IFP

Aus c't-Lab
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Funktionsbeschreibung

Bild des IFP ohne XPORT

Das IFP-Modul (Interface/Power Supply) sorgt für die Verbindung der c't-Lab-Module zu einem Computer. Das Modul verfügt über drei Datenschnittstellen: RS232, TP-Ethernet und USB. Das TP-Ethernet-Modul ("XPort") ist eines der teuersten Einzelbauelemente des gesamten Projektes: Bei einem Preis von 60 Euro wird es nicht von jedem Anwender eingesetzt. Es ist jedoch optional und kann weggelassen werden. Wer es einsetzt, hat den Vorteil, das c't-Lab über Ethernet ansprechen zu können. Außerdem können kleine Java-Programme geschrieben werden, welche dann auf dem XPort-Controller laufen und Abläufe steuern können. Alle drei Schnittstellen kann man per Jumper unabhängig aktivieren. Bei gleichzeitigem Durschalten mehrerer Kanäle sollte man jedoch darauf achten keine Signalkollision zu erzeugen, da hierfür keine Schutzmaßnahme vorgesehen ist.

Die Verbindung der an das IFP angeschlossenen Module wird mit dem Optobus realisiert. Alle Module werden so durch Optokoppler galvanisch getrennt miteinander verbunden, was potentialfreie Messungen möglich macht.

Eine weitere Aufgabe des IFP ist die Stromversorgung. Es stellt die Betriebsspannungen für ein weiteres Messmodul (+15 V, -15 V, +5 V) zur Verfügung. Um nicht für jedes weitere Messmodul ein zusätzliches IFP aufbauen zu müssen, wurde das Doppelnetzteil PS3-2 entworfen. Beide Netzteile liefern ihre Analog- und Digitalspannungen galvanisch getrennt. Hierbei wurde der klasische Aufbau eines Netzteils benutzt, also Trafo - Gleichrichter - Siebelkos - Spannungsstabilisierung. Das ganze funktioniert wie folgt: Die Trafos werden mit 230 V Wechselspannung gespeist. Diese erzeugen einen Wechselstrom in der Primärspule, welcher wiederum ein sich wechselndes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld induziert eine Spannung in der Sekundärspule. Die Höhe der Spannung ist von der Anzahl der Wicklungen des Transformatos abhängig. Auf der IFP wird ein 2 x 15 V, 6 VA und ein 2 x 9 V, 6 VA Trafo genutzt. Die 2x bedeuten, dass der Trafo zwei Ausgangsspulen enthält. Dementsprechend ist die Ausgangsspannung auch zweimal abgreifbar. Die VA stehen für die maximale Ausgangsleistung des Trafos. Im nächsten Schritt wird die Spannung über einen Brückengleichrichter gleichgerichtet. Dies bedeutet, dass die negative Halbwelle der am Ausgang des Trafos anliegenden Wechselspannung zur Positven weitergereicht (hochgeklappt) wird. Nun entsteht eine zwar immer noch wechselnde Spannung, welche aber keinen Nulldurchgang mehr hat. Der Sieb-Elko speichert nun diese Spannung und man erhält eine geglätte Spannung. Diese wird nun von den nachfolgenden Längsreglern(7805, 7815, 7915) heruntergeregelt. Die Eingangsspannung entspricht dabei dem Spitze-Spitze-Wert des Trafoausgangs, wobei die über den Gleichrichter abfallende Spannung subtrahiert werden muss. Nun steht die gewollte Spannung an den Längsreglerausgängen an und kann genutzt werden. Bei den Längsreglern ist darauf zu achten, dass sich diese erwärmen. Das kommt daher, dass die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist. Um die Differnz zwischen Eingang und Ausgang zu erreichen, wird die überflüssige Spannung im Längsregler in Wärme umgesetzt. Viele dieser Längregler enthalten deswegen eine Temperatursicherung, welche den Baustein "ausschaltet". Um dies zu vermeiden, ist für ausreichend Kühlung zu sorgen. Der 7915 ist zudem ein Sonderfall, er muss mit einer negativen Gleichspannung versorgt werden. Diese erkennt man im Schaltplan bei TR1. Hierfür wurde der Mittelabgriff des Trafos als Masse benutzt. Der 7915 kann nur dann eine negative Spannung am Ausgang liefern, wenn er auch mit einer negativen Spannung gespeist wird.

Online-Artikel auf der Projektseite von heise.de sowie Berichtigungen zum Online-Artikel.

Verbindung zum PC

Die Kommunikation mit den Messmodulen erfolgt im ASCII Code. Hier wird jedem Zeichen ein bestimmtes Bitmuster, bestehend aus acht Bits, zugeteilt. Man kann somit 2^8 = 256 Zeichen darstellen. Die Datenübertragung erfolgt nicht synchron über einen Takt, sondern asynchron. Das bedeutet, dass der Zeitabstand zwischen zwei zu übertragenen Zeichen beliebig ist. Eine Synchronisation muss aber natürlich trotzdem stattfinden. Dies wird durch sog. Start- und Stoppbits realisiert. Jedes übertragene Zeichen wird mit einem Startbit eingeleitet, wodurch der Empfänger die folgenden acht Bit als Zeichen interpretiert. Ein oder zwei Stoppbits signalisieren dem Empfänger das Ende des Zeichens.

Im c’t Lab sind die Module über ein Bussystem gekoppelt, das Optobus genannt wird. Die Übertragungsparameter dieses Optobus sind 38400 Bit/s, 8 Bits pro Datenwort, kein Paritätsbit, 1 Stoppbit, oder kurz 38400-8N1. Das bedeutet also, die Bits werden mit einer Geschwindigkeit von 38400 Bit/s übertragen, pro Zeichen werden 8 Bits gesendet, es wird kein Paritätsbit verwendet, mit welchem man eine Prüfsumme übertragen könnte, und es wird als Stoppbit ein Bit verwendet. Die Datenverbindung zwischen den einzelnen Modulen ist galvanisch über Optokoppler getrennt, das heißt die einzelnen Module sind elektrisch voneinander isoliert.

Bei der seriellen Datenübertragung über die RS232 Schnittstelle werden im einfachsten Fall nur drei Leitungen benötigt. Die beiden Datenleitungen, genannt TXD für transmit data und RXD für receive data, für die Übertragung in jeweils eine Richtung. Und noch eine Masseleitung als gemeinsames Bezugspotential. Normalerweise muss zum Verbinden von z.B. zwei PCs ein Nullmodemkabel verwendet werden, in dem die TXD und RXD Leitungen gekreuzt werden. Zum Anschluss des IFP- Moduls an den PC muss man aber ein 1:1 Verbindungskabel verwenden, da TXD und RXD schon auf der Platine gekreuzt werden.

Eine logische 1 wird bei der RS232- Schnittstelle durch eine Spannung von -3V bis -12V repräsentiert, eine logische 0 durch +3V bis +12V. Da die anderen Schnittstellen TTL- Pegel, also 5V oder 0V verwenden, muss ein Pegelkonverter das TTL- Signal auf das RS232 Signal wandeln. Da eine logische 1 bei TTL 5V und bei RS232 -12V entspricht, muss eine Pegelumsetzung auf die höheren Pegel erfolgen und zusätzlich muss das Signal invertiert werden. Die Wandlung von RS232 auf TTL erfolgt analog, ein Pegel von -12V wird auf 5V umgesetzt. Einer der bekanntesten Pegelkonverter für die RS232 Schnittstelle ist der MAX232, der in der IFP- Schaltung verwendet wird.

Schaltplan, Layout, Bestückungsplan

Schaltplan der IFP-Platine, © Carsten Meyer
Layout der IFP-Platine, © Carsten Meyer
Bestückungsplan der IFP-Platine, © Carsten Meyer

Kosten und Bezug von Material

Kostenaufstellung (allgemein c't Lab) von Heise

Bestellwarenkorb bei Reichelt (Hinweise bei Kostenaufstellung beachten!)

Übersichtseite (allgemein c't Lab) von Segor

Bestellkonfigurator (allgemein c't Lab) von Segor

Teilesatz/Bestellliste für IFP Modul von Segor

Ergänzungen und Berichtigungen

Offizielle Errata und Ergänzungen vom Heise Verlag

Offizieller Heftartikel zum IFP von Heise (Bitte auf Online-Leseprobe klicken)

Nachbau

Massebrücke zum Test (gesteckt)
Massebrücke nach dem Test (ungesteckt)



Noch ergänzen:

  • Funktionsbeschreibung
  • Link zum Online-Artikel

http://www.heise.de/ct/artikel/Leitungsschau-291014.html

  • Links zu Schaltbildern, Layouts, Firmware
  • Link zu Teilesätzen (Segor, Reichelt)
  • Nachbauhinweise