CCRP5: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 24. November 2006, 10:52 Uhr

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Einleitung

CCRP5 steht für C-CONTROL ROBOTER PROJECT 5 und bezeichnet ein Produkt der Firma Conrad Electronic GmbH in Hirschau, welches seit Ende 2003 auf dem Markt ist. Mechanisch und elektrisch wird das System bereits fertiggestellt geliefert, ist aber dennoch erweiterbar. Zur Inbetriebnahme muss nur der Mikrocontroller (µC) programmiert werden. Dies geschieht mit Hilfe der im Lieferumfang befindlichen Entwicklungsumgebung (IDE), in der aus einem Quelltext in der firmeneigenen Programmiersprache CCBASIC ein entsprechendes Programm für den µC erzeugt wird (Cross-Compiling). Dieses kann aus der IDE heraus über eine serielle Schnittstelle des PC (Host) in den µC (Target) übertragen werden, welcher während dieser Zeit in der Schaltung verbleibt (In-System-Programming, kurz: ISP). Ebenfalls im Lieferumfang befinden sich praktikable Beispielprogramme, sodass sich der Arbeitsaufwand ein experimentierbereites System zu erstellen, auf ein Minimum beschränkt. Um die Möglichkeit der Simulation des µC, welche die Entwicklungsumgebung bietet, nutzen zu können, empfiehlt sich der Einsatz eines Windows-PC.

Conrad Electronic bewirbt den CCRP5 namentlich für die Zielgruppe der Einsteiger, doch stellt die m.E. als spärlich zu bezeichnende Dokumentation gerade den Einsteiger in die MSR-Technik vor nahezu unüberwindbare Schwierigkeiten. Zu vieles, was zur Nachvollziehbarkeit und somit zum Verständnis näher erläutert werden müßte, ist dort nur äußerst knapp umrissen oder kompliziert dargestellt. So mag mancher, der einen CCRP5 erworben hat, doch schnell die Freude daran verloren haben, obwohl der CCRP5 m.E. auf Grund seines hohen Vorfertigungsgrades einen guten Einstieg darstellt. Alles ist komplett und funktioniert - Baufehler können ausgeschlossen werden, wenn etwas nicht funktioniert und man kann sich über die Programmierung langsam Stück für Stück mit der gesamten MSR-Technik vertraut machen.

Aufgabe dieses Artikels ist, die zuvor erwähnte Lücke in der Dokumentation des CCRP5 zu schließen und eben diese Einarbeitung zu ermöglichen, in dem beschrieben wird, was im CCRP5 so alles passiert. But nobody's perfect - auch nicht dieser Artikel. Fragen, die sich nicht aus dem Artikel selbst beantworten, Wünsche und Anregungen, zu denen auch sachliche Kritik gehört, bitte an ccrp5@web.de!

Mechanik

Beschreibung

Diese Abbildung gibt einen Einblick in das Innere des Gehäuses bei demontierter Hauptplatine. Hierzu sind die vier einzigen Rundkopf-Kreuzschlitz- schrauben auf der Hauptplatine heraus zu drehen.

Das Fahrgestell des CCRP5 (auch einzeln erhältlich) besteht aus einer längs geteilten, symmetrischen Kunststoffwanne, die nach oben hin von der Hauptplatine abgedeckt wird. In jeder Gehäusehälfte befindet sich ein eigenständiger Antrieb, bestehend aus Antriebsmotor mit Getriebe und außenliegendem, heckgetriebenem Raupenband. Ein seitliches Herunterrutschen des Raupenbandes wird im Querschnitt durch Formschluss mit dem Antriebs-, bzw. Umlenkrad verhindert. Die elektrischen Anschlüsse der Antriebsmotoren sind durch leicht entfernbare Abdeckungen an den beiden Längsseiten des Fahrgestells gut zugänglich.

In der linken Hälfte der Abbildung erkennt man den durch einen Stellring gesicherten rechten Vorderachsstummel. Vorder- und Hinterachsstummel sind in Gleitlagerbuchsen gelagert. In der rechten Hälfte sieht man das Getriebe mit dem dahinter befindlichen Antriebsmotor. Es handelt sich hierbei um ein dreistufiges Stirnradgetriebe mit Polyamid-Zahnrädern in der Verzahnungsgröße Modul 0,5.

Übersetzung

In der Konfiguration mit jeweils 12 Zähnen am treibenden und jeweils 50 Zähnen am getriebenen Zahnrad ergibt sich für das Getriebe eine Gesamtübersetzung von

[math]i_{gesamt}=i_{1}\cdot i_{2}\cdot i_{3}=\frac{z_{2}}{z_{1}}\cdot\frac{z_{4}}{z_{3}}\cdot\frac{z_{6}}{z_{5}}=\frac{50}{12}\cdot\frac{50}{12}\cdot\frac{50}{12}=\frac{50^{3}}{12^{3}}=\frac{125000}{1728}=72\frac{73}{216}[/math]

So ändert sich die Drehzahl am Antriebsrad des Raupenbandes (hier Index 2) gegenüber der Drehzahl an der Motorwelle (hier Index 1) wie folgt:

[math]n_{2}=\frac{n_{1}}{i}=\frac{n_{1}}{72}[/math]

Die Drehzahl am Antriebsrad beträgt also nur den 72-ten Teil der Motordrehzahl. Dafür steigt das Drehmoment im Verhältnis

[math]M_{2}=i\cdot {M_{1}}=72\cdot {M_{1}}[/math]

auf das 72-fache des ursprünglich an der Motorwelle verfügbaren Wertes.

Elektromechanik

Beschreibung

Die elektromechanische Ausrüstung des CCRP5 besteht in der Grundausstattung aus den beiden Antriebsmotoren und zwei Gabellichtschranken. Leider sind für die Antriebsmotoren keine Kenndaten bei der Conrad Electronic GmbH erhältlich.

