sondanap_rs232.pdf

3/99

Sonda do pomiaru

napiêæ za poœrednictwem

interfejsu RS-232

Wyposa¿enie komputera w kartê przetworników analogowo-cy-

frowych jest czêsto poza zasiêgiem mo¿liwoœci wielu hobbystów

a nawet profesjonalistów. Za pomoc¹ opisywanej w artykule son-

dy ka¿dy posiadacz komputera bêdzie mia³ mo¿liwoœæ pomiaru

wielkoœci analogowych. Mog¹ to byæ na przyk³ad napiêcia pocho-

dz¹ce z przetworników wielkoœci nieelektrycznych takich jak tem-

peratura, ciœnienie, wilgotnoœæ itp. Funkcja automatycznego ra-

portowania pozwala na ci¹g³e monitorowanie doprowadzonych

na wejœcie sondy napiêæ.

Opisujemy konstrukcjê niewielkiej son-

dy s³u¿¹cej do pomiaru czterech wielkoœci

analogowych. Wykorzystanie nowoczesnego

i energooszczêdnego mikrokontrolera po-

zwoli³o na zasilanie ca³ego urz¹dzenia

z wyjœæ interfejsu RS-232. Uk³ad pobiera za-

ledwie oko³o 3 mA pr¹du - nie wymaga

wiêc oddzielnego zasilania. Przetwornik

A/C wbudowany w mikrokontroler PIC

12C671 posiada cztery wejœcia i rozdziel-

czoœæ 8 bitów. Zakres napiêæ wejœciowych

zosta³ poszerzony poprzez dodanie wstêp-

nych dzielników na ka¿dym z 4 kana³ów.

Podstawowe parametry sondy:

Liczba wejœæ

analogowych – 4

Rozdzielczoœæ pomiaru – 8 bitów

Napiêcie wejœciowe

odpowiadaj¹ce pe³nej

skali (bez dzielnika)

– 5,1 V

Maksymalne napiêcie

wejœciowe (bez dzielnika) – ±50 V

Prêdkoœæ transmisji

danych pomiarowych

– 4800 bitów

Zakres programowania czêstotliwoœci

dokonywania pomiarów

w jednym kanale – 0,1÷25 s

Rezystancja wejœciowa –

10 M

(tryb tekstowy)

W£1

V dd

US2 PIC12C671

„SV1”

R17

R1*

4,7k

R13

V ss

GP0/A0

V dd

GP5/OSC1/CLKI

R18

22k

R2*

2,2k

4,7k

–V

GP1/A1/Vref

GP4/OSC2/A3/CLKO

GP2/T0CKI/A2/INT

GP3/MCLR/Vpp

BC558B

R19

10k

W£2

R3*

R10

V dd

R20

R14

22k

RS-232

R4*

2,2k

10k

R21

–V

10k

RTS

W£3

BC548B

US1

R22

DTR

LM324

4,7k

R5*

R11

D11

R15

D10

22k

V dd

R6*

–V

2,2k

D12

5V1

100 m F

100n

W£4

V+

R7*

R12

100 m F

100n

R16

22k

V–

R8*

2,2k

–V

Rys. 1 Schemat

ideowy sondy do

pomiaru napiêæ

100 m F

100n

D1÷D11 – 1N4148

*) zale¿na od rezystancji dzielnika wejœciowego

3/99

Budowa i dzia³anie

wtórnika napiêciowego sygna³ trafia do

wejœcia uk³adu US2, za poœrednictwem

rezystora zabezpieczaj¹cego (napiêcie

na wyjœciu uk³adu US1 mo¿e przekraczaæ

+5 V). Aby zakres napiêæ wyjœciowych

wzmacniacza pokrywa³ siê z zakresem

przetwarzania A/C konieczne by³o zasila-

nie „operacyjki” oddzielnym napiêciem

przekraczaj¹cym zarówno od strony ma-

sy jak i plusa wartoœæ napiêcia zasilania

uk³adu US2. Do zasilania wzmacniacza

równie¿ wykorzystano sygna³y wystêpu-

j¹ce na z³¹czu RS-232. Napiêcia ujemne-

go dostarcza linia TX, na której panuje

potencja³ -12 V gdy nie s¹ transmitowa-

ne dane z komputera. Drugim, dostar-

czaj¹cym napiêcia dodatniego, jest sy-

gna³ DTR, na którym wystêpuje poten-

cja³ +12 V od chwili zainicjowania po³¹-

czenia. Zasilanie wzmacniacza operacyj-

nego LM 324 nie musi byæ stabilizowa-

ne. Kondensatory C2, C3 wyg³adzaj¹

ewentualne wahania napiêæ jakie mog¹

pojawiæ siê podczas transmisji danych.

