VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA

VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky Obor: Počítačové systémy

Bakalářská práce Téma: Víceotáčkový absolutní snímač úhlové polohy

Jméno a příjmení: Oliva Radim 3.r. PS KS Vedoucí práce: Ing. Krejčí Ivan CSc

Jihlava 2014

1

Abstrakt První část práce popisuje používané principy snímání rotační polohy. Hodnotí možnosti jejich využití ve víceotáčkových snímačích úhlu a zabývá se problematikou snímačů absolutních. V teoretické části práce popisuje současný stav v oblasti snímačů rotační polohy, jejich činnosti a vysvětluje vlastnosti a principy senzorů použitých ve snímačích polohy. Druhá část práce se zabývá technickým řešením stavby zkušebního vzorku víceotáčkového absolutního snímače polohy s integrovaným číslicovým senzorem rotační polohy magnetického pole.

Klíčová slova snímač, mikrokontrolér, absolutní, rotační, polohy, magnetické, pole

Abstract The first part of the thesis describes used principals of rotation position sensor. It evaluates possibility of use in multiple turn rotation angle sensors and deals with absolute sensor topic. The thesis describes current state of rotation angle sensor filed in the theoretical part, their functions and explains properties and principals used in current angle sensors. The second part of thesis deals with technical design and construction of a sample multiple turn absolute angle sensor with integrated contactless magnetic rotary encoder.

Key words sensor, microcontroler, absolute, rotary, position, magnetic, field

Prohlašuji, že předložená bakalářská práce je původní a zpracoval/a jsem ji samostatně. Prohlašuji, že citace použitých pramenů je úplná, že jsem v práci neporušil/a autorská práva (ve smyslu zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů, v platném znění, dále též „AZ“). Souhlasím s umístěním bakalářské práce v knihovně VŠPJ a s jejím užitím k výuce nebo k vlastní vnitřní potřebě VŠPJ. Byl/a jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje AZ, zejména § 60 (školní dílo). Beru na vědomí, že VŠPJ má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.). Jsem si vědom/a toho, že užít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem VŠPJ, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených vysokou školou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše), z výdělku dosaženého v souvislosti s užitím díla či poskytnutí licence. V Jihlavě dne

.............................................. Podpis

Poděkování Rád bych touto cestou poděkoval Ing. Ivanu Krejčímu, CSc. za opravdu příkladné a pozorné vedení, pomoc a jeho rady při vedení bakalářské práce. Dále bych rád poděkoval firmám Texas Instruments a Austria Microsystems za poskytnutí vzorků součástek pro tuto bakalářskou práci.

Obsah 1. 2. 3. 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.5 3.5.1 3.6

4. 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.3.9 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3

Úvod a motivace ......................................................................................... 8 Zadání a cíl projektu ................................................................................. 9 Současný stav .............................................................................................. 9 Inteligentní snímače ................................................................................................ 10 Senzory magnetického pole .................................................................................... 10 Kontakt reagující na magnetické pole .................................................................... 11 Hallův sensor .......................................................................................................... 12 Základní teorie Hallova jevu .................................................................................. 12 Snímání otáček motorů a inkrementální snímače ................................................ 14 Integrované AMR senzory magnetického pole ..................................................... 15 Princip AMR senzorů ............................................................................................. 15 Provedení AMR senzorů ........................................................................................ 16 Použití AMR senzorů ............................................................................................. 19 GMR senzory magnetického pole .......................................................................... 20 Princip a základní struktura GMR senzoru ............................................................ 21 Magnetické rotační snímače polohy ...................................................................... 22

Navržený způsob řešení ........................................................................... 22 Řešení problému ...................................................................................................... 24 HW ............................................................................................................................ 25 Mikrokontrolér ....................................................................................................... 26 Senzor magnetického pole...................................................................................... 28 Diferenciální oddělovač RS422 ............................................................................. 28 USB rozhraní .......................................................................................................... 30 Napájení ................................................................................................................. 30 Schéma ...................................................................................................................... 31 Schéma snímače ..................................................................................................... 31 Regulátor napětí ..................................................................................................... 32 Mikrokontrolér, senzor magnetického pole a diferenciální oddělovač .................. 32 Převodník UART – USB ........................................................................................ 36 Plošný spoj snímače ............................................................................................... 37 Plošný spoj převodníku UART - USB ................................................................... 38 Výroba plošných spojů ........................................................................................... 38 Osazení plošného spoje .......................................................................................... 39 Pasivní součástky ................................................................................................... 39 Programování mikrokontroléru ............................................................................ 39 Programové vybavení mikrokontroléru ................................................................ 40 SPI komunikace se senzorem polohy ..................................................................... 40 Vyhodnocení polohy a konverze jednotek ............................................................. 42 Obsluha přerušení během stavu hibernace mikrokontroléru .................................. 42

4.5.4 4.5.5 4.6 4.6.1

5. 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4

6. 7. 8. 8.1

Zpracování fázově posunutých signálů z jazýčkových kontaktů ........................... 42 Obsluha komunikačního protokolu s nadřazeným systémem ................................ 44 Protokol komunikace s nadřazeným systémem. ................................................... 45 Struktura komunikačního protokolu....................................................................... 45

Závěr ......................................................................................................... 46 Naplnění zadaných cílů ........................................................................................... 49 Rozměry ................................................................................................................. 49 Počet otáček a rozlišení .......................................................................................... 49 Rychlost otáčení ..................................................................................................... 49 Napájení ................................................................................................................. 49

Seznam zdrojů .......................................................................................... 50 Seznam obrázků ....................................................................................... 51 Přílohy ....................................................................................................... 51 Obsah přiloženého CD ............................................................................................ 51

Základní pojmy a veličiny pole elektrické – jedna z forem hmoty. Je charakterizováno silou, kterou působí na nehybný elektrický náboj umístěný v tomto poli. Může být vytvořeno nehybnými náboji, elektrickým proudem a změnou magnetického pole. Je charakterizováno intenzitou a elektrickou indukcí. pole elektromagnetické – jedna z forem hmoty složená z pole elektrického a z pole magnetického, vzájemně na sobě závislých. Je vírové, má určitou energii, hybnost, setrvačnost a šíří se ve vakuu rychlostí světla. pole magnetické – jedna z forem hmoty charakterizovaná silovým působením na pohybující se elektrické náboje, nebo vodiče protékané elektrickým proudem, popř. trvalými magnety (magnetické pole je vytvořeno pohybem elektronů v atomech). rezistor – konstrukční součástka elektrických obvodů, jejíž odpor je upraven na určitou hodnotu. senzor – snímač měřené veličiny, který v měřicím systému zprostředkuje vazbu mezi objektem měření a dalšími členy měřicího řetězce, které zpracovávají měřicí signál. Senzor snímá přímo nebo nepřímo měřenou veličinu a převádí ji do informačního parametru informačního signálu. Senzor je prvním členem měřicího řetězce. Senzor nemá měřenou veličinu ovlivňovat. Ve stejném významu se často užívá slovo „čidlo“. snímač – číslicový snímač neelektrické veličiny, který převádí vstupní analogový signál na výstupní elektrický signál v číslicovém tvaru. [1]

1.

Úvod a motivace V současné době je automatizace průmyslu na vysoké úrovni. Automatické řízení je

založeno na zpětné vazbě spočívající na změření hodnoty výstupní veličiny (popř. veličin) a jejím porovnáním s hodnotou požadovanou (hodnotami požadovanými). Případná odchylka je regulátorem korigována. Měření regulovaných veličin zajišťují senzory umístěné na kritických místech automatizovaného procesu. Vývoj technologií výroby elektronických obvodů posunul v poslední době možnosti bezkontaktních magnetických senzorů na vysokou užitnou úroveň. Práce se věnuje senzorům a snímačům rotační polohy na základě identifikace změny magnetického pole. Takové senzory jsou již dostupné v integrované formě a vyznačují se vysokým rozlišením úhlu v rozsahu jedné otáčky. V praxi je však často požadován rozsah značně převyšující jednu otáčku, např. rozsah polohy česla vodní nádrže je až tisíc otáček stavěcího šroubu. Z toho důvodu je nutné nalézt řešení víceotáčkového snímače s dostatečným rozlišením rotační polohy. Navíc je požadováno, aby snímač byl absolutní, tj. aby si pamatoval aktuální polohu i při přerušené dodávce energie a navíc, pokud je během přerušení dodávky elektrické energie poloha sledovaného regulačního prvku změněna, např. ručním nebo alternativním pohonem, musí senzor tuto skutečnost registrovat. Jinými slovy, musí být opatřen paměťovým médiem, které je schopno zachytit a uchovat aktuální polohu. Tímto médiem může být např. mechanická převodovka, u níž vzájemná poloha jednotlivých koleček je jednoznačná. Jsou-li kolečka opatřena stupnicemi, lze absolutně stanovit polohu akčního členu regulačního obvodu. Takto uspořádané senzory mají nevýhodu ve složitosti řešení, a tedy i vysoké ceně, a navíc se u nich uplatňuje vliv chyb převodovky, vůle v převodech a mrtvý chod, což snižuje přesnost a úhlové rozlišení senzoru. Jinou možností je využití dostupných elektronických prvků s extrémně nízkou spotřebou, které dovolují využití polovodičové paměti integrované v procesoru s malou spotřebou. Takové řešení představuje výrazné zlevnění senzoru při vysoké spolehlivosti, přesnosti, rozlišovací schopnosti senzoru a životnosti přesahující dobu mezi generálními opravami cílového regulačního zařízení. Návrh senzoru tohoto typu je náplní předkládaného bakalářského projektu.

8

2.

Zadání a cíl projektu

Popište používané principy snímání rotační polohy diskrétními magnetickými senzory. Představte princip moderních magnetorezistivních senzorů pro měření úhlu natočení. Zhodnoťte možnosti jejich využití ve víceotáčkových snímačích úhlu. Předmětem práce je popis současného stavu v oblasti snímačů rotační polohy, popisem jejich činnosti, vysvětlením vlastností a principu senzorů použitých ve snímačích polohy. Zvláštní pozornost pak bude věnována rotačním snímačům absolutní polohy s využitím Hallova jevu a moderních magnetorezistivních sensorů polohy v těchto snímačích. Podrobněji se bude práce věnovat problematice řešení víceotáčkových rotačních snímačů absolutní polohy. Vhodné řešení víceotáčkových snímačů polohy je v průmyslu pro snímání poloh rotačních částí strojů velice důležité a nabízí široké možnosti jejich začlenění do procesu automatizovaného řízení strojů. Cílem práce je především navrhnout vhodné a moderní řešení víceotáčkového absolutního snímače úhlové polohy s parametry specifikovanými v zadání této práce. Součástí práce by měl být rozbor možného řešení s podrobnějším popisem navrženého způsobu řešení. Výsledkem práce by měl být funkční prototyp víceotáčkového absolutního snímače polohy. Práce by se tedy měla zbývat určením a zdůvodněním koncepce řešení, výběrem vhodných součástek, návrhem schématu zapojení, návrhem motivu plošných spojů a jejich výrobou, sestavením funkčního vzorku a jeho oživením a testováním. Jelikož se jedná o inteligentní snímač s mikrokontrolérem osazený moderním číslicovým senzorem polohy magnetického pole a komunikujícím sériovou komunikací s nadřazeným systémem, bude zapotřebí také vytvoření řídicího programu mikrokontroléru. Všechny tyto dílčí cíle práce by měly zhodnotit vědomosti autora nabyté v odborných předmětech během jeho vysokoškolského studia. Dosažené výsledky a naplnění cílů budou zhodnoceny v závěru práce.

3.

