Egy LED-es árkijelzők telepítésével foglalkozó vállalkozás keresett meg azzal a kéréssel, hogy a meglévő manuális, szegmenskapcsolós árbeállító megoldásukat szeretnék kiváltani egy, a központi árazórendszer alapján működő kijelzővezérlésre. Jelen esetben olyan nagyméretű LED kijelzőket kell vezérelni, melyek a benzinkutak mellett kihelyezett totemoszlopokon mutatják az üzemanyagok aktuális árait. Ezen kijelzők méretileg nagyok, sok nagy fényerejű LED-et tartalmaznak, melyek meghajtásához szükséges némi teljesítmény, illetve működtetésük során fényerejük szabályozását is meg kellett oldani.
Elvárás volt a rugalmasan történő bővíthetőség, hiszen benzinkutanként eltérő a termékkínálat, így előfordulhat, hogy 2-3 terméknél több árát is szükséges lehet kijelezni a totemoszlopon. Továbbá fontos követelmény, hogy felügyelet nélkül kell tudnia működni a rendszernek, az árakat tudnia kell kezelői beavatkozás nélkül szinkronizálni a benzinkút árazórendszerében lévő árakhoz. Ez azért lényeges, mert már az első példány is egy olyan töltőállomáson került telepítésre, ami teljesen automata és önkiszolgáló. Itt eleinte még tartózkodik személyzet, aki szükség esetén be tud avatkozni, de később teljesen önállóan fog üzemelni az ilyen benzinkút, így nem lesz, aki tekergesse a kijelzők manuális kapcsolóit minden nap, ahogy az árak éppen változnak.
Ennél a projektnél az alábbi követelményeknek kellett megfelelni:
Szegmensenkénti LED csoportok meghajtása közös katódos kijelzőnél megfelelő módon
Kijelzőpárok szerinti vezérlés
Moduláris bővíthetőség több termékre
Ethernet csatlakozási lehetőség a helyi hálózatra
Dimmelési lehetőség
Fénymérés automata fényerő szabályozáshoz
Kijelzők hőmérsékletének mérése, legalább oldalanként 1-1 ponton
Kijelzők áramainak mérése
Csekély hőtermelés
1-2 programozható kimenet
Hőmérséklet riasztási szintek
Távdiagnosztika
A kijelzők vezérlése
Ezen szép lista után kezdeném az alapfunkcióknál. A kijelzők eredetileg úgy vannak bekötve, hogy a LED-ek katódjai közösítve vannak GND-re. A LED-ek bekapcsolása az anód bekapcsolásával történik, tehát közös katódos kijelzőkről beszélünk. A kijelzők 24V-ról működnek, a LED-ek ennek megfelelően csoportokba vannak rajta rendezve. Több LED csoport alkot egy szegmenst, mely anódjai közösítve vannak és a szegmens anód egy vezetékkel ki van vezetve a panelről.
A manuális kapcsolós megoldásnál a totemoszlop aljában lévő kis dobozban lehetett a szegmenseket forgókapcsolóval kapcsolgatni. Jelen helyzetben minden állásban már kódolva volt a 7 szegmenses érték. A kódolást egyszerű, diódás logika valósította meg. Kész diódatemető egy ilyen panel, bár az újonnan fejlesztett vezérlés meg kész MOSFET temető, hiszen a kijelzők vezérlése továbbra is szegmensenként kell, hogy működjön, megőrizve a korábbi rendszerrel való kompatibilitást. Tehát ezzel az egységgel gyakorlatilag a manuális kapcsolókhoz hasonlóan szintén szegmensenként kellett megoldani a vezérlést, de immáron elektronikusan kapcsolva.
Ami nehezítette a tervezést, hogy a pozitív feszültséget kellett vezérelni, illetve minden kijelző 24V-ról működik. A meghajtásban használható legtöbb MOSFET gate-source feszültsége viszont maximálisan csak 18V-ot képes elviselni, így a vezérlőfeszültséget egy szintillesztő áramkörrel csökkenteni kellett, valamint az egészet úgy volt szükséges megtervezni, hogy a MOSFET-ek nyitása, zárása olyan sebességgel megtörténjen, hogy dimmelés esetén se legyen jelentős melegedés.
