Wielokanałowy woltomierz - rejestrator

Wielokanałowy woltomierz - rejestrator
Pobierz PDF Download icon
Prezentowany woltomierz wykonuje pomiary napięć występujących na 14 wejściach. Wyniki pomiarów są zapamiętywane w pliku tekstowym na karcie SD. Układ jest podzielony na dwie części: cyfrową i analogową. Część cyfrowa jest zbudowana w oparciu o 32-bitowy mikrokontroler Microchipa z rodziny PIC32MX i oprócz mikrokontrolera zawiera: interfejs karty SD, pamięć EEPROM i interfejs użytkownika składający się z wyświetlacza graficznego, impulsatora i dwóch przycisków. Część analogowa to głównie dzielniki napięcia, wtórniki napięciowe i układy zabezpieczające przez przepięciami na wejściu przetwornika. Rekomendacje: przyrząd doskonale nadaje się do roli centrum rozbudowanego systemu pomiarowego z możliwością dokumentowania wyników pomiarów.

Rysunek 1. Schemat woltomierza: a) części cyfrowej - sterownika woltomierza, b) części analogowej - obwodów wejściowych

Pomiar napięcia ma kluczowe znaczenie w elektronice i elektrotechnice. Pomiary innych wielkości często są wykonywane metodą pośrednią poprzez pomiar napięcia, na przykład w cęgowych miernikach prądu stałego lub przemiennego z wyjściem napięciowym wyskalowanym jako 1 mV/A, 10 mV/A itp.

Również pomiar natężenia prądu metodą techniczną jest pomiarem spadku napięcia na rezystorze pomiarowym. W wielu czujnikach wielkości nieelektrycznych sygnał napięciowy jest wyjściowym sygnałem proporcjonalnym do mierzonej wielkości. Przykładem może być czujnik ciśnienia atmosferycznego.

Szczególna rola pomiaru napięcia została dostrzeżona wiele lat temu przez producentów mikrokontrolerów. Dzisiaj trudno znaleźć mikrokontrolery (szczególnie te trochę bardziej rozbudowane) bez wbudowanego przetwornika A/C z wejściem napięciowym. Te przetworniki mają coraz lepsze parametry.

Nie myślę tu tylko o zwiększaniu rozdzielczości, ale również o poprawianiu innych, równie ważnych parametrów, takich jak na przykład liniowość przetwarzania czy szybkość działania. Wbudowanie możliwości pomiaru napięcia w mikrokontrolery daje spore możliwości. Za pomocą jednego przetwornika można mierzyć napięcie w wielu kanałach pomiarowych.

Wtedy pomiar odbywa się sekwencyjnie, poprzez przełączanie wejścia przetwornika za pomocą wbudowanego multipleksera analogowego. Wyniki otrzymane na wyjściu przetwornika A/C prawie zawsze wymagają przeliczeń i w takiej sytuacji przetwornik zintegrowany w mikrokontrolerem jest bardzo wygodnym rozwiązaniem.

Jeżeli potrzebujemy wykonać szybko wiele pomiarów, to w mikrokontrolerach 32-bitowych można znaleźć połączenie przetwornika z kanałem DMA. Program główny nie musi zajmować się wyzwalaniem i sprawdzaniem warunku zakończenia konwersji oraz zapisywaniem wyników do bufora w pamięci RAM - automatycznie wykona to mechanizm DMA.

Wykaz elementów

Płytka sterownika

Rezystory: (SMD 1206)
R1, R4...R7, R9: 4,7 kV
R2, R3: 2,2 kV
R8: 0 V (zwora)
R10: 22 kV (potencjometr)

Kondensatory: (SMD 0805)
C1...C5, C7: 100 nF
C6, C10, C12, C13: 22 pF
C8, C14, C15, C18: 10 mF/16V (elektrolit.)
C9, C11, C16, C17, C19, C20: 100 nF (SMD 1206)
C21: 1000 mF/25 V (elektrolit.)

Półprzewodniki:
U1: PIC32MX795F512L-80I/PT (zaprogramowany)
U2: LM2937-3,3
U3: 25LC256-I/SN
U4: LM2937-5

Inne:
X1: 8 MHz (rezonator kwarcowy)
X2: 32,768 kHz (rezonator kwarcowy)
Listwy podwójnych goldpinów, raster 2,54 mm

Płytka wejść analogowych

Rezystory: (metalizowane, 0,6 W)
R5...R12, R17...R24, R37...R42, R47...R52: 1 kV
Rezystory w dzielnikach dobierane zależnie od wymaganego stopnia podziału
R3, R4, R33...R36, R53...R56, R67...R71: 10 kV
R13...R16, R43...R46, R63...R66, R71, R72: 1 kV
R25...R32, R57...R62: precyzyjne potencjometry wieloobrotowe

Kondensatory:
C1...C4: 100 mF/16 V (elektrolit.)

