urządzenie pomiarowe stgsm-04

620.1.08
Piotr BOGUSŁAWSKI
Eugeniusz ŁOWIEC
URZĄDZENIE POMIAROWE STGSM-04
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono rozwiązanie techniczne uniwersalnego urządzenia pomiarowo-sterującego o niskim
poborze mocy, wykorzystującego do komunikacji cyfrową sieć
telefonii komórkowej. Przedstawiono kilka przykładowych wersji
urządzenia, opisano budowę głównego modułu konstrukcyjnego
oraz krótko scharakteryzowano narzędzia wspomagające pracę
nad oprogramowaniem użytkowym.
1. WSTĘP
W ostatnich latach można zaobserwować wzrost liczby i różnorodności
zastosowań usług telefonii komórkowej GSM, takich jak transmisja danych,
przesyłanie krótkich wiadomości tekstowych (SMS) lub bezpośredni dostęp do
Internetu za pośrednictwem transmisji pakietowych (GPRS). Urządzenie telemetryczne STGSM-04, opracowane w Oddziale Instytutu Elektrotechniki
w Gdańsku, pozwala na wykorzystanie tych usług w zastosowaniach przemysłowych i stanowi podstawę konstrukcyjną umożliwiającą szybkie wdrożenia
urządzeń służących do sprzęgania systemów automatyki przemysłowej ze zdalnymi centrami nadzoru za pośrednictwem modemów telefonii komórkowej.
mgr inż. Piotr BOGUSŁAWSKI
[email protected]
mgr inż. Eugeniusz ŁOWIEC
[email protected]
Instytut Elektrotechniki, Oddział w Gdańsku
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 222, 2005
116
P. Bogusławski, E. Łowiec
Urządzenie pomiarowe STGSM-04 posiada szeroki zakres zastosowań
wynikający zarówno z modernizacji konstrukcyjnej wcześniejszych rozwiązań
opracowanych w IEL w Gdańsku, jak i z rosnącego zakresu usług świadczonych przez operatorów sieci komórkowych [1]. W opisywanej wersji
urządzenie STGSM-04 służy do precyzyjnych pomiarów wielkości analogowych
w trudnych warunkach środowiskowych, do nadzoru urządzeń w przemysłowych systemach produkcji lub do konwersji protokołów komunikacyjnych
w systemach wizualizacji.
Obecnie na rynku istnieje znaczna liczba specjalizowanych urządzeń
telemetrycznych działających w oparciu o telefonię komórkową i przeznaczonych do zastosowań w przemyśle [4]. Opisywane urządzenie, dzięki odpowiedniej konfiguracji nowoczesnych podzespołów wchodzących w jego skład,
umożliwia oferowanie samodzielnych rozwiązań pomiarowych lub wzbogacanie
funkcjonalności systemów opartych na sterownikach programowalnych (PLC)
starszej generacji, szeroko stosowanych w automatyzacji obiektów. Specyfika
STGSM-04 polega na połączeniu w ramach uniwersalnego rozwiązania pożądanych cech techniczno-ekonomicznych, co może stanowić podstawę do oferowania nowego typu wyrobów lub usług teletechnicznych.
2. OPIS KONSTRUKCJI
Zasadniczym podzespołem konstrukcyjnym urządzenia STGSM-04,
decydującym o jego uniwersalności, jest moduł sterujący zbudowany przez
autorów w oparciu o mikrokontroler ADUC834 firmy Analog Devices. Moduł ten
integruje układy zasilania i komunikacji z analogowym torem pomiarowym.
Zastosowano elementy scalone o niskim poborze mocy. Korzystając z właściwości mikrokontrolera wyposażono system w dodatkową pamięć statyczną
RAM oraz układy peryferyjne. Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy
urządzenia.
