Projektarbeit
Werbung
Aufgabenstellung Projektarbeit Entwurf und Implementierung eines Mikrocontrollerbasierten Systems zur kollisionsfreien RFID-TagErkennung Hochschule Emden-Leer Betreuer: Dipl.-Ing. Harald Buss Prof. Dr. -Ing. Dirk Rabe Jörg Bussen Elektrotechnik Vertiefung Automatisierungstechnik Stefan Woltmann Elektrotechnik Vertiefung Automatisierungstechnik 31.08.2014 0 Erklärung zu Nutzungsrechten: Wir, Stefan Woltmann und Jörg Bussen, übertragen die vollen Nutzungsrechte für alle eingereichten Unterlagen dieses Projektes an die Hochschule Emden/ Leer und deren Angehörigen. Dies gilt auch für die Weitergabe an Medien, die Veröffentlichung im Internet und die Nutzung im Rahmen öffentlicher Vorträge, Präsentationen und ähnlichem. eidesstattliche Erklärung: Hiermit versichern wir, Stefan Woltmann und Jörg Bussen, dass wir die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt haben, dass alle Stellen der Arbeit, die wörtlich oder sinngemäß aus anderen Quellen übernommen wurden, als solche kenntlich gemacht sind und dass die Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegt wurde. Emden, den 31.08.2014 _____________________________ ________________________________ Inhaltsverzeichnis 1. Aufgabenstellung ......................................................................................................................................................1 1.1 Entwicklungsgeschichte ..............................................................................................................................2 1.2 Einleitung ...........................................................................................................................................................3 2. Anforderungen an das System (HITAG S) ......................................................................................................4 3. Analyse der bestehenden Anlage .......................................................................................................................8 3.1 Analyse der Einschaltzeit...............................................................................................................................8 3.2 Analyse der Nachschwingzeit ......................................................................................................................9 4. Elektrische Realisierung ..................................................................................................................................... 10 4.1 Untersuchung der Nachschwingzeiten ............................................................................................... 10 4.1.1 Variante 1: Freischalten des Schwingkreises ................................................................................. 11 4.1.2 Variante 2: Trennen des Schwingkreises zwischen Spulenantenne und Kondensator 12 4.1.3 Variante 3: Kurzschließen der Spule .................................................................................................. 14 4.1.4 Variante 4: Parallelschalten eines ohmschen Widerstands ...................................................... 15 4.1.5 Variante 5: Hybridtyp: Freischaltung und Parallelschaltung eines Widerstandes zur Spule ........................................................................................................................................................................... 16 4.1.6 Variante 6: Hybridtyp: Freischaltung und Kurzschluss der Spulenantenne ..................... 18 4.1.7 Variante 7: Spule gegen Masse schalten ........................................................................................... 19 4.1.8 Variante 8: Spule über einen Widerstand gegen Masse geschaltet ....................................... 21 4.1.9 Fazit zur Untersuchung der Nachschwingzeiten: ......................................................................... 22 4.2 4.2.1 Untersuchung der Einschwingzeiten................................................................................................... 23 Untersuchung des Einschwingvorganges mit PSpice .............................................................. 23 4.2.1.1 Verstärkung der PWM .......................................................................................................................... 25 4.2.2 Maßnahmen zur Verbesserung der Einschwingzeit ................................................................ 26 4.2.2.1 Verbesserung durch Bedämpfung des Schwingkreises und Erhöhung der Betriebsspannung von 9V auf 20V: ................................................................................................................ 26 4.2.2.2 Verbesserung durch Bedämfung, Betriebsspannungserhöhung und Entfernung des Kondensators C6: .................................................................................................................................................. 27 4.2.2.3 Änderungen der Bedämpfung und somit der Spannungsamplitude: ............................... 27 4.2.2.4 Verbesserung der Einschaltzeit durch zwischengeschalteten Verstärker, Ub=15V und Bedämpfung: .................................................................................................................................................. 29 4.2.2.5 Verbesserung durch zwischengeschalteten Verstärkerstufe, Ub = 20 V und Bedämpfung: ........................................................................................................................................................... 31 4.2.2.6 Fazit zur Untersuchung der Einschwingzeit: .............................................................................. 31 4.3 Entwicklung eines doppelten Antennensystems............................................................................ 32 4.3.1 Softwareänderung zur Synchronisation auf das Eingangssignal mit der provisorischen Empfangsantenne .................................................................................................................. 32 4.3.2 Einsatz einer großen Empfangsantenne .................................................................................. 34 4.3.3 Verschiedene Betriebsarten der Dual-Antennen .................................................................. 35 4.4 Motortreiber zum Betreiben der Sendespule .................................................................................. 37 4.4.1 Die Bootstrap-Versorgung [6, S.3]....................................................................................................... 40 4.4.2 Fehlersuche auf der provisorischen Platine.................................................................................... 42 4.4.3 Problem der hohen Empfindlichkeit gegenüber Spannungsspitzen am MotortreiberICs ................................................................................................................................................................................ 42 4.4.4 Aufwärtswandler ........................................................................................................................................ 43 4.5 Untersuchung des Einschwing- und Nachschwingverhaltens bei dualem Spulenbetrieb mit Motortreiber-Ansteuerung ............................................................................................................................ 44 5. Inbetriebnahme...................................................................................................................................................... 47 5.1 Tests mit der fertigen Platine im Zusammenspiel mit der Kommunikationssoftware .. 47 5.1.1 Abschaltung der Versorgungsspannung für das Motortreiber-IC ......................................... 48 5.1.2 Abschlussarbeiten ...................................................................................................................................... 49 5.1.3 Endergebnis .................................................................................................................................................. 53 6. Erstellen des Platinen-Layouts mit EAGLE ................................................................................................. 54 7. Meilensteintrendanalyse und Projektverlauf ............................................................................................ 58 8. Anschluss der provisorischen Platine........................................................................................................... 59 9. Fazit ............................................................................................................................................................................. 61 10. Ausblick und Empfehlungen ........................................................................................................................ 62 Danksagung ....................................................................................................................................................................... 63 Literaturverzeichnis .......................................................................................................................................................... I Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................................................... II Tabellenverzeichnis ........................................................................................................................................................ IV Aufgabenstellung 1. Aufgabenstellung Im Rahmen dieser Projektarbeit wird die Entwicklung, bzw. Erweiterung eines im Schwimmsport einsetzbaren Zeitmesssystems beschrieben. Zur Zeiterfassung in Freischwimmveranstaltungen ist es üblich, dass jede/r Teilnehmer/in einen oder zwei Transponder am Handgelenk trägt. Ab dem Startsignal wird dann die Zeit gemessen, bis der Schwimmer im Ziel an eine Anschlagtafel mit dem Transponder anschlägt. Abbildung 1 Zeitmesssystem bei einem Freischwimmerwettkampf [1, S. 9]. Es wird mithilfe der RFID-Technik (Radio Frequency Idendification) das Auslesen von Transpondern ermöglicht. Die Übertragung der Daten geschieht mittels Modulation eines magnetischen Feldes, welches vom Lesegerät erzeugt wird und vom Transponder (Tag) beeinflusst wird. Jeder Transponder enthält einen einzigartigen, eindeutigen Identifikationscode. Der Transponder muss dazu in die unmittelbare Nähe der Antenne eines Lesegerätes gebracht werden [1, S. 5]. Inhalt dieser Projektarbeit ist die Verbesserung und Erweiterung einer bestehenden Anlage. Die Anlage, die im Rahmen einer Bachelorarbeit mit dem Titel „Entwurf und Implementierung eines Mikrocontroller basierten Systems zur Verarbeitung und Datenübertragung von RFID TransponderDaten“ von Herrn Brunner angefertigt wurde, sollte das Erkennen mehrerer Schwimmer gleichzeitig möglich machen (siehe Abbildung 1). Herr Brunners Ansatz, mehrere Antennen gleichzeitig zu betreiben, ist aufgrund der gegenseitigen Störung dieser Antennen untereinander nicht zu einer abschließenden Lösung gekommen. Um dieses Problem zu umgehen wird eine Einzel-AntennenLösung gefordert. Hierzu muss ein kollisionsfreies Erkennen der Tags möglich gemacht werden. Denn bei einer Verwendung von zwei oder mehr herkömmlichen Tags, die gleichzeitig in das Feld gehalten wurden, kam es immer wieder zu Datenkollisionen. Das hatte zur Folge, dass gar keiner der Tags 1 Aufgabenstellung mehr ausgelesen werden konnte. Erst wenn nur ein einzelnes Tag an die Anschlagtafel gehalten wurde war das Auslesen wieder möglich. Das Ziel war es also an dieser Stelle Abhilfe zu schaffen und eine kollisionsfreie Erkennung mehrerer Tags in einem Anschlagfeld zu ermöglichen. Im vorliegenden Bericht wird das gesamte Vorgehen umfassend vorgestellt. Zunächst wird die Ausgangssituation untersucht und das bisherige Einwirken vorheriger Projekt- und Bachelorarbeiten beschrieben. Des Weiteren werden die durchgeführten Untersuchungen, Verbesserungsansätze und Problemstellungen detailliert beschrieben. Anschließend erfolgen eine Ergebniszusammenfassung, sowie ein Ausblick mit Empfehlungen für Folgearbeiten. 