Elektronika Praktyczna 12/2011

Transkrypt

cena: 16,00 zł (w tym 8% VAT)
PRICE: 8 EUR Nakład 29000 egz.
OD WYDAWCY
Magazynowanie energii
Na początek chciałbym troszkę odejść od tematu numeru i wspomnieć człowieka, bez którego
dziś nie byłoby wielu języków programowania,
a już na pewno języka C. Niestety, w czasie gdy
powstawał ten numer Elektroniki Praktycznej,
dnia 12 października 2011 zmarł Dennis Ritchie,
współtwórca języka C i systemu operacyjnego
Unix, za który otrzymał wspólnie z K.Thompsonem nagrodę Turinga i został odznaczony Amerykańskim Medalem Technologii. Dennis Ritchie
jest przez wielu uważany za ojca współczesnego
programowania oraz – dzięki opracowaniu Unix’a
Dennis Ritchie
– podstaw systemu Linux. Odszedł w wieku 70 lat.
A wracając na „nasze podwórko”… Już coraz głośniej mówi się o nadciągającym kryzysie energetycznym na skutek wyczerpania się zasobów naturalnych. Nie jest moim zamiarem zostać wieszczącym nadciągające trudności, ale tylko zwrócić uwagę na pewien fakt.
Moim zdaniem w energetyce, motoryzacji, przemyśle i innych dziedzinach wymagających
zasilania energią elektryczną nie da się zrobić niczego nowego bez postępu w dziedzinie
odnawialnych źródeł zasilania – akumulatorów. Doskonałym przykładem jest budowa pojazdów zasilanych prądem, do których nie da się przekonać użytkowników bez poprawienia ich zasięgu użytkowego oraz obniżenia cen źródeł ich zasilania.
Innym zagadnieniem perspektywicznym dla rozwiązania tego problemu, są odpowiednie „magazyny energii”. Zapotrzebowanie na urządzenia tego typu widać zwłaszcza
na wykresach ilustrujących pracę np. elektrowni wiatrowych. Czasami, gdy wieje silny
wiatr, produkują one zbyt dużo energii, a czasami, gdy siła wiatru jest mała – zbyt mało
lub wcale. Aplikacja tego typu aż prosi się o dołączenie do „magazynu energii”, który będzie przechowywał energię elektryczną w chwili nadprodukcji i oddawał, gdy będzie jej
za mało. Współcześnie już można budować takie urządzenia korzystając z akumulatorów
oraz przetwornic, ale o ile rośnie sprawność przetwornic, o tyle ceny akumulatorów są
bardzo wysokie, czas i warunki ich użytkowania ograniczone i cała instalacje staje się
nieopłacalna. Słyszałem o projektach takich bezstratnych magazynów energii budowanych z nadprzewodników, ale dopóki nie zostanie wynaleziony materiał nadprzewodzący
w temperaturze pokojowej lub nieznacznie niższej od 0°C, dopóty można to odłożyć między opowieści science-fiction.
W mikroskali elektronicznej raczej jest dostarczana energia rzędu co najwyżej kilkudziesięciu watogodzin. Przeciętny inżynier znacznie częściej będzie potrzebował układu
do ładowania niewielkiego akumulatora, niż do budowy ogromnego rezerwuaru energii.
Dlatego zdecydowaliśmy się na przybliżenie tematyki akumulatorów, ładowarek i alternatywnych źródeł energii dla urządzeń elektronicznych w tym i kolejnym numerze EP. Lektura artykułu na temat akumulatorów pozwoli zapoznać się z ich parametrami i sposobami
ładowania. Po jego przeczytaniu nie będzie problemu ze zrozumieniem zasady działania
ładowarki, natomiast w jej budowie pomoże przegląd układów scalonych do ładowarek,
który jest tak obszerny, że pełną jego treść publikujemy na płycie CD i serwerze FTP. Temat
numeru jest dodatkowo uzupełniony prezentacjami firm zawierającymi ofertę producentów i dystrybutorów, które pozwolą na łatwe zorientowanie się „gdzie?”, „co?” i „za ile?”.
Kończąc życzę wszystkim Czytelnikom i ich rodzinom wesołych i pogodnych Świąt
Bożego Narodzenia. W ramach naszej prywatnej krucjaty przeciwko nadmiernemu zużyciu energii i zasobów naturalnych ubierzmy choinkę w tradycyjne, niewymagające zasilania, błyszczące ozdoby. Będzie prezentowała się znacznie ładniej niż ze światełkami
kupionymi za 20 złotych na targowisku czy w supermarkecie. A przy tym będzie oszczędzała energię, będzie tradycyjnie ekologiczna, a my nie zapłacimy wysokich rachunków za
zużyty prąd. A jeśli mimo wszystko chcemy aby coś błyszczało, mrugało i świeciło, to na
szczycie choinki można umieścić na przykład ozdoby prezentowane przez nas w rubryce
miniprojektów.
4
Miesięcznik „Elektronika Praktyczna”
(12 numerów w roku) jest wydawany
przez AVT-Korporacja Sp. z o.o. we współpracy
z wieloma redakcjami zagranicznymi.
Wydawca:
AVT-Korporacja Sp. z o.o.
03-197 Warszawa, ul. Leszczynowa 11
tel.: +48 22 257 84 99, faks: +48 22 257 84 00
Adres redakcji:
tel.: +48 22 257 84 49, +48 22 257 84 60
tel.: +48 22 257 84 65, +48 22 257 84 48
faks: +48 22 257 84 67
e-mail: [email protected]
www.ep.com.pl
Redaktor Naczelny:
Wiesław Marciniak
Redaktor Programowy,
Przewodniczący Rady Programowej:
Piotr Zbysiński
Zastępca Redaktora Naczelnego,
Redaktor Prowadzący:
Jacek Bogusz, tel. +48 22 257 84 49
Redaktor Działu Projektów:
Piotr Witczak, tel. +48 22 257 84 61
Redaktor Działu Podzespołów i Sprzętu:
Jerzy Pasierbiński
Szef Pracowni Konstrukcyjnej:
Grzegorz Becker, tel. +48 22 257 84 58
Dyrektor Działu Marketingu i Reklamy:
Katarzyna Wiśniewska, tel. +48 22 257 84 65
e-mail: [email protected]
Product Menager:
Katarzyna Gugała, tel. +48 22 257 84 64
Marketing i Reklama:
Justyna Warpas, tel. +48 22 257 84 62
Bożena Krzykawska, tel. +48 22 257 84 42
Grzegorz Krzykawski, tel. +48 22 257 84 60
Andrzej Tumański, tel. +48 22 257 84 63
Sekretarz Redakcji:
Grzegorz Krzykawski, tel. +48 22 257 84 60
DTP i okładka:
Dariusz Welik
Redaktor strony internetowej www.ep.com.pl
Michał Pieniążek
Stali Współpracownicy:
Arkadiusz Antoniak, Rafał Baranowski, Marcin Chruściel,
Jarosław Doliński, Andrzej Gawryluk, Krzysztof Górski,
Tomasz Jabłoński, Krzysztof Paprocki, Krzysztof Pławsiuk,
Sławomir Skrzyński, Jerzy Szczesiul, Ryszard Szymaniak,
Marcin Wiązania, Tomasz Włostowski, Robert Wołgajew
Uwaga! Kontakt z wymienionymi osobami jest możliwy
via e-mail, według schematu: imię[email protected]
Prenumerata:
tel.: +48 22 257 84 22, faks: +48 22 257 84 00
www.avt.pl/prenumerata, e-mail: [email protected]
Sklep: www.sklep.avt.pl, tel. +48 22 257 84 66
Wydawnictwo
AVT-Korporacja Sp. z o.o.
należy do Izby Wydawców Prasy
Copyright AVT-Korporacja Sp. z o.o.
Projekty publikowane w „Elektronice Praktycznej” mogą
być wykorzystywane wyłącznie do własnych potrzeb.
Korzystanie z tych projektów do innych celów, zwłaszcza
do działalności zarobkowej, wymaga zgody redakcji
„Elektroniki Praktycznej”. Przedruk oraz umieszczanie
na stronach internetowych całości lub fragmentów
publikacji zamieszczanych w „Elektronice Praktycznej”
jest dozwolone wyłącznie po uzyskaniu zgody redakcji.
Redakcja nie odpowiada za treść reklam i ogłoszeń
zamieszczanych w „Elektronice Praktycznej”.
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011
strona 36
Piecyk gitarowy
Szukacz układów na magistrali I2C
Prezentujemy praktyczny przyrząd warsztatowy służący do
identyfikacji układów scalonych dołączonych do magistrali
I2C. Ponadto, przyrząd umożliwia testowanie popularnych
układów odnalezionych na magistrali: pamięci EEPROM
serii 24C..., PCF8574, PCF8574A, PCF8591, PCF8583 i innych.
Oferta piecyków gitarowych zasilanych z baterii,
które są dostępne w handlu, nie jest szczególnie
bogata. Najczęściej obejmuje pojedyncze głośniczki w obudowie wielkości puszki konserw, które
zasilane są z baterii 9V. Już z uwagi na to zasilanie
wiadomo, że taki „wyrób” nie nadaje się do niczego poważnego. Nasz piecyk jest inny.
JTAG dla AVR
Interfejsu JTAG nie trzeba rekomendować. Prezentujemy projekt
programatora/debugera zgodnego
z JTAG-ICE, wyposażonego w bufor zabezpieczający. Szanse jego
uszkodzenia są dość małe, a jeśli
nawet go uszkodzimy, to koszt
naprawy wyniesie około 1 zł.
strona 29
strona 32
Programator AVR z interfejsem USB
strona 26
Żadnemu z zajmujących się programowaniem
AVR nie trzeba rekomendować tego urządzenia.
Nieskomplikowane i tanie w budowie, o czym
będzie można się przekonać już wkrótce.
Nr 12 (228)
Grudzień 2011
Projekty
UsbAsp. Programator mikrokontrolerów AVR................................................................................26
Szukacz i tester układów na magistrali I2C.....................................................................................29
AVR JTAG-ICE. Interfejs debugera dla mikrokontrolerów AVR........................................................32
Piecyk gitarowy. Z zasilaniem akumulatorowym i z wbudowaną ładowarką..................................36
Miniprojekty
Miniaturowy włącznik zmierzchowy...............................................................................................41
Elektroniczna bombka....................................................................................................................41
Gwiazdka.......................................................................................................................................42
Uniwersalny moduł wykonawczy...................................................................................................43
Płytka ewaluacyjna z ETRX357.......................................................................................................44
Wybór konstruktora
TEMAT NUMERU
Układy scalone do ładowarek akumulatorów.................................................................................46
Notatnik konstruktora
TEMAT NUMERU
Nowoczesne akumulatory i ogniwa elektryczne.............................................................................50
Migracja z Cortex-M3 do Cortex-M4..............................................................................................81
Wspomaganie programowania układów TMS320C2000................................................................95
Sprzęt
Narzędzia na każdą kieszeń dla mikrokontrolerów STM32F1/F2 i STM32F4...................................65
HS805 TiePie. Oscyloskop USB z próbkowaniem 1 GSa/s..............................................................118
Podzespoły
Czym zastąpić LM78xx? Nowe stabilizatory impulsowe Traco TSRN-1............................................24
Nowe filtry EMC.
TEMAT NUMERU
Nowe zastosowania filtrów EMC dzięki zmniejszeniu prądu upływu..............................................54
TEMAT NUMERU
Akumulatory Li-Ion.........................................................................................................................58
TEMAT NUMERU
Baterie litowe Varta w ofercie firmy Gamma..................................................................................62
Interfejs Lesense.
Niskoenergetyczna obsługa czujników pojemnościowych, indukcyjnych i oporowych...................68
ChromaLit firmy Intematix. Rewolucyjna technologia białych lamp LED.........................................78
Siła rdzenia Cortex-M4F w nowych STM32F4.................................................................................93
Najnowsze układy do lokalnej łączności radiowej produkcji NXP.................................................110
ARM-y w obudowach DIP28/SOP20.............................................................................................115
Kursy
IQRF więcej niż radio. Host radiowy...............................................................................................73
Kurs programowania mikrokontrolerów PIC (7).
Obsługa przetwornika analogowo-cyfrowego...............................................................................83
Projektowanie PLD/FPGA z zestawem Lattice MachXO2 Pico Development Kit (2).........................87
Kurs programowania Arduino (6).
Obsługa wyświetlacza LCD, cyfrowych linii I/O i przetwornika A/C.................................................99
Projektowanie płytek za pomocą Altium Designer Summer 09 (10).............................................104
Prezentacje
TEMAT NUMERU
Akumulatory i pakiety akumulatorowe BTO...................................................................................57
TEMAT NUMERU
Pakiety bateryjne i akumulatorowe................................................................................................60
Romeo all in one. Zintegrowany sterownik robota w standardzie Arduino..................................103
Automatyka i Mechatronika Praktyczna
Od wydawcy....................................................................................................................................4
Niezbędnik elektronika.....................................................................................................................8
Nie przeocz. Podzespoły.................................................................................................................10
Nie przeocz. Koktajl niusów...........................................................................................................16
Sprzężenie zwrotne. Ankieta..........................................................................................................20
Prenumerata..................................................................................................................................21
Info..............................................................................................................................................139
Kramik i rynek..............................................................................................................................143
Księgarnia wysyłkowa..................................................................................................................149
Oferta...........................................................................................................................................151
Zapowiedź następnego numeru...................................................................................................156
REKLAMA
Otwarta komunikacja sterowników Saia PCD...............................................................................125
Przykładowa aplikacja z zastosowaniem protokołu 3964R...........................................................128
Serwonapędy Kinco. Kompleksowe rozwiązanie systemu kontroli i napędu.................................132
Kompleksowe rozwiązania automatyki dla systemów inteligentnego budynku (1)......................134
Konkurs..........................................................................................................................................14
PROJEKTY
UsbAsp
AVT
5325
Programator mikrokontrolerów
AVR
Opisów programatorów ISP
dla mikrokontrolerów AVR jest
w Internecie bez liku. Ale
takich, które są wyposażone
w interfejs USB już mniej,
a jeśli, to najczęściej są one
oparte o konwerter FT232.
W artykule opisano programator,
który nie wymaga użycia
konwertera USB. Programator
może być używany pod kontrolą
systemów operacyjnych Linux
i Windows, ze środowiskami
programistycznymi AvrStudio,
BascomAVR, CodeVisionAVR
i innymi.
Rekomendacje: programator ma
interfejs USB, więc doskonale
sprawdzi się po zmianie
komputera na nowszy, ponieważ
zazwyczaj są one wyposażone
tylko w ten rodzaj interfejsu.
Opisywany programator jest wzorowany
na projekcie opracowanym przez http://www.
fischl.de/usbasp/. W porównaniu z oryginałem dodano bufor 74LVC125, dzięki czemu
można programować układy zasilane napięciem z zakresu 1,2...6,5 V.
Budowa programatora jest nieskomplikowana. Zawiera on mikrokontroler ATmega8
oraz kilka dodatkowych elementów. Istotną zaletą programatora jest, że ma on interfejs USB,
dzięki czemu można go bez problemu używać
go na laptopie bez interfejsów LPT czy RS232C.
Dostępne jest oprogramowanie interfejsu użytkownika zarówno dla Windows jak i Linux.
Transmisją sygnałów po USB zajmuje się
mikrokontroler, nie jest wymagany dodatkowy, stosunkowo drogi konwerter USB. Szybkość programowania oscyluje o okolicach
5 kB/s, w razie potrzeby można ją zmniejszyć. Programator pobiera prąd zasilający
mniejszy niż 100 mA, dzięki czemu może
być zasilany również z wyjścia pasywnego
(bez dodatkowego zasilacza) HUB’a USB.
Płytka drukowana programatora została
przystosowana do obudowy typu Z-70.
26
Budowa i zasada działania:
Schemat ideowy programatora pokazano
na rysunku 1. Jego sercem jest mikrokontroler U1 – ATmega8. Emuluje on programowo
interfejs USB, dzięki czemu nie jest potrzebny dodatkowy konwerter USB<–>RS232
(np. FT232RL), co obniża cenę gotowego
urządzenia. Ze względu na to, że mikrokontroler jest zasilany napięciem 5 V z portu
USB, zastosowano diody Zenera D1 i D2 dla
obniżenia maksymalnego napięcia występującego na magistrali USB (brak diod spowoduje pojawianie się błędów SYNC).
Napięcia zasilania jest filtrowane przez
C1, C2.
Diody LED sygnalizują stan programatora:
– D3 (czerwona) przyłączenie do USB,
– D4 (zielona) operacje na programowanym procesorze.
Układ U2 powinien być zasilany napięciem zawierającym się w przedziale
1,2...3,6 V, ponieważ w takim zakresie napięcia zasilania producent gwarantuje poprawną pracę układu. W układach produkowanych przez NXP napięcie zasilające do 6,5 V
nie spowoduje jego zniszczenia. Maksymalna wartość napięcia zasilającego zależy od
producenta układu. Zaleca się więc pracę
z programatorem przy zasilaniu programowanego CPU napięciami 1,2...3,6 V. Aby programować układy zasilane napięciem 2...6 V
zaleca się wymienić układ U2 na 74HC125.
Programator jest odseparowany od programowanego procesora buforem U2 typu
74LVC125AD. Bufor jest zasilany z systemu
AVT-5325 w ofercie AVT:
AVT-5325A – płytka drukowana
AVT-5325B – płytka drukowana + elementy
Podstawowe informacje:
•Zasilanie programatora z portu USB.
•Napięcie zasilające programowanego
mikrokontrolera: 1,2...6 V.
•Lista obsługiwanych mikrokontrolerów AVR:
ATmega6450, ATmega3250, ATmega645,
Atmega325, ATmega2561, ATmega2560,
ATmega1281, Atmega1280, Atmega640,
ATmega168, ATmega88, Atmega48,
ATmega8535, ATmega8515, ATmega8,
ATmega649, ATmega3290P, ATmega3290,
ATmega329P, ATmega329, Atmega169,
ATmega163, ATmega162, ATmega644P,
Atmega644, ATmega324P, ATmega164P,
ATmega103, ATtiny15, ATtiny13, ATtiny12,
Attiny11, Attiny2313, ATtiny84, ATtiny44,
Attiny24, ATtiny85, ATtiny45, Attiny25,
ATtiny861, ATtiny461, Attiny261, ATtiny26.
•Współpraca ze środowiskami
programistycznymi AvrStudio, BascomAVR,
CodeVisionAVR itp.
•Praca pod kontrolą systematów: Windows
(XP/Vista), Linux, MacOS X, FreeBSD.
Dodatkowe materiały na CD/FTP:
ftp://ep.com.pl, user: 17692, pass: 4yv87ftn
•wzory płytek PCB
•karty katalogowe i noty aplikacyjne
elementów oznaczonych w Wykazie
elementów kolorem czerwonym
Projekty pokrewne na CD/FTP:
(wymienione artykuły są w całości dostępne na CD)
AVT-5279
AVT-5172
AVT-5153
AVT-5125
AVT-1462
AVT-2855
AVT-988
Programator PIC (EP 2/2011)
Uniwersalny programator
mikrokontrolerów AVR (EP 2/2009)
Uniwersalny programator JTAG/ISP
(EP 10/2008)
Programator USB AVR (STK500)
(EP 2/2008)
Uniwersalny adapter dla
programatorów AVR-ISP (EP 2/2008)
Ulepszony programator STK200
(EdW 2/2008)
Programator AVRISP z interfejsem USB (STK500) (EP 7/2007)
Szukacz i tester układów na magistrali
I2C
PROJEKTY
Szukacz i tester układów
2
na magistrali I C
Pomysł na opisywany
tu przyrząd zrodził się
w „siódmych potach” podczas
uruchamiania modułu
rozszerzającego możliwości
karty AVT-5222 o 16 wejść
analogowych i 2 wyjścia
analogowe. W tym module
są dwa układy PCF8591
(przetworniki AC/CA), które
nie działały na płytce
prototypowej. Odłożyłem więc
projekt główny na półkę,
a w międzyczasie wykonałem
urządzenie umożliwiające
zarówno detekcję rzeczywistych
adresów układów dołączonych
do magistrali I2C, jak też ich
przetestowanie. W międzyczasie
zaprojektowałem też użyteczną
płytkę prototypową/testową
z podstawkami pod 9 układów
z interfejsem I2C oraz podstawką
uniwersalną dla dowolnego
układu z interfejsem I2C.
Trud opłacił się, a przyrząd
wiele razy udowodnił swoją
użyteczność.
Rekomendacje: praktyczny
przyrząd warsztatowy służący
do wyszukania i identyfikacji
układów scalonych dołączonych
do magistrali I2C, umożliwiający
przetestowanie najbardziej
popularnych układów: pamięci
EEPROM z serii 24C...,
PCF8574, PCF8574A, PCF8591,
PCF8583, a innych po
aktualizacji firmware’u.
Problemy z uruchomieniem laminatu z układami PCF8591 nie wiązały się ani
z uszkodzeniem owych układów ani też
z błędnym ich adresowaniem. Prawdziwą
przyczyną trudności okazało się połączenie
na prototypowym laminacie sygnałów OSC
(pin 11) dwóch układów PCF8591. Jako spuELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011
AVT
5321
ścizna prób rozwiązania problemu pozostał
mi jednak bardzo użyteczny przyrząd, którego projektem chciałbym się podzielić.
Opis działania
Mikrokontroler (U1) wysyła na magistralę I2C kolejne zapytania do układów o adresach (dziesiętnie) z przedziału 60…240
(w tym przedziale zawiera się większość adresów układów z serii PCF). Gdy pod jakimś
adresem zostanie odnaleziony układ (opis
detekcji w rozdziale „Program mikrokontrolera”), to jest on identyfikowany na podstawie wartości adresu. Na wyświetlaczu LCD
pojawi się informacja o znalezionym układzie tj. jego adres i domniemywany typ. Po
chwili dostępne będą dwie opcje:
• szukaj (klawisz SW1) umożliwiająca wyszukiwanie kolejnych układów dostępnych na magistrali,
• test (klawisz SW2) umożliwiająca przetestowanie odnalezionego układu.
Opcja „test” jest dostępna wyłącznie dla
układów uwzględnionych w firmware. Są to
najpopularniejsze układy I2C: pamięci EEPROM
serii 24C..., ekspandery portów PCF8574
i PCF8574A, przetwornik AC/CA PCF8591 oraz
zegar czasu rzeczywistego PCF8583. Oczywiście
nic nie stoi na przeszkodzie, aby do kodu źródłowego dopisać sobie procedury testowe dla
innych układów I2C, wskazówki można znaleźć
w dalszej części artykułu. Sercem urządzenia jest
mikrokontroler ATtiny4313 wyposażony w pamięć Flash o pojemności 4 kB. Zgodnie z pierwotnymi założeniami przyrząd miał umożliwiać
jedynie detekcję układów dołączonych do magistrali i płytka drukowana została zaprojektowana
•Płytka jednostronna o wymiarach
123 mm×40 mm.
•Napięcie zasilania 7…12 VDC.
•Mikrokontroler ATtiny4313 taktowany
oscylatorem RC.
•Możliwość programowania mikrokontrolera
zamontowanego na płytce drukowanej.
•Wyszukiwanie układów dołączonych do
magistrali I2C o adresach z zakresu 60…240
(dziesiętnie).
•Testowanie: pamięci EEPROM z serii 24C...,
ekspanderów portów PCF8574 i PCF8574A,
przetwornika AC/CA PCF8591 oraz zegara
czasu rzeczywistego PCF8583.
AVT-2899 Analizator I2C (EdW 5/2009)
dla ATtiny2313. Ostatecznie jednak postanowiłem wyposażyć przyrząd również w funkcje testowania najpopularniejszych układów I2C. Pociągnęło to za sobą konieczność rozbudowania
programu. I tu pojawił się pewien kłopot. Biorąc
pod uwagę konieczność obsługi wyświetlacza
LCD nie było szans na zmieszczenie nowej funkcjonalności w 2 kB pamięci układu ATtiny2313.
Warto zauważyć, że mikrokontroler ATtiny4313 jest kompatybilnym pod względem
wyprowadzeń odpowiednikiem ATtiny2313.
Stosując go istnieje więc szansa na funkcjonalną
rozbudowę wielu urządzeń sterowanych przez
mikrokontrolery 20-wyprowadzeniowe np. ATtiny2313, AT90S2313 a po niewielkiej zmianie
29
PROJEKTY
AVR JTAG-ICE
Interfejs debugera dla
mikrokontrolerów AVR
Bardzo przydatnym,
a w niektórych sytuacjach
wręcz niezbędnym narzędziem
do uruchamiania systemów
mikroprocesorowych jest
debuger. Dla mikrokontrolerów
AVR dobrym i tanim
rozwiązaniem jest AVR
Dragon. Niestety, jeśli ulegnie
on uszkodzeniu, to naprawa
jest najczęściej nieopłacalna.
Na stronie firmy Atmel
umieszczono opis programatora/
debugera zgodnego z JTAGICE, który można wykonać
samodzielnie, ale jego wadą
jest skomplikowana budowa.
W artykule zaprezentowano opis
programatora/debugera zgodnego
i JTAG-ICE o nieskomplikowanej
konstrukcji. Ponadto, wyposażono
go w bufory I/O, dzięki czemu
szanse uszkodzenia programatora
są dość małe, a jeśli uda
nam się coś zepsuć, to koszt
naprawy jest bardzo niski.
Rekomendacje: JTAG przyda
się każdemu zajmującemu
się programowaniem lub
uruchamianiem układów
wyposażonych w mikrokontrolery
AVR.
Na projekt programatora natknąłem się
na stronie http://www.m2uu.com/elektronika:avrjtag. Jednak aby nieco uodpornić JTAG
na różne sytuacje, które zdarzają się podczas
uruchamiania urządzeń z mikrokontrolerami,
zdecydowałem się na zmodyfikowanie oryginalnej konstrukcji. W porównaniu z oryginałem wprowadziłem następujące zmiany:
– dodałem bufor 74HC244 zabezpieczony
rezystorami szeregowymi,
– konwerter USB-RS232 zasiliłem z magistrali USB,
– pozostałe układy programatora zasiliłem
z uruchamianego systemu, dzięki czemu
32
programator może pracować zasilany napięciem innym niż 5 V.
Budowa i zasada działania
Schemat ideowy JTAG’a pokazano na
rysunku 1. Do połączenia z komputerem
służy interfejs USB. Komunikacja odbywa
się poprzez UART za pośrednictwem popularnego układu konwertera, układu U1 typu
FT232RL. Jest on zasilany z portu USB. Pozostałe obwody programatora są zasilane z uruchamianego systemu, dlatego wyprowadzenie VccIO układu U1 dołączono do wyprowadzenia 4 złącza JP3, a nie do portu USB.
Mikrokontroler U2 przyjmuje polecenia od komputera PC i steruje interfejsem
JTAG, który jest emulowany przez port SPI.
Wszystkie linie JTAG są buforowane układem U3 typu 74HC244. Sam bufor dodatkowo zabezpieczono rezystorami szeregowymi.
Dla wejść są to rezystory o rezystancji 1 kV,
natomiast dla wyjść 100 V. Dzięki temu podanie napięcia w zakresie –20...+25 V na
wejście nie powinno spowodować uszkodzenia bufora (prąd wejścia nie przekroczy
20 mA). Wyjście jest zabezpieczone przed
napięciami w zakresie –2 V...Vcc+2 V. A jeśli mimo wszystko bufor uszkodzi się, łatwo
go wymienić, ponieważ jest zamontowany
w podstawce.
W stosunku do rozwiązania dostępnego
w Internecie zmieniłem wartość rezystora R6
w dzielniku napięcia. Dodałem także źródło
napięcia odniesienia 2,5 V. Spowodowane
było to tym, że mikrokontroler jest zasilany
AVT
5322
•Lista obsługiwanych układów: ATmega128,
ATmega128L, AT90CAN128, ATmega64,
ATmega64L, ATmega32, ATmega32L,
ATmega323, ATmega323L, ATmega16,
ATmega16L, ATmega162, ATmega162L,
ATmega162V, ATmega165, ATmega165V,
ATmega169, ATmega169L, ATmega169V
•Zasilanie JTAG’a z uruchamianego urządzenia.
•Napięcie pracy 2,7...5,25 V.
•Współpraca z AVR Studio.
AVT-5279
AVT-5172
AVT-5153
AVT-5125
AVT-1462
AVT-2855
AVT-988
AVT-1452
AVT-947
AVT-937
AVT-921
AVT-451
AVT-1409
AVT-540
Programator PIC (EP 2/2011)
Uniwersalny programator
mikrokontrolerów AVR (EP 2/2009)
Uniwersalny programator JTAG/ISP
(EP 10/2008)
Programator USB AVR (STK500)
(EP 2/2008)
Uniwersalny adapter dla
programatorów AVR-ISP (EP 2/2008)
Ulepszony programator STK200
(EdW 2/2008)
Programator AVRISP z interfejsem
USB (STK500) (EP 7/2007)
Adapter dla programatorów AVR ISP
(EP 7/2007)
Programator JTAG dla
mikrokontrolerów STR9 (EP 9/2006)
Programator ISP/ICP dla
mikrokontrolerów ST7 (EP 7/2006)
Flash z ISP – JTAG (EP 3/2006)
Programator z interfejsem USB dla
Bascom AVR (EP 11/2005)
Programator JTAG dla układów
MSP430 (EP 3/2005)
Miniprogramator AT89Cx051
(EP 11/2004)
Interfejs debugera dla mikrokontrolerów AVR
niu napięcia Aref o wartości 2,5 V zamiast
5 V, pomiary napięcia wykonywane przez
AvrStudio są prawidłowe. Możliwe jest oczywiście zrezygnowanie z U4. Wtedy rezystor
R6 musi mieć rezystancję 150 kV.
Uwaga! Jeśli nie korzystamy z U4 (R6
=150 kV), pomiar może być obarczony dużym błędem. Wynika to z faktu, że napięcie
w złączu USB może się zawierać w granicach 4,4...5 V. W skrajnym przypadku
(4,4 V) błąd wynosi +12%. W takiej sytuacji
faktyczne napięcie 5 V będzie przedstawio-
ne jako 5,6 V, natomiast 3,3 V jako 3,69. Do
błędu tego należy doliczyć jeszcze tolerancję
rezystorów R6 i R7. W prototypie bez U4, 5 V
było obrazowane w AvrStudio jako 6,2 V!
Montaż i uwagi odnośnie do
komponentów
Schemat montażowy JTAG’a pokazano
na rysunku 2. Montaż jest typowy i nie wymaga szczegółowego opisu. Na początku
warto wlutować układy SMD znajdujące
się od strony ścieżek. Wlutowanie U2 nie
sprawi większego kłopotu, natomiast U1
jest już bardziej kłopotliwy w montażu
ze względu na mały raster wyprowadzeń.
Osobiście z U1 poradziłem sobie w ten
sposób, że po pozycjonowaniu układu
i przylutowaniu skrajnych nóżek, zalałem
stopem lutowniczym wszystkie nóżki,
a następnie nadmiar cyny zebrałem za pomocą plecionki „WIK”. Po wlutowaniu elementów SMD montujemy zwory. Pod U3
Wykaz elementów
Rezystory:
R1, R2, R8, R10…R15, R21: 1 kV
R5: 36 kV
R6: 75 kV (150 kV – opis w tekście)
R9, R16…R20: 100 V
R3, R4, R7: 10 kV
Kondensatory:
C1, C3: 10 mF/10 V
C6, C7: 22 pF/50 V
C2, C4, C8: 100 nF/50 V
Półprzewodniki:
U2:ATmega16A-16AU (QFP44)
U1: FT232RL (SSOP-28)
U4: LM385-2.5 (TO-92, opis w tekście)
U3: 74HC244N (DIP-20)
D1: dioda LED żółta 3 mm
D2: dioda LED zielona 3 mm
Inne:
Q1: kwarc 7,3728 MHz (HC-49S)
JP1: ZL231-06PG (6 pin proste) lub ZL3112×3 (listwa goldpin prosta 2×3)
JP2: ZL231-10PG (10 pin proste)
JP3: ZL231-10GK (10 pin kątowe)
J1: USBB-BV (gniazdo USB-B do druku
kątowe)
J2: ZL201-3 (listwa goldpin prosta 1×3) +
zworka
J3: ZL211-3 (listwa goldpin kątowa 1×3) +
zworka
REKLAMA
Rysunek 1. Schemat ideowy JTAG’a AVR
33
Na CD: karty katalogowe i noty aplikacyjne elementów
oznaczonych w wykazie elementów kolorem czerwonym
z uruchamianego systemu, a napięcie odniesienia JTAG-ICE pochodzi z wejścia Aref.
Gdyby mikrokontroler był zasilany napięciem 5 V, to pomiar napięcia występującego
na złączu JTAG byłby prawidłowy. Niestety,
konieczne byłby zasilanie JTAG’a z jakiegoś
stabilizatora, ponieważ złącze USB komputera PC nie gwarantuje napięcia zasilającego
5 V. Może ono wynosić np. tylko 4,4 V. Dzięki
podzieleniu napięcia ze złącza JTAG przez 2
w stosunku do oryginału (rezystor R6 o rezystancji 75 kV, a nie 150 kV) oraz zastosowa-
PROJEKTY
AVT
5323
Piecyk gitarowy
Z zasilaniem akumulatorowym
i z wbudowaną ładowarką
Pomysł wykonania wzmacniacza do gitary elektrycznej małej mocy
zasilanego z akumulatorów to splot dwóch z pozoru niezwiązanych
ze sobą czynników. Jeden z nich to obserwacja, w jaki sposób
muzycy rozwiązują problem nagłośnienia turystycznego, drugi to
przegląd tego, co mamy dostępne w tym zakresie w handlu. Obie
kwestie nie wyglądają najlepiej.
Rekomendacje: niezawodne, łatwe w budowie urządzenie z tanich
elementów elektronicznych, które przyda się każdemu gitarzyście.
W roli bateryjnego piecyka najczęściej
jest używany zwykły wzmacniacz gitarowy,
normalnie zasilany z sieci, a do którego w warunkach turystycznych dołącza się 12-woltowy, duży akumulator. Często od samochodu
i przetwornicę 12/220 V niezbędne po to, aby
całość działała poprawnie. Takie rozwiązanie
jest z pewnością skuteczne, niemniej trudno
określić je mianem wygodnego i przenośnego.
Z kolei oferta tzw. piecyków gitarowych zasilanych z baterii, które są dostępne w handlu, nie
jest szczególnie bogata. W praktyce obejmuje
pojedyncze głośniczki w obudowie wielkości
puszki konserw, które zasilane są z baterii 9 V.
