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USB Initiator Interface mit galvanischer Trennung

 

USB Initiator Interface
USB Initiator Interface

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

Allgemeines:
Bisher stand fĂŒr eine Zeiterfassung ĂŒber die COM Schnittstelle lediglich ein USB Seriell Adapter und eine kleine Options Platine zur VerfĂŒgung.

Die Initiator EingĂ€nge mussten in Folge der fehlenden Galvanischen Trennung z.B. mit einem zwischen geschalteten Relais entkoppelt und ggf.  invertiert werden. Nur so konnte gewĂ€hrleistet werden, dass zwischen Messung und PC – Seite keinerlei elektrische Verbindung besteht, die im Fehlerfall zu einer Zerstörung der PC Hardware fĂŒhren hĂ€tte können.

Außerdem konnten bis zur StopWatch Version 1.34 die Initiator EingĂ€nge noch nicht in der Software invertiert werden, wofĂŒr wiederum die Relais herangezogen werden mussten, wenn der Initiator nicht das richtige Ausgangspotential zur VerfĂŒgung 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 AnschlĂŒsse spĂ€ter in eine IP66 Verteilerdose bauen zu können, wurde das Layout der Platine komplett mit moderner SMD Technik erstellt. Nur so konnte eine Platinen GrĂ¶ĂŸe 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 gewĂ€hlt das sowohl die Adern fĂŒr die Spannungsversorgung, wie auch alle Anschlussleitungen der bis zu drei Lichtschranken angeschlossen werden können. Somit ist keine weitere Klemmstelle im GehĂ€use mehr nötig.

Da ĂŒblicherweise als Initiatoren Lichtschranken verwendet werden, wie sie auch in Industrieellen Anwendungen zum Einsatz kommen, wurden die Initiator EingĂ€nge fĂŒr einen weiten Eingangsspannungsbereich  von 7 – 27 V ausgelegt. ZusĂ€tzlich wurden die EingĂ€nge gegen Verpolung geschĂŒtzt.

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.

FĂŒr 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 wÀre.

Tabelle mit Maßen fĂŒr Kabelverschraubungen

NenngrĂ¶ĂŸe Kerndurchmesser
(mm)
Klemmbereich
(mm)
Metrisches Gewinde
M12 × 1,5
10,6
M16 × 1,5
14,6
FĂŒr die InitiatoranschlĂŒsse
4–9
M18 × 1,5
16,4
M20 × 1,5
18,6
FĂŒr 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 LÀngen erhÀltlich, so dass auch hier die AnschlusskabellÀnge vom Anwender leicht an die Gegebenheiten angepasst werden kann.

ZusĂ€tzlich 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 GehÀuse befestigt werden.

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

Die Initiator EingĂ€nge 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 geschĂŒtzt. Der Spannungsregler in jedem Eingangszweig arbeitet als Stromkonstanter mit ca. 20mA, dieser eingeprĂ€gte 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 LötbrĂŒcke J1 und J2, diese beiden BrĂŒcken verbinden den Zwischenzeitinitiator wahlweise mit den EingĂ€ngen (RI) und (DCD).
Im Auslieferungszustand sind diese beide BrĂŒcken geschlossen. Sie dienen als Option fĂŒr spĂ€tere Stopwatch Versionen, da sich die Auswertung des (RI) Signals im Programmcode etwas anders verhĂ€lt als die des (DCD) Signals.
So ist es spĂ€ter möglich, auch ohne grĂ¶ĂŸere Eingriffe an der Hardware die Funktion entsprechend einer spĂ€teren SoftwareĂ€nderung anzupassen.
DCD – (Data) Carrier Detect
RI – Ringer Indicator

Einbau des Initiator Interface:

Gut als GehÀuse eignet sich z.B. eine:

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

Initiator Interface Hensel (7)

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

FĂŒr die EinfĂŒhrung des USB Kabels sollte je nach SteckergrĂ¶ĂŸe 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 fĂŒr eine wasserdichte Verbindung erreicht ist.

FĂŒr die Initiatorkabel und die Spannungsversorgung sind je nach Kabeldurchmesser Verschraubungen mit der GrĂ¶ĂŸe M12 – M16 geeignet.

