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USB Initiator Interface mit galvanischer Trennung

 

USB Initiator Interface
USB Initiator Interface

Verwendung:
Dieses Initiator Modul wurde f√ľr eine direkte Anschlu√ü von industriellen Lichtschranken mit einer max. Ausgangsspannung bis 27V entwickelt.
Die Zeitmessung in der StopWatch Applikation erfolgt hierbei √ľber 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 f√ľr eine Zeiterfassung √ľber die COM Schnittstelle lediglich ein USB Seriell Adapter und eine kleine Options Platine zur Verf√ľgung.

Die Initiator Eing√§nge mussten in Folge der fehlenden Galvanischen Trennung z.B. mit einem zwischen geschalteten Relais entkoppelt und ggf.¬† invertiert werden. Nur so konnte gew√§hrleistet werden, dass zwischen Messung und PC ‚Äď Seite keinerlei elektrische Verbindung besteht, die im Fehlerfall zu einer Zerst√∂rung der PC Hardware f√ľhren h√§tte k√∂nnen.

Au√üerdem konnten bis zur StopWatch Version 1.34 die Initiator Eing√§nge noch nicht in der Software invertiert werden, wof√ľr wiederum die Relais herangezogen werden mussten, wenn der Initiator nicht das richtige Ausgangspotential zur Verf√ľgung 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 m√∂glichst gering gehalten werden sollte, um die komplette Platine inklusive aller Anschl√ľsse sp√§ter in eine IP66 Verteilerdose bauen zu k√∂nnen, wurde das Layout der Platine komplett mit moderner SMD Technik erstellt. Nur so konnte eine Platinen Gr√∂√üe 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 k√∂nnen. Die Anzahl der Klemmen wurde so gew√§hlt das sowohl die Adern f√ľr die Spannungsversorgung, wie auch alle Anschlussleitungen der bis zu drei Lichtschranken angeschlossen werden k√∂nnen. Somit ist keine weitere Klemmstelle im Geh√§use mehr n√∂tig.

Da √ľblicherweise als Initiatoren Lichtschranken verwendet werden, wie sie auch in Industrieellen Anwendungen zum Einsatz kommen, wurden die Initiator Eing√§nge f√ľr einen weiten Eingangsspannungsbereich¬† von 7 ‚Äď 27 V ausgelegt. Zus√§tzlich wurden die Eing√§nge gegen Verpolung gesch√ľtzt.

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.

F√ľr 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 Ma√üen f√ľr Kabelverschraubungen

Nenngröße Kerndurchmesser
(mm)
Klemmbereich
(mm)
Metrisches Gewinde
M12 × 1,5
10,6
M16 × 1,5
14,6
F√ľr die Initiatoranschl√ľsse
4‚Äď9
M18 × 1,5
16,4
M20 × 1,5
18,6
F√ľr den USB Anschlu√ü
6‚Äď13
M24 × 1,5
22,4
M25 × 1,5
23,6
7‚Äď17

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 f√ľr die StopWatch Software als auch f√ľr eigene Anwendungen und Projekte geeignet.

Die Initiator Eingänge arbeiten in einem weiten Spannungsbereich von 7 Р27 V=, ab einer Eingangsspannung von 7V wird das Eingangssignal sicher als High erkannt.
Jeder Eingang wird durch eine in Reihe geschaltete Diode gegen Verpolung gesch√ľtzt. Der Spannungsregler in jedem Eingangszweig arbeitet als Stromkonstanter mit ca. 20mA, dieser eingepr√§gte Strom durch flie√üt 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 L√∂tbr√ľcke J1 und J2, diese beiden Br√ľcken verbinden den Zwischenzeitinitiator wahlweise mit den Eing√§ngen (RI) und (DCD).
Im Auslieferungszustand sind diese beide Br√ľcken geschlossen. Sie dienen als Option f√ľr sp√§tere Stopwatch Versionen, da sich die Auswertung des (RI) Signals im Programmcode etwas anders verh√§lt 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 Kabeleinf√ľhrungen wird empfohlen auf die mitgelieferten Gummistopfen zu verzichten und stattdessen entsprechende Kabelverschraubungen zu verwenden.¬† Diese bieten den Gr√∂√üen Vorteil, dass sie eine ausreichende Zugentlastung bieten und auch nach mehrfacher Verwendung nicht so schnell ausleiern wie die Gummistopfen.

F√ľr die Einf√ľhrung des USB Kabels sollte je nach Steckergr√∂√üe eine M18 – M20 Verschraubung verwendet werden. Um anschlie√üend die Verschraubung dicht zu bekommen, wird empfohlen das Kabel an der Verschraubung mit Klebeband so zu umwickeln, bis der ben√∂tigten Durchmesser f√ľr eine wasserdichte Verbindung erreicht ist.

