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USB Initiator Interface mit galvanischer Trennung

 

USB Initiator Interface
USB Initiator Interface

Verwendung:
Dieses Initiator Modul eignet sich besonders für eine direkte Anschluß von industriellen Lichtschranken mit einer max. Ausgangsspannung bis 27V.
Die Zeitmessung in der StopWatch Applikation erfolgt hierbei über einen virtuellen COM Port, der im Gegensatz zum StopWatch USB Modul einige Besonderheiten bereitstellt.
Besonders zu erwähnen ist hierbei die Direktstartfunktion, mit der beim Durchfahren der Startlichtschranke die Zeitmessung automatisch gestartet werden kann. Interessantist diese Funktion z.B. Bei Seifenkistenrennen oder ähnlichen Veranstaltungen, wo auf einen geregelten Startvorgang mit einer Startampel verzichtet werden kann.

Allgemeines:
Bisher stand für eine Zeiterfassung über die COM Schnittstelle lediglich ein USB Seriell Adapter und eine kleine Options Platine zur Verfügung.

Die Initiator Eingänge mussten in Folge der fehlenden Galvanischen Trennung z.B. mit einem zwischen geschalteten Relais entkoppelt und ggf.  invertiert werden. Nur so konnte gewährleistet werden, dass zwischen Messung und PC – Seite keinerlei elektrische Verbindung besteht, die im Fehlerfall zu einer Zerstörung der PC Hardware führen hätte können.

Außerdem konnten bis zur StopWatch Version 1.34 die Initiator Eingänge noch nicht in der Software invertiert werden, wofür wiederum die Relais herangezogen werden mussten, wenn der Initiator nicht das richtige Ausgangspotential zur Verfügung stellte. Der Verdrahtungsaufwand und der Platzbedarf waren erheblich.

Deshalb wurde bei der Entwicklung dieser neuen Interface Platine ein besonderes Augenmerk auf die folgenden Punkte gelegt:

Da der Platzbedarf möglichst gering gehalten werden sollte, um die komplette Platine inklusive aller Anschlüsse später in eine IP66 Verteilerdose bauen zu können, wurde das Layout der Platine komplett mit moderner SMD Technik erstellt. Nur so konnte eine Platinen Größe von 68 mm x 42 mm erreicht werden.

Es wurden WAGO SMD Anschlussklemmen mit Federklemmtechnik verwendet, die einen maximalen Aderquerschnitt bis 1,5 mm2 aufnehmen können. Die Anzahl der Klemmen wurde so gewählt das sowohl die Adern für die Spannungsversorgung, wie auch alle Anschlussleitungen der bis zu drei Lichtschranken angeschlossen werden können. Somit ist keine weitere Klemmstelle im Gehäuse mehr nötig.

Da üblicherweise als Initiatoren Lichtschranken verwendet werden, wie sie auch in Industrieellen Anwendungen zum Einsatz kommen, wurden die Initiator Eingänge für einen weiten Eingangsspannungsbereich  von 7 – 27 V ausgelegt. Zusätzlich wurden die Eingänge gegen Verpolung geschützt.

Jeder Eingang besitzt eine eigene kleine LED, mit der die Funktion des Initiators bereits bei der Installation getestet werden kann, selbst wenn noch kein PC angeschlossen ist.

Für die Verbindung mit der USB Schnittstelle wurde bewusst eine Micro USB Buchse auf der Platine verbaut. Dies bietet den Vorzug das ein defekten Anschlusskabels sehr schnell und bequem ausgetauscht werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt in der sehr kleinen Bauform des Micro USB Steckers, der mit seinen ca. 10 mm Durchmesser leicht durch eine M18 Verteilerdosenverschraubung gesteckt werden kann.

Bei der Montage hat sich jedoch gezeigt, das ein Abgewinkelter Stecker vermutlich besser geeignet wäre.

