BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Liberec 2007

Josef Šišovský

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

Konstrukce počítačem řízeného laboratorního zdroje

Josef Šišovský

Studijní program: P 2612 – Elektrotechnika a informatika

Studijní obor: 2612R011 – Elektronické informační a řídicí systémy Pracoviště: Ústav řízení systémů a spolehlivosti

Fakulta mechatroniky a mezioborových

inženýrských studií

Technická univerzita v Liberci Hálkova 6, 461 17 LIBEREC 1 Školitel: Ing. Jiří Jelínek PhD.

Konzultant: Ing. Jan Václavík

Rozsah bakalářské práce Rozsah příloh bakalářské práce

Počet stran: 48 Počet stran: 3

Počet obrázků: 30 Počet obrázků: 0

Počet tabulek: 8 Počet tabulek: 0

Zadání – přední strana

Zadání – zadní strana

Konstrukce počítačem řízeného laboratorního zdroje

Jméno: Josef Šišovský

Anotace

Cílem této bakalářské práce je návrh a sestavení stabilizovaného laboratorního zdroje s možností nastavení napěťového a proudového omezení pomocí počítače. V rešeršní části práce jsou uvedeny základní informace o stabilizovaných laboratorních zdrojích, sériové komunikaci a jednočipovém mikroprocesoru DS89C450 od firmy Dallas Instrumentation. Část práce popisující realizaci funkčního vzorku je tvořena návrhy elektronických obvodů a návrhy plošných spojů výkonové a řídící části.

Softwarová část je programována v programu Keil uVision. Uživatelské rozhraní je navrženo v programu Delphi. Výsledkem bakalářské práce je funkční vzorek laboratorního zdroje.

Klíčová slova

RS-232

Sériové rozhraní

Mikrokontrolér

Plošné spoje

Delphi

Keil uVision

Laboratorní zdroje

Construction of computer - controlled laboratory power supply unit

Name: Josef Šišovský

Abstract

The aim of this thesis is to design and assemble a laboratory regulated power supply with the possibility to set voltage and current limit using a computer. The research part provides basic information about laboratory regulated power supplies, serial communication and the single-chip processor DS89C450 by Dallas Instrumentation. The part of the thesis describing the realization of the function specimen consists of the designs of electric and printed circuits of the power and control part. The software is programmed in Keil uVision. The user interface was designed using the Delphi program. The thesis results in a function specimen of a laboratory power supply.

Keyword:

RS-232

Serial bus

Microprocessor

Printed wiring

Delphi

Keil uVision

Laboratory power supply

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.).

Jsem si vědom toho, že užít své bakalářské práce, či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.

18. 5. 2007 Josef Šišovský

………

Poděkování

Touto cestou bych chtěl poděkovat především vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Jelínkovi, PhD. konzultantovi Ing. Janu Václavíkovi za odborné vedení, trpělivost a pomoc při zpracování této bakalářské práce.

Mé velké poděkovaní patří také celé mé rodině za všestrannou podporu při mém vysokoškolském studiu.