Werden die empfohlenen Kabelverschraubungen verwendet, dĂŒrfen die vorgeprĂ€gten Löcher in der Verteilerdose nicht einfach aufgebrochen werden, sondern mĂŒssen z.B. mit einem Stufenbohrer vorsichtig auf die richtige GrĂ¶ĂŸe auf gebohrt werden.

Je nach Beschaffenheit der Verteilerdose können fĂŒr 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.Ă€. 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 InitiatoreingĂ€nge 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

USB RFID LesegerÀt

Dieser USB-RFID-Leser wurde speziell fĂŒr den Betrieb mit der auf diesem Blog vorgestellten Software StopWatch entwickelt.

Wird dieser RFID-Reader zusammen mit der StopWatch Software betrieben, können komfortabel alle Teilnehmer einer Veranstaltung ĂŒber ihren eigenen RFID Chip authentifiziert und angemeldet werden. Wird ein LesegerĂ€t am Start aufgestellt, kann vom Starter selbst eine automatische Starter Auswahl initiieren. Dabei wird der entsprechende Teilnehmer Datensatz automatisch geöffnet und die Teilnehmerdaten am Infobildschirm angezeigt. Auf diese Weiße entfĂ€llt die Teilnehmer Suche in der Liste oder ĂŒber die Filterfunktion und die Bearbeitung wird dadurch vereinfacht und beschleunigt.

ZusĂ€tzlich können RFID Chip an die Mitarbeiter der Veranstaltung ausgegebn werden, die eine personalisierten Anmeldung an der StopWatch Software erlauben. Über die definierten Zugriffsrechte der Tags werden automatisch bestimmte Funktionen freigeschaltet bzw. gesperrt.

Die StopWatch Software ist in der Lage eine beliebige Anzahl dieser LesegerĂ€te zu erkennen und gleichzeitig zu betreiben. Der Reader erscheint nach dem Verbinden mit dem PC nicht als virtueller Comport in der Systemsteuerung. Wenn diese FunktionalitĂ€t zusĂ€tzlich gewĂŒnscht wird kann dies auf Anfrage gerne entsprechend angepasst werden.

Technische Details

Mit diesem USB-RFID LesegerĂ€t (Radio Frequency Identification) können Transponder der Familie EM4100 ausgelesen werden. Diese Transponder arbeiten mit einer TrĂ€gerfrequenz von 125 Khz und sind fĂŒr kurze Distanzbereiche bis zu 5 cm geeignet. Das LesegerĂ€t beinhaltet ein serielles RFID-Reader-Modul der Firma Paralax. Die Anbindung an die USB-Schnittstelle erfolgt durch eine weitere Platine, auf der sich ein Schnittstellenwandler FT232RL (Seriell USB Umsetzer) befindet und die Verbindung zur USB-Schnittstelle des PC’s herstellt.

Das GerĂ€t wird direkt ĂŒber den USB-Port versorgt. Es wird keine zusĂ€tzliche externe Stromversorgung benötigt. Beim Anschluss von mehreren USB GerĂ€te an einen USB-Hub, wird der Einsatz eines fremdgespeisten USB-Hub enmpfohlen, um die maximale Grenze von 500 mA nicht zu ĂŒberschreiten.

Kompatible Tags:

  • 54x85mm Rectangle Tag ISO Card: 6.3cm (2.5″) +/- 10%
  • 50mm Round Tag World Tag 50mm: 6.8cm (2.7″) +/- 10%
  • Blue Eye Key Fob
  • 25mm Disk Tag

Technische Daten:

  • Liest 125 kHz Tags, der Familie EM41000
  • Spannungsversorgung per USB: 4.5 to 5.5 VDC / 110 mA
  • Kommunikation CMD Direct Driver d2xx.dll, 2400 Baud (8N1)
  • Betriebstemperaturbereich: -20 to +55 °C

USB DMX Adapter zur Ansteuerung einer DMX Ampel

 

Dieser USB DMX Adapter ermöglicht in Zusammenarbeit mit der auf diesen Seiten vorgestellten StopWatch Software den Betrieb von DMX 512 steuerbaren Komponenten.

In die StopWatch Applikation wurde ab Version 1.33 die Ansteuerung einer Ampel ĂŒber DMX integriert. Es können gleichzeitig mehrere DMX Adapter betrieben werden.

UnabhÀngig davon, ob die Zeiterfassung manuelle, serielle oder mit einem StopWatch Modul erfolgt, wird die DMX Ampel paralell aus der StopWatch Software angesteuert.

Gerade fĂŒr den Einstieg bietet diese Lösung einen kosten gĂŒnstige Alternative zum Einsatz einer professionellen Ampelanlage. Denn bereits mit einem einzigen DMX Scheinwerfer ist die Realisierung einer Ampel möglich.

Der Adapter  wird direkt ĂŒber den USB Port versorgt. Beim Anschluss von mehreren USB GerĂ€te wird der Einsatz eines USB-Hub empfohlen, um die maximale Grenze von 500 mA nicht zu ĂŒberschreiten.

Pol 5 polig 3 polig international
1 Masse (Abschirmung) Masse (Abschirmung)
2 Signal invertiert (DMX−, „Cold“) Signal invertiert (DMX−, „Cold“)
3 Signal (DMX+, „Hot“) Signal (DMX+, „Hot“)
4 Data –
5 Data +

Technische Daten:

  • Spannungsversorgung per USB: 4.5 to 5.5 VDC / 100 mA
  • Kommunikation CMD Direct Driver d2xx.dll, 250 000 Baud (7N2)
  • DMX Anschluß 3 Polig, Buchse.
  • Es ist keine Galvanische Trennung zum DMX Ausgang vorhanden.
  • Betriebstemperaturbereich: -20 to +55 °C

Hochgenaue Zeiterfassung ĂŒber das USB StopWatch Modul

Harwarebeschreibung USB StopWatch Modul
Harwarebeschreibung USB StopWatch Modul

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

Es 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 ĂŒber den M12 Steckverbinder, zur VerfĂŒgung gestellt wird diese Versorgungsspannung durch ein Externes Steckernetzteil 9V-24V=.

Die StopWatch Hardware verfĂŒgt ĂŒber einen USB Anschluss fĂŒr den Datenaustausch mit einem PC.
Drei Relais AusgĂ€nge auf dem Modul bieten die Möglichkeit zur Ansteuerung von Signalgebern, wie zum Beispiel einer Ampelanlage. Desweiteren sind drei ĂŒber Optokoppler getrennte EingĂ€nge vorhanden, die zur Anbindung geeigneter Sensoren fĂŒr 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 grĂŒn) aktiv ist, beginnt je nach Konfiguration des Moduls die Zeiterfassung sofort oder erst mit dem ĂŒberschreiten des Startsensors, dass Modul beginnt die Zeiterfassung.

Zeitgleich erhĂ€lt der PC den Beginn der Zeitmessung ĂŒber die USB Schnittstelle. Das Erreichen eines Zwischenzeitsensors wird ebenso wie das Erreichen des Zielsensors an den PC ĂŒbertragen. 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 fĂŒr 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 ausgewĂ€hlt werden. ZusĂ€tzlich 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,  hierfĂŒr wird Gebrauch von einer Standard Windows Funktion gemacht, die es erlaubt, gleichzeitig zwei Bildschirme an einem PC zu betreiben.

Die Einstellungen hierfĂŒr 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 FunktionalitĂ€ten 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 ĂŒbernimmt.
  3. Sowie den Ein- und AusgĂ€ngen zur Verbindung mit der Peripherie. Alle Ein- und AusgĂ€nge des StopWatch Moduls sind galvanisch getrennt ausgefĂŒhrt, die Versorgung der Initiator EingĂ€nge wird durch eine externes Steckernetzteil 7-27V DC gewĂ€hrleistet. Mit diesem externen Netzteil werden die Angeschlossenen Initiatoren versorgt.
    Der Mikrocontroller besitzt drei ĂŒber Optokoppler getrennte EingĂ€nge fĂŒr die Start-, Zwischen und Zielzeit Initiatoren.
    An die EingĂ€nge ĂŒber M12/4 Stecker direkt z.B. Industrielichtschranken der Fa. Leuze angeschlossen werden.Die drei AusgĂ€nge sind ĂŒber Read Relais galvanisch entkoppelt. Die grundlegenden Funktionen des PIC bestehen aus der Kommunikation mit dem StopWatch Programm ĂŒber die USB Schnittstelle.
    Der Erfassung der ZeitmessereingĂ€nge und der Bruttozeiterfassung. HierfĂŒr wird wie fĂŒr andere Funktionen eine Interrupt Routine genutzt, die eine Genauigkeit von 4,096 ms gewĂ€hrleistet.