Vorüberlegungen
Bevor sich an die konkrete Schaltungsentwicklung begeben werden konnte, war es wichtig einige Vorüberlegungen anzustellen. Was waren die Anforderungen an das ADB?
- Automatisiertes Ein- und Ausschalten der Alarmanlage unter zu Hilfenahme der Fernbedienung
- Einstellen verschiedener Schaltzeiten über USB
Der Prototyp
Nachdem die Vorüberlegungen abgeschlossen waren ging es an die Schaltungsentwicklung. Zufälligerweise hatte ich die Platine eines früheren Projektes (EVB-1a) über. Zu dieser gehört ebenfalls eine RTC (real time clock), die für das ABD benötigt wird. Diese konnte als Grundlage für erste Tests dienen, ob es überhaupt möglich ist, die Fernbedienung von außen zu schalten.
Zu dem früheren Projekt gehörten unter anderem ein 4 x 20 Stellen LCD und ein Temperatursensor. Das LCD hätte den Vorteil gehabt, direkt auf der Platine einige wichtige Informationen anzeigen zu können. Leider kann dieses nicht genutzt werden. Das LCD blockiert die UART-Pins des Mikrocontrollers. Diese werden zum Einstelle der Uhrzeit benötigt. Stattdessen wurden als Kontrolle des Schaltzustandes die beiden vorhandenen LEDs benutzt.
Überarbeitung des Konzepts
Die optimale Lösung war die Schaltung des EVB-1a für dieses Projekt nicht. Dafür unterscheiden sich die Anforderungen doch zu stark. Das die Nutzung des LCDs zeitgleich mit der UART nicht möglich war, ist dabei das größte Ärgernis gewesen. Zusätzlich kam hinzu, dass die Kommunikation über ein Bluetooth-Modul gewünscht wurde. Aus diesen Gründen bin ich davon abgerückt, das EVB-1a als Basis für das ADB zu nutzen. Eventuell ist es für spätere Projekte noch einmal interessant, die nur ein Display benötigen, aber keine UART.
Das ADB wird nun von Grund auf neu entwickelt, daher bringt es keine Einschränkung durch bereits genutzte Komponenten mit sich. Als neue Anforderungen können genannt werden:
- Leicht zugängliche Anschlüsse der Schaltausgänge. Verbindung zwischen Fernbedienung und ADB mittels Schraubklemmen.
- Kommunikation über USB oder Bluetooth möglich
- Logging der Schaltvorgänge und Konfigurationsänderungen auf Mikro-SD-Karte
Optionale Funktionen
- Temperatursensor zur Ermittlung der Umgebungstemperatur
- Überwachung des Eingangsstroms
- Überwachung der Spannung der Backup-Batterie der RTC
- Stabile Referenzspannung für die Messung der Spannung und des Stroms
Schaltungsbeschreibung
Nachdem die Anforderungen aktualisiert wurden, kann mit der eigentlichen Schaltungsentwicklung begonnen werden.
Mikrocontroller und UART
Das Herzstück der Platine bildet der Mikrocontroller ATMEGA644 der Firma Atmel, heute zu Microchip zugehörig. Dieser wird mit einem externen Oszillator mit 7.3728MHz betrieben.
7.3728MHz ist eine sogenannte Baudratenfrequenz. Bei der Baudrate handelt es sich um die Geschwindigkeit, mit der über die UART Daten übertragen werden können. Um mit einer höheren Baudrate wie z.B. 115200Baud arbeiten zu können werden Baudratenfrequenzen benötigt. Der im Mikrocontroller integrierte 1MHz oder 8MHz Oszillator würde zu zu großen Abweichungen und damit Fehlerraten führen.
Die in dem Mikrocontroller integrierte UART wird über das Bluetooth-Modul HC-06 oder über die USB-UART-Bridge CP2105 zugänglich gemacht. Der gewählte Mikrocontroller verfügt nur über eine einzige UART. Aus diesem Grund ist die gleichzeitige Kommunikation über Bluetooth und USB nicht möglich. Beim Empfangen von Daten besteht die Möglichkeit der Kollision der beiden Datenkanälen und damit zu nicht interpretierbaren Daten. Aus diesem Grund erfolgt eine eine Umschaltung der Datenleitungen zwischen USB und Bluetooth. Als einefache Lösung kommt hier der Analogswitch ISL84684 zum Einsatz. Mit diesem können die beiden Leitungen RX (Receive) und TX (Transmit) umgeschaltet werden.
Datenspeicher
Damit die die Schaltzeichen und weitere Defaultwerte das Ausschalten der Betriebsspannung überleben, ist als Datenspeicher das FRAM FM24C04B mit 4kb Speicher vorgesehen. Log Einträge sollen auf SD-Karte geschrieben werden, da die Auswertung mit einem Rechner dadurch problemlos möglich ist.
Ein FRAM ist ebenso wie ein EEPROM ein Speicher, der seine Daten auch nach Ausschalten der Betriebsspannung behält. Im Gegensatz zu einem EEPROM sind die Schreibzyklen um den Faktor ~100 höher.
Sensoren
In der Schaltung werden einige Sensoren verbaut. Die Umgebungstemperatur soll mit dem Temperatursensor DS600+ erfasst werden. Die Uhrzeit kommt von der RTC M41T93 mit integriertem Uhrenquarz von ST Microelectronics.
Ein integrierter Uhrenquarz ist meist genauer als ein extern angeschlossener. Zudem wirkt sich der Temperaturdrift gleichermaßen auf die RTC und den Quarz aus, wenn sie in einem Gehäuse sind. Sind sie voneinander getrennt, kann dies anders sein.
Der eingesetzte Mikrocontroller wertet neben der Temperatur, der Batterie- und Betriebsspannung mit dem integrierten ADC auch den Eingangsstrom aus. Dies ist allerdings nur indirekt möglich, da der integrierte ADC nur Spannungen direkt messen kann. Für die Auswertung der Strommessung wird der Strom mit Hilfe des Current-Sense-Amplifiers LT6105 in eine dem Strom proportionale Spannung gewandelt. Der Current-Sense-Amplifier misst den Spannungsabfall über einem 0.75Ω Widerstand und verstärkt diesen zwischen 0V und 3.3V. Damit kann der im Mikrocontroller enthaltene ADC den Eingangsstrom messen. Um sehr kurze Stromspitzen beim Start der Schaltung oder der Verwendung des Bluetooth-Moduls vorzubeugen, befindet sich zwischen dem Ausgang des LT6105 und dem ADC ein LTC6252 als Impedanzwandler mit nachgeschaltetem 22Hz Tiefpass-Filter.
Die integrierte Spannungsreferenz für den ADC ist relativ ungenau und sehr temperaturabhängig. Um eine genauere und stabilere Referenzspannung zur Verfügung zu haben, kommt die Referenzspannungsquelle LM4132-2.048 von Texas Instruments zum Einsatz. Sie liefert eine Referenzspannung von 2.048mV wodurch sie sich gut in 11Bit unterteilen lässt.
Für einen einfachere und schnellere Berechnung sind Referenzspannungen die sich in Zweierpotenzen zerlegen lassen von Vorteil. Dadurch entfällt eine auf Mikrocontrollern mit begrenzten Ressourcen aufwendige Division mit Rest.
Rückmeldungen
Zur Visualisierung des momentanen Schaltzustandes ist eine Doppel-LED vorgesehen. Diese beinhalten eine grüne und eine rote LED in einem gemeinsamen Gehäuse. Rot signalisiert, dass die Anlage ausgeschaltete ist. Grün hingegen heißt, die Anlage ist aktiv. Eine weitere, einzelne LED zeigt signalisiert den Verbindungsstatus des Bluetooth-Moduls. Blinkt die LED, ist das Modul nicht verbunden, leuchtet sie konstant ist das Modul mit einem Partner, z.B. einem Mobiltelefon, verbunden.
Versorgung der Schaltung
Die Versorgung der Schaltung erfolgt über den integrierten USB-Anschluss. An diesem kann, z.B. ein altes Smartphone-Netzteil angeschlossen werden. Die Schaltung intern arbeitete anstelle der 5V USB-Spannung nur mit 3.3V. Die Regelung von 5V auf 3.3V übernimmt ein Linearregler des Typs LT1965.
Die Stromaufnahme der Schaltung ist gering genug um den Linearregler nicht zu überlasten. Ein Schaltregler wird hier nicht benötigt.
Bilder
Schaltplan
Der Schaltplan des ADB-1a kann hier eingesehen werden.
Bugs & Verbesserungen
Der erste Entwurf einer Schaltung enthält oft Fehler die trotz ERC (electrical rule check) und DRC (design rule check) auftreten können. Auch ist es nicht unüblich, dass im nachhinein Dinge auftreten, die besser gemacht hätten werden können. So gibt es auch für das ADB-1a eine kleine Mängelliste:
- Der Knopfzellenhalter muss ca. 1mm weiter in Richtung Platinenmitte verschoben werden. Aktuell blockiert er den Kondensator C14.
- Der Kondensator C14 muss weiter nach links geschoben werden, damit er nicht mehr vom Knopfzellenhalter verdeckt wird.
- Der Kondensator C9 muss neben dem zugehörigen Kondensator C14 platziert werden.
- Der Temperatursensor gibt immer 1.2V aus. Das entspricht einer Umgebungstemperatur von 117°C.
- Eine UART-Leitung kollidiert mit einem Pin der RTC. Es hat keine Auswirkungen da der Pin intern nicht verbunden ist.
- Der gewählte FRAM-Typ ist für eine Betriebsspannung von 5V spezifiziert. Er muss gegen einen 3.3V-Typ ausgetauscht werden.
- Die Verstärkung des Current-Sense-Amplifiers ist zu gering. Ströme können nur sehr ungenau gemessen werden.
- Zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen Fernbedienung und Schaltung sollen Längswiderstände (~10kΩ) in die Schaltleitungen integriert werden.
Aufgrund der längeren Mängelliste und einiger kleineren Verbesserungswünschen wurde eine neue Version des ADB-1a entwickelt, das ADB-2. Dieser ist hier beschrieben.