista fasen avslutas projektet, en utv¨ardering utf¨ors och systemet ¨overl¨amnas till best¨allaren. Denna del tar ocks˚a, liksom den f¨orsta delen, relativt mycket tid. T¨ankv¨art ¨ar att just avsluta projektet kan vara sv˚art eller ibland det sv˚araste med ett projekt. [32]
4.1.2 Dokumentation i LIPS
Under projektets g˚ang genereras en stor m¨angd dokumentation och det ¨ar av stor vikt att all informationen n˚ar ut till samtliga inblandade parter. Doku- menten uppdateras hela tiden under projektets g˚ang med nya specifikationer och krav m.m. Det ¨ar d¨arf¨or viktigt att kunna h˚alla de olika versionerna s¨arskilda. Detta g¨ors genom att ge varje ny revision av ett dokument n˚agot slags revisionsnummer. [33]
Dokumenten granskas och godk¨anns efter att de reviderats. Detta har stor vikt f¨or att kunna s¨akerst¨alla att r¨att beslut har fattas och att de har dokumenterats ordentligt. Det fokuseras p˚a att s˚a mycket som m¨ojligt ska bli r¨att fr˚an f¨orsta b¨orjan. Desto tidigare ett fel kan uppt¨ackas och korrigeras desto b¨attre ¨ar det f¨or samtliga inblandade parter.
Under projektets f¨orefas tas en kravspecifikation fram tillsammans med best¨allaren genom upprepade m¨oten mellan denne och projektgruppen. I den beskrivs bl.a. systemet och hur det indelas i olika delsystem. Det definieras hur hela projektet avgr¨ansats och var de respektive delsystemen avgr¨ansas, samt att det d¨ari ges en mer detaljerad beskrivning av dem.
En projektplan tas fram. Planen beskrivs bland annat hur projektet planerats, vad det inneh˚aller och vilka som deltar. Den inneh˚aller bl.a. en budget, milstolpar och beslutspunkter.
Tillsammans med projektplanen tas tidigt fram en tidsplan. Denna ¨ar i form av ett GANTT-schema.
4.2 Testning
Innan en komponent v¨aljs utf¨ors tester f¨or att bekr¨afta att de teoretiska ber¨akningar som gjorts st¨ammer ¨overens med praktiken. Dessa tester inriktas helt mot att den enskilda komponenten fungerar som t¨ankt.
N¨ar alla komponenter ¨ar valda ska systemet kopplas ihop och deltestas, detta f¨or att s¨akerherst¨alla att alla delar fungerar som det ¨ar t¨ankt innan ut- vecklingen g˚ar vidare och eventuella kretskort eller mekaniska delar tillverkas.
Slutligen n¨ar produkten ¨ar monterad s˚a utf¨ors systemtester. Dessa tester
¨ar utformade f¨or att visa att samtliga krav ¨ar uppfyllda. Hur de h¨ar testerna
Kapitel 4. Metodbeskrivning 4.3. CAD/Kretskortsdesign
genomf¨ors ¨ar specificerat i en testspecifikation. Se testspecifikation.
4.3 CAD/Kretskortsdesign
Krestchema ritas f¨orst, f¨or att sedan, utifr˚an det designa layouten. Enligt
¨overenskommelse skickas den f¨orsta revisionen m¨onsterkortslayouten in till- sammans med kretsschema till en ingenj¨or hos AES f¨or granskning. Vid granskningen f¨orv¨antas ett antal f¨orslag p˚a ¨andringar och f¨orb¨attringar fram- komma. Dessa tas i h¨ansyn och de ¨andringar som anses relevanta utf¨ors och materialet skickas ˚ater f¨or ett godk¨annande.
4.4 Finansiering
Projektet finansieras av AES Nordic. De bidrar ¨aven med kontor och tillg˚ang till utrustad verkstad.
M˚alet ¨ar att den materiella kostnaden vid produktion inte ska ¨overstiga 2500 kr. Utav detta ¨ar 1500 kr avsatt f¨or vridst¨allet och resterande 1000 kr till styrkortet.
N˚agon budget f¨or utvecklingskostnader ¨ar inte fastst¨alld.
Kapitel 5
Komponentval
Kapitlet inleds med en beskrivning av systemet.
F¨or att best¨amma de komponenter som anv¨ands i systemet utf¨ors en noggrann unders¨okning f¨or att kraven som st¨allts p˚a systemet ska uppn˚as.
Unders¨okningen och valen av komponenterna presenteras vidare i detta kapitel.
5.1 Beskrivning av systemet
Systemet best˚ar av tv˚a delsystem Mottagarenhet och Vridst¨all som presenteras nedan.
5.1.1 Mottagarenheten
Mottagarenheten har som huvudsakliga uppgifter att kommunicera med smartphonen och att styra vridningen av m˚altavlan. Ett blockschema ¨over systemet finns i Figur 5.1.