Półprzewodniki:
U1...U4: LM324AN (DIP14)

Inne:
Listwy podwójnych goldpinów raster 2,54 mm
Płytka drukowana.
J1: Złącze DSUB25 do montażu w płytce drukowanej (przewlekane)

Płytka karty SD

Rezystory: (SMD 1206)
R1, R3...R8: 10 kV
R2: 180 V
Złącze karty SD do montażu powierzchniowego

Pozostałe elementy
Wyświetlacz graficzny monochromatyczny 128×64 piksele z podwójnym sterownikiem KS0108 HY12864K
Impulsator ze stykiem zwiernym 2 przyciski zwierne (START, STOP)

Założenia

Rysunek 2. Schemat blokowy układu taktowania mikrokontrolera

Prezentowany w artykule woltomierz ma za zadanie wykonać pomiary napięcia w 14 kanałach pomiarowych (ma 14 wejść napięciowych). Wyniki pomiarów są zapisywane na karcie SD w pliku tekstowym. Układ został podzielony na dwie części: cyfrową i analogową.

Część cyfrowa jest zbudowana w oparciu o 32-bitowy mikrokontroler firmy Microchip z rodziny PIC32MX i oprócz mikrokontrolera zawiera: interfejs karty SD, pamięć EEPROM i interfejs użytkownika składający się z wyświetlacza graficznego, impulsatora i dwóch przycisków. Część analogowa to głównie dzielniki napięcia, wtórniki napięciowe i układy zabezpieczające przez przepięciami na wejściu przetwornika.

Część cyfrowa - sterownik woltomierza

Rysunek 3 Schemat blokowy modułu RTTC

Na rysunku 1 pokazano schemat części cyfrowej - sterownika woltomierza. Głównym elementem jest mikrokontroler PIC32MX795F512L. Jest to szybki, bardzo dobrze wyposażony mikrokontroler, z dużą pamięcią programu i pamięcią RAM. Ma wbudowany szybki, 10-bitowy przetwornik z 16 wejściami analogowymi. Oprócz przetwornika do komunikacji z kartą SD w trybie SPI będzie wykorzystany sprzętowy interfejs SPI, wbudowany moduł sprzętowego zegara RTC i linie portów do komunikacji z wyświetlaczem LCD, do obsługi przycisków i impulsatora zastosowanych w interfejsie użytkownika.

Źródłem zegara taktującego mikrokontroler jest oscylator kwarcowy o częstotliwości 8 MHz stabilizowany kwarcem X1. Sygnał z oscylatora jest podawany na wejście układu PLL, w którym najpierw jego częstotliwość jest dzielona przez 2 w module divx, a potem powielana przez 20 w module PLL (rysunek 2). Układ taktowania jest programowany za pomocą bitów konfiguracyjnych mikrokontrolera. Na listingu 1 pokazano definicje wszystkich bitów konfiguracyjnych mikrokontrolera.

Rysunek 4. Schemat blokowy przetwornika A/C

Drugi oscylator (secondary oscillator) jest używany do taktowania sprzętowego układu zegara czasu rzeczywistego RTTC. Oscylator "zegarkowy" o częstotliwości 32,768 kHz jest dołączony do wyprowadzeń CLKT0 i CLKT1. Zegar czasu rzeczywistego jest niezbędny do pracy systemu plików FAT16/32 używanego przy zapisie pliku tekstowego z wynikami pomiarów.

Moduł RTTC (rysunek 3) jest dość rozbudowanym modułem zawierającym liczniki czasu (godziny, minuty, sekundy) liczące w formacie 24 godzinnym, liczniki kalendarza (dzień tygodnia, dzień miesiąca, miesiąc i rok), konfigurowane alarmy, oraz programowana kalibrację dokładności odmierzania czasu.

Zasadniczym blokiem funkcjonalnym używanym w woltomierzu jest wbudowany w strukturę przetwornik A/C o rozdzielczości 10 bitów, wykonujący konwersje SAR (Successive Approximation Register). Na wejściu przetwornika umieszczono 16-wejściowy multiplekser analogowy. Napięciem referencyjne może być napięcie zasilające mikrokontroler lub napięcie zewnętrzne, podawane na odpowiednie wejścia analogowe.

Kanały pomiarowe są skanowane w trybie automatycznym lub przez programowe wskazanie wejścia pomiarowego. Wyzwalanie pomiaru może obywać się z kilku wybieranych źródeł. Schemat blokowy przetwornika pokazano na rysunku 4. Sygnał analogowy jest podawany poprzez multiplekser na wejście układu próbkująco - pamiętającego SHA (Sample and Hold Amplifier), a następnie konwertowany.

Wynik konwersji można zapisać w rejestrze wyjściowym w jednym z ośmiu formatów. Moduł przetwornika jest wyposażony bufor mogący pomieścić 16 wyników pomiarów. Do detekcji zapełnienia bufora do połowy jest wykorzystywany bit statusowy BUFS.

W nowych typach mikrokontrolerów Microchip zrezygnował z wbudowywania w strukturę układu obszaru pamięci EEPROM. Nasz woltomierz potrzebuje pamięci nieulotnej do przechowywania nastaw niezbędnych w czasie pracy. Dlatego zastosowałem zewnętrzną pamięć EEPROM typu 25LC256 (U3) z interfejsem SPI.