Tranzystor T1 jest odpowiedzialny

za dopasowanie poziomu sygna³u TX

wychodz¹cego z wyjœcia GP5 mikrokon-

trolera. Odwraca on tak¿e polaryzacjê

sygna³u TX. Tranzystor T2 dopasowuje

poziomy napiêæ wystêpuj¹ce na z³¹czu

RS-232 do wartoœci akceptowalnych

przez wejœcie GP3 uk³adu US2. Podobnie

jak T1 równie¿ on odwraca polaryzacjê

sygna³u RX. Dioda D12 stabilizuje na-

piêcie zasilaj¹ce mikrokontroler. Jest ona

jednoczeœnie Ÿród³em napiêcia odniesie-

nia dla przetwornika A/C.

matyczn¹ kalibracjê czêstotliwoœci wzor-

cowej. Litera „U” o kodzie ASCII

055h wysy³ana przed ka¿dym polece-

niem ustala dok³adn¹ szybkoœæ transmi-

sji po stronie mikrokontrolera.

Komunikacja sondy z komputerem

odbywa siê przy nastêpuj¹cych parame-

trach transmisji: szybkoœæ 4800 baudów,

brak bitu parzystoœci, 8 bitów danych,

jeden bit stopu (4800, -, 8, 1). Program

zapisany w pamiêci mikrokontrolera zo-

sta³ wyposa¿ony w prosty interpreter

poleceñ pozwalaj¹cy na intuicyjn¹ ko-

munikacjê z u¿ytkownikiem. Do obs³ugi

sondy najlepiej wykorzystaæ gotowy pro-

gram komunikacyjny. W przypadku

komputerów PC mo¿e to byæ na przy-

k³ad funkcja Terminal programu Norton

Commander lub Terminal systemu ope-

racyjnego Windows.

Przed przyst¹pieniem do pracy na-

le¿y skonfigurowaæ odpowiednie para-

metry transmisji oraz numer portu, do

którego do³¹czona jest sonda. Proces

konfiguracji wyjaœnimy na przyk³adzie

programu bêd¹cego standardowym wy-

posa¿eniem systemu Windows 95 - Hy-

perTerm. Po jego uruchomieniu z menu

„Plik” wybieramy opcjê „W³aœciwoœci”.

Nastêpnie w zak³adce „Po³¹cz z” w polu

„Po³¹cz u¿ywaj¹c:” wybieramy numer

portu szeregowego, do którego do³¹czo-

na jest sonda (por. rys. 2). Nastêpnym

krokiem bêdzie ustawienie parametrów

transmisji. W tym celu, w tym samym

dialogu klikamy na przycisku „Konfigu-

ruj” i przechodzimy do dialogu „Usta-

wienia portu”. Tam wybieramy: Bity na

sekundê: 4800, Bity danych: 8, Parzy-

stoœæ: Brak, Bity stopu: 1, Sterowanie

przep³ywem: Brak. Widok dialogu

przedstawiony zosta³ na rysunku 3. Na

koniec ustawiamy jeszcze typ emulowa-

nego terminalu - wracamy do poprze-

Schemat ideowy sondy do pomiaru

napiêæ przedstawiono na rysunku 1. Jej

konstrukcja jest bardzo prosta gdy¿ za-

równo multiplekser wejœciowy, prze-

twornik A/C jak i uk³ad transmisji szere-

gowej RS-232 znajduj¹ siê we wnêtrzu

uk³adu PIC 12C671. Jest to mikrokon-

troler firmy Microchip o bardzo intere-

suj¹cych w³aœciwoœciach. W oœmionó¿-

kowej obudowie producent zintegrowa³

czterowejœciowy przetwornik A/C o roz-

dzielczoœci 8 bitów, uk³ad nadzoruj¹cy

pracê mikrokontrolera - Watchdog , 8 bi-

towy tajmer, generator resetu oraz wie-

le innych przydatnych w prostych apli-

kacjach peryferii. Dodatkowo uk³ad

PIC12C671 posiada wewnêtrzny, kali-

browany generator RC o czêstotliwoœci

4 MHz dziêki czemu nie jest konieczne

do³¹czanie zewnêtrznego generatora

taktu.