Już z uwagi na to „zasilanie” wiadomo, że taki
wyrób nie nadaje się do niczego poważnego.
W prasie i w Internecie jest sporo schematów wzmacniaczy gitarowych. Ale większość
z tych układów wymaga zasilania napięciem
symetrycznym ±15 V lub więcej, przez co
adaptacja tych konstrukcji do zasilania z akumulatora nie jest łatwa. Czas zatem na prezentację specjalizowanego produktu – piecyka
gitarowego zasilanego z akumulatorów. Jest
36
to nieskomplikowana i niezawodna konstrukcja, bazująca na niewyszukanych i tanich elementach elektronicznych, zapewniająca moc
wyjściową rzędu 3 W. Jest to całkowicie wystarczająca wartość w zastosowaniach turystycznych i dla innych, mobilnych wydarzeń
artystycznych. Jednocześnie jest ona na tyle
mała, że niewielki akumulator jest w stanie
zapewnić możliwość muzykowania przez cały
dzień bez konieczności doładowywania.
Poza stopniem mocy układ zawiera
przedwzmacniacz pozwalający na bezpośrednie podłączenie gitary, dwa kanały: czysty
i przesterowany, trójpunktowy regulator barwy dźwięku, dodatkowy filtr korekcyjny i ma
wbudowaną ładowarkę akumulatora. Dzięki
niej, do ładowania można wykorzystać dowolny zasilacz o stałym napięciu wyjściowym, na
przykład ten, który na co dzień wykorzystujemy do zasilania domowego laptopa.
Układ elektroniczny zaprojektowano
z myślą, że jego wykonaniem zajmą się również osoby mniej biegłe w elektronice. Stąd
nie żałowano elementów zabezpieczających,
•Zasilanie z wbudowanego akumulatora Li-Ion
•Wbudowana uniwersalna ładowarka
akumulatorów
•Napięcie zasilania ok. 12 V
•Moc wyjściowa 3 W
•Przedwzmacniacz pozwalający na bezpośrednie
podłączenie gitary
•Dwa kanały: czysty i przesterowany
•3-punktowy regulator barwy dźwięku
•Dodatkowy filtr korekcyjny
AVT-5215
AVT-2772
AVT-435
AVT-314
AVT-313
AVT-306
AVT-304
AVT-303
AVT-302
---
---
Cyfrowy efekt gitarowy (EP 12/2009)
Lampowy wzmacniacz gitarowy
(EdW 12/2005)
Prosty wzmacniacz do ćwiczeń gry
na gitarze (EP 7/2005)
Efekt tremolo – vibrato (EP 12/1996)
Gitarowa kaczka (EP 11/1996)
Chorus gitarowy (EP 10/1996)
Gitarowa bramka szumów
(EP 7/1996)
Przystawka do gitary „Distortion”
(EP 6/1996)
Kompresor do gitary i basu
(EP 5/1996)
Flanger gitarowy (EP 1/1997)
Słowniczek efektów specjalnych
(EP 5/1996)
kondensatorów odsprzęgających, kontrolek
sygnalizujących stany działania, a liczbę
niezbędnych połączeń drutowych na płytce
drukowanej ograniczono do jednej zwory.
Układ nie wymaga też skomplikowanej regulacji, wykonany został na jednostronnej płytELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011
MINIPROJEKTY
Miniaturowy włącznik zmierzchowy
Schemat
elektryczny
włącznika
zmierzchowego pokazano na rysunku 1,
natomiast montażowy na rysunku 2. Jest
to chyba najmniej skomplikowany układ
włącznika zmierzchowego z prezentowanych na łamach EP. Gdy zrobi się ciemno, wzrasta oporność fotorezystora PH1.
W konsekwencji tranzystor T1 przewodzi
i przekaźnik RL1 zwiera styki. Kondensator C2 chroni układ przed krótkotrwałymi
zmianami oświetlenia. Pozwala on wyeliminować możliwość powstania oscylacji wtedy, gdy poziom oświetlenia jest
na granicy zadziałania układu. Oporność
fotorezystora w świetle dziennym wynosi
kilkaset V, a po zmroku wzrasta do kilkudziesięciu kV. Próg zadziałania włącznika
można skorygować zmieniając rezystancję
rezystora R1. Elementem wykonawczym
jest przekaźnik o dopuszczalnym obciążeniu styków wynoszącym 2 A.
Włącznik może być zasilany napięciem 12 VDC z dowolnego zasilacza, baterii lub akumulatora. Pobór prądu egzemplarza modelowego w stanie spoczynku,
przy oświetlonym fotorezystorze wynosił
250 mA, natomiast w ciemności, przy załączonym przekaźniku 18 mA.
Elementy SMD są montowane od
strony lutowania, natomiast fotorezystor,
przekaźnik i złącza od strony elementów.
Fotorezystor jest montowany pod przekaźnikiem, dlatego jego montaż i odpowiednie
AVT
1655
Rysunek 1.
AVT-1532
AVT-1476
AVT-1460
AVT-1232
AVT-2177
Rysunek 2.
wygięcie jego doprowadzeń należy wykonać w pierwszej kolejności, przed montażem przekaźnika.
EB
Uniwersalny sterownik zmierzchowy
(EP 8/2009)
Automatyczny włącznik zmierzchowy
(EP 8/2008)
Włącznik zmierzchowy(EP 12/2007)
Włącznik zmierzchowy – timer
(EP 7/1999)
Przełącznik zmierzchowy
(EdW 1/1998)
Wykaz elementów:
R1: 47 kV
R2: 4,7 kV
PH1: fotorezystor FR28/500
C1, C2: 10 mF/16V
T1: BC879
D1: 1N4148
CON1, CON2: ARK2
RL1 przekaźnik JRC27F
Elektroniczna bombka
Wielkimi krokami zbliża
się dzień, w którym trzeba
ubrać świąteczną choinkę.
Prezentowany miniprojekt będzie
urozmaiceniem wśród ozdób
choinkowych.
Schemat ideowy bombki pokazano na
rysunku 1. Z tranzystorów T1 i T2, rezyELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011
AVT
1654
41
Różnego rodzaju automatyczne
przełączniki, także te reagujące
na zmiany oświetlenia, są często
budowane przez elektroników
i praktycznie stosowane
w różnych miejscach. Ich
popularność wzrosła jeszcze
bardziej wraz ze wzrostem
popularności oświetlenia
„ledowego”.
AVT-1555 Elektroniczna choinka (EP 12/2009)
Rysunek 1. Schemat ideowy elektronicznej bombki
10 wyjść, na
których w takt
sygnału zegarowego doprowadzonego
do nóżki 14
krąży jedynka
logiczna. Wyjścia licznika
zasilają diody
LED.
Łatwo
domyślić się,
Rysunek 2. Schemat montażowy elektronicznej bombki – propozycja 1
że w danym
momencie
świeci
tylko
jedna dioda,
jednak multiwibrator astabilny generuje
sygnał taktujący o tak dużej
częstotliwości,
iż obserwator
ma złudzenie
jednoczesnego migotania
Rysunek 3. Schemat montażowy elektronicznej bombki – propozycja 2
wszystkich
diod jednoczestorów R2…R5 oraz kondensatorów C1 i C2
śnie. Wybrano taki sposób zasilania diod,
zbudowano multiwibrator astabilny generuponieważ układ może być zasilany z baterii
jący przebieg prostokątny, który jest sygnai dzięki temu osiągnięto znaczną oszczędłem taktującym układ licznika pierścienioność energii, a tym samym – wydłużono do
wego U1 (4017). To licznik Johnson’a mający
maksimum czas jej funkcjonowania. Częstot-
Gwiazdka
Wielkimi krokami zbliżają się
Święta Bożego Narodzenia,
a lada moment na ulicach
pojawią się świecące ozdoby
witryn sklepowych. Prezentujemy
łatwy do wykonania, a zarazem
ciekawy efekt LED, który imituje
rozbłyskującą gwiazdę. Można
ją zawiesić na choince lub
w oknie czy nawet dla ozdoby
postawić na półce.
42
Wykaz elementów:
R1: 470 V (SMD, 0805)
R2, R5: 1 kV (SMD, 0805)
R3, R4: 56 kV (SMD, 0805)
C1, C2: 100 nF (SMD, 1206)
C3: 10 mF (SMD, „A”)
U1: 4017 (SO-16)
T1, T2: BC847 (SOT-23)
D1...D10: diody LED (SMD 0805 białe)
liwość generatora można regulować zmieniając pojemność kondensatorów C1 i C2 (10
nF...1 mF). Trzeba przy tym mieć na uwadze,
że wyższa częstotliwość pracy i dłuższy czas
świecenia powodują wzrost zapotrzebowania na energię zasilającą.
Na rysunku 2 i rysunku 3 pokazano schematy montażowe dwóch bombek. Różnią się
one wyświetlanym wzorem i rozmieszczeniem komponentów, natomiast schemat elektryczny jest taki sam. Zastosowano elementy
są w obudowach SMD.
Prawidłowo zmontowana bombka działa
od razu po dołączeniu zasilania. Powinno
ono mieścić się w zakresie 5...12 VDC. Jasność
świecenia diod będzie różna dla różnych
napięć zasilania. Korygować ją można zmieniając wartość rezystora R1. Przewody zasilające należy dolutować do nieocynowanych
pól przy kondensatorze C3. Doskonały efekt
tworzy kilka lub kilkanaście bombek. Ich
zasilania można połączyć równolegle i zasilić z jednego zasilacza wtyczkowego. Otwór
przy kondensatorze C3 jest przeznaczony dla
zawieszki wykonanej z kolorowej wstążeczki, dzięki której bombki będą jeszcze lepiej
wyglądały na choince.
AW
AVT
1653
Na rysunku 1
pokazano schemat
ideowy gwiazdki.
Układ U1 to 14-bitowy licznik binarny typu 4060. Jest
on bardzo wygodny
w użyciu w aplikacjach, które wymagają licznika i generatora, ponieważ
w jego strukturze
umieszczono
obELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011
Zawsze
znajdziesz, przejrzysz i kupisz aktualny numer „Elektroniki Praktycznej”
MINIPROJEKTY
wody generatora, którego częstotliwość może być ustalana
za pomocą rezonatora kwarcowego lub elementów RC.
Na zewnątrz układu dostępne są jedynie wyjścia Q4…
Q14 licznika. Nie przeszkadza
to w konstrukcji gwiazdy, ponieważ do sterowania świeceniem diod LED użyto tylko
wyjść Q5...Q8.
Rezystancje R5, R6, PR1
i kondensator C3 ustalają częstotliwość pracy generatora Rysunek 1. Schemat ideowy elektronicznej gwiazdy
zbudowanego na wewnętrznych bramkach układu U1. Jak można domyślić się, szybkość migotania diod LED można
regulować za pomocą potencjometru PR1.
Schemat montażowy gwiazdy zamieszczono na rysunku 2. Wykonano ją na laminacie jednostronnym. Urządzenie jest łatwe
w montażu, ponieważ zastosowano elementy przewlekane, które nie wymagają żadnych
nastaw czy zaprogramowania. Po prawidłowo wykonanym montażu należy dołączyć
zasilanie 5...12 VDC i wyregulować częstotliwość potencjometrem PR1 według własnych
upodobań. Dioda D14 zabezpiecza układ
przed odwrotną polaryzacją napięcia zasilania. Od strony lutowania można przykręcić
za pomocą dwóch śrub koszyk na baterię 9 V
(6F22).
Rysunek 2. Schemat montażowy elektroAW
nicznej gwiazdy
Uniwersalny moduł wykonawczy
Schemat ideowy modułu pokazano na rysunku 1, natomiast montażowy na rysunku 2.
Elementem wykonawczym układu jest przekaźnik sterowany tranzystorem T1. Dioda LED1
informuje o fakcie załączenia przekaźnika, natomiast o jego załączeniu decyduje dodatni sygnał pojawiający się na wejściu S złącza CON1.
Rysunek 1.
Wykaz elementów:
R1...R4: 330 V
R5: 910 kV
R6: 1 kV
PR1: 500 kV
C1: 100 nF
C2: 47...100 mF
C3: 47 nF
U1: 4060
D1...D13: LED 3 mm
D14: 1N4007
ARK2 3,5 mm – 1 szt.
AVT
1656
Przekaźnik może również być wysterowany
bezpośrednio ze złącza CON2. W egzemplarzu
modelowym zastosowano przekaźnik z cewką
na 12 VDC, o dopuszczalnym prądzie obciążenia
styków 16 A przy napięciu 230 VAC.
EB
Rysunek 2.
Wykaz elementów:
R1: 4,7 kV
R2: 10 kV
R3: 1 kV
LED: dioda LED
D1: 1N4148
T1: BC547
PK1: RM83P12(5), RM96P12(5) lub podobny
F1: bezpiecznik
43
Układ nieskomplikowanego modułu
wykonawczego, który umożliwia
przełączanie na przykład
napięcia sieci energetycznej
sygnałem z większości układów
elektronicznych.
(zarówno w wersji papierowej, jak i elektronicznej) na www.UlubionyKiosk.pl
MINIPROJEKTY
U K Ł A D Y Ł A D O WA R E K T E M AT N U M E R U
WYBÓR KONSTRUKTORA
Układy scalone
do ładowarek
akumulatorów
W artykule zaprezentowano przegląd układów scalonych
przeznaczonych do budowy ładowarek do akumulatorów o różnych
rodzajach substancji chemicznych użytych do ich konstrukcji.
Zależnie od rodzaju elektrolitu i materiału tworzącego elektrody,
akumulatory różnią się charakterystykami ładowania i rozładowania,
mają też różne własności. W wykazach ujęto produkty firm
Microchip, Texas Instruments (w tym przejętego przezeń National
Semiconductor), Maxim oraz Linear Technology. Układy te są
dostępne w ofertach polskich dystrybutorów.
Ze względu na obszerne tabele pełny
tekst artykułu zamieściliśmy na płycie
CD-EP 12/2011 oraz serwerze FTP
ładowany – to wydłuży czas jego funkcjonowania.
Jest to też powodem, dla którego w wielu ładowarkach fabrycznych wbudowuje się liczniki cykli
ładowania akumulatorów NiCd lub NiMH niejako
prognozujące zużycie się akumulatora. Akumulatory pochodzące od producenta dbającego o swoją
Na rynku dostępnych jest coraz więcej urzą-
fabrycznych spotyka się nieskomplikowane ukła-
markę mają w parametrach technicznych podaną
dzeń, do zasilania których stosuje się akumulato-
dy z transformatorem sieciowym i prostownikiem
minimalną, gwarantowaną liczbę cykli ładowania,
ry lub baterie. O ile jeszcze kilka lat temu bardzo
diodowym, jedno- lub dwupołówkowym, ponieważ
dla której zachowują swoją pojemność. Warto przy
popularne były akumulatory NiCd, a następnie
ładując akumulatory NiCd lub NiMH napięciem
okazji wspomnieć, że efekt pamięciowy jest słabszy
NiMH, to współcześnie królują przede wszystkim
impulsowym wydłuża się ich trwałość. Niegdyś
w wypadku ogniw NiMH, które mają przy tym po-
różne rodzaje akumulatorów litowych (Li-Ion, Li-
można było kupić tzw. szybkie ładowarki akumula-
jemność o ok. 30% wyższą, niż odpowiadające im
Po, LiFePO4). W sprzęcie popularnym, ze względu
torów NiCD, które wymagały pomiaru temperatury
wymiarami ogniwa NiCd, ale z drugiej strony są one
na bardzo dobre parametry oraz niski ciężar, stoso-
ogniwa, ale dziś zamiast szukać układów scalonych
też mniej odporne na podwyższoną temperaturę.
wane są przede wszystkim akumulatory Li-Ion (li-
do tych ładowarek chyba dobrze jest założyć, że
Układy scalone ładowarek dostępne w handlu
towe-jonowe), ostatnio coraz częściej zastępowane
akumulatory NiCd lub NiMH muszą być po prostu
są przeznaczone przede wszystkim do ładowania
przez Li-Po (litowo-polimerowe) lub LiFePO4 (lito-
ładowane przez pewien określony (niestety, zwykle
różnych odmian akumulatorów litowych. Prąd ich
wo-żelazowe). Oprócz nich, w urządzeniach wyma-
dość długi) czas. Z zasady, im mniejszy jest prąd ła-
ładowania jest dosyć wysoki, ale trzeba pamiętać, że
gających akumulatora o dużej pojemności, chyba
dowania, tym lepiej dla akumulatora, ponieważ zja-
przy nieumiejętnym obchodzeniu się taki akumu-
przede wszystkim ze względu na niską cenę, nadal
wiska niepożądane mają wówczas mniejszy wpływ
lator może eksplodować! Dlatego te układy scalone
stosowane są akumulatory kwasowe z elektrodami
na procesy ładowania i starzenia się. Po naładowa-
mają wbudowane różnego rodzaju zabezpieczenia,
wykonanymi z ołowiu i elektrolitem na bazie kwa-
niu nie będzie też niebezpieczeństwa przegrzania
które chronią akumulator przez uszkodzeniem.
su siarkowego, ostatnio wykonywane głównie jako
się akumulatora, gdy jego napięcie na skutek prze-
Z drugiej strony, jako użytkownicy urządzenia,
bezobsługowe z elektrolitem żelowym. Szczegóło-
ładowania nieznacznie spadnie. Niemniej, przeła-
chcemy, aby jego bateria została naładowana jak
we informacje na ich temat można znaleźć w innym
dowanie to zjawisko niekorzystne i powinno się mu
najszybciej. Istnieje nawet zalecenie, które mówi, że
artykule, tu skupmy się na układach do ładowarek.
przeciwdziałać.
w przeciągu 30 minut akumulator urządzenia prze-
W handlu dostępne są przede wszystkim ukła-
W akumulatorach NiCd i NiMH występuje tzw.
nośnego powinien być naładowany w co najmniej
dy przeznaczone do konstruowania ładowarek
efekt pamięci. Polega ono na tym, że akumulator
70% swojej pojemności. Dlatego producenci ukła-
akumulatorów litowych, ponieważ tak naprawdę
częściowo rozładowany i następnie naładowany
dów scalonych implementują w nich specjalne al-
akumulatory kwasowe, NiMH i NiCd nie wymagają
po kilku takich cyklach zachowywał się tak, jakby
gorytmy ładowania, często wymagające dołączenia
jakiejś szczególnej „troski”. Nie są one zbyt wrażli-
miał pojemność równą pojemności doładowywa-
np. termistora mierzącego temperaturę ładowanego
we na przeładowanie, więc wystarczy nadzorować
nej, a nie nominalnej. Aczkolwiek jest to zjawisko
ogniwa.
napięcie oraz wartość natężenia płynącego prądu
odwracalne (należy kilkakrotnie całkowite rozła-
Przy ładowaniu akumulatorów litowych skła-
przez określony czas wynikający z podzielenia po-
dować i naładować akumulator), to dla żywotności
dających się z wielu ogniw często stosuje się tzw.
jemności akumulatora przez prąd ładowania. Do
akumulatora, niezmiernie istotna jest jego prawidło-
balansery. To nie są żadne „czary-mary”, ale jeden
tego wystarczy zwykły układ czasowo-licznikowy
wo eksploatacja. Lepiej, aby akumulator był rozła-
ze sposobów wydłużenia czasu eksploatacji ogniw.
i zasilacz prądu stałego. Często w rozwiązaniach
dowywany do wartości minimalnej, a następnie
Bateria akumulatorów ładowana z użyciem balanse-
Wśród parametrów akumulatora duże znaczenie ma tzw. parametr jednogodzinny „C”, Określa on taką
wartość prądu rozładowania, która rozładuje akumulator w ciągu 1 godziny i dlatego może być utożsamiany z pojemnością akumulatora wyrażoną nie w Ah, ale w samych A. Jeśli np. akumulator NiMH ma pojemność 2400 mAh to oznacza, że maksymalny prąd rozładowania wynosi 2400 mA (1 godz.×2400 mA).
