FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ DIPLOMOVÁ PRÁCE Zobrazení umělého horizontu Praha, 2008 Autor: Tomáš Béda

2

3

4 Anotace Cílem této diplomové práce je zobrazení údaje umělého horizontu AGD-1 pomocí LCD displeje. Analogové signály, odpovídající polohovým úhlům, které generují selsyny gyroskopického systému 458B, jsou zpracovány pomocí převodníků úhel - číslo. Úhly jsou v digitální podobě přeneseny po sériové lince do LCD displeje, kde se polohové úhly zobrazují na umělém horizontu. Annotation The goal of this thesis is a visualization of an artificial horizon AGD-1 through the use of LCD. Analog signals corresponding with position angles generate selsyns of gyroscopic system 458B. Signals are processed by the angle-to-digital converters. In digital form, the position angles are transferred via serial port to LCD, where they are displayed on an artificial horizon.

5 Prohlášení Prohlašuji, že jsem zadanou diplomovou práci Zobrazení umělého horizontu vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 zákona č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Praze dne Podpis

6 Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval především své rodině za podporu, kterou mi poskytovali během celého studia. Dále bych chtěl poděkovat: Ing. Pavlu Pačesovi za informace a pomoc při práci s vývojovým zobrazovacím systémem Sharp-Ingenia, a vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Karlu Draxlerovi, CSc. za četné připomínky a návrhy.

7 OBSAH 1 Úvod 9 2 Gyroskopické systémy Mechanické gyroskopické systémy Laserové gyroskopické systémy Vláknové gyroskopické systémy Gyroskopický systém 458B pro AGD Návrh řešení digitalizace signálu 20 5 Použitý Hardware Zobrazovací systém Sharp-Ingenia HW specifikace Kit STK500 AVR Použitý software Software pro programování a kompilaci Podpůrný software Realizace - Hardware Modul převodu selsyn - rozkladač Třísložková soustava a pravoúhlá soustava Převod mezi soustavami pomocí Scott-T transformátoru Převod mezi soustavami pomocí operačních zesilovačů Modul digitalizace Převodník rozkladač-číslo AD2S Podpůrné obvody Modul přenosu dat Sběrnice RS Mikroprocesor ATmega Převodník úrovní sériové linky MAX

8 8 Realizace - Software Program komunikace měřících modulů a zobrazovací jednotky Popis řídícího programu a vývojové diagramy Program zobrazení umělého horizontu Popis programu zobrazení umělého horizontu Programování systému Závěr 57 Literatura 58 Seznam obrázků 60 Seznam tabulek 61 Seznam příloh 62 Obsah přiloženého CD 63

9 KAPITOLA 1. ÚVOD 9 1 ÚVOD Poloha letadla (resp. poloha jeho os) vůči horizontu se dříve určovala pouze zrakem. S velkým rozmachem leteckého průmyslu se však kladl důraz na to, aby bylo možné s letadlem létat i za zhoršených podmínek (tj. za špatné dohlednosti, v mraku nebo v noci). V těchto podmínkách, není možné bezpečně létat bez přístroje, který nám vždy určí polohu podélné a příčné osy vzhledem k horizontu. Tyto přístroje, ukazující absolutní sklon letadla vůči zemi se nazývají umělé horizonty (absolutní sklonoměry). Ukazatel umělého horizontu, umístěný v kabině letadla, informuje pilota o poloze letadla vůči horizontální a vertikální rovině. Ukazatel umělého horizontu pro svoji funkci využívá gyroskopiského systému, který měří velikost naklopení a naklonění letadla vůči vodorovné rovině. Obr. 1.1: Umělý horizont vrtulníku Bell 412HP V malých letadlech bývá tento gyroskopický systém součástí ukazatele jako na obr Ve velkých a dopravních letadlech je gyroskopický systém umístěn převážně v těžišti letadla, kde na něj nepůsobí nežádoucí momenty. Pomocí dálkového přenosu se pak přenáší údaj z gyra do pilotní kabiny, kde se zobrazuje pomocí ukazatele. Dříve se používal mechanický ukazatel umělého horizontu, ale nyní při konstrukci nových letadel nebo modernizaci pilotních kabin se užívá především multifunkčních LCD displejů pro zobrazení umělého horizontu. V těchto nových pilotních kabinách v dopravních letadlech jsou většinou tyto displeje dva, pro každého pilota jeden, doplněné o jeden záložní mechanický ukazatel, který je schopen dávat pilotům informaci o naklonění

10 KAPITOLA 1. ÚVOD 10 i naklopení letadla i při výpadku elektrické sítě. Moderní LCD displeje nezobrazují většinou jenom umělý horizont, ale jako primární letový ukazatel na obr. 1.2 (Primary Flight Display - PFD), zobrazují i informace o rychlosti, vertikální rychlosti, výšce, kurzu a stavech autopilota. Obr. 1.2: Primary Flight Display Tato modernizace se děje hlavně z důvodu co nejmenší zátěže na pilota, který by jinak musel sledovat více ukazatelů najednou. Gyroskopické systémy mohou být : - mechanické (tzn. gyro v závěsu) - laserové - vláknové Dálkové přenosy mohou být realizovány několika způsoby. U starších mechanických gyroskopických systémů jsou výstupem dvě trojice signálů selsynů. Pomocí těchto šesti signálů se uskutečňuje dálkový přenos o polohových úhlech. V kabině tyto signály, pomocí převodu selsyn - úhel, natáčejí mechanický ukazatel umělého horizontu. U nových gyroskopických systémů se tento signál rovnou digitalizuje a v této digitální podobě posílá po sběrnici do kabiny. Zde se programově zpracovává a zobrazuje na daném multifunkčním displeji.

11 KAPITOLA 1. ÚVOD 11 Cílem této diplomové práce je navrhnout a realizovat systém pro zobrazení podélného a příčného sklonu letadla na LCD displeji. Na systém jsou kladeny požadavky, aby spolupracoval s komponenty: - pro snímání polohových úhlů je použit gyroskopický systém 458B, který využívá mechanického gyra. Tento systém je dodáván se zobrazovací jednotkou AGD-1. - pro zobrazení je použitá jednotka SHARP-INGENIA. Je to jednodeskový počítač na bázi procesoru MOTOROLA s architekturou RISC. Dostatečný výpočetní výkon zajišt uje procesor PowerPC. Celou práci lze rozdělit na tři části: 1. realizace obvodu pro zpracování signálů gyroskopického systému 458B do digitální formy 2. programové řešení a realizace obvodu, který přes komunikační kanál zajišt uje přenos dat mezi obvodem zpracování signálu a zobrazovací jednotkou 3. návrh programového vybavení zobrazovací jednotky, která bude zpracovávat signál na LCD display, který bude zobrazovat ukazatel umělého horizontu

12 KAPITOLA 2. GYROSKOPICKÉ SYSTÉMY 12 2 GYROSKOPICKÉ SYSTÉMY 2.1 Mechanické gyroskopické systémy Základním principem mechanických gyroskopických systémů je setrvačník, který je uložený v Kardanovém závěsu. Tento setrvačník se otáčí kolem svislé osy v ložiskách vnitřního rámečku. Vnitřní rámeček je pomocí ložisek uchycen ve vnějším rámečku. Vnější rámeček je přes ložiska připojen k rámu přístroje. Na obr. 2.1 lze vidět uchycení setrvačníku. Obr. 2.1: Schéma uchycení setrvačníku mechanického gyroskopu Obr. 2.2: Pneumatický pohon setrvačníku Setrvačník lze pohánět bud pneumatickým pohonem nebo elektrickým pohonem. Pneumatický pohon ( obr. 2.2) setrvačníku funguje tak, že na obvodu rotoru jsou vytvořeny kapsy (vybrání), které pod vlivem proudění vzduchu z trysek, umístěných kolem rotoru, roztáčí samotný rotor. Setrvačník s elektrickým pohonem pohání elektrický motorek, umístěný uvnitř rotoru, tak aby získal co možná největší moment setrvačnosti. Elektrické motorky jsou asynchronní a třífázové nebo i dvoufázové. Ideální mechanický gyroskop by měl držet vždy stejnou polohu osy otáčení vzhledem k zemi. Reálné gyro měří s metodickou a přístrojovou chybou. Metodická chyba je způsobena zakřivením země. Setrvačník je ve stejné poloze kdekoli na zemi a jeho hlavní osa nesměřuje do středu země. Podobně jako je znázorněno na obr Přístrojová

13 KAPITOLA 2. GYROSKOPICKÉ SYSTÉMY 13 chyba je způsobena nežádoucími vlivy reálného gyroskopu. Mezi tyto vlivy patří např. nevyváženost setrvačníku nebo třecí síly kontaktů gyroskopu mezi rámy. Metodická i přístrojová chyba se odstraní korekčním zařízením tak, aby poloha osy setrvačníku byla vždy svislá k zemi. Obr. 2.3: Poloha setrvačníku bez korekce vzhledem k zemi Korekce polohy hlavní osy gyroskopu do směru vertikály: - mechanická - pomocí závaží (nelze vypínat (resp. zapínat) při nerovnoměrném pohybu) - pneumatická - pomocí kyvadélek - elektrická - pomocí elektrolytické libely Všechny tyto tři způsoby korekce využívají tíhového zrychlení. U setrvačníku s pneumatickým pohonem se většinou používá systém čtyř kyvadélek ( obr. 2.4), která jsou zavěšena na pouzdře setrvačníku. V tomto pouzdře pod setrvačníkem jsou v horizontální rovině čtyři otvory po 90, kterými vychází z pouzdra vzduch. Kyvadélka umístěná nad těmito otvory fungují jako částečné záslepky těchto otvorů (při svislé ose otáčení). Když dojde k náklonu svislé osy otáčení setrvačníku, tak kyvadélka odkryjí otvory tak, že proudící vzduch z těchto otvorů vytváří sílu, kterou se pouzdro setrvačníku i s osou otáčení setrvačníku, vrací do svislé polohy.

