Projektowanie urządzeń elektronicznych

 

Programowalny wzmacniacz toru analogowego miernika cząstek.
Parametry:

• współpraca z przedwzmacniaczem sygnału światła;
• 8 wzmocnień wybieranych spośród 22 możliwych, od 0,125 do 176;
• amplituda sygnału wejściowego ±14V;
• zakres amplitudy sygnału na wyjściu ±3V;
• pasmo 5MHz;
• offset zera na wyjściu ustawiany cyfrowo w zakresie od 0 do 2000mV;
• potencjometr kalibracyjny;
• 12-bitowy pomiar sygnału światła fotokomórki w zakresie napięć ustalanym na etapie montażu płyty;
• konfiguracja płyty przez HyperTerminal;
• opcjonalna izolacja galwaniczna wyboru wzmocnienia i interfejsu sygnału światła fotokomórki;

W mierniku cząstek przedwzmacniacz sygnału światła jest pierwszym stopniem wzmocnienia. Jego zadaniem jest oddzielenie sygnału światła od sygnału cząstki i wprowadzenie obu tych sygnałów w dwa różne tory.

Czasem zdarza się, że do szybkiego prototypowania potrzebuję mikrokontrolera, powierzchnia płytki jest niewielka, za to wysokość relatywnie nieograniczona. Oto taka płyteczka z niemal gołym uC.

Sercem moduliku jest mikrokontroler STM32F103CBT6. Rdzeniem tego układu jest ARM Cortex-M3. Opis samego rdzenia można znaleźć w wielu publikacjach, czy to na stronie producenta rdzenia, czy sięgając po pozycje książkowe w języku polskim.

Możliwości układu STM32F103CB są przebogate:

• rdzeń Cortex-M3 z wielopoziomowym i zagnieżdżanym systemem przerwań;
• pamięć programu flash 128kB;
• pamięć danych RAM 20kB;
• cztery timery;
• dwa interfejsy SPI;
• dwa interfejsy I2C;
• trzy interfejsy szeregowe USART;
• jeden interfejs USB;
• jeden interfejs CAN;
• dwa niezależne 12-bitowe przetworniki analogowo-cyfrowe, które obsługują do 10 kanałów analogowych;
• rozbudowany układ taktowania rdzenia i peryferiów, z zegarem zewnętrznym rozpędzanym przez wewnętrzną pętlę PLL do 72MHz.

Schemat płytki jest na schemacie niżej.

Płytka ma wymiary 37 x 30mm. 30mm wymiaru jest powiększone o 2.5mm tworzywa trzymającego razem szpilki złącza J1 plus długość samych szpilek.

Programik demonstracyjny wykorzystujący niektóre peryferia ma następujące możliwości:

• generacja przebiegu prostokątnego i zmiennym wypełnieniu z zadaną częstotliwością na linii ;
• parametry generowanego przebiegu: częstotliwość od 20mHz do 1,4118MHz, wypełnienie od 0 do 100%;
• parametry są zapisywane do pamięci nieulotnej po kilku sekundach od ostatniej zmiany;
• zmiany nastaw generatora przez dowolny program terminala (np. HyperTerminal), parametry transmisji 115200, 8,N,1; wystarczy przewodem USB A-miniB połączyć płytkę z pecetem, znaleźć właściwy numer portu szeregowego oraz ustawić podane parametry transmisji;

Generator ultradźwiękowy do dozownika drobnych cząstek. Częstotliwość generatora 38-42kHz, dostrajana do wzbudnika umieszczonego w dozowniku. Moc ultradźwięków regulowana liniowo oraz przez kluczowanie generatora sygnałem PWM.