Den mest kritiska komponenten i systemet ¨ar Bluetooth-modulen. D¨arf¨or v¨aljs denna f¨orst och ¨ovriga komponenter anpassas sedan utefter denna.
Styrning av modulen utf¨ors med n˚agon typ av mikroprocessor, likas˚a ¨aven styrningen av utg˚angarna f¨or vridningen av tavelst¨allet. F¨or samtliga dessa komponenter kr¨avs matning i form av en reglerad sp¨anning. En krets f¨or detta konstrueras ocks˚a i projektet.
5.1.2 Vridst¨ allet
Vridst¨allet ¨ar en mekanisk konstruktion som ska utf¨ora en vridning av en m˚altavla. Den viktigaste komponenten ¨ar st¨alldonet som utf¨or vridningen.
Kraften fr˚an st¨alldonet ¨overf¨ors till en axel varp˚a en m˚altavla monteras. Axeln ska lagras och f¨astas i n˚agon form av st¨allning. Styrelektronik och st¨alldon ska skyddas mot skott och b¨or s˚aledes byggas in i n˚agon form av l˚ada.
5.2. Bluetooth-modul Kapitel 5. Komponentval
Figur 5.1: Blockschema ¨over styrsystemet [Delsystem Mottagarenhet].
S¨andningsstyra/
k¨anslighet
Ca pris ex. moms
Storlek [mm]
BLE121LR 8dBm/-98dBm 151:- 13,0 x 14,7 x 1,8
BGM111A256V1 8dBm/-91dBm 111:- 15,0 x 12,9 x 2,2 RN4020-V/RM 7dBm/-92,5dBm 98:- 19,5 x 11,5 x 2,5
SaBLE-x 5dBm/-96dBm 140:- 11,6 x 17,9 x 2,3
ENW89820A3KF 4dBm/-94dBm 125:- 15,6 x 8,7 x 1,8 Tabell 5.1: Unders¨okta Bluetooth-moduler.
F¨or att f¨orse st¨alldonet med str¨om kr¨avs en adapter med de r¨atta utpa- rametrarna. Slutligen ska vridst¨allet kunna styras med endast tv˚a signaler som talar om i vilket l¨age m˚altavlan ska st˚a. F¨or detta kr¨avs det ytterligare komponenter.
5.2 Bluetooth-modul
F¨or att v¨alja en modul som uppn˚ar r¨ackviddskravet utf¨ors teoretiska ber¨akningar med de effekter och k¨ansligheter som hittats i deras respektive datablad.
I Tabell 5.1 listas n˚agra Bluetooth-moduler [34] [35] [36] [37] [38] tillsam- mans med deras specifikationer och pris. Dessa moduler har unders¨okts f¨or att ev. implementeras i projektet.
R¨ackvidden ber¨aknas hos det t¨ankta systemet genom att en l¨ankbudget uppr¨attas. F¨or att f˚a ett realistiskt resultat b¨or en effektf¨orlust p˚a mellan 20–30 dBm r¨aknas med. [18]
Teoretiska r¨ackviddsber¨akningar visar att marginalen till det st¨allda
Kapitel 5. Komponentval 5.3. Mikrocontroller
kravet ¨ar liten, vilket g¨or att s¨andningsstyrka och k¨anslighet prioriteras f¨ore pris och storlek. Utav modulerna i Tabell 5.1 ¨ar BLE121LR [34] och BGM111A256V1 [35] mest intressanta d˚a de har den h¨ogsta uteffekten. Blu- egigas BLE121LR marknadsf¨ors som den BLE-modul med l¨angst r¨ackvidd p˚a marknaden. K¨ansligheten tillsammans med AES tidigare erfarenheter av Bluegiga avg¨or valet. AES har implementerat Bluegigas moduler tidigare och f˚att ett gott intryck av dem.
Figur 5.2: L¨ankbudget mellan en genomsnittlig smartphone och aktuell Bluetooth-modul.
Enligt v¨ardena i Figur 5.2 ¨ar l¨anken till smartphonen den svagaste, d¨arf¨or utf¨ordes ber¨akningar p˚a den. Enligt ber¨akningar med Formel 3.1 och en f¨orlust faktor p˚a -23 dBm skulle en teoretisk r¨ackvidd p˚a cirka 44 meter kunna uppn˚as. Med detta avst˚and finns inte mycket marginal till kravet som ¨ar satt till 40 meter. D¨aremot har de r¨aknats med en h¨og f¨orlustfaktor och en relativt d˚alig k¨anslighet i smartphonens mottagare.
5.3 Mikrocontroller
F¨or att styra systemet beh¨ovs n˚agon typ av logik. BLE121LR har en inbyggd processor vilken skulle kunna vara ett alternativ till en Raspberry Pi eller ARM. Den inbyggda processorn programmeras is˚afall med BGScript som ¨ar ett simpelt scriptspr˚ak men som inte ¨ar lika flexibelt som att programmera i C. Modulen kan kontrolleras externt via en seriell port, tex UART. F¨or att utveckla programvara till externa processorn finns BGLib som ¨ar ett programbibliotek fr˚an tillverkaren.
Om inte en Bluetooth-modul anv¨ands som stand-alone kr¨avs styrning av b˚ade den och utg˚angarna till vrids¨allen. M˚anga Bluetooth-moduler styrs genom en extern enhet via ett seriellt protokoll. D¨arf¨or ¨ar det ett krav p˚a UART och/eller SPI hos logikens mikrocontroller. Det kr¨avs ocks˚a att den
5.3. Mikrocontroller Kapitel 5. Komponentval
har minst tv˚a konfigurerbara digitalautg˚angar f¨or att styra vridst¨allet samt en digital ing˚ang f¨or att kunna styra vridst¨allet med hj¨alp av en knapptryckning.
Dessa krav listas nedan:
• Minst en UART/SPI/USB ska finnas (beroende p˚a Bluetooth-modul).
• Programbibliotek ska finnas tillg¨angliga.
• Matningssp¨anningen ska vara samma som f¨or Bluetooth-modulen.
• Minst tv˚a lediga digitala utg˚angar och en ing˚ang.
5.3.1 J¨ amf¨ orelse
F¨ordelar Nackdelar
Raspberry Pi
• Kortar utvecklingstiden
• M¨ojlighet att anv¨anda dongle
• Dyrast
• Linux, ej realtime
• Konfiguration av Linux ARM-
processor
• En br˚akdel av priset mot Pi
• Realtime
• Tidigare erfarenhet
• F¨ardiga program/bibliotek
• Mer CAD
• Initiering
Bluettoth- modul (Stand-
alone)
• Mindre CAD
• Ingen extra MCU
• Billigast
• Risk f¨or begr¨ansningar
• Nytt scriptspr˚ak
Tabell 5.2: F¨or- och nackdelar med olika controllers.
Utifr˚an kraven som st¨allts och j¨amf¨orelsen som genomf¨orts i Tabell 5.2 implementeras en ARM-processor i systemet. Den ¨ar avsev¨art mycket billigare
¨an Raspberry Pi och det finns heller inga direkta begr¨ansningar i program- meringsspr˚aket likt det som anv¨ands i Bluetooth-modulen. I j¨amf¨orelse med de andra alternativen ¨ar de tidigare erfarenheterna av utveckling med ARM- processorer absolut st¨orst.
Eftersom detta projekt ¨ar kraftigt tidspressat ligger fokus p˚a att hitta en mikrocontroller som g¨or att utvecklingstiden kan kapas s˚a mycket som m¨ojligt. Detta gjordes genom att anv¨anda en controller d¨ar redan mycket f¨ardig programvara fanns att tillg˚a.
Kapitel 5. Komponentval 5.4. Sp¨anningsreglering
I n˚agra tidigare projekt har AES anv¨ant sig av en controller av modellen Freescale MK10 [40] och till denna typ av controller finns en m¨angd pro- grambibliotek tillg¨angliga fr˚an tillverkaren och ¨aven fr˚an trejdepartsk¨allor.
Likas˚a finns ¨aven program tillg¨angliga fr˚an AES sj¨alva. Controllern ¨ar n˚agot
¨overdimensionerad f¨or projektet men det finns controllers i fr˚an samma till- verkare och samma familj som ¨ar mindre. D¨arf¨or valdes ist¨allet en controller MKL05 [41] fr˚an Freescale.
5.4 Sp¨ anningsreglering
Eftersom systemet inneh˚aller en radiomodul st¨alls d¨arf¨or h¨oga krav p˚a sp¨anningsmatningen [34, s.12]. Modulen kr¨aver att bruset hos matnings- sp¨anningen ska vara mindre ¨an 10 mVpp f¨or att dess radioegenskaper inte ska p˚averkas negativt. Sp¨anningsniv˚an p˚averkar ocks˚a uteffekten hos modulen — en h¨ogre sp¨anning ger en h¨ogre uteffekt. I enlighet med krav 1.4 ska systemet ocks˚a kunna matas med AC-/DC-sp¨anningar fr˚an 9V till 30V.
Relativt h¨oga sp¨anningar (30− 3, 3 = 26, 7V) ska regleras ned. F¨or att uppfylla de matningskrav som st¨allts, utan en alltf¨or h¨og v¨armeutveckling, s˚a har det valts att anv¨anda en switchad regulator.
MC34063 [39] ¨ar en vanligt f¨orekommande regulator men som arbetar p˚a en relativt l˚ag frekvens. En l˚ag frekvens g¨or att spolens fysiska storlek ¨okar.
D¨arf¨or valdes en regulator LM25007 [42] som har en h¨ogre switch-frekvens.
V¨ardena p˚a kringkomponenterna f¨or LM25007 ¨ar valda utifr˚an en “Quick start calulator” [43] som tillverkaren tillhandah˚aller. I samma calculator finns kopplingsalternativ f¨or att minska m¨angden rippel fr˚an regulatorn.
