AVR-LabTool 1.0 - LMT

„AVR-LabTool 1.0“
Projektpaket für das Add-on-Board „AVR-LabTool 1.0“
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Allgemeine Beschreibung
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„Digitalvoltmeter“
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„Datenlogger“
-
„Kennlinienschreiber“
-
„Funktionsgenerator“
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Inhalt
Inhalt
1. Einleitung......................................................................................................... 3
2. Technische Daten ............................................................................................ 4
3. Blockschaltung und Aufbau............................................................................. 6
4. Der Bootloader ................................................................................................ 9
5. Die Integrierte Anwendung LabTool4.10.1 ..................................................... 11
5.1. Netzteil und Multimeter ............................................................................... 12
5.2. Der Datenlogger............................................................................................ 13
5.3. Kennlinie Zweipole........................................................................................ 16
5.4. Kennlinie Transistor ...................................................................................... 17
5.5. Der Funktionsgenerator................................................................................ 18
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Einleitung
1. Einleitung
Das Projekt „AVR-LabTool“ ermöglicht in Verbindung mit einem beliebigen myAVR-Mikrocontroller-Board die
kostengünstige Realisierung verschiedener Geräte, wie sie in jedem Elektronik-Labor benötigt werden. Im Rahmen
der Ausbildung und dem Studium lässt das offene Konzept viel Raum für eigene Übungen.
In Verbindung mit einem PC über USB-Anschluss ergeben sich beispielsweise folgende Anwendungen:
-
Programmierbare Spannungsquelle von - 10V bis +10V /500mA
Digitalvoltmeter
Datenlogger / Speicheroszilloskop
Kennlinienschreiber für Widerstände und Dioden
Kennlinienschreiber für Transistoren
Funktionsgenerator
u.a.
Im einfachsten Fall ist eine Inbetriebnahme mit zwei 9-Volt-Blockbatterien (oder Akkus) und einem USB-Anschluss an
Laptop oder PC möglich.
Die Programmierung des Mikrocontrollers erfolgte mit der kostenfreien Software AVRStudio von ATMEL und die
Programmierung des PC mit C#. Die integrierte Anwendung LabTool-4.10.1 wird in diesem Script beschrieben.
Für eigene Software-Projekte werden in mehreren Kapiteln Hilfestellung und Funktionsbibliotheken dargestellt.
Der hier verwendete Mikrocontroller ist mit einem Bootloader ausgestattet. Das ermöglicht die Programmierung
ohne zusätzlichen Programmer und ohne Eingriff in das fertig gestellte Gerät.
Für den Betrieb kann jedes myAVR-Board genutzt werden (z.B. myAVR Board light, myAVR Board MK2,
mySmartControl MK2). Das hier beschriebene System verwendet mySmartControl MK2 32K mit ATmega328 bei
20MHz.
Bezugsquellen für alle Produkte finden Sie im Anhang und bei www.lmt-verlag.de .
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Technische Daten
2. Technische Daten
Versorgungsspannung:
-
+/- 9 Volt (Batterien oder Akkus) für Ausgangsspannungen bis +/- 5 Volt oder
+/-15 Volt für Ausgangsspannungen bis +/- 10 Volt
Stromaufnahme
-
ca. 20mA
USB-Anschluss
-
benötigt einen freien COM-Port am PC (Treiberinstallation erforderlich)
Ausgänge:
-
1 mal +/- 5 Volt oder +/- 10 Volt mit D/A-Wandler 12 Bit / 500mA (A1)
1 mal +/- 5Volt oder +/- 10 Volt mit D/A-Wandler 12 Bit / 5mA (A2)
1 mal TTL / 10 mA (TTL)
1 mal Präzisionsstromquelle +/- 0,01 bis +/-5 mA mit D/A-Wandler 12 Bit(I1)
Eingänge:
-
2 mal 0 bis +/- 10 Volt mit A/D-Wandler 12 Bit und Präzisionsgleichrichter (E1 und E2)
2 mal 0 bis +2,5 Volt mit A/D-Wandler 12 Bit (maximale Eingangsspannung 5Volt!) (E3 und E4)
Achtung: Ein Überschreiten dieser Grenzwerte kann zur Zerstörung des Gerätes führen!
