MULTISTROJ

Dvoukanálový zapisovač, 2× PWM, funkční NF/VF generátor a čítač na jedné desce s ESP32-WROOM

Ing. Jaroslav Romler (elnovy@email.cz)

Laboratoř ELEKTRONIKA ELNOVY, Šumava

Úvod

Po úspěšném sestavení dvoukanálového zapisovače ovládaného přes sériový port a po ověření vysokého výkonu dvoujádrového procesoru ESP32 jsem se rozhodl pro inovaci. Cílem bylo posunout ovládání multistroje na úroveň bezkontaktního přenosu přes Wi-Fi, aniž by tím bylo narušeno stávající připojení monitorovacího počítače k internetu.

Celé ovládání přístrojové desky se provádí komfortně pomocí myši přímo z obrazovky počítače s operačním systémem Windows 10 nebo 11. Řídicí firmware pro hardware ESP32 i samotný ovládací program v HTML, který se v počítači spouští jednoduchým způsobem přímo v internetovém prohlížeči, jsou k dispozici na vyžádání u autora.

Dvoukanálový zapisovač může sledovat děje na zařízení spouštěných ext/int výstupem

X6 pro vstup A a X7 pro vstup B které po dobu měření mají svoji hodnotu 0V. Pozor

mimo měření mají X6 X7 na výstupu 5V.

Tím je zajištěna vysoká flexibilita zařízení pro laboratorní měření. Naměřené hodnoty lze potom snadno skladovat v počítači v neomezeném množství.

Napájení desky

Pro spolehlivý provoz je doporučen síťový adaptér 8 V DC / 2 A.

Při vysílání na výkonu 15 dBm (střední až vyšší výkon Wi-Fi) se proudový odběr samotného modulu ESP32 pohybuje v rozmezí 160 až 210 mA při napětí 3,3 V. Fyzikální přepočet na příkon čipu vychází následovně:

P=U⋅I=3,3V⋅0,185A=0,61W

Pokud by se deska napájela standardním 12V adaptérem, lineární stabilizátor 7805 by musel všechen přebytečný rozdíl napětí přeměnit na odpadní teplo. Matematika ztrát mluví jasně:

Pztrátový =(Uvstup -Uvýstup )⋅I=(12V−5V)⋅0,2A=1,4W

Pouzdro TO-220 bez chladiče dokáže do okolního vzduchu bezpečně vyzářit maximálně 1 W tepla. Při dlouhodobém provozu s aktivní Wi-Fi by se stabilizátor 7805 zahříval na teploty přesahující 90 °C. To by vedlo k aktivaci vnitřní tepelné ochrany, omezení výstupního proudu a následným restartům ESP32 v důsledku poklesu napětí.

Klasický stabilizátor 7805 navíc vyžaduje pro správnou funkci napětí na vstupu alespoň o 2 V vyšší než na výstupu (tzv. Drop-out napětí). S 7V adaptérem se obvod nachází přesně na této kritické hranici, proto je optimum pro bezpečný provoz bez chladiče volba 8V adaptéru.

Technické parametry přístroje

1. Dvoukanálový zapisovač

• Vstup A: DC rozsahy 3,3 V; 6,6 V; 13,2 V; 26,4 V a 55 V; Rvst =1MΩ, hardwarová ochrana vstupů ESP32.
• Vstup B: DC rozsah 3,3 V; Rvst =1MΩ, hardwarová ochrana vstupů ESP32.
• Kalibrační výstup (PB1): Integrovaný oscilátor 100 Hz, Rvýst ≈100Ω, napětí 3,3 Vš-š.
• Akvizice dat: 50 000 vzorků pro každý kanál, citlivost 1 mV, doba zápisu jednoho vzorku činí 6 μs.
• Funkce: Volitelný počet vzorků, digitální filtrování, matematické funkce, nastavitelný rozsah zobrazení vzorků.
• Spouštění (Trigger): Nezávisle pro každý kanál zvlášť, nebo synchronně pro oba kanály současně.
• Externí výstup X6 pro vstup A a X7 pro vstup B ( 5V =OFF , 0V= měření)

2. Funkční NF generátor

• Výstup: Konektor PB1, U=3,3Vš-š, R výst ≈100Ω, volitelná frekvence v rozsahu 1 Hz až 20 kHz.
• Průběhy:
  • Sinus: Ustř =1,63V
  • Obdélník: Ustř=1,63V, zkosení hran pod úhlem 30°
  • Pila: Ustř=2V

3. PWM (Pulsně šířková modulace)

• Výstupy: Svorky X6 a X7.
• Parametry: Napětí 3,3 Vš-š, střída nastavitelná v rozsahu 5 až 95 %.
• Frekvenční rozsah: Spojitě od 10 Hz do 300 kHz.

