Korisähköjärjestelmän ohjauksen suunnittelu: Metropolian ConceptCar-hanke Pauli Nevalainen

Korisähköjärjestelmän ohjauksen suunnittelu: Metropolian ConceptCar-hanke Pauli Nevalainen
Pauli Nevalainen
Korisähköjärjestelmän ohjauksen suunnittelu:
Metropolian ConceptCar-hanke
Metropolia Ammattikorkeakoulu
Insinööri (AMK)
Auto- ja kuljetustekniikka
Insinöörityö
10.5.2013
Tiivistelmä
Tekijä(t)
Otsikko
Sivumäärä
Aika
Pauli Nevalainen
Korisähköjärjestelmän ohjauksen suunnittelu:
Metropolian ConceptCar-hanke
50 sivua + 3 liitettä
10.5.2013
Tutkinto
insinööri (AMK)
Koulutusohjelma
Auto- ja kuljetustekniikka
Suuntautumisvaihtoehto
Autosähkötekniikka
Ohjaaja(t)
projektipäällikko Harri Santamala
autoelektroniikan lehtori Vesa Linja-aho
Tässä insinöörityössä toteutettiin joustava ja tehokas järjestelmä ajoneuvon eri
toimilaitteiden ohjaamiseen. Työn aluksi tutkittiin CANopen-teoriaa. Lopuksi suunniteltiin
ohjelma ja piirilevy, jotka testattiin.
Työssä käytettiin CANopen-verkkoa ajoneuvon korisähköjärjestelmän ohjauksen
toteuttamiseen. Korisähköverkko jaettiin kolmeen kytkentärasiaan ja niihin suunniteltiin
Frenzel+Bergin CO-4011-BD- ja CO-4017-BD-I/O-moduuleille käyttöliittymäpiirilevy Orcad
Capture ja Allegro ohjelmistoilla. Piirilevyyn sisältyy kaksikanavainen hakkuri I/Omoduulien ja oheispiirien virransyötölle ja suojaus- ja puskuripiirit I/O-moduulien sisään- ja
ulostuloille.
I/O-moduuleille suunniteltiin ohjaus Epec 2024 -logiikkaohjaimella, jolle toteutettiin
ohjelmakoodi CoDeSys-kehitysympäristössä kytkentärasioiden ohjaamiseen.
Työssä käytettiin CANopen-protokollaperhettä SDO-, PDO- ja NMT-protokollia käyttäen.
Insinöörityön tuloksena syntyi toimiva korisähkön ohjausjärjestelmä, johon voidaan helposti
lisätä toimilaitteita. Järjestelmällä voidaan ohjata lukuisia erilaisia toimilaitteita. Työn
tuloksia tullaan käyttämään Metropolian ConceptCar-hankkeessa syntyvässä kompaktissa
kaupunkiautossa.
Avainsanat
korisähköjärjestelmä,
Frenzel+Berg
CANopen,
CoDeSys,
Epec,
PLC,
Abstract
Author(s)
Title
Number of Pages
Date
Pauli Nevalainen
The design of body electronics control system: Metropolia
ConcepCar project
50 pages + 3 appendices
10 May 2013
Degree
Bachelor of Engineering
Degree Programme
Automotive and Transport Engineering
Specialisation option
Automotive Electronics
Instructor(s)
Harri Santamala, Project Manager
Vesa Linja-aho, Senior Lecturer in Automotive Electronics
In automotive environment it is very important to be able to effectively control all of the
different electronic actuators a vehicle has. The aim of this Bachelor’s thesis was to create
a flexible and effective body electronics control system to support a large amount of
different actuators.
The system utilizes a CAN bus to control three junction boxes, designed around
Frenzel+Berg CO-4011-BD and CO-4017-BD remote I/O modules, located around the
vehicle. The junction boxes are controlled by an Epec 2024 programmable logic controller.
CANopen protocol stack, specifically SDO, PDO and NMT protocols were used as CAN
transfer protocol. The software was written with CoDeSys programming system in IEC61131-3 standard programming languages.
The design of the auxiliary PCB for the I/O modules was also a part of this Bachelor’s
thesis. The PCB incorporates a dual channel buck converter for the I/O modules and
supporting devices and protection and buffer devices for the different inputs and outputs of
the I/O modules. The design of the schematic was conducted using OrCAD Capture
software and the PCB was designed with OrCAD Allegro software.
The result of this Bachelor’s thesis was a fully functioning body electronics control system
for the Metropolia ConceptCar project. Adding different actuators is effortless and the I/O
pins are extensively protected against different fault conditions.
Keywords
body electronics,
Frenzel+Berg
CANopen,
CoDeSys,
Epec,
PLC,
Sisällys
Lyhenteet
1
Johdanto
1
2
CAN-väylätekniikka
1
2.1
CANopen
2
2.1.1
Tunnisteet
2
2.1.2
Object Dictionary
2
2.1.3
SDO-protokolla
3
2.1.4
PDO-protokolla
3
2.1.5
NMT-protokolla
4
3
Järjestelmä
5
4
MultiTool
6
4.1
Objektikirjasto
7
4.2
PDO-linkitys
8
4.3
Verkko-ominaisuudet
9
5
6
CoDeSys
11
5.1
PLC-ohjelmointikielet
11
5.1.1
SFC
11
5.1.2
ST
12
5.2
Ohjelman perusrakenne
12
5.3
I/O-moduulien sisään- ja ulostulojen käyttö.
16
5.3.1
Digitaalisen ulostulon ohjaus sisääntulon mukaan
17
5.3.2 I/O-moduulien analogiatulojen arvon muuttaminen
käytettäviksi arvoiksi.
17
5.3.3
19
CO-4017-BD-moduulien PWM-lähtöjen ohjaus
Elektroniikan suunnittelu
20
6.1
21
Virransyöttö
6.2
6.3
6.4
6.5
7
Hakkurin mitoittaminen
22
6.2.1
Kelan mitoitus
23
6.2.2
Sisääntulokondensaattorin mitoitus
24
6.2.3
Ulostulokondensaattorin mitoitus
25
6.2.4
Diodin mitoitus
28
Tulojen ja lähtöjen suunnittelu
29
6.3.1
Analogiset sisääntulot
30
6.3.2
Digitaaliset sisääntulot
31
6.3.3
Digitaaliset- ja PWM-ulostulot
32
6.3.4
Digitaaliset sisään-ulostulot
33
Piirilevyn suunnittelu
34
6.4.1
Yleistä
34
6.4.2
Liittimet
37
6.4.3
Jumpperit
39
Piirilevyn testaus ja tulokset
42
6.5.1
Virtalähde
43
6.5.2
Analogiatulojen mittaukset
46
Yhteenveto ja päätelmät
Lähteet
Liitteet
Liite 1. Materiaaliluettelo
Liite 2. Kytkentäkaavio
Liite 3. Gerber-kuvat
49
51
Lyhenteet
A
Ampeeri. Virran SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö.
CJB
Center Junction Box. Keskimmäinen kytkentärasia.
η
Eeta. Hyötysuhde.
ESR
Equivalent series resistance. Kondensaattorin sisäinen sarjavastus.
F
Faradi. Kapasitanssin SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö.
FJB
Front Junction Box. Etumainen kytkentärasia.
H
Henry. Induktanssin SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö.
Hz
Hertsi. Taajuuden SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö.
I/O
Sisääntulo/ulostulo.
IVI
In-Vehicle Infotainment, Auton kuljettajan tieto- ja viihdejärjestelmä.
J1939
CAN-väylätiedonsiirtoon
liittyvä
protokolla.
Käytetään
yleisesti
dieselmoottoreiden ja raskaan kaluston apulaitteiden ohjaukseen.
JEP
Juotteenestopinnoite. Estää piirilevyn juottamisen aikana tapahtuvia
oikosulkuja komponenttijalkojen välillä ja suojaa piirilevyn kuparia
hapettumiselta.
kbps
Kilobittiä sekunnissa. Tiedonsiirtonopeuden mittayksikkö.
Ω
Ohmi. Resistanssin SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö.
mil
Tuhannesosatuuma. Piirilevysuunnittelussa käytetty yksikkö.
PDO
Process Data Object. CANopen-lähetysprotokolla.
PLC
Programmable logic controller. Ohjelmoitava logiikkaohjain.
PWM
Pulse width modulation. Pulssinleveysmodulointi.
RJB
Rear Junction Box. Takimmainen kytkentärasia.
SFC
Sequential Function Chart. IEC-61131-3-ohjelmointikieli.
SDO
Service Data Object. CANopen lähetysprotokolla.
ST
Structured Text. IEC-61131-3-ohjelmointikieli.
V
Voltti. Jännitteen SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö.
W
Watti. Tehon SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö.
1
1
Johdanto
Insinöörityössä toteutetaan ohjauksen runko auton korisähköverkolle. Tavoitteena on
saada aikaan joustava ratkaisu eri toimilaitteiden ohjaukseen ja toimilaitteiden
lisäämiseen
toimilaitemäärän
kasvaessa.
Työ
on
tehty
Metropolia
Ammatti-
korkeakoulun ConcepCar-hankkeelle, joka toteutetaan Tekes-rahoitteisena. Hankkeen
tavoitteena on suunnitella kompakti kaupunkiauto, joka lanseerataan Geneven
autonäyttelyssä 2014. Korisähköjärjestelmä tulee olemaan osa valmista autoa.
Insinöörityön toteutus jakaantuu kahteen pääosioon: ohjauksen suunnitteluun sekä
ohjauksen suorittavan elektroniikan suunnitteluun. Työssä haluttiin käyttää CANväylää, koska se on osoittautunut ajoneuvokäytössä luotettavaksi tavaksi siirtää tietoa
ohjainlaitteiden välillä.
Työssä on ensin toteutettu logiikkaohjaimen ohjelma. Sen jälkeen on testattu
käytännössä kirjoitetun ohjelman toimivuus ja korjattu virheet. Elektroniikan suunnittelu
toteutettiin kahdessa vaiheessa: Ensin jaettiin suunniteltava piirilevy eri osa-alueisiin,
joista tehtiin testilevyt ja jotka testattiin mittaamalla. Testien tuloksien perusteella
suunniteltiin yksi yhtenäinen piirilevy, jonka toimivuus testattiin mittaamalla ja
käytännössä.
2
CAN-väylätekniikka
CAN-väylä
eli
Controller
Area
Network
on
yksi
yleisimmimmin
käytetyistä
kenttäväylistä. Se kehitettiin alun perin ajoneuvokäyttöön Robert Bosch GMBH:n
toimesta ja ensimmäinen versio julkaistiin vuonna 1986. [1, s. 1.] Perinteisen CANväylän standardi ei ota kantaa muuhun kuin ISO-järjestön kehittämän OSIkommunikointikerrosmallin fyysisen kerroksen ja siirtoyhteyskerroksen tiedonsiirtoon
[2, s. 18]. Korisähköverkon suunnittelussa päädyttiinkin käyttämään jotain korkeamman
tason protokollista suunnittelutyön helpottamiseksi. Lopulta käytettiin CANopenprotokollaperhettä.
2
2.1
CANopen
CANopen on alun perin teollisuuden käyttöön suunniteltu protokollaperhe. CANopen on
yleisesti käytössä lisäksi mm. työkonekäytössä. Standardin kehittämisestä vastaa CAN
in Automation -järjestö. Seuraavaksi käydään läpi peruskäsitteitä ja työssä käytettyjä
CANopen-protokollia,
joiden
ymmärtäminen
on
välttämätöntä-CANopen
verkon
käyttämiselle.
2.1.1
Tunnisteet
Node-ID. Jokaisella CANopen-verkon laitteella on oltava oma tunniste, jonka avulla
laitetta hallitaan, ja jonka avulla laitteelle tulevat ja laitteelta lähtevät viestit yksilöidään.
Node-ID voi olla arvovälillä 1–127. [2, s. 41; 3, s. 1.]
CAN-ID. CAN-viestikehyksen viestikentän arvo. Oletuksena CANopen-verkossa
käytetään 11-bittistä viestikenttää. Yksi CAN-ID voi viitata vain yhteen viestiin
verkossa. [2, s. 41; 3, s. 1.]
COB-ID. Connection Object ID on tietyn kommunikointiobjektin tunnus. Se viittaa
tiettyyn viestiin yhdeltä CANopen-solmulta toiselle ja saattaa sisältää ohjausbittejä, eli
se sisältää CAN-ID:n ja saattaa sisältää lisätietoa. [2, s. 26, 41; 3, s. 1.]
2.1.2
Object Dictionary
Objektikirjasto toimii tietovarastona kaikelle CANopen-verkossa tarvittavalle tiedolle
kuten parametreille ja lähetettäville ja vastaanotettaville signaaleille. Sen on sijaittava
haihtumattomassa muistissa, paitsi signaalien arvojen tulee sijaita ei-haihtumattomalla
muistialueella. [3, s. 2.] Objektikirjasto on taulukko 16-bittisellä indeksillä ja 8-bittisillä
ali-indekseillä. Jokainen indeksi voi sisältää yhdenlaatuisia muuttujia. [2, s. 28.]
Objektikirjastoon liittyy läheisesti laiteprofiili (Device Profile). Mikäli mitään standardia
tiedon sijainnista ei olisi, olisi objektikirjaston käyttäminen työlästä. Siksi objektikirjaston
sisältö on standardoitu erilaisille laitetyypeille. Lisäksi osa tiedoista on yhteisiä kaikille
laiteprofiileille. [2, s. 30.] Työssä käytämme geneerisille I/O-laitteille tarkoitettua CAN in
Automation DSP 401 -profiilia.
3
2.1.3
SDO-protokolla
Service Data Object -protokollaa käytetään objektikirjaston tietojen käsittelyyn laitteiden
välillä. Verkon isäntä on ainoa laite, jolla on oikeus aloittaa SDO-viestin lähetys – se
omistaa lähetyskanavat, joita on yksi jokaista laitesolmua kohden. Verkon laitesolmujen
tulee vastata SDO-viestiin. SDO-viestillä voidaan joko lukea tai kirjoittaa tietoa
objektikirjastoon. [2, s. 32–33.]
2.1.4
PDO-protokolla
Koska SDO-protokollan avulla on työlästä lähettää ja vastaanottaa signaalitietoa, on
luotu PDO-protokolla tietojen lähettämisen helpottamiseksi. PDO-prokollan avulla
laitesolmut voivat itsenäisesti lähettää tietoa väylälle ilman isännän erillistä käskyä.
Jokaiselle PDO-viestille on oma yksilöllinen COB-ID, ja jokaista NODE-ID:tä kohden
voi olla neljä lähtevää ja neljä saapuvaa PDO-viestiä. PDO-viestit linkitetään
objektikirjastoon oletuksena siten, että isäntä on ainoa laite, joka voi vastaanottaa
toimilaitesolmujen Transmit PDO -viestejä ja lähettää toimilaitesolmuille Receive PDO viestejä. Tätä tapaa käytetään myös tässä työssä. [2, s. 34–37.]
PDO-viestien hyvänä puolena on se, että jokaiselle viestille voidaan erikseen
määrittää, milloin ja/tai millä edellytyksellä viesti lähetetään. CANopeniin on rakennettu
neljä tapaa viestin lähetyksen aloituksen määrittämiseen:
•
tapahtumalähtöinen lähetystapa
•
aikalähtöinen lähetystapa
•
kyselypohjainen lähetystapa
•
synkronointipohjainen lähetystapa.