Současný stav

Automatizace se neobejde bez zařízení, která poskytují informace o stavu řízeného procesu. Tato zařízení se nazývají snímače. Používají se pro měření fyzikálních veličin, např. polohy, rychlosti, zrychlení, teploty atd. Ke své činnosti používají různé metody a principy. Podle tohoto, na jakém principu pracují, bývají také v praxi označovány. Např. odporové snímače, indukční snímače, kapacitní snímače, optické, ultrazvukové, impulzní, mechanické, termoelektrické, polovodičové, bezdotykové snímače. 9

Inteligentní snímače

3.1

Díky rozvoji elektroniky a elektronických obvodů pro zpracování signálů došlo k vývoji inteligentních senzorů. Vycházejí z technologie spojení čidel s navazujícími integrovanými analogovými obvody na křemíkovém čipu. Zpravidla v sobě zahrnují čidlo měřené veličiny, obvody pro úpravu signálu, A/D převodník, mikroprocesor, obvody pro obousměrnou komunikaci atd.

Obrázek 1: Blokové schéma inteligentního snímače [2]

Často používané snímače polohy. Celá řada automatizovaných systémů závisí na přesném určení polohy při rotačním nebo posuvném pohybu (otočné ventily, škrticí klapky, stavěcí šrouby atd.).

Základní typy bezdotykových snímačů polohy: odporové optické magnetické indukční kapacitní ultrazvukové [2]

Senzory magnetického pole

3.2

Práce je zaměřena na senzory a snímače reagující na magnetické pole v jejich blízkosti. V automatizaci a elektrotechnické praxi jsou využívány pro snímání polohy tyto prvky reagující na magnetické pole: 

Kontakt reagující na magnetické pole



Hallův sensor



Magnetorezistvní prvek 10

3.2.1 Kontakt reagující na magnetické pole nazývaný jazýčkový kontakt (angl. Reed contact) podle svého mechanického provedení. Jazýčkový kontakt byl vynalezen v Bellových laboratořích již roku 1936. Je sestaven ze dvou feromagnetických předpružených plochých kontaktů zatavených uvnitř hermetické skleněné kapsle. Kontakty mají obvykle délku mnohonásobku své šíře a odtud pramení název “jazýčkový” kontakt. Relativně velkou délkou kontaktů je dána dobrá citlivost na magnetické pole.

V dostatečně silném magnetickém poli se předpružené kontakty ve snaze uzavřít

magnetické pole spojí a zůstanou takto mechanicky přidrženy po dobu působení vnějšího magnetického pole. Jazýčkový kontakt vykazuje vzhledem k intenzitě vnějšího magnetického pole hysterezi mezi sepnutým a rozepnutým stavem. To se projeví pozitivně na jeho spínacích vlastnostech, kdy jeho sepnutí a rozepnutí je z mechanického pohledu mžikové bez potřeby složitější mechanické konstrukce vedoucí k takovému chování stejně jako je tomu u mechanických mžikových mikrospínačů. Hermeticky uzavřený skleněný obal, zapouzdřující kontakty ve vakuu nebo inertním plynu, přináší nejen kvalitativní zlepšení elektrických vlastností kontaktu, ale také rozšiřuje možnosti jeho uplatnění, například ve výbušném prostředí.

Obrázek 2: Mechanická konstrukce jazýčkového kontaktu [8]

Jazýčkový kontakt spínaný Na obrázku 2 je ukázka mechanické konstrukce jazýčkového kontaktu. Jazýčkový kontakt jako prvek je využíván ke spínání proudu buď přímým magnetickým polem permanentních magnetů, nebo polem vytvořeným elektrickým proudem cívky elektromagnetu. Sepnutí jazýčkového kontaktu přiblížením permanentního magnetu je využíváno ke snímání mechanického pohybu, který je sepnutím kontaktu převeden na jednoznačný signál elektrický. 11

Takto jsou využívány jazýčkové kontakty v zabezpečovací technice, jako spínače koncové polohy, snímače úrovně hladiny, ale i čítání počtu otáček v inkrementálních snímačích. Při spínání elektromagnetickým polem je magnetický kontakt nejčastěji použit jako relé. V relé je jazýčkový kontakt umístěn uvnitř cívky vytvářející dostatečné magnetické pole k sepnutí jazýčkového kontaktu. Taková relé jsou podle jazýčkového kontaktu jako jeho spínacího prvku, nazývána jazýčkovými relé. Velká citlivost jazýčkového kontaktu na intenzitu magnetického pole umožňuje dosáhnout velmi malých konstrukčních rozměrů jazýčkových relé. Ta byla používána převážně v telekomunikační technice. Dnes jsou spíše používána jako nízkospotřebová relé poskytující galvanické oddělení řídicích signálů. 3.2.2 Hallův sensor Hallův jev či Hallův efekt, tedy vliv magnetického pole na směr toku elektrického proudu, byl objevem v roce 1879 Edwinem Hallem během jeho doktorského studia na univerzitě Johna Hopkinse v Baltimoru. Hall si během pokusu, který měl potvrdit vliv magnetického pole na změnu odporu vodiče, všiml, že pokud položí magnet kolmo k ploše tenkého kvádru zlata, kterým protéká proud, objeví se na jeho protějších stranách rozdílové napětí. Dále zjistil, že toto napětí je úměrné hodnotě proudu, hustotě magnetického toku a magnetické indukci. Tento jev dále studoval, plně vyzkoušel a popsal, ale vzhledem k tehdy omezeným technologiím došlo k jeho praktickému využití v aplikacích až po objevení a zvládnutí výroby polovodičových materiálů. V roce 1965 pak pánové Everett Vorthmann a Joe Maupin vytvořili plně integrovaný křemíkový bezkontaktní spínač s Hallovým jevem, který poté našel masové nasazení například v elektronických klávesnicích. 3.2.3 Základní teorie Hallova jevu Hallův jev tedy spočívá ve vychylování směru toku elektrického proudu v závislosti na velikosti indukce magnetického pole B, které je kolmé na polovodičovou (křemíkovou) tenkou destičku, tzv. Hallův element. Výsledkem je generování rozdílového napětí na bočních stranách elementu úměrné právě velikosti působícího magnetického pole či jeho kolmosti vzhledem k destičce.

12

Obrázek 3: Hallův element bez magnetického pole [3]

Obrázek 4: Hallův element v magnetickém poli [3]

Zatímco bez působení magnetického pole na Hallův element je směr proudu přímý (nahoře), při jeho působení dochází k zakřivení dráhy (dole) Pokud tedy Hallův element, jímž protéká konstantní hodnota proudu IC (je připojen na zdroj konstantního napětí), není vystaven působení magnetického pole B, je napětí VH na jeho svorkách nulové. Pokud se objeví v jeho okolí magnetické pole, působí na elementem procházející proud elektronů tzv. Lorenzova síla, která elektrony vychyluje z přímého směru vždy k jedné boční straně destičky silou podle vzorce: F = Q ( v x B ), kde Q je náboj, v je rychlost pohybu náboje a B je indukce působícího magnetického pole. Změní se tak rozložení náboje, kdy na jedné straně je větší koncentrace nosičů náboje (elektronů) než na druhé, a tedy obě boční stěny destičky mají rozdílný potenciál. Vzniká tak elektrické pole o intenzitě E a na svorkách Hallova elementu se generuje tzv. Hallovo napětí VH. [3] Hallův element lze tedy použít pro měření velikosti magnetického pole, kdy se výstupní

napětí

mění

proporcionálně

s indukcí

magnetického

pole.

Pro

měření

stejnosměrného i střídavého proudu lze tedy využít i Hallova jevu. Hallovy sondy (generátory) se v současné době používají zejména pro měření magnetické indukce, ale své použití našly i při měření proudu. Dosažitelná přesnost je asi 1%. Přístroje lze použít pro měření proudu do kmitočtu asi 25kHz. [4] 13

Obrázek 5: Principiální schéma zpracování signálu z Hallového gerenátoru. [4]

3.3

Snímání otáček motorů a inkrementální snímače

Hallovy sondy se používají pro snímání rotace v různých mechanických konfiguracích. Při použití Hallovy sondy jako spínače reagujícího na přítomnost magnetického pole je pro zajištění stabilního chování výstup Hallova senzoru opatřen Schmittovým klopným obvodem, který, díky hysterezní spínací charakteristice, zajistí jednoznačnost výstupu mezi sepnutým a rozepnutým stavem. Součástka obsahující Hallův senzor je pevně spojena se stacionární částí, a na rotující části je připevněn magnet, který se při otáčení rotoru pohybuje v těsné blízkosti Hallova senzoru. Taková konfigurace jednoho magnetu a jednoho Hallova senzoru poskytuje jeden impulz na otáčku. Z takového signálu lze odečítat počet otáček hřídele za jednotku času nebo periodu otáčení z určení časového intervalu mezi impulzy. Je zřejmé, že taková konfigurace neposkytne informaci o úhlu natočení hřídele, ale jde jen o informaci o celých otáčkách a používá se pro snímání počtu otáček nebo rychlosti otáčení motorů (např. pro řízení zapalování v automobilech). Pro získání informace o úhlu natočení se používá konfigurace statického hallova senzoru na statoru a prstencového magnetu s multipólovou radiální magnetizací rotujícího spolu s rotorem. Tato konfigurace poskytne přírůstkové rozlišení úhlu natočení odpovídající počtu pólů na obvodu magnetu. Protože toto uspořádání poskytuje pouze impulsy s každým průchodem magnetického pólu místem uchycení Hallovy sondy, lze usuzovat na úhel natočení jen počítáním těchto impulsů z nějaké výchozí polohy a v případě této konfigurace pouze v jednom směru otáčení. Pro funkci v obou směrech otáčení je nezbytné konfiguraci doplnit druhým hallovým senzorem detekujícím magnetické pole v posunuté fázi o 90°. Tímto získáme konfiguraci inkrementálního snímače úhlu otočení s detekcí směru otáčení. Další možností je použití dvou Hallových sond a dvou magnetů umístěných pevně proti sobě. V mezeře mezi magnety a Hallovými sondami se pohybuje rotor ve tvaru ozubeného kotouče z 14

feromagnetického materiálu. V mezerách mezi zuby jsou Hallovy sondy buzeny, při průchodu zubu mezerou dochází k odstínění sondy materiálem kotouče, a tedy k deaktivaci sondy. Magnety a sondy musí být umístěny tak, aby poskytovaly dva signály posunuté o 90°. Počet zubů kotouče určuje úhlové rozlišení senzoru.

3.4

Integrované AMR senzory magnetického pole

Mimo známějších magnetických snímačů využívajících Hallova jevu, existuje i další používaný princip, známý jako AMR. Ten realizuje magneticky závislé rezistory, které se vyznačují velmi vysokou citlivostí. Některé umožňují i přímo měřit magnetické pole Země. Jako snímače magnetického pole jsou asi neznámější senzory využívající Hallova jevu. Ty reagují na kolmé magnetické pole, které převádí prostřednictvím Hallova jevu na slabé kladné či záporné elektrické napětí na svorkách snímacího prvku. Mimo těchto senzorů však existují i jiná provedení využívají další principy. Jedním z nich je změna elektrického odporu prostřednictvím tzv. AMR jevu, tedy Anisotropické Magnetické Resistence, který se využívá v tzv. AMR senzorech. 3.4.1 Princip AMR senzorů Základem funkce AMR senzoru je tzv. AMR jev, tedy změna elektrického odporu velmi tenké vrstvy (filmu) slitiny železa a niklu (permalloy) při jeho vložení do podélného magnetického pole. Změna odporu nastává již při velmi malých hodnotách indukce magnetického pole, v řádu jednotek mT až mT a s rostoucí hodnotou pak obvykle odpor rychle a téměř lineárně klesá. Ale pouze o cca 2 - 3 % hodnoty původního odporu materiálu v klidovém stavu bez přítomnosti mag pole. Pak se již s rostoucí intenzitou magnetického pole dále nemění.