14 KAPITOLA 2. GYROSKOPICKÉ SYSTÉMY 14 Obr. 2.4: Korekční zařízení umělého horizontu s kyvadélky Další typ korekčního zařízení využívá elektrolytickou dvouosou libelu ( obr. 2.5). Tato libela umístěná u setrvačníku, koriguje sklon pomocí proudů do momentových motorů. Tyto motorky zajišt ují jak příčnou tak podélnou korekci a jsou umístěné na vnitřních rámečcích. Místo dvouosých libel lze použít např. dvě jednoosé rtut ové libely. K těmto korekčním systémům se umíst uje ještě jednoosá rtut ová libela, která slouží jako vypínání Obr. 2.5: Korekční zařízení s elektrolytickou libelou (resp. zapínání) celého korekčního systému při akceleraci nebo deceleraci (resp. nerovnoměrném pohybu). Při použití mechanických gyroskopů pro umělé horizonty dochází k dvěma chybám. - Metodická chyba - Lze korigovat precesním pohybem korekce.

15 KAPITOLA 2. GYROSKOPICKÉ SYSTÉMY 15 - Přístrojová chyba - Je ovlivnitelná, nelze však dosáhnout toho aby byla nulová. Tato chyba zahrnuje rušivé momenty. Jsou zde momenty nevyváženosti, moment tření setrvačníku, moment tření napájecích přívodů a nahodilý moment. 2.2 Laserové gyroskopické systémy Základ laserových gyroskopických systémů (LRG - Lase Ring Gyro) tvoří světlovodné dráhy ve tvaru rovnostranného trojúhelníku nebo čtverce. Tento tubus je naplněný směsí Ne-He plynu. Z jednoho rohu tohoto trojúhelníku jsou vyslány dva laserové paprsky do dalších vrcholů trojúhelníku tak, aby se přes odrazy vrátily zpět do místa vyslání. Zde je vyhodnocuje detektor. Při otáčení tohoto celého systému dochází k jejich interferenci. Z této interference lze pak spočítat rychlost otáčení systému. Princip laserových gyroskopických systémů je patrný z obr Od velikosti tohoto systému se odvíjí i přesnost určování polohových úhlů. Obecně jsou tyto systémy velmi přesné, ale bohužel tomu odpovídá i jejich pořizovací cena. Obr. 2.6: Schéma laserového gyroskopu

16 KAPITOLA 2. GYROSKOPICKÉ SYSTÉMY Vláknové gyroskopické systémy Princip vláknových gyroskopů (FOB - Fiber Optic Gyro) je podobný laserovým. Funguje zde Sagnacův efekt (Sagnacova interference), který je patrný z obr Do optického vlákna je vyslán paprsek, který je následně v polopropustném zrcadle rozdělen na dva. Tyto dva paprsky se dále pohybují optickým vláknem, které je navinuto na určitý poloměr s určitými počty závitů. Paprsky se pohybují ve vlákně opačnými směry (resp. proti sobě). Po průchodu celého svazku vlákna se přes polopropustné zrcadlo dostávají do detektoru. Tento detektor vyhodnocuje interferenci mezi vyslanými signály a následně počítá rychlost otáčení celého systému. Také u tohoto gyroskopického systému má na přesnost i drift vliv velikost celého systému. Obr. 2.7: Schéma vláknového gyroskopu

17 KAPITOLA 3. GYROSKOPICKÝ SYSTÉM 458B PRO AGD GYROSKOPICKÝ SYSTÉM 458B PRO AGD-1 Signál pro ukazatel umělého horizontu AGD-1 ( obr. 3.1) se získává z gyroskopického systému 458B na obr Tento gyroskopický systém pracuje na principu gyro-horizontu s přídavným sledovacím rámem v příčném sklonu. Tento princip je znázorněn na obr Obr. 3.1: Ukazatel umělého horizontu AGD-1 Obr. 3.2: Gyroskopický systém 458B Systém zajišt uje pomocí přídavného rámu kolmost hlavní osy gyra (tzn. svislé osy otáčení setrvačníku) a roviny vnitřního rámu. Při nedodržení kolmosti této roviny s hlavní osou gyra dochází k tomu, že moment hybnosti a úhlová rychlost (vyvolávající

18 KAPITOLA 3. GYROSKOPICKÝ SYSTÉM 458B PRO AGD-1 18 Obr. 3.3: Schéma gyroskopu s korekcí pomocí eletrolytické libely moment gyroskopické reakce) nesvírají pravý úhel. Systém rámů u 458B na obr. 3.4 obsahuje příčnou a podélnou korekci pomocí libely, vypínací obvod podélné korekce a obvody sledovacího rámu. Korekční systémy jsou napájené stejnosměrným napětím 27V. Podélná korekce se vypíná pomocí jednoosé rtut ové libely. Jako zdroj signálu pro vypnutí příčné korekce slouží zatáčkoměr. Obvody sledovacího rámu se skládají ze zesilovače tvořeného tranzistory, motoru a redukce, přes kterou se natáčí přídavný rám. Výstupní signály zajišt ují snímací selsyny podélného a příčného sklonu. Rotory těchto selsynů jsou napájené vždy ze dvou fází napájecího napětí 3x36V/400Hz. Toto napětí pohání i setrvačník na vnitřním rámu

19 KAPITOLA 3. GYROSKOPICKÝ SYSTÉM 458B PRO AGD-1 19 Obr. 3.4: Schéma rámů gyroskopického systému 458B B2 - jednoosá libela pro vypínání korekce B3 - dvouosá elektrolytická libela korekce B6 - komutátor M5 - selsyn podélného sklonu M6 - selsyn příčného sklonu M7 - buzení setrvačníku M8 - motor příčné korekce M9 - motor podélné korekce Kardanova závěsu. Ukazatel AGD-1 pracuje reálně v rozsazích -90 až +90 stupňů pro podélný sklon a -180 až +180 stupňů pro příčný sklon. Při větších úhlech pro podélný sklon dochází ke komutaci dvou fází z výstupu selsynu podélného náklonu a zároveň se komutuje napájecí napětí rotoru selsynu příčného náklonu. To má za následek změnu příčného sklonu o 180 stupňů. Tím je dosažena správná funkce ukazatele AGD-1.

20 KAPITOLA 4. NÁVRH ŘEŠENÍ DIGITALIZACE SIGNÁLU 20 4 NÁVRH ŘEŠENÍ DIGITALIZACE SIGNÁLU Systém digitalizace signálu z výstupu selsynů lze řešit několika způsoby. Jako nejjednodušší řešení je pomocí převodníků selsyn-číslo od firmy Analog Devices. Tyto převodníky přímo digitalizují signál třísložkové soustavy bez dalších úprav signálu. Bohužel toto řešení je velmi nákladné, jelikož cena tohoto převodníku je vyšší než 1000 dolarů. Druhý způsob řešení je pomocí převodu z třísložkové soustavy (selsyn) na pravoúhlou soustavu (rozkladač) a následně digitalizace převodníkem rozkladač-číslo, který je řádově 10x levnější než převodník selsyn-číslo. Obr. 4.1: Blokové schéma digitalizace signálu Další možné řešení je pomocí Analogově/Digitálních převodníků. Zde se určí fáze každého signálu a pak se pomocí AD převodu získá číslo odpovídající velikosti střídavého napětí. Následně lze pomocí výpočetního mikroprocesoru určit z těchto údajů číslo, které odpovídá úhlu natočení selsynu. Pro tuto práci je vybráno druhé řešení (blokově na obr. 4.1) pomocí převodníku rozkladač-číslo z důvodu menší finanční náročnosti. Převod selsyn-rozkladač lze realizovat dvěma způsoby, které jsou nastíněné v kapitole 7.1. Celý systém modernizace umělého horizontu je ukázán na obr Navrhované zařízení bude používáno v laboratorních podmínkách, proto zde není

21 KAPITOLA 4. NÁVRH ŘEŠENÍ DIGITALIZACE SIGNÁLU 21 kladen důraz na odolnost proti vlhkosti, nízkým teplotám a jiným vlivům. Obr. 4.2: Blokové schéma celého systému Využití systému Sharp-Indenia jako zobrazovací jednotky bylo předem známé, proto tento systém bude popsán již v následující kapitole 5.1.