Cały układ jest zasilany dwoma napięciami: +3,3 V i +5 V. Napięcie +5 V jest używane do zasilania wyświetlacza LCD i wzmacniaczy operacyjnych w module analogowym. Napięcie +3,3 V zasila wszystkie pozostałe układy sterownika cyfrowego: mikrokontroler, kartę SD i pamięć EEPROM.

Część analogowa

Rysunek 5. Schemat montażowy płytki sterownika

Schemat modułu analogowego pokazano na rysunku 5. Ma on do wykonania trzy zasadnicze zadania:

  • Dopasowanie zakresu napięcia mierzonego do zakresu dopuszczalnego dla przetwornika A/C; standardowo jest to realizowane za pomocą rezystancyjnych dzielników wejściowych.
  • Zapewnienie niskiej impedancji źródła napięcia podawanego na wejście przetwornika.
  • Zabezpieczenie wejścia przetwornika przed zbyt wysokim napięciem lub napięciem o polaryzacji odwrotnej.

Dzielniki napięciowe są zbudowane z rezystorów metalizowanych o tolerancji 1% i wieloobrotowych potencjometrów. Pozwala to na uniknięcie stosowania trudnodostępnych i drogich rezystorów precyzyjnych, ale za to jest konieczne kalibrowanie dzielnika według wskazań wzorcowych. Oczywiście, nic nie stoi na przeszkodzie by dobrać i zastosować dzielnik tylko z rezystorów (bez potencjometrów).

Mierzone napięcie wejściowe podawane na wejścia AN1x po podzieleniu trafia na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego pracującego w konfiguracji wtórnika napięciowego. Wtórnik ma wzmocnienie 1, bardzo dużą impedancję wejściową i małą impedancję wyjściową i jest zbudowany ze wzmacniaczy operacyjnych popularnego poczwórnego układu LM324 zasilanego napięciem niesymetrycznym +5 V. Zastosowanie wtórników dodatkowo chroni wejścia przetwornika wbudowanego w mikrokontroler.

Mała impedancja wyjściowa tego układu powoduje, że jest spełniony wymóg minimalnej rezystancji źródła napięcia podawanego na wejście przetwornika. Jeżeli ta rezystancja jest zbyt duża, to nie zdąży naładować się kondensator próbkujący na wejściu przetwornika, a co za tym idzie, pomiar będzie błędny. Z kolei, duża impedancja wejściowa nie powoduje znaczącego obciążania dzielnika wejściowego. Dlatego można stosować dzielniki o dużych rezystancjach nieobciążających mierzonych obwodów.

Układ zabezpieczenia przed przepięciami w zasadzie powinien być umieszczony na wejściu bufora napięciowego, aby chronił również jego układy. Ja zdecydowałem się umieścić taki układ na wejściu przetwornika (wyjściu bufora). Jest to pewien kompromis podyktowany po pierwsze tym, że LM324 jest zasilany napięciem +5 V, a mikrokontroler napięciem +3,3 V.

Uszkodzenie wzmacniacza operacyjnego może spowodować podanie na wejście przetwornika zbyt wysokiego napięcia i w konsekwencji uszkodzenie mikrokontrolera. Po drugie, przepięcia pojawiające się na wejściu wzmacniacza operacyjnego mogą oczywiście go uszkodzić, ale LM324 jest układem bardzo tanim a po umieszczeniu go w podstawce - łatwym do wymiany. Optymalnym wyjściem byłoby zastosowanie układów zabezpieczających na wejściu wtórnika i na wejściu przetwornika, ale z uwagi na dużą liczbę wejść pomiarowych takie rozwiązanie spowodowałoby jeszcze większą rozbudowę układu.

Zgodnie notą katalogową mikrokontrolera napięcie na dowolnej linii portu musi mieścić się w zakresie VDD+0,3 V...VSS-0,3 V. Zabezpieczenie przed przekroczeniem tej wartości polega na dołączeniu do każdego wejścia analogowego miernika dwóch diod Shottkyego. Dla toru pierwszego będą to diody D1 i D5. Kiedy napięcie na w punkcie AIN1 połączonym z wejściem analogowym przetwornika jest niższe niż VDD, które wynosi +3,3 V (z powodu podania zbyt dużego napięcia na wejście pomiarowe ANO1), to dioda D1 jest spolaryzowana zaporowo.

Po przekroczeniu napięcia +3,3 V w punkcie AIN1 dioda D1 zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i nie pozwala na wymuszenie napięcia wyższego niż VDD+0,3 V. Prąd płynący przez D1 spolaryzowaną w kierunku przewodzenia powoduje spadek napięcia na rezystorze R13. Podobnie wygląda sytuacja w wypadku podania napięcia ujemnego na wejście ANO1. Dioda D5 zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia nie dopuszczając do spadku napięcia w punkcie AIN1 poniżej potencjału VSS-0,3 V. Taki układ zabezpieczenia przed przepięciami jest skuteczny i szeroko stosowany.

Pomiar napięcia

Listing 1. Definicje bitów konfiguracyjnych mikrokontrolera

Pomiar napięcia polega na:

  • Podzieleniu napięcia wejściowego za pomocą dzielnika wejściowego.
  • Wyborze wejścia pomiarowego.
  • Wykonanie konwersji napięcia z wejścia pomiarowego przez przetwornik.
  • Przeliczeniu wartości z przetwornika na mierzone napięcie.

Wybór dzielnika wejściowego zależy od kilku czynników. Po pierwsze, musimy znać zakres pomiarowy napięcia wejściowego i zakres napięć wejściowych przetwornika. Tę drugą wartość określa napięcie referencyjne. Napięciem referencyjnym w przypadku naszego mikrokontrolera może być napięcie VDD lub napięcie zewnętrzne podawane na specjalnie wydzielone wyprowadzenia VRef- i Vref+.

Listing 2. Inicjalizacja przetwornika A/C

Użycie napięcia VDD upraszcza układ, bo nie trzeba dodatkowych źródeł napięcia referencyjnego. Można go stosować w wypadku, gdy nie jest wymagana duża dokładność pomiarów i można się pogodzić z szumami na zasilaniu VDD. Kiedy jest oczekiwana większa dokładność, to można dołączyć napięcie referencyjne ze specjalizowanego układu scalonego. Do tego celu zostało przygotowane złącze CON3.

Po wybraniu napięcia referencyjnego i zakresu pomiarowego można określić jaki ma być stopień podziału dzielnika wejściowego. Na przykład, jeżeli zakres pomiarowy to 12 V, a napięcie referencyjne 3,3 V, to napięcie wejściowe musi być podzielone przez 12/3,3=3,63634. W handlu można znaleźć precyzyjne dzielniki rezystancyjne dzielące przez potęgi liczby dziesięć: 1/10, 1/100, 1/1000, ale trudno znaleźć tak nietypowy podział jak 3,63634.

Listing 3. Odczytanie kanału pomiarowego

Rozwiązaniem mogłoby być użycie napięcia referencyjnego 2,00 V i zakresu pomiarowego 20 V. Jednak, gdy potrzebujemy zakresu 12 V, to należy dążyć by większość mierzonych napięć była bliska zakresowi pomiarowemu. Zakres 20 V wprowadzałby tu dodatkową niepewność pomiaru. Dodatkowo, ze względu na to, że wartość wyjściowa z przetwornika musi być przeliczona stosuje się napięcia referencyjne o wartościach będących potęgami liczby 2, na przykład 2,048 V (211). W takim przypadku zmiana wartości na najmłodszym bicie wyniku dla przetwornika 10-bitowego odpowiada 2,048 V/1024=2 mV. Dla zakresu 2 V wartość odczytaną mnożymy przez 0,002, dla zakresu 20 V przez 0,02, dla zakresu 200 V przez 0,2. Kiedy przyjmiemy napięcie referencyjne równe 3,3 V, to dla przetwornika 10-bitowego zmiana na najmłodszym bicie odpowiada wartości 3,3 V/1024=3,223 mV.

Listing 4. Pomiar napięcia z konwersją dla zakresu 12 V

W pierwszym wypadku do obliczeń możemy zastosować proste obliczenia stałoprzecinkowe (ze wstępnym przesuwaniem przecinka), a w drugim stosować arytmetykę zmiennoprzecinkową ze konsekwencjami zaokrągleń.

Z powyższych rozważań można wywnioskować, z jakiego powodu zdecydowałem się na dzielnik z precyzyjnymi potencjometrami wieloobrotowymi. Pozwala on na elastyczne dobranie wartości podziału i napięcia referencyjnego. Wady to możliwość zmiany podziału pod wpływem temperatury, wilgotności, lub starzenia się potencjometru. Żeby je zminimalizować należy dążyć, by rezystancja potencjometru miała jak najmniejszy udział w dzielniku. Aby było to możliwe, w szereg z każdym z potencjometrów włączono dodatkowy rezystor.

Wybór wejścia analogowego odbywa się za pomocą dwu multiplekserów MUXA i MUXB programowanych przez bity CHOSA[4:0] i CHOSB[4:0] rejestru A1CHS. Takie rozwiązanie pozwala na doprowadzenie do wejść odwracającego i nieodwracającego wzmacniacza SHA sygnałów napięciowych z dwóch różnych wejść analogowych i pomiar sygnału różnicowego. Po połączeniu przez multiplekser wejścia odwracającego z masą można mierzyć sygnały asymetryczne (SE). Ponieważ nasz miernik ma mierzyć napięcia względem masy, to trzeba wybrać tę ostatnią konfigurację.

Listing 5. Funkcja sprawdzająca warunek wyzwolenia pomiaru

Tak rozbudowany moduł peryferyjny, którym jest przetwornik A/C wymaga wstępnej inicjalizacji. Ja założyłem, że wejścia analogowe nie będą automatycznie skanowane, a o tym, na którym wejściu aktualnie będzie wykonywany pomiar będzie decydował program użytkownika. Po zakończeniu próbkowani moduł ma wykonać automatyczna konwersję na postać cyfrową. W czasie testowania miernika używałem jako napięcia referencyjnego napięcia zasilania mikrokontrolera o wartości +3,3 V. Na końcu inicjalizacji moduł przetwornika jest włączany. Procedurę inicjalizacji pokazano na listingu 2.