1.1 Entwicklungsgeschichte Die bereits erwähnte Bachelorarbeit mit dem Titel „Entwurf und Implementierung eines Mikrocontroller basierten Systems zur Verarbeitung und Datenübertragung von RFID TransponderDaten“ von Herrn Brunner [1] basiert auf den Erkenntnissen aus der Bachelor- und Projektarbeit von Herrn Boomgaarden mit dem Titel „Weiterentwicklung eines kontroller-basierten Systems zur Datenerfassung per RFID“. Der Anlagenaufbau, so wie er von Herr Brunner beschrieben wird, bildet somit den Basisaufbau für Erweiterungen. Anlässlich der Untersuchungen zur Projektarbeit „RFID-Transponder zur parallelen Zeiterfassung“ [2] hat Herr Köhlenbeck sich für einen Tag-Typen entschieden welcher eine Colission-Detection ermöglichen kann. Die Wahl ist auf den HITAG S-Transponder von Philips gefallen, welcher für uns den Maßstab für die Anforderung an das System darstellte. Eine ausführliche Analyse des HITAG STags folgt in Abschnitt 3. In Zusammenarbeit mit der Projektgruppe der Technischen-Informatik wurden die Aufgaben in eine Software- und eine Hardwarelösung zur kollisionsfreien Erkennung der Tags aufgeteilt. Außerdem war es Aufgabe der Projektgruppe die gesamte Anlage auf mehrere Knoten zu verteilen und die Wettkampfergebnisse in einer Online-Datenbank abzulegen. Die Entwicklung der Hardwarelösung zur kompromisslosen Ansteuerung der Spulenantenne war Teil dieser Projektarbeit. Im Anschluss daran hat sich Herr Pleis, im Zuge seiner Projektarbeit, dem Problem der Softwaretechnischen Lösung zur kollisionsfreien Erkennung der Tags angenommen. Im weiteren Zusammenwirken mit ihm wurde eine Hardware-Schaltung entwickelt, die die Anforderungen der HITAG S-Tags einhält. 2 Aufgabenstellung 1.2 Einleitung Zu Beginn dieser Arbeit war eine intensive Vorbereitung, wie Einlesen in die vorhandenen Arbeiten von Herrn Brunner und Herrn Boomgaarden sowie eine Analyse des vorhandenen Systems, nötig gewesen. Grundlagen zum magnetischen Feld und zur analogen Schaltungstechnik mussten angeeignet bzw. aufgefrischt werden. Um festzustellen in welcher Form Veränderungen vorgenommen werden müssen, wurde zuerst eine Bestandsaufnahme des Basisaufbaus vorgenommen. Um das Ziel einer kollisionsfreien Erkennung zu erreichen, war eine CollissionDetection von Nöten. Als Alternative wäre auch die Weiterentwicklung von mehreren kleinen Antennen möglich gewesen. Bei einer Collision-Detection mit dem HITAG S ist es erforderlich die einzelnen Tags „anzusprechen“ und nicht nur wie bisher „zuzuhören“. Um diese beidseitige Kommunikation zu ermöglichen muss die Amplitude der Sendeantenne ein- und ausgeschaltet werden. Dadurch können einzelne Tags, im Erkennungsbereich, vorübergehend Stummgeschaltet werden. Damit die logischen Signale, die von der Sendespule gesendet werden, klar erkennbar sind müssen die im Datenblatt vorgegebene Ein-und Ausschaltzeiten eingehalten werden. Alle Umbaumaßnahmen basieren auf dem von Herrn Brunner gefertigten ATmega Board „RFIDReader 1.0“ mit NF-Verstärker und Demodulationsstufe. Eine Änderung musste nur an dem NFVerstärker vorgenommen werden, um die Demodulation auch für andere Tag-Typen, wie den HITAGS, als dem von Herrn Brunner verwendeten Typ 4102 zu ermöglichen. Der Stand der NF-Verstärkers von Herrn Brunner war noch nicht in der Lage die erforderlichen Zeiten, die zum ansprechen der HITAG-S benötigt werden, einzuhalten. Da im Verlauf der Arbeit Probleme mit dem rechtzeitigen Feldaufbau, sowie einem zu langen Nachschwingen der in Resonanz versetzten Antenne aufgetreten sind, ist ein Umbau bzw. eine andere Realisierung nötig gewesen. Hierfür wurde die Antenne in zwei Teile aufgeteilt, eine Sendespule mit einer kompromisslosen und schnellen Ansteuerung zum schnellstmöglichen Auf- und Abbau des Felds sowie eine Empfangsspule mit einer erhöhten Empfindlichkeit beim passieren/streifen von Tags. Diese als duale Spulenantenne bezeichnete Anordnung in Kombination mittels eines Motortreibers war letztendlich zielführend in unserem Projekt. Anschließend waren noch einige Tests und kleinere Modifikationen an der provisorischen Platine notwendig gewesen, bevor die Schaltung zur Ansteuerung der Antenne mit EAGLE gezeichnet werden konnten. 3 Anforderungen an das System (HITAG S) 2. Anforderungen an das System (HITAG S) Um die Anforderungen zu bestimmen, muss man sich zuerst klar machen, welche Situation im Schwimmwettbewerb auf das Antennensystem zukommt. Bei einem solchen Wettbewerb können durchaus mehrere Schwimmer zur annähernd gleichen Zeit im Ziel ankommen. Als Voraussetzung wird im Extremfall von 5 Schwimmern gleichzeitig ausgegangen. Diese Schwimmer müssen alle im Zeitraum des Anschlagens auf der Anschlagtafel gleichzeitig erkannt und aufgenommen werden. Innerhalb von einer halben Sekunde sollten 5 Schwimmer an einer großen Anschlagtafel anschlagen können. Dies ist ohne eine Kommunikation unter den einzelnen Transpondern nicht möglich, denn die Problematik der bisherigen Projekte besteht darin, dass sich die Transponder stören, wenn sie sich zu der gleichen Zeit im Anschlagfeld der Antenne befinden. Es kann also keine Zeit aufgenommen werden, wenn zwei oder mehr Schwimmer gleichzeitig ihre Transponder an dieselbe Antenne Anschlagtafel halten. Die Aufgabenstellung erwartet einen Transponder, der diese Situation beherrschen kann bzw. mit dem es möglich ist, dieses Problem zu beheben [2, S.4]. Die Projektarbeit mit dem Thema „RFID-Transponder zur parallelen Zeiterfassung“ von Timo Köhlenbeck hat sich mit dieser Problematik bereits befasst und ist zu dem Schluss gekommen das die HITAG S Transponder durch ihre Antikollisionsmethode geeignet sind. Diese Antikollisionsmethode bzw. „Colission-Detection“ benötigt auch eine gewisse Zeit, um die sich im Feld befindenden Transponder anzusprechen und auszusortieren. Die parallel laufende Projektarbeit von Herrn Pleis hat sich mit diesem Thema genauer auseinander gesetzt und ist zu diesem Schluss gekommen: Sendezeit 1 Bit = 64 * T0 = 64 * 8 µs = 512 µs Sendezeit des Tags = 32 Bit = 32 * 512 µs = 16,384 ms Ansprechen des Tags = 1 ms Puffer bis der Tag senden kann = 1,66ms Komplette Kommunikation mit einem Tag= 16,384 ms + 1 ms + 1,66 ms = 19,044 ms Wenn innerhalb dieser 19,044 ms ein weiterer Tag das Feld betritt kommt die Colission Detection zum Einsatz, dabei werden dann alle bisher empfangenden Bits nochmal gesendet. Was im schlimmsten Fall noch einmal 16,384 ms zu Folge hätte. In diesem Zeitraum könnten erneut Tags das Feld betreten sodass der erste bis zu 5 Mal sein Bitmuster verschicken müsste. Dies bedeutet eine 4 Anforderungen an das System (HITAG S) Gesamtzeit von 95,22 ms, die im schlimmsten Fall für die Erkennung eines Tags nötig wären. Bei 5 Tags würde sich diese Zeit auf 476 ms summieren. Diese Zeit von knapp unter einer halben Sekunde mag zwar keine Probleme beim eigentlichen Erfassen von Schwimmern bereiten, sie könnte aber die aufgenommene Zielzeit des Schwimmers um genau diesen Wert verschlechtern. Eine Messgenauigkeit von wenigen Zehntel-Sekunden ist nur einhaltbar, wenn sich ein Schwimmer innerhalb der 19 ms im Empfangsbereich befindet. Die Transponder der Serie HITAG-S sind mit ihrer Antikollisionsmethode in der Lage die Anforderungen an die Kommunikationszeiten des Systems mit Einschränkungen zu erfüllen, aber auch das System muss die Anforderungen der Transponder noch erfüllen. Im Verlauf des Projekts musste nun dafür Sorge getragen werden, dass die vom HITAG-S geforderten Ein- und Ausschaltzeiten erreicht werden, um eine Kommunikation beider Seiten - Antenne und Transponder zu gewährleisten. Abbildung 2 Prinzipschaltbild Systemaufbau [3, S. 10]. Abbildung 2 zeigt ein Prinzipschaltbild des aktuellen Systemaufbaus, mit dem auch die von Herrn Brunner übernommene Anlage arbeitet. Eine Treiberstufe zum Anregen der Antenne und eine Demodulationsstufe, mit deren Hilfe die Daten an den ATmega weitergegeben und ausgewertet werden. Die Voraussetzungen für den Grundaufbau aus dem Datenblatt sind somit gegeben. Im Datenblatt des HITAG S sind außerdem die Ein- und Ausschaltzeiten der Treiberstufe mit folgenden Werten gefordert: 5 Anforderungen an das System (HITAG S) Abbildung 3 Modulations Details: Zeiten [3, S.10]. Tabelle 1 erforderliche minimale und maximale Absolut-Zeiten [3, S.17]. Tabelle 2 Typische Zeitwerte der verschiedenen Anwendungen [3, S.17]. Tg - Gap time (Abstandszeit): Zeit zwischen Logic 0 und Logic 1 Bit T[0] - Logic 0 Bit length: Zeit einer logischen 0 Bits T[1] - Logic 1 Bit length: Zeit einer logischen 1 Bits Tr - Rise time (Anstiegszeit): Zeit zum Erreichen vom Amplitudenniveau x zu y 6 Anforderungen an das System (HITAG S) Tf - Fall time (Abfallzeit): Zeit zum Erreichen vom Amplitudenniveau y zu x a - obere Amplitude: maximales Amplitudenniveau b - untere Amplitude: unterstes Amplitudenniveau (kann auch 0 V sein) x - maximale Amplitudenhöhe für Logic 0 (kleiner als 5% von a): x = 0.05*a y - minimale Amplitudenhöhe für Logic 1 (größer als 95% von a): x = 0.95*a m - modulation index (Modulations-Index): m = (a - b) / (a + b) Die erforderlichen Maximalzeiten sind in Tabelle 1 beschrieben. Die Abfallzeit Tf wird mit 0,5 * Tg angegeben, dies entspricht einer Zeit von maximal 40 µs. In Tabelle 2 werden typische Zeiten für Antennen mit kurzer und mit langer Reichweite aufgeführt, dies sind lediglich Richtwerte und können natürlich unterschritten werden um eine noch bessere Perfomance zu erreichen. Es wird eine optimale Abfallzeit bei Short-Range-Anwendungen von 3 * T0 = 24 µs beziffert. Für die Anstiegs- bzw. Einschaltzeiten gibt das Datenblatt einen Maximalwert von Tr = 1 * (T[0] - Tg) vor und eine optimale Zeit für Short-Range-Erkennung von 4*T0. Die Zeiten Tr und Tf beziehen sich jeweils auf die Dauer, die die Amplitude benötigt, um den Bereich von 5% bis 90% zu erreichen. Im Datenblatt wird dies mit dem Abstand zwischen x und y definiert. In unserem Anwendungsbereich ergibt sich eine maximale Zeit von 96µs und eine typische Zeit von 32 µs für die Anstiegszeit. T0 errechnet sich aus 1/125 kHz = 8 µs. Im Laufe dieses Projekts wurde nun mittels verschiedener Methoden und Entwürfen experimentiert bis die erforderlichen Ein- und Ausschaltzeiten einzuhalten sind. Wie Tabelle 1 zu entnehmen ist, sind keine minimalen Werte einzuhalten und somit auch Zeiten von 0 µs geeignet. typisch maximal erforderliche Einschaltzeit: 32 µs 96 µs erforderliche Ausschaltzeit: 24 µs 40 µs Tabelle 3 Zusammenfassende Darstellung der erforderlichen Ein- und Auschaltzeiten. Diese Projektarbeit befasst sich in erster Linie mit der Antikollision und der Einhaltung der Ansprechzeiten. Als weitere Anforderungen wurden in Zusammenarbeit mit der Projektgruppe TI weitere Requirements erarbeitet. Darin sind weitere Punkte wie die Abmessungen der Anschlagtafeln (250 cm x 40 cm), Schutzarten, aber auch spezielle Anforderungen an das Projekt der Projektgruppe TI definiert. Die PDF-Datei mit den Requirements wird mit der bereitgestellten DatenCD zur Verfügung gestellt. 7 Analyse der bestehenden Anlage 3. Analyse der bestehenden Anlage Wie bereits in Abschnitt 2 erwähnt, ist eine Einschaltzeit von 96 µs und eine Ausschaltzeit von 40 µs zu unterschreiten. Das System von Herrn Brunner ist nicht in der Lage diese Zeiten zu erreichen. Das System wurde in seiner Ursprungsform aufgebaut und die Zeiten durch Ein- und Abschalten der PWM über ein Oszilloskop gemessen. Die Ein- und Ausschaltung der PWM des ATmega wurde über eine Änderung an der Software realisiert. Sie wurde so modifiziert, dass die PWM abwechselnd wenige Sekunden an oder aus ist. Sämtlicher verwendeter und modifizierter Code (siehe auch Kapitel 4.3.1) befindet sich auf der beigelegten Daten-CD. 3.1 Analyse der Einschaltzeit Die erreichbaren Einschaltzeiten des NF-Verstärkers belaufen sich bei der unveränderten Schaltung auf eine Zeit von 600 µs (siehe Abbildung 4), zur Kommunikation mit dem HITAG S ist das nicht ausreichend. Abbildung 4 Ursprüngliche Einschaltzeit. Tr / µs Tr / µs Einschaltzeit 600 Max Optimal -504 -568 Tabelle 4 Darstellung der Einschwingzeiten, sowie die Differenzen zur maximalen und optimalen Zeit. Die Tabelle 4 zeigt die aktuell gemessene Anstiegszeit (Tr) und die Differenz (Tr) zwischen Tr und der maximal zu erreichenden Zeit sowie Tr und der optimal zu erreichenden Zeit. Im Laufe des Projekts muss die Einschaltzeit um mindestens 568 µs, also um über 90%, reduziert werden. 8 Analyse der bestehenden Anlage 3.2 Analyse der Nachschwingzeit Abbildung 5 Nachschwingen des Schwingkreises. Wie in Abbildung 5 zu erkennen, ist auch das Nachschwingen des Reihenschwingkreises mit 220 µs deutlich zu lang um die erforderliche Ausschaltzeit einzuhalten. Tf / µs Tf / µs Ausschaltzeit 220 Max Optimal -180 -188 Tabelle 5 Darstellung der Nachschwingzeiten, sowie die Differenzen zur maximalen und optimalen Zeit. Um die benötigte Abfallzeit Tf von 40µs zu erreichen müssen auch hier Modifikationen vorgenommen werden. Zu Beginn wurde der Schwerpunkt zuerst auf die Verbesserung der Ausschaltzeiten gelegt, da wir vermuteten, dass das Einschwingverhalten bei weiterer Verstärkung mit zusätzlicher Dämpfung kein großes Problem darstellt. Die entsprechenden Untersuchungen zur Aus- und Einschaltzeit werden im folgenden Kapitel behandelt. 9 Elektrische Realisierung 4. Elektrische Realisierung In diesem Kapitel werden die unterschiedlichen Ansätze zur elektrischen Realisierung detailliert beschrieben. Zunächst wurden die Nachschwingzeiten und die Einschwingzeiten untersucht. Mit Hilfe des Simulationsprogramms PSpice wurden bereits Voruntersuchungen durchgeführt. Des Weiteren wird hier der Übergang zum Dualen-Spulen-System und die Ansteuerung mittels Motortreiber-IC erläutert. 4.1 Untersuchung der Nachschwingzeiten Um eine Kommunikation mit den HITAG-S Transpondern zu ermöglichen sind schnellere Ein- und Ausschaltzeiten erforderlich. Es ist eine Abfallzeit von 90% auf 10% der Amplitude von min. 40 µs zu erreichen. Im Folgenden werden hierfür die verschiedenen Arten, um die Antenne Spannungsfrei zu schalten, untersucht. Abbildung 6 Schaltung der Treiberstrufe. Abbildung 6 zeigt den von Herrn Brunner angefertigten NF-Verstärker, mit dem wir die ersten Versuche durchgeführt haben. Rechts ist der Anschluss an den Serienschwingkreis dargestellt. In den folgenden Abbildungen wird der NF-Verstärker stark vereinfacht dargestellt. Diese Bilder sollen nur schematisch den Sachverhalt darstellen. 10 Elektrische Realisierung 4.1.1 Variante 1: Freischalten des Schwingkreises Abbildung 7 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit einem Öffner zum freischalten. Abbildung 7 zeigt den vereinfachten schematischen Aufbau des Schwingkreises mit einem zusätzlich eingebauten Schalter. Aus der Spule mit der Induktivität L = 1,6 mH und dem Kondensator C = 1 nF ergibt sich die, zur Übertragung notwendige, Resonanzfrequenz von 125 kHz. Es wurde ein mechanischer Schalter verwendet, um möglichst unkompliziert die Varianten zu erproben. Dieser Schalter kann später durch einen Transistor ersetzt werden, um ein Prellen des Schalters zu unterbinden. Als erste Modifikation wurde dieser Schalter zum Freischalten des Schwingkreises provisorisch eingebaut und getestet. Dadurch wird der Schwingkreis augenblicklich vom NFVerstärker und somit von der anregenden HF-Schwingung getrennt. Beim Abschalten einer induktiven Last ergibt sich zusätzlich eine hohe Abschaltspannung. Im leitenden Zustand baut sich durch den Stromfluss in der Spule ein Magnetfeld auf, das beim Ausschalten schlagartig zusammenbricht. Die Spule versucht nun die abgeschaltete Spannung zu erhalten und erzeugt eine Induktionsspannung. Im Zusammenspiel mit dem in Reihe geschalteten Kondensator schwingt das System einige Zeit nach. Außer dem Kondensator in Reihe spielen noch weitere Einflüsse, wie Leitungskapazitäten und andere parasitäre Effekte in der gesamten Verschaltung mit. Durch diese Veränderung der Schaltung waren wir dazu in der Lage eine Verbesserung um etwa 20 µs, auf nur noch 200 µs, zu erreichen (siehe Abbildung 8). Dies ist jedoch noch nicht ausreichend um die maximal mögliche Abfallzeit Tf von 40 µs nicht erreicht. 11 Elektrische Realisierung Abbildung 8 Nachschwingen des Schwingkreises bei Freischaltung. Tf / µs Tf / µs Ausschaltzeit 202 Max Optimal -162 -170 Tabelle 6 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Beim Betrachten der Frequenz nach dem Moment des Ausschaltens ist eine Eigenfrequenz (50 µs / ca. 10 Perioden = 5 µs Eigenfrequenz von 200 kHz) von ca. 200 kHz zu bemerken. Diese im Verhältnis zur nächsten Variante geringere Frequenz zeigt den Einfluss der Kapazitäten. 4.1.2 Variante 2: Trennen des Schwingkreises zwischen Spulenantenne und Kondensator Abbildung 9 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit einem Öffner zur Unterbrechung. 12 Elektrische Realisierung Abbildung 9 zeigt den vereinfachten Aufbau des Reihenschwingkreises mit dem Schalter zur Unterbrechung zwischen der Spulenantenne und dem Kondensator. Auch hier wurde der SchalterKontakt provisorisch in die Schaltung mit aufgenommen und die Abfallzeiten mit dem Oszilloskop aufgenommen. Diese Variante ist der vorherigen (einfache Freischaltung des Schwingkreises) sehr ähnlich, aber vorzuziehen, da hier schon Abfallzeiten Tf von etwa 100 µs erreicht werden konnten. Der Unterschied besteht darin, dass die Schwingkreis-Komponenten, Spule und Kondensator, durch den Öffner voneinander getrennt werden. Durch die Trennung vom Kondensator befindet sich die Spule bei einer Frequenz von ca. 375 kHz in Eigenresonanz (20 µs / ca. 7,5 Perioden = 2,66µs Eigenfrequenz von 375 kHz) ohne, dass der Kondensator und weitere Kapazitäten eine Verminderung dieser Frequenz bewirken. Die geforderte Abfallzeit wird aber auch hier nicht erreicht. Abbildung 10 Nachschwingen des Schwingkreises bei einer Unterbrechung zwischen Spulenantenne und Kondensator. Tf / µs Tf / µs Ausschaltzeit 106 Max Optimal -66 -74 Tabelle 7 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Abbildung 10 zeigt die Abfallzeit, wie sie nach dem Aufbau von Abbildung 9 mit Unterbrechung zwischen Spulenantenne und Kondensator aufgenommen wurde. 13 Elektrische Realisierung 4.1.3 Variante 3: Kurzschließen der Spule Abbildung 11 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit Kurzgeschlossener Spulenantenne. In Abbildung 11 ist der Schalter, der die Spulenantenne kurzschließen soll, parallel zur Antenne verbaut um das Nachschwingen des Reihenschwingkreises zu verringern. Abbildung 12 Nachschwingen des Schwingkreises wenn die Spulenantenne kurzgeschlossen wird. Ausschaltzeit Tf / µs Tf / µs Max 32 8 Optimal 24 Tabelle 8 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. 14 Elektrische Realisierung Abbildung 12 zeigt das Nachschwingen beim Kurzschließen der Spulenantenne. Die Zeit, bis die Amplitude abgebaut ist, liegt 24 µs unterhalb des Optimal-Werts. Das Einschwingen nach dem ersten Schaltpunkt wird durch das Prellen des Schalters verursacht. Die gewünschte Abfallzeit sollte bei einem entprellten Schalter, bzw. einem elektronischen Schalter, eingehalten werden können. 4.1.4 Variante 4: Parallelschalten eines ohmschen Widerstands Abbildung 13 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit einem parallelen, zuschaltbaren Widerstand. Abbildung 13 zeigt den vereinfachten Aufbau, in dem parallel zur Spule ein 8 Ohm Widerstand zugeschaltet wird. Abbildung 14 Nachschwingen des Schwingkreises, wenn ein Widerstand parallel zur Spule geschaltet wird. 15 Elektrische Realisierung Ausschaltzeit Tf / µs Tf / µs Max 32 <8 Optimal 24 Tabelle 9 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Abbildung 14 zeigt den Verlauf der Abfallzeit Tf bei der Parallelschaltung eines schaltbaren 8 Ohm Widerstandes. Das Nachschwingen wird wie beim Kurzschließen der Antenne nahezu sofort unterbrochen, weswegen eine Zeit kleiner als 8 µs ermittelt wurde. Weil die Antenne nicht vom Stromkreis getrennt, sondern lediglich ein Widerstand parallel geschaltet wurde, blieb eine Grundschwingung mit einer kleinen Spannung vorhanden. Das Nachschwingen ist wieder die Auswirkung des prellenden Schalters. Die erforderliche Schaltzeit ist mit dieser Modifikation ebenfalls einhaltbar. 4.1.5 Variante 5: Hybridtyp: Freischaltung und Parallelschaltung eines Widerstandes zur Spule Abbildung 15 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit Freischaltung und parallel zuschaltbaren Widerstand. Abbildung 15 zeigt den vereinfachten Aufbau mit einer Freischaltung des Reihenschwingkreises und zusätzlich einem 8 Ohm Widerstand, der parallel zur Spulenantenne geschaltet werden kann. Beim Betätigen des Schalters wird mit dem Öffner-Kontakt der Schwingkreis freigeschaltet und mit dem Schließer-Kontakt ein 8 Ohm Widerstand parallel zur Spulenantenne dazugeschaltet damit sich die verbliebende, in der Antenne vorhandene Energie, über den Widerstand abbauen kann. 16 Elektrische Realisierung Abbildung 16 Nachschwingen des Schwingkreises mit Freischaltung und parallel zuschaltbaren Widerstand. Tf / µs Tf / µs Ausschaltzeit 227 Max Optimal -187 -195 Tabelle 10 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Wie in Abbildung 16 zu erkennen, ist nur eine geringfügig verbesserte Abfallzeit feststellbar. Diese ist dadurch zu erklären, dass der Schließer in dieser Variante quasi keinen Effekt hat. Bevor der Schließerkontakt den Widerstand dazuschalten kann, ist der Öffnerkontakt bereits lange davor getrennt. Dadurch ist die Restenergie der Antenne bereits abgebaut. 17 Elektrische Realisierung 4.1.6 Variante 6: Hybridtyp: Freischaltung und Kurzschluss der Spulenantenne Abbildung 17 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit Freischaltung und Kurzschluss der Spulenantenne. Bei dieser Modifikation wurden der Öffner-Kontakt zur Freischaltung des Antennenkreises, und der Schließer-Kontakt zum Kurzschließen dieses Kreises verwendet. Abbildung 18 Nachschwingen des Schwingkreises mit Freischaltung und Kurzgeschlossener Spulenantenne. Tf / µs Tf / µs Ausschaltzeit 201 Max Optimal -161 -169 Tabelle 11 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. 18 Elektrische Realisierung Wie in Abbildung 18 zu erkennen ist hat sich die Abfallzeit auch hier nicht verbessern können. Nach wie vor ergibt sich eine Zeit für Tf von mehr als 200 µs. Die beiden Hybridvarianten bringen mit dem von uns verwendeten Schalter keinerlei Vorteile. Beide Varianten sind mit Variante 1 (einfaches Freischalten) zu vergleichen. Dies hängt damit zusammen das bei dem verwendeten Schalter der Öffner-Kontakt deutlich früher öffnet als der SchließerKontakt schließt. Eine Erklärung für diesen Effekt findet man bei der Betrachtung des zurückgelegten Schaltweges der Kontakte. Der Öffner muss, um den Kontakt mit der Schalteinheit zu trennen, nur die Strecke von der Berührung zur nicht-Berührung überwinden, welche (abhängig von der angelegten Spannung) meistens sehr gering ist. Der Schließer dagegen muss einen relativ weiten Weg zurücklegen, um vom klar getrennten Zustand zu einem druckfesten Kontaktzustand zu gelangen. 4.1.7 Variante 7: Spule gegen Masse schalten Abbildung 19 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises bei dem die Spulenantenne direkt gegen Masse geschaltet wird. Um die Energie möglichst schnell aus dem Schwingkreis zu ziehen wurde mittels eines SchließerKontaktes die Antenne direkt auf Masse geschaltet (siehe Abbildung 19). 19 Elektrische Realisierung Abbildung 20 Nachschwingen des Schwingkreises wenn die Spulenantenne gegen Masse geschaltet wird. Ausschaltzeit Tf / µs Tf / µs 15 Max Optimal 25 17 Tabelle 12 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Wie in Abbildung 20 zu sehen, ist diese Variante, sowie die Variante 3 zielführend. Es werden die erforderlichen Abfallzeiten Tf von maximal 40 µs erreicht werden. Zwei Mal baut sich der Schwingkreis wieder auf, was aufgrund des prellenden Schalters zustande kommt, sie beeinflussen die Erfassung der Abfallzeit jedoch nicht, da die Schwingungen schon vor dem Auftreten des ersten Prellens abgebaut sind. 20 Elektrische Realisierung 4.1.8 Variante 8: Spule über einen Widerstand gegen Masse geschaltet Abbildung 21 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises bei dem die Spulenantenne über einen Widerstand gegen Masse geschaltet wird. Dieser Versuchsaufbau (siehe Abbildung 21) wird über einen 8 Ohm Widerstand gegen Masse geschaltet. Um den Strom etwas geringer zu halten ist diese Art der Ausschaltung ebenfalls zielführend. Abbildung 22 Nachschwingen des Schwingkreises wenn die Spulenantenne über einen Widerstand gegen Masse geschaltet wird. 21 Elektrische Realisierung Ausschaltzeit Tf / µs Tf / µs Max 20 20 Optimal 12 Tabelle 13 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Beim Vergleich der Oszillogramme von Abbildung 20 und Abbildung 21 sieht man, dass der Widerstand nur einen geringen Effekt hat. Eine Erhöhung des Widerstands würde den Strom weiter verringern, dadurch würde aber auch dem Schwingkreis weniger Energie entzogen werden. Die Zeiten würden sich also weiter vergrößern. Dennoch ist diese Art der Abschaltung geeignet, den Anforderungen zu entsprechen. 