Célszerű volt továbbá egy kimeneti csatornát a lehető legkevesebb alkatrészből megcsinálni, hiszen egy kijelző 4 digitből áll, ami 4x7+1 decimális pont vezérlésnek megfelelően annyi mint 32db kimenet, valamint minden kijelző duplikálva van, tehát egy 1 termékes kijelzővezérlésnek összesen 64 kimenetet kell tartalmaznia.
A fejlesztés egy jelentős részét tehát egy megfelelően megtervezett LED vezérlő áramkör megalkotása tette ki. Mikor ez létrejött és az alkatrészek összeválogatása során a nyomtatott áramköri tervet is sikerült úgy kitalálni, hogy egy csatorna minimális területen felépíthető legyen, biztosítva emellett a megfelelő vezetősáv keresztmetszeteket, akkor jöhetett a csatornák egymás mellé illesztése és a teljes tömb felépítése.
Mivel a kijelzők mindig párban vannak, a totemoszlop egyik és másik oldalán kerülnek elhelyezésre, adott termékhez így ugyanazt a számértéket jelenítik meg, így logikus lenne csak megduplázni egy szegmensvezérlő kimenetet és meg van oldva a közös vezérlés. Igen ám, de a fényerő szabályozás miatt ez nem történhetett meg, hiszen az oszlop mindkét oldalán be van építve egy-egy fénymérő és ezen szenzorok mérései alapján egyszerre történik a fényerő szabályozás minden egy oldalra szerelt kijelzőnél, viszont oldalanként már ennek függetlenül kell működnie, hiszen ha az oszlop egyik oldalát süti a nap, a másik pedig árnyékban van, akkor a napos oldal fényerejét emelni kell, hogy a kijelzés ott láthatóbb legyen.
Mivel a szegmensenkénti vezérlés rengeteg vezeték bekötését igényli, a sorkapcsos csatlakozás helyett ide valami helytakarékosabb megoldásra volt szükség. A szegmensenkénti áram viszonylag alacsony a magas feszültség miatt, így az Ethernet csatlakozó jó választásnak bizonyult a kijelzők szegmenseinek bekötéséhez, ráadásul minden Ethernet csatlakozó 8 pólusú így tökéletesen kivezethető egyetlen csatlakozóval egy digit minden szegmensének közös anódja.
Modularitás
A rendszer felépítése modulárisra lett tervezve, hogy egyszerűbben a megrendelő igényeihez lehessen igazítani. Mivel minden ilyen letelepített rendszer minimálisan legalább egy termék árát meg kell, hogy tudja jeleníteni, így az alaplap a működéshez szükséges vezérlőáramkörök mellett már önmagában is tartalmaz egy termék kijelzőjének működtetésére szolgáló meghajtóáramkört.
Amennyiben több termék kijelzésére van szükség, távtartókkal újabb bővítőkártya építhető az alaplapra, mely már csak az újabb termék kijelzőjének meghajtásához szükséges áramköri elemeket tartalmazza.
A rendszer összesen 6 termék lekezelésére képes, azaz az alaplapra maximum 5 bővítőkártya csatlakoztatható fel.
Működés
Tervezéskor a nagy mennyiségű I/O igényre való tekintettel nagy lábszámú mikrokontrollert választottam. Figyelembe véve azt, hogy hálózatra csatlakozik az eszköz, és fontos a gyors működés, a szerver alapját egy PIC32 mikrokontroller alkotja, mely beépített Ethernet vezérlőt is tartalmaz. A 10/100Mbps sebességű hálózati kapcsolat fizikai rétegét egy külső IC illeszti a rendszerhez. A mikrovezérlőn használatba került egy I2C busz a belső szenzorok és a beépítettnél nagyobb felbontású, árammérésnél használt AD konverterek vezérlése számára, illetve fény és hőmérséklet mérésre felhasználtam néhány beépített AD átalakítót is. A rengeteg kimenet kapcsolásához 595-ös regiszterláncot alkalmaztam, hiszen nincs olyan mikrovezérlő, melynek annyi szabad kivezetése lenne, ami minden kimenetet képes lett volna működtetni, így viszont modulonként 3 láb lett erre a célra felhasználva.
Az alaplapon egy mikrokontroller alapú Ethernet szerver működik, mely kapcsolatban áll a benzinkút számítógépes rendszerével, amin keresztül az árazószoftver kommunikál a totemoszlop kijelzőivel, valamint a töltőállomáson lévő kasszarendszerrel. Az üzemanyagok átárazása vagy manuálisan történik meg a kútkezelő általi beállítással, vagy interneten keresztül egy távoli számítógépről. Az első verzió például egy olyan benzinkúton került telepítésre, ahol nincs kezelő személyzet és a tankolás teljesen automatikusan működik. Elektronikus a fizetés, automata kutak vannak, így a totemoszlop kijelzőjének átírását is automatára kellett kialakítani.
Amikor a kasszarendszerben megváltozik az ár, a szoftver hálózaton keresztül elküldi az új árakat a kijelzővezérlő egységnek, mely aktualizálja a kijelzőkön megjelenő értékeket.
A szoftveren kívül lehetőség van lekérdezéseket intézni a szerver felé, mely válaszban tájékoztat a kéréssel kapcsolatos működési állapotról. Ilyenek például a kijelzőkön aktuálisan megjelenített árak, minden kijelzőegység áramfelvétele külön-külön, aktuálisan mért hőmérséklet az oszlop egyik, illetve másik oldalán, valamint a vezérlődobozban.
Mivel ilyen szinten automatizált a rendszer, az alapvető beállításokat sem a modulon kell közvetlenül elvégezni, hanem hálózaton keresztül, egy egyszerű internet böngésző felhasználásával beállíthatóak ezek a működési paraméterek.
A távdiagnosztikai funkciók megfelelő jogosultság mellett lehetővé teszik a vezérlő távoli lekérdezését, átállítását is, így rendellenes működés esetén, vagy csak általános állapotlekérdezés miatt nem szükséges a helyszínre menni. A diagnosztikát elősegíti, hogy az áramkör belső RTC egységet is tartalmaz, így a szervizinformáció lekérdezésekor látható az aktuális dátum és időpont is, melyet maga a modul regisztrál.
A folyamatos működés során a kimenetek meghajtóáramkörei némi hőt termelnek, melyet zárt dobozba szerelt modul esetén el kell vezetni. A hőelvezetésre a szerelvénydobozba ventilátoros hűtés került beépítésre. A modul egyik kimenete ventilátor vezérléséhez lett programozva, így képes a mért hőmérséklet alapján a ventilátort akkor elindítani, ha arra valóban szükség van. Némi programozás kérdése és a fordulatszám vezérlés is kivitelezhető lehet, bár erre konkrétan nem volt igény.
A hőmérsékletet az alaplapon egy digitális szenzor méri, a totemoszlop két oldalán pedig PT100 érzékelők lettek elhelyezve. Az analóg mérőkörök 3 vezetékes bekötéshez lettek tervezve, így a hosszú vezeték okozta mérési hiba ki lett kompenzálva, valamint az analóg jel megfelelő illesztését a mikrokontroller bemenetére műveleti erősítők biztosítják.
A prototípus továbbfejlesztése
Az áramkör bonyolultságához képest elsőre egészen kevés hibával épült meg, de azért ennél a fejlesztésnél is akadt némi javítani való. Egy nem teljesen átgondolt rész a csatlakozók és a bekötések kialakítása volt. A LED kijelzők kimeneteinél alkalmazott Ethernet Jack csatlakozók teljesen rendben vannak műszakilag és szerelés szempontjából is. Az egyéb kimenetek, bemenetek csatlakozásait is azért igyekeztem NYÁK sorkapoccsal kialakítani, mert terepen telepítve így a rendszer egyszerűen szerelhető. Az egyszerűség egyetlen helyen okozott fejtörést, mégpedig az egymás felé szerelt bővítőpaneleknél, hiszen így az alsó panel kikötéséhez le kell bontani az összes felette lévő kiegészítő egységet. Természetesen az egyéb hibák mellett kijavításra került ez a probléma is, hiszen szinte jelentéktelen módosítással ezeket a csatlakozásokat oldható sorkapcsos NYÁK csatlakozókra cseréltem le.
Szerver modul gyártás előtti panelterve, majd az összeszerelt panel.
