STŘEDNÍ PRŮMYSLOVÁ ŠKOLA ELEKTROTECHNIKY INFORMATIKY OSTRAVA, PŘÍSPĚVKOVÁ ORGANIZACE
a
Tester UTP kabelů
Zpracoval: Jakub Ševčík Vedoucí MP: Ing. Ladislav Škapa
Třída: E4A Školní rok: 2012/2013
Abstrakt Cílem mojí práce je realizovat tester UTP kabelů na bázi monolitického mikropočítače 8051. Práce bude obsahovat jak realizaci softwaru, tak i návrh hardwaru. Tester bude prověřovat pouze správné propojení žil, nebo přerušené žíly v kabelu.
Prohlášení Prohlašuji, že předložená práce je mým původním dílem, které jsem vypracoval samostatně. Veškerou literaturu a další zdroje, z nichž jsem při zpracování čerpal, v práci řádně cituji a jsou uvedeny v seznamu použité literatury.
Ostrava ...............................
podpis
Beru na vědomí, že tato maturitní práce je majetkem Střední průmyslové školy elektrotechniky a informatiky, Ostrava, příspěvková organizace (autorský zákon č. 121/2000 Sb., §60 odst. 1), bez jejího souhlasu nesmí být nic z obsahu publikováno. Souhlasím / Nesouhlasím s prezenčním zpřístupněním své práce ve Školním informačním centru Střední průmyslové školy, Ostrava, příspěvková organizace.
Ostrava ...............................
podpis
Poděkování Chtěl bych poděkovat mému vedoucímu práce panu ing. Ladislavu Škapovi, za jeho pomoc ve svém volném čase při realizaci mé dlouhodobé maturitní práce.
Obsah Úvod ................................................................................................................................................. 8 1. Postup práce ............................................................................................................................ 8 2. Teoretický rozbor ..................................................................................................................... 9 2.1 Mikropočítač Atmel AT89C2051 ............................................................................................ 9 2.1.1 Konfigurace portů ............................................................................................................. 9 2.2 Základní charakteristika ...................................................................................................... 10 2.3 Light-Emitting Diode............................................................................................................ 11 2.3.1 Teorie .............................................................................................................................. 11 2.3.2 LED 5MM RED 5000/10° ................................................................................................. 11 2.4 Stabilizátor napětí ............................................................................................................... 12 2.4.1 Teorie .............................................................................................................................. 12 2.4.2 Stabilizátor napětí 7805 DPAK ........................................................................................ 12 2.5 Krystal .................................................................................................................................. 13 2.5.1 Teorie .............................................................................................................................. 13 2.5.2 Krystal QM 12.000 MHz .................................................................................................. 13 2.6 Konektor RJ-45..................................................................................................................... 14 2.6.1 Teorie konektoru a kroucené dvojlinky .......................................................................... 14 2.6.2 RJ konektor WEBP 8-8 SHIELDED .................................................................................... 15 2.7 Aktivní část výrobku ............................................................................................................ 17 2.8 Pasivní část výrobku ............................................................................................................ 18 2.9 Problematika schémat......................................................................................................... 18 3. Návrh desek s plošnými spoji ................................................................................................. 19 3.1 Výroba desky ....................................................................................................................... 19 3.2 Schéma desek ...................................................................................................................... 20 3.2.1 Aktivní část výrobku ........................................................................................................ 20 3.2.2 Pasivní část výrobku ........................................................................................................ 21 4. Algoritmus s popisem ............................................................................................................. 22 4.1 Algoritmus hlavní smyčky .................................................................................................... 22 4.1.1 Popis algoritmu hlavní smyčky ........................................................................................ 23 4.2 Algoritmus testu 1 ............................................................................................................... 24 4.2.1 Popis algoritmu testu 1 ................................................................................................... 25 4.3 Algoritmus testu 2 ............................................................................................................... 25 4.3.1 Popis algoritmu testu 2 ................................................................................................... 26 5. Program s komentářem.......................................................................................................... 26 6. Zdroje..................................................................................................................................... 28 7. Závěr ...................................................................................................................................... 29 7.1 Kalkulace cen ....................................................................................................................... 29 7.2 Zhodnocení .......................................................................................................................... 29
7
Úvod V návrhu testeru UTP kabelů, se budu zabývat monolitickým mikropočítačem 8051, přesněji Atmel AT89C2051-24PU, pracuji s tímto čipem, díky jeho snadnému využití pro práci s LED a taky kvůli zkušenostem za uplynulé dva roky na této škole, a díky příkladům, které jsme realizovali v programu Keil uVision 3, ve kterém jsem také svoji dlouhodobou maturitní práci vypracoval. Můj výrobek, jak jsem již napsal je UTP tester kabelů a jeho finální úprava byla instalace do plastových boxů. Výrobek bude kontrolovat každou žílu v UTP kabelu a to dvěma různými testy. První test kontroluje postupně každý vodič pomocí tlačítka, přičemž na druhé straně výrobku (tj. pasivní části) budou postupně rozsvěcovat LED po LED a tím zjistíme jaký vodič v kabelu je přerušený. Druhý test tzv. „rychlý“, který rozsvítí všechny LED najednou na každé straně výrobku.
1. Postup práce Nejdříve, jsem dlouho přemýšlel, na jakém mikropočítači budu realizovat svoji práci, ale nakonec zvítězil starý dobrý Intel 8051. V rámci možnosti jsem musel uvažovat o alternativách a dostupnosti čipu, nakonec jsem vybral AT89C2051-24PU, který má shodné jádro s 80C51. Potom jsem musel rozhodnout, jak budu zařízení realizovat, jak budu postupovat při výrobě hardwaru a při psaní programu. Začal jsem návrhem hardwaru. Navrhl jsem v programu EAGLE schéma, které znázorňovalo celé zařízení, které jsem musel několikrát upravovat, tlačítka jsem navrhnul tak, aby byly spínány logickou nulou což je energeticky méně náročné. Až bylo schéma použitelné, vytvořil jsem další, kde jsem přesunul jednu část schématu, a tak jsem vytvořil pasivní a aktivní část schématu. Aktivní část je napájena 9V baterií a skrze zkoušený UTP kabel je přivedeno napětí na LED pasivní části. Během toho jak jsem navrhoval schéma, taky i jednoduchý algoritmus programu, ve kterém jsem pouze znázornil činnost programu bez podrobnějších úprav. Dále jsem pokračoval výrobou desky plošných spojů, které jsem osadil příslušnými součástkami. Nakonec jsem vytvořil dokumentaci o práci, ve které řeším tuhle problematiku.
8
2. Teoretický rozbor 2.1
Mikropočítač Atmel AT89C2051
AT89C2051 je nízko-napěťový 8bitový CMOS mikropočítač s 2 KB flash programovatelné a přepisovatelné čtecí paměti (PEROM), vyrobený firmou Atmel, která využila energeticky nezávislé paměťové technologie a je kompatibilní s průmyslovým standardem MCS-51 instrukční sady. Kombinací univerzálního, 8bitového procesoru s flash pamětí na monolitickém počítači, dělá z něho vysoce flexibilní a cenově efektivní řešení pro mnoho vestavěných řídících aplikací.
2.1.1 Konfigurace portů
Obr. 1 Konfigurace pinu AT89C2051
Legenda:
RST/VPP – Inicializace systému/Resetovací obvod VCC – Napájecí napěti +5 V GND – Zem XTAL1 – Vstup hodinového oscilátoru hodinového signálu XTAL2 – Výstup hodinového oscilátoru hodinového signálu P1.0- P1.7 – 8 bitový vstupně/výstupní port P3.0 – P3.5 – 8 bitový vstupně/výstupní port
9
Alternativní funkce: RXD (P3.0) – Sériový vstupní port TXD (P3.1) – Sériový výstupní port INT0 (P3.2) – Vnější přerušení 0 INT1 (P3.3) – Vnější přerušení 1 T0 (P3.4) – Vnější vstup pro časovač 0 T1 (P3.5) – Vnější vstup pro časovač 1
2.2
Základní charakteristika
Mikropočítač Atmel AT89C2051-24PU lze charakterizovat těmito údaji:
Paměť programu: 2KB Paměť pro data: 128 B Výdrž: 1000 zápisových cyklů 15 vstupně / výstupních bran 2x 16 bitové čítače / časovače 6 zdrojů přerušení sériový vstupně / výstupný kanál USART přesný analogový komparátor oscilátor hodinového signálu pracovní kmitočet až 24MHz napájecí napětí: 2,7 V až 6 V pouzdro DIL 20
Obr. 2 Mikroprocesor AT89C2051-24PU
10
2.3
Light-Emitting Diode
2.3.1 Teorie Light-Emitting Diode, zkráceně LED, je elektronická polovodičová součástka obsahující přechod P-N, na rozdíl od klasických diod vyzařují světlo. Prochází-li přechodem elektrický proud v propustném směru, přechod vyzařuje (emituje) světlo.
2.3.2 LED 5MM RED 5000/10° Použité LED diody jsou červené barvy vyřazovaného světla, průhledného pouzdra, průměrem 5 mm, svítivost je 5000 mcd. Více informací o typu LED je v přiloženém datasheetu.
Obr. 3 LED 5mm red
11
2.4
Stabilizátor napětí
2.4.1 Teorie Stabilizátor napětí je zapojení součástek, nebo elektrotechnická součástka na principu integrovaného obvodu, který umožnuje stabilizovat výstupní napětí, nebo proud při změnách výstupního proudu, vstupního napětí a teploty okolí.
2.4.2 Stabilizátor napětí 7805 DPAK Zvolený stabilizátor napětí reguluje napětí a mění ho z 9 V na 5 V, aby se nepoškodil mikropočítač. Jeho maximální vstupní napětí je 35 V a je zapouzdřený v D2PAK, více informací naleznete v přiloženém datasheetu.
Obr 4 Stabilizátor napětí 7805 DPAK
12
2.5
Krystal
2.5.1 Teorie Krystal je pasivní elektrotechnická součástka používána v elektrotechnických obvodech jako rezonátor s velmi přesnou a stabilní rezonanční frekvenci. Používá se jako frekvenční filtr v rádiových přijímačích, v přesných oscilátorech, v elektronických hodinách, pro taktování procesorů v počítačích a dalších zařízeních.
2.5.2 Krystal QM 12.000 MHz Krystal, který jsem použil je zapouzdřený v HC49S, zvolil jsem krystal o frekvenci 12MHz z toho důvodu, aby bylo možno snadno určovat časové úseky. Další informace o jeho vlastnostech a rozměrech naleznete v přiloženém datasheetu.
Obr. 5 Krystal v pouzdře HC49S
13
2.6
Konektor RJ-45
2.6.1 Teorie konektoru a kroucené dvojlinky Koncovka RJ-45 je dnes nejčastěji používaný typ zapojení síťových kabelů UTP a STP. Její název vychází z podobnosti s telefonními koncovkami RJ-45 (RJ vychází z dřívější verze RJ-11, ty jsou však s moderními počítačovými síťovými kabely nekompatibilní, a to nejenom protože mají pouze 2 vodiče a popř. 2 volitelné odpory, ale také protože mají jiný tvar). Koncovka RJ-45 je zakončením na kabelu kroucené dvojlinky. Každý izolovaný vodič kroucené dvojlinky má jinou barvu. Barvy jsou předepsané standardem, aby bylo možno odlišit a identifikovat vodiče při zapojení. Druhý vodič v páru je buď bílý, nebo v barevné kombinaci bílá + příslušná barva. Barevné standardy jsou dva T568A a T568BPro jednoduchost při zapojování kabelů určených k propojení k různým aktivních prvků. Standardy v případě potřeby zajištují křížení vysílacího a příjímacího páru.
Obr. 6 Průřez kroucené dvojlinky
Obr. 7 Standardy použití síťového kabelu T568A a T568B
14
2.6.2 RJ konektor WEBP 8-8 SHIELDED Konektor RJ-45, který jsem použil do svoji práce je 8 pinový stíněný a určený do desky plošných spojů.
Obr. 8 Konektor RJ-45 do DPS
15
Návrh schématu UTP testeru
Pro návrh mojí práce jsem použil program EAGLE od firmy CadSoft. EAGLE je nejznámější program pro tvorbu elektronických i elektrotechnických schémat a tvorby desek, díky jeho knihovnám nalezneme požadovanou součástku v určitém pouzdře. Pokud se, ale nenachází požadovaná součástka v knihovně, umožnuje nám program vytvořit novou knihovnu, kde si můžeme sami vytvořit požadovanou součástku s daným typem pouzdra.
16
2.7
Aktivní část výrobku
Obr 9 Schéma aktivní části
17
2.8
Pasivní část výrobku
Obr. 10 Schéma pasivní části
2.9
Problematika schémat
Řešení schémat je velice jednoduché a použitelné. Jako další možnost jsem zvažoval používání výrobku pro více druhů testu a proto jsem uvažoval dopředu, aby se nemusel předělávat celý hardware, přidal jsem na brány P3 tři tlačítka a v budoucnosti bude stačit přehrát software v mikropočítači.
18
3. Návrh desek s plošnými spoji Jelikož jsem chtěl co nejmenší desku, použil jsem většinu SMD součástek a to mi způsobilo komplikace se zavedením cest ve schématu desky, a proto mi navrhování desky trvalo několik hodin. Desku jsem musel několikrát předělávat kvůli posunutí konektoru RJ-45, který by nebyl správně umístěn v instalačním boxu. Také jsem si musel sám navrhnout svůj „ON / OFF“ spínač, protože knihovna editoru neměla takové pouzdro, jaké jsem potřeboval.
3.1
Výroba desky
Desku jsem vyráběl doma, a to metodou fotocesty. Nejprve jsem vytisknul schéma na speciální, tzv. „pauzovací“, papír pomocí laserové tiskárny a vystřihl. Připravil jsem si zapůjčenou UV lampu, přiložil vytisknutý papír na fotocuprextitovou desku a vložil společně se sklem pod lampu. Po asi 10 minutách osvitu desky byla deska připravená pro vyvolání. Osvícenou desku jsem vložil do vývojky, kterou jsem zakoupil v GM Elektronic a počkal jsem pár sekund, než jsem viděl všechny cesty. Desku jsem vytáhl a opláchl pod tekoucí teplou vodou.Misku jsem taky vypláchl a nalil jsem do ní směs peroxidu vodíku 30% a kyseliny chlorovodíkové (HCI) a pozoroval, jak se leptá deska. Byla vyleptaná do 20 sekund a rychle jsem strčil misku pod tekoucí studenou vodu a zkontroloval, jestli se deska dokonale vyleptala a jestli nezůstaly některé měděné cesty spojené. V mém případě se tomu naštěstí nestalo, ale deska se mi podařila vyrobit až po čtvrtém pokusu. Nyní po vyleptání se deska vyčistila čistým lihem a opět stejným způsobem osvětlila pod UV lampou. Nakonec jsem vyvrtal díry o průměru 1 mm a desku jsem očistil čistým hadříkem. Stejným postupem jsem vyráběl obě dvě desky. Druhá deska se mi povedla na první pokus. Při této práci je důležité dbát na čas a pozorně sledovat desku jak při vyvolávání tak i při leptání.
19
3.2
Schéma desek
3.2.1 Aktivní část výrobku Jak je vidět na schématu desky, musel bych použit dvouvrstvou desku, ale vyřešil jsem to čtyřmi propojkami. Deska má rozměr: 59,69 x 59,69 mm. Realizace této části desky byla nejtěžší a rozložení součástek bylo několikrát pozměněno a nakonec uzpůsobeno tak, aby byl výrobek co nejkomfortnější. Schéma desky s popisy součástek je přiloženo jako příloha na CD.
Obr. 11 Schéma desky aktivní části výrobku
20
3.2.2 Pasivní část výrobku Tato část výrobku tj. pasivní, byla jednodušší na navržení a realizace součástek byla taky několikrát pozměněna, aby se vlezla do předem zakoupeného boxu. Deska má rozměr: 44,45 x 45,72 mm. Schéma s popisy je také přiloženo jako příloha na CD.
Obr. 12 Schéma desky pasivní části výrobku
21
4. Algoritmus s popisem 4.1
Algoritmus hlavní smyčky
Algoritmy jsem rozdělil do několika částí. Všechny algoritmy jsou přiloženy jako příloha na CD.
Obr. 13 Algoritmus hlavní smyčky
22
4.1.1 Popis algoritmu hlavní smyčky Po zapnutí proběhne inicializace výrobku a čeká, než bude stisknuto jedno ze dvou tlačítek na provedení testu. Pokud bude stisknuto tlačítko 1, program přejde na test 1, jinak program pokračuje na další rozhodnutí, kde kontroluje, zda bylo stisknuto tlačítko 2. Pokud program zaznamená stisknutí tlačítka 2, přejde na test 2. Jinak se vrací zpět na kontrolu tlačítka 1 a tak stále dokola.
23
4.2
Algoritmus testu 1
Test 1 je navržen jako pomalý test a krokuje se pomocí tlačítka, co nám umožnuje přehlednější kontrolu LED a konektivitu vodičů v kabelu. Z testu se můžeme vrátit zpět na hlavní smyčku stisknutím tlačítka 1 a tlačítka 3.
Obr. 14 Algoritmus testu 1
24
4.2.1 Popis algoritmu testu 1 Po stisknutí tlačítka 1, program skočí na test, 1 a tím se rozsvítí první LED. Po opětovném stisknutí se přesune obsah buňky programu do akumulátoru, kde se provede rotace do leva a zpátky se přesune do buňky a následně se zobrazí na LED. Při každém stisku se provádí kontrola stisku tlačítka 3, které současně s tlačítkem 1 navrátí program do hlavní smyčky.
4.3
Algoritmus testu 2
Obr. 15 Algoritmus testu 2
25
4.3.1 Popis algoritmu testu 2 Test 2 je „rychlý test“, po stisknutí tlačítka 2, program okamžitě rozsvítí logickou nulou všechny LED a čeká na uvolnění tlačítka 2. Jak je uvolněno tlačítko 2 program se vrací do hlavní smyčky. Tenhle test můžeme použít pro rychlé testování vodičů v kabelu.
5. Program s komentářem Celý program pro monolitický počítač je přiložen na CD jako příloha. A jeho části popíšu v téhle dokumentaci. Program má 2,21kB, celkem 97 řádků včetně komentářů.
Základní inicializace po zapnutí zařízení je probliknutí LED od obou konců, přes střed k druhému konci
acall mov acall
;doba ; ;doba trvání
Wait P1,#01111110b Wait
trvání efekt
Pomocí instrukce mov můžeme manuálně určit, která LED bude svítit, pomocí logické 0.
Hlavní smyčka se skokem na zvolený typ testu:
jnb jnb ajmp
;hlavní ;menu ;testeru
p3.0,Go1 p3.1,Go2 Start
Následujícím krokem po inicializaci program přejde do návěští „Start“, kde se zacyklí a čeká, než bude stisknuto jedno, ze dvou tlačítek. Tlačítka jak už bylo řečeno, jsou sepínány logickou nulou.
26
Test číslo 1: Go1: mov
circle,#11111110b
;první testovaný
p1,circle
;odeslání testu ;krokování ;pro ;nový ;test ;přerušit? ;ne!
Go11: mov krok mov rl mov jnb ajmp
a,circle a circle,a p3.0,Zak1 Go11
Test číslo 1, nebo taky pomalý „krokovací“ test, začíná s přesunem do buňky „circle“, následně přejde do návěští „Go11“, kde přesune celý obsah buňky „circle“ na brány P1, takže nám svítí 1 LED. Dalším krokem je makro „krok“, který čeká na stisknutí tlačítka 3, aby mohl program provést přesun obsahu buňky „circle“ do akumulátoru a provést rotaci do leva. Po rotaci se obsah akumulátoru vrátí do buňky „circle“. Jestliže je stisknuto tlačítko 1 současně s tlačítkem 3 program se vrátí na začátek, pokud není, program se vrací na začátek tohoto testu a čeká na další stisknutí tlačítka tlačítko 3, aby mohl znovu provést rotaci.
Takhle vypadá segment pro test 2:
Go2: mov
circle,#11111110b
;první testovaný
mov mov acall mov rl mov jnb mov ajmp
p1,circle wait2,#3 Wait a,circle a circle,a p3.1,Go22 p1,#11111111b Start
;odeslání testu ;trvání ;testu ;pro ;nový ;test ;pokračovat? ;ne! (zhasnout) ;nová volba
Go22:
Princip tohoto testu spočívá v jeho rychlosti. Po zvolení testu se nám přesune do zvolené buňky testování první LED, tzv. rozsvícení a dále probíhá stejná rotace, která je sice přerušována návěštím Wait, ale pauza je tak rychlá, že není postřehnutelná pouhým okem. Test probíhá do té doby, dokud neuvolníme tlačítko 2.
27
Celý program včetně podprogramu jsou umístěny jako příloha na CD. Program je uložený jako textový soubor a soubor a51, tato přípona byla určena programem Keil uVision, ale také jde otevřít v textovém bloku.
6. Zdroje Wikipedie, otevřená encyklopedie http://cs.wikipedia.org/
Datasheety stažené ze stránek obchodu GM Electronic, jsou dostupné na stránkách www.gme.cz (veškeré použitelné datasheety jsou na přiloženém CD).
Obrázky byly použity z: - datasheety (přiložené na CD) - vlastní tvorba - obrázky z Googlu. Obrázky Google [online]. [cit. 2013-03-30]. Dostupné z: http://images.google.com/
Seznam obrázků:
Konfigurace pinu AT89C2051 Mikroprocesor AT89C2051-24PU LED 5mm red Stabilizátor napětí 7805 DPAK Krystal v pouzdře HC49S Průřez kroucené dvojlinky Standardy použití síťového kabelu T568A a T568B Konektor RJ-45 do DPS Schéma aktivní části Schéma pasivní části Schéma desky aktivní části výrobku Schéma desky pasivní části výrobku Algoritmus hlavní smyčky Algoritmus testu 1 Algoritmus testu 2
28
7. Závěr 7.1
Kalkulace cen
Celková cena výrobku činí 406 Kč. Cena je vysoká z důvodu oprav první desky. Aktivní část nebyla napájena podle normy, a taky z důvodu použití špatného cínu bez tavidla a špatného hrotu pájecí stanice. Instalační boxy stály 68 Kč, za součástky je 169 Kč a za desku včetně chemikálií zhruba 400 Kč, ale chemikálie se dají použít znovu.
7.2
Zhodnocení
Největším problémem bylo, jaký správný instalační box vybrat, aby co nejvíce vyhovoval mému výrobku. Výrobek splňuje zadaná kritéria, jeho finanční náklady jsou nízké a funkce je využitelná v IT průmyslu, kde potřebuje zjistit správné zapojení koncovek kabelu, nebo zkontrolovat kabel, který je ve fyzicky náročném prostředí. Můj výrobek umí dva druhy testu, díky třem tlačítkům můžu později realizovat více druhů testů, tzv. znamená přehrání programu v mikropočítači a žádné zásahy do hardwaru, což je velkou výhodou.
29