Unikaln¹ cech¹ wszystkich mikro-

kontrolerów rodziny PIC jest ich energo-

oszczêdnoœæ. Uk³ad przy taktowaniu ze-

garem4 MHz pobiera zaledwie 2 mA

pr¹du. Pozwoli³o to na zasilanie ca³ego

urz¹dzenia bezpoœrednio z linii interfej-

su RS-232, które maj¹ stosunkowo nie-

wielk¹ wydajnoœæ pr¹dow¹. Jak ju¿

wspomniano, uk³ad US2 pe³ni równie¿

funkcjê nadajnika i odbiornika danych

w standardzie RS-232. Funkcje te reali-

zuje programowo, poniewa¿ nie zosta³

on wyposa¿ony w sprzêtowy uk³ad

transmisji szeregowej (UART).

Liczba pozosta³ych elementów

wchodz¹cych w sk³ad sondy jest niewiel-

ka i zosta³a sprowadzona do minimum

dziêki unikalnym w³aœciwoœciom mikro-

kontrolera US2. Na wejœciu ka¿dego

z analogowych kana³ów zosta³ umie-

szczony dzielnik wejœciowy, pozwalaj¹cy

na dostosowanie napiêæ wejœciowych do

zakresu przetwarzania przetwornika A/C.

Za poœrednictwem dwustanowego prze-

³¹cznika mo¿na wybieraæ Ÿród³o sygna³u

wejœciowego trafiaj¹cego do przetworni-

ka A/C (po podziale w dzielniku lub

wprost z wejœcia). Obwód wejœciowy sta-

nowi zabezpieczenie przepiêciowe zrea-

lizowane na dwóch diodach oraz szere-

gowym rezystorze (w pierwszym kanale

s¹ to odpowiednio elementy: D1, D2

i R9). Zwiêkszenie rezystancji wejœciowej

uzyskano do³¹czaj¹c przed ka¿de wejœcie

bufor oparty na wzmacniaczu operacyj-

nym US1. Z wyjœcia wzmacniacza opera-

cyjnego pracuj¹cego w konfiguracji

Opis programu

Specyfika transmisji ³¹czem RS-232

wymaga stosowania wzorca czêstotliwo-

œci o du¿ej precyzji zarówno po stronie

nadawczej jak i odbiorczej. Dopuszczal-

na jest niezgodnoœæ czêstotliwoœci zega-

rów taktuj¹cych w nadajniku i odbiorni-

ku na poziomie ±3 %. Wiêksze rozbie¿-

noœci mog¹ doprowadziæ do powstania

przek³amañ. Wewnêtrzny generator RC

mikrokontrolera US1 posiada czêstotli-

woœæ 4 MHz okreœlon¹ z dok³adnoœci¹

±5%. Zale¿y ona doœæ mocno od tem-

peratury oraz napiêcia zasilania. Aby

wiêc zapewniæ poprawnoœæ transmisji

szeregowej konieczne jest przeprowa-

dzenie kalibracji czêstotliwoœci wzorco-

wej. W tym celu protokó³ s³u¿¹cy do wy-

miany informacji pomiêdzy kompute-

rem a sond¹ pomiarow¹ zosta³ wyposa-

¿ony w polecenia umo¿liwiaj¹ce auto-

Rys. 2. Konfiguracja programu HyperTerm

– wybór portu COM

3/99

Rys. 3. Konfigurowanie parametrów transmisji

(komendy UO i UX). Po w³¹czeniu try-

bu automatycznego raportowania na-

piêæ sonda w zaprogramowanych od-

stêpach czasu dokonuje pomiaru na-

piêæ z wybranych wejœæ i przesy³a je

³¹czem transmisyjnym do komputera.