Tabelle mit Maßen für Kabelverschraubungen

Nenngröße Kerndurchmesser
(mm)
Klemmbereich
(mm)
Metrisches Gewinde
M12 × 1,5
10,6
M16 × 1,5
14,6
Für die Initiatoranschlüsse
4–9
M18 × 1,5
16,4
M20 × 1,5
18,6
Für den USB Anschluß
6–13
M24 × 1,5
22,4
M25 × 1,5
23,6
7–17

Die USB Anschlusskabel sind im Fachhandel in verschiedenen Längen erhältlich, so dass auch hier die Anschlusskabellänge vom Anwender leicht an die Gegebenheiten angepasst werden kann.

Zusätzlich finden sich noch zwei weitere Led’s auf der Platine, die zur Anzeige des Kommunikationsstatus mit der USB Schnittstelle dienen.

Mit den vier Befestigungslöchern an jeder Kanten, kann die Platine sicher in einem Gehäuse befestigt werden.

Die Integration des USB Anschlusses unter Windows erfolgt wie beim USB RS232 Adapter als virtueller COM Port. Somit ist diese Platine sowohl für die StopWatch Software als auch für eigene Anwendungen und Projekte geeignet.

Die Initiator Eingänge arbeiten in einem weiten Spannungsbereich von 7 – 27 V=, ab einer Eingangsspannung von 7V wird das Eingangssignal sicher als High erkannt.
Jeder Eingang wird durch eine in Reihe geschaltete Diode gegen Verpolung geschützt. Der Spannungsregler in jedem Eingangszweig arbeitet als Stromkonstanter mit ca. 20mA, dieser eingeprägte Strom durch fließt die Signalisierungs Led und die Led des Optokopplers.
Schaltet der Transistor des Optokopplers durch, wird der entsprechende Eingang am FDTI Chips auf Low gezogen.

Auf der Platine befindet sich zwei Lötbrücke J1 und J2, diese beiden Brücken verbinden den Zwischenzeitinitiator wahlweise mit den Eingängen (RI) und (DCD).
Im Auslieferungszustand sind diese beide Brücken geschlossen. Sie dienen als Option für spätere Stopwatch Versionen, da sich die Auswertung des (RI) Signals im Programmcode etwas anders verhält als die des (DCD) Signals.
So ist es später möglich, auch ohne größere Eingriffe an der Hardware die Funktion entsprechend einer späteren Softwareänderung anzupassen.
DCD – (Data) Carrier Detect
RI – Ringer Indicator

Einbau des Initiator Interface:

Gut als Gehäuse eignet sich z.B. eine:

Hensel Kabelabzweigdose Abzweigkasten DE 9340 grau
98x98x61mm,  Schutzart: IP 65

Initiator Interface Hensel (7)

Als Kabeleinführungen wird empfohlen auf die mitgelieferten Gummistopfen zu verzichten und stattdessen entsprechende Kabelverschraubungen zu verwenden.  Diese bieten den Größen Vorteil, dass sie eine ausreichende Zugentlastung bieten und auch nach mehrfacher Verwendung nicht so schnell ausleiern wie die Gummistopfen.

Für die Einführung des USB Kabels sollte je nach Steckergröße eine M18 – M20 Verschraubung verwendet werden. Um anschließend die Verschraubung dicht zu bekommen, wird empfohlen das Kabel an der Verschraubung mit Klebeband so zu umwickeln, bis der benötigten Durchmesser für eine wasserdichte Verbindung erreicht ist.

Für die Initiatorkabel und die Spannungsversorgung sind je nach Kabeldurchmesser Verschraubungen mit der Größe M12 – M16 geeignet.

Werden die empfohlenen Kabelverschraubungen verwendet, dürfen die vorgeprägten Löcher in der Verteilerdose nicht einfach aufgebrochen werden, sondern müssen z.B. mit einem Stufenbohrer vorsichtig auf die richtige Größe auf gebohrt werden.

Je nach Beschaffenheit der Verteilerdose können für die Befestigung der Leiterplatte die vorhandenen Löcher verwendet werden. Da sich auf der Unterseite der Leiterplatte keine Bauteile befinden, kann diese aber auch mit einem doppelseitigen Klebeband in der Dose befestigt werden. In diesem Fall empfiehlt es sich zwichen Platine und Dosenboden noch ein PVC Platte o.ä. einzukleben, um die Höhe des USB Stecker ein wenig auszugleichen.

