Имплементирање алата за електронско нивелисање

Internet Technologies - Computer Science for Business Leaders 2016 (Јун 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Имплементирање алата за електронско нивелисање


Иако може бити изазовно дизајнирати електронске верзије прецизних алата, у овом чланку Индустрије дизајнирамо електронски ниво који одговара карактеристикама конвенционалног алата.

Прво, представићемо кратку историју алата за нивелисање. Затим ћемо описати коло потребно за управљање сигналом који је примљен од акцелерометра. Затим ћемо дискутовати о унутрашњем дизајну за интегрисано коло конфигурираног мешовитог сигнала (ЦМИЦ) који обавља главне функције електронског алата. Изабрали смо да користимо ГреенПАК СЛГ46120В за ову апликацију захваљујући величини и флексибилности. Коначно, приказаћемо наш визуелни и звучни интерфејс.

Историја и тајна алата за нивелисање

Ниво је алат који је дизајниран да информише корисника да ли је површина равна у хоризонталном правцу (такође позната као ниво) или вертикална (такође позната као плумб).

Овај једноставан податак је од виталног значаја за цигле, метални рад и столарију. Дизајн је у суштини остао непромењен већ деценијама - основни ниво садржи стаклену бочицу која је у потпуности напуњена течностима, осим за мали балон. Због комбинованог дејства разлика гравитације и густине, мехур се увек помера на највишу тачку бочице док гравитација делује на течност унутар закривљене површине бочице.

Слика 1. Прекомерна стаклена бочица и понашање мехура.

Слика 1 илуструје претеривање стаклене бочице која наглашава како то функционише. Слика 1 (а) показује да је мјехурић центриран када је бочица савршено хоризонтална. На слици 1 (б), мехур се мигрира до највише тачке када се бочица ротира. Обратите пажњу да је стара позиција означена као избледели балон има нижу висину. С обзиром да је мјехурић мање густа, увијек плута према врху закривљене површине бочице.

Израда алата за нивелисање

Упркос једноставном механизму, од кључне је важности да алат за нивелисање обавља са врло високом прецизношћу. Сензитивност је важна спецификација за ниво, јер игра значајну улогу у одређивању укупне тачности уређаја. Осетљива природа нивоа је промена угла или градијента потребан за померање балона за одређено растојање. Ако је бочица завршила поделу, тада се осетљивост односи на промену угла или градијента потребну за померање мехурића једним од ових подела.

Сензитивност је директно повезана са радијусом кривине бочице. Што дужи радијус, то ће бити осјетљивији на бочици и обрнуто. За ову апликациону белешку користићемо једноставни ниво балона као референцу. Ови једноставни нивои не долазе са спецификацијом осетљивости, али је могуће грубо мерити његову осјетљивост користећи рулер и клијешта. Слика 2 (а) показује праву алатку за ниво балона која се користи као референца у овој примени.

Слика 2. Стварни ниво и груба шема мјерења осјетљивости.

За мерење смо користили владар дужине 31 цм и ставили смо на општи ниво. Слика 2 (б) показује да се равнач додирује површином на једном крају док подиже други. Користили смо кљуц за мерење висине на подигнутој страни. Мехур се налази на средини виале када је владар паралелан са равном површином. У овом случају, вредност α је нула. Затим смо подигли један крај владара све док није стигао до прве црне марке и забележио висину, што је променљива 'б' означена на слици 2 (б). Осетљивост се израчунава коришћењем следеће формуле:

Дакле, осетљивост између две црне марке је 3.14 °. Наш циљ је да дизајнирамо електронски ниво који је барем добар као ниво балона.
Затим, треба разговарати о електроници која се користи за креирање електронског нивоа који утиче на осетљивост. Осетљивост се директно односи на карактеристике гравитационог сензора. У овој апликациони напомени, користили смо НКСП акцелерометар ММА7260КТ (ПДФ). Овај уређај карактерише подешавање сигнала, 1-полни нископропусни филтер, компензација температуре и могућност бирања између четири подешавања осетљивости. Просечна потрошња струје уређаја је 500μА током рада, али се смањује на 3μА након уласка у режим спавања.

