Разработка устройства бесконтактного осцилографирования тока щеток турбогенераторов.

Содержание

Введение
Техническое задание
1.1 Разработка функциональной схемы
1.2. Выбор элементов устройства
1.2.1. Выбор контроллера
1.2.2. Выбор АЦП
1.2.3. Выбор модуля Bluetooth
1.2.4. Выбор DC/DC преобразователя
1.3. Разработка схемотехники устройства
1.3.1. Разработка схемотехники АЦП
1.3.2. Разработка схемотехники микропроцессора
1.3.3. Разработка схемотехники модуля Bluetooth
1.3.4. Обеспечение питания устройства
1.3.5. Входные сигналы, разъёмы, индикация
1.4. Разработка конструкции устройства
1.5. Разработка алгоритма функционирования устройства
Заключение
Список литературы

Разработка устройства бесконтактного осцилографирования тока щеток турбогенераторов.

1.2.2. Выбор АЦП
В качестве АЦП выберем высокопроизводительный (85 К выборок/с) 16-разрядный АЦП фирмы MAXIM MAX19586.
Отличительные особенности АЦП:
16-ти разрядное разрешение, нет потери кода
Отношение сигнал/ шум и искажения SINAD 90 дБ
Время преобразования 9.4 мкс
Потребление тока в режиме отключения 10 мкА (макс)
Встроенная система выборки/хранения
Специфицирована для работы в DC/AC режимах
Однополярный (от 0 В до VREF) и биполярный ( от - VREF до VREF) диапазоны входного сигнала
Последовательный вывод данных с тремя логическими состояниями
Малогабаритные корпуса 16-pin DIP, SO, и керамический Ceramic SB
Функциональная схема АЦП(рис. 3):
Рис. 3
Расположение выводов (рис. 4):
Рис. 4
Описание:
ИС MAX195 является 16-ти разрядным, аналого- цифровым преобразователем (АЦП) с последовательным приближением, который объединяет высокое быстродействие, прецизионные параметры, низкое энергопотребление и режим отключения с потребляемым током 10 мкА. Встроенная система калибровки исправляет погрешности нелинейности и смещения для обеспечения заявленных характеристик при максимальной скорости преобразования и во всем диапазоне эксплуатационных температур, без необходимости внешних регулировок. Емкостная ЦАП-архитектура обеспечивает функционирование системы выборки/ хранения на скорости 85 К выборок/с.
При использовании внешнего источника опорного напряжения (ИОН), вплоть до +5 В, ИС MAX195 обеспечивает однополярный (от 0 В до VREF), или биполярный ( от -VREF до +VREF), выбираемые, по входу управления ИС, диапазоны входного сигнала. Раздельные шины питания для аналоговых и цифровых каскадов минимизируют влияние цифровых шумовых составляющих.
Вход выборки ИС CS (активный низкий) управляет состоянием последовательного выхода данных с тремя состояниями. Данные могут считываться, либо во время преобразования, как только биты данных определены, или после завершения преобразования, со скоростями, до 5 Мбит/с, с использованием последовательного тактового управляющего сигнала SCLK. Выходной сигнал завершения преобразования EOC (активный низкий) может быть использован для прерывания процессора, или может быть напрямую подключен к входу CONV (активный низкий), для обеспечения непрерывного преобразования на максимальной скорости.
ИС MAX195 выпускается в корпусах 16-pin DIP, wide SO и в керамических SB.
1.2.3. Выбор модуля Bluetooth
Выберем bluetooth-модуль National Semiconductor LMX9838. По сути - это переходник UART-Bluetooth, позволяющие с минимальными усилиями организовать передачу данных по стандарту Bluetooth, не вдаваясь в подробности протоколов. LMX9838 подключается к последовательному порту устройства, как показано на рис. 5. Далее с помощью нескольких команд настраивается необходимый режим работы, после чего модуль готов к приему/передаче данных.
Рис. 5
Рис. 6
LMX9838 - полноценный контроллер с интегрированным приемопередатчиком стандарта Bluetooth 2.0, включающий в себя 16-разрядный процессор CompactRISCTM, радиотрансивер, антенну, память, регулятор напряжения и аудио порт. Структурная схема модуля представлена на рис. 6. Стек Bluetooth 2.0 позволяет обеспечивать связь как по схеме точка-точка, так и одного узла с несколькими точками. При передаче в режиме RFComm (беспроводное расширение порта RS-232) может быть достигнута максимальная скорость передачи - до 704 кбит/сек.
В LMX9838 достаточно серьезное внимание уделено снижению энергопотребления. Всего предусмотрено 6 режимов работы. Максимальный потребляемый ток модуля в режиме непрерывной передачи составит 65 мА. Типичные же значения потребляемого тока в режиме RFComm составят порядка 25 мА.
Главное достоинство LMX9838 состоит в том, что на сегодняшний день это наиболее компактный Bluetooth-модуль. При наличии на борту встроенной антенны, его размер составляет всего 10х17х1,85 мм.
Программное обеспечение модуля, помимо базовых профилей стандарта Bluetooth (GAP, SDAP и SPP), содержит еще целый ряд дополнительных функций, в основном предназначенных для телекоммуникационных устройств. Следует отметить, что в подавляющем числе случаев такие модули используются для передачи потока данных, и все, что может потребоваться разработчику, - это SPP (Serial Port Profile). Этот профиль эмулирует последовательный порт, предоставляя возможность замены стандартного RS-232 беспроводным соединением.
Набор профилей LMX9838 состоит из:
Dial-up Networking Profile (DUN)
Протокол предоставляет стандартный Dual-up доступ в Интернет или к другому телефонному сервису через Bluetooth.
Fax Profile (FAX)
Профиль предоставляет интерфейс между мобильным или стационарным телефоном и ПК, на котором установлено программное обеспечение для факсов.
File Transfer Profile (FTP)
Профиль обеспечивает доступ к файловой системе устройства. Включает стандартный набор команд FTP, позволяющий получать список директорий, их изменения, получать, передавать и удалять файлы.
Object Push Profile (OPP)
Базовый профиль для пересылки различных объектов, таких как изображения, виртуальные визитные карточки и др.
Synchronisation Profile (SYNCH)
Профиль позволяет синхронизировать личные данные (PIM). Профиль заимствован из спецификации инфракрасной связи и адаптирован группой Bluetooth SIG.
Headset Profile (HSP)
Профиль используется для соединения беспроводной гарнитуры и телефона. Поддерживает минимальный набор AT команд спецификации GSM 07.07 для обеспечения возможности устанавливать/завершать соединение и настраивать громкость с помощью беспроводной гарнитуры.
Hands-Free Profile (HFP)
Профиль используется для соединения беспроводной гарнитуры и телефона, передает монозвук в одном канале.
Basic Imaging Profile (BIP)
Профиль разработан для пересылки изображений между устройствами и способен изменять размер изображения и конвертирование в поддерживаемый формат принимающего устройства.
Basic Printing Profile (BPP)
Профиль позволяет пересылать текст, e-mail, vCard и другие элементы на принтер. Профиль не требует от принтера специфических драйверов, что выгодно отличает его от HCRP.
1.2.4. Выбор DC/DC преобразователя
В качестве преобразователя с 5 на 3,3 вольта используем VRAH-05B330 фирмы BelPpower Products (рис. 7).
Рис. 7
Особенности устройства:
обеспечивает преобразование с 5 на 3,3В;
КПД 92%;
мощность 16,5 Вт;
ток 5А.
1.3. Разработка схемотехники устройства
1.3.1. Разработка схемотехники АЦП
АЦП осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой код разрядностью 16 бит, передаваемый параллельно управляющему контроллеру. Вход АЦП дифференциальный, по заданию же датчик Холла выдаёт несимметричный сигнал. В документации к АЦП имеется пример схемотехники превращения не дифференциального сигнала в дифференциальный (рис. 8):
Рис. 8
В этом примере используются два трансформатора: ADT-2 (рис. 9), T1-1T-KK81 (рис. 10).
Рис. 9
Рис. 10
Реализуем данное схемотехническое решение (рис. 11)
Рис. 11
Тактовый сигнал (входы CLKP и CLKN) на АЦП подаётся с управляющего контроллера, на котором они генерируются при помощи таймера 0 (выходы OC0C и OC0D). Эти выходы можно настроить, чтобы они выдавали сигнал в противофазе.
Кроме того, принято разделять цифровую землю от аналоговой, чтобы помехи, вызываемые цифровыми каналами передачи информации, не влияли на точность преобразования АЦП. Цифровая и аналоговая земля должны быть соединены в одной точке, для того чтобы их потенциалы сильно не различались и не вызывали повреждения элементов. В качестве одного из способов соединения существует способ с подключением встречно двух диодов. Диоды не пропускают помехи и колебания, но при появлении на одной из земель большего потенциала пропускают заряд, тем самым уравновешивая потенциалы. Способ объединения земель представлен на рис. 12:
Рис. 12
1.3.2. Разработка схемотехники микропроцессора
На микроконтроллере лежат все функции управления устройством. К его портам должны быть подключены:
линии данных D0-D15, идущие от АЦП;
вывод АЦП DOR – сигнал, индицирующий выход входного аналогового сигнала за границу допустимых значений;
вывод АЦП DAV – сигнал готовности данных к считыванию;
линии связи TXD, RXD, CTS и RTS, идущие к модулю Bluetouth;
сигнал LM_RESET сброса модуля Bluetouth;
сигналы для программирования самого модуля через интерфейс SPI MOSI, MISO, SCK и RESET.
Для задания тактовой частоты процессора необходимо подключить кварцевый осциллятор. Стандартно, он подключается с двумя конденсаторами ёмкости 2,3мкФ, идущими на землю (рис. 13);
Рис. 13
Также, рекомендуется между каждым входом питания и землёй (всего входов питания 4) ставить конденсаторы ёмкостью 0,1мкФ (рис. 14):
Рис. 14
Общая схема включения микроконтроллера приведена на рис. 15:
Рис. 15
1.3.3. Разработка схемотехники модуля Bluetooth
В документации к модулю Bluetooth LMX9838 также имеются рекомендации по использованию модуля. Модуль представляет собой самостоятельный полнофункциональный процессор, требующий в частности тактового сигнала. Для его тактирования используется кварц 32КГц (рис. 16).
Рис. 16

LMX9838 подключается к управляющему контроллеру по стандартному последовательному каналу UART согласно схеме на рис. 17:
Рис. 17
Типовое включение модуля представлено на рис. 18:
Рис. 18
Согласно документации, выходы питания – VCC_IO, MVCC, VCC подключаются к источнику питания 3,3В, кроме того к каждому из выходов подключается по два конденсатора – ёмкостью 2,2мкФ и 100нФ. Выводы ОР3…ОР5 также подключаются к питанию 3,3В. Реализуем данную схему включения (рис. 19):
Рис. 19
1.3.4. Обеспечение питания устройства
Для питания используется батарейка 5В (5В – питание датчика и аналоговое напряжение питания АЦП). Однако, все микросхемы питаются напряжением 3,3В (в том числе, и цифровое питание АЦП также 3,3В). Для обеспечения питания 3,3 В используется DC/DC преобразователь. Схемотехника модуля питания устройства представлена на рис. 20.
Рис. 20
Для включения/выключения питания устройства используется кнопка KN1, светодиод VD1 индицирует наличие питания, через джампер JM1 входное питание идёт на вход АЦП управляющего контроллера для контроля заряда батареи, через джампер JM2 питание 5В подаётся на вход аналогового напряжения АЦП.
1.3.5. Входные сигналы, разъёмы, индикация
Входной аналоговый сигнал с датчика подаётся на устройство через разъём Х1 (рис. 21).
Рис. 21
Сигнал с микропереключателя «состояние размыкателя магнитопровода» подаётся через разъём Х2 (рис. 22) на вход управляющего контроллера РВ0.
Рис. 22