Jokaista lähetystapaa voi lisäksi muokata erilaisilla aika- tai tapahtumapohjaisilla
viestinlähetysmääreillä.
tapahtumapohjaista
Työssä
lähetystapaa,
maksimilähetysväli. [2, s. 37–38.]
on
käytetty
johon
on
suurimmassa
lisätty
osassa
lähetyksen
viestejä
minimi-
ja
4
2.1.5
NMT-protokolla
NMT-protokollaa käytetään verkon toimilaitesolmujen tilan hallintaan ja valvontaan.
Mikäli solmu havaitsee ongelman, se lähettää hätäviestin (EMCY), jolloin isäntä voi
aloittaa solmun korjaus- tai sammutustoimenpiteet. Mahdolliset toimintatilat ovat:
power-up, reset node, pre-operational, operational, stopped (Kuva 1).
Kuva 1.
CANopen-solmun NMT-tilakonemalli [3, s. 3].
Kun toimilaitesolmu käynnistyy se uudelleenkäynnistää oman kommunikointinsa ja
applikaationsa. Tämän jälkeen solmu lähettää boot-up-viestin ja siirtyy tämän jälkeen
pre-operational-tilaan. Tässä tilassa hallitussa käynnistyksessä isäntä tarkistaa
toimilaitesolmun asetukset ja tarvittaessa päivittää ne, jonka jälkeen se asettaa solmun
operational-tilaan, jolloin se voi lähettää PDO-viestejä. Mikäli solmu käynnistetään
uudestaan tai käynnistyy uudestaan, se palaa uudelleenkäynnistystilaan. Mikäli isäntä
asettaa toimilaitesolmun stopped-tilaan, yleensä vakavan vian seurauksena, se
lopettaa kaiken muun viestinnän paitsi oman tilan lähettäminen väylälle heartbeat- tai
node guarding -protokollilla. Se ei myöskään vastaa muihin kuin NMT-viesteihin. [2, s.
83–85, 3, s. 4.]
NMT-protokollaan liittyy läheisesti CANopen-standardissa hearbeat- ja node quarding
-protokollat, joista jompaakumpaa voidaan käyttää toimilaitesolmujen tilan valvontaan.
Molemmissa idea on sama: tietyin aikavälein toimilaitesolmun tila tarkastetaan.
Heartbeat-protokollassa solmu lähettää itsenäisesti viestin, joka kertoo sen tilan.
Aikaväli, jonka välein viesti lähetetään, saadaan objektikirjaston indeksistä 1017h.
Node guarding -protokollassa solmu vastaa isännän lähettämiin kyselyihin omalla
5
tilallaan. Heartbeat-protokollaa suositellaan käytettäväksi, sillä se on joustavampi ja
käyttää vähemmän verkon kaistaa. Tässä työssä on käytetty heartbeat-protokollaa. [2,
s. 86; 3, s. 3.]
3
Järjestelmä
Korisähköjärjestelmä on rakennettu CANopen-verkon ympärille. Korielektroniikan
ohjaimena ja CANopen-verkon isäntänä toimii Epec 2024 PLC -ohjainlaite. Siinä on
kaksi CAN-väylää joista toista käytetään kytkentärasioiden ohjaamiseen sekä
korielektroniikan ja kuljettajan tieto- ja viihdejärjestelmän eli IVI-järjestelmän väliseen
viestintään. Toinen on yhteydessä moottorinohjaimen kanssa, johon on myöhemmin
tarkoitus toteuttaa vaihteistonohjauksen toimintoja. (Kuva 2.) PLC itsessään sisältää
myös tuloja ja lähtöjä.
Kytkentärasioita on suunniteltu autoon kolme: yksi konetilaan (FJB), yksi keskikonsoliin
(CJB)
ja
yksi
takaluukkuun
(RJB).
Syynä
ratkaisuun
on
johtosarjojen
yksinkertaistaminen ja uusien laitteiden lisäämisen helpottaminen – insinöörityön
tekohetkellä läheskään jokainen toimilaite ei ollut valittuna. Jokaiseen kytkentärasiaan
tarvitsee minimissään tuoda akulta käyttöjännitteen syöttöjohdot, CAN-väylän johdot ja
yksi herätejohto PLC:ltä, jolla I/O-moduulien virta voidaan käynnistää ja sammuttaa.
Yhdessä kytkentärasiassa on kaksi Frenzel+Bergin valmistamaa CANopen I/O eli
sisään-/ulostulo -moduulia yhdellä tämän insinöörityön puitteissa suunnitellulla
piirilevyllä, joiden mallit ovat CO4017-BD ja CO4011-BD. Yhteensä tuloja ja lähtöjä
saadaan näin 64 kappaletta kytkentärasiaa kohden:
Yhteen
•
16 analogiatuloa
•
kahdeksan PWM-lähtöä eli pulssisuhdemoduloitua lähtöä
•
20 digitaalista lähtöä
•
12 digitaalista sisääntuloa
•
kahdeksan digitaaliseksi sisään- tai ulostuloksi konfiguroitavaa kanavaa.
kytkentärasiaan
tulee
I/O-moduulien
lisäksi
moduulirakenteisia
puolijohdekytkimiä eri tehonkestoilla, jotka on suunniteltu jo aikaisemmin, ja tilankäytön
puitteissa yksilöityjä ohjainlaitteita esimerkiksi ajoneston osalta.
6
Kuva 2.
Verkkojärjestelmän rakenne.
Tämän
insinöörityön
suunnittelun
kohteena
on
CANopen-verkon
toteutus
ja
kytkentärasioiden ohjainlaitteiden ja ohjauksen suunnittelu eli karkeasti kuvan 2 vasen
puoli.
4
MultiTool
MultiTool
on
Epec
Oy:n
suunnittelema
Epecin
valmistamien
PLC-ohjain-
laitteiden asetusten ja protokollien asettamiseen tarkoitettu aputyökalu CoDeSys
-kehitysympäristöön. Lisäksi se sisältää valmiit ohjelmakirjastot CANopen- ja J1939protokollille sekä Epecin ohjainlaitteiden ohjaukseen CoDeSys-kehitysympäristössä.
Työssä sillä luotiin 2024-ohjainlaitteelle CANopen-objektikirjastot, mihin tulee kaikkien
I/O-moduulien I/O sekä asetukset. Lisäksi MultiToolin avulla luotiin verkkoisännän
ominaisuudet sekä määritettiin sen oma I/O. [4.]
7
4.1
Objektikirjasto
MultiToolissa objektikirjaston luominen on melko suoraviivainen toimenpide. Epec luo
profiilikohtaiset indeksit, ja käyttäjälle jää tehtäväksi täyttää applikaatiokohtaiset
indeksit valmistajakohtaiselle alueelle (2000h–5FFFh). Tässä työssä PDO-viestien
indeksit luotiin alueelle, joka alkaa indeksistä 2001h ja on kirjoitettu ei-haihtumattomalle
muistialueelle (RAM)(Kuva 3). Parametrit, jotka tarkastetaan SDO-viesteillä ja
tarvittaessa kirjoitetaan I/O-moduuleille, luotiin alueelle, joka alkaa indeksistä 3001h.
Parametrit luotiin haihtumattomille muistialueelle (PARAMETER). I/O-moduuleja
koskevat objektikirjaston indeksit löytyvät taulukoista 1 ja 2.
Taulukko 1.
FJB1
FJB2
CJB1
CJB2
RJB1
RJB2
PDO-viesteille varatut alueet objektikirjaston valmistajakohtaisella alueella.
TPDO
BEGIN
DI
AI
2201h
2201h
2211h
2211h
2221h
2221h
2231h
2231h
2241h
2241h
2251h
2251h
2202h
2212h
2222h
2232h
2242h
2252h
RPDO
DO
PWM
END
2203h
2210h
2213h
2214h
2220h
2223h
2230h
2233h
2234h
2240h
2243h
2250h
2253h
2254h
2260h
Jokaiselle toimilaitesolmulle on varattu oma 16 indeksin alue, ja jokaiselle
muuttujatyypille on tehty oma indeksi.
Taulukko 2.
Parametreille varatut alueet objektikirjaston valmistajakohtaisella alueella.
BEGIN
PAR ALL
PAR SINGLE
PAR JB1
PAR JB2
3001h
3031h
3041h
3051h
BYTE
WORD DWORD END
3001h
3002h
3003h
3010h
3031h
3032h
3033h
3040h
304Eh
304Fh
3050h
3050h
305Eh
305Fh
3060h
3060h
Parametrit on jaoteltu sen mukaan, käytetäänkö niitä kaikissa I/O-moduuleissa, vain
CO-4011-BD-moduuleissa, vain CO-4017-BD-moduuleissa, vai onko kyseessä vain
yksittäistä moduulia koskeva parametri. Kaikille parametrityypeille varattiin 16 indeksiä
ja eripituisille parametreille (1/2/4 tavua) varattiin omat indeksit.
Tämän projektin objektikirjaston valmistajakohtaisen alueen indeksit näkyvät kuvassa
3.
8
Kuva 3. Projektin
valmistajakohtainen
heksadesimaalimuodossa.
objektikirjasto
MultiTool-ohjelmassa.
Luvut
Avoinna kuvassa on bittityyppisen muuttujan (digitaalinen sisääntulo) indeksi, joka
PDO-viestin kannalta on tavu, josta on erikseen linkitetty bitit objektikirjaston muuttujiin.
Kommenttiin on laitettu, mihin pinniin kyseinen tulo fyysisesti tulee.
4.2
PDO-linkitys
PDO-linkitys onnistuu MultiTool-ohjelmalla helposti TPDO (lähetettävät PDO-viestit) ja
RPDO (vastaanotettavat PDO-viestit) -välilehdiltä (Kuva 4). Välilehdet ja asetukset ovat
identtiset pois lukien viestien lähetyssuunta.
9
Kuva 4.
PDO-linkitys MultiTool-ohjelmalla.
TPDO-viestille määritellään nimi ja COB-ID, joka vastaa vastaanottajan NODE-ID:tä ja
objektin numeroa summattuna. Muuttujat linkitetään lähtevään viestiin Mapped data
-kenttään. Lisäksi määritellään Transmission-kohtaan lähetystyyppi. FF vastaa
asynkronista lähetystapaa, jolloin PDO-viesti lähetetään, kun muuttujan arvo muuttuu,
tai aikapohjaisesti tai näiden yhdistelmänä [3, s. 4]. Tässä tapauksessa viesti
lähetetään, kun Event Time -kohtaan asetettu aika täyttyy tai objektikirjastoon linkitetyn
muuttujan arvo muuttuu, kuitenkin siten, että viestien välillä on vähintään Inhibit Time kohdan aika. [4.]
4.3
Verkko-ominaisuudet
2024-ohjainlaitteeseen
voidaan
asettaa
verkko-ominaisuudet
MultiTool-ohjelman
kautta. Valittavissa on käytetty protokolla, viestikentän CAN-ID:n pituus, Node-ID,
siirtonopeus, laiteprofiili ja heartbeat-aika (Kuva 5). [4.]
10
Kuva 5.
Projektin 2024-ohjainlaitteen CAN-väyläasetukset.
Lisäksi voidaan automaattisesti luoda verkkoisännän ominaisuudet ja heartbeatvalvonta (Kuva 6).
Kuva 6.
Projektin 2024-ohjainlaitteen verkonvalvonta.
Kun ohjainlaite on määritelty CANopen verkkoisännäksi NMT Master -kohdasta, on
mahdollista valita, miten toimilaitesolmujen tilan valvonta toteutetaan. Start interval
11
-kohdasta säädetään, miten usein laitteelle voidaan tehdä korjaustoimenpiteitä. Keep
-alive -kohdasta voidaan asettaa automaattinen toimilaitesolmun NMT-toimintatilaan
asetus, mikäli toimilaitesolmun heartbeat-viesti ei saavu Consumer time -kohdan
ajassa. Reset node -kohdasta voidaan asettaa automaattinen toimilaitesolmun NMT
-uudelleenkäynnistys, mikäli toimilaitesolmun heartbeat-viesti ei saavu Consumer time
-kohdan ajassa. Mandatory kohta säätää sitä mitkä laitteet vaikuttavat verkon oikeaa
toimintaa kuvaavan muuttujan tilaan. Kun verkkoisännän asetukset on luotu, saadaan
PLC-ohjelmasta suoraan tieto laitteiden tiloista ja lisäksi voidaan tehdä ehtoja sen
perusteella, onko verkko kunnossa. [4.]
5
CoDeSys
CoDeSys on IEC-61131-3-standardin mukainen kehitysympäristö. Sen on kehittänyt
saksalainen 3-S Software. Se sisältää ohjelmakääntäjän ja lisäksi myös muita
aputyökaluja kuten käytönaikaisen debug-työkalun.
5.1
PLC-ohjelmointikielet
IEC-61131-3-standardi sisältää kuusi eri ohjelmointikieltä, joista jokaisella on omat
vahvuutensa. Logiikkaohjelmointi oli minulle uutta, joten kaikkia kieliä en ehtinyt
opiskella. Tässä työssä käytettiinkin pelkästään SFC- ja ST-ohjelmointikieliä.
5.1.1
SFC
Sequentieal Function Chart on lohkomuotoinen graafinen ohjelmointikieli, joka sopii
hyvin prosessien ohjaukseen. Kielen ominaisuutena on se, että laajat kokonaisuudet
voi lohkoa pienempiin kokonaisuuksiin, jolloin niitä on helpompi hallita. Käynnissä oleva
lohko tai rinnakkain olevat lohkot suorittavat ohjelmaansa niin kauan, kunnes
ulostulomuuttujan (BOOL) arvo muuttuu todeksi tai maksimisuoritusaika täyttyy,
kuitenkin niin, että minimisuoritusaika täyttyy. Lohkojen suorittava koodi ohjelmoidaan
jollain
muulla
IEC-61131-3-standardin
ohjelmointikielellä.
Tässä
työssä
SFC-
ohjelmointikielellä onkin ohjelmoitu perusrunko ja suorittava koodi ST-kielellä.
Jatkokehitystä ajatellen ei ole mitään estettä, ettei muita kieliä voisi käyttää. [5, s. 164–
165.]
12
5.1.2
ST
Structured Text on tekstimuotoinen C-ohjelmointikielen kaltainen ohjelmointikieli. Siinä
käytetään valmiiksi määriteltyjä korkean tason komentoja, joilla voi toteuttaa tiivistä
koodia selkeässä muodossa. Haittapuolena voidaan pitää sitä, että yleensä käännetty
ohjelmakoodi on alemman tason kieliä pidempi ja hitaampi. Itselläni on jonkin verran
kokemusta C-ohjelmointikielestä, joten ST oli helposti lähestyttävä. [5, s. 111–112; 6, s.
25.]
5.2
Ohjelman perusrakenne
Insinöörityön puitteissa toteutettiin ohjelmalle perusrunko, jota pystyy toimilaitemäärän
kasvaessa helposti laajentamaan. Ohjelman perusrunko jakautuu MultiTool-ohjelman
luomaan ohjelman perusrunkoon (Kuva 7) ja työssä luotuun applikaation perusrunkoon
(Kuva 8). Ohjelma käynnistää, sammuttaa ja antaa asetukset I/O-moduuleille auton
tilan mukaan. Lisäksi toteutettiin esimerkkejä eri I/O-toiminnoista, joita on mahdollista
luoda suunnitellun laitteiston puitteissa.
Kuva 7.
MultiTool-ohjelmasta tuotu PLC-ohjelman perusrunko.
