Fyzikální kabinet FyzKAB

(Základní Ovládání Modulu Bežným Internetovým Experimentem)

Motivace

Častým problémem připojení reálného experimentu k PC, ať již z důvodů tvorby internetově řízeného experimentu nebo jiných, je problém čidel. Ne vždy požadujeme měřit elektrické napětí v rozsahu, který náš měřicí interface zvládá, ne vždy jsme schopni v různých „domácích“ řešeních udržet reprodukovatelnost stavby či přesnost samotného měření. Než se pouštět do vývoje a stavby různých převodníků (a rovnou si řekněme, že zejména u různých neelektrických veličin to může být problém), je asi lepší se poohlédnout, zda někde již tento problém není vyřešen. A právě jedním z možných „poohlédnutí“ je využití měřicích modulů školní experimentální sady ISES. Výhod je hned několik. Čidla se dají stále sehnat a tedy i nadále dokupovat. Na řadě škol je systém ISES k dispozici a tak z něj lze hned moduly využít bez nějakých zbytečných startovních nákladů. A zatřetí na řadě škol je sada ISES k dispozici, ale protože se jedná o starší verzi tohoto systému postaveného na měřicí kartě pro ISA sběrnici, je k dnešnímu PC nepřipojitelný a tedy často leží nevyužitý někde ve skříni. Proč tedy tuto „mrtvolu“ aspoň z části neoživit a nevrátit ji zpět do hry aspoň v podobě ZOMBIE!

ISES – ZOMBIE

Systém ISES-ZOMBIE (tedy Základní Ovládání Modulů Běžným Internetovým Experimentem) si právě dává za cíl, jak sám název říká, využít již nepotřebné zbylé moduly systému ISES pro tvorbu jednoduchých internetových experimentů, tedy reálných fyzikálních experimentů ovládaných přes internet. Na naší škole máme s vytvářením vzdálených internetových experimentů již několikaletou tradici, v rámci které jsme vyřešili připojení fyzikálních experimentů k PC přes univerzální experimentální USB desku K8055 (popř. K8055N). Popis a jednotlivé parametry této experimentální desky lze dohledat přímo na stránkách výrobce (fa Velleman), nebo na stránkách naší vzdálené internetové laboratoře (http://remote-lab.fyzika.net/).

Je tedy jasné, že chceme navázat na naši již vyvinutou koncepci a řešením ISES-ZOMBIE budeme řešit právě připojení modulů ISES ke kartě K8055. Konkrétně nám půjde o připojení vstupních analogových ISES modulů (ampérmetr, tenzometr, teploměr…) k analogovým vstupům desky K8055. Na druhou stranu si uvědomujeme, že je dnes mnoho jiných možností, jak spojit reálný experiment k řídicímu PC. Snahou tedy bude navrhnout řešení, které půjde okamžitě použít i pro jinou koncepci – kupříkadu připojit k dnes hojně využívanému modulu Arduinu (viz obr. 4 na konci článku).

Zatímco USB deska K8055 (či modul Arduino) využívá pro svůj provoz jen napětí +5 V, které má k dispozici přímo z USB portu, moduly systému ISES pracují s nejen napětím +5 V, ale i se symetrickým napětím ±12 V. Takové napětí na USB konektoru ani na celé experimentální desce nenajdeme, musíme tedy řešit napájení modulů externím zdrojem nebo je možné si jej vytvořit pomocí nějakého DC-DC měniče. Protože proudový odběr modulů na těchto napětích není příliš veliký, zvolili jsme u našeho zapojení ISES-ZOMBIE řešení s DC-DC měničem.

Schéma zapojení ISES-ZOMBIE

Úkolem celé stavby bylo především vytvořit co nejjednodušší spolehlivý DC-DC měnič z +5V na symetrické napětí ±12 V s proudovou zatížitelností cca 30-40 mA na každé větvi. K tomuto nakonec velmi dobře posloužil kompaktní DC-DC měnič A0512S-2WR2 firmy Mornsun^®, který na výstupu poskytuje až 80 mA. Lze jej tedy využít dokonce pro moduly dva. Tím pádem máme vyřešeno napájení ISES modulů hned pro oba zamýšlené analogové vstupy experimentální desky. Zvolený DC-DC měnič je „v rozumné“ cenové relaci (i když cena velmi záleží na prodejci!) a díky jednoduchému celkovému zapojení s minimem externích součástek je přímo předurčen pro naše využití. Schéma DC-DC měniče a tedy i celého řešení ISES-ZOMBIE zachycuje následující obrázek 1.

Obrázek 1 - Schéma elektronické části interface ISES-ZOMBIE

Zapojení DC-DC měniče vidíme ve spodní části. Vstup napájecího napětí je osazen LC filtrem složeným z dvojice kondenzátorů 4,7 μF a cívky 6,8 μH (hodnoty zvoleny dle datového listu měniče). Výstupy symetrických napětí jsou osazeny kondenzátory 1 μF a dvojicí LED, které slouží nejen k signalizaci napětí ±12 V, ale i zajišťují potřebný minimální proudový odběr měniče. Napětí +5 V, ±12 V a dvojice analogových vstupů použité experimentální desky jsou pak připojeny na dvojici patnácti pinových konektorů Canon, do kterých se mohou přímo zasunout až dva moduly ISES.

Pro lepší pochopení celého propojení desky K8055 (či modulu Arduino) a modulů ISES v následující tabulce 1 uvádím popis jednotlivých pinů připojovacího konektoru Canon 15 řídicího panelu systému ISES (tak, jak jsem popis našel na internetu).

Přímo z tabulky, či přímo ze schématu, vidíme, že napájecí napětí +5 V vedeme rovnou na pin č. 7, symetrické napětí ±12 V pak na pin 13 a 14. Analogový signál (0 až 5 V) z modulů (pin č. 1) vedeme přímo na analogové vstupy A1 a A2 měřicí desky (K8055, Arduino, …). Zbylá propojení DC-DC převodníku, USB desky K8055 a ISES modulů jsou společné zemnicí signály (napájecí a signálové).

Naopak si všimněme, že v rámci našeho zapojení vůbec neřešíme adresu modulu, která jinak slouží pro automatickou identifikaci modulu a jeho nastaveného aktuálního rozsahu. Nečiníme tak proto, protože to nepotřebujeme. Předpokládáme totiž, že tvůrce vzdáleného experimentu (pro jehož tvorbu toto celé řešení děláme) bude vědět, že připojený modul je např. teploměr a jaký má rozsah. Cílem našeho řešení nebylo vytvořit z karty K8055 plnohodnotnou náhradu rozhraní ISES Control Panel, ale jen vyřešit, jak načítat výstupní analogový signál z ISES modulů. Zbytečné zabývání se identifikací modulů či jejich rozsahy, by zbytečně obsazovalo digitální vstupy USB desky K8055, které se nám jinak hodí pro jiné účely – např. pro řízení zkoumaného reálného experimentu.

Obrázek 2 – Realizované zapojení ISES-ZOMBIE při prvních testech

Celé zapojení bylo navrženo tak, aby jej bylo možné „sendvičově“ přišroubovat k desce K8055, se kterou by mělo tvořit jeden celek, a zároveň by sloužilo i jako místo pro připojení dvojice ISES modulů. Osazení desky ISES-ZOMBIE s připojenými moduly ISES zachycuje obrázek č. 2. Pro názornost ještě není deska plošného spoje zařízení ISES-ZOMBIE (vpravo) přišroubována pod USB desku K8055 (vlevo).

Úprava USB desky K8055

Na originální experimentální USB desce K8055 (popř. K8055N) není nikde napájecí napětí +5 V vyvedeno. Za účelem získání tohoto napětí pro napájení modulu ISES-ZOMBIE si desku K8055 můžeme drobně upravit nebo je možné upravit připojovací USB konektor, ze kterého lze potřebné napětí „vytáhnout“. My jsme zvolili možnost první, tedy úpravu desky. Je to sice zásah do desky, ale jeho rozsah je tak malý, že poškození desky, která je stejně dodávána jako stavebnice, asi nehrozí. Mezi indikační LED a USB konektorem je oblast, kde je vedeno napětí +5 V poblíž nulového potenciálu celé desky. Z daného místa je v původním návrhu dokonce navržena poměrně dlouhá drátová spojka, která přivádí napětí +5 V na střed desky k tamním integrovaným obvodům. Poblíž toto místa navrtáme do DPS dvojici otvorů pro připojení malé šroubovací wago svorkovnice. Jeden kontakt do vodivé oblasti +5 V, druhý do GND. V místě otvorů stačí na straně spojů odškrabat kousek krycí nepájivé masky, kterou je DPS opatřen, a zapájet svorkovnici do odkryté mědi. Tím získáme výstup potřebného napájecího napětí – viz obrázek č. 3. V případě novější USB desky K8055N je sice layout desky trochu jiný, ale obdobným způsobem najdeme podobné místo, kde lze svorkovnici doplnit. Propojovací napájecí vodič mezi deskami K8055 a ISES-ZOMBIE (popř. samotnou desku ISES-ZOMBIE), lze ještě doplnit o tavnou pojistku, která by chránila napájecí napětí +5 V proti případnému zkratu.

Obrázek 3 – Vyvedení napájecího napětí +5 V z USB desky K8055

Závěr

Výše popsaným způsobem jsme získali připojení modulů školního experimentálního systému ISES k univerzální experimentální USB desce K8055(N). Kombinace využití měřicích ISES modulů (zejména neelektrických veličin) a jednoduchost ovládání karty K8055 otvírá možnost ke stavbě jednoduchého počítačem řízeného experimentu. Výše popsaný způsob lze modifikovat i pro připojení k jiným řídicím systémům, např. k modulu Arduino, Raspberry Pi apod. Otvírá se tak možnost přímého využití při výuce, stavby vzdáleného internetového experimentu nebo v různých jiných (studentských) projektech (SOČ, Technická olympiáda…).

Obrázek 4 – Připojení ISES modulů pomocí ISES-ZOMBIE k modulu Arduino

Doplněk:

Deska plošného spoje

Obrázek 5 – Deska plošného spoje (100 mm × 64 mm) a její osazení

Seznam součástek