Odometrie

Die Gabellichtschranken sind von der Unterseite her mit der Hauptplatine verlötet und verschraubt. Dabei sind sie so plaziert, daß der Lichtweg zwischen Sender und Empfänger von einem der Zahnräder des Getriebes unterbrochen wird. In dieses Zahnrad wurde in entsprechendem Radius eine Bohrung eingebracht, sodaß nun mit jeder Umdrehung dieses Zahnrades ein Impuls der Lichtschranke erzeugt wird. Auf diese Art wird eine indirekte Messung des Weges möglich, den das Fahrgestell bei seiner Fortbewegung zurückgelegt hat (Odometrie). Dieser Weg errechnet sich wie folgt:

Übersetzung [math]i=\frac{z_{2}}{z_{1}}=\frac{50}{12}=\frac{25}{6}[/math]

Aus der Übersetzung ergibt sich die Drehzahl des angetriebenen Zahnrades, welches mit dem Antriebsrad verbunden ist:

Drehzahl [math]n_{2}=\frac{n_{1}}{i}=\frac{1\cdot 6}{25}[/math] Umdrehungen (oder 86°)

Der Durchmesser des Antriebsrades, gemessen über die Außenflächen des Raupenbandes - denn dort rollt sich das Raupenband ja ab - beträgt ca. 50 mm. So gelangt man über die Beziehung

[math]U=d\cdot \pi[/math]

auf die abgerollte Länge einer Umdrehung des Antriebsrades:

[math]U=50mm \cdot \pi\approx 157 mm[/math]

Eine [math]\frac{6}{25}[/math] Umdrehung entspricht dann [math]157mm\cdot\frac{6}{25}\approx38mm[/math]

Mit dieser Schrittweite läßt sich also die Fortbewegung des Fahrgestells überwachen, doch dies hält sich durch Schlupf zwischen Antriebsrad und unverzahntem Raupenband, sowie Schlupf zwischen Raupenband und Untergrund in (physikalischen) Grenzen.

Elektronik

Beschreibung

Die Hauptplatine ist doppelseitig und durchkontaktiert, mißt 185 x 128 mm und wurde beidseitig mit einer schwarzer Lötstopmaske versehen. Ebenso die frontseitige Sensorplatine, welche 80 x 19 mm mißt. Die meisten Bauteile sind in SMD-Technik ausgeführt. Mit Hilfe von abgewinkelten Stiftleisten ist die Sensorplatine an der Außenkante der Hauptplatine rechtwinklig zur deren Unterseite verlötet. Die Bestückungsseite zeigt dabei nach außen. Die Hauptplatine wird so auf das Fahrgestell montiert, daß diese Seite in Bewegungsrichtung vorne liegt (zur Erinnerung: die Getriebe liegen hinten).

Funktionsschaubild

Hier ein Funktionsschaubild der Elektronik des CCRP5:

Auch die komplizierteste Schaltung besteht aus einzelnen Funktionselementen, welche einzeln für sich betrachtet und nachvollzogen, das Verständnis der Gesamtschaltung ermöglichen. Nachfolgend werden die Schaltungen der Elemente des obigen Funktionsschaubildes anhand von Schaltungsauszügen beschrieben. Diese wurden aus den Unterlagen der Conrad Electronic GmbH erstellt, werden aber aus Haftungsgründen ohne jegliche Gewähr für die Richtigkeit veröffentlicht. Die Verwendung der darin enthaltenen Informationen erfolgt auf eigenes Risiko.

Hauptprozessor

Schaltungsauszug

Im Zentrum der Schaltung des CCRP5 liegt die C-Control 1. Sie basiert auf einem µC vom Typ MC68HC05B6 der Firma Freescale Semiconductor.

Die C-Control ist mit der gesamten Peripherie verbunden - entweder direkt oder über weitere Bausteine. Deshalb findet sich hier die höchste Dichte an ankommenden und abgehenden Leitungen. Nachfolgend eine alphabetische Auflistung der im Schaltungsauszug verwendeten Leitungskürzel und deren Zuordnungen:

Anm.: C9 und C11, sowie R11 und R29 sind auch in den Original-Unterlagen von Conrad Electronic wie gezeigt geschaltet und auf der Platine bestückt.

Schaltungsbeschreibung

IC7 (MC68HC05B6) liegt über Pin 10 (VDD) an der direkt aus der Batterie gespeisten Versorgungsspannung. Aus den technischen Daten dieses IC geht hervor, daß dessen Versorgungsspannung maximal 7 Volt betragen darf. Vom Einsatz von Primärzellen in der Batterie ist daher abzuraten, da die Versorgungsspannung sonst (6x1,5V=) 9 Volt beträgt. C8, C9 und C11 sind gegen Masse geschaltet und filtern zusammen mit anderen Kondensatoren in der Gesamtschaltung so Störspitzen aus der Versorgungsspannung heraus. C9 oder C11 könnte m.E. entfallen. Über Pin 41 (VSS) liegt IC7 an Masse.

Damit IC7 in Betrieb genommen werden kann, muß die Reset-Leitung auf logisch "1" (HIGH) liegen. Das bedeutet, daß hier mindestens 70% der Versorgungsspannung (Pin 10/VDD) anliegen müssen. Dies wird durch den Pull-Up-Widerstand R10 erreicht, der Pin 18 (RESET) mit der Versorgungsspannung verbindet. Bliebe diese Leitung auf logisch "0" (LOW) - maximal 20% der Versorgungsspannung (Pin 10/VDD) - würde der Controller im (Power-on-)Reset-Status verweilen.

Wird nun S1 (der rote SMD-Taster auf der Platine) betätigt, verhindert R10 einen Kurzschluß, indem er den nun fließenden Strom auf einen minimalen Betrag begrenzt. Die gesamte Versorgungsspannung fällt an ihm ab und an Pin 18 (RESET) liegt LOW an. Dies veranlaßt die Watchdog-Schaltung einen Reset im Controller auszulösen, der ihn neu startet.

