Laboratorní zdroj – 10. návrh řídící desky MCU

Poté, co jsme úspěšně oživili a odladili analogovou desku laboratorního zdroje, která byla zatím ovládána provizorní řídící deskou, přišel na řadu návrh a konstrukce finální verze řídící desky. Provizorní deska je osazena procesorem řady ATmega, alfanumerickým displejem, rotačním kodérem a několika tlačítky. Pro komunikaci s analogovými deskami je nutná sériová linka. Finální deska by mohla mít místo alfanumerického displeje, TFT displej s touchpadem.

Zobrazení displeje je pouze demonstrativní a není v konečné podobě.

Přemýšleli jsme, jak postupovat při návrhu řídící desky. Nejjednodušší a zároveň nejlevnější by bylo sestavit řídící mikropočítač z Arduina. K němu připojit TFT displej a rozšiřující desky tak, abychom měli k dispozici všechny potřebné funkce. Nevýhodou tohoto řešení fyzické uspořádání, musí být spojeno větší množství jednotlivých modulů.

Druhou možností je, navrhnout obvod vlastními silami. Budeme se snažit navrhnout modul tak, aby jej bylo možné použít i v dalších aplikacích, např. automatizace vytápění rodinného domu. Takže náklady na výrobu desky plošných spojů budou rozloženy do čtyř výrobků, ale deska musí mít další obvody, které nejsou bezpodmínečně nutné pro ovládání laboratorního zdroje.

Plánované parametry:

  • deska bude svými rozměry shodná s 4,3″ TFT LCD Touch Screen který se prodává k Arduinu
  • MCU je osazena procesorem ATxmega128A1U – TQFP100
    • CPU disponuje 128+8k FLASH, 4k EEPROM, 4k SRAM
    • výkon CPU je cca 32MIPS
  • RTC s obvodem DS1302 zálohovaného 3V Lithiovou baterií
  • USB rozhraní – integrováno v ATxmega128
  • seriová linka
  • rozhraní RS485
  • slot pro SD kartu coby úložného média
  • PDI konektor pro programování
  • vstup pro dva ovládací rotační encodery
  • vstup pro teploměr DS18S20
  • piezo pro audio-výstup
  • analogový vstup pro klávesnici
  • vstup pro IR čidlo
  • výstup pro stavovou R/G LED
  • výstup pro řízení
    • až sedmi relé / ventilátorů (Umax=24V, I=0.5A, Imax ∑ = 1,5A )
    • PWM pro řízení ventálátorů
  • spínaný zdroj pro vstupní napětí 6 – 36V (výstup 3V3, 5V0 / 1,4A)

 

TFT displej

Pro laboratorní zdroj bude optimální velikost 4,3″, aby mohla být použita nízká skříňka (2U). V dalších aplikacích bude možné použít i větší displeje (5″, nebo 7″). Tyto displeje jsou původně určeny k Arduinu, mají rezistivní touchpad ovládaný obvodem XPT2046. Velikost desky bude shodná s displejem 4,3″. Výkon zdroje 3,3V bude dimenzován pro příkon podsvícení 5″ displeje. 7″ displej potřebuje pro napájení podsvícení 5V. Displeje jsme nakoupili na Ebay…

Procesor

Při prvních pokusech s displejem se ukázalo, že původně plánovaný ATmega128 není dostatečně rychlý k obsloužení TFT displeje. Vzhledem k tomu, že jsme se nechtěli seznamovat s procesory jiného výrobce, bude použit procesor ATxmega128A1U. Vývojové prostředí zůstává AVR studio. Jako programátor lze použít většinu přípravků obvyklých u Atmel i když vodič pro programování je jenom jeden a sběrnice se jmenuje DPI. Procesory jsme původně kupovali také na Ebay, ale jejich kvalita byla sporná, možná byly poškozeny rentgenem. Proto jsme se rozhodli klíčové komponenty (CPU, RTC) nakoupit z Farnell.

Napájecí zdroj

Vzhledem k tomu, že navrhovaný modul má být použit i v jiné aplikaci, než řízení laboratorního zdroje, rozhodli jsme se osadit dvojitý spínaný stabilizátor LT3508 pro napětí 3,3V / 5,0V a výstupní proud na jednu větev 1,4A. To je důležité pro napájení podsvícení displeje. S tímto stabilizátorem můžeme modul napájet stejnosměrným napětím 6 – 36V. Obvod pracuje kmitočtově poměrně vysoko tj. 700kHz, tudíž cívky vycházejí malé a obvod má vysokou účinnost (cca 83%). Při nenadálém výpadku napětí zareaguje obvod LT3508 změnou stavu na pinu „PWR_GOOD“ a CPU má dostatek času korektně ukončit činnost. Na výpadek síťového napětí 230V AC zareaguje CPU ještě rychleji protože bude mít informace o přítomnosti síťového napětí z POWER modulu. POWER modul bude popsán v následujícím článku, jeho úkolem bude spínání silových sekcí a právě i ona detekce síťového napětí / fáze.Zdroj je opět Farnell.

Sériový kanál

Jeden sériový kanál procesoru je vyveden na 6-ti pinový konektor a bude použit pro komunikaci s analogovými deskami zdroje. Druhý kanál je osazen převodníkem RS485 a může být použit v jiných aplikacích.

Rotační kodéry a analogová klávesnice

Pro ovládání hodnot napětí a proudu slouží optický rotační enkodér, který se připojí pomocí konektoru ROT. Ovládací analogovou klávesnici připojíme pomocí konektoru AN_KEY. Rozlišení AD převodníku je 12bit, to umožňuje pohodlné připojení analogové klávesnice s 16-ti tlačítky. Dalším rozšířením uživatelského rozhraní může být Touchpad, který je součástí displeje a je připojen na SPI kanál procesoru.

Obvod reálného času

Procesor ATxmega128A1U má k dispozici oscilátor 32kHz, je tedy možné hodiny reálného času realizovat bez použití dalšího obvodu. Vzhledem k tomu, že v době návrhu jsme s procesorem neměli žádné zkušenosti, použili jsme osvědčený (a daleko stabilnější) obvod DS3231. Ten disponuje velmi stabilním, teplotně kompenzovaným krystalovým oscilátorem a jeho odchylka od správného času by neměla překročit několik minut za rok.

Výstup pro spínání relé a ventilátorů

Několik pinů procesoru je připojeno na zesilovač ULN2003 a vyvedeno na konektor, abychom mohli spínat relé, které budou připojovat silový transformátor a ventilátory.

SD karta

Jeden slot pro SD kartu je umístěn na okraji desky displeje 4,3″. Vzhledem k tomu, že budeme chtít použít co nejnižší skříňku, bude tato karta obtížně použitelná. Proto je na desce ovládacího modulu druhý slot pro SD kartu. Data které se nevejdou do FLASH můžeme ukládat na externí SD kartu, to budou data z dlouhodobých měření, nabíjecí charakteristiky jednotlivých chemických typů článků (Pb,  NiCd, NiMH, Li-Ion, Li-Pol).

Další drobnosti

Na desce je piezo měnič a vstup pro digitální teploměr DS18B20. IR vstup se může hodit v jiných aplikacích. Procesor má USB rozhraní, které je vyvedeno na konektor

Zdroj chceme zkusit v mezním případě používat jako generátor nf a otestovat jeho parametry.

 

Schéma řídící desky MCU je následující:

MCU_Sch_web

MCU_Schéma

MCU_board1

MCU_board1

MCU_board2

MCU_board2

MCU_board3

MCU_board3

MCU jsme navrhovali v programu Eagle, a je to vlastně další vývojová verze našich „univerzálních“ řídících desek. DPS jsme nechali vyrobit opět v Mělnické firmě Printed.
K pájení je zapotřebí trocha cviku, ale jde to i s relativně levným pájecím perem jako je například toto. Pouzdro TQFP100 je třeba srovnat co nejpřesněji na pájecí plošky, uchytit cínem v krajích a pak opatrně zapájet. Buď jednotlivě po pinech, nebo tahem a nechat za sebe pracovat povrchové napětí cínu. Přebytky cínu odsávám měděnými knoty.

Dokončená deska pak vapadá takto:

MCU_6 MCU_1 MCU_5

MCU_2 MCU_3 MCU_4

 

 

 

 

 

 

 

 

Laboratorní zdroj – 1. úvod
Laboratorní zdroj – 2. popis zapojení
Laboratorní zdroj – 3. volba součástek
Laboratorní zdroj – 4. návrh modulu zdroje
Laboratorní zdroj – 5. komunikace po sériové lince
Laboratorní zdroj – 6. programování DA a AD převodníku
Laboratorní zdroj – 7. regresní funkce měření napětí
Laboratorní zdroj – 8. statické vlastnosti zdroje
Laboratorní zdroj – 9. dynamické vlastnosti zdroje
Laboratorní zdroj – 10. návrh řídící desky MCU
Laboratorní zdroj – 11. slave modul ATmega16 UART
Laboratorní zdroj – 12. cena součástek
Laboratorní zdroj – 13. Závěr

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

*