Prinzip Schaltplan:

USB Initiator Interface

Anschlusbelegung:

USB Initiator Interface Plane

Technische Daten:
USB 2.0 Schnittstelle
Spannungsversorgung per USB: 4.5 to 5.5 VDC / 100 mA

  • Drei galvanisch getrennte Initiatoreingänge mit einer Isolationsspannung von 5 KV rms
  • Initiator Eingangsspannung: 7V – 27V =, Typisch 24V=
  • Betriebstemperaturbereich: -20 to +55 °C
  • Abmessungen L x B x H: 68mm  x 42 mm x 8mm


Kaufpreis: 129,90 €

Preiswerte Zeitmessung über die COM Schnittstelle

Eine weitere Möglichkeit mit der StopWatch Software eine elektronische Zeitmessung zu realisieren ist die Verwendung des COM Ports.

Dieser bietet die Möglichkeit eben so wie beim StopWatch USB Modul Start-, Zwischenzeit- und Ziel Initiatoren als Hardware Eingänge an den PC anzuschließen. Die Zeitmessung erfolgt hierbei über die PC internen Zeit und ist deshalb nicht für hochgenaue Zeitmessungen geeignet, aber eine sehr kostengünstige Variante zum StopWatch Modul.
Mit dem Erwerb eines USB RS232 Konverters wird die Begrenzung der Zeiterfassungen in der Software ebenso aufgehoben, wie bei der Verwendung eines USB StopWatch Moduls. Die Fa. Pollin vertreibt einen SUB-D Adapter Bausatz, der ideal geeignet ist um externe Peripherie wie z.B. Lichtschranken mit dem COM Port zu verbinden. Ein Hinweis sei jedoch an dieser Stelle noch erlaubt, beim dieser Art Hardware mit der COM Schnitstelle zu verbinden, besteht keine Galvanschsetrennung zwischen dem PC und den angeschlossenen Initiatoren!
Deshalb sollten hier ausschließlich potentialfreie Ausgänge von Initiatoren angeschlossen werden.

Schematische Verdrahtung der Initiatoreingängen für die Verwendung mit der StopWatch Applikation:

COM Anbindung Stopwatch Initiatoren

SUBD9 Adapter Datenblatt

Fertige Platine

Hochgenaue Zeiterfassung über das USB StopWatch Modul

 

Um bei Sportveranstaltungen mit Start- Zielläufen, die Start-, Zwischen und Zielzeiten auf  Hundertstel Sekunden genau und sicher erfassen zu können, ist eine Rechner unabhängige Hardware zur Messung der Zeiten notwendig, die mit einer quarzgenauen interne Zeitmessung arbeitet.

Nun ist der direkte Anschlus von Initiatoren möglich wie sie in der Industrie zum einsatzkommen. Üblicherweise werden Leuze Laserlichtschranken eingesetzt, die direkt an die M12/4 Steckverbinder angeschlossen werden können. Die Versorgung der Initiatoren erfolgt ebenfalls direkt über den M12 Steckverbinder, zur Verfügung gestellt wird diese Versorgungsspannung durch ein Externes Steckernetzteil 9V-24V=.

Beim Vorgängermodel, der Hardware Version 2.0. war es noch notwendug, die Anbindung aller Initiatoren extern, über einen Klemmleiste zu verdrahte und anzuschließen.

StopWatchStopWatch Hardware Version 2.0.

Die StopWatch Hardware verfügt über einen USB Anschluss für den Datenaustausch mit einem PC.
Drei Relais Ausgänge auf dem Modul bieten die Möglichkeit zur Ansteuerung von Signalgebern, wie zum Beispiel einer Ampelanlage. Desweiteren sind drei über Optokoppler getrennte Eingänge vorhanden, die zur Anbindung geeigneter Sensoren für die Start-, Zwischenzeit und Ziel Erfassung dienen.

