USB-STYRD SWITCHMATRIS

Examensarbete 10 poäng D-nivå USB-STYRD SWITCHMATRIS Reg.kod: Oru-Te-EXA079-Mag101/06 Daniel Sjödin Magisterprogrammet 160 p Örebro vårterminen 2007 Examinator: Dag Stranneby USB CONTROLLED SWITCH MATRIX Örebro universitet Örebro University Institutionen för teknik Department of technology 701 82 Örebro SE-701 82 Örebro, Sweden

Sammanfattning Detta examensarbete utfördes för Örebro universitet och innefattar konstruktion av en signalswitch. Switchen skall kunna styras av en mikroprocessor på ett laborationskort och skall dessutom innehålla några enklare instrument. Switchen är avsedd att användas vid laborationer på distans över Internet. Målet för detta examensarbete var att konstruera en prototyp för denna switch. Målet uppnåddes men konstruktionen kan givetvis förbättras. Abstract This degree project was done for the University of Örebro and includes designing a signal switch. The switch should be possible to control by a microprocessor on a development board and also contain a couple of simple instruments. The switch is supposed to be used in laboratory experiments from a distance using the Internet. The purpose of this degree project was to design a prototype for this switch. The goal for the project was reached but the design can of course be improved.

INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 Inledning... 3 1.1 Bakgrund... 3 1.2 Uppgift... 3 2 Metoder, verktyg... 4 3 Genomförandet... 5 3.1 Konstruktionen... 5 3.2 Switchmatrisen... 5 3.2.1 Switchmatriskontrollern... 6 3.2.2 Relä & förstärkare... 7 3.3 Styrkortet... 8 3.3.1 Buffertsteg... 8 3.3.2 A/D-anslutningarna... 8 3.3.3 PWM till DC omvandlare... 9 3.3.4 RS232-transceivern... 11 3.3.5 Spänningsregulatorn... 12 3.4 Anslutningarna... 12 3.5 Bilagor... 14 4 Utvärdering, analys... 15 5 Förslag på vidare arbete... 16 6 Referenser... 17 Bilaga 1 Kopplinsschema matriskort... 19 Bilaga 2 Matris_4_12... 20 Bilaga 3 X1 X6... 21 Bilaga 4 Relayblock... 22 Bilaga 5 Kopplingsschema styrkort... 23 Bilaga 6 Matris_buffert... 24 Bilaga 7 AD_conv... 25 Bilaga 8 PWM_TO_DC... 26 Bilaga 9 Materiallista för styrkort... 27 Bilaga 10 Materiallista för matriskort... 28 Bilaga 11 Kretskortslayout styrkort... 29 Bilaga 12 Kretskortslayout matriskort... 30 2

1 Inledning 1.1 Bakgrund Örebro universitet driver ett projekt för distansundervisning över Internet. Interaktiva föreläsningar över Internet är redan möjliga och har testats. Ett behov fanns att även kunna göra laborationer på distans i tekniska kurser. Fördelen är att man kan göra dem hemifrån när som helst och att det därför inte behövs lika många laborationsutrustningar som när man har ett enda laborationstillfälle. Inom elektrotekniska laborationer ingår ofta mätning av olika punkter i en krets med hjälp av t ex ett oscilloskop. Problemet är att man inte fysiskt kan skifta mätpunkter på distans. Därför behövs en signalswitch som kan styras från en dator med hjälp av ett interface. Switchen skall även innehålla 2 likströmsgeneratorer som kan styras från interfacet. Det skall även finnas möjlighet att sampla en signal och visa denna i interfacet. Datorn med interfacet är sedan anslutet till Internet där användare kan logga in och fjärrstyra signalswitchen. 1.2 Uppgift Målet med detta examensarbete var att konstruera en prototyp för signalswitchen som kan styras med hjälp av en mikroprocessor. Mikroprocessorn sköter sedan kommunikationen med datorn över USB-porten. I datorn körs ett gränssnitt i LabView som visar en bild av signalswitchen, kontroller för likspänningsutgångarna och mätmodulerna. Konstruktionen skall uppfylla följande specifikationer: - Det skall finnas 4 x 10 in/utgångar I matrisen - Det skall finnas möjlighet att ansluta upp till 10 extra matriser - Varje in/utgång i matrisen ska kunna anslutas till vilken annan in/utgång som helst i matrisen - In/utgångarna ska kunna anslutas till flera in/utgångar samtidigt - In/utgångarna skall ha BNC-anslutningar - In/utgångarna i matrisen skall vara dubbelriktade - Switchmatrisen skall använda reläer för att inte belasta signalerna - Alla anslutningar till matrisen skall vara löstagbara - Det skall finnas möjlighet att skicka DC-signaler från matrisen (0-10 V, 100 ma) till testkretsen, och även att sampla signaler ( 10 V) - Switchen skall drivas med 12 V DC - Specifikation för In/utgångar: Max amplitud: 10 V Max ström: 0,1 A Kontakt resistans: <150 m Frekvens omfång: 0-10 MHz Liknande switchar finns redan men de använder oftast GPIB-bussar vilket är dyrare och inte finns som standard i en PC vilket USB gör. Dessutom behövdes en integrerad likströmsgenerator och A/D-omvandling. Inget av dessa 2 block är avsedda att ersätta externa signalgeneratorer eller oscilloskop. De är avsedda att kunna användas som enklare instrument som kan styras från interfacet. 3

2 Metoder, verktyg Konstruktion och simuleringar av kretsarna utfördes i Multisim. Design av mönsterkorten och generering av materiallistor utfördes i Ultiboard. Programmering av mikroprocessorn gjordes med hjälp av WinAVR som är en samling verktyg, innehållande bla kompilator, debugger mm. Dessutom användes USB Wizard från Atmel för att generera kod för USB-transceivern. 4

3 Genomförandet 3.1 Konstruktionen Enbart hålmonterade komponenter användes eftersom vissa komponenter, t ex reläerna, inte finns för ytmontage och endast enkelsidiga mönsterkort kan tillverkas av universitetet. På grund av begränsningar i Ultiboard delades konstruktionen upp i 2 kort. Ett styrkort som sköter kommunikationen mellan laborationskortet och switchmatriserna och som innehåller likspänningsgeneratorerna och mätmodulerna. Det andra kortet är switchmatrisen som ansluts som ett av expansionskorten. Kortet med mikroprocessorn är ett laborationskort med AVRprocessorn AT43USB355E som innehåller USB-transciever och 12 10-bitars A/Domvandlare. Detta används för att styra styrkortet som i sin tur styr switchmatrisen, likspänningsgeneratorerna och mätmodulerna. Allt enligt figur 1. 3.2 Switchmatrisen Switchmatrisen består av 48 reläer som kan slutas oberoende av varandra. BNC-anslutningar finns till matrisens ledar-rader/kolumner, kopplade enligt figur 2. Reläerna är av tungelementtyp med rutheniumbelagda kontakter för att kunna hantera små signaler. Kontaktresistansen är <150 m och garanterad last från 0-nivå till 10 VA. Att de klara last från 0-nivå innebär att de fungerar utan spänning över kontakterna. Andra typer av reläer behöver en viss spänning för att det ska bli kontakt. De är dessutom lättdrivna och har lång livslängd. Fig. 1 Blockschema för uppkopplingen. 5

Fig. 2 Switchmatris med anslutningar. 3.2.1 Switchmatriskontrollern Eftersom varje matris består av 48 reläer räcker inte processorns portar till för att styra dessa individuellt. Därför behövs minneskretsar som styrsignalerna kan lagras i. Detta löstes med hjälp av skiftregistret 74HC595 som är av typen seriell in/parallell ut. Dessa kopplades till reläerna enligt figur 3. För att styra de 48 reläerna krävs 6 skiftregister med 8 utgångar vardera. Skiftregistren har en dataingång, DS och en datautgång Q7 så att de kan seriekopplas. Varje switchmatris har en ingång för data DS, en för att klocka in data i registret, SH_CP och en för att klocka ut innehållet i registren till utgångarna, ST_CP. Dessa är anslutna till processorns portar enligt figur 3. Data från mikroprocessorns portar (A och B) klockas ut i registren. När alla data är utmatade klockas de nya styrsignalerna ut till reläerna. Alla matriskort har gemensamma dataanslutningar och anslutningar för att klocka in data. Fig. 3 Styrkretsar till switchmatriserna. 6

För att kunna välja vilket matriskort som skall använda nya data är kortens ST_CPanslutningar, anslutna till varsin pinne på processorns portar. Förutom styrsignalerna har varje matriskort även anslutningar för spänningsmatning, 12 V, 3,3 V och jord. 3.2.2 Relä & förstärkare Utgången på 74HC244 klarar inte av att driva spolen på reläet. Därför behövdes små förstärkare för att klara av detta, se figur 4. Dessa reläer med förstärkare är markerade med R i figur 3. Förstärkaren består av en småsignaltransistor BC547B, en resistor och en diod 1N4148. Spolen är på 12 V och har en resistans på 1000 k. Det betyder att en ström på 12 ma ska flyta genom spolen när reläet är tillslaget. Transistorns minsta hfe är 200 och det betyder att en ström på minst 60 A ska flyta genom basen på transistorn. I B I hfe 0,012 200 60 A CE Spänningen på ingången är 3,3 V när reläet ska vara draget. Spänningen mellan basen och emittern är ca 0,7 V. Spänningen över R1 blir alltså 2,6 V. U U U 3,3 0, 7 2,6 V R1 in BE Resistansen R1 får alltså vara max 43 k. R 1 B U R 1 I 2,6 60 10 6 43 k För att transistorn säkert ska bottna valdes en resistans på 27 k. Effektutvecklingen i transistorn blir ca 1,6 mw vilket inte kräver något kylelement. P I U 0,012 0, 12 1,6 mw Q1 ce ce För att skydda transistorn mot höga spänningar som reläspolen bygger upp kopplades en skyddsdiod D1 in som leder tillbaka strömmen om spänningen överstiger 12 V. Reläet är ej polariserat och kan monteras i valfri riktning på mönsterkortet. Fig. 4 Reläförstärkare 7

3.3 Styrkortet Styrkortet består av flera delar. Här följer en genomgång av dessa. 3.3.1 Buffertsteg Eftersom upp till 11 switchmatriser kan kopplas till styrkortet, blir det många skiftregister som skall drivas. Ett buffertsteg lades in mellan portanslutningarna och matrisanslutningarna för att skydda mikroprocessorns portar mot överbelastning. Bufferten består av 6 buffertkretsar 74HC244, se bilaga 6. 3.3.2 A/D-anslutningarna A/D-omvandlarna på laborationskortets mikroprocessor kan mäta en spänning mellan 0-3,3 V. Alltså behövdes en krets som kunde konvertera ±10 V till 0-3,3 V. Detta löstes med en spänningsdelare på ingången av en OP-förstärkare enligt figur 5. Figur 6 visar spänningen på utgången när insignalen är en sinussignal med amplituden ±10 V, 1 khz. Fig. 5 A/D-anslutningarna. 8

