izdelava radijsko vodene krmilne enoteslika 9.7: na posnetku je razviden izhodni signal kodirnika...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Jakob Petek

IZDELAVA RADIJSKO VODENE KRMILNE ENOTE

Diplomsko delo

Maribor, september 2014

II


Diplomsko delo

Študent: Jakob Petek

Študijski program: Univerzitetni študijski program - Elektrotehnika

Smer: Elektronika

Mentor: doc. dr. Iztok Kramberger

Maribor, september 2014

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju, doc. dr. Iztoku

Krambergerju, za pomoč in usmerjanje pri

izdelavi diplomskega dela.

Posebna zahvala je namenjena staršem, ki so

mi omogočili študij, za njihovo podporo in

potrpežljivost.

V


Ključne besede: krmilna enota, mikrokrmilnik, radijsko vodenje, programiranje

UDK: 623.465.5(043.2)

Povzetek

V diplomskem delu je opisan postopek načrtovanja, izdelave in testiranja vezja radijsko

vodene krmilne enote. Vezje radijsko vodene krmilne enote je sestavljeno iz dveh delov,

oddajnega in krmilnega modula. Opisana je zgradba in delovanje posameznega modula,

proces načrtovanja vezja ter opis izbire elementov vezja glede na njihovo funkcionalnost.

Prav tako je opisan postopek načrtovanja in izdelave tiskanega vezja, kakor tudi postopek

izdelave delujočega prototipa radijsko vodene krmilne enote. Izdelan prototip vezja,

natančneje krmilni modul, je brez ustrezno izbranega in programiranega mikrokrmilnika

neuporaben, zato smo opisali postopek njegove izbire, izdelave programa ter uporabljeno

programsko opremo za izdelavo programa Realizer Gold. Delovanje izdelanega vezja

smo testirali in ga s pomočjo opravljenih meritev tudi verificirali.

VI

PRODUCTION OF RADIO GUIDED CONTROL UNIT

Key words: control unit, microcontroller, radio control, programming

UDK: 623.465.5(043.2)

Abstract

Diploma describes the process of designing, production and testing of radio guided control

unit. Electronic circuit of radio guided control unit consist of two separate parts from

transmit and control module. Described is the structure and function of each module,

process of designing the circuit and a description of the selected circuit elements

according to their functionality. Also is described the process of designing and

manufacturing of printed circuit board, as well as the assembly process of a working

prototype of radio guided control unit. Prototype of a radio guided control unit specifically

control module, is useless without properly selected and programmed microcontroller, this

is reason for a description of microcontroller selection process, for description of a

process of writing a program and description of used application software Realizer Gold.

We have with the help of measurement tested and verified the operation and function of

radio guided control unit.

VII

KAZALO VSEBINE

1. UVOD .............................................................................................................. 1

1.1 Opis problema ...................................................................................................................... 1

1.2 Cilj diplomskega dela ........................................................................................................... 1

2. PRENOS SIGNALOV ...................................................................................... 2

2.1 Radijski valovi ....................................................................................................................... 2

3. MODULACIJA SIGNALA ................................................................................ 4

3.1 Digitalna amplitudna modulacija ASK ............................................................................... 4

3.2 Večnivojski ASK ..................................................................................................................... 5

3.3 Binarna modulacija signala z amplitudnim zamikom B-ASK ............................................ 7

3.4 Koherentni in inkoherentni demodulator ASK signala.................................................... 9

4. KODIRANJE .................................................................................................. 11

4.1 Kodirniki .............................................................................................................................. 12

4.2 Dekodirniki .......................................................................................................................... 14

5. NAČRTOVANJE VEZJA ODDAJNEGA MODULA ...................................... 16

5.1 Napajalno vezje oddajnega modula.................................................................................. 17

5.2 Vezalna shema napajalnega dela oddajnega modula ..................................................... 18

5.3 Kodirno vezje oddajnega modula ..................................................................................... 19

5.4 Oddajno vezje ..................................................................................................................... 24

5.5 Signalizacijsko vezje .......................................................................................................... 26

6. NAČRTOVANJE VEZJA KRMILNEGA MODULA ........................................ 31

6.1 Vhodno vezje ..................................................................................................................... 33

6.2 Izhodno vezje ..................................................................................................................... 35

6.3 Centralno krmilno vezje ..................................................................................................... 40

VIII

6.4 Sprejemnik .......................................................................................................................... 60

6.5 Dekodirno vezje .................................................................................................................. 62

6.6 Napajalno vezje ................................................................................................................... 65

7. NAČRTOVANJE TISKANEGA VEZJA ........................................................ 68

8. PROGRAMIRANJE MIKROKRMILNIKA ST6265 ........................................ 72

9. TESTIRANJE DELOVANJA IN OPRAVLJANJE MERITEV ......................... 80

10. SKLEP ....................................................................................................... 89

11. VIRI IN LITERATURA ................................................................................ 91

12. PRILOGE ................................................................................................... 94

12.1 Vezalna shema oddajnega modula ................................................................................... 94

12.2 Vezalna shema krmilnega modula .................................................................................... 95

12.3 Naslov študenta .................................................................................................................. 96

12.4 Kratek življenjepis .............................................................................................................. 96

IX

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Blokovna shema delovanja radijsko vodene krmilne enote ................................ 3

Slika 3.1.1: Modulacija binarnega signala ......................................................................... 5

Slika 3.2.1 M-ASK sistem modulacije ................................................................................ 5

Slika 3.2.2.: Pod (a) predstavitev M-ASK signala, pod (b) predstavitev 4-ASK signala v

konstelacijskem diagamu .................................................................................................. 6

Slika 3.3.1: Modulacijski postopek B-ASK ......................................................................... 7

Slika 3.3.2: Spekter modulacijskega signala ..................................................................... 8

Slika 3.4.1: Primer vezja inkoherentnega demodulatorja ................................................... 9

Slika 3.4.2: Primer koherntnega demodulatorja................................................................10

Slika 4.1.1: Blokovna shema kodirnika .............................................................................12

Slika 4.1.2: Serijski kodirnik HT12E .................................................................................13

Slika 4.2.1: Blokovna shema dekodirnika z omogočitvenim vhodom ................................14

Slika 4.2.2: Serijski dekodirnik HT12D .............................................................................15

Slika 5.1.1: Napetostni regulator 7805 z izvedbo ohišja tipa TO92 ...................................18

Slika 5.2.1: Napajalno vezje oddajnega mdula .................................................................19

Slika 5.3.1.: Schottkyjeva dioda .......................................................................................20

Slika 5.3.2.: Zgradba kodirnika HT12E .............................................................................21

Slika 5.3.3: Kodirnik HT12E v ohišju DIP z 18 priključnimi nožicami ...............................22

Slika 5.3.5: NMOS vhodi kodirnika HT12E .......................................................................23

Slika 5.4.1: Blokovna shema RF modula TX434A ............................................................24

Slika 5.4.2: RF modul TX433A .........................................................................................25

Slika 5.5.1: Zgradba svetleče diode .................................................................................26

Slika 5.5.2: PN spoj svetleče diode ..................................................................................27

Slika 5.5.3: Zgradba NPN tranzistorja ..............................................................................28

Slika 5.5.4: Oznaka tokov in napetosti v NPN tranzistorju ................................................29

Slika 5.5.5: Shema siganlizacijskega vezja ......................................................................30

Slika 6.1: Blokovna shema vezja krmilnega modula .........................................................32

Slika 6.1.1: Zenerjeva dioda .............................................................................................34

Slika 6.1.2: Vhodno vezje ................................................................................................34

Slika 6.2.1: Zgradba releja ...............................................................................................35

Slika 6.2.2: Darlingtonova vezava v integriranem vezju ULN 2803...................................37

Slika 6.2.3: Integrirano vezje ULN 2803 v osemanjst pinskem DIP ohišju ........................38

X

Slika 6.2.4: Vezalna shema izhodnega vezja ...................................................................39

Slika 6.3.1: Blokovna shema Harvardskega modela ........................................................41

Slika 6.3.2: Blokovna shema Von Neummanovega modela .............................................41

Slika 6.3.3: Mikrokrmilnik ST6265 ....................................................................................42

Slika 6.3.4: Primer vezave optosklopnika na vhod mikrokrmilnika preko pull up upora .....44

Slika 6.3.5: Vezje odprtega izhoda mikrokrmilnika ...........................................................44

Slika 6.3.6: Blokovna shema zgradbe mikrokrmilnika .......................................................45

Slika 6.3.7: Blokovna shema zgradbe pomnilnika ............................................................46

Slika 6.3.8: Blokovna shema centralne procesne enote ...................................................47

Slika 6.3.9: Prikaz pretvorbe analognega signala v digitalno vrednost .............................52

Slika 6.3.10: Blokovna shema analogno digitalnega pretvornika ......................................53

Slika 6.3.11: Blokovna shema kontrolnega registra ..........................................................54

Slika 6.3.12: Blokovna shema serijskega perifernega vmesnika ......................................55

Slika 6.4.1: Zgradba sprejemnega RX433 modula ...........................................................60

Slika 6.4.2: Sprejemni modul RX433 ................................................................................61

Slika 6.5.1: Zgradba dekodirnika HT12D..........................................................................63

Slika 6.5.3: Časovni diagram poteka izhodnega signala dekodirnika HT12D ...................65

Slika 6.6.1: Napetostni regulator 7805 z izvedbo ohišja tipa TO-220 ................................66

Slika 6.6.2: Napajalno vezje krmilnega modula ................................................................67

Slika.7.1: Ploščica tiskanega vezja krmilnega modula izdelana iz vitroplasta ...................68

Slika 7.1: Tiskano vezje oddajnega modula .....................................................................70

Slika 7.2: Tiskano vezje krmilnega modula ......................................................................71

Slika 8.1: Diagram poteka izdelave programa z uporabo programskega jezika Realizer

Gold .................................................................................................................................73

Slika 8.2: Blokovni prikaz programske strukture v aplikaciji Realizer ................................74

Slika 8.3: Napisan program mikrokrmilnika ......................................................................76

Slika 8.4: Primer generiranega poročila analize napisanega programa ............................77

Slika 8.5: Primer simuliranja napisanega programa .........................................................78

Slika 8.6: Programiranje uporabljenega mikrokrmilnika ST6265 s pomočjo razvojne plošče

ST62X .............................................................................................................................79

Slika 9.1: Primer opravljanja meritev napetostnih potencialov vezja .................................80

Slika 9.2: Dvanajstbitni izhodni signal kodirnika, z modro označen podatkovni bit, ki

označuje aktiviranje ene izmed štirih tipk oddajnega modula ...........................................81

Slika 9.3: Dvanajstbitni izhodni signal kodirnika, z modro označeni naslovni biti, po

spremembi načina kodiranja ............................................................................................82

XI

Slika 9.4: Izhodni signal modulatorja z rdečo označeni dvanajstbitni podatki na ovojnici

nosilnega signala. ............................................................................................................83

Slika 9.5: Na posnetku je razviden izhodni signal oddajnega modula rumene barve, ter

signal na izhodu demodulatorja krmilnega modula zelene barve. ....................................84

Slika 9.6: Na posnetku je razviden izhodni signal kodirnika oddajnega modula rumene

barve, ter signal na izhodu dekodirnika krmilnega modula zelene barve, dodatno je z

rdečim kvadratkom označen podatkovni bit .....................................................................85

Slika 9.7: Na posnetku je razviden izhodni signal kodirnika rumene barve, ter signal na

izhodu dekodirnika zelene barve, v primeru ko je pritisnjena tipka št.1 ............................86

Slika 9.8: Na posnetku je razviden izhodni signal kodirnika rumene barve, ter signal na

izhodu dekodirnika zelene barve, v primeru ko je pritisnjena tipka št.4 ............................86

Slika 9.9: Specifikacija oddajnega modula .......................................................................87

Slika 9.10: Specifikacija krmilnega modula ......................................................................88

XII

KAZALO ENAČB

(3.2.1) ............................................................................................................................... 6

(3.2.2) ............................................................................................................................... 6

(3.2.3) ............................................................................................................................... 6

(3.3.1) ............................................................................................................................... 7

(3.3.2) ............................................................................................................................... 7

(3.3.3) ............................................................................................................................... 7

(3.3.4) ............................................................................................................................... 7

(3.4.1) ..............................................................................................................................10

(3.4.2) ..............................................................................................................................10

(5.8.1) ..............................................................................................................................30

(5.8.2) ..............................................................................................................................30

(5.8.3) ..............................................................................................................................30

(5.8.4) ..............................................................................................................................30

(6.3.1) ..............................................................................................................................52

XIII

UPORABLJENI SIMBOLI

V enota za napetost (angl. Volt)

A enota za tok (angl. Ampere)

Hz enota za frekvenco (angl. Hertz)

bit enota za informacijo (angl. binary digit)

Ω enota za upornost (angl. Ohm)

UPORABLJENE KRATICE

ASK amplitudna modulacija signala (angl. Amplitude Shift Keying Modulation)

AD analogno digitalni pretvornik (angl. Analog to Digital Converter)

ADR podatkovni register (angl. Data Corvesion register)

ADCR kontrolni register (angl. Converter Control Register)

B-ASK binarna modulacija signala z amplitudnim zamikom

(angl. Binary Amplitude-Shift Keying Modulation)

CMOS polprevodniška tehnologija CMOS (angl. Complementary Metal Oxide

Semiconductor)

CMOS-LSI polprevodniška tehnologija CMOS-LSI (angl. Complementary Metal Oxide

Semiconductor - Low power and high noise immunity)

CPU centralno procesna enota (angl. Central Processing Unit)

DIP izvedba ohišja DIP (angl. Dual Inline Package)

DRAM dinamični pomnilnik z naključnim dostopom (angl. Dynamic random-access

memory)

DRx podatkovni register (angl. Data Register)

DSB izhodni signal dvopasovne modulacije (angl. Duble – sideband suppressed

Modulation)

DSR pomikalni register (angl. Data/Shift Register)

EAI bit za omogočitve prekinitve AD pretvornika (angl. Enable A/D Interrupt),

EPROM Bralni pomnilnik z naključnim dostopom, kateremu vsebino lahko

pobrišemo z UV svetlobo (angl. Erasable ROM)

EEPROM bralni pomnilnik z naključnim dostopom, ki mu lahko pobrišemo vsebino z

električnim poljem in ga lahko reprogramiramo med delovanjem

sistema (angl. Electrically Erasable ROM)

EOC bit, ki označuje konec pretvorbe (angl. End of Conversion)

ETI bit za omogočanje prekinitev (angl. Enable Interrupt )

FSK frekvenčno preklopna modulacija signala (angl. Frequency-shift keying

Modulation)

HCMOS polprevodniška tehnologija HCMOS (angl. High-Speed Complementary

Metal Oxide Semiconductor)

LED svetleča dioda (angl. Light Emitting Diode)

LIFO organizacija sklada LIFO (angl. Last In First Out)

XV

M-ASK M nivojska amplitudna modulacija signala (angl. M-ary Amplitude-Shift

Keying Modulation)

MESFET tranzistor MESFET (angl. Metal–Semiconductor Field Effect Transistor)

nBmB binarni blokovni način kodiranja signala (angl. n-Binary to m-Binary)

NMOS polprevodniška tehnologija NMOS (angl. N-type metal-oxide-semiconductor

technology)

OOK preklopna modulacija signala (angl. On-off keying Modulation)

OTP pomnilnik OTP (angl. One Time Programmable)

ORx register za izbiro vmesnika (angl. Option Register)

PSK fazno skočna modulacija signala (angl. Phase-shift keying Modulation)

PDS bit, s katerim aktiviramo analogno digitalni pretvornik

(angl. Power Down Selection)

PWM pulzno širinska modulacija (angl. Pulse-Width Modulation)

RAM pomnilnik z naključnim dostopom (angl. Random Access Memories)

ROM bralni pomnilnik (angl. Read-Only Memory)

RF radio frekvenčni modul (angl. Radio Frequency Module)

RTI ukaz za skoz iz prekinitve RTI (angl. ReTurn from Interrup)

Rx sprejemnik (angl. Receiver)

SMD polprevodniška tehnologija SMD (angl. surface mount device)

SOP izvedba ohišja SOP (angl. Small Outline Package)

SPI serijski periferni vmesnik (angl. Serial Peripheral Interface)

SSB izhodni signal fazno zamaknjene modulacije (angl. Single – sideband

Modulation)

STA bit, ki označuje začetek analogno digitalne pretvorbe

(angl. Start of Conversion)

TE prožilni vhod (angl. Trigger Enable)

TCR register časovnika (angl. Time Caunter Register)

THT polprevodniška tehnologija THT (angl. through-hole technology)

TMZ bit, ki se postavi v primeru, ko časovnik doseže nastavljeno

vrednost (angl. Timer Zero )

TTL polprevodniška tehnologija TTL (angl. Transistor–transistor logic)

Tx oddajnik (angl. Transmitter)

http://en.wikipedia.org/wiki/On-off_keying

http://en.wikipedia.org/wiki/Read-only_memory

1 Izdelava radijsko vodene krmilne enote

1. Uvod

1.1 Opis problema

Trend sodobnega sveta je dvig stopnje avtomatizacije tako v industriji, kot tudi v

vsakodnevnem življenju. Avtomatizacije pa si ne znamo predstavljati brez takšnih in

drugačnih krmilnih enot. Posledično se na trgu pojavlja vedno večje število krmilnih enot,

ki pa so večinoma kompleksne in predrage za uporabo v preprostih aplikacijah, ali pa ne

ustrezajo vsem zahtevam uporabnika oziroma specifikacijam zahtevnejših aplikacij.

Naštejmo nekaj takšnih primerov: daljinsko krmilje tekočega traka v proizvodnji, daljinsko

krmilje ogrevanja proizvodnje, daljinsko krmilje osvetlitve proizvodnih prostorov, daljinsko

krmilje vitel za vleko lesa, daljinsko krmilje vrat ... Za te naštete primere na trgu nismo

našli ustrezne krmilne enote, ki bi bila cenovno dovolj ugodna in hkrati dovolj zmogljiva,

da bi bila uporabna v zgoraj naštetih aplikacijah. Ravno zaradi tega pomanjkanja smo se

odločili, da bomo zapolnili to vrzel in izdelali prototip radijsko vodene krmilne enote, ki bo

cenovno ugodna, prosto programirljiva in dovolj zmogljiva za uporabo tudi pri zahtevnejših

aplikacijah.

1.2 Cilj diplomskega dela

Cilj tega diplomskega dela je načrtovati vezje in izdelati delujoči prototip radijsko vodene

krmilne enote, ki bo dovolj zmogljiva tako za uporabo v aplikacijah vsakodnevnega

življenja, kakor tudi za krmiljenje procesov v industriji. Radijsko vodena krmilna enota bo

sestavljena iz dveh modulov, in sicer oddajnega in krmilnega dela. Posebnost krmilnega

modula bo funkcija daljinskega krmiljenja štirih vhodov krmilnika, vhode bomo krmili s

pomočjo oddajnega modula. Ta bo deloval na principu radijskih valov, v zakonsko

dovoljenem frekvenčnem območju.

Krmilni modul bo poleg sprejemnika vseboval še štiri daljinsko vodene vhode, šest prostih

vhodov in štiri relejske izhode. Pri načrtovanju krmilnega modula bomo kot osnovo

uporabili prosto programirljiv mikrokrmilnik, kar bo zagotovilo radijsko vodeni krmilni enoti

potrebno fleksibilnost in uporabnost v širokem spektru aplikacij. Pisanje programske

sintakse bo potekalo v programskem jeziku Realizer Gold. Prototip radijsko vodene

krmilne enote bomo uporabili na praktičnem primeru krmiljenja, preizkusili bomo

delovanje, robustnost, občutljivost na motnje, ob enem pa bomo izvedli meritve odzivnosti

oddajnega in krmilnega modula.


2. Prenos signalov

Signal v komunikaciji predstavlja informacijo ali podatek, zapisan s fizikalno veličino, kot

so poljska jakost, električni tok, napetosti pritiski itd. Signal lahko matematično

predstavimo kot funkcijo ene ali več neodvisnih spremenljivk. Predstavitev signala zajema

opis signala, medtem ko se procesiranje signalov ukvarja z njihovo pretvorbo,

shranjevanjem in povezovanjem. Prenosna sredstva signala omogočajo prenos signala

med izvorom (oddajnikom) in ponorom (sprejemnikom).

Prenosna sredstva signala lahko v grobem delimo na dve skupini.

Vodljiva prenosna sredstva so tista sredstva, ki vodijo signal preko prenosnih

liniji ali vodil. V to skupino sodijo optična vlakna, parice, električni vodniki ...

Nevodljiva prenosna sredstva so tista sredstva, ki na podlagi

elektromagnetnega valovanja vodijo signal skozi prostor. V to skupino sredstev

sodijo radijski valovi, infrardeča oddajanja ...

Pri projektu načrtovanju vezja radijsko vodene krmilne enote, ki je izdelana iz dveh delov

oddajnega in sprejemnega modula, smo se odločili, da bo prenos signala med oddajnikom

in sprejemnikom potekal, kot že ime vezja samo pove, z uporabo radijskih valov.

2.1 Radijski valovi

Zgodovina radijskih valov sega v daljno leto 1880, ko je kot prvemu uspelo ustvariti

radijski val nemškemu fiziku Heinrich Hertzu. S tem mu je uspelo dokazati teorijo Jamesa

Clerk Maxwella, po kateri je predvidel obstoj elektromagnetnih valovanj, ki potujejo s

svetlobno hitrostjo. Radijski valovi so tisti del spektra elektromagnetnega valovanja, v

katerem elektromagnetno valovanje vzbujamo tako, da skozi anteno pošiljamo izmenični

električni tok. Dolžina radijskih valov je od 10 cm pa vse do 100 km, v frekvenčnem

področju pa od nekaj kHz do tri gHz. Radijski valovi so v elektromagnetnem spektru

razdeljeni glede na dolžino valov oziroma frekvenc. Frekvenco definira število radijskih

valov v sekundi.


Prenos podatkov, s pomočjo radijski valov, poteka preko radijskega oddajnika Tx (angl.

Transmitter), ki pošilja točno določeno valovno dolžino radijskih valov in radijskega

sprejemnika Rx (angl. Receiver) za sprejem radijskih valov iste valovne dolžine.

Pri našem projektu je vezje radijsko vodene krmilne enote sestavljeno iz dveh modulov,

oddajnega in krmilnega dela, oba delujeta v zakonsko dovoljenem frekvenčnem področju

oddajanja in sprejemanja radijskega signala frekvence 433,92 MHz. Vezje oddajnega

modula poleg oddajnika vsebuje tudi modulator.Ta signal pred njegovim pošiljanjem

modulira, s čimer zagotovimo visoko kvaliteto prenosa signala tudi v sistemih, kjer je

prisoten šum. Del krmilnega modula, katerega naloga je sprejem signala, sestavlja

sprejemnik in demodulator, slednji po sprejemu signal demodulira in informacije uporabi

za nadaljnje procesiranje.

Shematski prikaz oddajnika in krmilnega modula radijsko vodene krmilne enote prikazuje

Slika 2.1.

Slika 2.1: Blokovna shema delovanja radijsko vodene krmilne enote

Prenosni kanal

Pritisk tipke

(uporabnik

pritisne eno

izmed štirih)

tipk)

8-bitno

kodiranje

podatka

Amplitudna digitalna

modulacija ASK

signala oddajnega

modula

Prenos podatkov

prek antene

oddajnega

modula

Aktiviranje izhoda

krmilnega modula

glede na napisan

program

8-bitno

dekodiranje

podatka

Amplitudna digitalna

demodulacija ASK

signala

Sprejem

podatkov

prek antene

krmilnega

modula

šum

Krmilni modul

Oddajnik


3. Modulacija signala

Modulacija je postopek, s katerim primarnemu visokofrekvenčnemu nosilnemu sinusnemu

signalu, s pomočjo sekundarnega signala, vtisnemo spočilo. To lahko dosežemo s

spreminjanjem amplitude, faze ali frekvence primarnega nosilnega signala.