5.5 St¨ alldon
F¨or att best¨amma en l¨amplig komponent f¨or vridning av tavelst¨allet s˚a m˚aste den n¨odv¨andiga kraft f¨or vridning best¨ammas. F¨or att best¨amma den kraf- ten beh¨over axelns och kulf˚angets masstr¨oghetsmoment ber¨aknas. Axeln har formen av en solid cylinder och kulf˚anget har en rektangul¨ar form. F¨or att ber¨akna tr¨oghetsmomentet m˚aste dess massa och m˚att vara k¨and. F¨or ber¨akning av masstr¨oghetsmomentet anv¨ands f¨oljande formler [44], d¨ar m = massan, R = radien, L = l¨angden p˚a rektangeln och b = bredden p˚a rektangeln:
Masstr¨oghetsmoment Homogen cirkul¨ar cylinder:
J = m
2R2 (5.1)
5.5. St¨alldon Kapitel 5. Komponentval
Masstr¨oghetsmoment Rektangul¨ar parallellepiped:
J = m
12(L2+ b2) (5.2)
F¨or att best¨amma tr¨oghetsmomentet hos kulf˚anget g¨ors en f¨orenkling av dess struktur. I ber¨akningen sprids kulf˚angets massa ut ¨over hela dess volym och p˚a s˚a vis kan formeln f¨or rektangul¨ara objekt anv¨andas. D˚a en god marginal till den teoretiska ber¨akningen ska h˚allas anses inte f¨orenklingen p˚averka resultatet.
Vinkelaccelerationen ¨ar en annan faktor som m˚aste ber¨aknas. Kulf˚anget ska vridas 90◦ p˚a under 0,3 sekunder, enligt det st¨allda kravet. Det som kr¨aver minst anlagd kraft ¨ar en linj¨ar accelerationkurva, dvs att axeln har en konstant acceleration hela v¨agen fr˚an start till stopp. Genom att rita en r¨atvinklig triangel med basen 0,3 och arean π/2 s˚a f˚as accelerationen genom att ber¨akna hypotenusans lutning.
Kr¨avt vridmoment ber¨aknas med hj¨alp av tr¨oghetsmomentet, vinkelacce- lerationen och Newtons andra lag f¨or roterande objekt [44].
Newtons andra lag f¨or rotation:
M = J · α (5.3)
Vridmomentet ber¨aknas till 0.105Nm. Den komponent som v¨aljs m˚aste s˚alunda kunna frambringa 0.105Nm i en tillr¨ackligt h¨og hastighet. Vrid- momentet tillsammans med vridtiden anv¨ands f¨or att j¨amf¨ora de olika l¨osningsmetoderna som togs upp i teoridelen. Alla fyra metoder g˚ar att dimensionera s˚a att kraven p˚a vridtid och vridmoment uppn˚as men priset varierar kraftigt mellan de olika metoderna.
I Tabell 5.3 listas f¨or- och nackdelar med respektive metod. J¨amf¨orelsen g¨ors med avseende p˚a en komponent dimensionerad utefter kraven.
De tre vikigaste faktorerna som spelar in vid valet av st¨alldon ¨ar pris, str¨omf¨orbrukning och h˚allbarhet.
Det elektrisktlinj¨ara st¨alldonet v¨aljs bort p˚agrund av dess h¨oga pris.
Solenoider med tillr¨acklig styrka visar sig vara b˚ade billiga och ha l˚ang livstid men det kr¨avs en v¨aldigt h¨og effekt f¨or att uppn˚a den kraft som beh¨ovs.
Det medf¨or att det kr¨avs en stor n¨atadapter vilket betyder st¨orre kostnader samtidigt som en stor str¨om inte ¨ar att f¨oredra i produkten.
Kuggv¨axelmotorn hamnar i en liknande prisklass som solenoiderna och har en avsev¨art l¨agre str¨omf¨orbrukning. D¨aremot kr¨aver den en mer avancerad konstruktion.
Hobbymodellen av en servomotor ¨ar mycket billig och hade varit ett bra alternativ om dess hastighet hade vart tillr¨acklig. D˚a dessa massproducerade modeller dessv¨arre inte n˚ar upp till kraven s˚a blir priset f¨or en motor med r¨att dimension mycket h¨ogt.
Kapitel 5. Komponentval 5.6. Kraft¨overf¨oring
F¨ordelar Nackdelar
Elektriskt linj¨art st¨alldon
• M¨ojligg¨or en enkel kon- struktion.
• Kan styras p˚a samma s¨att som de befintliga pneumatis- ka vridst¨allen.
• H¨ogt ink¨opspris.
• M˚anga r¨orliga delar.
Solenoid • L˚agt ink¨opspris.
• F˚a slitagedelar.
• L˚ang livsl¨angd.
• Kr¨aver ¨andl¨ageskontakter f¨or att kunna styras likt be- fintliga st¨all.
• H¨og str¨omf¨orbrukning.
Kuggv¨axel- motor
• L˚agt ink¨opspris.
