Realisierung des Projektes
Grundüberlegung
Anhand Abb. „Blockschaltbild SPI Kommunikation und galvanische Trennung“ ist das Konzept des Rpi I/O Boards gut sichtbar. Die Erweiterungsplatine wird direkt mit einer 40 poligen Buchsenleiste auf die Stiftleiste des Raspberry Pis gesteckt. Somit ist die Kommunikation per „SPI“ zwischen dem Master, in diesem Fall der Prozessor BCM2835, und den einzelnen Baugruppen möglich. Durch diese Art der festen Steckverbindung können zusätzlich die Funktionen der GPIOs genutzt werden.
Der Prozessor des Mini-Computers fungiert als Zentrale und kann über 4 Leitungen mit den jeweiligen Baugruppen Daten versenden und empfangen. Zur Beginn des Informationsaustausches, setzt der „Master“ die „Chip-Select“-Leitung des jeweiligen „Gesprächspartner“ auf LOW, um diesen zu benachrichtigen, dass dieser angesprochen wird. Theoretisch wäre somit eine Interaktion mit nur 2 SPI-fähigen Modulen möglich, da der Raspberry Pi nur über 2 Chip-Select Leitungen verfügt. Für Abhilfe sorgt ein einfacher Multiplexer/Demultiplexer, der mittels 2 GPIO-Leitungen die jeweiligen angeschlossen Leitungen, wie z.B. MOSI, MISO, umleiten kann.
Für die digitalen Ausgänge kommt ein Bauteil der Firma Infineon zum Einsatz. Der ISO1H812G ist ein 8 Kanal-High-Side-Switch mit 8 isolierten und vor Überspannung geschützten Ausgängen, welche bis 625mA treiben können. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die bereits vorhandene interne galvanische Trennung. Dies hat den Vorteil, dass kein weiteres Bauteil für die Potentialtrennung auf die Platine montiert werden muss und spart somit Platz und Kosten bei der Herstellung.
Das Bauelement SN65HVS881 von Texas Instruments dient für die 8 digitalen Eingänge und wird oft in industriellen Automatisierungsanlagen eingesetzt. Jeder Eingang besitzt einen eigenen Ausgang, an den jeweils eine Status-LED zur Visualisierung des geschalteten Eingangs angeschlossen werden kann. In dem Projekt wird dieses Bauteil mit einem digitalen Isolator zur Potentialtrennung kombiniert. Dabei wird die externe Versorgungsspannung des SN65HVS881 von der Spannung des Raspberry Pis getrennt.
Als Schutzbeschaltung (vgl. Abb. „3D Modell der Schutzbeschaltung der digitale Eingänge“) für die digitalen Eingänge kommen Schottky-Dioden und MELF-Widerstände zum Einsatz. MELF (Metal Electrode Lead Faces) Widerstände sind zylinderförmige SMD Bauteile die hinsichtlich Impulsstrombelastbarkeit, Temperaturstabilität und Spannungsfestigkeit gegenüber herkömmlichen SMD-Bauteile bessere Werte aufweisen. Beispielweise liegt die zulässige max. Spannung bei SMD-Widerständen in der „0603“-Bauform bei 75 V, wobei bei MELF-Widerständen die max. Spannung bei 200 V liegt. Diese Widerstände werden ebenfalls an den analogen Eingängen (vgl. Abb. „3D Modell der Schutzbeschaltung der analogen Eingänge“) verwendet.
Da die vier Potentialgrupppen jeweils getrennte Potentiale haben, müssen diese separat mit einer Spannungsquelle versorgt werden. Die Potentialgruppe A bedient sich der Spannung von +5 V bzw. +3,3 V von den Pins des Raspberry Pis. Die Bauelemente, wie z.B. die Operationsverstärker, Analog-Digital Converter und Digital-Analog Converter aus der Gruppe B benötigen ebenfalls +5 V bzw. +12 V und -12 V. Hierbei werden +24 V extern eingespeist und von einem DC/DC Wandler auf +12 V/-12 V gewandelt. Die Operationsverstärker in der Potentialgruppe B benötigen, wie man Anhand der Simulation (Abb. „3D Modell der Schutzbeschaltung der digitale Eingänge“) erkennen kann, diese Spannungen, um im negativen Spannungsbereich arbeiten zu können. Die negative Spannung an den analogen Ausgängen wird über eine Offsetverschiebung an den Operationsverstärkern ermöglicht.
Da der DAC und der ADC eine hinreichend genaue Spannung von +5 V benötigen, wird ein Spannungsregulierer eingesetzt. Die Potentialgruppen C und D benötigen +24 V, somit werden keine weiteren Schaltungen zur Spannungsregulierung benötigt. Es werden nur Dioden zum Schutz vor Überspannung und Verpolung eingesetzt.
Wie man anhand der Graphen in der Abb. „Schaltung DAC“ erkennen kann, liegt am analogen Ausgang eine Spannung von ca. -10 V an, wenn die Spannung am Ausgang des DACs 0 V beträgt. Dies kommt durch die Offsetverschiebung um 5 V am Operationsverstärker zu Stande (vgl. Abb. „3D Modell der Schutzbeschaltung der analogen Eingänge“ Spannungsquelle V3). Dies hat folglich die Ursache, dass die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U2 (vgl. Abb. „3D Modell der Schutzbeschaltung der analogen Eingänge“) bei -5 V liegt und von diesem mit dem Verstärkungsfaktor von 2 multipliziert wird.
Relais, die vom Raspberry Pi direkt angesprochen werden, schaffen bei diesem Problem Abhilfe, indem sie den Stromkreis im ausgeschalteten Zustand öffnen.
An den analogen Eingängen soll eine Spannung von 0 … 10 V bzw. ein Strom von 0 … 20 mA gemessen werden können. Da aber der gewählte Analog-Digital Converter einen Arbeitsbereich von 0 … 5 V besitzt, muss die Schaltung dementsprechend aufgebaut und dimensioniert werden. Die Umstellung des Messungsbereichs von Strom- auf Spannungsmessung soll per Bestückungsoption realisiert werden. Hierbei wird auf der Platine nur ein 0 Ohm Widerstand eingelötet.
Anhand folgender Simulationen(Abb. „Kennlinie Simulation DAC“; Abb. „Schaltung zur Simulation der Strommessung“) ist zu erkennen, dass sich jeweils bei der Strom- sowie bei Spannungsmessung die jeweiligen Ausgangssignale im Arbeitsbereich des ADCs befinden.
Durch die Entfernung der Lötbrücke „R7“ wird der Messbereich auf Spannungsmessung (Abb. „Kennlinie Simulation Strommessung“) umgestellt und man erhält folgende Messwerte: Bei einer Eingangsspannung von +10 V liegen ungefähr +5 V am ADC an.
Der vierte analoge Eingang soll laut den Anforderungen ein PT-100 Eingang zur Temperaturmessung sein. Hierbei muss die Linearisierung der typischen Kennlinie (Abb. „Kennlinie Simulation Spannungsmessung „) per Hardware erfolgen. Die allgemeine Messung wurde mit der Verwendung einer Wheatstone’sche Messbrücke realisiert. Bei einer Veränderung der Temperatur verändern sich zeitgleich der Widerstand des Sensors und proportional dazu die Diagonalspannung der Messbrücke, die anschließend vom ADC gemessen wird. Die Linearisierung des PT 100 wird standardgemäß mithilfe einer positiven Rückkopplung realisiert. Hierbei wird der Ausgang des Operationsverstärkers an den nicht invertierenden Eingang zur Stromerweiterung gekoppelt.