V grobem lahko modulacije razdelimo na dve skupini.

Analogne modulacije, katerih bistvo je spreminjanje enega od parametrov

sekundarnega signala, kot so amplituda, frekvenca ali trajanje v skladu s trenutno

vrednostjo primarnega signala. Pri tej vrsti modulacije se ne spremeni vrednost

analogne ali digitalne narave informacije, ki jo prenaša signal.

Digitalne modulacije se uporabljajo pri prenosu podatkov. Pri njih gre za digitalno

analogno pretvorbo ali konverzijo signala. Sekundarni signal pri digitalnih

modulacijah označujemo z bitno hitrostjo D in z uporabljeno kodo, ki predstavlja

analogno informacijo v digitalni obliki. Poznamo naslednje tipe digitalne

modulacije: amplitudno ASK, preklopno OOK, frekvenčno preklopno FSK in fazno

skočno PSK modulacijo.

Oddajnik in sprejemnik vezja radijsko vodene krmilne enote vsebujeta modulator in

demodulator, ki modulira in demodulira signal po principu digitalno amplitudne modulacije

ASK.

3.1 Digitalna amplitudna modulacija ASK

V primeru, kadar imamo na eni strani analogni nosilni signal, ki je časovno kontinuiran, in

na drugi strani digitalno informacijo, lahko za prenos te informacije uporabimo digitalni

postopek modulacije signala. Modulacijo signala nam omogoča modulator, ki povezuje

karakteristično vrednost sekundarnega signala s trenutnim vrednostmi primarnega

signala. Vrsto modulacije definira signal, ki se pojavi na vhodu modulatorja. V primeru, ko

je vhodni signal modulatorja digitalen, imamo opravka z digitalno modulacijo signala.

Digitalni postopek modulacije pomeni, da smo nosilni analogni signal, ki ga v našem

primeru predstavlja radijski val frekvence 433,92 Mhz, uporabili za prenos digitalne

informacije. V našem primeru je ta informacija bit, ki predstavlja vklop/izklop tipke na

oddajnem modulu.


Zaporedje informacij oziroma bitov je naključno in ne vpliva na frekvenco nosilnega

signala, ampak vpliva samo na njegovo amplitudo. Takšen princip modulacije imenujemo

digitalna modulacija z amplitudnim pomikom ASK (angl. Amplitude Shift Keying). Rezultat

te modulacije je signal na izhodu modulatorja, ki ga imenujemo ASK signal.

Slika 3.1.1: Modulacija binarnega signala

3.2 Večnivojski ASK

Modulacijski postopek signala z uporabo modulacije ASK je enostaven, saj dobimo ASK

signal preprosto z množenjem M-nivojskega digitalnega signala z nosilnim primarnim

signalom. Preproste binarne modulacije omogočajo prenos enega bita na simbol, če pa

želimo povečati učinkovitost modulacijskega postopka, moramo povečati število amplitud

oziroma število različnih faz nosilnega signala. V primeru, kadar povečamo število

amplitud nosilca na M-različnih amplitud, ta princip modulacije poimenujemo M-ASK ali M-

nivojski ASK. Princip delovanja M-ASK modulacije je preprost, na vhodu modulatorja

združujemo ( ) vhodnih bitov, kar nam da M-različnih napetostnih stanj Ai.

Različna napetostna stanja Ai množimo z nosilnim signalom, posledično kot rezultat

dobimo-M različnih simbolov, ki imajo periodo T, ta pa je n-krat večja od bitne periode.

Slika 3.2.1 M-ASK sistem modulacije


Rezultat M-ASK modulacije je M-ASK izhodni signal,ki ga matematično lahko zapišemo z

enačbo (3.2.1), pri tem lahko moč signala zapišemo z enačbo (3.2.2). Ko upoštevamo

enačbi, lahko izhodni signal zapišemo z enačbo (3.2.3), predstavimo pa ga v

konstelacijskem diagramu (Slika 3.2.2).

s(t) Ai cos 2 fc t 0 t T

pri čemer je:

Ai A [2i – (M -1)] i 0,1,2 M ;

P i A2i

2 Ai √2Pi

s(t) √2Pi cos2 fct √Pi T √2

Tcos 2 fc t

Tu je:

Ai – konstanta

fc – frekvenca nosilnega signala

s(t) – moduliran signal

Pi – moč signala

T – perioda

Posledica takšnega principa modulacije je povečanje pretoka informacij za faktor

log2(M), poveča pa se tudi kompleksnost modulacijskega sistema.

Slabost principa modulacije M-ASK se pokaže v primerih, kadar ne spremenimo moči

signalov.Takrat se razlika med simboli zmanjša, kar pomeni, da je prenos signala

občutljivejši na šum, posledično se verjetnost pojavljanja napake pri prenosu povečuje.

Slika 3.2.2.: Pod (a) predstavitev M-ASK signala, pod (b) predstavitev 4-ASK signala v

konstelacijskem diagamu

(3.2.1)

(3.2.2)

(3.2.3)


3.3 Binarna modulacija signala z amplitudnim zamikom B-ASK

V vezju radijsko vodene krmilne enote smo uporabili modulator in demodulator, ki delujeta

na principu binarne modulacije z amplitudnim pomikom B-ASK. Ta modulacija, ali drugače

tudi OOK modulacija (angl. On Off Keying), deluje na principu množenja binarnega

digitalnega signala z nosilnim primarnim signalom. Če povemo drugače, izhodni B-ASK

signal dobimo s prižiganjem ali ugašanjem nosilnega signala. Signal je na izhodu aktiven

samo takrat, kadar je vrednost binarnega digitalnega signala enaka logičnemu stanju 1.

Slika 3.3.1: Modulacijski postopek B-ASK

Moduliran signal lahko matematično zapišemo (3.3.1) kot konvolucijski produkt nosilnega

signala (3.3.2) in digitalnega binarnega signala (3.3.3). Rezultat modulacije B-ASK signala

zapišemo v obliki vrste (3.3.4).

vc(t) uc(t) cos(2 fct) cos ( c t) pri čemer je 2 fc c

vd(t) [1

2 2

cos 0t-

2

3 cos 3 0t

2

5 cos 5 0t ]

vASK(t) vc(t) vd(t)

VASK(t) uc(t) cos c t [1

2 2

cos 0t-

2

3 cos 3 0t

2

5 cos 5 0t ]

Tu je:

uc(t) – amplituda nosilnega signala

fc – frekvenca nosilnega signala

vc(t) – nosilni signal

vd(t) – binarni digitalni i signal

VASK(t) – moduliran signal

(3.3.1)

(3.3.2)

(3.3.3)

(3.3.4)


Rezultat B-ASK modulacije je modulirani signal. Njegov spekter je simetričen spektru

nosilnega signala, če povemo drugače, signal se preslika okoli nosilne frekvence.

Pasovna širina moduliranega B-ASK signala se je glede na pasovno širino

modulacijskega signala podvojila, kar pomeni, da lahko na vsak Hz pasovne širine

prenesemo podatek velikosti enega bita. Pasovno širino B-ASK signala lahko zmanjšamo,

in sicer tako, da signal pred modulacijo pošljemo skozi pasovno prepustni filter, ki omili

prehode impulznega signala. Primer spektra moduliranega signala nam prikazuje Slika

3.3.2, kjer smo pri modulaciji uporabili nosilni signal frekvence 1 kHz, katerega smo

modulirali z digitalnim signalom bitne frekvence 100 Hz.

Slika 3.3.2: Spekter modulacijskega signala

Takšen način modulacije digitalnega signala ima svoje prednosti in slabosti.

Prednosti B-ASK modulacije:

relativna enostavnost moduliranja signala,

enostavno demodulacijsko vezje,

neodvisnost faze od amplitude modulacije,

širina frekvenčnega pasu.

Slabosti B-ASK modulacije:

šum in nelinearna popačenja signala imajo močan vpliv na kvaliteto modulcije,

velika poraba moči pri prenosu informacij (sama informacija se nahaja na bočnih

pasovih in predstavlja okrog 20 % celotno porabljene moči).


3.4 Koherentni in inkoherentni demodulator ASK signala

Oddajni modul radijsko vodene krmilne enote odda preko svoje antene moduliran signal,

ki nosi informacijo. Ta signal sprejme antena sprejemnika krmilnega modula. Signal se

prenese do demodulatorja na krmilnem modulu. Njegova naloga je, da z

visokofrekvenčnega radijskega signala izloči oziroma rekonstruira informacijo, ki jo

potrebujemo pri procesiranju programske kode. V idealnem primeru je demodulirani signal

v krmilnem modulu enak signalu v oddajniku. Najpogosteje v praksi za demodulacijo ASK

signala uporabimo koherentni ali inkoherentni demodulator signala.

Inkoherentni demodulator iz sprejetega signala, brez poznavanja informacij o fazi in

frekvenci nosilnega signala, rekonstruira informacijo. Ta način demodulacije je primeren

predvsem za demoduliranje ASK in FSK. Najpreprostejše vezje inkoherentnega

demodulatorja sestavlja usmerniška dioda, na katero je paralelno vezan RC člen

(Slika 3.4.1). Takšno vezje imenujemo tudi detektor ovojnice signala. Vezje detektorja

ovojnice deluje tako, da v fazi, kjer je vhodni signal (rB(t) večji kot izhodni b(t), polni

kondenzator RC člena. Vrednost izhodnega signala b(t) sledi vhodnemu rB(t). V trenutku,

ko vrednost izhodnega signala b(t) preseže vrednost vhodnega signala rB(t),dioda preide

v zaporno področje delovanja in kondenzator se začne prazniti preko upora. Praznjenje

kondenzatorja poteka tako dolgo, dokler vrednost izhoda ne pade pod vrednost vhodna.

Kot je razvidno iz opisa delovanja vezja, je pomembna izbira vrednosti elementov RC

člena oziroma posledično vrednost konstante RC člena, ki definira čas polnjenja in

praznjenja kondenzatorja. Poenostavljeno lahko rečemo, da takšen inkoherenten

demodulator deluje na način, da RC člen izloči visokofrekvenčno komponento tako, da

ostane samo ovojnica signala oziroma informacija.

Slika 3.4.1: Primer vezja inkoherentnega demodulatorja


Vezje koherentnega demodulatorja je tehnično zahtevnejše kot vezje zgoraj opisanega

inkoherentnega modulatorja, saj imamo pri njem potrebo po dodatnem izvoru pomožnega

signala. Pomožen signal mora imeti isto frekvenco in fazo kot vhodni signal, pravimo, da

je koherenten.

Koherentni demodulator signala deluje tako, da visokofrekvenčni vhodni signal pomnoži z

visokofrekvenčnim signalom oscilatorja. V idealnem primeru sta frekvenca in faza signala

oscilatorja enaka frekvenci vhodnega signala (3.4.1). V tem primeru je informacija na

izhodu predstavljena kot enosmerna komponenta izhodnega demoduliranega signala.Ta

način demodulacije je primern za demodulacijo DSB in SSB signala.

Slika 3.4.2: Primer koherntnega demodulatorja

yc(t) c(t) cos(2 fLOt) a(t) cos (2 fc t) cos (2 fLO t)

V primeru ko je fc fLO sledi :

yc(t) Ac(t) ( ( )) cos(4 fLOt)

Izhodni demoduliran signal oziroma informacijo pa lahko zapišemo v obliki (3.4.2)

( )

( ( ))

Tu je:

c(t) – vhodni signala

y(t) – demoduliran signal

yc(t) – vmesni produkt signala oscilatorja in vhodnega signala

(t) – informacija

Ac – konstanta

fc – frekvenca vhodnega signala

fLO – frekvenca oscilatorja

(3.4.1)

(3.4.2)


4. Kodiranje

V vezju radijsko vodene krmilne enote smo poleg principa modulacije in demodulacije

uporabili tudi kodiranje in posledično dekodiranje poslanega signala.

Kodiranje je postopek, pri katerem spremenimo značilnosti signala. S tem ga naredimo

primernejšega za:

prenos (s tem izboljšamo kvaliteto prenosa in razumljivost signala),

shranjevanje,

obdelavo,

zaznavanje napake pri prenosu,

varovanje vsebine prenosa.

V praksi uporabljamo različne načine kodiranja, uporabljeni načini so odvisni od oblike

signala oziroma podatka, ki ga želimo kodirati. Kodiramo lahko analogni ali digitalni signal.

Za kodiranje digitalnega signala uporabimo eno izmed naslednjih metod kodiranja.

Bitna kodiranja so tista kodiranja, pri katerih zamenjamo binarno vrednost

podatka s pripadajočim digitalnim simbolom. Pravila kodiranja se nanašajo na

posamezne bite.

Med blokovna kodiranja, štejemo tista kodiranja, ki zamenjajo manjši niz binarnih

vrednosti z novim večjim nizom binarnih vrednosti. Binarno blokovno kodiranje

lahko v splošnem označimo tudi kot kodiranje nBmB (angl. n-Binary to m-Binary),

kjer n predstavlja število vhodnih bitov kodiranih z m-izhodnimi biti. V primeru

uporabe blokovnega kodiranja potrebujemo kompleksnejša vezja za kodiranje in

dekodiranje signala. Pravila blokovnega kodiranja se nanašajo na posamezne

bitne bloke. Prednost tega načina kodiranja je visoka učinkovitost kode, kar pa

nam omogoča daljše komunikacijske linije med napravami.

Pri načrtovanju vezja radijsko vodene krmilne enote smo morali upoštevati dejstvo, da

podatke pošiljamo prek radijskih valov, pri čemer je razdalja med oddajnim in krmilnim

modulom velika. Upoštevali smo tudi vplive zunanjih faktorjev na prenos, kot so motnje,

šumi, slabljenje, popačenje signala itd. Razlog,da smo v vezje oddajnega modula poleg

modulacije uporabili tudi kodiranje signala, je zagotovitev kvalitete prenosa podatkov.

Signal ali informacijo, ki jo želimo prek radijskih valov iz oddajnega poslati v krmilni modul,

generiramo z aktiviranjem ene izmed štirih tipk na oddajnem modulu.


V takšnem primeru je generiran signal oziroma podatek zapisan v obliki niza binarnih

vrednosti. Logična vrednost ena v nizu predstavlja vklop ene izmed štirih tipk. Generirani

signal pred pošiljanjem najprej kodiramo in nato moduliramo. Za kodiranje generiranega

signala smo uporabili logično vezje, ki ga imenujemo kodirnik (angl. encoder). Ta

omogoča predstavitev informacije o vklopu tipke v obliki digitalnih vrednosti oziroma

impulznega signala.

4.1 Kodirniki

Kodirniki signala (angl. encoder) so logična vezja, ki jih uporabljamo za pretvorbo signala,

kot je bitstrem, podatkov v kodo oziroma kodiran izhodni signal. Vsebujejo 2n vhodnih liniji

in n-izhodnih liniji, pri tem v vsakem trenutku, glede na izbrano pretvorbo oziroma kodo,

priredijo kombinaciji vhodnih signalov in izhodno vrednost signala. Njihova kompleksnost

je odvisna od zahtevnosti pretvorbe oziroma kode. V primerih, kadar uporabljamo

preproste binarne kode, si pri načrtovanju vezja kodirnika pomagamo z uporabo

pravilnostne tabele in Boolove algebre. V primerih kompleksnejših pretvorb oziroma kod

največkrat vezje kodirnika ne načrtujemo sami, ampak uporabimo enega od že namensko

razvitih kodirnikov signala, ki so dosegljivi na tržišču.

Slika 4.1.1: Blokovna shema kodirnika


Tako smo v oddajnem modulu radijsko vodene krmilne enote uporabili kodirnik signala

podjetja Holtek, z oznako HT12E, ki je bil namensko razvit za uporabo v daljinsko vodenih

sistemih. Uporabljeni kodirnik HT12E je serijski 2

kodirnik družine CMOS vezji, s

sposobnostjo kodiranja podatkov, ki vsebuje n-naslovnih in 12n podatkovnih bitov.

Omenjeni kodirnik je serijski, to pomeni, da ima štiri paralelne vhode in serijski izhod.

Kodirnik signale, ki se nahajajo na štirih paralelnih vhodih, pretvori v serijski izhodni

signal. Vzemimo primer, da želimo na serijskem izhodu kodirnika HT12E dobiti izhodni

signal vrednosti 1001. To dosežemo tako, da pritisnemo tipki in s tem postavimo na

paralelnem vhodu D8 in D11 signal, ki ima logično vrednost ena, medtem ko imata na

paralelnem vhodu D9 in D10 vrednost logične ničle.

Slika 4.1.2: Serijski kodirnik HT12E

Omejitve kodirnikov:

število vhodov in izhodov,

v danem trenutku je lahko aktiven samo eden izmed vhodov kodirnika,

izhod generira kodo glede na aktiven vhod kodirnika,

v primerih, ko ni aktiven noben ali pa več kot en vhod, bo vrednost izhodnega

signala nepravilna.


4.2 Dekodirniki

Dekodiranje podatka je inverzni postopek kodiranja podatka. Njegov postopek izvedemo z

logičnimi vezji, ki jih imenujemo dekodirniki (angl. decoder).

Dekodirniki so logična vezja, ki imajo n-vhodov in 2n izhodov.

Podatek dekodirajo na način, da n-bitnemu vhodnemu podatku priredijo eno izmed 2n

možnih bitnih kombinacij vhodnega stanja podatka. Lahko rečemo, da vsaka izmed 2n

bitnih kombinaciji na izhodu dekodirnika ustreza eni izmed možnih 2n

bitnih vhodnih

kombinacij podatka.

V praksi obstajata dva različna načina dekodirnikov :

eni za delovanje uporabljajo aktivno nizke nivoje za vhode in izhode, z njimi lahko

generiramo maksterme,

drugi za delovanje uporabljajo aktivno visoke nivoje za vhode in izhode, z njimi

lahko generiramo minterme.

Kompleksnost dekodirnikov je odvisna od zahtev pretvorbe vhodnega podatka oziroma od

števila kombinacij, ki jih lahko predpišemo vhodnemu podatku. Preprostejša vezja

dekodirnika lahko načrtujemo sami, pri načrtovanju vezja si lahko pomagamo s tabelo

stanj in Boolovo algebro. V kompleksnejših aplikacijah v večni primerov vezja dekodirnika

ne načrtujemo, ampak uporabimo eno izmed že obstoječih vezji, ki so dosegljivi na

tržišču. Kompleksnejša vezja dekodirnikov poleg vhodov in izhodov vsebujejo še dodaten

omogočitveni vhod (angl. enable). Omogočitveni vhod ne izvaja nobene logične funkcije,

ampak postavlja vezje dekodirnika v aktivno ali neaktivno stanje.

Slika 4.2.1: Blokovna shema dekodirnika z omogočitvenim vhodom


V primeru, ko imamo na omogočitveni vhod pripeljano vrednost:

logične ničle, se postavi dekodirnik v neaktivno stanje, kar pomeni, da so vrednosti

na izhodih enake nič in se glede na spreminjanje vhodnih podatkov ne spremenijo,

logične enice, se postavi dekodirnik v aktivno stanje oziroma v način normalnega

delovanja.

V krmilnem modulu radijsko vodene krmilne enote smo uporabili že izdelan namenski

dekodirnik, ki je dosegljiv na tržišču podjetja Holtek, z oznako HT12D, in je bil razvit za

uporabo dekodiranja podatkov v aplikacijah daljinskega krmiljenja. Dekodirnik HT12D je

serijski 2

in ga vedno uporabljamo v paru z zgoraj opisanim kodirnikom HT12E.

Uporabljen dekodirnik je serijski, kar pomeni, da ima samo en serijski vhod in štiri

paralelne izhode. Delovanje dekodirnika HT12D lahko opišemo na naslednji način, ko le-

ta na svojem vhodu sprejme serijski podatek, ga pretvori v paralelnega in temu ustrezno

postavi stanje na svojih paralelnih izhodih. V primeru, ko je serijski podatek enak nizu

1001, ga dekodirnik pretvori tako, da ima paralelni izhod D8 in D11 vrednost ena, izhoda

D9 in D10 pa vrednost nič To pa v našem primeru pomeni, da sta bili na oddajnem

modulu aktivirani dve od štirih tipk.

Slika 4.2.2: Serijski dekodirnik HT12D


5. Načrtovanje vezja oddajnega modula

Izdelava radijsko vodene krmilne enote je bila začetna ideja.To idejo smo nadgradili z

analiziranjem teorije in izbiro ustreznih metod ter postopkov za uspešen prenos podatkov

prek radijskih valov. Ugotovitve analiz smo uporabili kot izhodišče pri načrtovanju vezja,

tako oddajnega, kakor tudi krmilnega modula.

Oddajni modul je del vezja radijsko vodene krmilne enote. Njegova naloga je, da

uporabniku z aktiviranjem tipke omogoča daljinsko krmiljenje enega izmed vhodov

krmilnega modula in s tem posledično glede na napisano programsko sintakso krmili do

izhoda. Vezje oddajnega modula smo načrtovali tako, da smo omogočili prenos podatkov

prek radijskih valov. Upoštevali smo kriterije, kot so domet oddajnika, napajanje vezja z

uporabo prenosnega vira, kar pripomore k nizki porabi energije vezja, zaščita podatkov pri

prenosu, odpornost vezja na zunanje vplive in ne nazadnje tudi logična postavitev

elementov na tiskanem vezju ter velikost ploščice tiskanega vezja.

Načrtovanje vezja oddajnega modula smo si poenostavi tako, da smo vezje razdelili na

več enostavnejših vezji, katerih načrtovanje je enostavno in hitro. Sledila je izbira

ustreznih polprevodniških elementov in integriranih vezji, ki zagotavljajo pravilno delovanje

posameznih podvezji, ter jim zagotavljajo sposobnost opravljanja zahtevanih nalog. Z

medsebojno povezavo posameznih vezji smo dobili delujočo celoto, katero smo

poimenovali oddajni modul.

Vezje oddajnega modula sestavljajo naslednja podvezja:

napajalno vezje,

kodirano vezje,

oddajno vezje,

signalizacijsko vezje.

Slika 5.1: Blokovna shema vezja oddajnega modula

Napajalno

vezje

Kodirno

vezje

Oddajno

vezje

Štiri tipke

Signalizacijsko

vezje


5.1 Napajalno vezje oddajnega modula

Oddajni modul je daljinski upravljalnik, zato mora imeti avtonomen vir napajanja. Kot

avtonomen vir napajanja oddajnega modula smo uporabili baterijo. Njena vrednost

izhodne napetosti je enaka devetim voltom. To je razlog, da avtonomnega vira ne moremo

neposredno uporabiti za napajanje posameznih sklopov vezja oddajnega modula, saj le-ti

vsebujejo integrirana vezja, ki so izdelana v CMOS tehnologiji. To pomeni, da za pravilno

delovanje potrebujejo napajalno napetost vrednosti petih voltov. Potrebna je pretvorba

napetosti, ki jo opravi napajalno vezje. Ta zagotavlja konstantno izhodno napetost

vrednosti petih voltov, neodvisno od nihanja napetosti avtonomnega vira. Napajalno vezje

smo načrtovali tako, da smo kot osrednji del uporabili napetostni regulator z oznako 7805.

Napetostni regulatorji so vezja, ki jih uporabimo v situacijah, v katerih potrebujemo

enostavna in cenovno ugodna napajalna vezja. Uporabimo lahko dve različni vrsti

napetostnih regulatorjev, nastavljive ali pa napetostne regulatorje s fiksno vrednostjo

napetosti na svojem izhodu. Izbira je odvisna od zahtev vezja. V našem primeru mora

napajalno vezje zagotavljati konstantno vrednost napajalne napetosti, zato smo uporabili

napetostni regulator z oznako 7805. Omenjeni napetostni regulator pripada družini

napetostnih regulatorjev 78 , pri čemer na koncu pomeni izhodno napetost. Izhodna

napetost uporabljenega regulatorja je 5 V, njena vrednost je konstantna in se glede na

nihanje napetosti izvora ne spreminja.

