Projekt MMIA

Časomíra s optickými branami

Jiří Chytil, UREL, FEKT, VUT Brno
xchyti06@stud.feec.vutbr.cz

Obsah:

1. Úvod
2. Hardware
3. Firmware
4. Software
5. Mechanické komponenty
6. Konečná realizace
7. Plány do budoucna
8. Závěr
9. Seznam použité literatury

Úvod

Cílem je vytvořit časomíru s optickými branami pro monoposty Dragon vznikající v rámci Ústavu automobilního a dopravního inženýrství na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně. Prvním z požadavků je rekonfigurovatelnost a minimálně do módů:

Sprint master v cíli (dvě brány, brána spojená ovládáním je v cíli)
Sprint master na startu (dvě brány, brána spojená ovládáním je na startu)
Lap master (Jediná brána, spojená s ovládáním, pro měření časů kola)

Optobrána si svou identitu (master, slave) zjistí pomocí připojeného komunikačního modulu. Slave svoji pozici cíl nebo start nerozlišuje. Zasílá pouze údaje přerušeno, uvolněno. Master se nastaví příkazem z ovládací jednotky. Plánované možnosti ovládání brány časomíry (tj. ovládací jednotky) jsou:

PC propojené promocí převodníku UART -> USB a ovládací software
Modul zobrazovacího displeje s ovládacími prvky
Zobrazovací panel umožňující závodníka informovat o čase v kombinaci ovladačem
Ethernet/Wifi modul umožňující přímou komunikaci s monopostem

Propojení bran mezi sebou:

Kabelem, který přenáší pouze stavy senzorů GV18/115/120
Kabelem, který navíc přenáší pomocná data
Jednosměrným bezdrátovým modulem
Obousměrným bezdrátovým modulem

Hardware

Jednotka generování světelného kuželu

Hardware je zde velice jednoduchý, jedná se prakticky pouze o kontrolu nabití olověného akumulátoru a jeho případné odpojení při podbití. To je realizováno pomocí komparátoru jež spíná napájecí relé. Toto relé je při pokusu o zapnutí překlenuto tlačítkem ON dojde ke kontrole napětí akumulátoru a podle toho je relé sepnuto nebo se rozsvítí LED informující o podbití akumulátoru. Ta svítí pouze v případě podbitého akumulátoru s tisknutého tlačítka ON. Tlačítkem OFF se přeruší proud do báze tranzistoru, který drží otevřené relé a obvody se odpojí od napájení. Jednotka využívá vysílač GD18/115 od spojenosti Fuchs a Pepperle. Deska navíc obsahuje zdroj proudu použitelná pro nabíjení akumulátoru. Oba moduly využívají 12V akumulátorů s kapacitou 1.3 Ah.

Obr.1 - Schéma zapojení jednotky generování světelného kuželu

Podklady pro výrobu desky

Deska je realizována jako jednostranná bez prokovení.

Obr č.3 - Vrstva bottom plošného spoje jednotky generování světelného kuželu

Podklady pro osazování desky

Obr č.3 - Osazovací plán jednotky generování světelného kuželu vrstvy bottom a top

Jednotka Master/Slave detektor

Jednotka obsahuje stejné hlídání akumulátoru jako jednotka generování světelného kuželu.

Obr č.4 - Zapojení hlídání akumulátoru Navíc však obsahuje procesor a k němu potřebné obvody,

Obr č.5 - Zapojení procesoru zdroj napětí pro obsažený procesor, externí oscilátor a expanzní porty,

Obr č.6 - Stabilizátor napětí na 5V a externí oscilátor pro procesor Převodníky napěťových úrovní využívají jsou odporové děliče vylepšené přidáním zenerových diod.

Obr č.7 - Převodníky napěťových úrovní

Podklady pro výrobu desky

Deska je realizována jako oboustranná prokovená vyráběné u společnosti PragoBoard.

Obr č.8 - Vrstva bottom plošného spoje

Obr č.9 - Vrstva top plošného spoje

Podklady pro osazování desky

Obr č.10 - Osazovací plán vrstvy bottom

Obr č.11 - Osazovací plán vrstvy top

Převodník USB - UART

Je založený na obvodu MCP2200.

Obr. 12 - Schéma zapojení uřevodníku USB - UART

Podklady pro výrobu desky

Deska je realizována jako oboustranná prokovené. Vyrobené společností APAMA s. r. o.

Obr. 13 - Vrstva bottom a top plošného spoje

Podklady pro osazování desky

Obr. 14 - Osazovací plán

Firmware

Tato kapitola se týká pouze jednotek přijímačů, neboť jednotky vysílačů neobsahují žádný mikrokontrolér.