Init-lohkossa alustetaan kaikki 2024-ohjainlaitteen vaatimat asiat kuten I/O, CAN-ajurit
ja käytetyt CAN-väyläprotokollat. Kun alustus on suoritettu ohjelma suorittaa Epec_In-,
Application- ja Epec_Out-lohkoja vuorotellen. Ensin Epec_In-lohkossa luetaan laitteen
omat ja CAN-viesteinä tulleet sisääntulot muuttujiin. Application-lohkossa suoritetaan
käyttäjän koodi, jossa ulostulomuuttujien tilaa voidaan muuttaa. Lopuksi Epec_Out
13
-lohkossa muuttujat päivitetään 2024-ohjainlaitteen ulostuloihin ja CAN-viesteinä I/Omoduulien lähtöihin. [7.]
Kuva 8.
Työssä luodun applikaation perusrunko.
14
Applikaation perusrunko on luotu SFC-kielellä. Se on jaettu eri vaiheisiin sen mukaan
mikä on auton tila. Kun ajoneuvo on pysäköitynä ja ovet lukossa, odotetaan
avaimettoman käynnistyksen ohjainlaitteelta tietoa siitä, että avain on lähellä. Kun
avain on havaittu, käynnistetään I/O-moduulit, minkä jälkeen niiden NMT-tila
tarkastetaan. Mikäli moduuleja puuttuu, yritetään ne käynnistää uudelleen. Kun kaikki
moduulit on havaittu, tarkastetaan niiden parametrit ja tarpeen mukaan korjataan ne
oikeiksi (Esimerkkikoodi 1; Esimerkkikoodi 2). Mikäli parametrien asetuksessa tapahtuu
virheitä, siirrytään moduulien uudelleenkäynnistykseen. Kun parametrit ovat kunnossa,
siirrytään varsinaiseen korielektroniikan applikaatioon, jossa toimilaitteiden tiloja
muutetaan saatujen sisääntulotietojen perusteella. Tällä hetkellä lohkoja on neljä. TCUlohko on omistettu vaihteistonohjaukselle. BodyElectronics-lohko huolehtii korin
sähkölaitteiden ohjaamisesta ja Lights-lohko valojen ohjauksesta. Control-lohko vahtii
mm. ajoneuvon virtalukon tilaa, avaimettoman käynnistyksen ohjainlaitteen tietoa ja
I/O-moduulien tilaa. Se siirtää applikaation joko moduulien parametrien asennukseen
tai moduulien sammutukseen ehtojen täyttyessä.
FUNCTION_BLOCK SDO_DOWNLOAD_JB1
VAR
SDOReceiveBYTE : BYTE; (*READ OD VARIABLE FOR ONE BYTE PARAMETERS*)
SDOReceiveWORD : WORD; (*READ SLAVE OD VARIABLE FOR TWO BYTE PARAMETERS*)
SDOReceiveDWORD : DWORD; (*READ SLAVE OD VARIAVBLE FOR FOUR BYTE
PARAMETERS*)
END_VAR
VAR_INPUT
NodeIDIndex : BYTE; (*INPUT FOR NODE ID TO BE CONFIGURED*)
ResetCSDOCASE : BOOL := FALSE; (*INPUT TO RESET CASE*)
CSDOCASE: WORD; (*CASE-STRUCTURE VARIABLE*)
END_VAR
VAR_OUTPUT
SetupReadyJB : BOOL := FALSE; (*OUTPUT TRUE WHEN SETUP FINISHED*)
SetupErrorsJB : BOOL := FALSE; (*OUTPUT TRUE IF ERRORS DURING SETUP*)
SetupAbortCode : WORD := 0; (*OUTPUT POSSIBLE ABORT CODE IF ERRORS*)
END_VAR
VAR
CSDO : CANopenCSDOTransfer; (*EPEC CSDO FUNCTION BLOCK*)
SUBINDEXi: BYTE; (*SUBINDEX CALCULATOR VARIABLE FOR MULTIPLE SUBINDEX OD
ENTRIES*)
END_VAR
Esimerkkikoodi 1.
Parametrien asettamiseen luodun funktioblokin esittely.
Parametrien asettamiseen käytetään Epecin toteuttamaa CANopen CSDO -kirjastoa ja
sen CANopenCSDOTransfer-funktioblokkia oman parametrien asetukseen tehdyn
funktioblokin sisältä. CANopenCSDOTransfer-blokki vaatii taulukon 3 mukaiset
sisääntulot, ja siitä on saatavilla ulostulona blokin tilaa ja mahdollisia virheitä koskevat
ulostulot.
15
Taulukko 3.
Input
name
CANopenCSDOTransfer-funktioblokin sisääntulot [7].
variable Data
type
Range
Description
i_Enable
BOOL
TRUE/
FALSE
CSDO transfer is started when i_Enable changes from FALSE to
TRUE.
i_Channel
BYTE
0,1,2,..
CAN bus number 0,1,2,..
i_NodeID
BYTE
1 - 127
Unique ID number of the control unit. Can be changed between
requests.
i_Index
WORD
CANopen OD main index.
i_SubIndex
BYTE
CANopen OD sub-index.
i_pData
DWORD
Pointer to data buffer for send/received data
i_Size
DWORD
i_Write
BOOL
TRUE/
FALSE
Size of the data buffer.
TRUE - SDO download
FALSE - SDO upload
i_Stop
BOOL
TRUE/
FALSE
Stops the SDO request.
i_TimeOut
TIME
Time out for action. This includes also time which is waited to get
free CSDO channel.
Funktioblokki toimii siten, että sille annetaan sisääntuloina SDO-viestin vaatimat tiedot:
Node-ID, indeksi, ali-indeksi, data (osoittimena muistiosioon), datan pituus ja onko
kyseessä luku vai kirjoitus solmun objektikirjastoon. Lisäksi annetaan 2024ohjainlaitteen käytetty CAN-sovittimen numero ja viestinlähetyksen vanhenemisaika.
Viestin lähetys alkaa muuttujan i_Enable nousevalla reunalla, ja se voidaan keskeyttää
asettamalla i_Stop-muuttujan arvoksi TRUE. Alla on esimerkki yhden parametrin
asettamisesta (Esimerkkikoodi 2). [7.]
0:
CSDO();
IF CSDO.o_State = 3 THEN (*Wait for CSDO to become IDLE*)
CSDO.i_Enable := FALSE; (*Set ENABLE to FALSE*)
CSDO();
CSDOCASE := 1;
END_IF
1: (*Read PRODUCER HEARTBEAT TIME*)
CSDO();
IF CSDO.o_State = 3 THEN
CSDO(
i_Channel:= 0,
i_Data := ADR(SDOReceiveWORD),
i_NodeID:= G_CAN1_CSDOinstances[NodeIDIndex].i_NodeID,
i_Index := 16#1017,
i_SubIndex := 16#00,
i_Size:= SIZEOF(PAR_PRODUCER_HEARTBEAT_TIME),
i_Write:=FALSE,
i_Timeout:= T#1s);
CSDO.i_Enable:=TRUE;
CSDO();
CSDOCASE := 2;
END_IF
16
2: (*VERIFY RECEIVED DATA TO BE CORRECT*)
CSDO();
IF CSDO.o_State = 3 THEN
CSDO.i_Enable := FALSE; (*Set ENABLE to FALSE so that OLDENABLE is
FALSE*)
CSDO();
IF CSDO.o_Error <> 0 THEN
SetupErrorsJB := TRUE;
SetupAbortCode := CSDO.o_AbortCode;
CSDOCASE := 1023; (*EXIT SETUP*)
ELSIF SDOReceiveWORD = PAR_PRODUCER_HEARTBEAT_TIME THEN
CSDOCASE := 4; (*DATA IS SAME IN SLAVE OD PROCEED TO NEXT
PARAMETER*)
ELSE
CSDOCASE := 3; (*DATA DIFFERS, WRITE CORRECT DATA*)
END_IF
END_IF
3: (*Set PRODUCER HEARTBEAT TIME*)
CSDO();
IF CSDO.o_State = 3 THEN
CSDO(
i_Channel:= 0,
i_Data := ADR(PAR_PRODUCER_HEARTBEAT_TIME),
i_NodeID:= G_CAN1_CSDOinstances[NodeIDIndex].i_NodeID,
i_Index := 16#1017,
i_SubIndex := 16#00,
i_Size:= SIZEOF(PAR_PRODUCER_HEARTBEAT_TIME),
i_Write:=TRUE,
i_Timeout:= T#1s);
CSDO.i_Enable:=TRUE;
CSDO();
CSDOCASE := 1; (*READ DATA AGAIN*)
END_IF
Esimerkkikoodi 2.
CANopen producer heartbeat time -parametrin tarkastus ja asetus.
Parametrin tarkastus alkaa lukemalla parametrin arvo kohdesolmun objektikirjastosta.
Tämän jälkeen tarkastetaan, täsmääkö luettu parametri haluttua parametrin arvoa.
Mikäli parametrin arvo on eri, lähetetään oikea parametri solmulle ja luetaan parametri
uudestaan. Kun parametri on oikein, siirrytään seuraavan parametrin tarkastukseen.
Mikäli parametrin tarkastuksessa tai asetuksessa tapahtuu virhe, asettaminen
keskeytetään, tallennetaan virheen koodi ulostulomuuttujaan ja palautetaan kutsuvalle
ohjelmalle.
5.3
I/O-moduulien sisään- ja ulostulojen käyttö.
I/O-moduuleilta saadaan tietoa digitaalisessa muodossa, jota voidaan käyttää suoraan,
kunhan huomioidaan että polariteetti on oikeinpäin. Digitaalisten sisääntulojen
polariteetti asetetaan moduulien objektikirjaston indeksiin 6002h. Analogiatulojen dataa
17
täytyy muokata, jotta se saadaan käyttökelpoisempaan muotoon (ks. Esimerkkikoodi 4
- Esimerkkikoodi 8). I/O-moduulien digitaalisia lähtöjä voidaan ohjata suoraan, kunhan
huomioidaan ulostulojen polariteetti. Digitaalisten ulostulojen polariteetti asetetaan
moduulien objektikirjaston indeksiin 6202h. Pulssisuhdemoduloitujen lähtöjen lähtevää
tietoa täytyy muokata ennen lähetystä (ks. Esimerkkikoodi 9 ja Esimerkkikoodi 10). [9,
s. 25, 28.]
5.3.1
Digitaalisen ulostulon ohjaus sisääntulon mukaan
Digitaalisen ulostulon, esimerkiksi jonkun valon, ohjaaminen lienee yksinkertaisin
tapaus (Esimerkkikoodi 3).
CANO_FJB1_WRITE_BYTE_0_Bit0 := CANI_FJB2_READ_BYTE_1_Bit0;
Esimerkkikoodi 3.
Ulostulon muuttaminen sisääntulon funktiona.
Koodissa ladataan FJB2-moduulilta tullut sisääntulon arvo FJB1-moduulin ulostulon
muuttujaan, joka lähetetään CAN-väylälle. Ulostuloja voidaan ohjata minkä tahansa
bittimuuttujan mukaan ja vastaavasti mitä tahansa bittimuuttujaa voidaan ohjata
sisääntulon mukaan.
5.3.2
I/O-moduulien analogiatulojen arvon muuttaminen käytettäviksi arvoiksi.
CoDeSys-projektiin
tehtiin
muutosfunktiot
I/O-moduulien
8-
ja
10-bittisille
analogiatuloille sekä bittiarvoiksi että jännitearvoiksi. 8-bittiset analogiatulojen arvot
tulevat CO-4011-BD-moduulista yhden tavun mittaisena siten, että alle 2,5 voltin arvot
näytetään negatiivisina (eniten merkitsevä bitti 1) ja yli 2,5 voltin arvot positiivisina
(eniten merkitsevä bitti 0) [9, s. 29]. Muutos käytettävämpään bittimuotoon näkyy
esimerkkikoodissa 4 ja muutos jännitemuotoon esimerkkikoodissa 5.
FUNCTION Conv8BAi : BYTE (*8-bit conversion function*)
VAR_INPUT
AI_IN : BYTE;
END_VAR
IF AI_IN <= 127 THEN
Conv8BAi := AI_IN + 128; (*2,5 V and up are increased by 128*)
ELSE
Conv8BAi := AI_IN - 128; (*less than 2,5 V are decreased by 128*)
END_IF
(*Function returns variable with same name as the function*)
18
Esimerkkikoodi 4.
8-bittisen analogiatulon muutosfunktio.
Funktiossa muutetaan sisään tuleva muuttuja lineaariseksi välillä 0–255, joka vastaa
jänniteväliä 0–5 V. Funktio palauttaa arvon tavuna.
FUNCTION Conv8BAiV : REAL
VAR_INPUT
AI_IN : BYTE;
END_VAR
VAR
INTERNAL0 : BYTE;
INTERNAL1 : REAL;
END_VAR
IF AI_IN <= 127 THEN
INTERNAL0 := AI_IN + 128;
ELSE
INTERNAL0 := AI_IN - 128;
END_IF
INTERNAL1 := BYTE_TO_REAL(INTERNAL0);
Conv8BAiV := INTERNAL1*5/256; (*Multiply value with one ADC-step
voltage*)
(*Function returns variable with same name as the function*)
Esimerkkikoodi 5.
8-bittisen analogiatulon muutosfunktio, joka muuttaa tulevan signaalin
arvon jännitearvoksi.
Funktiossa ensin linearisoidaan sisään tuleva muuttuja, jonka jälkeen se muutetaan
jännitearvoksi (V) ja palautetaan reaalilukuna.
10-bittiset analogiatulot lähetetään CO-4017-BD-moduuleilta kahden tavun mittaisina
positiivisina arvoina (eniten merkitsevä bitti 0) siten, että ne on siirretty eniten
merkitsevän bitin suuntaan [10, s. 23]. Muutos käytettävään bittimuotoon näkyy
esimerkkikoodissa 6 ja muutos jännitemuotoon esimerkkikoodissa 7
FUNCTION Conv10BAi : WORD
VAR_INPUT
AI_IN : WORD;
END_VAR
Conv10BAi := SHR(AI_IN, 5);(*Shift data 5 bits right*)
(*Function returns variable with same name as the function*)
Esimerkkikoodi 6.
10-bittisen analogiatulon arvon muutosfunktio.
Funktiossa siirretään bittejä oikealle siten, että 0 V vastaa bittiarvoa 0 ja 5 V vastaa
bittiarvoa 1023. Arvo palautetaan kahden tavun mittaisena sanana.
19
FUNCTION Conv10BAiV : REAL
VAR_INPUT
AI_IN : WORD;
END_VAR
VAR
INTERNAL0 : WORD;
INTERNAL1 : REAL;
END_VAR
INTERNAL0 := SHR(AI_IN, 5);
INTERNAL1 := WORD_TO_REAL(INTERNAL0);
Conv10BAiV := INTERNAL1*5/1024; (*Multiply value with one ADC step voltage*)
(*Function returns variable with same name as the function*)
Esimerkkikoodi 7.
10-bittisen analogiatulon muutosfunktio, joka muuttaa tulevan signaalin
arvon jännitearvoksi.
Funktiossa siirretään ensin bittejä, minkä jälkeen arvo muutetaan jännitearvoksi ja
palautetaan reaalilukuna.
Funktioiden käyttö on esitetty esimerkkikoodissa 8. Funktioilla voidaan esimerkiksi
lukea suoraan anturitietoa jännitetietona tai bittiarvona muuttujiin, joita voidaan käyttää
koodissa ohjauksien luomiseen.