Napetostni regulatorji 7805 imajo tri priključne nožice, na trgu se pojavljajo v dveh

izvedbah, in sicer izdelani v SMD in THT tehniki. Izvedbi se med seboj razlikujeta glede

tipa ohišja. Karakteristike napetostnih regulatorjev so odvisne od izvedbe ohišja, glavna

razlika med njima je vrednost toka, ki lahko teče skozi njegovo vezje. V našem primeru

mora napajalno vezje oddajnega modula zagotavljati tokove, katerih maksimalna vrednost

dosega 100 mA, zato smo se odločili za uporabo napetostnega regulatorja v izvedbi

ohišja tipa TO92.


Slika 5.1.1: Napetostni regulator 7805 z izvedbo ohišja tipa TO92

Sledi opis priključnih nožic napetostnega regulatorja 7805.

Priključna nožica številka ena predstavlja izhod napetostnega regulatorja. Na njej

se nahaja konstantna enosmerna izhodna napetost vrednosti petih voltov.

Na priključno nožico številka dve priključimo maso.

Priključna nožica številka tri predstavlja vhod napetostnega regulatorja. Nanjo

priključimo vhodno napetost oziroma napetost avtonomnega izvora napetosti.

5.2 Vezalna shema napajalnega dela oddajnega modula

Napajalno vezje je sestavljeno tako, da napetost avtonomnega vira pripeljemo na vhod

napetostnega regulatorja, na katerega sta vzporedno zvezana elektrolitski in blokovni

kondenzator. Vrednost in uporabo blokovnega kondenzatorja z oznako C4 v napajalnem

vezju nam predpiše proizvajalec napetostnega regulatorja. Njegova naloga je odpravljanje

vhodnih motenj in s tem zagotavljanje pogojev za njegovo normalno delovanje. Vrednost

in vezavo elektrolitskega kondenzatorja z oznako C3 v vezje smo izbrali sami. Njegova

naloga je glajenja izhodne napetosti. Napetostni regulator opravi pretvorbo napetosti na

izhodno napetost vrednosti petih voltov. Po priporočilu proizvajalca na izhod napetostnega

regulatorja vežemo dodatni blokovni kondenzator z oznako C2.Ta preprečuje prenos

motilnih signalov iz vezja, ki ga napajamo nazaj na napetostni regulator, kar pa lahko

povzroči nepravilno delovanje.


Slika 5.2.1: Napajalno vezje oddajnega mdula

5.3 Kodirno vezje oddajnega modula

Kodirno vezje je osrednji del oddajnega modula in je kot tak tudi najkompleksnejši, kar

pomeni, da je bilo njegovo načrtovanje zahtevno in dolgotrajno. V sklopu kodirnega vezja

smo morali načrtovati tudi vhod vezja oddajnega modula oziroma nekakšen uporabniški

vmesnik. Njegova naloga je, da uporabniku omogoča daljinsko krmiljenje izhodov krmilne

enote. Vhodno vezje sestavljajo štiri tipke, z aktiviranjem posamezne tipke ali kombinacije

tipk uporabnik aktivira enega ali več izhodov krmilnega modula, odvisno od napisanega

programa. Naloga, ki jo opravlja kodirno vezje, je zajemanje vhodnih podatkov in njihovo

preoblikovanje v obliko, ki je primerna za nadaljnjo obdelavo in prenos. Vhodni podatek v

oddajnem vezju predstavlja bit, ki nam pove, ali je bila katera izmed štirih tipk aktivirana.

Takšna oblika podatka ni primerna za prenos prek radijskih valov na velike razdalje, saj se

lahko podatek zaradi zunanjih vplivov popači ali celo izgubi, zato smo kot osrednji element

kodirnega vezja uporabili kodirnik, ki bo vhodni podatek spremenil oziroma kodiral v

ustrezno obliko in s tem izboljšal kvaliteto prenosa ter hkrati zavaroval vsebino podatka pri

prenosu.

Pri načrtovanju vezja smo izhajali iz njegovih specifikaciji in zahtev ter temu primerno

podrediti izbiro polprevodniških elementov. Izbran kodirnik in ostali polprevodniški

elementi so poleg vsega ostalega morali biti ustrezni tudi za uporabo v aplikacijah

daljinskega krmilja, zato smo se odločili za uporabo kodirnika z oznako HT12E. Poleg

kodirnika smo v vezju uporabili še štiri tipke, Schottkey diode, kodirno stikalo in NPN

tranzistor, vse skupaj pa smo povezali v delujočo celoto.


Schottkyjeva dioda je narejena tako, da namesto klasičnega PN spoja uporabimo spoj

med kovino in polprevodnikom. Spoju med kovino in polprevodnikom pravimo tudi

Schottkyjev spoj in ga uporabimo tudi pri izdelavi foto diod, MESFET tranzistorjev in

podobnih elementov. Zaradi različnih energijskih nivojev kovine in polprevodnika se na

njunem spoju ustvari potencialni prag oziroma kontaktna napetost. Ker med kovino in n-

tipom polprevodnika potujejo le elektroni, to pomeni, da pri prevajanju sodelujejo le

večinski naboji elektroni. To pomeni, da pri Schottkyjevi diodi ni zakasnitev zaradi

manjšinskih presežkov naboja, zato lahko diode uporabljamo povsod tam, kjer je potrebna

velika hitrost delovanja. Taka dioda ima zelo dobre preklopne lastnosti in majhno porabo

napetosti.

Prednosti in slabosti Schottkyjeve diode:

nizek padec napetosti v prevodni smeri (0,3 V ..0,4 V),

reverzi tok je nekajkrat večji od toka klasične PN diode in močno odvisen od

vrednosti reverze napetosti,

nižja prebojna trdnost.

Slika 5.3.1.: Schottkyjeva dioda

V vezju smo uporabili Schottkyjeve diode z oznako BAT 85. Po priporočilu proizvajalca

smo jih vezali na vhod kodirnika. Diode opravljajo nalogo vmesnega člena med

kodirnikom, tipkami in negativnim potencialom napajalne napetosti. Njihova naloga je, da

v primeru, ko ni vhodnega signala, preprečijo motnjam dostop do vhodov kodirnika in s

tem preprečijo napačno interpretiranje vhodnih podatkov, kar bi lahko imelo za posledico

napačne izhodne podatke oziroma posledično nepravilno delovanje vezja radijsko vodene

krmilne enote. Prednost Schottkyjeve diode pa se pokaže v primeru, ko je tipka na vhodu

kodirnika aktivirana, oziroma, ko vhodni podatek dioda brez zakasnitve pošlje na vhod

kodirnika.


Kodirnik podjetja Holtek z oznako HT12E je pripadnik družine serijskih 212

kodirnikov, ki

so bili namensko izdelani za uporabo v aplikacijah daljinskega vodenja, pri požarnih

alarmih, varnostnih sistemih in telekomunikacijah. Kodirniki so narejeni v CMOS LSI

tehnologiji, kar pomeni, da imajo nizko porabo energije in so odporni na vplive okolja, zato

so primerni za uporabo v aplikacijah, ki delujejo v šumnem okolju.

Omenjeni kodirniki so sposobni kodiranja informacije oziroma podatka, ki vsebuje N-

naslovnih bitov in 12-N podatkovni bitov. V podatku lahko vsakega izmed podatkovnih in

naslovnih bitov postavimo v eno izmed dveh logičnih stanj, nič in ena. Kodirnik je zgrajen

tako, da vsebuje naslovne vhode, s katerimi določimo ime kodirnika. Tako zavarujemo

podatke pri prenosu in podatkovne vhode, na katere pripeljemo tiste podatke, ki jih želimo

kodirati. Poleg naslovnih in podatkovnih vhodov vsebuje kodirnik še dodaten prožilni

(angl. Trigger) vhod z oznako TE. Njegova funkcija je, kot že ime samo pove, proženje

vezja kodirnika.

Slika 5.3.2.: Zgradba kodirnika HT12E

Na trgu so dosegljive različni izvedi kodirnikov HT12E, in sicer:

izvedba s 14 priključnimi nožicami DIP ohišju,

izvedba s 16 priključnimi nožicami SOP ohišju,

izvedba z 18 priključnimi nožicami DIP ohišju,

izvedba z 20 priključnimi nožicami SOP ohišju.


Različne izvedbe kodirnikov se med seboj razlikujejo po številu podatkovnih vhodov. Cilj

oddajnega modula radijsko vodene krmilne enote je daljinsko krmiljenje štirih kanalov, kar

pomeni, da za potrebe kodiranja signala potrebujemo kodirnik, ki ima štiri podatkovne

vhode, zato je bila logična izbira uporaba kodirnika HT12E z 18 priključnimi nožicami v

DIP ohišju.

Slika 5.3.3: Kodirnik HT12E v ohišju DIP z 18 priključnimi nožicami

Sledi opis priključnih nožic uporabljenega kodirnika HT12E.

Priključne nožice od ena do osem z oznako A0 do A7 so vhodi kodirnika izvedeni v

NMOS tehnologiji, s katerimi določamo ime oziroma naslov kodirnika, zato bi jih

lahko poimenovali tudi naslovni vhodi. Naslovne vhode lahko priključimo na

napajalno napetost kodirnika Vcc, ki predstavlja logično stanje ena, ali pa na

potencial nič, ki predstavlja logično stanje nič. Kombinacija teh dveh logičnih stanj

na naslovnih vhodih od A0 do A7 določa ime kodirnika, in s tem zavaruje podatke

pri prenosu. Pomembno je, da ima dekodirnik enako ime kod kodirnik, saj je s tem

postopek dekodiranja podatkov pravilno izveden.

Priključna nožica devet, z oznako Vss pripada napajalnemu delu kodirnika. Nanjo

priključimo negativni pol napajalne napetosti oziroma maso.

Priključne nožice od deset do trinajst, z oznako od AD0 do AD3, so vhodi, izvedeni

v NMOS tehnologiji, na katerega pripeljemo podatke, ki jih želimo kodirati oziroma

imajo funkcijo podatkovnega vhoda.

Priključna nožica štirinajst, z oznako TE, opravlja funkcijo proženja kodirnika. Rekli

bi ji lahko prožilni vhod. Z njeno postavitvijo v stanje logične nič aktiviramo

kodirnik.


Priključni nožici petnajst in šestnajst, z oznako Osc1 in Osc2, sta vhod in izhod

oscilatorja kodirnika. Kodirnik že vsebuje notranji oscilator. Za njegovo pravilno

delovanje moramo med priključne nožice Osc1 in Osc2 vezati dodatni upor,

katerega vrednost definira frekvenco osciliranja.

Priključna nožica številka sedemnajst, z oznako Dout, je serijska izhodna

priključna nožica kodirnika. Njena funkcija je pošiljanje izhodnega, serijsko

kodiranega podatka.

Priključna nožica osemnajst, z oznako Vdd, pripada napajalnemu delu kodirnika.

Nanjo priključimo pozitiven pol napajalne napetosti.

Vsi vhodi in izhod kodirnika HT12E so izvedeni v NMOS tehnologiji, kar pomeni, da se

na vhodu kodirnika nahaja NMOS tranzistor, ki je povezan z zaščitno diodo.

Slika 5.3.5: NMOS vhodi kodirnika HT12E

Serijski kodirnik HT12E aktiviramo tako, da postavimo na prožilni TE vhod signal vrednosti

logične ničle, oziroma ga preklopimo na negativni pol napajalne napetosti Vss. Po

aktiviranju kodirnik prebere podatke, ki se nahajajo na njegovih naslovnih in podatkovnih

vhodih. Branju sledi kodiranje. V tej fazi kodirnik kodira bite podatkovnih vhodov od AD8

do AD11 skupaj z biti naslovnih vhodov od A0 do A7 in tako ustvari izhodno informacijo, ki

se pošlje na serijski izhod. Izhodni signal oziroma informacija je 12-bitna, sestavljena iz

štirih podatkovnih bitov in osem naslovnih bitov. Kodirnik vedno pošlje vseh 12 bitov, ne

glede na čas trajanja prožilnega signala. V primeru, da je prožilni vhod aktiven dlje časa,

kodirnik pošilja informacijo vse dokler se njegovo logično stanje ne spremeni.

Slika 5.3.6: Časovni diagram prenosa izhodnega signala kodirnika HT12E


5.4 Oddajno vezje

Zadnje v nizu vezij, ki smo jih načrtovali v sklopu oddajnega modula, je izhodno oziroma

oddajno vezje. Naloga oddajnega vezja je pošiljanje signala, ki vsebuje podatek na

sprejemnik krmilnega modula. Oddajno vezje ima na vhod povezano kodirno vezje, iz

katerega sprejme vhodni signal v obliki binarnega serijskega podatka, nato ga amplitudno

modulira in v obliki bitstreama prek antene pošlje na sprejemnik. Delovanje vezja je

kompleksno, saj mora biti vezje sposobno sprejeti, modulirati in oddati signal, zato bi bilo

načrtovanje takšnega vezja zelo zahtevno in zamudno. To je razlog, da smo se odločili za

uporabo že izdelanega RF modula z oznako TX433A.

Oznaka RF modula nam pove njegove specifikacije, in sicer oznaka TX pomeni, da gre za

oddajni modul, ki oddaja radijske valove v frekvenčnem območju med 30 MHz in 300

GHz. Oznaka 433 A nam podaja natančno frekvenco oddajanja, le-ta v našem primeru

znaša natanko 433,92 MHz in ustreza zakonskim določilom o prosti uporabi frekvenčnega

spektra. Izbran modul je primeren za uporabo v aplikacijah daljinskega krmiljenja in je ob

enem kompatibilen s kodirnikom HT12E. Vedno ga uporabljamo v paru s sprejemnikom

oznake RX433. Modul modulira signal po principu amplitudne modulacije ASK (opisane v

poglavju 3) in je zgrajen iz oscilatorja, ki generira nosilni signal mešalnega dela,

ojačevalnik in pasovno prepustnega filtra.

Slika 5.4.1: Blokovna shema RF modula TX434A

Domet oddajnega modula je odvisen od izvedbe in dolžine antene, ki jo priključimo na

oddajni del vezja. Maksimalen domet oddajnega modula znaša 100 m in ga dosežemo v

primeru, ko na oddajni modul priključimo ravno žico dolžine 18 cm, ali pa uporabimo

lakirano bakreno žico premera 0,5 mm, s katero naredimo 24 ovojev premera 3,2 mm.

Vcc (3)

TXD (2)

ANT(4)

GND

(1)

GND

(1)

NT(1)

Vcc (3)

GND (1)

(1)

GND (1)


Sledi opis priključnih nožic RF modula.

Priključna nožica številka ena pripada napajalnemu delu RF modula. Nanjo

priključimo negativno napajalno napetost oziroma maso.

Priključna nožica številka dva predstavlja vhod RF modula. Nanjo pripeljemo

serijski binarni podatek iz kodirnika HT12E.

Priključna nožica številka tri pripada napajalnemu delu RF modula. Nanjo

priključimo pozitivni pol napajalne napetosti Vcc.

Priključna nožica številka štiri predstavlja izhod RF modula. Na njej se nahaja

izhodni amplitudno moduliran signal.

Slika 5.4.2: RF modul TX433A

Karakteristike RF modula:

območje napajalne napetosti od 3 V do 12 V,

območje vhodnih in izhodnih signalov od –0.3 V do 4 V,

frekvenca oddajanja 433,92 MHz,

maksimalna izhodna moč 10 mW,

hitrost prenosa podatkov 8 Kbps,

domet 100 m.

1

.

4

.


5.5 Signalizacijsko vezje

V sklopu oddajnega modula smo dodatno izdelali tudi preprosto signalizacijsko vezje, ki

uporabniku omogoča, da preprosto prek indikatorja spremlja njegovo delovanje. Za

izdelavo signalizacijskega vezja smo kot indikator delovanja vezja uporabili svetlečo diodo

LED (angl. light emitting diode), le-to smo prek NPN tranzistorja vezali na izhod kodirnika

HT12E oziroma na vhod oddajnega modula. V primeru, ko uporabnik aktivira eno izmed

štirih tipk, kodirnik HT12E na bipolarni tranzistor pošlje signal, le-ta povzroči njegovo

aktiviranje in posledično se na njegovem izhodu aktivira oziroma prižge svetleča dioda.

Svetleča dioda (angl. light emitting diode, LED) je polprevodniški element. Njene

značilnosti so podobne navadni polprevodniški diodi, vendar z razliko, da svetleča dioda

električno energijo spreminja v svetlobo. Svetleče diode izkoriščajo oddajanje svetlobe, ki

nastane zaradi rekombinaciji, ko je dioda priključena v prevodno smer. Oddajanje

svetlobe temelji na oddajanju energije elektrona, ki iz vzbujenega višjega energetskega

stanja atoma preide na nižje energetsko stanje. Elektron odda energijo v obliki

elektromagnetnega sevanja z določeno frekvenco. Če je frekvenca elektromagnetnega

sevanja v vidnem polju, to zaznamo kot svetlobo. Efekt je znan kot elektroluminiscenca,

barva svetlobe pa ustreza energiji fotona, ki je določena z energetskim korakom samega

polprevodnika. Svetleča dioda je sestavljena iz polprevodnega elementa, povezanega na

priključni nožici anode in katode, vse skupaj pa je zalito v epoksidni material.

Slika 5.5.1: Zgradba svetleče diode


Polprevodni element vsebuje nečistoče, ki na zaporni plasti povzročijo p-n spoj. Ko diodo

priključimo v prevodni smeri, teče tok iz p-strani, torej iz anode proti katodi, v nasprotno

stran pa ne. Z napetostno razliko gnani elektroni iz vrzeli potujejo proti spoju elektrod. V

primeru, ko elektron zapolni vrzel, se sprosti energija v obliki fotona. Valovna dolžina

oddane svetlobe je odvisna od snovi, ki tvori p-n spoj. Svetleče diode so običajno

zgrajene na nosilcu n-tipa, na katerega je pritrjena elektroda p-tipa, lahko pa je tudi

obratno.

Slika 5.5.2: PN spoj svetleče diode

Svetleče diode so v osnovi p-n spoj ali polprevodniška dioda, ki pa ni zgrajena iz silicija,

temveč iz drugih materialov, ki sicer porabijo več moči, a sevajo svetlobo, ki je odvisna od

uporabljenih materialov oziroma substratov. Dandanes se na trgu pojavlja veliko različnih

tipov svetlečih diod, le-te se med seboj razlikujejo po barvi, velikosti in značilnostih.

Spekter uporabe svetlečih diod je zelo širok, sprva so se uporabljale kot indikatorske

lučke in kot gradnik v optičnih povezovalnikih, danes z uporabo novih materialov za

substrate pa so svetleče diode vse bolj prisotne na področju raznih vrst razsvetljav. Njihov

spekter sevanja obsega vse od ultravijolične svetlobe, vidnega spektra, pa do infrardeče

svetlobe. Intenziteta svetlobe je zelo visoka, tako da močno presega svetlobne izkoristke

drugih svetil. Ker je njen izkoristek mnogo večji, kot ga imajo klasična svetila na žarilno

nitko, jih izpodriva iz uporabe kot svetilo bodočnosti. Svetleče diode so majhne, porabijo

malo energije, imajo mnogo daljšo življenjsko dobo kot druga svetila, so bolj trdne in imajo

krajši vžigalni čas. Danes se uporabljajo v raznih elektronskih napravah, kot avtomobilske

svetilke, v semaforjih in v komunikacijskih tehnologijah. V kombinacijah s fotovolaičnim

napajanjem ali brez se uveljavljajo tudi kot zunanja svetila. Infrardeče svetleče diode se

uporabljajo za daljinsko vodenje naprav, kot so televizorji in gospodinjski aparati,

ultravijolične diode pa se uporabljajo za produciranje bele svetlobe.


Poleg svetleče diode smo kot osrednji element signalnega vezja uporabili NPN tranzistor

z oznako BC337. Tranzistorje poimenujemo tudi bipolarni tranzistorji in jih dobimo z

združitvijo treh plasti polprevodnikov, zaporedje plasti ima ključno vlogo pri njihovem

delovanju. V praksi najpogosteje uporabljamo konfiguracijo polprevodniških plasti NPN,

kjer se pozitivni P-polprevodnik nahaja med dvema plastema negativnega N-tipa

polprevodnika. Na vsako polprevodniško plast je pritrjen po en priključek. Priključki so

označeni s črkami, in sicer vhodna plast (E) emitor, izhodna plast (C) kolektor in krmilna

plast (B) baza.

Slika 5.5.3: Zgradba NPN tranzistorja

Tranzistor vsebuje dva PN spoja, ki ju lahko priključimo v prevodni ali zaporni smeri. Prvi

spoj je med emitorjem in bazo, imenujemo ga emitorski spoj, drugi spoj med kolektorjem

in bazo pa imenujemo kolektorski spoj. Tranzistor deluje v tako imenovanem aktivnem

področju le, če je emitorski spoj priključen v prevodni smeri, kolektorski pa v zaporni

smeri. V primeru, ko na emitorski spoj priključimo napetost UBE , začnejo elektroni iz

emitorja prehajati v bazo, vrzeli pa iz baze v emitor, pri tem skozi emitorski spoj steče tok,

poimenovan tudi emitorski tok. Njegova vrednost je odvisna od vrednosti napetosti in ga

označimo z IE. Prevodno polariziran emitorski spoj ima za posledico pritekanje elektronov

iz baze v emitor, ki pa zaradi zaporne napetosti med kolektorjem in bazo z oznako UCB

ne stečejo v bazo, ampak v kolektor. Tok elektronov v kolektor povzroči kolektorski tok, ki

je neodvisen od vrednosti napetosti na PN spoju, in ga označimo z IC. Slednje je mogoče

samo v primeru, ko je baza zelo tanka, v nasprotnem primeru bi se večina elektronov

rekombinirala oziroma zapolnila vrzeli vzdolž baze. Kljub vsemu nekaj elektronov, ki jih

emitor emitira v bazo, zaključi svojo pot tudi v bazi in posledično tvori bazni tok, ki je

odvisen od širine baze, in ga označimo IB.

B C

E

B

C E


Slika 5.5.4: Oznaka tokov in napetosti v NPN tranzistorju

Bipolarni tranzistor nam najpogosteje služi kot ojačevalnik ali stikalo. V prvem primeru

uporabe je bipolarni tranzistor sposoben ojačiti majhne spremembe toka na vhodu, zato

mu v tem primeru pravimo tudi aktiven element. Oddajni modul je digitalno vezje, v

katerem bipolarni tranzistor uporabimo kot stikalo in od njega zahtevamo, da se glede na

vhodni signal čim hitreje odpre ali zapre. Bipolarni tranzistor smo uporabili v vezavi s

skupnim emitorjem, na njegov izhod smo priključili breme, ki ga v našem primeru

predstavlja svetleča dioda, da pa bi tranzistor ustrezno deloval, je potrebno nastaviti

delovno točko tranzistorja. Delovna točka določa nastavitev enosmernih razmer in

predstavlja izhodišče krmiljenja tranzistorja s signalom. V polju značilnosti tranzistorja

lahko postavitev delovne točke razvrstimo v različne razrede delovanja, ki imajo različne

značilnosti, le-to pa nam omogoča različna področja uporabe. Nastavitev delovne točke je

odvisna predvsem od zahtev izhodnega signala. Prenizka nastavitev bi povzročila

predčasno zapiranje tranzistorja in s tem popačenje izhodnega signala, medtem ko bi

previsoka nastavitev delovne točke povzročila, da bi napetost med kolektorjem in

emitorjem prešla v področje nasičenja. Delovno točko smo v primeru našega vezja

nastavili tako, da vhodni signal v celoti odpre tranzistor, ki posledično na svojem izhodu

aktivira svetlečo diodo. Delovno točko smo nastavili z baznim uporom, označenim v vezju

kot R2, in kolektorskim uporom, označenim v vezju kot R3. Izbira vrednosti uporov je tista,

s katero dosežemo, da steče skozi upor R2 bazni tok IB, ki ga lahko izračunamo (enačba

5.8.1). Le-ta povzroči kolektorski tok IC , pod predpostavko, da je napetost kolena

bipolarnega tranzistorja UBE 0.7V . Na izhodu tranzistorja imamo prek kolektorskega

upora vezano breme, v našem primeru svetlečo diodo. Vrednost kolektorskega upora smo

izbrali tako, da bo zagotavljal ustrezno vrednost napetosti (enačba 5.8.4) in toka svetleči

diodi (enačba 5.8.3).