Obsah

Obsah... 9

Seznam použitých zkratek a symbolů ... 11

Seznam obrázků ... 12

Seznam tabulek... 13

Úvod... 14

1 Stabilizované laboratorní zdroje ... 15

1.1 Principy transformace elektrického napětí a proudu... 15

1.2 Způsoby transformace použité u stabilizovaných laboratorních zdrojů ... 15

2 Řízení laboratorních zdrojů pomocí počítače ... 16

2.1 Sériové rozhraní RS-232C ... 16

2.1.1 Popis rozhraní ... 16

2.1.2 Příklady použití... 19

2.2 Rozhraní USB ... 19

2.3 Rozhraní IEEE 488 ... 21

2.4 Komunikační protokoly ... 22

3 Mikrokontrolér DALLAS DS89C450 ... 23

3.1 Architektura mikrokontroléru DALLAS... 23

3.2 Paměti... 24

3.3 Vstupní a výstupní porty ... 25

3.4 Sériový kanál... 25

3.4.1 Stručný popis registrů sériového kanálu... 26

3.4.2 Převodníky z diskrétních součástek TTL a V. 28... 27

3.4.3 Integrované obvody MAX225 ... 29

3.5 Přerušení... 30

3.6 Čítače a časovače ... 30

4 Návrh počítačem řízeného laboratorního zdroje ... 31

4.1 Volba jednočipového počítače ... 31

4.2 Volba hlavních prvků analogové části ... 31

4.3 Digitálně-analogové převodníky... 32

4.3.1 D/A převodník DAC0808... 32

4.4 Ovládací prvky pro přímé ruční řízení zdroje ... 34

4.4.1 Inkrementační čidlo RE20S s mikrospínačem... 34

5 Konstrukce a realizace zdroje... 35

5.1 Sériově vyráběný laboratorní zdroj EP-613... 35

5.2 Parametry transformátoru... 35

5.3 Napájení řídících obvodů ... 37

5.4 Mikropočítačem řízená analogová část... 37

5.5 Digitální obvodová část... 38

5.6 Návrh a metody plošných spojů... 39

5.6.1 Návrhový software EAGLE... 39

5.6.2 Postup výroby funkčního vzorku desky plošného spoje... 40

6 Softwarová část... 43

6.1 Programování mikrokontroléru... 43

6.1.1 Komunikační protokol ... 43

6.1.2 Tvorba a vývoj programu ... 44

6.2 Grafické uživatelské rozhraní ... 45

Závěr... 47

Literatura... 48

PŘÍLOHY BAKALÁŘSKÉ PRÁCE ... 49

Seznam příloh ... 50

A Obsah příloh v elektronické podobě na CD... 51

Přílohy v elektronické podobě ... CD

Seznam použitých zkratek a symbolů

f [Hz] frekvence

U [V] napětí

I [A] proud

Vo [V] výstupní napětí

VREF [V] referenční napětí

VCC [V] napájecí napětí

Bd [Bd] modulační rychlost

Log.1, Log.0 logická úroveň

DC stejnosměrné napětí

GND uzemnění

D/A digitálně – analogový převodník

Byte jednotka množství informace

RS-232 sériové rozhraní

IEEE488 rozhraní

TTL logika integrovaných obvodů

Seznam obrázků

Obrázek 1: Principiální schéma sériového přenosu ... 17

Obrázek 2: Toleranční pole napětí signálů ... 17

Obrázek 3: Konektor CANON 9 („samička a samec“) ... 18

Obrázek 4: Rozložení signálů v kabelu a konektoru USB ... 20

Obrázek 5: Názorné zobrazení rozhraní IEEE 488 ... 21

Obrázek 6: Příklad rozložení příkazu SCPI... 22

Obrázek 7: Vnitřní blokové schéma mikrokontroléru DALLAS ... 23

Obrázek 8: Rozdělení paměti mikrokontroléru ... 24

Obrázek 9: Komunikace dvou systému pomocí 3 vodičů ... 25

Obrázek 10: Registr SCON... 26

Obrázek 11: Rozložení bitů v režimu 2 ... 27

Obrázek 12: Příklad zapojení převodníku TTL – V. 28 ... 27

Obrázek 13: Příklad zapojení převodníku V. 28 – TTL ... 28

Obrázek 14: Rozmístění vývodů a blokové schéma obvodu MAX225... 29

Obrázek 15: Časový průběh ... 30

Obrázek 16: Převodní charakteristika D/A převodníku ... 32

Obrázek 17: Blokové schéma DAC0808... 33

Obrázek 18: Typické zapojeni DAC0808... 33

Obrázek 19: Blokové schéma rotačního kodéru RE20S... 34

Obrázek 20: Generované obdélníkové průběhy... 34

Obrázek 21: Schematická značka trafa s identifikací sekundárního vinutí ... 36

Obrázek 22: Funkce řízení analogové částí ... 37

Obrázek 23: Základní okno programu EAGLE a nové okno na kreslení schéma... 39

Obrázek 24: Expozice desky... 41

Obrázek 25: Vyvolání DPS v lázni chloridu železitého ... 41

Obrázek 26: Rozložení byte komunikačního protokolu ... 43

Obrázek 27: Vývojový diagram... 44

Obrázek 28: Grafické uživatelské rozhraní ... 45

Obrázek 29: Zobrazené okno s nápovědou... 46

Obrázek 30: Zobrazené informační okno ... 46

Seznam tabulek

Tabulka 1: Tabulka užívaných modulačních rychlostí ... 16

Tabulka 2: Napěťové úrovně V. 28 ... 17

Tabulka 3: Signály rozhraní RS-232 na konektoru CANON9 ... 18

Tabulka 3: Popis konektoru USB ... 20

Tabulka 5: Módy sériového kanálu nastavující bity SM0 a SM1... 26

Tabulka 6: Parametry zdroje... 35

Tabulka 7: Účinnost transformátoru ... 36

Tabulka 8: Tabulka důležitých parametrů digitální části... 38

Úvod

Cílem této bakalářské práce je sestrojení funkčního vzorku laboratorního napěťového a proudového zdroje s rozsahy 0 – 30 V a 0 – 3 A, řízeného jak pomocí počítače přes sériové rozhraní RS-232, tak i pomocí manuálního nastavovaní hodnot na čelním panelu za pomoci inkrementačních čidel.

K dispozici byl nefunkční laboratorní zdroj s výrobním označením EP-603 od firmy Manson. Po konzultaci se školitelem jsme došli ke společnému názoru, že nejvýhodnější bude využít jen funkční trafo a case, do které bude uložena celá hardwarová část této práce.

Při sestavování hardwarové stránky práce jsem čerpal informace převážně z odborné literatury a znalostí konzultanta Ing. Václavíka. K realizaci analogové části bylo z velké části použito standardních postupů a běžných součástek, jako jsou např.

tranzistory, diody, odpory a operační zesilovače. V části digitální jsou využity spíše modernější způsoby návrhu i součástky. Obě části jsou pak propojeny a překresleny v programu EAGLE a je navrhnut plošný spoj daného zdroje. Desky s plošnými spoji byly po konzultaci s Doc. Ing. Zdeňkem Plívou Phd. vyrobeny v univerzitní laboratoři.

Pro komunikaci mezi funkčním vzorkem laboratorního zdroje a počítače bylo zapotřebí seznámit se s problematikou sériové komunikace a komunikačními protokoly.

Tyto znalosti byly následně využity pro sestavení grafického uživatelského rozhraní, které je psáno ve vývojovém prostředí Delphi 6, za pomoci komponenty Async32, jíž jsem získal od školitele Ing. Jelínka Phd., a pomocí které lze přistupovat k sériovému portu.

Pro identifikaci zadaných hodnot napětí či proudu je nutno vytvořit komunikační protokol pro mikrokontrolér, aby si dokázal poradit s rozlišením hodnot. Program pro identifikaci parametrů hodnot je napsán ve vývojovém prostředí Keil uVision. Dále je napsaný program přetransformován a importován do paměti mikroprocesoru pomocí programu MTK 2.3.00 (Dallas semiconductor microcontroller tool kit).

Úvodní tři kapitoly mají seznámit čtenáře s principy a vlastnostmi laboratorních zdrojů, architekturou mikrokontroléru a s problematikou komunikace mezi laboratorními zdroji a počítači. Zbývající tři kapitoly se zabývají podrobnými informacemi načerpaným při realizaci funkčního vzorku, vývojem komunikačního protokolu pro daný mikrokontrolér a grafického uživatelského rozhraní.

1 Stabilizované laboratorní zdroje

1.1 Principy transformace elektrického napětí a proudu

Převodníky výkonu používají různé konstrukce a principy. Dominantním prvkem bývá transformátor. Pokud je transformátor konstruován na střídavé napětí napájecí sítě (sinus 50 Hz nebo 60 Hz), mluvíme o lineárním převodníku výkonu.

Obvod je doplněn minimálně diodovým můstkem a vyhlazovací kapacitou. Podle potřeb napájeného obvodu následuje lineární stabilizátor napětí a případně proudové omezení.

Lineární převodníky výkonu se stabilizací dosahují celkové účinnosti maximálně 50 %.

Druhou velkou skupinou jsou spínané převodníky výkonu. Od lineárních se odlišují zejména tím, že k transformaci nevyužívají přímo frekvenci napětí napájecí sítě (sinus 50 Hz nebo 60 Hz). Nejčastěji je počátečním prvkem diodový můstek a vyhlazovací kapacita. Následuje řízený střídač, transformátor, dvou diodový usměrňovač a filtrace vzniklého rušení. Spínané převodníky dosahují účinnosti 80 % až 90 %.

1.2 Způsoby transformace použité u stabilizovaných laboratorních zdrojů

Laboratorní zdroje jsou z pohledu převodníků výkonu (elektrického napětí a proudu) speciální oblastí. Laboratorní zdroj musí být vybaven spojitým regulátorem napětí a proudu (proudového omezení). Je obvyklé, že regulace napětí je možná od 0 V až do konkrétní hodnoty napětí (20 V, 30 V, 40 V, 50 V a výjimečně až 300 V). Pro funkčnost zařízení nesmí být na výstupu zvlnění, ani jiné rušení. Účinnost a hmotnost přístroje nejsou tak podstatné parametry ve srovnání s napájecími zdroji v elektronických přístrojích. Z těchto důvodů je téměř výhradně používáno lineárních konstrukcí.

2 Řízení laboratorních zdrojů pomocí počítače

Nové měřicí přístroje a inteligentní senzory jsou standardně vybaveny rozhraním pro komunikaci s počítačem. Pomocí vhodného programového vybavení je možné odečítat měřené veličiny a konfigurovat složitější zařízení.

Počítačová rozhraní lze rozdělit podle způsobu komunikace na sériové a paralelní. Zařízení, spojená sériovým rozhraním, přenáší data v daném směru vždy po jednom signálovém vodiči. Paralelní komunikace se odehrává pomocí osmi nebo i více signálových vodičů.

2.1 Sériové rozhraní RS-232C

V roce 1962, u americké asociace pro elektronický průmysl EIA, bylo normováno sériové rozhraní dnes známé pod názvem norma EIA RS-232. Poslední úprava této normy je s příponou „C“ a je platná dodnes. Toto rozhraní bylo dále normováno doporučením CCITT pod článkem V. 24 (odtud přenesené rozhraní V. 24) [6].

2.1.1 Popis rozhraní

Sériové rozhraní RS-232 pracuje s asynchronním přenosem dat. Je zde důležitá modulační rychlost, která může být pro každé rozhraní jiná a jejíž hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Tabulka užívaných modulačních rychlostí [6]

Modulační rychlost Perioda

(Bd = Baud) (ms) Poznámka 50 20,0 75 13,3

110 9,09 jen RS-232

150 6,67 300 3,33 600 1,667 1200 0,883 2400 0,417 4800 0,2083 9600 0,10417 19200 0,052083 38400 0,02604167

Rozhraní obsahuje kromě vlastních datových signálů též signály řídící pro řízení přenosu informací mezi dvěma zařízeními (viz obrázek 1).

Obrázek 1: Principiální schéma sériového přenosu [6]

Z elektrického hlediska se u rozhraní RS-232C používají tzv. nesymetrické vazební obvody podle doporučení CCITT V. 28. Doporučení RS-232C tedy definuje funkci obvodů rozhrání a doporučení V. 28 způsob jejích elektrické realizace. Přiřazení minimálních úrovní signálu v absolutní hodnotě jeho logickým hodnotám je uvedeno v tabulce 2 [6].

