Witam serdecznie,
Tło
Zajmuję się uruchomieniami dużych maszyn i w pracy często sprawdzam znaczne ilości wszelkiej maści sygnałów (600-700 na w jednej maszynie). Dotychczas do tego celu używałem oddzielnego multimetru, kalibratora oraz komunikatora HART, jednocześnie posługując się dokumentacją papierową. By usprawnić sobie pracę i odciążyć plecy postanowiłem skonstruować urządzenie, które zawrze w sobie wszystkie te elementy, a ponadto pozwoli szybko generować protokoły na podstawie zebranych danych. Dodatkowo mam nadzieję, że wspomoże diagnostykę w przypadku awarii lub błędów monterów.
Pomysł
Topologia jest dosyć prosta - tablet używany do pracy z dokumentacją i jako interfejs użytkownika dalszej części pomiarowej, do niego podłączony mikrokontroler odpowiadający za zebranie danych pomiarowych i przesłanie ich do tabletu oraz na samym końcu "układy peryferyjne" pozwalające na zebranie pomiarów.
Założenia
Urządzenie musi dysponować przynajmniej dwoma a najlepiej trzema lub czterema kanałami odseparowanymi od siebie galwanicznie - pomiary nie mogą mieć wspólnej masy jak w przypadku większości oscyloskopów.
Zadaniem każdego kanału ma być:
-pomiar napięcia stałego 0-30V (planowane podzielenie na podzakresy)
-pomiar prądu stałego 0-1A (planowane podzielenie na podzakresy 0-40mA i 0-1A)
-pomiar rezystancji przynajmniej do 2k (czujniki temperatury RTD, pomiar 2 przewodowy wystarczy ale opcja pomiaru 4 przewodowego nie jest wykluczona)
-pomiar sygnałów z termopar przynajmniej J i K
-symulacja sygnału napięciowego 0-12V
-symulacja sygnału termopary
-symulacja sygnału prądowego czujnika dwuprzewodowego (I Sink) w zakresie 0-40mA
-symulacja sygnału prądowego czujnika czteroprzewodowego (I Source) +/-40mA
-symulacja sygnału prądowego wyjściowego regulatora (I Source +/- 40mA, obciążenie indukcyjne!)
-symulacja sygnału rezystancyjnego czujnika temperatury
-generator częstotliwości do 2kHz
Dodatkowo, poza kanałami pomiarowymi, urządzenie musi umożliwiać komunikację z przetwornikami pomiarowymi przez HART
Duża dokładność nie jest wymagana (to nie ma kalibrować tylko sprawdzać pętlę) ale na przeszkodzie do jej osiągnięcia stoi jedynie budżet, który generalnie nie jest groszowy.
Próby rozwiązania i problemy, prośby o wskazówki
Zębów na elektronice cyfrowej nie zjadłem, ale wygląda na to, że sobie z nią poradzę. Moje problemy i wątpliwości dotyczą części analogowej.
Poniżej zamieszczam schematy poszczególnych podmodułów wraz z opisem i pytaniami.
Zasilanie
Nie zdecydowałem jeszcze skąd zasilać układ. Moją pierwszą myślą było użycie gotowego powerbanka, co wyeliminowałoby zajmowanie się układami ładującymi akumulatory, przełączającymi zasilanie podczas ładowania, zabezpieczenia ogniw itp. Nie chcę zasilać urządzenia bezpośrednio z portu USB tabletu ze względu na możliwe stosunkowo duże zużycie energii i tym samym ograniczenie jego czasu działania.
Inną opcją było jednak zainwestowanie czasu i stworzenie własnego systemu zasilania bateryjnego ale jednak skłaniam się ku opcji z powerbankiem.
W związku z izolacją kanałów zdecydowałem się zasilić je przez przetwornice izolujące z 5V na +/-18V oraz 5V/5V. Przetwornice jednak generują zakłócenia i pomyślałem, że żeby je odfiltrować to na ich wyjściu dam stare dobre stabilizatory 7815 i 7915 otrzymując jednocześnie +/-15V na wyjściu dla zasilania wzmacniaczy operacyjnych. Przekaźnik na wejściu ma się wyłączać gdy dany kanał nie jest używany.
Pytania:
-Czy taka koncepcja zasilania nadaje się do zastosowania w moim urządzeniu?
-Czy tego typu filtrowanie jest wystarczające dla celów pomiarowych?
-Czy taki układ wypada zabezpieczyć inaczej niż tylko bezpiecznikiem na wyjściu?
Izolacja SPI
W związku z wyżej wymienioną izolacją zaizolowałem również transmisję SPI.
Transoptory HCPL2601 mam, dlatego pomyślałem o zastosowaniu ich. Układu nie przetestowałem.
Pytania:
-Ponieważ transoptory HCPL2601 mają wyjście zanegowane, pojawia się problem z transmisją - czy lepiej do tego celu użyć bramki logicznej (lub ewentualnie drugiego takiego samego transoptora) czy może w mikrokontrolerach bywa opcja zmiany polaryzacji w SPI? Planuję użyć albo STM32 (bo mam) albo XMega.
-Czy CNY74 nadaje się do izolacji sygnału Chip Select przy komunikacji po SPI?
Obwód ADC
Takie oto cudo przyszło mi do głowy. Przetwornik firmy Microchip w przyzwoitych pieniądzach. Może mieć 4 kanały różnicowe lub 8 kanałów niezależnych. Ponieważ potrzebuję jedynie 2 pomiarów, pomyślałem, że dla zwiększenia dokładności, sygnały do zmierzenia podam na dzielnik napięcia a następnie zmierzę poszczególne części sygnału. Dzięki temu sygnał wchodzący na dzielnik będzie mógł być większy i "rozciągnę go" na dwa pomiary. Układu nie przetestowałem.
Pytania
-Czy taki sposób na zwiększenie dokładności ma rację bytu?
-Jak poradzić sobie z masą cyfrową i analogową, jak je podzielić/połączyć? Słyszałem o prowadzeniu zasilania "w gwiazdę" jednak jak to się ma do tych dwóch mas? Każda powinna mieć swoją nitkę czy jednak wspólną? Z jednej strony logiczne mogłoby się wydawać, że różne ale z drugiej czytałem, że powinno się je połączyć. Uprzejmie proszę o podpowiedzi.
-Czy taki układ należy jakoś zabezpieczać jeśli sygnały wchodzące na niego przechodzą najpierw przez układy kondycjonujące?
-Czy filtracja zasilania jest wystarczająca?
Obwód DAC
Generalnie bez wodotrysków. Układ na wyjściu ma za zadanie zwiększyć dokładność sygnału wyjściowego i pochodzi z noty katalogowej producenta.
Wzmacniacz operacyjny to pierwszy jaki mi się nawinął z Eagle, który miał wygodny w użyciu symbol. Generalnie to dalej się zastanawiam nad wzmacniaczami jakie zastosuję.
Pytania:
-Biorąc pod uwagę, że w torze 5V nie ma stabilizatorów liniowych to czy taka stabilizacja jak powyższa jest wystarczająca? Trochę sobie nie radzę ze wstawianiem cewek, a może byłby to dobry pomysł do filtrowania tego zasilania?
-Czy taki układ warto dodatkowo zabezpieczać jeśli jego wyjście nie wychodzi bezpośrednio na obiekt?
Pomiar napięcia
Jak wspomniałem napięcie ma być jedynie stałe i nie wyższe niż 30V. Ponieważ jednak nie zawsze od razu jest się w stanie określić polaryzację mierzonego sygnału (a często jest ona inna niż być powinna) zdecydowałem się wstawić tutaj prostownik IC7A, oraz wzmacniacz działający jako komparator pokazujący polaryzację (IC7B). Potencjometr na wyjściu IC8A ma mi posłużyć do kalibracji. Ze względu na zmianę zakresu chciałem zastosować wzmacniacz o programowalnym wzmocnieniu, co pozwoliłoby mi znaleźć się bliżej góry zakresu sygnału mierzonego przez ADC. Wyjście z komparatora ma dzielnik napięcia by sygnał z 15V spadł do 5V.
Zaciski kanału są wspólne dla wszystkich podmodułów, więc podłączenie do nich danego podmodułu odbywa się przez załączenie przekaźnika.
Pytania:
-Jak zabezpieczyć wejście? Czy np. transil dwukierunkowy 30V będzie dobrym rozwiązaniem?
-Czy koncepcja zmiany zakresów przez zmianę wzmocnienia PGA, jest dobrym pomysłem czy spowoduje to dodatkowe błędy?
-Czy takie podłączenie do wspólnych zacisków ma rację bytu czy są lepsze rozwiązania, które nie zaburzą toru pomiarowego? (wychodzę z założenia, że styki przekaźnika są stosunkowo małoinwazyjne - proszę poprawić jeśli się mylę)
Pomiar sygnału z termopary
Tu wiem, że termopary się kompensuje. Planowałem w obudowie urządzenia umieścić czujnik temperatury i na jego podstawie dokonywać kompensacji już programowej. W ramach układu wejściowego postanowiłem zastosować wzmacniacz operacyjny, który wstępnie wzmocnił by sygnał z termopary. Wyjście z tego wzmacniacza trafia na PGA co pozwoli na dalsze wzmocnienia oraz zaoszczędzi jedno wejście ADC.
Pytania:
-Czy taka koncepcja ma rację bytu?
-Może lepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie układu typu LTC2983, który poza termoparami obsłużyłby również ich kompensację i czujniki rezystancyjne?
Symulacja sygnału napięciowego
Ten element jest stosunkowo mało skomplikowany ponieważ zastosowałem wtórnik napięciowy z wzmacniacza i tranzystora npn.
Pytania:
-Czy taki sygnał trzeba dodatkowo odfiltrować? Czy mogą się pojawić jakieś zakłócenia?
-Jak taki układ zabezpieczyć przed przeciążeniem? Czy są lepsze sposoby niż bezpiecznik?
-Jaką dokładność jestem w stanie uzyskać tym sposobem?
-Czy taki układ nadaje się do symulowania termopary? (tak by układ nadrzędny myślał, że urządzenie jest termoparą)
Symulacja sygnału prądowego czujnika dwuprzewodowego
W tym celu skorzystałem ze źródła prądowego opartego o wzmacniacz operacyjny i tranzystor NPN. Prostownik na wyjściu ma zapobiec odwrotnemu podłączeniu przewodów. Układ w nieco uproszczonej postaci (bez R16, R17 i C33) przetestowałem na stole i działał (na wzmacniaczu RC4558P) Nie zastosowałem wtedy żadnej filtracji a zasilanie pochodziło z przetwornic i widać było, że na wyjście przenoszą się zakłócenia. Układ ten będzie służył jedynie jako zadajnik prądowy wchodzący na wejścia sterowników PLC.
Pytania:
-Czy taka filtracja jak na schemacie będzie wystarczająca?
-Czy układ ma szanse wejść w jakieś oscylacje? Doczytałem w czeluściach internetu, że właśnie R16, R17 i C33 mają temu zapobiegać. Mają szansę?
-Przed zbyt wysokim prądem układ powinien obronić się sam, natomiast jak zabezpieczyć się przed zbyt wysokim napięciem? Transil? Zener?
Symulacja sygnału prądowego wyjścia regulatora/czujnika czteroprzewodowego
No i tu są dla mnie największe schody. O ile sama idea jest dla mnie jasna i klarowna a układ poskładany na płytce działał to nie mam pojęcia jak zatroszczyć się o to, żeby nie miał problemów z obciążeniem indukcyjnym.
Układ będzie służył do symulowania sygnału prądowego wchodzącego na wejścia sterownika PLC, ale również będzie (okazjonalnie) sterował cewką rozdzielacza proporcjonalnego (+/-30mA).
Na wejściu układu jest wzmacniacz odejmujący by móc łatwo zmienić polaryzację zadawanego prądu.
Pytania:
-Jak pomóc mu uporać się z cewką na wyjściu?
-Jak zabezpieczyć go przed przeciążeniem?
-Jaki wzmacniacz wybrać na stopień wyjściowy? Myślałem o TDA2030A bo mam ich jeszcze trochę a nie planuję w najbliższym czasie używać.
Symulacja sygnału rezystancyjnego czujnika temperatury
Schemat zaczerpnąłem stąd.
Układ z rysunku 3 poskładany na płytce stykowej działał zaskakująco dobrze.
Pytania:
-Czy macie może lepsze pomysły jak zrealizować symulację czujnika rezystancyjnego sterowaną programowo?
Komunikator HART
Do realizacji tego punktu zastosowałem gotową kość AD5700-1 a schemat (nieznaczne zmodyfikowany) pochodzi z noty aplikacyjnej producenta.
Pytania:
-Czy ktoś pracował z tym układem i ma layout płytki? Jeśli nie, to czy moglibyście Szanowni Koledzy, patrząc swym doświadczonym okiem udzielić kilku rad jak rozłożyć te elementy na płytce?
Podsumowanie
Proszę o wyrozumiałość, jeśli pytania są trywialne, studiowałem automatykę a elektronikę poznaję samodzielnie w domowym zaciszu. Proszę również o wyrozumiałość, jeśli odpowiedzi na niektóre z nich znajdują się w pierwszym wyniku wyszukania w Google - spędziłem z nim sporo czasu pracując nad tym co widzicie i najwidoczniej po prostu coś przeoczyłem albo źle pytałem.
Urządzenie nie musi być superdokładne, ma umożliwić sprawdzenie poprawności połączeń oraz przekazywanych do systemu nadrzędnego wartości.
Z góry dziękuję za wszystkie odpowiedzi!
Szanowny Adminie!
Jeśli poszalałem trochę wstawiając swoje banalne pytania do działu "projektowanie układów" to uprzejmie proszę o przeniesienie do działu dla początkujących.