Slika 5.5.5: Shema siganlizacijskega vezja

Bazni tok izračunamo (enačba 5.8.1) na podlagi vrednosti izbranega upora R2 in padca

napetosti UR2 (enačba 5.8.2).

IB UR2

R2

4.3V

10k 0.43mA

pri čemer je:

UR2 VCC-UBE 5V - 0.7V 4.3V

iz tega sledi:

IC UR3

R3

3.2V

2.2K 1.5mA

pri čemer je:

UR3 VCC-UD2 5V – 1.8V 3.2V

Tu je:

IB – bazni tok

IC – kolektorski tok

UR3 – padec napetosti na uporu R3

UR2 – padec napetosti na uporu R2

UD2 – padec napetosti na svetleči diodi

UBE – napetost kolena bipolarnega tranzistorja

R2 – bazni upor

R3 – kolektorski upor

V – napajalna napetost

(5.8.1)

(5.8.2)

(5.8.3)

(5.8.4)


6. Načrtovanje vezja krmilnega modula

Uspešno zaključenemu načrtovanju oddajnega modula je sledilo načrtovanja

kompleksnejšega vezja krmilnega modula. Krmilni modul je osrednji in s tem

kompleksnejši del radijsko vodene krmilne enote, zato je bil postopek njegovega

načrtovanja zahtevnejši in dolgotrajnejši. Krmilni modul lahko uporabimo kot samostojno

vezje, saj je njegovo delovanje neodvisno od delovanja oddajnega modula. Vezje je

sestavljeno iz več delov, na eni strani ima vhode, kjer se zajemajo vhodni podatki,

osrednji del je centralno krmilno vezje, ki na podlagi vhodnih podatkov in napisanega

programa določi stanje izhodov, le-ti se nahajajo na drugi strani vezja, ter dodatnega

sprejemnega vezja, katerega naloga je sprejem radijskega signala. Pri njegovem

načrtovanju smo poleg delovanja in specifikacij vezja upoštevali še dodatne zahteve, kot

so število vhodov, število relejnih izhodov, vrednost vhodne napetosti, možnost

sprejemanja podatkov prek radijskih valov, sposobnost dekodiranja prejetih podatkov,

vrednost napajalne napetosti, vrednost izhodnega toka, robustnost vezja, logična

postavitev elementov in velikost samega tiskanega vezja. Naslednji korak načrtovanja je

bila izbira polprevodniških elementov in integriranih vezji, ki smo jih uporabili v vezju

krmilnega modula. Pri izbiri elementov vezja so kriteriji morali ustrezati vsem zahtevam in

hkrati zagotavljati njegovo brezhibno delovanje ter omogočati, da bo vezje sposobno

opravljati zahtevane naloge. Proces načrtovanja vezja smo si prav tako kot pri načrtovanju

vezja oddajnega modula poenostavili z razdelitvijo vezja na več preprostejših samostojnih

vezji, od katerih ima vsako vezje določeno nalogo, z njihovo medsebojno povezavo pa

dobimo delujočo celoto poimenovano krmilni modul.

Vezje krmilnega modula je sestavljeno iz naslednjih sklopov vezji:

napajalno vezje,

vhodno vezje,

izhodno vezje,

sprejemnik,

dekodirno vezje,

centralno krmilno vezje.


Slika 6.1: Blokovna shema vezja krmilnega modula

Najprej smo se lotili načrtovanja sklopa vezja, poimenovanega centralno krmilno vezje, saj

je osrednji in ob enem najkompleksnejši del krmilnega modula. Prvi korak načrtovanja je

bila izbira ustreznega mikrokrmilnika, ki bo imel zadostno število vhodov in izhodov, hkrati

pa bo dovolj zmogljiv, da bo omogočal uporabo krmilnega modula v širokem spektru

aplikacij. Izbranemu mikrokrmilniku smo nato prilagodili periferno vezje. Njegova naloga je

postavitev pogojev za njegovo normalno delovanje, s tem smo zaključili proces

načrtovanja centralnega krmilnega vezja. Naslednji korak je predstavljal načrtovanje

vhodnega in izhodnega dela vezja, pri tem smo upoštevali specifikacije izbranega

mikrokrmilnika in nanj prilagoditi vezje. Sledilo je načrtovanje sprejemnika in dekodirnega

vezja, ki sta medsebojno povezana. Izbrani elementi obeh vezji morajo biti kompatibilni,

saj mora biti vezje sposobno sprejeti, demodulirati in dekodirati signal. Na koncu smo se

lotili načrtovanja napajalnega vezja, ki je povezan praktično z vsemi sklopi vezij krmilnega

modula. Upoštevali smo zahtevane vrednosti napajalnih napetosti posameznih

integriranih vezji, ki se nahajajo v posameznih sklopih krmilnega modula. Čisto na koncu

smo vsa vezja med seboj povezali v delujočo celoto, ki smo jo poimenovali krmilni modul.

Centralno

krmilno vezje

Sprejemnik

Izhodno

vezje

Vhodno

vezje

Dekodirno

vezje Napajalno

vezje


6.1 Vhodno vezje

V avtomatiki zajemamo vhodne podatke s pomočjo senzorjev, ki jih vežemo na vhod

krmilnika. Senzorji so integrirana vezja, ki obveščajo krmilnik o dogajanju v procesu,

oziroma pretvarjajo fizikalne veličine v električne. Poznamo več različnih vrst senzorjev,

le-ti v osnovi delujejo na dveh principih, in sicer pretvarjajo fizikalne veličine v tokovne ali

napetostne vrednosti različnih velikostnih razredov. V praksi se v avtomatizaciji največkrat

uporabljajo senzorji, katerih izhodne vrednosti napetosti dosegajo dvanajst voltov, ker pa

je v našem primeru vezja oddajnega modula osrednji element mikrokrmilnik, ki deluje v

napetostnem območju petih voltov, moramo senzorje na vhod priključiti prek vmesnega

vezja. Vmesno vezje, poimenovano tudi vhodno vezje, opravlja nalogo pretvorbe vhodnih

napetosti na vrednosti, ki so sprejemljive za vhode mikrokrmilnika, hkrati pa vezje omeji

vhodne tokove in s tem prepreči nastanek poškodb vezja krmilnega modula. Vhodno

vezje smo izdelani preprosto, gre namreč za napetostni delilnik, ki ga sestavljata dva

upora in zener dioda, le-ta ima nalogo dodatne stabilizacije vhodne napetosti na vrednost

petih voltov. Izdelali smo šest takšnih vhodnih vezji, saj vsak vhod mikrokrmilnika

potrebuje svoje vhodno vezje.

Zener oziroma prebojne diode so posebne vrste diod, ki jih uporabljamo v zaporni smeri

pri napetostih, katere presegajo prebojno napetost diode. To je v nasprotju z usmerniško

diodo dovoljeno. Delovanje prebojne diode temelji na izkoriščanju tako imenovanega

Zenerjevega efekta, ki opisuje reverzibilen pojav plazovitega preboja PN spoja v reverzni

smeri. Ko prekoračimo zaporno napetost preboja, začne teči prebojni tok. Vsako dodatno

povečanje zaporne napetosti povzroči strmo naraščanje zapornega toka, ki ga moramo

ustrezno omejiti, saj je dopustni tok v zaporni smeri občutljivo nižji od dovoljenega toka v

prevodni smeri. Prebojne diode do petih voltov prevajajo zaporni smeri zaradi

Zenerjevega efekta, nad to napetostjo pa zaradi plazovitega preboja. Prebojno napetost

Zenerjevih diod določijo že pri izdelavi diode z ustreznim dopiranjem polprevodnika

oziroma z dodajanjem primesi polprevodniku, območje delovanja pa znaša nekje od 1.8 V

pa vse do 200 V.


Slika 6.1.1: Zenerjeva dioda

Prebojne diode najpogosteje uporabimo za stabilizacijo napetosti zaporne smeri v

stabilizacijskem področju. Zenerjeve diode uporabljamo predvsem v funkciji napetostnih

referenčnih členov in vezji za stabilizacijo napetosti, kjer želimo, da je izhodna napetost

takšnih vezij čim manj odvisna od bremenskega toka ter vhodne napajalne napetosti. To

je razlog, da smo se odločili za uporabo Zener diode v vhodnem vezju. Pogoj za njegovo

pravilno delovalo je ustrezna vrednost toka, ki teče skozi Zener diodo, le-ta ne sme biti

nikoli manjši od minimalnega toka IZmin in hkrati nikoli večji od maksimalnega toka IZma

Slika 6.1.2: Vhodno vezje

Na vhod vezja oziroma na vhodne sponke v vezju, označene od SF1 do SF6, priključimo

vhodne pogoje oziroma neregulirano vhodno napetost. Vrednost vhodne napetosti delilnik

najprej razpolovi, nato pa se njena vrednost s pomočjo Zener diode stabilizira na 5,1 V.

Tako razpolovljena in stabilizirana vhodna napetost je primerna vhodna napetost

mikrokrmilnika.

Smer zapornega toka


6.2 Izhodno vezje

V praksi so avtomatizacijski sistemi zgrajeni tako, da vsebujejo krmilnik, ki ima na vhode

priključena razna tipala, na njegove izhode pa najpogosteje priključimo bremena, ki imajo

visoke nazivne tokove in napetosti. Tako je bila ena od zahtev, ki smo jo pri načrtovanju

vezja krmilnega modula morali upoštevati, da lahko na njegovih izhodih vklapljamo ali

izklapljamo bremena nazivnih tokov vrednosti do 16 A, pri izmenični napajalni napetosti

nazivne vrednosti pa do 250 V. To je bil tudi vzrok za izdelavo vmesnega vezja, ki se

nahaja med centralnim krmilnim vezjem oziroma mikrokrmilnikom in izhodnimi sponkami.

Vezje smo poimenovali izhodno vezje, izdelali pa smo ga tako, da smo na izhode

mikrokrmilnika povezali integrirano vezje z oznako ULN2803. Na njegove izhode pa smo

vezali tuljave relejev, prek katerih preklapljamo priključena izhodna bremena. Dodali smo

še enostavno signalizacijsko vezje, sestavljeno iz svetleče diode, vezane prek upora na

izhod integriranega vezja ULN2803. Na ta način smo uporabniku omogočili enostavno

spremljanje aktivnega stanja posameznega izhoda krmilnega modula.

Releji so elektromagnetno krmiljena stikala, pri katerih je krmilni tokokrog galvansko ločen

od delovnih kontaktov. Releji so sestavljeni iz elektromagnetnega dela, ki ga sestavljajo

jedro, navitje, priključki, in stikalnega elementa, ki ga sestavlja kotva, kontakti in priključki.

Slika 6.2.1: Zgradba releja

NAVITJE

KOTVA

KONTAKTI


Rele deluje na elektromagnetnem principu. Ko skozi njihovo navitje steče dovolj velik tok,

postane jedro magnetno in pritegne kotvo. Gibanje kotve se prenese na stične kontakte, ki

se aktivirajo oziroma sklenejo. Te kontakte imenujemo tudi zapiralni kontakti, v primeru,

ko pa se kontakti razklenejo, jih imenujemo odpiralni kontakti. Elektromagnetno polje

lahko povzroča preklapljanje kontaktov. Te kontakte imenujemo preklopni kontakti.

Med osnovne podatke releja uvrščamo naslednje:

število kontaktov,

podatke o materialu kontaktov,

maksimalna napetost med razklenjenimi kontakti,

maksimalen tok prek sklenjenih kontaktov,

opis bremena glede na namen in moč,

prebojna napetost med kontakti,

izolacijska upornost med izhodom in vhodom,

maksimalna frekvenca preklopov,

življenjska doba, ki jo podaja število preklopov, tipična vrednost 107,

vklopni čas, ki ga definira čas pomika in odskakovanja kontaktov,

ostali podatki, kot so dimenzija, teža ...

V vezju smo uporabili Schrackove releje, ki omogočajo, da prek njegovih kontaktov

vklapljamo oziroma izklapljamo bremena, katerih nazivne vrednosti tokov dosegajo 16 A

pri izmenični nazivni napajalni napetosti vrednosti do 250 V, hkrati pa nam izbira relejev

definira tudi izhodne specifikacije krmilnega modula.

Slika 6.2.2: Slika Schrackov rele, ki smo ga uporabili v vezju krmilnega modula


Poleg relejev smo v izhodnem vezju uporabili tudi integrirano vezje z oznako ULN2803.

Ta ojača izhodne tokove mikrokrmilnika na vrednosti, ki omogoča vklapljanje ali

izklapljanje relejev. Integrirano vezje ULN 2803 je linearno gonilno vezje, lahko bi tudi

rekli, da gre za enosmerni tokovni ojačevalnik, katerega izhodni tokovi dosegajo vrednosti

do 500 mA pri vrednostih napajalne napetostih do 50 V. Vezje je zgrajeno iz osmih NPN

Darlingtonovih tranzistorjev, ki imajo na izhodu vezano dodatno zaščitno diodo. Njena

naloga je ščititi vezje pred napetostnimi konicami, v primeru, če na izhod le-tega

priključimo induktivno ali kapacitivno breme. Darlingtonov tranzistor dobimo tako, da

povežemo dva ali več bipolarnih tranzistorjev med seboj v en tranzistor. Faktorji ojačenj

posameznih tranzistorjev se medsebojno množijo, tako da na koncu dobimo tranzistorsko

vezje z ogromnim faktorjem ojačenja.

Slika 6.2.2: Darlingtonova vezava v integriranem vezju ULN 2803

Na trgu se pojavlja več različnih vrst integriranih vezji ULN 2803, le-ti se med seboj

razlikujejo po izvedbi ohišja. Za naše vezje krmilnega modula smo izbrali različico

integriranega vezja, ki je izvedeno v osemnajst pinskem DIP ohišju.

Sledi opis priključnih nožic.

Priključne nožice od ena do osem predstavljajo vhode integriranega vezja.

Priključna nožica devet, z oznako GND, pripada napajalnemu delu integriranega

vezja. Nanjo priključimo negativni pol napajalne napetosti.

Priključne nožica deset, z oznako COM, pripada napajalnemu delu integriranega

vezja. Nanjo priključimo pozitivni del napajalne napetosti, ki jo preklapljajmo na

izhodu integriranega vezja.

Priključne nožice od enajst do osemnajst predstavljajo izhode integriranega vezja.


Slika 6.2.3: Integrirano vezje ULN 2803 v osemanjst pinskem DIP ohišju

Izhodno vezje ima več nalog. Prva od nalog je ojačanje izhodnega toka mikrokrmilnika na

vrednost, ki bo dovolj visoka za aktiviranje izhodnih relejev. Njegova naloga je tudi

signalizacija, ki uporabniku na preprost način omogoča spremljanje stanja posameznega

izhoda. Močnostni del pa omogoča priključitev bremena na posamezne izhode. Izhodno

vezje je zgrajeno tako, da je vsak izmed štirih izhodov mikrokrmilnika priključen na dva

vhoda integriranega vezja ULN 2803. Takšna vezava nam omogoča, da en izhod

mikrokrmilnika aktivira dva izhoda integriranega vezja ULN 2803, kar posledično pomeni,

da lahko en izhod uporabimo za aktiviranje releja, drugega pa za signalizacijo stanja

posameznega izhoda. Na izhodih integriranega vezja imamo prek pozitivnega pola

napajalne napetostne vrednosti dvanajstih voltov vezene tuljave posameznih relejev in

svetleče diode, prek predupora vezane na pozitivi del napajalne napetosti. Za

razumevanje delovanja izhodnega vezja je pomembno, da najprej razumemo delovanje

integriranega vezja. Njegovo delovanje lahko opišemo preprosto. Integrirano vezje ojača

vhodni tok in hkrati na svojih izhodih preklaplja vrednost napetosti, ki je priključena na

priključni nožici z oznako com. V našem primeru bo na izhodih preklapljalo napetost

vrednosti dvanajstih voltov. Izhodno vezje, kot celota, pa deluje na način, ko so izhodi

mikrokontrolerja neaktivni, so izhodi integriranega vezja aktivni in imajo izhodno napetost

vrednosti dvanajstih voltov, ker pa je tuljava releja prav tako kot svetleča dioda vezana

med izhodom integriranega vezja in virom napajalne napetosti dvanajstih voltov, je

napetostna razlika nič. Tako pogoj za aktiviranje tuljave releja in svetleče diode ni

izpolnjen, zato ostanejo izhodi krmilnega modula neaktivni.

Com

O

M


V primeru, ko se izhod mikrokrmilnka aktivira, le-ta povzroči vhodni tok v integrirano vezje,

in s tem aktiviranje njegovih dveh vhodov. Posledično se vhodni tok ojača in povzroči

aktiviranje izhodov. Aktiviranje izhodov pomeni, da bo napetost na izhodih prešla iz

vrednosti dvanajstih voltov na vrednost nič, s tem bo ustvarjena napetostna razlika

oziroma bo v tem primeru tuljava releja in svetleča dioda povezana direktno med

negativnim in pozitivnim delom napajalne napetosti vrednosti dvanajstih voltov, s čimer

bodo zagotovljeni pogoji za aktiviranje izhoda in signalizacijskega vezja, oziroma za

aktiviranje izhoda krmilnega modula. Močnostni izhodni del vezja predstavljajo preklopni

releji, ki omogočajo preklope izhodnih bremen. Nazivni tokovi dosegajo vrednosti do 16 A,

pri izmenični nazivni napetosti vrednosti 250 V. Preklopne releje smo izbrali zaradi

povečanja fleksibilnosti krmilnega modula, saj lahko uporabnik s priključitvijo bremena na

različne izhodne sponke izbira, ali se bo z aktiviranjem izhoda aktiviralo tudi breme ali pa

se bo le-to deaktiviralo. Pri preklapljanju relejev lahko na njihovih tuljavah nastanejo

napetostne konice, ki lahko povzročijo poškodbe vezja krmilnega modula, zato smo na

njih dodatno vzporedno vezali polprevodniške diode v zaporni smeri, in s tem zaščitili

vezje pred poškodbami.

Slika 6.2.4: Vezalna shema izhodnega vezja


6.3 Centralno krmilno vezje

Centralno krmilno vezje je, kot že njegovo ime samo pove, osrednji del krmilnega modula.

Vezje se fizično nahaja med vhodnim in izhodnim vezjem in je zadolženo za zajemanje

vhodnih podatkov, ki jih napisan programa mikrokrmilnika procesira ter na njihovi podlagi

definira stanje izhodov. Lastnosti centralnega krmilnega vezja določijo specifikacije

celotnega krmilnega modula. To dejstvo moramo upoštevati pri načrtovanju in izbiri

elementov vezja. Zaradi zahtev, ki smo jih morali upoštevati pri načrtovanju vezja

krmilnega modula, je bila edina logična izbira osrednjega elementa vezja mikrokrmilnik,

katerega lastnosti bodo zadostile zahtevam celotnega vezja. Zahteve so bile, da mora

vezje krmilnega modula vsebovati deset vhodov, od katerih lahko štiri uporabimo za

daljinsko krmiljenje, in štiri izhode. Zahteva je bila tudi, da mora biti modul prosto

programirljiv. Odločili smo se za mikrokrmilnik z oznako ST6265, ki smo ga prek perifernih

elementov, ki mu zagotavljajo pogoje za normalno delovanje, vezali v vezje krmilnega

modula, in s tem dobili sklop, imenovan centralno krmilno vezje.

Mikrokrmilnik je integrirano vezje, sestavljeno iz več različnih polprevodniških komponent,

in se od mikroprocesorja razlikuje po svoji zgradbi. Lahko bi rekli, da je mikroprocesor

srce računalnika, ko pa mu dodamo ostale komponente, kot so pomnilnik, vhodno izhodne

enote, spominske enote, števce, analogno digitalne pretvornike in vse skupaj povežemo v

funkcionalno enoto, dobimo mikrokrmilnik. Zgradba mikrokrmilnikov temelji na dveh

osnovnih modelih, na Harvardskem in Von Neummanovem modelu. Za prvega je

značilno, da ima pomnilnik, v katerega shranimo programsko kodo, poimenovan pa je

programski pomnilnik, in pomnilnik, ki je namenjen shranjevanju podatkov ter nastavitev,

poimenovan pa je tudi kot podatkovni pomnilnik. Tudi vodila, ki povezujejo pomnilnik z

mikroprocesorjem, so različna. S tem pa je povezana tudi dolžina ukazov, ki se razlikuje

od dolžine podatkov. Vsi ukazi se izvajajo enako hitro, le nabor ukazov je majhen.


Slika 6.3.1: Blokovna shema Harvardskega modela

Pri Von Neummanovem modelu mikrokrmilnika je pomnilnik enoten. Prav tako je enotno

tudi vodilo, po katerem se prenašajo ukazi in podatki. Ta model mikrokrmilnika omogoča

velik nabor ukazov, le-ti pa se izvajajo različno dolgo. Mikrokrmilnik lahko programiramo v

strojnem in zbirnem jeziku ter v višjih programskih jezikih, v tekstovnem ali grafičnem

načinu.

Slika 6.3.2: Blokovna shema Von Neummanovega modela

Dandanes na tržišču najdemo veliko število različnih tipov mikrokrmilnikov, le-ti se med

seboj razlikujejo po kompleksnosti. Posledica tega je njihov širok spekter uporabe. Tako

lahko rečemo, da so mikrokrmilniki osnovni gradniki digitalnih in krmilnih sistemov.

Najdemo jih tako v najpreprostejših elektronskih napravah doma, kakor tudi v zelo

zahtevnih industrijskih aplikacijah.


Za potrebe izdelave krmilnega modula radijsko vodene krmilne enote smo izbrali

mikrokrmilnik podjetja Mikroelektronics, z oznako ST 6265. Mikrokrmilnik ST 6265 je član

družine ST 62 8 bitnih HCMOS mikrokrmilnikov, le-ti so bili razviti namensko za

uporabo v srednje zahtevnih aplikacijah.

Slika 6.3.3: Mikrokrmilnik ST6265

Sledi opis priključnih nožic mikrokrmilnika ST6265.

Priključni nožici enajst in dvanajst, z oznako Vdd in Vss, pripadata napajalnemu

delu mikrokrmilnika. Pozitivni pol napajalne napetosti priključimo na priključno

nožico Vdd, maso pa na priključno nožico Vss.

Priključni nožici dvajset in enaindvajset sta z oznako OSCin in OSCout. Nanje

priključimo zunanji oscilator, najpogosteje kot oscilator uporabimo kvarc kristal.

Kvarc kristal niha na svoji paralelni resonančni frekvenci, katero delilno vezje

mikrokrmilnika deli, dobljeni signal pa predstavlja urin signal mikrokrmilnika in

časovno opredeljuje njegovo delovanje. Poleg kvarc kristala med njegove

priključne nožice in maso dodatno vežemo še kondenzatorja, le-ta preprečujeta

motilne signale in zagotavlja brezhibno delovanje oscilatorja v vseh pogojih.

Priključna nožica dvaindvajset, z oznako RESET, je vhod, ki je TTL kompatibilen

in je aktiven v logičnem stanju 0, uporablja se za proženje reset rutine

mikrokrmilnika.