• L˚ag str¨omf¨orbrukning.
• L˚ang livsl¨angd.
• Kr¨aver en mer avancerad konstruktion.
• Kr¨aver ett mekaniskt-
¨andl¨agesstopp och
¨andl¨agesgivare.
Servomotor • L˚ag str¨omf¨orbrukning.
• Kr¨aver inga ytterligare kontakter eller mekaniska stopp.
• H¨ogt ink¨opspris.
Tabell 5.3: F¨or- och nackdelar med olika vridl¨osningar.
Valet faller p˚a kuggv¨axelmotorn d˚a dess pris och str¨omf¨orbrukning ¨ar det b¨asta. Att konstruktionen blir aningen mer avancerad anses inte resultera i en h¨ogre kostnad ¨an de ¨ovriga alternativen.
Vid valet av motor s˚a ¨ar motoraxelns uthastighet och dess vridmoment de viktiga faktorerna. Genom att till¨ampa en utv¨axling mellan motoraxeln och vridaxeln kan spannet f¨or kr¨avt varvtal ¨oka och fler motormodeller g˚ar att anv¨anda. Beroende p˚a motorns uthastighet best¨ams utv¨axlingen s˚a att vridtiden blir r¨att. Kravet f¨or vilket vridmoment motorn ska klara f¨or¨andras ocks˚a vid en extra utv¨axling vilket m˚aste tas h¨ansyn till.
5.6 Kraft¨ overf¨ oring
F¨or att ¨overf¨ora momentet fr˚an motorn till vridaxeln finns olika alternativ.
Motorns drivaxel kan kopplas via en axelkoppling p˚a vridst¨allets axel eller s˚a kan kraften ¨overf¨oras med hj¨alp av en rem. I Tabell 5.4 j¨amf¨ors de olika l¨osningarna som framkommit i bakgrundsunders¨okningen.
Efter en j¨amf¨orelse och en genoms¨okning av marknaden anses kuggrem-
5.6. Kraft¨overf¨oring Kapitel 5. Komponentval
F¨ordelar Nackdelar
Axel till axel
• Billig l¨osning. • L˚adan blir on¨odigt h¨og.
Planrem • R¨att sp¨annkraft medf¨or att remmen kan slira i
¨andl¨aget.
• Kr¨aver att motorn lagras.
• Friktionen kan ¨andras n¨ar produkten blir ¨aldre vilket kan f˚a en negativ inverkan p˚a vridfunktionen.
Kuggrem • Inget oljud.
• P˚alitligt.
• Billig l¨osning.
• Kr¨aver att motorn lagras.
• Ingen m¨ojlighet att d¨ampa st¨oten n¨ar st¨allet n˚ar
¨andl¨aget.
Sk˚arrem • R¨att sp¨annkraft medf¨or att remmen kan slira i
¨andl¨aget.
• Kr¨aver att motorn lagras.
• Friktionen kan ¨andras n¨ar produkten blir ¨aldre vilket kan f˚a en negativ inverkan p˚a vridfunktionen.
Tabell 5.4: F¨or- och nackdelar med olika l¨osningar f¨or kraft¨overf¨oringen.
men b¨ast l¨ampad. Den ¨ar den i s¨arklass vanligaste remtypen f¨or liknande konstruktioner vilket medf¨or att priset p˚a de ing˚aende komponenterna blir b¨attre.
5.6.1 Axellagring
Som lagring valdes ett enkelsp˚arigt kullager. Axeln lagras p˚a tv˚a st¨allen f¨or att inget glapp ska uppst˚a. Kulf˚anget och axeln vilar p˚a lagringarna och d¨arf¨or m˚aste dessa t˚ala att uts¨attas f¨or en axiell kraft. Inga ¨ovriga krav st¨alls p˚a lagringarna.
Den absolut vanligaste axellagringen ¨ar enkelsp˚ariga kullager. Dessa ¨ar v¨al l¨ampade f¨or lagring av vridst¨allsaxeln d˚a de ¨ar tillverkade f¨or att kunna uts¨attas f¨or en axiell kraft och s¨aljs till ett rimligt pris.
Kapitel 6 Utf¨ orande
I det h¨ar kapitlet ges en n¨armare beskrivning av funktionaliteten och utform- ningen hos den f¨ardiga produkt som har utvecklats i projektet. Det anges till viss del ¨aven vilka verktyg som anv¨ants.
6.1 Elektronikkonstruktion
Den elektronik som ing˚ar i systemet best˚ar av en mottagarenhet utrustad med en Bluetooth-modul och utg˚angar f¨or att styra ett vridst¨all.
6.1.1 Kretsschema
Kretsen ¨ar ritad i Orcad Capture [45], se Bilaga D. Kretsen best˚ar av tv˚a centrala komponenter: mikrocontrollern Freescale MKL05Z [41] och Bluetooth- modulen Bluegiga BLE121LR [34]. I kretsen finns tv˚a lysdioder. Den ena lysdio- den ¨ar gr¨on och den anv¨ands f¨or att indikera att systemet ¨ar sp¨anningssatt och k¨ors. Den bl˚a lysdioden indikerar n¨ar en Bluetooth-anslutning ¨ar uppr¨attad samt n¨ar kommunikation p˚a Bluetooth-modulen sker.
Komponenten J4 ¨ar en plint som anv¨ands f¨or en kabelbunden knapp, vilken skjutledaren kan ansluta och anv¨anda f¨or att styra systemet. En kabel som ansluts av anv¨andaren skulle kunna vara relativt l˚ang och d¨arf¨or finns en skyddskrets ansluten som best˚ar av tv˚a dioder, en RC-krets och ett motst˚and f¨or att skydda mikrocontrollern fr˚an urladdningen fr˚an kabeln.
De plintar som anv¨ands ¨ar av jackbar typ och de har olika utf¨orande f¨or att undvika felkopplingar.
F¨or att kunna vidarekoppla signalen fr˚an ett vridst¨all till ett eller flera andra anv¨ands plinten J5. Den ¨ar tre-polig (MOUT, SIN, GND), d¨ar en av polerna (GND) anv¨ands f¨or att ansluta gemensam jord till samtliga vridst¨all.
De resterande tv˚a ¨ar f¨or att kommunicera vridning av m˚altavlan till/fr˚an de
¨ovriga st¨allen. En h¨og niv˚a ut p˚a MOUT tolkas av SIN som FACE, l˚ag niv˚a som
6.1. Elektronikkonstruktion Kapitel 6. Utf¨orande
EDGE. Denna kommunikation sker med samma sp¨anningsniv˚a som kretskortet matas med f¨or att signalen ska vara s˚a robust som m¨ojligt. Zenerdioden D11 skyddar basen p˚a transistorn T5 fr˚an f¨or h¨og sp¨anning.
En FTDI-header finns ansluten till TX/RX hos Bluetooth-modulen f¨or debug-m¨ojligheter.
P˚a kretsschemat ¨ar samtliga transistorer och dioder specificerade. Olika symboler anv¨ands f¨or att kunna urskilja pol¨ara och icke-pol¨ara kondensatorer.
6.1.2 Kretskort
Design av layouten ¨ar gjord i OrCAD PCB Editor [46]. Footprints ¨ar ritade i OrCAD PCB Editor samt Library Expert [47]. Kortet har de fysiska dimen- sionerna 114 x 72 mm och ¨ar anpassat f¨or att kunna monteras i en kapsling OKW NET-BOX 140, enligt Figur 6.2 Det ¨ar designat p˚a fyra lager, d¨ar de tv˚a yttre lagren ¨ar signallager och de tv˚a innersta ¨ar sp¨annings- respektive jordlager, enligt Figur 6.1. Se Bilaga C f¨or komplett layout f¨or respektive lager. I de fall d¨ar en avkopplingskondensator ¨ar ansluten s˚a ¨ar den ansluten
Figur 6.1: PCB stack-up.
emellan anslutningspunkten och en via till sp¨anningsplanet.
P˚a kretskortet finns tv˚a rel¨an som anv¨ands f¨or att styra ett vridst¨all. Kring dessa har ett l˚angt isolationsavst˚and h˚allits till ¨ovriga kretsen. Detta f¨or att f¨orbereda kretskortet f¨or att eventuellt kunna ansluta upp till 230V p˚a dessa rel¨an.
6.1.3 Sp¨ anningsreglering
Inkommande sp¨anningen regleras ned till 3,3V i tv˚a steg:
1. En switch-regulator LM25007 reglerar ned sp¨anningen till 5V.
2. Sp¨anningen regleras ned till exakt 3,3V med en low-dropout (LDO) regulator TLV700.
Dessa tv˚a sp¨anningsregulatorer refereras till som U12 respektive U13 (se Bom i Bilaga E) och p˚a kretskortet ¨ar de placerade enligt Figur 6.3. Layouten
Kapitel 6. Utf¨orande 6.1. Elektronikkonstruktion
(a) Utanf¨or kapsling.
(b) Monterad i NET- BOX 140.
Figur 6.2: F¨ardig prototyp.
¨ar designad s˚a att spolen L1, kondensatorn C4 och dioden Dsw som sitter p˚a ben 1 hos U12 ¨ar placerade fysiskt n¨ara varandra och har en bred ledare mellan dem. B¨agge regulatorerna ¨ar ocks˚a placerade fysiskt n¨ara varandra eftersom de arbetar i serie.
Figur 6.3: Urklipp av layouten f¨or sp¨anningsregleringen. Gr˚a markering har 5V-niv˚a.
6.1.4 Radiomodul
Vid designen av layouten f¨or kretskortet kring radiomodulen, se Figur 6.4, togs h¨ansyn till de designprinciper som specificerats i databladet. Det inneb¨ar att modulen ¨ar placerad l¨angs en kant p˚a kretskortet; ett omr˚ade under modulens antenn ¨ar fritt fr˚an koppar; ett jordplan bereder ut sig p˚a vardera sida om modulen d¨ar inga andra komponenter placeras; med ett j¨amt mellanrum p˚a jordplanets sidor har placerats vias som f¨orbinder jordplanen.