F√ľr die Initiatorkabel und die Spannungsversorgung sind je nach Kabeldurchmesser Verschraubungen mit der Gr√∂√üe M12 – M16 geeignet.

Werden die empfohlenen Kabelverschraubungen verwendet, d√ľrfen die vorgepr√§gten L√∂cher in der Verteilerdose nicht einfach aufgebrochen werden, sondern m√ľssen z.B. mit einem Stufenbohrer vorsichtig auf die richtige Gr√∂√üe auf gebohrt werden.

Je nach Beschaffenheit der Verteilerdose k√∂nnen f√ľr die Befestigung der Leiterplatte die vorhandenen L√∂cher 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.√§. einzukleben, um die H√∂he 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 Initiatoreing√§nge mit einer Isolationsspannung von 5 KV rms
  • Initiator Eingangsspannung: 7V – 27V =, Typisch 24V=
  • Betriebstemperaturbereich: -20 to +55 ¬įC
  • Abmessungen L x B x H: 68mm¬† x 42 mm x 8mm

Hochgenaue Zeiterfassung √ľber das USB StopWatch Modul

Harwarebeschreibung USB StopWatch Modul
Harwarebeschreibung USB StopWatch Modul

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

Es ist der direkte Anschlus von Initiatoren m√∂glich wie sie in der Industrie zum einsatzkommen. √úblicherweise werden Leuze Laserlichtschranken eingesetzt, die direkt an die M12/4 Steckverbinder angeschlossen werden k√∂nnen. Die Versorgung der Initiatoren erfolgt ebenfalls direkt √ľber den M12 Steckverbinder, zur Verf√ľgung gestellt wird diese Versorgungsspannung durch ein Externes Steckernetzteil 9V-24V=.

Die StopWatch Hardware verf√ľgt √ľber einen USB Anschluss f√ľr den Datenaustausch mit einem PC.
Drei Relais Ausg√§nge auf dem Modul bieten die M√∂glichkeit zur Ansteuerung von Signalgebern, wie zum Beispiel einer Ampelanlage. Desweiteren sind drei √ľber Optokoppler getrennte Eing√§nge vorhanden, die zur Anbindung geeigneter Sensoren f√ľr die Start-, Zwischenzeit und Ziel Erfassung dienen.

√úber Steuerbefehle vom PC wird die Starsequenz eingeleitet. Je nach Konfiguration des Moduls, wird anschlie√üend die Ampel angesteuert und die Startfreigabe an den Teilnehmer erteilt. Sobald der Relaisausgang (Ampel gr√ľn) aktiv ist, beginnt je nach Konfiguration des Moduls die Zeiterfassung sofort oder erst mit dem √ľberschreiten des Startsensors, dass Modul beginnt die Zeiterfassung.

Zeitgleich erh√§lt der PC den Beginn der Zeitmessung √ľber die USB Schnittstelle. Das Erreichen eines Zwischenzeitsensors wird ebenso wie das Erreichen des Zielsensors an den PC √ľbertragen. Die letzten Zeitwerte werden im Modul gespeichert und bleiben dort Spannungsausfallsicher bis zum Beginn einer neuen Zeiterfassung gespeichert. So ist es m√∂glich die zuletzt gesammelten Daten ein weiteres Mal f√ľr 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 k√∂nnen in den Programm Optionen ausgew√§hlt werden. Zus√§tzlich k√∂nnen 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,¬† hierf√ľr wird Gebrauch von einer Standard Windows Funktion gemacht, die es erlaubt, gleichzeitig zwei Bildschirme an einem PC zu betreiben.

Die Einstellungen hierf√ľr 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 Funktionalit√§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 √ľbernimmt.
  3. Sowie den Ein- und Ausg√§ngen zur Verbindung mit der Peripherie. Alle Ein- und Ausg√§nge des StopWatch Moduls sind galvanisch getrennt ausgef√ľhrt, die Versorgung der Initiator Eing√§nge wird durch eine externes Steckernetzteil 7-27V DC gew√§hrleistet. Mit diesem externen Netzteil werden die Angeschlossenen Initiatoren versorgt.
    Der Mikrocontroller besitzt drei √ľber Optokoppler getrennte Eing√§nge f√ľr die Start-, Zwischen und Zielzeit Initiatoren.
    An die Eing√§nge √ľber M12/4 Stecker direkt z.B. Industrielichtschranken der Fa. Leuze angeschlossen werden.Die drei Ausg√§nge sind √ľber Read Relais galvanisch entkoppelt. Die grundlegenden Funktionen des PIC bestehen aus der Kommunikation mit dem StopWatch Programm √ľber die USB Schnittstelle.
    Der Erfassung der Zeitmessereing√§nge und der Bruttozeiterfassung. Hierf√ľr wird wie f√ľr andere Funktionen eine Interrupt Routine genutzt, die eine Genauigkeit von 4,096 ms gew√§hrleistet.