Разработка устройства бесконтактного осцилографирования тока щеток турбогенераторов

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 3,3 В, кроме того к каждому из выходов подключается по два конденсатора — ёмкостью 2,2мк

Ф и 100нФ. Выводы ОР3… ОР5 также подключаются к питанию 3,3 В. Реализуем данную схему включения (рис. 19):

Рис. 19

1.

3.4. Обеспечение питания устройства Для питания используется батарейка 5 В (5В — питание датчика и аналоговое напряжение питания АЦП). Однако, все микросхемы питаются напряжением 3,3 В (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 5 В 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

Для программирования управляющего контроллера используется разъём интерфейса SPI Х3 (рис. 23).

Рис. 23

Для индикации состояния устройства — сигналов «Связь с компьютером установлена» и «готовность к измерению — измерение сделано» используются светодиоды VD4 и VD5 (рис. 24). Диод VD4 индицирует состояние «Связь с компьютером установлена» — загорается после установлении связи, диод VD5 индицирует готовность к измерению — горит и измерение сделано — несколько раз мигает.

Рис. 24

1.

4. Разработка конструкции устройства При помощи программы P-CAD сделаем трассировку платы (рис. 25).

Рис. 25

Плата имеет 2 слоя — верхний и нижний, в углах платы имеются 4 отверстия для крепления устройства. Все элементы установлены на верхней стороне платы. Почти все элементы, кроме батареи, разъёмов, кнопки, джамперов и кварца на 32КГц, являются элементами поверхностного монтажа. Согласно рекомендациям, возле всех входов питания процессора и модуля Bluetooth установлены конденсаторы. В верхнем слое присутствуют две заливки — для аналоговой (рис. 26) и цифровой (рис.

27) земли, объединённые между собой, как было написано выше, диодами VD2 и VD3.

Рис. 26

Рис. 27

Верхний сигнальный слой платы представлен на рис. 28, нижний слой — на рис. 29, элементы — на рис. 30.

Рис. 28

Рис. 29

Рис. 30

1.

5. Разработка алгоритма функционирования устройства Согласно заданию, составим общий алгоритм функционирования устройства (рис. 31):

Рис. 31

Согласно заданию, при включении устройство входит в цикл, в котором проверяет наличие соединения с ПК. Если соединение есть, программа выходит из цикла; если нету, то не выходит до тех пор, пока соединение не появится.

После выхода из цикла (это значит, что связь с ПК установлена), зажигается светодиод «связь установлена».

Далее, программа входит в следующий цикл, из которого не выходит до получения команды: «Произвести измерение».

После выхода из цикла зажигается светодиод «Готовность к измерению».

В следующем цикле программа ожидает сигнала «Замыкание магнитопровода».

Получив этот сигнал, программа выходит из цикла. Считываются данные с АЦП. По завершении преобразования, зажигается диод «Измерение завершено», после чего запускается передача данных в компьютер.

Программа возвращается к начальному состоянию (перед зажиганием светодиода «готовность к измерению»).

Кроме того, учитывая особенности устройств — АЦП и передатчика Bluetooth, следует более детально рассмотреть отдельные операции — считывание данных с АЦП, инициализация и передача через Bluetooth канал.

Согласно документации, микросхема LMX9838 при включении требует некоторого времени на загрузку, после чего выдаёт сигнал готовности (рис. 32).

Рис. 32

Таким образом, при включении устройство должно ожидать получения сигнала готовности от LMX9838, после чего несколькими командами, передаваемыми ему через канал UART, устанавливает соединение. Схема функционирования модуля представлена на рис. 33. Программа микроконтроллера должна обеспечивать анализ сообщений от модуля и реакцию на них.

Рис. 33

Формат пакета данных представлен на рис. 34. Более подробная информация по коммуникации с модулем приведена в документации.

Рис. 34

Временные диаграммы работы АЦП представлены на рис. 35.

Рис. 35

Согласно этим диаграммам, параллельный код оцифрованного сигнала доступен после установки в 0 сигнала готовности данных DAV. Таким образом, функционирование программы микроконтроллера должно происходить в следующем порядке: после получения сигнала «замыкание магнитопровода» ожидается сигнал DAV, после получения которого данные считываются с портов контроллера заносятся в его память.

Заключение

Таким образом, в работе было разработано устройство, соответствующее данным технического задания и даже превосходящее их.

Были решены следующие задачи:

разработка функциональной схемы устройства;

выбор элементов системы, удовлетворяющих параметрам технического задания;

разработка принципиальной схемы устройства;

разработка топологии печатной платы и конструкции всего устройства в целом;

разработка алгоритма функционирования устройства.

Параметры обработки входного аналогового сигнала:

разрядность — 16 бит;

время преобразования — 9,4мкс.

Также, устройство обладает следующими достоинствами:

автономное питание от батареи 5В;

низкое потребление элементов системы (потребление АЦП в режиме простоя 10мА, питание всех элементов — 3,3В);

передача данных через радиоканал Bluetooth;

функционирование устройства полностью автономно, не требуется ни подключения сигнальных кабелей, ни подключения питания.

Таким образом, устройство не только соответствует параметрам технического задания, но и значительно превосходит их (разрядность 16 бит и время преобразования 9,4мкс).

Список литературы

Микросхемы для импульсных источников питания и их применение, СПРАВОЧНИК. Издательство Додэка, 1997

Е.М.Парфенов, Э. Н. Камышная, В. П. Усачов. Проектирование конструкций электронной радиоаппаратуры. — М: «Радио и связь», 1989.

Лопаткин А. В. Проектирование в среде PCAD. М., «Связь», 2001.

Вторая жизнь телевизора. Ефимов Владимир Владимирович. М: «Связь», 1971.

Виктор Зенин, Виктор Озяков, Александр Рягузов. Экологические аспекты бессвинцовой пайки радиоэлектронных изделий. Технологии в электронной промышленности № 5, 2005.

В.И.Волкоморов, А. В. Марков, А.А.Гайков-Алехов. Программирование сверлильно-фрезерных операций на станках с ЧПУ. С-Пб., 2008.