Bővítőpanel előnézeti képe és a már összeszerelt változat.
Emeletes szerelés és a már megoldott sorkapocs probléma.
A rendszer fejlesztéséhez az alábbi képen látható leszerelt kijelzőket kaptam, melyekkel tudtam tesztelni a működést.
P60628-134128_1200.jpg
Egy LED-es árkijelzők telepítésével foglalkozó vállalkozás keresett meg azzal a kéréssel, hogy a meglévő manuális, szegmenskapcsolós árbeállító megoldásukat szeretnék kiváltani egy, a központi árazórendszer alapján működő kijelzővezérlésre. Jelen esetben olyan nagyméretű LED kijelzőket kell vezérelni, melyek a benzinkutak mellett kihelyezett totemoszlopokon mutatják az üzemanyagok aktuális árait. Ezen kijelzők méretileg nagyok, sok nagy fényerejű LED-et tartalmaznak, melyek meghajtásához szükséges némi teljesítmény, illetve működtetésük során fényerejük szabályozását is meg kellett oldani.
Elvárás volt a rugalmasan történő bővíthetőség, hiszen benzinkutanként eltérő a termékkínálat, így előfordulhat, hogy 2-3 terméknél több árát is szükséges lehet kijelezni a totemoszlopon. Továbbá fontos követelmény, hogy felügyelet nélkül kell tudnia működni a rendszernek, az árakat tudnia kell kezelői beavatkozás nélkül szinkronizálni a benzinkút árazórendszerében lévő árakhoz. Ez azért lényeges, mert már az első példány is egy olyan töltőállomáson került telepítésre, ami teljesen automata és önkiszolgáló. Itt eleinte még tartózkodik személyzet, aki szükség esetén be tud avatkozni, de később teljesen önállóan fog üzemelni az ilyen benzinkút, így nem lesz, aki tekergesse a kijelzők manuális kapcsolóit minden nap, ahogy az árak éppen változnak.
Ennél a projektnél az alábbi követelményeknek kellett megfelelni:
A kijelzők vezérlése
Ezen szép lista után kezdeném az alapfunkcióknál. A kijelzők eredetileg úgy vannak bekötve, hogy a LED-ek katódjai közösítve vannak GND-re. A LED-ek bekapcsolása az anód bekapcsolásával történik, tehát közös katódos kijelzőkről beszélünk. A kijelzők 24V-ról működnek, a LED-ek ennek megfelelően csoportokba vannak rajta rendezve. Több LED csoport alkot egy szegmenst, mely anódjai közösítve vannak és a szegmens anód egy vezetékkel ki van vezetve a panelről.
A manuális kapcsolós megoldásnál a totemoszlop aljában lévő kis dobozban lehetett a szegmenseket forgókapcsolóval kapcsolgatni. Jelen helyzetben minden állásban már kódolva volt a 7 szegmenses érték. A kódolást egyszerű, diódás logika valósította meg. Kész diódatemető egy ilyen panel, bár az újonnan fejlesztett vezérlés meg kész MOSFET temető, hiszen a kijelzők vezérlése továbbra is szegmensenként kell, hogy működjön, megőrizve a korábbi rendszerrel való kompatibilitást. Tehát ezzel az egységgel gyakorlatilag a manuális kapcsolókhoz hasonlóan szintén szegmensenként kellett megoldani a vezérlést, de immáron elektronikusan kapcsolva.
Ami nehezítette a tervezést, hogy a pozitív feszültséget kellett vezérelni, illetve minden kijelző 24V-ról működik. A meghajtásban használható legtöbb MOSFET gate-source feszültsége viszont maximálisan csak 18V-ot képes elviselni, így a vezérlőfeszültséget egy szintillesztő áramkörrel csökkenteni kellett, valamint az egészet úgy volt szükséges megtervezni, hogy a MOSFET-ek nyitása, zárása olyan sebességgel megtörténjen, hogy dimmelés esetén se legyen jelentős melegedés.
Célszerű volt továbbá egy kimeneti csatornát a lehető legkevesebb alkatrészből megcsinálni, hiszen egy kijelző 4 digitből áll, ami 4x7+1 decimális pont vezérlésnek megfelelően annyi mint 32db kimenet, valamint minden kijelző duplikálva van, tehát egy 1 termékes kijelzővezérlésnek összesen 64 kimenetet kell tartalmaznia.