Priključna nožica tri je z oznako TEST / Vpp. Za normalno delovanje

mikrokontrolerja mora biti ta nožica priključena na negativni del napajalne

napetosti. V primeru, da je ta nožica priključena na 12,5 V, pomeni, da je

mikrokrmilnik v fazi programiranja pomnilnika EPROM.

Priključna nožica triindvajset, z oznako NMI, je vhod za zunanjo nemaskirno

prekinitev. NMI prekinitev se zaradi dejstva, da je nemaskirna, največkrat

uporablja predvsem pri detekciji nepravilnosti v delovanju sistema.

Priključne nožice, z oznako od PA0 do PA7, pripadajo vhodno izhodnim enotam

vmesnika A (angl. porta A). Programsko lahko tem nožicam določimo naslednje

funkcije vhodi z ali brez pull-up upora, kot push pull ali odprti (angl. open drain)

izhod in kot analogne vhode analogno digitalnega pretvornika.

Priključne nožice, z oznako od PB0 do PB5, pripadajo vhodno izhodnim enotam

vmesnika B (angl. porta B). Programsko lahko tem nožicam določimo naslednje

funkcije, vhodi z ali brez pull-up upora, izhodi, katerih izhodni tok je do 30 mA.

Priključne nožice, z oznako PB6/ARTIM in PB7/ARTIM, pripadata vmesniku B in

sta vhodno izhodni nožici, katerim pa lahko z bitom PB7 v kontrolnem registru

določimo tudi izhodno funkcijo časovnika (angl. Timer).

Priključne nožice, z oznako od PC0 doPC4, pripadajo vmesniku C, ki pripada

vhodno izhodnim enotam. Hkrati lahko imajo funkcijo analognih vhodov analogno

digitalnega pretvornika. Programsko lahko določimo funkcijo nožici PC1 kot vhod

oziroma izhod časovnika (angl, Timer), medtem ko lahko nožice od PC2 do PC4

uporabimo kot podatkovno vodilo.

V zgornjem opisu priključkov mikrokrmilnika smo večkrat omenili možnost določitve

vhodov mikrokrmilnika z oziroma brez pull up upora. Nalogo pull up uporov najpreprosteje

opišemo na sledeči način. Za pravilno delovanje mikrokrmilnika je pomembno, da je na

njegovih vhodih vedno prisotno logično stanje nič ali ena, v nasprotnem primeru se lahko

na vhodih pojavijo motilni signali, kar pa lahko v najslabšem primeru pripelje do

nepravilnega delovanja vezja. V izogib vhodnih motilnih signalov ima mikrokontroler že v

svoji strukturi integrirane pull up upore, ki omogočajo preprostejšo povezavo s tranzistorji

in optosklopniki.


Slika 6.3.4: Primer vezave optosklopnika na vhod mikrokrmilnika preko pull up upora

Prav tako je iz zgornjega opisa priključkov mikrokrmilnika razvidno tudi, da omogoča na

svojih vhodno izhodnih enotah uporabo osmih izhodov v posebnem načinu delovanja,

imenovanem odprti izhodi. Posebnost načina delovanja odprtih izhodov je, da potenciale

odprtih izhodov določi upor, ki je priključen med napajalno napetostjo in izhodom

mikrokrmilnika. To pomeni, da lahko z izbiro vrednosti upora prilagajamo vrednosti

napetostnih izhodov iz petih voltov na dvanajst voltov in obratno. Prednost odprtih izhodov

je ta, da omogočajo vrednosti izhodnih tokov do 30 mA.

Slika 6.3.5: Vezje odprtega izhoda mikrokrmilnika

Značilnosti mikrokrmilnika ST6265:

območje delovanja od treh do šestih voltov,

maksimalna frekvenca ure 8 Mhz,

temperaturno območje delovanja od –40 ºC stopinj do +125 ºC,

delovanje v treh različnih načinih (run, wait, stop),

velikost spominskega polnilnika RAM 128 baytov,

velikost spominskega polnilnika EPROM 128 baytov,

8 bitni časovnik/števec s 7 bitno programirljivim delilnikom frekvence takta,

21 vhodov/izhodov, popolnoma programirljivim kot vhodi z ali brez pull-up upora

ali izhodi,

8 vhodov/odprtih izhodov, katerih izhodni tok dosega do 30 mA,

digitalni varnostni časovnik (Watchdog),


8-bitni analogno digitalni s 13 analognimi vhodi pretvorniki,

8-bitni periferni vmesnik,

zunanjo nemaskirno prekinitev,

5 prekinitvenih vektorjev.

Zgradbo izbranega mikrokrmilnika ST6265 lahko v grobem razdelimo na pomnilniški in

vhodno izhodni del, centralno procesno enoto, registre, kazalnike, števce, analogno

digitalni pretvornik in serijski vmesnik.

Slika 6.3.6: Blokovna shema zgradbe mikrokrmilnika

Pomnilnik mikrokrmilnika sestavlja več pomnilniških sklopov, ki jih v grobem lahko

razdelimo na tri dele:

programski del pomnilnika, ki je bralni del pomnilnika,

podatkovni del pomnilnika je sestavljen iz bralno-pisalnega pomnilnika, kamor

centralna procesna enota med pisalnim ciklom vpisuje vrednosti na naslovljene

lokacije,

kazalec sklada, sestavljen iz podprogramov in prekinitev.

Glede na način dostopa do posameznih pomnilniških lokacij, so vsi pomnilniški elementi

mikrokrmilnika pomnilniki z naključnim dostopom, kar pomeni, da je čas dostopa do

posameznih pomnilniških lokacij enak in ni odvisen od naslova lokacije.


Slika 6.3.7: Blokovna shema zgradbe pomnilnika

Bralni del pomnilnika predstavlja OTP (angl. One Time Programmable) pomnilnik. Gre za

posebno izvedbo EPROM pomnilnika brez okenčka, katerih vsebine ne moremo izbrisati,

kar pomeni, da mu vsebino določimo s posebnim programatorjem. V tem pomnilniku je

shranjena programska koda uporabnika in se nahaja v pomnilniku na lokaciji med 0080h

in 0F9Fh.

Drugi pomnilniški sklop mikrokontrolerja, imenovan tudi bralno-pisalni del pomnilnika, je

kompleksnejši del pomnilnika, in je sestavljen iz spodaj zapisanih elementov.

RAM pomnilnika z naključnim dostopom. Poznamo statični in dinamični RAM, v

našem primeru mikrokrmilnik ST6265 vsebuje dinamični RAM, saj omogoča visoko

kapaciteto 1X64 bajtov in majhno porabo moči. Integrirano vezje dinamičnega

oziroma DRAM-a je zgrajeno iz polja celic, ki vsebujejo tranzistorje in

kondenzatorje, stanje kondenzatorja napolnjen ali spraznjen pa pomeni ustrezno

vsebino ena ali nič lokacije. Vsebino lokacije DRAM-a lahko centralna procesna

spremeni v času trajanja pisalnega cikla. Pomanjkljivost te vrste pomnilnikov je

izbris vsebine ob izklopu napajanja.

Iz podatkovnega dela pomnilnika, kjer se nahajajo registri akumulatorja A,

indirektni registri X in Y, registri V in W, registri vhodno/izhodnega vmesnika ,

registri perifernih vmesnikov in register pomnilnika ROM.

ROM pomnilnika, to je vrsta notranjega pomnilnika, iz katerega lahko v način

delovanja mikrokontrolerja podatke beremo, ne moremo pa jih vpisovati. Pomnilnik

ROM je del programskega dela pomnilnika, v katerem je shranjena programska

koda.


EEPROM pomnilnik je pomnilnik, pri katerem lahko vsebino pišemo in brišemo z

ustreznim programatorjem.

Kazalec sklada, ki je sestavljen iz šestih 12-bitnih registrov.

Poleg pomnilnika je pomemben del mikrokontrolerja tudi centralna procesna enota CPU

(angl. central processing unit), ki je srce mikrokrmilnika. Lahko bi rekli, da je

mikroprocesor v bistvu centralno procesna enota, ki je narejena samo na enem čipu in

vsebuje vse potrebne lastnosti, ki omogočajo prenos programske inštrukcije iz pomnilnika,

njihovo dekodiranje in sekvenčno izvajanje.

Centralno-procesno enoto sestavljajo trije glavni sestavni deli:

registri,

aritmetično logična enota,

kontrolna enota.

Slika 6.3.8: Blokovna shema centralne procesne enote

Registri so osnovni elementi znotraj centralne procesne enote. Po zgradbi so podobni

pomnilniški lokaciji, v katero vpisujemo ali iz katere beremo podatke v samem

mikrokrmilniku. Nekateri registri imajo v centralni procesni enoti še dodatno sposobnost, ki

jim omogoča opravljanje z linijo krmilnega vodila mikroprocesorja. Izmenjevanje

informaciji med registri poteka po enem ali več vodilih znotraj centralne procesne enote.

Število in prekrivanje operacij določa hitrost centralno procesne enote. Dolžina registrov je

po navadi enaka širini podatkovnega vodila.


Centralno procesno enoto mikrokrmilnika ST6265 sestavljajo naslednji registri:

Programski števnik je 12-bitni register, ki vsebuje naslov lokacije v pomnilniku

ROM. Tam se nahaja naslednji ukaz, ki mora biti prenesen v centralno procesno

enoto. Na začetku bralnega cikla je vnesena vsebina programskega števca v

naslovni vmesnik in jo nato postavimo na naslovno vodilo. Vsako novo odčitavanje

inštrukcije povzroči inkrementiranje vrednosti programskega števca, tako da le-ta

vedno kaže na lokacijo, kjer je shranjena naslednja inštrukcija. Ta vrstni red

izvajana pa se prekine v primeru, kadar centralno procesna enota izvaja

inštrukcijo, ki definira skok v podprogram.

Sklad je množica šestih 12-bitnih pomnilniških lokacij, ki se nahajajo v RAM

pomnilniku. Mikrokrmilnik ima sklad, organiziran po sistemu LIFO (angl. Last In

First Out), to pomeni, da se najprej prebere podatek, ki se je zadnji zapisal na

sklad. Takšna organizacija sklada pomeni, da le-ta ne potrebuje posebnega

kazalca. V primeru klica podprograma se vsebina vsakega nivoja sklada vpiše v

naslednji višji nivo, vsebina programskega števca pa se vpiše v prvi nivo sklada.

Po končanju podprograma se vsebina prvega nivoja sklada vpiše v programski

števec in nivoji sklada se prepišejo eno lokacijo nižje v samem skladu.

Statusni register je register, v katerega se shranjuje statusna beseda, ki vsebuje

zastavico ali kontrolne bite. Statusni register sestavljajo naslednji biti: carry flag, ki

pove, da je prišlo do prekoračitve pri seštevanju, zero flag se postavi, ko je rezultat

zadnje aritmetične operacije enak nič, kombinacija zastavic pove več informacij o

načinu delovanja centralne procesne enote ali ta deluje v normalnem,

prekinitvenem načinu in ali je prišlo do zunanje nemaskirne prekinitve.

Vmesni registir so namenjeni, kot že ime samo pove, kot vmesniki med centralno

procesno enoto in njenimi notranjimi vodili.

Inštrukcijski registri opravljajo funkcijo, da iz podatkovnega vmesnika pridobijo

operacijsko kodo inštrukcije. Na podlagi vsebine teh registrov, krmilna enota

dekodira njihovo vsebino in generira kontrolne signale, ki sprožijo akcije na podlagi

napisane inštrukcije.

Indirektna registra (X,Y) se uporabljata kot kazalca pomnilniških lokacij

podatkovnega dela pomnilnika in služita za indirektno naslavljanje.

Kratka direktna registra (V,W) se uporabljata za shranjevanje bita pri direktnem

naslavljanju.


Poleg registrov je sestavni del centralne procesne enote tudi aritmetično logična enota, ki

izvaja aritmetične in logične operacije na operandih, shranjenih v posameznih registrih.

Rezultati teh aritmetično logičnih operacij pa se shranjujejo v poseben register, ki mu

pravimo akumulator, le-ta je 8-bitni in se nahaja na pomnilniški lokaciji FFh. Poslednji

gradnik centralne procesne enote je kontrolna enota. Naloga kontrolne enote je

generiranje kontrolnih signalov za nadzorovanje pretoka informacij, tako znotraj centralno

procesne enote, kakor tudi med centralno procesno enoto pomnilnika in vhodno izhodnih

enot.

Pomemben del zgradbe mikrokrmilnika je tudi časovnik (angl. Timer), izveden je na

posebnem integriranem vezju. Konfiguriramo lahko več časovnikov, ki opravljajo več

različnih funkcij. Ena od funkcij časovnika je upočasnitev delovanja mikrokrmilnika, ko ta

poteka prehitro. To dosežemo tako, da števec šteje impulze do nastavljene vrednosti.

Dodatna naloga, ki jo opravlja časovnik, pa je generiranje signala s pulzno širinsko

modulacijo. Sledi, da lahko s pravo postavitvijo bitov v registru določimo vhodno izhodni

liniji, z oznako PC1, funkcijo časovnika 1, ki omogoča zakasnitve, s pravilno postavitvijo

bitov v registru pa lahko določimo vhodno izhodno linijo, z oznako PB7, funkcijo

časovnika, katerega funkcija je generiranje signala pulzno širinske modulacije, oziroma

PWM izhoda. Do časovnikov uporabnik dostopa prek priključnih nožic. Časovniki so v

osnovi zgrajeni po istem principu, sestavljeni so iz 8-bitnega prosto tekočega števca, ki

povečuje svojo vrednost z vsakim urinim signalom in vsebuje 7-bitni programirljivi delilnik

frekvence. Časovnik omogoča štetje dogodkov do maksimalne vrednosti 212

, njegovo

delovanje pa nadzoruje posebno logično vezje, ki operira s posebnim statusnim registrom

časovnika, imenovanim TSCR.

Časovnik lahko deluje v treh različnih načinih delovanja. Način določimo s postavitvijo

bitov TOUT in DOUT, v statusni register z oznako TSCR. Ti načini delovanja časovnika

ustrezajo dvema različnima prožilnima urinima signaloma, priključenima na 7-bitni

programirljiv delilnik frekvence in na izhod časovnika.

Načini delovanja časovnika:

Vhodni način (angl. Gated Mode) je izbran v primeru, da je bit TOU postavljen na

nič in bit DOUT postavljen na ena. Vrednost časovnika se spremeni oziroma

dekrementira samo v primeru, ko je prisoten urin signal časovnika in je na zunanji


priključni nožici mikrokrmilnika prisoten signal, logične vrednosti ena. To pomeni,

da nam časovnik v tem načinu delovanja omogoča merjenje širine impulza,

priključenega na zunanjo priključno nožico.

Načinu štetja dogodkov (angl. Event Counter Mode) je izbran v primeru, da sta

postavljena bita TOUT in DOUT na vrednost nič. V tem načinu delovanja je

prožilni urin signal priključen na zunanjo priključno nožico mikrokrmilnika, vrednost

časovnika pa se spreminja ob pozitivnem prehodu vhodnega signala, kar nam

posledično omogoča štetje dogodkov na priključni nožici.

V izhodnem načinu (angl. Output Mode) je izbran v primeru, ko je bit TOUT

postavljen na vrednost ena in DOUT postavljen na vrednost nič . V tem načinu

delovanja nam časovnik omogoča, da z različno postavitvijo bitov PS2, PS1 in

PS0 generiramo na zunanji priključni nožici mikrokrmilnika, ki pripada časovniku,

izhodne signale različnih frekvenc.

Časovnik mikrokontrolerja poleg vseh funkciji, ki jih opravlja, vsebuje še prekinitveno

zahtevo. Aktiviranje prekinitvene zahteve časovnika poteka na naslednji način, izvorni

impulz za števec predstavlja taktni signal mikrokrmilnika, le-ta je hkrati vhodni signal

programirljivega delilnika frekvence. Programirljivi delilnik frekvence deli frekvenco

vhodnega signala, delilno razmerje pa določamo programsko s postavitvijo bitov PS2,

PS1 in PS0. Stanje števca se stalno primerja z nastavljeno vrednostjo, ko jo le-ta doseže,

se postavi bit TMZ (angl. Timer Zero) na ena in v primeru, da je istočasno postavljen tudi

bit ETI (angl. Enable Interrupt), se sproži zahteva po prekinitvi. Vsebina števca se vpisuje

ali bere s posebnega registra po imenu TCR (angl. Time Caunter Register), medtem ko se

vsebina programirljivega delilnika frekvence vpisuje ali bere z registra z oznako PSC.

Pomemben del zgradbe mikrokrmilnika predstavljajo tudi vhodno izhodni vmesniki.

Vhodno izhodni vmesniki dajejo uporabno vrednost mikrokrmilniku, saj omogočajo

njegovo komunikacijo z zunanjim svetom, brez njih bi bil zaprt sistem, ki bi sicer izvajal

napisano programsko rutino, vendar bi bil za uporabnika neuporaben. Na njegovo vodilo

ne moremo direktno priključiti perifernih naprav, tu pa nastopi vhodno izhodni vmesnik, ki

to omogoča. Njegova naloga je, da po eni strani omogoča priključitve naprav na njegovo

vodilo, po drugi strani pa omogoča poenostavitev priključitve naprav na vodilo

mikrokrmilnika. Zaradi velike množice različnih perifernih naprav, poznamo različne vrste

vmesnikov.


Najbolj univerzalni vmesnik je paralelni, saj omogoča centralni procesni enoti

komuniciranje z zunanjim svetom z več signali istočasno paralelno, prek vhodno izhodnih

linij. Mikrokrmilnik vsebuje tri vhodno izhodne vmesnike, ki so označeni z vmesnik A, B in

C, vmesniki skupno predstavljajo 21 vhodno izhodni linij, katerim lahko programsko

določimo naslednje funkcije :

vhod brez pull-up upora ali funkcijo prekinitvenega vhoda,

vhod s pull-up uporom in prekinitveno funkcijo,

vhod s pull-up uporom, ampak brez prekinitvene funkcije,

analogni vhod,

push-pull izhod,

odprti izhod ali open drain izhod.

Vsak vmesnik je povezan s tremi registri v pomnilnik, kar pomeni, da vsak bit v registru

predstavlja eno izmed vhodno izhodnih linij mikrokrmilnika. Tako na primer predstavlja bit

nič vmesnika A vhodno izhodno linijo, oziroma priključno nožico števila deset z imenom

PA0. Vhodno izhodnim vmesnikom pripadata tudi dva registra, smerni z oznako DDRx

(angl. Data Diretcion Register) in podatkovni, z oznako DRx (angl. Data Register).

Podatki, zapisani v smernem registru, določajo smer pripadajočim vhodno izhodnim

linijam, logična nič pomeni, da je linija vhodna, medtem ko logična ena pomeni, da je linija

izhodna. Potem, ko smo definirali smer prenosa podatkov, je naloga podatkovnega

registra, da bere stanja na vhodnih linijah in na podlagi teh stanj definira stanja izhodnih

linij. Poleg smernega in podatkovnega registra imamo še registre za izbiro vmesnika z

oznako ORx (angl. Option Register). Vrednosti v teh registrih določajo funkcijo vmesnika,

ali bo le-ta vhodni ali izhodni. Če povzamemo, s programsko izbiro vrednosti v

podatkovnem in vrednosti v registru za izbiro vmesnika definiramo funkcijo posamezni

vhodno izhodnih liniji vnaprej določenega vmesnika.

Poleg standardnih vhodov in izhodov nam programska izbira bitov v podatkovnem DR in

izbirnem OR registru omogoča tudi konfiguracijo vhodno izhodnih linij v način analognega

vhoda. Analogni vhodi so povezani na notranji analogno digitalni pretvornik

mikrokrmilnika. Analogno digitalni pretvornik je vezje, katerega funkcija je pretvorba

analogne vhodne vrednosti v digitalno binarno vrednost, katero lahko shranimo v

pomnilnik ali register in, s katero lahko centralno procesna enota operira. Analogno

digitalni pretvornik omogoča priključitev senzorjev, ki zajemajo fizikalne veličine, kot so

temperatura, vlaga, svetloba itd.


Njihove vrednosti spreminjajo v električno napetost. Takšne vhodne signale ne moremo

pripeljati na binarne vhode mikrokontrolerja, zato uporabimo analogni digitalni pretvornik,

ki te različne vrednosti pretvori v binarne vrednosti. Pretvorba poteka tako, da v rednih

časovnih intervalih jemljemo vzorce analogne napetosti in zapišemo vrednost intervala

napetosti, v kateri se nahaja vzorec.

Slika 6.3.9: Prikaz pretvorbe analognega signala v digitalno vrednost

Mikrokrmilnik v svoji notranji zgradbi že vsebuje integrirano vezje 8-bitnega analogno

digitalnega pretvornika, kar pomeni, da vhodno napetost opiše z 256 različnimi stanji.

Resolucija analogno digitalne pretvorbe je podana z enačbo (6.3.1).

Udd

256

Tu je:

Vdd – pozitivni pol napajane napetosti

Vss – negativni pol napajalne napetosti

Razpon vrednosti vhodne napetosti je od nič voltov pa vse do vrednosti napajalne

napetosti mikrokrmilnika. Priključne nožice od PA0 do PA7 pripadajo vmesniku A

mikrokrmilnika in predstavljajo vhode analogno digitalnega pretvornika, ker pa je analogno

digitalni pretvornik samo eden, lahko naenkrat zajema napetost le z enega vhoda oziroma

je na enkrat aktivna samo ena priključna nožica mikrokrmilnika.

(6.3.1)


Vhod za analogno digitalno pretvorbo izberemo s konfiguracijo vhodno izhodnih linij

mikrokrmilnika v podatkovnem registru, v primeru, da želimo uporabljati več vhodov,

moramo ta opis programa med izvajanjem spreminjati.

Slika 6.3.10: Blokovna shema analogno digitalnega pretvornika

Analogni digitalni pretvornik operira z dvema registroma, s podatkovnim registrom ADR

(angl. Data Corvesion register), vanj se shranjujejo podatki pretvorbe, in s kontrolnim

registerom z oznako ADC. Analogno digitalna pretvorba se prične z definiranjem vhoda

oziroma s konfiguracijo vhodno izhodnih linij mikrokrmilnika. V kontrolnem registru

analogno digitalnega pretvornika postavimo bit start z oznako STA na ena, to povzroči

avtomatsko postavitev bita z oznako EOC, ki označuje konec pretvorbe na vrednost nič.

S postavitvijo bita z oznako EOC omogočimo zahtevo po maskirni prekinitvi, ki jo povzroči

analogno digitalni pretvornik, ko konča pretvorbo. Po končani pretvorbi se rezultat

pretvorbe analogna vrednost zapiše v podatkovni register, kontrolni register pa vsebuje

operande, za nadzorovanje poteka pretvorbe. Hitrost poteka pretvorbe nastavimo v

registru ure in vpliva na natančnost pretvorbe. Natančnost pretvorbe je odvisna tudi od

stabilnosti vhodnega signala, za natančno pretvorbo je priporočljivo, da je signal na vhodu

stabilen vsaj 1 s.


Kontrolni register z oznako ADCR (angl. Converter Control Register) analogno

digitalnega pretvornika je 8-bitni bralno pisalni in se nahaja na pomnilniški lokaciji 0D1h.

Slika 6.3.11: Blokovna shema kontrolnega registra

Kontrolni register je sestavljen iz naslednjih bitov:

Bit 7 – EAI bit (angl. Enable A/D Interrupt), v primeru postavitve tega bita na

vrednost ena, onemogočimo prekinitveno zahtevo analogno digitalnega

pretvornika.

Bit 6 – EOC bit (angl. End of conversion): vrednost tega bita ne moremo

postavljati, ampak jo lahko samo preberemo. V primeru, ko je vrednost tega bita

ena, pomeni, da je pretvorba končana in je rezultat pretvorbe vpisan v podatkovni

register.