Obrázek 6: Můstkové zapojení AMR prvků [5]

Konkrétní snímací rozsah AMR senzoru je pak dán konkrétním „nastavením“ snímacího elementu (tvar, rozměry, složení). 15

Obrázek 7: Závislost elektrického odporu na velikosti magnetického pole AMR senzoru [5]

Typická závislost elektrického odporu na magnetické indukci pole AMR senzoru na přiblížení je zobrazena na obrázku 7. Pokud by magnetické pole bylo točivého charakteru, odpor by se periodicky měnil v průběhu sinusovky. Na rozdíl od Hallova jevu, velmi citlivý AMR efekt nereaguje na kolmé magnetické siločáry, ale naopak na podélné horizontální a nerozlišuje jejich směr. Tedy nerozlišuje severní a jižní magnetický pól a jeho funkce tedy není závislá na směru magnetického pole (Obrázek 8).

Obrázek 8: Porovnání detekce magnetického pole AMR a Hallovým senzorem [5]

3.4.2 Provedení AMR senzorů Reálné provedení AMR senzoru však není jen samotný magneticky citlivý materiál, permalloy, ale obvykle se využívá zapojení 4 snímacích odporových elementů uspořádaných do Wheatstonova můstku a jeho implementace i s vývody do jedné křemíkové součástky. 16

Mimo jednomůstkového provedení však existují i dvou a třímůstková provedení v jedné součástce například pro realizaci víceosé detekce (například AMR senzory Honeywell).

Obrázek 9: Typické provedení integrovaného AMR senzoru [5]

Provedení integrovaného AMR senzoru se zapojením snímacích elementů do Wheatstonova můstku (vlevo - schéma, vpravo - reálné integrované provedení). Pouhá implementace můstku v součástce je sice běžnější provedení AMR senzorů, ale stále častěji se lze setkat i se sendvičovou strukturou, kde je v součástce implementován nejen AMR element či můstek elementů i s napájecími kovovými (obvykle hliníkovými) elektrodami, ale i s nimi společně křemíkový čip realizující různé předzpracování signálu nebo vhodnou úroveň elektrického napájení, ale hlavně i zesílení malé změny elektrického odporu, jeho vyhodnocení a transformaci na snadno dále zpracovatelný výstupní signál, obvykle na spínaný výstup. Takový senzor je pak přímo použitelný jako detektor přiblížení či bezkontaktní magnetický spínač bez nutnosti další externí elektroniky. V tomto směru lze například jmenovat AMR senzory společnosti Murata s již spínaným výstupem, jejichž integrované senzory mají laserem přesně nastavené reakční (spínací) hranice snímací vrstvy. Například jednoduchý senzor Murata typ AS-M15TA-R v miniaturním pouzdru SOT-23 (1.0 x 0.9 x 0.5 mm) umožňuje při napájení 1,8 V DC reagovat svým spínaným výstupem na přítomnost magnetického pole 1,5 mT (nabízí se i provedení s hranicí 0,5 a 3,0 mT). Obrázek 10: Pouzdro SOT [5]

17

Na první pohled podobný, avšak uvnitř jinak řešený AMR senzor, pak například lze nalézt i v nabídce společnosti Sensitec pod označením AFF755. Ten využívá vnitřního zapojení AMR elementů do můstku s cívkou (flip

Obrázek 11: Pouzdro SOP8 [5]

coil) pro korekci offsetu a omezení vlivu teploty. Výstup není ještě předzpracovaný, ale jedná se jen o běžné napojení můstků na externě realizovaný budicí a zesilovací obvod. Dle údajů výrobce je to nízkošumový magnetický senzor pro detekci velmi slabých magnetických polí s indukcí od 2 nT (tedy od 20 mikroGauss) a intenzitou +/- 400 A/m, tedy i pro snímání velmi slabého magnetického pole země.

Obrázek 12: Vnitřní uspořádání AMR můstků a převodní charakteristika senzoru [5]

Sensitec pod označením AFF755. Podobně jsou konstruovány obvody 1-, 2- a 3-osých můstkových integrovaných AMR senzorů Honeywell HMC105X s velkým měřicím rozsahem magnetického pole od 12 nanoTesel do 100 až 600 mikroTesel, s citlivostí 10 V/V/gauss a napájením 1,8 až 20 V. Konkrétně koncové číslo 1, 2 nebo 3 v názvu senzoru určuje počet implementovaných

18

můstků, jejichž vývody jsou také přímo připojeny na vývody integrované součástky bez jakéhokoliv předzpracování či zesílení.

Obrázek 13: Ukázka provedení AMR senzorů Honeywell HMC105X [5]

a konkrétní schéma vnitřního zapojení 3D senzoru HMC1053. Naopak můstkový AMR senzor iC-Haus typ iC-SM5L ve formě snímací hlavy s rozměry 5,1 x 1,2 mm pro snímání magnetických pásek umožňuje napájení stejnosměrným či střídavým napětím až +/- 10 V. Odpor můstku je cca 1,5 kOhmů a převodní konstanta senzoru 8 až 20 mV/V. I zde výstup není nijak předzpracovaný, ale používá napojení můstků na externě realizovaný budicí a zesilovací obvod.

Obrázek 14: Schéma zapojení AMR senzoru iC-Haus iC-SM5L. [5]

3.4.3 Použití AMR senzorů AMR senzor není náhradou ani konkurentem Hallova senzoru, protože jeho reakce na magnetické pole je odlišná. Je tedy jeho alternativou pro určité aplikace. Díky své velmi vysoké citlivosti se využívají i pro měření magnetického pole země či v rámci konstrukce 19

různých detektorů a vyhledávačů aktivních vodičů. Dále, díky své přirozené „prudké reakci“ na přítomnost magnetického pole, se hodí pro konstrukci snímacích hlav magnetických čidel pohybu, či pro integrované magnetické spínače pro různé aplikace. Prakticky se obvykle využívá jako snímač magnetické pásky, či kotouče v senzorech lineárního či rotačního pohybu, nebo také často jako spínač / detektor vertikálního i horizontálního pohybu dvou částí, kde v jedné části je umístěn malý magnet a v druhé zabudován AMR senzor. [5]

Obrázek 15: Příklad některých aplikací AMR senzorů. [5]

3.5

GMR senzory magnetického pole

GMR efekt je jedním z nejnověji objevených a realizovaných fyzikálních jevů, který se již masivně komerčně využívá v podobě integrovaných GMR senzorů magnetického pole. Jsou to noví příbuzní AMR senzorů, ale proti nim se vyznačují výrazně větší citlivostí. V předchozí části byl představen princip a použití již dlouho známého jevu anisotropní resistence AMR. I když jde o poměrně dlouho známou vlastnost, v posledních letech však její využití ustoupilo do pozadí. Za to může poměrně nedávné objevení daleko „účinnějšího“ podobného jevu pod název GMR

(Giant MagnetoResistive effect), tedy velký

20

magnetorezistivní jev. Ten byl objeven v roce 1988 dvojicí fyziků, Ferta a Grunberga, kteří si později (v roce 2007) za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku. Pomocí GMR prakticky se získává stejná vlastnost jako v případě AMR, tedy závislost elektrického odporu na velikosti působícího magnetického pole, ale proti AMR je zde vliv magnetického pole na změnu odporu výrazně větší, konkrétně o 10 až 50% jmenovité hodnoty odporu, v porovnání s pouze s několika procenty v případě AMR. Proto to označení Giant (Velká či obří). Další výhodou je fakt, že jev GMR vyvolá již velmi slabé magnetické pole. V praxi došlo hned k velmi rychlému vzniku a rozšíření integrovaných senzorů založených na GMR, přičemž opravdu masově našlo GMR využití v případě čtecích hlav moderních harddisků. Právě díky tomu se dosáhlo až terrabitových kapacit harddisků, přičemž velikost záznamové plochy zůstala stejná. Zmenšila se tedy magnetická ploška disku se zaznamenaným bitem a díky velmi citlivým GMR čtecím hlavám, je lze správně přečíst. 3.5.1 Princip a základní struktura GMR senzoru Popis principu GMR je proti AMR o dost složitější. Zde se již pracuje na úrovni nanovrstev a jednotlivých atomů. Proto byl jev objeven až v současné době, kdy vědci a výrobci již umí na této úrovni pracovat. Základní struktura poskytující GMR jev je složená ze „sendviče“ feromagnetických slitin tenkých jen několik nanometrů, které jsou vzájemně oddělené ještě tenčí Obrázek 16: Průchod elektronu nanovrstvou [6]

nemagnetickou vodivou střední vrstvou, často v podobě měděné vrstvičky. Měď je sice za normálních okolností výborný vodič, ale v případě vrstvy tloušťky jen několika atomů, u ní rychle narůstá elektrický odpor. Tento odpor se pak dost výrazně mění v závislosti na tzv. spinu postupujících elektronů. Vystavíme-li tuto strukturu působení externího magnetického pole, vyrovnají se magnetické spiny ve feromagnetických vrstvách, čímž se výrazně změní el. odpor celé struktury. Často se využívá vícevrstvé struktury, která tento jev maximalizuje a tedy zvyšuje celkovou citlivost vytvořeného GMR senzoru. [6]

Obrázek 17: Závislost odporu na intenzitě mag.pole [6] 21

3.6

Magnetické rotační snímače polohy

Použití bezkontaktní magnetické snímací technologie přináší uživatelům výrazné výhody. Konstruktérům se podařilo snížit počet dílů snímače téměř o 50 % ve srovnání s optickým snímacím principem. Nejsou třeba ložiska a celý snímací čip, který tvoří srdce systému, lze hermeticky zapouzdřit - proto je nabízeno krytí až IP68. Důmyslným návrhem matice snímacích Hallových prvků je vyřešena citlivost na externí magnetické pole, např. zdroj magnetického pole o intenzitě 1 Tesla v těsné blízkosti povrchu snímače způsobí chybu čtení max. 0,5 bitu, tj. méně než 1 polohu. Magnetické snímače typu RM firmy Renishaw jsou vyráběny v rozlišení až 4096 poloh na otáčku s krytím IP64 nebo IP68 a mohou spolehlivě pracovat v rozmezí teplot od -25 °C až do 125 °C. Bezkontaktní provedení snímače RM umožňuje práci při otáčkách do 30 000 min-1. [60] Rotační senzory byly, až do doby vývoje magnetorezistivních snímačů a jejich použití v můstkovém zapojení nebo inteligentních snímačů používajících Hallovy sondy, konstruovány výhradně jako inkrementální snímače s nepříliš vysokým rozlišením.Ve skutečnosti nemohly konkurovat inkrementálním senzorům optickým. Konstrukce magnetických inkrementálních snímačů je tvořena statorovou částí, na které je umístěn senzor magnetického pole a rotorem, který při svém otáčení vytváří definovanou změnu magnetického pole v místě snímače. Konstrukcí snímačů rotujícího magnetického pole se senzory uspořádanými do matice okolo osy rotace magnetického pole a následným vyhodnocením signálovým procesorem bylo dosaženo vysokého rozlišení úhlu natočení. Současně se v průmyslovém použití snímačů na bázi senzorů magnetického pole nabízí jejich přednosti, kterými jsou bezkontaktnost, vodotěsnost, odolnost proti nečistotám a použitelnost ve výbušném prostředí. Dalším uplatněním snímačů této konstrukce je jejich použití v oblasti snímačů absolutní polohy. Vyhodnocením velmi malých změn magnetického pole z jednotlivých senzorů, v jejichž středu rotuje magnetické pole, lze určit velmi přesně a s vysokým rozlišením absolutní polohu natočení magnetického pole v rozsahu jedné otáčky.

4.

Navržený způsob řešení

V praxi je však informace pouze o poloze v rámci jedné otáčky často nedostatečná. Bylo by tedy vhodné najít přijatelné technické řešení víceotáčkového snímače s dostatečným rozlišením rotační polohy. Stávající integrované snímače rotační polohy jsou uvnitř své struktury již konstruovány jako inteligentní snímače. Signál ze senzoru resp. matice senzorů 22

je zesílen, filtrován a převeden A/D převodníkem na číselné zobrazení. Následně jsou digitální hodnoty z můstkových zapojení zpracovány signálovým procesorem a vhodným komunikačním kanálem předány nadřazenému systému řízení.

Obrázek 18: Bokové schéma senzoru AS5045 [9]

Ten ale, v případě jednootáčkového snímače, musí neustále vyčítat hodnotu úhlu natočení a při přechodu z maximální hodnoty do nulové zaznamenat úbytek počtu otáček a při přechodu z nulové hodnoty do maximální zaznamenat přírůstek otáček. Takto může být nadřazený systém zaneprázdněn neustálým hlídáním stavu snímače. Při větším počtu snímačů, nebo rychlejších pohybech snímaných rotačních těles, by mohlo snadno dojít k výpadku informace o přeběhu z jedné otáčky do druhé. To je možné řešit přesunem i tohoto zpracování informace na stranu inteligentního snímače a nadřazenému systému poskytovat již ucelené informace o poloze. Navíc, při vypnutí systému se ztratí informace o aktuální poloza, a proto je při novém zapnutí nutná nová kalibrace senzoru. Proto je navrhováno řešení víceotáčkového rotačního snímače polohy jako systému složeného z některého vhodného a na trhu dostupného senzoru a mikrokontroléru splňujícího požadavky na snímač. Požadavky jsou zejména - absolutní snímání polohy, tj. zjištění a paměť aktuální polohy i při vypnutém napájení, - schopnost komunikace mikrokontroléru se sensorem při vyčítání hodnot ze senzoru, - schopnost komunikace s nadřazeným systémem ve vhodném protokolu a formátu, - použitý mikrokontrolér musí podporovat režimy nízké spotřebhy energie, - další vlastnosti, jsou-li potřeba ke splnění požadavků na snímač. 23

Obrázek 19: Obecný model víceotáčkového snímače rotační polohy [17]

Pokud je takový snímač opatřen záložním zdrojem elektrické energie, například dobíjecím akumulátorem, pak může tento snímač reagovat na změny polohy i v odpojeném stavu. V případě, že čas jeho odpojení od napájení nepřesáhne čas výdrže záložního zdroje a ten bude schopen napájet snímač energií, bude takový snímač pracovat jako snímač absolutní, bez nutnosti jeho kalibrace po zapnutí. Pro využití režimu snížené spotřeby mikrokontroléru a případného vypnutí nebo uspání senzoru by bylo zapotřebí, aby výrobce senzoru poskytl signál k probuzení mikrokontroléru při přechodu rozhraní nulové polohy tak, aby mohl mikrokontrolér zaznamenat změny počtu otáček. Taková vlastnost u současných senzorů však chybí.

4.1

Řešení problému

Jelikož senzor natočení magnetického pole není vybaven počítadlem otáček, registruje pouze polohu v rámci jedné otáčky. Navrhovaný senzor proto musí obsahovat dva oddělené bloky, z nichž jeden snímá polohu magnetického pole v rámci jedné otáčky a druhý registruje počet otáček nebo jejich díly při respektování směru otáčení magnetického pole.

Obrázek 20: Model víceotáčkového snímače rotační polohy se samostatnými bloky [17]

Protože integrované senzory, např. AS5045, mají rozsah jen jednu otáčku (360°), je při konstrukci víceotáčkového senzoru nutné zapojení doplnit o čítač otáček, jehož výstup by byl 24

registrován mikrokontrolérem. Aby však mikrokontrolér dokázal ve svém registru otáček přičíst nebo odečíst otáčku, musí být schopen rozpoznat, že došlo k přetočení magnetického pole o celou otáčku. O přetočení se jistě jedná při přetečení, respektive podtečení hodnoty udávající polohu magnetického pole. Tuto změnu je možno zaznamenat při pravidelném vyčítání hodnoty o poloze magnetického pole a jejím porovnáváním s hodnotou předchozí. To však vyžaduje nepřetržité vyčítání hodnoty aktuální polohy magnetického pole ze senzoru prostřednictvím SPI linky. Obvodové prostředky mikrokontroléru sice nabízí podporu pro komunikaci prostřednictvím SPI kanálu, ale nikoli pro přenášená data o délce 18 bitů. Sériový přenos dat je pak v našem případě limitován dvěma faktory, jednak možnou rychlostí sériového SPI kanálu senzoru a na straně mikrokontroléru programovou rychlostí, neboť SPI komunikace musí být řešena programově. Mnohem výhodnější pro programovou obsluhu je jiný způsob indikace průchodu otáčkou než vyčítáním polohy, a to pomocí magnetického enkodéru s nízkým rozlišením a malou spotřebou ze zdroje. K tomu účelu lze využít dvojici jazýčkových kontaktů posunutých o čtvrtinu periody enkodéru. Tento enkodér má při vhodně zvolené velikosti zatěžovacích odporů jazýčků malou spotřebu, a proto lze tento enkodér použít k registraci otáček v režimu bateriového napájení, kdy se mikrokontrolér nachází ve stavu hluboké hibernace. Počet otáček je tedy řešen nezávisle na senzoru polohy magnetického pole.

4.2

HW

Pro návrh HW (hardware) byl jako návrhový prostředek použit softwarový nástroj EAGLE 6.5, se kterým jsme se měli možnost seznámit a naučit pracovat při výuce odborných předmětů se zaměřením na dovednosti návrhu plošných spojů. Nástroj EAGLE je ve své komerční placené verzi velice výkonným prostředkem pro komplexní návrh zařízení jak na úrovni schematického návrhu, tak úrovni návrhu plošných spojů. Program EAGLE je výrobcem nabízen také v omezené verzi pro potřeby školní výuky a soukromého využití, kde však je omezen velikostí plochy pro návrh plošného spoje a počtem součástek použitých pro jeden takový návrh. Naproti tomu ostatní funkcionality nejsou nikterak omezeny a spolu s dostatečnou plochou a počtem součástek pro malý a střední rozsah návrhu tak zůstává nástroj EAGLE i ve „školní“ verzi silným nástrojem pro návrh HW, jakým je autorem navrhovaný snímač polohy, který byl zadáním omezen na rozměr 40mm a návrh schématu, a který, jak bude uvedeno níže, obsahuje pouze 28 součástek základní desky snímače a 20 součástek sériového rozhraní. Nástroj EAGLE disponuje rozsáhlým souborem knihoven 25

součástek a dovoluje také tvorbu schématických značek a pouzder „vlastních“. V autorově návrhu byla možnost úpravy a tvorby nové schematické značky a pouzdra využita pro zkrácené pouzdro mikrokontroléru. Nástroj EAGLE poskytuje kontroly schematické korektnosti a množství distančních kontrol návrhu plošných spojů, které přispívají velkou měrou ke správnosti návrhu a následné bezchybné vyrobitelnosti sériovou výrobou. Při návrhu schématu a plošných spojů snímače polohy byly průběžně aplikovány všechny tyto kontroly a odstraněny všechny takto nalezené chyby v návrhu. Před samotným návrhem schématu zapojení je nezbytné vybrat vhodné součástky, které splní požadavky zadání a také na svou vzájemnou obvodovou slučitelnost. Blokové schéma představuje jednotlivé části navrhovaného snímače.

Obrázek 21: Blokové schéma inteligentního snímače rotační polohy [17]

4.2.1 Mikrokontrolér Požadavky na bateriové napájení snímače a dlouhou životnost zabudované baterie určují nároky na spotřebu řídicího mikrokontroléru. Mikrokontroléry TI (Texas Instruments) rodiny MSP430 jsou pro použití v aplikaci, jako je tento snímač polohy, vhodné zejména pro jejich režimy nízké spotřeby při současné univerzalitě jednotlivých typů, napříč celou rodinou a také integrací v miniaturních pouzdrech.

26

Obrázek 22: Spotřeba proudu mikrokontrolérem v jednotlivých režimech [11]

Dle potřeb konstruktéra a navrhované aplikace je snadné vybrat vhodný typ z celé řady za pomoci parametrického selektoru na webových stránkách TI. Návrh snímače polohy nekladl vysoké nároky na výbavu mikrokontrélu periferiemi, ani na velikost programové paměti, a mohl být tedy vybrán některý mikrokontrolér nižší řady, s menší výbavou a menším pouzdrem. Autor však s dobrým odůvodněním vybral mikrokontrolér MSP430G2553, který stejně jako ostatní mikrokontroléry rodiny MSP430, splňuje požadavky na nízkou spotřebu a má pouzdro typu TSSOP20, což je naprosto vyhovující velikost. Hlavními důvody autora, proč pro tuto práci na vývoji snímače jako školní práce vybral právě tento mikrokontrolér, bylo především použití stejného typu mikrokontroléru na laboratorním kitu TI „Launchpad MSP430“, který dovoluje snadnou stavbu prototypového HW zařízení a současně umožňuje za pomocí programového nástroje „Code Composer V5“ ladění programového vybavení přímo v zapojení. Vybraný mikrokontrolér obsahuje mezi periferiemi také modul sériového rozhraní, který bude pro tuto školní verzi snímače použit jako HW prostředek pro sériovou komunikaci snímače s nadřazeným řídicím systémem. Programová paměť mikrokontroléru o velikosti 16kB je pro tuto aplikaci více než dostatečná. Při vývoji zařízení umožňuje programátorovi soustředit se na funkcionalitu programu bez omezení jeho rozsahu s následnou optimalizací velikosti kódu, je-li potřebná.

27

4.2.2 Senzor magnetického pole V návrhu zapojení snímače byl použit moderní integrovaný senzor AS5045, se schopností rozlišit absolutní úhel natočení magnetického pole v jeho těsné blízkosti s digitálním rozlišením 12-ti bitů na otáčku.

Obrázek 23: Typické uspořádání senzoru a magnetu [9]

Obvod obsahuje matici Hallových senzorů a signálový procesor pro přesné vyhodnocení diferencí magnetického pole v této matici. Obvod pro svou činnost nevyžaduje žádné vnější součástky.

Pro

komunikaci

s mikrokontrolérem

používá

tento

integrovaný obvod

standardizované třívodičové rozhraní SPI. Obvodová implementace tohoto rozhraní v mikrokontroléru je využita pro komunikaci s nadřazeným systémem jako asynchronní sériové rozhraní UART, a proto bude SPI komunikace se senzorem realizována programovou simulací rozhraní SPI. 4.2.3 Diferenciální oddělovač RS422 V průmyslovém prostředí může být vyžadováno použití sériové komunikace s vysokou odolností proti rušení a se schopností komunikace na dlouhé vzdálenosti. Pro splnění takových požadavků jsou velmi vhodná rozhraní RS485 pro jednosměrnou komunikaci a RS422 pro komunikaci obousměrnou. V případě snímače polohy jde o komunikaci obousměrnou, a tedy rozhraní RS422, které je do návrhu možno snadno implementovat pomocí integrovaného obvodu s napájecím napětím 3,3V MAX3488 nebo ADM3488.

28

Obrázek 24: Zapojení diferenciálních oddělovačů pro obousměrnou komunikaci [16]

Pro potřeby vývoje zařízení a školní použití snímače polohy není toto rozhraní nutné, a proto oddělovač nebude osazen. Jak je patrno ze schématu (Obrázek 25), jsou oddělovače v obou směrech přemostěny nulovými rezistory. Pro komunikaci s nadřazeným systémem byla pro vývoj snímače zvolena asynchronní sériová komunikace, která je snadno implementovatelná do programového vybavení mikrokontroléru, především díky jeho obvodovému bloku UART integrovaném v mikrokontroléru a snadno použitelná v laboratorním nebo školním prostředí spolu s osobním počítačem. Protože, však rozhraní RS232 není výrobci osobních počítačů už delší dobu podporováno a rozhraní snímače by pro připojení k počítači vyžadovalo napěťovou konverzi pomocí integrovaného oddělovače s nábojovou pumpou, jevilo se výhodnější a praktičtější použití integrovaného konvertoru z asynchronního sériového rozhraní UART na USB. Převodník UART – USB je integrován do jednoho integrovaného obvodu a vyžaduje minimum vnějších pasivních součástek. Navíc nabízí integrovaný stabilizátor napětí z 5V rozhraní USB na 3,3V a dovoluje tak napájení snímače přímo z nadřazeného systému. Rozhraní pak komunikuje na logických úrovních kompatibilních s mikrokontrolérem snímače a s vnějším prostředím pak standardizovaným protokolem USB. Takový způsob připojení pomocí rozhraní USB dovoluje současné připojení i několika snímačů k jednomu řídícímu počítači a snímání polohy v několika osách, například souřadnicového zapisovače. Základní schéma snímače však tento převodník UART – USB neobsahuje, protože cílem autora bylo zachování průmyslové podoby snímače polohy. Převodník byl navržen jako samostatný modul opatřený USB konektorem.

29

Obrázek 25: Schéma zobrazující možné přemostění oddělovače odpory R7,R8 [17]

Rozdíl v zapojení snímače pro variantu RS422 nebo USB rozhraní je pak v osazení obvodu MAX3488 a vynechání rezistorů R7, R8 pro RS422, nebo vynecháním MAX3488 a osazením R7, R8 pro USB. 4.2.4 USB rozhraní Pro komunikaci s nadřazeným systémem bylo zvoleno rozhraní USB. Jeho implementace do snímače polohy si kvůli zachování průmyslového provedení snímače vyžádala návrh samostatného plošného spoje připojeného v místě konektoru pro původní připojení RS422. Samostatné schéma převodníku obsahuje zapojení integrovaného obvodu CP2101 výrobce Silicon Labs. Schéma je navrženo tak, aby konstrukce převodníku byla použitelná samostatně a umožnila pomocí osazení či vynechání rezistorů zvolit napájecí napětí 5V nebo 3,3V a případnou výměnu vývodů Rx a Tx pro připojení k zařízení s jiným rozložením vývodů. Pro připojení USB kabelu byl použit konektor typu mini USB. Obvod CP2101 akceptuje přenosovou rychlost použitou mikrokontrolérem, a není tedy třeba ji nijak externě nastavovat. 4.2.5 Napájení Návrh napájení snímače byl proveden tak, aby bylo naplněno zadání požadavků na parametry výsledného zařízení. Zadán byl především rozsah možného rozpětí napájecího napětí, a to 3,3V – 15,0V. Snímač vyžaduje pro svou činnost napětí 3,3V což je hranice minimálního napětí dostupného v aplikačním prostředí, pro které je snímač navrhován. Interní komponenty snímače vyžadující napájení jsou podle svých katalogových listů schopny tolerovat minimální 30

napájecí napětí 3V a mikrokontrolér i napětí nižší, a to až 2,2V. Návrh napájení musí tedy zabezpečit napájecí napětí pro prvky snímače v úrovni alespoň 3,0V při vstupním napětí 3,3V až 15V. Z toho vyplývá nutnost použití napěťového stabilizátoru. Napěťový stabilizátor musí být schopen akceptovat vstupní napětí 15V a současně splnit požadavky na velmi nízkou napěťovou ztrátu stabilizátoru, a to takovou, aby byl schopen poskytnout napětí větší než 3,0V i při vstupním napětí 3,3V. Pro stabilizaci vnitřního napětí snímače byl vybrán stabilizátor výrobce STMicroelectronics LE33 z řady „very low drop“, tedy stabilizátor výstupního napětí 3,3V s velmi nízkým napěťovým úbytkem od 0,2V a poskytující výstupní proud 100mA. Stabilizované napětí pro komponenty snímače by nemělo klesnout pod 3,0V, neboť snímač je opatřen zálohovací lithiovou baterií o napětí právě 3,0V. Je to proto, aby obvody

snímače

nezatěžovaly

baterii

při

připojení

vnějšího

napájení.

Napájení

mikrokontroléru a jazýčkového enkodéru je odděleno od napětí stabilizátoru a napětí baterie Schotkyho diodami a ostatní prvky jsou napájeny přímo napětím poskytovaným stabilizátorem. Pro spodní hranici napětí 3,3V dodávaného z aplikačního prostředí je tedy tento stabilizátor vyhovující. Stabilizátor akceptuje vstupní napětí až do výše 18V čímž vyhovuje také pro horní úroveň aplikačního napětí 15V. Proud 100mA poskytovaný stabilizátorem je pro potřebu všech komponent více než dostatečný. Jak již bylo dříve uvedeno, vzorek snímače sestavený pro účely této práce a pro případné laboratorní použití je napájen z převodníku UART – USB, který obsahuje stabilizátor napětí 3,3V a je schopen dodávat proud 100mA. Napájení snímače je tedy v obou variantách zajištěno ve stejné napěťové hladině, a snímač tak pracuje při stejných napěťových podmínkách. Zmíněná baterie má za úkol zálohovat paměťovou banku mikrokontroléru ve stavu jeho hluboké hibernace, kdy jsou zastaveny jeho oscilátory a mikrokontrolér je probuzen pouze přerušením od změny stavu jazýčkového enkodéru na nezbytnou dobu vyhodnocení této změny. Po tomto přerušení procesor opět přejde do nejhlubšího spánku. Tím je zajištěna minimální spotřeba energie baterie, jejíž životnost je požadována na dobu nejméně pěti let.

4.3

Schéma

4.3.1 Schéma snímače Návrh snímače polohy vzchází z výše uvedeného blokového schématu a je konstrukčně navržen ze dvou částí. První část samotného snímače obsahuje regulátor napětí, mikrokontrolér, senzor magnetického pole, enkodér polohy magnetického pole, diferenciální oddělovač sériové komunikace, a potřebné pasivní součástky. Druhá samostatná část, určená 31

pro převod rozhraní z UART na USB a opačně, obsahuje integrovaný převodník konektor mini USB a pasivní součástky. 4.3.2 Regulátor napětí Schéma této důležité části je navrženo tak, aby samostatně vyhovělo zadání pro průmyslové použití. Vstupní napájecí napětí snímače může dosahovat hodnoty až 15 V a je regulováno stabilizátorem s nízkým napěťovým úbytkem na úroveň 3,3V, kterým jsou napájeny všechny integrované obvody. Při rozhodování, jaký typ stabilizátoru pro snímač použít, autor zvažoval mezi lineárním regulátorem se ztrátovým výkonem na regulačním prvku a některým z moderních integrovaných obvodů pro konstrukci spínaných zdrojů. Spínaný zdroj vyžaduje i při vysoké integraci moderních integrovaných obvodů několik vnějších pasivních součástek a zabere tak větší plochu na omezeném rozměru plošného spoje. Navíc mají spínané zdroje horší vlastnosti z hlediska elektromagnetické kompatibility, která je důležitá pro průmyslové aplikace. Lineární regulátor je integrován v jednom obvodu a vyžaduje připojení dvou nízkokapacitních keramických kondenzátorů pro potlačení případných zákmitů zapojení. Poskytuje dostatečný proud pro napájení všech obvodů snímače. Z uvedených důvodů byl vybrán lineární regulátor napětí s pevným napětím 3,3V.

Obrázek 26: Zapojení stabilizátoru napětí s doporučenými kapacitami kondenzátorů [17]

4.3.3 Mikrokontrolér, senzor magnetického pole a diferenciální oddělovač Schematické zapojení těchto součástek je z velké části předepsáno jejich katalogovým listem, a vychází tedy jen z potřeby využití funkcionalit jednotlivých obvodů. Diferenciální oddělovač nenabízí prakticky žádnou variabilitu zapojení, a proto bylo použito zapojení uvedené v katalogovém listu. Snímač magnetického pole AS5045 je opatřen třemi vodiči rozhraní SPI, signály přiblížení a vzdálení magnetického pole a signál PWM odpovídající poloze natočení magnetického pole pro použití v analogovém režimu. Pro navržený snímač 32

jsou využity pouze signály zajišťující komunikaci po sériovém rozhraní SPI. Mikrokontrolér nabízí dvě osmibitové vstupně/výstupní brány. Některé z vývodů mají alternativní využití, v tomto režimu jsou ve snímači použity vývody Rx a Tx pro asynchronní sériový přenos. Jednotlivé bitové brány jsou schopny generovat přerušení při změně jejich stavu. Použití vývodů ve snímači není, vyjma Rx a Tx vývodů, ničím omezeno a záleží na konstruktérovi, které vývody použije. Vývody byly pro jednotlivé funkce vybrány především podle vhodného rozmístění na plošném spoji. Nepromyšlené zapojení by mohlo vést k takové složitosti plošného spoje, kterou by nebylo jednoduchou metodou výroby plošných spojů zhotovit. Při návrhu schématu je však potřeba, vzhledem k požadavku na nízkou spotřebu, věnovat pozornost především pasivním součástkám. To se týká především napěťového odporového děliče vytvářejícího signál o poklesu napájení, zvedacích odporů jazýčkových kontaktů a také diod oddělujících napětí baterie a stabilizovaného napětí. Odpory rezistorů R5, R6 tvořících odporový dělič nejsou z hlediska spotřeby předmětné, protože dělič je připojen do stabilizované větve, nikoli k bateriovému napětí. Vytvořený signál musí být však schopen překonat napěťovou hysterezi vývodu ve vstupním režimu, a je mu tedy také nutné věnovat pozornost. Odporový dělič je potřeba nastavit tak, aby při plném napětí 3,3 V stabilizované větve překonal s jistotou horní hranici hystereze a v případě poklesu tohoto napětí pak co nejdříve překonal hranici spodní. Tato schopnost je důležitá pro spolehlivé generování signálu přerušení upozorňují mikrokontrolér na výpadek a obnovu napájení. Toto místo je kritické pro správnou funkci celého snímače. Hodnoty rezistorů byly vypočteny z těchto předpokladů: pro překonání horní úrovně hystereze je dostačující 1,8V, hodnota rezistoru R6 přizemňujícího dělič byla zvolena 100k ohmů. Hodnota R5 se vypočte: R5 = (3,3 / (1,8 / 100k) – R6= 183333 – 100000 = 83k => 82k Vybrána byla standardní velikost odporu 82k. Zpětnou kontrolou se dostane napětí 1,81V, což vyhovuje našemu požadavku. Oddělovací diody stabilizovaného a bateriového napětí jsou nezbytné a jediný způsob jak minimalizovat jejich úbytky napětí je výběr vhodného typu těchto diod. Pro tento účel nejlépe vyhoví Shotkyho diody s co nejmenší napěťovou ztrátou v propustném směru. Pro tyto vlastnosti a vhodné pouzdro byla vybrána dioda BAT54C. Napěťový úbytek je na této diodě okolo 0,25V.

33

Zvýšené zatížení bateriového napájení, vzniká průtokem proudu pracovními rezistory (R1 a R2) jazýčkových kontaktů v případě sepnutí jednoho nebo obou jazýčků. Takový stav může, v případě napájení z baterie, nastat v nejhorším případě při současném sepnutí obou jazýčků, a to po celou dobu trvání odpojení od externího napájení. Proto byly zvoleny velmi vysoké hodnoty těchto odporů, a to 10M ohmů. Proudové ztráty na rezistorech pak budou: I=(3,0V-0,25V)/10M = 275nA V případě sepnutí obou kontaktů může tedy ztrátový proud dosáhnout až 550 nA. K tomu je třeba připočíst spotřebu mikrokontroléru v režimu hlubokého spánku, jejíž maximální hodnotu 100 nA uvádí výrobce. Maximální spotřeba senzoru je ve spánkovém režimu 650 nA. Pokud se předpokládá spotřeba senzoru v aktivním režimu 5 mA a je v bateriovém režimu předpokládán poměr dob chodu aktivního a spánkového režimu 1:1000, lze spočítat střední hodnotu proudu za 1 s přibližně na 5,65 mA. Za hodinu provozu je úbytek kapacity baterie DQ = 5,65 mAh. Pět roků má trvání t = 5 x 365 x 24 = 43800 hodin, takže minimální potřebná kapacita zálohovací baterie je: Q = DQ . t = 5.65.10-3 . 43800 = 247,47 mAh Vzhledem k tomu, že uvažovaný poměr je uvažován jako nejnepříznivější (případné otočení snímače při odpojení napájení je spíše náhodné), byla pro zálohování zvolena knoflíková lithiová baterie o kapacitě 250 mAh.

34

Obrázek 27: Navržené schéma snímače [17]

35

4.3.4 Převodník UART – USB Schéma převodníku vychází z doporučeného katalogového zapojení. Do schématu bylo přidáno několik rezistorů umožňujících případné alternativní zapojení tohoto modulu. Aby bylo možno v programu EAGLE vytvořit na plošném spoji kontaktní plošky pro tyto součástky, bylo nutné jejich umístění již do schématu.

Obrázek 28: Schéma převodníku USB – UART [17]

36

4.3.5 Plošný spoj snímače Stejně jako pro návrh schémat, byl i pro následný návrh plošných spojů využit program EAGLE. Plošný spoj bylo nutné navrhnout jako oboustranný, kdy na straně spojů byly umístěny jen součástky snímající magnetické pole, tedy senzor natočení magnetického pole a jazýčkové kontakty. Na vytvořený kruhový tvar ohraničující maximální rozměr plošného spoje byly umístěny do vhodných poloh pouzdra těch součástek, jejichž poloha je důležitá pro funkci snímače. Těmito součástkami jsou senzor polohy magnetického pole, který musí být umístěn svým středem ve středu plošného spoje, jazýčkové kontakty, jejichž poloha je dána vyžadovaným fázovým posunem signálů o 45° a konektory pro připojení snímače a programování mikrokontroléru, které je vhodné umístit ke kraji plošného spoje. Následně byly na stranu součástek umístěny mikrokontrolér, stabilizátor napětí, diferenciální oddělovač, záložní baterie a zbylé pasivní součástky. Spoje byly nataženy „ručně“ na obou stranách plošného spoje postupnou změnou sítě spojů na vodivé spoje. Návrh vyžadoval díky omezenému prostoru mnoho posunutí i přemístění pouzder součástek, ale díky zachování spojové sítě je taková úprava mnohem snazší. Po dokončení návrhu byly spoje překontrolovány automatickými kontrolami a odstraněny všechny nalezené potíže.

Obrázek 29:Deska plošného spoje snímače strana součástek [17]

37

4.3.6 Plošný spoj převodníku UART - USB Plošný spoj pro převodník byl navržen stejným postupem jako plošný spoj pro snímač.

Obrázek 30:plošný spoj převodníku UART – USB [17]

4.3.7 Výroba plošných spojů Naplnění cíle práce vyžadovalo zhotovení funkčního vzorku snímače rotační polohy, a tedy i plošného spoje navrženého dle schématu. Jelikož vzorek by měl sloužit k ověření funkcionalit a správného návrhu jak plošného spoje, tak schématu a umožnit odstranění případných nedostatků před malosériovou výrobou plošných spojů, je vhodné pro toto ověření vyrobit jeden nebo dva kusy plošných spojů na úrovni prototypu. Pro zhotovení funkčního vzorku snímače rotační polohy byla použita nejjednodušší metoda výroby plošných spojů, dvoustranný plošný spoj bez prokovených otvorů a bez nepájivé masky. Metoda výroby plošného spoje spočívá v nanesení krycího motivu plošného spoje pomocí samolepícího papíru s vodou rozpustnou vrstvou lepidla na vrstvu mědi a odleptáním nezakrytých částí. Odleptá se postupně motiv na obou stranách na hladině roztoku chloridu železitého a následně se deska opláchne a osuší. Z obou stran se odstraní potisk a lihová barva acetonem. Motiv se provrtá patřičnými průměry vrtáčků v místech průchodů i otvorů pro součástky. Při výrobě vzorku není nezbytná další úprava povrchu plošného spoje. Pokud je, ale je zapotřebí povrch chránit před korozí způsobenou vzdušnou vlhkostí, je vhodné povrch mědi chemicky pocínovat nebo postříbřit. Taková chemická úprava je dnes možná i 38

v domácích podmínkách za pomocí dostupných chemických přípravků. Při výrobě tohoto vzorku bylo aplikováno na plošný spoj chemické postříbření. To poskytlo nejen ochranu povrchu spojů ale také mnohem lepší pájitelnost součástek k ploškám spoje, což je v případě roztečí nožiček použitých SMD pouzder a pájení v domácích podmínkách velkým usnadněním. Zbývá ostřihnout a obrousit cuprexit plošného spoje do požadovaného tvaru. Takto vyrobený plošný spoj je připraven k pájení součástek.

Obrázek 31: zhotovený plošný spoj snímače [17]

4.3.8 Osazení plošného spoje Jelikož se v případě tohoto vzorku jedná o neprokovený oboustranný plošný spoj, je před započetím osazování potřeba toto prokovení v místech průchodů mezi vrstvami nahradit propojením tenkým vodičem a jeho připájení na obou stranách cuprexitu. Proces pájení začíná osazením integrovaných obvodů, po němž se osadí pasivní součástky, od středu desky ke kraji. 4.3.9 Pasivní součástky V zapojení bylo použito několik nezbytných pasivních součástek. Rezistory a kondenzátory v SMD pouzdrech rozměrů 1206, 0805 a 0603. Dále pak dvouřadý konektor, jazýčkové kontakty o délce 7 milimetrů a zálohovací lithiová baterie 3V. V provedení s převodníkem UART na USB pak ještě mini USB konektor.

4.4

Programování mikrokontroléru

Přenesení programu do mikrokontroléru a jeho následné ladění je obvykle prováděno pomocí rozhraní JTAG. To vyžaduje specializovaný TI programátor/simulátor, nebo alespoň 39

hardwarové rozhraní JTAG, kterými lze přes konektor mikrokontrolér programovat a takto přenesený program pak v aplikaci ladit prostřednictvím aplikačního nástroje „Code Composer“ firmy Texas Instruments. Pro zvolený typ mikrokontroléru a pravděpodobně i další z řady MSP430 však existuje ještě další možnost programování a ladění programu. Jedná se o rozhraní „Spy-Bi-Wire“, prostřednictvím kterého lze plnohodnotně ovládat mikrokontrolér jen pomocí dvou vodičů vztažených proti nulovému potenciálu. Tento způsob programování a ladění programu za běhu je použit na vývojové desce TI „Launchpad“ a díky použití totožného mikrokontroléru lze elegantně toto rozhraní využít pro programování a ladění

přímo

ve

zkušebním

vzorku.

Jako

hardwarový

interface

mezi

aplikací

„CodeComposer“ a vzorkem lze snadno použit rozhraní „Spy-Bi-Wire“ přímo z modulu „Launchpad“ a využít tak programové prostředí „Code Composer“ se všemi vlastnostmi a výhodami, jako při práci s modulem „Launchpad“. Připojení se provede snadno rozpojením propojek J3test a J3reset a jejich propojením s vývody mikrokontroléru ve vzorku se stejným označením. Tato sestava se pak po připojení modulu „Launchpad“ přes USB rozhraní k počítači chová v aplikaci „Code Composer“ jakoby vzorek byl součástí modulu „Launchpad“. Vytvořený program pak lze krokovat a ladit přímo ve vzorku.

4.5

Programové vybavení mikrokontroléru

Program mikrokontroléru řeší několik diskrétních úkolů celé činnosti snímače, které lze rozdělit a samostatně popsat v těchto částech: SPI komunikace se senzorem polohy, vyhodnocení polohy a konverze jednotek, obsluha komunikačního protokolu s nadřazeným systémem, zpracování fázově posunutých signálů z jazýčkových kontaktů, obsluha přerušení za chodu programu z externího napájení a obsluha přerušení během stavu hibernace mikrokontroléru. Program musí také řešit spolehlivé přechody mezi během z externího napájení a napájením z baterie. 4.5.1 SPI komunikace se senzorem polohy Komunikace mikorokontroléru se senzorem rotační polohy je realizována standardizovaným synchronním sériovým rozhraním SPI (Serial Peripheral Interface), které bylo použito výrobcem senzoru jako jeho komunikační rozhraní poskytované senzorem vnějšímu okolí. V ohraničeném sériovém rámci je přenášeno 18 datových bitů. 12 bitů udávajících úhel natočení magnetického pole nad senzorem a 6 bitů stavových. Jelikož komunikační modul mikrokontroléru slučující jak funkcionalitu UART, tak SPI nepodporuje 18 bitovou délku 40

datového slova a je využit pro komunikaci snímače s vnějším prostředím pomocí UART, není možné využít jeho obvodovou podporu pro SPI komunikaci se senzorem polohy. Obsluha SPI komunikace je proto řešena programově, což také dovoluje skutečnost, že pro obsluhu komunikace se senzorem natočení magnetického pole není potřeba přerušení, a tedy ani jeho obvodovou podporu.

Obrázek 32:časová posloupnost přenosu jednotlivých bitů ze senzoru AS5045 [10]

Mikrokontrolér je v tomto propojení v roli „Master“ a započne komunikaci se snímačem, když je zapotřebí vyčtení aktuální polohy magnetického pole. Taková potřeba může nastat po příjmu povelu z nadřazeného systému nebo při detekci pohybu magnetického pole z jazýčkových kontaktů. Ukázka procedury softwarového vyčítání 18 bitového datového slova SPI rozhraním. void ReadSpi(void) //*********************************************************************; { Position = 0; //Start of SPI reading sequence P2DIR = SpiCns | SpiClk; P2OUT |= SpiCns | SpiClk; _delay_cycles(DelayCycles); P2OUT &= ~SpiCns; _delay_cycles(DelayCycles); P2OUT &= ~SpiClk; for(i=17;i>0;--i) { _delay_cycles(DelayCycles); P2OUT |= SpiClk; _delay_cycles(DelayCycles); P2OUT &= ~SpiClk; Position <<=1; if(P2IN & SpiDat) {Position |=1;} } _delay_cycles(DelayCycles); P2OUT |= SpiClk; _delay_cycles(DelayCycles); Position <<=1; if(P2IN & SpiDat) {Position |=1;}

41

Position <<=1; __delay_cycles(DelayCycles); P2OUT |= SpiCns; //End of reading SPI

4.5.2 Vyhodnocení polohy a konverze jednotek Z dat přijatých ze senzoru rotační polohy magnetického pole se získá 12-ti bitová hodnota úhlu natočení oříznutím stavových bitů. Celý tento 12-ti bitový rozsah představuje jednu otáčku. 12-ti bitový rozsah poskytuje 4096 hodnot na otáčku, čemuž odpovídá rozlišovací schopnost úhlu o 0,087890625 °. Počet otáček registrovaných senzorem je uložen v samostatném registru, poloha v aktuální otáčce je uložena v 16-ti bitovém registru. Aby nedošlo ke zkreslení údaje o úhlu při sčítání údajů o poloze v desetinných číslech, je úhlová poloha v aktuální otáčce vždy vypočtena z aktuální hodnoty binární. Pro přenos protokolem MODBUS je pak každé osmibitové slovo, tedy i informace o počtu otáček a poloze rozloženo na dva znaky ASCII. Pro přenos 12-ti bitového údaje je nezbytné přenést dva byty, tedy 16 bitů což jsou čtyři znaky ASCII, přičemž nejvyšší bude vždy „0“ a význam budou mít pouze spodní tři znaky datového slova. V případě přenosu už zpracovaných informací, tj. počtu otáček, který se pohybuje v rozmezí +/- 1000 otáček, jsou to tedy 4 znaky ASCII. 4.5.3 Obsluha přerušení během stavu hibernace mikrokontroléru Ve stavu hluboké hibernace je mikrokontrolér probuzen ze stavu hibernace změnou stavu některého z jazýčkových kontaktů pomocí přerušení na branách P1 a P2 a díky napájení ze záložní baterie je schopen toto přerušení obsloužit. V obsluze přerušení se vyhodnotí směr pohybu rotace magnetického pole a uloží se informace do registru pohybu magnetického pole. Procedura obsluhy přerušení je co nejkratší, aby byla šetřena energie záložní baterie. Po obsloužení přerušení je mikrokontrolér uveden opět do stavu hluboké hibernace. Aby nedocházelo k nežádoucímu probouzení ze stavu hibernace, a tak ke zbytečné spotřebě energie záložní baterie při pohybu magnetického pole snímače na hraně spínání a rozepínaní jazýčkových kontaktů, je v případě reakce mikrokontroléru na přerušení v obslužném programu nastaveno povolení přerušení pouze „protějšího“ kontaktu. K dalšímu přerušení tak může dojít pouze v případě pohybu magnetického pole o více než 1/8 otáčky. 4.5.4 Zpracování fázově posunutých signálů z jazýčkových kontaktů Jazýčkové kontakty slouží nejen k probuzení mikrokontroléru z módu hluboké hibernace v případě rotace magnetického pole, ale také slouží k rozpoznání směru otáčení magnetického

42

pole. Připojení jazýčkových kontaktů k portům P1 a P2 mikrokontroléru umožňuje vyvolání přerušení v okamžiku sepnutí nebo rozepnutí kontaktu.

Obrázek 33: počítání osmin otáčky fázově posunutých signálů [17]

V okamžiku vyvolání přerušení z některého z portů je mikrokontrolérem identifikováno, který port toto přerušení vyvolal a ze vzájemné fáze signálů jazýčkových kontaktů mikrokontrolér určuje směr otáčení magnetického pole. Mikrokontrolér počítá, ve které čtvrtině otáčky se právě nalézá. Ve skutečnosti počítá modulo osm a osm čtvrtin proto, že s počítáním přeskakuje mezi dvěma navzájem posunutými čtvrtinami jednotlivých signálů. Po přeskočení do jiné čtvrtiny je další přičtení/odečtení možné až při změně signálu náležející aktuální čtvrtině. Směr je určen následujícími podmínkami: Vzestupná hrana kontaktu č.1 a zároveň nízká úroveň na kontaktu č.2 – odečtení. Sestupná hrana kontaktu č.1 a zároveň nízká úroveň na kontaktu č.2 – přičtení. Vzestupná hrana kontaktu č.1 a zároveň vysoká úroveň na kontaktu č.2 – přičtení. Sestupná hrana kontaktu č.1 a zároveň vysoká úroveň na kontaktu č.2 – odečtení. Vzestupná hrana kontaktu č.2 a zároveň nízká úroveň na kontaktu č.2 – přičtení. Sestupná hrana kontaktu č.2 a zároveň nízká úroveň na kontaktu č.2 – odečtení. Vzestupná hrana kontaktu č.2 a zároveň vysoká úroveň na kontaktu č.2 – odečtení. Sestupná hrana kontaktu č.2 a zároveň vysoká úroveň na kontaktu č.2 – přičtení. Následující obrázek ukazuje chování signálů při zákmitu kontaktů a počítání osmin v takovém případě. Je vidět, že díky přerušení povoleného jen pro signál náležející právě přičtené/odečtené osmině nezpůsobí zákmit kontaktů žádné falešné přičtení/odečtení a není tedy ani potřeba jej ošetřovat.

43

Obrázek 34: počítání osmin otáčky při zákmitech kontaktů fázově posunutých signálů [17]

Touto metodou lze při dvou jazýčkových kontaktech posunutých o 45° identifikovat změnu natočení o 1/8 otáčky. Tato změna je zaznamenána do registru pohybu magnetického pole a v případě přetečení/podtečení o celou otáčku je navýšen/snížen registr počtu otáček o jednu. Programové vybavení zabezpečuje počítání otáček hřídelky ve vnitřním registru v rozsahu +/1000 otáček v obou režimech, jak při napájení z externího zdroje tak i při napájení ze záložní baterie. Pokud je povelem požadována poloha senzoru, což je možné jen v aktivním stavu senzoru, je aktuální poloha vyčtena ze snímače a vyslána jako odpověď po sběrnici. Mechanickými vlastnostmi jazýčkových kontaktů je omezena maximální rychlost otáčení, kterou je schopen snímač detekovat. Výrobce uvádí maximální frekvenci spínání jazýčkového kontaktu 500Hz. V této konstrukci inkrementálního snímače spíná každý jazýčkový kontakt čtyřikrát za otáčku, z těchto předpokladů pak výpočtem r = 500/4*60 = 7500 ot/min získáme maximální teoreticky dosažitelnou rychlost snímače. Z vypočteného vyplývá, že použitý způsob čítání otáček splní zadání na schopnost snímače zaznamenat minimální rychlost otáčení 1000 ot/min. 4.5.5 Obsluha komunikačního protokolu s nadřazeným systémem Pro komunikaci s vnějším prostředím, a tedy s nadřazeným systémem, byl použit blok mikroprocesoru označený „UART“ (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter), který poskytuje obvodovou podporu asynchronní sériové komunikace v logických úrovních. Blok UART obsahuje generátor přerušení pro několik událostí. Obsluha komunikačního rozhraní využívá přerušení generované při příjmu datového slova do vstupního bytu a přerušení generované po odeslání vysílaného bytu a uvolnění výstupního registru. Mikrokontrolér nemá implementován pro příjem znaků vstupní zásobník. Z toho důvodu byl implementován kruhový zásobník typu FIFO do obslužné procedury přijímající znaky 44

z nadřazeného systému asynchronním sériovým rozhraním. Procedura do zásobníku zapisuje přijaté znaky a posunuje ukazatel na poslední uložený znak. Naopak procedura zpracovávající přijaté znaky nepřebírá tyto znaky přímo z modulu UART, ale vybírá je z kruhového zásobníku. Nejprve vyzvedne ze zásobníku nejstarší znak ke zpracování a posune ukazatel nejstaršího znaku v kruhu na další, později přijatý. Protokol komunikace s nadřazeným systémem. Pro začlenění inteligentního snímače do procesu řízení a přidružení k nadřazenému systému tak, aby mohl se snímačem komunikovat, je zapotřebí komunikačního protokolu. V zadání práce nebyl konkrétní protokol specifikován, a je tedy možné sestavit nějaký vlastní protokol nebo použít některý ze standardních protokolů. V případě tohoto snímače, jehož mikrokontrolér není schopen poskytnout velký výpočetní výkon, bude nezbytné, aby protokol byl efektivní a jednoduchý. Zároveň ale musí být schopen pokrýt svými povely požadované typy přenosu informací mezi snímačem a nadřazeným systémem. Pokud by měl být vyvinutý snímač schopen nasazení v praxi, bylo by vhodné, aby byl schopen komunikovat některým z normalizovaných protokolů. Z nenáročných protokolů vhodných pro snímače veličin se jako nejvhodnější jevily dva, a to protokol VSCP „Very Simply Control Protocol“ a protokol MODBUS. Protokol VSCP se jeví jako vhodný pro domácí automatizaci a není rozšířen v průmyslovém použití. Naopak protokol MODBUS je známý průmyslový protokol s malou náročností na paměť a výkonnost mikrokontrolérů koncových snímačů veličin. Použití protokolu MODBUS bylo zvoleno zejména pro jeho rozšíření, což dává širší prostor pro případné použití snímače v praxi, jeho popis je dostupnější a v neposlední řadě také proto, že protokol MODBUS nabízí způsob komunikace prostřednictvím přenosu znaků ASCII. To usnadňuje použití komunikačního rozhraní UART použitého v případě zkušebního vzorku. 4.5.6 Struktura komunikačního protokolu Komunikační rozhraní UART použité pro přenos informací mezi snímačem a nadřazeným systémem umožňuje komunikaci mezi jedním systémem typu Master a více zařízeními typu Slave. Je tedy možné na jedné lince obsloužit více zařízení typu Slave. Protokol MODBUS ve znakovém režimu používá pro přenos všech hodnot hexadecimální formát velikosti jednoho bytu, jehož hodnota je rozložena do dvou vysílaných znaků ASCII z rozsahů „0“ až „9“, „A“ až „F“ a řídicí znaky „:“, „odřádkování“ a znak „návrat vozíku“. Protokol má následující obecnou strukturu. Jako první znak identifikující začátek rámce povelu je vysílán znak 45

dvojtečky. Následně je vyslána ve dvou znacích adresa cílového „Slave“ zařízení, další dva znaky pak identifikují číslo povelu, následuje datový blok, jehož délka je dána konkrétním povelem a celý rámec je zakončen dvěma znaky kontrolního součtu LRC a dvěma znaky indikujícími konec přenosu rámce, kterými jsou „CR“ (cariage return) a“LF“ (line feed). Do programového vybavení byly implementovány pouze povely, které jsou relevantní pro tento druh snímače a jeho vlastnosti, a to pouze ve zjednodušené formě tak, aby bylo možno povely testovat bez nutnosti tvorby nadřazené aplikace komunikující protokolem MODBUS. Implementovány byly povely pro samostatné čtení stavu kontaktů, stavu stavových bitů, počtu osmin otáčky, počtu otáček, polohu v otáčce, polohu v otáčce korigovanou o posun nuly a povel pro nulování registrů polohy a otáček v aktuální poloze snímače.

5.

Závěr

První část práce popisuje používané principy snímání rotační polohy diskrétními magnetickými senzory a principy moderních magnetorezistivních senzorů pro měření úhlu natočení. Hodnotí možnosti jejich využití ve víceotáčkových snímačích úhlu a zabývá se problematikou snímačů absolutních. V teoretické části práce popisuje současný stav v oblasti snímačů rotační polohy, jejich činnosti a vysvětluje vlastnosti a principy senzorů použitých ve snímačích polohy. Zvláštní pozornost je pak v práci věnována rotačním snímačům absolutní polohy s využitím Hallova jevu a moderních magnetorezistivních sensorů polohy v těchto snímačích. Podrobněji se práce věnuje problematice řešení víceotáčkových rotačních snímačů absolutní polohy. Vhodné řešení víceotáčkových snímačů polohy je v průmyslu pro snímání poloh rotačních částí strojů velice důležité a nabízí široké možnosti jejich začlenění do procesu automatizovaného řízení strojů. Výsledkem práce je především návrh moderního řešení víceotáčkového absolutního snímače úhlové polohy s parametry specifikovanými v zadání této práce. Součástí práce je rozbor možného řešení s podrobnějším popisem navrženého způsobu řešení. Druhá část práce se zabývá technickým řešením stavby zkušebního vzorku víceotáčkového absolutního

snímače

polohy s integrovaným

číslicovým

senzorem

rotační

polohy

magnetického pole. Dílčím úkolem při jeho stavbě byl výběr součástek vhodných pro konstrukci snímače. Kromě konektorů a baterie byly vybrány všechny součástky v pouzdrech vhodných pro povrchovou montáž. Povrchová montáž součástek usnadňuje výrobu a je 46

