ALC 5000 Mobile Akku-Lade-Center Teil 3/6
Aus ELVjournal
06/2006
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Blockschaltbild
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| Bild 32: Blockschaltbild des ALC 5000 Mobile |
Für
viele ELV-Leser wird anhand des Blockschaltbildes sowie der
Schaltbilder der einzelnen Baugruppen die „Verwandtschaft“ zum ALC 8500
Expert deutlich erkennbar sein. Die wesentlichsten Unterschiede bestehen
bei der Lade-/Entlade-Endstufe 1, wo ein spezieller
Step-up/Step-down-Schaltregler zum Einsatz kommt.
Doch nun zurück zum Blockschaltbild, wo das zentrale Bauelement des ALC
5000 Mobile der 8-Bit-AVR-Mikrocontroller mit RISC-Architektur und
vielen Sonderfunktionen ist. Ein besonderes Leistungsmerkmal ist der im
System programmierbare 128-KBit-Flash-Speicher. Dadurch ist das ALC
5000 Mobile für die Zukunft gerüstet, da spätere Firmware-Updates und
-Upgrades kein Problem sind. Zukünftige Akku-Systeme oder -Erweiterungen
können ohne Hardware-Änderungen implementiert werden.
Der zentrale Mikrocontroller kommuniziert mit einem weiteren
Mikrocontroller (im Blockschaltbild oben), der für die Ansteuerung des
Grafik-Displays und alle weiteren Anzeigeaufgaben zuständig ist.
Im Blockschaltbild links oben neben dem Haupt-Mikrocontroller ist ein
Daten-Flash-Speicher eingezeichnet, der für die Datenloggerfunktion des
ALCs zuständig ist. Hier können komplette Lade-/Entlade-Kurvenverläufe
gespeichert werden, die auch nach dem Abschalten der Betriebsspannung
erhalten bleiben.
Darunter befinden sich die Funktionsblöcke Inkrementalgeber
(Drehimpulsgeber) und Bedientasten. Diese Komponenten sind direkt mit
den entsprechenden Port-Pins des zentralen Mikrocontrollers verbunden.
Der Drehimpulsgeber, in Verbindung mit der Menüsteuerung, sorgt für
einen besonders hohen Bedienungskomfort.
Ein „Highlight“ des ALC 5000 Mobile ist die Akku-Identifizierung mit
Hilfe von Passiv-Transpondern, die direkt am Akku bzw. Akku-Pack
befestigt werden. Die im Blockschaltbild unterhalb der Bedientasten
eingezeichnete Transponder-Leseeinheit ist optional und wird über eine
sechspolige Westernmodular-Steckverbindung mit dem ALC 5000 Mobile
verbunden.
Die USB-Schnittstelle (Block unterhalb der Transponder-Leseeinheit)
dient zur Kommunikation mit einem externen PC. Zur Signalumsetzung ist
auf dem USB-Modul ein spezieller Chip vorhanden, der wiederum über
Optokoppler (zur galvanischen Trennung) mit den entsprechenden Port-Pins
des Mikrocontrollers verbunden ist.
Zukünftige Erweiterungen können an einer seriellen Schnittstelle
angeschlossen werden, die an einer vierpoligen Westernmodular-Buchse zur
Verfügung steht. Mit einem rückseitigen Umschalter kann zwischen der
seriellen Schnittstelle für die Erweiterungen und der USB-Schnittstelle
zur Kommunikation mit einem PC umgeschaltet werden.
Eine der wesentlichen Aufgaben des Mikrocontrollers ist die Steuerung
der Lade-/Entlade-Endstufen. Neben der Aktivierung der Lade- und
Entlade-Endstufen erfolgen auch sämtliche Sollwert-Vorgaben vom
Mikrocontroller. Dazu stehen für die Lade-/Entladekanäle PWM-Signale
(PWM 1 L, PWM 1 E, PWM 2) zur Verfügung. Durch Integration werden daraus
in den Endstufen (im Blockschaltbild rechts) Steuer-Gleichspannungen
gewonnen. Die schnelle Regelung innerhalb der Endstufen erfolgt
hardwaremäßig durch Sollwert-Istwert-Vergleich.
Zum Abtransport der Abwärme, insbesondere bei der Funktion „Entladen“,
dient ein leistungsfähiges Kühlkörper-Lüfteraggregat. Die
Lüfterdrehzahl wird vom Mikrocontroller ebenfalls mit Hilfe eines
PWM-Signals proportional zur Kühlkörpertemperatur gesteuert.