Mikrocontroller:
-
ATmega328P bei 20MHz
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Blockschaltung und Aufbau
3. Blockschaltbild und Aufbau
Blockschaltbild:
Flashspeicher
32 MBit
Referenzspannung
2,56 Volt
0 +5V
+
0
D/A-Wandler
2-fach
+/-5V
Ausgangsstufe
0 +/-10V
500mA
Subtrahierer
0 +5V
A1
Kp=2
-
0 +5V
+
0
D/A-Wandler
2-fach
Ausgangsstufe
0 +/-10V
5mA
Subtrahierer
0 +5V
ATmega328
+/-5V
A2
Kp=2
-
SPIBus
Spannungs-/StromWandler
Präzisionsgleichrichter
A/D-Wandler
4-fach
Präzisionsgleichrichter
0 +/-5mA
I1
0
+/-10V
E1
0
+/-10V
E2
0
+2,5V
0
+2,5V
E3
E4
Die genaue Beschreibung der verwendeten Bauelemente und Programmierhinweise erfolgen in den nächsten
Kapiteln.
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Blockschaltung und Aufbau
Platinenansicht:
mySmartControl
MK2 32K
Flash-Speicher
AT45D832D
Spannungsversorgung
MCP1702 3,2V
Referenzspannung
TL431
Anschlussklemmen
Versorgungsspannung
Anschlussklemmen
Ein-/Ausgänge
Leistungsendstufe
TIP120/125
USB-Anschluss
4-fach A/D-Wandler
MCP3204
2-fach D/A-Wandler
MCP4922
4-fach -OP
TL074
Für eine ausreichende Spannungsversorgung wird das mySmartControl mit dem Spannungsmodul PowerKit V5
ausgestattet (erforderlich bei einer Spannungsversorgung mit +/- 15 Volt). Der Anschluss erfolgt an der
Versorgungsspannung V+.
Zusätzlich sind 4 LEDs vorgesehen:
-
Power-LED (rot) an +9V bzw. +15V
Record-LED (grün) an PC3 des ATmega
Transmit-LED (gelb) an PC4 des ATmega
Output-LED (rot) an PC5 des ATmega
Für den Einbau muss ein Vorwiderstand von 1kOhm verwendet werden (Unterbringung auf dem Patch-Feld des
mySmartControl).
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Blockschaltung und Aufbau
Gehäuseeinbau:
Power-LED
Reset-Taster
Record-LED
PowerKit V5
Transmit-LED
Output-LED
Frontplattenansicht:
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Blockschaltung und Aufbau
Schaltbild:
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Der Bootloader
4. Der Bootloader
Das Mikrocontrollerprogramm kann mit Hilfe des installierten Bootladers ohne Programmer und ohne Öffnen des
Gerätes in den Programmspeicher übertragen werden. Alternativ kann die Programmierung auch über die ISPSchnittstelle und einem passenden Programmer (z.B. mySmartUSB light) erfolgen.
Für die Programmierung über die USB-Schnittstelle muss der Treiber für den virtuellen COM-Port installiert sein.
Außerdem wird das Programmiertool myAVR_ProgTool benötigt (Alle Downloads kostenlos im Shop bei
www.myavr.de ).
Schließen Sie das Gerät an den USB-Port an und starten Sie myAVR_ProgTool.
Wählen Sie unter Hardware myAVR Bootloader und den Controller ATmega328P und testen Sie die Verbindung
(Button ‚?‘). Betätigen Sie kurzzeitig den Reset-Taster und schließen Sie das Info-Fenster wieder.
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Der Bootloader
Wählen Sie als nächstes den Menüpunkt ‚Brennen‘ und wählen Sie unter ‚Suchen…‘ die erforderliche *.hex-Datei mit
dem Maschinenprogramm.
Mit dem Button ‚Brennen(F5)‘ und kurzzeitiger Betätigung des Reset-Tasters wird das Programm übertragen.
Die Stromversorgung während der Programmierung erfolgt über den USB-Anschluss.
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Die integrierte Anwendung LabTool4.10.1
5. Die integrierte Anwendung LabTool4.10.1
Die Anwendung lässt sich direkt von CD oder USB-Stick ohne Installation starten.
Wählen Sie den installierten COM-Port und die gewünschte Baudrate (Voreinstellung ist 19200Bd). Die
Versorgungsspannung kann +/- 9 Volt oder +/- 15 Volt sein. Bei der Wahl von 9 Volt sind alle Ausgangsspannungen
auf 5 Volt begrenzt.
Bei jedem Formular ist ein Test-Button für einen Verbindungstest vorhanden. Bei Erfolg wird die Firmware-Version
gemeldet.
In dieser Version stehen 5 verschiedene Geräte zur Auswahl. Die Handhabung wird in den folgenden Kapiteln
beschrieben.
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Netzteil und Multimeter
5.1 Netzteil und Multimeter
Das Multimeter gestattet die gleichzeitige Messung von 4 analogen Eingängen. Außerdem lassen sich die Ausgänge
UA1, UA2 und I1 (Präzisionsstromquelle) programmieren.
Die Eingänge E1 und E2 sind über Präzisionsgleichrichter für Spannungen von 0…+/- 10 Volt ausgelegt. Die Eingänge
E3 und E4 ermöglichen Messungen von 0…+2,5 Volt (maximale Eingangsspannung 5 Volt!). Mit den entsprechenden
CheckBoxen können die Eingänge gewählt werden.
Der Ausgang UA1 liefert eine Spannung von 0…+5 Volt (bzw. 0…+10 Volt) mit einem Maximalstrom von 500 mA und
der Ausgang UA2 eine Spannung von 0…+5 Volt (bzw. 0…+10 Volt) mit einem Strom von 5 mA. Der Ausgangsstrom I1
hängt von der an UA2 gewählten Ausgangsspannung ab. Mit der CheckBox ‚während Messung ein‘ lassen sich die
Ausgangswerte entweder dauerhaft einstellen oder nur während der Messung einschalten. Die Messung wird mit
der Befehlsschaltfläche ‚Messen‘ gestartet.
Die Ausgangsgrößen lassen sich mit den Befehlsschaltflächen ‚Ein‘ und ‚Aus‘ dauerhaft einschalten. Eine Änderung
der Werte erfolgt erst, wenn erneut aus- und eingeschaltet wird.
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Der Datenlogger
5.2 Der Datenlogger
Der Datenlogger gestattet die Aufzeichnung von Spannungsverläufen in Abhängigkeit von der Zeit. Die
Eingangsspannung kann wahlweise an einem der 4 Eingänge E1 bis E4 (CH1…CH4) angelegt werden.
Der zeitliche Abstand zwischen den Messungen wird durch die Sample-Zeit festgelegt. Die Sample-Zeit beträgt
0,1…200ms.
Die Aufnahmedauer beträgt 1…1000 Sekunden. Die Anzahl der Messwerte ist die Aufnahmedauer geteilt durch die
Sample-Zeit.
Während der Messung kann wahlweise an dem Ausgang A1 eine Dauerspannung oder ein PWM-Signal ausgegeben
werden. Die Amplitude der Ausgangsspannung ist von 0…+5 Volt (bzw. 10 Volt) frei wählbar. Ist die Option ‚PWM
ein‘ aktiviert kann ein PWM-Signal mit einer wählbaren Ein-/Ausschaltdauer von 0,01…500 Sekunden eingestellt
werden. Die Anzahl der Impulse kann 0…250 betragen.
Mit der Befehlsschaltfläche ‚Record‘ wird die Aufzeichnung gestartet. Die gemessenen Werte werden im Flash
gespeichert. Die Record- und Output-LEDs leuchten. Nach Beendigung der Messung können die Werte mit der
Befehlsschaltfläche ‚Flash lesen‘ zum PC übertragen und in der Grafik angezeigt werden.
Für Dokumentationszwecke stehen umfangreiche Grafik-Export-Funktionen (Speichern in CSV- oder EMF-Datei,
Zwischenablage als BMP-Datei) und Druck-Funktionen zur Verfügung.
Beispiel 5.2.1: Auf- und Entladung eines Kondensators
Bild 5.2.1:
- 13 -
Der Datenlogger
Bild 5.2.1 zeigt die notwendigen Einstellungen:
-
PWM - ein - / Einschaltdauer 5s, Ausschaltdauer 5s, Impulsanzahl 1
Aufnahmedauer 10s
Sample-Zeit 10,0ms
A/D-Kanal CH2 (E2)
Bild 5.2.2: Schaltung
100k
A1
A2
I1
E1
AVR-LabTool
Um
E2
E3
10µF
E4
Beispiel 5.2.2: Aufladung eines Kondensators mit PWM-Signal
Die Aufladung eines Kondensators erfolgt durch ein PWM-Signal mit der Einschaltdauer 0,6s und der Ausschaltdauer
0,4s. Die Messung erfolgt mit 5 Impulsen.
Bild 5.2.3 zeigt die Schaltung. Bild 5.2.4 zeigt die Messung des PWM-Signales an E1 und Bild 5.2.5 die
Kondensatorspannung an E2.
Bild 5.2.3: Schaltung:
100k
A1
A2
I1
E1
AVR-LabTool
E2
Um
E3
E4
10µF
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Der Datenlogger
Bild 5.2.4
Bild 5.2.5
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Kennlinie Zweipole
5.3 Kennlinie Zweipole
Zur Kennlinienaufnahme wird am Ausgang A1 eine Treppenspannung erzeugt, welche von 0 Volt um ΔU erhöht wird
bis Umax erreicht wird. Zur Strommessung liegt ein frei wählbarer Widerstand Rm in Reihe zum Bauelement . Nach
jeder Erhöhung wird Strom und Spannung gemessen so dass die Funktion I=f(U) dargestellt werden kann.
Um z.B. das Rauschen bei der Messung zu eliminieren kann die Anzahl der Messungen mit Spp (Samples per Pixel)
erhöht werden. Aus den gemessenen Werten pro Pixel wird der Mittelwert gebildet.
Mit der Befehlsschaltfläche ‚Messen‘ wird die Messung gestartet.
Beispiel 5.3.1: Kennlinie einer Diode
100
A1
A2
I1
E1
AVR-LabTool
E2
Um
E3
E4
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Kennlinie Transistor
5.4 Kennlinie Transistor
Ergänzend zu der Aufnahme der Kennlinien von Zweipolen wird am Ausgang I1 ein Konstanstrom für die Basis des
Transistors ausgegeben.
Bei NPN-Transistoren sind Ausgangsspannung und Basisstrom positiv und bei PNP-Transistoren negativ.
Der Basisstrom wird mit Ibmin festgelegt. Eine Kennlinienschar wird erzeugt durch Angabe der Kennlinien-Anzahl (KZahl) und dem Inkrementwert des Basisstromes ΔIb.
Beispiel 5.4.1: Kennlinienschar eines NPN-Transistors
Schaltung:
1 00
A1
A2
I1
E1
AVR-LabTool
E2
E3
Um
BC547
E4
Einstellungen:
- 17 -
Der Funktionsgenerator
5.5 Der Funktionsgenerator
Der Funktionsgenerator liefert an Ausgang A1 wahlweise ein Sinus-, Dreieck- oder Rechtecksignal. Sinus- und
Dreiecksignal werden durch den D/A-Wandler approximiert.
Einstellbare Werte:
-
Vss
Uoff
Werte
ΔT
Tan/T
Te
Ta
Spitze-Spitze-Spannung
Offset-Spannung
Anzahl der Approximationswerte
Zeit zwischen zwei Werten; die Periodendauer ergibt sich aus dem Produkt von Werte mit ΔT
Verhältnis von Anstiegszeit zur Periodendauer der Dreiecksspannung in Prozent
Einschaltdauer des Rechtecksignales
Ausschaltdauer des Rechtecksignales
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Der Funktionsgenerator
Beispiele:
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