Bit 5 – STA bit (angl. Start of Conversion): vrednost tega bita vedno vpišemo. V

primeru, ko vpišemo vrednost ena, pomeni začetek pretvorbe vhodnega signala, ki

se nahaja na prej definirani vhodni liniji.

Bit 4 – PDS bit (angl. Power Down Selection): vrednost ena tega bita aktivira

analogno digitalni pretvornik.

Biti od 3 do 0 niso v uporabi.

Poleg vhodno izhodnega vmesnika vsebuje mikrokotroler še serijski periferni vmesnik, ki

ga označimo s SPI (angl. Serial Peripheral Interface). Serijski periferni vmesnik služi za

priključitev zunanjih perifernih naprav, kot so prikazovalniki, zunanje spominske enote in

razna namenska integrirana vezja za krmiljenje na podatkovno vodilo mikrokrmilnika .

Serijski periferni vmesnik je visoko hitrostni serijski vmesnik in omogoča prenos serijskega

niza bitov programirljive dolžine, omogoča pa tudi, da naprave med seboj komunicirajo

prek načina gospodar/suženj (angl. Master/Slave).


Serijski periferni vmesnik deluje na principu sinhrone serijske povezave, prenos podatkov

poteka po dveh vhodno izhodnih linijah, po tretji liniji pa se prenaša sinhronizacijski signal

ure.

Prav tako serijski periferni vmesnik omogoča, na svojih vhodni linijah z oznako SPI in

izhodnih linijah z oznako Sout, prenos podatkov v obe smeri naenkrat z enako hitrostjo, to

pomeni polnjenje in praznjenje dveh 8-bitnih registrov istočasno, s čimer se tvori 16-bitni

krožni register. Ne glede na to dejstvo imamo dva 8-bitna registra, enega na oddajni in

drugega na sprejemni strani. Posebnost sprejemne strani je, da omogoča dvojno

zajemanje podatkov. Program mora počakati na konec prenosa podatka, predno se izvrši

nov vpis podatka v oddajni register.

Slika 6.3.12: Blokovna shema serijskega perifernega vmesnika

Delovanje serijskega perifernega vmesnika določimo z napisanim programom, v katerem

definiramo vhodno linijo z oznako Sin, izhodno linijo pa z oznako Sout in potek serijskega

prenosa podatkov in število prenesenih bitov med mikrokrmilnikom in zunanjo periferno

napravo. Definirano število bitov prenesenih podatkov nam omogoča avtomatsko filtriranje

neželenih bitov podatka. Serijski periferni vmesnik pridobiva podatke na svoji vhodni liniji z

oznako Sin, le-te zapisuje v 8-bitni pomikalni register z oznako DSR (angl. Data/Shift

Register) in na podlagi vpisanih podatkov ter programske sintakse definira signal na

izhodni liniji z oznako Sout. Za povečanje fleksibilnost serijskega perifernega vmesnika

lahko s programsko kodo definiramo trenutek zajemanja podatkov na njegovem vhodu, in

sicer glede na pozitiven ali negativen prehod prožilnega signala.


Do sedaj smo se ukvarjali z analiziranjem zgradbe, naslednjih nekaj vrstic pa bomo

namenili arhitekturi izbranega mikrokrmilnika. Arhitektura mikrokrmilnikov družine

ST6XXX je narejena tako, da kar se da v popolnosti izkorišča možnosti, ki jih ponujajo

njihova interna integrirana vezja, upoštevajoč dolžino programskih ukazov, da so le-ti čim

krajši, čim bolj preprosti in da zasedajo kar se da malo pomnilniškega prostora. Takšna

arhitektura nam omogoča postavitev ali brisanje vseh registrov v RAM pomnilniku s samo

enim ukazom, še več z ukazom v programski kodi lahko dostopamo do točno določenega

registra ali celo točno določenega bita v posameznem registru, ki se nahaja v

podatkovnem delu pomnilnika.

Mikrokontrolerji družine ST6XXX operirajo z naborom 40 ukazov, ki jih kombiniramo z

devetimi načini naslavljanja, in tako dobimo nabor 244 ukazov. Ukaze lahko razdelimo na

šest različnih skupin, ki so izbrane glede na sorodnost operacij. Vsi ukazi, pri katerih se

izvedejo na primer aritmetične operacije, so zbrani v svojo skupino. To nam omogoča

hiter pregled ukazov, ki jih v določeni situaciji lahko uporabimo.

Šest različnih skupin ukazov lahko delimo na:

Ukazi za prenos in shranjevanje podatkov. Ti ukazi so lahko eno-, dvo- ali

trozložni, odvisno od načina naslavljanja. Ukazi se uporabljajo za prenos podatkov

iz ene lokacije na drugo.

Ukazi aritmetične in logične operacije omogočajo odštevanje, množenje, deljenje

binarnih in decimalnih števil, medtem ko se logični ukazi uporabljajo za izvajanje

Boolove operacije.

Vejitvene ukaze uporabljamo v primeru vejitve programa.

Kontrolni ukazi nadzorujejo delovanje centralne procesne enote.

Skočne ukaze in klice podprogramov uporabimo pri skokih v podprograme.

Ukazi za manipulacijo z biti se uporabljajo za postavljanje, brisanje in testiranje

bita v zlogu. Tak ukaz specificira naslov lokacije in pozicijo bita. Tako imenovan

ukaz Bit test postavi ali zbriše zastavico, in s tem ponazarja vrednost bita, po drugi

strani pa lahko ukaz bit set in bit clear modificira operand.


Programska arhitektura ST6XXX pa nam poleg nabora ukazov omogoča tudi devet

različnih načinov naslavljanja operanda. Naslavljanje je način, s katerim specificiramo

operand, uporabljen način naslavljanja centralno procesna enota določi iz inštrukcijske

kode in polja načinov naslavljanja, skladno s tem se izpelje naslov operanda .

Uporabimo lahko naslednje načine naslavljanja:

Takojšen način naslavljanja (angl. Immediante): pri tem naslavljanju je operand del

inštrukcije, kar pomeni, da se v pomnilniku nahaja takoj za inštrukcijsko kodo.

Operand je v neposredni povezavi z enim od notranjih registrov centralne

procesne enote in se vpiše v register. Operand se prišteje vsebini registra ali tvori

aritmetično, logično operacijo z vsebino registra. Če gre za 8-bitni register, je

operand tudi 8-bitni in je posledično ukaz dvozložen. Ta način naslavljanja

uporabimo v primeru, ko v programu kot operande uporabljamo konstante.

Neposredno direktno naslavljanje (angl. Direct): v tem načinu naslavljanja

inštrukcija priskrbi neposredni naslov operanda. Centralna procesna enota uporabi

ta naslov za branje ali vpisovanje operanda. Direktno naslavljanje nam omogoči

naslavljanje vseh 256 bajtov podatkovnega dela pomnilnika z dvozložno

inštrukcijo.

Kratko neposredno direktno naslavljanje (angl. Short Direct): v tem načinu

naslavljanja lahko naslavljamo samo štiri registre X, Y, V, W, ki se nahajajo v

pomnilniku RAM. V primeru tega načina naslavljanja je ukaz enobeseden in

vsebuje naslov pomnilniške lokacije, katere vsebina se bo uporabila pri

aritmetično logični operaciji.

Razširjen način naslavljanja (angl. Extended): pri tem načinu naslavljanja je

določilo operanda hkrati naslov operanda. Ker je operand lahko kjerkoli v

pomnilniku, je naslov 12-biten, ukaz pa je trozložen. Prvi bajt zaseda operacijska

koda, drugi in tretji vsebujeta naslov, kjer se bo ukaz izvajal. Ta način naslavljanja

nam omogoča dostop do vseh pomnilniških lokacij.

Bitno takojšen način naslavlanja (angl. Bit Direct): pri tem načinu naslavljanja

imamo bit, ki ga postavljamo ali resetiramo. Ta bit je del ukaza in bajt, ki sledi

ukazu, kaže na naslov, kjer se nahaja register z ukazom.


Bitno testni vejitveni način naslavljanja (angl. Bit Test & Branch): je kombinacija

neposredno direktnega in relativnega načina. Pri tem načinu naslavljanja

uporabljamo trizložne ukaze, prvi in drugi zlog ukaza vsebujeta neposredni naslov

operanda, tretji zlog ukaza vsebuje programski skok oziroma odmik vrednosti

programskega števca. Odmik je lahko negativen ali pozitiven, kar omogoča odmik

v obsegu od –128 do +127.

Relativni način naslavljanja (angl. Relative): vsi ukazi, ki uporabljajo ta način

naslavljanja, spremenijo vsebino programskega števca, kar pomeni programski

skok. Te ukaze imenujemo vejitev (angl. branch) ukazi in so vedno dvozložni.

Zlog, ki sledi operacijski kodi, določa, za koliko se bo spremenila vrednost

programskega števca. Temu zlogu pravimo odmik in je lahko negativen ali

pozitiven. Negativen odmik je predstavljen z dvojiškim komponentom, kar

omogoča zapis odmika v obsegu od –128 do 127. Vsebina programskega števca

jo ob izvedbi vejitvenega ukaza povečana za dva in že kaže na naslednji ukaz v

pomnilniku. Tej vrednosti programskega števca se nato prišteje pozitivni ali

negativni odmik. V primeru, da je naslov vejitvenega ukaza enak n, je relativni

skok programskega števca možen v obsegu med (n + 2) –128 in (n + 2) +127.

Posreden način naslavljanja (angl. Indirect): pri tem načinu je naslov

pomnilniškega operanda podan v ukazu posredno prek neke druge vrednosti, ki je

v zapisana v posrednem registru X in Y.

Vsebovano naslavljanje (angl. Inherent): pri tem načinu se operandi nahajajo v

notranjih registrih centralne procesne enote ali pa na skladu. Ukazi, ki jih

uporabljamo pri vsebovanem načinu naslavljanja, so vedno enozložni in operacije,

ki naslavljamo s tem načinom, ne poznajo nobenega drugega načina naslavljanja.

Poleg nabora ukazov in načinov naslavljanja izbran mikrokrmilnik operira še s petimi

različnimi prekinitvami, od katerih so štiri nemaskirane, ena pa z maskirno prekinitvijo.

Prekinitve so mehanizem, ki omogočajo mikrokrmilniku normalno izvajane programske

rutine in eliminirajo brez potrebno trošenje časa centralne enote za pregledovanje statusa

registrov. Naloga prekinitvenega mehanizma je, da sproži signal, ki povzroči, da centralna

procesna enota prekine z izvajanjem programa in sproži strežni prekinitveni program.

Takšno zahtevo po prekinitvi sprožijo zunanje ali notranje vhodno izhodne enote takrat, ko

potrebujejo neko strežno akcijo, kot je branje znaka, iztek časovne periode in na ta način

povzročijo skok na strežni program, ki je tej prekinitvi namenjen.


Po končanju strežnega prekinitvenega programa, po navadi gre tu za preprosto, kratko

programsko rutino, ki se zaključi z ukazom RTI (angl. Return from Interupt) oziroma

skokom nazaj v glavni program. Glavni program nadaljuje svoje izvajanje na točno tistem

mestu, kjer se je nahajal pred prekinitvijo. Prekinitveni strežni program mora biti za

programsko rutino neviden, saj mora prekinjeni program dati iste rezultate kot v primeru,

da njegovo izvajanje ni bilo prekinjeno. Prekinitve, ki jih povzročajo zunanji izvori, so lahko

maskirne in nemaskirne, med seboj pa se razlikujejo po prioriteti. Maskirne prekinitve

povzročajo vhodno izhodne naprave in imajo v naprej določeno stopnjo prioritete, vendar

jih kljub temu lahko programsko onemogočimo, medtem ko imajo nemaskirne prekinitve

najvišjo stopnjo prioriteto. Njena naloga je opozoriti centralno procesno enoto pred

katastrofalnim dogodkom, kot je izpad napajalne napetosti ali napaka v pomnilniku, in jo

zaradi slednjega programsko ne moramo onemogočiti. Vsaka od petih prekinitev

mikrokrmilnika ST 6265 ima svoj prekinitveni vektor in svojo zastavico. Prekinitveni vektor

je naslov pomnilniške lokacije, kjer je shranjen začetni naslov strežnega programa.

Prekinitveni vektorji so shranjeni na zaporednih pomnilniških lokacijah in tvorijo

prekinitveno tabelo. Prekinitvena tabela se nahaja na pomnilniških lokacijah med FFCh in

do FF1h.

V primeru, da centralna procesna enota sprejme zahtevo po prekinitvi, se zgodi sledeče:

1. centralna procesna enota prekine izvajanje trenutnega programa,

2. zbrišeta se zastavici C in Z, hkrati pa se postavi zastavica za prekinitev,

3. vsebina programskega števca se shrani na sklad,

4. signali linije zunanjega vmesnika za maskirno prekinitev postanejo zaprte, medtem

ko signal vmesnika za nemaskirno prekinitev ostane aktiven,

5. zbriše se vsebina notranjega vmesnika ali zadrževalnika (angl. latch),

6. v programski števec se naloži prekinitveni vektor,

7. prične se izvajati prekinitveni strežni program, ki se konča z ukazom RTI (angl.

Return from Interupt): programskim skokom nazaj v glavni program,

8. po končani zahtevi za prekinitev centralno procesna enota avtomatsko postavi

zastavici C in Z, v programski števec pa se zopet naloži vrednost iz sklada, ki jo je

le-ta vseboval pred prekinitvijo.


6.4 Sprejemnik

Po uspešno zaključenem načrtovanju vhodnega, izhodnega in centralno krmilnega vezja

smo se lotili načrtovanja dveh dodatnih vezji krmilnega modula. Poimenovali smo

gasprejemnik in dekodirno vezje. Ti dve vezji nista pogoj za delovanje krmilnega modula,

ampak imata nalogo, da omogočita uporabniku dodatno funkcijo daljinskega krmiljenja

štirih vhodov krmilnega modula. Njihovo delovanje je povezano z delovanjem oddajnega

modula. Iz tega sledi, da bosta vezji aktivni samo takrat, ko bo uporabnik na oddajnem

modulu aktiviral eno izmed štirih tipk.

Prvi v nizu vezij je sprejemnik, katerega naloga je sprejeti in demodulirati signal. Pri

načrtovanju sprejemnika smo morali upoštevati zahteve, da mora biti vezje sposobno

sprejeti radijski val frekvence 433,92 MHz in ga znati demodulirati. Demodulacija je

postopek, pri katerem s pomočjo demodulatorja iz visokofrekvenčnega signala izločimo

informacijo, za pravilno načrtovanje vezja demodulatorja moramo poznati način

modulacije signala, oziroma sprejemnik mora biti kompatibilen z oddajnim vezjem.

Načrtovanje takšnega vezja, ob upoštevanju vseh njegovih zahtev, bi bilo zelo zahtevno in

zamudno, zato smo si postopek načrtovanja poenostavili tako, da smo uporabili že

obstoječ sprejemni RF modul z oznako RX433. Oznaka RF modula nam hkrati podaja

njegove specifikacije, in sicer oznaka RX pomeni, da gre za sprejemni modul, oznaka 433

pa nam podaja natančno frekvenco sprejemanja signalov, le-ta znaša 433,92 MHz in se

nahaja v zakonsko dovoljenem frekvenčnem pasu. Izbrani modul je primeren za uporabo

v aplikacijah daljinskega krmiljenja in je ob enem kompatibilen z dekodirnikom HT12D.

Vedno pa ga lahko tudi uporabljamo v paru z oddajnikom oznake TX433A, ki smo ga

uporabili v oddajnem modulu. Uporabljeni RF modul demodulira signal po principu

amplitudne demodulacije ASK, in je zgrajen iz vhodnega pasovno prepustnega filtra,

ojačevalnega dela, generatorja žagastega signala, mešalnega dela, demodulatorja in

izhodnega dela.

Slika 6.4.1: Zgradba sprejemnega RX433 modula


Domet in kvaliteta sprejema signala sta odvisna od dolžine antene, ki jo priključimo na

sprejemnik. Maksimalen domet in posledično kvaliteto sprejema signala dosežemo v

primeru, ko na sprejemnik priključimo preprosto anteno, le-ta je lahko ravna žica dolžine

od 30 cm do 35cm.

Opis priključnih nožic RF modula:

Priključne nožice številka ena, šest in sedem pripadajo napajalnemu delu RF

modula. Nanje lahko priključimo negativno napajalno napetost oziroma maso.

Priključna nožica številka dve predstavlja digitalni izhod RF modula, na katerega

priključimo dekodirnik HT12D.

Priključna nožica številka tri predstavlja linearni izhod RF modula, katerega v

našem vezju nismo uporabili.

Priključni nožici številka štiri in pet pripadata napajalnemu delu RF modula. Nanju

priključimo pozitivni pol napajalne napetosti Vcc.

Priključna nožica številka osem predstavlja vhod RF modula. Nanjo priključimo

anteno, v našem primeru ravno žico dolžine od 30 cm do 35 cm.

Slika 6.4.2: Sprejemni modul RX433

Karakteristike RF modula:

območje napajalne napetosti od 3.5 V do 6 V,

območje izhodnih signalov od 10 µA do 200 µA,

frekvenca sprejemanja signalov 433,92 MHz,

hitrost prenosa podatkov 4800 bps.


6.5 Dekodirno vezje

Drugo v nizu dodatnih vezji, ki skupaj s sprejemnikom omogoča funkcijo daljinskega

krmilja vhodov krmilnega modula, je dekodirno vezje. Dekodirno vezje je vmesnik, ki

povezuje sprejemnik s centralnim krmilnim vezjem. Kot že njegovo ime pove, je dekodirno

vezje inverzno kodirno vezja, kar pomeni, da n-bitnemu vhodnemu podatku priredi eno

izmed 2n možnih bitnih kombinaciji vhodnega stanja podatka. V našem primeru opravlja

dekodirno vezje nalogo, da iz vhodnega signala, ki ga sprejme iz sprejemnika, izloči

oziroma dekodira podatek ter posledično aktivira enega izmed štirih vhodov

mikrokrmilnika. Dekodirno vezje je sestavljeno iz dekodirnika, kodirnega stikala in

preprostega signalizacijskega vezja. Izbira dekodirnika je bila odvisna od oblike vhodnega

signala, ki ima v našem primeru obliko binarnega serijskega niza, in zahteve, da mora

omogočati funkcijo daljinskega krmilja štirih izhodov. Posledično smo bili prisiljeni izbrati

dekodirnik s serijskimi vhodi in štirimi podatkovnimi izhodi ter osmimi naslovnimi vhodi, na

katere povežemo kodirno stikalo, s katerim določimo dekodirno masko oziroma njegov

naslov. Le-ta pa se mora ujemati z naslovom kodirnika uporabljenega v oddajnem

modulu. Naposled smo izbrali dekodirnik podjetja Holtek, z oznako HT12D, ki ga vedno

uporabljamo v paru s kodirnikom HT12E, uporabljenim v oddajnem modulu. Dekodirnik je

pripadnik družine serijskih 212

dekodirnikov. Uporabljamo jih predvsem v aplikacijah

daljinskega vodenja, požarnih alarmih in varnostnih sistemih. Dekodirniki so narejeni v

CMOS LSI tehnologiji, kar pomeni, da imajo nizko porabo energije in so odporni na vplive

okolja, zaradi tega so primerni tudi za uporabo v aplikacijah, ki delujejo v okolju, kjer se

pojavljajo motilni signali in šumi. Dekodirniki so sposobni dekodiranja podatka, ki vsebuje

N naslovnih in 12N

podatkovnih bitov. Zgradba dekodirnikov je takšna, da vsebuje osem

naslovnih vhodov, s katerimi nastavimo ime dekodirnika, ki se mora ujemati z imenom

kodirnika, uporabljenega v oddajnem modulu, serijski vhod, vhoda oscilatorja, štiri izhode

in poseben izhod z oznako VT, ki ga uporabimo za signalizacijo prenosa podatkov .


Slika 6.5.1: Zgradba dekodirnika HT12D

Na trgu so dosegljive dve različni izvedbi dekodirnika HT12D, in sicer:

izvedba z 18 priključnimi nožicami v DIP ohišju in

izvedba z 20 priključnimi nožicami v SOP ohišju.

Za potrebe dekodirnega vezja krmilnega modula smo izbrali izvedbo dekodirnika z

osemnajstimi priključnimi nožicami v DIP ohišju.

Opis priključnih nožic uporabljenega dekodirnika HT12D:

Priključne nožice od ena do osem z oznako od A0 do A7 so vhodi dekodirnika,

izvedeni v NMOS tehnologiji, s katerimi določamo ime oziroma naslov dekodirnika,

zato bi jih lahko poimenovali tudi naslovni vhodi. Naslovne vhode lahko priključimo

na napajalno napetost dekodirnika Vcc, ki predstavlja logično stanje ena, ali pa na

potencial nič, kar predstavlja logično stanje nič, kombinacija teh dveh logičnih stanj

na naslovnih vhodih od A0 do A7 določa ime dekodirnika, in s tem zavaruje

podatke pri prenosu. Pomembno je, da ima dekodirnik enako ime kot kodirnik, saj

je s tem postopek dekodiranja podatkov pravilno izveden.

Priključna nožica devet z oznako Vss pripada napajalnemu delu dekodirnika.

Nanjo priključimo negativni pol napajalne napetosti oziroma maso.

Priključne nožice od deset do trinajst z oznako od D8 do D11 so izhodi

dekodirnika, izvedeni v CMOS tehnologiji. Na njih so dosegljivi dekodirani podatki,

povežemo pa jih na vhode mikrokrmilnika. S tem dosežemo, da z aktiviranjem

posamezne tipke oddajnega modula aktiviramo posamezni vhod mikrokrmilnika.


Priključna nožica štirinajst z oznako DIN je serijski vhod dekodirnika, izveden v

CMOS tehnologiji, na katerega povežemo izhod sprejemnega modula.

Priključni nožici petnajst in šestnajst, z oznako Osc1 in Osc2, sta vhod in izhod

oscilatorja dekodirnika. Dekodirnik že vsebuje notranji oscilator. Za njegovo

pravilno delovanje moramo med priključne nožice Osc1 in Osc2 vezati dodatni

upor, katerega vrednost definira frekvenco osciliranja.

Priključna nožica številka sedemnajst, z oznako VT, je posebna izhodna priključna

nožica dekodirnika, ki omogoča signalizacijo prenosa podatkov. Na tej priključni

nožici je dosegljiv prenesen podatek. Če nanjo vežemo dodatno preprosto

signalizacijsko vezje, uporabniku omogočimo spremljanje prenosa podatkov prek

indikatorja, ki ga v našem primeru predstavlja svetleča dioda.

Priključna nožica osemnajst, z oznako Vdd, pripada napajalnemu delu kodirnika.

Nanjo priključimo pozitiven pol napajalne napetosti.

Slika 6.5.2: Dekodirnik HT12D v ohišju DIP z 18 priključnimi nožicami

Delovanje dekodirnega vezja lahko najenostavneje opišemo na način, da opišemo

delovanje dekodirnika. Dekodirnikna svojem vhodu zazna vhodni podatek, ki se aktivira

njegov notranji oscilator, ki je pogoj za njegovo nadaljnje delovanje. Vhodni podatek je 12-

bitni serijski podatek, ki ga dekodirniku pošlje sprejemnik, le-ta iz podatka izloči osem

naslovnih bitov in štiri podatkovne bite. Dekodirnik najprej prejete naslovne bite primerja s

svojimi naslovnimi biti oziroma s stanjem bitov na naslovnih vhodih. To rutino dekodirnik

ponovi trikrat zaporedoma. V primeru, da so naslovni biti prejetega podatka in dekodirnika

enaki, dekodirnik izvede rutino dekodiranja podatkovnih bitov in serijski podatek pretvori v

paralelnega.Temu ustrezno postavi stanje na svojih paralelnih izhodih.


