Wed. Aug 17th, 2022

Este proyecto describe cómo diseñar un subsistema de inclinómetro personalizado capaz de medir ángulos con precisión hasta tres milésimas de grado.

Este es uno de los proyectos y subsistemas que diseñamos en AAC para intentar exponerlo a nuevos pensamientos, ideas y técnicas.

Este proyecto crea un subsistema de inclinómetro que podría usarse en instrumentos de precisión. Con este diseño, puedo grabar un ángulo de hasta una centésima de grado y saber que es preciso. Puedo verlo en una milésima de grado y saber con una confianza del 99.999999% que está dentro de las tres milésimas de grado.

La construcción final del proyecto.

Este proyecto crea un inclinómetro digital y mecánico de 1 eje para uso en instrumentos científicos o maquinaria. La placa de circuito utiliza circuitos integrados de diversos fabricantes y demuestra varias técnicas diferentes que podría incorporar en sus diseños.

Un diagrama de bloques muy simple del proyecto.

Este artículo es el primero de una serie que muestra algunas de las consideraciones mecánicas y eléctricas necesarias para crear un circuito de inclinómetro de precisión utilizando el muRata SCA103T-D04, un IC de inclinómetro basado en MEMS de ± 15 °. Los artículos futuros cubrirán el diseño esquemático, las consideraciones de diseño de PCB y el análisis del funcionamiento del dispositivo con más detalle.

1. Elegir los componentes

Aquí hay una lista de materiales simplificada de los componentes principales que necesitará para copiar mi diseño:

  • Inclinómetro SCA103T-D04 ± 15 °
  • Microcontrolador MSP430
  • Amplificador de ganancia unitaria AD8244
  • LTC2380IDE SAR ADC
  • LT1027LS8 referencia de voltaje de precisión
  • Conversor de UART a USB CP2102N

¿Cómo funciona el diseño?

El diseño se centra en torno al SCA103T-D04 ± 15 ° IC inclinómetro. En el interés de la divulgación, permítanme mencionar que muRata me envió este inclinómetro gratis para los fines de este artículo. Lamentablemente, aprendí (demasiado tarde) que este componente en particular está programado para ser descontinuado. El sitio web de muRata actualmente indica que la "Fecha de la última compra" del SCA103T-D04 es el 15/06/2019.

La salida del sensor del inclinómetro se envía a través de un amplificador de ganancia unitaria Analog Devices AD8244 a un convertidor de analógico a digital (ADC) de aproximación sucesiva LTC2380IDE de la Tecnología Linear (ahora parte de Analog Devices). Elegí un ADC SAR de 24 bits en lugar de un dispositivo de 16 bits, sabiendo muy bien que es física y prácticamente imposible resolverlo hasta 0.00000001 °. Hice mi objetivo 17-18 bits, o 0.0001 °. Esta es una opción algo costosa, por lo que si alguien quiere volver a crear este diseño más adelante con un ADC de 16 bits, se alegrará de saber que elegí uno con una versión de 16 bits compatible con pin disponible.

Sin embargo, solo voy a hacer uno de estos tableros, así que preferiría tener más bits de resolución de los que sospecho que podré usar en lugar de tener muy pocos. Además, el ADC que elegí tiene un integrado Filtro de promediado digital, por lo que debería ser posible analizar estadísticamente más de 16 bits de resolución desde el inclinómetro a través de mediciones repetidas.

El valor del ADC es leído por el microcontrolador TI MSP430. TI's Los microcontroladores MSP430 han sido mis MCU elegidos para los últimos proyectos. Podría haber elegido el MSP430FR2433 para tener acceso a líneas GPIO adicionales, pero no se requirieron otros pines para este proyecto. El MSP430FR2633 tiene una capacidad de pin táctil capacitiva que permitiría implementar un botón de calibración externo en una futura placa de control.

Ese valor se pasa luego al convertidor UART a USB de Silicon Labs CP2102N.

Acerca del Inclinómetro

los El inclinómetro de 1 eje diferencial analógico muRata SCA103T-D04 ± 15 ° tiene una resolución analógica de 0,001 ° (16 bits), con una densidad de ruido de salida de 0,0004 ° / √Hz y una dependencia de la temperatura de desplazamiento de ± 0,002 ° / ° C .

El SCA103T-D04. Imagen de muRata

Un ADC de 11 bits integrado proporciona conversión digital directa para la salida a través de los pines SPI. Cada elemento de detección interno proporciona una salida de un solo extremo en el rango de 0.5-4.5VDC, con 0-0.5VDC y 4.5-5.0VDC reservados para indicar una condición de error.

Un diagrama de bloques funcional del SCA103T-D04, de la hoja de datos.

Dentro del IC hay dos acelerómetros idénticos dispuestos a lo largo del mismo eje y apuntando en direcciones opuestas. Las salidas están destinadas a alimentar un amplificador diferencial o ADC de entrada diferencial. Esta La técnica de medición diferencial ayuda a reducir el ruido y elimina los errores de medición en modo común.

La hoja de datos de muRata indica que el dispositivo es capaz de discernir el desplazamiento angular con una resolución de 0.001 °, que corresponde a ~ 14 bits. La dependencia de baja temperatura (corregible) y la baja densidad de ruido (no corregible), junto con la política de muRata de publicar sus peores especificaciones en todo el rango operativo del dispositivo, me hicieron creer que el rendimiento podría ser mejor que el especificado en ciertas circunstancias.

Siendo "Hard-Way-Hughes", quería empujar los límites superiores si es posible.

2. Diseño esquemático

El primer paso en un proyecto exitoso es crear un diseño esquemático funcional. Esto implica estudiar los pinouts de los ICs involucrados y hacer las conexiones apropiadas.

Me acerqué a mi tablero en una base de componente por componente.

  • Potencia: los problemas incluyen el abastecimiento actual, el uso de LDO y los condensadores.
  • Inclinómetro: debido a la forma en que se configura la funcionalidad de autoprueba del SCA103T-D04, agregué otro IC a la lista de materiales para evitar que ambas clavijas estén activas al mismo tiempo.
  • Búfer de señal y convertidor analógico a digital: Necesitaba considerar cómo enrutar las señales a través de varios filtros y amplificadores para garantizar la integridad de la señal.
  • Microcontrolador: la asignación de pines con el MSP430 ocurrirá en la etapa de escritura del firmware.

Podrá leer más sobre el proceso de diseño de un esquema completamente funcional en otro artículo.

3. Extendiendo el PCB

Hay varios factores a tener en cuenta al convertir un esquema en un diseño de tablero. En este caso, particularmente necesité asegurarme de que el IC de referencia de voltaje estuviera aislado tanto mecánica como térmicamente. También decidí implementar un anillo protector para minimizar la corriente de fuga.

La capa superior del tablero.

La determinación de la ubicación de los componentes, la longitud y la trayectoria de las trazas y el diseño para la exclusión de ruido son todos importantes para este diseño.

Creé una placa de 4 capas con las dos capas exteriores para los componentes y las señales, una capa para el suelo y una capa para la potencia mixta.

Las capas del tablero en secuencia.

Los componentes que probablemente generarán calor significativo (LDO, MCU) se colocaron en la parte inferior de la placa donde las partes superiores de los componentes podrían conectarse mecánicamente a las protuberancias del portador de PCB de aluminio. La idea es disipar el calor excesivo de los circuitos integrados a través del metal antes de que se pueda propagar a otras partes de la PCB.

Repasaremos más detalles específicos de las consideraciones que surgieron al diseñar este PCB en un artículo futuro, incluida la forma en que los recortes de mi placa sirven para aislar el interior de la placa del daño térmico y de estrés.

4. Escribir Firmware

Uno de los primeros pasos en la programación de una placa personalizada es pensar qué pines están conectados a qué dispositivos.

Con el fin de proporcionarme tanta información como sea posible, agregué un diagrama de conexión ASCII en el código. Este paso no es necesario, pero me parece útil tener el diagrama como referencia en el código fuente.

Una representación de mi pinout que incluí en mi código para referencia

Al dirigir nuestra atención al MSP430, no puede hacer nada con su microcontrolador hasta que lo configure. Para eso, debe identificar los pines, las fuentes del reloj, los modos de alimentación, etc. Aquí es donde trabajar con un kit de evaluación de alta calidad puede valer la pena cada minuto y cada dólar que invierta. En mi caso, tenía suficiente experiencia previa con el MSP430 para lograr que el programa estuviera cerca de ser correcto, y la asistencia de un colaborador del foro me permitió completar la tarea rápidamente.

Más allá de las asignaciones de pines, etc., también necesitaba considerar cómo administrar los datos, dado lo que este subsistema es capaz de recopilar. Para lograr esto, elegí ver los datos en mi monitor de serie como valores binarios para una evaluación rápida de si mi dispositivo ha encontrado ruido.

Si desea obtener más información sobre este diseño de firmware, incluida información sobre qué son los registros y cómo usarlos, preste atención a un artículo separado sobre el tema.

5. Consideraciones mecánicas: diseño de viviendas

Una resolución de 0,001 ° se traduce en cambiar la elevación de un borde de la PCB en aproximadamente 1 µm (la distancia entre los puntos de contacto es ~ 9,5 cm). Este es un desplazamiento extremadamente pequeño y esencialmente garantiza que la calibración digital debe realizarse después de cada ajuste de la placa dentro del soporte de la placa.

En lugar de ajustar el tablero dentro del soporte del tablero, elegí fijar rígidamente el tablero al soporte del tablero y ajustar el soporte.

Mostrado anteriormente es una representación en despiece del soporte de la PCB, los pines de alineación, la PCB y las abrazaderas de PCB

Si elijo usar una calibración digital simple como sugiere la hoja de datos, podría perder el apodo "Hard-way Hughes" en la oficina. Con mi "credencial de calle" en juego, opté por incorporar un ajuste mecánico en el soporte de la placa mediante un mecanismo de tornillo de accionamiento diferencial montado en un extremo de la placa, con dos tuercas de bellota M3 adicionales pulidas en el extremo opuesto de El titular de la junta.

Puede ver mi desglose completo de las consideraciones mecánicas de diseñar mi vivienda en un artículo futuro.

6. A la fabricación

Tenga en cuenta que los tableros AAC son para fines educativos, por lo que generalmente solo hacemos un giro único de cada tablero. Sus experiencias con los requisitos de fabricación y la realización de un pedido de su prototipo variarán.

Puedes descargar mis archivos de diseño a continuación:

Esquema DipTrace

7. Caracterizando el dispositivo

Ahora que hemos recuperado nuestro inclinómetro de fabricación, podemos comenzar a caracterizar nuestro dispositivo.

Nuestro nuevo tablero brillante (mostrado en su soporte del tablero)

ruido

La parte del circuito que más me preocupa es la referencia de voltaje, de modo que esa es la medida en la que me enfoqué primero. Esta es la parte del circuito que me gustaría rediseñar si rehace el PCB. Conecté mi tarjeta a mi osciloscopio y comencé a probar.

En el curso de mis pruebas, encontré un "hipo": una anomalía que se repite.

Una captura de osciloscopio que muestra el "hipo" astuto en cuestión

Si esta placa estuviera destinada a la fabricación en masa, este es un problema que sin duda tendría que resolver, especialmente porque me es imposible decir en este punto si el ruido es benigno o una indicación de algo más serio. Sin embargo, este evento de ruido en particular no parece afectar negativamente el rendimiento del dispositivo.

Este es un excelente ejemplo de una situación en la que la siguiente iteración de un diseño incluiría más puntos de prueba, incluida una conexión de prueba coaxial, para una prueba y medición más completas.

Para obtener más información sobre cómo creé mi entorno de prueba y cómo la densidad de ruido afecta la selección de componentes, consulte mi futuro artículo sobre el tema.

8. Análisis de datos

Cuando todo esté dicho y hecho, necesitaré una forma de ver y analizar los datos que mi inclinómetro está recopilando. Mencioné un poco de esto en la sección de firmware, pero el siguiente paso es procesar los datos. Elegí usar Mathematica para crear esta configuración:

Luego realicé pruebas para determinar si podía interpretar y representar conjuntos de datos.

Si te interesan las estadísticas y el modelado de datos, puedes leer más sobre mis aventuras en el análisis de datos en mi próximo artículo en el que describo las pruebas.

Pensamientos de cierre: Más precisión de la que realmente necesito.

Me propuse crear un inclinómetro increíblemente preciso. No alcancé mi objetivo absurdo, pero sí creé un subsistema con una precisión más alta que la que nunca necesitaré usar en mi vida. Siendo realistas, si una empresa necesita una resolución mayor que la resolución del diseño de esta placa, contratará a alguien que se especialice en meteorología para que la diseñe.

Y, aunque rediseñaría mi sección de referencia de voltaje, el dispositivo funcionó adecuadamente. Llamaré a este proyecto una victoria.

Eso no quiere decir que no hay más trabajo por hacer. La ecuación de compensación de temperatura del dispositivo debe agregarse, y el dispositivo debe calibrarse y especificarse en todo su rango de operación. Pero esas actividades llevan mucho tiempo y no agregan mucho a este artículo, por lo que las dejaré por ahora.

Si tiene sugerencias para futuros proyectos, deje un comentario a continuación. ¡Gracias!

By Maria Montero

Me apasiona la fotografía y la tecnología que nos permite hacer todo lo que siempre soñamos. Soñadora y luchadora. Actualmente residiendo en Madrid.