Protokó³ komunikacyjny rozró¿nia

ma³e i wielkie litery. Wszystkie polece-

nia zawieraj¹ wy³¹cznie wielkie litery.

Wys³anie do sondy nierozpoznawalnej

lub b³êdnej komendy spowoduje jej

anulowanie i brak potwierdzenia.

Po w³¹czeniu zasilania sonda auto-

matycznie przechodzi do trybu po-

miaru na ¿¹danie. Wszystkie parame-

try konfiguracyjne s¹ inicjowane war-

toœciami domyœlnymi tzn. czêstotliwoœæ

pomiarów równa 25 s na wszystkich wej-

œciach, automatyczne raportowanie wy-

³¹czone we wszystkich kana³ach.

Polecenie : UTx

{x = 1...4 - numer wejœcia}

Opis : Programowanie czêstotliwoœci po-

miarów napiêcia na wejœciu x

Sk‡adnia : Utx = t

{t = 1...250}; t - czas po-

miêdzy kolejnymi pomiarami podawany

jako wielokrotnoœæ 100 ms - zakres defi-

nicji: 0,1 ÷ 25,0 sekund

OdpowiedŸ sondy: Utx = t

Przyk‡ad (ustawienie czŒstotliwo ci pomia-

r w na wej ciu 2 co 5 sekund):

UT2 = 50

Polecenie : UAx

{x = 1...4 - numer wejœcia}

Opis: W³¹czanie lub wy³¹czanie trybu

automatycznego raportowania napiêcia

na wejœciu x

Sk‡adnia : Uax = m

{m = 0..1}; m = 0 - automa-

tyczne raportowanie napiêcia wy³¹czo-

ne, m = 1 - automatyczne raportowanie

napiêcia w³¹czone

Odpowied sondy : UAx=m

Przyk‡ad (wy‡„czenie automatycznego

raportowania w kanale 2) :

UA2 = 0

Polecenie : UO

Opis : Przejœcie do trybu automatycznego

raportowania napiêæ

dniego dialogu i w zak³adce „Ustawie-

nia” wybieramy emulacjê terminalu

VT100 (por. rys. 4). Po przeprowadzeniu

wszystkich niezbêdnych czynnoœci konfi-

guracyjnych mo¿emy przyst¹piæ do

pierwszych prób po³¹czenia z sond¹.

W g³ównego menu „Wywo³anie” wybie-

ramy opcjê „Wywo³anie”. Od tej chwili

nasza sonda jest ju¿ zasilana i mo¿e od-

powiadaæ na wpisywane z klawiatury

polecenia. Opis wszystkich poleceñ za-

mieszczamy poni¿ej.

W pracy sondy mo¿na wyró¿niæ dwa

tryby: pomiaru na ¿¹danie oraz automa-

tycznego raportowania napiêæ. Do pracy

w pierwszym trybie przewidziano od-

dzielne polecenia pozwalaj¹ce na po-

miar napiêæ w ka¿dym z wejœæ (komen-

dy UR1÷UR4). W trybie pomiaru na ¿¹-

danie dokonuje siê równie¿ konfiguracji

trybu automatycznego raportowania na-

piêæ. S³u¿¹ do tego celu polecenia defi-

niuj¹ce czêstotliwoœæ dokonywania po-

miarów w ka¿dym z wejœæ (komendy

UT1÷UT4) oraz niezale¿nego w³¹cza-

nia/wy³¹czania tej funkcji dla ka¿dego

wejœcia (komendy UA1÷UA4). Oddziel-

n¹ grupê stanowi¹ polecenia pozwalaj¹-

ce na prze³¹czanie pomiêdzy trybami

Opis poleceñ sondy

Polecenie : URx {x = 1...4 - numer wej-

œcia}

Opis : Pomiar napiêcia na wejœciu x

Sk‡adnia : URx

Odpowied sondy : Ux = mm

{mm = 0...255}; mm - zmierzona wartoœæ

Przyk‡ad (pomiar napiŒcia na wej ciu 2):