Kiedy inicjalizacja jest wykonana, można wykonać pomiary. Pomiar wygląda standardowo: najpierw jest wybierane wejście pomiarowe przez zapisanie bitów CH0SA[4:0]. W mierniku są używane wejścia od AN2 do AN16, więc do numeru kanału (numerowanego od zera) jest dodawana liczba 2. Potem jest inicjowane próbkowanie przez ustawienie bitu SAMP w rejestrze AD1CON1. Po zakończeniu konwersji sygnalizowanym przez ustawienie bitu DONE w rejestrze AD1CON1 można odczytać wartość po konwersji z rejestru ADC1BUF0. Procedurę odczytania wybranego kanału pomiarowego pokazano na listingu 3.

Listing 6. Inicjalizacja zegara

Ostatnim krokiem przy pomiarze napięcia jest przeliczenie wartości, aby reprezentowała napięcie w woltach. Załóżmy, że zakres pomiarowy wynosi +12 V, a napięcie referencyjne +3,3 V. Jeżeli ustawimy dzielnik w taki sposób, aby przy napięciu +12 V na wejściu pomiarowym na wejściu przetwornika było +3,3 V, to możemy przyjąć, że wartość 210=1024 odpowiada napięciu +12 V.

Zatem zmiana wartości na najmniej znaczącym bicie odpowiada 12 V/1024=0,01172 V. Żeby przeliczyć wartość odczytaną z przetwornika na napięcie skalowane w woltach trzeba ja pomnożyć przez 0,01172 lub podzielić przez 85,3333. Na przykład, dla połowy zakresu otrzymujemy na wyjściu przetwornika 512 odpowiadającą napięciu 512×0,01172=6,00064 V lub 512/85,33=6,00023 V.

Listing 7. Inicjalizacja systemu plików

Dokładność takich obliczeń zależy od biblioteki działań zmiennoprzecinkowych zastosowanego kompilatora. Przeprowadziłem symulację obliczeń w docelowym układzie z zastosowaniem emulatora/programatora PICKit3 i środowiska MPLABX IDE. Okazało się, że dla kompilatora MPLAB XC32 V1.30 i stosowania zmiennych typu float dokładność zaokrągleń obliczeń dla interesującego mnie drugiego miejsca po przecinku jest bardzo dobra. Procedurę pomiaru napięcia i konwersji na wartość w woltach pokazano na listingu 4.

W przyrządach rejestrujących mierzone wielkości jednym z głównych parametrów jest interwał wykonywania pomiarów. Duża częstotliwość samych pomiarów i ich rejestracji będzie powodowała szybkie zwiększanie objętości pliku z zarejestrowanymi wartościami. Może to tez utrudniać analizę wykonanych pomiarów. Dlatego należy ustawiać interwał pomiarów na takim poziomie, by ilość rejestrowanych pomiarów była wystarczająca, ale nie wyższa niż to konieczne.

Listing 8. Otwarcie pliku i sygnalizacja błędu karty SD

W mierniku jest dostępna funkcja wykonywania pomiarów z interwałem od 30 sekund do 10 minut, ustawianym z rozdzielczością 30 sekund. To oczywiście jest tylko jedna z możliwości. Dla innych zastosowań może to być zakres nieodpowiedni. Do odliczania czasu pomiędzy pomiarami jest używany moduł zegara czasu rzeczywistego RTCC. Konstrukcja urządzenia nie przewiduje stosowania podtrzymania bateryjnego.

W momencie wyzwolenia pomiarów zegara jest ustawiany na czas 00:00:00 i ze stale ustawioną datą. Czas i data zegara są używane również w trakcie tworzenia pliku tekstowego z wynikami pomiarów. Moduł RTCC inicjalizuje się i ustawia funkcją biblioteczną RtccOpen z argumentami zawierającymi czas, datę i kalibrację dryftu częstotliwości taktującej - RtccOpen(0, 0x14012702, 0);.

Odmierzany czas z modułu RTCC jest odczytywany przez funkcje biblioteczną GetTime. Odczytane wartości są zapisywane do struktury Time. Moment wyzwolenia pomiaru jest określany przez funkcję MeasureTrig (interwal) pokazaną na listingu 5. Po odczytaniu czasu z RTCC jest on porównywany z czasem zapisanym w strukturze TimeInt.

Jeżeli czas odczytany jest równy czasowi zapisanemu w TimeInt, to funkcja zwraca "1" sygnalizując, że należy wykonać pomiar i zapisanie danych do pliku. Ponadto, do czasu w strukturze TimeInt jest zapisywany nowy czas równy czasowi bieżącemu plus interwał, tak by po upływie czasu równemu interwałowi wyzwolić kolejny pomiar. Na początku pomiarów do TimeInt jest wpisywana wartość interwału (listing 6). Można tak zrobić, bo zegar odlicza od wartości 00:00:00.