Vývojové diagram - prvotní návrh

Z těchto programů software vychází, ale přesně je nerespektuje, neboť během návrhu byly objeveny lepší postupy.

Obr. 15 - Inicializace a konfigurace MCU

Obr. 16 - Zpracování řídících příkazů

Obr. 17 - Přerušení v módu LAP-MASTER

Popis

Firmware je momentálně v pracovní a verzi neboť ještě nejsou hotové další hardwarové moduly. Software pracuje na bázi stavového automatu. V prvé řadě probíhá inicializace periferií a portů. Po auto identifikaci přejde ze stavu BLOCKED do STOP. A dále již pracuje dle nastavení. Využívá semaforů pro šetření strojového času v přerušení.

Soubory .h

Definice konstantních výrazů define.h
Popis hw hwprofile.h
Konfigurace MCU config.h
Hlavičkový soubor inicializací inits.h

Soubory .c

Hlavní soubor main.c
Soubor kódu inicializací inits.c

Software

Software je vytvořen v Visual Studiu v jazyce Visual Basic.net. Momentálně je ve zkušební verzi, která nepodporuje LAP-MASTAR mód ani složitější nastavení jednotky. Na rozdíl od plné verze ale zobrazuje komunikaci.

Obr. 18 - Ukázka ovládacího SW

Mechanické komponenty

Z důvodu problematického vrtání a frézování do již ohnutých krabiček se přistoupilo k pálení a ohýbání vlastních krabiček. Dle podkladů:

Obr. 19 - Podklad pro pálení laserem - hrubé rozměry

Obr. 20 - Detaily pálení zadní stěny

Obr. 21 - Detaily pálení přední stěny

Obr. 22 - Bokorys ohnutého dna krabičky

Obr. 23 - Půdorys ohnutého dna krabičky

Konečná realizace

Obr. 24 - Odkrytovaná i zakrytovaná jednotka generování světelného kuželu

Obr. 25 - Desky řízení MASTER/SLAVE detektorů

Obr. 26 - Převodník USB - UART

Obr. 27 - Výsledná jednotka upevněná na mikrofonním stativu

Plány do budoucna

Vzhledem k problémům s dodavateli jmenovitě společností GME, které vyřízení objednávky trvalo déle než měsíc, se celá realizace značně zpomalila. Do budoucna se však na systému bude dále pracovat:

nabíječka akumulátorů
testování DEAF-TIME
bezdrátová komunikace mezi branami
ethernetová WiFi komunikace s monopostem
ovladač s displejem pro odstranění potřeby spojovat MASTER bránu s PC
zobrazovací jednotka
check-point mode pro měření času na úsecích okruhu až 15 bran

Závěr

V této práci bylo dosaženo dílčího výsledku. Byly vytvořeny dva funkční prototypy jednotek generovaní světelného kuželu. Navržen systém umístění na trať pomocí stativů pro mikrofony k bicí soupravě, které disponují větší stabilitou než fotografické mini stativy. Dále byly navrženy a sestaveny jednotky detekční, postavené na mikrokontroléru PIC18F24K22. Pro něj byla vytvořena základní testovací verze softwaru, které podporuje pouze komunikační rozhraní UART. A byl vytvořen převodník USB > UART založená na čipu MCP2200 s optickým oddělením. Rozpracována je čtyř kanálová nabíječka modulů (olověné akumulátory 1,3 Ah) a jednosměrný bezdrátový komunikační systém.

použitá literatura

[1] Pepperl+Fuchs, Thru-beam sensor GD18/GV18/115/120 [online]. 14.1.2013,
poslední aktualizace 4.2.2013 [cit. 27. dubna 2013]. Dostupné z URL:
http://files.pepperl-fuchs.com/selector_files/navi/productInfo/edb/188550_eng.pdf

[2] Microchip PIC18F24K22 - Data Sheet [online]. 2010,
poslední aktualizace 29.11.2011 [cit. 27. dubna 2013]. Dostupné z URL:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39887b.pdf

[3] Texas instruments LM158/LM258/LM358/LM2904 Low Power Dual Operational
Amplifiers - Data Sheet [online]. 2004, poslední aktualizace 09.2005 [cit. 27. dubna 2013].
Dostupné z URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm158-n.pdf

[4] Shimatsu NP1.3-12 Lead-Acid Battery Data Sheet [online].
[cit. 27. dubna 2013]. Dostupné z URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm158-n.pdf