Istočasno se aktivira dekodirnikov posebni izhod z oznako VT. Nanj smo vezali preprosto

signalizacijsko vezje, sestavljeno iz svetleče diode in upora, ki signalizira uspešen prenos

podatkov .

Slika 6.5.3: Časovni diagram poteka izhodnega signala dekodirnika HT12D

Dekodirnik nadaljuje z dekodiranjem podatkov, vse dokler se naslovni biti prejetega

podatka ujemajo z naslovnimi biti dekodirnika oziroma vse dokler je prisoten vhodni

signal.

6.6 Napajalno vezje

Zadnje v nizu vezij krmilnega modula je napajalno vezje, ki oskrbuje aktivna elektronska

vezja krmilnega modula z električno energijo v obliki enosmerne napetosti petih voltov.

Napajalno vezje mora biti izdelano tako, da zagotavlja:

stabilno enosmerno izhodno napetost,

ustrezno tokovno obremenljivost napetostnega izhoda,

ustrezno stabilizacijo napetosti glede na vhodne in izhodne razmere,

ustrezno frekvenčno obremenljivost na izhodu,

minimalno stopnjo povzročanja visokofrekvenčnih motenj na vhodu oziroma

izhodu,

zaščito bremena, v našem primeru vezja krmilnega modula, pred prednapetostmi

oziroma mora zagotavljati predtokovno zaščito vezja.


Poleg zgoraj naštetih zahtev smo pri načrtovanju napajalnega vezja morali upoštevati še

dejstvo, da mora biti vezje sposobno pretvoriti enosmerno vhodno napetost vrednosti

dvanajstih voltov v stabilno izhodno enosmerno napetost vrednosti petih voltov, pri tem pa

mora omogočati izhodni tok, katerega vrednost bo dosegla tudi en amper. Načrtovanja

napajalnega vezja smo se lotili z izbiro njegovega osrednjega elementa. Tako kot pri

napajalnem vezju oddajnega modula, smo se tudi tu odločili za uporabo napetostnega

regulatorja oznake LM7805, le da smo v tem primeru izbrali izvedbo v ohišju TO-220, ki

zadosti zahtevi vezja tako glede pretvorbe vhodne napetosti, kakor tudi vrednosti

izhodnega toka.

Slika 6.6.1: Napetostni regulator 7805 z izvedbo ohišja tipa TO-220

Opis priključnih nožic napetostnega regulatorja 7805:

Priključna nožica številka ena predstavlja izhod napetostnega regulatorja. Na njej

se nahaja konstantna enosmerna izhodna napetost vrednosti petih voltov.

Na priključno nožico številka dve priključimo maso.

Priključna nožica številka tri predstavlja vhod napetostnega regulatorja. Nanj

priključimo vhodno napetost oziroma napetost avtonomnega izvora napetosti.

Napajalno vezje je sestavljeno iz vhodnih priključnih sponk SF7 in SF8, kamor povežemo

zunanji enosmerni napetostni generator nazivne napetosti dvanajst voltov. Napetostni

generator prek varovalke, polprevodniške diode in vhodnih kondenzatorjev povežemo na

vhod linearnega napetostnega regulatorja LM7805. Varovalka ima nazivni tok en amper in

služi kot tokovna zaščita vezja krmilnega modula.

1

.


Varovalka je preko polprevodniške diode, ki je vezana v prevodni smeri in preprečuje

prenos napetostnih konic ter motilnih signalov iz vezja krmilnega modula na zunanji

enosmerni napetostni generator, ter prek vhodnih kondenzatorjev vezana na vhod

linearnega napetostnega regulatorja. Vhodna kondenzatorja, označena s C3 in C4, v

vezju opravljata različni nalogi, in sicer elektrolitski kondenzator z oznako C3 in

kapacitivnostjo 1000 µF služi kot vhodni gladilni kondenzator, uporabimo ga za glajenje

vhodne napetosti. Blokovni kondenzator C4, katerega vrednost in uporabo nam priporoča

proizvajalec linearnega napetostnega regulatorja in preprečuje prenos motilnih signalov iz

zunanjega enosmernega napetostnega generatorja na napetostni regulator. Izhod

napetostnega regulatorja je prek izhodnih kondenzatorjev in preprostega signalizacijskega

vezja vezan na različne sklope krmilnega modula. Izhodna kondenzatorja v vezju,

označena s C5 in C6, opravljata enako nalogo kot vhodna kondenzatorja. Tako je C5

elektrolitski kondenzator s kapacitivnostjo 10 µF, ki služi za glajenje izhodne napetosti,

medtem ko nam uporabo in vrednost blokovnega kondenzatorja z oznako C6 v vezju

priporoča proizvajalec napetostnega regulatorja in služi za preprečevanje prenosa

motilnih signalov iz vezja, ki ga napajamo nazaj na napetostni regulator. Poleg izhodnih

kondenzatorjev je na izhod napetostnega regulatorja vezano še preprosto signalizacijsko

vezje, ki je sestavljeno iz svetleče diode in upora ter signalizira delovanje napajalnega

vezja.

Slika 6.6.2: Napajalno vezje krmilnega modula


7. Načrtovanje tiskanega vezja

Do sedaj smo se pri projektu načrtovanja radijsko vodene krmilne enote ukvarjali

predvsem z izbiro elementov in z načrtovanjem posameznih sklopov vezja ter njihovo

medsebojno povezavo v delujočo celoto. Lahko rečemo, da nam rezultat načrtovanja

vezja predstavlja izdelava načrta vezja oddajnega in krmilnega modula radijsko vodene

krmilne enote, pri risanju katerega smo si pomagali s programskim orodjem Accel Edda.

Zadnji korak v postopku načrtovanja delujočega vezja je načrtovanje in izdelava tiskanega

vezja radijsko vodene krmilne enote. Tiskano vezje je posebej načrtovana in obdelana

ploščica, ki služi za povezovanje elektronskih elementov v celoto. Imenujemo jo tudi

elektronski modul.

Ploščice za izdelavo vezji so narejene iz dveh osnovnih materialov:

Podlage, ki je izolacijski material, debeline od 0,5 mm do 1,5 mm in se

najpogosteje izdeluje iz pertinaksa ali vitroplasta. Pertinaks (oznaka FR2) je

rumene barve, neprozoren in se uporablja v cenejših napravah, medtem ko je

vitroplast (oznaka FR4) običajno zelene barve, bolj ali manj prozoren, narejen iz

kakovostnih materialov in ima odlične izolacijske ter mehanske lastnosti.

Bakrena površina, katere debelina znaša od 30 µm do 70 µm in je lahko

nameščena samo z ene strani, imenujemo enostransko tiskano vezje. Vezje z

obeh strani pa imenujemo dvostransko tiskano vezje.

Slika.7.1: Ploščica tiskanega vezja krmilnega modula izdelana iz vitroplasta


Izdelan načrt vezja uporabimo kot izhodišče pri načrtovanju in izdelavi tiskanega vezja.

Postopek načrtovanja ploščice tiskanega vezja je postopek, pri katerem na podlagi načrta

vezja oblikujemo oziroma rišemo povezave med elementi na ploščici. Pri izdelavi

električne sheme in načrtovanju tiskanega vezja smo si pomagali z uporabo

programskega orodja Accel Eda Tango. Accel Eda Tango je programski paket za

načrtovanje električnih shem in tiskanih vezji, ki vsebuje skoraj neomejeno število

shematskih strani ter slojev, preverjanje pravil načrtovanja, integrirane knjižnice

komponent, vsebuje pa tudi vsa orodja, ki omogočajo hitro in učinkovito izvajanje procesa

načrtovanja tiskanih vezji, od faze vnašanja podatkov o projektu pa vse do faze

proizvodnje.

Pri načrtovanju vezja moramo v prvi vrsti zadosti dvema pogojema:

Delovanju naprave: tiskano vezje moramo načrtati tako, da vezje v celoti ustreza

načrtom.

Estetski izgled vezja: pri tem moramo upoštevati dimenzije vezja in logičen

razpored elementov na vezju. Elemente na vezju moramo razporediti tako, da

preprečimo nastajanje motenj v vezju, kar bi lahko vplivalo na njihovo delovanje.

Poleg osnovnih zahtev moramo pri načrtovanju tiskanih vezji upoštevati tudi nekaj

osnovnih pravil:

vodi na tiskanem vezju morajo biti med seboj paralelni ali pod kotom 45º ali 90º,

vodi na tiskanem vezju se morajo končati s spajkanimi krogci različnih premerov,

napajalni in v našem primeru vodi na izhodu krmilne enote morajo biti širši od

ostalih vodov tiskanega vezja, saj po njih tečejo vhodni in izhodni tokovi vezja,

vodi med posameznimi elementi morajo biti čim krajši, saj s tem preprečimo

nastajanje motenj v vezju,

elementi na vezju morajo biti nameščeni na ploščico vodoravno ali navpično,

elementi na vezju morajo biti medsebojno paralelni in navpični,

elemente je potrebno enakomerno porazdeliti po celotni površini tiskanega vezja,

upoštevajoč logično postavitev, s katero se izognemo nastajanju motilnih signalov

v vezju,

upoštevati moramo raster izbranih elektronskih komponent.


Vezje radijsko krmilne enote smo si zamislili tako, da bo oddajni modul prenosljiv, čim

manjši in čim bolj enostaven za uporabo. Krmilni modul pa izdelan tako, da ima na eni

strani vhode in na drugi strani izhode. Najprej smo se lotili načrtovanja tiskanega vezja

oddajnega modula, saj je to zaradi manjšega števila uporabljenih polprevodniških

elementov preprostejše za načrtovanje. Pri njegovem načrtovanju smo upoštevali zahteve

vezja, osnovna pravila za načrtovanje tiskanih vezji, logično postavitev polprevodniških

elementov na ploščici, ki bo zagotavljala pravilno delovanje vezja in ne nazadnje

dimenzijo ploščice, prav slednje pa je bil razlog, zaradi katerega smo se odločili za

načrtovanje dvostranskega tiskanega vezja.

Slika 7.1: Tiskano vezje oddajnega modula

Sledilo je načrtovanje ploščice tiskanega vezja kompleksnejšega dela radijsko vodene

krmilne enote, in sicer krmilnega modula, kar je bilo zahtevno in zamudno. Načrtovanje je

bilo zahtevno, ker krmilni modul sestavlja več sklopov vezja, od katerih vsak sklop

vsebuje polprevodniške elemente, katere smo morali najprej logično razporediti na

ploščico tiskanega vezja. Nato smo morali pravilno medsebojno povezati, upoštevajoč

vsa pravila načrtovanja. Poleg tega smo pri načrtovanju morali upoštevati še dejstvo, da

morajo biti za pravilno delovanje polprevodniških elementov posameznih sklopov

izpolnjeni določeni pogoji, kot so pravilna vrednost napajalne napetosti, njihova postavitev

in dimenzije, ter potek povezovalnih linij. Posebno pozornost smo namenili načrtovanju

napajalnih linij v vezju, saj bi lahko rekli, da je vezje krmilnega modula istočasno

priključeno na dva različna vira napajanja, in sicer zunanji enosmerni generator ter

notranjo napajalno vezje, ki v resnici samo pretvori in stabilizira vhodno enosmerno


napetost, povezovalne linije obeh virov napajanja pa smo morali v vezju strogo ločiti.

Posebno pozornost smo namenili tudi načrtovanju dimenzij povezovalnih linij izhodov

krmilnega modula, saj je to močnostni del vezja, ki omogoča preklope tokov vrednosti do

16A. Pri načrtovanju tiskanega vezja smo upoštevali tudi njegov izgled in funkcionalnost, k

doprinosu slednjega prispeva tudi razporeditev vhodov in izhodov vezja, ki smo jih na

ploščici tiskanega vezja razporedili tako, da se vhodi nahajajo na eni in izhodi na drugi

strani. Ne nazadnje pa smo pri načrtovanju upoštevali tudi končne dimenzije ploščice

tiskanega vezja. To je bil razlog, da smo se odločili enako kot pri načrtovanju tiskanega

vezja oddajnega modula za načrtovanje dvostranskega tiskanega vezja.

Slika 7.2: Tiskano vezje krmilnega modula

Po končanem načrtovanju je sledila izdelava tiskanega vezja, ki poteka tako, da se

odvečna bakrena površina odstrani kemijsko ali mehansko. Tako na ploščici ostanejo

samo bakrene linije za povezovanje elementov v delujočo celoto oziroma delujoče

elektronsko vezje. Ker smo se odločili o izdelavi dvostranskega tiskanega vezja, smo za

njegovo izdelavo uporabili mehanski postopek odstranitve odvečne bakrene površine s

ploščice.


8. Programiranje mikrokrmilnika ST6265

Procesu načrtovanja je sledila izdelava tiskanega vezja, na katerega smo položili in

prispajkali prej izbrane polprevodniške elemente ter integrirana vezja. Na ta način smo

dobili delujoče vezje radijsko vodene krmilne enote. Tako izdelano vezje je samo po sebi

brez ustrezno programiranega mikrokrmilnika neuporabno, zato smo se odločili, da

napišemo preprost program, ki bo omogočal daljinsko vodenje procesa testiranja končnih

izdelkov, v tem primeru kosilnic na koncu proizvodne linije. Izbrani mikrokrilnik smo

programirali s pomočjo programskega orodja Realizer Gold in programatorja

mikrokrmilnikov realiziranega v sklopu razvojne plošče z oznako ST6, ki je namenjena, kot

že njeno ime pove, mikrokrmilnikom družine ST6.

Programsko orodje Realizer Gold je bilo načrtovano in izdelano na podlagi ideje, da mora

biti dostopno širokemu krogu uporabnikov z različnimi znanji in izkušnjami pri

programiranju mikrokrmilnikov. Programsko orodje Realizer Gold je sestavljeno iz treh

programskih aplikacij, imenovanih Realizer, Analyser in Simulator. Vsaka od teh treh

aplikaciji ima točno določeno funkcijo. Aplikacija, imenovana Realizer, uporabniku

omogoča pisanje programa, z aplikacijo Analayser uporabnik preveri ustreznost

napisanega programa, hkrati pa nam ta aplikacija napisan program pretvori v ustrezen

format, ki ga lahko naložimo v mikrokrmilnik, medtem ko aplikacija po imenu Simulator

omogoča simuliranje vhodnih pogojev in spremljanja odzivov na izhodih. Za uporabo in

programiranje mikrokrmilnikov, s pomočjo programskega orodja Realizer Gold,

uporabniku ni potrebno poznati zbirnega jezika oziroma programske kode. Za uspešno

izdelavo programa je dovolj, da uporabnik dobro pozna izbran mikrokrmilnik in njegove

specifikacije. Potrebno je tudi, da ima osnovno znanje o izdelavi poteka diagrama in

pozna osnovne logične gradnike ter njihove funkcije. Programsko orodje Realizer Gold

nam omogoča programiranje mikrokrmilnikov, ki pripadajo kateri koli družini

mikrokrmilnikov, paziti moramo le, da pred nalaganjem programa v aplikaciji Simulator

izberemo pravilen tip mikrokrmilnika.


Slika 8.1: Diagram poteka izdelave programa z uporabo programskega jezika Realizer Gold

V prvem koraku procesa programiranja mikrokrmilnika smo se s pomočjo aplikacije

Realizer lotili pisanja programa. Pisanje programa ne poteka na običajen način pisanja

programske kode, ampak na uporabniku prijaznejši, preprostejši način, s pomočjo

vstavljanja elementov in njihovim medsebojnim povezovanjem. Aplikacija Realizer že

vsebuje nabor elementov, dopušča pa tudi kreiranje novih. Elemente vstavljamo na

delovni list in jih medsebojno povezujemo, lahko bi tudi rekli, da z risanem vezalne sheme

kreiramo programsko kodo oziroma pišemo program. Element predstavlja osnovni gradnik

programske kode in ima svoj simbol, oznako, funkcijo, atribute, ki jih lahko spreminjamo,

in je povezan z makrojem v zbirni kodi. S povezovalnimi linijami elemente medsebojno

povežemo, tako da predstavljajo tok podatkov, lahko pa jih povežemo tudi na konstante

ali spremenljivke.


Vsak element lahko predstavlja:

operacijo, kot je na primer pretvorba analogne fizikalne veličine v binarno

vrednost,

del informacije, ki je lahko na primer prehod logičnega stanja na vhodu in

posledično vpliva na izvajane napisanega programa,

pogoj, na primer vhodni pogoj, ki je potreben za pričetek izvajana podprograma,

akcijo oziroma odziv, ki je posledica spremembe določenega pogoja, kot je na

primer prekinitev.

Pri pisanju programov večkrat naletimo na situacijo, ko je potrebno poleg glavnega

programa uporabiti še podprogram, ki bo zagotavljal hitro in pravilno izvajanje osnovnega

programa. Tipični primeri uporabe podprograma so prekinitvene zahteve. V aplikaciji

Realizer glavni program ali načrt, ki se nahaja na osnovnem delovnem listu, predstavlja

izhodiščno točko pri načrtovanju podprograma. Če ga želimo uporabiti, izvedemo to tako,

da v glavni načrt dodamo element, ki nam omogoča skok v podprogram, nato odpremo

nov dodatni delovni list, na katerega vstavimo dodatne elemente in jih medsebojno

povežemo. Na ta način dobimo neke vrste podshemo oziroma podprogram. Pisanje

podprograma se v osnovi ne razlikuje od pisanja glavnega programa. Pri pisanju glavnega

programa si najprej zamislimo njegovo delovanje, na podlagi tega definiramo vhodne

pogoje in izberemo ustrezne elemente, ki jih medsebojno povežemo. Prav tako je pri

risanju podprogramov. Pri risanju sheme podprograma je pomembno, da v shemo

dodatno vstavimo poseben element, ki ga najdemo v naboru elementov, in nosi oznako

sss ter omogoča skok nazaj v glavni program.

Slika 8.2: Blokovni prikaz programske strukture v aplikaciji Realizer


Razlogi za uporabo oziroma kreiranje podprogramov v aplikaciji Realizer so:

Vključevanje kompleksnih zank v glavni program, saj na ta način privarčujemo

prostor na delovnem listu in ob enem poenostavimo načrt glavnega programa.

Vključevanje prekinitvenih zahtev v glavni program, saj na ta način omogočimo

normalno neovirano delovanje glavnega programa, vse dokler podprogram ne

sprejme prekinitveno zahtev in jo ustrezno procesira.

Podprogram v aplikaciji Realizer kreiramo tudi takrat, ko želimo na preprost način

shraniti nek delujoč del programa, ki ga lahko kasneje brez večjih težav uporabimo

kot del kakšnega drugega programa.

V našem primeru smo uporabili vezje radijsko vodene krmilne enote kot del sklopa

priprave za končno testiranje delovanja bočnih traktorskih kosilnic. Pred pričetkom pisanja

programa smo se morali dobro spoznati z zahtevami in potekom procesa testiranja, saj je

to osnova za uspešno izdelavo programa. Potek procesa testiranja se prične po zaključeni

operaciji montaže. Bočna traktorska kosilnica po transportnem traku prispe do postaje

končnega testiranja, to je posebna komora, kjer se kosilnica najprej s pomočjo

pnevmatskih cilindrov fiksira, nato se nanjo priključi pogonski sklop, ki poganja kosilnico.

Na ta način simulira pogoje normalnega delovanja. Po uspešno zaključenem testiranju je

potrebno deaktivirati pnevmatska cilindra, ki fiksirata bočno kosilnico in vklopiti transportni

trak, ki bočno traktorsko kosilnico transportira do naslednje operacije v procesu.

Radijsko vodeno krmilna enota ima v sklopu procesa testiranja nalogo, da uporabniku, v

tem primeru delavcu, omogoča prek daljinskega upravljavca oziroma z aktiviranjem

posamezne tipke na oddajnem modulu:

Aktivirati pnevmatske cilindre, ki fiksirajo bočno traktorsko kosilnico, pri tem morajo

biti izpolnjeni naslednji vhodni pogoji: transportni trak mora mirovati, pogonski

sklop mora biti neaktiven, zaprta morajo biti vrata preizkusne komore in ne

nazadnje mora uporabnik aktivirati eno izmed tipk na oddajnem modulu.

Vklopiti pogonski sklop in na ta način pričeti testiranje bočne kosilnice, pri tem

morajo biti izpolnjeni naslednji vhodni pogoji: vrata preizkusne kabine morajo biti

zaprta, bočna traktorska kosilnica mora biti fiksirana, transportni trak mora mirovati

in ne nazadnje mora uporabnik aktivirati tipko na oddajnem modulu.


Deaktiviranje pnevmatskih cilindrov, ki fiksirajo bočno traktorsko kosilnico, pri tem

morajo biti izpolnjeni naslednji vhodni pogoji: transportni trak mora mirovati, vrata

preizkusne kabine morajo biti zaprta, pogonski sklop mora biti neaktiven in ne

nazadnje mora uporabnik aktivirati tipko na oddajnem modulu.

Po končanem testu aktiviranje pomika transportni traku naprej, pri tem morajo biti

izpolnjeni naslednji vhodni pogoji: vrata preizkusne kabine morajo biti odprta,

pogonski sklop mora biti neaktiven, cilindri za fiksiranje bočne traktorske kosilnice

morajo biti v neaktivnem stanju in ne nazadnje mora uporabnik aktivirati tipko na

oddajnem modulu.

Zgornji podroben opis nalog radijsko vodene krmilne enote v odvisnosti od vhodnih

pogojev nam predstavlja izhodiščno točko pri pisanju programa mikrokrmilnika. Prvi korak

v procesu pisanja programa je bil definiranje vhodov in izhodov radijsko vodene krmilne

enote. Vhodi imajo nalogo, da s pomočjo senzorjev zajemajo vhodne pogoje, katerih

logična stanje se spreminjajo glede na spremembe v procesu. Glede na vhodne pogoje in

napisano programsko sintakso aktiviramo izhode, in na ta način aktiviramo različne faze v

procesu končnega testiranja bočnih traktorskih kosilnic. Veliko število različnih vhodnih

pogojev pomeni uporabo praktično vseh razpoložljivih vhodov, hkrati pa zaradi zahteve,

da moramo krmiliti štiri različne faze procesa testiranja, uporabimo vse razpoložljive

izhode radijsko vodene krmilne enote, od katerih je vsak zadolžen za krmiljenje ene izmed

faz procesa testiranja. Poleg definiranja vhodov in izhodov smo morali izbrati še ustrezne

elemente, ki smo jih medsebojno povezali in tako kreirali program mikrokrmilnika.

Slika 8.3: Napisan program mikrokrmilnika


Sledilo je preverjanje ustreznosti napisanega programa. Za to smo uporabili aplikacijo

Analiyser. Aplikacija Analiyser, kot že njeno ime pove, analizira narisano shemo glede na

izbrani tip mikrokrmilnika. Preveri tudi definicijo vhodov in izhodov, nastavljene atribute

elementov, pravilnost medsebojnih povezav, funkcionalnost, uporabljen tip spremenljivk

ter poišče napake. apisan program pretvori v binarno kodo, ki jo lahko s pomočjo

programatorja naložimo v izbran mikrokrmilnik. Rezultat analize je generirano poročilo, ki

nam v primeru neustreznosti oziroma pojavljanja napak omogoča njihovo hitro lociranje in

odpravljanje.

Slika 8.4: Primer generiranega poročila analize napisanega programa


Naslednji korak v procesu kreiranja programa je bil simuliranje njegovega delovanja s

pomočjo aplikacije Simulator. Aplikacija Simulator nam omogoča kreiranje različnih

kombinaciji vhodnih pogojev in hkrati omogoča spremljanje stanja izhodov, s tem pa

posledično omogoča preverjanje pravilnosti delovanja kreiranega programa. V primeru

simulacije napisanega programa smo se odločili, da stanje vhodov simuliramo in stanje

izhodov spremljamo prek tako imenovanih sond. Sonde dodatno vrišemo v kreirano risbo,

saj nam hkrati prikazujejo in dovoljujejo spreminjanje logičnega stanja vhodov in

prikazujejo odziv oziroma logično stane izhodov.