22 KAPITOLA 5. POUŽITÝ HARDWARE 22 5 POUŽITÝ HARDWARE 5.1 Zobrazovací systém Sharp-Ingenia Systém Sharp-Ingenia se skládá z jednodeskového počítače TS INGENIA Duet (specifikace tab. 5.2) a LCD dotykového displeje (specifikace tab. 5.1) od firmy Sharp. TS INGENIA Duet je postaven na bázi procesoru výrobce Freescale semiconductor s architekturou RISC. Je vhodný pro množství aplikací díky množství periférií, které obsahuje. Dostatečný výpočetní výkon zajišt uje procesor PowerPC spolu s velkým objemem paměti RWM a Flash. Počítač disponuje rozhraním 10/100BaseT Ethernet, CAN 2.0 a UART. Díky dotykovému displeji lze tento počítač uzpůsobit pro snadné zacházení uživatelem. Ingenia Duet je i s LCD displejem SHARP LQ084S3DG01 na obr. 5.1 jako komplet. Tuto zobrazovací jednotku dodává firma DevCom, která se zabývá vývojem leteckých systémů. Obr. 5.1: Kompletní zobrazovací systém

23 KAPITOLA 5. POUŽITÝ HARDWARE 23 Grafický řadič Fujitsu Scarlet s typovým označením MB68291AS je připojen k lokální sběrnici procesoru. Dle použitého zobrazovače, může pracovat až v rozlišení 1280x1024 bodů. V laboratorním přípravku je použit dotykový zobrazovač s rozlišením 800x600. Obr. 5.2: Porty komunikačního rozhraní Komunikační rozhraní (na obr. 5.2) obsahuje samostatný RISC komunikační procesor, který implementuje většinu používaných sériových komunikačních protokolů a rozhraní. Komunikační procesor je rozdělen na několik samostatných modulů, z nichž každý může realizovat určitou skupinu protokolů. Modul SCC v režimu UART nabízí: poloviční nebo plný duplexní provoz, 5 až 8 (SCC modul) datových bitů, 1 nebo 2 stop bity, lichou/sudou paritu nebo přenos bez parity a přenosovou rychlost až Bd HW specifikace Tab. 5.1: Základní parametry displeje LQ08453DG01 Úhlopříčka: 21 cm (8.4 inch) Aktivní oblast x mm (šířka x výška) Vnější rozměr x x 11.6 mm (šířka x výška x hloubka) Rozlišení 800 x 600 Svítivost 350 cd/m 2 Kontrast minimálně 250:1 Viditelný úhel 130, 105 (horizontálně, vertikálně)

24 KAPITOLA 5. POUŽITÝ HARDWARE 24 Tab. 5.2: Základní parametry TS INGENIA Duet procesor: RISC Freescale Semiconductor MPC880 nebo MPC885, pracovní frekvence 96, 133MHz výkon max. 176MIPS 8kB instrukční cache, 8kB datová cache DRAM: MB SDRAM, šířka sběrnice 32 bitů FLASH: 8MB, šířka sběrnice 16 bitů komunikační 2x CAN 2.0B galvanicky oddělený, rychlost max. 1MBit/s periférie: 2x UART RS232 1x UART RS485 2x Ethernet 10/100BaseT grafické 2D/3D grafický akcelerátor Fujitsu Scarlet MB86291AS rozhraní: rozlišení max. 1280x1024, barevná paleta 256k barev podpora pro připojení odporové dotykové obrazovky (touch screen) analogové VGA rozhraní rozměry: 100x180 mm napájení: stabilizovaný zdroj 5V DC nebo stabilizovaný zdroj 12V DC nebo zdroj 15 28V DC spotřeba: chlazení: pracovní teplota: rozměry: max. 10W (bez připojeného IDE zařízení a displeje) pasivní standardní provedení 0 C až 70 C provedení pro průmysl -40 C až 85 C 100x180 mm

25 KAPITOLA 5. POUŽITÝ HARDWARE Kit STK500 AVR Mikroprocesor byl programován pomocí kitu STK500 od firmy Atmel. Tento kit lze připojit pomocí rozhraní RS232 k počítači pro programování i ladění programu. Je to základní kit a vývojový systém pro AVR mikroprocesory od firmy Atmel. Podporuje mnoho mikroprocesorů této firmy a je tak univerzálním nástrojem pro práci s nimi. Mikroprocesory je možné programovat způsobem In-System (ISP). Pro imitaci vstupů/výstupů lze využít LED diody nebo tlačítka. Další využitelné komponenty jsou zobrazeny na obr Obr. 5.3: Základní komponenty kitu STK500

26 KAPITOLA 6. POUŽITÝ SOFTWARE 26 6 POUŽITÝ SOFTWARE 6.1 Software pro programování a kompilaci Pro programování ATmegy16 je použit program AVR Studio 4. Je to software umožňující vytváření programových projektů, které mohou obsahovat jeho jednotlivé časti (soubory s programovými kódy, informace o projektu, textové soubory...). Vývojové prostředí obsahuje textový editor, ve kterém se vytváří programový kód. AVR Studio podporuje překlad jak programů psaných v jazyce C tak i programů psaných v jazyce Assembler. Textový editor automaticky rozeznává části kódu a tím umožňuje snazší orientaci. Hlavní výhodou tohoto programu je možnost ladění kódu i se simulací určitého typu mikroprocesoru. Během ladění lze zobrazovat aktuální informace o registrech, perifériích a další informace. Tento program je freeware a lze ho stáhnout z internetových stránek. Program vyvíjí firma Atmel, která zároveň vyrábí a navrhuje mikroprocesory ATmega. Jako software na tvorbu programu pro laboratorní systém Sharp-Ingenia je použito vývojové prostředí VIDE. Toto prostředí však trpí mnoha nedostatky, jako jsou například mizení částí textu nebo mizení částí zobrazených menu. Tento program je použit pouze pro překládání zdrojového kódu napsaného v jazyce C, překládání celých projektů a vytváření make souborů (MakeFile.v). Vývojové prostředí pro překlad využívá cross-compiler GCC pro procesory Motorola PowerPC, který je součástí softwarového balíku Cygwin. Cygwin je volně šiřitelný emulátor Linuxového prostředí pro MS Windows. Jako editor programového jazyka je používáno programu PsPAD. 6.2 Podpůrný software Pro kreslení elektrických schémat a návrh desek plošných spojů, je použito programu OrCad od firmy Cadence Design System, Inc. Tento program slouží pro komplexní návrhy hardwareových řešení. Pro nahrávání programu do systému Sharp-Ingenia slouží software TFTP server, který umožňuje bezpečný transfer mezi počítačem a zobrazovací jednotkou.

27 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 27 7 REALIZACE - HARDWARE 7.1 Modul převodu selsyn - rozkladač Základní funkce modulu převodu je převést a velikostně upravit signály selsynu na signály rozkladače (tzn. z třísložkové soustavy na pravoúhlou soustavu). Další funkce, kterou tento modul vykonává, je úprava referenčního signálu. Vstupy tohoto modulu tvoří signály selsynu a signály reference. Vzhledem k tomu, že jedna fáze ze signálu reference bude uzeměna, bude nutno signály reference získávat pomocí transformátoru. Transformátor má tyto parametry: primární vinutí 36V, sekundární vinutí 16V, frekvence 400Hz, maximální proud při zátěži 100mA. Na primárním vinutí transformátoru jsou signály získávány z budičů selsynu (klonění, klopení). Na obr. 7.1 je naznačený celý převod signálů selsynu. Obr. 7.1: Schéma převodu selsyn-rozkladač Vstupní děliče zde vytváří střed selsynu a také slouží k úpravě velikosti vstupních

28 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 28 napětí. Hodnoty těchto odporů lze vypočítat dle vztahu pro napět ový dělič U 1 = U 1 R4 R1 + R4 2V (7.1) tak, aby jejich výstupní napětí bylo v rozmezí 1.9 a 2V. Toto napětí je deklarováno jako doporučené pro převodník, který bude dále použit. Sledovače jsou zde jako impedanční oddělení odporových děličů a dalších obvodů. Podrobnější popis funkce rozdílového zesilovače i s výpočtem součástek je v kapitole Na obr. 7.2 je znázorněnaúprava reference. Odpory R13 a R14 slouží jako odporový dělič, protože převodník má přesně definované rozmezí velikosti referenčního napětí. Sledovač má funkci impedančního oddělovače. Za sledovačem je RC článek, který pomocí potenciometru reguluje fázi referenčního napětí. Tento RC článek byl vložen, jelikož referenční napětí nebylo ve fázi se výstupními napětími selsynu. Převodník požaduje maximální fázový posuv mezi výstupními signály rozkladače a referenčním signálem 10 stupňů. Obr. 7.2: Schéma úpravy referenčního signálu Tento modul převodu je fyzicky realizován dvakrát, jednou pro selsyn klopení a podruhé pro selsyn klonění. Napájení operačních zesilovačů, které jsou použité, je z modulu digitalizace.