Tabulka 2: Napěťové úrovně V. 28 [7]

Datové signály

Úroveň Přijímač Vysílač Log 0 od +3V do +25V od +5V do +15V Log 1 od -3V do -25V od -5V do -15V Nedefinovatelný od -3V do +3V

Řídící signály

Signál Řídící jednotka Ovladač

"Off" od -3V do -25V od -5V do -15V

"On" od +3V do +25V od +5V do +15V

Obrázek 2: Toleranční pole napětí signálů [7]

Na obrázku 2 je vyobrazeno toleranční pole logických stavů. Napájecí napětí obvodů se pohybuje v rozmezí od ±5V do ± 25V. Pro jednotlivé účely byla navržena řada obvodů pro převod úrovní TTL na V. 28 a naopak. Mezi první komunikační obvody se řadily obvody 75xxx, v dnešní době odvozené spíše od MAX232.

V tabulce 3 je uvedeno označení, stručný popis funkce jednotlivých signálů, pro srovnání označení těchto signálů podle RS-232C a čísla příslušných vývodů použitého konektoru CANON 9. Signály použité pro CANON25 jsou podrobněji popsány v odborné literatuře [6].

Tabulka 3: Signály rozhraní RS-232 na konektoru CANON9 [7]

Vývod Označení Popis funkce

Číslo RS-232 V.24 Zkratky Anglicky Česky 1 CF 109 DCD Data Carrier Detect detektor úrovně 2 BB 104 RxD Receive Data přijímaná data 3 BA 103 TxD Transmit Data vysílaná data

4 CD 108.2 DTR Data Terminal Ready připravenost komunikovat terminál 5 AB 102 SGND Signal Ground signálová zem

6 CC 107 DSR Data Set Ready připravenost komunikovat modem 7 CA 105 RTS Request to Send výzva k vysílání

8 CB 106 CTS Clear to Send pohotovost k vysílání 9 CE 125 RI Ring Indicator indikátor volání

Konektor pro sériovou komunikaci v počítači je značen COM s konektorem se špičkami CANON 9 („samec“) a koncové zařízení je osazeno konektorem se zásuvkami („samička“). Konektor si můžeme prohlédnout na obrázku 3.

Obrázek 3: Konektor CANON 9 („samička a samec“) [7]

2.1.2 Příklady použití

Rozhraní RS-232C patří mezi nejrozšířenější rozhraní u komerčně vyráběných počítačů, mikropočítačů a řídicích systémů. Vyrábí se i celá řada periferních zařízení vybavených tímto rozhraním. RS-232C tedy dovoluje doplnit mikropočítač nejen různými periferiemi, nýbrž je i začlenit do různých počítačových sítí, ať už lokálních nebo dálkových [6].

Sériový přenos dat lze realizovat pomocí čtveřice signálů 103 až 106, pochopitelně za přítomnosti zemního vodiče 102. Je-li přijímač připraven přijímat data, odešle na vstup počítače 106 (CTS) stav log. 1. Počítač okamžitě reaguje vysláním jednoho znaku v rytmu dohodnuté rychlosti. Při komunikaci opačným směrem hlásí počítač signálem 105 (RTS) v log. 1 svou připravenost k vysílání [6].

Vlastní řízení přenosu rozhraním se provádí buď programově, nebo lépe specializovanými komunikačními obvody typu UART. Tyto obvody pracují jako asynchronní nebo synchronní přijímače nebo vysílače sériového signálu. Taktéž generují některé ze signálů podle doporučení RS-232C [6].

2.2 Rozhraní USB

Rozhrání USB (Universal Serial Bus) bylo vyvinuto pro připojení periferních zařízení, především pak multimediálních, k osobnímu počítači. Hlavní myšlenkou rozhraní USB bylo nahradit veliký počet různých připojovacích míst a konektorů na počítači jednotným způsobem bez nutnosti zasahovat do počítače a rekonfigurovat systém. Periferie se nakonfiguruje v okamžiku fyzického připojení na sběrnici.

Umožňuje připojení až 127 zařízení různých druhů (klávesnice, myš, modem, malé kamery, tiskárny, dokonce disková zařízení, atd.).

Dostupná přenosová rychlost i pro multimediální použití je od Low Speed 1,5Mbits/s do Full Speed 12Mbits/s pro fyzickou vrstvu USB 1.1. Nová verze USB 2.0 je rozšířena o vrstvu High Speed s rychlostí 480MBits/s. Aby byla dodržena správná konfigurace a nedocházelo ke ztrátám dat, musí byt dodržena komunikační vzdálenost 5m.

Elektrické uspořádání je dvoubodové. K přístrojům s USB rozhraním lze připojit pouze jeden dvoubodový spoj. Více zařízení je možné propojit pomocí rozbočovačů (hub). Vzniká tak stromovitě hvězdicová struktura.

Jednou z velkých výhod je snadná obsluha. Periferní zařízení lze připojit na sběrnici za chodu počítače, bez toho, abychom museli počítač restartovat. USB řadič automaticky rozpozná, jaký ovladač a jakou přenosovou rychlost zařízení vyžaduje.

Velkou výhodou rozhraní jsou napájecí vodiče v propojovacích kabelech, jimiž přiváděné napětí je 5V (viz. obrázek 4). Každé zařízení může odebrat relativně velký proud (až 500 mA). Pokud však není napájen rozbočovač z vlastního zdroje, platí výše uvedená hodnota pro všechny přístroje, připojené k příslušnému rozbočovači dohromady.

Obrázek 4: Rozložení signálů v kabelu a konektoru USB [11]

Jednotlivé vodiče, jejich rozvržení a jaké jsou barvy, jsou popsané v tabulce 4.

Tabulka 4: Popis konektoru USB

Pin Název Barva Popis 1 Vcc červená 5V DC 2 D- Bílá Data (odesílaná data) 3 D+ zelená Data (přijímaná data) 4 GND černá Ground (zem)

Měřicí přístroje s rozhraním USB nejsou příliš rozšířené, ačkoliv je výrobci v současné době nabízí. Důvodem je především vyšší cena přístrojů. Cena systémů postavených na USB je zatížena především náročným vývojem software. Vývoj ovladačů je nutné provést pro většinu operačních systémů a je především nutné zajišťovat podporu pro nové operační systémy ještě před jejich uvedením na trh.

Rozhraní USB zaznamenalo v minulých letech obrovský rozmach. Dnes už běžně proniká i do oblastí měřicí techniky. Přístroje často používají jednotný přístup k USB rozhraní (virtuální komunikační porty a podobně), čímž je vývoj zjednodušen (není nutné vyvíjet speciální ovladače pro operační systém).

2.3 Rozhraní IEEE 488

Toto rozhraní vyvinula začátkem sedmdesátých let společnost Hewlett Packard pod označením HP-IB (z anglického názvu Hewlett Packard Interface Bus). Firmou Agilent je označení HP-IB používáno jako registrovaná známka dodnes.

Hlavní myšlenkou bylo propojení různých měřících systému do jednoho velkého komplexního systému pro automatické měření, regulaci a zpracování naměřených údajů.

Obrázek 5: Názorné zobrazení rozhraní IEEE 488 [9]

Standardizační instituce IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) publikovala v roce 1975 rozhraní HP-IB pod označením IEEE 488. Rozhraní bylo dále rozvíjeno a poslední verze rozhraní je pod označením IEEE 488.2, kde jsou přesně definované operační vlastnosti přístrojů včetně ošetření chybových stavů.

Struktura tohoto rozhraní je oproti předchozím složitá. IEEE používá paralelní i sériovou komunikaci. Základní vlastnosti rozhraní IEEE 488:

• Maximální počet funkčních jednotek zapojených v systému 15(počítač + 14 zařízení),

• Maximální celková délka sběrnice 20m, mezi dvěma přístroji max. 2m,

• Počet vodičů sběrnice 24: - 8 datových linek,

- 5 pro posílání jednovodičových zpráv, - 3 pro řízení přenosu dat,

- 8 zemních vodičů,

• Maximální přenosová rychlost 1MB/s (nově HS488 až 8MB/s),

• Negativní logika TTL (log 1 < 0,8V, log0 > 2V).

2.4 Komunikační protokoly

Komunikační protokol je v podstatě specifikace, která definuje postupy a parametry, které se používají při vysílání a příjmu dat, např. definice formátů dat, chybové kontroly, atd. Musí zajistit takový formát zobrazování přenášení dat, který lze na jedné straně přijímače jednoznačně dekódovat, a poskytnout možnost vyloučit chyby způsobené přenosem signálu.

Jeden z nejrozšířenějších komunikačních „jazyků“ ve světě řídící techniky je komunikační protokol pod názvem SCPI. Zkratka SCPI pochází z anglického názvu Standard Commands for Programmable Instrumentation. S protokolem SCPI je možné se setkat u měřících přístrojů devíti nejvýznamnějších firem.

Vlastnosti protokolu SCPI:

• Pracuje na tzv. stromové struktuře,

• Příkazy jsou odděleny znaky : nebo ;.

Obrázek 6: Příklad rozložení příkazu SCPI

3 Mikrokontrolér DALLAS DS89C450

Vznik mikrokontroléru vyvolal doslova revoluci v elektrotechnice, podobně jako v minulosti první transistor. Vývoj se rozvíjel a nadále se rozvíjí ve dvou vlnách.

Mikroprocesory používané v počítačích, dnes již známé 32bitové nebo 64bitové, mikroprocesory používané v řízení, měření, atd. Mikroprocesory používané v řídící technice se nazývají mikrokontroléry, nebo jednočipové mikropočítače.

V běžném životě se s nimi můžeme setkat i v domácnosti, například v mikrovlnné troubě, televizi, mobilním telefonu, atd.

3.1 Architektura mikrokontroléru DALLAS

Mikrokontrolér je 8bitový jednočipový mikropočítač s Harvardskou strukturou, u níž je datová a programová část oddělena stejně jako je tomu u rozšířenějšího standardu 8051.

Vnitřní struktura mikrokontroléru DALLAS je zobrazena na obrázku 7.

Obrázek 7: Vnitřní blokové schéma mikrokontroléru DALLAS

Srdcem mikrokontroléru je centrální mikroprocesorová jednotka CPU, jejíž podstatnou částí je jednotka aritmeticko-logická. Ta umožňuje pracovat s jednotlivými bity paměti, vykonávat instrukce programu atd. Centrální jednotka je propojena s pamětí dat a programu pomocí 8bitové sběrnice. Dále jsou ke společné sběrnici připojeny 4 vstupní/výstupní porty, které umožňují připojení k mikrokontroléru vnější periferie. Pro komunikaci s řídicím systémem nebo spolupracujícími mikrokontroléry je jednočipový mikroprocesor vybaven dvěma plně duplexními sériovými kanály.

3.2 Paměti

Mikroprocesor DALLAS má oddělenou na paměť datovou a programovou.

Programová je typu ROM nebo FLASH o rozsahu od 1kB do 64kB a datová typu RAM o rozsahu 256kB. Tyto paměťové prostory jsou přístupné přímou a nepřímou adresací instrukcí. Paměť dat lze dále rozdělit na interní a externí.

Na obrázku 8 je znázorněna v levé části.

Obrázek 8: Rozdělení paměti mikrokontroléru

Interní datová paměť má paměťový prostor rozdělen na dva bloky:

• LOWER – Dolní 128b,

• UPPER – Horní 128b,

Adresování paměťového prostoru je vždy 8bitové. Interní paměť RAM nižší časti, obsahuje čtyři banky registrů označených RB0 až RB3 a každá banka registrů obsahuje 8 byte R0 až R7. Uvedené banky jsou umístěné na adresách 00H až 1FH.

Oblast 16-ti následujících adres 20h až 2Fh je bitově adresovatelná oblast paměti RAM.

Zbývající oblasti paměti tj. adresy 30h až 7Fh, jsou určeny pro univerzální použití. Skupina speciálních registrů SFR je umístěna na adresách 80h až FFh.

3.3 Vstupní a výstupní porty

Vstupní/výstupní porty, dále jen v/v porty, nám slouží k připojení dalších vnějších periferií k mikrokontroléru, pracujících s logickými signály (log. 0 a log. 1), např. diody, tlačítka, D/A převodníky, atd. K dispozici jsou 4 v/v porty, z nichž má každý k činnosti 8 pinů. Porty jsou označeny P0, P1, P2 a P3. Pokud chceme označit určitý pin určitého portu, používáme např. zápis P0.1, kde 0 udává port a 1 udává příslušný pin daného portu. Jak už z názvu vyplývá, jedná se o porty obousměrné, v nichž jednotlivé piny lze používat jak vstupní i výstupní.

3.4 Sériový kanál

Jednou z velkých výhod procesoru, zvláště při jeho vzniku, jsou dva plně duplexní sériové kanály integrované na čipu procesoru, který dokážou komunikovat ve standardním 8 a 9bitovém asynchronním režimu, nebo 8bitovém synchronním režimu s pevnou přenosovou rychlostí. K výraznému usnadnění v komunikaci s řídicím systémem nám pomáhá jeden integrovaný obvod s označením MAX225 (viz. 3.4.3).

Obrázek 9: Komunikace dvou systému pomocí 3 vodičů

Velkou výhodou plně duplexního kanálu je možnost součastně odesílat a přijímat data po tomto kanálu, který tvoří minimálně tři vodiče (viz. obrázek 9).

Přijímací kanál je obohacen o vyrovnávací registr, do kterého jsou ukládány právě přijaty bity, čímž je umožněn okamžitý příjem dalšího bitu. Zde se předpokládá, že přijatý bit bude převzat dříve, než je dokončen příjem dalšího odeslaného bitu, což by mohlo mít za následek, že předešlý bit bude přepsán. Jedinou nevýhodou procesoru je, že nemá indikátor, který indikuje ztrátu přijatého bitu, chybu přeplnění, chybu rámce a parity, nebo indikaci přerušení.

3.4.1 Stručný popis registrů sériového kanálu Pro práci se sériovým kanálem jsou registry rozdělené:

• bit SMOD v registru PCON ovlivňující přenosovou rychlost

• SBUF – datový registr, sloužící pro příjem a vysílaní znaku. Zápisem znaku naplňujeme vysílací registr, čtením SBUF je přečtena z vyrovnávacího registru, do kterého byla přepsána z přijímacího registru po přijetí celého Byte.

• SCON – řídící registr, který konfiguruje vlastnosti sériového kanálu.

Skládá se z 8 bitů, jejichž rozložení a úloha je zobrazena na obrázku 10.

bity 7 6 5 4 3 2 1 0 SCON SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI

Obrázek 10: Registr SCON

Sériový kanál může pracovat ve čtyřech módech, zobrazených v tabulce 5, v závislosti na naprogramování registru SCON a nejvyššího bitu v registru PCON.

Tabulka 5: Módy sériového kanálu nastavující bity SM0 a SM1[3]

SM0 SM1 Mód Režim Přenosová rychlost 0 0 1 8bitový synchronní přenos OSC/12

0 1 2 8bitový asynchronní přenos čítač1/časovač1 1 0 3 9bitový asynchronní přenos OSC/32 nebo OSC/64 1 1 4 9bitový asynchronní přenos čítač1/časovač1

Jednotlivé režimy sériového kanálu, nastavované pomocí bitů SM0 a SM1, se liší charakterem přenosu (synchronní ^x asynchronní), dále délkou znaku a nastavitelnou přenosovou rychlostí. Pro práci z výše uvedených módů nejvíce vyhovuje mód 2.