 

W replikach broni ASG klasycznym układem połączeń zasilających silnik jest obwód elektryczny zawierający w spuście elektromechaniczny włącznik stykowy. Prądy płynące w obwodzie sięgają w szczycie kilkudziesięciu amperów. Przy zwalnianiu spustu pojawia się łuk elektryczny, który za każdym razem wypala powierzchnię styku, tworząc kratery. Powierzchnie styku stają się chropowate i coraz słabiej przylegające do siebie. Im większy prąd w obwodzie, tym łuk jest bardziej agresywny wobec styku. Im bardziej styk zużyty i wypalony, tym jego rezystancja jest większa, a więc mniej energii dociera do silnika.
Radą na tę wadę rozwiązania klasycznego jest ten układ włącznika elektronicznego, który wykorzystuje tranzystor MOSFET dużej mocy. Tranzystor MOSFET pełni rolę włącznika sterowanego napięciem. Po zastosowaniu włącznika elektronicznego, przez włącznik spustu płynie tylko prąd kilkudziesięciu miliamperów zapobiegający utlenianiu styków i nie tworzący łuku elektrycznego. Dodatkową funkcją jest hamulec zatrzymujący silnik natychmiast po zaniku napięcia na silniku. Prąd maksymalny stosowanych tranzystorów MOSFET przekracza 230A, a rezystancja kanału w stanie włączenia to 0,003 oma.

Układ ma blokadę oddania strzału przy zbyt rozładowanym akumulatorze. Na etapie produkcji są ustawiane dwa progi blokady, po jednym dla akumulatora 7.4V i akumulatora 11.1V. Wybór napięcia znamionowego akumulatora jest wykonany w czasie produkcji, ale jest możliwa zmiana przez założeniem do broni. Pobór prądu czuwania jest mniejszy od 5mA, dlatego zastosowano wyłącznik elektromechaniczny.

Płytka elektroniki współpracuje z czujnikami gazów produkcji Dynament w wersji 5- i 4-nóżkowej. Interfejsem komunikacyjnym jest Modbus oparty na RS485 o parametrach transmisji 9600,8,N,1. Wykrywane gazy to: dwutlenek węgla, metan, butan.

Poniżej cały moduł umieszczony w fabrycznym gnieździe pomiarowym.

W poprzednich wykonaniach mierników cząstek jako zasilacz diody oświetlającej stosowano regulowany stabilizator napięcia. Nie było to wygodne, gdyż niewielka zmiana napięcia stabilizacji skutkowała relatywnie dużą zmianą prądu diody. To źródło prądowe eliminuje tę niedogodność.

Rejestrator zbierał dane o położeniu elektrowozu, odczytywał trakcyjny licznik energii (energia pobrana z sieci i oddana do sieci) i przesyłał dane przez ftp na serwer. Tam na mapie Google można było śledzić położenie pociągu oraz zużycie energii na trasie.

 

Różniczkowanie wyników po czasie pozwalało na obliczenie mocy np. w czasie startu lokomotywy ze stacji.

Zostały wykonane dwie sztuki urządzenia, jedna trafiła na elektrowóz i jeździła na trasie Warszawa – Łódź, druga została u mnie jako egzemplarz zapasowy. Po wygaszeniu projektu drugi egzemplarz jeździł w samochodzie jako lokalizator, wprawdzie duży, ale skuteczny.

Moduł pomiarowy czujnika niskich ciśnień ma za zadanie przetworzenie analogowego sygnału czujnika ciśnienia na cyfrowy i przekazanie do modułu nadrzędnego w formie 12 bitów wystawionych równolegle na złącze. Program w mikrokontrolerze wykonuje uśrednianie wyniku według jednego z algorytmów:

• 90% poprzedniego wyniku plus 10% z bieżącej próbki;
• 95% poprzedniego wyniku plus 5% z bieżącej próbki;
• średnia arytmetyczna z 256 ostatnich próbek;
• średnia arytmetyczna z 1024 ostatnich próbek;
• średnia arytmetyczna z 2048 ostatnich próbek;

Okres próbkowania jest ustawiany od 3 do 1000ms.

Moduł współpracuje z czujnikami Honeywella do pomiaru niskich ciśnień (kilka cali słupa wody) i służy do pomiaru prędkości przepływu gazu w zwężce Venturiego.