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 €

         

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