Elektronika Praktyczna 12/2011
Transkrypt
Elektronika Praktyczna 12/2011
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: 03-197 Warszawa, ul. Leszczynowa 11 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. 03-197 Warszawa, ul. Leszczynowa 11 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, Atmega161, ATmega32, ATmega6490, ATmega649, ATmega3290P, ATmega3290, ATmega329P, ATmega329, Atmega169, ATmega163, ATmega162, ATmega644P, Atmega644, ATmega324P, ATmega164P, Atmega16, ATmega128, ATmega64, 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) ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 AVT-5321 w ofercie AVT: AVT-5321A – płytka drukowana AVT-5321B – płytka drukowana + elementy Podstawowe informacje: •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. 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-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 AVT-5322 w ofercie AVT: AVT-5322A – płytka drukowana AVT-5322B – płytka drukowana + elementy Podstawowe informacje: •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. 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 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) ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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, AVT-5323 w ofercie AVT: AVT-5323A – płytka drukowana Podstawowe informacje: •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 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-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 AVT-1655 w ofercie AVT: AVT-1655A – płytka drukowana AVT-1655B – płytka drukowana + elementy 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) 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 Na CD: karty katalogowe i noty aplikacyjne elementów oznaczonych w wykazie elementów kolorem czerwonym 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-1654 w ofercie AVT: AVT-1654A – płytka drukowana AVT-1654B – płytka drukowana + elementy 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-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 Na CD: karty katalogowe i noty aplikacyjne elementów oznaczonych w wykazie elementów kolorem czerwonym 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. ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 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 AVT-1656 w ofercie AVT: AVT-1656A – płytka drukowana AVT-1656B – płytka drukowana + elementy Rysunek 2. 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 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 Na CD: karty katalogowe i noty aplikacyjne elementów oznaczonych w wykazie elementów kolorem czerwonym Układ nieskomplikowanego modułu wykonawczego, który umożliwia przełączanie na przykład napięcia sieci energetycznej sygnałem z większości układów elektronicznych. AVT-1653 w ofercie AVT: AVT-1653A – płytka drukowana AVT-1653B – płytka drukowana + elementy Na CD: karty katalogowe i noty aplikacyjne elementów oznaczonych w wykazie elementów kolorem czerwonym (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 Dodatkowe materiały na CD/FTP: ftp://ep.com.pl, user: 17692, pass: 4yv87ftn 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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. ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 T E M AT N U M E R U Akumulatory i pakiety akumulatorowe BTO A KU M U L AT O R Y Temat PREZENTACJE T E M AT N U M E R U 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- Dodatkowe informacje: 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 T E M AT N U M E R U 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 Dodatkowe informacje: 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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) Dodatkowe informacje: GAMMA Sp. z o. o., ul. Kacza 6 lok. A, 01-013 Warszawa, tel. 22 862 75 00, faks 22 862 75 01, [email protected], 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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. ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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: 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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. Dodatkowe informacje: 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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- Dodatkowe informacje: 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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) . ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 MIPS oraz 300 MFLOPS. Zawierają do 512 kB 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 MIPS oraz 160 MFLOPS. Zawierają do 256 kB 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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. ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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 Dodatkowe informacje: SABUR Sp. z o.o., 02-785 Warszawa, ul. Puławska 303, tel. 22 549 43 53 faks 22 549 43 50, [email protected], 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. ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2011 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