4.1.9 Fazit zur Untersuchung der Nachschwingzeiten: Aufgrund des früheren öffnen eines Öffner-Kontakts als das schließen eines Schließer-Kontakts (in diesem Fall eine Verzögerung von 1,8 ms) sind die Messergebnisse der Hybridtypen nicht mit einbeziehbar. Variante 1 (Freischalten des Schwingkreises) und Variante 2 (Trennen des Schwingkreises zwischen Spulenantenne und Kondensator) konnten die erforderlichen Abfallzeiten nicht einhalten und wurde somit für nähere Betrachtungen uninteressant. Als am besten geeignet haben sich die Varianten 3 (Kurzschließen der Spule) und 7 (Spule gegen Masse schalten) rausgestellt. Variante 3, bei der die Spulenantenne gebrückt bzw. kurzgeschlossen wird, ist jedoch nach dem Schalten gegen Masse noch mit einem Teil der Anregerschwingung des NFVerstärkers belastet. Diese Grundschwingung liegt nicht unterhalb der erforderlichen 5% der Gesamtamplitude. Dadurch könnten Zustände eventuell nicht eindeutig zugeordnet werden. Die Variante 7, bei der die Spulenantenne gegen Masse geschaltet wird, ist die am besten geeignete Variante um die erforderliche Abfallzeit zu erreichen. Das Potential wird innerhalb der erforderlichen Zeit von 40 µs auf Ground geschaltet und der Schaltungsaufwand zur Realisierung bleibt gering. 22 Elektrische Realisierung 4.2 Untersuchung der Einschwingzeiten 4.2.1 Untersuchung des Einschwingvorganges mit PSpice Abbildung 23 Simulation des NF-Verstärkers. Um den Einschwingvorgang bei unterschiedlichen Betriebsspannungen und veränderter Schwingkreisgüte zu untersuchen wurden der NF-Verstärker und der Reihenschwingkreis in PSpice simuliert (siehe Abbildung 23). Anstelle des ersten Anreger-Schwingkreises - nach der PWM - ist ein sinusförmiges Eingangssignal direkt auf den NF-Verstärker gegeben worden. Alle Bauteile wurden wie im aktuellen Aufbau dimensioniert. Der Widerstand der Spule sowie der im Schwingkreis eingebrachte Widerstand sind mit Rs abgebildet. 23 Elektrische Realisierung Abbildung 24 Einschwingvorgang bei normaler Beschaltung. Gemessen an Coil - (blau). Abbildung 24 zeigt den Einschwingvorgang bei einer Beschaltung nach Abbildung 23. In der Simulation ist ebenfalls der zu langsame Einschwingvorgang von etwa 200 µs zu erkennen. Bei der Analyse der bestehenden Anlage im Kapitel 3 wurde eine Einschwingzeit von 600 µs ermittelt. Der Unterschied ist darauf zurückzuführen, dass unter idealen Bedingungen simuliert worden ist. Außerdem sind in der PSpice Simulation nicht exakt die gleichen Transistoren wie in der echten Schaltung vorhanden, sodass auf ähnliche Transistor-Typen zurückgegriffen werden musste. Dies stellte aber kein Problem dar, denn obwohl kein direkter Vergleich der Ergebnisse aus der echten Schaltung gezogen werden konnte, eignete sich die Simulation dennoch sehr gut um Tendenzen zu erkennen. Mit der Simulation konnten weitere Untersuchungen durchgeführt werden, bzw. Verbesserungsansätze an der Schaltung deutlich gemacht werden. Abbildung 25 Einschwingvorgang an Coil - (blau) bei Ub=18 V, Rs=140 Ohm. Erste Änderungen haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Betriebsspannung und eine gleichzeitige Verringerung der Schwingkreisgüte (Bedämpfung des Schwingkreises) einen positiven Einfluss auf die Einschwingzeit haben. Bei einer Betriebsspannung von 18 V und einem Widerstandswert im Schwingkreis von 140 Ohm sind Einschwingzeiten von etwa 60 µs in der Simulation messbar. 24 Elektrische Realisierung 4.2.1.1 Verstärkung der PWM Abbildung 26 Verstärkung der PWM durch zwischengeschaltete Transitorstufe. Um eine höhere Amplitude zu erreichen wurde eine weitere Transistorstufe (schwarzer Rahmen in Abbildung 26) zwischengeschaltet. Diese Transistorstufe wurde direkt mit dem Signal der PWM gespeist. Dadurch wird das Eingangssignal für den NV-Verstärker um den Faktor 3 vorverstärkt. Der gesamte Aufbau ist in Abbildung 26 nachzuvollziehen. Abbildung 27 Verlauf der verstärkten PWM. Abbildung 27 zeigt den Spannungsverlauf der PWM (rot) und die verstärkte Spannung am Eingang des NF-Verstärkers (blau). Durch die entsprechenden Feineinstellungen bei Verstärkung und Dämpfung des Schwingkreises konnten nochmals verbesserte Einschaltzeiten TR erreicht werden. 25 Elektrische Realisierung Aus den Erkenntnissen der Simulation, wonach bei einer hohen Verstärkung mit gleichzeitiger Bedämpfung des Schwingkreises das Einhalten der geforderten Einschaltzeiten möglich war, wurden diese Erweiterungen nun in die tatsächliche Schaltung eingebaut und untersucht. 4.2.2 Maßnahmen zur Verbesserung der Einschwingzeit 4.2.2.1 Verbesserung durch Bedämpfung des Schwingkreises und Erhöhung der Betriebsspannung von 9V auf 20V: Abbildung 28 Einschaltzeit bei Ub = 20V und Bedämpfung des Schwingkreises. Tr / µs Tr / µs Einschaltzeit 518 Max Optimal -422 -486 Tabelle 14 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Durch die Verringerung der Schwingfähigkeit bzw. Bedämpfung des Schwingkreises und einer Erhöhung der Betriebsspannung auf 20 V ist eine verbesserte Einschaltzeit auf 518 µs erreichbar (vorher 600µs). Um die geforderten Anstiegszeiten von 96 µs zu erreichen, ist eine Bedämpfung des Schwingkreises zwar möglich, aber diese verringert auch die Erkennungsfähigkeit bzw. die Reichweite der Transponder-Erkennung. 26 Elektrische Realisierung 4.2.2.2 Verbesserung durch Bedämfung, Betriebsspannungserhöhung und Entfernung des Kondensators C6: Abbildung 29 Einschaltzeit bei Ub = 20V, Bedämpfung des Schwingkreises, ohne C6. Tr / µs Tr / µs Einschaltzeit 438 Max Optimal -342 -406 Tabelle 15 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Neben der Erhöhung der Betriebsspannung und Bedämpfung des Schwingkreises ist der Kondensator C6 entfernt worden um eine noch direktere Anregung des Schwingkreises zu ermöglichen. Eine weitere Verbesserung von 80 µs ist dadurch zustande gekommen, die jedoch nicht zur gewünschten Einschaltzeit führt. Eine bessere Einschaltzeit ist durch Bedämpfung des Schwingkreises beliebig erreichbar. Eine Dämpfung wirkt sich auf die Höhe der Amplitude aus. Die Amplitude und somit auch das Feld sind ausschlaggebend für die sichere Erkennung der Tags. Die Amplitude ist solange zu bedämpfen bis ein Tag noch sicher erkennbar ist, erkennbar durch ein frequentes Aufleuchten der gelben LED auf dem Board. Außerdem muss die Störwirkung vom Oszilloskop auf das erzeugte Magnetfeld beachtet werden. Wird zum Messen ein Oszilloskop in wenigen Zentimetern Nähe betrieben, scheint dieses die Erkennung der Tags erheblich zu verringern. 4.2.2.3 Änderungen der Bedämpfung und somit der Spannungsamplitude: Bei einer Verringerung der Bedämpfung stellt sich eine höhere Spannungsamplitude ein. Eine hohe Amplitude steht jedoch im Gegensatz zu einem schnellen Einschwingvorgang, sodass ein Kompromiss gefunden werden muss. Eine gute und schnelle Erkennung der Tags lässt sich mit einer Amplitude von U≈48 V erreichen, bei einer Amplitude von 41 V lassen sich die Tags kaum noch einlesen, eine 27 Elektrische Realisierung mittelgute Erkennung der Tags findet bei einer Spannungsamplitude von 44 V statt. Die beste Variante ist die hohe Amplitude mit der guten Erkennung der Tags, aber diese hat auch lange Einschwingzeiten zufolge. Spannungsamplitude von 48 V: Abbildung 30 Einschaltzeit bei Amplitude für beste Tag-Erkennung. Tr / µs Tr / µs Einschaltzeit 224 Max Optimal -128 -192 Tabelle 16 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Abbildung 30 zeigt den Einschwingvorgang bei einer Spannungsamplitude von 48 V. Da die Einschaltzeit noch zu hoch ist kann zuverlässig mit einer Amplitude für eine mittelgute Erkennung der Tags von 44V gearbeitet werden. 28 Elektrische Realisierung Spannungsamplitude von 44 V: Abbildung 31 Einschaltzeit bei Amplitude für eine mittelgute Tag-Erkennung. Tr / µs Tr / µs Einschaltzeit 167 Max Optimal -71 -135 Tabelle 17 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Die Einschwingzeit, bei einer Amplitude von 44 V (Abbildung 31), ist mit 167 µs damit aber immer noch oberhalb der geforderten 96 µs, aus diesem Grund werden weitere Optimierungsmaßnahmen benötigt. 4.2.2.4 Verbesserung der Einschaltzeit durch zwischengeschalteten Verstärker, Ub=15V und Bedämpfung: Abbildung 32 Einschaltzeit bei zwischengeschalteten Verstärker und Ub = 15 V. 29 Elektrische Realisierung Tr / µs Tr / µs Einschaltzeit 186 Max Optimal -90 -154 Tabelle 18 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Eine Signifikante Verbesserung der Einschaltzeit ist beim Vorschalten einer weiteren Transistorstufe zu erreichen. In Abbildung 26 ist der Aufbau der vorgeschalteten Transistorstufe dargestellt. Alle Dimensionierungen wurden wie in der Simulation vorgenommen. Abbildung 33 zeigt den provisorischen Aufbau der vorgeschalteten Transistorstufe. Eine Einschaltzeit von 186 µs ist so erreichbar, was dem Ziel der maximal möglichen Einschaltzeit etwas näher kommt. Abbildung 33 Provisorischer Aufbau der Verstärkerstufe. 30 Elektrische Realisierung 4.2.2.5 Verbesserung durch zwischengeschalteten Verstärkerstufe, Ub = 20 V und Bedämpfung: Abbildung 34 Einschaltzeit bei zwischengeschalteten Verstärker und Ub = 20 V. Tr / µs Tr / µs Einschaltzeit 148 Max Optimal -52 -116 Tabelle 19 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit. Durch eine Spannungserhöhung von Ub = 15 V auf 20 V sind weiterhin verbesserte Einschaltzeiten erreichbar. Allerdings ist immer noch eine Differenz von 52 µs zur maximal möglichen Zeit zu hoch um dieses Ergebnis als Erfolg zu werten. 4.2.2.6 Fazit zur Untersuchung der Einschwingzeit: Auch wenn das System auf verschiedene Arten ausgereizt wurde, konnte kein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden. Die beste Einschwingzeit von 148 µs konnte mit der vorgeschalteten Transistorstufe erreicht werden. Diese lag aber immer noch nicht in dem aus den Datenblatt des HITAG-S geforderten Bereich der möglichen Einschaltzeiten. Die benötigte Energie, die im Schwingkreis aufgebaut werden muss, ist zu hoch um mit weiteren Verstärkungen zufriedenstellende Zeiten zu erzielen. Der Ansatz - über weitere Verstärkung die Zeiten zu verringern - würde zwar irgendwann ausreichen, aber dies hat zur Folge, dass die Transponder das Feld nicht mehr ausreichend beeinflussen würden. Das Auslesen der Tags würde somit nicht mehr funktionieren. Um eine ausreichende Amplitude trotz Bedämpfung zu erhalten, wird der Kondensator C6 für den Schwingkreis benötigt. Der Schwingkreis wiederum hat dadurch einen zu hohen Energiebedarf, was einen langsamen Feldauf- sowie Feldabbau zur Folge hat. Anstatt den Ansatz zu verfolgen, mehr Energie in kurzer Zeit in den Schwingkreis zu bekommen und gleichzeitig den Schwingkreis 31 Elektrische Realisierung empfindlich genug zu halten, könnte eine Lösung mit zwei getrennten Antennen zielführender sein. An dieser Stelle muss also ein verändertes Konzept angestrebt werden, um das Ziel der Kommunikation mit den Tags zu ermöglichen. 4.3 Entwicklung eines doppelten Antennensystems Da die Optimierung der bestehenden Antennenrealisierung an ihre Grenzen gekommen ist, wird das Grundkonzept der Antenne erneuert. Anstatt die Energie zum Treiben der Antenne zu erhöhen, wird jetzt die benötigte Energie der Antenne verringert. Es werden zwei Antennen eingesetzt, eine ausschließlich zum Senden und eine ausschließlich zum Empfangen. Die Sendeantenne wird vorerst mit dem letzten Entwicklungsstand des NF-Verstärkers betrieben. Sie soll eine kompromisslose Ansteuerung ohne Schwingkreis erhalten. Die Empfangsantenne wird mit der vorhandenen Demodulationsstufe betrieben und soll später einen empfindlichen Schwingkreis ohne hohen Energiebedarf enthalten. Für die Sendeantenne wird die bereits genutzte Rahmenantenne von Herrn Brunner verwendet. Auf der Empfangsseite wird eine kleine Laborantenne ohne zusätzlichen Aufbau zum Schwingkreis eingesetzt. 4.3.1 Softwareänderung zur Synchronisation auf das Eingangssignal mit der provisorischen Empfangsantenne Nachdem die provisorische Empfangsantenne (Abbildung 35) an die Demodulation angeschlossen wurde konnten die Tags nicht mehr erkannt werden, obwohl der Komparatorausgang ein einwandfreies TTL-Signal geliefert hat. Ein Vergleich mit dem herkömmlichen Pegel-Verlauf hat gezeigt, dass das Eingangssignal mit der externen Empfangsantenne in invertierter Form vorliegt (Abbildung 36). Dieses invertierte Spannungssignal erzeugt der entgegengerichtete Wicklungssinn der zwei Spulen bzw. Antennen. 32 Elektrische Realisierung Abbildung 35 Provisorische Empfangsantenne mit einem Tag. Abbildung 36 Vergleich Komparatorausgang von 1. Antennensystem mit 2. Antennensystem. Um das Problem des invertierten Eingangssignals zu lösen haben wir uns für eine Softwareänderung entschieden. Nach exakter Analyse des Quellcodes wurde klar, dass eine Synchronisation des Manchestercodierten Eingangssignal nicht fehlerfrei vollzogen werden konnte. Aus diesem Grund konnte das tatsächliche Auslesen der Nutzdaten gar nicht durchgeführt werden. Die Synchronisation 33 Elektrische Realisierung hat zu speziellen Zeitpunkten den IO-Port auf „0“ abgefragt. Da das Signal jetzt aber in invertierter Form vorliegt muss anstelle einer „0“ dort eine “1“ abgefragt werden. So war das Synchronisieren auf den Code wieder möglich und der Tag konnte ausgelesen werden. 4.3.2 Einsatz einer großen Empfangsantenne Die Tests mit der provisorischen Empfangsantenne haben ergeben, dass es prinzipiell möglich ist mit einer Empfangs- und einer Erregerspule zu arbeiten. Als nächsten Schritt wurde eine von Herrn Brunner angefertigte Spulenantenne, die baugleich zur Erregerspule ist, als Empfangsantenne getestet. Abbildung 37 Eine Baugleiche Empfangsspule auf der Erregerspule. Wie in Abbildung 37 zu sehen ist, wurde die Empfangsantenne auf die Erregerantenne gelegt. Bedingt durch die Holzplatte besteht zwischen den beiden Spulenantennen ein Abstand von etwa 25 mm. Um das Auslesen der Tags in jedem Bereich der Empfangsantenne zu ermöglichen musste die Amplitude der Erregerantenne stark erhöht werden. 34 Elektrische Realisierung Abbildung 38 Spannung der Erregerspule (Ch. 2 / oben) und Manchestercodiertes Eingangssignal (Ch. 1 / unten). In Abbildung 38 ist oben (Ch2.) der Spannungsverlauf der Erregerspule mit einer Amplitude von etwa 82 V zu sehen. Messungen haben ergeben, dass diese Amplitude zur Zeit nötig ist um den Tag sicher zu erkennen. Channel 1 zeigt den Spannungsverlauf des Manchestercodierte Eingangssignal welches ohne Störungen oder Unterbrechungen eingelesen wird. 4.3.3 Verschiedene Betriebsarten der Dual-Antennen Um dem Empfangsteil eine bessere Erkennungsfähigkeit für Tags zu ermöglichen muss nicht nur ein entsprechend starkes Magnetisches-Feld von der Senderspule erzeugt werden, sondern der Empfangsteil muss auch empfindlicher gegenüber der Lastmodulation der Tags werden. Die Erhöhung der Empfindlichkeit der Amplitude in der Empfangsantenne ist durch in-Resonanz-schalten der Antenne/Spule möglich. Durch Parallel-schalten eines 0,74 nF Kondensators wird die Empfangsantenne in Resonanz versetzt. Die Erkennung der Tags hat sich aber nicht, wie erwartet verbessert, sondern verschlechtert, denn der Schwingkreis in der Empfangsantenne entzieht der Sendeantenne zu viel Energie, die Amplitude der Sendeantenne wird somit zu stark verringert. Formel für die Berechnung der Resonanzfrequenz: Abbildung 39 und Abbildung 40 zeigen die Spannungspegel für den Resonanz und den NichtResonanzfall in der Empfangsantenne. 35 Elektrische Realisierung Abbildung 39 Amplitude wenn Empfangsteil in Resonanz. CH1: Empfangsantenne CH2: Sendeantenne Abbildung 40 Amplitude wenn Empfangsteil nicht in Resonanz. CH1: Empfangsantenne CH2: Sendeantenne 36 Elektrische Realisierung 4.4 Motortreiber zum Betreiben der Sendespule Nach erfolgreichen Testläufen mit der Zwei-Spulen-Variante ist das Problem des zu langsamen Anschwingens der Sendespule, um die HITAG-S Tags anzusprechen, noch nicht gelöst. Das System kann aber durch das Aufteilen in Sende- und Empfangsantenne auf der Sendeseite pragmatischer angetrieben werden. Die Sendeantenne kann mit einer höheren Energie und ohne Schwingkreis gespeist werden, was einen schnelleren Feldaufbau zur Folge hat, und die Empfangsantenne kann empfindlicher über einen Schwingkreis betrieben werden. Nach ausgiebigen Recherchen zu analogen Verstärkerstufen wurde klar, dass damit kein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden konnte. Der gewünschte Verstärkungsfaktor konnte nicht erreicht werden, ebenso ließ sich das kompromisslose Ein- und Ausschalten nicht ohne Weiteres realisieren. Eine vielversprechende Alternative zur analogen Verstärkerstufe stellt die Ansteuerung der Sendeantenne über ein Motortreiber-IC dar. Hierbei handelt es sich um einen „HIP 4082“-IC welcher, in unserem Fall, anstatt einer Motorwicklung die Sendeantenne betreiben soll (siehe Abbildung 41). Dieser Treiber steuert vier MOSFETs an, welche die Spulenantenne abwechselnd einmal über die MOSFETs links oben und rechts unten oder rechts oben und links unten bestromt. Abbildung 41 Typischer Aufbau des Motortreibers (HIP4082 Datasheet) [5, S.3]. Ein großer Vorteil hierbei ist, dass die Spannung, welche an die Spulenwicklung gelegt wird, theoretisch bis zu 80 V (siehe Abbildung 41) betragen kann. Dadurch kann das, durch die PWM gepulste, Rechtecksignal stark verstärkt auf die Antenne gegeben werden. Außerdem kann das 37 Elektrische Realisierung Ausgangssignal in kürzester Zeit abgeschaltet werden. Der von uns verwendete Typ des „HIP4082“ kann mit einer Schaltfrequenz von bis zu 200 kHz betrieben werden. Somit liegen wir mit unseren 125 kHz Tags im Bereich des Möglichen [5, S.1]. Ein Problem bei einer derartigen Schaltung ist das durch das schnellere Einschalten als Ausschalten der MOSFETs ein sogenannter „Shoot-Through“-Fall auftreten kann (Abbildung 43), was sehr hohe Querströme in einem Strang zur Folge haben kann. Diese Problematik der Querströme lässt sich durch eine kleine Einschaltverzögerung der jeweiligen MOSFETs erreichen. Realisiert wird diese Verzögerung durch beschalten des DEL- (Delay) Eingangs mit einem Widerstand am IC, je nach Dimensionierung des Widerstands erreicht man eine andere Verzögerungszeit Tdead des Einschaltens. Abbildung 42 Dimensionierung des "Turn-On Delay" PIN DEL [5, S.4]. Abbildung 42 zeigt die Tabelle zur Dimensionierung des Widerstandes RDEL aus dem Datenblatt des „HIP4082“ von Intersil. Je nachdem bei welcher Temperatur man das IC betreibt, gibt es minimale, typische und maximale Verzögerungszeiten. Wir haben in unserem provisorischen Aufbau auf der Lochrasterplatine einen 10 kWiderstand mit einem Potentiometer in Reihe geschaltet, sodass die Zeit TDEAD variiert werden konnte. 38 Elektrische Realisierung Abbildung 43 Normale Funktion (blau) Shoot-Through-Problem (rot) Zur Ansteuerung wird das vorhandene PWM-Signal mit einer Frequenz von 125 KHz, in normaler und invertierter Form, an die Low-Eingänge (ALI und BLI) des Motortreibers gelegt. Wie aus dem Datenblatt zu entnehmen war, haben die Low-Eingänge eine überschreibende Wirkung, sodass auf die beiden High-Eingänge nur die Versorgungsspannung angelegt werden muss. Eine Invertierung des PWM-Signals wurde mittels eines NAND-Gatters realisiert. Hierbei wurde auf ein „74LS00“-IC zurückgegriffen. Der Disable-Pin, der üblicherweise bei Überstrom in der Motorwicklung freischalten soll (überschreiben der Input-Signale), findet in diesem Aufbau vorerst keine Verwendung und wird somit auf Low-Potential gelegt. 39 Elektrische Realisierung 4.4.1 Die Bootstrap-Versorgung [6, S.3] In Abbildung 41 sind zwei Kondensatoren an Pin 11 und 15 zu erkennen und zwei Dioden, die von der Spannungsversorgung in Durchlassrichtung zu den Kondensatoren verschaltet sind. Diese Bauteile sind für eine, wie hier verwendete, Bootstrap-Schaltung notwendig. Sie dient dazu, die oberen MOSFETs mit einem entsprechenden Potential zu versorgen. Durch den Spannungserhalt des Kondensators können die oberen MOSFETs mit einer Spannung versorgt werden die über der Versorgungsspannung liegt. Die Bootstrap- Versorgungstechnik ist eine einfache und kostengünstige Variante, um die oberen MOSFET -Gates zu treiben. Nur zwei Komponenten pro Brücke Phase sind für die Umsetzung der Bootstrap-Versorgung erforderlich. Für einen Vollbrückentreiber, wie beim verwendeten HIP4082, werden lediglich zwei Dioden (später mit D1 und D2 gekennzeichnet) und zwei Kondensatoren (später mit C1 und C2 gekennzeichnet) benötigt, um die Bootstrap-Funktion bereitzustellen. Die Bootstrap-Kondensatoren werden durch die Spannung VCC aufgeladen. Eine sogenannte „FastRecovery-Diode“ ist je zwischen einem Bootstrap-Kondensator und der Spannung VCC angeschlossen, die Anode an VCC und die Kathode an einem Kondensator. Die andere Seite der Kondensatoren ist jeweils über den unteren MOSFET, während dieser durchgeschaltet ist, mit VSS verbunden. Weil die Leitfähigkeit der Diode von einem Reststrom abhängt, während der obere MOSFET ausgeschaltet ist um ein Refresh der Diode zu gewährleisten, wird empfohlen, in jedem PWM Zyklus den unteren MOSEFET einmal einzuschalten. Die Wiederaufladezeit muss lang genug sein um die Ladung, die dem Kondensator entzogen wurde, zu ersetzen. Im Prinzip müssen drei Teilladungen im Kondensator, die zur Verfügung gestellt wurden, ersetzt werden. Der erste Teil dient zum Erzeugen der Vorspannung des oberen Pegels des HIP4082. Dies bedeutet üblicherweise eine Stromaufnahme von 145 µA, wenn der MOSFET durchgeschaltet ist, ansonsten beträgt sie 1,5 mA. Der Dioden-Leckstrom ist zu vernachlässigen. Der Strom dieser erforderlichen Ladung muss über die Dauer einer PWM-Periode integriert werden, um die tatsächliche Ladung zu erhalten. In unserem Fall ergibt das eine Ladung von: 40 Elektrische Realisierung Der zweite, wichtigere Teil besteht aus der benötigten Ladung, die den MOSFET auf das gleiche Niveau wie die Spannungsversorgung hebt. Die durch das Laden aufgewandte Energie ist das Produkt aus der Ladung Qgate, der Höhe der angelegten Spannung Vcc und der Frequenz der PWM. Um die Kapazität des Gates zu berechnen, wird die für 10 V angegebene Ladung des Gates QGatebei10V durch 10 V dividiert. Qgate wird dann durch Multiplizieren von Vcc und Cgate errechnet. Die dritte Komponente der zu ersetzenden Ladung wird durch die Bootstrap-Diode bei jedem Schaltvorgang umgesetzt. Dieser Ladungsanteil ist wie in unserem Aufbau (gewählte Diode: UF4002) zu vernachlässigen, wenn eine „Fast-Recovery-Diode“ eingesetzt wird. Diese drei Ladungen ergeben nun summiert die Kapazität, die der Kondensator für die zu ersetzende Ladung benötigt. 41 Elektrische Realisierung 4.4.2 Fehlersuche auf der provisorischen Platine Nachdem der Aufbau der Platine wie im vorherigen Kapitel erfolgt war, war die Sendespule in der Lage erfolgreich ein Signal an die Empfangsspule auszusenden. Dies war aber Aufgrund von falsch ausgewählten MOSFETs nicht möglich. Trotz aufmerksamen Einbaus der SMD-MOSFETs ist eine Leiterbahn ungewollt gebrückt worden, was zur Zerstörung eines MOSFETs führte. Sie wurden ausgetauscht und durch MOSFETs mit einer entsprechenden Schaltfrequenz, Leistung und einer anderen - für uns passendere - Bauform ausgetauscht. Nach dem Ausfall der MOSFETs war das Motortreiber-IC möglicherweise unzulässig hohen Temperaturen ausgesetzt und es musste auf Funktion überprüft werden. Hierzu wurde eine zusätzlich Testplatine zum Testen des MotortreiberICs aufgebaut. Nach positiven Tests des ICs konnte dieser wieder eingebaut und ein neuer Versuch gestartet werden. Beim erneuten Testen konnte ein anderer Fehler festgestellt werden. Nur die oberen beiden MOSFETs wurden angesteuert, dadurch konnte die Spule nicht angeregt werden. Sie wurde permanent an beiden Seiten auf das gleiche Potential geschaltet. Grund für diese Fehlfunktion am IC war eine nicht unterbrochene Leiterbahn, die durch nachträgliches Einlöten eines EntstörKondensators entstanden war. Aus diesem Grund lag zwischen R1 und R2 das Potential von VDD und somit auch 12 V, dies hatte eine Überbrückung des Delay-Widerstands zur Folge, welcher die Fehlfunktion am IC hervorgerufen hat. 4.4.3 Problem der hohen Empfindlichkeit gegenüber Spannungsspitzen am Motortreiber-ICs Während unserer Versuchsreihen kam es Zeitweise bei der Benutzung der Motortreiber-ICs zu anfangs unerklärlichen Defekten. Trotz richtiger Beschaltung wies das IC keine Funktion mehr auf. Diese, zunächst unerklärlichen Defekte, sind auf die im Labor verwendeten Schaltnetzteile zurückzuführen. Die vom Labornetzteil erzeugten Spannungsspitzen, beim Einschalten der Versorgungsspannung, konnten im schlimmsten Fall zum Defekt des Motortreiber-ICs (HIP4082) führen. Das IC ist laut Datenblatt für eine Versorgungsspannung von VDD = 8,5 V bis 15 V ausgelegt und wird in unserem Fall mit +12 V betreiben. Wie in Abbildung 44 zu erkennen ist werden beim Zuschalten der 12 V Versorgungsspannung - über den Schalter an den Labornetzteilen - Spannungsspitzen von bis zu +/- 40 V erreicht. Diese Spannungsspitzen haben teilweise zum Defekt des Motortreiber-ICs in unserer Schaltung geführt. 