Gleiches erzielt der Spannungswächter IC5 (TL7757), wenn die Versorgungsspannung einen Wert von nominal 4,55 Volt unterschreitet. R21 entstammt m.E. der Applikationsschaltung des TL7757, in der davon ausgegangen wird, daß noch kein Pull-up-Widerstand vorhanden ist und dient hier zusätzlich zur Strombegrenzung, wenn IC5 die Reset-Leitung auf Masse schaltet. Mit R10 zusammen bildet dieser Widerstand einen parallel geschalteten Pull-Up-Gesamtwiderstand von 5 kOhm. Einer dieser beiden Widerstände könnte m.E. entfallen.

Mehr braucht der Controller grundsätzlich erstmal nicht, um betriebsbereit zu sein, denn er verfügt über einen internen Oszillator mit 2,1 MHz Taktfrequenz. Möchte man diese auf bis zu 4,2 MHz erhöhen (von 12 MHz ist in den technischen Daten nicht die Rede), so kann man entweder einen externen Taktgeber an Pin 16 (OSC1) oder frequenzbestimmende Bauteile zwischen Pin 16 (OSC1) und Pin 17 (OSC2) anschließen.

Abschnitt 2.5.8.3 der technischen Daten des MC68HC05B6 liefert auf Seite 2-12 die entsprechenden Schaltungen und Bauteilwerte. Möchte man eine über längere Zeit stabile Taktfrequenz erzielen, um den Controller z.B. für Zeitmessungen nutzen zu können, empfiehlt sich die dort in Abb. 2-5(a) gezeigte Quarz-Variante. Diese findet sich mit den in den technischen Daten empfohlenen Bauteilwerten im Original-Schaltplan wieder und somit auch im obigen Schaltungsauszug.

Die beiden letzten, nicht vom Betriebssystem "C-Control" im User-ROM kontrollierten Anschlüsse sind Pin 7 (VRL) und Pin 8 (VRH). Hier liegen Referenzspannungen an, die mit dem oberen (Pin8/VRH) und unteren (Pin7/VRL) Grenzwert den Meßbereich des A/D-Wandlers festlegen. Pin 7 (VRL) liegt an Masse. C10 liegt zwischen Pin 8 (VRH) und Masse und filtert so Störspitzen aus der Referenzspannung heraus.

Nach dem Start arbeitet der Controller die Anweisungen des Programms "Betriebssystem" ab. Der MC68HC05B6 wird so zur C-Control 1. Diese wartet in einer Schleife nun auf ein Signal auf Pin 26 (PA5) oder ein über Pin 50 (RDI) empfangenes Kommando-Byte. Pin 50 (RDI) liegt beim Anschluß des CCRP5 an die serielle Schnittstelle des Host-PC an der Leitung TXD, welche gemäß der RS232-Spezifikation mit Pegeln von +/- 12 Volt arbeitet.

Diese werden von T5 (BC847C) - der in Emitterschaltung als elektronischer Schalter arbeitet - gewandelt und invertiert. Bei einem Pegel von +12 Volt fließt ein von R36 begrenzter Basisstrom, der einen dem Verstärkungsfaktor entsprechenden Kollektorstrom fließen läßt, welcher von R35 begrenzt wird - an Pin 50 (RDI) liegt die Sättigungsspannung U_CEsat an. Diese wird vom Controller als logisch "0" (LOW) interpretiert.

Beträgt der Pegel -12 Volt, so sperrt die Basis-Emitter-Diode von T5 (die maximal zulässige Emitter-Basis-Spannung U_EB von 6V beim BC847C wird dabei um 6 Volt überschritten) und R35 wirkt nun als Pull-Up-Widerstand für Pin 50 (RDI), an dem jetzt die als logisch "1" (HIGH) interpretierte Versorgungsspannung anliegt.

Am zuvor erwähnten Pin 26 (PA5) liegt über die beiden Pull-Up-Widerstände R11 und R29 die Versorgungsspannung an. Wird nun S2 (der schwarze SMD-Taster auf der Platine) betätigt, begrenzen diese beiden Widerstände als parallel geschalteter Pull-Up-Gesamtwiderstand von 9091 Ohm den Strom und verhindern einen Kurzschluß (R11 könnte dabei entfallen, da er sich nur unwesentlich auf den Gesamtwiderstand auswirkt). Die Versorgungsspannung fällt an ihnen ab und an Pin 26 (PA5) liegt LOW an. Dies wurde im Betriebssystem als Startsignal für die C-Control 1 festgelegt.

Die C-Control 1 setzt nun PA3 und PA2 (in dieser Reihenfolge) auf LOW. Da die hier normalerweise angeschlossenen LED "ACTIVE" (gelb) und "RUN" (rot) beim CCRP5 nicht vorhanden sind, bekommt man von außen davon nichts mit. Anschließend beginnt die C-Control 1 aus IC8 (24C65) das Anwenderprogramm auszulesen. Dazu bedient man sich des I²C-Bus-Protokolls.

Pin 31 (PA0) liegt an der Datenleitung des Busses und ist mit Pin 5 (SDA) von IC8 verbunden. R26 dient als Pull-Up-Widerstand für diese Busleitung. Pin 30 (PA1) liegt an der Taktleitung des Busses und ist mit Pin 6 (SCL) von IC8 verbunden. R25 dient als Pull-Up-Widerstand für diese Busleitung. Über Pin 8 (VCC) wird IC8 ebenso wie IC7 direkt aus der Batterie mit Spannung versorgt. Auch hier gilt das eingangs Erwähnte für die Verwendung von Primärzellen.

Befinden sich keine Daten in IC8, werden PA3 und PA2 (in dieser Reihenfolge) wieder auf HIGH gesetzt und das Betriebssystem springt zurück in die Warteschleife.

Damit ein Anwenderprogramm in IC8 geladen werden kann, muß auf Kommando der IDE von der C-Control 1 eine Zeichenkette zurückgesendet werden. Dies geschieht über Pin 52 (TDO), welcher über T4 (BC847C) - wie T5 in Emitterschaltung als elektronischer Schalter - mit der Leitung RXD der seriellen Schnittstelle am Host-PC verbunden ist. Auch diese Leitung arbeitet gemäß der RS232-Spezifikation mit Pegeln von +/- 12 Volt.

Liegt nun an Pin 52 (TDO) ein HIGH-Pegel an, so fließt ein Basisstrom durch T4, der von R33 begrenzt wird. Dieser Basisstrom läßt - wie bei T5 - einen dem Verstärkungsfaktor entsprechenden Kollektorstrom fließen, der durch R34 begrenzt wird. An der Leitung RXD liegt die Sättigungsspannung U_CEsat an, welche im Falle des BC847C bei dieser Belastung nicht einmal 100 mV betragen mag.

Bei einem LOW-Pegel an Pin 52 (TDO) fließt kein Basisstrom durch T4 und somit auch kein Kollektorstrom. R34 dient nun als Pull-Up-Widerstand für die Leitung RXD an der seriellen Schnittstelle des Host-PC und sorgt für einen Pegel entsprechend der Versorgungsspannung, die maximal 7,2 Volt beträgt.

Die Übertragung mag mit diesen Pegeln (0,1V/7,2V statt +/- 12V) funktionieren, ist aber m.E. gegenüber einem Schnittstellen-Pegelwandler wie z.B. dem MAX232 keine saubere Lösung.

Port A des Controllers ist vollständig vom Betriebssystem "C-Control 1" belegt. Ebenso wie PA2 (RUN/rot) und PA3 (ACTIVE/gelb), werden PA4 (DCF OK/grün), PA6 (RTS) und PA7 (CTS) beim CCRP5 nicht verwendet. Die restlichen Resourcen des Controllers teilen sich in vom CCRP5 belegte und noch freie Anschlüsse auf.

Über Pin 35 (PB4) und Pin 34 (PB5) wird die Drehrichtung des linken, bzw. rechten Antriebsmotors gesteuert. Die beiden D/A-Wandler des Controllers sind ebenfalls fest vom CCRP5 belegt und steuern die Drehzahl des linken (Pin20/PLMA), bzw. rechten (Pin21/PLMB) Antriebsmotors. Der Motorstrom kann über den Motorstromsensor gemessen werden, der an Pin 14 (PD0/AN0) angeschlossen ist.

Die Versorgung des Subsystems und des Schieberegisters mit Daten erfolgt über eine gemeinsame Datenleitung, welche an Pin 39 (PB0) angeschlossen ist. Zwei getrennte Taktleitungen - Pin 38 (PB1) für das Subsystem und Pin 37 (PB2) für das Schieberegister - sorgen dabei für eine korrekte Zuordnung der Daten auf der Datenleitung. Über ein unbenutztes NAND-Gatter (IC13) der Motorbrückenschaltung wird das Taktsignal für das Schieberegister invertiert. An Pin 36 (PB3) ist die Steuerleitung des Schieberegisters angeschlossen.

Um direkt auf Signale des IR-Empfängers reagieren zu können, ist Pin 19 (IRQ) mit dem Subsystem verbunden. R23 dient hier als Pull-Up-Widerstand. Wenn das Subsystem seinen entsprechenden Ausgang auf LOW setzt, fließt hier ein Strom, der diesen Ausgang natürlich nicht überlasten darf. Die Versorgungsspannung fällt an R23 ab und an Pin 19 (IRQ) liegt ein LOW-Pegel an, der von der Watchdog-Schaltung registriert und als Signal im Controller weitergeleitet wird. Im Anwenderprogramm kann auf dieses Signal dann sofort mit einer Interrupt-Routine reagiert werden.

Wenn die Versorgungsspannung den Betrag von 6 Volt unterschreitet, ist die Entladeschlußspannung von 1 Volt pro Zelle erreicht und der Betrieb des CCRP5 sollte eingestellt werden. Die Versorgungsspannung kann über Pin 12 (PD2/AN2) überwacht werden. Der beim anschließend erfolgenden Ladevorgang fließende Ladestrom kann über Pin 13 (PD1/AD1) überwacht werden. Dazu muß gesagt werden, daß über den Parameter Ladestrom allein bei NiCd- oder NiMH-Zellen kein Ladeschluß definiert werden kann.

Freie Resourcen

Zur individuellen Nutzung sind folgende Resourcen des Controllers noch frei:

Wobei Pin 11 (PD3/AN3) durch Überbrückung von Y21/Y22 mit einem Jumper mit dem auf der Platine des CCRP5 angebrachten Mikrofon verbunden werden kann; Pin 9 (PD4/AN4) durch Überbrückung von Y23/Y24 mit dem Sensorfeld; Pin 5 (PD5/AN5) durch Überbrückung von Y25/Y26 mit dem linken ACS-Empfänger und Pin 4 (PD6/AN6) durch Überbrückung von Y27/Y28 mit dem rechten ACS-Empfänger.

Schieberegister

Schaltungsauszug

Das Schieberegister dient im CCRP5 als Seriell-Parallel-Wandler, um Resourcen des Controllers einzusparen. Mit drei Leitungen werden acht Funktionen gesteuert.

Schieberegister

Nachfolgend eine alphabetische Auflistung der im Schaltungsauszug verwendeten Leitungskürzel und deren Zuordnungen:

Schaltungsbeschreibung

IC11 (74HC4094D) wird über Pin 16 direkt aus der Batterie mit Spannung versorgt. Aus den technischen Daten dieses IC geht hervor, daß dessen Versorgungsspannung maximal 7 Volt betragen darf. Vom Einsatz von Primärzellen in der Batterie ist daher abzuraten, da die Versorgungsspannung sonst (6x1,5V=) 9 Volt beträgt. C20 ist gegen Masse geschaltet und filtert so Störspitzen aus der Versorgungsspannung heraus. Über Pin 8 ist IC13 mit Masse verbunden.

Die Leitungen STR auf Pin 1, DAT auf Pin 2 und SRC auf Pin 3 kommen vom Hauptprozessor und steuern das Schieberegister.

Wechselt der Signalzustand auf der Leitung SRC (Pin 3 / "Clock") von LOW nach HIGH, so wird der zu diesem Zeitpunkt auf der Leitung DAT (Pin 2 / "Serial in") herrschende Signalpegel - LOW (logisch "0") oder HIGH (logisch "1") - im ersten Bit des insgesamt 8 Bit breiten Schieberegisters von IC11 gespeichert. Der zuvor dort gespeicherte Wert wird in das nächsthöhere Bit des Registers übertragen. Gleiches geschieht auch mit den anderen Bits im Schieberegister und das letzte Bit - mit der Nummer acht - fällt dabei heraus. Sein Inhalt liegt dann an Pin 9 / "Serial out". Mit einem Impuls an der Leitung STR (Pin 1 / "Strobe") wird der Inhalt des Schieberegisters in das Speicherregister von IC11 übertragen. Da an Pin 15 / "Output enable" durch direkten Anschluß an die Versorgungsspannung immer ein HIGH-Pegel anliegt, ist der Inhalt des Speicherregisters ständig an den Parallel-Ausgängen sichtbar. Diese Ausgänge sind gemäß Datenblatt mit 25 mA belastbar.

Über den Parallel-Ausgang 0, Pin 4, wird die Versorgungsspannung für

• Subsystem,
• IR-Empfänger und
• Odometrie-Sensorik

ein-, bzw. ausgeschaltet.

Über den Parallel-Ausgang 1, Pin 5 und den Parallel-Ausgang 2, Pin 6, wird in drei Stufen die Reichweite des ACS-Senders gesteuert.

Über den Parallel-Ausgang 3, Pin 7, werden

• Motorstromsensor,
• Referenzspannungserzeugung,
• Sensorfeld,
• Mikrofon und
• ACS-Empfänger

mit Spannung versorgt, dieser Ausgang kann somit als Ein-/Ausschalter für diese Komponenten betrachtet werden.

Parallel-Ausgang 4, Pin 14, bringt über den Vorwiderstand R40 die LED D13 zum Leuchten;
Parallel-Ausgang 5, Pin 13 über den Vorwiderstand R45 die LED D14;
Parallel-Ausgang 6, Pin 12 über den Vorwiderstand R48 die LED D15 und
Parallel-Ausgang 7, Pin 11 über den Vorwiderstand R51 die LED D16.

Mehr Ausgänge für den CCRP5

Nach folgendem Schema lassen sich weitere Schieberegister an den CCRP5 anschließen. Ohne Änderung der mitgelieferten Software lassen sich diese allerdings nicht betreiben.

Subsystem

Schaltungsauszug

Das Zusammenwirken von Subsystem und Hauptprozessor im CCRP5 ist ein Beispiel dafür, wie Aufgaben auf mehrere miteinander vernetzte Controller verteilt werden können.

Nachfolgend eine alphabetische Auflistung der im Schaltungsauszug verwendeten Leitungskürzel und deren Zuordnungen:

Schaltungsbeschreibung

Subsystem, IR-Empfänger und Odometrie-Sensorik werden über T3 (BC857C) aus der Batterie mit Spannung versorgt, welcher in Emitterschaltung als elektronischer Schalter arbeitet. Liegt die Leitung SV1 über Pin 4 von IC11 (siehe Schieberegister) auf HIGH, so fällt an der Basis-Emitter-Diode die Sättigungsspannung U_BEsat ab und mangels Potentialunterschiedes - da VCC-U_BEsat =U_Pin4(HIGH) - kann kein Basisstrom und somit auch kein Kollektorstrom fließen. In diesem Fall würde ohne D17 (LL4148) - nun in Sperrichtung betrieben - die Reset-Leitung des Hauptprozessors als unfreiwillige Spannungsversorgung für die hier angeschlossenen Komponenten dienen.

Liegt SV1 (Pin4/IC11) dagegen auf LOW, so fließt ein Basisstrom, der durch R15 begrenzt wird. Dieser Basisstrom läßt einen dem Verstärkungsfaktor entsprechenden Kollektorstrom fließen, der bei T3 allein durch die begrenzte Stromaufnahme der angeschlossenen Bauteile limitiert ist. T3 kann im Dauerbetrieb mit 100mA belastet werden, kurzzeitig mit bis zu 200mA.

IC2 (MC68HC705KJ1) liegt über Pin 6 (VDD) am Kollektor von T3 und wird so mit Spannung versorgt. Aus den technischen Daten dieses IC geht hervor, daß dessen Versorgungsspannung maximal 7 Volt betragen darf. Vom Einsatz von Primärzellen in der Batterie ist daher abzuraten, da die Versorgungsspannung sonst (6x1,5V-U_BEsat=) 8,3 Volt beträgt. C4 ist gegen Masse geschaltet und filtert so Störspitzen aus der Versorgungsspannung heraus. Über Pin 7 (VSS) ist IC2 mit Masse verbunden.

Die Reset-Leitung des Subsystems liegt über den Pull-Up-Widerstand R52 am Kollektor von T3 und wird so auf einem HIGH entsprechenden Pegel gehalten. Sie ist über D17 mit der Reset-Leitung des Hauptprozessors verbunden. Wird dort die Reset-Leitung über S1 oder den Spannungswächter IC5 auf Masse geschaltet (siehe Hauptprozessor), so begrenzt R52 den in Durchlaßrichtung von D17 fließenden Strom und verhindert einen Kurzschluß über T3. Zusammen mit R10 und R21 (siehe Hauptprozessor) verringert sich der Pull-Up-Gesamtwiderstand auf 3333 Ohm.

Wie IC7 besitzt auch IC2 einen internen Oszillator für die Taktfrequenz, welche hier 2,5 MHz beträgt. Durch Anschluß frequenzbestimmender Bauteile zwischen Pin 2 (OSC1) und Pin 3 (OSC2) kann diese erhöht werden - im vorliegenden Fall auf 4 MHz. Abschnitt 1.4.2 der technischen Daten des MC68HC705KJ1 liefert auf den Seiten 16 bis 18 die entsprechenden Schaltungen und Bauteilwerte.

Zur Anzeige der Aktivität des Subsystems blinkt während der Abarbeitung des Programmes im Controller die an Pin 10 (PA5) angeschlossene LED D1 mit etwa 18 Hz. Der nachgeschaltete R5 begrenzt den dabei über D1 fließenden Strom (Vorwiderstand).

An Pin 16 (IRQ/VPP) von IC2 liegt der Ausgang des IR-Empfängers IC6 (TSOP1836). Die Beschaltung von IC6 entspricht nicht so ganz der Applikationsschaltung des TSOP1836 und wirft einige Fragen auf. Empfängt IC6 mit 36 kHz moduliertes Infrarotlicht, schaltet es seinen Ausgang auf Masse und löst dadurch in IC2 einen Interrupt aus.

Der IR-Sender wird direkt aus der Batterie mit Spannung versorgt und über Pin 9 (PA6) und Pin 8 (PA7) gesteuert. Über letzteren wird der Sender eingeschaltet. Liegt hier ein HIGH-Pegel an, so fließt ein mit R1 und R2 eingestellter Basisstrom über T2 (PMBTA2), der in Emitterschaltung als elektronischer Schalter arbeitet. Dieser Basisstrom bedingt einen dem Verstärkungsfaktor entsprechenden Kollektorstrom, der seinerseits durch R12 begrenzt wird. Die beiden LED D6 und D10 (beide CQY99) leuchten nun im nicht sichtbaren IR-Bereich. C6 ist gegen Masse geschaltet und dient als Pufferkondensator.

Moduliert wird das IR-Lichtsignal dann über "PA6" (Pin 9). Liegt hier ein HIGH-Pegel an, fließt ein von R4 begrenzter Basisstrom über T1 (BC847C) - die Basis von T2 wird so auf Masse geschaltet, der Kollektorstrom versiegt und die LED D6 und D10 verlöschen. R1 begrenzt in diesem Fall den Kollektorstrom von T1.

Über die gemeinsame Datenleitung an Pin 15 (PA0) ist IC2 mit Hauptprozessor und Schieberegister verbunden. Letzteres empfängt aber wegen der getrennten Taktleitungen nur vom Hauptprozessor Daten. Die Taktleitung zwischen IC2 und Hauptprozessor liegt an Pin 14 (PA1). Über den Ausgang "PA2" an Pin 13 kann IC2 über Pin 19 an IC7 (siehe Hauptprozessor) direkt einen Interrupt auslösen.

Die von der Odometrie-Sensorik (siehe Elektromechanik) kommenden Impulse werden von einem überlaufenden 16-bit-Zähler im Controller registriert. Damit wären Wegstrecken bis etwa 1235 Meter in 38 mm-Schritten meßbar. Zu diesem Zweck liegen die Ausgänge der beiden Lichtschranken OK1 und OK2 (beide CNY36) an Pin 4 (PB3) (rechte Lichtschranke) und Pin 5 (PB2) (linke Lichtschranke).

Die Spannungsversorgung der Lichtschranken erfolgt über den Kollektor von T3. R14, bzw. R31 sind den internen LED zur Strombegrenzung vorgeschaltet (Vorwiderstand). Während der "Dunkelphase" fällt kein Licht von der internen LED auf den Fototransistor in der Lichtschranke. Somit kann auch kein Kollektorstrom fließen und R13, bzw. R30 dient dem Eingang PB3 (Pin 4), bzw. PB2 (Pin5) als Pull-Up-Widerstand - der betreffende Eingang liegt auf HIGH. Fällt nun durch die Bohrung im Zahnrad Licht von der LED auf den Fototransistor, so fließt ein Kollektorstrom und der betreffende Eingang (PB2/Pin5, bzw. PB3/Pin4) wird auf Masse geschaltet. R13, bzw. R30 begrenzen in diesem Fall den Kollektorstrom des Fototransistors.

Über Pin 12 (PA3) und Pin 11 (PA4) werden die linke (D4/SP=CQY99), bzw. rechte (D3/SP=CQY99) IR-LED des ACS-Senders mit Spannung versorgt. Liegt die Leitung AE1 über Pin 5 von IC11 (siehe Schieberegister) auf LOW, so fließt ein Strom durch die Leuchtdiode(n) auf der Sensorplatine, welcher von R42 begrenzt wird. Dies entspricht der niedrigsten Sendeleistung.

Liegt AE2 über Pin 6 von IC11 auf LOW, begrent R46 den Strom. Dies entspricht der mittleren Stufe.

Liegen beide Leitungen - AE1 und AE2 - auf LOW, bilden R42 und R46 gemeinsam einen Reihen-Gesamtwiderstand von etwa 965 Ohm. Dies entspricht der höchsten Sendeleistung.

ACS-Empfänger

Die beiden Empfänger (links/rechts) des ACS-Systems liegen komplett auf der frontseitigen Sensorplatine. Sie sollen über jeweils eine pin-Fotodiode vom Typ BPW34 IR-Licht empfangen, welches von den ACS-Sendern (links/rechts) ausgesendet und von Hindernissen reflektiert wurde. Folgende Abbildung zeigt die Empfindlichkeit der Fotodiode BPW34 im Spektrum sichtbaren (grün) und infraroten Lichts. Der rot ausgefüllte Bereich veranschaulicht den Bereich der maximalen Emission einer CQY99 um 950 nm.

Die beiden pin-Fotodioden sind jeweils um 45° nach außen geschwenkt angebracht, wobei sich folgendes H-Diagramm ergibt.

Um die oben ersichtliche Überdeckung der beiden Sensoren zu verringern, wurde in der Mitte der Sensorplatine eine Buchsenleiste eingelötet, welche die Fotodioden nach innen hin gegenseitig abzuschattet (s. Abb.).

Schaltungsauszug

Da beide ACS-Empfänger identisch sind, wird im folgenden nur der rechte behandelt. Die Seitenbezeichnungen sind identisch mit denen der Conrad Electronic GmbH, beziehen sich aber nicht auf die Fahrtrichtung.

ACS-Empfänger

Schaltungsbeschreibung

Die auf den ersten Blick schlicht erscheinende Schaltung birgt mit dem Netzwerk aus D8/R8-D10/R10 eine Besonderheit, mit der man sich doch einige Zeit beschäftigen kann. So erscheint es im Grunde unsinnig, Dioden in Durchlaßrichtung gegen Masse zu schalten. Sie stehen auch nicht im Zusammenhang mit den drei Stufen der ACS-Sender. Vielmehr macht man sich hier einen Begleiteffekt zunutze, der erst einmal nichts mit der primären Funktion einer Diode - Kontrolle über die Richtung eines Stromflusses - zu tun hat:

Fließt ein Strom über eine Diode, so fällt an ihr - in Abhängigkeit von diesem Strom - die sogenannte "Flußspannung" ab.

Diode LL4148 - Flußstrom über der Flußspannung

Wie man dem obigen Diagramm entnehmen kann, verläuft dieser Vorgang im Bereich kleiner Spannungen/Ströme nicht linear. Deshalb habe ich das komplette Netzwerk gemäß folgender Schaltung auf einem Steckbrett aufgebaut.

ACS-Empfänger: Versuchsaufbau 1

Unter stufenweiser Erhöhung der Versorgungsspannung des Versuchaufbaus habe ich an den Punkten "A", "B" und "C" die dort herrschende Spannung gegen Masse gemessen. In der folgenden Tabelle sind diese Werte mit U_A, U_B und U_C bezeichnet.

Aus diesen Spannungen und den bekannten Widerständen lassen sich die einzelnen Ströme I_R7 ... I_R10 berechnen. Addiert man diese zu I_Ges und bringt diese Summe in Zusammenhang mit der jeweils angelegten Versorgungsspannung VCC, so erhält man den Gesamtwiderstand des Netzwerkes R_Ges.

Hier wird der steil abfallende Wert - gerade im Bereich niedriger Spannung - deutlich. Das Netzwerk bildet also einen spannungsabhängigen Widerstand, der umso geringer ist, je höher die anliegende Spannung wird.

ACS-Empfänger: Versuchsaufbau 1 - Gesamtwiderstand über der Versorgungsspannung

Was bringt das nun für die Schaltung des CCRP5? Die Fotodiode wird in Sperrichtung betrieben und begrenzt den fließenden Strom in Abhängigkeit von der Intensität und Wellenlänge ihrer Beleuchtung. Auch dazu ein Versuchsaufbau:

ACS-Empfänger: Versuchaufbau 2

In völliger Dunkelheit fließt nur der sogenannte "Dunkelstrom" in der Größenordnung von einigen Milliardstel (nA) Ampere. Mit zunehmender Beleuchtung steigt der Strom - nun "Lichtstrom" genannt - an. Begrenzt wird er in etwa durch den Gesamtwiderstand der Widerstände - die (spannungserzeugende) Diode nimmt hier noch etwas Einfluß. Auch hierzu einige Meßwerte in der folgenden Tabelle:

Nun ist U_R7 jene Spannung, welche an den A/D-Wandler des Hauptprozessors zur Auswertung weitergeleitet wird. Dieser arbeitet im CCRP5 mit einer Referenzspannung von 2,5 Volt, sodaß Spannungen die über diesem Wert liegen, nicht mehr ausgewertet werden können. Hier greift nun das Netzwerk aus D8/R8-D10/R10:

Je intensiver die Beleuchtung auf D2 wird, umso größer wird der durch die Diode fließende Strom. In gleichem Maße steigt auch die Spannung an R7, da U = I x R. Ab ca. 0,6 Volt (lt. Diagramm LL4148 - Flußstrom über der Flußspannung, s.o.) beginnt allmählich ein immer größer werdender Strom über D8 zu fließen und somit auch über R8. Der Gesamtwiderstand der Schaltung wird geringer und der weitere Anstieg von U_R7 flacher (U = I x R).

Gleiches geschieht bei weiter steigendem Stromfluß durch D2 auch nacheinander mit D9/R9 und D10/R10. R2 sorgt in Reihenschaltung zum Netzwerk dafür, daß der Gesamtwiderstand einen bestimmten Wert nicht unterschreitet und begrenzt so den maximal über D2 fließenden Strom.

Im Versuchsaufbau wurde der Wert von 2,25 Volt für U_R7 nicht überschritten.

Referenzspannungserzeugung

Schaltungsauszug

Die integrierte Schaltung LM385M-2,5 regelt die Referenzspannung für den A/D-Wandler im Hauptprozessor auf +/- 0,02 Volt genau.

Referenzspannungserzeugung im CCRP5

Nachfolgend eine alphabetische Auflistung der im Schaltungsauszug verwendeten Leitungskürzel und deren Zuordnungen:

Schaltungsbeschreibung

Die Referenzspannung wird über die Leitung SV2 vom Parallel-Ausgang 3 (Pin 7) an IC11 (s. Schieberegister) abgeleitet. R38 dient dabei der Strombegrenzung. IC12 (LM385M-2,5) regelt die an Pin 8 anliegende Spannung auf 2,5 Volt. C19 ist gegen Masse geschaltet und filtert so Störspitzen aus der Referenzspannung heraus.

Sensorfeld

Schaltungsauszug

Das Sensorfeld liefert bei Berührung eine dem Hautwiderstand entsprechende Spannung, die über den A/D-Wandler des Hauptprozessors ausgewertet werden kann.