Захтјеви ВДД акцелерометара НКСП-а су 2, 2 В-3, 6 В, јер се ово сматра примјеном ниског напона. Максимална осетљивост је 800 мВ / г на 1, 5 г, што је његова подразумевана конфигурација. Излазна вриједност варијабле убрзања је аналогни напон, а када је дизајнер заинтересован само на вектор гравитације, излазни напон се може описати према сљедећој формули:

• В и (α) је излаз напона акцелерометра.
• α је угао у односу на г.
• В с је напон осетљивости у В / г.

Табела 1. Вредности напона за осетљивост

αВ В (α)
-1.57º-0.0219 В
-0.7850º-0.0110 В
0 В
0.7850º0.0110 В
1.57º0.0219

Осетљивост ће се линеарно скалирати са напоном напајања. То значи да се напон напајања линеарно повећава, исто се дешава и са осјетљивошћу и оффсетом. Табела 1 приказује вредности за вредности унутар опсега осетљивости мерене пре.

Илустрација 3. Излаз акцелератора када се потпуно ротира.

Слика 3 илуструје утицај ротације акцелерометра у опсегу углова -360 <α <360. Вредности веома блиске нули су скоро линеарне, што је веома пожељно у нашем дизајну.

Солутион Арцхитецтуре

Овај одељак у апликационој белешци ће описати грађевинске елементе електроничког алата за нивелисање и детаљно описати како је склоп конструисан.

Почећемо са Слика 4, која приказује комплетан блок дијаграм система. Дизајн има два главна одељка: Сигнал Цондитионинг и ЦМИЦ Цоре. Танка кутија садржи блокове који генеришу и условљавају сигнал, а зелена кутија садржи интегрисано коло ГреенПАК и његове дијелове подршке као РЦ тиминг мрежу, аудио драјвер и визуелни индикатор. ГреенПАК СЛГ46120В ИЦ је изабран за обављање више функција, укључујући осцилатор, звучни управљач и ЛЕД арраи.

Слика 4. Дијаграм система блокова.

Спољни кругови

Слика 5 (а) приказује плочу модула и Слика 5 (б) показује пиноут сензора акцелерометра.

Слика 5. Модул акрила и пиноут.

Блок 1 се састоји од модула сензора за акцелерометар офф-тхе-схелф, који врши аквизицију мере пројекције гравитационог вектора у својој оси. Излаз је аналогни сигнал у којем је напон пропорционалан пројекцији гравитационог вектора у једној од три осе.

Пинови Сел1 и Сел2 су два улазна игла која омогућавају кориснику да изаберу осетљивост акцелерометра. Ако оставите СЕЛ1 и СЕЛ2 неповезаним, подразумевана осетљивост је 1.5г захваљујући отпуштеним отпорницима повезаним на улазе. Пински за спавање ће бити директно повезани са ВДД-ом јер желимо само да покажемо основну функцију алата за електронски ниво. По жељи, корисник може да имплементира функцију будилног спавања како би смањио потрошњу енергије промјеном имплементације ГреенПАК дизајна.

Затим, условљамо сигнал како би био погодан за покретање ВЦО дизајна ГреенПАК-а. Прво започињемо референцирањем на Слику 3 где се узима и-оса као референца. Сада смо заинтересовани само за велике варијанте сигнала које обезбеђује функција. Према Слици 6, примећује се да је сензитивност сензора у зеленој сенфираној површини већа од плаве осенчене површине због варијације напона.

Илустрација 6. Приказ излаза сигнала акцелератора и варијације напона.

Предност зеленог региона је својство линеарности. Варијација Ви (α) може се сматрати линеарно пропорционалном варијацији α ако α претпоставља вредности врло близу нуле. Ово је могуће због синусне апроксимације дефинисане као:

Не можемо да применимо синусну апроксимацију за плаву заварену област и ниску варијацију функције Ви (α), јер су вредности α подложније шуму.