Fig. 6 A/D-anslutningens utspänning vid ±10 V, 1 khz insignal. Problemet med kretsen är att den ska kunna mäta negativa spänningar och OP:n har enbart positiv spänningsmatning. Därför måste signalen hissas upp över 0-nivå och detta medför att en spänning på ungefär 1,65 V alltid ligger på ingången. En kondensator på ingången skulle kunna ändra på detta men då försvinner möjligheten att mäta likspänningar. Med valda motstånd blir ingångsresistansen 813 k. R in R ( R3 R7)( R4 R5) ( R3 R7) ( R4 R5) 160 10 160 10 800 10 800 10 3 3 3 1 680 10 813 3 3 10 3 3.3.3 PWM till DC omvandlare För att få utgångar med variabel likspänning användes processorns PWM-utgångar. Dessa ger en utspänning på 3,3 V och har en frekvens på 5865 Hz. En krets konstruerades som förstärkte spänningen så att de önskade 0-10 V erhölls på utgångarna, se figur 7. Sedan filtrerades signalen genom ett lågpassfilter för att få ut en likspänning proportionell mot PWM-förhållandet. Efter det matas signalen till ett slutsteg för att klara av att leverera de önskade 100 ma. Slutsteget innehåller även ett kortslutningsskydd. 9

Fig. 7 Likspänningsgenerator För att förstärka signalen skickades den genom en OP-förstärkare U12 där spänningsförstärkningen A bestäms av förhållandet mellan resistorerna R15 och R16+R17. Potentiometern R17 skall vara inställd på 6 k. A R16 R17 R14 R16 R17 3 3 43 10 6 10 100 10 3 3 43 10 6 10 3 3 Detta förstärker 3,3 V till de önskade 10 V. Sedan skickas den förstärkta PWM-signalen genom 2 seriekopplade 1:a ordningens LP-filter. Filtrets brytfrekvens bestäms av värdet på resistorn och kondensatorn enligt följande ekvation: 1 1 f b 12,5 Hz 3 6 2 RC 2 27 10 0,47 10 De två seriekopplade filtren utgör tillsammans ett 2:a ordningens LP-filter med en brytfrekvensen 12,5 Hz. Detta ger ett maximalt rippel på 55 V och uppstår vid 5 V. Den filtrerade signalen skickas sedan till ett förstärkarsteg bestående av en OP, U14, och en effekttransistor Q3. Effekttransistorn är nödvändig eftersom utgången ska kunna driva en ström på 100 ma. Utspänningen är återkopplad till OP:n för att få en stabil spänning. Resistorn R19 stabiliserar spänningen på utgången när den är obelastad eller har en högresistiv last. 10

Fig. 8 DC-utgångens utspänning, belastad och obelastad. Kortslutningsskyddet består av transistor Q4 och resistorn R12. När en ström större än 100 ma flyter genom R3 blir spänningsfallet tillräckligt stort för att transistor Q4 ska börja leda. När detta inträffar stryps strömmen till basen på transistor Q3. Den maximala strömmen som flyter genom Q3 vid kortslutning blir enligt simulering 185 ma vid kortslutning. Detta inträffar vid kortslutning och spänningen över effekttransistorn Q3 blir då 11,3 V. Detta ger en effektutveckling på: P I U 0,185 11,3 2,1 W Q2 C CE Transistorn BD135 tål 12,5 W max vilket är fullt tillräckligt. Den bör dock förses med ett kylelement. Utspänningen skiljer inte mer än 10 mv mellan obelastad och full belastning (100 ma) mellan 0-10 V. Linjäriteten för spänningar mellan 0 och 1 V är dock inte särskilt god, se fig. 8. 3.3.4 RS232-transceivern Styrkortet är försett med en RS232-transceiver som vid behov kan användas för att anslutas till mikroprocessorn på laborationskortet. Den består av kretsen MAX202 som konverterar spänningen på mikroprocessorns portar till de ±10 V som krävs för kommunikation genom serieporten. 11

3.3.5 Spänningsregulatorn Spänningsregulatorn LE25 valdes för att konvertera 12 V till 3,3 V. Varje reläförstärkare drar 96 A på ingången. 3 I U R 2,6 27 10 96 A B R B Det finns totalt 48 reläer på kortet som kan vara tillslagna samtidigt. Total kan 11 matriser vara inkopplade vilka tillsammans drar maximalt 51 ma. 6 I N N I 11 48 96 10 51 ma MAXmatris matris relä B Varje 595-krets drar 80 A. 11 matriser med 6 kretsar vardera ger en förbrukning på 5,3 ma. 6 I TOT N I 11 6 80 5,3 ma 595 595 595 10 Den maximala totala förbrukningen blir ca 56 ma. LE25 kan ge 100 ma vilket är tillräckligt. Effektutvecklingen blir då 0,5 W. 3 P U LE I TOT (12 3,3) 56 0,5 W 25 max 10 3.4 Anslutningarna Matriskortets anslutningar är arrangerade enligt figur 9. BNC-anslutningarna är anslutna till matrisens ledarrader/kolumner enligt figur 2. Förutom dessa finns en anslutning till styrkortet som innehåller data- och spänningsmatningsanslutningar. Fig. 9 Matriskortets anslutningar. 12

Styrkortets anslutningar är arrangerade enligt figur 10. Där finns 11 anslutningar för switchmatriser. 1 för grundmatrisen J5 och 10 till för expansionsmatriserna J6 J15. J1 och J2 är anslutningar till portarna på laborationskortets processor. J3 skall anslutas till processorns A/D-omvandlare och processors PWM-utgångar. J7 behöver bara anslutas till processorn om kommunikation över serieporten önskas. Förutom dessa finns J4 för spänningsmatning och de 4 BNC-anslutningarna för A/D-ingångar och PWM-utgångar. Fig. 10 Styrkortets anslutningar. 13

3.5 Bilagor I appendix finns bilagor i följande ordning: Bilaga 1 Bilaga 2 Bilaga 3 Bilaga 4 Bilaga 5 Bilaga 6 Bilaga 7 Bilaga 8 Bilaga 9 Bilaga 10 Bilaga 11 Bilaga 12 innehåller kopplingsschemat för matriskortet där blocket Matris_4_12 ingår. innehåller kopplingsschemat för blocket Matris_4_12 viket i sin tur är uppbyggt av blocken X1-X6. innehåller kopplingsschemat för blocken X1-X6. Dessa är förutom kretsen 74HC595 uppbyggda av blocken Relayblock innehåller kopplingsschemat för blocken Relayblock. innehåller kopplingsschemat för styrkortet som förutom diverse komponenter är uppbyggt av blocken Matris_buffert, AD_conv och PWM_TO_DC. innehåller kopplingsschemat för blocket Matris_buffert. innehåller kopplingsschemat för blocket AD_conv. innehåller kopplingsschemat för blocken PWM_TO_DC. innehåller materiallista för styrkortet. innehåller materiallista för matriskortet. innehåller Mönsterkortet för styrkortet. innehåller mönsterkortet för matriskortet. 14

4 Utvärdering, analys Switchmatrisen bör fungera enligt specifikationen. Frekvensomfånget är svårt att förutse eftersom den påverkas av mönsterkortets design. Inga sådana simuleringar kan göras i Ultiboard och eftersom matrisen inte byggts på riktigt har den inte heller kunnat mätas upp. A/D-anslutningarna bör fungera bra men det kommer alltid att ligga en likspänning på ingången på ca 1,65 V. Linjäriteten i DC-steget försämras under 1 V. För att öka linjäriteten kan operationsförstärkare med symetrisk matning användas. Detta skulle även göra A/Danslutningarna bättre eftersom mätsignalen inte behöver hissas över 0-nivå. Då skulle man slippa att det ligger en likspänning på ingången. Eftersom matrisen skall kunna drivas på enbart +12 V måste i så fall en krets läggas till som gör en negativ spänning av den positiva. 15

5 Förslag på vidare arbete - Konstruera ett dubbelsidigt mönsterkort för att korta signalvägarna och minska dimensionerna på mönsterkortet. - Konstruera mönsterkortet för ytmonterade komponenter så långt som möjligt. - Förbättra linjäriteten i DC-utgångarna. - Förbättra AD-ingångarna så att ingen likspänning ligger på ingången. - Programmera ett interface för att styra switchen via en dator. 16

6 Referenser AT43USB355 Atmel Corporation http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2603.pdf LMC6044AIN National semiconductor http://www.elfa.se/pdf/73/731/07311251.pdf 74HC595 Philips Semiconductors http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/74hc_hct595_4.pdf 74HC244 Philips Semiconductors http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/74hc_hct244_3.pdf LM7805 STMicroelectronics http://www.elfa.se/pdf/73/730/07309560.pdf BD135 ON Semiconductor http://www.elfa.se/pdf/71/07103682.pdf BC547B Philips Semiconductors http://www.elfa.se/pdf/71/07105513.pdf IN4148 Philips Semiconductors http://www.elfa.se/pdf/70/07000557.pdf MAX202 Maxim Integrated Products http://www.elfa.se/pdf/73/730/07302359.pdf LE25 STMicroelectronics http://www.elfa.se/pdf/73/730/07305436.pdf DSS-4 1 A 12 SRC Devices http://www.elfa.se/pdf/37/03746211.pdf 17

7 Appendix Bilaga 1 Kopplingsschema matriskort Bilaga 2 Matris_4_12 Bilaga 3 X1 X6 Bilaga 4 Relayblock Bilaga 5 Kopplingsschema styrkort Bilaga 6 Matris_buffert Bilaga 7 AD_conv Bilaga 8 PWM_TO_DC Bilaga 9 Materiallista för styrkort Bilaga 10 Materiallista för matriskort Bilaga 11 Kretskortslayout för styrkort Bilaga 12 Kretskortslayout för matriskort 18

Bilaga 1 Kopplinsschema matriskort 19

Bilaga 2 Matris_4_12 20

Bilaga 3 X1 X6 21

Bilaga 4 Relayblock 22

Bilaga 5 Kopplingsschema styrkort 23

Bilaga 6 Matris_buffert 24

Bilaga 7 AD_conv 25

Bilaga 8 PWM_TO_DC 26

Bilaga 9 Materiallista för styrkort ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Antal Komponent Kommentar Kapsel ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 OP, LMC6042AIN DIP-8 2 OP, LMC6044AIN DIP-14 6 Logikkrets, 74HC244 DIP-20 1 transciever, MAX202 DIP-16 1 Spänningsregulator, LE25 TO-92 1 Spänningsregulator, LM7805 TO-220 2 Transistor, BD135 TO-126 2 Transisitor, BC547BP TO-92 2 Diod, 1N4148 DO-35 2 Potentiometer, 10K LIN 2 Resistor, 3.9Ohm 5% 2 Resistor, 820Ohm 5% 3 Resistor, 4.7kOhm 5% 2 Resistor, 10kOhm 5% 2 Resistor, 10kOhm 1% 4 Resistor, 27kOhm 5% 2 Resistor, 43kOhm 5% 2 Resistor, 100kOhm 5% 2 Resistor, 120kOhm 1% 2 Resistor, 150kOhm 1% 4 Resistor, 680kOhm 1% 5 Kondensator, 100nF 4 Kondensator, 470nF 5 Stiftlist, 1X2 2 Stiftlist, 2X2 11 Stiftlist, 2X3 2 Stiftlist, 2X5 1 Kontakt, DSUB9F DB9F ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27

Bilaga 10 Materiallista för matriskort ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Antal Komponent Kommentar Kapsel ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 Logikkrets,74HC595 DIP-16 48 Transistor, BC547BP TO-92 48 Diod, 1N4148 DO-35 48 RELÄ, SRC Devices DSS-4 1 A 12 48 Resistor, 27kOhm_5% 1 Stiftlist 2X3 18 BNC-anslutning för kretskortsmontage ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 28

Bilaga 11 Kretskortslayout styrkort 29

Bilaga 12 Kretskortslayout matriskort 30