29 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE Třísložková soustava a pravoúhlá soustava Pro dálkový přenos úhlu se používají selsyny a rozkladače. Výstupem selsynů jsou tři napětí (třísložková soustava). Tato napětí se získávají ze tří cívek (stator) zapojených do hvězdy (Y). Do statorových vinutí se indukuje napětí z rotoru, který se vůči statoru natáčí. Amplitudy výstupních napětí jsou v závislosti na úhlu natočení rotoru posunuté o 120 stupňů. Průběhy napětí na jednotlivých výstupech selsynu jsou zobrazeny na obr Obr. 7.3: Průběhy signálů selsynu Napájecí napětí rotoru lze popsat vztahem U ref = U 0 sin ωt (7.2) kde ω je úhlová rychlost. Napětí na jednotlivých vinutích selsynu lze popsat vztahy U s3 s1 = K U ref sin θ U s2 s3 = K U ref sin(θ ) (7.3) U s1 s2 = K U ref sin(θ ) kde K je činitel transformace, θ je úhel natočení selsynu. Rozkladač má na výstupu dvě napětí, která tvoří pravoúhlou soustavu. Princip je podobný jako u selsynu avšak stator se skládá pouze ze dvou cívek. Tyto cívky svírají

30 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 30 pravý úhel. Amplitudy výstupních napětí jsou tady posunuté o 90 stupňů. Průběhy napětí na jednotlivých výstupech rozkladače jsou zobrazeny na obr Obr. 7.4: Průběhy signálů rozkladače Napájecí napětí rotoru je stejné jako u pravoúhlé soustavy a lze popsat vztahem U ref = U 0 sin ωt (7.4) Napětí na jednotlivých vinutích rozkladače lze popsat vztahy U s3 s1 = K U ref sin θ U s2 s4 = K U ref cos θ (7.5) kde K je činitel transformace, θ je úhel natočení rozkladače Převod mezi soustavami pomocí Scott-T transformátoru Mezi výhody Scott-T transformátoru patří galvanické oddělení vstupních a výstupních signálů. Dále má Scott-T transformátor velmi dobrou stálost parametrů i přes teplotní extrémy. Tento transformátor má však větší rozměry a vysokou cenu. Je tvořen dvěma transformátory, které jsou zapojené dle obr. 7.5.

31 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 31 Obr. 7.5: Schéma Scott-T transformátoru Jeden transformátor je nápajený z třísložkové soustavy dvěmi napětími Y 2 a Y 3. Tento transformátor má na vstupním vinutí uprostřed odbočku, která spolu s napětím Y 1 slouží jako vstupní napětí druhého transformátoru. Druhý transformátor má přenos 86,6% (0, 5 3) Převod mezi soustavami pomocí operačních zesilovačů Tato metoda se používá tam, kde se narozdíl od Scott-T transformátoru nevyžaduje galvanické oddělení výstupních napětí selsynu a dalších obvodů. Na obr. 7.6 je graficky znázorněn převod. Na obr. 7.7 je jeho realizace. Přenos rozdílového zesilovače musí upravovat napětí Uy tak, aby jeho maximum bylo stejné jako maximum napětí Ux.

32 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 32 Obr. 7.6: Fázorový diagram převodu selsyn-rozkladač Z fázorového diagramu na obr. 7.6 je zřejmé, že pro napětí Ux a Uy platí U x = U 1 (7.6) kde U 1, U 2, U 3 jsou napětí selsynu, U x, U y jsou napětí rozkladače. U y = U 2 U 3 2 cos 30 (7.7) Obr. 7.7: Schéma převodu selsyn-rozkladač

33 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 33 Schéma na obr. 7.7 vychází z předpokladu, že střed selsynu je uzemněný a tedy napětí U 1, U 2, U 3 jsou vztaženy k operační zemi, která je spojena se středem selsynu. Aby bylo dosaženo stejné velikosti napětí Ux a Uy je nutné pomocí rov. 7.7 a pomocí vztahu pro rozdílový zesilovač, vypočítat poměr odporů R 1 a R 2 podle vztahu kde U 2, U 3 jsou napětí selsynu, U y je napětí rozkladače. U y = U 2 U 3 2 cos 30 = (U 2 U 3 ) R2 R 1 (7.8) Po úpravě rov. 7.8 dostaneme vztah pro poměr odporů R 1 R 2 = 2 cos 30 = 3 (7.9) 7.2 Modul digitalizace Funkcí modulu digitalizace je převést signály rozkladače na číslo. Blokové schéma je na obr Vstupy tohoto modulu jsou signály rozkladače (SIN, COS), referenční signál a signály sloužící k řízení převodníku. Řízení převodníku lze signály /INHIBIT a /ENABLE. Výstupy tohoto modulu jsou hlavně datové vodiče, které tvoří datovou paralelní sběrnici a další doplňkové signály převodníku. Napájecí napětí i s popisem jsou v tab Blok napájení obsahuje stabilizátory +12 V a -12 V. Tato napětí slouží k napájení převodníku. Obvody indikace napětí pouze kontrolují požadované napájecí hodnoty převodníku a jejich správnou funkci indikují LED diody. Blok podpůrných obvodů nastavuje dynamické charakteristiky převodníku a další jeho parametry. Tyto obvody jsou popsány v kapitole Obvody jsou nastaveny na tyto parametry: rozlišení 12 bitů, referenční frekvence 400Hz, šířka pásma uzavřené smyčky 100Hz, maximální rychlost sledování 10 otáček/sec. Desky modulu digitalizace jsou fyzicky zastoupeny dvakrát (klopení, klonění) podobně jako u modulu převodu selsyn-rozkladač.

34 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 34 Obr. 7.8: Blokové schéma modulu digitalizace Tab. 7.1: Napájecí napětí Napětí Popis napájení Rozvod +15 V stabilizátory modul digitalizace operační zesilovače modul digitalizace, modul převodu +5 V logické obvody převodníku modul digitalizace -15 V stabilizátory modul digitalizace operační zesilovače modul digitalizace, modul převodu 0 V zem modul digitalizace, modul převodu

35 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE Převodník rozkladač-číslo AD2S83 Převodník AD2S83 na obr. 7.9 je monolitický, sledovací převodník rozkladač-číslo s volitelnou přesností převodu od firmy Analog Devices. AD2S83 převádí signál ze vstupů pro rozkladač na paralelní binární slovo pomocí poměrové sledovací metody. Ta zajišt uje vysokou odolnost proti šumu, při dlouhém vedení signálu od rozkladače. Tento převodník funguje s referenční frekvencí v rozsahu 0 Hz až 20 khz. Přesnost převodníku může být nastavena uživatelem, pomocí dvou řídících pinů. Poměrový sledovací převod také zajišt uje výstupní data bez převodového zpoždění a toleranci harmonického zkreslení. Dynamické parametry převodníku se nastavují pomocí hodnot externích odporů a kondenzátorů. Těmi lze definovat šířku pásma, maximální sledovací rychlost a poměrný koeficient výstupu rychlosti otáčení. Obr. 7.9: Funkční blokový diagram řady AD2S8x Vstupem převodníku jsou signály z rozkladače SIN, COS a REF, který je referenční. Signály SIN a COS mají doporučenou maximální velikost 2V ef. Pro referenční signál REF jsou doporučeny vstupní napětí v rozmezí 1-8V p-p. Harmonické zkreslení těchto signálů je požadováno menší než 10 procent. Pro správnou funkci převodníku je maximální fázový posuv mezi referencí a signály rozkladače 10 stupňů.