A fejlesztés egy jelentős részét tehát egy megfelelően megtervezett LED vezérlő áramkör megalkotása tette ki. Mikor ez létrejött és az alkatrészek összeválogatása során a nyomtatott áramköri tervet is sikerült úgy kitalálni, hogy egy csatorna minimális területen felépíthető legyen, biztosítva emellett a megfelelő vezetősáv keresztmetszeteket, akkor jöhetett a csatornák egymás mellé illesztése és a teljes tömb felépítése.
Mivel a kijelzők mindig párban vannak, a totemoszlop egyik és másik oldalán kerülnek elhelyezésre, adott termékhez így ugyanazt a számértéket jelenítik meg, így logikus lenne csak megduplázni egy szegmensvezérlő kimenetet és meg van oldva a közös vezérlés. Igen ám, de a fényerő szabályozás miatt ez nem történhetett meg, hiszen az oszlop mindkét oldalán be van építve egy-egy fénymérő és ezen szenzorok mérései alapján egyszerre történik a fényerő szabályozás minden egy oldalra szerelt kijelzőnél, viszont oldalanként már ennek függetlenül kell működnie, hiszen ha az oszlop egyik oldalát süti a nap, a másik pedig árnyékban van, akkor a napos oldal fényerejét emelni kell, hogy a kijelzés ott láthatóbb legyen.
Mivel a szegmensenkénti vezérlés rengeteg vezeték bekötését igényli, a sorkapcsos csatlakozás helyett ide valami helytakarékosabb megoldásra volt szükség. A szegmensenkénti áram viszonylag alacsony a magas feszültség miatt, így az Ethernet csatlakozó jó választásnak bizonyult a kijelzők szegmenseinek bekötéséhez, ráadásul minden Ethernet csatlakozó 8 pólusú így tökéletesen kivezethető egyetlen csatlakozóval egy digit minden szegmensének közös anódja.
Modularitás
A rendszer felépítése modulárisra lett tervezve, hogy egyszerűbben a megrendelő igényeihez lehessen igazítani. Mivel minden ilyen letelepített rendszer minimálisan legalább egy termék árát meg kell, hogy tudja jeleníteni, így az alaplap a működéshez szükséges vezérlőáramkörök mellett már önmagában is tartalmaz egy termék kijelzőjének működtetésére szolgáló meghajtóáramkört.
Amennyiben több termék kijelzésére van szükség, távtartókkal újabb bővítőkártya építhető az alaplapra, mely már csak az újabb termék kijelzőjének meghajtásához szükséges áramköri elemeket tartalmazza.
A rendszer összesen 6 termék lekezelésére képes, azaz az alaplapra maximum 5 bővítőkártya csatlakoztatható fel.
Működés
Tervezéskor a nagy mennyiségű I/O igényre való tekintettel nagy lábszámú mikrokontrollert választottam. Figyelembe véve azt, hogy hálózatra csatlakozik az eszköz, és fontos a gyors működés, a szerver alapját egy PIC32 mikrokontroller alkotja, mely beépített Ethernet vezérlőt is tartalmaz. A 10/100Mbps sebességű hálózati kapcsolat fizikai rétegét egy külső IC illeszti a rendszerhez. A mikrovezérlőn használatba került egy I2C busz a belső szenzorok és a beépítettnél nagyobb felbontású, árammérésnél használt AD konverterek vezérlése számára, illetve fény és hőmérséklet mérésre felhasználtam néhány beépített AD átalakítót is. A rengeteg kimenet kapcsolásához 595-ös regiszterláncot alkalmaztam, hiszen nincs olyan mikrovezérlő, melynek annyi szabad kivezetése lenne, ami minden kimenetet képes lett volna működtetni, így viszont modulonként 3 láb lett erre a célra felhasználva.
Az alaplapon egy mikrokontroller alapú Ethernet szerver működik, mely kapcsolatban áll a benzinkút számítógépes rendszerével, amin keresztül az árazószoftver kommunikál a totemoszlop kijelzőivel, valamint a töltőállomáson lévő kasszarendszerrel. Az üzemanyagok átárazása vagy manuálisan történik meg a kútkezelő általi beállítással, vagy interneten keresztül egy távoli számítógépről. Az első verzió például egy olyan benzinkúton került telepítésre, ahol nincs kezelő személyzet és a tankolás teljesen automatikusan működik. Elektronikus a fizetés, automata kutak vannak, így a totemoszlop kijelzőjének átírását is automatára kellett kialakítani.
Amikor a kasszarendszerben megváltozik az ár, a szoftver hálózaton keresztül elküldi az új árakat a kijelzővezérlő egységnek, mely aktualizálja a kijelzőkön megjelenő értékeket.
A szoftveren kívül lehetőség van lekérdezéseket intézni a szerver felé, mely válaszban tájékoztat a kéréssel kapcsolatos működési állapotról. Ilyenek például a kijelzőkön aktuálisan megjelenített árak, minden kijelzőegység áramfelvétele külön-külön, aktuálisan mért hőmérséklet az oszlop egyik, illetve másik oldalán, valamint a vezérlődobozban.
Mivel ilyen szinten automatizált a rendszer, az alapvető beállításokat sem a modulon kell közvetlenül elvégezni, hanem hálózaton keresztül, egy egyszerű internet böngésző felhasználásával beállíthatóak ezek a működési paraméterek.
A távdiagnosztikai funkciók megfelelő jogosultság mellett lehetővé teszik a vezérlő távoli lekérdezését, átállítását is, így rendellenes működés esetén, vagy csak általános állapotlekérdezés miatt nem szükséges a helyszínre menni. A diagnosztikát elősegíti, hogy az áramkör belső RTC egységet is tartalmaz, így a szervizinformáció lekérdezésekor látható az aktuális dátum és időpont is, melyet maga a modul regisztrál.
A folyamatos működés során a kimenetek meghajtóáramkörei némi hőt termelnek, melyet zárt dobozba szerelt modul esetén el kell vezetni. A hőelvezetésre a szerelvénydobozba ventilátoros hűtés került beépítésre. A modul egyik kimenete ventilátor vezérléséhez lett programozva, így képes a mért hőmérséklet alapján a ventilátort akkor elindítani, ha arra valóban szükség van. Némi programozás kérdése és a fordulatszám vezérlés is kivitelezhető lehet, bár erre konkrétan nem volt igény.
A hőmérsékletet az alaplapon egy digitális szenzor méri, a totemoszlop két oldalán pedig PT100 érzékelők lettek elhelyezve. Az analóg mérőkörök 3 vezetékes bekötéshez lettek tervezve, így a hosszú vezeték okozta mérési hiba ki lett kompenzálva, valamint az analóg jel megfelelő illesztését a mikrokontroller bemenetére műveleti erősítők biztosítják.
A prototípus továbbfejlesztése
Az áramkör bonyolultságához képest elsőre egészen kevés hibával épült meg, de azért ennél a fejlesztésnél is akadt némi javítani való. Egy nem teljesen átgondolt rész a csatlakozók és a bekötések kialakítása volt. A LED kijelzők kimeneteinél alkalmazott Ethernet Jack csatlakozók teljesen rendben vannak műszakilag és szerelés szempontjából is. Az egyéb kimenetek, bemenetek csatlakozásait is azért igyekeztem NYÁK sorkapoccsal kialakítani, mert terepen telepítve így a rendszer egyszerűen szerelhető. Az egyszerűség egyetlen helyen okozott fejtörést, mégpedig az egymás felé szerelt bővítőpaneleknél, hiszen így az alsó panel kikötéséhez le kell bontani az összes felette lévő kiegészítő egységet. Természetesen az egyéb hibák mellett kijavításra került ez a probléma is, hiszen szinte jelentéktelen módosítással ezeket a csatlakozásokat oldható sorkapcsos NYÁK csatlakozókra cseréltem le.
Szerver modul gyártás előtti panelterve, majd az összeszerelt panel.
Bővítőpanel előnézeti képe és a már összeszerelt változat.
Emeletes szerelés és a már megoldott sorkapocs probléma.
A rendszer fejlesztéséhez az alábbi képen látható leszerelt kijelzőket kaptam, melyekkel tudtam tesztelni a működést.
Végül az első letelepített eszköz.