42 Elektrische Realisierung Abbildung 44 Spannungsspitzen beim Einschalten der 12 V Versorgungsspannung. Da die gesamte Schaltung, inklusive des Aufbaus für den Motortreiber, im tatsächlichen Betrieb, außerhalb des Labors, mit 12 V – Gleichspannung aus einem Akku, bzw. Netzteil betrieben wird, sind keine weitere Vorsichtsmaßnahme, wie ein Überspannungsschutz, zwingend nötig. Lediglich bei den Erprobungen und Tests mit dem Labornetzteil ist Vorsicht geboten. Um das Problem der hohen Spannungsspitzen im Einschaltmoment zu umgehen wird das Netzteil zuerst eingeschaltet und dann die Verbindungsleitung zur Schaltung gesteckt. Bei dieser Vorgehensweise konnten keine weiteren Defekte mehr auf die Schaltnetzteile zurück geführt werden. Sollte es wider Erwarten im späteren Betrieb mit den 12 V Akkus zu Defekten am Motortreiber kommen, könnte dies auf das Schalten der induktiven Last zurückführbar sein. Die beim Ausschalten der Spule erzeugte Induktionsspannung sollte dann mittels einer Freilaufdiode begrenzt werden. 4.4.4 Aufwärtswandler Da die vollständige Platine später einen weiteren Spannungspegel für die Versorgung der Sendeantenne benötigt, wird in diesem Unterpunkt die Empfehlung zu einem möglichen Aufwärtswandler definiert. Um die Platine später mit einem Spannungspegel, welcher höher als 12 V ist, auszustatten, wird ein DC/DC Spannungswandler benötigt, der beispielsweise eine Verdopplung der Spannung bewirkt. Bei 24 V ist der Pegel zum Antreiben der Spule hoch genug um eine gute Tag-Erkennung zu gewährleisten. Es kann also eine beliebige DC/DC-Schaltregler/-Ladungspumpe gewählt werden, die eine Ausgangsspannung von 24 V und einen Strom etwa 100 mA treiben kann. Dieser Teil der 43 Elektrische Realisierung Schaltung gehört zum Power-Management und sollte deswegen auf einer separaten Platine aufgebaut werden. Da sich das ganze System noch in der Entwicklungsphase befindet, wird auf das Erstellen dieser Platine verzichtet und weiterhin mit dem Labornetzteil die gewünschte Spannung erzeugt. Die nötige Anschlussmöglichkeit zum Verbinden der RFID-Reader-V1.1-Platine, mit der 24 V Spannungswandlung sind im angefertigten Eagle-Layout berücksichtigt worden (Stecker SV3). Als Aufwärtswandler wird der DC/DC Wandler „MC33063ADG“ in der SOIC8 Bauform empfohlen. Dieser liefert, bei entsprechender Beschaltung und mit 12 V Eingangsspannung die gewünschte Ausgangsspannung von 24 V. 4.5 Untersuchung des Einschwing- und Nachschwingverhaltens bei dualem Spulenbetrieb mit Motortreiber-Ansteuerung Um einen Vergleich mit den vorhergehenden Messungen zu erhalten, wurde auch bei der Ansteuerung mittels Motortreiber-Schaltung der Einschwing- sowie der Nachschwingvorgang oszillografiert. In mehreren Versuchen zeigte sich, dass ein einfaches Abschalten der PWM nicht zum gewünschten Ergebnis führt, sondern weitere Probleme mit sich bringt. Nachdem aber ein stabil lauffähiger Zustand des Motortreibers geschaffen war, konnte die erste Testreihe für das Ein- und Ausschalten beginnen. Eine optimale Lösung für ein direktes Ein- und Ausschalten des gepulsten Ausgangssignals des HIP4082 war der Disable-Pin. Der Disable-Pin wurde über einen 1 k Widerstand, mittels eines Kippschalters, mit dem Signal versorgt und wurde über einen 2 k Widerstand gegen Masse gelegt. Zu Testzwecken wurde zum Ansteuern des Disable-Pins ein Kippschalter verwendet. Später soll dies über einen Logik-Ausgangs des ATmega-Chips geschehen (siehe Abbildung 45). Mit diesem Kippschalter kann jetzt High-Pegel auf den Disable-Pin gegeben werden, was sofort alle Ausgänge auf Low setzt. Außerdem werden alle Eingangssignale so lange unterdrückt, bis Disable wieder einen Low-Pegel erkennt (Kippschalter zurückgelegt). Die Ansteuerung über den Disable-Pin wies in den ersten Versuchen eine wesentlich kürzere Ein- und Ausschaltzeit auf. Eine weitere Testreihe zum Prüfen der Ein- und Ausschaltzeiten konnte nun gestartet werden. Aus- bzw. Einschalten der PWM ist dem zur Folge nun nicht mehr nötig, d.h. die PWM muss lediglich zu Beginn des Programms initialisiert und gestartet werden. 44 Elektrische Realisierung Abbildung 45 Schaltzeichnung mit PWM-Deaktivierung über den Disable-Pin (veränderte Grafik aus dem Datenblatt) [5, S.3]. Abbildung 46 Einschaltzeit der Sendeantenne (LOAD aus Abbildung 43) durch High-Signal am Disable-Pin des Motortreibers und die Einschaltzeit der Empfangsantenne CH1: Empfangsantenne CH2: Sendeantenne 45 Elektrische Realisierung Abbildung 47 Ausschaltzeit der Sendeantenne (LOAD aus Abbildung 43) durch Low-Signal am Disable-Pin des Motortreibers und die Ausschaltzeit der Empfangsantenne CH1: Empfangsantenne CH2: Sendeantenne Wie in Abbildung 46 und Abbildung 47 zu sehen ist, lassen sich nun Einschaltzeit im Bereich von 46 µs erreichen, welche deutlich unter der maximalen Zeit von 96 µs und dicht bei der optimalen Zeit von 32-40 µs liegt. Die gleiche Verbesserung ergibt sich bei der Ausschaltzeit, sie beträgt nun 20 µs, was doppelt so schnell ist wie die maximale Ausschaltzeit von 40 µs und in der Nähe der optimalen Abfallzeit von 24 µs ist. 46 Inbetriebnahme 5. Inbetriebnahme 5.1 Tests mit der fertigen Platine im Zusammenspiel mit der Kommunikationssoftware Nachdem die Tests der Hardware erfolgreich abgeschlossen wurden und mittels der „DisableLösung“, via Kippschalter, die gewünschten Ein- und Ausschaltzeiten eingehalten werden können, sind erste Versuche, mit der von Herr Pleis geschriebenen Software, getätigt worden. Zunächst wurde das RFID-Reader-Board mit der provisorischen Lochrasterplatine verbunden und nacheinander in Betrieb genommen. Die PWM pulst jetzt ununterbrochen und die Modulation des Sendesignals kann programmtechnisch über den Disable-Pin des Motortreibers ICs vorgenommen werden. Abbildung 48 Ansprechmuster der Sende und Empfangsspule zur Kommunikation. Wie im Oszilloskop in Abbildung 48 zu erkennen ist, konnten die Anfrage an die Tags moduliert werden. Im Channel 1 ist das Amplitudenumtastungsverfahren (ASK) mit einem Modulationsindex von 100% zu sehen. Dies bedeutet, dass eine beidseitige Kommunikation theoretisch möglich ist. Um weitere Tests durchzuführen wurden andere Programme auf den Mikrocontroller übertragen. Dabei hat sich gezeigt, dass das Motortreiber-IC überhitzte und anschließend einen Schaden aufwies. Wie bereits schon im vorhergehenden Kapitel erwähnt, führt es zu Problemen mit dem IC, wenn die PWM im laufenden Betrieb abgeschaltet wird. 47 Inbetriebnahme Da während der Übertragung eines anderen Testprogramms alle Pins des Mikrocontrollers auf LowPegel gesetzt werden, also auch die PWM abgeschaltet wird, kann dies zum Defekt der Platine führen. 5.1.1 Abschaltung der Versorgungsspannung für das Motortreiber-IC Um zu verhindern das während der Programmübertragung dass Motortreiber-IC einen Schaden nimmt soll die Versorgungsspannung erst zugeschaltet werden wenn die PWM initialisiert und gestartet worden ist. Dies wurde Softwaretechnisch durch einen weiteren Output-Port verwirklicht. Hardwaretechnisch musste ein High-Pegel am Pin PA3 zum Schalten der 12 V Versorgungsspannung für den HIP4082 genutzt werden. Zur Auswahl standen die Möglichkeiten, die Schaltung mittels eines Relais oder P-Kanal-MOSFETs zu realisieren. Aus Platz- und Kostengründen haben wir uns gegen die Schaltung mittels Relais entschieden. Für die MOSFET Lösung wurden ein Anreicherungstyp P-Kanal-MOSFET, sowie ein NPN-Transistor verwendet. Der Output-Pin des ATMEGA steuert den NPN-Transistor an, welcher dann für eine negative Spannungsdifferenz, am Gate gegenüber Source, sorgt. Dadurch wird der P-Kanal-MOSFET leitend und schaltet so die 12 V Versorgungsspannung für den HIP4082 zu. Abbildung 49 Schaltung zum zuschalten der Versorgungspannung des HIP4082. Die in Abbildung 49 dargestellte Schaltung, zum Zuschalten der Versorgungsspannung des Motortreiber-ICs, wurde für weitere Tests auf unserer provisorischen Platine umgesetzt. Nun konnte sichergestellt werden, dass es beim Neustart oder bei der Übertragung eines anderen Programmes nicht zu Schäden am Motortreiber-IC kommt. 48 Inbetriebnahme 5.1.2 Abschlussarbeiten Nach der Kommunikation mit der Software von Herrn Pleis wurden nochmals Maßnahmen zur Verbesserung des Sinussignals durchgeführt. Sowohl in Höhe, als auch in der Form des Sinus sind Optimierungen für eine noch bessere Verständigung von Antenne und Transponder erforderlich. Abbildung 50 Das überkritisch gekoppelte Amplitudenbild. Durch unseren aktuellen Aufbau mit der Dualen-Spule entspricht dieser einem Zweikreisbandfilter [8, S. 1333]. Der Zweikreisbandfilter entsteht durch induktive Kopplung zweier Parallelschwingkreise (Sende- und Empfangsspule). Ist dieser überkritisch gekoppelt zeigt die Durchlasskurve zwei Höcker und dazwischen eine Delle. Genau dieses Verhalten ist auch in Abbildung 50 in unserem Oszillogramm zu erkennen. Um also das Ziel eines verbesserten Sinussignals zu erreichen, müssen die rückgekoppelten Oberschwingungen durch Nachschalten eines Tiefpasses ausgefiltert werden. Es entsteht eine LC-Tiefpass-Kombination, ein bedämpfter Reihenschwingkreis mit Ausgang am Kondensator. Messungen an der Empfangsspule haben eine Induktivität von 1,62 mH ergeben. Der benötigte Kondensator wird über die Beziehung zur Berechnung der Resonanzfrequenz berechnet: 49 Inbetriebnahme Nach dieser Anpassung der Schaltung ergibt sich ein neues Amplitudenbild, welches die Rquirements erfüllt, wie in Abbildung 51 zu sehen. Eine exakte Analyse der sich jetzt ergebenden Ein- und Ausschaltzeiten ist in der Abbildung 53 und in Abbildung 54 zu sehen und wird im Folgenden erläutert. Abbildung 51 Amplitudenbild nach dem Einbau des Tiefpasses. CH1: Ausgangssignal der Sendespule CH2: Eingangssignal der Empfangsspule Um ein ideales Verhältnis zwischen Höhe und Schaltzeiten der Amplitude zu erhalten wurde durch empirisches Vorgehen die Bedämpfung der Empfangsantenne geändert. Der zur Antenne in Reihe geschaltete Widerstand benötigt einen Wert von 316 Ω um die schlussendliche Entwicklungsstufe zu erzielen. Dadurch ergeben sich folgendes Amplitudenbild (Abbildung 52), Einschaltzeit (Abbildung 53) und Ausschaltzeit (Abbildung 54). 50 Inbetriebnahme Abbildung 52 Amplitudenbild der letzten Entwicklungsstufe. CH1: Ausgangssignal der Sendespule CH2: Eingangssignal der Empfangsspule Abbildung 53 Einschaltzeit der letzten Entwicklungsstufe. CH1: Ausgangssignal der Sendespule CH2: Eingangssignal der Empfangsspule 51 Inbetriebnahme Abbildung 54 Ausschaltzeit der letzten Entwicklungsstufe. Nicht nur der Sinus und die Höhe der Amplitude, sondern auch die Ein- und Ausschaltzeiten sind jetzt auf ein Optimum abgestimmt. So betragen nun die Einschaltzeit 8,6 µs und die Ausschaltzeit 25,8 µs. 52 Inbetriebnahme 5.1.3 Endergebnis Die abgeschlossene letzte Entwicklungsstufe der Treiberplatine ist in der Lage die benötigten Zeiten zum Ansprechen der HITAG S-Tags einzuhalten. Sowohl die Ein-, als auch die Ausschaltzeiten liegen unter den erforderlichen Maximalzeiten zur Kommunikation. Abbildung 54 zeigt das die Abfallzeit Tf =25,8 µs beträgt, damit ist die maximale Zeit von 32 µs und sogar die optimal geforderte Zeit von 24 µs zur Kommunikation mit den HITAG S nahezu einhaltbar. Die geforderte Anstiegszeit Tr, in Abbildung 53 zu sehen, von 96 µs ist im Bereich von wenigen Mikrosekunden und somit auch weit unter den Anforderungen. Die noch benötigte Softwaretechnische Lösung wird von einem Partnerprojekt (durchgeführt von Herrn Pleis) bereitgestellt und nachträglich auf diesem Board implementiert. Bis zum funktionstüchtigen System wird weiterhin der provisorische Aufbau der Platine dienen, für den Fall unerwarteter Erweiterungen. Die von uns entwickelte Lösung wurde in einem Eagle-Schaltplan komplett vorbereitet. Die nötigen Dateien befinden sich auf der Daten-CD im Anhang dieser Projektarbeit. 