4. NF/VF Čítač

• Vstup: Svorka X5.
• Parametry: Uvst ≥1V,Uvst.max 3.3Vš-š, vstupní odpor Rvst =1MΩ.
• Měřicí rozsah: 1000 Hz až 20 MHz.Přesnost měření

• 1. Pásmo nízkých kmitočtů (1kHz-100 kHz)( velmi přesné měřní)

• 2. Pásmo středních kmitočtů (1 MHz až 4 MHz

• Konstantní lineární odchylka přibližně +0,3 %.

• 3. Pásmo vysokých kmitočtů (10 MHz)

• Pokles odchylky na pouhých +0.06 % (téměř dokonalá shoda).

• 4. Kritické pásmo (15 MHz)

• Pokles naměřené hodnoty o -4,3 % (čítá méně, než generátor vysílá).

5. VF Generátor

• Výstup: Svorka X4.
• Parametry: Výstupní impedance Zvýst =50Ω, výstupní obdélníkový signál o amplitudě 4,5 V nebo 11 V (volitelné hardwarově pomocí propojky PB2).
• Frekvenční rozsah: Spojitě od 10 Hz do 4 MHz.
  

  Popis programového vybavení

  1. Multistroj (HTML uživatelské rozhraní)

  Tento ovládací program představuje univerzální klientský terminál, který přetváří desku s mikropočítačem ESP32-WROOM na plnohodnotný laboratorní stůl. Hlavní předností celé architektury je naprostá autonomie a vysoká stabilita bez jakékoliv závislosti na internetovém připojení.

  • Síťová architektura a eliminace IP konfigurace při připojení k routeru:Tradiční slabinou jednodušších webových rozhraní bývá závislost na statické IP adrese. Pokud router přidělí čipu jinou adresu (např. po restartu), spojení selže. Nové řešení tento problém obchází třífázovou detekcí:
    • mDNS (multistroj.local): HTML stránka se pokouší kontaktovat čip pod jeho síťovým jménem. To umožňuje provozovat v jedné síti více shodných zařízení současně, aniž by uživatel musel znát jejich konkrétní IP adresy.
    • Záložní IP (192.168.1.13): Pokud mDNS selže (například na starších mobilních telefonech), program automaticky sáhne po osvědčené tovární IP adrese.
    • Manuální bypass: Přímo v uživatelském rozhraní je integrováno textové pole pro rychlé ruční přepsání IP adresy, což eliminuje nutnost zásahu do zdrojového kódu HTML souboru.
  • Komunikační protokol (WebSockets):Na rozdíl od pomalého protokolu HTTP, kde se pro každou akci odesílá nový samostatný požadavek, využívá toto rozhraní plně duplexní protokol WebSockets (port 80). Spojení se naváže pouze jednou při spuštění a zůstává trvale otevřené. To přináší následující výhody:
    • Bleskovou odezvu při ovládání (latence pod 5 ms).
    • Plynulý přenos masivních datových toků z I2S sběrnice (tisíce vzorků za sekundu pro potřeby osciloskopu).
    • Asynchronní příjem dat, kdy čip sám odesílá naměřenou frekvenci z čítače, aniž by se webové rozhraní muselo neustále dotazovat.
  • Modulární struktura aplikace:Uživatelské rozhraní je rozděleno do logických bloků, které okamžitě reagují na povely z ESP32:
    • PC DUAL-CHANNEL MONITOR (A): Vizualizuje rychlá DMA data z integrovaných ADC převodníků (kanály 36 a 39). Obsahuje softwarové vyhlazení hran (režim IDEAL) a ovládá hardwarová relé pro přepínání vstupních děličů napětí (rozsahy až do 55 V).
    • GENERÁTOR FUNKCÍ (B) & PWM (C): Odesílá do čipu přesné konfigurační řetězce (frekvence a střídy), které následně ESP32 generuje čistě hardwarově, čímž se zcela vyhne zatížení hlavního procesoru.
    • ČÍTAČ NF-VF (D) & VF GENERÁTOR (E): Speciální laboratorní režimy zajišťující rychlé zobrazení naměřené frekvence a přesné řízení vysokofrekvenčního generátoru (až do 40 MHz) na pinu 17 s ostrými náběžnými hranami pod 10 ns pro kapacitní zátěže.

  Řídicí program multistroj.html je čtenářům k dispozici ke stažení v redakci časopisu PE.

  2. Výkonný firmware na desce (ESP32-WROOM / D-A Modul)

  Hlavní řídicí program běží na desce o rozměrech 100 × 100 mm s procesorem ESP32-WROOM.

  Způsob generování všech výstupních signálů i přesné vzorkování a snímání všech analogových a digitálních vstupů jsou detailně popsány a komentovány přímo ve zdrojovém kódu.

  Pro budoucí rozšíření přístroje jsou na plošném spoji vyvedeny indikační a propojovací piny označené jako PB3, které umožňují snadné připojení micro SD karty nebo jiných externích periferií.

  Kompletní zdrojový kód pro ESP32-WROOM, vyvinutý v prostředí Arduino IDE a doplněný o podrobné komentáře, celkové výrobní podklady a zdokumentovaných programů.

  Žádejte na elnovy@email.cz nebo na 728987710