Ein weiteres PWM-Signal steuert einen optional anzuschließenden
Akku-Kühlventilator in Abhängigkeit von der am externen
Temperatursensor gemessenen Akku-Temperatur.
Eine mit Lithium-Batterie gepufferte Echtzeituhr liefert jederzeit die
Uhrzeit und das Datum auf dem Display und sorgt dafür, dass die
Datensätze im Datenlogger mit zugehöriger Uhrzeit und Datum gespeichert
werden.
Wie im Blockschaltbild der Endstufen zu sehen ist, sind zur
Lade-/Entlade-Strom-erfassung in den Endstufen verschiedene
Shunt-Widerstände vorhanden. Der Ladekanal 1 ist auf Schaltungsmasse
bezogen. Hier erfolgt die Ladestromerfassung im Pluszweig und die
Entladestromerfassung im Minuszweig. Beim Ladekanal 2 hingegen werden
sowohl der Ladestrom als auch der Entladestrom im Minuszweig des Akkus
erfasst.
Sowohl die stromproportionalen Spannungen an den Shunt-Widerständen als
auch die Akku-Spannungen werden dem im unteren Bereich des
Blockschaltbildes eingezeichneten Analog-Multiplexer zugeführt. Weitere
Signale, die dem Multiplexer zugeführt werden, sind die Eingangsspannung
der Speisequelle (Kfz-Akku), das Signal eines optional anzuschließenden
Lithium-Polymer-Protektors, die Strom- und Spannungswerte der
Akku-Innenwiderstands-Messfunktion und proportionale Spannungen zur
Endstufentemperatur, Umgebungstemperatur und der Temperatur des Akkus
an Kanal 1 (sofern hier ein externer Sensor angeschlossen ist).
Gesteuert vom Hauptprozessor gelangt dann der jeweils gewählte Messwert
auf den Eingang des Analog-Digital-Wandlers. Dieser Wandler setzt dann
die analogen Messwerte mit hoher Auflösung in digitale Informationen
für den Mikrocontroller um. Das unten rechts eingezeichnete Netzteil
liefert alle innerhalb des ALCs benötigten Betriebsspannungen. Schaltung
Aufgrund
der Funktionsvielfalt und der außergewöhnlichen Leistungsmerkmale ist
die Schaltung des ALC 5000 Mobile recht komplex, so dass die
Gesamtschaltung in mehrere Teilschaltbilder aufgeteilt ist, die in sich
geschlossene Funktionsgruppen bilden. Dadurch wird auch ein besserer
Schaltungsüberblick erreicht.
Zunächst kann eine grobe Aufteilung in einen Analogteil und einen
Digitalteil erfolgen, da sowohl analoge als auch digitale Baugruppen zum
Einsatz kommen. Leis-tungsfähige Mikrocontroller übernehmen die
Steuerung von sämtlichen Funktionen und getrennte
Lade-/Entlade-Endstufen sorgen für die Ladung und Entladung der
angeschlossenen Akkus.Haupt-Mikrocontroller des Digitalteils
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| Bild 33: Haupt-Mikrocontroller mit zugehöriger Peripherie |
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| Bild 34: Interner Aufbau des ATmega 128 |
Neben dem Flash-Speicher sind noch 4 KBit S-RAM und 4 KBit EEPROM im
Mikrocontroller integriert. Des Weiteren werden bis zu 64 KBit externer
Speicher unterstützt.
Insgesamt stehen bei diesem Mikrocontroller 53 programmierbare
Ein-/Ausgänge zur Verfügung, die vielseitig zu nutzen sind. Unter
anderem sind 6 PWM-Kanäle mit einer programmierbaren Auflösung von 2 bis
16 Bit, ein programmierbarer Watchdog-Timer mit On-Chip-Oszillator und
ein 8-Kanal-10-Bit-A/D-Wandler (ADC) vorhanden.
An Besonderheiten ist ein interner kalibrierter RC-Oszillator, eine
per Software selektierbare Taktfrequenz und ein integrierter
Power-on-Reset mit programmierbarer Brown-out-Detection zu nennen. Doch
nun zurück zum Mikroprozessor-Hauptschaltbild in Abbildung 33.
Der Taktoszillator des Mikrocontrollers ist an Pin 23 und Pin 24 extern
zugänglich und mit dem 16-MHz-Quarz Q 1 sowie den Kondensatoren C 3, C 4
beschaltet.
Die Aktivierung der Lade-/Entlade-Endstufen erfolgt über die Ports PC 1,
PC 2, PC 5 und PC 6. Wie auch im Blockschaltbild zu sehen ist, erfolgen
die Sollwert-Vorgaben beim ALC 5000 Mobile über PWM-Signale. Dabei
dienen PWM-Signale am Port PE 3 bis PE 5 zur Lade-/Entladestromvorgabe.