Karta SD - zapisywanie pomiarów w pliku tekstowym

Listing 9. Funkcja ustawiania interwału pomiarów

Karta SD wykorzystywana do zapisywania pomiarów ma wiele zalet. Jest powszechnie dostępna, tania i łatwo napisać procedurę jej obsługi. Ponieważ w wielu zastosowaniach (na przykład w aparatach fotograficznych) potrzeba coraz większych pojemności, to możemy zastosować posiadane, stare, sprawne karty o mniejszych pojemnościach, np. poniżej 1 Gb. Żeby móc odczytywać zapisane pliki w czytnikach podłączonych do komputera PC, to karta musi być sformatowana zgodnie z systemem plików FAT16 lub FAT32.

W mierniku zostały wykorzystane procedury biblioteki obsługi systemu plików FAT16 i FAT32 dostarczane bezpłatnie przez Microchipa. Jest to znana i ciągle rozwijana biblioteka pozbawiona znaczących błędów. Mikrokontroler komunikuje się z kartą za pomocą interfejsu szeregowego SPI. W trakcie inicjalizacji karty interfejs SPI jest emulowany programowo. Po zainicjowaniu karty i odczytaniu rejestru CSD jest ustalana pojemność karty i dopuszczalna prędkość transmisji. Wtedy do transmisji SPI jest wykorzystywany interfejs SPI mikrokontrolera.

Obsługa karty SD sprowadza się do:

  • Detekcji włożenia karty w złącze.
  • Zainicjowania systemu plików.
  • Otwarcia pliku do zapisu.
  • Zapisywania danych tekstowych w otwartym pliku.
  • Zamknięcia pliku.

Listing 10. Funkcja ustawienia napięcia alarmu

Detekcja włożenia karty w gniazdo jest wykonywana poprzez sprawdzanie poziomu logicznego na wejściu SD_CD (Card Detect). Jeżeli SD_CD ma poziom niski, to oznacza, że karta jest włożona w złącze. Takie sprawdzanie jest wykonywane przez każdym zainicjowaniem systemu plików i jeżeli program wykryje brak karty, to jest generowany odpowiedni komunikat o błędzie i pomiar nie będzie mógł być wykonany. Inicjowanie systemu plików jest wykonywane przez funkcję biblioteczną FSInit. Program próbuje to robić 100 razy w pętli. Jeżeli w trakcie tych prób FSInit zawsze zwróci zero, to zostanie zgłoszony błąd systemu plików i pomiar nie zostanie wykonany (listing 7).

Po zainicjowaniu systemu plików można próbować otworzyć plik tekstowy za pomocą funkcji FSfopen(filename, w). Pierwszy argument to wskaźnik na bufor z nazwą pliku, a drugi to atrybut pliku. Plik w którym mamy coś zapisywać musi mieć atrybut "w" (write). Funkcja FSfopen sprawdza czy w głównym katalogu na karcie jest plik o tworzonej nazwie.

Jeżeli tak, to poprzedni plik jest niszczony i w jego miejsce jest tworzony nowy plik. W obecnej wersji program nie sprawdza czy w katalogu głównym jest plik o takiej samej nazwie i nie wysyła ostrzeżenia o zniszczeniu poprzedniego pliku. Jeżeli poprzedni plik jest potrzebny, to trzeba go przekopiować na inny nośnik lub do jakiegoś podkatalogu. Prawidłowo otwarty plik zwraca wskaźnik na strukturę pliku FSFILE. Jeżeli zostanie zwrócona wartość zerowa, to oznacza to niepowodzenie otwarcia pliku i w tym przypadku pomiar i jego rejestracja nie będą mogły zostać wykonane (listing 8).

Do prawidłowo otwartego pliku można zapisać dane używając funkcji WriteFileData z argumentami: długość bufora z danymi, wskaźnik na bufor z danymi i wskaźnik na strukturę otwartego pliku. W naszym wypadku w buforze z danymi będą informacje tekstowe o zmierzonych napięciach, rozdzielone znakami tabulacji, zakończone znakiem nowej linii i powrotu karetki. Każde wywołanie WriteFileData spowoduje zapisanie nowego wiersza z pomiarami. Plik nie wymaga żadnych dodatkowych wpisów (typu nagłówek), ponieważ jest plikiem tekstowym.

Po zakończeniu pomiarów plik musi zostać zamknięty, bo w przeciwnym razie nie będzie go można odczytać. Do tego celu jest przeznaczona funkcja FSfclose(pointer). Jeżeli funkcja zwróci zero, to sygnalizuje, że zamkniecie pliku przebiegło prawidłowo.

Funkcje miernika - menu funkcyjne

Rysunek 6 Schemat montażowy płytki analogowej

Miernik został wyposażony w funkcje ustawiania interwału pomiarów, ustawiania napięcia alarmu i testu wejść. Funkcje są wybierane z menu funkcyjnego, do którego wchodzi się z programu głównego po naciśnięciu ośki impulsatora.

Funkcja ustawiania interwałów pomiarów pozwala na ustawienie i zapamiętanie interwału od 30 sekund do 10 minut z rozdzielczością 30 sekund (listing 9).

