5. Vaihe, kytkennän toiminnan kuvaus - Oamk
5. Vaihe, kytkennän toiminnan kuvaus - Oamk
5. Vaihe, kytkennän toiminnan kuvaus - Oamk
Transform your PDFs into Flipbooks and boost your revenue!
Leverage SEO-optimized Flipbooks, powerful backlinks, and multimedia content to professionally showcase your products and significantly increase your reach.
Pekka Rantala 11.10.2010<br />
Sulautettu laite - Laitteiston toteuttamisen vaiheet<br />
1. <strong>Vaihe</strong>, lämpötila-anturin valinta<br />
Ryhmä tutustuu yleisimmin käytettyihin lämpötila-anturityyppeihin. Säteilyyn perustuvat<br />
ratkaisut jätetään tästä tarkastelusta pois. Tutustuttavat anturityypit ovat:<br />
• Termopari (Thermocouple)<br />
• Termistori (Thermistor)<br />
• Vastusanturi (RTD, Resistance Temperature Detector)<br />
• Integroitu piiri (Integrated circuit)<br />
Ryhmä tekee muutaman sivun power-point-esityksen, jossa esittelee selvityksensä<br />
tulokset. Esityksessä pitää tuoda ilmi seuravia asioita:<br />
- Mitä tarkoittaa termit PTC ja NTC? Pelkkä suomennos ei riitä.<br />
- Kaikille neljälle anturityypille<br />
o Tyypillinen mittausalue<br />
o Tyypillinen mittaustarkkuus<br />
o Hintaluokka (ainakin eri tyyppien järjestys hinnan suhteen)<br />
o Mikä on se fysikaalinen ilmiö, johon lämpötila-anturin toiminta perustuu<br />
o Mikä on anturin antama lähtösuure (virta, jännite, resistanssi,…)<br />
o Anturin antaman lähtösuureen lineaarisuus (suhteessa lämpötilaan)<br />
o Plussat ja miinukset (hyviä ja huonoja ominaisuuksia)<br />
- Mikä tuntuisi ryhmän mielestä sopivimmalta anturityypiltä nyt tehtävään<br />
lämpömittariin?<br />
Ryhmä perustaa itselleen omalle verkkolevylle tätä projektia varten kansion, jonne<br />
kerätään työn edetessä syntyvät dokumentit talteen. Tallettakaa nyt tekemänne esitys<br />
sinne.<br />
2. <strong>Vaihe</strong>, anturikytkennän suunnittelu<br />
Avatkaa itsellenne word-dokumenttipohja, johon kirjoitatte muistiin seuraavissa vaiheissa<br />
selvittämiänne asioita. Avatkaa myös Excel-ohjelma, jolla piirretään ominaiskäyriä.<br />
Tallentakaa kaikki piirtämänne ominaiskäyrät talteen.<br />
Tällä opintojaksolla käytetään tällaista anturia. Samaan sarjaan kuuluu useita eri<br />
resistanssiarvon antureita, nyt otetaan käyttöön R 25 :10 kΩ -anturi.<br />
Mikä on käytettävän anturin värikoodi?<br />
Ominaiskäyrä 1<br />
Piirtäkää Excelillä anturin ominaiskäyrä: lämpötila-resistanssi<br />
- Ominaiskäyrän x-akselina on lämpötila, y-akselina resistanssi<br />
- Selvittäkää, mikä on anturin resistanssi lämpötilassa -30 ⁰C, 0 ⁰C ja +30 ⁰C<br />
- Näin saatte anturin ominaiskäyrältä kolme toimintapistettä, joiden kautta käyrä<br />
siis kulkee.
Pekka Rantala 11.10.2010<br />
Kun ominaiskäyrä on valmis, esittäkää se opettajalle.<br />
Anturikytkentä<br />
Käytettävälle lämpötila-anturille suunnitellaan kytkentä, jolla se liitetään<br />
mikrokontrollerille. Tässä dokumentissa sivulta 116 alkaen luvussa <strong>5.</strong>6 on esitetty viisi<br />
erilaista vaihtoehtoista kytkentää anturille. Katsokaa ne silmäillen läpi, ja kirjatkaa näiden<br />
viiden kytkentävaihtoehdon otsikot suomeksi muistiin. Mikä niistä vaikuttaisi<br />
sopivimmalta kytkennältä nyt tehtävään lämpömittariin?<br />
Opettajan johdolla valitaan kaikille ryhmille samanlainen toteutettava kytkentä. Piirtäkää<br />
kytkentä itsellenne muistiin. Kytkennässä olevat symbolien merkitys on:<br />
U = käyttöjännite, toteutettavassa kytkennässä +5,0 V<br />
R T = lämpötila-anturin resistanssi<br />
U T = lämpötila-anturin yli oleva jännite<br />
R S = lämpötila-anturin sarjavastus, toteutettavassa kytkennässä 51,1 kΩ<br />
Ominaiskäyrä 2<br />
Piirtäkää Excelillä anturikytkennän ominaiskäyrä: resistanssi-jännite<br />
- Ominaiskäyrän x-akselina on anturin resistanssi R T , y-akselina anturin yli oleva<br />
jännite U T<br />
- Selvittäkää kaava: U T = f(R T )<br />
- Piirtäkää sellainen resistanssialue, joka vastaa lämpötila-aluetta -30 ⁰C…+30 ⁰C<br />
Kun ominaiskäyrä on valmis, esittäkää se opettajalle.<br />
Ominaiskäyrä 3<br />
Piirtäkää Excelillä anturikytkennän ominaiskäyrä: lämpötila-jännite<br />
- Ominaiskäyrän x-akselina on lämpötila T, y-akselina anturin yli oleva jännite U T<br />
- Selvittäkää, mikä on anturin yli oleva jännite lämpötilassa -30 ⁰C, 0 ⁰C ja +30 ⁰C<br />
- Näin saatte anturin ominaiskäyrältä kolme toimintapistettä.<br />
Kun ominaiskäyrä on valmis, esittäkää se opettajalle.<br />
Koittakaa ratkaista, mikä matemaattinen kaava tai funktio on lämpötilan ja anturin yli<br />
olevan jännitteen välillä: U T = f(T).<br />
3. <strong>Vaihe</strong>, AD-muunnos<br />
Tässä dokumentissa sivulla 120 oleva kuva <strong>5.</strong>8 esittää lohkotasolla toteutettavaa<br />
kytkentää. Anturin ja mikrokontrollerin välissä siinä on AD-muunnin. Oletetaan<br />
seuraavassa tarkastelussa, että lämpötilan ja AD-muuntimella muunnettavan jännitteen<br />
U T välinen yhteys on lineaarinen! Mitä lineaarisuus tarkoittaa?
Pekka Rantala 11.10.2010<br />
Selvitetään AD-muunnoksen erottelukykyyn liittyviä ominaisuuksia. Vastatkaa<br />
kirjallisesti seuraaviin kysymyksiin!<br />
1. AD-muuntimella muunnetaan anturikytkennältä saatava jännite U T<br />
digitaalisanaksi. Tavoitteena on mitata lämpötila-alue -30 ⁰C…+30 ⁰C puolen<br />
asteen tarkkuudella. Kuinka monta erillistä arvoa pitää AD-muuntimella pystyä<br />
erottamaan toisistaan?<br />
2. Kuinka moni bittinen pitää muunnoksen vähintään olla?<br />
3. Kuinka moni bittinen todellinen muunnin kytkentään on järkevää valita?<br />
4. Mikä on muunnoksen erottelukyky (= yhden kvantisointivälin suuruus), jos<br />
käytössä on 8-bittinen ADC, ja mittausalue on 0…+ 5,0 V?<br />
<strong>5.</strong> AD-muunnoksen mittausaluetta (= span) voidaan säätää niin, että maksimilukema<br />
255 saadaan jo pienemmällä jännitteellä kuin + 5,0 V:lla. Mittausalueen<br />
nollakohtaa (= offset) ei kuitenkaan tässä tarkastelussa voida säätää muuksi kuin<br />
0,0 V:ksi. Mikä on muunnoksen erottelukyky (= yhden kvantisointivälin suuruus),<br />
jos käytössä on 8-bittinen ADC, ja mittausalue on 0…+ 4,0 V?<br />
6. AD-muunnin voidaan säätää niin, että -30 ⁰C –lämpötila antaa muunnostuloksen<br />
250. Minkä muunnostuloksen tällöin antaa +30 ⁰C –lämpötila?<br />
7. Mikä saadaan edellisessä kohdassa muunnoksen erottelukyvyksi? Eli kuinka<br />
montaa astetta yksi kvantisointiväli vastaa? Täyttääkö erottelukyky<br />
lämpömittarille asetetun tavoitevaatimuksen?<br />
Selvitetään AD-muuntimen toimintaan liittyviä ominaisuuksia. Vastatkaa kirjallisesti<br />
seuraaviin kysymyksiin!<br />
1. Kytkennässä käytettävä muunnin on tämä. Mikä on sen tyyppinumro, kun<br />
muuntimessa on 4 kanavaa?<br />
2. Kuinka pitkän ajan yhden muunnoksen tekeminen kestää (muunnosaika)?<br />
3. Miten muunnos käynnistetään?<br />
4. Milloin muunnos on valmis? Miten ADC ilmoittaa sen?<br />
<strong>5.</strong> Miten valitaan AD-muuntimen kanava, jolle muunnos tehdään?<br />
Miettikää periaate, miten toteutettava lämpömittari saadaan kalibroitua! Mistä tiedetään,<br />
että lämpömittari näyttää oikein, kun käytettävissä ei ole lämpökaappia?<br />
4. <strong>Vaihe</strong>, kytkentäkaavion piirtäminen<br />
Ryhmä piirtää oman anturi-kortin kytkentä- eli piirikaavion. Piirtämiseen käytetään<br />
OrCAD Capture –ohjelmaa.<br />
Kytkennässä rajapintana mikrokontrollerille (=SIMO Computer) päin on ”pekka rantala”<br />
–liitin. Katso tämän liittimen signaalit ja nastajärjestys täältä.<br />
Liittimeltä saadaan suoraan ne signaalit, joiden avulla AD-muunninta ohjataan:<br />
- CPU:n lukupulssi RD*<br />
- CPU:n kirjoituspulssi WR*<br />
- CPU:n osoitteväylästä muodostettu piirinvalintalinja CS*
Pekka Rantala 11.10.2010<br />
- CPU:lle menevä keskeytyslinja INT*<br />
- CPU:n 8-bittinen dataväylä, joka on kaksisuuntainen.<br />
Palauttakaa mieleenne vaiheessa 3 selvittämänne asiat AD-muuntimen toiminnasta:<br />
- Muunnoksen käynnistys<br />
- Muunnos valmis<br />
- Kanavan valinta<br />
Miten liittimeltä saatavat signaalit ja muuntimen eri toiminnot liittyvät toisiinsa?<br />
Hahmotelkaa kytkentä kynällä ja paperilla. Hahmotelma on luonnos siitä, mitä<br />
komponentteja kytkentään tarvitaan ja montako signaalia missäkin välissä kulkee. Mitkä<br />
ovat signaalien nimet ja suunnat? Luonnoksessa ei tarvitse vielä ottaa kantaa esim.<br />
nastanumeroihin.<br />
- mitä eri signaaleja kytkennässä on ADC:n ja liittimen välillä<br />
- mitä kytkentään vaaditaan kalibroinnin toteuttamiseksi<br />
- miten mittausalueen säätö toteutetaan (= span adjust)<br />
Kun kytkentänne luonnos on mielestänne valmis, esittäkää se opettajalle!<br />
Lukekaa yksityiskohtaisempia piirikaavion piirtämisen ohjeita täältä.<br />
Kun kytkentäkaavio on mielestänne valmis, esittäkää se opettajalle!<br />
<strong>5.</strong> <strong>Vaihe</strong>, kytkennän <strong>toiminnan</strong> <strong>kuvaus</strong><br />
Ryhmä kirjoittaa suunnittelemansa ja piirtämänsä kytkennän <strong>toiminnan</strong> kuvauksen.<br />
Kytkennän <strong>toiminnan</strong> <strong>kuvaus</strong> on sanallinen esitys siitä, miten kytkentä toimii.<br />
Kuvauksessa käydään läpi koko kytkentä sopivassa loogisessa järjestyksessä ja kerrotaan,<br />
miten kukin sen osa toimii. Kytkennässähän ei pitäisi olla yhtään turhaa komponenttia,<br />
joten kaikilla komponenteilla on jokin perusteltu syy olla mukana kytkennässä. Tässä<br />
käydään läpi kaikkien komponettien <strong>toiminnan</strong> merkitys toteutetun kokonaisuuden<br />
kannalta. Toiminnan <strong>kuvaus</strong> voisi olla noin yhden A4:n mittainen. Katso vähän<br />
esimerkkiä <strong>toiminnan</strong> kuvauksesta täältä.<br />
6. <strong>Vaihe</strong>, piirilevyn layoutin tekeminen<br />
Ryhmä tekee oman anturikortin layoutin. Layout on suunnitelma siitä, miltä piirikortti<br />
oikeasti näyttää. Siinä määritetään:<br />
- Piirikortin koko<br />
- Johtimien ja eristysvälien leveydet<br />
- Komponenttien sijoittelu<br />
- Yms.<br />
Kopioi oma.llb –kirjastotiedosto omaan hakemistoosi, jossa on muutkin OrCadtiedostosi.<br />
http://www.oamk.fi/~pekkar/materiaalia/oma.llb
Pekka Rantala 11.10.2010<br />
Piirilevyn tekemisen päävaiheet ovat karkeasti seuraavat:<br />
1) Piirikaavio-vaiheessa tehdyn vetolistan siirtäminen layout-ohjelmaan.<br />
2) Koteloiden eli footprinttien liittäminen komponentteihin.<br />
3) Piirilevyn ulkomittojen piirtäminen<br />
4) Komponenttien sijoittelu<br />
5) Johdinleveyksien ja eristysvälien asettaminen<br />
6) Johtimien vetäminen<br />
7) Omien kaiverrettavien tekstien lisääminen<br />
8) Piirilevydokumenttien tuottaminen ja lähettäminen jyrsintään<br />
Lukekaa yksityiskohtaisempia ohjeita layoutin tekemiseen täältä. Ohje sisältää useampia<br />
välietappeja, jolloin työ pitää esittää opettajalle.<br />
Kun koko layout on mielestänne valmis, esittäkää se opettajalle!<br />
Kun opettaja on hyväksynyt layoutin, tilataan piirilevy koulun työpajalta.<br />
7. <strong>Vaihe</strong>, piirilevyyn liittyvien dokumenttien tekoa<br />
Muotoilkaa OrCAD Layoutissa olevaa kuvaa niin, että saatte suunnittelemastanne<br />
piirilevustä selkeän osasijoittelukuvan. Osasijoittelukuvassa pitää näkyä:<br />
- Piirilevyn ulkoreuna<br />
- Komponenttien reunaviivat<br />
- Komponenttien tunnukset: U1, U2, R1, C1, jne.<br />
- Piirilevyllä olevat tekstit<br />
Osasijoittelukuvassa EI SAA näkyä:<br />
- Johdinvetoja<br />
Ottakaa aina yksi layout-kuvan taso (top, bottom, jne.) kerrallaan käsiteltäväksi. Tason<br />
saa piilotettua miinus (-) näppäimellä, tason saa näkyväksi plus (+) näppäimellä.<br />
Vaihtakaa tason väri tarvittaessa väriasetuksista mustaksi/valkoiseksi tai, jotta viivat<br />
näkyvät selvästi.<br />
Kun osasijoittelukuva on mielestänne valmis, esittäkää se opettajalle!<br />
Tallettakaa osasijoittelukuva JPEG-muodossa (tai jokin muu yleinen formaatti) ryhmän<br />
dokumenttikansioon.<br />
Ryhmä laatii omaan kytkentään tarvittavista osista osaluettelon. Osaluettelon malli löytyy<br />
osositteesta: http://www.oamk.fi/~pekkar/materiaalia/Osaluettelonmalli.doc
Pekka Rantala 11.10.2010<br />
8. <strong>Vaihe</strong>, piirilevyn kokoaminen<br />
Kun ryhmä on saanut tilaamansa piirilevyn, pitää ryhmän antaa näyte juottamistaidostaan<br />
ennen lopullisen kokoonpanon tekemistä.<br />
Ryhmä ottaa itselleen oman ”namu”rasian, jossa ryhmän osat ja komponentit jatkossa<br />
säilytetään. Rasian kanteen kirjoitetaan ryhmän jäsenten nimet, luokka sekä lukukausi,<br />
jolloin työtä tehdään, esim. S2010.<br />
Ryhmä tulostaa kytkentänsä osaluettelon opettajalle, joka antaa muutaman kytkentään<br />
kuuluvan ”helpon” komponentin ryhmälle. Kun nämä komponentit on juotettu<br />
onnistuneesti piirilevylle, ryhmä saa opettajalta loput komponentit.<br />
Kun piirilevy on koottu, se jää odottamaan testiohjelman valmistumista. Testiohjelman<br />
avulla pystytään testaamaan, että kytkentä ja piirikortti toimivat oikein.
Change language