(*Convert 10 bit analog input to readable binary form(WORD)*)
ANALOGIA_ARVO_10BIT := Conv10BAi(AI_IN := OD_FJB2_READ_AI[1]);
(*Convert 10 bit analog input to voltage value (REAL) *)
ANALOGIA_ARVO_10BIT_V := Conv10BAiV(AI_IN := OD_FJB2_READ_AI[1]);
(*Convert 8 bit analog input to readable binary form (BYTE)*)
ANALOGIA_ARVO_8BIT := Conv10BAi(AI_IN := OD_FJB1_READ_AI[1]);
(*Convert 8 bit analog input to voltage value (REAL)*)
ANALOGIA_ARVO_8BIT_V := Conv10BAiV(AI_IN := OD_FJB1_READ_AI[1]);
Esimerkkikoodi 8.
Analogiatulojen muutosfunktioiden käyttö.
Funktioiden käyttö on suoraviivaista. Ensin luodaan muuttuja, mihin data halutaan
sisällyttää. Muuttujan tyypin on vastattava funktion muuttujaa. Tämän jälkeen kutsutaan
haluttua funktiota, jonka parametriksi annetaan halutun tulon data. Funktion palautus
sijoitetaan luotuun muuttujaan.
5.3.3
CO-4017-BD-moduulien PWM-lähtöjen ohjaus
PWM-lähtöt aktivoidaan asettamalla CO-4017-BD-moduulin objektikirjaston indeksin
5100h ali-indeksiin 1 arvo 255. PWM-taajuus valitaan muuttamalla indeksin 5402h ali-
20
indeksin 0 arvoa. Perustaajuus on 24 kHz, jota voidaan jakaa arvovälillä 1–250, jolloin
mahdolliseksi taajuusväliksi muodostuu 96–24000 Hz. PWM-lähdöt ovat 10-bittisiä, ja
lähtevien viestien arvoja pitää siirtää samaan tapaan kuin 10-bittisissä analogiatuloissa
mutta eri suuntaan (Esimerkkikoodi 9). [10, s. 17, 25.]
FUNCTION ConvPWM : WORD
VAR_INPUT
PWM_IN: WORD;
END_VAR
ConvPWM := SHL(5, PWM_IN);
Esimerkkikoodi 9.
PWM-ulostuloarvon muutosfunktio.
Funktiossa siirretään bittejä siten, että 1023 vastaa arvoa 32767, joka vastaa 100 %:n
pulssisuhdetta. Ulostulon arvo skaalautuu lineaarisesti 0–100 prosenttiin sisääntulon
ollessa välillä 0–1023. Funktion käyttö on esitetty esimerkkikoodissa 10.
(*Convert 10 bit PWM value to IO-module format*)
OD_FJB2_WRITE_PWM[1] := ConvPWM(PWM_IN := PWM_ARVO_10BIT);
Esimerkkikoodi 10. PWM-ulostulon arvon muutosfunktion käyttö.
Funktion käyttö noudattaa seuraavaa logiikkaa: Ensin luodaan muuttuja johon
sijoitetaan haluttu PWM-arvo väliltä 0-1023. Tämän jälkeen muuttuja syötetään
muutosfunktion
sisääntuloparametriksi
ja
funktion
palautus
sijoitetaan
PWM-
ulostulomuuttujaan.
6
Elektroniikan suunnittelu
Väyläohjattujen I/O-moduulien kytkentäkaavion suunnittelu jakaantui kahteen osaan.
Aluksi suunniteltiin moduulien vaatimat oheistoiminnot: virransyöttö ja CAN-väylä.
Lopuksi suunniteltiin tulojen ja lähtöjen puskurointi ja suojaus.
Piirin
eri
osa-alueista
tehtiin
suunnittelun
aikana
testilevyjä
Metropolian
piirilevyjyrsimellä ominaisuuksien testaamiseksi ja mahdollisten ongelmien löytämiseksi
ennen varsinaisen levyn teettämistä. Lopulliset kytkentäkuvat ovat liitteessä 2.
21
6.1
Virransyöttö
I/O-moduulipiirilevyn aikaisemmassa versiossa käytettiin lineaariregulaattoreita. Ne
kuitenkin toimivat melko lämpiminä ja hukkasivat tehoa. Uuteen levyversioon
suunniteltiin hybridivirransyöttö, jossa kaksikanavaisella buck-tyyppisellä hakkurilla
ensin lasketaan molempien kanavien jännite 5,4 volttiin. Toisen kanavan 5,4 voltista
jännite lasketaan 5 volttiin MCP1824T 5.0 V-lineaariregulaattorilla, jolloin saadaan
erittäin siisti jännite I/O-moduuleille ja sen oheiskomponenteille. Ensimmäisen kanavan
5,4 voltin jännitettä käytetään suoraan digitaalisten puskureiden virransyöttöön, jolloin
lineaariregulaattoreita ei turhaan kuormiteta.
Liitettäville antureille tehtiin kolmella lineaariregulaattorilla kahdeksan reguloitua 5 voltin
ulostuloa hakkurin ensimmäisestä kanavasta. Lineaariregulaattoreissa on suojaus
oikosulun aiheuttamaa ylivirtaa vastaan. MCP1824T:ssä on lisäksi rakennettu
suojadiodi sisään ja ulostulon väliin ulostulon ylijännitteitä vastaan. Sen virrankesto ei
ole riittävä jatkuvaa 12 voltin oikosulkua vastaan joten ulostuloihin liittyviin
lineaariregulaattoreihin
lisättiin
ulkoiset
riittävällä
virrankestolla
varustetut
PMEG2005AEA-schottkydiodit suojadiodeiksi. Ylijännitteen aiheuttama virta rajoitetaan
200 milliampeerin palautuvilla PTC-sulakkeilla. (Kuva 9.) [8, s. 5.]
Kuva 9.
Lineaariregulaattorin kytkentä.
C1 on sisääntulokondensaattori ja C2 ulostulokondensaattori. Tyypilliset arvot 4,7 µF ja
1
µF,
annetaan
datalehdessä.
Näillä
piirin
toiminta
pysyy
vakaana.
Piirin
sammutustoimintoa ei käytetä, joten SHDN-pinni vedetään ylös vastuksella R1. PTCsulake F1 ja suojadiodi D1 muodostavat suojauksen ulostulon ylijännitettä vastaan.
Lineaariregulaattori U1 nostaa PWRGD-pinnin ylös kun ulostulon regulointi on
22
vähintään 92 %. Toimintoa ei ole suoraan kytketty mihinkään, mutta piirilevylle on tehty
pädit toiminnon käyttöönottoa ajatellen. [8, s. 1, 3.]
Piirilevy
jännitesisääntulo
on
suojattu
jännitetransientteja
vastaan
metallioksidivaristorilla. Sisääntulon puolella on 15 Vac:n varistori, jonka impedanssi
romahtaa 24.5 voltin kohdalla [11, s. 2].
Hakkurista tehdyn testilevyn testaamisen yhteydessä huomattiin sen aiheuttavan
kytkentähäiriöitä sisääntuloon. Niiden minimoimiseksi sisääntuloon lisättiin kela, jolloin
sisääntuloon muodostuu LC-suodatin, joka suodattaa myös esimerkiksi harjallisten
moottoreiden kytkennästä aiheutuvia transientteja auton virransyötön puolelta. (Kuva
15). Virransyötön tulisi myös kestää harvinaisempia vikatilanteita, jolloin virransyötön
jännite voi nousta jopa yli 40 voltin useiksi millisekunneiksi. [12, s. 11.] LC-suodattimen
yhdessä varistorin kanssa pitäisi aikaansaada riittävä suojaus hakkuripiirille, mutta
sopivien testauslaitteiden puuttuessa tätä ei voitu todentaa. Sopiva kelan arvo haettiin
testaamalla. Sisääntulojohtoihin kiedottiin vielä ferriitti yhteismuotoisten häiriöiden
vaimentamiseksi. Sisääntulo suojataan oikosulun aiheuttamalta ylivirralta johtoon
sijoitetulla
5
ampeerin
minikoon
autosulakkeella
ja
väärältä
jännitteensyötön
polariteetilta schottkydiodilla, joka on kytketty estosuuntaan jännitetulon rinnalle.
6.2
Hakkurin mitoittaminen
Hakkuri toteutettiin Texas Instrumentsin TPS54386-hakkurivirtalähdepiirillä. Kyseessä
on kaksikanavainen maksimissaan 4 ampeerin virran kanavaa kohti syöttävä bucktyyppinen hakkuripiiri. Vanhasta kokemuksesta virtalähde mitoitettiin puolen ampeerin
maksimivirralle CANopen-I/O-moduulien virransyötölle ja ampeerin jatkuvalle virralle
toimilaitteiden virransyötölle, mitkä otetaan eri kanavista. Texas Instrumentsin omalla
SwitcherPro-ohjelmistolla suunnittelun aloittaminen oli nopeaa ja suoraviivaista.
Halutuilla jännitearvoilla ja lähtövirroilla ohjelma antoi tyypilliset komponenttien arvot
sekä suositellun komponenttien ladonnan, jota noudatettiin piirilevyä suunnitellessa.
[13,
s.
1.]
Tehokomponenttien
varmistamiseksi (Kuva 10).
mitoittaminen
tehtiin
myös
käsin
tulosten
23
Kuva 10. Buck -tyyppisen hakkurin tehokomponentit [14, s. 1].
Buck-tyyppisen hakkurin tehokomponentteihin kuuluu sisääntulokondensaattori C IN ,
SW , diodi
kytkinelementti
D , ulostulokela
L ja ulostulokondensaattori COUT .
Sisääntulokondensaattorin tehtävä on tasoittaa sisääntulevaa jännitettä siten, että
hakkurin toiminta pysyy vakaana. Kytkinelementti katkoo syöttöjännitettä siten, että
ulostulon jännite muodostuu halutuksi. Ulostulokelalla ja -kondensaattirilla suodatetaan
ulostulojännite tasaisemmaksi. Diodi antaa virralle kulkureitin silloin kun kytkinelementti
on suljettuna. Tämä vähentää induktiivisia jännitepiikkejä ulostulossa. [14, s. 3–7.]
6.2.1
Kelan mitoitus
Vaadittu kelan minimi-induktanssi L saadaan seuraavasta yhtälöstä [14, s. 3]:
V × (VIN − VOUT )
L= OUT
∆I L × f S × VIN
VOUT
Hakkurin ulostulojännite
VIN
Hakkurin sisääntulojännite
∆I L
Kelan ripple -virta
fS
Hakkurin kytkentätaajuus
josta ∆I L voidaan laskea seuraavalla yhtälöllä [14, s. 3]:
(1)
24
MAX
∆I L = ∆I L% × I OUT
(2)
MAX
I OUT
Hakkurin maksimiulostulovirta
∆I L%
Kelan
ripple-virran
osuus
hakkurin
ulostulovirrasta,
tyypillisesti 0,2–0,4 (20–40 %)
Syöttämällä yhtälöihin 1 ja 2 arvot:
VOUT
5,4 V
VIN
15 V
fS
600 kHz
MAX
I OUT
1 A / 0,5 A
∆I L%
0,2
saadaan kelojen minimiarvoiksi 1 A:n virralle 28 µH ja 0,5 A:n virralle 57 µH.
SwitcherPro mitoitti näistä seuraavat E12-sarjaan kuuluvat kelat (33 µH ja 68 µH).
Käytännössä virrat varsinkin 0,5 A:n puolella jäävät puolen ampeerin alapuolelle, joten
sinne mitoitettiin 100 µH kela, jolloin ripple -virta jää hieman pienemmäksi. 1 A:n
puolelle mitoitettiin 68 µH kela. Bourns SRU8043-sarjasta löytyy kaikkia edellä
mainittuja
keloja
samalla
piirilevyjalanjäljellä
ja
noin
ampeerin
DC-
ja
saturaatiovirrankestolla, joten kelan vaihtaminen testaamisen jälkeen ei ole vaikeata.
[15, s. 1.]
6.2.2
Sisääntulokondensaattorin mitoitus
Tyypillisesti sisääntulokondensaattorin arvo annetaan datalehdessä. Sen tehtävänä on
taata hakkuriohjaimelle tasainen jännite ja vakauttaa toimintaa [14, s. 4]. Tässä
tapauksessa vaadittava minimiarvo 10 µF kanavaa kohden annettiin hakkuriohjaimen
datalehdessä [13, s. 37]. Koska autokäytössä virransyöttö on melko häiriöistä, ei ole
liioiteltua lisätä sisääntuloon vielä yhtä 100 µF:n elektrolyyttikondensaattoria.
SwitcherPro-ohjelma mitoitti sisääntuloon kaksi kappaletta 10 µF:n keraamisia
kondensaattoreita.
25
Sisääntuloon valittiin taulukon 4 mukaiset kondensaattorit:
Taulukko 4.
Sisääntuloon valitut kondensaattorit.
Kondensaattori
Tyyppi
Panasonic EEETG1V101UP
Lähde
Elektrolyytti
Kapasitanssi
Jännitteenkesto
ESR
100 µF
35 V
0,5 Ω @ 100 kHz
Kondensaattori
[16, s.3]
Tyyppi
2 kpl MURATA
GRM32ER7YA106KA12L
Keraaminen
Kapasitanssi
Jännitteenkesto
ESR
10 µF
35 V
~0,1 Ω @ 10 kHz
6.2.3
[17, s.1]
Ulostulokondensaattorin mitoitus
Hakkuripiiri vaatii ulostulokondensaattorin kapasitanssiksi yli 50 mikrofaradia, jotta
ulostulojännitteeseen ei muodostu häiriöitä siirryttäessä pehmeästä käynnistyksestä
normaaliin
toimintatilaan
[13,
s.
15].
Perinteisellä
mitoituksella
ulostulon
MIN
minimikapasitanssi COUT
saadaan seuraavasta yhtälöstä [14, s. 4]:
MIN
=
COUT
∆I L
8 × f S × ∆VOUT
∆I L
Arvioitu kelan ripple-virta
fS
Hakkurin kytkentätaajuus
∆VOUT
Haluttu ulostulon ripple-jännite
(3)
Ulostulon ripple-jännitteen arvona voidaan käyttää esimerkiksi 10:tä millivolttia, joka on
jo melko pieni ripple-jännite. Kelan ripple-virta voidaan approksimoida kelan
mitoittamiseen käytettävästä yhtälöstä (yhtälö 2), mikäli käytetään liki samalla arvolla
olevaa kelaa. Koska kela mitoitettiin hieman suuremmaksi, käytetään ripple-virran ∆I L
suuruuden arvioimiseen seuraavaa yhtälöä [14, s. 2]:
26
∆I L =
(VINMAX − VOUT ) × D
fS × L
(4)
VINMAX
Sisääntulon maksimijännite
VOUT
Ulostulojännite
D
Suurin kytkennän pulssisuhde (Yhtälö 5)
fS
Hakkurin kytkentätaajuus
L
Kelan induktanssi
Suurin kytkennän pulssisuhde D saadaan seuraavasta yhtälöstä [14, s. 1]:
D=
VOUT ×η
VINMIN
(5)
VOUT
Ulostulojännite
V INMIN
Sisääntulo minimijännite
η
Hakkurin hyötysuhde, n 90 % [13, s. 38].
Sisääntulon minimijännitettä käytetään, koska silloin kytkentävirrat ovat yleensä
suurimmat [14, s. 1]. Minimiarvona voidaan käyttää 9 volttia. Tätä matalammat
jännitteet
ovat
autokäytössä
yleensä
lyhytkestoisia
jolloin
pienet
häiriöt
ulostulojännitteessä ovat hyväksyttäviä. Arvoilla VOUT = 5,4 V, V INMIN = 9 V, η = 0,9
saadaan ulostulon pulssisuhteeksi D 0,54. Kun tätä arvoa käytetään yhtälössä 4,
saadaan arvoilla VINMAX = 15 V, VOUT = 5,4 V, f S = 600 kHz kelan ripple-virta ∆I L kun
kelan induktanssi on.
L = 100 µH ⇒ ∆I L = 86 mA
L = 68 µH ⇒ ∆I L = 126 mA
MIN
kun arvot syötetään
Näistä arvoista saadaan taas ulostulojen minikapasitanssit COUT
yhtälöön 3, muiden arvojen ollessa f S = 600 kHz ja ∆VOUT = 0,02 V.
27
MIN
∆I L = 86 mA ⇒ COUT
= 2 µF
MIN
∆I L = 126 mA ⇒ COUT
= 3 µF
Arvot vaikuttavat pieniltä ja pätevätkin vain hakkurin toimiessa normaalissa
toimintatilassa. Yleensä joudutaan ottamaan huomioon transienttitilanteet, kun hakkurin
sisääntulojännite tai ulostulovirta muuttuu. Lisäksi ulostulon ripple-jännitteeseen
vaikuttaa ulostulokondensaattorin sisäinen sarjavastus. Kun ripple-virran suuruus on
näinkin pieni ja ulostulon kondensaattoreiden sisäinen sarjavastus hyvin alhainen,
voidaan sen aiheuttamaa ripple-jännitettä pitää tässä tapauksessa merkityksettömänä
(< 5 mV). Kuorman virran muutosten aiheuttaman ripple-jännitteen kompensoimiseen
soveltuvan kondensaattorin minimikapasitanssin
OS
MIN
arvioimiseen voidaan käyttää
COUT
seuraavaa yhtälöä [14, s. 5]:
2
OS
C
MIN
OUT
∆I OUT × L
=
2 × VOUT × VOS
∆I OUT
Hakkurin syöttövirran muutos
L
Ulostulokelan induktanssi
VOUT
Ulostulojännite
VOS
Jännitteen yliammunta
(6)
Tilanne on pahempi toimilaitteiden puolella, missä kuormia kytketään ja irrotetaan,
joten kondensaattorin minimikapasitanssin laskettiin vain sille puolelle. Syöttövirran
muutoksen arvona käytetään 500 milliampeeria, joka vastaa puolta hakkurin
suunnitellusta nimellisestä virrasta ja toivottuna jännitteen yliammuntana 50:tä
millivolttia joka on vielä kohtuullinen arvo. Seuraavilla arvoilla ∆I OUT = 0,5 A, L = 68
µH, VOUT = 5,4 V, VOS = 0,05 V saadaan kondensaattorin minimikapasitanssiksi
OS
MIN
= 31 µF, mikä on melko lähellä datalehden suosittelemaa arvoa yli 50 µF sekä
COUT
SwitcherPro –ohjelman antamaa arvoa 47 µF. Ulostuloon valittiin taulukon 5 mukaiset
kondensaattorit kummallekin hakkurin kanavalle.
28
Taulukko 5.
Valitut ulostulokondensaattorit.
Kondensaattori
Tyyppi
TDK C3225X7R1E106K250AC
Keraaminen
Kapasitanssi
Jännitteenkesto
ESR
10 µF
25 V
0,01 Ω @ 600 kHz
Kondensaattori
Tyyppi
VISHAY SPRAGUE 594D476X0016C2T
Tantaali
Kapasitanssi
Jännitteenkesto
ESR
47 µF
15 V
0,11 Ω @ 100kHz
6.2.4
Lähde
[18, s. 1]
[19, s. 3]
Diodin mitoitus
Hakkureissa kannattaa pääsääntöisesti käyttää schottkydiodeja niiden piidiodia
pienemmän kynnysjännitteen vuoksi. Tämä vähentää diodin tehohäviöitä. Lisäksi
schottkydiodeilla huippuvirtojen kesto on paljon suurempi kuin tehollisen virran kesto.
[14, s. 3.] Diodin keskimääräisen virran I F määrittämiseen voidaan käyttää seuraavaa
yhtälöä [14, s. 3]:
MAX
I F = I OUT
× (1 − D )
IF
Diodin läpi kulkevan virran keskiarvo
MAX
I OUT
Hakkuripiirin suurin syöttämä keskimääräinen virta
D
Pulssisuhde
(7)
Pulssisuhteelle D laskettiin yhtälössä 5 arvo 0,54. Nyt on syytä käyttää samassa
yhtälössä jännitteen maksimiarvoa, jolloin saamme diodin keskimääräiselle virralle
suurimman mahdollisen arvon. Arvoilla VOUT = 5,4 V, V INMIN = 15 V ja η = 0,9 saamme
pulssisuhteelle D arvon 0,32. Diodin keskimääräinen virta laskettiin vain hakkurin
MAX
=1
toimilaitteiden puoleiselle kanavalle, koska sen virta on suurempi. Kun arvot I OUT
A, D = 0,32 syötetään yhtälöön 7 saadaan diodin keskimääräiselle virralle
I F arvo
0,68 A. Diodin tehonkulutus PD saadaan yhtälöstä [14, s. 3]:
PD = I F × VF
(8)
29
IF
Diodin keskimääräinen virta
VF
Diodin kynnysjännite
Diodin kynnysjännitteelle VF käytetään B240/A schottkydiodin datalehdeltä löytyvää
arvoa 0,5 V [20, 2]. Kun tätä arvoa ja edellisessä kohdassa laskettua arvoa I F = 0,7 A
käytetään saadaan diodin tehonkulutukseksi PD = 0,35 W. Diodiksi valittiin edellä
mainittu B240/A-schottkydiodi, sen ominaisuuksien ollessa riittävät.
6.3
Tulojen ja lähtöjen suunnittelu
Tulot ja lähdöt on suojattu oikosulkua, positiivisia ja negatiivisia jännitepiikkejä vastaan.
Suojaukset on toteutettu samalla perusidealla neljällä eri tavalla sen mukaan, onko
kyseessä digitaalinen sisääntulo, digitaalinen ulostulo, digitaalinen sisään- ulostulo, vai
analoginen tulo. Jokaisessa sisään- ja ulostulopinnissä on diodisuojaus maahan ja
suojattavan mikropiirin käyttöjännitteeseen (Kuva 11).
Kuva 11. I/O –pinnien suojaus
Sisään tulevan signaalin jännitteen ollessa suojattavan mikropiirin käyttöjännitteiden
välissä kummatkin diodit ovat estosuunnassa eivätkä johda. Mikäli signaalin jännite
nousee korkeammaksi kuin käyttöjännite ja diodin D1 kynnysjännite, alkaa diodi D1
johtaa. Mikäli taas signaalin jännite on alle mikropiirin maatason ja diodin D2
kynnysjännitteen, alkaa diodi D2 johtaa. Molemmissa tapauksissa sisääntulovastus R1
rajoittaa kulkevan virran määrän. Pitkäaikaisessa oikosulussa käyttöjännitteiden
30
ulkopuolella olevaan jännitteeseen rajoittavaksi tekijäksi muodostuu vastuksen R1
tehonkesto. Vastuksen minimiarvo RMIN voidaan laskea Ohmin laista U = RI ja tehon
yhtälöstä P = UI johdetulla yhtälöllä:
2
RMIN >
UR
PR
(9)
UR
Vastuksen yli vaikuttava jännite
PR
Vastuksen tehonkesto
Vastuksen tehonkesto riippuu käytettävästä vastuksen kotelosta. Sisääntulovastuksina
käytetään 1206-kotelolla olevia pintaliitosvastuksia joiden tehonkesto on 250 mW.
Vastuksen yli vaikuttava jännite U R diodin johtaessa muodostuu yhtälön
U R = U IN − U CC − U D
(10)
mukaan, missä U IN on oikosulkeva jännite, U CC on suojattavan piirin käyttöjännite ja
U D on diodin kynnysjännite.
6.3.1
Analogiset sisääntulot
I/O-moduulin aikaisemmassa versiossa oli ongelmia analogiatulojen häiriöiden kanssa.
Etenkin CO4017-BD-moduulin 10-bittisten analogiatulojen arvo heitteli useita vähiten
merkitseviä bittejä. Tähän oli nähdäkseni kaksi syytä: maatasojen suunnittelu ja
puskuroimattomat tulot. Nyt suunniteltavassa levyversiossa molempiin asioihin on
kiinnitetty huomiota. Analogiatulojen maatasot on erotettu digitaalisesta ja ne on
kytketty toisiinsa vain yhdestä pisteestä. Myös digitaalinen maa on erotettu pienten ja
suurten virtojen osalta. Analogiatuloihin on lisätty myös AD 8542 -operaatiovahvistimella toteutettu puskuri, johon voidaan lisätä sisään- ja ulostulopuolelle
kondensaattorit, jolloin voidaan toteuttaa ensimmäisen tai toisen asteen alipäästösuodatin. Operaatiovahvistimen lisäyksellä saatiin myös sellainen etu, että käyttämättömiä analogiatuloja ei tarvitse enää erikseen kytkeä maahan. Mikäli tulo jäisi
kytkemättä ilman lisättyä operaatiovahvistinta, saattaisi se käytetystä CMOS
31
-teknologiasta johtuen vikaantua oikosulkemalla käyttöjännitteen ja maan piirin sisältä.
[21, s. 2.]
Lisäksi neljään analogiatuloon lisättiin mahdollisuus juottaa ylösvetovastukset.
Sisäänrakennetun ylösvetovastuksen avulla voidaan resistiivisiä antureita, esimerkiksi
NTC-tyyppisiä lämpötila-antureita, kytkeä suoraan analogiatulon ja analogiamaan väliin
ilman erillistä jännitteensyöttöä.
Analogiset sisääntulot on suunniteltu kestämään ± 24 V:n oikosulku. Suojadiodina
toimii
nelikanavainen
transienttisuojadiodi
Littlefuse
SP724.
Tällöin
sisään-
tulovastuksen minimivastusarvoksi muodostuu yhtälöiden 9 ja 10 mukaan 2,35 kΩ.
Vastukseksi valittiin E12-sarjasta seuraava arvo eli 2,7 kΩ. Analogiatuloihin
suunniteltujen operaatiovahvistimien sisääntuloimpedanssi on niin suuri (>1 MΩ), että
tämän kanssa sarjassa olevan 2,7 kΩ sisääntulovastuksen merkitys on minimaalinen
[22, s. 3].
6.3.2
Digitaaliset sisääntulot
Digitaaliset sisääntulot on määritelty oletuksena aktiiviseksi, kun tulo on ylhäällä.
Moduuleissa ei ole sisäänrakennettuja ylös- eikä alasvetovastuksia, joten ne lisättiin
käyttämällä yksirivisiä 15kΩ:n vastusverkkoja joiden yhteinen napa on kytketty maihin.
Kahdeksaan tuloon tehtiin mahdollisuus vaihtaa vastusverkon yhteinen napa
käyttöjännitteeseen, jolloin se toimii ylösvetovastuksena. Tällöin on mahdollisuus
käyttää esimerkiksi kytkimiä kytkemällä ne suoraan tulon ja maan väliin. Lisäksi tulojen
rinnalle lisättiin pieniarvoiset keraamiset kondensaattorit mahdollisten häiriöjännitteiden
aiheuttamien virheellisten loogisen tilan muutoksien estämiseksi.
Digitaalisten
sisääntulojen
suojadiodina
toimii
sama
Littlefuse
SP724
kuin
analogiatuloissakin. Digitaalisien sisääntulojen impedanssi on sen verran pieni, ettei
2,7 kilo-ohmin sarjavastuksen vaikutusta voida pitää mitättömänä. Tästä johtuen
digitaaliset sisääntulot on suojattu kestämään ”vain” ±12 V:n jatkuva oikosulku, jolloin
tarvittavaksi vastukseksi muodostuisi 590 Ω (yhtälö 9; yhtälö 10). Jatkuvan negatiivisen
12 V:n oikosulun todennäköisyys, jolloin vastuksen läpi kulkeva virta on suurin, on
kuitenkin autokäytössä niin pieni että lopulta suunnittelussa päädyttiin 560 Ω
vastukseen. Tällöin ollaan +12 V:n oikosulussa vielä turvallisen puolella.
32
6.3.3
Digitaaliset- ja PWM-ulostulot
Ulostulot toimivat syöttävinä, eli ne ovat ylhäällä, kun heräte on päällä. Vanhassa
levyversiossa ulostuloista sai ulos muutamia milliampeereja virtaa. Nyt tavoitteena oli
saada ulostuloilla ajettua suoraan pieniä toimilaitteita, kuten taustavaloja, releitä tai
pieniä moottoreita.
Ulostuloissa käytetään Allegron kahdeksankanavaisia syöttäviä ajureita A2982 joihin
on tehty vaihdettavat käyttöjännitteet 12 V tai 5,4 V. Ajurissa on sisäänrakennetut
suojadiodit negatiivisia jännitteitä vastaan sekä ulostulojen jännitteenkesto on 50 V [23,
s. 2–3]. Sisäänrakennettujen diodien virrankesto on niin pieni, että ne toimivat
transienttisuojauksena, mutta oikosulkua negatiiviseen jännitteeseen ne eivät kestä.
Suojauksen parantamiseksi suunniteltiin ulostuloihin lisättäväksi kaksikanavaiset
riittävällä virrankestolla varustetut schottkydiodit, mutta piirilevyn tilanpuutteen vuoksi
niistä jouduttiin luopumaan. Lähtöjen vikasietokykyä suhteessa vian aiheuttavan
olosuhteen todennäköisyyteen voidaan pitää riittävänä.
Lähdeajureihin toteutettiin alasvetovastukset vastusverkoilla sekä sisään- että ulostulon
puolelle. Lisäksi ulostulon puolelle lisättiin pieniarvoiset kondensaattorit lähtöjen
rinnalle, että häiriöjännitteet eivät niin herkästi kytke suuri-impedanssisia kuormia
päälle.
Yhdellä lähdeajurilla olisi tarkoitus pystyä ajamaan neljää relettä (100–200 mA/rele) tai
pienempiä kuormia, kuten puolijohdekytkimien herätteitä, kahdeksalla kanavalla (Kuvio
1). Suuremmista virroista johtuen sarjavastuksen käyttäminen on käytännössä
mahdotonta, joten suunnittelussa päädyttiin 200 milliampeerin palautuviin PTC
-sulakkeisiin. Sulakkeiden minimipitovirta on 200 mA ja suurin laukeamisvirta 400 mA.
Nimellinen jännitteenkesto on 30 V, joka on riittävä. Sulakkeiden suurin sarjavastus
tunti laukeamisen jälkeen on 2,5 Ω, joka on riittävän alhainen jännitehäviöiden
minimoimiseen maksimipitovirralla. [24, s.1.]
33
Kuvio 1. Allegro A2980:n maksimiulostulovirta johtavien kanavien lukumäärän ja pulssisuhteen
funktiona [23, s. 6].
Huomattavaa on se, että on mahdollista ylikuormittaa laite, mikäli jokaista lähtöä
kuormitetaan sulakkeen nimellisellä pitovirralla (200 mA). Käyttäjän vastuulle jää jakaa
kuormat eri laitteiden kesken siten, ettei yksittäinen ajuri kuormitu liikaa
6.3.4
Digitaaliset sisään-ulostulot
CO-4011-BD -I/O-moduulissa on kahdeksan tuloksi tai lähdöksi konfiguroitavaa
kanavaa [21, s. 3]. Konfigurointiominaisuus haluttiin säilyttää joten kanavat toteutettiin
käyttämällä kahdeksankanavaista lähetinvastaanotinta SN74ABTH245, jonka suunta
on
vaihdettavissa
piirilevyllä
olevalla
jumpperilla.