Jordplanets utbredning p˚averkar modulens r¨ackvidd och ett minsta rekom- menderat m˚att ¨ar en utbredning p˚a 17 mm p˚a vardera sida om modulen. Att
6.2. Mjukvarudesign Kapitel 6. Utf¨orande
s¨atta vias l¨angs kanterna g¨or att mindre radioenergi g˚ar f¨orlorad. Ett omr˚ade som ¨ar tomt fr˚an koppar under modulens antenn ¨ar viktigt f¨or modulens m¨ojligheter att skicka och ta emot signaler.
RTS och CTS f¨or fl¨odeskontroll av seriekommunikatioen har anslutits till mikrocontrollen f¨or eventuella framtida bruk, som t.ex mjukvarimplementering av fl¨odeskontroll.
Figur 6.4: Urklipp av radiomodulens layout.
6.2 Mjukvarudesign
Mjukvaran som anv¨ands i projektet (se Bilaga G) ¨ar en p˚abyggnad kring en mjukvara som redan tidigare tagits fram av best¨allaren. Den ¨ar portad f¨or att exekvera p˚a en processor med Cortex-k¨arna. Den ¨ar skriven i en av Freescales egna utvecklingsmilj¨o Kinetis Design Studio [48]. F¨or Kinetis Design Studio finns ett till¨aggsprogram som heter Processor Expert som tillhandah˚aller “mjukvarukomponenter”. Dessa anv¨ands f¨or att exempelvis initiera processorns UART och GPIO.
6.2.1 Bluetooth
Kommunikationen mellan Bluetooth-modulen och mikroprocessorn sker med UART. Bluegiga API (BGAPI) [20] ¨ar ett protokoll som anv¨ands f¨or att
¨overs¨atta den inkommande seriella kommunikationen och som f¨or vidare da- tan ut p˚a radiol¨anken, och vise versa. En ¨oversikt av systemet visas i Figur 6.5.
En specifikation f¨or hur kommunikationen ¨over Bluetooth fungerar ¨ar definie- rad tillsammans med apputvecklaren enligt Figur 6.6. Specifikationen best˚ar av en GATT-profil [16] med en beskrivning av hur de characteristics som de- finierats ska anv¨andas. De nyckelord som ¨overf¨ors till mottagarenheten f¨or att beskriva en vridsekvens ¨ar ocks˚a definierade tillsammans med apputvecklaren.
Kapitel 6. Utf¨orande 6.2. Mjukvarudesign Nedan beskrivs de characteristics som anv¨ands f¨or transport av data:
BUTTON EVENT
Applikationen skriver till denna characteristic d˚a en en knapptryckning registrerats i telefonapplikationen.
NEW PROGRAM
Telefonen skriver hit d˚a ett nytt program finns tillg¨angligt. Datan som skrivs ¨ar programmets antal rader.
ROW REQ
Hit skriver processorn n¨ar den ¨ar redo att ta emot en programrad. Datan som skrivs ¨ar den rad som efterfr˚agas.
PROGRAM ROW
Characteristic som anv¨ands f¨or att f¨ora ¨over en programrad till proces- sorn. En rad best˚ar av ett nyckelord kodat i ASCII. Nyckelordet kan efterf¨orljas med ett meddelande som kan visas p˚a sk¨armen d˚a raden exekveras. Exempel p˚a programrader; START, FACE, EDGE, WAIT Xs, REPEAT och END.
DISPLAY
Uppdateras med aktuellt meddelande fr˚an programrad.
REPEAT
Hit skrivs aktuell repetition och totalt antal repetitioner n¨ar ett program k¨ors.
TIME
Uppdateras kontinuerligt med den tid det ¨ar kvar innan tavlan g¨or en vridning.
Programmet skickas ifr˚an applikationen d¨ar det ocks˚a delas in i rader med nyckelord och parameter. I processorn tas raderna emot en i taget och
Figur 6.5: Seriell kommunikation
6.2. Mjukvarudesign Kapitel 6. Utf¨orande
Figur 6.6: Grafisk beskrivning ¨over hur characteristicsen anv¨ands som proto- koll mellan MCU och applikation.
ett program byggs upp. Listing 1 visar hur ett program kan vara uppbyggt.
F¨orsta ordet i en rad ¨ar ett nyckelord, efterkommande ord ¨ar en parameter som skrivs till applikationen. Undantag f¨or WAIT och REPEATS som tolkar parametern som v¨anttid eller antal repetitioner.
1 PROGRAM Training 2 BEGIN
3 FACE
4 DISPLAY Wait for start 5 WAIT I _ S T A R T
6 DISPLAY RUNNING 7 REPEAT 2
8 EDGE
9 WAIT 3 s
10 FACE
11 WAIT 2 s
12 ENDREPEAT 13 END
Listing 1: Exempelprogram.
Bluetooth-modulen ¨ar programmerad att k¨ora i API-mode. Detta f¨or att kunna kommunicera med en frist˚aende processor. API:n heter BGAPI och BGLib-biblioteket anv¨ands f¨or att implementera API:n. Biblioteket inneh˚aller funktioner f¨or att skicka kommandon, hantera svar p˚a kommandon och att han- tera events som skickas till och fr˚an modulen. Biblioteket har integrerats i pro- jektet genom att tv˚a funktioner, recive_api_packet() och write_api_packet(), implementerats f¨or att ta emot och skicka data ¨over UART.
Kapitel 6. Utf¨orande 6.3. Vridst¨all
6.3 Vridst¨ all
6.3.1 Design
Alla vridst¨allets delar ¨ar designade i CAD-programmet Catia V5 [49]. Se Figur 6.7. Detaljerade ritningar ¨over de ing˚aende delarna ¨ar ocks˚a framtagna i Catia V5. Se Bilaga F.
Figur 6.7: Bild p˚a vridst¨allet fr˚an designen i Catia.
6.3.2 Vridst¨ allets utformning
St¨alldon och elektronik ¨ar monterat i en l˚ada som ocks˚a fungerar som bas f¨or vridst¨allet. Detta f¨or att skydda de k¨ansliga komponenterna mot avfyrade skott.
L˚adans golv, tak, fram- och baksida best˚ar av en 2mm tjock st˚alpl˚at som bockats till dess form. Pl˚atens tjocklek g¨or att den t˚al att uts¨attas f¨or uppre- pade skott utan att deformeras. St˚alets tyngd g¨or att vridst¨allet f˚ar tillr¨acklig massa f¨or att st˚a stabilt d˚a vridningar utf¨ors. Materialet ¨amnar sig v¨al f¨or svetsning vilket underl¨attar fasts¨attning av lagerhus och ¨ovriga mekaniska komponenter. L˚adans sidov¨aggar best˚ar av plexiglas f¨or att Bluetooth-signalen inte ska blockeras.
Tv˚a mekaniska stopp ¨ar fastsvetsade i l˚adans golv. Deras funktion ¨ar att f¨orhindra att axeln vrids mer ¨an 90 grader. Se Figur 6.8. En brytare ¨ar monterad p˚a vardera stopp som bryter str¨ommen till motorn n¨ar ¨andl¨aget ¨ar n˚att. Axeln ¨ar lagrad p˚a tv˚a st¨allen f¨or att inget glapp ska uppst˚a. Lagringarna
6.3. Vridst¨all Kapitel 6. Utf¨orande
¨ar monterade inuti varsitt lagerhus som ¨ar svetsade i l˚adans golv respektive tak. Axeln str¨acker sig strax ovanf¨or l˚adans tak. P˚a axelns ¨ovre ¨ande monteras enkelt ett kulf˚ang med en axel av valfri l¨angd. Figur 6.9 visar den f¨ardiga prototypen.
Figur 6.8: Mekaniska stopp, brytare och nedre lagerhus.
Figur 6.9: F¨ardig prototyp.
Kapitel 6. Utf¨orande 6.3. Vridst¨all
6.3.3 Styrning
Inuti vridst¨allet sitter, ut¨over kretskort och brytare, tv˚a rel¨an. Dessa ¨ar tillsammans med brytarna kopplade i en krets som m¨ojligg¨or styrning av vridst¨allet p˚a samma s¨att som de gamla systemen, vilka ocks˚a ska kunna styras med mottagarenheten. Se figur 6.10. Rel¨aerna ¨ar kopplade i en H-
Figur 6.10: Kopplingsschema ¨over vridst¨allets bryggkrets.
brygga f¨or att motorn ska kunna k¨oras i b˚ada riktningar. Utsignalen fr˚an mottagaren h˚alls h¨og s˚a l¨ange tavlan ska befinna sig i sitt respektive l¨age.
N¨ar ett mekaniskt ¨andl¨age n˚as bryts kretsen till rel¨aet, det slutar att vara draget och p˚a s˚a vis bryts ocks˚a matningen till motorn.
Kapitel 7 Resultat
F¨oljande kapitel inleds med en ¨oversiktlig beskrivning av systemet och mjuk- varan. D¨arefter presenteras resultat fr˚an tester och m¨atningar.
7.1 System¨ oversikt
Figur 7.1 visar de mest vitala delarna hos systemet och hur de samspelar.
Instruktioner skickas fr˚an en smartphone via en Bluetooth-modul till proces- sorn. Processorn sl˚ar av och p˚a rel¨ana s˚a som instruerats fr˚an smartphonen.
Rel¨ana styr motorn som utf¨or vridningen av vridst¨allet. En bryggkrets f˚ar att motorn att stanna i dess ¨andl¨age och m¨ojligg¨or drift av motorn i b˚ada riktningar.
Figur 7.1: System¨oversikt
