česky english Vítejte, dnes je pondělí 27. leden 2020

Cesta k úspěšné aplikaci vestavného počítače: Deska BaseBoard2 pod modul Combi-G20 – II.

DPS 2/2018 | Součástky - články
Autor: Ing. Tomáš Navrátil, Ryston Electronics

Dokončení článku z předchozího čísla

Signály FPGA

Konektory na pravé straně modulu, z/do nichž vedou uživatelské signály z obvodu FPGA, se nazývají IDE 1 a 2, protože jsou zpětně slučitelné se sběrnicí stejného jména, používanou v PC k připojení harddisků anebo dalších rozhraní. Signály USERxx z FPGA by však musely být správně nastaveny firmwarem. Země konektorů jsou však na těch správných pozicích. Ukázalo se, že je větší potřeba binárních (jednodrátových) vstupů do systému. Proto jsme na desce BB2 udělali z některých signálů IDE 1, 2 24 vstupů s optickým oddělením, které jsou vhodné pro napěťové signály 5 V až 24 V z kontaktů nebo čidel polohy, jsou tolerantní proti přepólování a mají hysterezi. Tyto signály (portové) musejí být ve FW FPGA nastaveny jako pouze vstupní, ale poté za ně mohou být naprogramovány detektory změny (koncové spínače pohybu) s výstupem přerušení, obousměrné čítače a podobně. Ostatní signály jsou ponechány jako obousměrné a jsou vyvedeny na konektory pro plochý kabel (zatím nevyužito).

Další signály jsou použity jako vstupy a výstupy RS-485 a CAN. Obvody jejich rozhraní (75176 a 65HVD230) jsou na desce BB2. V obvodu FPGA jsou naprogramovány příslušné komunikační řadiče včetně FIFO a řízení směru RS-485 a bit-frame CAN s detekcí kolize a CRC. Tato rozhraní jsme na desku navrhli pro původně automotivní aplikaci, je však možné to snadno předělat. Obvod FPGA je velice mocný a je do něj možno naprogramovat téměř cokoliv, například rychlé komunikační řadiče E1/V.110 nebo řízení spínaných regulátorů pro točivé stroje. Sada 12 Darl výstupů, podobně jako dvě sady po 12 optoizolovaných vstupech jsou vyvedeny na konektory BH-26, jejichž zapojení umožňuje udělat „test-loop“ − pomocí plochého kabelu s konektory otestovat sady výstupů-vstupů. Velmi užitečné.

Na desce BB2 je ještě vyvedena sada 8 signálů z FPGA, plus zem a napájení do 12vývodového konektoru na hraně desky jako rezerva. Použili jsme to pro připojení modulu D-A převodníku.

Jelikož jsou tím strany desky BB2 využity, je kromě toho uvnitř desky BB2 připraveno k vyvedení přes konektor a plochý kabel několik 8bitových portů, a to buď z obvodu Xilinx pod modulem, anebo z I2C periferních obvodů PCF8574 (2 ks na desce).

Cesta k úspěšné aplikaci vestavného počítače

Moduly

K desce BB2 patří řada výkonových nebo propojovacích modulů, které se připojují k 26pólovým konektorům desky BB2, a hlavně se k ní hodí svými montážními rozměry. Jsou to:

Rozvod 26 – jednoduchá destička pro rozpletení signálů z 26pólového konektoru do svorek Wago/PTR pro připojení na kabely. Modul je využit pro rozvedení Darlingtonových výstupů na jednotlivé ovládané obvody, např. optotriakové spínače, k propojení optovstupů anebo pro rozvedení čtyř sad signálů RS-485 a napájení vnějších jednotek.

Rozvod 48 – modifikovaný modul s vyvedeným napájením pro čidla polohy: tato čidla mají 3drátový kabel, např. se signály +napájení, zem, +výstup. Jelikož zem je jinak potřeba rozvést jak na modul, tak do rozvodu napájení, bylo jednodušší přivést +napájení na modul a odstranit tak nutnost rozvětvení země na napájecí a signálovou.

DACboard – spíše vývojová deska s možností dvou typů převodníků D/A navázaná na 8bitový rezervní port. Výstupem je napěťový nebo proudový signál.

RelXTR – rozšíření počtu reléových spínačů. Relé je možno ovládat buď dvěma Darl signály, nebo signály TTL, s možností nastavení neaktivní úrovně v L nebo H. Další možností ovládání (téměř neomezenou) je 1-Wire Interface (Dallas) a obvod DS2413.

TriaCon – modul řízení triaku pomocí Darlingtonova výstupu přes optotriak se spínáním v nule síťového napětí. Triak může být v pouzdru SOT-223 nebo TO-220.

MoCon – destička řízení ss motorků se dvěma obvody A3966 firmy Allegro, každý obvod obsahuje dva můstkové spínané regulátory. Jedna destička ovládá až 4 ss motory nebo kombinace 2fázových nebo 4fázových motorů. Je řízena data portem z FPGA.

MotMux – rozšíření původně rozvodného modulu, kterým by se daly řídit až 3 krokové motory po 4 vinutích, na 8 motorků. Těm se přepínají – multiplexují středy vinutí, navíc na desce je spínaný regulátor z 24 V na napětí pro malé krokové motorky (5 V nebo 12 V), aby se nezatěžoval zdroj na BB2. Dále jsou na desce připraveny obvody pro optické závory, které motorkům generují koncové signály – dorazy pro kalibraci polohy. Tato destička je pozůstatkem vývoje meteorologické staničky s pořadovými 8 „retro“ ručkovými indikátory.

GW44209, BoxPod, RFID a Tenzo – podložní desky do krabic GW44209 a ETA215, do nichž se vestavěl původní systém. Jsou rozvrtány dírami s rastrem 400, resp. 100 mil, BoxPod má na sobě svorky, DC/DC měnič 24/5 V pro napájení modulu RFID v krabičce. Montáž do krabiček s podkladními deskami s rozvrtanými dírami se velmi osvědčila. Podkladní desky lze nůžkami na DPS přizpůsobit řadě krabiček.

SwiGG, destička do základní jednotky. Je to LAN switch s napájením 24V, pěti Eth/PoE porty, z toho dvěma s připojením ne konektorem RJ-45, ale svorkami na kabely. Modul tak umožňuje připojit dvě jednotky Váha s rozhraním Eth/PoE, avšak přes vodotěsné průchodky.

GSMGPS – destička nad SwiGG s GPS přijímačem a keramickou anténou pro příjem GPS signálu a GSM modulem a integrovanou páskovou anténou na DPS. Destička se připojuje ke dvěma portům COM na úrovních LVTTL, vyvedeným na konektory desky BB2.

Váha – decentralizovaná jednotka v krabičce ET215 připojená jedním kabelem Eth/Poe délky až 300 metrů. Umožňuje připojit řadu periferních čidel (např. čidla teploty DS18B20) a jeden kompenzovaný tenzometrický můstek, který jsme použili pro vážení vyklápěných nádob na odpad.

DisPod: základní deska pod malý nebo velký grafický displej pro indikaci stavů nebo výsledků, např. údaje RFID nebo zjištěné vysypané tíhy odpadu. Displej může být řízen buď přes USB, nebo SPI.

LEDmatrix: Sada destiček výše zmíněného velkého grafického LED displeje, buď monochrome, nebo RGB, s rastrem 400 milů (1 cm) na pixel. Sada se skládá z podkladní desky s rozvrtanými dírami cca 40 x 40 cm, modulu 4 × 4 LED anebo z vícemodulu 16 × 4 LED, rozšiřitelných do téměř neomezených rozměrů a počtů pixelů z výztuh, na nichž jsou spínané napáječe z 24 V a z desky řízení s rozhraním SPI nebo USB.

Spojka: opakovaný motiv pájecích plošek pro spojení několika vodičů v rastru 100 mils. Nosný materiál DPS je nadrážkovaný na šířku 5 mm po dvou kontaktech shora a zespodu, takže lze snadno při servisu odlomit. Používá se pro spojení či prodloužení kabelů nebo k rozvedení 3žilového na 4žilový systém v kabelu.

Výstupy 4−20 mA

Analogové vstupy a proudové výstupy 4−20 mA se často používají pro průmyslové řízení nebo propojení se staršími, ale stále ještě používanými automatizačními prostředky.

Jeden až dva výstupy tohoto typu pro připojení „tradičních“ navazujících systémů s optickým oddělením a možností konfigurace výstupu jsou na desce BB2 realizovány optoizolátory řízenými zdroji proudu a vedou na konektory na kraji desky. Pracují jako převodníky z PWM o střídě 0−100 % na výstupní proud 4−20 mA.

Zdroj napětí, z nějž je proud odebírán, může být buď poskytnut protistranou na vzdáleném konci proudové smyčky, anebo může být použito místní (nestabilizované) napájecí napětí 24/12 V anebo se může použít DC/DC modul pro elektrické oddělení s výstupním napětím 12 až 24 V. V napájecím obvodu na BB2 se tyto varianty volí drátovými propojkami anebo osazením příslušného DC/DC. Výstup zdroje napětí je možno přizemnit propojkou, která je umístěna jako součást „makrokonektoru“ na výstupu.

Budiče výstupů jsou digitální vstupy (spínací transistory) spínající proud do optoizolátorů řízené PWM signálem o kmitočtu kolem 4 kHz a střídou 0 (pro 4 mA) až 100 procent (20 mA). Vztah střída−proud je přibližně lineární, s chybou do 20 %, což je dáno rychlostí optoizolátorů.

Další obvody mohou být zapojeny přímo na desce BB2, protože je zde ponechán kousek volného místa s pájecími body pro ubastlení potřebných elektronických obvodů.

Man-Machine Interface

Pro komunikaci s obsluhou (pokud nepoužijete PC připojené přes USB) jsou k dispozici jednotky malé klávesnice a LCD alfanumerického displeje s řadičem a modulární pole indikátorů LED. Ty komunikují s deskou Combi přes 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 i vytvářet různé symboly. Tento systém bude podrobněji popsán v některém budoucím článku.

Tabulka 2 J2, J3

Závěr – cesta k úspěšné aplikaci

S deskou BB2 a s modulem Combi-G20 a s vhodnými moduly je tedy možno snadno „dotvořit“ systém pro žádanou aplikaci: například monitorovací ekologické zařízení, meteorologickou stanici anebo řídicí systém pro solární ohřev vody s dálkovým dohledem nebo pro potravinářské stroje – sušárnu, sterilizační stroj pro ovocné šťávy. Kombinací centrální datové/napájecí jednotky na bázi Combi/BB2 a decentralizovaných jednotek založených na LAN modulu Váha je možné vytvořit robustní a odolný (IP67) systém do venkovního prostředí kombinující přístup k internetu a práci se soubory s rychlou odezvou a schopností sběru dat, např. registrátor únavy materiálu rozlehlých stavebních konstrukcí.

Zmíním ještě několik dalších aplikací (propojených se systémy, v tomto článku nepopsanými): řídicí jednotka pro telekomunikační systém, řízení/filtrace síťového provozu, přístupový/docházkový systém, 3D tiskárna a další.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik