ýESKÉ VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ
DIPLOMOVÁ PRÁCE Zobrazení navigaþního ukazatele gyromagnetického kompasu GMK1E
Praha, 2008
Vypracoval: Lukáš Starosta
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnČ a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pĜiloženém seznamu.
Nemám závažný dĤvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona þ.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zmČnČ nČkterých zákonĤ (autorský zákon).
V Praze dne ..................................................
Podpis:
PodČkování: Na tomto místČ bych rád podČkoval vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Karlu Draxlerovi, CSc. a Ing. Pavlu Paþesovi za cenné rady a pĜipomínky, dále Ing. Janu Roháþovi, Ph. D. za pomoc v laboratoĜi a v neposlední ĜadČ své rodinČ za morální i finanþní podporu bČhem studia.
Anotace: Cílem této diplomové práce je návrh a realizace obvodového a programového Ĝešení pro zobrazení navigaþní situace pomocí LCD displeje. MČĜení provádí gyromagnetický kompas, který je se zobrazovací jednotkou spojen komunikaþním kanálem.
Annotation: The aim of this diploma thesis is to design and implement circuit and programmatic solution for visualization of navigation situation with the aid of LCD display unit. Data is measured by a gyromagnetic compass, which is linked to display unit with communication channel.
9
OBSAH 1 2
3
4
5
6
7
8
9
ÚVOD ....................................................................................................................... 8 DEFINICE KURZU A JEHO MċěENÍ ...................................................................... 8 2.1 Fyzikální základy mČĜení kurzu ...................................................................................... 9 2.2 PĜímý magnetický kompas .............................................................................................. 9 2.3 Gyromagnetický kompas................................................................................................. 9 GYROMAGNETICKÝ KOMPAS GMK-1AE........................................................... 10 3.1 Základní popis ............................................................................................................... 11 3.1.1 Gyroagregát GA-6................................................................................................. 11 3.1.2 Indukþní vysílaþ ID-3............................................................................................ 11 3.1.3 Korekþní mechanizmus KM-8 .............................................................................. 12 3.1.4 Ovládací pult PU-26E ........................................................................................... 12 3.1.5 Automat sesouhlasení AC-1.................................................................................. 12 3.1.6 Ukazatel kurzu UGR-4UK .................................................................................... 13 3.2 Popis funkce .................................................................................................................. 13 3.2.1 Režim magnetické korekce ................................................................................... 14 3.2.2 Režim gyropolokompasu....................................................................................... 14 PěENOS ÚHLģ V SYSTÉMU GMK ...................................................................... 15 4.1 Selsyny .......................................................................................................................... 15 4.2 Rozkladaþe .................................................................................................................... 17 4.3 PĜevod pomocí obvodu s operaþními zesilovaþi ........................................................... 19 4.4 PĜevod Selsyn – Resolver pomocí Scott-T transformátoru ........................................... 20 4.5 Transformace z polárních do kartézských souĜadnic .................................................... 21 REALIZACE HARDWARU .................................................................................... 22 5.1 PĜevodník selsyn – rozkladaþ ........................................................................................ 22 5.1.1 Zapojení pĜevodníku selsyn – rozkladaþ ............................................................... 24 5.2 PĜevodník úhel – þíslo ................................................................................................... 24 5.2.1 Základní popis pĜevodníku AD2S83IPZ............................................................... 24 5.2.2 Možnosti provozních podmínek............................................................................ 25 5.2.3 Popis pinĤ vstupu a výstupu.................................................................................. 26 5.2.4 ýasování obvodu ................................................................................................... 27 5.2.5 PĜipojení pĜevodníku ............................................................................................. 28 5.3 Mikroprocesor ............................................................................................................... 29 5.3.1 PamČĢ a její organizace ......................................................................................... 33 5.3.2 Oznaþení pinĤ........................................................................................................ 33 KOMUNIKAýNÍ ROZHRANÍ RS232...................................................................... 35 6.1 Protokol RS232 ............................................................................................................. 35 6.2 ěadiþ Max232 CPE....................................................................................................... 37 ROZBOR REALIZACE .......................................................................................... 38 7.1 PĜevod selsyn – rozkladaþ ............................................................................................. 38 7.2 Úprava referenþního signálu ......................................................................................... 39 7.3 Výpoþet odporĤ v transformaþním obvodu................................................................... 40 7.4 Zapojení pĜevodníku AD2S83IPZ ................................................................................ 40 7.5 Mikroprocesor ............................................................................................................... 41 PROGRAMOVÁ ýÁST .......................................................................................... 41 8.1 Požadavky na programovou þást................................................................................... 41 8.1.1 ěídící program mikroprocesoru ............................................................................ 42 8.1.2 Vizualizaþní program kompasu............................................................................. 44 POUŽITÝ HARDWARE.......................................................................................... 44
9.1 Zobrazovací systém SHARP-INGENIA ....................................................................... 44 9.2 Postup pĜi programování zobrazovací jednotky............................................................ 46 9.3 Hardware použitý k programování................................................................................ 47 9.4 Poptup pĜi programování mikroprocesoru ATmega16 ................................................. 48 10 POUŽITÝ SOFTWARE....................................................................................... 48 10.1 PodpĤrný software......................................................................................................... 49 11 ZÁVċR................................................................................................................ 49 12 SEZNAM OBRÁZKģ.......................................................................................... 51 13 SEZNAM TABULEK........................................................................................... 52 14 LITERATURA..................................................................................................... 52 15 ADRESÁě WEBOVÝCH STRÁNEK.................................................................. 52 16 SEZNAM PěÍLOH .............................................................................................. 52 17 OBSAH PěILOŽENÉHO CD .............................................................................. 53
9
1 ÚVOD Kurz letadla je velmi dĤležitým navigaþním údajem a jeho správné urþení je jedním ze základních pĜedpokladĤ úspČšného provedení letu. PĜímý magnetický kompas je proto od poþátku rozvoje letectví nedílnou souþástí palubních desek všech letadel. PĜímé magnetické kompasy však vykazují nČkteré nežádoucí chyby. Proto došlo v prĤbČhu vývoje letectví ke slouþení magnetického kompasu a smČrového setrvaþníku. Vznikl tak gyromagnetický kompas, který stále používají jako základní navigaþní pĜístroj letadla starší výroby. Díky rychlému rozvoji techniky je však elektromechanický ukazatel kurzu, používaný ve spojení s gyrokompasem zastaralý. ěešením této problematiky je celková modernizace zastaralé avioniky. Pro optimalizaci práce personálu v letectví se plynule pĜechází od analogových ruþiþkových ukazatelĤ k moderním multifunkþním LCD displejĤm. Tyto displeje jsou cca 10krát rychlejší a umožĖují pĜesnČjší zobrazení namČĜených údajĤ. PĜi Ĝešení problémĤ s inovací mČĜících a informaþních aparatur je jedním z faktorĤ cena. Je nutné zpracovat signály z 20 let starých, ale stále pĜesných a vyhovujících senzorĤ. PĜi Ĝešení digitalizace signálu gyromagnetického kompasu GMK 1E se vyskytují problémy, které je nutno vyĜešit. Souþástková základna musí být tvoĜena z dostupných prvkĤ a ve výsledku musí odpovídat normám pĜedepsaným pro aplikaci tohoto typu zaĜízení. Tato práce si klade za cíl navrhnout pĜevodník signálu z gyromagnetického kompasu GMK-1E na datové slovo sbČrnice RS232. Signál bude nejprve upraven do podoby vhodné pro další zpracování a následnČ digitalizován pĜevodníkem úhel-þíslo. ýíslicový údaj bude zaveden do mikropoþítaþe, kde bude proveden výpoþet kurzu a dále bude pĜeveden do formátu datového slova podle specifikace sbČrnice RS232. Poté bude koneþný kurz zobrazen na LCD displeji pomocí vhodného softwaru. Celou práci lze rozdČlit do tĜí þástí:
8
1.
Realizace obvodu pro úpravu signálĤ z GMK-1E a jejich následná digitalizace
2.
Realizace pĜenosu digitálního signálu po sbČrnici do zobrazovací jednotky
3.
Programové Ĝešení zobrazení kurzu na LCD displeji
2 DEFINICE KURZU A JEHO MċěENÍ PĜi urþování vzájemné polohy dvou objektĤ v pĜírodČ uvažujeme smČr, kterým jsou od sebe vzdáleny. Jednotlivé smČry mezi sebou svírají úhly. Zvolíme-li jeden smČr jako základní a ostatní smČry budeme mČĜit od tohoto základního smČru, dostaneme orientované smČry – smČrníky, které oznaþujeme ve smČru hodinových ruþiþek pĜesnou þíselnou hodnotou v rozsahu 0° – 359°. V letecké nav igaci volíme jako základní smČr severní þást místního poledníku a úhly mČĜené od tohoto poledníku pak nazýváme zemČpisné smČrníky. Na obr. þ. 1 jsou zobrazeny kurzy letadla vzhledem k jeho podélné ose.
Obrázek 1: Kurz letadla
SmČrníky rozeznáváme zemČpisné, magnetické nebo kompasové, podle toho, zda byl jako základní smČr zvolen zemČpisný, magnetický þi kompasový sever. ZemČpisný sever je urþen severní þástí zemČpisného poledníku místa, ve kterém se nacházíme. Magnetický sever urþuje magnetka kompasu neovlivnČná rušivými vlivy okolí. Kompasový sever ukazuje magnetka kompasu ovlivnČna všemi rušivými vlivy, které na
ni pĤsobí. Úhlový rozdíl mezi zemČpisným a magnetickým severem se nazývá deklinace, úhlový rozdíl mezi magnetickým a kompasovým severem nazýváme deviací. Magnetický kurz letadla je tedy úhel, který svírá podélná osa letadla s magnetickým severem, urþeným stĜelkou kompasu, kterou neovlivĖují okolní rušivá magnetická pole.
2.1 Fyzikální základy mČĜení kurzu Kolem ZemČ existuje magnetické pole tvoĜené dvČma fiktivními magnetickými póly. Jejich polohy nejsou totožné s polohami zemČpisných pólĤ. Úhel, mČĜený z urþitého místa na zemČkouli mezi smČrem k zemČpisnému pólu a smČrem k magnetickému pólu, se nazývá magnetická deklinace. Tato deklinace je kladná, jestliže se smČr k magnetickému pólu odchyluje od smČru k zemČpisnému pólu smČrem na východ. Základním parametrem zemského magnetického pole je jeho intenzita. Je to vektor vždy teþný k siloþárám magnetického pole. Ve smČru tohoto vektoru se nastavuje magnetická stĜelka kompasu. Upevníme-li na magnetku kurzovou stupnici, je možné na odeþítací znaþce, pevnČ spojené s letadlem, odeþítat magnetický kurz letadla.
2.2 PĜímý magnetický kompas Princip magnetického kompasu je, jak již bylo Ĝeþeno, založen na pĤsobení zemského magnetického pole na magnetku. Magnetický kompas se skládá z magnetického otoþného systému a pouzdra. Magnetický otoþný systém tvoĜí dvojice tyþinkových permanentních magnetĤ, upevnČných na kurzové stupnici. Celý systém se mĤže otáþet kolem svislé osy na hrotu, uloženém v kuželovitČ vybroušeném kameni. VnitĜní prostor pouzdra vyplĖuje kapalina, která tlumí kmitání otoþného systému. Na pouzdru kompasu je také umístČno kompenzaþní zaĜízení na odstranČní magnetické deviace.
2.3 Gyromagnetický kompas Gyromagnetický kompas vzniká slouþením smČrového setrvaþníku a vysílaþe magnetického kurzu. DĤvodem tohoto slouþení jsou rozdílné vlastnosti obou pĜístrojĤ. SmČrový setrvaþník vykazuje pĜi dlouhodobém letu pomČrnČ znaþné chyby, protože jeho chyby rostou s þasem. PĜi podélném náklonu letadla je však jeho údaj správný. 9
Vysílaþ kurzu vykazuje pĜi dlouhodobém letu znaþnou pĜesnost. PĜi náklonech letadla je však jeho údaj zatížen chybou. Hlavním þlenem gyromagnetického kompasu je smČrový setrvaþník, jehož signál je pĜenášen na ukazatel. Vysílaþ magnetického kurzu slouží pro srovnání údajĤ obou pĜístrojĤ, které provádí korekþní mechanizmus. Tyto korekce mohou být realizovány opravou polohy setrvaþníku nebo opravou elektrického signálu vysílaþe kurzu.
3 GYROMAGNETICKÝ KOMPAS GMK-1AE Gyromagnetický kompas se skládá ze smČrového setrvaþníku a vysílaþe magnetického kurzu. Hlavním þlenem gyromagnetického kompasu je smČrový setrvaþník, jehož signál je pĜenášen na ukazatel. Vysílaþ magnetického kurzu slouží pro srovnání údajĤ obou pĜístrojĤ, které provádí korekþní mechanizmus. Tyto korekce mohou být realizovány opravou polohy setrvaþníku nebo opravou elektrického signálu vysílaþe kurzu. Na obrázku þ. 2 je zobrazen gyromagnetický kompas GMK-1AE.
Obrázek 2: Gyromagnetický kompas GMK-1AE
10
Celý systém gyrokompasu se skládá z: 1. korekþního mechanizmu KM-8, 2. automatu sesouhlasení AS-1, 3. gyroagregátu GA-6, 4. ovládacího pultu PU-26E, 5. ukazatele kurzu UGR-4UK, 6. indukþního vysílaþe ID-3.
3.1 Základní popis 3.1.1 Gyroagregát GA-6 Gyroagregát je smČrový setrvaþník, jehož kurz se pĜenáší na ukazatel. V režimu magnetické korekce se jeho kurz porovnává s kurzem feromagnetické sondy a v pĜípadČ
zjištČní
odchylky
je
kurz
setrvaþníku
opraven
signálem
pomalého
sesouhlasení. Technické parametry: Napájecí napČtí stejnosmČrné 27V ± 2,7V Napájecí napČtí stĜídavé 36V ± 1,8V / 400 Hz ± 8Hz Odchylka kurzu gyroagregátu za 30min: • pĜi teplotČ 25°C ±1° • v rozsahu teplot -60°C - 50°C ±1,5° Hmotnost 3,5 kg
3.1.2 Indukþní vysílaþ ID-3 Indukþní vysílaþ slouží k mČĜení smČru horizontální složky vektoru intenzity magnetického pole ZemČ. Tento smČr je pĜeveden na tĜísložkové napČtí, kterým je korigován únik smČrového setrvaþníku. Technické parametry: Napájecí napČtí stĜídavé 1,5V ± 0,1V / 400 Hz ± 8Hz Odchylka kurzu indukþního vysílaþe: • v rozsahu teplot -60°C - 90°C max.±2° OdstranČní deviaþní chyby (pĤlkruhová deviace) od 6° do 12° 11
Odchylka vysílaþe pĜi náklonu do 15° v libovolném sm Čru max. 1° Hmotnost 0,8 kg
3.1.3 Korekþní mechanizmus KM-8 Korekþní mechanizmus zajišĢuje potlaþení vlivu magnetické deviace a deklinace. PĜevádí tĜísložkové napČtí feromagnetické sondy na úhel nesouhlasu, na základČ kterého je provedeno sesouhlasení magnetického kurzu a kurzu smČrového setrvaþníku. Technické parametry: Napájecí napČtí stejnosmČrné 27V ± 2,7V Napájecí napČtí stĜídavé 36V ± 1,8V / 400 Hz ± 8Hz Odchylka korekþního mechanizmu ±1° Rychlost korekþního servomechanizmu min 4°/s Hmotnost 1,6 kg
3.1.4 Ovládací pult PU-26E
Ovládací pult umožĖuje volbu režimu funkce, zadání zemČpisné šíĜky na severní i jižní polokouli, zapnutí režimu rychlého sesouhlasení v režimu magnetické korekce a kontrolu správné funkce celého systému. Technické parametry: Napájecí napČtí stejnosmČrné 27V ± 2,7V Napájecí napČtí stĜídavé 36V ± 1,8V / 400 Hz ± 8Hz Hmotnost 1 kg
3.1.5 Automat sesouhlasení AC-1 Automat sesouhlasení zajišĢuje sesouhlasení signálu feromagnetické sondy a kurzu smČrového setrvaþníku. Zesiluje signál z korekþního mechanizmu a zajišĢuje zapnutí rychlého sesouhlasení pĜi zmČnách režimĤ funkce systému. Technické parametry: ýas potĜebný pro pĜípravu þinnosti 45 – 150s 12
Rychlost sesouhlasení: • rychlé sesouhlasení min. 6°/s • pomalé sesouhlasení 1,5° - 7°/min Hmotnost 0,9 kg
3.1.6 Ukazatel kurzu UGR-4UK Ukazatel kurzu slouží k zobrazení aktuálního kurzu na pĜístrojové desce a k navigaþním úþelĤm. Technické parametry: Napájecí napČtí stejnosmČrné 27V ± 2,7V Napájecí napČtí stĜídavé 36V ± 1,8V / 400 Hz ± 8Hz Odchylky ukazatele: • kurzová stupnice max. ±1° • stĜelka radiokompasu na znaþce 0° ±0,5° • na oþíslovaných znaþkách stupnice ±2,5° Rychlost otáþení kurzové stupnice min. ±15°/s Rychlost sesouhlasení: • rychlé sesouhlasení min. 6°/s • pomalé sesouhlasení 1,5° - 7°/min Hmotnost 1,75 kg
3.2 Popis funkce Blokové schéma gyromagnetického kompasu GMK-1AE je zobrazeno na obrázku þ. 3.
Obrázek 3: Blokové schéma GMK-1E
13
3.2.1 Režim magnetické korekce Je-li aktivní režim magnetické korekce (GMK), signály z výstupního selsynu gyroskopu jsou korigovány údajem z korekþního mechanizmu. Tento údaj je získán z feromagnetické sondy, která mČĜí smČr zemského magnetického pole. Sonda jej dále pĜevádí na tĜísložkové napČtí, které je korekþním mechanizmem pĜevedeno na úhel rotoru selsynu. Do korekþního mechanizmu rovnČž vstupují údaje o magnetické deviaci a deklinaci. Hodnota deviace je pevnČ nastavena pro daný typ letadla. Hodnotu magnetické deklinace lze mČnit. Pomalá precese gyroskopu má za následek odchylku údaje gyrokompasu od údaje magnetické sondy. Tato chyba se odstraĖuje sesouhlasením obou údajĤ pomocí korekþního motoru gyroskopu. Tento motor natáþí vnČjší rám gyroskopu a tím i rotor jeho výstupního selsynu (pomalé sesouhlasení). Rychlost tohoto sesouhlasení je 1,5 - 7°/min. P Ĝi podélných náklonech letadla dochází vlivem odchýlení feromagnetické sondy z horizontálního smČru ke znaþným odchylkám mezi údajem sondy a kurzem smČrového setrvaþníku. Protože by tato krátkodobá odchylka byla korekþním mechanizmem vyhodnocena a systém by se snažil o její korekci, þímž by byla do systému vnášena chyba kurzu, je magnetická korekce pĜi podélných náklonech letadla odpojena.
3.2.2 Režim gyropolokompasu PĜi aktivním režimu gyropolokompasu (GPK) je magnetická korekce odpojena. Z ovládacího panelu je do gyrokompasu zaveden údaj zemČpisné šíĜky, který koriguje dĤsledek otáþení ZemČ. V tomto režimu tedy pĜístroj nemČĜí magnetický kurz letadla, ale umožĖuje provést let po ortodromČ. Po pĜepnutí z režimu GMK do režimu magnetické korekce (MK) je odchylka údaje gyrokompasu od skuteþného magnetického kurzu þasto pĜíliš velká na to, aby byla dostateþnČ rychle eliminována pomocí pomalého sesouhlasení. Z tohoto dĤvodu se pĜi pĜechodu GMK – MK provádí tzv. rychlé sesouhlasení. To spoþívá v natoþení statoru selsynu gyroskopu tak, aby pĜístroj ukazoval správný magnetický kurz. Po rychlém sesouhlasení se pĜístroj pĜepne opČt do režimu pomalého sesouhlasení, který je popsán výše. Rychlost v režimu rychlého sesouhlasení je minimálnČ 6°/s. 14
4 PěENOS ÚHLģ V SYSTÉMU GMK 4.1 Selsyny Selsyny jsou užívány pro mČĜení úhlové polohy a jsou složeny ze statorových a rotorových þástí vinutí. Selsyny mají tĜísložkové vinutí statoru a dvousložkový rotor. NejþastČjší použití selsynĤ je jako polohových transformátorĤ. Magnetické pole rotoru indukuje ve statorových vinutích tĜi složky napČtí s amplitudami závislými na úhlu natoþení rotoru Į. Magnetický obvod statoru je stejnČ jako rotor složen z plechĤ. Má tĜi symetricky umístČné póly, kterým odpovídají tĜi pevné magnetické osy. Na pólech je umístČno statorové synchronizaþní vinutí, na rotoru je navinuto vinutí budící. Dnes se ve valné vČtšinČ pĜípadĤ používají resolvery, které mají jiné zapojení statoru. PĜi snímání ze starších typĤ selsynĤ je nutné signál pĜevést do nové souĜadné soustavy. Náhradní elektrické schéma, odpovídající konstrukþnímu uspoĜádání na obrázku þ. 4a je zobrazeno na obrázku þ. 4b.
Obrázek 4: Konstrukþní uspoĜádání a náhradní schéma selsynu
Je-li selsyn napájen do rotoru proudem Ib o kmitoþtu Ȧ, lze napČtí indukované do statorového vinutí obecnČ vyjádĜit ve tvaru:
U s = ω ⋅ M ⋅ Ib ; M = kde
15
N1 ⋅ N 2 , Rm
M
je vzájemná indukþnost mezi vinutími [H],
N1, N2
jsou poþty závitĤ obou vinutí,
Rm
je magnetický odpor obvodu stator-rotor [H-1].
(1)
Magnetický obvod selsynu musí být konstrukþnČ Ĝešen tak, aby pro vzájemnou indukþnost M v závislosti na natoþení rotoru α platilo: M (α ) = M 0 ⋅ cos α , kde
M0
(2)
je vzájemná indukþnost, pĜi níž jsou magnetické osy statoru a rotoru totožné
α
je úhel natoþení rotoru vzhledem k základní poloze.
Ze vztahĤ (1) a (2) lze pro harmonický budicí proud Ib vyjádĜit þasový prĤbČh jednotlivých statorových vinutí v souladu s obr. 4b ve tvaru:
u1s (t ) = ω ⋅ M 0 ⋅ I b ⋅ cos α ⋅ sin ωt = U S ⋅ cos α ⋅ sin ωt 2 2 u 2 s (t ) = ω ⋅ M 0 ⋅ I b ⋅ cos(α − π ) ⋅ sin ωt = U S ⋅ cos(α − π ) ⋅ sin ωt 3 3
(3)
4 4 u 3s (t ) = ω ⋅ M 0 ⋅ I b ⋅ cos(α − π ) ⋅ sin ωt = U S ⋅ cos(α − π ) ⋅ sin ωt 3 3
Kde
U S = ω ⋅ M 0 ⋅ I b je napČtí pro α = 0,
2 4 π, π 3 3
Efektivní, resp. maximální hodnoty statorových napČtí lze v závislosti na natoþení rotoru α vyjádĜit ve tvaru: U 1S = k tS ⋅ U r ⋅ cos α 2 U 2 S = k tS ⋅ U r ⋅ cos(α − π ) 3
(4)
4 U 3 S = k tS ⋅ U r ⋅ cos(α − π ) 3
Z tČchto rovnic je patrné, že pĜi napájení selsynu do rotoru sinusovým napČtím frekvenci Ȧ, dostaneme pĜi jeho otáþení na statorových vinutích sinusová napČtí, jejichž amplituda, resp. efektivní hodnota, bude harmonickou funkcí úhlu natoþení Į. PĜiĜazení výstupních napČtí statorových vinutí Us pro úhly natoþení 16
Į
= ±ʌ je dáno fázovým
posunem o ±ʌ oproti napájecímu napČtí rotoru. Je-li selsyn napájen do statoru tĜífázovým napČtím, lze þasový prĤbČh napČtí na rotorovém vinutí v závislosti na jeho úhlu natoþení Į vyjádĜit ve tvaru:
U r (t ) =
US ⋅ cos(α + ωt ) k tS
(5)
Ze vztahu (5) je zĜejmé, že v tomto pĜípadČ bude na rotoru konstantní harmonické napČtí, jehož fázový posuv bude odpovídat úhlovému natoþení rotoru Į. Na obrázku þ. 5 jsou znázornČny prĤbČhy signálĤ selsynu.
Obrázek 5: PrĤbČhy signálĤ selsynu
4.2 Rozkladaþe Rozkladaþe jsou, stejnČ jako selsyny, transformátorové pĜevodníky úhlu natoþení rotoru Į na amplitudy resp. fázový posuv výstupních napČtí. KonstrukþnČ se oproti selsynu liší tím, že magnetický obvod rotoru i statoru je tvoĜen dvČmi pólovými páry, které jsou na sebe osovČ kolmé. Vztahy pro vzájemnou indukþnost mezi vinutím rotoru a statoru jsou stejné, jako u selsynu. Elektrické náhradní schéma rozkladaþe je zobrazeno na obrázku þ. 6.
17
Obrázek 6: Náhradní elektrické schéma rozkladaþe
Je-li rozkladaþ napájen do statorových vinutí harmonickým napČtím se shodnými þasovými prĤbČhy, lze velikost napČtí indukovaných v rotorových vinutích v závislosti na úhlu natoþení Į vyjádĜit ve tvaru: Ur = Us ⋅ k tr ⋅ cos α + U ' s ⋅k tr ⋅ sin α
(6)
π· π· § § U' r = U s ⋅ k tr ⋅ cos¨ α + ¸ + U ' s ⋅k tr ⋅ sin ¨ α + ¸ 2¹ 2¹ © © kde
Us a U’s
jsou napájecí statorová napČtí [V],
Ur a U’r
jsou rotorová napČtí [V],
k tr =
nr ns
je þinitel transformace rozkladaþe, daný pomČrem poþtu rotorových a statorových závitĤ.
PrĤbČhy signálĤ rozkladaþe znázorĖuje obrázek þ. 7.
18
Obrázek 7: PrĤbČhy signálĤ rozkladaþe
4.3 PĜevod selsyn-resolver pomocí obvodu s operaþními zesilovaþi Tato metoda vyžaduje pĜesné odpory a kvalitní operaþní zesilovaþe. Na obrázku þ. 8 je znázornČno použité zapojení i se vstupním dČliþem. Ten vytváĜí tzv. umČlou nulu a zároveĖ upravuje velikost vstupního napČtí pro operaþní zesilovaþe. Operaþní zesilovaþe jsou zde zapojeny jako sledovaþe, aby byl signál dále impedanþnČ nezávislý.
Obrázek 8: Obvod transformace signálĤ pomocí OZ
19
Použité souþástky: R1-3 = 160kǷ R4-6 = 10kǷ R7-8 = 100kǷ R9,11 = 56kǷ R10,12 = 1,8kǷ U1-5 …TL072
4.4 PĜevod selsyn – resolver pomocí Scott-T transformátoru Jedním ze zpĤsobĤ, jak pĜevést signál z jedné soustavy na druhou (z tĜísložkové na dvousložkovou), je použití Scottova transformátoru (Obr. 9).
Obrázek 9: Schéma Scott-T transformátoru
Scott-T transformátor se skládá z centrálního vinutí transformátoru T1 a 86.6% vinutí T2 na výstupu 3-fázového obvodu. Primární vstupy obou transformátorĤ jsou pĜipojeny k napájení. Jeden konec sekundárního vinutí T2 86.6% je pĜipojen k 3fázovému výstupu, druhý konec je pĜipojen k T1 sekundárnímu stĜednímu vinutí. (Oba 20
konce T1 sekundárního vinutí jsou další dvČ 3-fázová pĜipojení). Na obrázku þ. 10 jsou uvedeny vektory, jak v polárních, tak v komplexních souĜadnicích, které uvádČjí pĜevod napČtí z 2-fázové do 3-fázové soustavy. V první ĜadČ, jedno 3-fázové napČtí je identické s 2-fázovým napČtím v návaznosti na transformaþní pomČr transformátoru, který je 1:1, VP12=V2P1.
Obrázek 10: Vektory pĜevodu
Chyby vytváĜí samotný pĜevod, pokud se nepohybujeme po lineární þásti pĜevodní charakteristiky. Problém mĤže pĤsobit i fázový posun, který v transformátoru vzniká.
Pokud
zadání
nevyžaduje
galvanické
oddČlení
typické
pro
ScottĤv
transformátor, lze využít elektronického zapojení (obrázek þ. 8). PĜi použití pĜesných odporĤ a pĜesné elektroniky lze dosáhnout hodnot srovnatelných s vysoce kvalitním Scottovým transformátorem s výhodou nízké ceny a malých rozmČrĤ.
4.5 Transformace z polárních do kartézských souĜadnic V polárních souĜadnicích je bod determinován polomČrem a úhlem, v kartézských je urþen vzdálenostmi od poþátku soustavy souĜadnic viz. obr. 9.
Uy
x = r cos ϕ
(7)
y = r sin ϕ
(8)
Pokud budeme brát x,y,r, ij jako hodnoty napČtí
Ux
Obrázek 11: Transformace signálĤ
21
ϕ =π
Uϕ U
−U ≤ U ϕ ≤ U
(9)
Úhel ij nabývá hodnot v rozsahu –ʌ až +ʌ. Vztahy (10) a (11) matematicky popisuje obr. 11. § Uϕ · Ux = Ur cos ¨ π ¸ © U ¹
(10)
§ Uϕ · Uy = Ur sin ¨ π ¸ © U ¹
(11)
Signály ze senzoru jsou ve tvaru: VS3-S1 = K ⋅ U REF ⋅ sin θ
(12) $
kde
VS2-S3 = K ⋅ U REF ⋅ sin(θ + 120 )
(13)
VS1-S2 = K ⋅ U REF ⋅ sin(θ + 240 $ ) ,
(14)
K
je pĜevodní konstantou transformátoru
[-]
Ĭ
úhel natoþení selsynu
[°]
VREF velikost napČtí v rotoru
[V]
VS3-S1 velikost napČtí na statorovém vinutí mezi uzly S3, S1 [V] Cílem obvodu je pĜevést selsynové signály na resolverové ve tvaru: VS3-S1 = K ⋅ V REF ⋅ sin θ
(15)
VS2-S4 = K ⋅ V REF ⋅ cos θ
(16)
Referenþním napČtím je pro resolver: U REF = U R 2 − U R 4 = U O ⋅ sin ϖt
(17)
5 REALIZACE HARDWAROVÉ ýÁSTI 5.1 PĜevodník selsyn – rozkladaþ V dnešní dobČ vyžaduje vČtšina pĜevodníkĤ úhel/þíslo na svém vstupu dvousložkový signál z rozkladaþe. Z tohoto dĤvodu je nutné pomocí vhodného zapojení pĜevést tĜísložkový výstup selsynu na dvousložkový, jak ukazuje obr. 12.
22
Obrázek 12: PĜevod tĜísložkové soustavy na dvousložkovou
Signály ze selsynu jsou popsány tČmito rovnicemi:
U 1 = KU REF ⋅ sin θ U 2 = KU REF ⋅ sin(θ + 120 $ )
(18)
U 3 = KU REF ⋅ sin(θ + 240 $ ) ,
kde K je transformaþní pomČr mezi statorem a rotorem selsynu, ș úhel natoþení rotoru a UREF budící napČtí selsynu ve tvaru: U REF = U 0 ⋅ sin ωt .
(19)
NapČtí na výstupu rozkladaþe je popsáno vztahy: U x = K sin ωt sin θ ,
(20)
U Y = K sin ωt cos θ . Pro libovolný úhel natoþení ș rotoru rozkladaþe pak platí:
UX sin θ = = tan θ . U Y cos θ
(21)
Tento pomČr výstupních napČtí je nezávislý na velikosti nebo frekvenci budícího napČtí rozkladaþe. Vhodnou volbou odporĤ a tím i zesílení operaþních zesilovaþĤ je nutné zajistit shodnou maximální velikost amplitud obou signálĤ. RovnČž je dĤležité, aby efektivní hodnota výstupního napČtí pĜevodníku byla maximálnČ 2V, které jsou nutné na vstupu 23
pĜevodníku úhel-þíslo. PĜesnost pĜevodníku je závislá na pĜesnosti použitých odporĤ. Ty mají toleranci 0,1%. 5.1.1 Zapojení pĜevodníku selsyn – rozkladaþ PĜipojení pĜevodníku selsyn-rozkladaþ k výstupnímu selsynu systému GMK-1AE je realizováno pomocí napČĢových sledovaþĤ, které zajistí impedanþní oddČlení a sníží zatížení výstupního selsynu GMK. PĜed napČĢové sledovaþe bylo tĜeba umístit dČliþe napČtí, které zajistily snížení velikosti napČtí jednotlivých fází na úroveĖ napČtí vhodnou k pĜivedení na vstup operaþního zesilovaþe.
5.2 PĜevodník úhel – þíslo K pĜevodu signálu do digitálního tvaru byl vybrán pĜevodník od firmy Analog Devices, který má oznaþení AD2S83IPZ. Jedná se o monolitický sledovací pĜevodník s volitelnou pĜesností pĜevodu a 16-ti bitovou datovou sbČrnicí. Dodává se v patici DIP nebo PLCC a je k dispozici také verze splĖující standard MIL. 5.2.1 Základní popis pĜevodníku AD2S83IPZ AD2S83IPZ je 8-mi bitový sledovací pĜevodník s volitelnou pĜesností pĜevodu (10,12,14, nebo 16bitĤ) a pracuje v kmitoþtovém pásmu 0-20000 Hz. Maximální rychlost sledování je 1040 rad/s pĜi rozlišovací schopnosti 10 bitĤ a je zaruþena výrobcem. Blokové schéma pĜevodníku je na obr. 13.
Obrázek 13: Blokový diagram AD2S83
24
Vstupem do pĜevodníku jsou signály SIN, COS a REF. Doporuþená velikost tČchto vstupních signálĤ je 2V RMS. Fázový posun mezi signály a referencí by mČl být maximálnČ ±10°. Výstupem z p Ĝevodníku je 10-ti až 16-ti bitové slovo na sbČrnici. Pokud je nastaveno nižší rozlišení než 16 bitĤ, jsou zbývající bity sbČrnice nastaveny na hodnotu logické nuly. KromČ datové sbČrnice má pĜevodník dále výstupy RIPPLE CLK, DIR a BUSY. Signál RIPPLE CLK je generován pĜi každém prĤchodu nulou pĜevodníku, tedy vždy, když dojde k pĜenosu z nejvyššího bitu datového slova v interním þítaþi. Signál DIR (Direction) svojí logickou úrovní indikuje smČr otáþení vstupního signálu. Signál mĤže zmČnit svojí logickou úroveĖ i nČkolikrát mezi dvČma po sobČ jdoucími bity LSB, což odpovídá zmČnČ smČru otáþení vstupu o menší úhel, než jaký pĜipadá na bit LSB. Signál BUSY indikuje platnost výstupních dat. Je generován pokaždé, když se vstupní signál zmČní o analogový ekvivalent bitu LSB. Na analogovém výstupu INTEGRATOR O/P je k dispozici signál reprezentující rychlost otáþení resolveru. Vlastní pĜenos dat z pĜevodníku se Ĝídí signály /INHIBIT, /ENABLE a BYTE SELECT. Signál /INHIBIT zabraĖuje pĜenosu datového slova z vnitĜního þítaþe do výstupního registru pĜevodníku. Data ve výstupním registru jsou platná 490ns po nastavení signálu /INHIBIT bez ohledu na okamžik, kdy byl signál nastaven. Signál nemá vliv na proces sledování vstupu a jeho uvolnČní automaticky generuje signál BUSY. Aktivním signálem /ENABLE se slovo pĜivede z výstupního registru na sbČrnici pĜevodníku, odkud je možné signálem BYTE SELECT Ĝídit pĜenos nižšího a vyššího bytu datového slova po 8 bitové sbČrnici. Signály /ENABLE a BYTE SELECT nemají žádný vliv na sledování vstupního signálu a jeho pĜevod do binárního tvaru. Obvod AD2S83IPZ pracuje pĜi napájecím napČtí ±12V a +5V. Je vyroben technologií BiMOS II, která kombinuje výhody CMOS logiky s pĜesnými bipolárními obvody. Dodává se ve 44 pinovém pouzdĜe PLCC.
5.2.2 Možnosti provozních podmínek AD2S83IPZ Standardní provozní podmínky: Napájecí napČtí (+VS, -VS)
±12V ss ±5%
Napájecí napČtí VL
5V ss ±10%
Vstupní signály (SIN, COS)
2V rms ±10%
Signál REF
1V – 8V p-p
Maximální zkreslení signálĤ 25
10%
Maximální fázový posuv mezi signály
10°
Provozní rozsah teplot: • verze pro komerþní použití
0°C - 70°C
• verze pro prĤmyslové použití
-40°C - 85°C
• verze MIL-STD 1553B
-55°C - 125°C
Maximální provozní podmínky: +VS
+13V ss
-VS
-13V ss
+VL
+VS
Signál REF
13V až -VS
Signály SIN, COS
13V až -VS
NapČtí na libovolném logickém vstupu
-0,4V ss až +VL ss
Tepelný výkon
800mW
Teplota pinĤ pĜi pájení (krátkodobČ 10s)
300°C
5.2.3 Popis pinĤ vstupu a výstupu Pin 1 2
Název DEMOD O/P REFERENCE I/P
3 4 5 6 7 8 10-25 26 27 28
AC ERROR O/P COS ANALOG GND SIGNAL GND SIN +Vs DB1 - DB16 +VL ENABLE BYTE SELECT
Popis Výstup demodulátoru Vstup referenþního signálu Výstup z násobiþky. Velikost napČtí na tomto výstupu je úmČrná rozdílu vstup. a digit. úhlu. Vstup signálu z resolveru Analogová zem Signálová zem Vstup signálu z resolveru Napájecí napČtí +12V Datová sbČrnice pĜevodníku Napájecí napČtí +5V Signál pro pĜivedení výstupních dat na sbČrnici pĜevodníku Signál pro pĜenos dat po 8-mi bitové sbČrnici
30 31 32,33
INHIBIT DIGITAL GND SC2-SC1
Signál blokování pĜenosu datového slova z vnitĜního þítaþe Digitální zem Volba rozlišení pĜevodníku
34
DATA LOAD
Režim sbČrnice (vstupní / výstupní)
35 36 37 38 39
COMPLEMENT BUSY DIRECTION RIPPLE CLOCK -Vs
Aktivuje logickou úroveĖ 0. Signál platnosti výstupních dat Signál indikující smČr otáþení Signál prĤchodu nulou (pĜenos z nejvyššího bitu þítaþe) Napájecí napČtí –12V
26
40 VCO I/P Vstup napČtím Ĝízeného oscilátoru 41 VCO O/P Výstup napČtím Ĝízeného oscilátoru 42 INTEGRATOR O/P Výstup z vnitĜního integrátoru 43 INTEGRATOR I/P Vstup vnitĜního integrátoru 44 DEMOD I/P Vstup demodulátoru Tabulka 1: Tabulka popisu vstupních a výstupních pinĤ pĜevodníku AD2S83
5.2.4 ýasování obvodu Obr. þ. 14 znázorĖuje þasování signálĤ obvodu AD2S83.
Obrázek 14: ýasování obvodu AD2S83
Následující tabulka ukazuje minimální a maximální hodnoty þasových intervalĤ vyznaþených na obrázku þ. 14: þas t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
27
Tmin [ns] 150 10 470 16 3 70 485
Tmax [ns] 350 25 580 45 25 140 625
Popis šíĜka pulzu BUSY zpoždČní signálu BUSY za RIPPLE CLK doba mezi RIPPLE CLK a následujícím signálem BUSY doba od signálu BUSY do DATA VH doba od signálu BUSY do DATA VL doba mezi signálem /INHIBIT a BUSY doba mezi signálem DIR VH a BUSY
t8 515 670 doba mezi signálem DIR VL a BUSY t9 490 doba od signálu /INHIBIT do platných dat t10 40 110 doba od /ENABLE VL do DATA VH t11 35 110 doba od /ENABLE VL do DATA VL t12 60 140 doba od BYTE SEL VL do platných dat na sbČrnici t13 60 125 doba od BYTE Sel VH do platných dat na sbČrnici Tabulka 2: ýasové intervaly signálĤ pĜevodníku
5.2.5 PĜipojení pĜevodníku Kladné napájecí napČtí VSS=+12 V se pĜipojuje k pinu þíslo 8, záporné napájecí napČtí VSS=-12V k pinu þíslo 39. Napájecí napČtí VL=5V je pĜipojeno k pinu 26. Jednotlivé piny jsou popsány na obrázku þ. 15.
Obrázek 15: Oznaþení pinĤ AD2S83
PĜi zámČnČ napájecích pinĤ, nebo jejich pĜepólování, dojde ke zniþení pĜevodníku. Pro pĜipojení signálĤ SIN, COS a REF se doporuþuje použít stínČnou kroucenou dvoulinku. Hodnoty souþástek nutných pro správnou funkci celého obvodu jsou závislé na volbČ rozlišení, frekvenci referenþního signálu, volbČ sledovací rychlosti vstupního signálu a šíĜce pásma uzavĜené smyþky. Stanovení hodnot tČchto souþástek je podrobnČ popsáno v technické dokumentaci k obvodu. Výrobce také nabízí poþítaþový program pro snadné stanovení tČchto hodnot na základČ požadavkĤ uživatele na dynamické vlastnosti celého pĜevodníku. PĜipojení vnČjších souþástek k 28
obvodu ukazuje obrázek þ. 16 na následující stránce. Nejnižší bit pĜevodníku má váhu 0,0879 úhlového stupnČ. K napájení je nutný stejnosmČrný zdroj ±12V. Rozlišení digitálního výstupu se nastaví logickými hodnotami na vstupech SC1 a SC2. ZmČna rozlišení má vliv na volbu odporĤ R4 a R6. Pro správnou funkci pĜevodníku je nutné, aby amplituda vstupních signálĤ byla v rozmezí 10% nominálních hodnot (2V RMS). Zvýšením vstupního signálu o více jak 10% bude mít za následek snížení pĜesnosti v dĤsledku vnitĜního pĜetížení. Naopak snížení na 50% nominální hodnoty znamená zvýšení nejistoty mČĜení o 0,5 úhlového stupnČ. Signál VELOCITY je možné využít k nahrazení bČžného tachodynama.
Obrázek 16: Typická obvodová konfigurace
5.3 Mikroprocesor Celý systém je Ĝízen jednoþipovým mikropoþítaþem ATmega16, který vyrábí firma Atmel Corporation. Jedná se o mikroprocesor instrukþnČ i vývodovČ kompatibilní s procesory Ĝady 8051. Na obrázku þ. 17 je zobrazeno oznaþení pinĤ tohoto mikroprocesoru. AVR jádro kombinuje bohatou instrukþní sadu s 32 hlavními úþelovými operaþními registry. Všech 32 registrĤ je pĜímo spojeno s poþetní logickou jednotkou (ALU-Arithmetic Logical Unit). Ta dovoluje dvČma nezávislým registrĤm, aby byly 29
pĜístupné
v jedné
samostatné
instrukci vykonané
v jednom
hodinovém
cyklu.
Mikroprocesor mĤže využívat vnitĜní kalibrovaný RC oscilátor, nebo externí zdroje. Mezi tyto zdroje patĜí mimo RC oscilátoru také krystal, nebo externí hodiny. Rozsah frekvencí vnČjšího oscilátoru je 0 Hz -16 MHz. Velikost napájecího napČtí se pohybuje mezi 4,5-5,5V. ATmega16 disponuje až 32 programovatelnými piny VSTUP/VÝSTUP, které jsou rozdČleny do 4 bran (portĤ). Piny portu A slouží jako analogové vstupy A/D pĜevodníku. Porty oznaþené písmenkem C mají kromČ funkce vstupnČ/výstupních pinĤ, také funkci podpory programátora pomocí rozhraní JTAG. Porty D slouží jako vstup/výstup USARTu (piny RxD, TxD). Všechny tyto brány mají spojené piny pĜes
Obrázek 17: Oznaþení pinĤ mikroprocesoru ATmega16
vnitĜní odpory s napájecím napČtím (pull-up) mikroprocesoru. K pĜenosu dat se používá USART (Universal Synchronous and Asynchronous Serial Receiver and Transmitter), jehož blokové schéma je na obrázku þ. 19. Rychlost pĜenosu je 9600 Bd a lze jí programovČ mČnit. Lze také mČnit formát celého vyslaného rámce, tzn. poþet datových bitĤ, poþet stop bitĤ a paritu. Použitý rámec obsahuje 8 datových bitĤ, s jediným stop bitem a bez parity. Registrem UBRR (Baud Rate Register) je Ĝízená pĜenosová rychlost. Registr UCSRC nastavuje formát rámce. K pĜenosu dat se používá USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter). Rychlost pĜenosu je 9600 Bd a je programovČ mČnitelná. MČnit lze také formát celého vyslaného datového rámce, tzn. poþet datových bitĤ, poþet stop bitĤ a paritu. Použitý rámec obsahuje 8 datových bitĤ, s jediným stop bitem a bez parity. Registrem UBRR (Baud Rate Register) je Ĝízena pĜenosová rychlost. Pomocí registru UCSRC je nastaven 30
formát rámce.
Obrázek 18: Blokové schéma mikroprocesoru ATmega16
31
Obrázek 19: Blokové schéma - USART
Jednotku USART mĤžeme rozdČlit na tĜi þásti: 1.
Generátor hodinových pulzĤ
2.
Vysílaþ
3.
PĜijímaþ
Generátor hodinových pulzĤ: Slouží k synchronizaci vysílací i pĜijímací þásti. Používá se pro synchronní sériový režim. Vysílaþ: Je-li jednotka USART korektnČ nastavena, provede se odeslání byte pouhým zapsáním do registru UDR. Po úspČšném odvysílání je nastaven pĜíznak TXC 32
v registru UCSRA. PĜijímaþ: Je-li jednotka USART korektnČ nastavena, je po pĜíjmu znaku nastaven pĜíznak RXC v registru UCSRA. Poté je možno pĜeþíst pĜijatý znak opČt z registru UDR.
5.3.1 PamČĢ a její organizace Mikroprocesor ATmega16 disponuje 16-ti kB pamČtí Flash, 512 kB EEPROM a vnitĜní 1kB pamČtí SRAM. PĜíklad pamČĢového prostoru vidíme na obr. þ. 20.
Obrázek 20: Organizace pamČĢového prostoru
5.3.2 Oznaþení pinĤ V následující tabulce jsou popsány piny mikroprocesoru ATmega16: Pin
Popis
VCC
Napájecí napČtí
GND
zem
Port A (PA7..PA0)
Port A slouží jako analogové vstupy A/D pĜevodníku. Port A také slouží jako 8-mi bitový obousmČrný vstupnČ/výstupní port, pokud A/D pĜevodník není nepoužit. Piny portu A jsou tĜístavové, pokud se aktivuje pĜíkaz reset, ikdyž nebČží hodinový impulz.
33
Port B (PB7..PB0)
Port B je 8-mi bitový obousmČrný vstupnČ/výstupní port s vnitĜními zdvíhacími rezistory
Port C (PC7..PC0)
Port B je 8-mi bitový obousmČrný vstupnČ/výstupní port s vnitĜními zdvíhacími rezistory
Port D (PD7..PD0)
Port B je 8-mi bitový obousmČrný vstupnČ/výstupní port s vnitĜními zdvíhacími rezistory
RESET
Vstup funkce RESET. Nízká úroveĖ napČtí na tomto pinu za delší þas, než je délka impulzu, vygeneruje funkci RESET, ikdyž nebČží hodinový impulz. Minimální délka pulzu je daná v technické dokumentaci. Kratší pulzy nezaruþují generování pulzu RESET.
XTAL1
Vstup pro invertující zesilovací oscilátor a pro vnitĜní hodiny operaþního obvodu.
XTAL2
Výstup invertujícího zesilovacího oscilátoru.
XTAL3
AVCC je napájecí pin pro porty A a A/D pĜevodník. MČl by být externČ pĜipojen k Vcc, i když ADC
AREF
AREF je pin analogové reference pro A/D pĜevodník.
není použit. Jestliže je použit ADC, mČl by být pĜipojený k napájení pĜes filtr dolní propusti.
Tabulka 3: Popis pinĤ mikroprocesoru ATmega16
Data, ve formČ 12-ti bitového slova, jsou dále zavedena do mikroprocesoru, který je dále zpracovává do rámce. Struktura tohoto rámce je zobrazena na obrázku þ. 21.
12-ti bitové slovo 8 bitĤ
4 bity
Obrázek 21: Datový rámec sbČrnice RS232
Z obrázku þ. 21 je patrné, že rámec tvoĜí 2 byty. První byte má platných všech 8 bitĤ, druhý má pak platné pouze 4 bity. Zbytek bitĤ je doplnČn nulami. Tento datový rámec je poté vyslán na sbČrnici pomocí obvodu MAX232 viz. kapitola 6.2. Pomocné obvody mikroprocesoru tvoĜí externí krystal a resetovací tlaþítko. Externí krystal kmitá na frekvenci 4 MHz a slouží, jako hodiny pro pĜevodník. Lze použít také RC oscilátory, které jsou zabudovány pĜímo v mikroprocesoru, ale externí krystal zaruþuje þasovou stálost hodin. Pro správnou funkci mikroprocesoru je potĜeba nastavit další dĤležité parametry, jako jsou napĜíklad BODLEVEL, CKSEL a CKOPT. BODLEVEL svou aktivací spouští vnitĜní reset pĜi poklesu napČtí pod urþitou úroveĖ. ÚrovnČ jsou dvČ. 2.7V (BODLEVEL=1) a 4V (BODLEVEL=0). V tomto pĜípadČ je tato detekce nastavena na 2.7V. Hodnotou CKSEL se nastavuje použití krystalu o vyšší frekvenci. CKOPT slouží k aktivaci vČtšího rozkmitu externího oscilátoru (slouží pro aplikace v zarušeném prostĜedí) .
34
6 KOMUNIKAýNÍ ROZHRANÍ RS232 6.1 Protokol RS232 Protokol RS232 popisuje asynchronní sériový datový pĜenos. Slovo sériový znamená, že je informace pĜenášena bit po bitu. Asynchronní znaþí, že komunikace neprobíhá v pĜedem daných þasových úsecích, ale mĤže zaþít kdykoliv a je na pĜijímací stranČ, aby detekovala, kdy zpráva zaþíná a kdy konþí. Informace se rozdČlí do slov, jejichž délka bývá na PC standardnČ 5 až 8 bitĤ. Tato délka je skuteþná užiteþná informace, která je kvĤli pĜenosu doplnČna o další bity, které slouží pro synchronizaci, pĜípadnČ kontrolu pomocí parity. Je dĤležité, aby obČ strany, jak vysílací, tak pĜíjímací, byly nastaveny na stejný poþet bitĤ, jinak by došlo ke špatné interpretaci informace pĜijímací stranou. Data se pĜenášejí na urþené frekvenci, tzv. baud rate. ObČ strany pĜenosu musejí být nastaveny na tutéž pĜenosovou rychlost. Jakmile pĜijímající strana detekuje první bit, spoþítá si, kdy pĜijde další a v tento okamžik zkontroluje napČtí na lince. Struktura jednoho pĜenášeného slova (5-8 bitu) je:
• Start bit - RS232 je definováno jako asynchronní typ komunikace, tzn., že odesílání mĤže být zahájeno v kterémkoliv okamžiku. To zpĤsobuje problémy pĜijímající stranČ, která musí nČjak zjistit, který bit má jako první pĜijmout. K tomu slouží tzv. start bit, který pĜedchází každému pĜenášenému slovu a jeho úroveĖ je definována jako log ’0’.
• Datové bity - Hned za start bitem následují po sobČ jdoucí datové bity. NejménČ významný bit (LSB) je vysílán jako první. • Paritní bit - PĜi pĜenosu se mĤže obþas vyskytnout situace, kdy se z rĤzných dĤvodĤ mĤže zmČnit hodnota nČkterého pĜenášeného bitu (z dĤvodu rušení, pĜeslechĤ atd.). Proto je vhodné a možné vložit za data jeden bit navíc, který slouží k detekci chyby. Jeho hodnota se vypoþítá z pĜenášených dat. PĜijímající strana potom nad obdrženými daty provede tentýž výpoþet a porovná výsledek. PĜi sériových pĜenosech se þasto používá tzv. paritní bit. StejnČ je tomu i u protokolu RS232. Pro výpoþet paritního bitu existují dva algoritmy.
35
– Sudá parita - u sudé parity je vždy souþet všech jedniþek z datových bitĤ a paritního bitu sudé þíslo. Souþet se provádí funkcí XOR a paritní bit se doplní tak, aby jeho výsledek byl 0. – Lichá parita - u liché parity je vždy souþet všech jedniþek z datových bitu a paritního bitu liché þíslo. Souþet se provádí funkcí XOR a paritní bit se doplní tak, aby jeho výsledek byl 1.
Sériové rozhraní • Stop bit(y) - Stop bit bývá 1 nebo 2 bity. Ve skuteþnosti se nejedná o bit, ale o minimální þasovou periodu, po kterou musí být linka po odeslání každého slova ve stavu log 1. PĜíklad pĜenosu datového slova je znázornČn na obr. þ. 22.
Obrázek 22: PĜenos 8-bitového slova
Ve fyzické realizaci rozhraní RS232 log ’1’ reprezentuje hodnota Mark, kterou pĜestavuje napČtí -3V až -15V a log ’0’ reprezentuje hodnotou Space, kterou pĜestavuje napČtí 3V až 15V. Následující obrázek popisuje signály na sbČrnici RS232:
Obrázek 23: Popis signálĤ sbČrnice RS232
36
6.2 ěadiþ Max232 CPE Tento integrovaný obvod vyrábí firma Maxim ve spolupráci s firmou Texas Instruments. MAX232 je levný a velmi používaný pĜevodník úrovní RS232 (sériová linka) na TTL úrovnČ. Jeho nespornou výhodou je, že potĜebuje pouze jeden zdroj napČtí a to +5V, nikoliv +15,-15,+5 jako nČkteré jiné pĜevodníky. Obsahuje 2 pĜevodníky TTL->RS232 a 2 pĜevodníky RS232->TTL. Jeho uplatnČní je všude tam, kde je potĜeba pĜipojit zaĜízení s nízkým napájecím napČtím na sériovou linku (notebooky, mobilní telefony, jednoþipové poþítaþe). Na následujícím obrázku jsou popsány výstupní piny obvodu:
Obrázek 24: Popis pinĤ obvodu MAX232
Obvod zvládá operace minimálnČ o rychlosti 120kbitĤ/s, vstupní úrovnČ na vstupech RS232 mohou dosahovat úrovní až ±30V a odebíraný proud je asi 8mA. DĤležité je také podotknout, že obvody neslouží jako prosté budiþe, ale jsou to invertory. Viz. obrázek obrázek þ. 25:
Obrázek 25: Invertory obvodu MAX232
NapČtí pro RS232 se získává pomocí nábojové pumpy a výstupního napČtí. 37
7 ROZBOR REALIZACE 7.1 PĜevod selsyn – rozkladaþ Signály z
výstupního selsynu gyromagnetického kompasu GMK-1AE jsou
pĜivedeny na vstup pĜevodníku selsyn/rozkladaþ, jak lze vidČt na obrázku þ. 26.
ěídící signály pro pĜevodník
ěídící signály pro Max232 + hodinový signál
Z gyroskopického systému
PĜevodník selsyn/rozkladaþ
PĜevodník rozkladaþ/þíslo
Mikroprocesor
Max232
Rs232
Napájení systému
Ingenia LCD Display
Obrázek 26: Blokové schéma Ĝešení
Ten zajistí jejich pĜevod na složky sin, cos a pĜizpĤsobí jejich napČtí pro pĜevodník rozkladaþ/þíslo. Tento blok zajišĢuje kromČ vlastního pĜevodu také úpravu napájecího napČtí systému GMK. Toto napČtí slouží jako reference pro pĜevodník úhel/þíslo. Vzhledem k tomu, že fáze signálu reference bude uzemnČna, je nutné signály reference získávat pomocí transformátoru. Jeho parametry jsou následující: Primární vinutí 36V/400Hz, sekundární 16V/400Hz. PĜevod signálĤ selsynu je naznaþen na obrázku þ. 27. Blok úpravy velikosti signálĤ selsynu je realizován pomocí odporových dČliþĤ. Hodnoty tČchto odporĤ lze vypoþítat dle vztahu pro napČĢový dČliþ
U 2 = U1 ⋅ 38
R2 ≈ 2V R1 + R2
(22)
Vstupní
Výstupní Uy
Ux Uy Uz
° ° °
Ux
Úprava signálĤ selsynu
Sledovaþ
° Sin
Uy
Sledovaþ Uz
Sledovaþ
Rozdílový zesilovaþ + úprava velikosti napČtí
°
Cos
Obrázek 27: PĜevod selsyn-rozkladaþ
tak, aby jejich výstupní napČtí bylo v rozmezí 1,9 a 2V. Toto napČtí je deklarováno jako doporuþené pro pĜevodník, který bude dále použit. Bloky sledovaþĤ jsou zde jako impedanþní oddČlení odporových dČliþĤ a dalších obvodĤ.
7.2 Úprava referenþního signálu Další þást modulu pĜevodu selsyn-rozkladaþ bude upravovat referenþní signál. Blokové schéma této úpravy je na obrázku þ. 28. Blok úpravy velikosti signálu reference, bude znovu tvoĜen odporovým dČliþem. Za tímto dČliþem následuje sledovaþ, který impedanþnČ oddČluje blok s odporovým dČliþem a následujícím obvodem úpravy fáze. Jelikož signály rozkladaþe a referenþní signál musí být ve fázi, musí být referenþní signál fázovČ posunut. Požadovaný maximální fázový posuv mezi výstupními signály rozkladaþe a referenþním signálem je 10 stupĖĤ. K tomuto posuvu slouží RC þlánek v obrázku þ. 28, jako blok úpravy fáze.
Signály reference
REF
° ° Signály REFERENCE a jejich úprava
Obrázek 28: Úprava referenþního napČtí
39
Sledovaþ
Úprava fáze
°
7.3 Výpoþet odporĤ v transformaþním obvodu Vybraný pĜevodník rozkladaþ-þíslo má typické vstupní napČtí 2V RMS. Výstupní napČtí (Ufaz = 32V) z gyroskopického systému bude tedy nutné pĜizpĤsobit tomuto požadavku. Vstupní dČliþ budeme navrhovat na hodnotu menší než 2V, tzn. 1,9V.Odpor R4 bude zvolíme dostateþnČ velký, 10kǷ. Dle vztahu
R1 =
R4 (U 1 − U 2 ) U2
(23)
následnČ spoþítáme hodnotu odporu R1 = 160kǷ. Dále je nutné u diferenþního zesilovaþe navrhnout odpory tak, aby zesílení bylo
1 3
.
Pro dosažení pĜesnČjší hodnoty zesílení jsou umístČny ve zpČtné vazbČ odpory dva. Odpor R7 byl zvolen 100kǷ. NáslednČ zjistíme hodnoty odporĤ R9 a R10. R9 + R10 =
R7 3
= 57,735.
(24)
ýili R9 = 56kǷ a R10 = 1,8kǷ. Všechny odpory mají toleranci 0,1%.
7.4 Zapojení pĜevodníku AD2S83IPZ Zapojení pĜevodníku AD2S83IPZ je uvedeno v pĜíloze 1. Hodnoty souþástek byly stanoveny pomocí výrobcem dodávaného programu, který je na pĜiloženém CD. Vstupními parametry pro výpoþet byly tyto údaje: 1) údaj o frekvenci referenþního signálu: 400Hz 2) údaj o požadovaném rozlišení pĜevodníku: 12 bitĤ
Vypoþtenými hodnotami souþástek pak bylo dosaženo nastavení optimálních dynamických parametrĤ jednotlivých funkþních blokĤ pĜevodníku AD2S83IPZ. Volba rozlišení byla provedena piny SC1 a SC2, které byly pĜipojeny na napájecí napČtí 12V, stejnČ jako signál DATALOAD, který tak zakazuje použití datové sbČrnice obvodu jako vstupní (umožĖuje pĜednastavení vnitĜního þítaþe obvodu). Další signály, které byly z obvodu vyvedeny, jsou /ENABLE, /INHIBIT a BYTESELECT, jejichž funkce je podrobnČ popsána v kapitole 5.2.1. Obvod AD2S83IPZ potĜebuje ke své správné funkci napČtí ±12V. DoplĖující obvody pak vyžadují napájení +5V a jsou nastaveny na tyto parametry: rozlišení 12 bitĤ, referenþní frekvence 400Hz, šíĜka pásma uzavĜené smyþky 100Hz, 40
maximální rychlost sledování 10 otáþek/sec. Vše další je podrobnČ popsáno v kapitole 5.2.
7.5 Mikroprocesor Pro realizaci Ĝízení pĜevodníku a posílání dat na sbČrnici byl vybrán pĜevodník ATmega16. Jedná se o 8-mi bitový pĜevodník, který slouží hlavnČ k vytvoĜení datového slova, které je následnČ posláno na sbČrnici RS232. PodrobnČji viz. kapitola 5.3
8 PROGRAMOVÁ ýÁST Navržený systém potĜebuje ke své správné funkci dva programy. A to Ĝídící program pro mikroprocesor ATmega16 a dále zobrazovací program pro zobrazovací jednotku. V následující kapitole bude program popsán. Pokud nČkterá þást nebyla doposud realizována, bude to v textu zmínČno. K programování zobrazovací a komunikaþní þásti programu byl použit software vývojového prostĜedí, AVR Studio, verze 4.0. Pro programování byl použit programovací jazyk C.
8.1 Požadavky na programovou þást Programová þást musí splĖovat požadavky kladené, jak na programové vybavení mikroprocesoru, tak na programové vybavení zobrazovací jednotky. Program mikroprocesoru musí splĖovat následující:
1. Komunikaci
s obslužným
programem
po
RS232
za
úþelem
naþtení
potĜebných dat pro správnou þinnost systému. 2. Naþtení dat z A/D pĜevodníku. 3. Sestavení datového slova sbČrnice RS232. 4. ZajištČní vyslání dat na sbČrnici RS232.
Zobrazovací program pak bude navržen tak, aby splĖoval požadavek na zobrazení aktuálního kurzu letadla.
41
8.1.1 ěídící program mikroprocesoru Úvod Ĝídícího programu tvoĜí deklarace konstant a promČnných. Hlavní þást programu je umístČna ve funkci „main“. Po spuštČní této funkce se inicializuje USART. USART Baud Rate Registr (UBRR) a sestupný þítaþ k nČmu pĜipojený, pracují jako programovatelný dČliþ, nebo jako generátor pĜenosové rychlosti a hodnotu tohoto registru lze vypoþítat pomocí vztahu (24): UBRR =
kde
fosc −1, 16 ⋅ BAUD
fosc
jsou systémové hodiny na pinu XTAL
BAUD
je jednotka pĜenosové rychlosti.
(25)
Formát zprávy a parametry pĜenosu se nastavují registrem UCSRC. Toto se dČje v nekoneþné smyþce. Ta zaþíná þekacími smyþkami a nastavením Ĝídících signálĤ pro pĜevodník.
Zaþátek komunikace
Inicializace USART
Nekoneþná smyþka
Obrázek 29: Vývojový diagram komunikaþního programu
Z obrázku þ. 29 vidíme, že po spuštČní funkce MAIN dojde k inicializaci USARTu. Registr UBRR nastaví rychlost pĜenosu a pomocí registru UCSRC se nastaví formát zprávy a parametry pĜenosu. PodrobnČji je nekoneþná smyþka zobrazena ve vývojovém diagramu na obrázku þ. 30.
42
PĜevodník AD2S83 reaguje pouze na sestupnou hranu signálĤ /INHIBIT a /ENABLE. Proto se tyto signály START
musí mČnit. V daný þas se po aktivaci pĜevodníku pomocí portĤ A až C þtou data z jeho výstupĤ. Tato data jsou poté upravena do formátu datového slova na obrázku þ. 21 a jsou zaslána na sbČrnici pomocí
Nastavení bitĤ /INHIBIT /ENABLE
výstupního pinu TxD. Ve druhém bytu jsou platné pouze 4 bity s nejnižší váhou (LSB). Po dokonþení této nekoneþné smyþky se program vrací zpČt na zaþátek komunikace. PodrobnČjší informace o komunikaþním
ýekací pauza
programu jsou popsány v komentáĜi programu na pĜiloženém CD.
Nastavení bitĤ /INHIBIT, /ENABLE
ýekací pauza
Naþítání dat
Úprava dat
STOP
Obrázek 30: Nekoneþná smyþka
43
8.1.2 Zobrazovací program kompasu Na zaþátku programu jsou funkce dodávané výrobcem displeje, které slouží k jeho inicializaci. TČlo programu obsahuje funkci „Cifernik“, která je stČžejní. Vývojový diagram celého programu popisuje obrázek þ. 31 a program samotný je komentován na pĜiloženém CD.
Inicializace promČnných Inicializace ethernetu Naþtení dat z procesoru Provedení funkce „Cifernik“ Obrázek 31: Vývojový diagram programu vizualizace
Po nahrání zobrazovacího programu do zobrazovací jednotky se spustí program. Zatím nedošlo k vyzkoušení funkce celého navrhnutého systému. Zobrazovací jednotka se ovládá pomocí dvou krajních pravých tlaþítek. Tlaþítka slouží k simulaci otáþení kompasu jedním, nebo druhým smČrem. Fotografie naprogramovaného kompasu jsou na pĜiloženém CD, nebo také viz. pĜíloha 8.
9 POUŽITÝ HARDWARE 9.1
Zobrazovací systém SHARP-INGENIA K zobrazení tohoto programu byl vybrán systém SHARP-INGENIA, který se skládá
z jednodeskového poþítaþe TS03-012 Ingenia Duet, jehož specifikaci nalezneme v tabulce 6. Díky množství pĜípojných periférií, je vhodný pro velké množství aplikací. Dostateþný výkon zajišĢuje procesor PowerPC a velké množství pamČti RWM a Flash. 44
Systém Ingenia disponuje dotykovým LCD displejem a rozhraním 10/100BaseT Ethernet, UART a CAN 2.0. Displej mĤže pracovat v rozlišení 1280x1024, nebo 800x600 pixelĤ a toto rozlišení je také použito v této úloze. Komunikaþní rozhraní (obrázek þ. 31) obsahuje samostatný RISC komunikaþní procesor, který implementuje vČtšinu používaných sériových komunikaþních protokolĤ a rozhraní. Procesor je rozdČlen na nČkolik samostatných modulĤ, z nichž každý mĤže realizovat urþitou skupinu protokolĤ. Modul SCC v režimu UART nabízí: poloviþní nebo plnČ duplexní provoz, 5 až 8 (SCC modul) datových bitĤ, 1 nebo 2 stop bity, lichou/sudou paritu nebo pĜenos bez parity a pĜenosovou rychlost až 230 400 Bd. Základní parametry zobrazovací jednotky systému Ingenia jsou uvedeny v tabulce 4.
Tabulka 4: Základní parametry systému Ingenia
45
PĜi spuštČní systému Ingenia probČhne zavádČcí program U-Boot, který ke komunikaci s PC využívá servisní sériovou linku RS232. U-Boot
umožĖuje pĜes
rozhraní ethernetu pomocí protokolu TFTP a programu TFTP Server verze 9.1.0.111 nahrát do pamČti navržený program a spustit jej. Princip vývoje programu a jeho nahrání do systému Ingenia je zobrazen na obrázku þ. 32.
Vývojové prostĜedí na PC Editor
Kód projektu
Sharp-Ingenia Vývoj. prostĜedí VIDE
Kompilátor GCC
Soubor *.bin
TFTP Server
Hyperterminál
Ethernet
RS 232
Bootloader (U-Boot)
PamČĢ
Obrázek 32: Princip vývoje software a programování systému Ingenia
9.2
Postup pĜi programování zobrazovací jednotky IP adresy potĜebné ke správné funkþnosti pĜenosu: - 192.168.13.14 - PC - 192.168.13.1 - zobrazovací jednotka
VIDE - pĜeklad zdrojového kódu na PC - OtevĜení projektu : Project - Open - .../as07_dipl3.vpj - Urþení výstupního souboru : Project - Edit - Target File Name - as07_diplom.bin - PĜeklad projektu : Build - Make C++/Compile Java 46
Hyperterminál - Nastavení na PC: - Bity za sekundu : 115200 - Datové bity : 8 - Parita : Žádná - Poþet stop-bitĤ : 1 - ěízení toku : žádné TFTP Server – Nastavení na PC Nastavení koĜenového adresáĜe : File - Configure - TFTP Server Root Directory cesta do adresáĜe, kde se nachází binární soubor programu as07_diplom.bin. SpuštČní služby TFTP serveru : Status - Start Postupu nahrání programu: 1. Zapnout zobrazovací jednotku - v zobrazovací jednotce se spustí bootloader U-Boot - do 2 sekund stisknout klávesu na Hyperterminálu (jinak automaticky startuje program dĜíve uložený) 2. PĜíkaz run dipl do hyperterminálu - zobrazovací jednotka nahraje binární soubor, pomocí protokolu TFTP z vývojového PC. 3. PĜíkaz go ff800000 spustí nahraný program.
9.3
Hardware použitý k programování K programování mikroprocesoru byl použit kit STK500 od firmy Atmel. Je to
základní programovací a vývojový nástroj pro AVR mikroprocesory. STK500 podporuje Ĝadu procesorĤ této firmy a je univerzálním nástrojem pro práci s nimi. Tento kit lze pĜipojit pomocí rozhraní RS232 k osobnímu poþítaþi. Mikroprocesory je možné programovat nČkolika zpĤsoby. Je to buć programování In-System (ISP), nebo vysokonapČĢové programování paralelní a sériové. Rozvržení tohoto kitu je na obrázku þ. 32.
47
Obrázek 33: RozmístČní konektorĤ na vývojové desce AVR STK500¨
9.4
Poptup pĜi programování mikroprocesoru ATmega16 Po spuštČní AVR Studia postupujeme následovnČ:
- OtevĜení souboru: Open File - serial.c - VytvoĜení souboru *.HEX : Build - Build - PĜipojení k mikroprocesoru : Tools - Program AVR - Connect - Nahrání souboru (záložka Program) : Device - ATmega16 Programming mode ISP mode Flash - Input HEX file - ../serial.hex - SpuštČní programování : Flash - PROGRAM
10 POUŽITÝ SOFTWARE K naprogramování mikroprocesoru byl použit program AVR Studio verze 4.0. Je to program, který je volnČ ke stažení na webových stránkách. Tento program umožĖuje tvorbu projektĤ, souborĤ s programovými kódy a rĤzných dalších textových souborĤ a 48
podporuje pĜeklad programĤ psaných, jak v jazyce C, tak i v Assembleru. Výhodou tohoto programu je možnost odladČní kódu se simulací urþitého druhu procesoru. BČhem ladČní jsou zobrazovány aktuální informace o registrech a perifériích. Software použitý k tvorbČ programu pro systém Ingenia se jmenuje VIDE. Slouží zejména k pĜekladu kódu v jazyce C a tvorbČ souboru MAKEFILE.
10.1 PodpĤrný software K nahrání vizualizaþního programu do systému Ingenia slouží TFTP Server, který umožĖuje komunikaci mezi PC a zobrazovací jednotkou. Nákresy schémat a návrhy plošných spojĤ zajišĢoval program OrCad, firmy Cadence Design Systéme, Inc. Slouží ke komplexním návrhĤm Ĝešení plošných spojĤ.
11 ZÁVċR Cílem této diplomové práce byl návrh pĜevodu signálĤ ze systému GMK-1AE na digitální datové slovo sbČrnice RS232 a následné zobrazení kurzu gyromagnetického kompasu na zobrazovací jednotce systému SHARP-INGENIA. ěešením byl vývod tĜí signálĤ ze selsynu systému GMK-1AE, jejich následná úprava na signály rozkladaþe a digitalizace pomocí pĜevodníku AD2S83IPZ. Dále byl digitální signál zaveden do mikroprocesoru ATmega16, kde byl zpracován a pĜeveden na datové slovo sbČrnice RS232. Tato koneþná data byla vedena po sbČrnici do zobrazovací jednotky systému Ingenia, kde se pomocí vizualizaþního programu mČla zobrazit ve formČ kompasu. Pro snadnČjší komunikaci pomocí sériové linky RS232 byl do obvodu modulu RS232 v pĜíloze 5, zahrnut integrovaný obvod MAX232, zajišĢující konverzi napČtí na úrovnČ vhodné k pĜenosu dat. PĜi výbČru nejdĤležitČjších souþástek byla zohlednČna budoucí možná certifikace pro letecký provoz. Tyto souþástky tedy plnČ této certifikaci vyhovují svými rozšíĜenými teplotními parametry, nebo také tím, že jsou pĜímo ve verzi „Military“. Analogová þást práce byla úspČšnČ odzkoušena na nepájivém poli. BČhem tČchto testĤ nebyly zjištČny žádné zásadní zmČny v navrženém zapojení. Celá úloha byla realizována na tĜech plošných spojích. V prĤbČhu „oživování“ plošných spojĤ byla zjištČna chyba v zapojení napájení obvodĤ TL072 na plošném spoji úpravy signálĤ ze selsynu systému GMK-1AE. Dále na plošném spoji digitalizace signálĤ bylo opraveno 49
Ĝízení pĜevodníku z procesoru ATmega16. Obojí bylo vyĜešeno pĜidáním drátových propojek. Oživování celého systému nebylo doposud dokonþeno. Mikroprocesor je naprogramován na vyþítání dat z pĜevodníku, jejich následnou úpravu a zaslání na sbČrnici RS232. Vzhledem k možnosti využití modulu RS232 také k zobrazení umČlého horizontu, byl modul RS232, viz. pĜíloha 5, ponechán k výrobČ s dvČmi paticemi pro sbČr dat z pĜevodníku. Já však využiji pouze jednu z nich. Obvody jsou plnČ funkþní, ale nedaĜí se sesynchronizovat vyþítání dat z pĜevodníku do mikroprocesoru. Vizualizaþní program ještČ není dokonþen, chybí šipka ukazatele kurzu na horní stranČ kompasu.
50
12 SEZNAM OBRÁZKģ Obrázek 1: Kurz letadla................................................................................................................... 8 Obrázek 2: Gyromagnetický kompas GMK-1AE ......................................................................... 10 Obrázek 3: Blokové schéma GMK-1E.......................................................................................... 13 Obrázek 4: Konstrukþní uspoĜádání a náhradní schéma selsynu ................................................. 15 Obrázek 5: PrĤbČhy signálĤ selsynu ............................................................................................. 17 Obrázek 6: Náhradní elektrické schéma rozkladaþe ..................................................................... 18 Obrázek 7: PrĤbČhy signálĤ rozkladaþe ........................................................................................ 19 Obrázek 8: Obvod transformace signálĤ pomocí OZ.................................................................... 19 Obrázek 9: Schéma Scott-T transformátoru.................................................................................. 20 Obrázek 10: Vektory pĜevodu ....................................................................................................... 21 Obrázek 11: Transformace signálĤ ............................................................................................... 21 Obrázek 12: PĜevod tĜísložkové soustavy na dvousložkovou ....................................................... 23 Obrázek 13: Blokový diagram AD2S83 ....................................................................................... 24 Obrázek 14: ýasování obvodu AD2S83 ....................................................................................... 27 Obrázek 15: Oznaþení pinĤ AD2S83 ............................................................................................ 28 Obrázek 16: Typická obvodová konfigurace ................................................................................ 29 Obrázek 17: Oznaþení pinĤ mikroprocesoru ATmega16.............................................................. 30 Obrázek 18: Blokové schéma mikroprocesoru ATmega16 .......................................................... 31 Obrázek 19: Blokové schéma - USART ....................................................................................... 32 Obrázek 20: Organizace pamČĢového prostoru............................................................................. 33 Obrázek 21: Datový rámec sbČrnice RS232.................................................................................. 34 Obrázek 22: PĜenos 8-bitového slova............................................................................................ 36 Obrázek 23: Popis signálĤ sbČrnice RS232................................................................................... 36 Obrázek 24: Popis pinĤ obvodu MAX232 .................................................................................... 37 Obrázek 25: Invertory obvodu MAX232 ...................................................................................... 37 Obrázek 26: Blokové schéma Ĝešení ............................................................................................. 38 Obrázek 27: PĜevod selsyn-rozkladaþ ........................................................................................... 39 Obrázek 28: Úprava referenþního napČtí....................................................................................... 39 Obrázek 29: Vývojový diagram komunikaþního programu.......................................................... 42 Obrázek 30: Nekoneþná smyþka ................................................................................................... 43 Obrázek 31: Vývojový diagram programu vizualizace................................................................. 44 Obrázek 32: Princip vývoje software a programování systému Ingenia...................................... 46 Obrázek 33: RozmístČní konektorĤ na vývojové desce AVR STK500¨ ....................................... 48
51
13 SEZNAM TABULEK Tabulka 1: Tabulka popisu vstupních a výstupních pinĤ pĜevodníku AD2S83............................ 27 Tabulka 2: ýasové intervaly signálĤ pĜevodníku .......................................................................... 28 Tabulka 3: Popis pinĤ mikroprocesoru ATmega16 ...................................................................... 34 Tabulka 4: Základní parametry systému Ingenia .......................................................................... 45
14 LITERATURA Draxler, Karel: PĜístrojové systémy letadel I. Skripta ýVUT FEL, Praha 2003, ISBN 80-01-02688-4 Vedral, Josef; Fischer, Jan: Elektronické obvody pro mČĜící techniku. První vydání, Praha, ýVUT, 1999. Kadlec, Václav: Uþíme se programovat v jazyce C, Computer Press, ISBN 807225-725-9 Skalický, P.: Mikroprocesory Ĝady 8051 Záhlava, V.: Metodika návrhu plošných spojĤ, skriptum ýVUT FEL 2000 Novotný, K. a kolektiv: Letecká pĜístrojová technika II, skriptum ýVUT FEL 1990 Kl’úþik, J.; Fronc, V.: Mikrokontroléry ATMEL s jádrem 8051, BEN 2001
[1]
[2] [3] [4] [5] [6] [7]
15 ADRESÁě WEBOVÝCH STRÁNEK • • •
www.analog.com www.motorola.com http://rs232.hw.cz/
16 SEZNAM PěÍLOH PĜíloha 1 – Obvod synchro-resolver PĜíloha 2 – DoplĖující obvody k pĜevodníku AD2S83 PĜíloha 3 – Pomocné obvody k pĜevodníku AD2S83IPZ. PĜíloha 4 – Modul RS232 PĜíloha 5 – Obvod synchro-resolver LAYOUT PĜíloha 6 – Plošný spoj modulu pĜevodu Rozkladaþ – þíslo PĜíloha 7 – Modul RS232 LAYOUT PĜíloha 8 – Fotografie naprogramovaného kompasu
52
17 OBSAH PěILOŽENÉHO CD DATASHEETS HARDWARE SOFTWARE FOTOGRAFIE
53
– Obsahuje informace o použitých obvodech a zaĜízeních – Dokumentace použitých systémĤ – Zdrojové kódy a další programy použité v diplomové práci – Fotografie naprogramovaného kompasu
PĜíloha 1 – Obvod synchro-resolver
54
PĜíloha 2 - DoplĖující obvody k pĜevodníku AD2S83
55
PĜíloha 3 – Pomocné obvody k pĜevodníku AD2S83IPZ.
56
PĜíloha 4 – Modul RS232
57
PĜíloha 5 – Synchro-resolver LAYOUT
58
PĜíloha 6 – Plošný spoj modulu pĜevodu Rozkladaþ – þíslo LAYOUT
PĜíloha 7 – Modul RS232 LAYOUT
59
PĜíloha 8 – Fotografie naprogramovaného kompasu
60
