Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



next up previous contents
Next: Software-Struktur Up: Die Sensorstation MASS Previous: Die Sensorstation MASS

Blockdiagramm der Hardware

  
Figure 6.1: Blockdiagramm der Sensorstation MASS : Die Sensoren werden an eine Signalaufbereitungsplatine angeschlossen, die auf MASS steckt. Sie liefert 64 Spannungspegel, die von einer Multiplexerbank auf acht Analogeingänge des Microcontrollers geschaltet werden. Drei Bits des Kontrollbusses PB[0:2] bestimmen die Stellung des externen Multiplexers, die anderen Bits können weitere Funktionen auf der Signalaufbereitungsplatine schalten. Diese Platine liefert außerdem die Referenzspannungen für den A/D-Wandler und vier schnell veränderliche TTL-Pegel, die an die vier Flankendetektoren IC[1:4] des Controllers angeschlossen sind. Im Controller befinden sich weitere Multiplexer, die einen der Anschlüsse PE[0:7] mit dem Wandler verbinden. Der Controller sendet die digitalisierten Sensordaten über eine getaktete serielle Schnittstelle an das Puffermodul BRAD . Über eine RS232-Schnittstelle kann die Station konfiguriert werden.

Abb. 6.1 zeigt den Aufbau der Sensorstation. Das dominierende Bauteil der Schaltung ist der Microcontroller HC811E2 von Motorola, der im Anhang A kurz vorgestellt wird. Der Controller besitzt bereits fast alle für diese Applikation notwendigen Baugruppen, die im folgenden beschrieben werden.

  1. Der A/D-Wandler: Der Controller besitzt einen A/D-Wandler, dessen Eingang über einen Multiplexer an einen von acht Pins geschaltet werden kann. Diese Pins sind mit PE[0:7] bezeichnet.

    Wandlungsvorgänge lassen sich nur in Vierergruppen durchführen; dabei wird entweder die Spannung an einem Pin viermal hintereinander abgetastet und digitalisiert oder die Spannungen an einer Gruppe von Pins (PE[0:3] oder PE[4:7]) jeweils einmalgif. Die Ergebnisse der A/D-Wandlungen befinden sich anschließend in vier Registern des Controllers (ADR[1:4]). Jeder Digitalisiervorgang dauert 32 Taktzyklen, das entspricht bei 2MHz Bustakt einer Wandlerfrequenz von 62.5kHz. Die obere und die untere Referenzspannung für den Wandler werden extern erzeugt und an die Pins VRH und VRL angelegt.

  2. Der Echtzeit-Zähler: Vom Reset an läuft im Controller ein 16-Bit-Zähler (TCNT), der alle 8s inkrementiert wird. Ein Überlauf tritt also alle 0.524s auf. Dieser Zähler kann nicht gelöscht werden. Er dient zur Messung von Zeitabständen s.
  3. Der Flankendetektor: Vier Pins des Controllers (IC[1:4] für Input Capture) können als Detektoren für positive und/oder negative TTL-Flanken konfiguriert werden (Controller-Register TCTL2).

    Tritt eine Flanke auf, für die der Detektor empfindlich geschaltet ist, dann wird der Zählerstand von TCNT in ein Register kopiert. Auf diese Weise läßt sich der Zeitpunkt der letzten registrierten Flanke bestimmen.

    Da der Flankendetektor ein eigenständig arbeitender Teil des Controllers ist, registriert er auch sehr kurze Pulse, deren Breite weit unter der Periodendauer des Bustaktes liegt. Er kann also auch Signale erkennen, die für die A/D-Wandler wegen der zu geringen Abtastfrequenz unsichtbar sind. Das macht ihn beispielsweise für Gleitdetektion geeignet (siehe Kapitel 3).

  4. Der Port B: Die acht Pins PB[0:7] sind digitale Ausgabekanäle. Ihre logischen Zustände werden vom Controller-Register PORTB bestimmt.
  5. Die getaktete serielle Schnittstelle: Der Controller besitzt eine Schnittstelle nach dem serial-peripherals-interface-Standard (SPI) von Motorola, die im Master- oder im Slave-Mode arbeiten kann. Im Master-Mode erzeugt die Schnittstelle für jedes übertragene Byte acht Taktpulse am SCK-Pin, sendet dabei die acht Datenbits über den MOSI-Pin (für Master Out, Slave In) und empfängt acht Bits über den MISO-Pin (für Master In, Slave Out). Im Slave-Mode kehren sich die Richtungen der Leitungen um, SCK und MOSI werden Eingänge und MISO Ausgang.

    Um die Schnittstelle auf den Anfang eines Datenbytes zu synchronisieren, wird der /SS-Pin (für Slave Select) zwischen zwei Bytes auf HI gesetzt.

    Über kurze Entfernungen kann die Schnittstelle mit 1MHz Taktfrequenz betrieben werden. Bei größeren Kabellängen werden Treiberbausteine notwendig, die lange Durchlaufzeiten haben und das Taktsignal zu stark gegenüber dem MISO-Signal verschieben. Bei großen Kabellängen und hoher Taktfrequenz funktioniert die Schnittstelle deshalb nur unidirektional.

  6. Die RS232-Schnittstelle: Motorola nennt diese Schnittstelle serial communications interface, abgekürzt SCI. Die beiden Pins RxD (Receive Data) und TxD (Transmit Data) werden direkt an einen RS232-Treiber angeschlossen; zusätzlich wird der DTR-Anschluß der RS232 mit dem Reset-Pin des Controllers verbunden. Damit läßt sich per Terminal ein Reset auslösen, was notwendig ist, um den Controller umzuprogrammieren.

Neben dem Controller und seiner Grundbeschaltung (Reset, Taktgenerierung und Spannungsversorgung, siehe Anhang A) befindet sich auf der Platine eine Multiplexerbank aus acht parallelen 8-auf-1-Analog-Multiplexern, je einer für einen A/D-Wandler-Pin am Controller. Der aktive Kanal aller Multiplexer wird parallel von den untersten drei Bits von Port B eingestellt (Pins PB[0:2]). Die Pins von Port B sind zur Signalaufbereitungsplatine durchgeschleift und können dort zur Konfiguration der Verstärkerelektronik verwendet werden (etwa zum Umschalten zwischen zwei Meßverfahren, wie in Kapitel 2 erläutert).

Die Multiplexer haben einen Durchgangswiderstand von etwa 70. Dazu kommt die Last, die die Analogeingänge des Controllers selbst darstellen. Dieser Belastung müssen die Signale standhalten, die von den Verstärkern auf der Signalaufbereitungsplatine erzeugt werden. Die interne Beschaltung der Analogeingänge verhält sich im wesentlichen wie ein RC-Tiefpaß mit und .

Sämtliche wichtigen Controller-Pins und die 64 Analogeingänge sind in Form von Stiftleisten herausgeführt, die im Anhang B mit dem Bestückungsplan und der Pinbelegungstabelle dokumentiert sind.



next up previous contents
Next: Software-Struktur Up: Die Sensorstation MASS Previous: Die Sensorstation MASS



Markus Jankowski Jan Jockusch Lars Jansen Michael Jandrey Marjan Tomas , 1996-Dec-06