Prąd ładowania zwykle ma wartość ułamka prądu rozładowania i dlatego wyraża się go jako iloczyn ułamka i parametru „C” np. „0.2C”, co oznacza, że maksymalny, dopuszczalny prąd ładowania to 480 mA
(0,2×2400 mA).
46
ra musi mieć specjalną konstrukcję – powinna być
wyposażona w złącze umożliwiające pomiar napięcia indywidualnie na każdym z ogniw. Zwykle balansery są nadzorowane przez mikrokontroler, który
nadzoruje wyrównanie poziomu energii w każdym
ogniwie oraz napięcie występujące na każdym
z nich. W bateriach ogniw połączonych szeregowo
Układy scalone do ładowarek akumulatorów
Rysunek 1. Schemat ideowy aplikacji układu LTC1731-4.2
se) zawiera tranzystor MOS, który
Przykład aplikacji ładowarki z układem linio-
załącza prąd/napięcie ładowania ze
wym typu LTC1731-4.2 pokazano na rysunku 1.
zmiennym współczynnikiem wypeł-
Jest ona przeznaczona do ładowania pojedynczego
nienia, zależnym od poziomu energii
ogniwa litowego (najczęściej w praktyce będzie to Li
w ładowanym akumulatorze.
-Ion). Mimo miniaturowych wymiarów i nieskom-
Rozpatrując parametry i cechy
plikowanej budowy, ładowarka ma całkiem „przy-
użytkowe ładowarek można posłużyć
zwoite” parametry: prąd obciążenia może wynosić
się analogią do zasilaczy: ładowarki
aż do 2 A. Układ sygnalizuje pracę za pomocą diody
liniowe i PWM są łatwiejsze w bu-
LED dołączonej do wyprowadzenia 2. LTC1731 jest
dowie, ale mają mniejszą sprawność.
produkowany w dwóch wersjach: do ładowania ba-
Ładowarki
zawierają
terii akumulatorów składających się z 1 (przyrostek
więcej komponentów, są trudniejsze
–4.2) lub 2 (–8.4) ogniw. Minimalne napięcie wej-
w budowie, ale jednocześnie marnują
ściowe układu wynosi 4,5 V, maksymalne 12 V.
impulsowe
mniej energii.
Przykładem uniwersalnego układu liniowego
Na koniec warto dodać, że przyjmuje się cha-
jest LT4059. Jego aplikację pokazano na rysunku 2.
rakterystyczne wartości napięcia dla ogniw nałado-
Ładowarką zbudowaną z jego użyciem można łado-
wanych do wartości nominalnej:
wać akumulatory litowe (Li-Po, Li-Ion) oraz niklowe
• Li-Ion: 3,6 V.
(NiCd, NiMH) z pojedynczym ogniwem. Minimalne
• Li-Pol, LiFePO4: 3,7 V.
napięcie wejściowe wynosi 3,75 V, maksymalne 8 V.
• NiCd, NiMH: 1,2 V.
Natężenie prądu ładowania wynosi 0,9 A. Dzięki
Odczytując z karty katalogowej układu liczbę
ładowanych ogniw można oszacować napięcie do-
swoim parametrom układ doskonale nadaje się do
budowy ładowarek zasilanych z portu USB.
starczane przez ładowar-
Rysunek 2. Schemat ideowy aplikacji
układu LTC4059
kę oraz wymagane napięcie wejściowe zasilające
ładowarkę.
może bowiem zdarzyć się, że sumaryczne napięcie
Najprostszy
algo-
całkowite wszystkich ogniw jest prawidłowe, ale in-
rytm ładowania polega
dywidualne napięcia na poszczególnych ogniwach
na dołączeniu do aku-
są złe. Posłużymy się przykładem pakietu akumula-
mulatora źródła napięcia
torów używanych przez modelarzy, składającego się
stałego o parametrach
z 3 ogniw Li-Po. Napięcie znamionowe takiego pa-
dostosowanych do ła-
kietu wynosi 11,1 V (3×3,7 V). Podczas ładowania
dowanego akumulatora.
nie wolno przekraczać napięcia 4,2 V na ogniwo, co
Na przykład pakiet 4
oznacza, że napięcie wyjściowe ładowarki nie może
połączonych szeregowo
być wyższe niż 12,6 V. Jednak na skutek rozrzutu
ogniw NiMH o wymia-
parametrów ogniw może zdarzyć się, że rozkład
rach paluszków AA moż-
napięć na nich jest nierównomierny i wynosi np.
na ładować z użyciem
4 V+4,5 V+4,1 V, a ogniwo, na którym występuje
zasilacza prądu stałego
napięcie 4,5 V może zostać uszkodzone. Takiej sytu-
5 V/300 mA. Jeśli ogni-
acji unika się, gdy jest używany balanser – każdemu
wa
z ogniw jest dostarczane tyle energii, ile potrzebuje,
2450 mAh (np. Energi-
bez ryzyka przeładowania czy niedoładowania.
zer), to zasilacz należy
mają
pojemność
Rysunek 3. Schemat ideowy aplikacji układu LT4012
Niestety, nie wszystkich omawianych przez nas
odłączyć po upływie 11
rozwiązań da się użyć w produkcji małoseryjnej, a to
godzin. Podobnie można
ze względu na rodzaj obudowy układu. Na przykład
ładować akumulatory litowe – nie-
niektóre z doskonałych skądinąd układów z serii bq
wielkim prądem przez pewien czas.
(Texas Instruments) mają miniaturowe obudowy
Jednak w ich wypadku znacznie lepiej
z rodzaju BGA i są przeznaczone do zabudowania
sprawdzą się różne wyrafinowane, in-
w przenośnych odtwarzaczach multimedialnych,
teligentne algorytmy implementowa-
sprzęcie medycznym, telefonach komórkowych,
ne przez producentów.
a wiec sprzęcie produkowanym masowo. Dlatego
powierzchnia obudowy takiego układu waha się
Linear Technology
w okolicach co najwyżej kilku milimetrów kwadra-
Wykaz układów do ładowarek
towych, a sam układ jest trudny do zamontowania
produkowanych przez firmę Linear
bez specjalistycznego oprzyrządowania.
Technology zamieszczono w tabeli 1.
Analogicznie jak zasilacze, produkowane są
Wśród nich można znaleźć układy li-
dwa typu ładowarek: liniowe i impulsowe. Jednak
niowe i impulsowe. Większość z nich
inaczej niż w zasilaczach, dostępne są również ła-
jest przeznaczona do ładowania aku-
dowarki PWM. O ile ładowarki impulsowe regulują
mulatorów litowych i ma możliwość
napięcie wyjściowe i prąd obciążenia w taki spo-
ładowania od 1 do 6 ogniw połączo-
sób, jak zasilacz impulsowy, o tyle ładowarka PWM
nych ze sobą szeregowo. W ofercie LT
(trudno znaleźć dla jej nazwy ekwiwalent w języku
są również dostępne układy przezna-
polskim, w języku angielskim oba typy układów są
czone do ładowania akumulatorów
rozróżniane za pomocą terminów switching i pul-
NiCd i NiMH, od 1 do 18 ogniw.
Rysunek 4. Schemat ideowy aplikacji układu MAX7813
47
T E M AT N U M E R U
A KU M U L AT O R Y
NOTATNIK KONSTRUKTORA
Nowoczesne akumulatory
i ogniwa elektryczne
Wybór odpowiednich akumulatorów to kluczowa kwestia przy
projektowaniu urządzeń przenośnych. Ma ona znaczenie także
w wielu aplikacjach stacjonarnych, w których akumulator jest
zapasowym źródłem energii. Dlatego jest ważne, by dobrze
orientować się we własnościach poszczególnych rodzajów
akumulatorów, które to parametry wynikają z rodzaju elektrolitu
i materiałów użytych do budowy.
Dobór akumulatora do urządzenia polega nie
Budowa akumulatorów
stości mocy. W tej kategorii najgorzej spośród popularnych akumulatorów wypadają ogniwa NiCd
(niklowo-kadmowe) a najlepiej: Li-Po (litowo-polimerowe). Należy jednak zaznaczyć, że dostępna
moc, a nawet w praktyce dostępna energia zależą
od parametrów pracy akumulatora tj. pobieranego prądu i temperatury ogniwa. Wartości podawane przez producentów zawsze odnoszą się do
warunków wzorcowych.
Ponieważ w trakcie nieużywania akumulato-
tylko na wyborze jego napięcia i pojemności, ale
Akumulatory składają się z pojedynczego lub
ra i tak zachodzą w nim różne zjawiska chemicz-
także na określeniu szeregu warunków pracy, na
z wielu zazwyczaj połączonych szeregowo ogniw.
ne, z czasem ulega on samorozładowywaniu. Jest
jakie będzie narażony. Ważne są: przewidywa-
Ogniwa (czasami zwane celami) złożone są ze
to przypadłość przede wszystkim ogniw Ni-MH,
ne prądy, z jakimi będzie pracował akumulator,
związków chemicznych, które tworzą elektrody
które tracą najczęściej ok. 30% ładunku na mie-
długość jego cykli ładowania oraz przewidywany
i składają się na elektrolit. W praktycznie wszyst-
siąc. Ogniwa zużywają się także w trakcie pracy.
maksymalny stopień rozładowania, oczekiwany,
kich ogniwach, za wyjątkiem kwasowo-ołowio-
Stąd ich żywotność określa się w cyklach łado-
całkowity czas funkcjonowania urządzenia za-
wych, wyróżnia się dwie elektrody zanurzone
wania i rozładowania. Zawiera się ona najczę-
nim nastąpi konieczność wymiany akumulatora,
w elektrolicie. W akumulatorach z kwasem, elek-
ściej w zakresie od kilkuset do kilku tysięcy, ale
temperatura otoczenia, wymagania odnośnie do
trolit pełni funkcję nie tylko buforową i transpor-
trzeba pamiętać, że czasem ważny jest też stopień
bezpieczeństwa, a także ciężar, kształt, czy też
tową dla ładunku, ale jest również elektrodą.
rozładowania, od którego może istotnie zależeć
sposób użytkowania projektowanego urządzenia.
Akumulatory różnią się od typowych baterii
Istotny jest też sam proces ładowania, ponieważ
jednorazowych tym, że zachodzące w nich w trak-
Czas funkcjonowania akumulatora można
poszczególne akumulatory zasila się prądem
cie pracy procesy chemiczne można odwrócić za
również określić w przewidywanych latach,
o różnym natężeniu, a ze względu na własności
pomocą prądu elektrycznego. Procesy te to: zacho-
które zazwyczaj są górną granicą, do której do-
fizykochemiczne można stosować różne sposoby
dzące na anodzie utlenianie oraz redukcja na kato-
trwają tylko akumulatory pracujące w bardzo ko-
ładowania. Dlatego też wybór akumulatora deter-
dzie. Role katody i anody zmieniają się w zależno-
rzystnych warunkach. Naturalnie, do warunków
minuje rodzaj ładowarki i jej „inteligencję”.
ści od tego czy akumulator pracuje samoczynnie,
pracy zalicza się też temperatury, których zakres
czy jest ładowany. Wynika to z faktu, że w trakcie
tolerancji różni poszczególne grupy ogniw.
Podział akumulatorów
rzeczywista żywotność akumulatora.
rozładowywania, utleniająca się elektroda ujemna
Oczywiście, poszczególne rodzaje akumu-
Akumulatory można podzielić na dwa spo-
oddaje elektrony podlegającej redukcji na elek-
latorów charakteryzują się różnymi kosztami
soby. Pierwszym z kryteriów jest rodzaj zastoso-
trodzie dodatniej i powodując przepływ prądu.
w przeliczeniu za watogodzinę energii, ale ich
wanego elektrolitu. Stąd dzielimy je na ogniwa
W trakcie ładowania proces ten jest odwracany.
ceny znacznie zależą też od producenta i zasto-
kwasowe lub zasadowe. Obecnie, te pierwsze są
Właściwości zastosowanych materiałów, z któ-
sowanych usprawnień. W zależności od wykona-
produkowane wyłącznie jako ogniwa kwasowo-
rych wykonane są elektrody oraz cechy procesów
nia, będą też różniły się prądem znamionowym,
ołowiowe, podczas gdy do drugiej grupy należą
redukcji i utleniania sprawiają, że poszczególne
sumaryczną pojemnością i kształtem.
praktycznie wszystkie pozostałe rodzaje ogniw.
rodzaje ogniw istotnie różnią się między sobą pa-
Drugie kryterium podziału dotyczy konstrukcji obudowy. Wyróżnia się akumulatory otwarte
i zamknięte. Te pierwsze pozwalają na dosyć ła-
rametrami użytkowymi (nie tylko elektrycznymi).
Problemy z ogniwami
Parametry akumulatorów
nie związane z wieloma trudnościami, które na-
Korzystanie z akumulatorów jest nierozłącz-
twe uzupełnianie elektrolitu, są bardziej odporne
Ogniwa galwaniczne w akumulatorach ce-
leży rozważyć projektując urządzenie. Jednym
na nadmierne przeładowanie, gdyż nie powstaje
chują się przede wszystkim różnymi wartościa-
z najbardziej znanych lub raczej popularnych
w nich nadmierny wzrost temperatury ani ciśnie-
mi generowanego napięcia. Dla naładowanych
zjawisk powodujących problemy jest tzw. efekt
nia w trakcie ładowania, ale ich elektrody łatwiej
ogniw mieści się ono w zakresie od 1,2 V dla
pamięci. Polega on na tym, że gdy ogniwo jest
ulegają zniszczeniu ze względu na kontakt z po-
NiCd i NiMH do 3,7 V dla Li-Po. Bardzo waż-
ładowane, zanim zostanie zupełnie rozładowane,
wietrzem atmosferycznym. Akumulatory zamknię-
nym parametrem jest też gęstość energii, która
pozornie zachowuje się tak, jakby jego pojemność
te są bardziej odporne na uszkodzenia mechanicz-
mówi o tym ile watogodzin można uzyskać z ki-
zmniejszyła się do ilości ładunku dostarczonego
ne, ale w trakcie ładowania powstają w nich gazy,
lograma ciężaru ogniwa. Wartość ta wynosi od
od momentu rozpoczęcia ładowania. Uważa się,
co powoduje wzrost ciśnienia wewnątrz obudowy.
ok. 30…45 Wh/kg do ok. 160…250 Wh/kg dla
że najbardziej podatne na to zjawisko są akumula-
Ponieważ akumulatory zamknięte od dłuższego
ogniw Li-Ion (litowo-jonowych). Zdarza się, że
tory NiCd (niklowo-kadmowe), ale w rzeczywisto-
czasu produkuje się z membranowymi wentyla-
jest wyrażana również z watogodzinach na litr,
ści nie jest ono silne, nie jest zupełnie nieodwra-
mi, które umożliwiają wydostawanie się gazów
gdyż niekiedy ważniejsza jest miniaturyzacja, niż
calne i w końcu w pewnym stopniu pojawia się
bez wydostawania się ciekłego elektrolitu, wiele
ograniczanie ciężaru projektowanego urządzenia.
także w innych rodzajach akumulatorów. W prak-
z istotnych dawniej trudności z ich użytkowaniem
Zdolność do oddawania ładunku będzie jed-
tyce objawia się ono przede wszystkim spadkiem
nak zależała nie tyle od gęstości energii, co od gę-
napięcia na ogniwie, co nie jest jednoznaczne
straciło na znaczeniu.
50
BTO Sp. z o.o. zajmuje się dystrybucją baterii, akumulatorów,
pakietów akumulatorów, ładowarek i innych artykułów
elektrotechnicznych. Obecnie w ofercie firmy można znaleźć
praktycznie każdą baterię i akumulator – od popularnego
„paluszka” do baterii zasilających awionikę myśliwców F16.
Fot. 1. Typowe ogniwa przemysłowe
używane do produkcji pakietów
Strategia BTO opiera się o rozwój uzyskiwany poprzez wprowadzanie nowych rozwiązań i innowacji a także o dbałość o jakość
oferowanych produktów. Dlatego też firma
zainwestowała w utworzenie laboratorium
w którym jesteśmy w stanie zbadać praktycznie wszystkie oferowane przez nas baterie
i akumulatory. W 2005 r. BTO podjęło współpracę techniczną i handlową z Vitzrocell –
koreańskim producentem baterii litowych.
Od 2007 r. mamy certyfikat dostawcy NATO
oraz Świadectwo Wiarygodności Krajowego
Dyrektora ds. Uzbrojenia. Od wielu lat firma
ma stronę internetową, na której promuje
swoje produkty i usługi – www.bto.pl. Strona ta umożliwia zarówno zakupy detaliczne,
jak i hurtowe. Dla upowszechnienia wiedzy
specjalistycznej o technologii i produkcie
stworzyliśmy także specjalistyczną stronę
o bateriach litowych: www.baterielitowe.pl.
Technologie litowe
To właśnie technologie litowe od pewnego czasu stały się naszą specjalnością. Poza
Fot. 2. Bateria litowa z wyprowadzeniem
osiowym
szeroką ofertą specjalistycznych baterii litowych o napięciach 3,6 V i 3 V oferujemy też
ogniwa i pakiety akumulatorów w technologiach litowych, których wybrane modele
prezentujemy na stronie www.bto.pl w zakładce „pakiety akumulatorów”.
Pakiety stosuje się ze względu na niskie
napięcie pojedynczych ogniw. W przypadku
technologii NiMh, ogniwa łączy się praktycznie tylko szeregowo. Nieco inaczej sprawa wygląda dla technologii litowych. Tam po spełnieniu kilku warunków buduje się pakiety oparte
o szeregowe i równoległe łączenie ogniw.
Precyzyjne zgrzewanie
Budowa ogniw całkowicie wyklucza
wykonywanie połączeń metodą lutowania.
Jedyną technologią pozwalającą bezpiecznie
i pewnie wykonywać tę operację jest zgrzewanie. Ze względu na specyfikę budowy ogniw
litowych, używane mikrozgrzewarki muszą
zapewniać bardzo dużą dokładność dawkowania energii – większą niż dla technologii
tradycyjnych. W BTO w procesie zgrzewania stosujemy obecnie najnowsze zgrzewarki
Miyachi. Pozwala to na uzyskanie najwyższej
jakości zgrzewanych pakietów.
Proces zgrzewania jest tylko jednym z wielu etapów tworzenia pakietów akumulatorów,
ale należy pamiętać, że każdy pakiet będzie na
tyle dobry, na ile jest jego najsłabszy element.
Jak wiadomo pakiety te są budowane z pojedynczych ogniw, dlatego od jakości pojedynczego ogniwa zależy trwałość i wydajność
całego pakietu. By budować dobrej jakości
pakiety akumulatorów konieczne jest selekcjonowanie ogniw używanych w dalszym procesie produkcyjnym. Nawet najlepsi producenci
ogniw dopuszczają pewną tolerancję deklarowanych parametrów. Proces selekcji pomaga
dobrać ogniwa do pakietu tak, by jak miały jak
najbardziej zbliżone parametry. Ze względu
na to, że w technologiach litowych powszechnie stosuje się równoległe łączenie ogniw dla
zwiększania pojemności, proces ten musi być
wykonywany ze szczególną dokładnością.
Dodatkowe informacje:
BTO Sp. z o.o., ul. Fabryczna 25 (budynek A),
90-341 Łódź, tel.42 672 42 02, faks 42 672
47 87, [email protected], www.bto.pl
Sklep „Bateryjka”, ul. Dąbrowskiego 17/21,
Łódź, tel. 42 663 54 38, [email protected]
Z tego powodu konieczny jest
pomiar kilku cech
każdego
pojedynczego ogniwa przed
montażem w pakiety: pojemności,
napięcia i rezystan- Fot. 3. Pakiet BTO Licji
wewnętrznej. Ion 7,4 V 6600 mAh
Wszystkie produkowane przez BTO pakiety przechodzą ten etap
produkcyjny.
Warto wspomnieć, że jako jedyna firma
w Polsce, BTO ma specjalistyczne oprzyrządowanie do zgrzewania wyprowadzeń osiowych do baterii litowych.
LiFePo4
Od początku bieżącego roku BTO szczególnie intensywnie pracuje nad rozwojem
technologii litowej LiFePo4. Jest ona bardzo
obiecująca i choć ma nieco mniejsze napięcie pojedynczego ogniwa (3,2 V) to jest
znacznie bezpieczniejsza i trwalsza (do ok.
2000 cykli). Niestety wymaga znacznie bardziej zaawansowanych układów kontroli
BMS (Battery Management System). Właśnie
LiFePo4 ma największe szanse niebawem
upowszechnić się m.in. w samochodach
elektrycznych.
Fot. 4. Sterownik zgrzewarki Miyachi
57
Akumulatory i pakiety
akumulatorowe BTO
A KU M U L AT O R Y
Temat
PREZENTACJE
A KU M U L AT O R Y
PODZESPOŁY
Akumulatory Li-Ion
Ekologiczna świadomość przeciętnego obywatela nie jest
wielka, trudno więc jednoznacznie stwierdzić czy popularność
akumulatorków stosowanych do zasilania przenośnego sprzętu
elektronicznego wynika z dbałości o naszą Matkę – Ziemię, czy
po prostu z oszczędności. Długa żywotność akumulatorów może
stanowić potencjalne zagrożenie dla popytu na te elementy,
mimo to laboratoria wszystkich znanych producentów baterii
i akumulatorów bezustannie pracują nad nowymi rodzajami ogniw
elektrycznych.
Akumulatory Litowo-Jonowe (Li-Ion)
to produkt stosunkowo nowy, ale szybko zdobywający uznanie użytkowników.
Wpływa na to bardzo korzystne porównanie ich cech z wcześniej stosowanymi
akumulatorami NiCd i NiMH.
Li-Ion kontra NiCd i NiMH
Jedną z najistotniejszych zalet akumulatorów Li-Ion jest wysoka gęstość
energii odnoszona do masy akumulatora. Przykładowo, parametr ten dla ogniw
NiCd typowo wynosi 45...80 Wh/kg, dla
ogniw NiMH 60...120 Wh/kg, a dla Li-Ion
110...160 Wh/kg. Wysoka gęstość energii
akumulatorów pozwala znacznie obniżyć
Rysunek 1. Charakterystyka rozładowania
akumulatorów NiCd, NiMH i Li-Ion
58
wagę zasilanych nimi urządzeń, co jest
szczególnie istotne w przypadku laptopów i telefonów komórkowych, ale również cyfrowych aparatów fotograficznych
i kamer wideo. Kolejną, bardzo ważną dla
użytkownika cechą akumulatorów Li-Ion
jest całkowity brak efektu pamięciowego
i tzw. „leniwego ogniwa”, z którym borykają się posiadacze akumulatorów odpowiednio NiCd i NiMH. Przypomnijmy,
że chodzi o zmniejszanie się pojemności
ogniwa w przypadku, gdy nie zostało ono
dostatecznie rozładowane przed kolejnym
ładowaniem. Akumulatory Li-Ion można
bez obaw o pogorszenie parametrów doładowywać w razie potrzeby – nie muszą
przechodzić pełnego cyklu ładowania.
Napięcie ogniwa Li-Ion jest znacznie
większe niż w ogniwach NiCd i NiMH. Wynika to z jego budowy wewnętrznej i zachodzących w nim zjawisk elektrochemicznych.
Elektrolitem są tu sole litu rozpuszczone
w związkach organicznych. Jony litu przemieszczają się pomiędzy katodą wykonaną
z tlenków metali a anodą wykonaną z poro-
Transfer Multisort Elektronik, 93-350 Łódź,
ul. Ustronna 41, [email protected], www.tme.pl,
tel.: 42-645-55-55, faks: 42-645-55-00
watego węgla (grafitu). Średnie napięcie wyjściowe ogniwa Li-Ion jest równe ok. 3,6 V,
maleje ono stopniowo w miarę rozładowywania od dopuszczalnej wartości maksymalnej
do minimalnej. Z praktycznego punktu widzenia, jest to cecha korzystna, gdyż pozwala
na bieżąco kontrolować stopień rozładowania akumulatora na podstawie jego napięcia.
Rysunek 2. Budowa pojedynczego ogniwa Li-Ion z serii CGR18650
PA K I E T Y
PREZENTACJE
Pakiety bateryjne
i akumulatorowe
Dostępne na rynku pojedyncze
akumulatory i baterie
nie zawsze odpowiadają
wymaganiom wynikającym
z założeń projektowych
tworzonego urządzenia.
Samodzielne łączenie kilku
ogniw w zestaw wymaga
jednak pewnego doświadczenia.
Dlatego warto skorzystać
z gotowych pakietów bateryjnych
i akumulatorowych, oferowanych
przez firmy specjalizujące się
w ich budowie.
Pakiety akumulatorowe i bateryjne produkowane są z różnego rodzajów ogniw
i w najróżniejszych kształtach. Tworzone są
w celu poprawienia parametrów elektrycznych w porównaniu do ogniw pojedynczych.
Aby uzyskać zwiększone napięcie stosuje
się szeregowe połączenie ogniw, dla zwiększenia pojemności – połączenie równoległe,
oraz oczywiście połączenie kombinowane
szeregowo-równoległe, aby uzyskać wzrost
obu parametrów.
Aby zapewnić długa żywotność cykli ładowania i rozładowania, zastosowane w pakiecie ogniwa muszą cechować się
wysoką jakością, stabilnymi parametrami
oraz muszą być odpowiednio dobrane. Nie
mogą zbytnio różnić się między sobą ani
napięciem, ani pojemnością ani też rezystancją wewnętrzną, gdyż mogłoby to ograniczyć
ich wydajność, czy też nawet prowadzić do
uszkodzenia całego urządzenia.
Fot. 1. Pojazd elektryczny Re-Volt, zasilany pakietami firmy Wamtechnik z ogniwami
Kokam o łącznej pojemności ok. 7 kWh, napięciu (bez obciążenia) 133 V, wydajności
prądowej na poziomie 150 A i o dopuszczalnym prądzie maksymalnym 250 A
z odbiorcą, dzięki czemu możliwe jest zapewnienie optymalnych parametrów projektowanego wyrobu.
Projektowane pakiety bateryjne tworzone są z wykorzystaniem najnowszych
dostępnych technologii. Prototypy pakietów przechodzą szczegółowe badania w laboratorium kontroli jakości, w celu weryfikacji spełniania założonych parametrów
eksploatacyjnych. Wamtechnik jest w stanie
zaprojektować pakiet bateryjny dla każdego
zastosowania i w dowolnej konfiguracji.
Projektowanie pakietów
Pakiety dla przemysłu
Firma Wamtechnik projektuje pakiety
do zasilania urządzeń złożone z ogniw pierwotnych i ładowalnych, zgodnie z potrzebami klientów. W procesie projektowania
uwzględniane są indywidualne wymagania
klienta odnośnie napięcia i prądu zasilania,
czasu pracy, dostępnej przestrzeni a także te,
które wynikają z obowiązujących
przepisów.
Wymagania
te są szczeg ó ł o w o
uzgadniane
Najbardziej znaczącą częścią produkcji
pakietów firmy Wamtechnik są modele przeznaczone dla przemysłu. Na przestrzeni lat
wraz z ciągłą zmianą technologii wytwarzania akumulatorów, firma przystosowała linie
produkcyjne do praktycznie każdego rodzaju
akumulatorów i baterii dostępnych na rynku. Dzięki
bogatemu
doświadczeniu, jest
w stanie
sprostać
praktycznie
każdemu
60
Wamtechnik Sp. z o.o., ul. Czajewicza 19,
05-500 Piaseczno, tel. 22 750 21 42,
faks 22 750 21 39, [email protected],
www.wamtechnik.pl
wyzwaniu, związanemu z projektowaniem
pakietów. Najczęściej zestawy bateryjne
tworzone są do instalacji w elektronarzędziach, do urządzeń oświetlenia awaryjnego,
w miernikach oraz w sprzęcie medycznym
i górniczym.
Pakiety do oświetlenia awaryjnego
Znaczna część pakietów produkowanych przez Wamtechnik jest przeznaczona
do oświetlenia awaryjnego. Ich odbiorcami
są najwięksi producenci opraw oświetleniowych - zarówno z Polski, jak i z krajów za-
Tabela 1. Porównanie parametrów pakietu firmy Wamtechnik, stosowanego
w UPS-ach firmy Camco, wykonanego
w oparciu o technologię litowo-jonową, z dotychczas stosowanym akumulatorem kwasowo-ołowiowym
Pojemność
Masa własna
Żywotność
PBSO2 – H2SO4
Li-ion
5 Ah
15 Ah
14,4 kg
10,3 kg
ponad 900
ok. 300 cykli
cykli
B AT E R I E L I T O W E T E M AT N U M E R U
PODZESPOŁY
Baterie litowe Varta
w ofercie firmy Gamma
Nowoczesne systemy pomiaru zużycia mediów muszą cechować
się szeregiem parametrów, dzięki którym mogą działać sprawnie
i przede wszystkim prawidłowo przez wiele lat. Ponieważ są to
urządzenia elektroniczne, musza być zasilane prądem, a dostęp
do sieci elektrycznej nie zawsze jest zapewniony. Z tego względu,
najczęściej jest konieczne użycie odpowiednich baterii, które pozwolą
zapewnić odpowiednie warunki pracy tym urządzeniom.
Firma Varta ma ofercie szereg baterii
(ogniw pierwotnych), które idealnie nadają się do zastosowań w licznikach zużycia
gazu, ciepła, wody i prądu. Litowe baterie
pastylkowe i cylindryczne cechują się odpowiednio długim czasem pracy i przechowywania, który pozwala na zasilanie liczników nawet przez 15 lat bez konieczności
Rys. 1. Charakterystyka rozładowywania baterii cylindrycznych Varta CR 1/2 AA I CR AA
w przypadku stałego obciążenia (5,6 kV dla CR AA i 12 kV dla 1/2 AA)
GAMMA Sp. z o. o., ul. Kacza 6 lok. A,
01-013 Warszawa, tel. 22 862 75 00,
www.gamma.pl
ich serwisowania. Co więcej, dzięki dużej
odporności temperaturowej, zachowują swoje parametry nawet w trudnych warunkach
środowiskowych.
Ogniwa Li-MnO2
Litowe mikrobaterie Varta wykonywane
są w dwóch odmianach. Pierwsza z nich –
seria CR – obejmuje baterie litowe z dwutlenkiem manganu. Cechują się one dużym
napięciem, zarówno pod obciążeniem, jak
i w obwodzie rozwartym. Wynosi oko ok.
3 V na ogniwo. Ich gęstość energii wynosi
ok. 400 Wh/kg, co ze względu na gęstość
zastosowanych materiałów przekłada się
na 600 Wh/l. Cechują się dużą pojemnością, nawet do 2000 mAh i mogą pracować w szerokim zakresie temperatur, które w krótkich okresach mogą przyjmować
wartości z zakresu od –40 do +80°C. Mają
korzystną, płaską charakterystykę rozładowywania przy niskich i średnich prądach,
co pozwala na stabilne zasilanie urządzeń
przez bardzo długi czas, bez istotnego spadku napięcia. Ponadto bardzo wolno ulegają
samorozładowywaniu – w tempie nie większym niż 1% na rok. Pozwala to również
na długotrwałe przechowywanie gotowych
urządzeń, jeszcze przed ich instalacją. Są
dostępne w wielu wykonaniach. Warto do-
Rys. 2. Charakterystyka rozładowywania baterii cylindrycznych Varta ER ½ AA
62
Narzędzia na każdą kieszeń dla mikrokontrolerów STM32F1/F2 i STM32F4
SPRZĘT
Narzędzia na każdą kieszeń
dla mikrokontrolerów
STM32F1/F2 i STM32F4
Nowe rodziny mikrokontrolerów
STM32 (F2 i F4) budzą
wśród konstruktorów duże
zainteresowanie. W przypadku
rodziny F4 jest to wynik
zastosowania w nich rdzenia
Cortex-M4F, a w przypadku F2
– zapewne – wynik rekordowo
szybkiego rdzenia Cortex-M3
i bloków peryferyjnych nowej
generacji. W ofercie sklepu
KAMAMI.pl dostępna jest
szeroka gama zestawów
ewaluacyjnych dla wszystkich
rodzin mikrokontrolerów STM32F,
spośród których w artykule
przedstawimy kilka wybranych
o różnych możliwościach.
STM32F4 w skrócie
Najistotniejszą różnicą pomiędzy STM32F4
i rodziną STM32F2 jest zastąpienie w nich
rdzenia Cortex-M3 jego rozszerzoną wersją
Cortex-M4F, wyposażoną w sprzętową jednostkę FPU (Floating Point Unit) o pojedynczej
precyzji, możliwość dekodowania zestawu
jednotaktowych instrukcji wspomagających
realizację algorytmów DSP, a także zwiększoną do 168 MHz częstotliwość sygnału taktującego CPU. Właśnie te elementy wyposażenia
nowych mikrokontrolerów wyznaczają ich
obszary aplikacyjne, dotąd zarezerwowane
głównie dla procesorów DSP i/lub mikrokontrolerów DSC (Digital Signal Controllers).
Sztandarowym przykładem jest wyposażenie
STM32F4 w jednostkę MAC (Multiply-ACcumulates), która pozwala wykonać w jednym
takcie zegara operację mnożenia dwóch liczb
32-bitowych i dodanie uzyskanego wyniku do
liczby 64-bitowej.
Poprawiono także parametry niektórych bloków peryferyjnych:
– timery-generatory PWM mogą być taktowane sygnałem o częstotliwości do
168 MHz,
– liczniki RTC zapewniają większą iż dotychczas rozdzielczość pomiaru (dziesiąte i setne części sekund),
– interfejs cyfrowego audio I2S umożliwia
w pełni dupleksowy transfer danych, co pozwala stosować mikrokontrolery STM32-F4
w profesjonalnym sprzęcie muzycznym,
– interfejs MAC Ethernet obsługuje protokół
synchronizacji czasu IEEE1588 w nowej
wersji v2.
Duża różnorodność dostępnych na
rynku typów mikrokontrolerów powoduje
u konstruktorów naturalną ostrożność w kupowaniu zestawów startowych i ewaluacyjnych: ryzyko tego, że wkrótce w sprzedaży
pojawi się bardziej interesujący lub pasujący
do aplikacji typ mikrokontrolera jest dość
wysokie. Dlatego prezentację narzędzi dla
nowych modeli mikrokontrolerów STM32F
zaczniemy od rozwiązań najtańszych.
Maksymalna elastyczność,
minimalne koszty: corteksowe
komputerki
Dwa nowe zestawy wprowadzone do
sprzedaży przez KAMAMI.pl – ZL40ARM
i ZL41ARM (fotografia 1) należą do grupy
zestawów maksymalnie uproszczonych pod
względem budowy, zapewniając jednocześnie
Dodatkowe informacje o mikrokontrolerach
STM32 można uzyskać na stronie producenta:
www.st.com/stm32
maksymalną elastyczność konstruktorom,
którzy chcą sprawdzić działanie mikrokontrolerów w różnych konfiguracjach. Obydwa zestawy pozbawiono jakichkolwiek elementów
peryferyjnych, na płytkach zamontowano jedynie przycisk zerowania, złącze JTAG, rezonator
kwarcowy, zworki ustalające tryb bootowania
i stabilizator napięcia zasilającego. Linie GPIO
na których dostępne są interfejsy SPI i I2C wyprowadzono na dodatkowe złącza, do których
można wygodnie dołączać płytki modułów
peryferyjnych z serii KAmod (widok jednego
z wielu dostępnych w ofercie KAMAMI.pl modułu KAmodMEMS1 pokazano na fotografii 2).
Fot. 1. Wygląd zestawów ZL40ARM i ZL41ARM (SRM32F1/F2/F4)
65
PODZESPOŁY
Interfejs Lesense
Niskoenergetyczna obsługa
czujników pojemnościowych,
indukcyjnych i oporowych
Projektując urządzenia mobilne uwagę należy zwracać na każdą, nawet najmniejszą część systemu,
dzięki której będzie możliwe ograniczenie zużycia energii. Większość systemów elektronicznych
ma interfejs użytkownika w postaci przycisków, klawiatury czy panelu dotykowego. Przedstawiając
niskoenergetyczny interfejs Lesense, firma Energy Micro pokazała, że można zmniejszyć zużycie energii
również poprzez przemyślane pobudzenie i odczytywanie czujników indukcyjnych, rezystancyjnych oraz
pojemnościowych, które wykorzystywane są m.in. w interfejsach użytkownika. W nowy interfejs Lesense
wyposażono rodziny mikrokontrolerów EFM32 Tiny i Giant Gecko.
Firma Energy Micro zdążyła już utworzyć pokaźne portfolio swoich produktów.
Wszystkie układy cechuje bardzo niski pobór prądu oraz wyszukane tryby uśpienia.
W tym roku światło dzienne mają ujrzeć
niskoenergetyczne mikrokontrolery oparte na rdzeniu ARM Cortex-M0 (seria EFM32
Zero Gecko) oraz mikrokontrolery z wbudowanym modułem radiowym (seria EFR4D
Draco). Jednak już dziś dostępne są układy
serii EFM32 Tiny Gecko w kilku obudowach
i z pamięciami o różnych pojemnościach.
Te mikrokontrolery zostały zaprojektowane
z przeznaczeniem dla urządzeń, w których
ważna jest oszczędność energetyczna oraz
wymiary obudowy, a jednocześnie nie jest
wymagana duża liczba peryferii czy duża
wielka pamięć Flash lub RAM. Dzięki temu
układy są tańsze, co ma ogromne znaczenie
dla wielkoseryjnej produkcji urządzeń. Dodatkowo, ciekawym i użytecznym rozwiązaniem okazało się zaimplementowanie trzech
wzmacniaczy operacyjnych o programowalnym wzmocnieniu (rysunek 1). Wzmacniacze można konfigurować jako odwracające,
nieodwracające, wtórniki, kaskady, etc.
Nowością wbudowaną w małe gekony
jest interfejs do obsługi czujników – Lesense
(Low Energy Sensor Interface) – przeznaczony dla sensorów analogowych. Dzięki niemu
bez udziału rdzenia, a zatem przy niższym
wydatku energetycznym, można monitorować działanie czujników używanych m.in.
w miernikach przepływu wody lub gazu
czy przycisków pojemnościowych. Należy
zaznaczyć, że zarówno wzmacniacze operacyjne, jak i interfejs Lesense, są także wbudowane w serię mikrokontrolerów EFM32
Giant Gecko.
68
Rysunek 1. Schemat blokowy wbudowanych, programowalnych wzmacniaczy operacyjnych
Rysunek 2. Schemat blokowy interfejsu LESENSE
IQRF więcej niżKURS
radio
IQRF więcej niż radio
Host radiowy
Każdy, kto zamierza wykorzystać
w praktyce moduły radiowe
firmy Microrisc musi dojść
do etapu projektu sterownika
nadrzędnego – hosta.
W artykule opisano sposób
wykonania i oprogramowania
hosta radiowego zbudowanego
z użyciem modułu TR52B.
Moduł TR52B może komunikować się
z układem nadrzędnym poprzez interfejs
szeregowy SPI. Można również używać innych interfejsów, na przykład I2C, ale wtedy
na programiście spoczywa obowiązek całkowitego oprogramowania transmisji nie tylko
po stronie hosta, ale także i modułu radiowego. Transmisja przez SPI jest wspierana
przez wbudowany OS i co ważne odbywa
się w tle programu głównego realizowanego
przez moduł. Jest ona wyczerpująco opisana
w dokumencie „SPI Implementation in IQRF
TR module”.
Poprzednio, przy okazji opisywania testowania połączenia pomiędzy zaprogramowanym modułem TR52B i aplikacją IQRF
IDE (przykład 4) dokładnie opisałem podstawowe zasady wymiany informacji poprzez
interfejs SPI. Tu dla przypomnienia opiszę
jedynie najważniejsze z nich.
Moduł TR52B jest urządzeniem SPI slave, a rolę SPI master może pełnić np. mikrokontroler. W takiej konfiguracji układ master
generuje sygnał zegarowy oraz sygnał aktywacji interfejsu w układzie slave (SS, Slave
Select). Rozdzielone linie danych wyjściowych MOSI i danych wejściowych MISO (od
strony układu nadrzędnego master) pozwalają na transmisję w trybie dupleks. Kiedy
master chce wysłać na przykład 8-bitowa
daną, to generuje 8 taktów sygnału zegarowego transmisji. W standardzie SPI dane są
zapisywane do układu slave i jednocześnie
z niego odczytywane w czasie narastającego
lub opadającego zbocza sygnału zegarowego.
Rysunek 1 Przesyłanie danych za pomocą
interfejsu SPI
W wypadku modułów TR52B dane są zapisywane i odczytywane narastającym zboczem zegara (rysunek 1).
Obsługa SPI przez OS nakłada pewne
ograniczenia czasowe w trakcie przesyłania
danych Na rysunku 2 pokazano ograniczenia
czasowe transmisji. Pomiędzy przesłaniem
bajtów musi być zachowany odstęp minimum 100 ms dla zegara SCK=250 kHz. Typowy czas T2 jest równy 500 ms. Jest to dość
istotne ograniczenie i w praktyce musi być
dokładnie przestrzegane.
Sprzęt
Do budowy hosta można użyć dowolnego mikrokontrolera. Nie musi mieć wbudowanego sprzętowego interfejsu SPI, bo łatwo
go emulować programowo, ale interfejs SPI
jest tak popularny, że większość mikrokontrolerów ma wbudowany taki moduł i warto
go wykorzystać. Ja użyłem zestawu ewa-
luacyjnego ZL9ARM z mikrokontrolerem
LPC2148. Mikrokontroler ma odpowiednio
duże zasoby, w tym 2 sprzętowe interfejsy SPI i co ważne – jest zasilany napięciem
+3,3 V. Zapewnia to zgodność poziomów
SCK
T1 – czas pomiędzy
opadającym zboczem
SS i opadającym zboczem SCK (rysunek 1)
T2 – opóźnienie
pomiędzy kolejnym
bajtami
T3 – impuls na SS
pomiędzy bajtami
250 kHz maks,
10 ms
100 ms min., 500 ms
typowo
20 ms min.
Rysunek 2. Ograniczenia czasowe przy
przesyłaniu danych za pomocą SPI
73
PODZESPOŁY
ChromaLit firmy Intematix
Rewolucyjna technologia
białych lamp LED
Klasyczne technologie budowy lamp LED napotykają wiele trudności,
które uniemożliwiają ciągłe zwiększanie skuteczności świetlnej
lamp diodowych oraz strumienia światła uzyskiwanego z jednostki
powierzchni. Problemy te wynikają głównie, choć nie tylko,
z ograniczonej zdolności rozpraszania ciepła ze struktury diody.
Technologia ChromaLit opracowana przez kalifornijską firmę pozwala
pokonać wiele z tych trudności i dzięki temu tworzyć białe lampy
diodowe o niezrównanych dotąd parametrach.
W większości klasycznych białych diod
LED, światło obserwowane powstaje na warstwie luminoforu napylonego na strukturę(soczewkę) lub obudowę diody. Fotony o długości fali odpowiadającej barwie niebieskiej
lub ultrafioletowi powodują wzbudzenie
luminoforu, z którego emitowane jest światło białe. Technologia ChromaLit opiera się
o wykorzystanie tej samej metody generacji
światła, z tą różnicą że warstwa luminoforu
fosforyzującego nie jest napylona bezpośrednio na strukturę diody, ale oddalona od niej
o pewną, niemałą odległość. Okazuje się, że
podejście to cechuje się licznymi zaletami.
Future Electronics Polska Sp. z o.o.,
ul. Panieńska 9, 03-704 Warszawa,
tel. 22 618 92 02, faks 22 618 80 50,
www.futureelectronics.com,
[email protected]
tury są odbijane od lustrzanej powierzchni
komory mieszania i również trafiają w kierunku obserwatora poprzez te same dodatkowe
układy optyczne. Proces ten został przedstawiony na rysunku 1.
Szczegóły przemiany
W celu zapewnienia dużej skuteczności
świetlnej omawianych diod LED, konieczny
jest odpowiedni dobór parametrów struktury
diody oraz warstwy fosforyzującej, a nawet
dopasowanie elementów mechanicznych.
Aby opisać szczegóły tego procesu, warto
posłużyć się przykładem. Niebieska dio-
da LED zasilana jest prądem elektrycznym
ze źródła, które dostarcza moc 10 W. Mniej
więcej połowa z tej mocy zamieniana jest
na ciepło i rozpraszana na strukturze diody.
Pozostałe 5 W zamieniane jest na niebieskie
Idea ChromaLit
Konstrukcja białych lamp LED wykonanych w technologii ChromaLit różni się od
klasycznych LED-ów głównie elementami
mechanicznymi. Jako zasilane prądem elektrycznym źródło światła „pierwotnego” stosowane są niebieskie diody LED. Stanowią one
swoiste źródło zasilania odseparowanej warstwy luminoforu, potocznie nazywanej fosforem. Ponieważ luminofor ChromaLit znajduje
się w pewnej odległości od samej struktury,
konieczne jest odpowiednie poprowadzenie niebieskiego światła od złącza diody do
płytki z fosforem. W tym celu stosuje się tzw.
komorę mieszania wykonaną z materiału odbijającego światło. Ma ona najczęściej kształt
ściętego stożka, którego podstawę stanowi
płytka z luminoforem. Ten natomiast wykonany jest z materiałów fosforyzujących, które
pod wpływem niebieskiego światła powodują
świecenie jednolitą, białą barwą we wszystkie
strony. Fale skierowane w stronę obserwatora
przechodzą jeszcze przez opcjonalne dodatkowe układy optyczne, które mogą nadawać
im określoną barwę lub odpowiednio je kierować. Promienie powstające w kierunku struk-
78
Rys. 1. Budowa lampy LED w technologii ChromaLit
Rys. 2. Straty mocy w trakcie pracy lampy LED w technologii ChromaLit
Migracja
z Cortex-M3
do Cortex-M4
NOTATNIK
KONSTRUKTORA
Migracja z Cortex-M3 do
Cortex-M4
ARM Cortex-M4, to najnowszy rdzeń firmy ARM, przeznaczony do
zastosowań w systemach wbudowanych. Jest szczególnie użyteczny
tam, gdzie zachodzi konieczność szybkiego, cyfrowego przetwarzania
sygnałów. W artykule przedstawiono cechy nowego rdzenia,
porównano go z układami Cortex-M3 oraz omówiono problematykę
przenoszenia kodu ze starszych układów na nowsze.
Rdzenie Cortex-M3 i Cortex-M4 mają zbliżoną budowę. W praktyce, nowszy z nich (M4)
stanowi rozbudowaną wersję starszego.
Układy DSP
Jedną z podstawowych różnic pomiędzy
układami z rdzeniem Cortex-M3 a Cortex-M4,
jest podsystem DSP (cyfrowego przetwarzani sygnałów). Blok ten stanowi część samego rdzenia
Cortex-M4 i znacząco zwiększa wydajność wykonywania takich operacji, jak np. filtrowanie
sygnałów cyfrowych filtrami FIR, IIR, obliczanie szybkiej transformaty fourierowskiej (FFT),
przetwarzanie strumieni multimedialnych, czy
też nawet obliczenia algorytmów PID. Skrócenie
czasu wykonywania tych operacji jest wyraźnie
widoczne na rysunkach 3 i 4. Przykładowo, nałożenie filtru o nieskończonej odpowiedzi impulsowej zajmuje w przypadku obliczeń 16-bitowych ponad 3 razy mniej czasu układowi
z rdzeniem Cortex-M4, niż układowi z rdzeniem
Cortex-M3, jeśli oba są taktowane sygnałem o tej
samej częstotliwości. Nowe układy pozwalają
znacząco przyspieszyć przetwarzanie sygnałów
cyfrowych, niezależnie od tego czy są wykony-
wane operacje na liczbach 16-, czy 32-bitowych.
Co więcej, w układach z rdzeniem Cortex-M4
wszystkie instrukcje DSP są realizowane w trakcie jednego cyklu. Rdzeń Cortex-M3 nie ma podsystemu DSP, więc wymaga więcej niż jednego
cyklu maszynowego, aby wykonać operacje
skutkujące takim samym rezultatem. Na przykład dekodowanie strumienia MP3 w czasie
rzeczywistym zrealizowane za pomocą rdzenia
Cortex-M3 wymaga sygnału taktowania o częstotliwości ok. 20…25 MHz, a nowszy rdzeń
Cortex-M4 wymaga zaledwie 10…12 MHz.
32-bitowy blok MAC
W rdzeniu Cortex-M4 zastosowano nowy,
32-bitowy blok MAC (Multiply And Accumulate), który został zoptymalizowany oraz wzbogacony o dodatkowe instrukcje. Dzięki temu
jest on w stanie wykonać operację przemnożenia dwóch liczb 32 bitowych i zsumowania
ich z liczbą 64 bitową (rezultat jest 64-bitowy)
w trakcie jednego cyklu. Alternatywnie, możliwe jest jednoczesne wykonanie w jednym cyklu
dwóch niezależnych operacji mnożenia liczb
16-bitowych.
Wszystkie instrukcje realizowane przez nowy blok MAC
zajmują tylko jeden cykl. Pozwalają na przeprowadzanie
operacji mnożenia liczb 16i 32-bitowych oraz na sumowania liczb 32- i 64-bitowych.
Instrukcje SIMD
Rys. 1. Schemat blokowy mikrokontrolera z rdzeniem
Cortex-M4
Rdzeń Cortex-M4 obsługuje instrukcje typu SIMD
(Single Instruction, Multiple
Data), które nie były dostępne
w poprzednich układach z rodziny Cortex-M. Do zestawu
poleceń SIMD należy m.in.:
dodawanie,
odejmowanie,
mnożenie oraz mnożenie i sumowanie, które są użyteczne
przy przetwarzaniu sygnałów.
Przykładowo, układy z oma-
Artykuł został udostępniony przez Farnell we
współpracy z Freescale. Więcej informacji
o nowych produktach jest dostępne na stronie
internetowej Farnell www.farnell.com/pl oraz
na portalu społecznościowym dla projektantów
elektroniki www.element14.com.
Rys. 2. Suma dwóch iloczynów niezależnych zmiennych 32-bitowych wykonuje
się w jednym cyklu
wianej rodziny mogą wykonywać równocześnie
w jednym cyklu cztery 8-bitowe lub dwa 16-bitowe sumowania/odejmowania. Oznacza to, że
przykładowo możliwe jest obliczenie w jednym
cyklu sumy jednej zmiennej oraz dwóch iloczynów, każdy dwóch niezależnych zmiennych.
Jednostka zmiennoprzecinkowa
W zależności od potrzeb, producent mikrokontrolera może zdecydować o implementacji
opcjonalnej jednostki zmiennoprzecinkowej
(FPU). Pozwala ona na wykonywanie operacji:
dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia,
mnożenia i sumowania oraz obliczania pierwiastka kwadratowego na zmiennych o pojedynczej precyzji. Umożliwia też dokonywanie konwersji zmiennych stałoprzecinkowych na zmiennoprzecinkowe (32- lub 16-bitowe) i odwrotnie.
Obsługuje również polecenia z wykorzystaniem
stałych zmiennoprzecinkowych. Rejestry FPU
mogą być dwojako obsługiwane: jako 32 rejestry
(S0…S31) o pojedynczej precyzji lub jako 16 rejestrów (D0…D15) o podwójnej precyzji.
W praktyce, zastosowane w Cortex-M4
FPU odpowiada ona jednostce FPv4-SP z rdzenia ARMv7-M. W podstawowym trybie pracuje
zgodnie ze standardem IEEE754. Może jednak
zostać przełączony w dwa inne tryby: Flush-toZero lub Default-NaN. W pierwszym z nich, do
którego przechodzi się po ustawieniu bitu FZ
w rejestrze FPSCR (stanu i kontroli FPU), jednostka traktuje jako zera wszystkie nietypowe
zmienne wejściowe, na których mają być wykonane operacje koprocesora (CDP). Wszelkie
wyjątki powstające w wyniku tych działań są
81
Siła rdzenia Cortex-M4F w nowych
STM32F4
PODZESPOŁY
Siła rdzenia Cortex-M4F
w nowych STM32F4
W poprzednich numerach EP zaprezentowano nowe mikrokontrolery
z rodziny STM32F4 z rdzeniem Cortex-M4F. W niniejszym artykule
skupimy się na tym, co stanowi o sile nowych układów – na
rdzeniu Cortex-M4F.
Rodzina rdzeni Cortex jest podzielona na
trzy segmenty. Grupa nosząca nazwę Cortex
-A to rozbudowane i szybkie rdzenie z przeznaczeniem dla procesorów aplikacyjnych.
Znajdują zastosowanie m. in. w elektronice
konsumenckiej pokroju smartfonów, czy tabletów. Drugi segment stanowią rdzenie Cortex-R stworzone z myślą o aplikacjach czasu
rzeczywistego, w których czasy wykonywania operacji muszą być deterministyczne.
Z punktu widzenia „mikrokontrolerowca”
najbardziej interesujący są przedstawiciele
grupy Cortex-M. Należą do niej układy oznaczone cyframi od 0, 1, 3, 4.
Rdzenie M0 zostały stworzone z myślą
o prostszych aplikacjach, w których do tej
pory niepodzielnie królowały rozwiązania
ośmiobitowe. Lepsza wydajność przy porównywalnej cenie z układami 8-bitowymi
powinna Cortexom-M0 umożliwić stanięcie
w szranki z mniejszymi braćmi. Jednak na
chwilę obecną twarde ekonomiczne realia
nieco utrudniają podjęcie walki o wartościowy kawałek tego fragmentu rynku. Często nie
chodzi tu jednak o samą cenę mikrokontrolera (jeśli założymy, że są porównywalne),
ale o koszty przeprojektowania aplikacji na
nowe układy. W przypadku nowych urządzeń górę bierze przyzwyczajenie, doświadczenie i zwyczajna niechęć do podążania za
nowymi technologiami.
Rys. 1. Schemat blokowy rdzenia
Cortex-M4
Cortex-M1 to softrdzeń przeznaczony do
implementacji w układach FPGA. Dotychczas największą popularność zdobył rdzeń
sufiksem M3. Większość liczących się producentów MCU (oczywiście z wyjątkiem Mircochipa) ma w swojej ofercie mikrokontrolery z tym rdzeniem. Jednak nawet systemy
głęboko wbudowane wymagają coraz większej mocy obliczeniowej. Dlatego firma ARM
zaprojektowała mocniejszą wersję popularnych rdzeni M, jej głównym przeznaczeniem
są aplikacje pracujące na granicy systemów
wbudowanych i przetwarzania sygnałów.
Używając ogólnie przyjętej nomenklatury,
o układach wyposażonych w rdzenie Cortex
-M4 można powiedzieć, że są to kontrolery
sygnałowe (DSC – Digital Signal Controller).
Wsparcie dla DSP
Blokowy schemat rdzenia Cortex-M4
przedstawiono na rysunku 1. Jak widać blok
FPU oraz kilka innych są opcjonalne. Od strony wsparcia dla przetwarzania sygnałów do
dyspozycji są jednotaktowe instrukcje MAC
(Multiply–accumulate). Długość danych pod-
dawanych operacji MAC może mieć 16 lub
32 bity. Interesująca jest też możliwość wykonania instrukcji MAC na dwóch liczbach
16-bitowych jednocześnie. Wiadomo, że operacje matematyczne często wykonywane są na
liczbach mniejszych, niż całe dostępne 32 bity.
Wtedy to bardzo przydatne mogą okazać się
instrukcje SIMD (Single Instruction – Multiple
Data). Rdzeń Cortex-M4 umożliwia wykonanie
instrukcji SIMD na danych 8 i 16-bitowych.
Ponadto do dyspozycji jest również moduł
sprzętowego dzielenia, który potrafi wykonywać dzielenie w ciągu 2 do 12 cykli.
MPU
Z przedstawionego wcześniej rysunku 1
wynika, ze rdzenie Cortex-M4 mogą posiadać opcjonalnie jednostkę ochrony pamięci
– MPU (Memory Protection Unit). Warto tutaj zaznaczyć, że mikrokontrolery STM32F4
posiadają taką jednostkę. Zadaniem MPU
jest zarządzanie dostępem do chronionych
obszarów pamięci. Takie zabezpieczenie ma
przeciwdziałać przypadkowemu nadpisaniu
krytycznego obszaru pamięci. Rdzenie Cortex-M4 umożliwiają utworzenie do ośmiu
obszarów chronionych. Jednostka ochrony
pamięci może być wykorzystywana przez
system operacyjny czasu rzeczywistego
(RTOS), a obszary chronione mogą być dynamicznie zarządzane przez RTOS.
Liczby zmiennoprzecinkowe
Programiści często używają pojęcia „liczba zmiennoprzecinkowa” (w Języku C są to typy float
lub double) w odniesieniu do liczb posiadających części ułamkowe. Mają oczywiście co to tego
pełną słuszność, ale liczba zmiennoprzecinkowa to twór dość skomplikowany i określenie „liczba
z ułamkiem” jest daleko idącym uproszczeniem. Warto więc zrozumieć, czym owe typy „float”
oraz „double” właściwie są.
Typ float jest nazywamy typem zmiennoprzecinkowym pojedynczej precyzji, jego reprezentacja to
liczba 32-bitowa zgodna na przykład ze standardem IEEE 754. W tym standardzie reprezentacja
typu float jest następująca:
Typ double jest określany jako liczba zmiennoprzecinkowa podwójnej precyzji. Charakteryzuje się
długością 64 bitów, sposób kodowania i interpretacji jest taki sam jak dla liczb pojedynczej precyzji, zmianie ulegają długości pól eksponenty (wynosi 11 bitów) i mantysy (52 bity).
93
Wspomaganie programowania
układów
TMS320C2000
NOTATNIK
KONSTRUKTORA
Wspomaganie
programowania
układów TMS320C2000
Narzędzia programowe do
tworzenia programów dla
układów procesorowych
z rodziny TMS320C2000
są dostarczane razem ze
środowiskiem programowym
Code Composer Studio – CCSv4.
Wspomaganie programowania
układów procesorowych
rodziny TMS320C2000 jest
zorganizowane jako pojedynczy
pakiet programowy controlSUITE.
Zawiera on również szczegółową
dokumentację techniczną
modułów sprzętowych.
Narzędzia do tworzenia programów są zorganizowane jako osobny pakiet programowy
Code Generation Tools (CGT), odrębny od środowiska CCS. Ma on własne wersje i własne pakiety aktualizacji. Dla każdej rodziny układów
procesorowych TMS320 są osobne pakiety CGT.
Code Composer Studio (CCS, CCStudio) jest
zintegrowanym środowiskiem projektowym
– IDE (Integrated Development Environment)
dostarczanym przez firmę Texas Instruments.
Obecnie (koniec 2011) jest używana wersja
CCSv4.2. Podstawowe narzędzia do tworzenia programów dla układów procesorowych
rodziny TMS320C2000 to kompilator języka
C/C++ oraz asembler i linker. Kompilator C/
C++ narzędzi programowych środowiska
CCSv4 jest w pełni zgodny ze standardem ISO
C/C++. Jednak ze względu na efektywność wykorzystania specyficznych cech zastosowanego
układu procesorowego sygnałowego rodziny
TMS320C2000 zostały wprowadzone dodatkowe cechy. Kompilator języka C/C++ jest omówiony w dokumencie TMS320C28x Optimizing
C/C++ Compiler User’s Guide [SPRU514C].
Asembler, linker i program konwersji hex jest
omówiony w dokumencie TMS320C28x Assembly Language Tools User’s Guide[SPRU513C].
Dla układów procesorowych rodziny
TMS320C2000 dostarczany jest razem ze środowiskiem programowym CCSv4 system operacyjny czasu rzeczywistego DSP/BIOS (jego
nowsza wersja ma nazwę SYS/BIOS) .
Ws z y s t k i e p r o c e s o r y r o d z i n y
TMS320C2000 są kompatybilne programowo
w 100%. Zawierają one ten sam rdzeń C28x.
Jednak w przypadku procesorów zmiennoprzecinkowych z układem DMA jest to raczej kompatybilność w górę.
Układy procesorowe rodziny
TMS320C2000
Układy procesorowe rodziny
TMS320C2000 można podzielić na kilka serii:
F28M35x Concerto (C28x + ARM Cortex
M3) – dwurdzeniowe procesory zmiennoprzecinkowe. Zawierają w jednej strukturze rdzeń
C28x oraz rdzeń ARM Cortex-M3. Wygląda
to jak połączenie układu serii F2833x Delfino
z układem Cortex-M3 serii Stellaris.
Rdzeń C28x układów serii Concerto zawiera rozszerzenia o jednostkę zmiennoprzecinkową (FPU), jednostkę obliczeń matematycznych
(VCU) oraz 6-kanałowe DMA.
C2834x Delfino (Floating-point) – procesory z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU) oraz
DMA. Mają zewnętrzną szynę danych. Pracują
z zegarem do 300 MHz i wydajnością do 300
MIPS oraz 600 MFLOPS. Zawierają do 512 kB
wewnętrznej pamięci RAM. Nie zawierają pamięci Flash.
F2833x Delfino (Floating-point) – procesory z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU) oraz
DMA. Mają zewnętrzną szynę danych. Pracują
z zegarem do 150 MHz i wydajnością do 150
wewnętrznej pamięci Flash.
F2823x (Fixed-point) – procesory stałoprzecinkowe. Wersja procesorów F2833x bez
jednostki zmiennoprzecinkowej. Zapewniona
100% kompatybilność na poziomie wyprowadzeń i programowania.
F2806x Piccolo (Floating-point) – procesory
z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU), DMA
oraz zmiennoprzecinkowym układem CLA.
Pracują z zegarem 80 MHz i wydajnością 80
wewnętrznej pamięci Flash.
F2803x Piccolo (Fixed-point) – procesory
stałoprzecinkowe ze zmiennoprzecinkowym
układem CLA (Control Law Accelerator). Pracują
z zegarem do 60 MHz i wydajnością do 60 MIPS.
Zawierają do 64 KB wewnętrznej pamięci Flash.
F2802x Piccolo (Fixed-point) – procesory stałoprzecinkowe. Pracują z zegarem do 60
MHz i wydajnością do 60 MIPS. Zawierają do
32 KB wewnętrznej pamięci Flash.
F280xx (Fixed-point) – procesory stałoprzecinkowe bez zewnętrznej szyny danych (TMS320F2809, TMS320F2808,
TMS320F2806, TMS320F2802,
TMS320F2801, TMS320F28015,
TMS320F28016 oraz TMS320F28044). Wydajność do 100 MIPS, do 64 KB wewnętrznej pamięci Flash.
F281x (Fixed-point) – procesory stałoprzecinkowe (TMS320F2812, TMS320F2811,
TMS320F2810). Pracują z zegarem do 150 MHz
i wydajnością do 150 MIPS. Zawierają do 256
KB wewnętrznej pamięci Flash.
Pakiet programowy controlSUITE
v2.5.0
Pakiet programowy controlSUITE jest
zbiorem oprogramowania i narzędzi programowych dla układów procesorowych rodziny
TMS320C2000. Zawiera również szczegółową
dokumentację techniczną modułów sprzętowych. Pakiet jest opisany w dokumencie controlSUITE Getting Started Guide [SPRUGU2B]
oraz w broszurze controlSUITE software [SPRB199A].
W pakiecie controlSUITE dostępne jest
wsparcie dla programowania układów procesorowych serii F2802x/3x/6x Piccolo, F2833x/34x
Delfino oraz F28M35x Concerto. Nie ma wsparcia dla układów procesorowych serii F280x/
F2801/F2804x oraz F281x. Pliki nagłówkowe
dla tych serii są dostępne osobno na stronie
http://www.ti.com/. Wsparcie dla tych serii można również znaleźć w nocie aplikacyjnej Running an Application from Internal Flash Memory
on the TMS320F28xx DSP [SPRA958J].
Zalecane (a właściwie konieczne) jest ich
pobranie i zainstalowanie pakietu controlSUITE przed rozpoczęciem tworzenia własnego
projektu dla układów procesorowych rodziny
TMS320C2000. Pakiet controlSUITE jest dostępny do pobrania (ok. 500 MB) ze strony internetowej produktu http://www.ti.com/tool/controlsuite. Pakiet jest instalowany w domyślnym folderze C:\TI\controlSUITE. Struktura katalogowa
pakietu jest pokazana na rys. 1.
95
PODZESPOŁY
Najnowsze układy
do lokalnej łączności
radiowej produkcji NXP
W ciągu ostatnich kilku lat bardzo szybko rośnie popularność
systemów łączności radiowej bliskiego zasięgu. Po sukcesie Bluetooth
przyszła pora na układy oparte na specyfikacji IEEE 802.15.4,
które są coraz częściej stosowane w telemetrii, zdalnym sterowaniu
i do budowy lokalnych sieci transmisji danych. Nic dziwnego,
że każdy liczący się producent podzespołów elektronicznych chce
je mieć w swojej ofercie. Do grona producentów takich układów
dołączyła firma NXP. Artykuł prezentuje najnowsze rozwiązania NXP
w zakresie lokalnej radiowej transmisji danych.
Pierwsze półrocze 2010 było dla NXP
okresem bardzo szybkiej rozbudowy oferty
układów radiowych, zgodnych ze specyfikacją IEEE802.15.4. W tym czasie weszły do
produkcji układy odbiornika OL2300, nadajnika OL2311 oraz transceivera OL2381.
Układy te pracowały w pasmach ISM: 315,
433, 868 i 915 MHz. Jednocześnie zakupiono brytyjską firmę Jennic mającą w swojej
ofercie układy radiowe 802.15.4 na pasmo
2,45 GHz oraz protokoły sieciowych stosów komunikacyjnych ZigBee Pro, JenNet
i 6LoWPAN. Obecnie w ofercie NXP są dwa
mikrokontrolery Jennic zintegrowane z to-
Tabela 1. Parametry układów radiowych OL23xx
Typ układu
Funkcja
Zasilanie
Zakres temp. pracy
Prąd w stanie Power Down
Zakres częstotliwości nośnych
Częstotliwość kwarcu
Parametry nadajnika
Pobór prądu: Gen.kwarcowy
PLL
Nadawanie przy 0 dBm
Maksymalna moc wyjściowa
Szybkość transmisji
Modulacja
Szum fazowy przy 100 kHz
przy 100 MHz
Parametry odbiornika
Pobór prądu
Szybkość transmisji
Modulacja
Czułość ASK
FSK, szer. kanału 50 kHz
Tłumienie sąsiednich kanałów
Tłumienie kanałów lustrzanych
Szer. pasma filtru kanałowego
Okres próbkowania nasłuchu
Miernik RSSI Zakres dynamiki
Dokładność/tolerancja
Obudowa
110
OL2300
Nadajnik
2,1 do 3,6 V
–25…+85°C
50 nA
300...920 MHz
9...19 MHz
OL2311
Odbiornik
2,1 do 3,6 V
–25…+85°C
500 nA
300...928 MHz
16 MHz
–
180 mA
1,3 mA
7 mA
do 12 dBm
do 112 kb/s
ASK, FSK
–76 dBc
–115 dBc
–
HVQFN16
OL2381
Transceiver
2,1 do 3,6 V
–25…+85°C
500 nA
300...928 MHz
16 MHz
900 mA
5 mA
14 mA
do 10 dBm
do 112 kb/s
ASK, FSK
–86 dBc
–130 dBc
16,5 mA
do 112 kb/s
ASK, FSK
–118 dBm
–112 dBm
10 dB
40 dB
50 do 300 kHz
1 do 4096 ms
80 dB
±12 dB/±3 dB
HVQFN32
16,5 mA
do 112 kb/s
ASK, FSK
–118 dBm
–112 dBm
10 dB
40 dB
50 do 300 kHz
1 do 4096 ms
80 dB
±12 dB/±3 dB
HVQFN32
rem radiowym: JN5139 i JN5148. Towarzyszy im bardzo bogaty zestaw oprogramowania, obejmujący wspomniane protokoły ZigBee Pro, JenNet i 6LoWPAN, środowisko programowe i narzędzia do tworzenia aplikacji,
a także gotowe moduły sprzętowe i zestawy
ewaluacyjne.
Układy rodziny OL23xx
Jak przystało na jednego z liderów branży elektronicznej, firma NXP zadebiutowała
układami o bardzo dobrych parametrach
i rozbudowanych funkcjach. Podstawowe
parametry układów należących do rodziny
przedstawione są w tabeli 1.
Transceiver OL2381 integruje funkcje
nadajnika OL2300 i odbiornika OL2311, dlatego ten układ zostanie omówiony dokładniej.
Schemat blokowy transceivera przedstawia rysunek 1. Sterowanie funkcjami
nadawania i odbioru jest realizowane za
pośrednictwem sekwencyjnych układów
wielostanowych (Transmit/Receive State
Machine). Układ wyposażony jest w bank
rejestrów SFR, za których pośrednictwem
są realizowane wszystkie funkcje konfiguracji i sterowania transmisją. Pięć pinów
I/O (P10 – P14) może być konfigurowanych
przez użytkownika do pełnienia wybranych
funkcji alternatywnych. Transceiver może
współpracować zarówno z wydajnymi mikrokontrolerami o dużych możliwościach
(stacja bazowa), jak i z energooszczędnymi
mikrokontrolerami o małej liczbie wyprowadzeń (bateryjne urządzenie końcowe). Zależnie od aplikacji, możliwe są różne konfiguracje interfejsu komunikacyjnego. W najprostszym wypadku do komunikacji wystarczy
4-liniowy interfejs SPI (rysunek 2a), służący
do komunikacji z rejestrami oraz wysyłania/
odbioru danych. Sterowanie transmisją jest
realizowane przez wewnętrzną logikę transceivera. W bardziej rozbudowanej wersji
możliwe jest bezpośrednie wysyłanie/odbieranie danych za pośrednictwem linii DATA/
CLOCK (rysunek 2b). Układ może pracować
w trybie modulacji ASK, FSK lub GFSK na
dowolnie wybranych kanałach pasma ISM
ARM-y w obudowach
DIP28/SOP20
PODZESPOŁY
ARM-y w obudowach
DIP28/SOP20
Uwierzycie? Znalazł się producent 32-bitowych mikrokontrolerów
wyposażonych w rdzeń firmy ARM, montowanych w obudowach DIP.
Fani bread-boardów będą mieli używanie!
Nikogo nie dziwią, mogą co najwyżej
wprowadzić w pewne zakłopotanie, mikroprocesory i mikrokontrolery 32-bitowe
oferowane w wyrafinowanych obudowach
BGA, CSP i im podobnych (bo jak sobie poradzić z 4-warstwową PCB i jak, zachowując rozsądny poziom kosztów, zamontować
układy w takich obudowach?). Z punktu
widzenia działów marketingu producentów
takie obudowy to „oczywista oczywistość”,
bowiem wysoka technologia musi stawiać
wymagania swoim użytkownikom! Czy zachęca to szerokie grono elektroników do sięgania po takie układy? Znacie odpowiedź na
to pytanie.
Na szczęście nie wszyscy producenci
poszli niezbyt logiczną – nie tylko z mojego punktu widzenia – drogą promowania
nowych rodzin mikrokontrolerów, bazując
na ich wersjach w obudowach zaawansowanych technologicznie. Jedną firm – choć
nie zawsze konsekwentnie – rozumiejących potrzeb „rzesz” elektroników jest NXP,
w ofercie której pojawiły się mikrokontrolery
z rdzeniem Cortex-M0, dostępne w obudowach…
DIP28 z 32-bitami w środku
Licencję na rdzenie Cortex-M0 firma
NXP kupiła – jako pierwsza na świecie –
od ARM w lutym 2009 roku. Od początku
wdrażania do produkcji, rdzeń ten był przeznaczony do najprostszych i najtańszych
w ofercie NXP mikrokontrolerów, których
obszarem „rażenia” byli 8-bitowi konkurenci, przede wszystkim bardzo popularne
mikrokontrolery AVR. Rdzeń Cortex-M0 jest
znacznie uproszczony w stosunku do najpopularniejszej wersji Cortex-M3 (co wyraźnie
widać na mapie instrukcji obsługiwanych
Rysunek 1. Mapa instrukcji obsługiwanych przez rdzenie Cortex-M
115
SPRZĘT
HS805 TiePie
Oscyloskop USB
z próbkowaniem 1 GSa/s
Na łamach EP przedstawialiśmy już większość oscyloskopów
holenderskiej firmy TiePie. Wszystkie są dość nietypowe, o każdym
można powiedzieć coś charakterystycznego. Model HS805 odznacza
się dużą, jak na oscyloskopy USB częstotliwością próbkowania,
wynoszącą 1 GSa/s.
Oscyloskopy TiePie trudno porównać
z jakimikolwiek przyrządami tej kategorii
innych producentów. Trudno je zakwalifikować do urządzeń uniwersalnych. Często
są wykorzystywane w placówkach naukowo-badawczych zajmujących się problemami nie związanymi bezpośrednio z elektroniką, stosujących natomiast wszelkiego
rodzaju elektroniczne czujniki wielkości
nieelektrycznych. Urządzenia takie pozwalają obserwować i badać wiele rozmaitych złożonych zjawisk fizycznych. Zaletą
oscyloskopów TiePie jest obsługa wszystkich modeli przez jeden program – „Multi
Channel”, umożliwiający, jak sama nazwa
wskazuje, budowanie jednego, złożonego
przyrządu wielokanałowego. Ma to swoje
zalety, ale ma też swoje wady. Największym
utrudnieniem dla użytkowników mających
118
pierwszy raz do czynienia z urządzeniami
TiePie jest wyraźnie inna zasada ich obsługi
w porównaniu z oscyloskopami klasycznymi. Pierwsza różnica polega na braku typowej dla zwykłych oscyloskopów podstawy
czasu. W programie „Multi Channel” do
optymalnego ustawienia skali czasu (rozciągnięcia przebiegu na ekranie) konieczne
jest odpowiednie dobranie dwóch parametrów: częstotliwości próbkowania i wielkości bufora. W przeciwieństwie do oscyloskopów klasycznych, w których bufor jest
najczęściej stały, w oscyloskopach TiePie
można, a nawet trzeba go zmieniać w szerokim zakresie. Zwiększając częstotliwość
próbkowania zwiększa się wprawdzie dokładność odwzorowania badanego przebiegu, ale jednocześnie skraca się czas zapisu
bufora. Tym samym na ekranie zostaje wy-
świetlony krótszy fragment przebiegu (rysunek 1). Przy zwiększaniu częstotliwości
próbkowania najczęściej konieczne będzie
jednoczesne wydłużenie bufora. Wymaganą długość można obliczyć z zależności:
B=T*fp, w której B – długość bufora, T –
czas obserwowanego fragmentu przebiegu,
fp – częstotliwość próbkowania. W optymalnym ustawieniu obu parametrów pomaga
funkcja „Auto”, która jednak nie radzi sobie
z przebiegami o częstotliwości poniżej 2 Hz.
Na pocieszenie można dodać, że podobny
problem występuje także w oscyloskopach
klasycznych.
Oscyloskopy USB, w tym HS805, mają
wspólną, bardzo istotną z użytkowego
punktu widzenia zaletę. Jest nią możliwość
wyświetlania oscylogramów w bardzo dużych rozmiarach, ograniczonych jedynie
wielkością ekranu komputera. Użytkownicy
na pewno docenią również bardzo efektywnie działającą funkcję Zoom, umożliwiającą
powiększenie dowolnie wybranego fragmentu przebiegu (rysunek 2).
Różnorodność przebiegów obserwowanych za pomocą oscyloskopów cyfrowych
Otwarta
komunikacja sterowników
Saia PCD
AUTOMATYKA
I MECHATRONIKA
Otwarta komunikacja
sterowników Saia PCD
Najważniejszym założeniem przy projektowaniu sterowników Saia
jest gwarancja kompatybilności i współpracy z otaczającymi
urządzeniami w całym cyklu życia produktu, czyli przez minimum
15 lat. A podstawą udanego współdziałania i współpracy jest
sprawna komunikacja. Dlatego pokusiliśmy się o analizę tego
tematu w kontekście systemów automatyki Saia PCD.
Czym jest komunikacja?
Podobnie jak w życiu codziennym,
również w automatyce występują obiekty,
które mogą pozostawać odosobnione i zarządzane bez interakcji z innymi. Jednakże zdecydowana większość obiektów lub
urządzeń automatyki występuje w grupach
czy zespołach. Współpracują one ze sobą,
tworząc sieci, aby wspólnie wykonywać powierzone im zadania. Niezbędnym warunkiem współpracy systemów automatyki jest
komunikacja pomiędzy nimi, co oznacza,
że systemy te muszą być wyposażone w interfejsy do wymiany informacji oraz umieć
te informacje interpretować.
Systemy, które obsługują wiele interfejsów różnych typów oraz potrafią
przetwarzać wiele formatów informacji
(języków lub protokołów), mogą być używane z dużą elastycznością we wszechstronnych zastosowaniach. Mogą służyć
nawet jako „interpretery” innych urządzeń
o mniejszych możliwościach komunikacyjnych.
Innowacyjność oznacza także
elastyczność komunikacji
Jak przystało na produkt ze Szwajcarii,
w której obowiązują cztery języki urzędowe, komunikacja od zawsze była mocną
SABUR Sp. z o.o., 02-785 Warszawa,
ul. Puławska 303, tel. 22 549 43 53
www.sabur.com.pl
stroną sterowników Saia. Już we wczesnych latach 80. XX wieku, gdy inne sterowniki nie potrafiły jeszcze porozumiewać
się ze sobą, pojawił się pierwszy sterownik
z serii PCA, wyposażony w swobodnie programowalny interfejs szeregowy RS-232,
umożliwiający wymianę informacji z innymi urządzeniami. Dawało to użytkownikom
możliwości wówczas nieosiągalne dla innych produktów.
Zatem już od wielu lat Saia stale rozwija możliwości komunikacyjne swoich
sterowników. Nowe technologie i standardy, które pojawiają się w automatyce,
branży IT i telekomunikacji (przewodowej i/lub bezprzewodowej) są od samego początku wykorzystywane i wdrażane
w urządzeniach przemysłowych tego producenta.
125
AUTOMATYKA I MECHATRONIKA
Przykładowa aplikacja
z zastosowaniem
protokołu 3964R
Miesiąc temu przedstawiliśmy sposób wykorzystania protokołu 3964R
zaimplementowanego w bibliotekach pakietu STEP 7 Basic 10.5.
Teraz przedstawimy przykładową aplikację RFID wykonaną z użciem
właśnie tych bibliotek.
Na rysunku 1 pokazano schemat systemu testowego, spełniającego rolę automatycznego sortownika (rysunek 2), w skład
którego wchodzą: czytnik SIMATIC RF380
(1) powinien być dołączony do sterownika
SIMATIC S7-1200 (3) za pomocą modułu
komunikacyjnego RS232 (2). Czytnik RFID
odczytuje i zapisuje dane do przenośnych
pamięci serii RF3xxT (4). Lokalna wizualizacja jest realizowana za pomocą panelu interfejsu użytkownika SIMATIC KTP400 (5).
Moduł komunikacyjny RS232 jest połączony
z urządzeniem RFID za pomocą kabla połączeniowego SIMATIC RF300 (6). Panel HMI
128
oznaczony symbolem KTP 400 połączono
bezpośrednio ze sterownikiem S7-1200 kablem ethernetowym (7). Zasilanie wszystkich komponentów zapewnia moduł zasilający SIMATIC PM1207 (8).
Sortowanie jest lokalnie monitorowane na
panelu KTP400. Odczytane kody RFID można
edytować za pomocą panelu dotykowego.
Dane pochodzące z urządzenia RF300 nie
są bezpośrednio zapisywane w sterowniku S71200, wypełniają natomiast wewnętrzny bufor
modułu komunikacyjnego RS232 (rysunek 3).
Moduł S7-1200 jest informowany o tym, że
nowe dane są gotowe do pobrania. Następnie
Schemat połączeń wszystkich wymaganych
urządzeń zgodnie ze strukturą sieci Ethernet
przedstawiony poniżej.
sterownik S7-1200 pobiera aktywne dane z bufora modułu komunikacyjnego RS232.
AUTOMATYKA I MECHATRONIKA
Kompleksowe rozwiązania
automatyki dla systemów
inteligentnego budynku (1)
Budynki dopasowujące swoje parametry eksploatacyjne do potrzeb
przebywających w nich osób oraz dla zapewnienia maksymalnej
ochrony środowiska są nie tylko wizją, a stały się już faktem.
Początki idei „budynku inteligentnego” sięgają lat osiemdziesiątych XX wieku.
W owym czasie dynamiczny rozwój technologii i nauk inżynieryjnych pozwolił na
wprowadzenie nowych rozwiązań sterowniczych w celu osiągnięcia marketingowej
przewagi producentów przez wpływ na emocje użytkowników.
Definicja budynku inteligentnego podlegała i podlega ciągłym modyfikacjom.
U zarania swojego istnienia uosobieniem tej
idei były systemy IBS (Intelligent Building
Systems) stanowiące pierwsze „jaskółki” wyposażenia sterowniczego budynków. To były
czasy automatów oświetleniowych, zegarów
sterujących czy pomp załączanych przez
systemy czujników i styczników. Urządzenia
te działały z reguły całkowicie niezależnie,
134
chociaż ich kontrola była często realizowana
z tej samej szafki rozdzielczej. Tego typu rozumienie struktury inteligentnego budynku
jest jeszcze dominujące wśród inwestorów
indywidualnych. Większość z nich zadowala się podwyższeniem prestiżu poprzez
posiadanie instalacji automatyki możliwej
do zbudowania na bazie struktur przekaźnikowych, modułach logicznych czy typowych
sterownikach przemysłowych, których ceny,
a przede wszystkim możliwości funkcjonalne nie są jednak adekwatne do wymagań obsługi obiektów infrastrukturalnych.
W kolejnym kroku, inteligentnym budynkiem określano obiekt, który wyposażony był w układ kontroli instalacji odpowiedzialnych za ogrzewanie, wentylację,
klimatyzację oraz oświetlenie, a także za
integrację układów sygnalizacji przeciwpożarowej, czy systemów antywłamaniowych. Z upływem czasu postrzeganie inteligentnego budynku zmieniło się po raz
kolejny. O jego inteligencji nie stanowiła
już mnogość instalacji, a integracja ich obsługi z wykorzystaniem możliwości reakcji na uwarunkowania zewnętrzne, w tym
także ekonomiczne. Dzięki pełnej kontroli
nad całością potrzeb i możliwości obiektu,
możliwe stało się zarządzanie usługami,
a nie tylko urządzeniami jak dotychczas.
Celem dzisiejszym jest pełna koordynacja
systemów i świadczonego serwisu, a przez
to sukcesywne zmniejszanie ponoszonych
nakładów finansowych, przy czym istotnymi stały się aspekty osiągania pełnego
komfortu i bezpieczeństwa użytkowania
przy optymalizacji kosztów i minimalizacji
negatywnego oddziaływania na środowisko.
Podążając za sformułowaniami Europejskiej Grupy Inteligentnego Budownictwa
i Intelligent Building Institute, aktualna deELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011

Elektronika Praktyczna 12/2011

Transkrypt

Podobne dokumenty

Uniwersalna ładowarka do akumulatorów żelowych 6V

1. Producent JMT 2. Napięcie [V] 12 3. Typ litowo

Szybka ładowarka akumulatorów NiCd do wkrętarek

Magazynowanie energii elektrycznej

Uniwersalna ładowarka akumulatorów NiCd, NiMH

Solarny regulator ładowania SCC MPPT 3000 W

Propozycja pracy dyplomowej Temat EiT/1 2012 100 Ładowarka

Szybka ładowarka samochodowa C1-15 Cechy

pakiety akumulatorowe i bateryjne