Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky V předchozích článcích byl popsán modul Combi s procesorem architektury ARM, programovatelným logickým obvodem a instalací Linuxu pro řídicí a měřicí aplikace v reálném čase. Samotný modul Combi však neobsahuje žádná rozhraní pro připojení k reálnému vnějšímu světu.
Deska Baseboard1, jíž se týká tento článek, je prvním pokusem vyplnit tuto mezeru za přijatelnou cenu. Ačkoli vznikla na základě zadání pro realizaci meteostanice pro dopravní infrastrukturu, je její využití i v nezměněném stavu dosti široké.
Deska je provedena levnou dvoustrannou technologií a obsahuje konektory pro modul Combi, napájecí obvody, výkonové spínače, vstupy a výstupy, a další obvody. Nalevo je odlomitelná část, kterou je možno využít na panelu pro LED indikátory, slot paměťových karet, nebo rozhraní RS-232/485.
Tento článek desku stručně uvádí a popisuje signály a jejich význam. Možná bude inspirací pro její budoucí uživatele.
Deska je orientována tak, že odlomitelný konektor sériové linky máte vlevo od sebe, indikační LED nalevo k sobě. Tedy při pohledu na nasazený modul Combi s USB a LAN konektory od sebe je systémový konektor modulu (J1) nalevo a dva portové z obvodu Xilinx, nazvané IDE, neboť tak jdou nakonfigurovat, jsou napravo, nejvíce napravo je J3/J108. Vývod č. 1 je nejvíc vzdálený.
V desce BB1 jsou zapájeny „hřebínky“ – konektory s 2×20 kontakty, mířící nahoru, zatímco v modulu Combi jsou zapájeny dutinky mířící dolů. Modul lze nasadit na špičky v desce, čímž vznikne kompaktní sestava desek s roztečí 12,7 mm. Přitom konektor USB a LAN z modulu a napájecí konektor ze spodní desky míří vzad. Celou sestavu desek lze přišroubovat otvory v desce BB1 na sloupky ve dnu budovaného přístroje a umístit na doraz k jeho zadní stěně, takže uvedené konektory procházejí jeho zadní stranou. Je však možná i řada jiných uspořádání.
J1: Sys. Obsahuje signály rozhraní procesoru a systémové signály.
J107, J108: Ide. Dva konektory s vyvedenými signály z PLD Xilinx. Zde je uvedeno pojmenování signálů dle IDE.
Deska BB1 je „základem“ nesoucím modul Combi a umožňuje mu být připojen k signálům „reálného světa“. Na desce jsou za tímto účelem ovládací „výkonové“ výstupy s ochranou, reléové výstupy, opticky oddělené vstupy (to vše s LED indikací), analogové vstupy a proudové výstupy 4–20 mA, které se často používají pro průmyslové řízení.
Současně deska může nést řadu zajímavých volitelně osaditelných periferních obvodů, připojených k systémovým rozhraním I2C a SPI, jako jsou paměti, A/D a D/A a 1bitové programovatelné vstupy/výstupy.
Dále deska nese řetězec napájecích zdrojů, které lze do jisté míry kombinovat a napájet tak celý systém buď přes „jack“ z AC nebo z DC zdroje (adaptéru) 12 nebo i 24 V, anebo přes PoE, anebo vytvořit izolovaný zdroj pro analogové výstupy.
Samotná deska má Euro formát 100×160 mm s montážními otvory a navíc jsou na její levé straně tři odlomitelné/odříznutelné části, které je možno využít pro ovládací prvky na panelu dané aplikace: rozhraní RS232/485, držák MMC karet a modul indikátorů LED.
K tomu je na desce něco málo místa pro „ubastlení“ potřebného zapojení.
Deska je tedy vzorovým zapojením pro různé aplikace systému Combi v řídicí, monitorovací nebo komunikační technice.
Systém BB a Combi může být dále doplněn relativně nezávislou, ale programovatelnou sadou LCD znakového modulu s podsvícením a tlačítkové (či fóliové) kontaktní klávesnice například s 10 individuálně podsvícenými tlačítky. Tento subsystém je řízen integrovaným řadičem a komunikuje s modulem Combi pomocí sériové linky a komunikačního protokolu s definovanými příkazy. Řadič obstarává většinu zátěže spojené s obsluhou LCD modulu a klávesnice. K řadiči lze dále připojit prakticky neomezené pole indikátorů LED.