UR2

U2 = 147

W£1

US2

US1

R14

R13

W£2

R10

R11

W£3

D12 D

R16

DTR

R12

R15

RTS

W£4

D11

Rys. 4. Wybór typu emulowanego terminalu

Rys. 5 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów

3/99

Sk‡adnia : UO

Odpowied sondy : UO

Przyk‡ad :

Polecenie : UX

Opis : Przejœcie do trybu pomiaru na ¿¹-

danie

Sk‡adnia : UX

Odpowied sondy : UX

Przyk‡ad :

Uwagi : Je¿eli sonda znajduje siê w trybie

automatycznego raportowania napiêæ,

to mo¿e mieæ trudnoœci z odbieraniem

rozkazów. Jest to zwi¹zane z prac¹ w try-

bie halfduplex (mikrokontroler nie jest

w stanie jednoczeœnie wysy³aæ i odbieraæ

danych). Ze wzglêdu na to ograniczenie,

polecenie przejœcia do trybu pomiaru na

¿¹danie nale¿y powtarzaæ do momentu

odebrania potwierdzenia „UX”.

Wartoœci rezystorów u¿ytych

w dzielniku zale¿¹ od maksymalnych

wartoœci mierzonych napiêæ. Podajemy

wzór na obliczanie wartoœci rezystorów

u¿ytych w dzielniku w zale¿noœci od wy-

maganej rezystancji wejœciowej oraz za-

kresu napiêæ wejœciowych:

Wykaz elementów

Pó³przewodniki

US1 – LM 324

US2 – PIC 12C671 z programem

„SV1”

T1 – BC 558B

T2 – BC 548B

D1÷D11 – 1N4148

D12

– BZP 683C5V1

Rezystory

R1÷R8 – patrz opis w tekœcie

R9÷R12 – 22 k

/0,125 W

gdzie:

R13÷R16 – 2,2 k

/0,125 W

– stosunek podzia³u napiêæ

U we /U wy (U wy = 5,1 V)

R17, R18,

R22

– 4,7 k

/0,125 W

R we

– rezystancja wejœciowa (nie

mo¿e byæ wiêksza od 10 M

/0,125 W

R1*÷R8* – patrz opis w tekœcie

)

Przyk³adowo dla rezystancji wejœcio-

wej równej 1 M

Kondensatory

i zakresu napiêæ wej-

œciowych 0 ÷ 250 V rezystory bêd¹ mia-

³y nastêpuj¹ce wartoœci:

R1 = 979,6 kW

R2 = 20,4 kW

Analogicznie oblicza siê wartoœci

rezystorów R3, R4; R5, R6; R7, R8.

W przypadku pomiaru napiêæ wy³¹cz-

nie z zakresu 0 ÷ 5,1 V rezystorów

dzielnika oraz prze³¹cznika mo¿na nie

montowaæ.

Kabel ³¹cz¹cy sondê z komputerem

nie mo¿e byæ d³u¿szy ni¿ 15 metrów.

P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za za-

liczeniem pocztowym. P³ytki i zaprogra-

mowane uk³ady PIC 12C671 z dopiskiem

SV1 mo¿na zamawiaæ w redakcji PE.

F/16 V 04/U

C4÷C6 – 100 nF/63 V KFP

Inne

W£1÷W£4 – prze³¹cznik bistabilny

hebelkowy

p³ytka drukowana numer 443

Monta¿ i uruchomienie

Uk³ad zmontowany ze sprawnych ele-

mentów nie powinien sprawiaæ k³opotów

podczas uruchamiania. Sondê mo¿na

przystosowaæ do pomiaru napiêæ w szero-

kim zakresie w zale¿noœci od wartoœci rezy-

stancji u¿ytych w dzielniku wstêpnym. Na-

piêcia wejœciowe pokrywaj¹ zakres od

0 do 5 V. Mo¿na go zmniejszyæ, przesun¹æ

lub odwróciæ stosuj¹c wzmacniacz o ¿¹da-

nej wartoœci wzmocnienia i przesuniêcia.

Cena: p³ytka numer 443 – 4,85 z³

PIC 12C671 SV1 – 38,00 z³

+ koszty wysy³ki.

Podzespo³y elektroniczne mo¿na zama-

wiaæ w firmie LARO - patrz IV strona

ok³adki.

R19÷R21 – 10 k

C1÷C3 – 100

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: