Elektrotehniški vestnik 68(1): 51 56, 2001 Electrotechnical Review, Ljubljana, Slovenija Razvoj mikroprocesorskega senzorja nivoja z uporabo programske opreme LabView Aleksander Polutnik 1, Boris Tovornik 1, Miha Urbanija 2 1 Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Smetanova 17, 2000 Maribor E-pošta: aleksander.polutnik@uni-mb.si 2 ULTRA d.o.o., C. Otona Župančiča 23a, 1410 Zagorje Povzetek. V Laboratoriju za procesno avtomatizacijo Fakultete za elektrotehniko, računalništvo in informatiko smo skupaj s podjetjem Ultra d.o.o. izdelali mikroprocesorski del za obstoječi segmentno kapacitivni senzor nivoja. Pri tem smo modificirali standardni razvojni postopek. Cilj je bil skrajšati skupni razvojni čas z uporabo grafične programske opreme, ki je postala standard na merilnem področju. Zato smo validacijo in razvoj algoritmov izvedli v grafičnem programskem okolju LabView, preizkušene rešitve pa nato realizirali v programskem jeziku C za ustrezen mikrokrmilnik. S tem smo uvedli dodatno točko v razvojne korake, vendar je celoten razvoj kljub temu trajal manj časa. Ključne besede: senzor nivoja tekočine, mikroprocesor, grafična programska orodja, LabView Development of microcomputer level sensor with the use of LabView software Extended abstract. At the Laboratory of Process Automation of the Faculty of Electrical Engineering and Computer Science of Maribor and in co- operation with Ultra Enterprise the microcomputer part of the capacitive level sensor vas developed. The standard procedure was modified so as to ensure shortenig of the overall development time. Graphics software tools used as a metric standard were employed, providing basic validation and development of algorithms in LabView graphical software. Finally, tested solutions made in C and implemented in a microcomputer. The procedure was used for the development of measurement algorithms and for communication protocol. In its first part the paper describes the development of the analogue part of the sensor. It begins with physical principle for calculation algorithms of the measurement signal and continues with principle of level measurement with segmental capacitate sensor in its use for the fuel measurement in tanks. The communication protocol and mechanical realisation of the sensor are shortly described. Advantages and limitations of the graphic programming are also outlined. The most important advantages are development time shortening and better procedure visualisation. Future work will be focused on automation of algorithm transferability from the graphic to C programming language. Key words: liquid level probe, microprocessor, graphic programming tools, LabView 1 Uvod Večina današnjih senzorjev že vsebuje mikroprocesorje, ki skrbijo za meritev, obdelavo podatkov in komunikacijo. Prejet 8. junij, 2000 Odobren 20. september, 2000 Sami merilni postopki so znani že dalj časa, z uporabo mikroprocesorjev pa so se odprle nove možnosti za obdelavo merilnih rezultatov. Tako razvoj sodobnega senzorja vsebuje naslednje korake: validacijo analognega principa senzorja razvoj algoritmov za obdelavo merilnih rezultatov in komunikacijo izdelava programske opreme za ustrezen mikrokrmilnik preskus celotnega senzorja. Vnašem primeru smo se odločili za uporabo grafičnih programskih orodij v vseh razvojnih korakih. Tako smo v prve tri točke razvojnega procesa realizirali deljeno. V vsaki točki smo najprej uporabili grafično programiranje in tako rešili nalogo. Dobljeni grafični program pa smo kasneje pretvorili v ustrezen jezik za ciljno strojno opremo. 2 Razvoj senzorja nivoja V podjetju ULTRA d.o.o. izdelujejo senzorje nivoja goriva za podzemne rezervoarje bencinskih črpalk. Uporabljajo se za merjenje količine goriva, vode in temperature goriva. Komunikacijsko so povezani z nadzorno napravo, ki podatke sprejema, obdeluje, shranjuje in posreduje računalniku.
52 Polutnik, Tovornik, Urbanija Podzemni rezervoarji na bencinskih črpalkah so v večini primerov valjaste oblike s premerom 2.5 m in dolžino 5-6 m. So dvoplastni, med obema plaščema je inertna tekočina, ki nam služi za detekcijo puščanja plašča. Rezervoarji so zakopani v zemljo, tako da tudi v zimskem času ni problemov z nizkimi temperaturami goriva. Če hočemo poznati način merjenja količine goriva v takem rezervoarju, je treba poznati obnašanje goriva med transportom in skladiščenjem. Vsako gorivo namreč vsebuje določeno količino vode in drugih nečistoč. Ko gorivo natočimo v podzemni rezervoar je ta voda razpršena, nato pa se počasi useda na dno rezervoarja, ker je težja od goriva. Poleg tega se na dnu nabirajo razne nečistoče, ki izvirajo iz destilacijskega postopka pri pridobivanju goriva. Za natančno določanje količine goriva je treba meriti količino vode in nečistoč v vsakem rezervoarju. Prav tako je ta meritev nujna zaradi preprečevanja vdora vodevtočilne avtomate na bencinski črpalki. Priključki za odvod goriva so v podzemnih rezervoarjih nameščeni okoli 15 cm nad dnom, zato mora biti višina vode vedno nižja. 2.1 Fizikalne osnove delovanja senzorja nivoja Uporabljen senzor je segmentno kapacitivni senzor. Le ta je zgrajen iz povsem enakih segmentov, ki so visoki 8 mm. Vsak segment pa je kondenzator s tremi elektrodami (slika 1). Krmilna elektronika, ki je v sondi, nato vključuje vsak segment posebej in tako izmerimo kapacitivnost vsakega segmenta. Tako dobimo odziv sonde, ki je prikazan na sliki 2. Slika 2. Odziv sonde za merjenje goriva Figure 2. Fluid level probe response Na sliki 2 imamo na osi Y napetost v mv, ki je premosorazmerna kapacitivnosti segmenta, na osi X pa so segmenti. Graf je iz prototipne sonde, ki vsebuje 144 segmentov in je visoka 115 cm. Vidimo, da v vodi ne dobimo nikakršnega odziva, odziv v gorivu pa je približno dvakrat večji od odziva v zraku. Seveda je to pričakovano, ker je dielektričnost goriva približno dvakrat večja od dielektričnosti zraka. 2.2 Določitev višine iz odziva sonde Iz odziva sonde lahko preprosto ugotovimo, na katerem segmentu imamo prehod med dvema medijema. Da pa bi dobili natančno višino, je treba matematično obdelati vrednosti kapacitivnosti kondenzatorjev ob tem prehodu. Najprej izračunamo numerični odvod odziva sonde, ki je prikazan na sliki 3. Slika 1. Prerez segmenta sonde za merjenje višine Figure 1. Fluid level probe cross-section Elektrodo A napajamo z izmeničnim signalom frekvence 25 khz in amplitude 0.4 V. Elektroda B je ozemljena, elektroda C pa je merilna elektroda in je povezana na vhod merilnega ojačevalnika. Modificiran kondenzator s tremi elektrodami nam omogoča razlikovanje goriva od vode in nečistoč na dnu. Gorivo ima specifično dielektričnost med 1.8 in 2.1 glede na vrsto in zelo visoko specifično upornost. Voda z nečistočami pa ima dielektričnost okoli 80 in razmeroma majhno specifično električno upornost. Zato se pri vodi večina električnega polja iz elektrode A konča na ozemljeni elektrodi B, tako da na merilni elektrodi C dobimo minimalen signal. Slika 3. Odvod odziva sonde za merjenje goriva Figure 3. Fluid level probe response derivate Iz slike 3 se lepo vidi, da imamo pozitivno konico pri 46 segmentu-kondenzatorju, kjer je prehod med
Razvoj mikroprocesorskega senzorja nivoja z uporabo programske opreme LabView 53 gorivom in vodo in negativno konico pri 99 kondenzatorju, kjer je prehod med gorivom in zrakom. Natančno višino nato izračunamo po težiščni metodi. Izračunamo namreč težišče dela odziva sonde, ki se začne dva segmenta pod prehodom in konča dva segmenta nad prehodom. Zaradi numeričnega odvajanja je treba težišču prišteti polovično višino segmenta, da dobimo natančno višino vode ali goriva. To lahko zapišemo z naslednjo enačbo: pri čemer je: X = X višina vode ali goriva a+2 a 2 x Y (x) a+2 a 2 x h + h 2, Y (x) vrednost dziva v segmentu x a segment, pri katerem je prehod h višina segmenta. 2.3 Analogni ojačevalnik za merjenje kapacitivnosti Kapacitivnost posameznega segmenta lahko izračunamo po enačbi za kapacitivnost ploščatega kondenzatorja: C = ε 0ε r A, l ki pri dimenzijah kondenzatorja 15 8 mm in razmiku 10 mm v zraku znaša As 8.86 10 12 Vm 1 0.02m 0.008m C = =0.141pF. 0.01m Pri podani frekvenci merjenja 25 khz, napetosti na elektrodi A 0.4 V in vhodni upornosti ojačevalnika 810 kω je treba izbrati ojačenje izmeničnega ojačevalnika tako, da bomo na vhodu AD pretvornika dobili 1 V vhodne napetosti. Vhodno napetost v ojačevalnik lahko izračunamo iz vezave: U 0 = UiRin R in+x C = 0.4V 810kΩ 810kΩ+ 1 2π 25kHz 0.141pF = 7mV. Za potrebnih 1 V napetosti na vhodu AD pretvornika torej potrebujemo ojačevalnik z ojačenjem: A = U out = 1V = 140 = 43dB. U in 7mV Celoten merilni ojačevalnik vsebuje še sinhroni usmernik za usmerjanje izhodne napetosti in nizkoprepustni filter za njeno glajenje. Izhodna napetost iz tega filtra je pripeljana na vhod 12-bitnega AD pretvornika, ki je povezan z mikroprocesorjem v sondi (slika 5). Slika 4. Nadomestna vezava posameznega segmenta Figure 4. Simplified single segment diagram Slika 5. Blok shema linearnega dela merilne sonde Figure 5. Linear system block diagram 2.4 Meritev kapacitivnosti segmentov Kapacitivnosti vseh segmentov se izmerijo zaporedno. V sami sondi imamo namreč flip-flope, ki nam izberejo posamezen segment. Tako izmerjene rezultate shranimo v zunanji statični RAM za kasnejši izračun višine. Poleg kapacitivnosti segmentov izmerimo tudi parazitno kapacitivnost vhodnega vezja. Le-to izmerimo tako, da izklopimo vse segmente in izmerimo preostalo kapacitivnost. To vrednost nato odštejemo od vseh merilnih rezultatov in s tem odpravimo vplive offsetnih napetosti in presluhov v celi analogni merilni verigi. 2.5 Preračun merilnih rezultatov Po postopku opisanem v delu o fizikalnem delovanju senzorja izračunamo višino vode in goriva. Sam algoritem je bolj zapleten, ker pri izračunu upoštevamo kalibracijske vrednosti za kapacitivnosti posameznih segmentov, natančne višine segmentov in podatke o namestitvi sonde v rezervoar. Večina teh kalibracijskih parametrov se v sondo zapiše med kalibracijo posamezne sonde v proizvodnji. Celoten postopek je bil najprej preskušen na PC računalniku s programskim okoljem LabView. Prednost tega programskega okolja je grafično programiranje, kar omogoča hiter razvoj aplikacij in njihovo spreminjanje. Predvsem zadnje je pomembno, ker lahko zelo preprosto optimiramo algoritme in opazujemo vmesne rezultate. Na podlagi preizkušenih algoritmov (primer na sliki 5) je bila nato napisana koda za mikroprocesor. Postopek je zelo preprost, saj je grafični program že ekvivalent diagrama poteka v jeziku C. Prav tako lahko kontroliramo pravilnost algoritma v jeziku C s primerjavo vmesnih rezultatov.
54 Polutnik, Tovornik, Urbanija 2.6 Mikroprocesorski sklop Mikroprocesorski sklop tvori jedro sonde. Sprejema namreč podatke iz analognega merilnika kapacitivnosti preko pretvornika AD, jih obdeluje in pošilja naprej po lastnem protokolu. Sestavljen je iz mikroprocesorja, pretvornika AD, zunanjega statičnega RAM in EEPROM. Zahteve pri izbiri mikroprocesorja: čim manjša poraba (max 5 ma) čim manjše število zunanjih komponent vsebovati mora modul SPI in UART za preprosto komunikacijo s pretvornikom AD in zunanjo povezavo možnost poznejšega spreminjanja aplikacijskega programa. Predvsem zaradi omejitev pri porabi je bil izbran mikrokrmilnik proizvajalca Microchip PIC 16C878. Poleg mikroprocesorja je v sondi še dodatni statični RAM, EEPROM za hranjenje konfiguracijskih nastavitev in RS485 vmesnik za komunikacijo. Blok shema sonde je na sliki 7. prenos podatkov med merilno sondo, ki je v bencinskem rezervoarju, in nadzorno enoto so bile upoštevana naslednje zahteve: Mora biti dovolj odprt, do bo lahko podpiral naslednje in sorodne sonde. Obvezna podpora prenosu RF brez kakršnekoli spremembe. Podpora prenosa vseh znakov 00-FF brez prekodiranja. Podpora različnim hitrostim prenosa. Napreden in učinkovit način naslavljanja, ki omogoča instalacijo plug and play (avtodetekcijo enot na vodilu). Podatkovni nivo prenosa je bil razvit po istih korakih kot merilni del sonde. Najprej so bili definirane osnovne predpostavke (format sporočila, naslavljanje), nato pa so bile preverjene na računalnikih PC s programi LabView. Čeprav je LabView namenjen predvsem merilnim procesom, prav tako omogoča pisanje komunikacijskih funkcij. Funkcije za obdelavo paketov in deli aplikacijske kode so bili realizirani v grafičnem programskem okolju LabView. Primer grafične sheme dela fukcije za sestavo komunikacijskega okvira je na sliki 8. Uporabniški vmesnik za to komunikacijsko rutino je prikazan na sliki 9. Slika 7. Blok shema merilne sonde Figure 7. Level probe block scheme Program v mikroprocesorju je bil napisan v programskem jeziku C. Program lahko razdelimo na štiri glavne dele: meritev kapacitivnosti vseh segmentov preračun merilnih rezultatov shranjevanje nastavitev in kalibracijskih tabel komuniciranje po specifičnem protokolu z nadzorno enoto. 2.7 Podatkovni nivo prenosa med sondo in nadzorno enoto Zaradi specifičnih omejitev pri komunikacijskem mediju (eksplozijsko nevarno okolje) je tudi podatkovni nivo optimiziran za ta prenosni medij. Pri snovanju tega nivoja za Slika 8. Grafična funkcija za oddajo sporočila Figure 8. Transmit algorithm graphical representation Ko so bile te funkcije za komunikacijo preizkušene na komunikaciji med dvema računalnikoma PC, smo jih zapisali v jezik C. Verzija v C pa je bila uporabljena v dinamičnih knjižnicah za gonilnik PC in v komunikacijskem delu programske opreme v sondi. 3 Sklep Na prikazanem primeru razvoja sonde za merjenje nivoja smo v Laboratoriju za procesno avtomatizacijo prvič preskusili uporabo grafičnih programskih orodij, kot je
Razvoj mikroprocesorskega senzorja nivoja z uporabo programske opreme LabView Slika 6. Grafic na predstavitev algoritma za izrac un vis ine 55 Figure 6. Height algorithm graphical representation Tako smo fizic ni nivo komunikacije razvili z uporabo klasic ne merilne tehnike, prav tako pa takega pristopa ni mogoc e uporabljati pri razvoju elektronskega vezja mikroprocesorke sonde. 4 Literatura [1] A. Dutta-Row, Networks for Homes, IEEE Spectrum, december 1999, str. 26-33. [2] Microchip Tehnology Inc., Microchip data book, USA 1994. [3] J. Fraden, Handbook of modern sensors: physics, designs and aplications, 2nd ed., Woodbury, New York 1999. [4] Z. C uc ej, Komunikacije v sistemih daljinskega vodenja, Knjiga 1, Fakulteta za elektrotehniko, rac unalnis tvo in informatiko, Maribor 1998. Slika 9. Uporabnis ki vmesnik za komunikacijo Figure 9. Communication user interface LabView pri razvoju inteligentnih senzorjev. Ugotovljeno je bilo, da lahko tak pristop bistveno skrajs a razvojni c as. Prvi vzrok za to je bistveno krajs i cikel med detekcijo napake in njeno odpravo zaradi vec je preglednosti grafic nega zapisa programske kode. Druga prednost je uc inkovitejs a predstavitev podatkov v obliki grafov in tabel, ki pri uporabi klasic nih razvojnih sistemov ni mogoc a oziroma je bistveno bolj zapletena. V nas em primeru je bila pretvorba iz grafic nega v C programsko okolje opravljena roc no. Pravo moc pa bi tak postopek razvoja dobil ob avtomatizaciji oziroma realizaciji translatorja med LabView in C jezikom. Zato se delo v laboratoriju nadaljuje predvsem na tem podroc ju. Vsekakor pa je uporaba te metode omejena na razvoj programske opreme in izboljs ave merilnih algoritmov. [5] P. w. Gofton, Mastering serial communications, 2nd ed., Sybex, San Francisco 1994. [6] M. L. Chugani, LabVIEW signal processing, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ 1998. [7] B. Reissenweber, Feldbussysteme, Oldenbourg Verlag, Mu nchen 1998. Aleksander Polutnik je bil rojen 14.5.1971. Osnovno s olo je obiskoval v kraju Lesic no. Srednje s olanje je nadaljeval na Srednji tehnis ki s oli Celje, na smeri elektrotehnikaelektronika. Po zakljuc ku srednjega s olanja je s tudiral na Univerzi v Mariboru, Fakulteti za elektrotehniko, rac unalnis tvo in informatiko, kjer je diplomiral na smeri elektrotehnika avtomatika. Zatem je eno leto delal na delovnem mestu profesorja elektrotehnis kih predmetov na Srednji tehnis ki s oli Celje. Po opravljenem vojas kem roku se je zaposlil na Fakulteti za elektrotehniko, rac unalnis tvo in informatiko kot mladi raziskovalec. Hkrati je vpisal tudi podiplomski s tudij elektrotehnike, ki ga je z zagovorom magistrskega dela konc al aprila 2000. V c asu podiplomskega s tudija je delal na podroc ju inteligentnih stavb, mikroprocesorskih sistemov, LonWorks tehnologije in senzorskih sistemov. Trenutno je zaposlen kod vodja raziskovalnega oddelka v podjetju Ultra d.o.o.
Boris Tovornik, rojen v Mariboru 1947, diplomiral na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, magistriral in doktoriral na Univerzi v Mariboru 1984 in 1991. Zaposlitve: Tehniška srednja šola 1972, Železarna Štore 1975, Dravske elektrarne 1977, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru od 1978 dalje, kjer je vodja Laboratorija za procesno avtomatizacijo in kor izr. prof. predava predmete s področja avtomatike. Področja dela: modeliranje, identifikacije, avtomatizacija procesov, mehko vodenje. Članstva: IEEE, Ko- REMA, Društvo avtomatikov Slovenije, Združenje raziskovalcev Slovenije. Miha Urbanija je rojen 16.1.1955 v Trbovljah. Srednjo elektro tehniško šolo je končal v Trbovljah. Potem je nadaljeval študij na univerzi v Mariboru. Diplomiral je na prvi stopnji Elektrotehnike smer elektronika. Prva zaposlitev je bila v rudniku Zagorje kot elektrikar. Tu je spoznal osnove za opremo v protieksplozijski zaščiti. Kot pripravnik je nato nadaljeval v zagorski tovarni na področju razvoja elektroopreme za rudnike. S tem področjem se je samostojno in tudi timsko ukvarjal 10 let do leta 1989. Takrat je bilo ustanovljeno podjetje Ultra d.o.o., kjer je solastnik in večino časa zaposlen kod vodja razvoja. Od takrat je sodeloval pri več raziskovalnih in komercialnih projektih kot so: merilni sistem za naftno industrijo, nadzorni sistem Bird in RF-ID.