Zpravidla je pro napájení systému využit konektor „DCJACK“ s dutinkou 2,1 mm umístěný na desce vpravo vzadu (J11). Umožňuje připojení přívodu od izolovaného napájecího zdroje (např. síťového adaptéru) s typickým napětím 12 V. Proti přepólování, a také pro možnost použití střídavého izolovaného zdroje 12 V (např. transformátorek) následuje usměrňovač D2/D4, který však je možno v aplikaci s DC uzemněným napájením 12V přemostit (tím se odstraní úbytek na 2 diodách).
Následuje ochranná dioda proti přepěťovým špičkám D5 a pojistka v SMD držáku. Následuje LC filtr pro vyhlazení vstupního pulsujícího napětí a odrušení.
Pozor – standardně se předpokládá nominální napájecí napětí 12 V. Na něj jsou dimenzovány elektrolytické kondenzátory filtru. Pokud chcete použít napájení Obr. 1 Deska BB1 24 V, musíte vyměnit filtrační C za C na 50 V, a rovněž relátka a všechny další dotčené součástky.
Obr. 1 Deska BB1
Následuje spínaný regulátor tvořený U2, D3, C2-5, L3, C16–23 a dalšími součástkami. Ten vyrábí stabilizované napětí +5 V, s max. proudem 1,5 A.
V některých aplikacích může být alternativně požadováno izolované napětí +5 V, např. při napájení po Ethernetu. K tomu slouží DC/DC převodník, který se osadí místo C32, R6, R7 a výše uvedených součástek. Pokud je LAN kabel krátký a s malým odporem, lze použít jednoduchý injektor malého napětí 24 V, někdy až 12 V, z toho lze systém napájet, pokud spotřeba není příliš vysoká. To je nutno vyzkoušet. K vytažení napájení z LAN konektoru dolů do desky BB1 se musí osadit speciální dutinkový konektor na spodní straně Combi a špičky na BB1. Pro (částečnou) kompatibilitu s PoE dle IEEE 802.3af slouží R42–R53, D7, Q2, které zapnou převodník, až když napětí na vstupu vzroste nad 25 V a injektor si změří zakončení vedení – tato funkce však není zaručena pro všechny injektory a opět je nutno správně dimenzovat součástky. Výstupní proud DC-DC je asi jen 0,6 A, což může omezit funkčnost systému. V základní variantě se součástky pro PoE neosazují.
Napětí ze zdroje +5 V se jednak vede do modulu Combi, který je jím napájen a vyrábí si svoje další napájení, jednak se rozvádí po desce a vede do zdroje +3v3 pro samotné obvody na desce.
Vstupní napětí je monitorováno monitorem podpětí, které generuje signál (lze využít pro přerušení) pro včasné varování při poklesu napájení. Během zbývajících cca 50 ms může systém uklidit důležitá data, pozavírat soubory atd., a uložit se ke spánku, z něhož bude probuzen po opětovném náběhu napájení nebo uplynutí cca 2s resetem (s kauzou poweron anebo watchdog).
 – možnost.jpg)
Obr. 2 Rozmístění součástek (pokládačka) – možnost
K řízení výstupů je využita řada obvodů U22, U21, U36 typu 74-595, napojených na SPI kanál z procesoru. Jelikož jsou tyto obvody levné, vyžadují poněkud speciální 8bitový SPI režim. Dvojice U22, U21 řídí celkem 16 výstupů, z toho 12 darlingtonových výstupů z budičů typu 2803 s pojistkou a ochranou proti napěťovým špičkám, a zbylé 4 výstupy spínají výkonová relé K1/K2 až K5. (Relé K1, osazené variantně, má přepínací kontakt místo jen spínacího). Kontakty relé mohou ovládat zátěž až 250 V/5 A a proti opalování oblouky při rozpojování induktivní zátěže jsou chráněny varistory.
Darlingtonovy výstupy jsou schopny spínat dalších až 12 relé podobného typu přes kabelové prodloužení.
Pokud je modul 8LED (kolem U36) oddělen a použit někde zevnitř panelu jako indikátor, musí být prodlužovací kablík do modulu přiveden „zevnitř“, a proto je konektor do modulu označen jako připájený zespoda (zapojení samotného kabelu je stále 1 : 1).
Obvody 595 mají asynchronní reset, generovaný modulem Combi, a proto lze po náběhu napájení zaručit vypnutý (deaktivovaný) stav.
Dva výstupy tohoto typu, pro připojení „tradičních“ navazujících systémů, s optickým oddělením a možností konfigurace výstupu, jsou realizovány optoizolátory U18, U19, zdroji proudu U25, U26 s příslušnými RC sítěmi, výkonovými tranzistory Q5, Q6 a vedou na konektory J100, J101. Pracují jako převodníky z PWM o střídě 0–100 % na výstupní proud 4–20 mA.