Podrobný popis zbylých módů naleznete [3][4].

V režimu 2 pracujeme s 8bitovým asynchronním přenosem. Bity se vysílají na TxD (portu P3.1) a přijímají na RxD (portu P3.0). Přenos začíná start-bitem (log. 0), následuje 8 datových bitů, v pořadí od nejméně po nejvíce významný bit a poslední je stop-bit (log. 1) jak je znázorněno na obrázku 11.

Přenosová rychlost je dána přetečením časovače 1. Lze ji zdvojnásobit pomocí nastavení bitu SMOD v registru PCON.

Obrázek 11: Rozložení bitů v režimu 2 [11]

3.4.2 Převodníky z diskrétních součástek TTL a V. 28

V této kapitole si probereme konkrétní realizaci rozhraní podle doporučení V.28 s diskrétními součástkami. V další kapitole je popsán speciální integrovaný obvod MAX225.

Obrázek 12: Příklad zapojení převodníku TTL – V. 28 [6]

Pro názornost je na obrázku 12 uveden příklad realizace konkrétního zapojení převodníku výstupního rozhraní TTL – V. 28, sestaveného z diskrétních součástek.

Použité napětí na obrázku 12 bývá u většiny mikropočítačů nižší než zde uvedených 12V.

Obrázek 13: Příklad zapojení převodníku V. 28 – TTL [6]

Na obrázku 13 je uveden příklad realizace vstupního obvodu pro převod V. 28-TTL pomocí integrovaného obvodu 74LS04.

3.4.3 Integrované obvody MAX225

V dnešní době jsou pro převod z TTL na V. 28 nejvíce využívány integrované obvody typu MAX od firmy MAXIM. Velkou výhodou těchto obvodů je, že pro svoji činnost vyžadují jen jediné napětí 5V. Asi nejčastěji využívaným obvodem je MAX232.

Pro tuto práci ale použijeme MAX225. Tento obvod se liší od známého obvodu MAX232 tím, že nepotřebuje pracovní kondenzátory a má větší počet převodních členů.

Tím se tedy realizace výrazně zjednoduší. Na obrázku 14 je zobrazeno rozložení vývodů v pouzdře a blokové schéma obvodu.

Obrázek 14: Rozmístění vývodů a blokové schéma obvodu MAX225

MAX232 je využitelný jen po dvou členech a MAX225 obsahuje pět členů převodu TTL-V.28 a pět členů převodu V. 28 - TTL. Potřebné napětí 12V generuje integrovaný měnič napětí, pracující na principu tzv. nábojové pumpy.

3.5 Přerušení

Přerušovací systém je u mikroprocesoru užitečná, avšak začátečníky nepříliž oblíbená věc. Umožňuje jakousi komunikaci mezi hlavním programem a hardwareovými částmi mikroprocesoru. To znamená, že během vykonávání hlavního programu vyšle hardwarová část, v závislosti na typu přerušení, požadavek do CPU, a to pomocí řadiče přerušení. Je-li od dané hardwarové části přerušení povoleno, dojde k němu u hlavního programu a spustí se program obsluhující toto nově vzniklé přerušení. Po dokončení uvedeného programu dojde k návratu do hlavního programu na místo, v němž došlo k přerušení, jak je zobrazeno na obrázku 15.

Obrázek 15: Časový průběh [11]

3.6 Čítače a časovače

Čítače a časovače tvoří nezbytnou součást mikroprocesoru. Pod pojmem čítač si lze představit určité paměťové místo, ke kterému se přičítá log. 1 na základě zjíštění náběžné nebo sestupné hrany sledovaného vnějšího signálu, jímž může být například výstupní signál z indukčního, fotoelektrického čidla. Funkce časovače je v podstatě stejná jako u čítače, s tím rozdílem, že sledovaný signál je vnitřní, se známím průběhem a konstantní frekvencí. Nazýváme jej hodinový. Časovač se používá ve funkci zpoždění. Mikroprocesor DALLAS má 2 čítače/časovače. To znamená, že můžeme pro svoji práci využít jeden jako časovač a druhý jako čítač. Označení paměťového prostoru pro čítač0/časovač0 je T0, kde je dále rozdělen na vyší Byte TH0 a nižší Byte TL0 z celkového 16bitového obsahu čítače a časovače. Zjištění změny na vstupu T0 a T1 trvá dva cykly a má maximálně čítanou frekvenci vnějšího signálu 1/24 frekvence oscilátoru mikropocesoru. V bakalářské práci je použit krystal 12MHz. Z těchto údajů je zřejmé, že maximální frekvence čítaného signálu je 0,5MHz.

4 Návrh počítačem řízeného laboratorního zdroje

4.1 Volba jednočipového počítače

Před začátkem návrhu digitální části bakalářské práce jsem si musel pečlivě rozmyslet, jaký jednočipový mikroprocesor použít. Vybíral jsem ze dvou firem, Atmel a Dallas, které se problematikou a výrobou jednočipového mikroprocesoru zabývají.

Hlavním předpokladem mikroprocesoru byla softwarová část, která by dokázala komunikovat s programy použitými pro tuto práci. Další věc, podstatná pro výběr, byla ekonomická stránka. Proto jsem použil mikroprocesor Dallas. Vyhovoval programovému vybavení umožňujícímu vyhotovení této bakalářské práce a další kladnou stránkou vybraného mikroprocesoru byla možnost objednání dvou funkčních vzorků z internetových domovských stránek firmy Dallas zcela zdarma.

4.2 Volba hlavních prvků analogové části

Analogová část je v zapojení tvořena dvěma operačními zesilovači, z nichž na výstupu je jedním regulováno napětí a druhým proud. Nežádoucí vyšší harmonické složky napětí jsou na výstupu odfiltrovány kondenzátorem. Výkonovou část na vstupu tvoří tři tranzistory, které mají za úkol zesílit na hodnotu přijatelnou oběma operačními zesilovači napětí. Obvodové schéma je uloženo ve formátu zobrazení v *.jpg na

přiloženém CD.

Digitálně-analogové převodníky

Digitálně-analogové převodníky (dále jen D/A) umožňují transformaci číslicově vyjádřené informace na analogové napětí. Dovolují tedy propojení mezi číslicovou a analogovou částí řídicího systému. D/A převodníky mohou být realizovány buďto výhradně technickými, nebo kombinovanými technickými a programovými prostředky.

D/A převodníky zajišťují převod vstupních číslicových signálů na výstupní analogový signál, a to na hodnotu elektrického napětí či proudu. Tyto výstupní informace však nejsou spojité, tudíž mohou nabývat pouze diskrétních hodnot (jsou schodovité).

Obrázek 16: Převodní charakteristika D/A převodníku [10]

4.2.1 D/A převodník DAC0808

Pro převod logické informace do analogového signálu jsme museli vybrat vhodný převodník, který bude pro patřičný převod informace dostačující. Rozhodovali jsme se mezi dvěma firmami, Dallas Instrumentation a National Seminductor, které převodníky vyrábí. Pro daný případ se zdál jako nejvhodnější kandidát 8bitový převodník od firmy National Seminductor. Při výběru jsme se zaměřovali především na dané parametry:

Vstupní napětí: 5V

Referenční napětí: 5V

Setting time: 150nS

Na obrázku 17 je znázorněno blokové schéma 8bitového převodníku DAC8080, které najdeme s podrobným popisem v katalogovém listu k danému převodníku na přiloženém CD.

Obrázek 17: Blokové schéma DAC0808

Na obrázku 18 je zobrazeno základní zapojení převodníku, které bylo použito pro tuto práci, aby převodník pracoval podlé údajů prodejce.

Obrázek 18: Typické zapojeni DAC0808

Výstupní analogové napětí vyplývá ze vzorce (4.3).



 



 + + + + + + +

⋅

=



 



 + + + + + + +

⋅

=

256 128 64 32 16 8 4 5 2

256 128 64 32 16 8 4 2

8 7 6 5 4 3 2 1 0

8 7 6 5 4 3 2 0 1

A A A A A A A V A

V

A A A A A A A V A

V _REF

(4.3)

4.3 Ovládací prvky pro přímé ruční řízení zdroje

Pro ruční nastavovaní požadovaných hodnot na laboratorním zdroji existují dvě možnosti. První je nastavování hodnot na zdroji pomocí změny napětí či proudu pomocí potenciometru, druhá použití inkrementačního čidla. Při zvolení druhé možnosti budeme moci na zdroji nastavovat ručně parametry námi volené hodnoty proudu a napětí.

4.3.1 Inkrementační čidlo RE20S s mikrospínačem

Inkrementační čidlo, též známé pod názvem rotační kodér, je zařízení, které na výstupu generuje dva obdélníkové průběhy posunuté přibližně o 90º, a pomocí logické elektroniky lze snadno zjistit směr otáčení.

Obrázek 19: Blokové schéma rotačního kodéru RE20S

Následně čteme při jedné hraně jednoho průběhu stav druhého signálu a podle toho, zda je v log. 1 nebo log. 0 přičítáme nebo odečítáme, jak je možné vidět na obrázku 20.

Obrázek 20: Generované obdélníkové průběhy

5 Konstrukce a realizace zdroje

5.1 Sériově vyráběný laboratorní zdroj EP-613

V dnešní době se můžeme setkat s mnoha druhy sériově vyráběných laboratorních zdrojů od různých firem a s různými požadavky na výstupní parametry.

Pro tuto bakalářskou práci byl použit sériově vyráběný zdroj od firmy Manson typ EP-613. Po konzultaci s vedoucím bakalářské práce Ing. Jelínkem Phd. jsme došli k názoru, že daný zdroj použijeme na náhradní díly a sestavíme celou výkonovou část podle námi určených požadavků se synchronizací navrženou ovládací částí. Ze zdroje jsme použili trafo a case s čelním panelem. Celá výkonová a ovládací část zdroje je navržena podle předem definovaných parametrů. Obě části jsou popsány v následujících kapitolách.

5.2 Parametry transformátoru

Jak jsem již zmínil v kapitole 5.1, pro tuto práci bylo použito z daného zdroje výkonové trafo. V tabulce 6 jsou zpracované informace o daném trafu a parametrech sestrojovaného zdroje.

Tabulka 6: Parametry zdroje

Vstupní napětí 230V/50Hz Výstupní napětí 0 - 30V

Výstupní proud 0 - 3A Výkon trafa 90VA

Na obrázku 21 je zobrazeno schematické označení trafa. Z obrázku je patrné, že sekundární vinutí je rozděleno dle potřeby. První se nazývá sekundární regulační vinutí.

Je použito pro řiditelné napětí a je dále rozděleno na nižší a vyšší zátěž. Přepínaní mezi zátěží je vyřešeno manuálně, pomocí přepínače na zadní straně skříně. Další rozdělení sekundárního vinutí je použito dle potřeby na napájecí napětí pro řídící digitální část, sériové rozhraní RS-232, výstupní piny na předním panelu 5V a 12V a napájení operačních zesilovačů v analogové časti.

Obrázek 21: Schematická značka trafa s identifikací sekundárního vinutí

Rozdělení sekundárního vinutí dle využití:

• 1 vinutí 0 – 20 – 35 V ~ ke stabilizaci výstupního napětí 0 – 30V=

• 2 vinutí 14 V ~ napájecí napětí pro výstupní piny 5V= a 12V= na čelním panelu

• 3 vinutí 9 V ~ napájecí napětí 5V= pro obvod MAX 225

• 4 vinutí 0 – 14 – 28 V ~ je použito napájecí napětí ±15V= pro operační zesilovače z kladné svorky je dále napájeno 5V= digitální část (mikroprocesor, DAC převodníky atd.)

Tabulka 7: Účinnost transformátoru

výkon P [W] <10 10 - 100 100 - 1000 účinnost η [%] 70 80 90

Z informací z tabulky 7 lze určit, že účinnost transformátoru je 80%.

5.3 Napájení řídících obvodů

Z předchozí kapitoly jsme se dozvěděli jak je rozdělené střídavé sekundární napětí a jaké obvody jsou jím napájeny. Střídavé sekundární napětí je přetransformováno pomocí usměrňovače, napěťových regulátorů řady 78XX a 79XX a dalších aktivních i pasivních součástek na námi požadované stejnosměrné napětí.

Navržené obvody jsou uvedeny na přiloženém CD.

5.4 Mikropočítačem řízená analogová část

Řízení mikroprocesorem spočívá analogové části ve vyhodnocení dat z odeslaných hodnot nastavených v uživatelském rozhraní, nebo nastavováním požadovaných hodnot pomocí inkrementačních čidel, použitých jako manuální nastavení zdroje.

V mikroprocesoru se data zpracují a po vyhodnocení požadavku jsou odeslány na výstupní porty mikroprocesoru. Výstupní porty mikroprocesoru jsou propojeny se vstupními piny D/A převodníku. V D/A převodníku se digitální informace převede na analogový signál. Výstup z D/A převodníku je připojen na invertující vstup operačního zesilovače. Zde se signál zesiluje pomocí zpětné vazby a porovnává se vstupním neinvertujícím signálem. Celé detailní obvodové schéma je uloženo ve formátu pro zobrazení *.jpg na CD.

Obrázek 22: Funkce řízení analogové částí

5.5 Digitální obvodová část

Digitální obvodovou část tvoří čtyři základní prvky. Mikroprocesor, převodník pro sériovou komunikaci RS-232, inkrementační čidlo a D/A převodník. Při shromažďování informací pro finální návrh digitální části jsem vycházel z katalogových listů použitých součástek. Nejdůležitějším krokem bylo sestrojení hardwarové části pro komunikaci mezi mikrokontrolérem a počítačem. Jak je již uvedeno v teoretické části, v popisu jaké součástky jsou použity, bylo možné navrhnout ovládací část. V tabulce 8 je možné si prohlednout shrnutí důležitých parametrů.

Tabulka 8: Tabulka důležitých parametrů digitální části

Mikrokontrolér DALLAS DS89C450 Integrovaný obvod MAX225 Napájecí napětí +5V Vcc Napájecí napětí +5V Vcc

GND GND GND GND

Výstupní pin z IO* Vstupní pin z PC

RxD_1 Pin 3.0 RxD Pin R1OUT

TxD_1 Pin 3.1 TxD Pin T1IN

CTS Pin T2OUT

Výstupní pin z IČ* Výstupní pin z

IO*

A [napětí] Pin P1.0 RxD_1 Pin R1IN

B [napětí] Pin P1.1 TxD_1 Pin T1OUT

A [proud] Pin P1.2 CTS_1 Pin T2IN

B [proud] Pin P1.3

Výstup Byte [V] pin P0.0 až pin P0.7 D/A převodník DAC0808 Výstup Byte [A] pin P2.7 až pin P2.0 Napájecí napětí +5V Vcc

GND GND

Inkrementační čidlo RE20S Vstupní pin z uP*

Napájecí napětí +5V Vcc 6.bit Pin A1

GND C 5.bit Pin A2

Výstupní pin z IČ* 4.bit Pin A3

A [napětí] Pin A 3.bit Pin A4

B [napětí] Pin B 2.bit Pin A5 A [proud] Pin A 1.bit Pin A6

B [proud] Pin B 0.bit Pin A7 Analogový výstup Pin I0

5.6 Návrh a metody plošných spojů

Při návrhu plošných spojů je třeba si uvědomit jejich základní pravidla. Za prvé si přejeme, aby vyvíjené zařízení bylo plně funkční, jeho provoz spolehlivý a bezpečný, ale též bereme v úvahu finanční nákladnost a výrobní náročnost desky. Dále je velmi důležitá i jejich estetická stránka.

5.6.1 Návrhový software EAGLE

Program Eagle je jeden z nejrozšířenějších, uživatelsky přívětivých zahraničních vývojářských editorů pro návrh plošných spojů v Evropě. Název Eagle vznikl z původního názvu Easily Applicable Graphical Layout Editor. Je dodáván ve třech funkčních verzích light (volně šiřitelná verze určená pro nekomerční využití), standart a professional (verze určená pro komerční využití). Rozdíl mezi nimi je ve velikosti navrhované desky, signálových vrstev a počtem listů schématu.

Návrhový systém se skládá ze 3 modulů:

A) Editor schémat, B) Editor plošných spojů, C) Autorouter.

Součástí obou hlavních modulů je editor knihoven.

Obrázek 23: Základní okno programu EAGLE a nové okno na kreslení schémat

Modul schémat umožňuje vytváření elektrických schémat. Součástky jsou uloženy v knihovnách, které musí být součástí každého modulu. Jsou v nich seřazeny podle schematické značky a pouzdra. Může se stát, že požadovanou součástku v knihovnách nenalezneme. V tom případě postupujeme tak, že si editor knihoven i součástku vytvoříme sami podle našich požadavků. Vytvoření elektrického obvodu se provádí vkládáním schematických značek součástek z knihoven na pracovní plochu, propojením pinů součástek a označením uzlů. Vloženým součástkám lze přiřazovat hodnotu i název, dále jim mohou být změněny jednotlivé parametry, jako je například pouzdro, technologie, popisek, nebo přiřazení do určité vrstvy. Součástky na pracovní ploše lze libovolně otáčet, posouvat, zrcadlit, kopírovat a dávat do skupin. Velkou výhodou programu EAGLE v modulu schémat je funkce ERC, která umožňuje v navrženém obvodu zkontrolovat, zda je dodržena správnost elektrického propojení součástek. Po ukončení kreslení schématu je návrh převeden do editoru plošných spojů.

Editor schémat umožňuje tvorbu až 99 listů schématu (verze Light je omezena pouze na 1 list).

Do editoru plošných spojů se z editoru schémat převede seznam součástek a netlist. Součástky s naznačeným propojením nožiček jsou umístěny mimo vyznačenou desku a postupným vkládáním je rozmístíme dle potřeby. Nyní nastává výběr způsobu spojení cest mezi součástkami. Signály propojené mezi součástkami lze naroutovat ručně (cestu po cestě), nebo použitím autorouteru, který provede všechny možnosti vedení cest a nakonec vybere variantu s největším počtem naroutovaných cest s požadavkem co nejnižší ceny. Ne vždy je autorouter výhodný, protože nehledí na délky naroutovaných cest. Podrobnější informace [2].

5.6.2 Postup výroby funkčního vzorku desky plošného spoje

Postup výroby desky si lze rozdělit do několika kroků. Prvním je navrhnout matrici plošného spoje a vytisknout na průhlednou fólii. Dále si obstaráme fotocitlivou cuprextitovou desku. Je to deska s plátovanou mědí, která je pokrytá vrstvou fotorezistu.

Třetím krokem je tzv. expozice desky, což znamená, že vezmeme desku na nějakou podložku a položíme ji tak, aby fotorezistem ležela vzhůru. Na tuto svrchní stranu přiložíme vyrobenou matrici plošného spoje. Vlastní expozici desky (viz.obrázek 24) provedeme lampou o výkonu 200W, ze vzdálenosti 40 cm, po dobu 2 minut (zde uvedený čas osvitu a vzdálenost je třeba nejprve vyzkoušet na vzorku a změnit je v závislosti na použitém výkonu lampy a stáří fotorezistu).

Obrázek 24: Expozice desky

Po expozici desky nastává proces zvaný vyvolání. Desku položíme osvětlenou částí nahoru a umístíme jí do misky s vývojkou, tj. 1,5% roztoku NaOH tak, aby deska byla zcela ponořena. V rukou, pozvolným „houpacím způsobem“, začneme roztok s deskou míchat. Úkon provádíme tak dlouho, dokud jsou na osvětlených místech patrné stopy fotorezistu. Po vyvolání desky opláchneme pod vodou. Důkladně očištěnou desku vložíme do předem připravené lázně chloridu železitého (viz. obrázek 25). Po uplynutí cca 10 až 15 minut se z desky odstraní přebytečná měď. Vyleptanou desku důkladně opláchneme pod tekoucí vodou a usušíme. Dále nastává velmi důležitý a náročný úkol, a to vyvrtání děr podle předem určeného rozmístění součástek. Dalším krokem je zajištění zabránění oxidace desky. Toho dosáhneme potřením desky kalafunou rozpuštěnou v technickém lihu. Dosavadní úkony připravily desku na napájení součástek. Takto upravenou ji osadíme součástkami, tak jak je předem navrženo ve vývojovém prostředí EAGLE. Po té začneme součástky k desce zapájet.

Předposledním úkolem je odstranění přebytečné kalafuny za použití lihu např. starým zubním kartáčkem. Před finální verzí desky provedeme poslední úpravu, a to nalakování, které zabrání vlhkosti spojů a její oxidaci.

Obrázek 25: Vyvolání DPS v lázni chloridu železitého

5.6.3 Způsoby montáže a pájení elektronických součástek

Způsobů montáže a pájení elektronických součástek existuje velká řada.

Základní rozdělení montáže:

• Strojní (převážně sériová výroba plošných spojů),

• ruční (při vývojových pracích, opravách, atd.).

Dalším důležitým kritériem pro rozdělení je, zda jsou použity součástky klasických pouzder nebo v SMD. V této bakalářské práci jsou použity součástky klasických pouzder z důvodů zhotovení desek plošných spojů za použití ruční metody osazování a pájení součástek. Podrobné informace o strojních metodách montáže a pájení elektronických součástek, jak klasických pouzder, tak SMD, jak lze najít v doporučené literatuře[1].

Než začneme zhotovovat pájecí spoj, u nějž samozřejmě požadujeme, aby byl kvalitní, musíme dodržovat několik základních úkonů:

• uvedeme pájené části součástek do vhodné pozice,

• naneseme tavidlo (např. kalafunu),

• ohřejeme spoj na potřebnou teplotu,

• přivedeme pájku do spoje,

• pájený spoj nechat ochladit,

• a daný spoj očistit.

I když budeme velice opatrní, musíme si stále uvědomovat, že ruční metoda není dostatečně kvalitní a musíme počítat s chybami, které mohou nastat z důvodu, že :

• není možné dodržet opakovaně přesné úkony pro každý spoj stejný,

• konstantní tepelné zatížení každého spoje je stejné,

• množství pájky ve spoji.

6 Softwarová část

Druhou polovinou této bakalářské práce je softwarová část. Aby navržený laboratorní zdroj fungoval podle našich požadavků, musel jsem vytvořit programové vybavení pro mikroprocesor, díky čemuž nyní dokáže správně vyhodnotit, jaké požadavky na něj máme a jak přesně má pracovat. Druhá stránka softwarové části je uživatelské rozhraní, kterým budeme komunikovat s daným řídícím mikroprocesorem laboratorního zdroje. Postup i návrh programu s popisem najdeme v následujících podkapitolách.