Изравнавање је процес у којем корисник окреће уређај док α не чита нулу. Користићемо звучни интерфејс како бисмо показали када се ово деси. Пошто је ниво бинарне информације (он је или није ниво), утврдимо да је звучни сигнал испод максималне фреквенције ван нивоа. Дакле, морамо промијенити облик улазног сигнала да нам кажемо када је α = 0 ° читано. Овај задатак се постиже употребом функције апсолутне вриједности на Ви (α) за вриједности α у зеленој сенчени регији. Резултат је наглашен на слици 7, где слика 7 (а) означава изворни сигнал, а Слика 7 (б) приказује резултат круга функција апсолутне вриједности. Обратите пажњу на црвени круг који указује на максималну тачку када је α = 0 °. Затим, уређај је ниво када корисник окрене уређај док не достигне највиши степен.

Блок 2 описује функцију апсолутне вредности. Кондиционирање сигнала постиже се везом заснованом на СЛГ88104В. Овај део је пакет од четири ЦМОС оперативна појачала способна за унос и излаз из железнице у жељезницу.

Слика 7. Апсолутна функција се примењује на осенченом зеленом региону.

Главне предности овог дела су ниска потрошња струје од 375нА, његов широки опсег напона, а то је врло мали површински отисак. Друга корисна карактеристика је индивидуална контрола надоле по сваком појачалу, што га чини погодним за апликације мале снаге.

Ратиометрицити се односи на способност претварача да одржава константну осјетљивост у низу вриједности напонског напона. Напон и осетљивост излазног оффсет сигнала акцелерометра ће се линеарно скалирати са примењеним напоном напајања. Улаз Блок 2 такође узима у обзир референтни положај акцелерометара. Слика 8 приказује схему кола за обављање функције апсолутне вредности и амплификације. ВГНД тачка кола линеарно раствара напон напајања. Дакле, АЦЦЕЛ и ВГНД ће имати врло блиско оффсет референцу што значи да ће виртуелни "нули волти" прочитани од АЦЦЕЛ-а бити врло близу виртуелним "нултим волтима" референтне вредности ВГНД. Стога, коло за калибрирање на тачки АЦЦЕЛ тачке је потребно само ако грешка у оффсету није довољно ниска.

Слика 8. Круг за амплификацију и обрнуту функцију апсолутне вредности са СЛГ88104В.

Велике напонске варијације које долазе од акцелерометра због малих ротација уређаја су карактеристике које желимо за наш дизајн.

Ова карактеристика се односи на осетљивост и може се контролисати помоћу амплификације. Ојачање мења однос односа варијација сразмерно излазној фреквенцији осцилатора који контролише напон (ВЦО). Отпорници Р13 и Р14 састављају мрежу ојачања последњег оперативног појачала пре излаза сигнала означеног АБС-ом. Оперативно појачало је конфигурисано као неинверзијски појачавач и добитак је дат као:

Слика 9 показује плотер за вођење дизајнера како контролише осетљивост уређаја подешавањем фактора амплификације А Гаин .

Велике напонске варијације које долазе од акцелерометра због малих ротација уређаја су карактеристике које желимо за наш дизајн.

Ова карактеристика се односи на осетљивост и може се контролисати помоћу амплификације. Ојачање мења однос односа варијација сразмерно излазној фреквенцији осцилатора који контролише напон (ВЦО). Отпорници Р13 и Р14 састављају мрежу ојачања последњег оперативног појачала пре излаза сигнала означеног АБС-ом. Оперативно појачало је конфигурисано као неинверзијски појачавач и добитак је дат као:

Слика 9 приказује плот за вођење дизајнера како контролише осетљивост уређаја подешавањем фактора појачања.

Слика 9. ВЦО излазна фреквенција као функција добитка.

ГреенПАК Цирцуит

Последња фаза успостављања сигнала, означена блокадом 3, врши филтрирање и пуштање сигнала. Слика 10 приказује укупну схему ГреенПАК СЛГ46120В ИЦ интерфејса са спољним деловима. Излазни сигнал из блока 2 означен је АБС-ом.

Слика 10. ГреенПАК СЛГ46120В и спољне компоненте.