Sensorfeld

Nachfolgend eine alphabetische Auflistung der im Schaltungsauszug verwendeten Leitungskürzel und deren Zuordnungen:

Schaltungsbeschreibung

Bei Berührung des Sensorfeldes wird der Spalt zwischen den Leitern überbrückt. Je nach Hautwiderstand fließt dabei ein größerer (feuchte Haut) oder kleinerer (trockene Haut) Strom über Hautoberfläche. Entsprechend diesem Strom fällt eine unterschiedliche Spannung an R32 ab, da U = R x I. Diese Spannung kann über die Leitung SEF an den A/D-Wandler des Hauptprozessors weitergeleitet werden. R39 begrenzt zusammen mit dem Hautwiderstand und R32 die Stromaufnahme der Schaltung.

Mikrofon

Schaltungsauszug

Schallwellen sind - auf einen Standort bezogen - kurzfristige Veränderungen im Umgebungsluftdruck p_amb. Die in der Kapsel eines Kondensatormikrofons unter konstantem Druck p eingeschlossene Luftmenge reagiert auf diese Schwankungen mit einer Volumenänderung.

[math]p_{1} \cdot V_{1} = p_{2} \cdot V_{2} = konst[/math]

(Gesetz von Boyle-Mariotte)

Durch die Volumenänderung verschiebt sich die Membran und dadurch bedingt verändert sich der Plattenabstand, was wiederum eine Änderung der Kapazität zur Folge hat.

[math]C = \frac{\epsilon_{r} \cdot \epsilon_{0} \cdot A}{d}[/math]

C=Kapazität; [math]\epsilon_{r}[/math]=Dielektrizitätszahl; [math]\epsilon_{0}[/math]=Feldkonstante; A=Plattenfläche; d=Plattenabstand

Mikrofon

Nachfolgend eine alphabetische Auflistung der im Schaltungsauszug verwendeten Leitungskürzel und deren Zuordnungen:

Schaltungsbeschreibung

Trifft eine Schallwelle auf die Membran der Kapsel des Elektret-Kondensatormikrofons, so verringert sich die Kapazität des Kondensatormikrofons (s.o.). Dementsprechend wird ein Teil der zuvor (mit höherer Kapazität) gespeicherten Ladung (an Masse) abgegeben.

Wölbt sich die Membran nach dem Durchzug der Schallwelle zurück, so steigt auch die Kapazität des Kondensatormikrofons wieder auf ihren ursprünglichen Wert und über R43 fließt ein Ladestrom, der eine Spannung an ihm abfallen läßt.

Auf diese Weise werden die Luftdruckschwankungen in Spannungsschwankungen umgesetzt, die über die Koppelkondensator C21 - von Gleichspannungsanteilen befreit - an den Verstärker IC14 (TLC27M2CD) geführt werden. R41, R44 und R47 bestimmen hier den Verstärkungsfaktor.

Über die Leitung MIC kann das verstärkte Signal dem A/D-Wandler des Hauptprozessors zugeführt werden.

Batterie-Sensor

Schaltungsauszug

Batteriespannungssensor

Nachfolgend eine alphabetische Auflistung der im Schaltungsauszug verwendeten Leitungskürzel und deren Zuordnungen:

Schaltungsbeschreibung

Die beiden Widerstände R6 und R7 bilden einen Spannungsteiler mit einem Gesamtwiderstand von 4kOhm. Dabei fließt ein Strom von I_Ges = U_VBA / R_Ges = 7,2 V / 4000 Ohm = 1,8 mA. Dementsprechend fallen an R6 (U_R6 = R₆ x I_Ges = 3000 Ohm x 1,8 mA =) 5,4 V ab. Die auf der Leitung BAT anliegende und dem A/D-Wandler des Hauptprozessors zugeführte Spannung beträgt demnach (U_VBA = U_VCC - U_R6 = 7,2 V - 5,4 V =) 1,8 V. Diese Spannung entspricht einem Wandlerwert von (255 x U_BAT / U_REF = 255 x 1,8 V / 2,5 V =) 183,6 - also 183.

C5 und C12 sind gegen Masse geschaltet und filtern so Störspitzen aus.

Da NiMH-Zellen durch Tiefentladung beschädigt werden, empfiehlt sich eine Überwachung der Batteriespannung. Sie sollte einen Wert von 0,9 Volt pro Zelle, hier also 5,4 Volt nicht unterschreiten. Diese Spannung entspricht einem Wandlerwert von 0.

Ladestrom-Sensor

Schaltungsauszug

Die Schaltung des Ladestromsensors (grau hinterlegt) ist identisch mit der Schaltung des Batteriesensors.

Ladestromsensor

Nachfolgend eine alphabetische Auflistung der im Schaltungsauszug verwendeten Leitungskürzel und deren Zuordnungen:

Schaltungsbeschreibung

Antriebsmotoren

Schaltungsauszug

Schaltungsbeschreibung

Motorstrom-Sensor

Schaltungsauszug

Schaltungsbeschreibung

Software

Technische Daten

(mit montierter Hauptplatine)

Länge ca. 200 mm
Breite ca. 130 mm
Höhe ca. 90 mm
Gewicht ca. 750 g (mit sechs AA-Zellen)

Stromaufnahme ca. 400 mA (im leerlaufenden Fahrbetrieb mit ANTRIEB.BAS)

ToDo

• erstmal fertigschreiben
  
  
• Maximale Tragfähigkeit ermitteln
• Maximale Geschwindigkeit ermitteln

FAQ

Q: Was kann man mit dem CCRP5 so alles machen?
A: Das hängt von den drei "G" ab ... Geld, Grips und Greativität ;->

Autor/en

• Pischke

Siehe auch

• Asuro
• C't-Bot
• Yeti

Weblinks

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• Alle Unterlagen von Conrad Electronic
• Roboternetz CCRP5 Forum
• Diskussion - TSOP1836 wirft einige Fragen auf
• CCRP5-Seite bei AREXX
• CCRP5-Seite bei C-Control.de (Conrad Electronic)
• CCRP5 bei Conrad Electronik
• C-Control intern