ExpBoard 0216 Manual. Expansion Board GAS versione Base. FluctuS Intelligent Sensor System

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1 Cod. Doc.: _rev10_FluctuS ExpBoard 0216 Manual Revisione: 1.0 Data: 17/05/2013 Pag. 1/14 ExpBoard 0216 Manual Expansion Board GAS versione Base FluctuS

2 Sommario 1 DESCRIZIONE SCHEMI ELETTRICI LINEE GUIDA DEL CIRCUITO STAMPATO DESCRIZIONE LAYOUT ASSEGNAZIONE PIN AL CONNETTORE DI INTERFACCIA 5 2 CONFIGURAZIONE SOFTWARE BEEPER LED SENSORE DI PRESSIONE MPXH6250A SENSORE DI TEMPERATURA E PRESSIONE SHT AMPLIFICATORE OPERAZIONALE A GUADAGNO VARIABILE MCP6S POTENZIOMETRO DIGITALE MCP SENSORE DI GAS 0 E GAS INSTALLAZIONE 10 3 FUNZIONI SENSORE DI PRESSIONE ATMOSFERICA SENSORE DI TEMPERATURA E UMIDITÀ RELATIVA SENSORI GAS 14 Pag. 2

3 1 Descrizione La scheda Sensori Gas gestisce le seguenti periferiche: Beeper per segnalazioni acustiche Led Sensore di Pressione atmosferica assoluta MPXH6250A Sensore Gas generico del tipo MQx (Gas Sensor 0) Sensore Gas generico del tipo MQx o Figaro NGM2611 (Gas Sensor 1) Sensore di temperatura e umidità SHT-71 Eeprom seriale I2C-bus da 8Kbyte utilizzata per la memorizzazione dei dati di taratura dei sensori installati sulla scheda Potenziometro digitale I2C-bus a 128 step (MCP4018) utilizzato per gestire l offset nella lettura dei sensori di gas presenti sulla scheda Amplificatore operazionale SPI a guadagno variabile MCP6S22. Questo componente permette all utente di leggere due diversi sensori di gas con un singolo canale ADC. 1.1 Schemi elettrici Figura 1 Schema Elettrico Scheda Gas Base Pag. 3

4 Figura 2 Schema Elettrico Scheda Gas Base 1.2 Linee guida del circuito stampato il PCB deve avere 1mm di spessore per poter essere inserito nelle guide della scatola il PCB deve rispettare le quote indicate in figura 1 il PCB deve prevedere il foro per il connettore Ethernet della scheda FluctuS il connettore di interfaccia verso la scheda FluctuS deve essere quotato come indicato in figura 1 sia sul fronte che sul retro del PCB i componenti devono stare all interno delle aree delimitate in caso di utilizzo di un pulsante da pannello o altro connettore si tipo passante, fare attenzione affinché non vada in collisione con i componenti della scheda FluctuS 1.3 Descrizione layout Figura 1 Vista frontale della scheda di espansione Gas Base Pag. 4

5 Figura 1a Quote scheda di espansione Gas 1.4 Assegnazione pin al connettore di interfaccia Il connettore Expansion Port, presente sulla scheda FluctuS, consente ad un utente di utilizzare una serie di pin General Purpose grazie ai quali può collegare un proprio hardware customizzato. Il connettore ha il pinout descritto in tabella 1. Le colonne Nome e Direzione identificano rispettivamente il nome e la funzionalità di ogni pin presente sul connettore. In particolare, oltre ai segnali di massa e alimentazione, sono presenti: o 8 pin di I/O generico, nominati come EXPGPx o 5 pin utilizzati per letture ADC, nominati come EXPADCn o 2 pin utilizzati dalla periferica I2C-BUS (SCL0 e SDA0). L utente ha la possibilità di utilizzare questi in base al tipo di hardware che intende collegare. Nella tabella 1, nelle colonne Definizione e Assegnazione, vengono descritte le funzionalità che i pin del connettore Expansion Port assumono per la scheda Base Sensori Pin Nome Direzione Definizione Assegnazione 1 3V3A - - Alimentazione 3,3V per Analogica 2 3V3 - - Alimentazione 3,3V per Digitale 3 GNDA Massa Analogica 4 GND Massa Digitale 5 VCC Alimentazione 5V Digitale 6 EXPGP3 Out 1 Dato seriale per MCP6S22 7 EXPGP2 Out 0 Clock seriale per MPC6S22 8 EXPGP9 I/O Input On/Off sensore Gas 1 9 EXPGP7 Out 1 Chip select MCP6S22 10 EXPADC1 Ian - Canale ADC per lettura multiplexata sensori Gas0 e Gas1 11 EXPADC4 Ian - Canale ADC per lettura sensore di pressione atmosferica 12 EXPGP1 I/O Input On/Off sensore Gas 0 13 EXPADC5 Ian - Canale ADC non utilizzato 14 GND - - Massa Digitale 15 EXPADC2 Ian - Canale ADC non utilizzato Pag. 5

6 16 EXPADC3 Ian - Canale ADC per lettura Vref sensore Figaro NGM2611 (non gestito) 17 SCL0 Out - I2C-bus Clock 18 EXPGP5 Out 1 Clock SHT SDA0 I/O - I2C bus Data 20 EXPGP6 I/O Out Data SHT EXPGP4 Out 0 On/Off LED 22 EXPGP8/PWM Out 0 On/Off Beeper Tabella 1 2 Configurazione software Il Bios della scheda FluctuS inizializza tutti i pin EXPGPx e EXPADCx del connettore della porta di espansione come ingressi. Per poter collegare la scheda Sensori, l utente, deve re-inizializzare i pin generici presenti sul connettore in modo da poter usare ciascun pin secondo le funzionalità specifiche che la scheda Sensori richiede. Nel rimappare un pin l utente deve prima settare il livello del pin e successivamente settarne la direzione. Questo accorgimento evita che si creino dei glitch (alto/basso o viceversa) soprattutto nel momento in cui un pin viene re-inizializzato come uscita. Per la Scheda Sensori Base per eseguire la re-inizializzazione dei pin sono stati creati i file c e h. La re-inizializzazione permette inoltre di eliminare, a livello applicativo, qualsiasi riferimento ai pin general purpose definiti a livello di Bios. Inoltre sono stati prodotti i file gest c e gest h che contengono alcune routine customizzate per il setup e la lettura dei due sensori di Gas presenti sulla scheda. L inizializzazione viene eseguita dalla routine EXPboardInit() e varia in base al tipo di periferica. 2.1 Beeper Il Beeper presente sulla scheda Base Sensori viene controllato tramite il pin EXPGP8/PWM del connettore di espansione. All interno della routine di EXPboardInit() tale pin viene settato basso e successivamente dichiarato come uscita. // Inizializzazione del pin assegnato al beeper EXPGP8_L; EXPGP8_OUT; L utente può attivare e disattivare il Led tramite le routine di BEEPERon() e BEEPERoff() definite all interno del file h. Pag. 6

7 2.2 Led Il led presente sulla scheda Base Sensori viene controllato tramite il pin EXPGP4 del connettore di espansione. Come per il Beeper, all interno della routine di EXPboardInit() tale pin viene settato basso e successivamente dichiarato come uscita. // Inizializzazione del pin assegnato al Led EXPGP4_L; EXPGP4_OUT; L utente può accendere e spegnere il Led tramite le macro di LEDPANEL_ON e LEDPANEL_OFF definite all interno del file h. #define LEDPANEL_ON EXPGP4_H // Led pannello acceso #define LEDPANEL_OFF EXPGP4_L // Led pannello spento 2.3 Sensore di pressione MPXH6250A Il sensore di pressione MPXH6250A non ha bisogno di essere inizializzato. Per poter leggere il valore della pressione misurata basta eseguire una lettura ADC tramite la routine Bios MPXH6250Aread(ch) che richiede come ingresso il canale ADC su cui eseguire la lettura. Come mostrato in tabella 1 il canale ADC riservato al sensore MPXH6250A è raggiungibile tramite il pin EXPADC4 del connettore di espansione. Per eliminare qualsiasi riferimento a questo pin general purpose, e quindi rendere customizzata la chiamata alla routine MPXH6250Aread, il canale EXPADC4 viene ridefinito come PRESSURE_SENS. #define PRESSURE_SENS EXPADC4 2.4 Sensore di temperatura e pressione SHT71 Per inizializzare il sensore SHT71 viene utilizzata la struttura di Bios SHT71HW. Il sensore, essendo di tipo seriale, deve essere gestito tramite i segnali di clock e data. Questi due segnali vengono generati manualmente. In particolare al segnale di clock viene associato il pin EXPGP5 del connettore di espansione e al segnale di data viene associato il pin EXPGP6. Per rendere la struttura SHT71HW il più flessibile possibile, per entrambi i segnali vengono richiesti la porta e il pin a cui sono fisicamente collegati. Questo permette all utente di assegnare al proprio sensore uno dei generici pin di I/O presenti sul connettore. Come mostrato nella seconda colonna della tabella, nella routine di EXPboardInit() viene inizializzata la parte hardware della struttura SHT71HW (porta e pin assegnati ai segnali di data e clock) ed inoltre i due pin EXPGP5 e EXPGP6 vengono settati alti e successivamente girati come uscite. Pag. 7

8 Struttura di riferimento typedef struct { uint32 sck_port; // Clock port uchar sck_pin; // Clock pin uint32 data_port; // Data port uchar data_pin; // Data pin uchar Type; // Tipo Lettura uchar State; // Per gestione SHT71 uint16 Adc; // Dato in colpi ADC int16 Temp; // Temp convertita uint16 Humid; // Umidità convertita uint16 Cnt; // Timer software uchar Error; // codici di Errore } SHT71HW; SHT71HW Inizializzazione contenuta in EXPboardInit() SHT71iodef; SHT71iodef.data_port = EXPGP6_PORT; SHT71iodef.data_pin = EXPGP6_PIN; SHT71iodef.sck_port = EXPGP5_PORT; SHT71iodef.sck_pin = EXPGP5_PIN; EXPGP5_H; EXPGP5_OUT; EXPGP6_H; EXPGP6_OUT; Tabella 2 Una volta settata la struttura SHT71iodef, l utente può richiamare le routine di gestione della periferica SHT71 senza dover più fare riferimento ai pin general purpose del connettore della scheda di espansione. 2.5 Amplificatore operazionale a guadagno variabile MCP6S22 Per inizializzare l amplificatore operazionale MCP6S22 viene utilizzata la struttura di Bios MCP6S22HW. L amplificatore, pilotato tramite interfaccia seriale SPI, deve essere gestito tramite i segnali di chip select, clock e data. Questi tre segnali vengono generati manualmente utilizzando rispettivamente i pin EXPGP7, EXPGP2 e EXPGP3 del connettore di espansione. Inoltre il canale ADC assegnato all amplificatore è raggiungibile tramite il pin EXPADC1 del connettore (questo canale è comune ai sensori di gas presenti sulla scheda). Per rendere la struttura MCP6S22HW il più flessibile possibile, per i segnali di chip select, clock e data viene richiesta la porta e il pin a cui sono fisicamente collegati. Questo permette all utente di assegnare al proprio sensore uno dei generici pin di I/O presenti sul connettore. Come mostrato nella seconda colonna della tabella 3, nella routine di EXPboardInit() viene inizializzata la struttura MCP6S22HW; il segnale di chip select viene settato basso e poi settato come uscita, mentre i segnali di clock e data vengono settati alti e poi girati in uscita. Infine viene richiamata la routine di MCP6S22shutdown() che mette in shutdown l amplificatore. Pag. 8

9 Struttura di riferimento Inizializzazione contenuta in EXPboardInit() MCP6S22HW MCP6S22iodef; typedef struct { uint32 cs_port; // Chip select port uchar cs_pin; // Chip select pin uint32 clk_port; // SPI clock port uchar clk_pin; // SPI clock pin uint32 di_port; // SPI data port uchar di_pin; // SPI data pin uchar adc_ch; // Canale ADC } MCP6S22HW; MCP6S22iodef.cs_port = EXPGP7_PORT; MCP6S22iodef.cs_pin = EXPGP7_PIN; MCP6S22iodef.clk_port = EXPGP2_PORT; MCP6S22iodef.clk_pin = EXPGP2_PIN; MCP6S22iodef.di_port = EXPGP3_PORT; MCP6S22iodef.di_pin = EXPGP3_PIN; MCP6S22iodef.adc_ch = EXPADC1; EXPGP2_L; EXPGP3_OUT; EXPGP3_H; EXPGP3_OUT; EXPGP7_H; EXPGP7_OUT; Tabella 3 MCP6S22shutdown(&MCP6S22iodef); Una volta settata la struttura MCP6S22iodef, l utente può richiamare le routine di gestione della periferica MCP6S22 senza dover più fare riferimento ai pin general purpose del connettore della scheda di espansione. 2.6 Potenziometro digitale MCP4018 Il potenziometro digitale MCP4018 non necessita di nessuna inizializzazione, ma viene letto e scritto grazie all I2C-Bus. Vengono quindi utilizzati i pin SCL0 e SDA0 del connettore della scheda di espansione. Nella routine di EXPboardInit() viene richiamata la funzione MCP4018write(0) che inizializza a 0V l offset della lettura dei sensori di Gas presenti sulla scheda. 2.7 Sensore di Gas 0 e Gas 1 Per inizializzare i due sensori di Gas presenti sulla scheda vengono utilizzate due strutture di tipo GASHW. Entrambi i sensori vengono accesi separatamente tramite i pin general purpose del connettore della scheda di espansione EXPGP1 e EXPGP9 e vengono letti sullo stesso canale ADC (EXPADC1) tramite l amplificatore operazionale MCP6S22. Al Sensore GAS0 viene assegnato il canale CH0 dell amplificatore operazionale MCP6S22, mentre al sensore GAS1 viene assegnato il canale CH1. Questo permette all utente di gestire separatamente i due sensori tramite le routine di Bios GASxxx(). Pag. 9

10 Per rendere la struttura GASHW il più flessibile possibile, per i segnali di on/off dei due sensori viene richiesta la porta e il pin a cui sono fisicamente collegati. Questo permette all utente di assegnare al proprio sensore uno dei generici pin di I/O presenti sul connettore. L inizializzazione delle due strutture dei sensori di Gas viene eseguita nella routine EXPboardInit() come mostrato nella tabella sottostante. Struttura di riferimento typedef struct { uint32 onoff_port; // On/off sensore port uchar onoff_pin; // On/off sensore pin uchar mcp6s22_inpch; // Canale MCP6S22 uchar mcp6s22_adcout; // Canale ADC uchar Type; // Tipo Lettura uchar State; // Per gestione sensore uchar Off; // Spegni dopo la lettura uint16 Adc; // Dato in colpi ADC int16 Value; // Valore GAS convertito uint32 Cnt; // Timer software } GASHW; GASHW GASHW Inizializzazione contenuta in EXPboardInit() GASiodef_0; GASiodef_1; // Sensore GAS 0 GASiodef_0.onoff_port = EXPGP1_PORT; GASiodef_0.onoff_pin = EXPGP1_PIN; GASiodef_0.mcp6s22_inpch = MCP6S22_CH0; GASiodef_0.mcp6s22_adcout = EXPADC1; // Sensore GAS 1 GASiodef_1.onoff_port = EXPGP9_PORT; GASiodef_1.onoff_pin = EXPGP9_PIN; GASiodef_1.mcp6s22_inpch = MCP6S22_CH1; GASiodef_1.mcp6s22_adcout = EXPADC1; Tabella Installazione Per poter collegare la scheda Base Sensori alla scheda WAN FluctuS l utente deve aggiungere i files dedicati precedentemente descritti al proprio programma applicativo. In particolare l utente deve: o Aprire il proprio progetto IAR; o Aggiungere al progetto, a livello di UserApp, la cartella ExpBoard (figura 2); Pag. 10

11 Figura 2 o Creare i file contenti le routine necessarie per gestire la scheda sensori e i relativi file di inclusione. Per la scheda Sensori sono stati creati i File c/.h e gest c/.h; o Creare il file expboard_global.h. Questo file deve essere richiamato come #include all interno del file usr_global.h e contiene l elenco delle librerie create ed utilizzate per eseguire le routine di inizializzazione e di controllo della scheda Sensori: #include "ExpBoard\ h" #include "ExpBoard\gest h" o Aggiungere alla cartella ExpBoard i file c e gest c appena creati (figura 2); Figura 3 Pag. 11