Затим, сигнал се филтрира помоћу РЦ нископропусног филтера формираног од Р7 и Ц2, који има за циљ да елиминише ефекте изненадних покрета који могу изазвати проблем на дисплеју или звучном управљачу. Мерач акцелерације може открити физички судар који излази на високофреквентну буку која мора бити филтрирана. Затим, излаз филтера прелази у уобичајену топологију појачавача колектора (такође познат као пратећи емитер) и користи се као напонски пуфер за ВЦО вожњу.

Р8 дефинира оффсет који се користи за контролу највишег тона кад је α = 0 ° Емитер К2 је повезан са временском константом РЦ мрежом Р1 и Ц1 која контролише осциловање ВЦО. Дио К1, Р3, Р4 и СП1 садрже блок "Соунд дривер интерфаце". Тон интерфејса долази преко звучника СП1 који управља погоном транзистора К1 који ради као прекидач.

Приказни интерфејс формира низ ЛЕД диода. ЛЕД1 и ЛЕД2 представљају негативне вредности за α, ЛЕД4 и ЛЕД5 представљају позитивне вредности за α, а ЛЕД3 представља α у опсегу вредности врло близу 0 степени.

Слика 11. Особине излазног ПИН-а 10.

Према техничком листу СЛГ46120В, типична струја излазног нивоа ЛОВ-а износи 22.9 мА @ 3.3В када се користи отворени одводни НМОС 2к. На слици 9 приказане су карактеристике ГреенПАК интерфејса ПИН10. Ова излазна конфигурација пин се користи за покретање ЛЕД диода. Струја ЛЕД је 18, 3 мА због 82 охмских отпорника и претпостављамо да је пад напона преко ЛЕД-а 1.8В. ПИН11 контролише само ЛЕД3. ПИН10 и ПИН12 контролишу обе ЛЕД4 / ЛЕД1 и ЛЕД2 / ЛЕД5 парове, респективно. Управљач филијале контролише ПИН9, који преклапа ЛЕД5 / ЛЕД4 и истовремено управља К3. К3 је транзистор који функционише као прекидач и инвертујући логички прикључак. Он преклапа ЛЕД1 / ЛЕД2 када ЛЕД4 / ЛЕД5 плива и обрнуто. Позитивна алфа (ПА) позитивна алфа (ПА) и негативна алфа (НА) долазе из блока 2. Ове тачке кола читају и дискриминишу позитивне или негативне вредности α. Ове информације ће бити дио кола који контролише ПИН9 логику.

Слика 12 приказује овај ГреенПАК дизајн. Такође можемо идентификовати интерне функције: ВЦО, ЛЕД контролу и Соунд Дривер.

-

Слика 12. Интерни дизајн ГреенПАК СЛГ46120В.

ВЦО је састављен од лоок-уп табле (ЛУТ), аналогног компаратора (АЦМП), бројача и два затича. Пин3 је улаз у АЦМП, док Пин5 повезује кондензатор са ГНД-ом када се достигне праг. Интерна референца АЦМП0 је подешена на 400мВ, што је праг пражњења. Пин3 је конфигуриран као аналогни улаз, док је Пин 5 конфигурисан као 1к отворени одводни НМОС дигитални излаз са пливајућим отпорником.

2-битни ЛУТ4 је конфигурисан као претварач. Бројчаник ЦНТ / ДЛИ2 броји до 5 да би се осигурало да се кондензатор потпуно испразни. Извор сата је 2МХз обезбеђен од стране ОСЦ-а, а количина времена предвиђене за пражњење постављена од ЦНТ / ДЛИ2 је 3, 75ус.

Контрола екрана ради мерењем периода сигнала који генерише ВЦО. Ова функција обавља ЦНТ0 / ДЛИ0, 2-битни ЛУТ2, ЦНТ1 / ДЛИ1, ФИЛТЕР, 2-битни ЛУТ3, ДФФ6 и ДФФ7. У основи, ова структура броји колико се импулса бројача ЦНТ1 / ДЛИ1 уклапа унутар периода излазног сигнала ВЦО. ДФФ6 и ДФФ7 формирају 2-битни бројач који може да се рачуна од 0 до 3.

Када се период сигнала смањи или повећава, тај 2-битни бројач ће регистровати број, а један од три 3-битне ЛУТ-а ће излазити ХИГХ према својим конфигурацијама. Табела 2 показује који ЛУТ и ЛЕД су активни према Цоунтер Цоунтер.

Пошто четири бита нису довољни да представљају 5 углова вредности, користимо трик за постизање нашег циља. На слици 12, уочите да компаратор АЦМП1 уводи ПИН9 који наизменично смањује позитивне и негативне ЛЕД шине. Табела 3 проширује логику Табеле 2 укључујући резултат сигнала из АЦМП1 и референтног акцелерометра из табеле 1.

Табела 2. Контрола догађаја приказа
Цоунтер РегистерЛУТАцтиве Пин
3ниједанДржите екран
23-битни ЛУТ1Пин 11
13-битни ЛУТ8Пин 12
03-битни ЛУТ0Пин 10

Да бисмо направили звучни драјвер у Блоку 5, користили смо спољну РЦ мрежу ВЦО да генеришемо максималну фреквенцију од 4кХз. Пошто је ова фреквенција високог нивоа и може бити непријатна за људско ухо, користили смо два ДФФ-ова да га спустимо на угоднији 1кХз тон.

Дизајн тест

Један од начина за проверу исправности уређаја је анализа излаза ВЦО-а. Користили смо осцилоскоп за мерење ВЦО излаза када је узбуђен сигналом који долази од акцелерометра. Слика 13 (а) приказује излаз када је алат постављен у хоризонталну оријентацију, док Слика 13 (б) приказује излаз када је алат на нагибу.

Слика 13. ВЦО излаз у складу са хоризонталним поравнавањем: (а) Улазни напон 1.8В и фреквенција 4.1КХз, (б) Улазни напон 1.0В и фреквенција 2.1КХз.

Плаве и жуте линије означавају улазне и излазне сигнале, респективно. Ако се резултати на слици 13 упореде са плотом на слици 9, онда можете закључити да су резултати из скупа кола са А Гаин = 10.

Табела 3. Догађаји екстензивног приказа
Цоунтер РегистерЛУТАцтиве ПинАЦМП1Ацтиве РаилЛЕДВолтажа акцелерометра
3Не ЛУТДржите екран+/-ИгноришиДржите екранИгнориши
23-битни ЛУТ1Пин 11ИгноришиИгноришиЛЕД30 В
13-битни ЛУТ8Пин 12+Пин 9ЛЕД5+0.0219 В
03-битни ЛУТ0Пин 10+Пин 9ЛЕД4

+0.0110 В

2

3-битни ЛУТ1

Пин 11ИгноришиИгноришиЛЕД30 В
1

3-битни ЛУТ8

Пин 12-Пин 8ЛЕД2-0.0110 В
0

3-битни ЛУТ0

Пин 10-Пин 8ЛЕД1-0.0219 В

Закључак

У овом чланку индустрије, направили смо електронски алат за нивелисање. Дизајнирали смо колу потребне за условљавање аналогног сигнала од акцелерометра и аудио / визуелног корисничког интерфејса који указује на то да ли је алат ниво. Дизајн је функционисао како се очекивало и представили смо сигналне парцеле у одељку за испитивање дизајна.

Комбинација ГреенПАК СЛГ46120В ЦМИЦ и СЛГ88104В Куад Оп Амп обезбедила је идеалне ресурсе за дизајнирање овог електронског нивоа. Структура ВЦО је била једноставна за изградњу, а било је довољно ресурса за имплементацију звучног интерфејса и визуелног индикатора који би омогућио кориснику да зна колико је алат близу хоризонталне равни. За више информација о овом пројекту, погледајте Силего-ову апликациону напомену.


Чланци индустрије представљају облик садржаја који омогућава партнерима у индустрији да делују корисне вијести, поруке и технологију са читачима читавог круга на начин на који уређивачки садржај није прикладан. Сви чланци у индустрији подлежу строгим уредничким смерницама с намјером да корисницима пруже корисне вијести, техничку експертизу или приче. Ставови и мишљења изражена у чланцима из области индустрије су оне партнера, а не нужно оне од Алл Абоут Цирцуитс или њених писаца.