W zależności od zastosowanej obudowy i wewnętrznego oprogramowania (firmware) urządzenie STGSM-04 wykorzystywane jest do budowy
dwóch typów urządzeń: KMS-04-M oraz KMS-04-P. Urządzenie KMS-04-P jest
uniwersalnym sterownikiem mikroprocesorowym przeznaczonym do montażu
na znormalizowanym wsporniku szynowym. Urządzenie to jest kompatybilne ze
starszą wersją sterownika KMS-03, znajdującego zastosowanie jako moduł
sprzęgający sterowniki programowalne (PLC) z modemami GSM. Na rysunku 2b) przedstawiono widok wnętrza urządzenia KMS-04-P. Wersja urządzenia
KMS-04-M pod względem funkcjonalnym jest kompatybilna z urządzeniem
117
Urządzenie pomiarowe STGSM-04
STGSM-02, tzw. szafką telemetryczną (rys. 3a) stosowaną jako rejestrator
poziomów wody (automatyczny wodowskaz) o zasilaniu podtrzymywanym
akumulatorowo. Nowe rozwiązanie rejestratora odznacza się znacznie mniejszymi gabarytami (obudowa o wym. 180x70x85) i zużyciem mocy w stanie
aktywnym (ok. 250 mW). Na rysunku 3b) przedstawiono rejestrator wraz z pozostałymi elementami wchodzącymi w skład zestawu pomiarowego.
Rys. 1. Schemat blokowy urządzenia STGSM-04
a)
b)
Rys. 2. Widok urządzeń po otwarciu obudowy:
a) KMS-04-M, b) KMS-04-P (w fazie montażu).
118
P. Bogusławski, E. Łowiec
Na rysunku 2a) przedstawiono widok urządzenia STGSM-04 po otwarciu
obudowy. Widoczna jest płytka drukowana modułu sterującego wraz z nałożonym modemem. W pokrywie obudowy został zainstalowany akumulator.
W urządzeniu zintegrowano czujniki pomiarowe ciśnienia i temperatury z układem do bezprzewodowej transmisji danych (modem GSM/GPRS MC35
Siemens). Na rysunku 3b) przedstawiono zestaw pomiarowy z zanurzeniowym
czujnikiem poziomu i temperatury o wyjściu napięciowym typu VLTT-12
(Vigotor). Czynnikiem decydującym o autonomiczności systemu jest zastosowanie fotowoltaicznego źródła zasilania. W skład zestawu wchodzą: bateria
słoneczna typu ASI-F2/12 (RWE SCHOTT Solar GmbH) o maksymalnej mocy
2 W oraz pakiet akumulatora litowo-jonowego pojemności ok. 2 Ah typu
GP1865L2003S1P (GP Batteries).
a)
b)
Rys. 3. Urządzenia pomiarowe:
a) STGSM-02, b) STGSM-04 (widoczne dołączone
czujnik zintegrowany i bateria słoneczna).
elementy:
antena
GSM,
2.1. Interfejsy pomiarowe i obiektowe
Na płytce układu STGSM-04 znajdują się cztery optoizolowane wejścia
dyskretne, cztery nieizolowane wyjścia dyskretne i dwa nieizolowane wejścia
analogowe. Aranżacja interfejsu sygnałów dyskretnych pozwala na dołączenie
Urządzenie pomiarowe STGSM-04
119
zewnętrznej macierzy do obsługi klawiatury 4 x 4 lub podobnego zestawu 16
wejść dyskretnych współpracujących z zestykami. Wejścia analogowe, dysponujące rozdzielczością 24-bitową i częstotliwością próbkowania do ok. 100 Hz,
są standardowo przygotowane do połączenia z dwoma przetwornikami pomiarowymi o wyjściu napięciowym sygnału różnicowego [2].
Urządzenie wyposażono w układy pomiarowe napięcia i prądu zasilania
(ładowania) wykorzystujące 12-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC)
generujący pomiarowe napięcie referencyjne. Pomiary w torze zasilania realizowane są za pomocą komparatora i wzmacniacza pomiarowego prądu oraz
16-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Pomiar napięcia głównego
toru zasilania odbywa się metodą sukcesywnych aproksymacji za pomocą
komparatora, układu DAC i wejścia dyskretnego mikrokontrolera. Pomiar prądu
głównego toru zasilania odbywa się za pomocą bocznika i wzmacniacza
pomiarowego prądu o stałym wzmocnieniu 100 V/V, który pozwala na pomiar
prądu w obu kierunkach w procesach ładowania lub rozładowania akumulatora
(rys. 4). Sygnał z tego wzmacniacza doprowadzony jest do wejścia analogowego mikrokontrolera o rozdzielczości 16-bitowej.
Rys. 4. Charakterystyka przejściowa układu do dwukierunkowego pomiaru prądu ładowania akumulatora [3].
2.2. Układy zasilania
Urządzenie STGSM-04 zasilane jest z akumulatora litowo-jonowego
ładowanego z zewnętrznego zasilacza lub baterii słonecznej o wydajności
prądowej zapewniającej autonomiczność energetyczną urządzenia pomia-
120
P. Bogusławski, E. Łowiec
rowego. Akumulator o napięciu znamionowym 11,1 V posiada ogranicznik
zwarciowy wraz z wbudowanymi zabezpieczeniami ogniw chroniącymi przed
nadmiernym rozładowaniem i przeładowaniem. W obwodzie ładowania
akumulatora znajduje się niskoomowy bocznik pozwalający na pomiary ładunku
dostarczanego do baterii ogniw (rys.1 i 4). Dodatkowo przewidziano możliwość
programowego wyłączenia ładowania akumulatora w celu zabezpieczenia go
przed przeładowaniem.
Napięcie „biegu jałowego” źródła doładowującego (baterii słonecznej)
jest ograniczane diodowo do wartości ok. 18 V. Przy dużej wydajności prądowej
tego źródła mogą wystąpić znaczne straty mocy prowadzące do wzrostu temperatury elementów zabezpieczających. Opisane zjawisko występuje tylko
w przypadku, gdy pobór mocy urządzenia zostanie zmniejszony po wyłączeniu
ładowania akumulatora i innych układów peryferyjnych (np. modemu, czujników). W urządzeniu STGSM-04 straty mocy w diodach zabezpieczających są
wykorzystywane do podgrzewania metalowej obudowy w celu poprawy warunków ładowania akumulatora w okresie zimowym.
W celu ograniczenia poboru mocy w stanie nieaktywnym zastosowano
wyłączniki zasilania podzespołów komunikacyjnych i pomiarowych. Wyłączniki
ładowania akumulatora i zasilania modemu zrealizowano w oparciu o klucze
tranzystorowe typu MOSFET. Za pomocą osobnej linii istnieje możliwość sterowania programowego dodatkowym zasilaczem stabilizowanym czujnika pomiarowego. Dla zmniejszenia poboru mocy w okresach nieaktywności urządzeń
zewnętrznych w STGSM-04 zaimplementowano sprzętowy mechanizm wyłączający układy komunikacyjne. Ogranicznik poboru mocy przez te układy pracuje niezależnie od mikrokontrolera.
Przyjęcie powyższych rozwiązań pozwoliło ograniczyć pobór prądu
w stanie uśpienia modułu do wartości ok.100 µA oraz zwiększyło możliwości
w zakresie sterowania torem zasilania.
2.3. Układy komunikacyjne
Urządzenie STGSM-04 wyposażono w liczne kanały komunikacji szeregowej. W zasobach wewnętrznych kontrolera ADUC834 znajduje się jeden
kanał komunikacji szeregowej RS232 (UART1) oraz kanał emulacyjny (/EA),
poprzez które możliwa jest wymiana oprogramowania w pamięci programu
i danych zawartych w pamięci nieulotnej procesora. W ograniczonym zakresie
(zależnym od oprogramowania systemowego użytkownika) wymiana oprogramowania aplikacyjnego jest możliwa również poprzez każdy inny interfejs
modułu. W szczególności nadaje się do tego celu wbudowany w kontroler
interfejs SPI/I2C.
Urządzenie pomiarowe STGSM-04
121
Pozostałe układy komunikacji szeregowej, w tym opcjonalny nośnik pamięci nielotnej (MMC), obsługiwane są za pomocą interfejsu SPI mikrokontrolera. W celu ograniczenia poboru mocy układy UART2 i UART3 wprowadzane są w stan wyłączenia jednocześnie, za pośrednictwem układu dopasowującego RS232, który posiada funkcję „auto shutdown” zależną od stanu
aktywności urządzeń zewnętrznych (np. modemu lub PC). Oba zewnętrzne
łącza standardu RS232 są typu DTE. Częstotliwości transmisyjne zewnętrznych
układów transmisji szeregowej są wzajemnie niezależne. Układ UART3
obsługuje kanał komunikacyjny w standardzie RS422/485.
3. OPROGRAMOWANIE NARZĘDZIOWE
Moduł sterujący urządzenia STGSM-04 pozwala na prowadzenie prac
uruchomieniowych oprogramowania w trzech trybach. Przy wykorzystaniu symulatora pamięci zewnętrznej programu kod wykonywalny pobierany jest
poprzez złącze równoległe układu. Ten tryb pozwala na szybką weryfikację
poprawności działania aplikacji, ale bez możliwości podglądu on-line zawartości
rejestrów procesora.
Wymianę oprogramowania (firmware) w systemie docelowym można
wykonywać poprzez port RS232. W tym celu należy uruchomić darmowy
program WSD.EXE (rys. 5) pobrany ze stron producenta (www.analog.com) i
załadować plik wykonywalny typu *.hex do pamięci mikrokontrolera. W tym
trybie możliwe jest także programowanie bitów zabezpieczających przed
kopiowaniem oprogramowania.
Rys.5. Okno startowe programu narzędziowego WSD.EXE firmy Analog Devices
Największe możliwości pracy nad oprogramowaniem aplikacyjnym
uzyskuje się korzystając z sondy emulacyjnej Single Pin Emulator POD
122
P. Bogusławski, E. Łowiec
w środowisku uruchomieniowym (IDE) Aspire™ firmy Accutron (rys. 6). W tym
trybie możliwe jest programowanie kontrolera z poziomu assemblera lub przy
wykorzystaniu prostego kompilatora języka C. Prace uruchomieniowe prowadzi
się korzystając ze środowiska programistycznego Aspire™ (rys. 7).
Rys. 6. Połączenie systemu uruchomieniowego Spear firmy
Accutron z urządzeniem KMS-04-M (widoczna sonda
emulacyjna)
Rys. 7. Okno środowiska uruchomieniowego Aspire™ (IDE) firmy
Accutron
123
Urządzenie pomiarowe STGSM-04
4. ZASTOSOWANIA
Opisywane urządzenie pomiarowe STGSM-04 może znaleźć zastosowanie w autonomicznych systemach monitorowania procesów o charakterze
wolnozmiennym. Aktualnie prowadzone są prace nad rozwojem oprogramowania aplikacyjnego ukierunkowane na adaptację urządzenia do zastosowań
w dziedzinie ochrony środowiska naturalnego – do badania jakości wód (m.in.
poprzez opracowanie algorytmów współpracy z przetwornikami wielkości chemicznych). Równolegle prowadzone są prace o charakterze integratorskim
zmierzające do stworzenia systemu akwizycji danych pomiarowych i udostępniania ich poprzez sieć Internet.
Urządzenie KMS-04-P znajduje obecnie zastosowanie w systemie monitoringu przepompowni melioracyjnych w regionie Żuław Elbląskich.
LITERATURA
1. Hartman M., Łowiec E., Bogusławski P., Mandrek S., Wykorzystanie usługi SMS cyfrowej
telefonii komórkowej do monitorowania wielkości fizycznych, Elektronizacja, nr2, str.2-4,
2000.
2. Bogusławski P., Łowiec E., Dokumentacja techniczna urządzenia KMS-04, IEL OG, Gdańsk,
2004.
3. Karta katalogowa f-my Maxim „Bidirectional, High-Side, Current-Sense Amplifiers with
Reference”, www.maxim-ic.com.
4. Industrial Engineering News-Europe, Volume 30/2004.
Rękopis dostarczono, dnia 14.10.2004 r.
Opiniował: prof. dr hab. inż. Michał Lisowski
MEASURING DEVICE STGSM-04
Piotr Bogusławski
Eugeniusz Łowiec
ABSTRACT A technical solution of low power device for
control and measurement using the digital cellular network
for communication is presented in this paper. Construction of
the device and tools for software development are shortly
described.