53 Erstellen des Platinen-Layouts mit EAGLE 6. Erstellen des Platinen-Layouts mit EAGLE Die von uns erstellten Schaltungen auf der Lochrasterplatine dienten zur Erprobung und zu Testzwecken. In dieser Phase der Entwicklung bietet sich der Gebrauch einer Lochrasterplatine an, da häufig Änderungen an den bestehenden Schaltungen vorgenommen werden müssen und die Komplexität der Schaltung noch überschaubar war. Die funktionstüchtige Schaltung zur Ansteuerung der Sendespule, die unter Laborbedingungen erfolgreich gearbeitet hat, wurde nach der Erprobung mit Eagle gezeichnet. Hierfür wurden das von Herr Brunner erstellte Projekt, mit Schaltplan und Board, erweitert. Der bisher genutzte NF-Verstärker wurde komplett aus der Zeichnung entfernt und durch die neu entwickelte Ansteuerung der Sendespule ersetzt. Außerdem wurde der Stecker zum Anschluss der Sende- sowie Empfangsantennen erweitert und der Anschluss zum DC/DC Wandler hinzugefügt. Weitere kleinere Änderungen, wie die Anpassung an die Demodulationsstufe, mussten an der Schaltung durchgeführt werden. Alle verendeten Bauteile wurden genauso in Eagle umgesetzt und in der Bill Of Materials (BOM), mit Dimensionierungswerten, vermerkt. Abbildung 55 Ansteuerung der Sendespule. In Abbildung 55 sind die von uns gezeichneten Änderungen der Gesamtschaltung dargestellt. Es zeigt die durch das Motortreiber-IC angesteuerte H-Brücke mit den entsprechenden Beschaltungen und Sicherheitsmaßnahmen. 54 Erstellen des Platinen-Layouts mit EAGLE Auf der nächsten Seite, in Abbildung 56, ist der gesamte Eagle-Schaltplan des RFID-Readers V1.1 dargestellt. Hier kann man auch noch einmal die neu hinzugekommen Komponenten, in Zusammenarbeit mit der bisherigen Schaltung erkennen. Zur Verdeutlichung wird der Inhalt (horizontale Ansicht) der Eagle-Zeichnung in Abbildung 56 noch einmal stichpunktartig erläutert: Auf der linken Seite ist der ATmega mit den Anschlüssen zur Versorgungsspannung dargestellt. In der Mitte der Zeichnung befindet sich das Motortreiber-IC mit der H-Brücke. Oberhalb des HIP4082 befindet sich die Zuschaltung der Versorgungsspannung für das IC. Links des HIP4082 ist der NAND-Baustein, der Delay-Widerstand, die Bootstrap-Schaltung und der Anschluss zum Disable-Pin abgebildet. Oben befinden sich die Versorgungsspannung, sowie der Spannungswandler. Rechts ist der Steckverbinder zum Anschluss der Antennen. Unten in der Zeichnung ist die Demodulationsstufe zu sehen, so wie sie Herr Brunner auch schon genutzt hat. 55 Erstellen des Platinen-Layouts mit EAGLE Abbildung 56 Gesamter Schaltplan des RFID-Readers V1.1. 56 Erstellen des Platinen-Layouts mit EAGLE Abbildung 57 Board-Datei mit gerouteter Platine. Die Board-Datei, die die Platine mit alle Bauteilen und den gerouteten Leiterbahnen zeigt, ist in Abbildung 57 abgebildet. Es wurde, wie bei dem vorhandenen Board, wieder mit Top- (Rot) und Bottomlayer (Blau) gearbeitet. Der komplette Eagle-Projektordner, inklusive Schaltung und Board, wird nach Abschluss dieses Projekts zur Verfügung gestellt. Sollten durch Folgeprojekte weitere Änderungen an der bestehenden Schaltung vorgenommen werden müssen, kann dann, mit der von uns erweiterten Platine, weitergearbeitet werden. 57 Meilensteintrendanalyse und Projektverlauf 7. Meilensteintrendanalyse und Projektverlauf 300 1 Vorarbeiten, Einlesen in das Projekt, Aufbau 2 Analyse der Ein und Ausschaltzeiten, Optimierung 3 Analyse/Umbau des NF Verstärkers Meilensteintermine/std --> 250 200 4 Entwicklung DualSpulen-Lösung 5 Motortreiber Entwicklung 150 6 Erweiterung, Endarbeiten Schaltung 7 Testphase, Inbetriebnahme mit HITAGS und Herrn Pleis 8 Dokumentation, EAGLE Layout 100 50 Projektende 0 0 50 100 150 200 250 300 Berichtszeitpunkt/std --> Abbildung 58 Meilensteintrendanalyse. Aus der Meilensteintrendanalyse ist der Projektstatus der einzelnen Teilaufgaben / Meilensteine abzulesen. Es lassen sich evtl. Verzögerungen oder nicht-Einhaltung des Abgabetermins ablesen. Bei 225 Stunden ist das Projektende definiert. Dieser Zeitraum ergibt sich aus 7,5 Credit-Points (CP) bei 30 Arbeitsstunden pro CP. Diese Stundenanzahl sollte ein Richtwert für die Dauer der Arbeit sein. Ein klarer Abgabezeitpunkt wurde nicht terminiert, da das Projekt semesterbegleitend und in den Semesterferien bearbeitet wurde. Unsere Meilensteintrendanalyse zeigt dass die ersten Teilaufgaben, von den Vorarbeiten bis zur ersten Optimierungslösung, zum festgesetzten Zeitpunkt fertiggestellt worden sind. Da es bei der Entwicklung des Motortreibers diverse Schwierigkeiten gab, wie die zu hohen Spannungsspitzen der Labornetzteile, welche nicht sofort ersichtlich waren, ausversehentliche Fehlbeschaltung, oder Entstehen eines Defekts beim Ausschalten der PWM, musste der Fertigstellungstermin mehrmals nach hinten verschoben werden. Aus diesem Grund mussten die Abschlussarbeiten, wie die 58 Anschluss der provisorischen Platine Testphase, Inbetriebnahme, Platinenerstellung und Dokumentation über das eigentliche Projektende hinaus verschoben werden. Die bereits großzügig gewählte Zeit für die Motortreiber Entwicklung hätte, im Falle vom Auftreten mehrerer Problematiken, größer gewählt werden müssen. Ebenfalls wurde der Aufwand für das Erstellen der Dokumentation als zu gering eingeschätzt. Die Zeit zur Fertigstellung des Projekts wurde unterschätzt und hätte anders kalkuliert werden müssen. 8. Anschluss der provisorischen Platine Damit mit der von uns hergestellten Platine weitergearbeitet werden kann, wird hier der Anschluss mit dem RFID-Reader-V1.0 Board und der Versorgungsspannung dargestellt. Abbildung 59 Anschluss des provisorischen Aufbaus zur Ansteuerung der Spulenantenne. In Abbildung 59 ist noch einmal die zu Testzwecken angefertigte Platine dargestellt. Die Schaltung zur Ansteuerung für den Motortreiber befindet sich links und der Aufbau zum Zuschalten der Versorgungspannung befindet sich unten rechts. Sämtliche Anschlüsse die für den Betrieb notwendig sind wurden darin gekennzeichnet. Die erforderliche Versorgungsspannung von +5 V und +12 V kann den Labornetzteilen entnommen werden. Als Schaltspannung empfiehlt es sich eine Spannung von +24 V zu verwenden um eine ausreicht hohe Amplitude zu erzeugen. Hier könnte die Spannung ggf. sogar bis auf +80 V erhöht werden, um mittels einer höheren Amplitude das Auslesen zu verbessern. Die Anschlüsse für die PWM, die Disable-Schaltung und die Zuschaltung der +12 V Betriebsspannung 59 Anschluss der provisorischen Platine des HIP4082 müssen mit dem RFID-Reader-V1.0 Board, bzw. mit den ATmega-Pins, verbunden werden. Coil – und Coil+ sind jeweils mit der Sendeantenne zu verbinden. Abbildung 60 zeigt noch einmal den zusammenhängenden Schaltplan. Dieser basiert auf der im HIP4082 dargestellten Grafik und wurde entsprechen unserer Modifikationen ergänzt. Abbildung 60 Komplette Schaltung der provisorischen Platine (veränderte Grafik aus dem Datenblatt) [5, S.3]. 60 Fazit 9. Fazit Ein System zu entwickeln, das es ermöglicht mehrere Tags kollisionsfrei auszulesen, erwies sich als schwierigere Aufgabe als zunächst erwartet. Das Einhalten der im Datenblatt des HITAG-S geforderten Ein- und Ausschaltzeiten ließ sich durch einfache Modifikationen nicht zu erreichen. Selbst dann nicht, wenn man das alte System mit dem NF-Verstärker in verschiedenster Weise ausreizte. Erst der Einsatz des Dualen-Antennen-Systems in Kombination mit einer Ansteuerung durch die Motortreiberschaltung konnte Abhilfe schaffen. Somit wurde eine Hardware entwickelt, die es der Software ermöglicht eine beidseitige Kommunikation zwischen Tag und Antennensystem durchzuführen. Da vielfältiges Wissen im Zusammenhang mit verschiedensten Themen der Elektrotechnik und besonders der analogen Schaltungstechnik erarbeitet werden musste, bot die Projektarbeit ein breites Feld an Lerngelegenheiten. Auch in Bereichen, wie der Simulation mit PSpice, der Zeichnungserstellung mit EAGLE und des Projektmanagements wurden Erkenntnisse gewonnen und Konsequenzen gezogen. Die in dieser Projektarbeit gewonnenen Kenntnisse und Erfahrungen bilden eine Grundlage um zukünftige Aufgaben und Projekte besser einschätzen zu können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das übergeordnete Ziel, nämlich die Entwicklung der Hardwarelösung zur Erkennung von kollisionsfreien Tags unter Laborbedingungen gelungen ist. Durch die Vielzahl der unerwarteten Probleme und Rückschläge ist der erforderliche Zeitaufwand deutlich größer ausgefallen als ursprünglich vermutet (siehe Meilensteintrendanalyse). Aufgrund der fehlenden Erfahrung in Projekten wurde der Aufwand zu gering eingeschätzt. Die im Zuge dieser Projektarbeit durchgeführten Untersuchungen, Erkenntnisse und Erfahrungen sollen als Anhaltspunkt und als Ausgangsbasis für weitere Folgeprojekte zu diesem Thema dienen. Um auf die Daten dieses Projekts zugreifen zu können, wird dieser Projektarbeit eine Daten-CD mit allen Quellen, Dokumentationen und Eagle-Dateien beigelegt. 61 Ausblick und Empfehlungen 10. Ausblick und Empfehlungen Es ist zunächst ein provisorisches System geschaffen worden, was für Folgearbeiten weiterhin eingesetzt werden kann. Das System ist hervorragend dafür geeignet die Entwicklungsarbeit für das Zielsystem unter Laborbedingungen fortzusetzen. Erst wenn alle Arbeiten am Gesamtsystem abgeschlossen sind, empfiehlt es sich, dass Gesamtlayout der Platine zu erstellen und in Auftrag zu geben. Alle nötigen Schaltpläne und Board-Dateien wurden analog zum provisorischen Ansteuerungsaufbau erstellt und zur Verfügung gestellt. Ein wichtiges Element, welches für das Gesamtsystem noch essenziell sein wird, ist die Weiterentwicklung der Spulenantennen. Ein besonderes Augenmerk sollte dabei auf der Empfangsantenne liegen, da es hier besondere Schwierigkeiten gegeben hat. Das Feld der Sendespule ist, wie in der Bachelor-Thesis von Herrn Brunner nachgewiesen, im gesamten Bereich nahezu homogen. Die verwendete Rahmenantenne bietet im Erfassungsbereich von 40x40cm eine gleichmäßige Feldstärke. Eine weitere Herausforderung stellen die erweiterten Größenansprüche für die Antenne dar. Weiterhin sollten die vorangegangenen Teilprojekte zu einer Gesamtanlage zusammengesetzt werden. Das heißt, dass die Arbeiten der Projektgruppe der Technischen Informatik mit den einzelnen Knoten und der Online-Datenbank mit der kollisionsfreien Erkennung der Tags und der vergrößerten Antenne zu einem zuverlässigen, ausfallsicheren Gesamtsystem verknüpft werden müssen. 62 Danksagung Danksagung An dieser Stelle wollen wir uns für die Unterstützung bedanken, die wir während der Durchführung dieser Projektarbeit erhalten haben. Besonderer Dank gilt: Herrn Prof. Dr.-Ing. Rabe, der uns für dieses Thema begeistert hat. Herrn Dipl.-Ing. Buß, der immer einen guten Tipp für uns hatte und uns grade zu Beginn der Arbeit einen Schubs in die richtige Richtung gegeben hat. Herrn Prof. Dr.- Ing Harms und Herrn Prof. Dr. Schumacher, die uns gegen Ende des Projekts mit wertvollen Hinweisen geholfen haben. 63 Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis [1] Brunner, Manfred; Entwurf und Implementierung eines Mikrocontrollerbasierten Systems zur Verarbeitung und Datenübertragung von RFID Transponder-Daten, Bachelorarbeit, Hochschule Emden-Leer, FB Technik/Abt. E+I, 2013. [2] Köhlenbeck, Timo; RFID-Transponder zur parallelen Zeiterfassung Projektarbeit, Hochschule Emden-Leer, FB Technik/Abt. E+I, 2013. [3] Philips Semiconductors; HITAG S Datasheet, URL: http://www.proxmark.org/files/Documents/125%20kHz%20%20Hitag/2006.07.18-HITAGS-PS(079231).pdf Stand: 20.06.2014. [4] Atmel corporation; ATmega2560 Datasheet, URL: http://www.atmel.com/images/doc2549.pdf Stand: 01.10.2012. [5] Intersil; HIP4082 Datasheet, URL: http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/hip4/hip4082.pdf Stand: 20.06.2014. [6] Intersil; Application Note AN9611, URL: http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/an96/an9611.pdf Stand: 20.06.2014. [7] Ose, Rainer; Elektrotechnik für Ingenieure (Grundlagen), Fachbuch Verlag Leipzig, München, 2014. [8] U. Tieze, Ch. Schenk; Halbleiter- Schaltungstechnik, Springer Verlag, Berlin, 1993. I Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Zeitmesssystem bei einem Freischwimmerwettkampf [1, S. 9]. ..........................................1 Abbildung 2 Prinzipschaltbild Systemaufbau [3, S. 10]. ....................................................................................5 Abbildung 3 Modulations Details: Zeiten [3, S.10]. ..............................................................................................6 Abbildung 4 Ursprüngliche Einschaltzeit. ...............................................................................................................8 Abbildung 5 Nachschwingen des Schwingkreises................................................................................................9 Abbildung 6 Schaltung der Treiberstrufe. ............................................................................................................ 