Funkcja napięcia alarmu pozwala na zaprogramowanie wartości progowej. Jeżeli napięcie spadnie poniżej tej wartości miernik może wykonać jedną z akcji:

  • Zatrzymać pomiar.
  • Zaznaczyć w wiersz z pomiarami poprzez dopisanie na końcu UNie wykonywać żadnej akcji.

Warunek sprawdzania wartości progowej jest sprawdzany przy każdym pomiarze. Jeżeli napięcie spadnie poniżej pomiędzy pomiarami i potem powróci do wartości wyższej w trakcie pomiaru, to nie zostanie to zarejestrowane i miernik nie wykona żadnej akcji. Funkcję ustawiania wartości progowej pokazano na listingu 10. Najpierw jest ustawiana wartość napięcia progowego, a potem rodzaj wykonywanej akcji.

Funkcja testująca wejścia ciągle mierzy napięcia na wszystkich wejściach miernika i wyświetla je na wyświetlaczu miernika. Ponieważ wyświetlenie wszystkich 14 napięć na jednym ekranie nie jest możliwe, to zostało ono podzielone na 2 ekrany po 7 pomiarów. Przełączanie pomiarów odbywa się przez kręcenie ośką impulsatora.

Montaż, uruchamianie i obsługa miernika

Rysunek 7. Schemat montażowy płytki karty SD

Woltomierz zmontowano na 3 płytkach: płytce sterownika, analogowej i karty SD, Połączenia pomiędzy płytkami są wykonywane za pomocą złącz IDC10 i IDC20 i odpowiednich taśm przewodów.

Schemat montażowy płytki sterownika pokazano na rysunku 5. Jej poprawne zmontowanie wymaga przylutowania mikrokontrolera, ale jest on umieszczony w stosunkowo dużej obudowie (jak na dzisiejsze standardy) i ta czynność nie powinna sprawić problemów, podobnie jak montaż pozostałych elementów. Mikrokontroler programuje się po zasileniu poprzez złącze J1 ICSP z wyprowadzeniami zgodnymi z programatorem PICkit3.

Schemat montażowy modułu analogowego pokazano na rysunku 6. Jest ona zbudowana z elementów do montażu przewlekanego. Warto zastosować podstawki precyzyjne pod układy LM324. Można je będzie łatwo wymienić w przypadku uszkodzenia.

Złącze karty SD oraz kilka dodatkowych elementów (rezystory podciągające i dioda LED) zostały umieszczone na osobnej płytce (rysunek 7). Płytka jest połączona z płytka sterownika za pomocą złącz IDC10 zaciskanych na taśmie przewodów. Pozwala to na większą elastyczność w umieszczaniu złącza w obudowie.

Po zmontowaniu wszystkich płytek trzeba je połączyć złączami IDC. Na fotografii 8 pokazano połączenie pomiędzy płytkami sterownika i analogową. Wyświetlacz LCD podłącza się do złącza J6. Numery pinów tego złącza są zgodne z numerami pinów wyświetlacza - pokazano je na rysunku 9. Płytka złącza karty SD jest łączona z płytką sterownika (złącze J4) za pomocą 10-żyłowego przewodu zakończonego dwoma złączami IDC10.

Fotografia 8. Połączenie pomiędzy płytkami sterownika i analogową

Dioda D2 sygnalizuje sygnał wybrania karty SD. Można ją podłączyć za pomocą kabli i umieścić w obudowie miernika. Będzie to dodatkowa sygnalizacja prawidłowości pracy tej części miernika, która odpowiada za zapis wyniku na karcie SD. Schemat ideowy płytki pokazano na rysunku 10, natomiast jej wygląd na fotografii 11.

Elementy manipulacyjne: impulsator ze zwiernym stykiem oraz styki START i STOP są dołączane do złącza J5. Styk impulsatora A łączymy z sygnałem SW1, styk B z SW2. Styk zwierany naciśnięciem ośki impulsatora z SW3, styk START z SW4, a styk STOP z SW5. Wszystkie styki łączymy tak by zwierały sygnały SWx z masą. Do wprowadzenia mierzonych sygnałów analogowych jest przeznaczone złącze DSUB25 na płytce analogowej. W modelowym rozwiązaniu wykonałem kabel z wtykiem DSUB25. Przewody z drugiej strony zostały zakończone wtykami bananowymi połączonymi z krokodylkami.

Rysunek 9. Wyprowadzenia wyświetlacza

Uruchamianie miernika rozpoczynamy od zasilenia modułu sterownika napięciem ok. 7...8 V AC. Po sprawdzeniu poprawności napięć zasilających +3,3 V DC i +5 V DC można dołączyć programator i zaprogramować pamięć Flash mikrokontrolera. Użyłem do tego celu programatora PICkit3 i programu MPLAB X. W kolejnym kroku dołączamy wyświetlacz LCD.

Jeżeli po włączeniu zasilania na wyświetlaczu pojawi się ekran z ustawieniami początkowymi, to oznacza, że mikrokontroler jest poprawnie zaprogramowany, jest taktowany i prawidłowo wykonano połączenie: płytka sterownika - wyświetlacz. Jeżeli na wyświetlaczu nic się nie wyświetla, to w pierwszej kolejności trzeba spróbować wyregulować kontrast potencjometrem R10, potem sprawdzić poprawność połączenia i w końcu poprawność montażu płytki sterownika.

Rysunek 10. Schemat płytki karty SD

Po połączeniu wszystkich elementów urządzenia między sobą: płytek sterownika, analogowej, karty SD, wyświetlacza i elementów manipulacyjnych można przystąpić do sprawdzenia działania kompletnego miernika. Po uruchomieniu na ekranie głównym wyświetlane są: interwał pomiaru, napięcie alarmu i ewentualny błąd karty SD (jeżeli nie jest włożona do złącza). Po przyciśnięciu ośki impulsatora wchodzimy do menu funkcyjnego i sprawdzamy działanie wyżej opisanych funkcji. Przy okazji sprawdzamy poprawność działania impulsatora.

Na zakończenie trzeba włożyć kartę SD (format FAT32, lub FAT16) do złącza, podać mierzone napięcia na wejścia pomiarowe i uruchomić rejestrację naciskając przycisk START. Po zakończeniu rejestracji pomiarów wymuszonego przez naciśnięcie przycisku STOP, lub osiągnięciu warunku zmierzenia napięcia niższego niż napięcie alarmu można wyjąć kartę SD ze złącza i odczytać plik pomiary.txt. Jeżeli wszystkie czynności sprawdzające przebiegną pomyślnie to można zakończyć proces uruchamiania i testowania miernika.

Uwagi końcowe

Fotografia 11. Płytka karty SD

Przedstawiony tutaj miernik umożliwia pomiar napięcia w 14 kanałach pomiarowych. Zastosowane rozwiązania sprzętowe i użycie mikrokontrolera o bardzo dużych zasobach pozwalają na szereg modyfikacji pracy urządzenia. Bez problemu można zmodyfikować w prosty sposób program i dzielniki wejściowe, aby na różnych wejściach pomiarowych mierzyć napięcia w różnych zakresach pomiarowych.

Ponieważ użyłem buforów wejściowych z rezystorem w obwodzie sprzężenia zwrotnego, to w łatwy sposób można bufor przekształcić we wzmacniacz nieodwracający o regulowanym wzmocnieniu. Na przykład, dla pierwszego wejścia pomiarowego trzeba zewrzeć rezystor R5, wylutować rezystor R17 i połączyć rezystor R25 z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego.

Powstaje w ten sposób klasyczny wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu równym G=1+R1/R25 (rysunek 12). Ponieważ w takim przypadku napięcie wejściowe jest podawane bezpośrednio na wejście wzmacniacza operacyjnego trzeba zadbać o dodatkowe zabezpieczenia przez przepięciami, lub mieć pewność, że napięcie mierzone nie będzie wyższe niż napięcie zasilania.

Układ pomiarowy z rys. 12 był wykorzystywany do pomiaru prądu za pomocą miernika cęgowego z wyjściem napięciowym o współczynniku 10 mV/A i zakresie pomiarowym 50 A. Dla 50 A na wyjściu miernika będzie 500 mV. Aby na wyjściu wzmacniacza uzyskać napięcie 3,3 V, wzmocnienie G=3,3 V/0,5 V=6,6. W praktyce można podać na wejście 0,5 V i tak ustawić R25, aby na wyjściu wzmacniacza było 3,3 V.

Rysunek 12. Zmodyfikowane wejście pomiarowe

Czternaście analogowych kanałów pomiarowych umożliwia jednoczesny pomiar wielu różnych wielkości analogowych, które mogą być konwertowane na napięcie. Jednocześnie po modyfikacji układu wejściowego można sobie wyobrazić pomiar sygnałów analogowych i wielkości cyfrowych. W czasie testów wykonywałem i rejestrowałem pomiar temperatury za pomocą czujnika DS18B20 z magistralą 1-wire.

Pewnym ograniczeniem jest tworzenie w momencie wyzwolenia pomiaru jednego pliku o takiej samej nazwie. Wynika to z tego, że zegar RTTC nie jest ustawiany i nie pracuje z czasem rzeczywistym (brak jest bateryjnego podtrzymania). Plik pomiary.txt jest za każdym razem tworzony na nowo i z czasem 00:00:00. Można ten problem obejść przez wykrywanie czy plik o tworzonej nazwie już istnieje i jeżeli tak, to zostanie wykonana zmiana jego nazwy na przykład na pomiar1.txt.

Projekt może być bazą do budowy bardziej lub mniej zaawansowanego rejestratora mierzonych wielkości. Pierwotnie do celu rejestracji chciałem wykorzystać połączenie USB i aplikacje uruchamianą na komputerze PC, ale w końcu rozwiązanie z kartą SD wydało mi się bardziej uniwersalne. Rejestracja na karcie wymaga tylko zasilania urządzenia, a zapisane dane można potem bez problemu zapisać w pamięci komputera i dowolnie potem analizować lub archiwizować.

Tomasz Jabłoński, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
wrzesień 2014
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów