Telemetrikus berendezés deformációk mérésére

Budapesti M szaki Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Tóth Norbert

Telemetrikus berendezés deformációk mérésére

Tanszéki konzulens: dr. Jobbágy Ákos Küls% konzulens: Dr. Bretz Károly 1999.

Tartalomjegyzék 1.

Bevezetés _________________________________________________ 1 1.1.

Általános áttekintés ________________________________________ 1

1.2.

Célkit!zések ______________________________________________ 1

2. Irodalmi áttekintés ____________________________________________ 2 2.1.

A biomechanika vizsgálati módszerei __________________________ 2

2.2.

Er&mér&k, alkalmazásaik ___________________________________ 3

2.3.

Az er&diagram és értékelése _________________________________ 7

2.4.

Er&mér& transducerek ______________________________________ 8

2.5. A telemetria ______________________________________________ 2.5.1. Az analóg rádiós átvitel __________________________________ 2.5.2. A digitális rádiós átvitel __________________________________ 2.5.3. Az analóg infravörös átvitel_______________________________ 2.5.4. A digitális infravörös átvitel ______________________________

11 11 12 13 13

3. A mér&berendezés tervezése____________________________________ 13 3.1. Az er&mér& hardver fejlesztése ______________________________ 3.1.1. A felhasznált mér fej____________________________________ 3.1.2. A mér er sít _________________________________________ 3.1.3. Az analóg-digitál átalakító________________________________ 3.1.4. A mikrokontroller kiválasztása ____________________________ 3.1.5. A PIC16F84 típusú mikrokontroller ________________________ 3.1.6. A digitális rész _________________________________________ 3.1.7. A kijelz -egység _______________________________________ 3.1.8. A folyadékkristályos kijelz ______________________________ 3.1.9. A tápegység ___________________________________________ 3.1.10. Illesztés a személyi számítógéphez _________________________

14 15 16 21 24 26 28 31 32 34 39

3.2. A telemetriás berendezés fejlesztése __________________________ 3.2.1. Követelmények, elméleti megfontolások ____________________ 3.2.2. Az infravörös adó felépítése, m2ködése _____________________ 3.2.3. Az infravörös vev felépítése, m2ködése ____________________

40 40 42 44

3.3. Az er&mér& vezérl& programja ______________________________ 3.3.1. A mér üzemmód_______________________________________ 3.3.2. A konfigurációs üzemmód________________________________ 3.3.3. Az akkumulátortölt üzemmód ____________________________

46 47 50 50

3.4.

A személyi számítógép illeszt& programja _____________________ 51

4. Az elvégzett mérések __________________________________________ 53 5. Összefoglalás ________________________________________________ 58 6. Mellékletek__________________________________________________ 59

Bevezetés

1. Bevezetés Tornatermi berendezések és más sporteszközök vizsgálatánál sok esetben szükséges azok deformációjának mérése. A biztonsági ellen rzéseken túlmen en azonos technika nyer alkalmazást az izommechanikai kutatások területén is. A vezeték nélküli jelátvitel lehet vé teszi a mér rendszer flexibilitását és humán vizsgálat során a kísérletben résztvev személy szabadabb mozgását. Diplomamunkám feladatául egy, a fenti célokat ellátó berendezés tervezését, kivitelezését választottam. Munkámat a Magyar Testnevelési Egyetem Biomechanika Tanszékén végeztem, a Budapesti M2szaki Egyetem Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszékének segítségével. Ezúton is szeretnék köszönetet mondani dr. Bretz Károly úrnak, aki a rendelkezésemre bocsátott szakirodalommal, hardver eszközökkel és szakmai instrukciókkal lehet vé tette dolgozatom elkészítését, valamint dr. Jobbágy Ákosnak az értékes észrevételeiért, továbbá a kísérleti személyeknek az együttm2ködésükért.

1.1. Általános áttekintés Az elkészítend mér rendszer feladata els sorban mechanikai deformációk mérése, rögzítése, valamint kiértékelése. A berendezés f leg laboratóriumi, illetve sport célú izommechanikai mérések területén alkalmazható, önállóan off-line, illetve személyi számítógéphez csatlakoztatva on-line vizsgálatokra alkalmas, lehet vé teszi a vezetékes valamint a vezeték nélküli jelátvitelt. Kifejlesztését az indokolta, hogy egy olcsó, univerzális deformáció ill. er mér re volt szükség. A berendezés – alkalmas mér fej felhasználásával – különböz sporteszközök (nyújtó, súlyemel rúd stb.) deformációinak mérésére, valamint kézi szorítóer mérésére használható. Azokban az alkalmazásokban, ahol a vezetékes megoldás használata nem célszer2, infravörös telemetriás adapter gondoskodik az átvitel megvalósításáról.

1.2. Célkit zések Diplomamunkám célja a mér berendezés elkészítése, fejlesztésének ismertetése és a berendezéssel végzett vizsgálati eredmények összefoglalása, értékelése. • Korszer2, mikrokontroller-vezérelt, PC-hez illeszthet er mér berendezés kifejlesztése és elkészítése, • B víthet en többcsatornás infravörös telemetriás berendezés kifejlesztése és megvalósítása adapter formájában, • A berendezés személyi számítógéphez történ csatlakoztatásához szükséges szoftver kidolgozása, • Az elkészített mér rendszer gyakorlati kipróbálása néhány kísérleti személlyel végzett mérés során, a kapott eredmények értékelése. Jelen munka a 205.241 magyar szabadalmi szám alatt bejegyzett Bretz-Tóth (1987-91) pszichofiziológiai mér berendezés korszer2sített, továbbfejlesztett változata, oly módon, hogy a konstrukció egy újabb Bretz-Tóth (jelen dolgozat szerz je) szabadalom tárgyát képezi.

Irodalmi áttekintés

2. Irodalmi áttekintés Az általam elkészített mér berendezés els sorban sport célú er mérésekre, illetve izommechanikai kutatási területen történ mérések elvégzésére alkalmas. Ezért bevezetésképpen szeretnék szót ejteni a biomechanikáról, valamint röviden áttekintem a sportmozgások biomechanikájának vizsgálatához alkalmazható eljárásokat, és a használható m2szerek m2ködési elvét. Összefoglalásom alapjául dr. Barton József Biomechanika c. könyve szolgált. [1] A biomechanika a biofizika egyik ága, mely alapvet en az él szervezetekben, különösen az emberi testben alkalmazott mechanikai mozgásokkal, s azok törvényeivel foglalkozik, tanulmányozva az izomaktivitással kapcsolatos összefüggéseket, törvényszer2ségeket. A biomechanika két f ágra osztható, úgymint küls - és bels biomechanikára. Küls biomechanikáról beszélünk abban az esetben, ha küls megfigyel által észlelhet olyan jelenségekr l van szó, melyek következtében testek id és térbeli hely- illetve helyzetváltoztatása következik be. A bels biomechanika a szervezet belsejében lezajló mozgásokat, a mozgások megszervez désének ideg-izom koordinációját, valamint ezek energetikáját taglalja.

2.1. A biomechanika vizsgálati módszerei A sportmozgások biomechanikájának megfelel vizsgálatához berendezések széles skálája szükséges. Rendkívül fontos szereppel bír a különböz mozgások képi rögzítése, majd ezek kiértékelése, az ún. mozgáselemzés. Ezt régebben filmfelvételek segítségével valósították meg, ma már azonban szinte kizárólag valamely elektronikus képrögzít eljárást alkalmazzák e célra. Megjegyezném, hogy a hagyományos televíziós technikában megszokott eszközök ilyen téren történ felhasználása nem szerencsés, hiszen sok esetben sokkal gyorsabb mozgások rögzítésére van szükség, mint amit a kommersz televíziós technika lehet vé tesz. Ilyen szempontból régebben célszer2bbnek látszott a hagyományos filmtechnika ilyenirányú alkalmazása, lévén ott a magasabb képváltási sebesség viszonylag egyszer2bben realizálható. Hátrányként jelentkezik a filmlaborálásból kifolyólag a hosszú átfutási id . Ezért erre a célra speciális videokamerákat valamint mágneses képrögzít berendezéseket, (képmagnók) újabban számítógépes rendszereket alkalmaznak. Megfelel elrendezéssel biztosítható a mozgó testrészek egyes pontjai által a háromdimenziós térben leírt trajektóriák rögzítése is, erre ma már rendelkezésre állnak a számítógéppel vezérelt, aktív- illetve passzív markerbázisú mozgásanalizátorok. A következ m2szercsoportot a különböz id mér berendezések alkotják. Itt rendszerint az a feladat, hogy gyors, rövid ideig tartó mozgások id tartama megmérhet legyen, az el z bonyolultabb eljárások alkalmazásának mell zésével. A m2szaki megoldást gyakran egyszer2 fénysorompók jelentik, melyek jeleivel indíthatjuk, majd leállíthatjuk az id mérését. A távolság ismeretében az átlagsebesség is számítható. A mozgáselemzés további lehetséges módja, az ízületek közötti szögváltozások regisztrálása, az úgynevezett goniometria. Az eljárás során általában két, ízülettel összekötött testrész egymással bezárt szögét rögzítjük. Ezzel az eljárással lehet ség nyílik a szögsebességek, szöggyorsulások értékeinek folyamatos mérésére, akár változó

2

Irodalmi áttekintés körülmények között, elhagyva a mozgásanalizátorok alkalmazása során szükséges bonyolultabb számítási m2veleteket. Megoldható a több szabadságfokú ízületek vizsgálata is a két- illetve háromdimenziós goniométerek segítségével. Az egydimenziós goniométerek általában potenciométert, a két- ill. háromdimenziósok kett ill. három, rugalmas, hosszváltozásra ellenállás-változást produkáló rugalmas szálat alkalmaznak a szögmérésre. A mozgásanalizálás mellett szintén fontos a mozgások során fellép különböz er k nagyságának és irányának megállapítása, valamint id beli lefolyásuk regisztrálása. E célra alkalmasak az er mér k, más néven dinamométerek. Az er mérés szoros kapcsolatban van a deformációk mérésével, hiszen általában az er mérését valamely test deformációjának mérésére vezetjük vissza, melyre a kérdéses er hat. Ezt a módszert nevezzük dinamometriának. A hagyományos mechanikus dinamométerek m2ködési elve egyszer2: A mérend er egy csavarrugót nyújt meg, vagy egy rugalmas ívet hajlít meg. Az így létrejöv elmozdulás a Hooke-törvény értelmében az er vel egyenesen arányos. Csavarrugó esetén hátrányként jelentkezik az a tény, hogy rá csak húzóer fejthet ki, míg a rugalmas ív húzó- és nyomóer t is képes regisztrálni. Ezen alakváltozáson alapuló módszereket statikus er mérésnek nevezzük. Az er mérésére használható másik módszer Newton II. törvényén alapul. Itt az er t az általa létrehozott gyorsulásból határozhatjuk meg a gyorsított tömeg ismeretében az F=m a képletnek megfelel en. Ezt a metódust dinamikus er mérésnek vagy akcelerometriának nevezzük. A két módszerrel más-más jelleg2 er k mérhet ek, ezekre kés bb még visszatérek. A csavarrugókon és rugalmas fémíveken kívül vízzel telt gumilabda is használható er mérésre, a labdában uralkodó nyomás mérésével. Ez a módszer azonban nem ad pontos eredményt, mert nagyban függ a szorítás technikájától a kapott eredmény.

2.2. Er%mér%k, alkalmazásaik Amint arra az el bb utaltam, az er mérésére többféle metódus kínálkozik. Ezek alapvet en más jelleg2 méréseket tesznek lehet vé, így röviden ismertetem az er kifejtés egyes típusait. Az izometrikus er kifejtés esetében az adott eszköz, amire az er nket kifejtjük, az er nagyságától függetlenül nem változtatja a helyzetét. Az izomzatban azonban mégis létrejön a kontrakció, mégpedig olymódon, hogy az izomban lév soros elasztikus komponensek megnyúlnak, míg a kontraktilis elemek megrövidülnek. Az izotonikus er kifejtés esetében az eszköz, amire az er hat, legyen az akár elmozduló kar, vagy forgattyú, a mozgatás közben a mozgatás sebességét l függetlenül mindig ugyanakkora ellenállást képvisel, az izom feszülése, er kifejtése, a tónus nem függ a sebességt l. Az izokinetikus er kifejtés alkalmával az elmozduló karra, vagy forgattyúra ható er t l függetlenül állandó a szögsebesség, természetesen ez csak egy adott er kifejtése felett igaz. A három módszer alkalmazását az indokolja, hogy így szelektíven tudjuk mérni a nem stabilizált paramétereket, pl. az izokinetikus mérés esetében állandó sebesség mellett tudjuk vizsgálni az er kifejtés változásait. Az elektronikus eszközökkel történ er mérésre többféle módszer kínálkozik. Ha az er hatás során keletkez deformáció jelent s méretváltozással vagy elmozdulással jár, jól alkalmazhatók a különféle induktív, ritkábban potenciométeres esetleg kapacitív elv2 mér átalakítók. Készíthet k még optikai elven m2köd mér berendezések is. Induktív átalakítókkal (pl. differenciáltranszformátoros mér híd) viszonylag egyszer2en megvalósíthatók akár µm törtrészét mérni képes mér fejek, így

3

Irodalmi áttekintés egészen kis deformációk is érzékelhet k. Ezek a megoldások azonban kis méretben nem, vagy csak nehezen realizálhatóak, így erre a célra nem terjedtek el a gyakorlatban. Er mér készíthet még piezo-effektuson alapuló mér fejjel is. Az elv itt is a deformáció mérése, kihasználva azt a jelenséget, hogy bizonyos kristályokban mechanikai hatásra (húzás, csavarás, hajlítás) a töltéseloszlás megváltozik. A kristályok felületére helyezett elektródákkal a töltésváltozás potenciálkülönbség formájában elvezethet . Ezt a megoldást el szeretettel alkalmazzák pl. er mér -platformokban, ahol az x,y,z tengelyeknek megfelel en piezokristályokat építenek be, így a platformra ható er egyes tengelyekre es vetületei egyenként mérhet ek. Talán a legcélszer2bb eszköz, amit er mérés céljából felhasználhatunk, a nyúlásmér bélyeg. A bélyeg egy vékony nyúlékony hordozóból (papír vagy m2anyag fólia) és az arra, ragasztással vagy egyéb eljárással rögzített vezet huzalból áll. A bélyegre ható húzóer hatására a hordozó, így vele együtt a huzal hossza is megnövekszik. Mivel a huzal ellenállása a fajlagos ellenállás, a hossz és a keresztmetszet függvénye, s ez utóbbi kett a nyújtás során megváltozik, a huzal ellenállása is változni fog. A huzal meander alakjával biztosítják az adott irányú megnyúlásra adott nagyobb ellenállás-változást. Megfelel felrögzítés esetén a bélyeg közvetlenül deformáció mérésére alkalmazható, illetve alkalmas, általában fém testre rögzítve er mérésre használható. El bbire példa a sportolók által deformációnak kitett testekre (evez lapát, korlát, teniszüt stb.) történ ragasztás, valamint nyúlásmér bélyegek helyezhet k futócip kbe, sílécekbe, korcsolyacip kbe is. Az er mérésre használt mér fejekben egy - valamilyen meggondolás alapján speciálisan kiképzett fém idom meghatározott pontjaira ragasztják a nyúlásmér bélyegeket, s közben az idomra adott támadáspontban hat a húzó- vagy nyomóer . Ilyen gyakorta alkalmazott idom az S alakú, de szögletes alakzat, vagy egy egyszer2 gy2r2. Az idomok anyaga rendszerint speciálisan edzett acél. A deformálódó idomra szinte kivétel nélkül négy bélyeg kerül felragasztásra, s ezek Wheatstone-hidat alkotnak. Az elrendezés azért el nyös, mert így a nemlinearitások, valamint a h mérsékletfüggés nagyrészt csökkenthet k. A most következ részben szeretnék rövid áttekintést adni a fellelhet megvalósításokról. A kéz er kifejtésének, markolóerejének mérésére kezdetben az ún. Collin-féle kézi dinamométert alkalmazták. Ez egy rugalmas acél ívb l, markolatból, valamint az acél ív deformációja által mozgatott mutatóból és egy skálából áll. A szorítás hatására az acél ív deformálódik, s egy ún. vonszolt mutató a mérés során el forduló legnagyobb er t mutatja. A készülék elterjedése egyszer2ségében rejlik, de a komolyabb alkalmazásokban történ felhasználásoknak is egyszer2sége szab gátat. Az összes információ, amit a mérés során megtudunk, csak a mérés alatt elért maximális szorítóer . A pontosabb vizsgálatok során még a kézi er mérés területén is több információra lehetünk kíváncsiak. Így például szeretnénk tudni, hogy a szorítóer milyen sebességgel növekszik, vagy azt, hogy a maximális er t mennyi ideig képes kifejteni a vizsgált személy. Ezért folyamatosan kifejlesztésre kerültek az elektronikus er mér berendezések, amelyek valamilyen formában képesek az er -id függvény felvételére is, s ebb l számos paraméterre tudunk következtetni. A kéz er kifejtésének mérésére használt berendezések tehát az el bb felsorolt érzékel k valamelyikéb l, er sít b l és kijelz b l állnak. A további vizsgálatok elvégezhet sége érdekében a mér berendezés számítógéphez csatlakozhat, ahol a mért értékekkel különböz számításokat eszközölhetünk. Néhány ezzel a témával kapcsolatos szabadalom, illetve berendezés:

4

Irodalmi áttekintés Bretz, Szondy, Agócs, Fejes, Karády 1973. Berendezés láber kifejtések mérésére. (168.367 számú magyar szabadalom) Az alsó végtagi er kifejtések mérésére szolgáló berendezés, melyben er mér cip került alkalmazásra. A cip talpában alagút formájú zárt mechanikai elrendezés található, amely kett darab ellentétes irányban el feszített nyúlásmér bélyeget tartalmaz, félhíd kapcsolásban. A híd mér er sít höz, majd szubviv oszcillátor-modulátor áramkörhöz csatlakozik. A vizsgált személy derekára er sített övben egy, a VHF sávban, 152MHz-en üzemel , 10mW kimen teljesítmény2 adó foglal helyet, lehet vé téve egy futópályán a vízszintes er kifejtés vizsgálatát. Bretz, Stemmitzer, Tóth 1975. Univerzális er mér . (174.780 számú magyar szabadalom) Az itt közölt elgondolás és a megvalósított berendezések szolgálnak alapjául az Európa-szerte gyártott hasonló célú berendezéseknek. Igénypontjai írták le el ször a homogén kivitel2 és kengyellel deformált mér átalakítót. Bretz és Bihámi által 1978-ban kifejlesztett 30/60 csatornás infravörös információ-átvitellel m2köd mér rendszer szintén a telemetria témakörébe vág. A berendezés általános iskolai tanórán pszichikai és fizikai terhelések ill. jellemz k, így a pulzusszám, légzésszám, valamint EEG-jelek mérésére alkalmas. A viv frekvenciák a 12.5kHz és 25 kHz között kerültek megválasztásra, a második harmonikus zavaró jelenlétének kiküszöbölése érdekében. Az adók így három csatornásak voltak, s a vev ben speciális sz2r rendszer biztosította a jelek szétválasztását. Az egész mér rendszer személyi számítógéphez csatlakozott. Bretz., König 1982-1992 Messplattform für differentielle Kraftanalyse. (32.45. 453. számú német szabadalmi leírás) Ebben a berendezésben nyúlásmér bélyegek felhasználásával 3, vagy 4 mér átalakító beépítése lehetséges. A hidak egyenként elvezetett kimen jelei egy célszámítógépbe kerülnek, mely képes a test tömegközéppontja függ leges vetületének meghatározására, valamint a reakcióer k pillanatértékeinek mérésére. A célszámítógép egyik üzemmódjában a mért adatokat folyamatosan tárolja, majd, amennyiben szükséges a PC felé továbbítja. A másik üzemmódban on-line kijelzésre képes a PC monitorán. A berendezés alkalmazása részben diagnosztikai, másrészt terápiás célokat szolgál. Bretz, Boksay, Takács. 1983. Mér berendezés az üt er vizsgálatára. (188.031 számú magyar szabadalom) Az üt er vizsgálatára kifejlesztett mérési eljárás, mely egy ökölvívó zsákba épített mér átalakítót alkalmaz. Ebben az eszközben a 2.1 pontban már említett azon eljárás valósul meg, mely szerint az er becslését a gyorsulás mérésére vezetjük vissza. Az ökölvívó zsákba ugyanis egy kétdimenziós gyorsulásmér került beépítésre. A gyorsulások mérése alapján, Newton II. törvényének értelmében a mér zsák tömegének ismeretében megállapítható az üt er nagysága és iránya. A módszer pontossága azon múlik, hogy mennyire igazak azok a feltételek, miszerint a felfüggeszt kötél hosszú, a zsák ütése nagyjából a tömegközéppont felé irányul, valamint az ütés során a zsák valamennyi pontja együtt mozdul el. Bretz, Tóth (1987-1991) Differenciális pszichofiziológiai mér berendezés. (205.241 számú magyar szabadalom) A berendezés a mér átalakító és a szoftver megoldás tekintetében egyaránt moduláris rendszer2. Felhasználásával vizsgálható nyolc pszichofiziológiai paraméter, köztük az er kifejtés. A mikroprocesszoros mér berendezés lehet séget nyújt az er diagramok megjelenítésére saját, beépített kijelz jén, ill. a mért adatok PC-be is letölthet k, majd ott feldolgozhatók.

5

Irodalmi áttekintés Említésre méltó az amerikai Lumex cég, melynek CYBEX II nev2 rendszerével szinte az elképzelhet összes mérési feladat megvalósítható. A berendezés számítógépvezérelt, rendkívül széleskör2 lehet ségekkel rendelkezik. A vizsgálandó személy egy kényelmes, dönthet székben foglal helyet, a székhez pedig egy elektromágneses kuplunggal és fékez motorral ellátott szerelvény kapcsolódik. Adapterek sokasága teszi lehet vé a különböz mérések elvégzését. A számítógép segítségével programozhatók a terhelések és a kényszermozgások, ezáltal megvalósítható az izometrikus, izotonikus és izokinetikus er kifejtések vizsgálata, valamint a berendezés terápiás célra is alkalmazható. A berendezés segítségével így rendkívül sokrét2 vizsgálatok elvégzésére nyílik lehet ség. Így méltán a világon a legelismertebb ezen a területen.

1.ábra. A CYBEX II+ univerzális mér berendezés

A következ kben röviden kitérek néhány, az er mérés témakörével kapcsolatos újabb vizsgálati eredményre, melyek a korszer2 er mér k alkalmazása nélkül nem láthattak volna napvilágot. Jenp és munkatársai (1996) a görgetegizomban mérhet EMG aktivitás és a keletkez forgatónyomaték között fellelhet összefüggéseket vizsgálták a váll forgatása esetén, különböz helyzetekben. Húsz egészséges önként jelentkez t 29 váll-pozícióban teszteltek. A mérések során egyszerre rögzítették a kifejtett er ket, és felszíni elektródokkal a nagy mellizomról és a deltaizom három pontjáról történ elvezetésekkel EMG regisztrátumot készítettek. A négy görgetegizomba intramuszkuláris elektródokat helyeztek. Azt találták, hogy a legnagyobb izometrikus forgató er a frontális ill. a scapuláris síkokban, a semleges, vagy teljesen bels forgatási helyzetekben jelentkezik. A szagittális síkban, és a scapuláris síkhoz képest 45 fokban kapták a legnagyobb

6

Irodalmi áttekintés forgatónyomatékot félig, vagy teljesen küls forgatás esetében. A görgetegizmok a legnagyobb EMG aktivitást a semleges vagy középs forgató pozíciókban adták. Megállapították, hogy ezek a pozíciók javasoltak a kézi izomvizsgálatok esetében, valamint ezek a legalkalmasabbak izomer sít gyakorlatok végzésére. Az egyszer2bb, nagy pontosságot nem igényl diagnosztikai célokra alkalmazzák a kézi izomvizsgálatokat. Ez a vizsgálat szubjektív, hiszen a vizsgálatot végz orvos a páciens által kifejtett er t saját izomereje ellenében becsli. Mulroy és munkatársai (1997) így joggal feltételezték, hogy a kézzel végzett izomvizsgálatok pontossága a vizsgálatot végz személy erejét l is függ. E vizsgálat célja az volt, hogy férfi és n i orvosok esetében összefüggést lehessen kimutatni az orvosok által kifejtett legnagyobb er illetve a betegeken végzett manuális izomvizsgálat alkalmával a kvadricepsz erejének meghatározása, illetve az esetleges gyengeség megállapításának pontossága között. A kutatás során férfi és n orvosok 7 férfi és 12 n beteget vizsgáltak kézi módszerrel, akik postpoliomyelitisben szenvedtek. Az er k mérésére kézi er mér ket alkalmaztak, rögzítve a páciensek maximális térd-kinyújtási erejét, valamint az orvosok maximális függ leges irányban kifejtett tolóerejét. A n i orvosok által kifejtett legnagyobb er nem tért el számottev en a betegek által kifejtett er t l, de jóval kisebb volt, mint amit az egészséges emberek fejtettek ki kvadricepszükkel. A férfi orvosok er sebbnek bizonyultak. Az elvégzett 38 teszt során az orvosok megfelel eredményeket adtak 30 esetben. A kísérletsorozat eredményeinek összefoglalásaképpen elmondható, hogy a vizsgáló orvos ereje behatárolja a közepes kvadricepsz gyengeség kimutatását a kézi vizsgálómódszer esetében, így a vizsgáló orvosoknak meg kell határozniuk a maximális tolóerejüket, s ezen keresztül az általuk megállapítható gyengeség mértékét. May és munkatársai (1997) a kézi er mér k megbízhatóságát vizsgálták, a vállízület forgatása során történ mérések alkalmával, és arra keresték a választ, hogy vajon mennyire függ össze a kézi er mér vel mérhet csúcser az izokinetikus mérés során mérhet eredményekkel. Huszonöt f 18 és 42 év közötti gerincsérült személyen, akik közül 12 paraplégiás, 13 tetraplégiás volt, végezték el az összehasonlító vizsgálatokat. El ször minden résztvev t ugyanaz a vizsgáló vizsgálta, egy kézi er mér vel. Ugyanezen a napon, ugyanezek a résztvev k átestek egy izokinetikus teszten is, így összevethet k lettek a kézi er mér k valamint a CYBEX mér rendszer által szolgáltatott eredmények. A megbízhatóságot a mérések között számított korrelációs tényez vel jellemezték. A vizsgálatok során ez 0.89 és 0.96 közötti értéknek adódott. Ha a paraplégiás valamint a tetraplégiás betegekb l képzett csoportokat külön vizsgálták, akkor a két csoport között számottev különbség mutatkozott a korrelációk tekintetében. Összefoglalásképpen elmondható, hogy a kézi er mér k megbízhatóan használhatók a vállízület forgatása során történ mérések alkalmával paraplégiás és tetraplégiás gerincsérült betegek esetében is, annak ellenére, hogy a tetraplégiás betegeknél gyengébbnek t2nik az összefüggés a két mérési metódus között.

2.3. Az er%diagram és értékelése Az általam tervezett és elkészített berendezés off-line üzemmódban csak az er pillanatértékének, valamint maximumértékének kijelzését teszi lehet vé, azonban PChez csatlakoztatva képes er diagramok rajzolására is. Mivel dolgozatom végén néhány kísérleti mérés er diagramját is bemutatom, célszer2nek láttam röviden összefoglalni az

7

Irodalmi áttekintés er diagrammal kapcsolatos fogalmakat. Egy átlagos er diagram az alábbi ábrán látható. Az er diagram három f részre bontható: • • •

Kontrakciós szakasz, Izotóniás szakasz, Relaxációs szakasz.

F(t) F2

Fmax F1 t

t0

t1

t2

t3

t4

2.ábra. Átlagos er diagram és jellegzetes pontjai

Az impulzustechnikai mérésekhez hasonlóan az er diagram esetében is problémát jelent a kezdés és a befejezés id pontjának meghatározása, valamint e három jellemz szakasz egymástól történ megkülönböztetése. A reprodukálhatóság, valamint a mérési pontosság növelése érdekében kompromisszumokra van szükség, így az alábbi definíciók mérvadóak: t0 a kísérlet kezdete, melyet pl. bizonyos hang- vagy fényjelzés megjelenését l számítunk, amire a vizsgált személynek az er kifejtést el kell kezdenie. t1 az er kifejtés megkezdése, ekkor a pillanatnyi er az F1 küszöbértéket meghaladja. A kontrakció végét jelzi a t2 id pont, ekkor az er az F2 értéket is túllépi. A relaxáció kezdetének a t3 id pontot tekintjük, amikor az er az F2 érték alá csökken. A relaxáció vége a t4 id pontban következik be, ekkor az er értéke az F1 küszöbérték alá süllyed. Az F1 és F2 értékek megválasztása többféle szempont szerint lehetséges. Az egyik lehet ség az impulzustechnikában megszokott F1=0.1 Fmax illetve F2=0.9 Fmax definíciók alapján történ meghatározás. Edzéselméleti szempontok alapján az F1=0.1 Fmax valamint F2=0.75 Fmax választással szoktak élni, de el zetesen megállapított, Fmax értékét l független küszöbértékek is elképzelhet k. Fontos információkat hordoz az er diagram deriváltja is, melynek helyi maximuma ill. minimuma a kontrakció, valamint a relaxáció sebességének maximumhelyeit adja.

2.4. Er%mér% transducerek Feladatom megvalósítására mér átalakító gyanánt talán a nyúlásmér bélyeget tartalmazó mér fej a legmegfelel bb. Így el ször áttekintést adok arról, hogy milyen áramköri elrendezésben alkalmazhatók a nyúlásmér bélyegek a deformációk mérésére, s azon keresztül er mérésre. A mér fejjel szemben támasztott elvárások sokrét2ek: •

a mér fej legyen egyszer2, de robusztus felépítés2,

8

Irodalmi áttekintés • • • •

adott er hatásra lehet leg minél nagyobb kimen jelet adjon, linearitása legyen megfelel , h mérsékletfüggése legyen elhanyagolható, hosszúidej2 stabilitása kielégít legyen.

A nyúlásmér bélyegek adott hosszváltozásra bekövetkez relatív ellenállás-változása meglehet sen kis érték. Figyelembe véve a kívánt érzékenységet, valamint a mér fejben alkalmazott deformálódó test adott er hatásra bekövetkez hosszváltozását, olyan elrendezést kell találni, amely ezt a kicsiny változást is jól kiértékelhet vé teszi. A nyúlásmér bélyegek által szolgáltatott ellenállás-változás mérésére többféle megoldás képzelhet el: A legegyszer2bb esetben egy feszültségforrással sorba kötünk egy fix ellenállást és a nyúlásmér bélyeget, majd a bélyegen es feszültséget használjuk kimen jelként. Ekkor a kapott feszültség Uki=( R+ R)/( R+ R + R1) szerint alakul. Lévén R<
Uref

U ki =Uref

R+ R R+ R+R1

R+ R

3.ábra. Feszültségosztóval realizált megoldás

a megoldás másik hátránya a nemlineáris m2ködésben rejlik, hiszen a kimen feszültség megváltozása nem egyenesen arányos R-rel. A másik egyszer2 megoldás, amikor a nyúlásmér bélyeget egy áramgenerátorral hajtjuk meg, s a bélyegen es feszültség a

Iref

U ki =Iref (R+ R) R+ R

4.ábra. Áramgenerátoros megoldás

kimen jellemz . Ez az elrendezés már lineáris, de számos hibával rendelkezik. A kis ellenállás-változásból kifolyólag a kapott feszültség-változás itt is nagyon csekély, továbbá a h mérsékletfüggés is nehezen kompenzálható. Itt is jelentkez probléma, hogy az er hatásból kifolyólag keletkez kicsiny feszültségváltozás nagy DC-szinten ül. Jobb eredményeket kaphatunk hídkapcsolás alkalmazásával. A bélyeggel megegyez ellenállású három ellenállást és a bélyeget hídba kapcsolva azonban szintén nemlinearitás kerül a rendszerbe, s t a hídkapcsolás hátrányaként jelentkezik a földfüggetlen kimen jel is. A nemlinearitás ténye könnyen belátható, ha felírjuk a kimen feszültség változását a bélyeg ellenállásának változása függvényében.

9

Irodalmi áttekintés

R

R

Uki

Uref

Uki= R+ R

R

Uref 4

R R

1 1+

R R

5.ábra. Hídkapcsolás alkalmazása

A fenti kifejezésben az utolsó tag felel s a nemlinearitásért. A bélyeggel sorbakapcsolt ellenállást egy másik bélyegre cserélve megfelel megoldáshoz jutunk. A bélyegeknek a deformálódó testre való rögzítésekor el kell érnünk, hogy míg adott deformációra az egyik bélyeg megnyúlik, így ellenállása növekszik, addig a másik hosszának csökkennie kell, máskülönben nem történne a hídátlóban változás. Ha az alsó bélyeg a fellép er hatására R-rel növeli ellenállását, míg a fels ugyanennyivel csökkenti, akkor a nemlinearitást kikompenzáltuk, hiszen az el z elrendezéshez képest a kimen feszültség képletéb l a harmadik, nemlinearitást okozó tag kiesett.

R- R

Uki

R

Uref

Uki= R+ R

R

Uref 2

R R

6.ábra. Nemlinearitás kiküszöbölése hídkapcsolás esetén

Ez az elrendezés még tovább fejleszthet , ha a híd mindkét ágában nyúlásmér bélyegeket alkalmazunk. Ez két el nnyel jár: A hídátló mindkét pontjának változik a potenciálja, így a kapott jel minden további változtatás nélkül kétszeresére n . Ennek következtében a híd h mérsékletfüggését is sikerült kiküszöbölni, hiszen mind a négy ellenállás azonos mértékben reagál a h mérséklet változásaira, így annak hatása a kimen jelben nem jelentkezik.

R- R Uref

Uki

R+ R Uki= Uref

R+ R

R R

R- R

7.ábra. Teljes Wheatstone-híd

Ezen el nyöket figyelembe véve ez a megoldás került alkalmazásra az általam felhasznált mér fejben, négy darab 400 -os bélyeggel.

10

Irodalmi áttekintés Az általam tervezett és kivitelezett berendezés többféle mérést tesz lehet vé. Alapkiépítésben a tartozék mér fejjel f ként kézi szorítóer -mérés valósítható meg, ekkor a berendezés a Collin-féle kézi dinamométer korszer2sített változatának tekinthet . Mivel a készülék lehet séget biztosít ezenkívül még két analóg jel fogadására, különböz egyéb célú felhasználás is elképzelhet . Az el bbiekben már említett cip be, vagy egyéb mozgó sporteszközbe épített nyúlásmér bélyegek jele értelemszer2en nem továbbítható vezetékes megoldással. Így kifejlesztésre került egy infravörös jelátvitelt alkalmazó telemetriás berendezés e jelek átvitelére.

2.5. A telemetria A telemetria tulajdonképpen távmérést jelent. Célja rendszerint valamely mérend mennyiség értékének, egy bizonyos távolságra, vezeték nélkül történ eljuttatása. Jelen esetben egy er értéket kell továbbítani, méghozzá egy zárt teremben, nem túl nagy távolságra. Ezek a feltételek játszanak dönt szerepet a legalkalmasabb átviteli módszer kiválasztására. Telemetriai berendezés fejlesztésénél napjainkban két f irányban érdemes elindulni. Vagy rádiófrekvenciás, vagy infravörös elv2 átvitel jöhet szóba. Régebben alkalmazták az ultrahangos megoldásokat is, azonban mára e megoldások jelent ségüket vesztették. A rádiófrekvenciás átvitel el nyei között említhet az a tény, hogy kis teljesítménnyel viszonylag nagy távolságok hidalhatók át. Az infravörös átvitellel szemben nem feltétel az optikai rálátás az adó és a vev között, továbbá az adóteljesítmény ésszer2 kereteken belül történ növelésével tekintélyes távolságokra küldhet el a kívánt jel. Az infravörös átvitel némileg egyszer2bben realizálható, elmaradnak a nehézkes nagyfrekvenciás tervezéssel és kivitelezéssel járó problémák. Az sem elhanyagolható tényez , hogy a rádiófrekvenciás átvitel létesítéséhez különféle engedélyek szükségesek, és azokon a frekvenciákon, amelyek nagyjából szabadon felhasználhatók, vagy legalábbis némi kiskapu található a vonatkozó szabályzásokon, nem garantálható az átvitel zavarmentessége. Az átviteli közegen kívül a másik fontos tényez a moduláció módjának, illetve az átvitt mennyiség típusának (analóg vagy digitális jel) meghatározása. Így tehát beszélhetünk analóg rádiós, analóg infravörös, digitális rádiós és digitális infravörös átvitelr l. A következ kben áttekintem az elképzelhet megoldásokat. 2.5.1.

Az analóg rádiós átvitel

Ebben az esetben a mérend jellemz értékét l a rádiófrekvenciás jelnek, vagy a rádiófrekvenciát moduláló jelnek függ valamely paramétere. Tipikus megoldásnak nevezhet az ún. FM-FM megoldás, amikor is a mérend jellemz megváltozása egy hangfrekvenciás szubviv frekvenciáját modulálja. Az így kapott jellel pedig egy nagyfrekvenciás adót modulálunk frekvenciában. Ilyen elven m2ködik a fentiekben említett futócip be épített er mér , vagy pl. egy kínai EKG-teleméter is. Ha a rádiófrekvenciákkal kapcsolatos jogi tényez kt l eltekintünk, ez a megoldás egyszer2sége mellett kit2nik azzal, hogy az adóoldalon szükséges teljesítményfelvétel kis értéke mellett is nagyobb távolságok hidalhatók át. (10mW adóteljesítmény egy futópályán biztonságos átvitelt tett lehet vé) A frekvenciára vonatkozólag az mondható el, hogy szinte kizárólag az URH frekvenciákat célszer2 e célra felhasználni, hiszen az alacsonyabb frekvenciákon a kell hatásfok elérése érdekében az antennaméret

11

Irodalmi áttekintés kezelhetetlenül nagyra adódna. Egy kisteljesítmény2 VHF adó elkészítése egyáltalán nem nehéz feladat, a vev azonban már problémásabb lehet. Ezért el fordul az a (szintén nem hivatalos) megoldás, mely szerint az adó üzemi frekvenciája valamely URH m2sorszóró sávba esik. Ekkor a vétel egy kommersz m2sorvev rádióval megvalósítható, s a hangfrekvenciás jel feldolgozásával a mért mennyiség rendelkezésre áll. A többcsatornás rendszer kialakítására lehet ség van az egy ill. több adóval történ sugárzás esetében is. Ha egy adóval kell több független jelet továbbítani, akkor az adóoldalon több különböz frekvenciájú szubviv t, a vev oldalon a rádióvev után megfelel sz2r ket kell alkalmazni. Természetesen több független adó és vev m2ködtetésére is lehet ség van abban az esetben, ha az egyes mérend mennyiségek nem egy helyen vannak jelen. Az analóg megoldás hátránya azonban abban áll, hogy a hangfrekvenciás jel el állításánál szükséges FM modulációt és a vételnél szükséges frekvencia-feszültség konverziót nem könny2 jó linearitás mellett megvalósítani. Így ez a megoldás a nagy pontossági igény2 alkalmazásokban nem használható. 2.5.2.

A digitális rádiós átvitel

Ez a kategória tovább osztható aszerint, hogy maga a kimen rádiófrekvenciás jel valamely jellemz jét módosítjuk a digitális információnak megfelel en, vagy egy szubviv alkalmazásával annak valamely jellemz jét. A csomagrádiózás például ez utóbbi módszert alkalmazza úgy, hogy egy hangfrekvenciás jel frekvenciáját változtatják az adott bitnek megfelel en. Ez a módszer tehát nagyon hasonlít az analóg rádiós átvitelre, azzal a különbséggel, hogy a rádiós átviteli rendszer bemenetére kétállapotú jelek kerülnek, s a kimeneten is ilyenek vehet k le. A megoldás hátrányaként említhet a viszonylag alacsony elérhet adatsebesség, ám a nagyfrekvenciás áramkörökt l nem kell feltétlenül nagy stabilitást elvárni. A másik megoldás a közvetlen moduláció, itt néhány speciális esett l eltekintve az FSK modulációs módszert alkalmazzák. Ennek lényege, hogy a kimen rádiófrekvenciás jel frekvenciáját változtatják kis mértékben az adott átviend bitnek megfelel en. Ezzel a módszerrel elég nagy sebesség garantálható. El nyként jelentkezik, hogy erre a célra a kereskedelemben kaphatók egychipes adó-vev k. Vev re jó példa a Motorola MC3362 típusú integrált áramköre, mely egy tokban tartalmaz egy teljes kétszertranszponált FM vev t, és akár 35kbit/s sebesség2 átvitelre is képes. Ha egy adóval kell több független jelet átvinni, akkor egyszer2en megvalósítható a digitális jelek id osztásos multiplexelése. Az analóg rádiós megoldáshoz hasonlóan több, különböz viv frekvenciájú adó, és az adókra hangolt vev k is m2ködtethet k párhuzamosan. A digitális átvitelnél azonban nem szabad megfeledkezni a rádiós csatornán esetleg bekövetkez zavarokról, melyek az átvitt információt meghamisíthatják. Ezért elengedhetetlen valamilyen hibajavító eljárás alkalmazása. A hibajavítás viszont nehezen képzelhet el szoftver eszközök nélkül, így az adóoldalon is szükségessé válik valamilyen mikroprocesszor jelleg2 eszköz. Tovább bonyolítja a helyzetet, hogy a digitális átvitel esetén az analóg-digitál átalakítót is az adóoldalon kell elhelyezni. Természetesen el nyként jelentkezik, hogy az egész átvitel pontosságát gyakorlatilag a felhasznált AD átalakító pontossága határozza meg. Ez a megoldás azonban, bármennyire is korszer2, pontos és kényelmes, meglehet sen költségesnek tekinthet , nehezen kivitelezhet .

12

A mér berendezés tervezése 2.5.3.

Az analóg infravörös átvitel

A leginkább alkalmazható módszer - zavarérzékenységéb l kifolyólag ebben az esetben is - az FM üzemmód. Az infravörös fényemittáló diódák azonban lineáris üzemmódban nem képesek nagy intenzitású sugárzás létrehozására, így az áthidalható távolság jelent sen lecsökkenne, ha az adódiódákat ilyen üzemmódban alkalmaznánk. Sokkal célravezet bb a diódákat impulzus-üzemben járatni, s ekkor rövid idej2, de nagy intenzitású infravörös fényt képes az eszköz kibocsátani. A keskeny impulzusok távolságának változtatásával vihet át az analóg mennyiség, ez valójában az ún. PFM modulációs mód. A feladat egyszer2en realizálható, pusztán a vételi oldalon megfelel er sítésre, sz2résre és frekvencia-feszültség átalakításra van szükség. A többcsatornás átvitel különböz frekvenciájú viv k alkalmazásával, és a vételi helyen alkalmas sz2r k segítségével történ szétválasztással lehetséges, függetlenül attól, hogy fizikailag egy vagy több, más-más ponton elhelyezked adóból származnak a jelek. Akár az analóg rádiós átvitel esetében, úgy itt is kulcsfontosságú a frekvencia-moduláció és a demoduláció linearitása. 2.5.4.

A digitális infravörös átvitel

Mivel a berendezés személyi számítógéphez kapcsolódik, talán ez a megoldás lenne a legkézenfekv bb, hiszen az IrDA, az infravörös átvitel kérdéseit felkaroló szervezet egy szabványos infravörös átviteli rendszert dolgozott ki, ami az újabb személyi számítógépekben is megtalálható. Így az átvitel megoldása egy megfelel , gyári IrDA adó alkalmazására sz2külne. Ezek az eszközök kis méret2ek, kis fogyasztásúak, és nagy átviteli sebességre képesek, ami akár 115.2kbit/s is lehet. Az átvitel általában az ASK modulációs módban történik. Ezek az eszközök egy tokban valósítják meg az adó és a vev funkciókat, és soros adat be- és kimenettel rendelkeznek. Napjainkban rendkívül elterjedtek, hiszen PC-ken kívül számos hordozható számítógép, nyomtató, számológép és mobiltelefon rendelkezik az IrDA illesztési felülettel. Az átvitel megbízható, így hibajavításra várhatóan nincs szükség. A többcsatornás üzem a digitális adatok megfelel multiplexelésével elérhet , ha egy adóval kell a jeleket kisugározni. Ha azonban több, egymástól független adóra van szükség, bonyolultabb a helyzet. Az átvitel ugyanis nem szelektív, tehát valamilyen algoritmussal gondoskodni kell arról, hogy egyszerre csak egy adó legyen aktív. Így az egyes adóknak vételi lehet séggel is kell rendelkezni, valamint az összeakadás-mentes üzem érdekében szükséges algoritmust is csak szoftver eszközökkel célszer2 megvalósítani, így bizonyos intelligencia beépítése itt sem kerülhet el. Az IrDA eszközök másik hátránya a korlátozott hatótávolság. A legtöbb típus ugyanis csak 20-30 cm távolság áthidalását teszi lehet vé, s csak néhány eszköz képes 1.5-2m áthidalására. Végül egy fontos tényez a beszerezhet ség és az ár. Bár ezen eszközökkel érhet el az összes megoldás közül az egy berendezésre es legalacsonyabb költség, sajnálatos tény, hogy jelenleg hazánkban az IrDA adó-vev k beszerzése egy-két darabos tételben nem lehetséges.

3. A mér%berendezés tervezése A mér berendezés tervezése négy f részre tagolható. A mikrokontrollervezérelt er mér hardver fejlesztésére, a telemetriás berendezés hardver fejlesztésére, a

13

A mér berendezés tervezése mikrokontroller szoftver fejlesztésére, valamint a személyi számítógépen futó értékel program megírására. A továbbiakban ezt a sorrendet fogom követni.

3.1. Az er%mér% hardver fejlesztése A mér berendezés tervezésénél a következ szerepet: • • • • •

szempontok játszottak dönt

A rendelkezésre álló mér fejek felhasználhatósága, A mér egység intelligens volta, így off-line üzem lehet sége, PC-hez kapcsolva on-line üzem, Kis fogyasztás, hosszú üzemid , B víthet ség.

A m2szaki paraméterek tekintetében az alábbi kiindulási értékek voltak mérvadóak: • • • •

Minimum 10N felbontás, RS232 kompatibilitás, Legfeljebb 2.5% linearitáshiba, A telemetriás berendezés esetében legalább 3m áthidalható távolság.

Ezen szempontok figyelembe vételével készült el a most ismertetésre kerül mér rendszer. Mivel a hardver tényleges megépítése és a m2ködtetéshez szükséges szoftver elkészítése is feladat, igen fontos szemponttá vált a berendezés elkészítésénél a az alkatrészek beszerezhet ségének és árának kérdése. Számos esetben ugyanis egy-egy alkatrész magas ára, vagy beszerezhetetlensége miatt kényszerültem esetleg bonyolultabb megoldások alkalmazására. Elöljáróban a berendezés tömbvázlata alább látható, a tervezési lépések bemutatása a logikai sorrendet követve történik. Mér fej

Mér er sít

A/D

µC B&vít& csatlakozó

Kijelz -egység RS232 illesztés a PC felé

Tápellátás, akkumulátortölt&

Akkumulátor

8.ábra. Az er mér tömbvázlata

14

A mér berendezés tervezése

3.1.1.

A felhasznált mér%fej

A mér berendezésben felhasznált mér fej egy deformálódó acél gy2r2re ragasztott négy darab nyúlásmér bélyeget tartalmazó eszköz. Mivel a mér fej a berendezés egyik leglényegesebb alkotórésze, érdemes a felépítését és a m2ködését részletesebben megvizsgálni. A mér fej mechanikai felépítése a négy bélyeges felépítésnek megfelel en lehet vé teszi, hogy az adott er hatására két nyúlásmér bélyeg ellenállása növekedjék, kett é pedig csökkenjen. A deformálódó test egy 52mm küls átmér j2, 2.7mm falvastagságú, 19 mm széles, speciálisan edzett acél gy2r2, s ennek küls és bels felületére van két-két darab nyúlásmér bélyeg felragasztva. A gy2r2 deformációja úgy jön létre, hogy két, görg vel ellátott kengyel segítségével húzóer t fejtünk ki a gy2r2re, ami ezáltal ellipszis alakúvá deformálódik. Természetesen a deformáció mértéke szemmel nem látható, de a gy2r2re ragasztott nyúlásmér bélyegek hossza, így ellenállása is - még ha nagyon csekély mértékben is - de megváltozik. A gy2r2 egy alumínium házban helyezkedik el. A húzóer hatására a gy2r2 küls felületére ragasztott bélyegek megrövidülnek, így ellenállásuk is lecsökken, míg a bels felületre ragasztott bélyegek épp fordítva viselkednek. Természetesen a hídba kapcsolást úgy kell

F Uref

R1

R4 R1

R2

R4

+ Uki –

R3

R3

R2

GND

F 9.ábra. A felhasznált mér fej mechanikai és elektromos felépítése

elvégezni, hogy a híd egyik ágában a küls , másik ágában a bels felületre ragasztott nyúlásmér bélyeg kerüljön a hídfeszültség betáplálási pontjához, ellenkez esetben a

15

A mér berendezés tervezése kimeneten nem kapnánk feszültségváltozást, hiszen a híd minden pillanatban kiegyenlített lenne. A mér fej érzékenysége egyike azon kiinduló paramétereknek, melynek ismerete mindenképpen szükséges ahhoz, hogy a konstrukció szempontjából lényeges alapokat letehessük. Els lépésben tételezzük fel, hogy a nyúlásmér bélyegeken mérhet R/R relatív ellenállás-változás, egyenes arányban áll a kengyelekre kifejtett húzóer nagyságával. Ebben az esetben egy adott állandó hídfeszültség mellett a hídátlóban mérhet feszültségkülönbség az el bb említett képlet szerint a húzóer vel egyenes arányban áll. Így tehát definiálható egy 1/N dimenziójú mennyiség, melyet a mér fej érzékenységének nevezhetünk. Ekkor Uki = Uref é F , ahol Uki a hídátlóban mérhet kimen feszültség, Uref a hidat tápláló feszültség, F a húzóer és é az érzékenység. Látható, hogy egy adott er hatásra kapott kimen feszültség egyenesen arányos a hidat tápláló feszültséggel is, így annak növelésével a mér fej nagyobb jelet ad azonos er esetén. A hídfeszültség növelését azonban nem fokozhatjuk minden határon túl, hiszen ezzel a bélyegeken átfolyó áram is növekszik, s ez h t termel a bélyegek vezet rétegében, ami ellenállás-változást okoz, széls séges esetben a bélyegek tönkremeneteléhez is vezethet. El zetes mérések segítségével megállapítottam a mér fej érzékenységét. A mérés során Uref=5V hídfeszültséget alkalmaztam, s különböz tömegekkel terheltem a mér fejet. Terheletlen állapotban az adott példánynál kb. –3mV feszültséget mértem, ami a bélyegek szórásából, valamint a felragasztás nem egyforma voltából származhat. A rendelkezésre álló, néhány kilogrammos tömegekkel végzett mérések csak nagyságrendi becslésnek tekinthet k. Végeredményképpen kb. 14µV feszültségváltozást regisztráltam 1N er hatására az 5V hídfeszültség mellett. Ebb l a kés bbiekben szükséges er sítés nagyságrendileg megbecsülhet . Érdekességképpen megemlítem, hogy ebben az esetben a névlegesen 400 ellenállású bélyegek ellenállása 1N er hatására 400.001053 -ra illetve 399.998947 -ra változnak, tehát látható, hogy az ellenállás-változás igen csekély. 3.1.2.