6.1 Programování mikrokontroléru

Programování mikrokontroléru je důležitou součástí této bakalářské práce. Zde, aby daný laboratorní zdroj pracoval tak, jak požadujeme, jsem musel vytvořit program, kterým bude možno nastavit požadované funkce mikroprocesoru. Musel jsem proto navrhnout takový program, kterým bude mikroprocesor schopný detekovat výstupní signály z inkrementačních čidel, nebo ze sériové komunikace, a který je dále porovná a odešle na výstupní port dané proudové nebo napěťové hodnoty.

Co se týče programového vybavení, použil jsem k jeho vytvoření vývojové prostředí programu Keil uVision, pro import s konfigurovaného *.HEX souboru (tzv.

strojového kódu) z vytvořeného programu do mikroprocesoru softwarové vybavení přímo od výrobce pod názvem MTK 2.3.00 (Dallas semiconductor microcontroller tool kit). Všechny uvedené programy naleznete na přiloženém CD.

6.1.1 Komunikační protokol

V případě, kdy chceme posílat po sériové sběrnici pouze jeden druh příkazu, to znamená nastavení námi požadované hodnoty napětí nebo proudu. Zvolil jsem jednoduchý komunikační protokol.

Byte 1 2 3 4 5

U Hodnota napětí

Hodnota

proudu

Obrázek 26: Rozložení Byte komunikačního protokolu

Komunikační protokol se skládá z pěti Byte, což je možné si prohlédnout na obrázku 26. První Byte je určen jako rozpoznávací znak, kterým určíme, zda se jedná o hodnotu proudu nebo napětí. Následující dva Byte jsou použity pro hodnotu napětí a zbylé dva pro zadání požadované hodnoty proudu.

6.1.2 Tvorba a vývoj programu

Tvorba programu od počátku myšlenky k úplnému konci funkčního produktu obsahuje několik fází. V první fázi jsem musel určit, jak bude vypadat vývojový diagram, z kterého budu dále pokračovat.

Obrázek 27: Vývojový diagram

Jak je vidět z vývojového diagramu, program je rozvržen do tří hlavních částí.

První jsem nazval inicializace hardware. Je zaměřena na nastavení vnitřních a fyzických proměnných pro detekování výstupu z inkrementačních čidel a z odeslaných dat ze sériové linky a dále na inicializaci výstupních portů pro nastavení požadovaných hodnot napětí a proudu na výstupu laboratorního zdroje.

Druhou částí je takzvaná hlavní programová smyčka. Zde je program zaměřen na sledování změn z inkrementačního čidla, výpočet vnitřních proměnných a hlídaní jejich hodnot. Závěrečným úkolem této části je odeslání požadovaných dat na výstupní porty.

Třetí a zároveň poslední částí programu je přerušení od sériového portu. Jedná se zde o celkové nastavení a komunikaci mezi počítačem a mikroprocesorem.

6.2 Grafické uživatelské rozhraní

Druhou softwarovou částí této práce je vytvoření uživatelsky přívětivého prostředí pro komunikování mezi počítačem a laboratorním zdrojem. Zde jsem využil grafického rozhraní programu DELPHI 6. Základním prvkem pro vytvoření uživatelského prostředí je komponenta Form1, do které jsou přidány další komponenty, které tvoří celek a výsledek je uživatelské prostředí, jak je zobrazeno na obrázku 28.

Obrázek 28: Grafické uživatelské rozhraní

Uživatelské rozhraní tvoří rozbalovací menu pro výběr portu, přes který budeme komunikovat s laboratorním zdrojem, tlačítko Připojit, jímž lze softwarově propojit počítač s mikroprocesorem, dvě pole, do kterých zapíšeme požadované hodnoty napětí a proudu a tlačítko Nastav, umožňující odeslání požadované hodnoty do mikroprocesoru, kde budou zpracovány.

Postup při prvním použití zdroje je popsán v nápovědě, kterou najdeme v hlavním menu pod ikonkou . Po jejím stisku se zobrazí nové okno, v němž je stručně popsán postup práce s laboratorním zdrojem (viz. obrázek 29).

Obrázek 29: Zobrazené okno s nápovědou

Poslední tlačítko , jež se nachází v hlavní nabídce, informuje, o jaký software se jedná, a pro jaký účel byl vypracován. Okno, které se objeví po jeho stisku, je možné si prohlédnout na obrázku 30.

Obrázek 30: Zobrazené informační okno

Závěr

Hlavními cíly této bakalářské práce bylo navrhnutí hardwarové a softwarové části měřícího laboratorního zdroje s možností komunikace přes sériovou sběrnici s počítačem. Při zpracování úlohy jsem se podrobně seznámil s problematikou laboratorních zdrojů a komunikace s měřící ústřednou přes sériové rozhraní. Výsledkem je funkční laboratorní zdroj, který lze ovládat dvěma způsoby. Prvním ze způsobů je možnost manuálním nastavením požadovaných hodnot pomocí inkrementačních čidel na čelním panelu samotného zdroje. Druhým ze způsobů ovládání zdroje je napojení na sériovou sběrnici. Komunikace se zdrojem probíhá přes sériový port a hodnoty napětí a proudu lze nastavit přes vytvořený počítačový program. V grafickém uživatelském rozhraní se nastaví, přes jaký port si přejeme komunikovat a námi požadované hodnoty odešleme do mikroprocesoru, který je zpracuje.

Veškeré podklady, vytvořené programy, fotodokumentace, schémata obvodů, katalogové listy a práce samotná jsou uloženy v elektronické podobě na přiloženém CD.

Literatura

[1] Starý J. Plošné spoje a povrchová montáž. VUT v Brně.

[2] Abel M. Plošné spoje se SMD, návrh a konstrukce.

Pardubice: Platan, 2000. ISBN 80-902733-2-7.

[3] Skalický P. Mikroprocesory řady 8051.

[4] Matoušek D. Práce s mikrokontroléry ATMEL. 2. vyd.

Praha: BEN, 2002. 264 s. ISBN 80-7300-094-6.

[5] Krejčiřík A. Napájecí zdroje I. 2. vydání. Praha: BEN, 1998. 351 s.

ISBN 80-86056-02-3.

[6] Vlach J. Počítačová rozhraní – přenos dat a řídící systémy.

2. vyd. Praha: BEN, 2001. 176 s. ISBN 80-7300-010-5.

[7] HW server s.r.o. HW server představuje RS – 232. [online].

[cit. 5. 3. 2007]. Dostupné z: <http://rs232.hw.cz/index.html>.

[8] Peter S. Komunikační protokoly. [online]. [cit. 5. 3. 2007]. Dostupné z:

<http://www.pcsvet.cz/art/article.php?id=5242>.

[9] ČVUT, Rozhraní HP_IB. [online]. [cit. 6. 5. 2007]. Dostupné z:

<http://measure.feld.cvut.cz>.

[10] TUL, Ústav informačních technologii a elektroniky.

A/D a D/A převodníky. [online]. [cit. 6. 5. 2007]. Dostupné z:

<http://www.ite.tul.cz/data/prevodniky.pdf>.

[11] VUT Brno, Fakulta informačních technologii. Sériové rozhraní.

[online]. [cit. 19. 3. 2007]. Dostupné z:

<http://merlin.fit.vutbr.cz/FITkit/docs/firmware/20060414ser.html>.

[12] Pollak Z. Napájecí regulovatelný zdroj 2006. Bakalářská práce.

TUL 2006.

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

PŘÍLOHY BAKALÁŘSKÉ PRÁCE

Josef Šišovský

Seznam příloh

Přílohy v elektronické podobě ...CD

Přílohy v elektronické podobě

• Bakalářská práce

• Datasheet

• Fotografie

• Obrázky a tabulky v písemné části

• Schémata EAGLE

• Software mikroprocesor

• Software uživatelské rozhraní

• Programy