Lähetinvastaanottimen
virransyöttökyky on vaatimaton, mutta sillä on mahdollista kytkeä esimerkiksi
puolijohdekytkimiä, joita järjestelmässä käytetään useimmissa toiminnoissa. [25, s. 3.]
SN74ABTH245:ssä on toteutettu loogisen tilan pito siten, ettei alasvetovastuksien
käyttäminen ole välttämätöntä [25, s. 1] – ne lisättiin kuitenkin, koska aikaisemmin
suunnitellussa piirilevyssä vastaavalla tekniikalla varustetulla piirillä tuli virheellisiä
loogisen tilan muutoksia häiriöjännitteistä johtuen, esimerkiksi kytkettäessä viereistä
kanavaa.
Suojaus on toteutettu digitaalisen sisääntulon tapaan 560 ohmin sarjavastuksilla.
Lähetinvastaanottimessa on lähdössä negatiivisille alijännitteille suojadiodit, joiden
34
virrankesto on riittävä. Positiivisille ylijännitteille toteutettiin suojadiodit diodiverkolla,
jonka yhteinen napa kytkettiin piirin käyttöjännitteeseen.
6.4
6.4.1
Piirilevyn suunnittelu
Yleistä
Kytkentä suunniteltiin Cadencen kehittämällä OrCAD Capture -ohjelmistolla ja piirilevy
suunniteltiin Cadencen Allegro PCB Editor -ohjelmistolla. Suunnitteluyksikkönä
käytettiin
piirilevysuunnittelussa
mil-yksikköä,
joka
vastaa
tuhennesosatuumaa
(0,00254 mm).
Piirilevyn nykyinen revisio on D. Ensimmäinen revisio oli karkea testilevy jolla testattiin
Frenzel+Berg
I/O-moduulien
sopivuutta
käyttötarkoitukseen
noin
vuosi
ennen
insinöörityön aloittamista. Revisio B oli aikaisempi levyversio, josta oli tarkoitus tulla
pysyvä ratkaisu. Siinä oli kuitenkin puutteita mm. I/O-pinnien suojauksessa ja
virransyötössä, joten levy päätettiin suunnitella kokonaan uudestaan. Revisio C oli
suunnitteilla omaan koteloonsa, mutta ennen piirilevysuunnittelun aloitusta piirilevyn
sijoitus muutettiin kytkentärasian sisälle, mikä on osoittautunut hyväksi ratkaisuksi.
Kytkentä säilyi pääsääntöisesti ennallaan, mutta levyversio päätettiin silti vaihtaa
revisio D:ksi. (Kuva 12.)
35
Kuva 12. Levyversiot vasemmalta oikealle A, B, D.
Tämä piirilevyversio suunniteltiin alun perin sillä oletuksella, että se teetetään
ulkopuolisella taholla. Aikaisempi levyversio valmistettiin Metropolian piirilevyjyrsimellä
ja siihen tehtiin itse JEP, eli juotteenestopinnoite valoherkällä juotteenestopinnoitteella
valotusmenetelmällä. Virheestä voidaan sanoa opitun, sillä itse tehtynä vaadittu
työmäärä oli melkoinen, eikä jälkikään ollut tyydyttävä, vaikka pinnoite ajoikin asiansa.
Ulkopuoliselta taholta tilattuna vetojen minileveytenä ja minimietäisyytenä voitiin pitää 8
mil:ä ilman pelkoa katkoksista tai oikosuluista. Metropolian jyrsimellä saa tehtyä
vastaavia vetoja, mutta ne vaativat tarkkaa terän säätöä ja hyväkuntoisen terän.
Vedoista olisi valmistustekniikan puolesta voinut tässä tapauksessa tehdä ohuempiakin
ja pienemmällä välyksellä, mutta 8 mil on pienin vetojen leveys ja etäisyys, josta suurin
osa tutkimistani piirilevyvalmistajista ei peri lisämaksua. Vetojen ohennuksesta ei olisi
juuri ollut hyötyä tässä työssä, joten sitä ei suuremmin harkittu. Suurin osa vedoista
onkin tehty 20 mil:n tai isommalla leveydellä ja välillä. Myös läpivientien poraukset
voitiin tehdä pienemmiksi kokoon 12 mil, eikä niiden määrä ei vaikuttanut työmäärään
levyn kasausvaiheessa toisin kuin itse tehtynä. Läpivientien pädi tehtiin kokoon 40 mil.
Näillä mitoilla reiän ja pädin reunan välys on 14 mil, joka on minimivälys koko levyssä.
Tätä pienemmästä välyksestä suurin osa tutkimistani piirilevyvalmistajista veloittaa
lisämaksun.
Piirilevyn koko on 80 mm leveyssuunnassa ja 174 mm pituussuunnassa. Kahdessa
kulmassa on pyöristykset valitun kotelon reunan mukaan ja yhdellä reunalla pieni kolo
36
kotelon vahviketta varten. Piirilevy suunniteltiin kaksikerroksiseksi kaksipuolisella
ladonnalla. Komponenttien lopulliseksi määräksi tuli 304 (liite 1) ja reikien lukumääräksi
537 läpikuparoitua reikää ja 7 paljasta reikää. Piirilevyn gerber-kuvat löytyvät liitteestä
3.
Piirilevyn suunnittelussa on erityisesti otettu huomioon maatasojen suunnittelu siten,
että analogiatulojen maahan syntyy mahdollisimman vähän häiriöitä (Kuva 13).
Kuva 13. Piirilevyn maatasot
Kummankin I/O-moduulin analogiamaat on vedetty erilleen moduulien maasta ja
kytketty moduulien analogiatulojen maiden referenssipinneihin. Jotta analogiamaat
pysyvät samassa potentiaalissa muun piirin kanssa, ne on kytketty galvaanisesti
moduulin maahan yhden pieniohmisen vastuksen läpi. Digitaalisten puskureiden maa,
jossa virta ja virran muutokset ovat suurimmat, on kytketty erilleen. Kytkennän
tähtipiste löytyy hakkurin ulostulosta, johon I/O-moduulien ja digitaalisten puskureiden
maat on kytketty.
Piirilevyllä on levyn luonteesta johtuen melko paljon erinäisiä asetuksia ja sisään- ja
ulostulopinnejä, joita on hyvä tarkastella lähemmin. Alla olevia lukuja 6.4.2 ja 6.4.3
voidaan käyttää myöhemmin muistilistana käyttöönoton helpottamiseksi.
37
6.4.2
Liittimet
Piirilevy suunniteltiin aluksi sijoitettavaksi omaan koteloonsa. Tällöin ulostuloliittimiksi
valittiin kaksi 48-napaista vesitiivistä liitintä, jotka liittyvät piirilevylle lattakaapeliliittimien
avulla.
Piirilevysuunnittelun
alussa
kuitenkin
päädyttiin
sijoittamaan
piirilevy
kytkentärasian sisälle, sillä suurin osa kytkentäjohdoista kytketään sinne. Näin
helpotetaan johtosarjan suunnittelua. Liitinten nimeäminen kuitenkin jätettiin ennalleen,
joten esimerkiksi J1_1 (Taulukko 6) viittaisi ensimmäiseen 48-napaiseen kytkettävään
liittimeen, vaikka kyseessä olevaa liitintä ei enää suunnitelmassa olekaan.
Piirilevyllä on kuusi kappaletta 2,54 mm:n rasterin kaksirivisiä piikkirimoja, joihin sopii
joko 2,54 mm:n rasterin lattakaapeliliittimet tai 2,54 mm:n rasterin puristettavat
naaraspiikkirimaliittimet.
Tässä
järjestelmässä
käytetään
puristettavia
liittimiä.
Piirilevylle lisättiin lisäksi yksi ruuviterminaali, joka on kytketty maihin. Piirilevyn
pinnikytkentä näkyy alla olevassa taulukossa 6.
Taulukko 6.
LIITIN
J1_1
J1_2
Piirilevyn liittimet.
PINNI
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
5
6
7
8
TOIMINTO
FB4011 DIO4
FB4011 DIO5
FB4011 DIO6
FB4011 DIO7
FB4011 DIO0
FB4011 DIO1
FB4011 DIO2
FB4011 DIO3
FB4017 DO11
FB4017 DO10
FB4017 DO9
FB4017 DO8
FB4017 PWM7
FB4017 PWM6
FB4017 PWM5
FB4017 PWM4
HUOM
Digitaalinen sisään- / ulostulo
FB4011 DO10
FB4011 DO9
FB4011 DO8
FB4011 DO0
FB4011 DO1
FB4011 DO2
FB4011 DO3
FB4011 DO4
Digitaalinen ulostulo
Digitaalinen ulostulo
PWM ulostulo
38
J1_3
J2_1
J2_2
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
FB4011 DO5
FB4011 DO6
FB4011 DO7
FB4017 DIO3
FB4017 DIO2
FB4017 DIO1
FB4017 DIO0
FB4017 PWM3
FB4017 PWM2
FB4017 PWM1
FB4017 PWM0
FB4011 DO11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
GND
GND
GND
5V4 CTRL
EN_CTRL
CAN-L
CAN-L
CAN-H
CAN-H
Reset FB4011
Reset FB4017
GND
GND
5V4_IF
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
FB4017 DIO4
FB4017 DIO5
FB4017 IN11
FB4017 IN9
FB4017 AI7
FB4017 AI5
FB4017 AI3
FB4017 AI1
FB4017 AI0
FB4017 AI2
FB4017 AI4
FB4017 AI6
FB4017 IN8
FB4017 IN10
FB4017 DIO7
FB4017 DIO5
1
2
3
4
5
6
FB4017 Analog GND
FB4017 Analog GND
FB4017 Analog GND
FB4017 Analog GND
FB4011 Analog GND
FB4011 Analog GND
Digitaalinen ulostulo
PWM ulostulo
Digitaalinen ulostulo
Moduulien 5,4 V virransyötön ohitus
Moduulien virransyötön heräte
CAN -väylän sisääntulo
CAN -väylän sisääntulo
FB4011 moduulin uudelleenkäynnistys.
FB4017 moduulin uudelleenkäynnistys.
Toimilaitteiden 5,4 V virransyötön ohitus
Digitaalinen sisääntulo
Digitaalinen sisääntulo
10 bit Analoginen sisääntulo
Digitaalinen sisääntulo
Digitaalinen sisääntulo
Maa analogisille antureille
39
J2_3
J15
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
FB4011 Analog GND
FB4011 Analog GND
FB4011 AI0
FB4011 AI1
FB4011 AI2
FB4011 AI3
FB4011 AI7
FB4011 AI6
FB4011 AI5
FB4011 AI4
FB4011 IN8
FB4011 IN9
FB4011 IN10
FB4011 IN11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
GND
5V OUT
5V OUT
5V OUT
5V OUT
GND INPUT
GND INPUT
12 V INPUT
12 V INPUT
5V OUT
5V OUT
5V OUT
5V OUT
GND
8 bit analoginen sisääntulo
Digitaalinen sisääntulo
5,0 V reguloitu ulostulo, 150 mA
5,0 V reguloitu ulostulo, 150 mA
5,0 V reguloitu ulostulo, 150 mA
5,0 V reguloitu ulostulo, 150 mA
Syöttövirran maa
Syöttövirta, suojattava sulakkeella
5,0 V reguloitu ulostulo, 150 mA
5,0 V reguloitu ulostulo, 150 mA
5,0 V reguloitu ulostulo, 150 mA
5,0 V reguloitu ulostulo, 150 mA
1 GND
Taulukoissa FB4017 viittaa CO-4017-BD-I/O-moduuliin, ja FB4011 viittaa CO-4011BD-I/O-moduuliin. Liitimet on pyritty täyttämään samankaltaisilla toiminnoilla siten, että
mahdollisuuksien mukaan tulot ja lähdöt ovat loogisessa järjestyksessä. CO-FB4011I/O-moduulin DIO-pinnit ovat konfiguroitavissa joko sisään- tai ulostuloiksi. COFB4017-I/O-moduulin DIO -pinneistä 0–3 toimivat aina ulostuloina ja 47 sisääntuloina.
6.4.3
Jumpperit
Moduulien CANopen Node-ID, CAN-väylän siirtonopeus ja konfigurointi ovat
valittavissa piirilevyllä ja moduuleissa sijaitsevilla juotettavilla jumppereilla. Kun
jumpperi on juotettu kiinni, on se loogisessa tilassa 0. Piirilevyn jumpperit löytyvät
taulukosta 7.
40
Taulukko 7.
Jumpperi
JP1
JP2
JP3
JP4
Piirilevyn juotettavat jumpperit.
Toiminto
FB4011 NODE-ID
FB4011 BAUDRATE & KONFIGUROINTI
FB4017 NODE-ID
FB4017 BAUDRATE & KONFIGUROINTI
Huom
Taulukko 8
Taulukko 9
Taulukko 8
Molempien moduulien NODE-ID:n asetus noudattaa taulukon 8 logiikkaa. Molempien
moduulien siirtonopeus on oletuksena 1000 kbps. Siirtonopeus voidaan laskea 500
kilobittiin sekunnissa juottamalla nasta BD1 jumppereista JP2 ja JP4. Muita nopeuksia
ei tässä piirilevyssä tueta sillä korisähköjärjestelmän suunniteltu siirtonopeus on 1000
kbps. 500 kbps jätettiin varalle, mikäli nopeutta jouduttaisiin laskemaan verkon
pituuden kasvaessa tai verkon sivuhaarojen pituuden kasvaessa [1, s. 1].
CO-4017-BD-I/O-moduulista valitaan sisään- ja ulostulojen polariteetti juottamalla
nasta CF3 jumpperista JP4. Järjestelmässä oletuksena käytetään ylhäällä aktiivista
konfigurointia, jolloin jumpperi juotetaan kiinni. CO-4011-BD-I/O-moduulista sisään- ja
ulostulojen polariteetti valitaan CAN-väylän yli lähetettävällä SDO-viestillä.
Moduulien NODE-ID valitaan jumppereista JP1 ja JP3 alla olevan taulukon 8 mukaan.
Taulukko 8.
NODE-ID konfigurointitaulukko [21, s. 6].
NODE-ID noudattaa logiikkaa jossa 127:stä vähennetään ykköstilassa olevia
jumppereita vastaavien binäärilukujen summa (ID0 = 1, ID1 = 2 ID2 = 4 jne.).
41
CO-4011-BD-I/O-moduulin toimintatila valitaan alla olevan taulukon 9 mukaan.
Taulukko 9.
Frenzel+Berg CO-4011-BD-I/O-moduulin konfigurointi [21, s. 6].
Piirilevyllä on mahdollista käyttää kaikkia mahdollisia toimintatiloja (MODE), mutta
korisähköjärjestelmässä käytetään oletuksena vain toimintatiloja 1 ja 5 mahdollisten
konfigurointimahdollisuuksien
ja
siitä
seuraavan
uudelleenohjelmoinnin
vähentämiseksi.
Piirilevyllä on jumppereilla asetettavia ominaisuuksia, jotka on esitelty taulukossa 10.
Taulukko 10. Piirilevyn jumpperit ja niiden selitteet
Jumpperi
EN1
EN2
CAN_TERM
DIR
JP5
2.J1
2.J2
7.J1
7.J2
Toiminto
Toimilaitteiden virransyötön herätteen ohitus
Moduulien virransyötön herätteen ohitus
CAN -väylän 120 ohmin terminointi
Huom
Kiinni = heräte aina päällä
Kiinni = heräte aina päällä
Kiinni = terminointi päällä
Kiinni = pinnit sisääntuloja,
FB4011 DIO pinnien puskurin suunnanvalinta
suunta oltava sama kuin
moduulin suunta,
FB4017 sisääntulojen vastusten vetosuunta
PD = Alasveto, PU = Ylösveto
FB4017 DO 8-11 & PWM 4-7 käyttöjännitteen valinta 5 = 5,4 V, 12 = 12 V
FB4017 DIO 0-3 & PWM 0-3 käyttöjännitteen valinta 5 = 5,4 V, 12 = 12 V
FB4011 DO 6 - 11 käyttöjännitteen valinta
5 = 5,4 V, 12 = 12 V
FB4011 DO 0 - 5 käyttöjännitteen valinta
5 = 5,4 V, 12 = 12 V
Jumpperilla EN1 voidaan ohittaa toimilaitteiden virransyötön heräte, jolloin CO-4011BD- ja CO-4017-BD-I/O-moduuleihin liittyvät oheispiirit saavat aina käyttöjännitteen kun
piirilevyn sisääntuloon on kytketty käyttöjännite. Muutoin toimilaitteiden heräte on
42
kytketty CO-4017-BD-I/O-moduulin ulostulopinniin DIO3. Vastaavasti jumpperilla EN2
voidaan
moduulien
virransyötön
heräte
ohittaa,
jolloin
I/O-moduulit
saavat
käyttöjännitteen aina kun levyn sisääntuloon on kytketty käyttöjännite. Jumpperit EN1
ja EN2 on tarkoitettu käytettäviksi testausvaiheessa ja vianhaun yhteydessä.
Jumpperilla CAN_TERM voidaan kytkeä CAN-verkon 120 ohmin päätevastus päälle.
Päätevastus on toteutettu kahdella 60 ohmin 1206-kantaisella vastuksella, jotka on
juotettu sarjaan. Lisäksi vastusten väliin on kytketty häiriöiden vaimentamiseksi ja
aaltomuodon siistimiseksi 10 nanofaradin kondensaattori [1, s. 3]. Päätevastukset
kytketään päälle etumaisesta ja takimmaisesta kytkentärasiasta jolloin ne sijaitsevat
verkon päissä.
DIR-jumpperilla valitaan CO-4011-BD-I/O-moduulin sisään-ulostulopinnien puskurin
suunta. Suunta on valittava samaksi kuin I/O-moduulin konfigurointi. Väärä suunta
saattaa vikaannuttaa moduulin.
Jumpperilla JP5 on mahdollista valita CO-4017-BD-I/O-moduulin vetovastusten suunta
joko ylös- tai alasvetovastuksiksi. Oletuksena käytetään alasvetovastuksia.
Jumppereilla 2.J1, 2.J2, 7.J1 ja 7.J2 valitaan digitaalisten ulostulojen puskureiden
käyttöjännitteet 5,4 V:n ja 12 V:n väliltä. Käyttämättömien puskureiden jumpperit
voidaan ottaa irti.
6.5
Piirilevyn testaus ja tulokset
Mittauksia tehtiin ennen piirilevysuunnittelua virtalähteen (Kuva 14) ja analogiatulojen
osalta. Näiden pohjalta tehtiin korjauksia piirilevyyn. Myös tulojen ja lähtöjen suojaukset
testattiin, mutta niistä ei tehty oskilloskooppimittauksia raporttiin, vaan todettiin suojaus
joko toimivaksi tai ei. Piirilevylle päätyneet suojaukset on todettu toimiviksi. Aika
näyttää, saako viisas insinööri suojattavat piirit rikottua – todennäköisesti saa.
Todelliset käytännön testit alkavat insinöörityön päättyessä, kun kytkentärasioita
sijoitetaan autoon ja toimilaitteita lisätään.
43
Piirilevyt saapuivat valmistajalta hieman ennen insinöörityön palautusta, joten
testaaminen ja varsinkin kenttätestaaminen jäi melko pintaluontoiseksi. Levyt todettiin
toimiviksi eikä vakavia virheitä löydetty.
Piirilevyn tarkastus- ja kokoamisvaiheessa huomattiin seuraavat virheet piirilevyllä: CO4011-BD-moduulin
digitaaliulostulopinnien
tekstit
”8”
ja
”10”
ovat
menneet
silkkitekstissä keskenään sekaisin ja transienttisuojadiodin 3.D3 silkkitekstistä puuttuu
ykköspinnin merkintä. Muuten merkinnät piirilevyllä pitävät paikkansa.
Kuva 14. Virtalähteen testausjärjestely. Virtalähteenä toimi Mascotin valmistama säädettävä
virtalähde.
6.5.1
Virtalähde
Ensimmäisen piirilevyn kasausvaiheessa testattiin aluksi virtalähteen toiminta ennen
muiden piirien juottamista. Hakkurista mitattiin ulos- ja sisääntulohäiriöt oskilloskoopilla.
Sisääntulon häiriöt mitattiin yhden ampeerin virralla ja sitä verrattiin testilevystä
saatuun tulokseen samalla virralla (Kuva 15).
44
Kuva 15. Sisääntulon häiriömittaus. Vasemmalta oikealle: testilevy, suunniteltu piirilevy lisätyn
sisääntulokelan takaa ja suunniteltu piirilevy johtoon lisätyn ferriitin takaa. (Huom. viimeisen
kuvan pystyakseli pienemmällä skaalalla.)
Tuloksista
huomataan,
että
virtalähteelle
näkyvä
häiriö
on
vähentynyt
noin
kymmenesosaan testilevyn häiriöstä. 10 µH:n sisääntulokela suodattaa hakkurin
aiheuttaman kytkentähäiriöt noin kolmasosaan ja ferriitti vähentää häiriötä vastaavalla
suhteella.
Ulostulohäiriöt mitattiin toimilaitteita ajavasta kanavasta 1 500:n ja 1000 milliampeerin
virroilla testilevystä (Kuva 16) ja suunnitellusta piirilevystä (Kuva 17).
Kuva 16. Testilevyn ulostulosta mitatut häiriöt 500 ja 1000 mA virroilla.
45
Kuva 17. Suunnitellusta piirilevystä mitatut ulostulon häiriöt hakkurin kanavasta yksi 500:n ja
1000 mA:n virroilla.
Molemmissa mittauksissa ulostulon komponenttiarvot ovat samat (luku 6.2), mutta
komponenttien sijoittelu ja kotelokoot ovat eri. Valmiin piirilevyn jännite on
tasaisempaa, mutta hakkurin kytkentähäiriöt näkyvät selkeämmin. Sisääntuloon lisätyt
suodatuskomponentit
saattavat
vaikuttaa
ulostulojännitteen
eroihin,
mutta
kummassakin tapauksessa jännitettä voidaan pitää riittävän siistinä.
Myös I/O-moduuleja syöttävän kanavan 2 ulostulohäiriöt mitattiin (Kuva 18). Mittaukset
toteutettiin 250:n ja 500 milliampeerin virroilla.
Kuva 18. Suunnitellusta piirilevystä mitatut ulostulon häiriöt hakkurin kanavasta kaksi 250:n ja
500 mA:n virroilla.
Kanavan 2 häiriöt ovat samankaltaiset kanavaan 1 verrattuna, mutta amplitudiltaan
hieman pienemmät. Jännitettä voidaan pitää riittävän siistinä.
Myös lineaariregulaattorin häiriöjännitteet mitattiin (Kuva 19).
46
Kuva 19. Lineaariregulaattorin ulostulosta mitattu häiriö.
Lineaariregulaattorin häiriöjännitteen amplitudi on jo sen verran pieni, että jännitettä
voidaan pitää I/O-moduuleille ja antureille riittävän hyvänä.
6.5.2
Analogiatulojen mittaukset
Analogiatuloihin suunniteltiin testilevyssä ensimmäisen asteen RC-alipäästösuodatin
jonka rajataajuus on 5800 Hz. Testausjärjestely näkyy kuvassa 20. Testilevyn
aaltomuoto taajuuden funktiona näkyy kuvassa 21.
47
Kuva 20. Testijärjestely.
Funktiogeneraattori on kytketty suoraan oskilloskoopin tuloon 1 ja suodattimen tuloon.
Suodattimen lähtö on kytketty oskilloskoopin tuloon 2.
Kuva 21. Testilevyltä mitatut analogiatulon aaltomuodot.
48
Mittauksen
perusteella
rajataajuutta
oli
tarkoitus
laskea
kasvattamalla
sisääntulokondensaattorin arvoa, ja myös ulostulon puolelle lisättiin 33 nF:n
kondensaattori mahdollisten suuritaajuuksisien häiriöiden poistamiseksi. Suunniteltua
piirilevyä testatessa kuitenkin huomattiin, että ensimmäisen asteen RC-suodattimen
kondensaattori on päätynyt kytkentäkaavioon ennen sisääntulovastusta. Tämä
aiheuttaa sen, että ensimmäisen asteen suodattimen rajataajuus riippuu täysin
signaalia syöttävän laitteen ulostuloimpedanssista. Funktiogeneraattorin ulostulon
impedanssi on 50 Ω, joten ensimmäisen asteenrajataajuus nousee melko korkeaksi 10
nanofaradin sisääntulokondensaattorilla. Antureiden ulostuloimpedanssi on yleensä
korkeampi, joten rajataajuuskin laskee. Mikäli rajataajuutta halutaan säätää alemmaksi,
tulee signaalijohtoon lisätä sarjavastus. Operaatiovahvistimen ulostuloimpedanssi on
myös 50 Ω, joten ulostulokondensaattoreiden arvoksi mitoitettiin 33 nF, jotta toisen
asteen rajataajuutta saadaan hieman alemmaksi. Mittauksen tulokset näkyvät kuvassa
22.
Kuva 22. Suunnitellulta levyltä mitatut analogiatulon aaltomuodot.
Koska
sisääntulokondensaattorit
ovat
ennen
sisääntulon
sarjavastusta,
näkyy
aaltomuodon ensimmäisen asteen suodatus suoraan funktiogeneraattorin lähdössä.
Toisen asteen suodatus näkyy kanavassa kaksi. Suodatus ei tällaisenaan ole riittävä,
49
mikäli
signaalia
lähettävän
laitteen
ulostuloimpedanssi
on
pieni
kuten
funktiogeneraattorissa. Tällöin tulee signaalijohtoon lisätä sarjavastus, jotta signaali
saadaan suodatettua.
Alla on kuva kasatusta piirilevystä (Kuva 23).
Kuva 23. Koottu piirilevy.
Levyn kokoamisvaiheessa kävi sellainen vahinko, että 200 milliampeerin PTCsulakkeet pääsivät loppumaan kuten niitä korvaamaan juotetut 100 milliampeerin PTCsulakkeetkin, joten levyllä on myös yksi 50 milliampeerin PTC-sulake (kuvassa keskellä
ylhäällä).
7
Yhteenveto ja päätelmät
Insinöörityössä suunniteltiin korisähköjärjestelmän runko niin ohjelman kuin ohjattavan
I/O-piirilevynkin
osalta.
Testausvaiheessa
jouduttiin
ohjelmakoodia
hieman
muokkaamaan, jotta toiminta olisi haluttua. Myös piirilevyn komponenttiarvoja jouduttiin
muokkaamaan, jotta saatiin mm. PWM-lähdöistä oikeanlainen aaltomuoto. Tulokset
varmistettiin mittaamalla ja olemassa olevassa testiseinässä testaamalla. Järjestelmä
saatiin toimimaan halutulla tavalla, ja uusien toimilaitteiden lisääminen on vaivatonta.
Tehdyt testit ja mittaukset onnistuivat hyvin siinä määrin kuin niitä ehdittiin toteuttaa.
Suuria ongelmia järjestelmästä ei löydetty, eikä niitä ole odotettavissa.
50
Pieniä ongelmia sen sijaan oli pitkin suunnitteluprosessia. Epec päivitti 2024ohjainlaitteen ohjelmakirjastot ja laiteohjelmiston puolivälissä projektia. Niitä haluttiin
käyttää, koska ne olivat paljon paremmin toteutetut ja dokumentoidut kuin vanhat. Näin
ohjelman perusrungon toteutus jouduttiin aloittamaan käytännössä alusta. 2024ohjainlaite on toiminut moitteetta, mutta se vaatii 24 V:n virransyötön.
Piirilevysuunnittelussa oli pieniä ongelmia tilankäytön kanssa eikä aivan kaikkia
haluttuja ominaisuuksia voitu toteuttaa täydessä laajuudessa. Myös kytkentään tuli
virhe
analogiatulojen
osalta
kun
sisääntulokondensaattori
sijoitettiin
ennen
sisääntulovastusta, jolloin suunniteltu alipäästösuodatin ei toiminut suunnitellulla
tavalla. Piirilevyn silkkitekstiin tuli myös muutama pieni virhe.
CANopen-protokollaperheen käyttämistä voidaan pitää onnistuneena ratkaisuna
ajoneuvokäytössä, sillä se on robusti protokolla, joka mahdollistaa kaikkien laitteiden
tilan
valvonnan
luotettavasti.
Lisäksi
standardimuotoiset
viestit
helpottavat
käyttöönottoa, sillä kaikki viestien lukemiseen ja lähettämiseen tarvittavat tiedot löytyvät
helposti.
Jatkokehitystä voisi toteuttaa korvaamalla toisen tai molemmat I/O-moduulit esimerkiksi
at90can128-mikrokontrollerilla toteutetuksi ohjainpiiriksi. Tällöin saadaan suoraan
geneerinen CAN ohjainlaite, jolla on helpompi toteuttaa reaaliaikaisia säätöjä, sillä
siihen saa ohjelmoitua suoraan suorittavaa koodia. At90can128 tukee myös
CanFestival CANopen-protokollaperhettä, jolloin siihen voidaan ohjelmoida suoraan
nykyisen I/O-moduulin tilalle sopiva CANopen-I/O-moduuli, joka voi sisältää myös
suorittavaa koodia.
51
Lähteet
1
Saha, Heikki. 2005. CAN-väylä. Verkkoartikkeli. FLUID Finland 5-2005.
<http://www.canopen.fi/artikkelit/CAN.pdf>. Luettu 17.4.2013.
2
Pfeiffer, O., Ayre, A., & Keydel, C. 2003. Embedded Networking with CAN and
CANopen. San Clemente: RTC Books.
3
Saha, Heikki. 2006. CANopen perusteet. Verkkoartikkeli. FLUID Finland 1-2006.
<http://www.canopen.fi/artikkelit/CANopen.pdf>. Luettu 17.4.2013.
4
Epec MultiTool User Manual. MultiTool-ohjelman ohje. Epec Oy. Päivitetty
10.10.2012.
5
John, K-H., Tiegelkamp, M. 2001. IEC-61131-3: Programming Industrial
Automation Systems. Berlin: Springer-Verlag.
6
Suhonen, Leo. 2011. IFM-näytön sovittaminen CAN-väylällä dieselmoottoriin
Codesys-kehitysympäristön avulla. Opinnäytetyö. Tampereen
Ammattikorkeakoulu.
7
Epec Programming and Libraries Manual. Ohjelmointiopas. Epec Oy.
<http://epec.planeetta.com>. Päivitetty 21.12.2012. Luettu 19.4.2013.
8
MCP1824 Datasheet. 2007. Datalehti. Microchip Technology Inc.
<http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/22070a.pdf>. Luettu
10.4.2013
9
CO4011B-FL. 2007. Datalehti. Frenzel + Berg electronic GmbH & Co.
<http://www.frenzelberg.com/fileadmin/FrenzelBerg/Datenblaetter/CANopen_Chip/ds_co4011b_v14
1r160_dt.pdf>. Luettu 10.4.2013.
10
CO4017A-FL. 2012. Datalehti. Frenzel + Berg electronic GmbH & Co.
<http://www.frenzelberg.com/fileadmin/FrenzelBerg/Datenblaetter/CANopen_Chip/ds_co4017a_v17
20r02_en.pdf>.
11
Glass Encapsulated SMD Varistor MLV . Datalehti. AVX.
<http://www.farnell.com/datasheets/1480011.pdf>. Luettu 8.4.2013.
12
Canfield, John. 2013. 2.7 to 40 V Monolithic Buck-Boost DC/DC Expands Input
Cabapilities, Regulates Seamlessly through Automotive Cold-Crank and LoadDump Transients. LT Journal of Analog Innovation. Tammikuu 2013, s. 9-16.
52
13
SLUS774B. 2007. Datalehti. Texas Instuments.
<http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps54386.pdf>. Luettu 8.4.2013.
14
Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage. 2012. Application Report.
Texas Instruments. <http://www.ti.com/lit/an/slva477a/slva477a.pdf>. Luettu
8.4.2013.
15
SRU8043 Series - Shielded SMD Power Inductors. 2003. Datalehti. Bourns.
<http://www.farnell.com/datasheets/70887.pdf>. Luettu 8.4.2013.
16
Aluminum Electrolytic Capacitors/TG. 2011. Datalehti. Panasonic.
<http://www.farnell.com/datasheets/1521266.pdf>. Luettu 8.4.2013.
17
Electrical Characteristics Data. 2005. Datalehti. Murata Manufacturin Co., Ltd. <
http://www.farnell.com/datasheets/415302.pdf>. Luettu 8.4.2013.
18
C3225X7R1E106K250AC Characterization sheet. 2012. Datalehti. TDK.
<http://product.tdk.com/capacitor/mlcc/en/documents/C3225X7R1E106K250AC.p
df>. Luettu 8.4.2013
19
594D Datasheet. 2013. Datalehti. Vishay Sprague,
<http://www.vishay.com/docs/40006/594d.pdf>. Luettu 8.4.2013.
20
B220/A - B260/A. 2012. Datalehti. Diodes Incorporated.
<http://www.diodes.com/datasheets/ds13004.pdf>. Luettu 8.4.2013.
21
CO4011B-FL. 2007. Datalehti. Frenzel + Berg electronic GmbH & Co.
<http://www.frenzelberg.com/fileadmin/FrenzelBerg/Datenblaetter/CANopen_Chip/ds_co4011b_v14
1r160_dt.pdf>. Luettu 8.4.2013.
22
AD8541/AD8542/AD8544. Datalehti. Analog Devices Inc.
<http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD8541_8542_8544.pdf>. Luettu 8.4.2013.
23
A2982. 2012. Datalehti. Allegro MicroSystems, Inc.
<http://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/A2981-2Datasheet.ashx>. Luettu 8.4.2013
24
Resettable Fuse. 2012. Datalehti. Multicomp.
<http://www.farnell.com/datasheets/1678471.pdf>. Luettu 8.4.2013
25
SCBS663D. 1999. Datalehti. Texas Instruments.
<http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn54abth245.pdf>. Luettu 8.4.2013.
Liite 1
1 (7)
Materiaaliluettelo
Alla on lista suunnitellussa I/O-moduulien piirilevyssä käytetyistä komponenteista.
Komponenttien nimeäminen noudattaa käytäntöä, jossa jokaisen komponentin
referenssin alku viittaa siihen kytkentäkaavion schematic-blokkiin, mihin se on sijoitettu.
Jos alku on tyhjä, se viittaa ensimmäiseen kytkentäkaavion sivuun.
Taulukko 11. Suunnitellun piirilevyn materiaalilista.
Item Number
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
Part Reference
2.C1
2.C2
2.C3
2.C4
2.C5
2.C6
2.C7
2.C8
2.C9
2.C10
2.C11
2.C12
2.C13
2.C14
2.C15
2.C16
2.C36
2.C37
2.F1
2.F2
2.F3
2.F4
2.F5
2.F6
2.F7
2.F8
2.F9
2.F10
2.F11
2.F12
2.F13
2.F14
2.F15
2.F16
2.J1
2.J2
2.RN2
Value
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100n
100n
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
HEADER 3
HEADER 3
ResNW8 15k
Description / PCB Footprint
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
2,54 mm 3 p header
2,54 mm 3 p header
2,54 mm resistor network 8 parallel
Liite 1
2 (7)
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
2.RN4
2.U1
2.U2
3.C1
3.C2
3.C3
3.C4
3.C5
3.C6
3.C7
3.C8
3.C9
3.C10
3.C11
3.C12
3.C13
3.C14
3.C15
3.C16
3.C17
3.C18
3.C19
3.C20
3.C21
3.C22
3.C23
3.C24
3.C25
3.C26
3.C27
3.C28
3.C29
3.C30
3.C31
3.C32
3.C33
3.C34
3.C35
3.C36
3.C37
3.C38
3.C39
3.C40
3.D1
3.D2
3.D3
3.D4
3.R1
3.R2
3.R3
3.R4
3.R5
ResNW8 15k
A-2981
A-2981
10n
100n
10n
10n
100n
10n
100n
10n
10n
100n
10n
10n
10n
100n
10n
10n
100n
10n
100n
10n
10n
100n
10n
10n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
33n
SP724
SP724
SP724
SP724
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
2,54 mm resistor network 8 parallel
Source Driver SOIC-20W
Source Driver SOIC-20W
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Transient protection diode SOT23-6
Transient protection diode SOT23-6
Transient protection diode SOT23-6
Transient protection diode SOT23-6
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Liite 1
3 (7)
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
3.R6
3.R7
3.R8
3.R9
3.R10
3.R11
3.R12
3.R13
3.R14
3.R15
3.R16
3.U1
3.U2
3.U3
3.U4
3.U5
3.U6
3.U7
3.U8
4.C1
4.C2
4.C3
4.C4
4.C5
4.C6
4.C7
4.C8
4.C9
4.C10
4.C11
4.C12
4.C13
4.C14
4.C15
4.D1
4.D2
4.D3
4.L1
4.L2
4.L3
4.R1
4.R2
4.R3
4.R4
4.R5
4.R6
4.R7
4.R8
4.R9
4.R10
4.R11
4.R12
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
2.7k
AD8542
AD8542
AD8542
AD8542
AD8542
AD8542
AD8542
AD8542
100u
10u
10u
0.047u
0.047u
10u
47u
47u
10u
470p
470p
4.7u
33n
33n
470p
B240/A
B240/A
B240/A
100u
68u
10u
3
3
10
10
390
10k
1.8k
10k
390
1.54K
1.8k
1.54K
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Operational amplifier SO-8
Operational amplifier SO-8
Operational amplifier SO-8
Operational amplifier SO-8
Operational amplifier SO-8
Operational amplifier SO-8
Operational amplifier SO-8
Operational amplifier SO-8
SMD electrolytic capacitor F-CASE
Ceramic capacitor 1210
Ceramic capacitor 1210
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 1210
Tantalum capacitor CASE-C
Tantalum capacitor CASE-C
Ceramic capacitor 1210
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Ceramic capacitor 0603
Schottky diode SMA
Schottky diode SMA
Schottky diode SMA
Inductor SRU8043 Series
Inductor SRU8043 Series
Inductor SRU8043 Series
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Resistor 0603
Liite 1
4 (7)
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
4.R13
4.R14
4.R15
4.RV1
4.U1
4.U2
4.U3
5.C1
5.C2
5.C3
5.C4
5.C5
5.C6
5.C7
5.C8
5.R1
5.R2
5.R3
5.R4
5.U1
5.U2
5.U3
5.U4
6.C1
6.C2
6.C3
6.C4
6.C5
6.C6
6.C7
6.C8
6.C9
6.C10
6.C11
6.C12
6.D1
6.D2
6.D3
6.R1
6.R3
6.R5
6.R7
6.R9
6.R11
6.R13
6.R15
6.R17
6.R19
6.R21
6.R23
7.C1
7.C2
100k
100k
10
14VAC
TPS54386
Si2306DS
Si2306DS
4.7u
1u
4.7u
1u
4.7u
1u
4.7u
1u
100k
100k
100k
100k
MCP1824T
MCP1824T
MCP1824T
MCP1824T
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100p
SP724
SP724
SP724
560
560
560
560
560
560
560
560
560
560
560
560
100p
100p
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 0603
Resistor 1206
Buck controller PowerPad-14
Logic level N-Channel Fet SOT23-3
Logic level N-Channel Fet SOT23-3
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 0805
5V0 LDO SOT23-5
5V0 LDO SOT23-5
5V0 LDO SOT23-5
5V0 LDO SOT23-5
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Transient protection diode SOT23-6
Transient protection diode SOT23-6
Transient protection diode SOT23-6
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Liite 1
5 (7)
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
7.C3
7.C4
7.C5
7.C6
7.C7
7.C8
7.C9
7.C10
7.C11
7.C12
7.C13
7.C14
7.F1
7.F2
7.F3
7.F4
7.F5
7.F6
7.F7
7.F8
7.F9
7.F10
7.F11
7.F12
7.J1
7.J2
7.U1
7.U2
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
C10
C11
CAN_TERM
D2
D3
D4
D5
DIR
DN1
EN1
EN2
F1
F2
F3
F4
100p
100p
100p
100p
100n
100p
100p
100p
100p
100p
100p
100n
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
HEADER 3
HEADER 3
A-2981
A-2981
100n
100n
10n
10u
100n
10u
100n
100n
10u
10u
100n
Jumper100x2
LED
PMEG2005AEA
PMEG2005AEA
PMEG2005AEA
Jumper100x2
Diode Network
Header100x2
Header100x2
200m
200m
200m
200m
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 0805
Ceramic capacitor 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
2,54 mm 3 p header
2,54 mm 3 p header
Source Driver SOIC-20W
Source Driver SOIC-20W
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 0805
Tantalum capacitor CASE-B
Ceramic capacitor 1206
Tantalum capacitor CASE-B
Ceramic capacitor 1206
Ceramic capacitor 1206
Tantalum capacitor CASE-B
Tantalum capacitor CASE-B
Ceramic capacitor 1206
2,54 mm 2 p header
LED 0805
Schottky diode SOD-323
Schottky diode SOD-323
Schottky diode SOD-323
2,54 mm 2 p header
2,54 diode network 8 parallel
2,54 mm 2 p header
2,54 mm 2 p header
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
Liite 1
6 (7)
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
F5
F6
J15
J1_1
J1_2
J1_3
J2_1
J2_2
J2_3
JP1
JP2
JP3
JP4
JP5
R1
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R23
R24
R25
R32
R33
R34
R35
RN1
RN2
RN3
RN4
RN5
RN6
RN7
RN8
RV1
U1
200m
200m
Keystone8195
HEADER 8X2
HEADER 10X2
HEADER 7X2
HEADER 8X2
HEADER 10X2
HEADER 7X2
JUMPER7
JUMPER4
JUMPER7
JUMPER2
HEADER 3
100k
1k5
560
100k
560
560
560
10k
1
560
560
560
560
10k
15k
15k
15k
15k
390
100k
10k
1
60
60
560
560
1k
1k
ResNW8 4k7
ResNW8 15k
ResNW8 15k
ResNW8 220k
ResNW8 220k
ResNW8 220k
ResNW8 220k
ResNW8 15k
5.4 VDC
AUIPS_71411G
PTC fuse 1206
PTC fuse 1206
Screw terminal
2,54 mm 2X8 p header
2,54 mm 2X10 p header
2,54 mm 2X7 p header
2,54 mm 2X8 p header
2,54 mm 2X10 p header
2,54 mm 2X7 p header
Solderable jumper
Solderable jumper
Solderable jumper
Solderable jumper
2,54 mm 3 p header
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 1206
Resistor 0805
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 0805
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
Resistor 1206
2,54 mm resistor network 8 parallel
2,54 mm resistor network 8 parallel
2,54 mm resistor network 8 parallel
2,54 mm resistor network 8 parallel
2,54 mm resistor network 8 parallel
2,54 mm resistor network 8 parallel
2,54 mm resistor network 8 parallel
2,54 mm resistor network 8 parallel
Resistor 1206
High side switch SO-8
Liite 1
7 (7)
298
299
300
301
302
303
304
U2
U3
U4
U5
U6
U7
U8
SN74ABTH245DW
Si2306DS
FrenzelBerg4011
Si2306DS
Si2306DS
FrenzelBerg4017
Si2306DS
Digital Transreceiver SOIC-20
Logig level N-Channel Fet SOT23-3
Frenzel+Berg CO-4011-BD
Logic level N-Channel Fet SOT23-3
Logic level N-Channel Fet SOT23-3
Frenzel+Berg CO-4017-BD
Logic level N-Channel Fet SOT23-3
Liite 2
1 (20)
Piirilevyn kytkentäkaaviot
Alla
on
suunnitellun
I/O-moduulien
piirilevyn
kytkentäkuvat.
Kytkentäkuvan
ensimmäinen sivu on jaettu kuuteen osaan sen suuren koon vuoksi, muut 14 sivua
ovat yksittäisiä kuvia. Mikäli komponenttiarvot eroavat materiaalilistan arvoista, on
materiaalilistan arvo pätevä.
Kuva 24. Sivu 1 osa 1 (SCHEMATIC 1).
Liite 2
2 (20)
Kuva 25. Sivu 1 osa 2 (SCHEMATIC 1).
Liite 2
3 (20)
Kuva 26. Sivu 1 osa 3 (SCHEMATIC 1).
Liite 2
4 (20)
Kuva 27. Sivu 1 osa 4 (SCHEMATIC 1).
Liite 2
5 (20)
Kuva 28. Sivu 1 osa 5 (SCHEMATIC 1).
Liite 2
6 (20)
Kuva 29. Sivu 1 osa 6 (SCHEMATIC 1).
Liite 2
7 (20)
Kuva 30. Sivu 2 (SCHEMATIC 2).
Liite 2
8 (20)
Kuva 31. Sivu 3 (SCHEMATIC 2).
Liite 2
9 (20)
Kuva 32. Sivu 4 (SCHEMATIC 3).
Liite 2
10 (20)
Kuva 33. Sivu 5 (SCHEMATIC 3).
Liite 2
11 (20)
Kuva 34. Sivu 6 (SCHEMATIC 4).
Liite 2
12 (20)
Kuva 35. Sivu 7 (SCHEMATIC 5).
Liite 2
13 (20)
Kuva 36. Sivu 8. (SCHEMATIC 5).
Liite 2
14 (20)
Kuva 37. Sivu 9 (SCHEMATIC 5).
Liite 2
15 (20)
Kuva 38. Sivu 10 (SCHEMATIC 5).
Liite 2
16 (20)
Kuva 39. Sivu 11 (SCHEMATIC 6).
Liite 2
17 (20)
Kuva 40. Sivu 12 (SCHEMATIC 6).
Liite 2
18 (20)
Kuva 41. Sivu 13 (SCHEMATIC 6).
Liite 2
19 (20)
Kuva 42. Sivu 14 (SCHEMATIC 7).
Liite 2
20 (20)
Kuva 43. Sivu 15 (SCHEMATIC 7).
Liite 3
1 (7)
Piirilevyjen gerber-kuvat
Alla on suunnitellun piirilevyn gerber-tiedostoista tehdyt kuvat.
Liite 3
2 (7)
Kuva 44. Kupari pinta.
Liite 3
3 (7)
Kuva 45. Kupari pohja.
Liite 3
4 (7)
Kuva 46. JEP pinta.
Liite 3
5 (7)
Kuva 47. JEP pohja.
Liite 3
6 (7)
Kuva 48. Silkkiteksti pinta.
Liite 3
7 (7)
Kuva 49. Silkkiteksti pohja.
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertisement