Mikropočítačová vstupně/výstupní jednotka pro řízení tepelných modelů. Zdeněk Oborný

Transkript

1 Mikropočítačová vstupně/výstupní jednotka pro řízení tepelných modelů Zdeněk Oborný Freescale 2013

2 1. Obecné vlastnosti Cílem bylo vytvořit zařízení, které by sloužilo jako modernizovaná náhrada stávající převodní jednotky v laboratořích automatizace pro řízení tepelných soustav a zároveň by byla zachována kompatibilita s měřícím i vyhodnocovacím zařízením. Toto zařízení je schopné pojmout až 4 vstupní a 4 výstupní moduly pro měření a ovládání tepelné soustavy. Současně toto zařízení dokáže zobrazit aktuální vstupní a výstupní hodnoty v daných jednotkách na čtyřřádkovém displeji. Nedílnou součástí zařízení jsou dva nezávislé porty RS-232 pro komunikaci s počítačem. Obrázek 1: Převodníková jednotka 2

3 2. Popis zařízení Tato převodníková jednotka byla navržena jako modulární systém, ve kterém je možné měnit a kombinovat jednotlivé vstupní nebo výstupní karty. V současné době je jeho primární určení měřit teploty pomocí dvouvodičového snímače PT100 a ovládat topné těleso střídavým napětím 24V. Převodník se skládá ze zdroje napětí, řídící desky, desky displeje, desky tlačítek a až čtyř možných převodních a ovládacích desek. Převodní karty 1-4 Ovládací Karty 1-4 Napájení PWM Vstup 2x Paměť MCU DAC Výstup 2x RS-232 2x LED Diody Tlačítka LCD Obrázek 1: Blokové schéma Zdroj Zařízení je napájeno střídavým napětím 24V a jištěno pojistkou. Z této pojistky se dál napětí větví na svorky pro vstup řízeného napětí do ovládacích desek a do usměrňovacího můstku. Toto usměrněné napětí je dále sníženo pomocí dvou step-down regulátorů napětí typu LM2576 na napětí 5V a 12V. Pomocí spínaného zdroje Tracopower je vytvořeno symetrické napětí ±15V pro napájení operačních zesilovačů. Všechna tato napětí jsou vedena na okraj desky zdroje a rozdělena do třech konektorů Molex, které slouží k napájení jednotlivých karet. Obrázek 2: Schéma napájecího zdroje 3

4 Řídicí deska Řídící deska je sendvičové konstrukce, kde horní deska obsahuje mikropočítač ColdFire V1 MCF51AC128 a slouží k propojení jednotlivých periferií pomocí konektorů. Horní deska obsahuje dva binární vstupy připojitelné k měřící kartě Advantech PCI 1711 pro generování akčního zásahu. Tento vstup je posílen budičem sběrnice 74HCT125 a přes optočlen PC827 přiveden do mikropočítače. Spodní deska obsahuje paměť EEPROM 25LC256 a dva dvanáctibitové DA převodníky MCP4821. Tato zařízení komunikují s horní deskou pomocí SPI komunikace. Výstup z těchto DA převodníků je dále zesíleno pomocí operačního zesilovače LM358 na úroveň 0-10V. Tento výstup slouží jako analogový vstup měřících karet Advantech a poskytuje informaci o aktuální měřené teplotě. Dále je na spodní desce umístěn obvod pro úpravu logických úrovní sériové komunikace MAX-232. Veškeré tyto výstupy a vstupy do obvodů spodní desky jsou propojeny s horní deskou pomocí třech precizních dutinkových lišt. Obrázek 3: Schéma horní řídicí desky 4

5 Obrázek 4: Schéma spodní řídicí desky Deska displeje Z potřeby umístit displej do předního panelu přístrojové krabičky byla vytvořena redukce z konektoru čtyřřádkového displeje MC2004E-SYL na plochý konektor pro propojení jednotlivých pinů. Tato redukce obsahuje již zmíněný konektor pro plochý kabel a potřebné odpory pro propojení nepoužitých pinů displeje s napěťovou zemí a odpor pro omezení proudu pro podsvícení displeje. Obrázek 5: Schéma desky displeje 5

6 Deska tlačítek Tato deska byla vytvořena ze stejného důvodu jak deska displeje. Na této desce jsou umístěny čtyři zelené LED diody, které slouží k zobrazení stavu jednotlivých kanálů. Tlačítka jsou zapojeny jako maticová klávesnice 3x3. V současnosti je zapojeno pouze 6 tlačítek, zbývající tři tlačítka jsou určeny jako rezerva pro případné rozšíření funkcí. Tato deska je připojena pomocí plochého kabelu do řídící desky. Obrázek 6: Schéma desky tlačítek Ovládací deska Mikropočítačem generované PWM pulzy spínají tranzistor BC337, který spíná optotriak MOC3022 (nemá spínání v nule). Tento optotriak dále spíná triak TIC226. Vstup do triaku je opatřen 1A pojistkou. Ovládací deska obsahuje jumpery, kterými se nastaví vstupní signál a přítomnost karty na příslušný kanál 1-4. Ovládací desky jsou pomocí plochého kabelu propojeny s řídící deskou. Obrázek 7: Schéma ovládací desky 6

7 Převodní deska Převodní deska slouží k měření teploty odporového senzoru PT100 ve dvouvodičovém zapojení. Základem je napěťová reference TL431 s výstupem 2,5V, která je napájena 12V. Toto napětí dále vstupuje do proudové reference tvořené dvěma operačními zesilovači LM324. Výstup z proudové reference je připojen do operačního zesilovače v rozdílovém zapojení. Následně je tento signál posunut a zesílen. Tento výstup je pak omezen na rozsah 0-5V pomocí dvojice Shotkyho diod. Výstup do mikropočítače lze taktéž nastavit pomocí jumperů stejným způsobem jako u ovládací desky. Tato převodní karta je nastavena pro rozsah měřených teplot C. Obrázek 8: Schéma převodní desky Ostatní pomocné desky Tyto desky byly vyrobeny pro uchycení svorek na zadní panel přístrojové krabičky. Na obrázku 10 vlevo, svorkovnice X1 slouží k vyvedení napájení 5, 12 a ± 15V na zadní panel. Svorky K1-K4 v pravé části slouží k připojení odporové zátěže. Obrázek 9: Schéma pomocných desek 7

8 3. Programové vybavení Zařízení po startu zinicializuje všechny své periferie a následně načte z paměti EEPROM uložené konstanty, sloužící k nastavení zařízení. Dále detekuje vstupní nebo výstupní karty a zvolí rozložení displeje. Zobrazovaná měřená teplota z hodnoty udávané AD převodníkem je vypočítaná hodnota kvadratické funkce, udávající teplotní závislost platinového senzoru. Tato měřená hodnota je pak v závislosti na kanálu a nastavení sériové linky nastavena zpět DA převodníkem na napětí v rozsahu 0-10V nebo odeslána po sériové lince. Generování akční veličiny probíhá pomocí PWM, které lze nastavit ručně přes menu převodníku v rozsahu 0-100% nebo v závislosti na kanálu a nastavení sériové linky pomocí binárního vstupu nebo sériové linky. Binární vstup pro příjem akčního zásahu je koncipován tak, že měřící karta Advantech generuje akční veličinu s periodou 1s. Použitím časovače s funkcí input capture je nejprve zaznamenána délka pulzu. Poté převodník vygeneruje vlastní PWM pulzy, které odpovídají délce vstupního pulzu. Ovládání akční veličiny pomocí sériové linky odesílá z počítače hodnotu o požadované akční veličině v rozsahu 0-100%. Tato hodnota nemusí být posílána každou otočkou cyklu, ale stačí odeslání pouze se změnou této hodnoty. Jak již bylo zmíněno, toto zařízení obsahuje externí paměť. V této paměti jsou uloženy konstanty, pomocí kterých lze každý kanál zvlášť kalibrovat. Rozložení menu a možné hodnoty je zobrazeno na následujícím obrázku a tyto hodnoty lze měnit. Pohyb v menu probíhá pomocí šestice navigačních tlačítek. Obrázek 10: Rozložení menu 8