Slika 8.5: Primer simuliranja napisanega programa


Po uspešno zaključenem preizkušanju oziroma simuliranju delovanja kreiranega

programa, smo nato slednjega, s pomočjo razvojne plošče ST62 , naložili v predhodno

izbran mikrokrmilnik tipa ST6265. Razvojna plošča ST62 je, kot že njeno ime pove, bila

razvita in izdelana posebej za programiranje ter preizkušanje delovanja napisanih

programov mikrokrmilnikov družine ST62X. Razvojno ploščo prek RS232 vmesnika

povežemo z računalnikom in s pomočjo posebne programske aplikacije prenesemo

programsko kodo v izbran mikrokrmilnik, ki ga predhodno vstavimo v podnožje na razvojni

plošči. Poleg programiranja nam razvojna plošča omogoča tudi preizkušanje delovanja

napisanega programa, saj vsebuje tipke, s katerim lahko simuliramo vhodne pogoje.

Indikatorje, v tem primeru svetleče diode, prek katerih lahko spremljamo odziv izhodov in

analogni digitalni pretvornik, termični in nastavljivi upor, ki omogočajo simuliranje več

različnih kombinaciji vhodnih pogojev.

Slika 8.6: Programiranje uporabljenega mikrokrmilnika ST6265 s pomočjo razvojne plošče ST62X


9. Testiranje delovanja in opravljanje meritev

Projekt radijsko vodene krmilne enote smo pričeli z idejo, ki smo jo postopoma

nadgrajevali v delujoče vezje. Procesa načrtovanja vezja smo se lotili z definiranjem

njegovih zahtev in nalog, temu je sledila izbira ustreznih polprevodniških elementov in

integriranih vezji ter načrtovanje posameznih sklopov vezja. Posamezne sklope vezja smo

medsebojno povezali v celoto, rezultat pa predstavlja izdelan načrt vezja, ki nam je bil

osnova pri načrtovanju in izdelavi ploščice tiskanega vezja. Sledila je izdelava samega

vezja, le-ta je potekala tako, da smo na ploščico tiskanega vezja polagali ustrezne

polprevodniške elemente in integrirana vezja ter jih prispajkali. Naš zadnji korak v procesu

izdelave delujočega in uporabnega vezja radijsko vodene krmilne enote je bil načrtovanje

in programiranje v naprej izbranega mikrokrmilnika. Dosedanji proces načrtovanja vezja je

temeljil na teoretičnem delu, ki je obsegal analiziranje zahtev in definiranje delovanja

vezja, za kar smo uporabili pridobljeno znanje. Zadnja faza projekta je bila verificiranje

izdelanega vezja, le-ta je obsegla njegovo testiranje in analiziranje in s tem posledično

preverjanje pravilnosti procesa načrtovanja. Postopek verifikacije je faza projekta, ki

temelji na praktičnem delu testiranja vezja in opravljanju meritev. Izvedli smo več različnih

vrst meritev, od katerih vsaka služi svojemu namenu. Prvo meritev smo izvedli z

multimetrom, in sicer takoj po končanem spajkanju elementov vezja.Tako smo preverili

posamezne napetostne potenciale v vezju in s tem preverili ustreznost procesa

načrtovanja tiskanega vezja in pravilnost delovanja napajalnega sklopa vezja. Meritev

smo opravili tako v krmilnem, kakor tudi v oddajnem modulu.

Slika 9.1: Primer opravljanja meritev napetostnih potencialov vezja


V fazi testiranja delovanja vezja smo opravili več meritev. Naš cilj je bil preveriti

odstopanja delovanja posameznih sklopov vezja radijsko vodene krmilne enote od

načrtovanega delovanje. Odstopanja smo analizirali s pomočjo opravljenih meritev z

digitalnim osciloskopom. Osredotočili smo se predvsem na analiziranje kompleksnih

sklopov vezja, tako v oddajnem, kakor tudi v krmilnem modulu. V oddajnem modulu smo

analizirali pravilnost delovanja kodirnega sklopa in modulatorja. Prvo meritev smo opravili

tako, da smo sondo osciloskopa priključili na izhod kodirnika in pritisnili eno izmed tipk na

oddajnem modulu. Na ta način smo posneli 12-bitni izhodni signal kodirnika (slika 9.2), ki

je sestavljen iz osmih naslovnih bitov in štirih podatkovnih bitov. Na posnetku izhodnega

signala (slika 9.2) je z rdečo označen podatkovni bit, ki označuje aktiviranje ene izmed

štirih tipk oddajnega modula.

Slika 9.2: Dvanajstbitni izhodni signal kodirnika, z modro označen podatkovni bit, ki označuje

aktiviranje ene izmed štirih tipk oddajnega modula


Meritev na izhodu kodirnika oddajnega modula smo ponovili tako, da smo predhodno

spremenili naslove kodirnika oziroma način kodiranja. S tem smo analizirali pravilnost

delovanja kodirnika. Posnet 12-bitni izhodni signal (slika 9.3) se od predhodno posnetega

izhodnega signala (slika 9.2) razlikuje po stanju naslovnih bitov, ki so na posnetku

izhodnega signala označeni z rdečo. Posledično se razlikuje tudi frekvenca in povprečna

napetost izhodnega signala.

Slika 9.3: Dvanajstbitni izhodni signal kodirnika, z modro označeni naslovni biti, po spremembi

načina kodiranja

Poleg analiziranja delovanja kodirnika smo s pomočjo meritev analizirali tudi pravilnost

delovanja vgrajenega modulatorja. Analizirali smo način in pravilnost postopka modulacije

kodiranega signala in frekvenco nosilnega signala. Meritev je potekala tako, da smo

sondo osciloskopa priključili na izhod modulatorjain pritisnili eno izmed štirih tipk

oddajnega modula. Posnet izhodni signal (slika 9.4) nam omogoča analiziranje delovanja

modulatorja, saj je na posnetku razviden nosilni signal frekvence 433,92 MHz. Nanj

moduliramo 12-bitne podatkovne paketke, ki so na posnetku označeni z rdečimi

kvadratki.


Slika 9.4: Izhodni signal modulatorja z rdečo označeni dvanajstbitni podatki na ovojnici nosilnega

signala.

Do sedaj smo se ukvarjali predvsem z analiziranjem in testiranjem delovanja vezja

oddajnega modula. V naslednji fazi testiranja pa smo se osredotočili na testiranje

delovanja oddajnega modula v povezavi s krmilnim modulom. Preizkusili smo delovanje

daljinskega aktiviranja vhoda krmilnega modula prek aktiviranja posamezne tipke na

oddajnem modulu. V sklopu tega preizkusa smo opravili tudi niz meritev, s katerimi smo

analizirali odziv vezja krmilnega modula na vhodni signal in način njegovega procesiranja

oziroma delovanje programske sintakse. Meritve smo opravljali s pomočjo digitalnega

osciloskopa z uporabo dveh sond, ki sta vezani vsaka na svoj kanal. Prva meritev je

potekala tako, da smo eno od sond priključili na izhod modulatorja oddajnega modula,

drugo pa na izhod demodulatorja krmilnega modula. Na ta način smo analizirali pravilnost

modulacije in demodulacije signala ter hkrati odziv vezja krmilnega modula na sprejet

vhodni signal. Rezultat analize je posnetek moduliranega signala oddajnega modula.

Rezultat je na sliki prikazan z rumeno barvo (slika 9.5). Rezultat analize je tudi posnetek

odziva demodulatorja krmilnega modula glede na sprejeti signal zelene barve (slika 9.5).

Iz posnetka je razvidno (slika 9.5), da je moduliran signal oddajnega modula sestavljen iz

nosilnega signala na ovojnico, katerega smo s pomočjo modulatorja modulirali12-bitne

podatkovne paketke. Krmilni modul ta signal sprejme in ga demodulira. To stori tako, da iz

nosilne ovojnice izloči podatkovne pakete.


Slika 9.5: Na posnetku je razviden izhodni signal oddajnega modula rumene barve, ter signal na

izhodu demodulatorja krmilnega modula zelene barve.

Naslednje meriteve, ki smo jih opravili v sklopu testiranja glede odziva krmilnega modula

na sprejeti signal, so bile meritve, s katerimi smo analizirali delovanje kodirnika in odziv

dekodirnika. Meritve so potekale tako, da smo eno od sond osciloskopa priključili na izhod

kodirnika oddajnega modula, drugo sondo pa smo priključili na izhod dekodirnika

krmilnega modula. Tak način opravljanja meritev nam je omogočal analizirati različne

scenarije kodiranja in dekodiranja. Cilj meritev je bil preveriti časovni odziv vezja

krmilnega modula in pravilnost dekodiranja prejetega signala. V našem primeru so se

naslovi kodirnika in dekodirnika ujemali. Zanimala nas je ustreznost dekodiranja

podatkovnega bita oziroma sposobnost vezja krmilnega modula, da prepozna aktiviranje

tipke na oddajnem modulu. Rezultat analize je posnetek signala (slika 9.6), iz katerega je

razviden časovni odziv ter ujemanje kodiranega, v posnetku rumene barve, in

dekodiranega signala v posnetku zelene barve, dodatno je v posnetku (slika 9.6) z rdečim

kvadratkom označen podatkovni bit.


Slika 9.6: Na posnetku je razviden izhodni signal kodirnika oddajnega modula rumene barve, ter

signal na izhodu dekodirnika krmilnega modula zelene barve, dodatno je z rdečim kvadratkom

označen podatkovni bit

Zgoraj opisana analiza in opravljane meritve veljajo samo za primer, ko je aktivirana tipka

številka dve oddajnega modula. Zaradi tega dejstva smo analizo in meritve ponovili še

trikrat, in sicer za tipke številka ena, tri in štiri oddajnega modula. Na ta način smo preverili

odziv vezja krmilnega modula oziroma njegovo sposobnost prepoznavanja aktiviranja

posamezne tipke .Rezultate analize predstavljajo posnetki signalov (slika 9.7, slika 9.8), iz

katerih je razvidno, da vezje krmilnega modula deluje pravilno, saj prepozna aktiviranja

posamezne tipke. Kodirani signali v posnetkih rumene barve in dekodirani signali v

posnetkih zelene barve se popolnoma ujemajo. Dodatno so z rdečimi kvadratki označeni

podatkovni biti, ki nosijo podatek o aktiviranju posamezne tipke oddajnega modula.


Slika 9.7: Na posnetku je razviden izhodni signal kodirnika rumene barve, ter signal na izhodu

dekodirnika zelene barve, v primeru ko je pritisnjena tipka št.1

Slika 9.8: Na posnetku je razviden izhodni signal kodirnika rumene barve, ter signal na izhodu

dekodirnika zelene barve, v primeru ko je pritisnjena tipka št.4


Opravljene analize in testiranja na vezju radijsko vodene krmilne enote so pokazale, da

vezje deluje pravilno in v skladu z načrtovanjem. Hkrati pa so testiranja delovanja vhodov,

izhodov, pošiljanja in prejemanja podatka prek radijskih valov, signalizacije stanja izhodov

in prejemanja podatkov ter pravilnosti izvajanje napisanega programa mikrokrmilnika

pokazale, da so vse funkcije aktivne in da delujejo v skladu z zahtevami. Testirali smo tudi

pravilnost delovanja vezja v različnih pogojih. Izkazalo se je, da je vezje dovolj močno za

uporabo v raznih aplikacijah, ki so pripravljene za industrijske namene. Testiranja in

analiziranja smo zaključili z opravljanjem niza meritev, s pomočjo katerih smo kasneje

izdelali specifikacije tako oddajnega, kakor tudi krmilnega modula. Le-te pa so namenjene

končnim uporabnikom radijsko vodene krmilne enote.

Slika 9.9: Specifikacija oddajnega modula


Slika 9.10: Specifikacija krmilnega modula


10. Sklep

Cilj diplomskega dela je bil načrtovati in izdelati vezje radijsko vodene krmilne enote.

Podrobno smo opisali postopek načrtovanja vezja, vse od ideje o izdelavi preprostega,

cenovno ugodnega krmilnega vezja z možnostjo daljinskega krmilja, pa do testiranja

delovanja končnega vezja. Načrtovanja vezja smo se lotili v dveh korakih, in sicer smo

najprej načrtovali preprostejše vezje oddajnega modula, nato pa kompleksnejše vezje

centralno krmilnega modula. Posebno pozornost smo posvetili izbiri polprevodniških

elementov in integriranih vezji. Analizirali smo njihovo delovanje in jih na koncu

medsebojno povezali in s tem kreirali vezalno shemo tako oddajnega, kakor tudi

krmilnega modula. Vezalna shema nam je predstavljala izhodiščno točko v procesu

načrtovanja tiskanega vezja, hkrati pa nam je bila v pomoč pri sami izdelavi vezja. Tako

izdelano vezje radijsko vodene krmilne enote je samo po sebi, brez ustrezno

programiranega mikrokrmilnika, neuporabno, zato smo natančneje opisali tudi postopek

kreiranja programa. Sledilo je testiranje delovanja končnega vezja, ki je potekalo tako, da

smo simulirali različne vhodne pogoje in ob enem spremljali odziv na izhodu, hkrati pa

smo opravili tudi niz meritev.

Opravljene meritve so nam omogočile analiziranje delovanja tako posameznih sklopov

vezja, kakor tudi analizo delovanja celotnega vezja. S prvim nizom meritev smo analizirali

pravilnost delovanja kodirnika in modulatorja signala v oddajnem modulu. Rezultat analize

sta posnetka izhodnega signala kodirnika in modulatorja, iz katerih je razvidno, da

delujeta v skladu s specifikacijami. Drugi sklop meritev smo posvetili analiziranju

delovanja krmilnega modula v povezavi z oddajnim modulom, njegovo sposobnostjo

dekodiranja, demoduliranja signala in prepoznavanja različnih informaciji, ki predstavljajo

aktiviranje različnih tipk na oddajnem modulu. Rezultat analize predstavljajo različni

posnetki izhodnih signalov dekodirnika krmilnega modula, iz katerih je razvidno ujemanje

izhodnega signala dekodirnika in kodirnika oddajnega modula. Razvidna je tudi

sposobnost prepoznavanja različnih informaciji, ki predstavljajo aktiviranje različnih tipk. S

pomočjo drugega niza meritev in testiranja delovanja pod različnimi pogoji smo dokazali,

da vezje radijsko vodene krmilne enote deluje v skladu z zahtevami. V zadnjem nizu

meritev smo opravili več različnih meritev, s pomočjo katerih smo izdelali specifikacije

posameznega vezja.


Pri samem načrtovanju, izdelavi in testnem zagonu vezja smo naleteli na več manjših

napak, ki pa smo jih hitro odpravili, in s tem dosegli načrtovanje delovanje vezja.

Opravljene meritve in izvedena testiranja v različnih pogojih so dokazala, da vezje radijsko

vodene krmilne enote deluje v skladu z zahtevami in je hkrati dovolj močno ter zmogljivo,

da se lahko uporabiti tudi v kakšnih aplikacijah, ki so namenjene industrijski uporabi. Kljub

temu pa je vse odvisno od potreb, zahtev aplikacije in domišljije programerja.


11. Viri in literatura

[1] Á. Bűrmen, Procesorski sistemi v telekomunikacijah, Zgradba mikroprocesorja,

2010–2013, [Spletni vir]

Naslov: http://www.fides.fe.uni-lj.si%2F~arpadb%2Fpstk%2Fpredavanje-pstk-5.ppt

[Dostopano: 18. 6. 2014]

[2] B. Horvat, Signali, Maribor: Univerza v Mariboru,

Fakulteta za elektroniko, računalništvo in informatiko, 2001

[3] C. Lee, Amplitude-Shift Keying (ASK) Modulation, 2002, [Spletni vir]

Naslov: http://engineering.mq.edu.au/~cl/files_pdf/elec321/lect_mask.pdf

[Dostopano: 22. 4. 2014]

[4] Decoders and Encoders,2003, [Spletni vir]

Naslov: http://faculty.kfupm.edu.sa/COE/elrabaa/coe200/Lessons/Lesson3_4.pdf

[Dostopano: 14. 5. 2014 ]

[5] D. Rudolph, Digitale und Analoge Modulationsverfahren, 2005, [Spletni vir]

Naslov: http://www.Digitale_Analoge_Modulationen_WS0506.pdf

[Dostopano: 22. 4. 2014]

[6] Encoder and Decoders, [Spletni vir]

Naslov: http://www.google.si/encoderanddecoder

[Dostopano: 14. 5. 2014 ]

[7] G. Söder, Digitale Modulationsverfahren, 1999, [Spletni vir]

Naslov: http://www.lnt.ei.tum.de/fileadmin/staff/soeder/DMV.pdf

[Dostopano: 30. 4. 2014]

[8] Gradniki TK sistemov, Prenos signalov v višji frekvenčni legi, 2008, [Spletni vir]

Naslov: http://www.lkn.fe.uni-lj.si/gradiva/gtk/GRADIVO/GTK_1_2.pdf

[Dostopano: 30. 4. 2014]

http://www.google.si/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CBwQFjAA&url=http%3A%2F%2Ffides.fe.uni-lj.si%2F~arpadb%2Fpstk%2Fpredavanje-pstk-5.ppt&ei=bkStU97RE-KGywPFhYLACw&usg=AFQjCNGtSGTzGxmB1XP8pEqy4UlbfoczsA&sig2=d7ZZBDW0IV4FX2B2LuVWCQ&bvm=bv.698

http://www.google.si/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CBwQFjAA&url=http%3A%2F%2Ffides.fe.uni-lj.si%2F~arpadb%2Fpstk%2Fpredavanje-pstk-5.ppt&ei=bkStU97RE-KGywPFhYLACw&usg=AFQjCNGtSGTzGxmB1XP8pEqy4UlbfoczsA&sig2=d7ZZBDW0IV4FX2B2LuVWCQ&bvm=bv.698

http://engineering.mq.edu.au/~cl/files_pdf/elec321/lect_mask.pdf

http://faculty.kfupm.edu.sa/COE/elrabaa/coe200/Lessons/Lesson3_4.pdf

http://www.diru-beze.de/modulationen/skripte/SuS_W0506/Digitale_Analoge_Modulationen_WS0506.pdf

http://www.google.si/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=19&ved=0CGkQFjAIOAo&url=http%3A%2F%2Fwww.lbenchindia.com%2Ffinalprojectsprojectreports%2FENCODER%2520AND%2520DECODER.doc&ei=wlRyU9_FFajd7QbMh4GAAQ&usg=AFQjCNGxMY3nCA2KULbq70FNauCG8MtjSg&sig2=IMtPl

http://www.lnt.ei.tum.de/fileadmin/staff/soeder/DMV.pdf

http://www.lkn.fe.uni-lj.si/gradiva/gtk/GRADIVO/GTK_1_2.pdf


[9] Holtek, Datasheet HT12A/HT12E, Series of Encoders 2000, [Spletni vir]

Naslov: http://www.holtek.com/pdf/consumer/2_12ev120.pdf

[Dostopano: 20. 5. 2014]

[10] Laipac, Transmitter and Receiver 2006, [Spletni vir]

Naslov: http://www.laipac.com/easy_434a_eng.htm

[Dostopano: 20. 5. 2014]

[11] M. Munih, Mikrokrmilniki, Ljubljana: Univerza v Ljubljani,

Fakulteta za elektroniko, 1999

[12] M. Garzaran, Decoders, 2009, [Spletni vir]

Naslov: http://www.cs.uiuc.edu/class/sp08/cs231/lectures/07-Decoders.ppt

[Dostopano: 20. 5. 2014]

[13] M. Jagodič, Digitalne telekomunikacije, Maribor: Univerza v Mariboru,


[14] N. Vlajič, Analog Transmition of Digital Data: ASK, FSK, PSK, QAM,

2010, [Spletni vir]

Naslov: http://www.eecs.yorku.ca/course_archive/2010-11/F/3213/CSE3213_07_

ShiftKeying _F2010.pdf

[Dostopano: 30. 4. 2014]

[15] Osnovi elektronike- Izvori za napajanje 2010, [Spletni vir]

Naslov: http://www.etf.ucg.ac.me/materijal/1271857571Izvori_napajanja.pdf

[Dostopano: 10. 6. 2014 ]

[16] Realizer User's guide, Actum Solution, 2000

[17] Strippenstrolch, Spannungsregler 78XX, 2006, [Spletni vir]

Naslov: http://www.strippenstrolch.de/1-2-11-der-spannungsregler-78xx.html

[Dostopano: 10. 6. 2014]

http://www.holtek.com/pdf/consumer/2_12ev120.pdf

http://www.laipac.com/easy_434a_eng.htm

http://www.cs.uiuc.edu/class/sp08/cs231/lectures/07-Decoders.ppt

http://www.eecs.yorku.ca/course_archive/2010-11/F/3213/CSE3213_07_%20ShiftKeying%20%20_F2010.pdf

http://www.eecs.yorku.ca/course_archive/2010-11/F/3213/CSE3213_07_%20ShiftKeying%20%20_F2010.pdf

http://www.etf.ucg.ac.me/materijal/1271857571Izvori_napajanja.pdf

http://www.strippenstrolch.de/1-2-11-der-spannungsregler-78xx.html


[18] S. Tomažič, Digitalne komunikacije, Ljubljana, 2012, [Spletni vir]

Naslov: http://www.lkn.fe.uni-lj.si/gradiva/PRS/DK.pdf

[ Dostopano: 22. 4. 2014]

[19] S. Arsoski, Načrtovanje tiskanih vezji, Ljubljana, 2009, [Spletni vir]

Naslov: http://www.literatura/elektronika-za-zacetnike/nacrtovanje-tiskanih-vezij

[Dostopano: 17. 7 .2014]

[20] ST Microelectronics, Datasheet ST6265C, 2009, [Spletni vir]

Naslov: http://www.st.com/web/catalog/mmc/FM141/SC1714/LN863/PF64347

[Dostopano: 10. 5. 2014 ]

[21] T. Kotnik, Kombinacijska vezja, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko

2012, [Spletni vir]

Naslov: http://lbk.fe.uni-lj.si/pdfs/PV-P04.pdf

[Dostopano: 14. 5. 2014]

[22] T. Rugelj, Osnove mikrokrmilnikov na primeru MC6803, Ljubljana: Metra

inženiring d.o.o, 1995

[23] Texas Instruments, ULN2803A Darlington Transistor Arrays 2014, [Spletni vir]

Naslov: http://www.ti.com/product/uln2803a

[Dostopano: 14. 5. 2014]

[24] Z. Brezočnik, Mikroračunalniški sistemi, Maribor: Univerza v Mariboru,


http://www.lkn.fe.uni-lj.si/gradiva/PRS/DK.pdf

http://www.svet-el.si/literatura/elektronika-za-zacetnike/379-nacrtovanje-tiskanih-vezij

http://www.st.com/web/catalog/mmc/FM141/SC1714/LN863/PF64347

http://lbk.fe.uni-lj.si/pdfs/PV-P04.pdf

http://www.ti.com/product/uln2803a


12. Priloge

12.1 Vezalna shema oddajnega modula


12.2 Vezalna shema krmilnega modula


12.3 Naslov študenta

Jakob Petek

Pongrac 39

3302 Griže

Tel.: 041 510 144

e-mail: [email protected]

12.4 Kratek življenjepis

Rojen: 4. 10. 1983

Osnovna šola: OŠ Griže

Srednja šola: Šolski center Celje, Poklicna in tehnična elektro in kemijska šola

Program: Elektrotehnik- Elektronik

izdelava radijsko vodene krmilne enoteslika 9.7: na posnetku je razviden izhodni signal kodirnika...

Documents