Über Steuerbefehle vom PC wird die Starsequenz eingeleitet. Je nach Konfiguration des Moduls, wird anschließend die Ampel angesteuert und die Startfreigabe an den Teilnehmer erteilt. Sobald der Relaisausgang (Ampel grün) aktiv ist, beginnt je nach Konfiguration des Moduls die Zeiterfassung sofort oder erst mit dem überschreiten des Startsensors, dass Modul beginnt die Zeiterfassung.

Zeitgleich erhält der PC den Beginn der Zeitmessung über die USB Schnittstelle. Das Erreichen eines Zwischenzeitsensors wird ebenso wie das Erreichen des Zielsensors an den PC übertragen. Die letzten Zeitwerte werden im Modul gespeichert und bleiben dort Spannungsausfallsicher bis zum Beginn einer neuen Zeiterfassung gespeichert. So ist es möglich die zuletzt gesammelten Daten ein weiteres Mal für eine Auswertung auszulesen und erneut zu verarbeiten.

Die StopWatch Software wurde so konzipiert, dass die Darstellung der aktuellen Zeiten in einem eigenen frei verschiebbares Fenster angezeigt werden. In diesem Fenster befinden sich verschiedene Informationen, von denen die ersten beiden fest definiert sind und die laufende Zeit sowie die letzte Zwischenzeit anzeigen. Die anderen Felder können in den Programm Optionen ausgewählt werden. Zusätzlich können beliebig viele Freitexte und ein Werbe Banner eingeblendet werden. Das Fenster mit den Zeiten und einer virtuellen Ampel kann auf einem separaten Bildschirm anzuzeigen werden,  hierfür wird Gebrauch von einer Standard Windows Funktion gemacht, die es erlaubt, gleichzeitig zwei Bildschirme an einem PC zu betreiben.

Die Einstellungen hierfür sind in der Systemsteuerung von Windows unter Anzeige zu treffen. Nach dem Einrichten dieser Funktion, kann das Zeitanzeigefenster einfach mit der Maus auf den zweiten Bildschirm verschoben und dort maximiert werden. Die StopWatch Software wird von uns mit Nachdruck weiterentwickelt und neue Funktionalitäten und Kundenanfragen werden konsequent umgesetzt.

Hardwareentwicklung des USB StopWatch Moduls

Die StopWatch Hardware besteht im wesentlichen aus drei Bereichen.

  1. Einem USB RS232 Konverter, der zum seriellen Datenaustausch zwischen dem PC und dem Mikrokontroller (PIC 16F628/648) dient.
  2. Dem Mikrokontroller, der die Datenerfassung und die Kommunikation mit dem StopWatch Modul übernimmt.
  3. Sowie den Ein- und Ausgängen zur Verbindung mit der Peripherie. Alle Ein- und Ausgänge des StopWatch Moduls sind galvanisch getrennt ausgeführt, die Versorgung der Initiator Eingänge wird durch eine externes Steckernetzteil 7-27V DC gewährleistet. Mit diesem externen Netzteil werden die Angeschlossenen Initiatoren versorgt.
    Der Mikrocontroller besitzt drei über Optokoppler getrennte Eingänge für die Start-, Zwischen und Zielzeit Initiatoren.
    An die Eingänge über M12/4 Stecker direkt z.B. Industrielichtschranken der Fa. Leuze angeschlossen werden.Die drei Ausgänge sind über Read Relais galvanisch entkoppelt. Die grundlegenden Funktionen des PIC bestehen aus der Kommunikation mit dem StopWatch Programm über die USB Schnittstelle.
    Der Erfassung der Zeitmessereingänge und der Bruttozeiterfassung. Hierfür wird wie für andere Funktionen eine Interrupt Routine genutzt, die eine Genauigkeit von 4,096 ms gewährleistet.
StopWatch USB Modul Hardwarebeschreibung Revision 3.0
StopWatch USB Modul Hardwarebeschreibung Revision 3.0
StopWatch-USB-Modul-Hardwarebeschreibung-Revision-3.0.pdf
Version: Hardware Version 3
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