v dnešní době široce zavedenou technologií. Důvodem pro výběr technologie povrchové montáže pro stavbu snímače byly také omezující rozměry pro konstrukční zástavbu elektronikou snímače. Před samotným návrhem desky plošných spojů bylo navrženo schéma zapojení respektující všechny požadavky předepsané výrobci součástek a samozřejmě tak aby splnilo všechny požadavky na víceotáčkový absolutní snímač polohy jako celku. Při návrhu schématu byla zohledněna možnost použití snímače jak pro průmyslové účely tak jako laboratorní snímač ovládaný přímo z PC bez nutnosti použití průmyslových sběrnic. Následným úkolem byl návrh a zhotovení desky plošných spojů sestávajícího se ze samotného návrhu motivu spojů a následně výroby funkčního vzorku desky plošných spojů. Zadané rozměry se při návrhu plošného spoje podařilo dodržet a z dokončeného funkčního vzorku je zřejmé, že rozměr desky plošných spojů bude možno přepracováním návrhu rozmístění součástek dále zmenšit. Pro zhotovení oboustranné desky plošných spojů funkčního vzorku zvolil autor jednoduchou metodu výroby a využil své dosavadní zkušenosti s výrobou desek plošných spojů. Výsledkem tohoto dílčího úkolu práce byla použitelná deska plošných spojů potvrzující použitelnost zvoleného způsobu výroby i pro rozměry vybraných pouzder. Pro výrobu oboustranné desky plošných spojů však vyžaduje tato metoda jisté zkušenosti a pokud nepředpokládáme úpravy na zkušebním vzorku je vhodnější výrobu desky plošných spojů zadat profesionálnímu výrobci. V postupu výroby funkčního vzorku následovalo osazení součástek a oživení osazené desky plošného spoje. Osazení desky plošných spojů součástkami určenými pro povrchovou montáž není problematické vyjma použité součástky v pouzdře QFN, které vyžaduje zvláštní techniku montáže a není tedy možno součástky v pouzdrech řady QFN doporučit pro ruční montáž. Oživení funkčního vzorku snímače nebylo problematické, napájení je zajištěno lineárním integrovaným stabilizátorem s pevně danou velikostí stabilizovaného napětí a ve zbylých částech se jedná o číslicové zařízení, funkcionalitu jednotlivých částí zařízení tak bylo možné otestovat zavedením jednoduchých programů do mikrokontrélu. Při oživování funkce rozpoznání ztráty externího napětí byl shledán problém s přeběhem napětí odporového děliče R5, R6 přes mezní logické úrovně na vstupu mikrokontroléru a dělící poměr odporového děliče musel být upraven. Jiné potíže se při oživování zařízení neprojevily. Dílčím cílem, který významně ovlivňuje funkcionalitu celého zařízení je programové vybavení mikrokontroléru. Realizace víceotáčkového absolutního snímače polohy ze dvou bloků, inkrementálního čítače otáček a přesného senzoru rotační polohy magnetického pole si vyžádala programovou obsluhu 47

inkrementálního enkodéru a programovou obsluhu senzoru rotační polohy magnetického pole prostřednictvím séeriové komunikace SPI. Nároky na nízkou spotřebu zařízení si vyžádaly také programové ošetření výpadku napájení a spolehlivý přechod do režimu nízké spotřeby ze záložní baterie. Předurčení snímače jako absolutního naproti tomu vyžaduje aby snímač byl schopen reagovat na změny polohy hřídelky i ve chvíli kdy není napájen z externího napájení, což bylo také vyřešeno programovou obsluhou inkrementálního bloku snímače při detekci rotace hřídelky. Neméně důležitou vlastností snímače je jeho schopnost komunikovat s vnějším okolím a programové vybavení musí obsloužit také tento požadavek. Jako komunikační rozhraní bylo vybráno asynchronní sériové rozhraní a komunikace s nadřazeným systémem prostřednictvím přenosu ASCII znaků. Všechny vlastnosti snímače zabezpečované programovým vybavením mikrokontroléru byly implementovány, otestovány a shledány jako funkční.

Obrázek 35: Provedení hotového snímače [17]

48

5.1

Naplnění zadaných cílů

5.1.1 Rozměry Svými rozměry, průměrem 38,5mm a výškou 27,5mm, naplňuje požadované maximální rozměry pro zástavbu elektroniky omezující velikost na průměr 40mm a výšku 30mm. 5.1.2 Počet otáček a rozlišení Programové vybavení zabezpečuje počítání otáček hřídelky ve vnitřním registru v rozsahu +/1000 otáček v obou režimech, jak při napájení z externího zdroje tak i při napájení ze záložní baterie. Rozlišení polohy v rámci jedné otáčky je dáno použitým senzorem AS5045, který poskytuje informaci o poloze s rozlišením 12-ti bitů na otáčku. 5.1.3 Rychlost otáčení Limitujícím faktorem pro maximální rychlost otáčení, kterou je schopen snímač detekovat je spínací rychlost jazýčkových kontaktů. Dle výpočtu je však s použitými jazýčkovými kontakty schopen snímač detekovat rychlost otáčení až do 7500 ot/min. Tím byl naplněn požadavek na schopnost detekovat rychlost otáčení minimálně do 1000 ot/min. 5.1.4 Napájení Regulátor napětí použitý v konstrukci snímače dovoluje napájet snímač z externího zdroje napětím v rozsahu 3,3 – 18V čímž je naplněn požadavek na externí napájecí napětí 3,3 – 15V. Snímač je zálohován lithiovou baterií 3,0V, která je dle výpočtů schopna zabezpečit jeho funkci na více než 5 let. K dosažení všech těchto dílčích cílů práce byly zhodnoceny převážně vědomosti autora nabyté v odborných předmětech během jeho vysokoškolského studia. Výsledkem této bakalářské práce je tedy funkční prototyp víceotáčkového absolutního snímače polohy naplňující cíle zadání v celém jeho rozsahu.

49

6.

Seznam zdrojů

[1]

Elektro, odborný časopis pro elektrotechniku, Základní pojmy a veličiny (7. část), dostupné online z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=36742

[2]

Nejpoužívanější snímače v automatizaci,dostupné online z: http://coptel.coptkm.cz/index.php?action=2&doc=7943&instance=1

[3]

Automatizace, Magnetické senzory s Hallovým efektem - 1. princip, dostupné online z: http://automatizace.hw.cz/magneticke-senzory-s-hallovym-efektem-1-princip

[4]

Elektrika, Hallova sonda, dostupné online z: http://elektrika.cz/data/clanky/clanek.2006-04-01.2480110481

[5]

Automatizace, Integrované AMR senzory magnetického pole, dostupné online z: http://automatizace.hw.cz/integrovane-amr-senzory-magnetickeho-pole

[6]

Automatizace, GMR senzory mag. pole - 1. díl - princip a struktura, dostupné online z: http://automatizace.hw.cz/gmr-senzory-mag-pole-1-dil-princip-a-struktura

[7]

Automa, odborný časopis pro automatizační techniku, Rotační inkrementální snímače polohy, dostupné online z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=30393

[8]

RRE, Reed Relays and Electronics India Limited,Reed Switches and Reed Sensors, dostupné online z: http://www.reed-sensor.com/Notes/General_Reed_Switch_Theory.htm

[9]

AMS, AS5045 Rotary Sensor, dostupné online z: http://www.ams.com/eng/Products/PositionSensors/Rotary-Magnetic-Position-Sensors/AS5045

[10] AS5045_Datasheet_v1_7.pdf, katalogový list, dostupné online z: www.ams.com/eng/.../AS5045_Datasheet_v1_7.pdf [11] MSP430x2xx Family User's Guide (Rev. J), katalogový list, dostupné online z: www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau144j/slau144j.pdf [12] CP2102/9 Data Sheet - Silicon Labs, katalogový list, dostupné z: www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/CP2102-9.pdf [13] Branislav Lojko, Mikrořadiče MSP430, Slovenská technická univeryita v Bratislavě nakladatelství STU 2012, 299 stran, ISBN 978-80-227-3660-2 [14] David Matoušek, Programování v jazyce C v příkladech, Praha Ben 2011, 1.vyd. 132 stran, ISBN 978-80-7300-403-3 [15] Ing. Karel Richta, CSc., RNDr. Ing. Ivan Brůha, CSc., Programovací jazyk C, České vysoké učení technické v Praze 1991, 1. vyd. 221 stran, č.publikace 7491 [16] MAX3483-MAX3491.pdf, katalogový list, dostupné z: http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX3483-MAX3491.pdf [17] autor bakalářské práce

50

7.

Seznam obrázků

Obrázek 1: Blokové schéma inteligentního snímače [2] ....................................................................... 10 Obrázek 2: Mechanická konstrukce jazýčkového kontaktu [8]............................................................. 11 Obrázek 3: Hallův element bez magnetického pole [3] ........................................................................ 13 Obrázek 4: Hallův element v magnetickém poli [3].............................................................................. 13 Obrázek 5: Principiální schéma zpracování signálu z Hallového gerenátoru. [4] ................................. 14 Obrázek 6: Můstkové zapojení AMR prvků [5] .................................................................................... 15 Obrázek 7: Závislost elektrického odporu na velikosti magnetického pole AMR senzoru [5] ............. 16 Obrázek 8: Porovnání detekce magnetického pole AMR a Hallovým senzorem [5] ............................ 16 Obrázek 9: Typické provedení integrovaného AMR senzoru [5] ......................................................... 17 Obrázek 10: Pouzdro SOT [5] ............................................................................................................... 17 Obrázek 11: Pouzdro SOP8 [5] ............................................................................................................. 18 Obrázek 12: Vnitřní uspořádání AMR můstků a převodní charakteristika senzoru [5] ........................ 18 Obrázek 13: Ukázka provedení AMR senzorů Honeywell HMC105X [5] ........................................... 19 Obrázek 14: Schéma zapojení AMR senzoru iC-Haus iC-SM5L. [5]................................................... 19 Obrázek 15: Příklad některých aplikací AMR senzorů. [5] .................................................................. 20 Obrázek 16: Průchod elektronu nanovrstvou [6]................................................................................... 21 Obrázek 17: Závislost odporu na intenzitě mag.pole [6]....................................................................... 21 Obrázek 18: Bokové schéma senzoru AS5045 [9] ............................................................................... 23 Obrázek 19: Obecný model víceotáčkového snímače rotační polohy [17] ........................................... 24 Obrázek 20: Model víceotáčkového snímače rotační polohy se samostatnými bloky [17]................... 24 Obrázek 21: Blokové schéma inteligentního snímače rotační polohy [17] ........................................... 26 Obrázek 22: Spotřeba proudu mikrokontrolérem v jednotlivých režimech [11] ................................... 27 Obrázek 23: Typické uspořádání senzoru a magnetu [9] ...................................................................... 28 Obrázek 24: Zapojení diferenciálních oddělovačů pro obousměrnou komunikaci [16] ....................... 29 Obrázek 25: Schéma zobrazující možné přemostění oddělovače odpory R7,R8 [17] .......................... 30 Obrázek 26: Zapojení stabilizátoru napětí s doporučenými kapacitami kondenzátorů [17] ................. 32 Obrázek 27: Navržené schéma snímače [17] ........................................................................................ 35 Obrázek 28: Schéma převodníku USB – UART [17] ........................................................................... 36 Obrázek 29:Deska plošného spoje snímače strana součástek [17] ........................................................ 37 Obrázek 30:plošný spoj převodníku UART – USB [17]....................................................................... 38 Obrázek 31: zhotovený plošný spoj snímače [17] ................................................................................. 39 Obrázek 32:časová posloupnost přenosu jednotlivých bitů ze senzoru AS5045 [10] ........................... 41 Obrázek 33: počítání osmin otáčky fázově posunutých signálů [17] .................................................... 43 Obrázek 34: počítání osmin otáčky při zákmitech kontaktů fázově posunutých signálů [17] .............. 44 Obrázek 35: Provedení hotového snímače [17]..................................................................................... 48

8.

Přílohy

8.1

Obsah přiloženého CD

Na přiloženém CD se v kořenovém adresáři nachází soubor s výpisem programového vybavení mikrokontroléru ve formátu Oliva_priloha_BP_2014.pdf. 51