12 o Ricompilare l intero progetto 3 Funzioni Definizione delle costanti: #define MAX_GAS_SENSOR 2 Numero massimo di sensori Gas Variabili e costanti varie SHT71_OK 0 Nessun errore SHT71_ERROP 1 Errore Operazioni già in corso SHT71_ERRSENS 2 Errore Colloquio sensore SHT71_ERRCONV 3 Errore Conversione sensore 3.1 Sensore di Pressione Atmosferica uint16 MPXH6250Aread (uchar ch) Lettura convertita del sensore di Pressione Atmosferica MPXH6250A Pressione Atmosferica convertita in kpa/10 e compensata in temperatura. Note: Se il valore restituito è zero, il sensore è non presente o in errore E compito del programma utente eseguire altre compensazioni in base all altitudine, ecc. 3.2 Sensore di Temperatura e Umidità relativa Il sensore campiona i valori di Temperatura e Umidità uno alla volta; è compito del programma utente effettuare le operazioni di lettura di questi due dati in maniera mutualmente esclusiva. Pag. 12

13 uchar SHT71readTemperature (SHT71HW *p) Richiede la lettura della Temperatura Input: p = puntatore a struttura definizione hw SHT71_OK, SHT71_ERROP uchar SHT71readHumidity(SHT71HW *p) Richiede la lettura dell Umidità Input: p = puntatore a struttura definizione hw SHT71_OK, SHT71_ERROP uchar SHT71isReadEnd(SHT71HW *p) Ritorna la flag di fine lettura Temperatura o Umidità Input: p = puntatore a struttura definizione hw TRUE = fine lettura, FALSE = lettura in corso Note: Se l operazione è andata a buon fine si deve richiamare la SHT71convert(), altrimenti si deve richiamare la SHT71status() per indagare sulla causa dell errore uchar SHT71status(SHT71HW *p) Ritorna la flag errore del sensore SHT71 Input: p = puntatore a struttura definizione hw SHT71_OK, SHT71_ERROP, SHT71_ERRSENS, SHT71_ERRCONV void SHT71convert(SHT71HW *p) Converte il dato letto in Temperatura o Umidità a seconda dell ultimo comando richiesto Input: p = puntatore a struttura definizione hw I campi SHT71Struct.Temp o SHT71Struct.Umid sono aggiornati con la temperatura in C/100 o umidità relativa in %. Pag. 13

14 3.3 Sensori GAS I sensori Gas0 e Gas1 condividono lo stesso canale analogico di lettura e lo stesso circuito di correzione offset e guadagno variabile; pertanto la loro lettura deve essere sempre richiesta dal programma utente in maniera mutualmente esclusiva. uchar GASread (GASHW *p, uint32 ltime, uchar off, uchar offset, uchar gain) Richiede la lettura del sensore CH4 Input: ltime = tempo di pre-heating espresso in millisecondi Off = 1 se il sensore si deve spegnere dopo la lettura offset = , valore del potenziometro digitale per compensazione offset gain = guadagno dell'amp.op. 0 = errore 1 = in corso uchar GASisReadEnd(GASHW *p) Ritorna la flag di fine lettura sensore CH4 1 = fine lettura 0 = lettura in corso void GASconvert(GASHW *p) Converte il dato letto secondo i dati e U.M. di calibrazione Campo CH4Struct.Value aggiornato Note: Non ancora implementata, vedi programmi di esempio 4 Note Nel programma di test delle periferiche FluctuS, liberamente distribuito in formato sorgente insieme all ambiente di sviluppo, è presente un file denominato gest c che implementa una possibile procedura di taratura dei sensori di Gas. A seconda delle esigenze può essere necessario modificare le resistenze R5 e/o R6 che costituiscono la Rload di ciascun sensore. Attenzione: La taratura dei sensori ed eventuali compensazioni dei valori letti al variare della Temperatura e Umidità ambientale sono a carico dell utente. Pag. 14

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