Zdroj napětí, z něhož je proud odebírán, může být buď poskytnut protistranou na vzdáleném konci proudové smyčky, anebo může být použito místní (nestabilizované) vstupní napětí 12 V, anebo se může použít DC/DC U8 nebo U9 (podle požadovaného výkonu) s výstupním napětím 12 až 24 V. Ve zdroji se tyto varianty volí drátovými propojkami a osazením příslušného DC/DC. Výstup zdroje napětí je možno přizemnit propojkou J103, která je umístěna jako součást „makrokonektoru“ tvořeného (J98)-J99-J103-J100-J101, kdy jako protikus vedoucí do proudové smyčky jsou spíše očekávány „black“ dutinky řady BLD.
Budiče výstupů jsou digitální vstupy (spínací transistory) spínající proud do optoizolátorů, a očekávají kmitočet PWM kolem 4 kHz a střídu 0 % (pro 4 mA) až 100 % (20 mA). Vztah střída-proud je přibližně lineární, s chybou do 20 %, což je dáno rychlostí optoizolátorů.
Proudozdroj sám vytváří „bias” proud 4 mA, což může být detekováno jako stav připravenosti. Jelikož se jedná o zdroj proudu s vysokou impedancí, je výstupní proud relativně nezávislý na odporu vedení smyčky a snímacího prvku navazující strany. Doporučuje se nepřekročit odpor jedné žíly vedení 50 Ω a snímací odpor 150 Ω, což představuje maximální úbytek 5 V, který ještě lze „unapájet” interním zdrojem 12 V.
Do desky vede 12 opticky izolovaných pasivních vstupů po samostatných párech vodičů (nemusejí mít nutně jeden společný vodič). Hodnotami součástek jsou tyto vstupy nastaveny jako napěťové, unipolární (je třeba dodržet polaritu, přepólování však nevadí), s prahovou hodnotou napětí kolem 3 V. Maximální hodnota stejnosměrného napětí je 24 V. To umožňuje jednoduše pomocí zapojení D-R-C například detekovat přítomnost napětí v určité větvi rozvodu, anebo jednoduše připojit některé snímače (absolutní nebo inkrementální) polohy mechanického systému.
Pro rychlou operativní kontrolu je možno, díky podobně zapojeným konektorům výstupů a vstupů, propojit Darl. výstupy pomocí kabelové spojky 1 : 1 na konektor optovstupů a programově je zkontrolovat.
Detektory optoizolátorů jsou ošetřeny invertujícími obvody s hysterezí na vstupu a připojenými indikátory LED, které umožňují snadný přehled o vstupech a výstupech. Výstupy jsou přivedeny do signálů prvního konektoru od obvodu Xilinx modulu Combi, pro nějž je tak možno napsat program např. pro obousměrný čítač polohy mechanického systému s nulovacím vstupem, nebo převodník Grayova kódu na přímý (enkodér polohy korouhvičky měřicí azimut větru) apod.
K signálům systémovému konektoru s rozhraními SPI a I2C je připojena řada dalších moderních součástek (D/A 8/10/12 bitů, 8 kanálů a A/D 2 kanály, 30 bitů), pro paměti a jiná zařízení jako např. integrovaná čidla teploty a vlhkosti vzduchu, tenzometrické snímače a další čidla. Je zde i kousek volného místa s pájecími body pro ubastlení potřebných elektronických obvodů.
Pro komunikaci s obsluhou (pokud nepoužijete PC připojené přes USB) jsou k dispozici jednotky malé klávesnice a LCD displeje s řadičem a modulární pole indikátorů LED. Ty komunikují s deskou Combi přes jeden sériový port a zbavují tak hlavní procesor nutnosti ošetřovat stisky tlačítek a dialogy s uživatelem. Pro usnadnění aplikace byl vyvinut protokol s předdefinovanými „situacemi“, kdy se na displeji zobrazí hláška a čeká se na stisk jednoho z množiny povolených (a podsvícených) tlačítek. Modulární LED panel je řízen jako bit-mapa (monochrom. nebo RGB), a je tak možno vytvářet i různé symboly. Tento systém bude podrobněji popsán v některém budoucím článku.
S deskou BB a s modulem Combi/Combi-G20 je tedy možno snadno „dotvořit“ například monitorovací zařízení pro ekologické monitorování, meteorologickou stanici nebo řídicí systém pro solární ohřev vody s dálkovým dohledem. To byly první aplikace této sestavy, kromě toho bylo vyvinuto (s jinou základní deskou) několik aplikací pro řízení síťového provozu, přístupový/docházkový systém, telekomunikační řídicí jednotka a další.
