CCRP5

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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) auch 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.

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:

AEL	ACS-Empfänger, links-	AER	ACS-Empfänger, rechts-	BAT	Batterie(spannungs)sensor
DAT	Datenleitung Subsystem/Schieberegister	GND	Masse	IRQ	Interrupt-Request
LAD	Ladestromsensor	LIV	Motordrehrichtungssteuerung, links-	MIC	Mikrofon
MOL	Motordrehzahlsteuerung, links-	MOR	Motordrehzahlsteuerung, rechts-	MTS	Motorstromsensor
REF	Referenzspannung	REV	Motordrehrichtungssteuerung, rechts-	RST	Reset
SDA	Datenleitung I2C-Bus	SDL	Taktleitung I2C-Bus	SEF	Sensorfeld
SRC	Taktleitung Schieberegister	STR	Steuerleitung Schieberegister	SUC	Taktleitung Subsystem
VCC	Versorgungsspannung	/	/	/	/

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. 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 der ACS-Empfänger, bzw. 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:

Bezeichner	Art	Pin	verfügbar über
PB6	digitaler Ein- oder Ausgang	33	Y41 und Y81
PB7	digitaler Ein- oder Ausgang	32	Y40 und Y80
PC0	digitaler Ein- oder Ausgang	49	Y9
PC1	digitaler Ein- oder Ausgang	48	Y10
PC2/ECLK	digitaler Ein- oder Ausgang	47	Y11
PC3	digitaler Ein- oder Ausgang	46	Y12
PC4	digitaler Ein- oder Ausgang	45	Y13
PC5	digitaler Ein- oder Ausgang	44	Y14
PC6	digitaler Ein- oder Ausgang	43	Y15
PC7	digitaler Ein- oder Ausgang	42	Y16
TCAP1	DCF-77 Zeitsignaleingang	22	Y75
TCAP2	Frequenzmeßeingang	23	Y76
PD3/AN3	A/D-Wandlereingang	11	Y22
PD4/AN4	A/D-Wandlereingang	9	Y24
PD5/AN5	A/D-Wandlereingang	5	Y26
PD6/AN6	A/D-Wandlereingang	4	Y28
PD7/AN7	A/D-Wandlereingang	3	Y6

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.

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)
Tragfähigkeit ca. <wird noch berechnet> g
Max. Geschwindigkeit ca. <wird noch gemessen> cm/s