10 Abbildung 7 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit einem Öffner zum freischalten. ................................................................................................................................................................................................ 11 Abbildung 8 Nachschwingen des Schwingkreises bei Freischaltung. ....................................................... 12 Abbildung 9 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit einem Öffner zur Unterbrechung. ................................................................................................................................................................ 12 Abbildung 10 Nachschwingen des Schwingkreises bei einer Unterbrechung zwischen Spulenantenne und Kondensator. ............................................................................................................................ 13 Abbildung 11 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit Kurzgeschlossener Spulenantenne.................................................................................................................................................................. 14 Abbildung 12 Nachschwingen des Schwingkreises wenn die Spulenantenne kurzgeschlossen wird....................................................................................................................................................................................... 14 Abbildung 13 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit einem parallelen, zuschaltbaren Widerstand. ......................................................................................................................................... 15 Abbildung 14 Nachschwingen des Schwingkreises, wenn ein Widerstand parallel zur Spule geschaltet wird. ................................................................................................................................................................ 15 Abbildung 15 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit Freischaltung und parallel zuschaltbaren Widerstand. ......................................................................................................................................... 16 Abbildung 16 Nachschwingen des Schwingkreises mit Freischaltung und parallel zuschaltbaren Widerstand. ....................................................................................................................................................................... 17 Abbildung 17 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises mit Freischaltung und Kurzschluss der Spulenantenne................................................................................................................................ 18 Abbildung 18 Nachschwingen des Schwingkreises mit Freischaltung und Kurzgeschlossener Spulenantenne.................................................................................................................................................................. 18 Abbildung 19 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises bei dem die Spulenantenne direkt gegen Masse geschaltet wird...................................................................................................................................... 19 Abbildung 20 Nachschwingen des Schwingkreises wenn die Spulenantenne gegen Masse geschaltet wird. ................................................................................................................................................................ 20 Abbildung 21 Vereinfachter Aufbau des Reihenschwingkreises bei dem die Spulenantenne über einen Widerstand gegen Masse geschaltet wird. ............................................................................................... 21 Abbildung 22 Nachschwingen des Schwingkreises wenn die Spulenantenne über einen Widerstand gegen Masse geschaltet wird. ........................................................................................................... 21 Abbildung 23 Simulation des NF-Verstärkers. ................................................................................................... 23 Abbildung 24 Einschwingvorgang bei normaler Beschaltung. Gemessen an Coil - (blau)............... 24 Abbildung 25 Einschwingvorgang an Coil - (blau) bei Ub=18 V, Rs=140 Ohm..................................... 24 Abbildung 26 Verstärkung der PWM durch zwischengeschaltete Transitorstufe. ............................. 25 Abbildung 27 Verlauf der verstärkten PWM. ...................................................................................................... 25 Abbildung 28 Einschaltzeit bei Ub = 20V und Bedämpfung des Schwingkreises. ............................... 26 Abbildung 29 Einschaltzeit bei Ub = 20V, Bedämpfung des Schwingkreises, ohne C6...................... 27 Abbildung 30 Einschaltzeit bei Amplitude für beste Tag-Erkennung....................................................... 28 II Abbildung 31 Einschaltzeit bei Amplitude für eine mittelgute Tag-Erkennung................................... 29 Abbildung 32 Einschaltzeit bei zwischengeschalteten Verstärker und Ub = 15 V................................ 29 Abbildung 33 Provisorischer Aufbau der Verstärkerstufe. ........................................................................... 30 Abbildung 34 Einschaltzeit bei zwischengeschalteten Verstärker und Ub = 20 V................................ 31 Abbildung 35 Provisorische Empfangsantenne mit einem Tag................................................................... 33 Abbildung 36 Vergleich Komparatorausgang von 1. Antennensystem mit 2. Antennensystem. .. 33 Abbildung 37 Eine Baugleiche Empfangsspule auf der Erregerspule. ...................................................... 34 Abbildung 38 Spannung der Erregerspule (Ch. 2 / oben) und Manchestercodiertes Eingangssignal (Ch. 1 / unten). ................................................................................................................................. 35 Abbildung 39 Amplitude wenn Empfangsteil in Resonanz. .......................................................................... 36 Abbildung 40 Amplitude wenn Empfangsteil nicht in Resonanz................................................................ 36 Abbildung 41 Typischer Aufbau des Motortreibers (HIP4082 Datasheet) [5, S.3]. ............................ 37 Abbildung 42 Dimensionierung des "Turn-On Delay" PIN DEL [5, S.4]. .................................................. 38 Abbildung 43 Normale Funktion (blau) Shoot-Through-Problem (rot) ........................................... 39 Abbildung 44 Spannungsspitzen beim Einschalten der 12 V Versorgungsspannung. ....................... 43 Abbildung 45 Schaltzeichnung mit PWM-Deaktivierung über den Disable-Pin (veränderte Grafik aus dem Datenblatt) [5, S.3]. ...................................................................................................................................... 45 Abbildung 46 Einschaltzeit der Sendeantenne (LOAD aus Abbildung 43) durch High-Signal am Disable-Pin des Motortreibers und die Einschaltzeit der Empfangsantenne ........................................ 45 Abbildung 47 Ausschaltzeit der Sendeantenne (LOAD aus Abbildung 43) durch Low-Signal am Disable-Pin des Motortreibers und die Ausschaltzeit der Empfangsantenne ....................................... 46 Abbildung 48 Ansprechmuster der Sende und Empfangsspule zur Kommunikation........................ 47 Abbildung 49 Schaltung zum zuschalten der Versorgungspannung des HIP4082. ............................ 48 Abbildung 50 Das überkritisch gekoppelte Amplitudenbild. ....................................................................... 49 Abbildung 51 Amplitudenbild nach dem Einbau des Tiefpasses. ............................................................... 50 Abbildung 52 Amplitudenbild der letzten Entwicklungsstufe. .................................................................... 51 Abbildung 53 Einschaltzeit der letzten Entwicklungsstufe........................................................................... 51 Abbildung 54 Ausschaltzeit der letzten Entwicklungsstufe.......................................................................... 52 Abbildung 55 Ansteuerung der Sendespule. ....................................................................................................... 54 Abbildung 56 Gesamter Schaltplan des RFID-Readers V1.1. ........................................................................ 56 Abbildung 57 Board-Datei mit gerouteter Platine. ........................................................................................... 57 Abbildung 58 Meilensteintrendanalyse................................................................................................................. 58 Abbildung 59 Anschluss des provisorischen Aufbaus zur Ansteuerung der Spulenantenne. ........ 59 Abbildung 60 Komplette Schaltung der provisorischen Platine (veränderte Grafik aus dem Datenblatt) [5, S.3]......................................................................................................................................................... 60 III Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tabelle 1 erforderliche minimale und maximale Absolut-Zeiten. 5 ..............................................................6 Tabelle 2 Typische Zeitwerte der verschiedenen Anwendungen. 5 ..............................................................6 Tabelle 3 Zusammenfassende Darstellung der erforderlichen Ein- und Auschaltzeiten.....................7 Tabelle 4 Darstellung der Einschwingzeiten, sowie die Differenzen zur maximalen und optimalen Zeit......................................................................................................................................................................8 Tabelle 5 Darstellung der Nachschwingzeiten, sowie die Differenzen zur maximalen und optimalen Zeit......................................................................................................................................................................9 Tabelle 6 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 12 Tabelle 7 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 13 Tabelle 8 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 14 Tabelle 9 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 16 Tabelle 10 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 17 Tabelle 11 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 18 Tabelle 12 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 20 Tabelle 13 Zeigt die gemessenen Nachschwingzeiten, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 22 Tabelle 14 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 26 Tabelle 15 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 27 Tabelle 16 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 28 Tabelle 17 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 29 Tabelle 18 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 30 Tabelle 19 Zeigt die gemessene Einschwingzeit, sowie die Differenz zur maximalen und optimalen Zeit................................................................................................................................................................... 31 IV