A mér%er%sít%

A mér fej által szolgáltatott kis feszültséget megfelel szint2re kell er síteni azért, hogy a mérést végz analóg-digitál átalakító számára a szükséges nagyságú feszültséget biztosítani tudjuk. Ez a feladat ún. mér er sít vel oldható meg. A mér er sít k több megoldása ismeretes, a velük szemben támasztott követelmények pedig a következ k: • • • • •

az er sít biztosítsa a szükséges er sítést, közös módusú elnyomása legyen minél nagyobb, nullhibája legyen elhanyagolható ill. kikompenzálható, bemen impedanciája legyen minél nagyobb, hosszúidej2 stabilitása kielégít legyen.

Ezek a követelmények nehezen teljesíthet k, hacsak nem kifejezetten erre a célra gyártott integrált áramköröket használunk. A kereskedelemben kapható típusok közül számos mér er sít az ún. három m2veleti er sít s kapcsoláson, vagy a bels áramvisszacsatolásos megoldáson alapul. Ezek az el bbiekben felsorolt tulajdonságok mindegyikével rendelkeznek, lévén a kritikusnak tekinthet ellenállásokat az adott integrált áramkör belsejében igen nagy precizitással tudják el állítani, illetve a tokozás

16

A mér berendezés tervezése el tt trimmelni. E tokok er sítése vagy egyetlen darab küls ellenállással állítható be, vagy a tokon belüli fix ellenállás, esetleg több ellenállás határozza azt meg. A három m2veleti er sít s kapcsolás el nyeként említhet az elrendezés igen nagy bemen impedanciája, így a mérend áramköri részlet (esetünkben a híd) gyakorlatilag nem terhelt. Azonban ezeknek az integrált áramköröknek van egy nem elhanyagolható hátrányuk, nevezetesen a magas beszerzési ár, illetve a nehéz beszerezhet ség. Ezért célszer2nek láttam a mér er sít t olcsó, könnyen hozzáférhet kommersz m2veleti er sít vel megépíteni, természetesen ügyelve arra, hogy ez a pontosság és a használhatóság rovására ne menjen. A választás - sok hátránya ellenére - az egy m2veleti er sít s mér er sít re esett. Ez tulajdonképpen egy egyszer2 differenciáler sít , de az eddigiekben e témában szerzett tapasztalataim alapján az adott célra kiválóan megfelel. Az alkalmazott TL080 típusú m2veleti er sít egy modernnek nem nevezhet , olcsó JFET bemenet2 eszköz. A tok küls frekvenciakompenzálással valamint ofszet-kompenzálással van ellátva. Viszonylag alacsony tápáram-felvétellel, és közepesnek mondható slew-rate értékkel rendelkezik. Ofszetfeszültsége elég jelent s, az ofszet-kompenzálás miatt azonban ez nem jelent problémát. Az alkalmazás során sokkal nagyobb problémát jelent az ofszetfeszültség driftje, azaz a tápfeszültségt l, h mérséklett l való függése, illetve az ofszetfeszültség hosszúidej2 driftje. Ezt a problémát azonban az er sít t követ digitális rész küszöböli ki, lévén így sokkal egyszer2bben és megbízhatóbban oldható meg ez a probléma. Az er sít sávszélességének esetünkben gyakorlatilag nincs jelent sége, hiszen a vizsgált jelek frekvenciatartománya igen alacsony, bár mint arra még majd kés bb visszatérek, a jelemelkedési sebesség mégsem teljesen közömbös az alkalmazás szempontjából. A TL080 típusú m2veleti er sít fontosabb adatai: [2,3,4] Paraméter Maximális tápfeszültség Bemenetre vonatkoztatott ofszetfeszültség, max. H mérsékleti drift Közös módusú elnyomás Tápfeszültség elnyomás Tápáram, tip. Slew-rate egységnyi er sítésnél, min. Bemen áram, max. (25°C)

Érték ±18 13 18 100 100 1.4 8 200

Dimenzió V mV µV/°C dB dB mA V/µs pA

1.táblázat. A TL080 tervezés szempontjából fontosabb paraméterei R3 R1 Ube R2

Uki R4

10.ábra. Az egy m;veleti er sít s mér er sít

Lévén a mér fejen kívül az azt követ er sít az egész konstrukció pontosságát meghatározó tényez , egy kicsit mélyrehatóbban ismertetem az er sít számításával

17

A mér berendezés tervezése kapcsolatos lépéseket. Az er sít kimenete egy analóg-digitál átalakító bemenetére fog csatlakozni, tehát a megkövetelt felbontás, a mér fej érzékenysége, valamint az analógdigitál átalakító teljes kivezérléséhez (full scale) tartozó feszültségérték függvényében meg kell határozni a szükséges er sítést. Az egyszer2, egy m2veleti er sít s kapcsolás esetében, ideális m2veleti er sít t feltételezve, a csomóponti potenciálok módszerét alkalmazva a szimmetrikus er sítés értékére a 10. ábrán lév pozíciószámokat felhasználva az R1=R3 valamint R2=R4 esetben Aus=R2/R1 érték adódik. Az ellenállások egyez sége nagyon fontos, hiszen ha ez a feltétel nem teljesül, akkor a m2veleti er sít vel elérhet közös módusú elnyomáshoz képest jóval alacsonyabb elnyomást lehet realizálni. Mivel a ténylegesen elérhet közös módusú elnyomást a m2veleti er sít elegend en nagy közös módusú elnyomása mellett f ként az ellenállások pontossága határozza meg, az el z ábra pozíciószámait felhasználva a következ összefüggés adódik:

CMRR

1 2

1+

R2 R4 R R2 + 1+ 4 R1 R3 R3 R1

1+

R 2 R4 R1 R3

1+

R4 R 2 R3 R1

Az összefüggés vizsgálata során kiderül, hogy már egészen csekély eltérések is jelent sen lerontják a közös módusú elnyomást. Másfel l viszont a jelen alkalmazásban a közös módusú vezérlés állandó érték2, hiszen a hidat tápláló feszültség értékét az érzékenység állandósága érdekében megfelel képpen stabilizálni kell, így a véges közös módusú elnyomásból adódó, az er sít kimenetén jelentkez feszültség id ben állandónak tekinthet . Lévén a mér fejbe épített nyúlásmér bélyegek nem teljesen egyformák, s ebb l kifolyólag a nulla er höz tartozó kimen feszültség a hídátlóban nem nulla, a hidat valamelyik bélyeggel párhuzamosan kapcsolt, nagy érték2 ellenállással ki kell nullázni. Ez egyben lehet séget ad egy olyan beavatkozásra is, hogy az így beállított esetleges híd-aszimmetria éppen kiküszöbölje a véges közös módusú elnyomásból származó hibafeszültséget is. Látható, hogy a véges közös módusú elnyomás nem akkora probléma, mint az az els látásra t2nik. A megépített berendezésben egy kicsit más felépítés2 er sít t alkalmaztam. Az eltérés lényege az, hogy a m2veleti er sít invertáló és neminvertáló bemenetei közvetlenül kapcsolódnak a hídátlóhoz. Ez az úgynevezett hídáram-er sít . Uref R2 R- R

R+ R

R+ R

R- R R2

Uki

11.ábra. A berendezésben alkalmazott hídáram-er sít

Az er sít t vizsgálva felvet dik a kérdés, hogy a kapcsolás lineáris m2ködés2-e, azaz az Uki kimen feszültség egyenes arányban áll-e a nyúlásmér bélyegek R/R relatív ellenállás-változásaival. Vizsgálataim során a fenti kapcsolást elemeztem, az R2

18

A mér berendezés tervezése ellenállások teljes azonosságát, valamint az ofszetfeszültség nulla értékét feltételezve, hiszen ezek a tényez k a már említett módon kompenzálhatók. A m2veleti er sít bemen áramát azonban figyelembe vettem. A vizsgálatot a következ átrajzolt, de teljesen ekvivalens kapcsolásra végeztem el, ami a számítások egyszer2bbé, átláthatóbbá tétele érdekében történt. A bemen munkaponti áramot az er sít adatlapja alapján 30pA nagyságúnak, és a két bemenetre vonatkozólag egyenl nek tételeztem fel. A helyettesít kapcsolás ennek megfelel en a következ képpen alakul: R5* R1* R3* Uki Uref

IBias

R4

*

R2*

IBias

12.ábra. A mér fej és a mér er sít helyettesít kapcsolása

A helyettesít kapcsolásban az alábbi bevezetésekkel éltem: R1*=R+ R, R2*=R- R, R3*=R- R, R4*=(R+ R) R2/(R+ R+R2), és R5*=R2. A csomóponti potenciálok módszerét alkalmazva a kimen feszültségre a következ kifejezés adódik: U ki = U ref

R4* R1* R2* + R2* R5* + R1* R5* R5* + * + I Bias R5* * * * R + R4 R1 R2 R1 * 3

R3* R4* R1* R2* + R2* R5* + R1* R5* R3* + R4* R1* R2*

Az IBias bemen munkaponti áram szorzótényez jének értéke a csillagos ellenállásértékekbe történ visszahelyettesítés után nullának adódik, így a bemen áram nem befolyásolja a kimen feszültség értékét. A létrejöv nemlinearitást az okozza, hogy a négy nyúlásmér bélyeg nem mindegyikével van egy – bár nagy érték2 – állandó ellenállás párhuzamosan kapcsolva. Így a fenti kifejezésbe az eredeti ellenállásértékeket behelyettesítve analitikusan megadható a nemlinearitás. A szemléletesség és a gyors kiértékelhet ség kedvéért azonban numerikus analízist végeztem. A kifejezést vizsgálva azt az eredményt kaptam, hogy a nyúlásmér bélyegek relatív ellenállásváltozásaitól azaz R/R-t l a kimeneti feszültség valóban nem teljesen lineárisan függ, de ez az eltérés annyira csekély, hogy az alkalmazás szempontjából nincs semmilyen jelent sége, hiszen a relatív hiba mindenhol jóval egy század százalék alatt marad. Belátható, hogy a szimmetrikus feszültséger sítés Aus= 2 R2/R érték2, így az er sít t követ analóg-digitál átalakító felbontását, valamint teljes kivezérléséhez szükséges feszültséget figyelembe véve, a mér fej érzékenységének ismeretében a szükséges er sítés, így az R2 ellenállás értéke számítható. Az elvégzett numerikus analízis során a mér fej esetében elvárható lineáris er -relatív ellenállás-változás összefüggést feltételezve, 2000N húzóer ig számoltam a kimen feszültség elméleti értékhez képest kapott relatív hibáját. A szimuláció során a mér fej el zetes vizsgálata során kapott értékeket vettem alapul, a szükséges er sítést pedig a következ képpen határoztam meg. A felhasznált analóg-digitál átalakító 10bit felbontású, s a teljes kivezérléshez 5V tartozik. Így 1 LSB változás eléréséhez a bemenetén 5/210=4.8828mV feszültségváltozás szükségeltetik. A szükséges er sítés értékét befolyásoló további

19

A mér berendezés tervezése paraméter a mérni kívánt legnagyobb er , illetve a berendezést l elvárt felbontás. Az alkalmazott mér fej névleges maximális terhelhet sége 750N. Így elvileg lehet ség nyílik az 1N felbontás elérésére is, azonban mint arra kés bb még visszatérek, célszer2bb a felbontást felére, azaz 2N-ra csökkenteni, ami az esetlegesen nagyobb terhelhet ség2 mér fej alkalmazása esetén mindenképpen elengedhetetlen, valamint kés bb részletezend m2szaki okok is erre az elhatározásra késztettek. Így tehát a cél az, hogy a mér fejre ható 2N er változás esetén az er sít kimenetén 1 LSB változást el idéz , azaz kb. 5mV feszültségváltozás jöjjön létre. Az 5V-os hídtápláló feszültséget figyelembe véve a mér fej 1N er hatására 14µV feszültségváltozást ad a hídátlóban. Így a szükséges er sítés Au=4.88mV/(2 14µV) 174. Az er sít er sítése Au= 2 R2/R, így a 400 -os nyúlásmér bélyegeket figyelembe véve R2=34.86k adódik. A megépített áramkörben e helyen 33k érték2 ellenállások kerültek beépítésre, az érzékenység pontos beállítása pedig a hidat tápláló feszültség finom beállításával lehetséges. Az áramkör er sítése az adott ellenállások mellett elméletileg 165, s a mér fej 5V-os táplálása esetén a 14µV/N érzékenységet figyelembe véve kerültek kiszámításra az er függvényében a kívánt kimen feszültségek, valamint a csomóponti potenciálok módszerével felírt kifejezésb l a tényleges kimen feszültségek. E két értékb l relatív hibát számolva adódott az alábbi grafikon.

Relatív hiba 3.5 10-5 3.0 10-5 2.5 10-5 2.0 10-5 1.5 10-5 1.0 10-5 0.5 10-5 0

0

200

400

600

800

1000 1200 1400

1600

1800 2000 Er , Newton

13.ábra. Az er -kimen feszültség összefüggés relatív hibája

A kapott számítási eredményeket vizsgálva látszik, hogy a keletkezett nemlinearitás rendkívül elenyész , a felbontásnál nagyságrendekkel kisebb, így hatásával a következ kben nem kell foglalkozni, a rendszer lineárisnak tekinthet . A gyakorlati

20

A mér berendezés tervezése mérések során kiderült, hogy az er sít h mérsékletfüggése elég jelent s, s bár pontos h mérsékletek mérésére nem volt lehet ségem, elég jól látszott, hogy 10°C körüli h mérséklet-változás hatására az er sít kimenetén 1 LSB nagyságú eltérések keletkeznek. A h mérséklet változása a rendszer érzékenységét elméletileg nem befolyásolja, hacsak az R2 ellenállás h mérsékletfüggését figyelembe nem vesszük. Az R2 ellenállás h mérsékletfüggéséb l adódó hiba függ az aktuálisan mért er t l, legrosszabb eset a kivezérlés maximumánál jelentkezik. Ahhoz, hogy ez a h mérsékletfüggés az analóg-digitál átalakító bemenetén 1 LSB nagyságú feszültségváltozást eredményezzen 1000N er esetén, az R2 értékének 0.1%-os megváltozást kellene produkálnia. 25 ppm h mérsékleti tényez j2 ellenállást használva ekkora változást 40°C h mérséklet-változás okozna. A helyzetet tovább javítja, hogy 100N esetén már kb. 2% eltérés jelentene 1 LSB-t, így ez a követelmény könnyen teljesíthet . A h mérsékletváltozásra kapott feszültségváltozás tulajdonképpen tehát nem más, mint az ofszetfeszültség h mérsékletfüggése, azaz a h mérsékleti drift. Ennek kiküszöbölése csak nehézkesen lenne megoldható, így a berendezésben más megoldás került alkalmazásra. Összefoglalásképpen megállapítható, hogy az olcsó m2veleti er sít és az egyszer2 kapcsolástechnika ellenére a kit2zött céloknak a vázolt áramkör minden szempontból tökéletesen megfelel, s ezt a gyakorlati tapasztalat is bizonyította. 3.1.3.

Az analóg-digitál átalakító

A teljes rendszer szempontjából szintén nagy jelent séggel bír az alkalmazott analóg-digitál átalakító. Paraméterei alapvet en befolyásolják a mér rendszer tulajdonságait, s a vele elérhet pontosságot. A típusválasztás alkalmával el térbe került az a szempont, hogy a digitális adatok soros formában legyenek kinyerhet k az integrált áramkörb l. Ez a tény jelent sen lesz2kítette a választható áramkörök palettáját. Egy analóg-digitál átalakítót a következ f bb paraméterek jellemeznek: • • • • • • •

felbontás, azaz a bitszám, bemeneti feszültség-tartomány, az átalakítás módja, csatornaszám, az átalakítás sebessége, konverziós id , digitális interfész típusa, mintavev -tartó megléte ill. hiánya.

A megkívánt felbontás minimum 10 bites átalakítót követel meg, ez még árban is elérhet eszközt jelent. A bitszám növekedtével ugyanis - az egyre fokozódó pontossági igényekb l kifolyólag - az átalakító ára is er sen növekszik. Az átalakítás metódusa alapvet en az átalakítás sebességére, valamint a mintavev -tartó szükségességére van kihatással. A csatornaszám jelen alkalmazásban nem bír különösebb jelent séggel, hiszen az esetlegesen több forrásból érkez lassú jelek egy analóg multiplexerrel könnyen kiválaszthatók, s az átalakító bemenetére kapcsolhatók. A konverziós id az adott felhasználást tekintve szintén nem kifejezetten fontos paraméter, hiszen a vizsgálandó jelek az alacsony frekvenciatartományba esnek, így e jelek - a multiméterekben alkalmazott dual-slope elv2 átalakítókat kivéve - szinte bármivel digitálissá alakíthatók. Az interfész típusára vonatkozó megkötést, nevezetesen a soros

21

A mér berendezés tervezése átvitel igényét, kés bb ismertetend okokból tettem, de az els dleges szempont tulajdonképpen az volt, hogy így lényegesen kevesebb vonal szükséges az átvitelhez. A mintavev -tartó megléte szintén nem túl lényeges tényez , tekintve a jelek meglehet sen alacsony frekvenciatartományát. E szempontokat figyelembe véve a különböz gyártók katalógusaiban történ böngészés során kerestem a megfelel eszközt. A kiválasztás alapja els sorban sajnos a beszerezhet ség volt, így került a berendezésbe a Linear Technology cég LTC1091 típusú 10 bites, szukcesszív approximációs elv2 áramköre. Az átalakító a következ fontosabb paraméterekkel rendelkezik: [5] Paraméter Felbontás Tápfeszültség Tápáram, tip. Teljes linearitáshiba, max. Konverziós id Csatornaszám Full Scale-hez tartozó bemeneti feszültség

Érték 10 5 1.5 0.5 20 2 5

Dimenzió bit V mA LSB µs db V

2.táblázat. Az LTC1091 fontosabb paraméterei Clk Kimeneti shift regiszter

Bemeneti shift regiszter

Din In 0 In 1

GND

Multiplexer

Mintavev tartó

Komparátor

10 bites szukceszszív approximációs regiszter

10 bites kapacitív DAC

Vezérlés, id zítés

Dout

CS

Vcc

14.ábra. Az LTC1091 bekötése, tömbvázlata

Az integrált áramkör m2ködése röviden a következ : az átalakítandó jelet képvisel 0..5V közötti feszültség az In0 vagy In1 bemenetekre kerül. Az analóg multiplexer e jelek valamelyikét, vagy a két bemenet közötti feszültségkülönbséget tetsz leges polaritással használva a mintavev tartó áramkörre juttatja. Az átalakító szinkron soros átvitelt használ, a Clk bemenetére érkez órajel felfutó élénél vesz mintát a Din bemenetre érkez jelb l, és az órajel lefutó éleinél változtatja a Dout kimenetének állapotát. Mivel a Din bemeneten, valamint a Dout kimeneten egyszerre soha nincs információáramlás, és a Dout kimenet nagyimpedanciás állapotban van a konfigurációs bitek érkezése alatt, a két vezeték össze is köthet , de ekkor kétirányú átvitelre képes egységre van szükség. A soros megoldás el nye, hogy ebben az esetben mindössze

22

A mér berendezés tervezése három vezetékre van szükség az illesztéshez. Az átalakítás a következ képpen zajlik: A vezérlést végz eszköz (általában egy mikroprocesszor) az átalakítás kezdetén a tokot a -CS jel alacsony szintre húzásával választja ki. Ezután órajelet küld a Clk lábon, mialatt a Din lábra bitenként elküldi az ún. konfigurációs szót. Ez jelen esetben négy értékes bitb l áll, melyek a következ k: az els bit kötelez en 1 érték2, ez jelzi az átvitel kezdetét (start bit). A következ két bit az analóg multiplexert vezérli. Segítségükkel választható ki az egyik vagy másik bemenet, illetve földfüggetlen differenciál-bemenet képezhet ki a két bemenetb l, tetszés szerinti polaritással. A negyedik bit a kimen bitfolyam sorrendjét állítja be, nevezetesen azt, hogy melyik adatbit érkezzen els nek, a legmagasabb vagy a legalacsonyabb helyiérték2. A továbbiakban a Din bemenet állapota nem befolyásolja a m2ködést. Ezután egy üres óraciklus következik, itt van lehet ség arra, hogy az összekötött Din és Dout vezetékek esetén a mikroprocesszor a megfelel portvezetékét átkonfigurálja kimenetr l bemenetre. A Dout vonal a konfigurációs szó beírása alatt nagyimpedanciás állapotban van, majd az üres óraciklus alatt 0 értéket vesz fel. A következ 10 óraciklus alatt pedig Dout vonalon egymás után, a beállított sorrendnek megfelel en megjelennek a digitális adatot reprezentáló bitek. A folyamat a -CS vonal magas szintre állításával végz dik. A 15. ábra ezt az adatátviteli folyamatot szemlélteti abban az esetben, ha differenciál bemenetet alakítunk ki, úgy hogy a In0 bemenet negatív, az In1 pedig pozitív, valamint a legmagasabb helyiérték2 bitet küldjük els nek. CPU küldi 0

1 Start

1. byte SGL/ ODD/ MSB DIFF SIGN First

2. byte X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

CS DON’T CARE

Din Clk Dout

?

?

CPU fogadja

?

?

?

1. byte

0

B9 B8

B7 B6 B5 B4

B3 B2 B1 B0

2. byte

15.ábra. Adatáramlás a processzor és az A/D konverter között

A konfigurációs szóban található SGL/DIFF, valamint az ODD/SIGN bitek a következ képpen befolyásolják a multiplexer m2ködését:

23

A mér berendezés tervezése

Multiplexer cím SGL/DIFF ODD/SIGN 1 0 1 1 0 0 0 1

Bemenet 0 + + -

GND 1 + +

-

3.táblázat. Az LTC1091 multiplexerének üzemmódjai

A bels m2ködés ismerete az alkalmazás szempontjából nem különösebben lényeges, f bb vonalakban a következ : A multiplexer kimenete egy mintavev -tartó áramkörre kerül. A mintavétel a SIGN/ODD konfigurációs bit id tartama alatti órajel felfutó élét l az MSBF bit utáni lefutó élig terjed. Az ezt követ órajelek az ún. szukcesszív approximációs regisztert ütemezik. Ez az áramkör a kimenetére kapcsolt digitál-analóg átalakítónak a következ szisztéma szerint állítja be a kimen feszültségét: legel ször a legmagasabb helyiérték2 bit válik 1 érték2vé, s a kapott feszültséget a mintavev -tartó kimenetén lév , mérni kívánt feszültséggel összehasonlítja egy komparátor. Ha a D/A átalakító kimenetén nagyobb a feszültség, akkor a legnagyobb helyiérték2 bit 0 lesz, egyébként 1 marad. Ezután az eggyel kisebb helyiérték2 bitre történik meg ez a vizsgálat. A legkisebb helyiérték2 bitig eljutva a konverzió 10 lépésben megtörténik. Látható, hogy a mintavev -tartó áramkör rendkívül fontos, hiszen a komparátorra kerül mérend feszültség a fokozatos közelítés id tartama alatt nem változhat, hiszen ez befolyásolná a kapott eredményt. A kapott bitsorozat a Dout kivezetésen jelenik meg. Az integrált áramkör felhasználását illet en fontos tudnivaló, hogy ez az eszköz unipoláris, azaz kizárólag pozitív feszültségek feldolgozására képes, s t a negatív vagy a tápfeszültségnél nagyobb bemen feszültségek az áramkört tönkre is tehetik. Ezt a tervezés során mindenképpen figyelembe kell venni. Az 5V-os Full Scale értékb l már sejthet , hogy az áramkör referencia-feszültségként a saját tápfeszültségét alkalmazza. Ez nem túl szerencsés megoldás, hiszen a számos digitális áramkörrel telet2zdelt berendezésben nehezen biztosítható, hogy a tápfeszültség olyan tisztaságú, stabilitású legyen, ami egy precíz alkalmazás során referencia-feszültségként szükségeltetik. A másik hátránya ennek a megoldásnak, hogy a teljes kivezérléshez viszonylag nagy feszültségérték tartozik, ami az áramköröket tápláló feszültségforrástól kényelmetlenül magas feszültségértéket követel meg. Így a tápfeszültségek el állítására, sz2résére, stabilizálására különös gondot kell fordítani. 3.1.4.

A mikrokontroller kiválasztása

A berendezés mikrokontroller-vezérelt, hiszen a sok vezérlési, számítási funkciót tisztán hardver síkon nem célszer2 megvalósítani. Az eszköz kiválasztásánál f ként a következ tényez k játszottak szerepet: • • • • •

alacsony fogyasztás, minél kevesebb küls alkatrész, egyszer2 felprogramozhatóság, megfelel fejleszt környezet, könny2 beszerezhet ség, alacsony ár.

24

A mér berendezés tervezése Míg néhány évvel ezel tt szinte kizárólag az Intel cég valamely mikrovezérl je, pl. a közkedvelt MCS-51 család, rosszabb esetben a ma már elavult Zilog Z80-as család termékei jöhettek volna szóba, addig mára számos korszer2 mikrokontroller kapható a piacon, s ezek jelent s hányada hazánkban is beszerezhet . E korszer2 mikrovezérl k közös tulajdonsága a meglehet sen alacsony fogyasztás, s a régebbr l megszokott nehézkes kiszolgáló áramkörök elmaradása. A modern mikrokontrollerek legnagyobb része bels programmemóriát alkalmaz, ezzel csökkentve a szükséges kivezetések számát, illetve több portvezetéket hagyva a szükséges feladatok megoldására. A bels programmemória azzal az el nnyel is jár, hogy a programmemóriát nem szükséges egy külön integrált áramkörrel megvalósítani, s ez tápenergia-, hely- és költségmegtakarítást eredményez mindamellett, hogy a sok kivezetéssel ellátott memória-áramkörök miatt a szükséges nyomtatott huzalozás is sokkal bonyolultabbá válik. Az MCS-51 család is rendelkezik bels programmemóriás típusokkal, egyik ilyen a 8751 típusú mikrokontroller, melynek CMOS verziója is létezik, így csökkentve a fogyasztást. Ezen IC nagy el nye a szabadon maradó portvezetékek nagy száma, ami a felhasználást jelent sen egyszer2bbé teszi, hiszen nem szükséges küls áramkörökkel gondoskodni a megfelel számú portvezeték biztosításáról. A sok kivezetés azonban azt a hátrányt rejti magában, hogy az áramkör tokozása a negyven kivezetésnek köszönhet en meglehet sen nagy méret2, ezzel is bonyolítva a nyomtatott áramkör tervezését. A 8751-es további hátrányai közé sorolható a meglehet sen magas ár, amit a kvarcablakos tokozás indokol, valamint a speciális programozó berendezés szükségessége. E szempontokat figyelembe véve a Microchip cég PIC mikrokontrollerei között kerestem a számomra megfelel típust. Ezek az integrált áramkörök nevezetesek az alacsony fogyasztásukról, minimális számú küls alkatrész igényükr l, valamint a beépített perifériák széles választékáról. Léteznek típusok, melyek beépített, esetleg többcsatornás analóg-digitál átalakítót is tartalmaznak, mint pl. a PIC14000 típus. A portvezetékek száma széles határok között változik, így a 8 kivezetéses tokozású eszközt l 40 kivezetésesig számos típus létezik. Ezekhez a mikrovezérl khöz a Parallax cég nagyon jó fejleszt rendszereket dolgozott ki, s az eszközök felprogramozása is meglehet sen egyszer2en megvalósítható. A programtárolók lehetnek ROM jelleg2ek, ezekkel nem foglalkozom, hiszen ezeket a gyártás során a megfelel fémezés kialakításával lehet programozni, s csak igen nagy darabszám esetén gazdaságos az el állításuk. Az EPROM-ot tartalmazó típusok két csoportra oszthatók. Az egyik a hagyományos plasztik tokozású eszközök csoportja, amely a tokozásból kifolyólag ún. OTP, azaz egyszer programozható típus. Felprogramozás után a fényt át nem ereszt m2anyag tokozásból kifolyólag többé a programmemória nem törölhet , így a program nem írható át. A másik csoportba tartoznak azok az eszközök, amelyek fizikailag ugyanazt az áramkört tartalmazzák, de egy kvarcablakkal ellátott fémkerámia tokban. Ekkor a programmódosítás a jól ismert UV fénnyel való törlés utáni újraprogramozás által lehetséges. Azontúl, hogy az EPROM-ok törlése néhány percet igényel, s ez a programfejlesztés során jelent s kényelmetlenséget okoz, ezek az eszközök éppen a tokozásuk miatt rendelkeznek egy hátránnyal. A kvarcablakos fémkerámia tok ugyanis eléggé költséges, a m2anyagtokos verziókhoz képest többszörös a kvarcablakos típusok ára. A PIC mikrokontrollerek között van azonban egy típus, amely egyesíti magában a m2anyagtok olcsóságát az EPROM többszöri felhasználhatóságával. A PIC16C84, valamint ennek újabb verziója a PIC16F84 ún. Flash EEPROM-mal rendelkezik. Ez elektromosan törölhet , mégpedig rendkívül rövid id alatt, így az eszköz m2anyagtokba építhet . Ezáltal jelent s költségmegtakarítás érhet el, és a programfejlesztés is kényelmesebbé tehet . A felhasználás komfortját tovább növeli az

25

A mér berendezés tervezése a megoldás, amit a gyártó ICSP-nek nevez, s lehet vé teszi, hogy a tokot úgy lehessen felprogramozni, hogy azt az áramkörb l ki sem kell emelni. 3.1.5.

A PIC16F84 típusú mikrokontroller

A Microchip cég PIC16F84 típusú mikrokontrollere az alábbi tulajdonságokkal rendelkezik: [6] • • • • • • • • • • • • • •

Harvard-architektúrájú RISC processzor 35 utasítással, 10MHz maximális órajel, 400ns-os gépi ciklus, az elágazó utasítások kivételével minden utasítás egy ciklus alatt végrehajtódik, 8 bites aritmetikai és logikai egység, 14 bites programkód-szóhosszúság, 1kszavas Flash programmemória, 68 byte RAM, 8 szint2 verem, 64 byte EEPROM (felhasználói adatok tárolására), megszakítási lehet ség, beépített id zít /számláló egység, 13 db kétirányú portvezeték, watchdog timer, SLEEP funkció, alacsony fogyasztás (kevesebb, mint 2mA), In-circuit programozási lehet ség.

Mindezen tulajdonságok mellett ez a mikrovezérl igen kedvez árú, könnyen programozható, és egy jól átgondolt fejleszt rendszer is hozzáférhet . A következ kben röviden ismertetem az eszköz fontosabb tulajdonságait, s tömbvázlat szinten a bels felépítését is, hiszen az alkalmazás szempontjából ennek ismerete elengedhetetlen. Az alkalmazott Harvard-architektúra azzal az el nnyel jár, hogy az adatszavak és az utasításszavak hossza különböz lehet. Esetünkben az adatok 8, míg az utasítások 14 bit hosszúak. Ez a megoldás teszi lehet vé, hogy az utasítások egy szóból álljanak. Az utasítások egy részének operandusa is van, esetleg több is. A PIC mikrokontrollerek esetében az egyik operandus mindig a W-nek nevezett akkumulátorban van, míg a másik lehet konstans vagy a RAM valamely regisztere. Ezt az információt vagy az utasítást követ szóban tároljuk, vagy olyan széles utasításszavakat választunk, hogy bennük az operandus is elférjen. Ez utóbbi megoldás gyorsabb végrehajtást tesz lehet vé, s PIC mikrokontrollerekben is ezt alkalmazzák. Így a legtöbb utasítás mindössze egy tárolóhelyet foglal el a programmemóriában. A processzor RISC jelleg2, ami azt jelenti, hogy meglehet sen kevés típusú, egyszer2 utasítást használhatunk. Azonban a tapasztalat azt mutatja, hogy az esetek bizonyos részében hatékonyabbak az ilyen eszközök a CISC eszközöknél. A PIC16F84 esetében a RISC jelleg a processzor által értelmezhet , mindössze 35 utasítást jelent. Az egyszer2 utasítások használata viszont azt az el nyt rejti magában, hogy 10MHz órajel mellett 2.5 millió utasítást hajt végre a processzor másodpercenként. Az MCS-51 családdal összehasonlítva a PIC sebessége azonos órajel mellett kétszeres, az adott feladathoz szükséges programkód pedig átlagosan fele akkora az Intel mikrovezérl ihez képest. Az áramkör felépítéséb l adódóan az utasítások végrehajtása négy órajel ciklus alatt megy végbe. A sebesség növelése érdekében a processzor pipeline-technikát alkalmaz, azaz az aktuális utasítás végrehajtásával egyid ben történik a következ utasítás beolvasása. Az ugró utasítások

26

A mér berendezés tervezése esetében a következ utasítást el kell dobni, hiszen a program futása ez esetben nem címfolytonosan halad. A bels 68 byte RAM általános felhasználású regiszterként

16.ábra. A PIC16F84 bels felépítése

alkalmazható. E regiszterek mind 8 bit szélesek, és közvetlenül, vagy indirekt módon címezhet k. A mikrovezérl perifériáinak és egyéb funkcióinak kezelése az ún. SFR-en, a speciális funkció-regisztereken át történik. Ezek a RAM egy bizonyos területén implementált regiszterek, melyeken át számos funkció elérhet . A verem nyolc szint2, az általános felhasználású regiszterekt l teljesen függetlenül megvalósított egység. Kizárólag a megszakítás hívásakor és szubrutinhíváskor menti el a programszámláló értékét, tehát a verem a felhasználó számára nem elérhet . A PIC16F84-es két I/O portot tartalmaz. Az RA öt bit széles, míg az RB nyolc bit széles kétirányú port. Az egyes portvezetékek bizonyos szempontból eltérnek egymástól, az alábbi táblázat tartalmazza a portvezetékek funkcióit és a bels áramköri jellemz ket. Név RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/T0CKI

I/O típus TTL TTL TTL TTL ST

Funkció Bemenet/kimenet Bemenet/kimenet Bemenet/kimenet Bemenet/kimenet Bemenet/kimenet, a TMR0 órajel bemenete, open drain

4.táblázat. A PIC16F84 RA portja

27

A mér berendezés tervezése

Név RB0/INT RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6/SClk RB7/Sdata

I/O típus

Funkció

TTL/ST TTL TTL TTL TTL TTL TTL/ST TTL/ST

Bemenet/kimenet, küls megszakítás, programozható pull up Bemenet/kimenet, programozható pull up Bemenet/kimenet, programozható pull up Bemenet/kimenet, programozható pull up Bemenet/kimenet, programozható pull up, változásra megszak. Bemenet/kimenet, programozható pull up, változásra megszak. Bemenet/kimenet, programozható pull up, változásra megszak. Bemenet/kimenet, programozható pull up, változásra megszak.

5.táblázat. A PIC16F84 RB portja

Az RA port öt vezetékéb l az alsó négy bitet reprezentálók bemenetként TTL kompatibilisek, kimenetként pedig képesek áramot szolgáltatni, elnyelni, vagy nagyimpedanciás módba kerülni. Az RA4 portvezeték bemenetként Schmitt-triggeres kialakítású és a számlálómodul léptetésére is alkalmas, kimenetként pedig open-drain jelleg2, tehát csak elnyelni tud áramot, adott esetben küls felhúzó-ellenállás szükségeltetik. Az RB port alsó négy portvezetéke kimenetként képes áramot szolgáltatni, elnyelni, vagy nagyimpedanciás módba kerülni, programozhatóan egy nagyérték2 felhúzóellenállás is beiktatható. Bemenetként TTL jelleg2ek, de az RB0 Schmitt-triggeres, ha ezt a lábat megszakítás kiváltására használjuk. A fels négy portvezeték kialakítása kimenetként megegyezik az alsó négy portvezetékkel. Bemenetként használva azonban programozhatóan az egyes vonalak változására megszakítás generálódhat. Az RB6 és RB7 speciális funkciója a felprogramozás során az órajel valamint a soros adatok fogadása, ekkor e bemenetek Schmitt-triggeres jelleg2ek. A mikrovezérl tartalmaz egy nyolcbites számlálót, mely írható-olvasható, túlcsordulása megszakítást képes generálni, órajelét egy programozható el osztón keresztül a rendszerórajelb l vagy az RA4-es portvezetékr l kapja. A beépített 64 byte méret2 EEPROM a program futtatása során írható-olvasható, ide tehát olyan adatokat menthetünk, amelyeket a tápfeszültség megsz2nése esetén is meg kívánunk rizni. A gyártó egymillió írási/törlési ciklust és 40 év adatmeg rzési id t garantál. Az EEPROM az SFR-en keresztül érhet el. Az órajel el állításának módja sokféle lehet. Választhatunk akár RC oszcillátort, de kvarc és kerámiarezonátor felhasználására, esetleg küls órajel bevezetésére is van lehet ség. A watchdog timer, az oscillator startup timer és a power-up timer a megbízható m2ködést garantálják. A tok bels resetáramkörrel rendelkezik, így a legtöbb alkalmazásban külön reset-áramkörre nincs szükség. A PIC mikrokontrollerek szokatlan utasításkészlete nem talált lelkes fogadtatásra a felhasználók körében. Ezt felismerve a Parallax cég, egy megszokott mnemonikájú és m2ködés2 utasításokat tartalmazó készletet definiált. Ez az utasításkészlet a népszer2 MCS-51 utasításkészletéhez hasonlít. A Parallax fordítóprogramja az Intel-szer2 utasításokat lefordítja egy vagy több PIC-utasításra, s ebb l állítja el a futtatható kódot. Az el állított kód egy olcsó hardver segítségével letölthet a PIC-be. 3.1.6.

A digitális rész

A mér berendezés vezérlését tehát az el bbiekben röviden ismertetett mikrokontroller végzi. Sajnos azonban e típus számos el nye mellett azzal a hátránnyal rendelkezik, hogy a szükséges alkalmazást tekintve meglehet sen kevés portvezetéke

28

A mér berendezés tervezése van. A berendezésben ugyanis számos vezérlési funkciót, illesztést kell megvalósítani, melyek a következ k: • • • • •

Az analóg-digitál átalakító illesztése, A kijelz meghajtása, A személyi számítógép felé a soros illesztés biztosítása, Az el lapi nyomógombok lekérdezése, A tápegység bizonyos funkcióinak vezérlése.

Ezek a feladatok nagyszámú vonalat igényelnek. A szükséges portb vítés többféleképpen realizálható. Lévén ezek a mikrokontrollerek nem rendelkeznek valódi cím illetve adatbusszal, a portkialakítási célra kifejlesztett integrált áramkörök alkalmazása e helyen nem szerencsés. Marad tehát az MSI tokok felhasználása, mely kétféle módon képzelhet el. Az egyik megoldás szerint a megfelel számú bemen és kimen portvezetéket shiftregiszterekkel alakítjuk ki. E módszer vitathatatlan el nye a kevés portvezeték felhasználásában rejlik, ugyanakkor programozástechnikailag jóval bonyolultabb és lassabb is. A másik lehet ség a latch-ek alkalmazása. Mindamellett, hogy ez a megvalósítás sokkal több mikrovezérl -kivezetést foglal le, olyan el nyökkel rendelkezik, melyekb l kifolyólag ezt a lehet séget választottam. A bemenetek számának növelése egy egyszer2 multiplexer alkalmazásával valósítható meg. A kés bb ismertetend folyadékkristályos kijelz meghajtásához 24 vezeték szükséges, további nyolc a berendezésen belüli vezérlési, adatátviteli célra szükséges, valamint négy bemeneti portvonalat is ki kell alakítani. A kimenetek realizálása érdekében a 32 vonal kialakításához négy darab nyolcbites latch szükségeltetik, a négy bemeneti vonal közül pedig egy négyr l-egyre multiplexer segítségével választjuk ki az éppen beolvasni kívánt vonalat. A négy latch beíró jelét pedig egy kett r l-négyre dekóder szolgáltatja. Ezek szerint a latch-ek kiválasztására kett , a beírandó adatbyte kivitelére nyolc, a multiplexer vezérlésére kett , a beolvasandó adat számára pedig egy portvezetéket kell alkalmazni a mikrokontrolleren. Ez pontosan 13 vezetéket jelent, azaz a PIC összes I/O vonalát felhasználtuk. A következ oldalon vázolt elrendezéssel a szükséges 32 kimeneti, valamint 4 bemeneti vonal egyszer2en, CMOS áramkörök felhasználásával kis fogyasztás mellett realizálható. A kis méret elérése érdekében a kijelz t meghajtó három tok nem a f panelen kapott helyet, hanem a kijelz t hordozó panelen, a kijelz alatt lett elhelyezve, s ezzel az egyébként kihasználatlan helyre kerültek a viszonylag nagy méret2 tokok. A megoldás további el nye, hogy a kijelz panel és a f panel között szükséges vezetékek száma nagymértékben lecsökkenthet . Az eddig még nem részletezett vezérlési feladatok a következ k: • • • • •

Az analóg-digitál átalakítóval történ kommunikáció három kimeneti vonalat igényel (-CS, Clk, Din vezetékek), A személyi számítógép felé a soros átvitel biztosítása (TXD), A fogyasztás csökkentése érdekében a mér fejet tápláló feszültséget csak a mintavétel id tartama alatt kapcsoljuk a hídra; ez a vezérlési funkció is egy újabb portvonalat igényel, A tápegység kés bb ismertetend vezérléséb l kifolyólag újabb portvezetékre van szükség, Végül az analóg-digitál átalakító egyik bemenetét tovább kell b víteni egy négy bemenet2 analóg multiplexerrel, s ennek vezérlése további két portvonalat igényel.

29

A mér berendezés tervezése Ezzel a vezérlésre kialakított nyolc vonal mindegyike felhasználásra került, s t pl. a tápegységet vezérl vonal a kés bbiekben három funkcióért is felel s lesz. A négy bemenetet a következ célokra használom: • • • •

Az analóg-digitál átalakítóról érkez digitális információ beolvasása, Az el lapon elhelyezett három nyomógomb állapotainak érzékelése, A személyi számítógép által küldött soros adat beolvasása, (RXD) A normál m2ködés/akkumulátortöltés üzemmód érzékelése. RB0

8 bites latch

PIC16F84

8 bites latch

4-r l 1-re multiplexer

RA4

Clk

8 bites latch

AB

AB

2-r l 4-re dekóder

Clk

8 bites latch Clk

Vezérlési feladatok

Bemenetek

RA0

Kijelz meghajtás

Clk

RB7

17.ábra. A digitális rész tömbvázlata

A digitális rész m2ködése egyszer2, programozástechnikai szempontból is jól kezelhet . A megfelel kimenetekre úgy lehet adatot küldeni, hogy az RB portot megfelel en felprogramozzuk, ezután a kívánt latch-et kiválasztva, annak kimenetén megjelenik a kívánt adat. A kényszer2ségb l alkalmazott (a PIC-nek nem volt több szabad portvezetéke) kett r l négyre dekóder azonban valamelyest megnehezíti a helyzetet. Ha egy latch-be be kell írni valamilyen adatot, akkor el bb be kell állítani az RB portot, s csak ezután lehet az adott latch-et kiválasztani. Ekkor az RB portra helyezett adat a latch kimenetén is megjelenik. Egy másik latch-be íráskor az annak szükséges adatot kell el bb kitenni az RB porta, s ezután kell azt kiválasztani. Látható, hogy szintvezérelt latch alkalmazása esetén a probléma nem megoldható, hiszen a dekóder bemenetére érkez két bit az egyik kimenetet mindig aktívvá teszi, így az egyik latch mindig ki van választva, nem lehet tehát elérni azt, hogy az RB porton megváltoztatjuk az adatot, mert akkor az éppen kiválasztott latch tartalma is átíródik. Ezért szintvezérelt latch helyett élvezéreltet kell alkalmazni. Ezzel azonban egy jelent s el nyt l meg kell válni. Nevezetesen a PIC mikrokontrollerek lehet vé teszik a bit-orientált portcímzést, azaz az egyes portbitek állapotát külön-külön tudjuk befolyásolni. Az élvezérelt latch esetén azonban az RB port állapotából a beírást vezérl órajel felfutó élénél veszünk mintát, s

30

A mér berendezés tervezése ezután hiába változik az RB állapota, a latch kimenetén nem történik változás. A problémára megoldást jelenthet az élvezérelt és szintvezérelt latch-ek vegyes alkalmazása. Ebben az esetben a szintvezérelt latch kiválasztása alatt a latch átlátszó, azaz az RB port változásait a latch kimenete követi. Jelen esetben a kijelz t meghajtó latch-ek élvezéreltek, a vezérl latch pedig szintvezérelt, hiszen itt lényeges a bitcímezhet ség. E megoldás esetében is jelentkezik egy probléma, mégpedig az, hogy a szintvezérelt latch engedélyezésének megszüntetése egy másik, élvezérelt latch beírását jelenti, és az RB porton közben az adat nem változhat, mivel akkor a szintvezérelt latch a megváltoztatott adatot rögzítené kimenetein. Emiatt a szintvezérelt latch kiválasztása után kiválasztott élvezérelt latch tartalma „elromlik” így azt újra kell írni. Ez azonban csak egy újabb latch kiválasztásával történhet, de ekkor az új latch-be már a megfelel adat kerülhet, s ezután az elrontott tartalmú latch-be is bekerülhet a kívánt bitkombináció. Ez a gyakorlatban kicsit bonyolítja a szükséges vezérl programot, de semmilyen problémát nem okoz. 3.1.7.

A kijelz%-egység

A berendezés kijelz jének kiválasztása során alapvet en két lehet ség közül lehet választani. Vagy LED kijelz t alkalmazunk, vagy folyadékkristályos kijelz t választunk. A LED kijelz k olcsók, vezérlésük egyszer2, megfelel használat esetén hosszú élettartamúak, s gyakorlatilag tönkretehetetlenek. Mivel ezek az eszközök fényt bocsátanak ki, így kétségtelenül el nyt jelent, hogy fényszegény helyen ill. sötétben tökéletesen leolvashatók. Nagy környezeti megvilágítás esetén kell árnyékolás nélkül nem nyújtanak megfelel kontrasztot, így a leolvashatóság er sen romlik, ill. lehetetlenné válik. Ezen eszközök másik jelent s hátránya a viszonylag nagy tápenergia-igény, ami szegmensenként 10mA nagyságú áramot jelent. Egy négy digites alkalmazást tekintve, hétszegmenses kijelz ket feltételezve átlagosan 120mA körüli áramfelvétellel számolhatunk. Ez hálózattól független használat esetén er sen behatárolja a berendezés üzemidejét, vagy a szükséges táplálást biztosító szárazelemek vagy akkumulátorok mérete is célszer2tlenül nagyra adódik. Ezért a mér berendezésben nem ezt a lehet séget választottam, bár kívánság esetén opcióként a kialakított hardver lehet vé teszi a fénydiódás kijelz k alkalmazását is. A folyadékkristályos kijelz k (LCD-k) két f csoportra oszthatók. Az egyszer2 LCD-k nem tartalmaznak semmilyen vezérl elektronikát, a megfelel szegmenselektródok egyenként, esetleg valamilyen multiplex rendszer szerint vannak kivezetve. A vezérl elektronikával egybeépített LCD moduloknak több variánsa létezik. Vannak típusok melyek kizárólag numerikus információ megjelenítésére alkalmasak, s BCD vagy bináris kódban fogadják a megjelenítend értéket. Ezek a modulok általában az LCD mellé épített MSI áramkörökkel vannak realizálva. A másik megoldás alfanumerikus célra használható. E modulokkal egy vagy több sorban soronként általában 16-40 karakter jeleníthet meg. Az egyes karakterhelyek legtöbbször 5*7-es pontmátrixos elemek, ezekkel számos karakter megjeleníthet . A pontmátrixos LCD bonyolult vezérlése, s a meghajtás nehézkessége miatt egy vagy több, a modulra integrált sok portvezetékkel rendelkez mikrovezérl végzi a szükséges feladatokat. A felhasználó számára ezek az eszközök rendkívül kényelmesen kezelhet k, mindössze a megfelel vezérl jelek el állításáról kell gondoskodni, s az ASCII kódtábla szerint képesek a karakterek megjelenítésére, s t általában lehet ség nyílik egyéni karakterek el állítására is. Áruk kedvez , megjelenésük tetszet s, bizonyos típusok háttérvilágítással is rendelkeznek. A felhasznált CMOS mikrokontrollereknek, valamint az LCD kapacitív jellegének

31

A mér berendezés tervezése köszönhet en a fogyasztás minimális, a nagyobb karakterszámú kijelz k esetén is mindössze 10mA körüli érték, természetesen háttérvilágítás nélkül. Mindezek az el nyös tulajdonságok ellenére van egy, a jelen alkalmazás szempontjából hátrányos tulajdonságuk. A kereskedelemben kapható széles típusválaszték ellenére a beszerezhet modulok karaktermérete meglehet sen kicsi, így a leolvasás nagyobb távolságokból nehézkessé válik. E tény késztetett arra a döntésre, hogy a mér berendezésben egyszer2 LCD-t alkalmazzak, az ezzel járó bonyolultabb hardver és a komplikált programozástechnikai megoldások ellenére. Az egyszer2 LCD alkalmazása összességében tápenergia- és költségmegtakarítást is eredményez, hiszen egy LCD modul ára az elektronika nélküli LCD-hez képest körülbelül háromszoros. A CMOS latch-ekkel együtt is az egész kijelz fogyasztása elenyész , az egész digitális rész áramfelvétele a mikrokontrollerrel együtt a mérések szerint mindössze 1mA alatti érték. Ezekért az el nyökért a némileg bonyolultabb felépítéssel kell fizetni. 3.1.8.

A folyadékkristályos kijelz%

A felhasznált LCD egy multiméterekben alkalmazott 3½ digites típus. Röviden kitérek a folyadékkristályos kijelz k m2ködésére, hiszen a megvalósítás szempontjából ez lényeges. A folyadékkristályos kijelz k nem félvezet elemek. A fénydiódáktól eltér en nem keltenek fényt, hanem küls megvilágítás mellett láthatók. Az optikai hatás alapja, hogy a folyadékkristályos elem ráadott feszültség nélkül átlátszó, ezért világosnak látszik, feszültség hatására azonban átlátszatlanná válik, így sötét árnyalatot mutat. A folyadékkristályos elem két, üveglemezre felvitt átlátszó elektródával rendelkezik, melyek között kristályos feszültségérzékeny anyag helyezkedik el. Az elektródák közötti elektromos térrel e kristályok elrendez dése megváltoztatható, s ez az áthaladó fény polarizációs síkját megváltoztatja. Megfelel polarizátorok alkalmazásával feszültség hatására a fenti sötétedési jelenség jön létre. Az eszköz elektromos szempontból kondenzátorként viselkedik, tehát áram elvileg nem folyik át rajta. A folyadékkristályok azonban az egyenfeszültség hatására létrejöv elektrolízis következtében tönkremennek, néhányszor 10mV egyenfeszültség is drasztikusan csökkenti az élettartamot. Ebb l kifolyólag zérus középérték2 váltakozó feszültséget kell használni a kijelz meghajtására. E feszültség effektív értékének nagyságát pedig a kijelz vel elérni kívánt kontraszt befolyásolja. Kontraszt 100% 90%

10% 0% 0

1

2

3

4

5 Ueff, V

18.ábra. A folyadékkristályos kijelz k kontrasztja a vezérl feszültség effektív értékének függvényében

32

A mér berendezés tervezése A görbét vizsgálva látszik, hogy kb. 1.5V alatt a kijelz gyakorlatilag nem mutat sötétedést, 3V felett pedig eléri a maximális kontrasztját. Így a digitális áramkörök táplálására használt 5V tápfeszültség elegend a kijelz táplálására is. A kijelz kapacitása 1nF/cm2 körüli érték, ezt a vezérl jel frekvenciájának megválasztásánál kell figyelembe venni, hiszen a kondenzátoron átfolyó áram a frekvencia növekedtével növekszik. Az alsó korlátot a villódzás elkerülése érdekében tett kritérium határozza meg, így a gyakorlatban 50..100Hz frekvencia alkalmazása célszer2. Ebben az esetben az egyes folyadékkristályos elemeken átfolyó áram 1µA alatt marad. Az általam használt kijelz nem multiplex típus. Ez azt jelenti, hogy az egyes szegmenselektródok egyenként ki vannak vezetve, valamint az ellenelektród, a hátlap szintén kivezetésre került. A szükséges nulla középérték2 váltakozó feszültség el állítása a kívánt elektródokon a szimpla 5V tápfeszültségb l els hallásra talán nehézkesnek t2nhet, pedig a megoldás egészen egyszer2. A feladat mindössze annyi, hogy az aktív szegmensek elektródjait ellenkez logikai szintre kell kapcsolni, mint amin a hátlapelektróda (backplane, BP) az adott pillanatban van. Az aktivizálni nem kívánt szegmenseket pedig a hátlapelektród potenciáljára kell hozni. A zérus középérték érdekében a hátlapelektródot felváltva kell 0 és 1 logikai szint2re húzni, úgy hogy az itt lév négyszögjel 50% kitöltési tényez j2 legyen. Ekkor az összes kívánalom teljesül, az LCD megfelel meghajtása megoldódott. A CMOS eszközök tulajdonságaiból adódóan a logikai 0 és 1 szint néhány mV-ra megközelíti a 0V és a tápfeszültség értékét, így jól alkalmazhatók erre a célra, valamint a CMOS eszközökkel a kis fogyasztás is realizálható.

LO BAT

19.ábra. A berendezésben felhasznált folyadékkristályos kijelz

A folyadékkristályos kijelz khöz a kereskedelemben beszerezhet k BCDhétszegmenses kódátalakítók, azonban én az egyes szegmensek teljesen egyedi vezérlését választottam. Ez azzal az el nnyel jár, hogy a kijelz n nem csak számokat lehet megjeleníteni, természetesen a hét szegmens által szabott korlátokon belül. Néhány egyszer2 felirat azonban a kijelz re kiíratható, s a vezérl program sem lesz számottev en bonyolultabb. A felhasznált kijelz negyven kivezetéssel rendelkezik, azonban közülük számos nem rendelkezik funkcióval. Összesen 30 külön vezérelhet szegmenst tartalmaz, a hátlapelektródát is figyelembe véve ez 31 portvezetéket igényelne. A tizedespontokat, a kett spontot és a plusz-mínusz jelet azonban nem alkalmazom, így éppen 24 portvezetékre van szükség. A kijelz -egységen található továbbá négy nyomógomb, melyek közül az egyik a berendezés be- és kikapcsolását teszi lehet vé, a többi három pedig szabadon programozható, azaz a m2ködtet program kérdezi le állapotukat. A minél kevesebb vezeték felhasználása érdekében a nyomógombok egyik sarka a kijelz -panelen helyet foglaló, az LCD-t meghajtó latch-

33

A mér berendezés tervezése ek órajelvezetékeire csatlakozik, másik sarkuk pedig egy-egy diódán keresztül a multiplexer egyik bemenetére kerül. A vezérl -szoftver feladata ezek után annyi, hogy az egyes latch-ek kiválasztása alatt beolvassa a multiplexer állapotát. Ezzel a megoldással mindössze egy újabb vezeték felhasználásával lehetett megoldani a billenty2k illesztését. Mivel a kijelz -egység egy külön nyomtatott áramkörön foglal helyet, lehet ség nyílik arra is, hogy igény szerint hétszegmenses LED kijelz ket alkalmazzunk a kijelzésre. Természetesen ehhez a m2ködtet szoftver módosítása is szükséges, de az eredeti digitális részben már nincs szükség további változtatásra. 3.1.9.

A tápegység

A különböz áramköri részletek szükséges tápfeszültséggel való ellátása nem t2nik bonyolult feladatnak. Az egész mér berendezésben azonban mégis a tápegység a legbonyolultabb felépítés2. Ez a bonyolultság a viszonylag sok szükséges tápfeszültségb l, a megkövetelt stabilitásból, és a különböz kényelmi szolgáltatásokból adódik. Legel ször el kell dönteni, hogy a berendezés táplálását milyen formában kell megoldani. Az egyszer2, olcsó hálózati táplálás sajnos nem jöhet szóba, hiszen az elkészítend berendezés olyan laboratóriumi berendezésnek min sül, amely közvetlen kapcsolatban áll a vizsgálandó személlyel. Ennek megfelel en az érintésvédelmi el írások érthet okokból nagyon szigorúak, az ilyen hálózati táplálású berendezéseknek hosszadalmas és költséges bevizsgáláson kell átesniük. Ha a hálózati tápegység nem a készüléken belül helyezkedik el, hanem például a kereskedelemben kapható valamely tápegység kerül felhasználásra, a probléma áthidalható, de figyelembe véve a beszerezhet tápegységeket, sokszor ismeretlen eredet2 és min ség2 távol-keleti termékekkel találkozhatunk. Ez az egyik tényez , ami miatt a hálózati táplálás nem célszer2. A másik ok pedig a berendezés hordozhatósága, és a hálózati feszültséggel el nem látott helyen történ mérés kivitelezhet sége. Ezen szempontokat figyelembe véve a készülék akkumulátoros üzem2. A szárazelemekkel való m2ködtetést – a telepek körülményes cserélhet ségét, (esetleg szakképzetlen kezel személyzetet is fel kell tételezni) valamint a szárazelemek magas árát, így az üzemeltetés gazdaságtalan voltát mérlegelve – eleve elvetettem. A beépíthet akkumulátorok közül a nikkel-kadmium valamint a zárt savas ólomakkumulátorok jöhetnek szóba. A nikkel-kadmium akkumulátorok el nye a jó fajlagos energias2r2ségben rejlik. Ez tulajdonképpen azt jelenti, hogy adott kapacitás esetén a NiCd akkumulátorok kisebb tömeg2ek, mint az ólomakkumulátorok. Hátrányaik közé sorolható azonban az ún. memória-effektus, valamint az a tény, hogy ha a NiCd akkumulátorokat korrekt módon akarjuk tölteni, akkor viszonylag bonyolult tölt berendezésre van szükség. A korszer2 zárt savas ólomakkumulátorok ebb l a szempontból el nyösebbek. Igaz, tömegük nagyobb, de azonos kapacitás esetén áruk kedvez bb a NiCd típusokénál. A zárt savas ólomakkumulátorok karbantartást nem igényelnek, így a hagyományos ólomakkumulátoroknál szükséges elektrolit utántöltésre nincs szükség, s t lehet ség sem, hiszen ezek az akkumulátorok egy teljesen zárt, nagy ellenálló képesség2 ABS m2anyagházban vannak elhelyezve. Széles környezeti h mérséklettartományban, tetsz leges beépítési helyzetben üzemeltethet ek. A higított kénsav elektrolit nem folyékony állapotban, hanem egy speciális üvegszál alapú szövetben felitatva van jelen az akkumulátorban. Emiatt nevezik ezeket az akkumulátorokat zselés akkumulátornak. Abban az esetben, ha abnormális üzemeltetési viszonyok következtében az akkumulátorban keletkez gázok nyomása megn , a robbanásveszély elkerülése érdekében egy biztonsági szelep kinyit, és a nem

34

A mér berendezés tervezése megengedett túlnyomás megsz2nik. A kereskedelemben 6, illetve 12V-os akkumulátorok kaphatók, tág kapacitáshatárok között, így a 0.5Ah kapacitástól egészen 80Ah-ig számos típus elérhet . Megfelel használat esetén élettartamuk öt évnél is több lehet, ami a NiCd akkumulátorokról nem mondható el. A szükséges akkumulátor kiválasztásánál a táplálandó berendezés feszültségigénye és áramfelvétele, valamint az elfogadható méret és tömeg a f szempontok. E paraméterek ismeretében egy 12V névleges feszültség2, 1.2Ah kapacitású akkumulátor került a berendezésbe. Az akkumulátor töltésér l beépített akkumulátortölt gondoskodik, a töltéshez szükséges feszültséget pedig egy küls , fali dugaszolóaljzatba csatlakoztatható tápegység szolgáltatja. Ez nem mond ellent az el bb felvetett érintésvédelmi kritériumnak, mert a berendezés úgy van kialakítva, hogy fizikailag sem lehetséges egyszerre mérést végezni, valamint az akkumulátort tölteni, hiszen a mér fej és a küls tápegység ugyanazon a csatlakozón keresztül kapcsolható a berendezéshez. A felhasznált akkumulátorral negyven órai üzemeltetés valósítható meg. A tápegység felépítésére visszatérve összefoglalom, hogy milyen feszültségekre van szükség az áramkörben. • • • •

A digitális áramkörök részére +5V stabilizált feszültség, Az analóg-digitál átalakító részére külön +5V stabilizált feszültség, A mér er sít részére ±8V feszültség, A mér fej részére szabályozható stabilizált feszültség.

A sok tápfeszültség szükségességének oka els sorban a felhasznált analóg-digitál átalakítóban keresend . Mivel ennek a tápfeszültsége egyben referenciafeszültség is, sz2résére, stabilitására különös gondot kell fordítani. Ezért ez az IC egy külön stabilizátorról jár. Az 5V-os referenciafeszültség következménye az, hogy a mér er sít legalább 8V pozitív tápfeszültséget igényel. Ha az analóg-digitál átalakító teljes tartományát ki akarjuk használni, akkor a m2veleti er sít kimenetének 0 és +5V között kell tudni mozognia. Ez pedig aszimmetrikus táplálás esetén nem teljesíthet , legalábbis kell linearitással nem. Így a m2veleti er sít t szimmetrikus tápfeszültségr l célszer2 járatni. A szükségessé vált negatív feszültség el állítása is számos kérdést vet fel. Mivel a mér fej hídátló-ellenállása 400 , ezért az 5V-os hídtápláló feszültség esetén ez 12.5mA áramfelvételt jelent. Ez a teljes digitális rész 1mA-es áramfelvételével összehasonlítva tetemesnek t2nik. Ezért a mikrokontroller a mér fejre csak az analógdigitál átalakító mintavételi idejét megel z en néhány tíz µs-al korábban kapcsolja a hídfeszültséget, s a mintavétel után ki is kapcsolja azt. A megfelel , korábbi vezérlésre a m2veleti er sít véges sebessége, és a különböz kapacitások feltölt dése érdekében van szükség, ezért lehet tehát fontos az er sít slew-rate értéke. A hídfeszültséget egy beállítható feszültség2 stabilizátor állítja el . Az impulzus üzem eredményeképpen közel a kitöltési tényez nek megfelel tápenergia-megtakarítás érhet el. A digitális áramkörök részére szükséges +5V tápfeszültség el állításánál azt a szempontot tartottam szem el tt, hogy a mikrokontrollert lehessen az áramkörb l való kiemelés nélkül felprogramozni. Ez a programfejlesztést nagyon megkönnyíti, az új verzió egyetlen mozdulattal letölthet a berendezésbe, ahol bekapcsolás után azonnal ki is próbálható. A fejlesztési stádiumban ezzel rengeteg id t lehet megtakarítani. Az incircuit programozhatóság kivitelezhet sége azt igényli, hogy a mikrovezérl tápfeszültsége független legyen a többi digitális áramkör tápfeszültségét l, mivel a programozás során a mikrovezérl tápfeszültséget is kap a programozó készülékt l. Így viszont a többi digitális áramkör is feszültség alá kerülne, s ez abból a szempontból

35

A mér berendezés tervezése lenne hátrányos, hogy ez id alatt a latch-ek véletlenszer2 állapotától függ en a kijelz re és egyéb vezérlési pontokra egyenfeszültség kerülhet. Ez pedig az el bbiekben említetteknek megfelel en az LCD tönkremenetelét idézheti el . Ezért a PIC és a többi digitális áramkör tápfeszültsége két diódán keresztül van csak összekötve, így az el bbi jelenség elkerülhet . Mivel a diódákon es nyitóirányú feszültség kb. 0.6V, a +5V-os stabilizátor feszültségét ugyanennyivel meg kell emelni, hogy az áramkörök +5V tápfeszültséget kapjanak. Az áramkörben felhasznált digitális áramkörök CMOS struktúrájúak, így e helyen az alacsonyabb tápfeszültség sem okozna problémát. A m2veleti er sít számára szükséges +8V stabilizált feszültséget egy egyszer2 stabilizátor IC állítja el . A negatív feszültség el állítása már bonyolultabb feladat, több megoldás közül lehet választani. Az egészen elenyész terhelés miatt természetesen nem célszer2 még egy akkumulátort beépíteni a berendezésbe, a feladat más módszerrel is realizálható. Ráadásul a negatív ág alacsony áramfelvételéb l kifolyólag a kétakkumulátoros módszer azért sem életképes gondolat, mert a két akkumulátor kisülése különböz id alatt következne be. Valahogyan tehát a meglév pozitív polaritású feszültségb l kell negatív feszültséget el állítani. A felvet d lehet ségek közül az egyik az ún. polaritásváltó kapcsolóüzem2 tápegység. Ez a megoldás egy tekercsb l, diódából és kondenzátorból, valamint egy kapcsoló eszközb l áll. A kapcsoló eszköz megfelel vezérlésével a kapott negatív feszültség értéke is kézben tartható. A kapcsolásban lév tekercs azonban két szempontból is el nytelen. Egyrészt a tekercs a bármilyen körültekint mágneses árnyékolás ellenére is szórt mágneses teret hoz létre maga körül, másrészt a tekercsek elkészítése meglehet s gondot okozhat. Ezért a tekercset nem tartalmazó ún. vasnélküli DC/DC átalakító mellett döntöttem. Ez az áramkör az átalakításra csak diódákat és kondenzátorokat alkalmaz, így a fenti problémák nem jelentkeznek. Az átalakító elvi m2ködése a következ :

Ube 0V

C1 D1

D2

C3

D3 C2

D4

C4

Uki

20.ábra. A polaritásváltó átalakító

Kezdetben legyen mindegyik kondenzátor feszültsége 0V. A bemenetre érkez négyszögjel 0V és Ube értékeket vehet fel. A diódákon es nyitóirányú feszültséget az egyszer2ség érdekében hanyagoljuk el! Ha a bemeneten Ube feszültség van, akkor a D1, D2, D3 diódák kinyitnak, rajtuk keresztül a C1, C3 kondenzátorok tölt dni kezdenek. Amikor a bemenetre a következ félperiódusban 0V kerül, akkor a D1 és a D3 diódák lezárnak, a D2 és a D4 diódákon keresztül pedig a C1, C3 kondenzátorok feszültsége áttölt dik a C2, C4 kondenzátorokba. Belátható, hogy mivel a C1, C3 kondenzátorok pozitív fegyverzete került testpotenciálra, ezért a negatív fegyverzetek feszültsége a testhez képest negatív lesz. Így a szükséges negatív feszültség el áll. A bemenetre kerül négyszögjel el állítása többféleképpen történhet. Egy szabadonfutó multivibrátort alkalmazva a feladat megoldható. Ha a kimen feszültséget stabilizálni is kell, akkor a multivibrátor megfelel szabályozásával ez is megtehet , így nem kell disszipatív elv2 stabilizátort használni. Az áramkör a gyakorlatban kit2n en m2ködik, azonban van egy nem elhanyagolható hibája. A négyszögjel éleinél ugyanis az átkapcsolás során jelent s tranziensek keletkeznek, ezek a kapott negatív feszültségen tüskék formájában meg is figyelhet k, a tüskék amplitúdója a DC-szinthez képest

36

A mér berendezés tervezése jelent s lehet. Mivel ezt a feszültséget a m2veleti er sít használja, bármennyire is nagy legyen a tápfeszültség-elnyomása, célszer2 ezt kiküszöbölni, hiszen az er sít kimenetére kerül , tápfeszültségb l származó zajok a mérés jel/zaj viszonyát rontják. A tapasztalat azt mutatja, hogy sz2r tagok beépítésével ez a tápfeszültség-zaj csökken ugyan, de kiküszöbölni nem lehet. E helyett jobb megoldásnak látszik a négyszögjel kapcsolgatásának, tehát a tranziensek keletkezésének és a mintavétel id pontjának oly módon történ összeszinkronizálása, hogy a mintavétel soha ne essen a tranziensek keletkezésének idejére, hanem akkor történjen, amikor a m2veleti er sít t tápláló feszültség már tiszta. Ez legegyszer2bben egy, a digitális részb l származó logikai szintet négyszögjelként felhasználva lenne megoldható. Viszont az 5V nem lenne elegend az elvárt negatív feszültség el állítására. Így a 12V-os tápfeszültséget kell megfelel en kapcsolgatni. Ez a feladat újabb portvezetéket igényelne. Mivel azonban a tápegységben ezen kívül még két funkciót kell programból vezérelni, a portvezetéket nem közvetlenül használom a négyszögjel el állítására. A mikrokontroller ezen a vezetéken ugyanis a normál m2ködés során csak keskeny impulzusokat szolgáltat, s ez egy monostabil multivibrátort triggerel. A monostabil impulzushossza úgy van beállítva, hogy az egymást követ triggerimpulzusok ismétl dési idejének fele legyen. Így a kapott négyszögjel szimmetrikus, s ha a triggerimpulzusokat a mintavétellel szinkronban állítjuk el , akkor a tranziensek zavaró hatása kiküszöbölhet . Az el álló negatív feszültség er sen függ a terhelést l, valamint az akkumulátor aktuális feszültségét l, így a kapott -11..-17V nagyságú feszültséget egy stabilizátor IC-vel -8Vra stabilizáljuk. A tápegység következ funkciója az ún. soft-power m2ködés. Ez azt takarja, hogy a berendezés be- és kikapcsolását nem egy kapcsoló segítségével, hanem egy nyomógomb megnyomásával végezzük, valamint a m2ködtet program szükség esetén a berendezést ki is tudja kapcsolni. Ezzel az ún. Auto Power Off funkció is megvalósítható, így az esetleges bekapcsolva felejtések megel zhet k. A másik szempont ami miatt ezt a megoldást érdemes választani, az akkumulátor kímélése. Az akkumulátor ugyanis a mélykisütést elég rosszul tolerálja, emiatt az akkumulátor kimerülése esetén valamit cselekedni kell. Az általam tervezett el z er mér konstrukciókban az akkumulátor feszültségének lecsökkenésére egy LED kigyulladása figyelmeztetett, de mivel a berendezésben lév stabilizátorok ekkor még b séges tartalékkal üzemeltek, a használat még lehetséges volt. Ez viszont ahhoz vezethet, hogy a felhasználó a kimerülést jelz LED-del nem tör dve az akkumulátor mélykisüléséig folyatja az üzemeltetést. Ezért ebben a konstrukcióban a vezérl szoftver figyeli az akkumulátor feszültségét, és ha az a megengedett érték közelébe kerül, el ször figyelmeztet a kimerülés veszélyére, majd végül a berendezés kikapcsolja saját magát. Az akkumulátor feszültségének mérése továbbá azzal az el nnyel is kecsegtet, hogy a felhasználó nem csak a kimerülésr l szerez tudomást, hanem az akkumulátor állapotát is lekérdezheti. A kikapcsoláshoz szükséges vezérl jel a negatív feszültség el állításához szükséges portvezetéken érkezik. Itt a normál m2ködés közben keskeny impulzusok vannak jelen, a kikapcsolás pedig e vonal legalább egy másodpercig tartó magas szintbe állításával érhet el. A be- és kikapcsolás az el lapon elhelyezett nyomógomb legalább egy másodpercig tartó lenyomásával idézhet el . Ez a késleltetés megakadályozza a véletlen bekapcsolásokat, továbbá az áramkör élre indul, így tehát egy esetlegesen beragadó nyomógomb, vagy pl. tárolás során el forduló folyamatos nyomva tartás esetén is ki tudja magát kapcsolni az áramkör. A tápegység ezen funkciókért felel s áramkörei CMOS integrált áramkörökkel lettek megvalósítva, így a nyugalmi

37

A mér berendezés tervezése áramfelvétel az akkumulátor önkisüléséhez viszonyítva is elenyész , 1µA felbontású multiméterrel nem is volt mérhet . Sajnálatos, hogy a tápegység egyben a berendezés legnagyobb fogyasztású részegysége. Ez annak tudható be, hogy sok esetben a felhasznált stabilizátor nyugalmi árama többszöröse az általa táplált áramkör áramfelvételének. Így pl. a teljes digitális rész áramfelvétele 1mA alatt van, az t tápláló stabilizátor pedig kb. 4mA nyugalmi áramot használ fel. Léteznek azonban nagyon kis nyugalmi áramú típusok is, de jelenleg ilyenekhez nem sikerült hozzájutnom. Ezekkel az IC-kkel tovább csökkenthet az áramfelvétel, így a berendezés kisebb kapacitású akkumulátorral is táplálható, ill. az üzemid növelhet . Ezért az esetleges kés bbi fejlesztések egyik f céljának tartom a tápegység fogyasztásának csökkentését, ill. a tápfeszültség 12V-ról történ lecsökkentésének megvalósítását. A tápegység témakörébe tartozik a beépített akkumulátortölt is. A kényelmes használat elérése érdekében az akkumulátort nem kell a töltés során eltávolítani. A töltés során a mér fej csatlakoztatását is szolgáló el lapi aljzatba a küls tápegységet kell csatlakoztatni. Ekkor mérés nem lehetséges. A töltési üzemállapotot a mikrovezérl érzékeli, s ekkor egy másik program szerint vezérli a m2ködést. Ennek ismertetése el tt azonban célszer2 megismerni a zárt savas ólomakkumulátorokra vonatkozó töltési el írásokat.[7] Az akkumulátor kétféle üzemmódban használható, az ún. pufferüzemben és ciklikus üzemben. A pufferüzem alatt azt kell érteni, hogy az akkumulátor sarkaira egy állandó tölt feszültség van kapcsolva, s ennek megsz2nése esetén az akkumulátor szolgáltatja a táplálandó berendezés részére a tápfeszültséget. A ciklikus üzem esetén a használat feltöltésekb l és kisütésekb l áll. Jelen esetben az akkumulátor tehát ciklikus üzemben m2ködik. A két üzemmódot azért kell különválasztani, mert különféle töltési metódus tartozik hozzájuk. A pufferüzem esetén a tölt feszültség értéke alacsonyabb, (tipikusan 13.65V) mint a ciklikus üzem esetében (14.7V). A lényeges különbség azonban az, hogy míg pufferüzem esetén a tölt dés mintegy automatikusan befejez dik azáltal, hogy a töltési folyamat végén az akkumulátorba befolyó áram jelent sen lecsökken, addig a ciklikus töltés esetén ez nem áll fenn. Emiatt a megfelel töltöttségi szint elérése után a töltést meg kell szüntetni, vagy a tölt feszültséget a pufferüzemben alkalmazott 13.65V-ra kell csökkenteni, ez az ún. csepptöltés. A teljes feltöltöttséget ciklikus üzem estén úgy definiálják, hogy az akkor következik be, amikor az akkumulátorba befolyó áram a névleges kapacitás századrésze, azaz 12mA alá csökken. A megfelel töltés megvalósítása, s ezen keresztül az akkumulátor hosszú élettartama érdekében további megszorításokat kell tenni. Ugyanis az akkumulátorba befolyó áram értéke a névleges kapacitás negyedénél – ez jelen esetben 300mA – semmiképp nem lehet nagyobb, ez ugyanis gázképz déshez, s így a biztonsági szelep kinyitásához vezet. A tölt áramkörnek tehát áramhatárolással kell rendelkeznie, ez pedig a közkedvelt 723as típusú feszültségszabályzó IC-vel egyszer2en megoldható. A lekapcsolás is megoldható lenne tisztán hardver úton, de én nem ezt a megoldást választottam. Az akkumulátorba befolyó áram egy ellenálláson feszültséget ejt, s e feszültség mérésével nyomonkövethet a töltés alakulása, hiszen A/D átalakító már amúgy is van az áramkörben. Ez azzal az el nnyel jár, hogy a felhasználót tájékoztatni lehet az akkumulátor tölt désének menetér l. A kísérletek során kiderült, hogy a töltésre használt fali dugasztápegységek által szolgáltatott feszültség jelent s hálózati brummot tartalmaz. Ez a brumm az áramfigyel ellenálláson is megjelenik, és a befolyó áram mérését gyakorlatilag lehetetlenné teszi. A jelenség ellen hatásos védelmet nyújt egy alacsony törésponti frekvenciájú másodfokú alulátereszt sz2r , mellyel a kétoldalas

38

A mér berendezés tervezése egyenirányításból származó 100Hz-es brumm jól kisz2rhet . Az egyetlen feladat ami a töltéssel kapcsolatban marad, a töltés befejezésének lehet vé tétele. Erre a célra a már említett portvezetéket használom, hiszen a töltés alatt a negatív feszültség el állítására nincs szükség, valamint a berendezés ebben az üzemmódban nem kapcsolható ki-be, a töltés egyszer2en a küls tápegység csatlakoztatásával indul. A tölt dés közben a kijelz n folyamatosan követhet a töltés menete, valamint a teljes feltölt désr l is a kijelz tájékoztat. 3.1.10. Illesztés a személyi számítógéphez A berendezés a mérések során kapott adatok megfelel kiértékelhet sége érdekében személyi számítógéphez csatlakozhat. Ekkor a mér fejre ható er nek vagy a két analóg bemenet feszültségének megfelel értékek az adott mintavételi frekvenciával a PC-be kerülnek. A PC-n futó szoftver ezután több lehet séget biztosít a kiértékelésre, ill. a kapott mérési eredmények rögzíthet k is. A mért értékeken kívül a berendezés státuszinformációkat is képes továbbítani a PC-nek, így pl. az akkumulátor állapotára vonatkozó információt. Mivel a berendezés tulajdonképpen három csatornás, célszer2nek látszik az aktuális csatorna kiválasztását a PC-r l is lehet vé tenni. Ekkor azonban nemcsak a mér berendezésnek kell adatokat szolgáltatni a PC felé, hanem a PC által küldött adatok fogadására is képesnek kell lennie. Egy digitális átvitel módja alapvet en párhuzamos vagy soros jelleg2 lehet. A párhuzamos átvitel a szükséges nagyszámú vezeték miatt nem megfelel megoldás. A soros átvitel valamivel bonyolultabbnak látszik, de számos el nnyel rendelkezik. Így a kétirányú aszinkron soros átvitel esetén mindössze három vezeték szükséges. A mér berendezésben a PC-ken is alkalmazott RS232 felület2 illesztést valósítottam meg. Az alapvet követelmény volt a mér berendezés PC-t l galvanikusan történ elválasztása, amely szintén életvédelmi szempontokból célszer2. A PC-k kapcsolóüzem2 tápegységei ugyanis id nként meglepetésekkel szolgálhatnak. Erre jó példa a földelés hiánya esetén egy kapacitív osztón (zavarsz2r ) át a fél hálózati feszültségre kerül készülékház. A galvanikus leválasztás problémája egyszer2en megoldható optocsatolók alkalmazásával, pusztán a PC-oldalon a szükséges negatív ill. pozitív feszültségeket kell biztosítani. Ez szerencsére a soros port jeleinek felhasználásával néhány alkatrésszel megoldható. Mivel az RS232 szabvány szerint az adás szüneteiben a TXD vonalon logikai 1 szintet kell biztosítani, olyan megoldást választottam, hogy a logikai 1 szint esetén az optocsatolóban lév fényemittáló dióda lezárt állapotban legyen. Ez azért lehet fontos, mert az átvitel csak rövid ideig tart, így az adásszünetekben nem kell feleslegesen pazarolni a tápenergiát. A mér berendezés által a PC felé küldött soros jel 19200 baud sebesség2, a szükséges mintavételi frekvenciából és a bitszámból következ en. A PC – mér berendezés irányban a pufferelés hiánya miatt azonban némi trükkhöz kell folyamodni. A PC felé küldött adatok mintánként két byte hosszúak, de nincs mind a 16 bit kihasználva. Ezért az elküldött byte-ok olyan kialakításúak, hogy a PC mindig meg tudja állapítani, hogy az els vagy második byte-ról van-e szó. Ez induláskor és az esetleges adatvesztéskor fontos szerepet játszik, a két byte így soha nem keveredik össze.

39

A mér berendezés tervezése

3.2. A telemetriás berendezés fejlesztése A berendezés kifejlesztésénél alapvet szempont volt a kiírásban is szerepl infravörös átvitel alkalmazása. A különböz típusú átvitelek ismertetésénél már említettem, hogy az IrDA szabványú digitális infravörös átvitel megvalósításának sajnos a hazai alkatrész beszerzés nehézkes volta szab gátat. A megfelel IrDA eszközt, egy Hewlett-Packard gyártmányú adó-vev t ugyanis csak nagy tételben lehetne beszerezni, s figyelembe véve a szükséges néhány darab berendezést, ez az út nagyon költséges lenne. Ezért kifejlesztettem egy egyszer2 analóg átvitelt megvalósító telemetriás berendezést. A berendezés által nyújtott paraméterekkel szemben támasztott követelmények megállapításánál az volt a célom, hogy a mérés szempontjából a vezetékes és vezeték nélküli átvitel között különbség ne legyen érzékelhet . A telemetriás adó ugyanahhoz a mér fejhez csatlakozhat, mint ami közvetlenül az er mér höz csatlakoztatható. A vev pedig az er mér b vít csatlakozójához illeszthet . 3.2.1.

Követelmények, elméleti megfontolások A telemetriás berendezésnek ezek szerint a következ ket kell teljesítenie: • • • • •

2N felbontás, megfelel linearitás, legalább 3m áthidalható távolság, többcsatornás üzem lehet sége, rendszerbe illeszthet ség.

Ha a többcsatornás üzem lehet sége nem lenne feltétel, a probléma megoldása pusztán a PFM modulációt lehet vé tev , valamint annak demodulálását végz áramkörök megtervezésére és kivitelezésére redukálódna. A többcsatornás üzem esetleg független adókkal történ megvalósítása viszont az impulzus üzemben járatott adódiódákból kifolyólag egy fontos kérdést vet fel. A PFM jel frekvenciatartománybeli vizsgálata szükséges annak megállapítása miatt, hogy milyen frekvenciájú viv ket kell választani a vételi oldalon szükséges csatorna-szétválasztás kivitelezhet sége érdekében. Legyen a vizsgálandó modulálatlan jelnek megfelel fényimpulzus-sorozat I(t) IF

t t0

T

21.ábra. Modulálatlan fényimpulzus-sorozat

40

A mér berendezés tervezése IF intenzitású, T periódusidej2, az impulzusok hossza pedig t0. Az impulzus-sorozat kitöltési tényez je így =t0/T érték2. A kapott spektrumról elmondható, hogy az állandó összetev nyilvánvalóan az T

1 I0 = i (t )dt = I F T0 kifejezés értelmében az impulzusok csúcsértékének és a kitöltési tényez nek a szorzata. Az egyes felharmonikusok pedig a Fourier-transzformációnak megfelel en a következ képpen alakulnak a koszinuszos ill. a szinuszos összetev kre: T

ak =

1 i (t ) cos k tdt , valamint 2T 0 T

1 bk = i (t ) sin k tdt ,ahol k 1,2,3.. 2T 0 Lévén a vev oldalon található sz2r k szempontjából a bemen jel fázisa közömbös, a szinuszos és koszinuszos együtthatókat hatásuk szempontjából közösen kell kezelni. Így Ik =

(a

2 k

+ bk

2

) ,ahol k

1,2,3..

adódik. Az alkalmazás szempontjából csupán az fontos, hogy mely felharmonikusok találhatók meg az impulzus-sorozatban. A részletes számítások mell zésével álljon itt a felharmonikusok nagyságára kapott kifejezés:

Ik =

2I F k

1 cos 2k

t0 ,ahol k 1,2,3.. T

Látható, hogy a kifejezés k minden értékére értelmezett, így az alapharmonikus után a kétszeres frekvenciájú második felharmonikusnál lesz az els nem kívánt spektrumvonal. A tervezés szempontjából csak az els harmonikus frekvenciájára vonatkozó információ fontos, az egyes spektrumvonalakhoz tartozó amplitúdó-értékek lényegtelenek. A kérdés azért vet dött fel, mert a külön adókkal megvalósított többcsatornás rendszer esetén úgy kell meghatározni az egyes csatornákhoz tartozó viv frekvenciák értékét, hogy azok a vétel helyén minden esetben szétválaszthatóak legyenek frekvenciájuk alapján. Ebb l a feltételb l pedig az adódik, hogy az összes csatornához tartozó viv frekvenciának f0 és 2f0 között kell elhelyezkednie. Ez a kritérium újabb megfontolásokat tesz szükségessé. Mivel a moduláló jel is rendelkezik egy bizonyos sávszélességgel, és az FM üzemmódból kifolyólag a lökettel is számolni kell, a kapott FM-jel sávszélességének akkorának kell lennie, hogy a kívánt számú csatorna az f0 és 2f0 közötti tartományba átlapolódás nélkül beférjen. A másik szempont a vev ben található sz2r k meredeksége, azaz a velük elérhet nem kívánt csatornák elnyomásának mértéke. Vizsgáljuk tehát el ször az FM-jel sávszélességére vonatkozó kritériumot! A bonyolult Bessel-függvényekkel történ leírás helyett a megfelel pontosságot nyújtó közelít képleteket alkalmaztam. A négy csatornás kiépítés miatt az egy csatorna által elfoglalt frekvencia-tartomány legfeljebb (2f0 - f0)/4 lehet. Ez alapján

41

A mér berendezés tervezése úgy t2nhet, hogy az f0 növelésével a lehet ségek javulnak. Ez azonban csak a látszat, hiszen sem az adódiódák, sem a vev dióda, sem pedig a szükséges meghajtó és er sít áramkörök nem képes tetsz legesen magas frekvenciával üzemelni, a tényleges dönt tényez az adó- és vev diódák sebessége. Mindezek mellett a növekv frekvenciákon ugyanakkora sávszélesség2 sz2r k csak nagyobb jósági tényez mellett realizálhatók. Ezen meggondolásokból f0=70kHz választással éltem. Ebb l adódóan az egy csatornára es sávszélesség maximálisan fB=17.5kHz lehet. Az fm moduláló frekvencia esetén fD löketet figyelembe véve a szükséges sávszélesség a viv höz képest 1% relatív amplitúdójú komponensek elhagyásával: [2,8]

fB = 2

!f

D

fm

+ 2.4

fD fm

0.27

fm

Ebb l a kifejezésb l fm=250Hz esetén fD=7.26kHz adódik a löket maximális értékére. A löket definíciója szerint a pillanatnyi frekvencia viv t l való legnagyobb frekvenciaeltérést adja meg, ezért ez azt jelenti, hogy a pillanatnyi frekvencia 2 fD=14.52kHz nagyságú változása engedhet meg. Lévén a moduláló jelünk csak pozitív értékeket vehet fel, így löketként ezt a kétszeres frekvenciát is használhatjuk. Némi tartalékot hagyva az fD=10kHz választás megfelel megoldásnak látszik. Ez esetben a szükséges csatornánkénti sávszélesség fB=12.7kHz érték2re adódik. Látható, hogy ebben az esetben a löket és a sávszélesség között nincs túl nagy eltérés, de a kérdés elméleti taglalása szükségessé tette a sávszélességgel kapcsolatos vizsgálódást. A megvalósított csatorna a legalacsonyabb viv frekvenciát használja, így a nulla er höz fp=70kHz, míg a 2000N er höz fp=80kHz pillanatnyi frekvencia tartozik. Ezen a frekvencián a megkívánt sávszélesség a vev oldalon egyszer2 eszközökkel, akár egy LC sz2r vel is biztosítható. Ezzel a tervezéshez szükséges kiindulási paraméterek rendelkezésre állnak. Most tehát ismertetem az adó- és vev készülék elvi felépítését és m2ködését. 3.2.2.

Az infravörös adó felépítése, m ködése

Az adóban a fentieknek megfelel en a következ feladatokat kell megoldani: • • • •

A mér fej stabil tápfeszültséggel történ ellátása, A mér fej kimen feszültségének megfelel er sítése, A PFM modulációjú impulzus-sorozat el állítása Az impulzus-sorozat kisugárzása az infravörös tartományban.

A mér fej számára a szükséges stabilizált feszültséget egy egyszer2 stabilizátor IC állítja el az adó akkumulátora által szolgáltatott 12V-os tápfeszültségb l. A feszültség állandóan a hídra van kapcsolva, hiszen a vételi helyen lezajló mintavétel id pontja az adóban nem ismert. Ez a fogyasztás növekedését vonja maga után, de a fogyasztást dönt részben meghatározó tényez így is az adódiódák által felvett áram lesz. A híd kimenete a 3.1.2. pontban ismertetett er sít re csatlakozik. A szükséges er sítés értéke a kívánt löketnek megfelel en, a felhasznált VCO tulajdonságainak függvényében került meghatározásra, erre rövidesen visszatérek. Az er sít egy másik, 8V-os stabilizált, sz2rt feszültségr l jár. A gerjedések elkerülése érdekében küls kompenzáló kapacitás került az áramkörbe. A viv frekvencia kis mértékben itt, az er sít ofszet-

42

A mér berendezés tervezése kompenzáló potenciométerével állítható. Az er sít egytápfeszültséges beállításban üzemel, így a kimenetén er hatás nélkül közel féltápfeszültségnyi DC-szint van. Ez a feszültség, valamint az er hatására bekövetkez feszültség-változás hangolja az er sít t követ CMOS integrált áramkör VCO-ját. Az IC tulajdonképpen egy PLL áramkör, de jelen esetben csak a VCO-t használom fel, ugyanis az áramkör adatlapja szerint a VCO Vcc Uref

VCO

22.ábra. Az infravörös adó tömbvázlata

linearitása 0.5%, ami fontos tényez a teljes átvitel linearitását tekintve. A viv frekvenciát egy RC-tag állítja be. A gyártó által közzé tett bonyolult görbeseregr l leolvasható a hangoló kapacitás, ellenállás és a vezérl feszültség függvényében a kapott kimen jel frekvenciája, azonban ez kell pontossággal nem tehet meg, így a bemérés során történ beállítás lehet ségére feltétlenül szükség van. A VCO kimenetén szimmetrikus négyszögjel vehet le. E négyszögjelek lefutó éle egy monostabil multivibrátort triggerel, melynek id zítési idejét szintén egy RC tag határozza meg. Az f0=70kHz-es viv frekvenciát figyelembe véve, az =1:20-as kitöltési tényez érdekében szükséges t=0.7µs impulzusid el állítása esetén az IC bels kapacitásai, valamint a kivezetések közötti szórt kapacitás is elegend a szükséges impulzus el állításához. A finombeállítás itt az ellenállás változtatásával lehetséges. E monostabil kimenete egy Darlington-kapcsolású végfokot üzemeltet. A cél a minél nagyobb intenzitású fényimpulzusok el állítása, így a diódán minél nagyobb áramot kell áthajtani. Az adódiódák által folyamatos és impulzusüzemben elviselt maximális nyitóáram hányadosa azonban nem egyszer2en a kitöltési tényez , hanem a gyártók által kiadott bonyolult görbesereg alapján, a kitöltési tényez és az impulzusid szerint is változik. Az általam fellelt grafikonok ilyen kis impulzusid re azonban már nem tartalmaztak adatokat, azonban a felhasznált IR-LED IF=100mA-es maximális folyamatos üzem2 nyitóirányú áramát figyelembe véve az IFp=800mA biztonságos választásnak t2nik. A tápfeszültség, a meghajtó tranzisztor szaturációs feszültségének, a LED-ek nyitóirányú feszültségének valamint darabszámának ismeretében a szükséges impulzus-áram el állítása érdekében a megfelel el tét-ellenállás értéke számítható. A kés bbi mérések alkalmával azonban kiderült, hogy a diódák árama nem emelkedik olyan sebességgel, hogy a számított értéket az impulzusid alatt elérje, így szükségesé vált az ellenállás értékének módosítása ahhoz, hogy a kívánt áram elérhet legyen. A LED-ek számának növelésével az áthidalható távolság is n , megfelel irányításukkal az átvitel – kihasználva a zárt terem esetén biztosított reflexiókat – biztonságosabbá tehet . Így a megépítés során három LED-et alkalmaztam. Az adóban a moduláló jel sávszélességét korlátozó alulátereszt sz2r t nem alkalmaztam, mert a tapasztalatok szerint 250Hz-es frekvenciakomponensek a mérend er ben már nem fordulnak el , így a sávszélességet

43

A mér berendezés tervezése biztosan nem lépjük túl. Az egyszer2ségre való törekvés jegyében szintén nem tartalmaz az adó löketkorlátozó áramkört, hiszen a maximális löketet jóval a felhasznált mér fej túlterhelése során érnénk el. [9,10] 3.2.3.

Az infravörös vev% felépítése, m ködése Az infravörös vev feladatait a következ képpen lehet összefoglalni: • • • •

A szükséges érzékenység biztosítása, Megfelel csatorna-szelektivitás, Látható fénnyel szembeni érzéketlenség, Jó linearitás.

A vev egyik legmeghatározóbb alkatrésze az infravörös sugárzást elektromos jellé alakító fotoérzékel . A fényellenállások lassú m2ködésüknél fogva nem alkalmasak erre a célra. Szilícium fényelemet régebben használtak ugyan ilyen célokra, de ilyen irányú felhasználásuk nem célszer2. A fotodiódák és fototranzisztorok között els sorban az érzékenység és a m2ködési sebesség terén mutatkozik különbség. A fototranzisztorok nagyobb jelet adnak ugyan, de lassabb m2ködés2ek. Az átvitel szempontjából lényeges, hogy az adott eszköz mennyire képes a látható fény és az infravörös sugárzás szétválasztására, hiszen a berendezésnek jelent s látható fény mellett is m2ködnie kell. Legcélszer2bb az ún. spektrálisan hangolt adó és vev alkalmazása. A probléma ezzel ugyan nem oldódik meg, hiszen az izzólámpáknak is jelent s infravörös tartományba es komponenseik vannak. Az esetleges látható fényre való érzékenység nagy mértékben csökkenthet megfelel , infravörös tartományban átlátszó, míg a látható fény számára átlátszatlan optikai sz2r k alkalmazásával is. A vev elkészítésénél az infravörös érzékel tekintetében csak a rendelkezésre álló néhány eszköz közül történ választás állt módomban. A választás alapja az adott távolságból sugárzó infravörös adó jelének vételekor szolgáltatott jel amplitúdója volt. Így a BPW típusú fotodiódáknál sokkal jobbnak mutatkozott egy kiskereskedelmi egységben mindenféle típusjelzés nélkül, „infra vev ” néven, rendkívül olcsón árult eszköz. Err l az üzletben mindössze annyit lehetett megtudni, hogy 890nm körül lehet az érzékenység-maximuma. A méréseim szerint valószín2leg egy fototranzisztorról lehet szó, mivel az eszköz diódatulajdonságokat nem mutat, és érzékenysége is kiugróan magasabb a fotodiódákénál. Sebesség tekintetében, amennyire azt a szolgáltatott jel alakjából meg lehetett ítélni, nem volt jelent s különbség a különböz eszközök között. Az infravörös sugárzásra érzékeny eszközt, legyen az akár fotodióda, akár fototranzisztor, a megfelel m2ködés érdekében el kell feszíteni. Minden esetben meg kell azonban akadályozni azt, hogy a nagy küls megvilágításból kifolyólag az eszköz telítésbe kerüljön, hiszen így már nem képes a kis intenzitású hasznos jel detektálására. A feladat tulajdonképpen egy áramgenerátorral valósítható meg, ami jelen esetben egyszer2en egy nagy érték2 ellenállás képében jelentkezik. A fotodetektoron az eszköz sebességi korlátaiból kifolyólag már közel sem impulzus-jelleg2 a kapott jel. Ez felfogható az eszköz kapacitásainak integráló hatásaként is, és az oszcilloszkópos mérések is egy ilyen integrált impulzus-sorozat jelenlétét igazolják. A fotodetektorról a váltóáramú összetev kapacitív csatolással kerül az els er sít bemenetére. Az er sít t l elvárt, hogy nagyon kis zajú, kis ofszetfeszültség-drift2 típus legyen, hiszen az egész láncot tekintve nagy er sítésre van szükség. Így a talán túlzónak t2n választás az OP27-es típusra esett. [11] A teljes szükséges er sítést nem lehet pusztán egy fokozattal megvalósítani, egyrészt a

44

A mér berendezés tervezése megkívánt er sítés nagy értéke miatt, másrészt a vev t l esetleg nem egyforma távolságban elhelyezked adók esetén a legközelebbi túlvezérelné az er sít t, így a távolabbi adók jelei elvesznének. Az egyes csatornák kiválasztását végz sz2r k ez után az er sít után találhatóak. A megvalósítandó egy csatorna miatt a sz2r elvben elhagyható lenne, de mégis fontos szerepe van. Az izzólámpák jelent s infravörös tartományú sugárzását a fotodetektor veszi, s bár az egyenáramú komponenst az alkalmazott kapacitív csatolás eltávolítja, az 50Hz-es hálózati frekvenciából adódó

Vcc

PD

VCO

Uki

23.ábra. Az infravörös vev tömbvázlata

fényer sség változás er sen modulálja a hasznos viv t is. Ez a jelenség jól megfigyelhet a kapott jel alakján, ugyanis a kapott oszcillogram vízszintesen , az id tengelyen „széles”, olyan, mintha jitteres lenne. Az egyszer2 LC sávsz2r után azonban a jel már kell tisztaságú, s a felharmonikusok kisz2rése miatt gyakorlatilag szinuszosnak tekinthet . A sz2rés után további er sítés következik. Kisebb távolságok esetén itt már határolódás is bekövetkezhet, vagyis az er sít kimenetén négyszögjelet kapunk. Az itt található viv frekvenciás jel, amely frekvenciájában magában hordozza az adó oldalon mért er nagyságát, egy frekvencia-feszültség átalakítóra kerül. Ennek realizálására az egyik lehetséges módszer, hogy az er sített jelb l állandó impulzusszélesség2 impulzus-sorozatot képezünk egy monostabil multivibrátorral. A monostabil kimeneti jele pedig egy áramgenerátort vezérel, amely adott áramokkal tölt ill. kisüt egy kapacitást. A kapacitáson kapott feszültség igen jó linearitással a frekvencia függvénye. Egy másik lehet ség, amit én is választottam, a PLL-elv. Itt a PLL VCO-jának középponti frekvenciája a viv frekvenciájára van hangolva, és ha a kör befogott állapotban van, és a VCO lineáris, akkor a VCO szabályzófeszültsége szintén a frekvenciával arányos. Ez a megoldás véleményem szerint azért jobb, mint az el z , mivel az adó és vev oldalon ugyanolyan típusú PLL IC-t alkalmazva az esetleges VCOnemlinearitásból kifolyólag fennálló nemlinearitás kompenzálódhat, csökkenhet. A huroksz2r méretezése annak megfelel en történt, hogy a moduláló jel maximális frekvenciája 250Hz-ben van megállapítva. Az ehhez képest magas viv frekvencia egyszer2 RC-tagból álló huroksz2r beépítését teszi lehet vé. A felhasznált PLL integrált áramkör kétféle fázisdetektort tartalmaz: Az egyik egy XOR kapuból álló típus, a másik egy tárolóhálózatot alkalmaz. A két detektor között a különbség az, hogy a XOR kapus csak szimmetrikus jeleket tud feldolgozni, képes a harmonikusokra is

45

A mér berendezés tervezése befogni, valamint zavarérzéketlenebb a flip-flopokat tartalmazó fázisdetektornál. Ez utóbbi tetsz leges kitöltési tényez j2 jelet képes kezelni, harmonikusokra nem érzékeny, viszont a zajos bemen jel hamarabb problémákat okoz. Számos kísérlet, mérés eredményeképpen a XOR kapus fázisdetektorral valósítottam meg a PLL-t, mivel ezzel a fázisdetektorral még zajos bemen jel esetén is képes a hurok befogni. A VCO középponti frekvenciáját meghatározó trimmerrel a viv frekvenciát beállítva a VCO kimenetén a vett viv vel azonos frekvenciájú jel található, fáziskülönbségük 90° a középponti frekvencián. A VCO szabályzófeszültsége tehát befogott állapotban az adó és vev oldalon megegyezik, kívánalmak szerint arányos a mért er vel. Az er mér höz azonban ez a jel nem csatlakoztatható, ugyanis jelent s DC-szintet tartalmaz, adott er hatására nem változik elég nagy mértékben, valamint jelent s mérték2 viv frekvenciás komponenst tartalmaz. A zavaró viv komponensek eltávolítására a másodfokú aktív Sallen-Key alulátereszt sz2r nem volt alkalmas, a gyors tüskék szinte csillapítás nélkül jutottak át a sz2r n. Egy egyszer2 LC sz2r azonban teljesen megszüntette a problémát okozó zajokat. A sz2r kimenete egy er sítést nem, csak szinteltolást végz m2veleti er sít re kerül. Itt beállítható a nulla er höz tartozó feszültség, ami természetesen az egytápfeszültséges üzemmódból kifolyólag nem lehet nulla, de 100mV alá le lehet menni. A következ fokozat kb. ötszörös feszültséger sítést végez, így túlkompenzálja az adóoldali körülbelül harmad er sítést. A felesleges er sítést pedig ez utolsó er sít kimenetére kapcsolt potenciométerrel csökkenthetjük le, így a vev kimenetén a 2.5mV/N érzékenység biztosítható. A vev felépítésénél különös gondot kellett fordítani a tápfeszültségek megfelel sz2résére, mivel a nagy er sítésekb l kifolyólag gerjedések, áthallások lépnének fel.

3.3. Az er%mér% vezérl% programja Az er mér , mivel m2ködését mikrokontroller vezérli, a megfelel vezérl program nélkül nem alkot m2köd képes rendszert. A program megírásánál célom volt, hogy a beépített hardver-elemeket a lehet legnagyobb mértékben kihasználjam. A hardver bizonyos részeinek egyszer2ségével a vezérl program bonyolultabbá válásával kell fizetni. Ez azonban a mikrokontroller programmemóriájának határain belül nem jelent problémát, és az egyszer2bb hardver és bonyolultabb szoftver kombináció költségmegtakarítást is jelent. Nem elhanyagolható az a szempont sem, hogy a nyomtatott áramkörök megtervezésénél számos vezeték felcserélhet , ha a szoftver gondoskodik a megfelel m2ködtetésr l. Ez f leg a kijelz vezérlése esetén fontos szempont, mivel a kijelz egy külön panelon foglal helyet, és az egyszer2 NYÁKtopológia érdekében az egyes szegmensek meglehet sen logikátlanul lettek az azokat meghajtó tárolókhoz csatlakoztatva. Ezzel a megoldással viszont a kijelz t és a billenty2ket hordozó panel kivételével egy oldalon megvalósíthatók lettek a nyomtatott áramkörök. A kijelz -panel ugyan kétoldalas, de furatgalvanizálás nem szükséges. Ezek, a nyomtatott áramkörök kivitelére vonatkozó szempontok azért lényegesek, mert a nyomtatott áramköröket is saját magam készítettem el, így a tervezés során tekintettel kellett lennem a sz2kös lehet ségekre. A szükséges szoftver teljes mértékben a Parallax utasításokra alapozva, assembly nyelven készült, egy DOS-os Parallax fejleszt rendszer alatt. Ez kissé ódivatúnak t2nhet a mai Windows-os fejleszt rendszerek mellett, melyek pl. C nyelv2 forráskódokat képesek a PIC által végrehajtható gépi kódra fordítani. Azonban a szükséges vezérl program a PIC 1k szavas programmemóriájához mérten

46

A mér berendezés tervezése meglehet sen sok funkciót valósít meg, így az ilyen fordítókkal készített gépi kód nagy valószín2séggel nem férne el az adott memóriában. A program durva tesztelése egy szimulátorral történt, ami az összes nehézség mellett is jól használható volt a fejlesztés során. Emulátor az igen magas ára miatt nem jöhetett szóba, bár alkalmazásával kétségtelenül sokkal kényelmesebb lett volna a szoftver-fejlesztés. A gyorsabb munkát az a - már említett - megoldás biztosította, hogy a rendszer megbontása nélkül is lehet ség van a mikrokontroller felprogramozására, így másodpercek alatt kipróbálható egy újabb program-verzió. A vezérl program három f üzemmódban képes a berendezést m2ködtetni. A legfontosabb a mér üzemmód. Ekkor a mér fejb l vagy a küls bemenetek valamelyikér l érkez jelet az analóg-digitál átalakító a megfelel frekvenciával mintavételezi, digitálissá alakítja. A szükséges korrekciók után meghatározott id közönként a mért érték a kijelz re kerül, valamint minden mintavétel alkalmával a mért érték és néhány kiegészít információ a PC felé elküldhet . A konfigurációs üzemmódban a billenty2k segítségével különböz paraméterek kérdezhet k le ill. állíthatók be. Az akkumulátor töltésekor – már részletezett okokból kifolyólag – a berendezés mérésre nem használható. Ekkor a szoftver feladata a töltés állapotának kijelzése, ill. a töltés lekapcsolása. Természetesen mindhárom üzemmódban szükséges a kijelz kezelése, ami az adott hardver figyelembe vételével az egyik legösszetettebb feladat, valamint a tápegység bizonyos részeinek vezérlése, ill. a mér és konfigurációs üzemmódokban a billenty2zet kezelése. Az egyes üzemmódokban szükséges feladatokról és azok megoldásairól a következ pontokban adok rövid áttekintést, a folyamatábrák, valamint a teljes Parallax forráskód pedig a mellékletben megtekinthet . 3.3.1.

A mér% üzemmód

Az el lapon lév ON/OFF nyomógombbal történ bekapcsolás után ebbe az üzemmódba kerül a berendezés. A legels feladat a portok megfelel felkonfigurálása, az egyes változók kezd értékeinek beállítása, valamint a megszakítást vezérl regiszterek és az id zít felprogramozása. A program ugyanis az összes funkciót megszakításban hajtja végre, így jól kézben tartható a megfelel id zítések biztosítása. A f program ezután egy végtelen ciklusban folytatódik, és a mintavételi frekvenciának megfelel id közönként az id zít megszakítást generál. A megszakítási rutinban hajtódik végre tulajdonképpen az összes feladat, ami a berendezés m2ködtetéséhez szükséges. Ebben a pontban nem célom utasításról utasításra ismertetni a program m2ködését, a mellékelt folyamatábrák amúgy is sokkal szemléletesebben írják le a történéseket, így csak a f bb kérdésekre térek ki. Az programmal szemben támasztott egyik követelmény az, hogy az LCD vezérlését úgy végezze, hogy az aktív szegmensek minden esetben tökéletesen szimmetrikus négyszögjellel legyenek meghajtva, különben az aszimmetriából adódó DC-szint a kijelz t károsítja. Ha biztosítjuk, hogy a kijelz t meghajtó tárolók a megszakítás kezdetét l számítva mindig ugyanannyi id vel kés bb legyenek újraírva, valamint megszakításonként negáljuk a tárolók tartalmát, akkor ez a kritérium teljesül. E mellett fontos az a szempont is, hogy a mintavétel is mindig a megszakítás pillanatához képest ugyanakkor következzen be. A kérdés egyáltalán amiatt merül fel, hogy a megszakítási rutin nem minden esetben ugyanolyan hosszú, hiszen nem minden megszakítás esetében ugyanazok a programrészek hajtódnak végre. Ebb l kifolyólag a kijelz frissítését valamint az AD beolvasását végz részeket lehet leg a megszakítási rutin elejére kell helyezni, így végrehajtódásuk id pontja nem függ különböz tényez kt l. A kijelz kezelése els lépésben az azt meghajtó három

47

A mér berendezés tervezése élvezérelt latch beírását jelenti. A 23 vezérelend szegmens, valamint a hátlapelektróda három byte-ban tárolható. E három byte egymás után az RB portra küldend , miközben az RA port két bitjével a beírandó latch-et ki kell választani. Közben a billenty2k állapota is lekérdezhet . Ezzel a kijelz megfelel szegmenseire illetve a hátlapelektródára a kívánt szintek kerülnek. Minden megszakítás alatt ezt a három byteot invertálni kell. Ha az aktív szegmensekhez kezdetben logikai egy, a passzívakhoz és a hátlapelektródhoz logikai nulla szint tartozik, akkor ezzel az invertálással a szükséges DC-szint mentes vezérlés megvalósítható. Végeredményképpen a három byte bitjei – egy kivételével – egy-egy szegmenst reprezentálnak. A már említett NYÁK-topológiai egyszer2sítésekb l kifolyólag az egyes szegmensek eléggé logikátlanul vannak az egyes bitekhez hozzárendelve: MSB

Latch 1

LSB

1f 1a 1d 1c 1e 1b 1g 2b

MSB

Latch 2

LSB

2f 2c 2d 2a 3c 2e 2g 3b

MSB

Latch 3

LSB

3a 3e 4bc Lo BP 3d 3g 3f Bat

24.ábra. Az LCD szegmenseinek leképezése a latch-ekben

Itt az a..g szegmensek a konvenció szerinti megnevezések, az 1..4 pedig az egyes helyiértékeket jelenti, értelem szer2en az egyesek kapták az 1-es, az ezres pedig a 4-es sorszámot. A kijelz vezérlése ebben a formában igen bonyolult lenne, ezért bevezetésre került négy byte, valamint egy jelz bit. A négy byte a négy helyiértéknek megfelel kódot tartalmazza, ami 0 és 9 között magát a számot jelenti, 10 és 15 között bet2k és jelek, valamint üres karakter találhatók. A jelz bit a kijelz n található LO BAT felirathoz rendelt, ezzel jelezhet az akkumulátor feszültségének csökkenése. Az átszámítást egy öt részb l álló táblázat valósítja meg. Látható, hogy az egyeseknek megfelel helyiérték csak az els latch tartalmát befolyásolja, a tízes és a százas helyiértékek két latch tartalmát módosítják, míg az ezres értéke csak nulla vagy egy lehet, és csak az egy esetén látható az egy szegmensként kezelt ezres helyiérték, hiszen a kijelz csak 3½ digites. Így a négy digitnek megfelel byte-okból, valamint a LO BAT kapcsolóból a három kijelz -byte el állítható. Nincs akadálya természetesen tetsz leges bitkombinációnak a latch-ekbe való beírásának sem. A mérend er nek megfelel 10 bites értéket a kijelzés érdekében binárisból BCD-be kell alakítani, ez is egy külön rutint igényel. Ez a rutin 11 bitre végzi el a konverziót, ez maximálisan kijelezhet értékben 2047-et jelent. Mivel a kijelz re legfeljebb az 1999-es érték írható ki, az ennél nagyobb bináris értékek esetén a rutin az OL-overload kijelzést állítja el . A szükségtelen nullák kioltása is ebben a rutinban történik. A következ fontos feladat az AD kezelése. A vezérlési célokra kialakított szintvezérelt latch ebben az esetben átlátszóvá válik, így kimenetein az RB port aktuális állapota jelenik meg. Így a PIC bitorientált portkezel utasításaival gyorsan kezelhet az AD. Az elvégzend feladat az AD számára a szükséges konfigurációs bitek elküldése, majd az eredménynek megfelel tíz bit beolvasása. Ez lényegében az AD leírásánál említett módon történik, így itt erre nem térek ki újra. Az AD nullás csatornája közvetlenül a mér er sít re csatlakozik, az egyes csatorna pedig egy négybemenet2 analóg multiplexerre. Az AD két csatornája közötti választást egy jelz bit végzi, valamint két további bit szolgál a multiplexer vezérlésére. E két bit a vezérl -latch két bitje. Így öt forrás közül választhatunk, amelyb l az akkumulátorba befolyó árammal arányos feszültséget a mér üzemmód során nem kell használni. Az akkumulátor feszültségét azonban id nként mérni kell. Az AD-t kezel rutin gondoskodik arról is, hogy a mér fej használata esetén a hidat tápláló feszültség a mintavétel el tt legyen jelen a hídon, és a mintavétel után sz2njön meg. A kijelz re a

48

A mér berendezés tervezése mért érték alapján a következ képpen kerül az er érték: A bekapcsolás után két másodperc id áll a berendezés rendelkezésére, hogy a tápfeszültségek stabilizálódjanak. Ez után a program a mér er sít kimenetén jelen lév feszültséget beolvassa, a továbbiakban ez lesz az ofszet. A mér fej nyugalmi helyzetében a kijelz n látható érték ugrálásának elkerülése érdekében definiálható egy triggerszint. Ez alatt a kijelz n nulla látható, s csak felette történik hasznos kijelzés. Az aktuálisan mért értékb l levonva az ofszetet, a kapott eredmény kett vel szorozva rendelkezésre áll a kijelzend érték. Amikor a mért érték a triggerszint fölé n , majd utána az alá csökken, már nem nulla, hanem az utolsó nullázás óta el forduló legnagyobb érték kerül kijelzésre. Amennyiben a triggerszintet nem érjük el, és ebben az állapotban eltelik egy bizonyos id pl. egy perc, akkor az éppen mért érték lesz az új ofszet. Ezzel a módszerrel az esetlegesen a driftb l származó lassú vándorlás kiküszöbölhet , hiszen triggerszint alatti érték esetében nagy valószín2séggel a mér fejre er nem hat. Az ofszet mérése és figyelembevétele és a kett vel való szorzás ki is iktatható, így tetsz leges analóg jel mérésére is használható a berendezés. Ha huzamosabb ideje, pl. öt perce a mért érték nem került a triggerszint fölé, a berendezés kikapcsol. Minden megszakításkor el áll ugyanis a tápegységnek a negatív feszültség el állításához szükséges keskeny impulzus. Ha egy megfelel jelz bit értéke 1, akkor az impulzus nem tér vissza nulla szintre, s ez a tápegység kikapcsolását eredményezi. Az akkumulátor feszültségének bizonyos id nként történ mérésekor kapott eredmény tükrében pedig a kijelz LO BAT szegmensét vezérelhetjük, majd túl alacsony feszültség esetén a berendezést a program szintén kikapcsolja. A PC felé történ soros adatátvitelt egy egyszer2 rutin végzi. Mintavételenként két byte-ot kell elküldeni. A két byte sorrendjét a vételi oldalon ismerni kell, ezért úgy lettek kialakítva, hogy minden esetben eldönthet legyen, hogy melyik az alsó és a fels byte. Az átvitel sebessége a jelen beállításban 19.2kbit/s a PC felé. Az átvitt két byte lehet séget ad egyéb információk átvitelére is, így mint pl. az akkumulátor alacsony feszültségének jelzésére, valamint további fejlesztésre egyes bitkombinációk fenntartottak. Az átvitel a következ protokoll szerint történik: MSB 0

D6

D5

MSB 1

LSB

BYTE 0 D4

D3

D2

D1

LSB

BYTE 1 LO BAT

Feature

CH1

D0

CH0

D9

D8

D7

25.ábra. A soros átvitel protokollja

Az átvitt két byte legfels bitjük alapján különböztethet meg. A D0..D9 bitek az átviend tízbites értéket reprezentálják. A LO BAT bit nulla, ha az akkumulátor feszültsége megfelel . A CH0 és CH1 bitek jelzik, hogy az AD bemenete éppen hova kapcsolódik. Ez azért lényeges, mert a forrás a mér berendezés billenty2ivel és a PC-s programmal is kiválasztható. A két biten ábrázolható négy lehet ségb l három jelent tényleges forrást, (mér fej, valamint a két analóg bemenet) egy pedig azt jelzi a PC-nek, hogy az adott tízbites érték valamilyen oknál fogva nem érvényes adatot tartalmaz. A

49

A mér berendezés tervezése Feature bit további b vítésekre van fenntartva, értéke jelen esetben kötelez en nulla. A PC fel l érkez bitek vételének nehézsége abból adódik, hogy nem áll rendelkezésre olyan hardver egység, ami a beérkez adatot pufferelné, a program pedig nem figyelheti állandóan a PC által küldött biteket. Az ugyan megoldható lenne, hogy a program a beérkez startbit észlelésekor egy olyan rutint hajt végre, amely egy byte beolvasását végzi el, de így nem lehetne a kijelz mindenkori helyes vezérlését biztosítani. Így a PC fel l érkez soros bitfolyam sebessége a mintavétel sebességével egyezik meg, ezzel minden mintavételnél egy bit beolvasására nyílik lehet ség. Ez ugyan nem tesz lehet vé nagy sebességet de erre nincs is szükség, hiszen a PC csak ritkán fordul az er mér höz, akkor is csak néhány bit információt kell átvinni. Az egyes gombok megnyomását a kijelz -frissítés alatt beállított jelz bitek vizsgálatával érzékeli a program. A három programból kezelhet nyomógomb egyike jelen kiépítésben nullázásra szolgál. Ekkor új ofszet mérés is történik. A maradék két nyomógomb egyikével a konfigurációs módba lehet belépni, a másikkal ebben az üzemmódban lehet a különböz paramétereket beállítani. Ezek a paraméterek a PIC EEPROM-jában tárolódnak. 3.3.2.

A konfigurációs üzemmód

Ebben az üzemmódban néhány, a m2ködést befolyásoló paraméter állítható be. A MODE gomb megnyomásával léphetünk be ebbe az üzemmódba, majd az éppen a kijelz n látható sorszámú paraméter értéke a SET gomb megnyomásával változtatható. A paraméterek között a MODE gomb ismételt megnyomásával lépkedhetünk. Jelenleg 18 paraméter állítható be, pl. kiválasztható az aktív bemenet, egyesével megadhatók az ofszet számítási kívánalmak, beállítható, hogy a mért érték szorzására szükség van-e. Lekérdezhet az akkumulátor feszültsége, így a felhasználó az akkumulátorral még megvalósítható üzemid r l is tájékozódhat. A kijelz adta sz2kös lehet ségekb l kifolyólag az adott kijelzési metódust használva maximum 20 paraméter 10 értékre állítható be. A kijelzés úgy történik, hogy a bal oldalon 0..19 közötti sorszám látható, majd középen egy köt jel, jobbra pedig az adott paraméter értéke 0 és 9 között. Kilépni úgy lehet, hogy a MODE gombot legalább egy másodpercig lenyomva kell tartani. Ez a megoldás kicsit nehézkesnek t2nik, de így legalább lehet ség adódik olyan paraméterek állítására, ami az általam tervezett el z konstrukció esetén csak programcserével volt megoldható, pl. triggerszint, szorzótényez , impulzus üzem, újrakalibrálás, ofszetszámítás, frissítési id , stb. 3.3.3.

Az akkumulátortölt% üzemmód

Ebbe az üzemmódba akkor kerül a berendezés, ha az el lapi mér fej csatlakozatására szolgáló aljzat adott pontjaira megfelel egyenfeszültséget kapcsolunk. A feszültség meglétét a szoftver detektálja, s bármilyen állapotból a tölt üzemmódba kerül. A készüléket bekapcsolni sem kell. A kijelz n ezután egy mozgó ábra, és egy 0..9 közötti érték jelenik meg, amely folyamatosan növekszik, amint az akkumulátor lassan eléri a teljes feltöltöttséget. A feltölt dés után a „FUL” felirat tájékoztat a töltés befejez désér l. A folyamat a tápegységnél leírtak szerint megy végbe. A töltés folyamán az akkumulátorba befolyó áram fokozatosan csökken, ezt méri a berendezés. A kapott értékb l történik a nagyjából id arányos kijelzés kiszámítása, hiszen a felhasználó nem arra kíváncsi, hogy hány milliamper folyik az akkumulátorba, hanem hogy a töltés hol tart, ill. mennyi ideig fog még tartani.

50

A mér berendezés tervezése

3.4. A személyi számítógép illeszt% programja A PC-s program megírásával kapcsolatban felvet dik a kérdés, hogy milyen nyelven és milyen operációs rendszer alá készüljön a program. A korszer2, pl. Visual C++ nyelven Windows alá írt programok kétségtelen el nye a felhasználóbarát kialakítás, az adatok különböz applikációk közötti mozgathatósága, az igényes küls megjelenés. Ezen kívül azonban nem sok jót lehet elmondani róluk, jelen alkalmazásban semmilyen el nyt nem nyújtanak. A hátrányaik közé sorolható az id nként bizonytalan m2ködés, nagy méret, és a Windows-ból kifolyólag a szükséges nagy számítási kapacitás. Sajnos azzal a ténnyel is szembe kell nézni, hogy a berendezést alkalmazni kívánó személy vagy intézmény nem biztos hogy erre a feladatra Pentium alapú gépet és Windows-t akar vásárolni, f leg, mivel az elvégzend feladat ezt egyáltalán nem indokolja. A ma még számos helyen meglév , elfekv 386-osok pedig b ven elegend ek lennének erre a célra. Természetesen tisztában vagyok azzal, hogy az általam Turbo Pascal 7.0-ban írt program egyáltalán nem nevezhet korszer2nek, de a feladatát tökéletesen ellátja, mindazonáltal egyetlen lemezre az egész programon kívül még rengeteg mérési eredmény is ráfér. A program az eddigiek ismeretében sok magyarázatot nem igényel. A kényelmesebb kezelhet ség érdekében a program grafikus alapú, egérrel kezelhet . Induláskor megvizsgálja az er mér jelenlétét, majd a Sample gombra kattintva a mérés a triggerszint túllépésekor megkezd dik, majd a triggerszint alá csökken er esetén befejez dik. A program egy régebbi konstrukcióval is kompatibilis, itt azonban az er mér -PC átvitel nem a soros porton keresztül történik, lévén a régi er mér nem képes digitális átvitelre. Ebben az esetben a mér er sít kimen feszültsége egy PC-be illeszthet AD-kártyára kerül. Az analóg átvitel szükségessé teszi a programon belül az ofszet mérését, valamint a kalibrálást is. Ez az er mér n lév gomb megnyomásával lehetséges, s a programnak meg kell adnunk az er mér r l leolvasott értéket. Az analóg átvitel esetében a mintavételi frekvenciát és a mérés id tartamát is meg kell adni. A mintavétel alatt a görbe folyamatosan rajzolódik a képerny re. Az analóg megoldásnál a függ leges skálázás kezdetben egy el re beállítható érték, s a mérés során elképzelhet , hogy a görbe már nem férne bele az ablakba, ekkor az adott helyen az eredetileg zöld görbe pirossá válik. A mérési ciklus végén azonban a görbét a program akkorára rajzolja, hogy az pontosan kitöltse az ablakot. A digitális átvitel esetében a mérés során a skála maximuma 2000N, a normálás pedig a mérés befejezésekor itt is megtörténik. A kapott görbér l egy szálkereszttel olvashatók le az értékek. Ha az egérrel a görbe ablakába megyünk, a szálkereszt az egér vízszintes pozíciójához rögzítve végigvezethet a görbén. A bal fels ablakban az adott pont jellemz i olvashatók le, nevezetesen az er , az id , és a görbe adott pontbeli meredeksége. A középs ablakban a név, a mérés dátuma, a mérés során el állt legnagyobb er és meredekség értéke található. A jobb fels ablakban a mintavétel sebessége, a minta id tartama, és a minták száma kerül kijelzésre. A Zoom gombra kattintva lehetséges egy adott görberészlet kinagyítása, a Show All gombbal az eredeti nagyítást állíthatjuk vissza. Ekkor a görbe teljes hossza látható az ablakban. A mérés dokumentálása során hasznos lehet, ha az er diagram kinyomtatható. A BitMaP gombra kattintva a program egy monokróm BMP kiterjesztés2 file-t állít el , amely a kés bbiekben tetsz legesen felhasználható. A közvetlen nyomtatás megoldása a megszámlálhatatlan típusú és vezérl kódszekvenciát alkalmazó nyomtató el fordulása miatt nem lenne szerencsés megoldás. Egy Windows alá írt program talán ezen az egy ponton lenne kedvez bb megoldás. Az Exit gombbal a programból kiléphetünk. A jobb oldali négy gomb közül a legfels , Grid feliratúval a görbe ablakában egy rács rajzoltatható a nevezetes értékeknek megfelel pontokra. A Scale gombbal ezek az

51

A mér berendezés tervezése értékek megjelenítése be- és kikapcsolható. A Meter gombbal egy h mér -szer2 megjelenítési módot kapcsolhatunk be és ki a görbét l jobbra, mely szemléletesen mutatja a mindenkori er értékét. Ez f leg akkor lehet érdekes, amikor a Play gombra

26.ábra. A felhasználói program felülete

kattintással a rögzített er diagram valós id ben lejátszható, rekonstruálva a mérés során fellép er id beli lefolyását. A középen elhelyezked három gomb közül a Sample feliratú funkcióját már ismertettem. A Load és Save gombokkal a mérések eredményei betölthet k ill. elmenthet k. A betöltés során el ször egy görget ablakban megjelennek azon a személyek nevei, akikkel mérés készült. A névre kattintva két eset lehetséges: ha az illet nek csak egy mérése volt, akkor az rögtön betölt dik, ha több mérése volt, akkor egy újabb görget ablakban megjelennek a mérések id pontjai, s közülük ki lehet választani a kívántat. Általános szabály, hogy ezen m2veletek alatt az ESC gombbal vagy a jobb egérgombbal bármikor ki lehet lépni. A Save gombra kattintva, ha az adott személynek még nem volt mérése, adatai rögtön mentésre kerülnek. Ha már el fordult ilyen név, választhatunk, hogy új nevet kívánunk megadni, felül kívánjuk írni a már meglév eredményeket, vagy hozzá akarjuk f2zni a már meglév khöz. Az adatok tárolása úgy történik, hogy minden személyhez külön file tartozik. Ez azért el nyös, mert így nem kell egy esetleg gigantikussá duzzadó állományt szállítani, ha egy meglév eredmény mellé újabbakat akarunk felvenni. A file-nevek a személyek nevéb l vannak el állítva az ékezetek elhagyásával, a lehetséges maximális nyolc karakter hosszúságban, de a program sorszámozni kezdi a file-neveket, ha esetleg egyez ség fordulna el . Ez kényelmes, mert a file-nevére pillantva a személy könnyen azonosítható, és adatai külön is könnyen mozgathatóak, szállíthatóak. A töltés során megjelen görget ablakban egy adott névre állva a DEL leütésével a program a

52

Az elvégzett mérések biztonsági rákérdezés után törli az adott személy adatait. A BMP file el állítása alkalmával is a fenti file-név el állítási eljárás kerül alkalmazásra. A program feliratai egy küls szöveges állományban találhatók, így a feliratok, üzenetek bármely nyelven könnyedén kiírathatók. Úgy érzem, hogy err l a programról nem érdemes sokkal többet leírni, hiszen különleges megoldásokat nem tartalmaz, s erre a programra is érvényes az a megállapítás, hogy egy program legjobban a használat során ismerhet meg. [12,13,14]

4. Az elvégzett mérések A mér berendezéssel néhány kísérleti mérést is elvégeztem. A kapott görbék részletes biomechanikai kiértékelése nem célom, pusztán a görbék jellegét ismertetem. A mérések az er mér alapkiépítésében, azaz vezetékkel, valamint a telemetriás berendezés felhasználásával készültek. A kísérleti mérések során 10 személy mindkét kezével egy-egy mérés történt. Az így kapott 20 görbét 10 grafikonon ábrázoltam, az egyes görbéken a bal, illetve jobb kéz szorítóerejének er diagramja együtt látható. Az ábrákon a bal kéz er diagramja sötét, a jobb kézé világosabb árnyalattal van ábrázolva. A kísérletben részt vev személyek adatai az alábbi táblázatban, a mérések során kapott diagramok a következ oldalakon láthatók:

Sorszám

Nem

Életkor

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

N N N N Férfi Férfi Férfi Férfi Férfi Férfi

9 év 11 év 22 év 47 év 66 év 23 év 23 év 23 év 22 év 22 év

6.táblázat. A kísérleti személyek adatai

53

Az elvégzett mérések 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

27.ábra. Az 1. számú kísérleti személy eredményei 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

28.ábra. Az 2. számú kísérleti személy eredményei 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

29.ábra. A 3. számú kísérleti személy eredményei

54

Az elvégzett mérések

700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

30.ábra. A 4. számú kísérleti személy eredményei 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

31.ábra. A 5. számú kísérleti személy eredményei 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

32.ábra. A 6. számú kísérleti személy eredményei

55

Az elvégzett mérések

700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

33.ábra. A 7. számú kísérleti személy eredményei 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

34.ábra. A 8. számú kísérleti személy eredményei 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

35.ábra. A 9. számú kísérleti személy eredményei

56

Az elvégzett mérések

700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

36.ábra. A 10. számú kísérleti személy eredményei

Az 1.,3.,4.,5.,6.,8.,9.,10. számú kísérleti személyek jobbkezesek, ezekben az esetekben jól látható, hogy a jobb kezet ábrázoló világosabb árnyalatú görbe mindenhol a bal kéz sötétebb görbéje fölött található. A 7. számú személy balkezes, itt a bal kéz ereje a nagyobb. A 2. személy pedig átszoktatott jobbkezes és nagy valószín2séggel ennek következtében dyslexiás. Ez a betegség els sorban olvasási nehézségeket okoz, az irányok és sorrendek megkülönböztetése problémát jelent e betegeknél. Egy átszoktatott jobbkezes esetében sokszor a bal oldal – és így a jobb agyfélteke – marad domináns, s ez jelen esetben a bal kéz nagyobb szorítóerejében is megnyilvánul. A legnagyobb szorítóer ket produkáló 9. és 10. számú személy rendszeresen sportol, ill. számos alkalommal gyakorolta a mér fej szorítását. Érzékelhet tehát az, hogy kell gyakorlással a kapott eredmények javíthatók.

57

Összefoglalás

5. Összefoglalás Diplomamunkám célkit2zése egy mikroprocesszor-vezérelt er mér tervezése, kivitelezése volt. A mér rendszer els sorban sport célú kézi szorítóer mérésére használható, de megfelel adapterekkel lehet ség nyílig tetsz leges er k, ill. deformációk mérésére. A berendezés önállóan is m2köd képes, de személyi számítógéphez is csatlakoztatható, ezáltal er diagramok felvételére, és azok kiértékelésére is alkalmas. Az er ill. deformációk mérésére szolgáló mér fej jelének fogadásán kívül még két analóg bemenettel is rendelkezik, ezáltal számos egyéb mérés elvégzésére is alkalmas. Kifejlesztettem továbbá egy analóg, infravörös jelátvitellel m2köd telemetrikus berendezést is, melynek adója szintén egy mér fej jelét tudja fogadni, vev je pedig az er mér egyik analóg bemenetére csatlakozik. Segítségével azokban az alkalmazásokban is lehetséges az er mérése, ahol a vezetékes átvitel nem célszer2, vagy nem lehetséges. Az elkészített berendezés megbízhatóan m2ködik, számos kényelmi szolgáltatással teszi könnyebbé a felhasználást. Alacsony árát figyelembe véve minden olyan helyen alkalmazható, ahol megbízható, de olcsó er mér re van szükség.

Summary The purpose of this thesis was to design and build a microprocessor-controlled dynamometer. The system can be used for measuring manual grip-force, although using appropriate measure-adapters, it is possible to measure any kind of forces or deformations. The appliance can work independently, or can be connected to a personal computer, so can be used for record and evaluate force-diagrams. There are two optional analogue inputs through them any kind of signal measurement can be achieved. An analogue, infrared telemetry system also was developed, which is useful in such applications where a cable transmission is not possible or not practical. The telemetry system connects to the dynamometer and the handgrip. The implemented device works reliable, and a number of services provide ease of use. The low price of the appliance makes possible to use it in such applications where a reliable and cheap dynamometer is required.

58

Mellékletek

6. Mellékletek Irodalomjegyzék [1]

Dr. Barton József: Biomechanika, Tankönyvkiadó, 1984.

[2]

Hainzmann - Varga - Zoltai: Elektronikus áramkörök, Tankönyvkiadó, 1992.

[3]

Tietze-Schenk: Analóg és digitális áramkörök, M2szaki Könyvkiadó, 1993.

[4]

TL080

[5]

LTC1091..4 1,2,6 and 8 Channel, 10-Bit Serial I/O Data Acquisition Systems Linear Technology Data Sheet

[6]

PIC16F8X Data Sheet Microchip Technology Inc., 1996.

[7]

PS-típusú, karbantartást nem igénylG, zárt POWER SONIC ólomakkumulátorok, Adatlap, POWER SONIC

[8]

Géher Károly: Híradástechnika, 132-134 old., M2szaki Könyvkiadó, 1993.

[9]

Kékesi István: Infra-fejhallgató, Hobby Elektronika 1994./8 262-265 old., Rádióvilág Kft., 1994.

JFET-Input Operational Amplifier Texas Instruments Data Sheet, 1994.

[10] HEF4046B Phase – Locked Loop Data Sheet, Philips Semiconductors, 1995. [11] OP-27 Low Noise, Precision Operational Amplifier Analog Devices Data Sheet Analog Devices [12] Abonyi Zsolt: PC hardver kézikönyv, 262-269 old. Computer Books, 1996. [13] Abonyi - Benesóczky - Hainzmann: Illesztés mikroszámítógéphez, 63-74 old., M2egyetemi Kiadó, 1997. [14] László József: Perifériák programozása Pascal és assembly nyelven, 107-126 old., Computer Books, 1998.

59

Mellékletek

A mikrokontroller szoftverének forráskódja DEVICE PIC16F84,XT_OSC,WDT_OFF,PROTECT_OFF,PWRT_OFF EEORG 0 EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA EEDATA

0 1 3 1 1 0 2 0 0 0 2 0 0 1 0 1 1 4

;aktuális csatorna ;mér,fej ofszet ;mér,fej trigger ;mér,fej újrakalibrálás ;mér,fej szorzó ;ch1 ofszet ;ch1 trigger ;ch1 újrakalibrálás ;ch1 szorzó ;ch2 ofszet ;ch2 trigger ;ch2 újrakalibrálás ;ch2 szorzó ;auto power off ;impulzus üzemmód a mér,fejnél ;soros adatok típusa ;auto zero ;frissítési sebesség

ORG 0ch pwc bp cs clk din txd mx0 mx1

equ equ equ equ equ equ equ equ

rb.0 rb.1 rb.2 rb.3 rb.4 rb.5 rb.7 rb.6

w_s st_s disp d1 d2 d3 d4 l1 l2 l3 temp1 temp2 temp3 al ch cha ad ertek ofs

ds 1 ds 1 ds 2 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 2 ds 2 ds 2

;átmeneti tároló ;a megszakítás miatt ;kijelz, érték 11 bites bináris ;a kijelz,re kerül, ;négy digit karakter ;kódjai ;d1=ezres d4=egyes ;display latch1 ;display latch2 ;display latch3 ;temp ;temp ;temp ;accu ;konvertálandó analóg csatorna ;csatorna sorszám ;ad átalakító értéke ;számolt érték ;ofszet

60

Mellékletek flag power count mode max btn delay mul rfsh rrate trigger apot send sendb ed ea btnt par value lehets

ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 2 ds 1 ds 3 ds 1 ds 1 ds 1 ds 2 ds 1 ds 2 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1 ds 1

;állapotjelz, ;tápvezérlés ;számláló ;üzemmód ;maximumérték ;gombok ;auto power off számláló ;szorzó ;frissítés számláló ;frissítési sebesség ;trigger ;auto power off time fél percben ;soros küldend, 2 byte ;küldött byte ;eeprom adat ;eeprom cím ;gomb késleltetés ;paraméter sorszám ;paraméter értéke ;adott paraméternél lehetséges értékek száma

lt alatt

equ equ

mode.0 flag.2

ORG 0h jmp

start

ORG 4h jmp

it_rut

chr_tabl

jmp retw retw retw retw retw

pc+w 252,20,110,118,150,242,250,84,254,246,222,232,168,2,32,0 1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0,0,0,0 244,64,54,114,194,242,246,80,246,242,214,180,164,2,32,0 9,9,1,9,9,8,8,9,9,9,9,0,0,0,0,0 197,0,198,134,3,135,199,128,199,135,195,197,69,2,4,0

ch_konv

jmp retw

pc+w 0,5,7,0

lehetoseg

jmp retw

pc+w 2,1,5,1,3,1,5,1,3,1,5,1,3,4,1,1,1,4,0

fazis

jmp retw

pc+w 64,4,16,32,8,128

szintek

jmp retw

pc+w 0,5,10,20,50,100

frissitesek

jmp retw

pc+w 100,40,20,13,10

idok

jmp

pc+w

61

Mellékletek

it_rut

nem_config

nincs_lt

nincs_ofs

nem_kell_ofs

retw

0,10,20

mov mov clrb xor call inc setb clrb btfsc jmp btfss jmp call jmp clrb btfsc jmp mov mov mov cjne setb mov mov clr jmp btfss jmp btfsc jmp mov mov mov cjne setb call mov mov btfsc jmp call mov mov btfss jmp sub sc dec sub cjb clr clr call

w_s,w st_s,status RTIF flag,#1 send_disp_latch count ra.0 ra.1 ra.4 toltes flag.3 nem_config config timer_ujrair flag.4 lt nincs_lt l1,#247 l2,#255 l3,#255 count,#0,it_vege lt l1,#197 l2,#9 l3 it_vege mode.1 nincs_ofs mode.2 nincs_ofs l1,#197 l2,#214 l3,#169 count,#0,it_vege mode.2 ad_read ofs,ad ofs+1,ad+1 mode.3 it_vege ad_read ertek,ad ertek+1,ad+1 mode.1 nem_kell_ofs ertek,ofs ertek+1 ertek+1,ofs+1 ertek+1,#127,nem_kell_ofs ertek ;ha a kivonás során ertek+1 ;negatív értéket kapnánk sendw

62

Mellékletek

szorzas_vege

trig_alatt

nincs_recal

tra_vege trig_felett

mov mov cje clrb rlf rlf cje clrb rlf rlf clrb add btfsc inc clrb add cje clrb rlf rlf cja cjb cjae setb mov mov call call inc cjne inc cjne clr btfss jmp mov mov inc cjne mov mov mov setb setb mov jmp clr clr clr btfss jmp btfss jmp clr clr

temp1,ertek temp2,ertek+1 mul,#0,szorzas_vege c ertek ertek+1 mul,#1,szorzas_vege c ertek ertek+1 c ertek,temp1 c temp2 c ertek+1,temp2 mul,#2,szorzas_vege c ertek ertek+1 ertek+1,trigger+1,trig_felett ertek+1,trigger+1,trig_alatt ertek,trigger,trig_felett alatt disp,max disp+1,max+1 bin2bcd disp_konv delay delay,#0,tra_vege delay+1 delay+1,#20,tra_vege delay+1 mode.4 nincs_recal ofs,ad ofs+1,ad+1 delay+2 delay+2,apot,tra_vege l1,#195 l2,#159 l3,#253 mode.3 power.2 rfsh,rrate it_vege delay delay+1 delay+2 mode.5 nincs_autozero alatt nincs_autozero max max+1

63

Mellékletek

nincs_autozero

max_modosit nem_modosit

it_vege

nem_cal

nincs_mode timer_ujrair

start

clrb cja cjb cja jmp mov mov dec cjne mov mov mov call call btfss jmp clr clr clrb mov btfss jmp inc cjne clr setb clr mov mov mov reti

alatt ertek+1,max+1,max_modosit ertek+1,max+1,nem_modosit ertek,max,max_modosit nem_modosit max,ertek max+1,ertek+1 rfsh rfsh,#0,it_vege rfsh,rrate disp,ertek disp+1,ertek+1 bin2bcd disp_konv btn.2 nem_cal max max+1 mode.2 count,#155 btn.0 nincs_mode btnt btnt,#100,timer_ujrair count flag.3 btnt rtcc,#237 status,st_s w,w_s

mov mov setb clr mov clrb mov mov mov mov clr clr clr clr clr clr clr clr clr clr clr clr clr

!ra,#11110000b !rb,#00000000b rp0 wdt option,#7 rp0 intcon,#10100000b rb,#36 ra,#12 ra,#4 l1 l2 l3 delay delay+1 delay+2 flag ofs ofs+1 count max max+1 par

;txd=H, CS=H ;beír a control latchbe ;clk4 le, clk 2 fel

64

Mellékletek

hurok bin2bcd

overload

belefer

shift

bin_cik b_t1 b_t2 b_t3 b_t4

konv_vege

mov clr mov call jmp

power,#00000001b trigger+1 rfsh,#1 load_cfg hurok

cjb cja cjb clr clr mov mov ret mov mov clr clr clr clr mov rlf rlf djnz mov cjbe add cjbe add cjbe add cjbe add rlf rlf rlf movb and rlf movb and rlf movb and rlf djnz and cjne mov cjne mov cjne mov ret

disp+1,#7,belefer disp+1,#7,overload disp,#208,belefer d1 d2 d3,#12 d4,#15

;ha a disp<$7D0 akkor kiír

temp1,disp+1 temp2,disp d1 d2 d3 d4 al,#5 temp2,1 temp1,1 al,shift al,#11 d4,#4,b_t1 d4,#3 d3,#4,b_t2 d3,#3 d2,#4,b_t3 d2,#3 d1,#4,b_t4 d1,#3 temp2,1 temp1,1 d4,1 c,d4.4 d4,#0fh d3,1 c,d3.4 d3,#0fh d2,1 c,d2.4 d2,#0fh d1,1 al,bin_cik d1,#0fh d1,#0,konv_vege d1,#0 d2,#0,konv_vege d2,#15 d3,#0,konv_vege d3,#15

;11 bites bináris->BCD konverzió

;egyébként OL felirat

;nulla kioltások ;üres karakter

65

Mellékletek disp_konv

send_disp_latch

neminv

clr clr clr mov call or mov add call or mov add call or mov add call or mov add call or clr btfsc d1.0 or snb or or ret

l1 l2 l3 w,d4 chr_tabl l3,w w,d3 w,#16 chr_tabl l3,w w,d3 w,#32 chr_tabl l2,w w,d2 w,#48 chr_tabl l2,w w,d2 w,#64 chr_tabl l1,w w

setb setb clrb btfss setb or movb and sb jmp xor xor xor setb clrb mov and movb mov or movb mov xor movb ret

cs txd pwc power.3 pwc ra,#12 pwc,power.2 ra,#23 flag.0 neminv l1,#255 l2,#255 l3,#255 ra.1 ra.0 rb,l1 ra,#19 btn.0,ra.4 rb,l2 ra,#8 btn.1,ra.4 rb,l3 ra,#12 btn.2,ra.4

;d1..d4 -> l1..l3 konverzió

;ezres w,#32 flag.1 w,#16 l1,w

;LO BAT kapcsoló

;l1..l3 latch-be írása

;ha flag.0=1 akkor negáljuk az ;egészet ez az LCD miatt kell. ;BP automatikusan jól áll el,.

66

Mellékletek

clk_trans

ad_read

ad_cik

visszair

sendw

csak_ad protokoll

setb nop clrb ret

clk

and setb clrb clrb setb movb movb movb or clrb call setb call setb call movb call mov djnz setb call mov clr clr call movb rlf rlf djnz call setb movb clrb call ret

ra,#28 cs clk din txd mx0,ch.1 mx1,ch.2 bp,power.0 ra,#12 cs clk_trans din clk_trans din clk_trans din,ch.0 clk_trans al,#20 al,$ din clk_trans al,#10 ad ad+1 clk_trans c,ra.4 ad,1 ad+1,1 al,ad_cik clk_trans cs bp,power.1 ra.3 neminv

;ra.0, ra.1 le, mx 0 bemenet (dout) ;cs fel ;clk le ;din le ;TXD-nek H-n kell lennie

btfss jmp mov mov jmp mov mov clrb rlf movb clrb setb movb

mode.6 csak_ad send,ertek send+1,ertek+1 protokoll send,ad send+1,ad+1 c send+1 send+1.0,send.7 send.7 send+1.7 send+1.6,flag.1

;két byte elküldése

clk

;mér,fej PWR ;latch 4 engedélyezés, átlátszik ;cs le -> AD enable ;els, 0 bit (din=0) ;start bit din=1 ;single mode (ez elhagyható,rb.2=1) ;ch.0=AD csatorna ;min. 20us ;késleltetés kell ;MSBF=1 MSB jön el,ször ;10bites olvasás

;cs fel ;mér,fej power ;clk2 fel (clk4 le, latch4 tart) ;az elrontott latch újraírása

67

Mellékletek

nulla kesz

send_byte

sendb_cik

bit_time var bit_time2 var2

load_cfg

clrb clrb clrb btfss jmp btfss jmp setb jmp setb mov call mov

send+1.5 send+1.4 send+1.3 ch.0 kesz ch.1 nulla send+1.4 kesz send+1.3 sendb,send send_byte sendb,send+1

setb setb movb movb or mov clrb call rr movb call djnz setb call jmp mov djnz ret mov djnz ret

txd cs pwc,power.2 bp,power.1 ra,#12 al,#8 txd bit_time2 sendb txd,c bit_time al,sendb_cik txd bit_time2 visszair temp1,#13 temp1,var

clr call mov call mov mov clrb rlf rlf inc mov call movb inc call mov call mov inc

ea eerd cha,ed ch_konv ch,w temp1,cha c temp1 temp1 temp1 ea,temp1 eerd mode.1,ed.0 ea eerd w,ed szintek trigger,w ea

;ha 0, akkor 01 ha 1, akkor 10

;TXD magas ;AD CS magas ;biztos legyen L ;ez is ;latch 4 átlátszik ;8 byteot küldünk ;startbit (L) ;startbit id, ;legalsó bitet c-be rotáljuk ;TXD=c ;bitid, ;1 stopbit (H) ;ideje

temp1,#15 temp1,var2

;konfigurációs értékek betöltése ;EEPROM-ból

68

Mellékletek

cfg_vege eewr

eeww

eerd

eerw

config

call movb inc call mov mov call mov call mov inc call movb inc call movb inc call movb inc call mov call mov and cjne setb movb ret

eerd mode.4,ed.0 ea eerd mul,ed ea,#13 eerd w,ed idok apot,w ea eerd mode.7,ed.0 ea eerd mode.6,ed.0 ea eerd mode.5,ed.0 ea eerd w,ed frissitesek rrate,w power,#11111000b cha,#0,cfg_vege power.0 power.1,mode.7

mov mov setb setb movlw movwf movlw movwf setb jb clrb clrb ret

eeadr,ea eedata,ed rp0 wren 55h eecon2 0aah eecon2 wr wr,eeww wren rp0

;EEPROM írása

mov setb setb jb clrb mov ret

eeadr,ea rp0 rd rd,eerw rp0 ed,eedata

;EEPROM olvasása

btfsc jmp mov

flag.4 beallit l1,#197

;konfigurációs üzemmód

69

Mellékletek

beallit

nem_kell_er

van_mode

meg_nem_lep_ki

nincs_mentes

van_set

mov mov clr setb cse ret setb mov btfsc jmp call mov mov call mov mov clr call mov clr csne inc mov mov call btfsc jmp clrb clr btfsc jmp clrb ret inc cjne clrb call ret btfsc ret clrb mov call cje mov call inc setb csae ret clr ret btfsc ret inc

l2,#150 l3,#250 par flag.5 count,#0 flag.4 ea,par flag.7 nem_kell_er eerd value,ed w,par lehetoseg lehets,w disp,par disp+1 bin2bcd d2,d4 d1 d3,#1 d1 d3,#13 d4,value disp_konv btn.0 van_mode flag.5 btnt btn.1 van_set flag.6 btnt btnt,#0,meg_nem_lep_ki flag.3 load_cfg flag.5 flag.7 ea,par eerd value,ed,nincs_mentes ed,value eewr par flag.5 par,#18 par flag.6 value

70

Mellékletek

toltes

friss

rrcik

tele

setb setb csbe clr ret

flag.7 flag.6 value,lehets value

btfsc jmp setb cje jmp clr inc csb clr mov call mov clrb rr djnz dec btfsc clr cje and clr mov mov mov call mov call or jmp clrb setb mov mov mov setb jmp

power.7 tele power.3 count,#100,friss timer_ujrair count max max,#6 max ch,#00000011b ad_read al,#5 c ad al,rrcik ad ad.7 ad ad,#0,tele ad,#15 d1 d2,#15 d3,ad d4,#15 disp_konv w,max fazis l3,w timer_ujrair power.3 power.2 l1,#195 l2,#228 l3,#169 power.7 timer_ujrair

;akkutölt, üzemmód

71

Mellékletek

A mikrokontroller szoftverének folyamatábrái START

Megszakítás

Portok felkonfigurálása

Regiszterek mentése

Megszakítás beállítása

Kijelz invertálás Kijelz latch írás

Vezérl latch felprogramozása

INC(Count)

Kezd értékek beállítása

Töltés flag=1? n

Konfigurációs értékek betöltése EEPROM-ból

Konfig. flag=1?

Akkutöltés i

n Kijelz teszt flag=0? n

Végtelen ciklus

Konfiguráció

i

Kijelz re „1888”

i

Count=0?

n Gomb-teszt Kell ofszet mérés? n

i Kijelz -teszt flag=1 Kijelz re „0”

i i

Volt ofszet=1? n

Gomb-teszt

Kijelz re „CAL” Count=0? i Volt ofszet=1

n

Gomb-teszt

AD olvasás OFS=AD

Kell mérés? i AD olvasás

Gomb-teszt n

érték=AD Kell ofsz. komp.?

érték=érték-OFS i

Folytatás a köv. oldalon

72

Mellékletek

El z oldalról érték<0? n

érték=0 i

érték=mul*érték érték>trigger? n Alatt flag=1

i

Kiír MAX INC (Delay) Kell újrakalibrálás? n Auto Power Off id zítés letelt? n

Újrakal. id letelt? n i

i

OFS=AD

Kijelz „APO”

Tápegység vezérlés ki

i

RFSH=RRATE Gomb-teszt

Delay=0 Kell autozero? n

Alatt flag=1? i

érték>MAX? n

n

MAX=0 i Alatt flag=0

MAX=érték i

DEC (RFSH) RFSH=0? n

RFSH=RRATE

Kiír érték

i

Gomb-teszt

73

Mellékletek

Gomb-teszt ZERO lenyomva?

i

n

MAX=0 Count=155 Volt ofszet=0

MODE lenyomva? n

INC (BTNT) i BTNT=100? n

BTNT=0

Count=155 i Konfig. flag=1

Timer újraírás

Akku ellen rzés Timer újraírás RETurn from Interrupt

Konfiguráció CFG kiírás volt=1?

kijelz re „CFG”

El z MODE=1

n

i

i

CFG kiírás volt=1 PAR=0

Timer újraírás

Olv. átugrás=0? n

Count=0? n

VAL=EEPROM(PAR)

Lehets=LEH(PAR)

i

Kijelz re PAR, köt jel, VAL Folytatás a köv. oldalon

74

Mellékletek

El z oldalról MODE lenyomva?

INC (BTNT) i

n

BTNT=0? n

El z MODE=1? i

i

El z MODE=0

Konfig. flag=0

Olvasás átugrás=0

BTNT=0

Konfigurációs értékek betöltése EEPROM-ból

EEPROM(PAR)= =VAL? n

SET lenyomva? n

i

i

Timer újraírás

n

EEPROM(PAR)=VAL

El z MODE=0 Timer újraírás

INC (PAR) El z SET=1?

n

El z MODE=1 i PAR=18? n

INC (VAL) Timer újraírás

Olvasás átugrás=1

PAR=0

El z SET=1 VAL>Lehets n

i

Timer újraírás

i Akkutöltés

VAL=0

Akku tele flag=1?

Timer újraírás

n

i

Count=100? i

Count=0

Kijelz re FUL n Táp vez.=1 (töltés ki)

Akku áram beolvasás

Timer újraírás

Timer újraírás

Kijelzend ért.számítása Kapott érték kiírása Animáció mozgatása Iakku
i

Akku tele flag=1

Timer újraírás

75

37. ábra. A digitális rész kapcsolási rajza

Mellékletek

Kapcsolási rajzok

76

38. ábra. A kijelz -modul kapcsolási rajza

Mellékletek

77

39. ábra. A tápegység kapcsolási rajza

Mellékletek

78

40. ábra. Az infravörös adó kapcsolási rajza

Mellékletek

79

41. ábra. Az infravörös vev kapcsolási rajza

Mellékletek

80

Mellékletek

Nyomtatott áramkörök, fényképek

42. ábra. A digitális rész nyomtatott áramkörének forrasztási oldala

43. ábra. A digitális rész beültetési rajza

44. ábra. A kijelz -modul forrasztási oldala

81

Mellékletek

45. ábra. A kijelz -modul alkatrész oldala

46. ábra. A kijelz -modul beültetési rajza

47. ábra. A tápegység NYÁK forrasztási oldala

82

Mellékletek

48. ábra. A tápegység beültetési rajza

49. ábra. A felhasznált mér fej

50. ábra. A bedobozolt mér berendezés

83

Mellékletek

51. ábra. A digitális rész

52. ábra. A kijelz -modul

53. ábra. A tápegység

84

Mellékletek

Nyilatkozat

Alulírott, Tóth Norbert, a Budapesti M2szaki Egyetem hallgatója kijelentem, hogy ezt a diplomatervet meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a diplomatervben csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelm2en, a forrás megadásával megjelöltem.

Tóth Norbert

85