36 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 36 Napájecí napětí převodníku je ±12V a +5V pro napájení logických obvodů. Tolerance napájecích napětí je přibližně 0.5 V. Signálová a analogová zem jsou spojeny interně. Analogová a digitální zem musí být spojena externě a to co možná nejblíže převodníku. Obvod se řídí pomocí vstupních signálů /INHIBIT, /ENABLE a BYTE SELECT. Signál /INHIBIT zajišt uje přenos dat z vratného čítače na výstupní registr. Data jsou platná 490 ns po sestupné hraně signálu /INHIBIT. Signál /ENABLE řídí stavy výstupních pinů. Při nastavení tohoto signálu na log 1 jsou výstupní datové piny ve stavu vysoké impedance. Když se signál /ENABLE nastaví na hodnotu log 0, tak se na výstupních datových pinech objeví hodnoty z výstupního registru. Signálem BYTE SE- LECT lze řídít přenos vyššího a nižšího bytu na výstupních pinech. Signály /INHIBIT, /ENABLE a BYTE SELECT nemají žádný vliv na převodový proces převodníku. Pomocí signálů SC1 a SC2 je možné nastavit rozlišení převodníku, které může být 10, 12, 14 a 16 bitů. Rozlišení má také vliv na další dynamické parametry šířky pásma a sledovací rychlost. Pří menším rozlišení než 16 bitů jsou ostatní výstupní bity nastaveny na hodnoty log 0. Výstupní signál DIR (DIRECTION) indikuje směr vstupní rotace rozkladače. Dalším signálem RC (RIPPLE CLOCK) lze indikovat přechod ze stavu všechny výstupní bity log 1 na stav všechny výstupní bity log 0 a naopak. Minimální šířka pulzu RC je 300 ns. Uspořádání pinů pro pouzdro PLCC44 je na obr a jejich popis v tab Převodník AD2S83 využívá princip poměrové sledovací smyčky, která je zobrazena na obr Blok Ratio Multiplier porovnává signál z rozkladače odpovídající úhlu θ a digitální signál odpovídající úhlu φ, který odpovídá stavu čítače. Každý rozdíl mezi těmito dvěma úhly se projeví na střídavém chybovém napětí (AC ERROR OUTPUT). ACERROR = A1 sin(θ φ) sin ωt (7.10) Toto napětí je spolu s referenčním signálem vedeno do fázově citlivého modulátoru. Jeho výstupní signál se integruje a řídí VCO (napětím řízený oscilátor), který tuto smyčku uzavírá.

37 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 37 Obr. 7.10: Uspořádání vývodů AD2S83 na pouzdru PLCC44 Obr. 7.11: Funkční diagram AD2S83

38 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 38 Tab. 7.2: Popis pinů AD2S83 číslo pinu Název Popis 1 DEMOD O/P Výstup demodulátoru 2 REFERENCE I/P Vstupní signál reference 3 AC ERROR O/P Výstup z poměrové násobičky 4 COS Vstupní cosinus signál 5 ANALOG GND Napájecí zem 6 SIGNAL GND Signálová zem rozkladače 7 SIN Vstupní sinus signál 8 +V S Kladné napájecí napětí +12V DB1-DB16 Paralelní výstupní data 26 +V L Napájecí napětí logických obvodů +5V 27 /ENABLE Řízení výstupních dat na sběrnici 28 BYTE SELECT Řízení pozice výstupních bytů 30 /INHIBIT Řízení přenosu dat na výstupní piny 31 DIGITAL GND Digitální zem 32,33 SC2,SC1 Určuje rozlišení převodníku 34 /DATA LOAD Vstupní/výstupní data na sběrnici 35 /COMPLEMENT Doplňek 36 BUSY Signál platnosti výstupních dat 37 DIRECTION Určuje směr rotace rozkladače 38 RIPPLE CLOCK Určuje přechod z maximální hodnoty výstupu na minimální a naopak 39 V S Záporné napájecí napětí -12V 40 VCO I/P Vstup VCO 41 VCO O/P Výstup VCO 42 INTEGRATOR O/P Výstup integrátoru 43 INTEGRATOR I/P Vstup integrátoru 44 DEMOD I/P Vstup demodulátoru

39 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE Podpůrné obvody Jak již bylo zmíněno, pomocí vnějších součástek převodníku (na obr. 7.9) lze měnit dynamické vlastnosti převodníku. Těmito dynamickými vlastnostmi jsou šířka pásma a sledovací rychlost. Firma Analog Devices poskytuje volně šiřitelný program, kterým lze vnější součástky vypočíst. Pásmovou propust (HF Filter) tvoří součástky R1, R2, C1 a C2. Tato pásmová propust odstraňuje stejnosměrnou složku signálu a redukuje případné vysokofrekvenční šumy, na vstupním pinu fázového detektoru. To je důležité, pokud je rozkladač umístěn v zarušeném prostředí. Hodnoty těchto součástek musí být počítány s ohledem na referenční frekvenci. Pro součástky pásmové propusti platí 15kΩ R1 = R2 56kΩ (7.11) C1 = C2 = kde f REF je referenční frekvence [Hz]. 1 2 π R1 f REF (7.12) Součástky R4, C4, R5, C5 tvoří pomocí převodníku integrátor, který dává uživateli možnost nastavení optimálních dynamických charakteristik pro danou aplikaci. Pro R4 platí vztah R4 = kde E DC je poměr DC ERROR [volty/lsb], E DC = pro rozlišení 10 bitů, E DC = pro rozlišení 12 bitů, E DC = pro rozlišení 14 bitů, E DC = 2, pro rozlišení 16 bitů. E DC Ω (7.13) U šířky pásma uzavřené smyčky (f BW ) musí být zajištěno, že nesmí překročit určitý poměr k referenční frekvenci. Tento poměr závisí na rozlišení převodníku.

40 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 40 Tab. 7.3: Tabulka poměrů ref. frekvence a šířky pásma Rozlišení Referenční frekvence : Šířka pásma 10 bitů 2,5:1 12 bitů 4:1 14 bitů 6:1 16 bitů 7,5:1 Ostatní součástky integrátoru C4, C5 a R5 lze vypočíst dle vztahů C4 = 21 F (7.14) R6 fbw 2 R5 = kde f BW je šířka pásma uzavřené smyčky [Hz]. C5 = 5 C4 (7.15) 4 2 π f BW C5 Ω (7.16) Horní propust na vstupu referenčního signálu odsraňuje stejnosměrnou složku a frekvence, které jsou nižší než frekvence referenčního signálu. Je tvořena C3 a R3 pro které platí vztahy C3 > kde f REF je referenční frekvence [Hz]. R3 = 100kΩ (7.17) 1 R3 f REF F (7.18) Maximální sledovací rychlost lze definovat pomocí odporu R6. Nastavuje se tak, aby při maximální sledovací rychlosti T (tzn.rychlosti otáčení rozkladače) bylo na výstupu integrátoru 8V. Pro hodnotu odporu R6 platí vztah R6 = 6, Ω (7.19) T n kde n je počet bitů na jednu otáčku rozkladače, n = pro rozlišení 10 bitů, n = pro rozlišení 12 bitů,

41 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 41 n = pro rozlišení 14 bitů, n = pro rozlišení 16 bitů. Další součástky C6, R7 a C7 fázově kompenzují a optimalizují signál vstupu VCO a jejich hodnoty jsou R7 = 3, 3kΩ (7.20) C6 = 390pF (7.21) C7 = 150pF (7.22) Pomocí odporů R8 a R9 lze určit offset vstupu integrátoru. Pokud je požadovaný nulový offset, tak se spojí vstup COS se vstupem REF a vstup SIN se připojí na signálovou zem. Potenciometr R9 se pak nastaví tak, aby výstupní datové vývody převodníku byly v log 0. Hodnoty R8 a R9 jsou definovány takto R8 = 4, 7kΩ (7.23) R9 = 1M Ω potenciometr (7.24) 7.3 Modul přenosu dat Blokové schéma je na obr Modul přenosu dat má tyto úkoly : 1. řízení převodníků 2. sběr dat 3. transformaci dat do určitého rámce 4. vyslání rámců na sběrnici RS232

42 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 42 Obr. 7.12: Blokové schéma modulu komunikace Hlavním členem tohoto obvodu je mikroprocesor ATmega16. Ten byl vybrán hlavně díky podpoře USART (Universal Synchronous and Asynchronous Receiver and Transmitter), jednoduchému programování a dobré podpoře výrobcem. Tento mikroprocesor je podrobněji popsán v kapitole Mikroprocesor ATmega16 pomocí dvou konektorů pro sběr dat, sbírá data od převodníků klonění (PITCH) a klopení (ROLL). Je naprogramovám tak, aby u těchto převodníků řídil vyčítání dat. Data o klonění resp. klopení mají 12 bitů. Tato data jsou pak programově upravena do rámce ( obr. 7.13). Jak je patrné tak rámec tvoří 4 byty. Druhý a čtvrtý byte má platné pouze 4 nejnižší bity. Následně se tento rámec pomocí integrovaného obvodu MAX232 pošle na sběrnici RS232. Obvod MAX232 je podrobněji popsán vkapitole Pomocné obvody jsou tvořeny externím krystalem a resetovacím tlačítkem. Externí krystal, který kmitá frekvencí 4MHz, slouží jako přesné hodiny pro převodník. V mikroprocesoru ATmega lze použít i integrované RC oscilátory, ale externí krystal zaručuje časovou stálost hodin. Resetovací tlačítko slouží k vypínání resp. resetování mikroprocesoru. Pro správnou funkci Atmegy16 jsou softwareově nastaveny další důležité parametry. Nastavením CKOPT je aktivován větší rozkmit externího oscilátoru. Ten se používá pro aplikace v zarušeném prostředí. Následkem toho je větší spotřeba. Aktivací BODLEVEL lze dosáhnout spuštění vnitřního resetu při poklesu napětí pod určitou úroveň. Tyto úrovně jsou 4 V (BODLEVEL=0) a 2,7 V (BODLEVEL=1).

43 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 43 Obr. 7.13: Rámec vyslaný na RS232 Tato detekce (Brown-out detection) je u mikroprocesoru nastavena na hodnotu 2,7 V. Pro používání externího krystalu o vyšší frekvenci je nastavena hodnota CKSEL. Postup programování ATmegy16 je v příloze A Sběrnice RS-232 Komunikace standardem RS232 využívá asynchronní sériovou komunikační metodu. Přenášená data tedy lze začít vysílat v jakýkoli čas a je pouze otázka přijímače, aby určil začátek a konec zprávy. Standard RS232 definuje dva typy zařízení a to DTE (Data Terminal Equipment) a DCE (Data Communication Equipment). Zařízení DTE je například PC a zařízení DCE je například modem nebo mobilní telefon. RS232 popisuje komunikační metodu, kde se vysílá bit po bitu na komunikační kanál. Délka datového slova je volitelná od 5 do 8 bitů v jedné zprávě. K těmto datovým bitům jsou přidány další bity pro synchronizaci přijímače a bity pro cílové ověření platnosti zprávy. Je tedy důležité, aby přijímač i vysílač měli nastavené stejné parametry zprávy. Na obr je znázorněn příklad zprávy (bez paritních bitů) i s fyzickými napět ovými úrovněmi ( tab. 7.4). Tab. 7.4: Napět ové hodnoty logických úrovní Úroveň napět ová hodnota log. 0 (Low) V log. 1 (High) V nedefinováno V

44 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 44 Obr. 7.14: Příklad zprávy na sběrnici RS232 Datové bity jsou vysílány v předem definované rychlosti (tzv. baud rate). U přijímače a vysílače musí být tyto rychlosti a i další parametry zprávy nastaveny stejně, jinak se nepodaří přenést data korektně. Start bit definuje přijímači okamžik, kdy vysílač začal vysílat zprávu a synchronizuje si tak příjem následujících bitů ve zprávě. Za start bitem následují datové bity. Datové bity nabývají hodnot log 0 a log 1. Bit datového slova s nejnižší vahou (LSB - least significant bit) se vždy posílá jako první. Za Datovými bity je možné vysílat paritní bity. Tyto bity mohou zjistit chybu v přenosu mezi přijímačem a vysílačem. Vysílač vypočítá hodnotu tohoto bitu podle nastavení parity. Parita může být sudá nebo lichá. Paritní bity mohou být i dva nebo je lze vypustit ze zprávy úplně. Tyto bity lze nastavit i na konstantní hodnotu log 0 nebo log 1, ale tím ztratí svůj význam. Za paritním bitem následuje stop bit. Ten definuje konec zprávy a jeho délka může být nastavena na 1, 1,5 nebo 2 časové úseky, odvozené z rychlosti přenosu. Tyto zprávy se vysílají na datovém signálu. RS232 definuje další signály, které eliminují kolize a řídí přenos na sběrnicích RS232. Důležité signály i s krátkým popisem jsou v tab. 7.5.

45 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 45 Název DCD-Data Carrier Detect RXD-Receive Data TXD-Transmit Data DTR-Data Terminal Ready SGND-Signal Ground DSR-Data Set Ready RTS-Request to Send CTS-Clear to Send RI-Ring Indicator Tab. 7.5: Popis signálů Popis Detekce nosné. Modem oznamuje terminálu, že na telefonní lince detekoval nosný kmitočet. Tok dat z modemu (DCE) do terminálu (DTE). Tok dat z terminálu (DTE) do modemu (DCE). Terminál tímto signálem oznamuje modemu, že je připraven. Signálová zem. Modem tímto signálem oznamuje terminálu, že je připraven. Terminál tímto signálem oznamuje modemu, že komunikační cesta je volná. Modem tímto signálem oznamuje terminálu, že komunikační cesta je volná. Indikátor zvonění. Modem oznamuje terminálu, že na telefonní lince detekoval signál zvonění. Sběrnice RS232 využívá tři základní typy konektorů a to DB25 (Cannon 25 pin), DB9 (Cannon 9 pin) a RJ45. Zapojení signálu u těchto konektorů je na obr. 7.15(a) a obr. 7.15(b). Konektory DB25 zástrčka a DB9 zástrčka mají zařízení DTE a konektory DB25 zásuvka a DB9 zásuvka mají zařízení DCE.

46 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 46 (a) DTE (b) DCE Obr. 7.15: Popis konektorů sběrnice RS Mikroprocesor ATmega16 ATmega16 je 8-bitový mikroprocesor vyráběný firmou Atmel. Jeho blokové schéma je na obr Tento mikroprocesor má pokročilejší RISC architekturu a disponuje pamětí Flash (16K Bytes), EEPROM (512 Bytes) a vnitřní SRAM (1K Bytes). Tyto paměti lze přepisovat a mazat až x (Flash) a x (EEPROM). Jako doplňující periférie obsahuje dva 8-bitové čítače/časovače, čtyři PWM kanály, analogově digitální převodník, programovatelný USART, rozhraní Master/Slave SPI. Dodává se ve třech různých pouzdrech. Mikroprocesor může využívat vnitřní kalibrovaný RC oscilátor nebo externí zdroje. Mezi tyto zdroje patří RC oscilátor, krystal nebo externí hodiny. Rozsah frekvencí vnějšího oscilátoru je od 0 Hz do 16 MHz. Napájecí napětí musí v rozmezí 4,5 až 5,5V. Disponuje až 32 programovatelnými piny vstup/výstup, které jsou rozděleny do 4 bran (portů). Všechny tyto brány mají funkci

47 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 47 Obr. 7.16: ATmega16 - blokové schéma 8 dvoustavových vstupně/výstupích pinů. Piny portu A slouží dále jako analogové vstupy A/D převodníku. Brána C má kromě funkce vstupně/výstupí pinů, také funkci programátora pomocí rozhraní JTAG. Port D slouží jako vstup/výstup USART (piny RxD, TxD). Všechny tyto brány mají piny přes vnitřní odpory spojené s napájecím napětím (pull-up) mikroprocesoru.

48 KAPITOLA 7. REALIZACE - HARDWARE 48 Obr. 7.17: USART - blokové schéma K přenosu dat se používá USART, jehož blokové schéma je na obr Rychlost přenosu je 9600 Bd a lze ji programově měnit. Lze také měnit formát celého vyslaného rámce, tzn. počet datových bitů, počet stop bitů a paritu. Použitý rámec obsahuje 8 datových bitů, s jediným stop bitem a bez parity. Registrem UBRR (Baud Rate Register) je řízena přenosová rychlost. Pomocí registru UCSRC je nastaven formát rámce Převodník úrovní sériové linky MAX232 Integrovaný obvod MAX232 vyrábí firma Maxim a Texas Instrument. Tento integrovaný obvod obsahuje dva převodníky z úrovní RS232 (+12V, -12V) na úrovně TTL (+5V, 0V) a dva převodníky z úrovní TTL na úrovně RS232. Obvod MAX232 stačí napájet pouze 5V, jelikož úrovně pro RS232 si zajišt uje pomocí nábojových pump. Pracuje až do přenosových rychlostí 120kbit/s.

49 KAPITOLA 8. REALIZACE - SOFTWARE 49 8 REALIZACE - SOFTWARE 8.1 Program komunikace měřících modulů a zobrazovací jednotky Software komunikace měřících modulů a zobrazovací jednotky je programován pomocí vývojového prostředí AVR Studio 4. Je použit programovací jazyk C. Tento program je nahrán do použitého mikroprocesoru ATmega16 pomocí vývojového kitu STK500. Vývojový kit STK500 je podrobněji popsán v kapitole 5.2. Hlavním úkolem tohoto programu je sběr dat z vstupních bran mikroprocesoru a jejich odeslání (ve formátu na obr. 7.13) na sériovou linku Popis řídícího programu a vývojové diagramy Program tvoří jediný soubor s názvem SERIAL.C. Na začátku jsou provedeny deklarace proměnných a konstant. Poté následují použité funkce. Hlavní tělo programu je umístěno ve funkci main. Obr. 8.1: Vývojový diagram programu komunikace Z obr. 8.1 je patrné, že po spuštění funkce main dojde k inicializaci USART,

50 KAPITOLA 8. REALIZACE - SOFTWARE 50 kterou tvoří nastavení registrů UBRR a UCSRC. Pomocí registru UBRR se nastavuje přenosová rychlost. Hodnotu tohoto registru lze vypočíst dle vztahu UBRR = f OSC 16 BAUD 1 (8.1) kde UBRR je hodnota registru UBRR, f OSC je kmitočet krystalu [Hz]. Dále je pomocí registru UCSRC nastaven formát zprávy a parametry přenosu. Popis těchto registrů je v kapitole Poté následuje nekonečná smyčka, která pracuje s daty z převodníků. Nekonečná smyčka na obr. 8.2 začíná nastavováním řídících signálů pro převodníky a čekacími smyčkami. Řídící signály se musejí měnit, jelikož převodník reaguje na sestupné hrany těchto signálů. Jsou to signály /INHIBIT a /ENABLE. Za daný čas po aktivaci převodníků se čtou data z jejich výstupů, pomocí vstupních bran A, B a C. Tato data jsou následně upravena do určitého formátu na obr a postupně poslána na výstupní pin TxD. V druhém a čtvrtém vyslaném bytu jsou data platná pouze na 4 bitech s nejnižší vahou. Tím je naprosto oddělena informace o klopení a klonění. Informaci o klopení (ROLL) patří první dva byte a informaci o klonění zbylé dva byte. Po vyslání dat nekonečná smyčka končí a vrací se na svůj začátek. Další podrobnější informace o programu komunikace lze nalézt v komentářích zdrojového kódu, které jsou na přiloženém CD. Obr. 8.2: Vývojový diagram nekonečné smyčky

51 KAPITOLA 8. REALIZACE - SOFTWARE Program zobrazení umělého horizontu Program pro zobrazení umělého horizontu vychází z diplomové práce Ing. Pavla Pačese (viz. [5]), která je tvořena několika funkčně provázanými programovými moduly pro obsluhu zobrazovací jednotky Sharp-Ingenia. Při realizaci této diplomové práce jsou využity některé z těchto modulů. Převzaté moduly souvisejí s nadstavbou grafických funkcí, s watchdog časovačem, s obsluhou tlačítek a dotykového displeje a s podporou grafického menu. Dále je využito modulů dodávaných se zobrazovací jednotkou, které tvoří základní inicializace hardwaru, základní grafické funkce a základní obsluhu periférií. Programování zobrazovacího systému je popsáno v kapitole Přesný popis je v příloze B Popis programu zobrazení umělého horizontu Hlavní funkcí programu je zobrazení ukazatele umělého horizontu. Program zobrazení má k dispozici dva zdroje dat. První jsou data na sběrnici RS232 od modulu přenosu dat, která jsou dána formátem na obr Druhá možnost je využítí simulovaných dat. Tato data polohových úhlů lze definovat nastavením polohových úhlů pomocí určeného kroku manuálně (manuální simulace), nebo nastavením rychlosti změn polohových úhlu (automatická simulace). Z obr. 8.3 je patrná struktura propojení použitých programových modulů. Jsou zde naznačeny vazby jednotlivých modulů mezi sebou. Hlavním souborem celého projektu je diplom tst.c. Vývojový diagram souboru je na obr Při inicializaci dochází k definování dvou přenosových kanálů RS232. Jeden kanál označen SMC1 CHANNEL slouží pro ladění systému a kontrolní výpisy. Druhý kanál SCC3 CHANNEL slouží pro příjem dat polohových úhlů z modulu přenosu dat. Tento přenosový kanál má nastavené stejné parametry jako ATmega16 v modulu přenosu dat. Obsluha kláves zajišt uje spouštění testovacích rutin a nastavení parametrů při ladění programu pomocí stisku kláves na vývojovém PC. Po odladění programu už obsluha kláves z vývojového PC není zapotřebí.

52 KAPITOLA 8. REALIZACE - SOFTWARE 52 Obr. 8.3: Struktura použitých programových modulů Obr. 8.4: Vývojový diagram diplom tst

53 KAPITOLA 8. REALIZACE - SOFTWARE 53 Obr. 8.5: Struktura menu Hlavní smyčka programu je umístěna v knihovně main.c. Funkce obsažené v tomto modulu definují všechna menu, která mohou v programu nastat a to jak tlačítková menu tak i výpisy na obrazovku. Hlavní smyčka programu je umístěna ve funkci choice(). Tato funkce definuje strukturu zobrazených menu, která je na obr Funkce choice() také určí, které funkce se spouštějí v daném stavu programu. Data jsou reprezentována strukturou thor, která je definována v hlavičkovém souboru horizont.h. Tato struktura obsahuje polohové úhly klopení i klonění, kalibrační hodnoty (tzn. vztažné polohové úhly), informace pro obnovení (refresh) ukazatele, hodnoty kroku pro manuální simulaci a hodnoty rychlosti změn polohových úhlů pro automatickou simulaci.

54 KAPITOLA 8. REALIZACE - SOFTWARE 54 V knihovně data.c jsou umístěné funkce pro práci s daty. Jsou zde funkce na přijímání dat od modulu přenosu dat. Dále tato knihovna obsahuje funkci calculate real angles() na výpočet polohových úhlů vztažených ke kalibračním hodnotám. Zároveň kontroluje čas a přijatá data a zjišt uje zda bude nutné překreslení (refresh). Kalibraci je nutné provádět při stavu nulových polohových úhlů, tomu odpovídá letadlo v klidu na zemi. Modul data.c také obsahuje funkce pro výpočet hodnot při simulacích. Pro vykreslování umělého horizontu na LCD displej slouží funkce obsažené v knihovně horizont.c. Jsou zde funkce na kreslení jednotlivých částí umělého horizontu. Mezi tyto funkce patří např. HOR roll scale() na vykreslení stupnice náklonu, HOR pitch scale() na vykreslení stupnice klopení a HOR line earth() pro vykreslení roviny země. Tyto funkce jsou obsaženy ve funkci draw horizont(), která vykreslí kompletní umělý horizont na LCD displej i s vypsáním polohových úhlů pro ladění programu. Na obr. 8.6 je vykreslen umělý horizont pomocí LCD displeje. Další knihovny button.c, menu.c, b timer.c, graphics2.c a sin.c jsou součástí diplomové práce Ing. Pavla Pačese. Podrobněji jsou tyto knihovny popsány v literatuře [5]. Na obr. 8.7 je znázorněný vývojový diagram rutiny, která se spustí po výběru módu horizont. Další podrobnější informace o programu zobrazení umělého horizontu lze nalézt v komentářích zdrojového kódu, které jsou na přiloženém CD. Obr. 8.6: Vykreslený umělý horizont

55 KAPITOLA 8. REALIZACE - SOFTWARE 55 Obr. 8.7: Vývojový diagram pro mód horizont

56 KAPITOLA 8. REALIZACE - SOFTWARE Programování systému Systém Sharp-Ingenia lze programovat pomocí bootloaderu U-Boot přes Hyperterminál z jiného PC. Tento zaváděcí program U Boot komunikuje s počítačem pomocí sériové linky (RS232). Obr. 8.8: Programování systému Sharp-Ingenia Pomocí příkazů lze počítači INGENIA Duet přikázat stahování funkčního souboru s příponou *.bin po Ethernetové lince pomocí protokolu TFTP. Přesné programování systému je patrné v příloze B. Na obr. 8.8 je znázorněn diagram pro programování systému Sharp-Ingenia.

57 KAPITOLA 9. ZÁVĚR 57 9 ZÁVĚR Cílem této diplomové práce bylo navrhnout a realizovat systém modernizace umělého horizontu pomocí LCD displeje pro gyroskopický systém 458B spolupracující s ukazatelem umělého horizontu AGD-1. K dispozici je zobrazovací systém Sharp-Ingenia dodávaný firmou DevCom. Zobrazovací systém je komunikačním kanálem spojen s realizovanou měřící jednotkou, kterou lze rozdělit na tři části: - Modul převodu selsyn - rozkladač - Modul digitalizace - Modul přenosu dat Návrh a obvodová realizace měřící jednotky společně s vytvořením programového vybavení jednotky tvoří převážnou část diplomové práce. Moduly převodu selsyn - rozkladač byly navrženy pro vyvedenou šestici signálů ze selsynů ukazatele AGD-1. Signály selsynů byly napět ově přizpůsobeny následným obvodům a upraveny na signály rozkladačů. Moduly převodu fázově a amplitudově upravují referenční signály, které byly přes transformátory přivedeny z budících cívek selsynů gyroskopického systému 458B. Tyto moduly byly realizovány deskami plošných spojů a odzkoušeny. Během těchto testů byla objevena chyba v napájení použitých operačních zesilovačů, která byla drátovou propojkou odstraněna. Moduly digitalizace se skládají z převodníků rozkladač-číslo AD2S83 firmy Analog Devices a z dalších obvodů, které převodník potřebuje pro svojí funkci. Byly navrženy pro parametry signálů rozkladačů odpovídající signálům selsynů systému AGD-1 a realizovány deskami plošných spojů. Při testování modulů se objevil problém s převodníky. Systém s převodníky fungoval, ale objevovaly se nahodilé chyby při vyčítání dat z převodníků. Do této doby nebyl problém vyčítání dat úplně vyřešen. Pro řízení převodníku a ke komunikaci měřící jednotky se zobrazovacím systémem slouží modul přenosu dat. Je tvořen mikroprocesorem ATmega16, budičem datové sběrnice RS232 a doplňujícími obvody. Mikroprocesor je navržen pro sběr dat o polohových úhlech z převodníků. Digitální signály zpracovává a pomocí budiče MAX232 vysílá na datovou sběrnici RS232. Navržené řešení bylo realizováno deskou plošných

58 KAPITOLA 9. ZÁVĚR 58 spojů. Součástí modulu je navržené programové vybavení mikroprocesoru. Modul byl odtestován a nebyla zjištěna žádná závada zapojení ani programová. Další částí řešené diplomové práce bylo navrhnout programové vybavení pro zobrazovací jednotku Sharp-Ingenia, které jí umožní přijímat data vyslaná měřící jednotkou po datové sběrnici RS232 a jejich zobrazení ve formě umělého horizontu. Programové vybavení umožňuje kalibraci systému, automatickou a manuální simulaci polohových úhlů letadla a zobrazení umělého horizontu z přijatých dat po sběrnici RS232 nebo ze simulovaných dat. Kvůli již zmiňovaným problémům s převodníkem rozkladač-číslo bylo navržené programové vybavení testováno a odladěno pomocí dat vysílaných z PC.