Das zur Wärmeabfuhr dienende Kühlkörperaggregat wird über eine
PWM-Signal, geliefert von Port PB 7, gesteuert und die
Geschwindigkeitsvorgabe des extern anzuschließenden Akku-Kühlventilators
wird über ein PWM-Signal an Port PB 5 des Mikrocontrollers gesteuert.
Ein weiteres PWM-Signal (PWM 5) wird zur Einstellung des Stromimpulses
bei der Akku-Innenwiderstandsmessung genutzt.Für die Motortesterfunktion
kann die Endstufe eins über Port PC 4 in den Spannungsregler-Mode
umgeschaltet werden.
In Abbildung 33 rechts unten ist die Schaltung der Echtzeituhr zu sehen.
Der Uhrenbaustein (IC 10) wird, wie bereits erwähnt, mit einer
Lithium-Batterie gepuffert, deren Lebensdauer mehr als zehn Jahre
beträgt. Die Uhr läuft somit unabhängig von der Betriebsspannung
kontinuierlich weiter. Die Dioden D 2 und D 3 dienen zur Entkopplung der
Betriebsspannung und der Pufferspannung, die von der Lithium-Batterie
geliefert wird. Die Kommunikation des Bausteins mit dem Mikrocontroller
erfolgt über ein serielles Interface, das mit Port PB 1 bis Port PB 3
und Port PC 0 des Hauptprozessors verbunden ist. Des Weiteren ist der
Interruptausgang (Pin 6) mit Port PC 7 des Mikrocontrollers verbunden.
Der Impuls der Blei-Akku-Aktivatorfunktion wird an Port PG 0 (Pin 33)
ausgegeben.
Ein weiterer Impuls wird an Port PG 4 (Pin 19) des Mikrocontrollers
ausgekoppelt, der zur Aktivierung des Stromimpulses für die
Akku-Innenwiderstandsmessung dient. Die Signale SH-U und SH-I (Port PG 2
und PG 3) steuern die „Sample and Hold“-Glieder zur Strom- und
Spannungsmessung bei der Akku-Innenwiderstands-Messfunktion. Das Signal
I-Lade an Pin 34 wird zur Polaritätsumschaltung im Zusammenhang mit der
Lade-/Entladestromerfassung über den A/D-Wandler genutzt.
Das optionale Transponder-Modul zur komfortablen Akku-Identifikation
wird an die Westernmodular-Buchse BU 1 angeschlossen. Über diese Buchse
wird das Modul auch mit Spannung (+5 V) versorgt. Die Signalleitungen
sind über R 12 bis R 15 mit Port PF 4 bis Port PF 7 des Hauptcontrollers
verbunden.
Die vom Analog-Digital-Wandler kommenden Messwerte werden dem
Mikrocontroller an Port PD 3 (Pin 28) zugeführt, wobei die
Messwertauswahl über PA 0 bis PA 5 erfolgt. Über diese Port-Pins werden
dann die Eingangs-Multiplexer des A/D-Wandlers gesteuert.
Für akustische Meldungen und Quittungstöne ist das ALC 5000 Mobile mit
einem Sound-Transducer (PZ 1) ausgestattet, der über PB 4 und den
Treibertransistor T 1 mit einem Signal von ca. 2 kHz angesteuert wird.
Der Programmieradapter PRG 1 ist ausschließlich zum Programmieren des
Mikrocontrollers in der Produktion vorgesehen, während Software-Updates
und -Upgrades über die USB-Schnittstelle des Gerätes erfolgen können.
Zur Kommunikation mit einem PC dient ein potentialfreies, optisch
isoliertes USB- Modul, das an ST 9 angeschlossen wird und über den
Umschalter S 1 mit Port PE 0 und PE 1 des Mikrocontrollers verbunden
ist.
Die Buchse BU 2 ist für externe Erweiterungen des ALC 5000 Mobile
vorgesehen. Anstatt des USB-Moduls kann mit Hilfe des Schalters S 1 die
serielle Schnittstelle an BU 2 ausgewählt werden.
Zur Aufzeichnung von kompletten Lade-/Entlade-Kurvenverläufen ist das
ALC 5000 Mobile mit einem Datenlogger ausgestattet. Zur Datenspeicherung
dient der 2-MBit-Flash-Speicher (IC 2). Da der Baustein mit einer
abweichenden Betriebsspannung von 3,3 V arbeitet, sind die Widerstände R
6 bis R 11 zur Amplitudenanpassung erforderlich. Die Betriebsspannung
des externen Data-Flash-Speichers wird mit T 2 und externen Komponenten
erzeugt.
Um hochfrequente Störeinflüsse zu vermeiden, sind der Mikrocontroller
und der externe Speicher mit entsprechenden Staffelblockungen (C 7, C 8
und C 9 bis C 11) direkt an den entsprechenden Versorgungs-pins
beschaltet.
Wie bereits erwähnt, steht für alle Anzeigeaufgaben ein weiterer
Mikrocontroller zur Verfügung, der über die Steckverbindung ST 10 mit
dem Hauptprozessor verbunden ist. Über diesen Steckverbinder sind auch
die Bedienelemente des ALCs an den Hauptprozessor angeschlossen.Displayeinheit
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| Bild 35: Displayeinheit des ALC 5000 Mobile |
Zur Takterzeugung sind Pin 22 und Pin 23 mit einem 4,19-MHz-Quarz und
den Kondensatoren C 501, C 502 beschaltet. Die Spannungsteilerkette R
507 bis R 512 mit den zugehörigen Abblockkondensatoren (C 505 bis C 509)
dient zur Display-Kontrasteinstellung.
Wie beim Hauptprozessor dient auch beim Displaycontroller der
Programmieranschluss PRG 500 ausschließlich zum Programmieren des
Mikrocontrollers in der Produktion.
Die Displayhinterleuchtung des ALCs besteht aus vier Side-Looking-Lamps
(D 501 bis D 504). Aktiviert wird die Hinterleuchtung über den
Transistor T 500, der direkt vom Displaycontroller (Port 0.0) gesteuert
wird. Die Widerstände R 501 bis R 504 dienen in diesem Zusammenhang zur
Strombegrenzung.
Wie bereits erwähnt, werden die Anschlüsse der Bedientaster TA 500 bis
TA 502 sowie des Drehimpulsgebers DR 500 über ST 500, ST 10 direkt zum
Haupt-Mikrocontroller der Basisplatine geführt.
Die Leuchtdiode D 508 dient zur Betriebsanzeige und die Kanal-LEDs (D
506, D 507) sind direkt über die entsprechenden Ausgangsbuchsenpaare des
Gerätes angeordnet. D 505 dient zur Anzeige des
Blei-Akku-Aktivator-Impulses, und die Widerstände R 517 bis R 520 sorgen
für die erforderliche Strombegrenzung.USB-Schnittstelle
Die
USB-Schnittstelle des Akku-Lade-Centers ALC 5000 Mobile basiert auf dem
ELV-USB-Modul UO 100, welches bereits in verschiedenen ELV-Anwendungen
zum Einsatz kommt. Dieses Modul stellt das Bindeglied zwischen dem ALC
und dem extern angeschlossenen PC dar, wobei durch den Einsatz von
Optokopplern eine galvanische Trennung zwischen den Geräten besteht. Die
Spannungsversorgung des Moduls erfolgt dabei aus der USB-Schnittstelle
des PCs. Nach dem Verbinden mit dem USB-Host (PC) meldet sich das Modul
und somit das ALC, wie bei USB-Geräten üblich, automatisch an. Das
Betriebssystem meldet sich dann mit „neue Hardware-Komponente gefunden“,
und als Bezeichnung des gefundenen Peripherie-Gerätes erscheint „ALC
5000“. Diese Bezeichnung ist werksseitig im
EEPROM des Moduls abgelegt.
Nach der automatischen Erkennung startet der „Assistent für das Suchen
neuer Hardware“, und die Installation des Treibers für das ALC kann
erfolgen. Die Schaltung des im ALC 5000 Mobile eingebauten USB-Moduls
ist in Abbildung 36 zu sehen.
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| Bild 36: Schaltung des im ALC 5000 Mobile verwendeten galvanisch getrennten USB-Moduls |
Das
Modul basiert auf einem Schnittstellenwandler, der die gesamte
Konvertierung der Datensignale nach RS232 vornimmt. Zur
Mikrocontroller-Einheit des ALCs sind nur die beiden Leitungen TXD und
RXD erforderlich. Der Schnittstellenwandler des Typs FT8U232 wird über
Pin 7 und Pin 8 mit dem USB-Port des PCs verbunden, wobei die
Widerstände R 9, R 10 zur Anpassung dienen. Außerdem wird dadurch ein
gewisser Schutz der IC-Eingänge erreicht. Die R232-Signale stehen an den
entsprechend bezeichneten Ausgängen (Pin 18 bis Pin 25) zur Verfügung,
wobei in unserem Fall nur die Signale RXD (Pin 24) und TXD (Pin 25)
genutzt werden. Trotz der komplexen Abläufe innerhalb des ICs ist die
externe Beschaltung gering, die im Wesentlichen aus der Zuführung der
Betriebsspannung, einer Reset-Schaltung, einem Quarz und einem EEPROM
besteht. Wie bereits erwähnt, kommt die Betriebsspannung des Umsetzers
vom USB-Port des PCs, wobei aber unbedingt aus EMV-Gründen eine
sorgfältige Störunterdrückung direkt an den IC-Pins des Moduls
erforderlich ist. Als erste Entstörmaßnahme im Betriebsspannungsbereich
dient das mit L 1 und mit C 9 bis C 12 aufgebaute Filter. C 1 dient
dabei zur Pufferung am Spannungseingang. An den Versorgungspins des
Wandlers (IC 2) sind Staffelblockungen zur Störunterdrückung (C 7, C 8, C
13, C 14, C 17, C 18) vorhanden. Eine von der digitalen Versorgung über
R 1, C 4, C 5 entkoppelte Spannung dient zur Versorgung des internen
Oszillators an Pin 30. Die Reset-Schaltung ist mit dem Transistor T 1
und seiner Beschaltung, bestehend aus R 6, R 11, R 12 und C 19, rea
lisiert. Im Einschaltmoment sorgt der Kondensator C 19 dafür, dass der
Tran sistor gesperrt ist und der Reset-Eingang (Pin 4 von IC 2) auf
„low“ liegt. Somit wird das IC in einen definierten Einschaltzustand
versetzt. Weniger als eine Millisekunde, nachdem die
5-V-Betriebsspannung ansteht, ist der Kondensator so weit geladen, dass T
1 durchschaltet und so den Reset aufhebt. Das Taktsignal für IC 2 wird
mittels des Quarzes Q 1 und der Lastkonden sa toren C 2 und C 3
generiert. Der hier erzeugte 6-MHz-Takt wird IC-intern durch
entsprechende Vervielfacher auf maximal 48 MHz hochgetaktet. In dem als
EEPROM ausgelegten Speicher IC 1 sind die Erkennungsdaten des USB-Moduls
abgelegt. Mit diesen Daten kann das Modul vom angeschlossenen PC-System
eindeutig identifiziert werden. Hinterlegt sind die Vendor-ID
(Hersteller-Identifikation), die Product-ID (Produkt- oder
Geräte-Identifikation), der „Product Description String“ (Produkt name)
und die Seriennummer. Die Kommunikation zwischen dem USBCon t
rollerbaustein IC 2 und dem EEPROM erfolgt über eine so genannte
Microwire- Verbindung. Drei „Verbindungsleitungen“ sind hierfür
notwendig: „CS“ = Chip Select, „SK“ = Clock und „Din“, „Dout“ =
Dateneinund -ausgang. Mit diesen wenigen Bauteilen ist das IC schon voll
funktionsfähig. Zur Sig nalisierung der Sende- bzw. Empfangsaktivität
(Tx und Rx) auf der RS232-Schnittstelle befinden sich zusätzlich noch
die beiden LEDs D 1 und D 2 auf dem Modul. Das TXD-Signal des
Wandlerbausteins wird auf den Treibertransistor T 2 gekoppelt, in dessen
Kollektorzweig sich die im Optokoppler IC 4 integrierte Sendediode und
der Strom begrenzungswiderstand R 15 befin den. Auf der Transistorseite
steht das Signal dann galvanisch entkoppelt zur Verfügung und wird
danach mit dem nachgeschalteten Schmitt-Trigger-Gatter IC 5 C
aufbereitet. Die vom Mikrocontroller des ALC kommenden Informationen
gelangen zunächst auf das Gatter IC 5 B und dann auf den mit IC 5 A, IC 5
D aufgebauten Treiber für die in IC 3 integrierte Sendediode. Der
Transistor des Optokopplers IC 3 liefert die vom ALC kommenden
Informationen galvanisch entkoppelt zum Schnittstellenbaustein (IC 2).
Auf der ALC-Seite wird die Sendediode von IC 3, das
Schmitt-Trigger-Gatter IC 5 und der Transistor des Optokopplers IC 4 mit
einer über ST 1, Pin 11 zugeführten Spannung versorgt. Hier dienen C 22
bis C 24 zur Störunterdrückung und C 25 zur Pufferung. Im vierten Teil
des Artikels wird die detaillierte Schaltungsbeschreibung fortgesetzt. Fachbeitrag online und als PDF-Download herunterladen
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