59 LITERATURA 59 LITERATURA [1] Technická dokumentace gyroskopického systému 458B [2] Vedral, J.; Fischer, J.:Elektronické obvody pro měřící techniku. ČVUT, Praha 1999 [3] Kernighan B.W.; Ritchie D.M.:Programovací jazyk C. Computer Press, Brno 2006 [4] Tůma J.:Letecké palubní přístroje. Naše vojsko, Praha 1960 [5] Pačes, P.:Diplomová práce - Zobrazení hodnot motorových veličin ultralehkého letadla, ČVUT, Praha 2005 [6] Data sheet AD2S83, Sheets/AD2S83.pdf [7] Data sheet ATmega16, documents/doc2466.pdf [8] Data sheet MAX232, [9] The Standard RS232 Com Basics/RS232 standard.html [10] HW server představuje - RS-232

60 SEZNAM OBRÁZKŮ 1.1 Umělý horizont vrtulníku Bell 412HP Primary Flight Display Schéma uchycení setrvačníku mechanického gyroskopu Pneumatický pohon setrvačníku Poloha setrvačníku bez korekce vzhledem k zemi Korekční zařízení umělého horizontu s kyvadélky Korekční zařízení s elektrolytickou libelou Schéma laserového gyroskopu Schéma vláknového gyroskopu Ukazatel umělého horizontu AGD Gyroskopický systém 458B Schéma gyroskopu s korekcí pomocí eletrolytické libely Schéma rámů gyroskopického systému 458B Blokové schéma digitalizace signálu Blokové schéma celého systému Kompletní zobrazovací systém Porty komunikačního rozhraní Základní komponenty kitu STK Schéma převodu selsyn-rozkladač Schéma úpravy referenčního signálu Průběhy signálů selsynu Průběhy signálů rozkladače Schéma Scott-T transformátoru Fázorový diagram převodu selsyn-rozkladač Schéma převodu selsyn-rozkladač Blokové schéma modulu digitalizace Funkční blokový diagram řady AD2S8x Uspořádání vývodů AD2S83 na pouzdru PLCC Funkční diagram AD2S

61 7.12 Blokové schéma modulu komunikace Rámec vyslaný na RS Příklad zprávy na sběrnici RS Popis konektorů sběrnice RS ATmega16 - blokové schéma USART - blokové schéma Vývojový diagram programu komunikace Vývojový diagram nekonečné smyčky Struktura použitých programových modulů Vývojový diagram diplom tst Struktura menu Vykreslený umělý horizont Vývojový diagram pro mód horizont Programování systému Sharp-Ingenia Připojení kitu STK Zapojení programovacího kabelu Propojení PC a zobrazovací jednotky Schéma č.1 modulu digitalizace Schéma č.2 modulu digitalizace Spodní vrstva desky plošných spojů č Horní vrstva desky plošných spojů č Spodní vrstva desky plošných spojů č Horní vrstva desky plošných spojů č Spodní vrstva desky plošných spojů č Horní vrstva desky plošných spojů č

62 SEZNAM TABULEK 5.1 Základní parametry displeje LQ08453DG Základní parametry TS INGENIA Duet Napájecí napětí Popis pinů AD2S Tabulka poměrů ref. frekvence a šířky pásma Napět ové hodnoty logických úrovní Popis signálů

63 SEZNAM PŘÍLOH - Příloha A - Postup programování mikroprocesoru ATmega16 - Příloha B - Postup programování zobrazovací jednotky - Příloha C - Schéma modulu převod selsyn - rokladač - Příloha D - Schéma modulu digitalizace - Příloha E - Schéma modulu přenosu dat - Příloha F - Deska plošných spojů modulu převodu selsyn - rokladač - Příloha H - Deska plošných spojů modulu digitalizace - Příloha I - Deska plošných spojů modulu přenosu dat 63

64 OBSAH PŘILOŽENÉHO CD Datasheets Informace o použitých obvodech Software Program komunikace měřících modulů a zobrazovací jednotky (zdrojový kód) Program zobrazení umělého horizontu (zdrojový kód) Hardware Dokumentace pro výrobu desek plošných spojů 64

65 Příloha A - Postup programování mikroprocesoru ATmega16 Obr. 9.1: Připojení kitu STK500 Obr. 9.2: Zapojení programovacího kabelu Do patice SCKT3100A3 na kitu STK500 se vloží mikroprocesor ATmega16. Kit se připojí k vývojovému PC a na stejnosměrné napájecí napětí 10 až 15V ( obr. 9.1). Programovací kabel musí spojovat na kitu bloky pinů SPROG3 a ISP6PIN ( obr. 9.2). V datasheetu STK500, na přiloženém CD, je nastavení jumperů, které lze dle potřeby měnit. AVR STUDIO - Otevření souboru: Open File serial.c - Vytvoření souboru *.HEX : Build Build - Připojení k mikroprocesoru : Tools Program AVR Connect - Nahrání souboru (záložka Program) : Device ATmega16 Programming mode ISP mode Flash Input HEX file../serial.hex - Spuštění programování : Flash PROGRAM 65

66 Příloha B - Postup programování zobrazovací jednotky Obr. 9.3: Propojení PC a zobrazovací jednotky Zaváděcí program (bootloader) zobrazovací jednotky komunikuje s PC pomocí RS232. Propojovací kabel na straně PC tvoří konektor Cannon 9 a na straně zobrazovací jednotky je to konektor RJ45. Dále je pro rychlý přenos programu je nutný křížený sít ový kabel (Ethernet). Na PC jsou tedy kladeny požadavky, aby nějakým způsobem disponoval sít ovou kartou a COM portem. IP adresy vývojové PC zobrazovací jednotka VIDE - překlad zdrojového kódu na vývojovém PC - Otevření projektu : Project Open.../as07_dipl3.vpj - Určení výstupního souboru : Project Edit Target File Name as07_diplom.bin - Překlad projektu : Build Make C++/Compile Java Hyperterminál - Nastavení na vývojovém PC - Bity za sekundu : Datové bity : 8 - Parita : Žádná - Počet stop-bitů : 1 66

67 - Řízení toku : žádné TFTP Server - Nastavení na vývojovém PC Nastavení kořenového adresáře : File Configure TFTP Server Root Directory cesta do adresáře, kde se nachází binární soubor programu as07_diplom.bin Spuštení služby TFTP serveru : Status Start Postup nahrávání programu 1. Zapnout zobrazovací jednotku v zobrazovací jednotce se spustí bootloader U- Boot do 2 sekund stisknout klávesu na Hyperterminálu (jinak automaticky startuje program již uložený) 2. Příkaz run dipl do hyperterminálu zobrazovací jednotka nahraje binární soubor, pomocí protokolu TFTP z vývojového PC 3. Příkaz go ff spustí nahraný program 67

68 Příloha C - Schéma modulu převod selsyn - rokladač 68

69 Příloha D - Schéma modulu digitalizace Obr. 9.4: Schéma č.1 modulu digitalizace 69

70 Obr. 9.5: Schéma č.2 modulu digitalizace 70

71 Příloha E - Schéma modulu přenosu dat 71

72 Příloha F - Deska plošných spojů modulu převodu selsyn - rokladač Obr. 9.6: Spodní vrstva desky plošných spojů č.1 Obr. 9.7: Horní vrstva desky plošných spojů č.1 72

73 Příloha H - Deska plošných spojů modulu digitalizace Obr. 9.8: Spodní vrstva desky plošných spojů č.2 Obr. 9.9: Horní vrstva desky plošných spojů č.2 73

74 Příloha I - Deska plošných spojů modulu přenosu dat Obr. 9.10: Spodní vrstva desky plošných spojů č.3 Obr. 9.11: Horní vrstva desky plošných spojů č.3 74