STANOWISKO DO POMIARÓW TERMOAKUSTYCZNYCH OPARTE O MIKROKONTROLER ORAZ PRZETWORNIK ANALOGOWO-CYFROWY

Transkrypt

1 MACIEJ KUBICKI Katedra Podstaw Elektroniki, Wydział Elektroniki i Informatyki Politechnika Koszalińska STANOWISKO DO POMIARÓW TERMOAKUSTYCZNYCH OPARTE O MIKROKONTROLER ORAZ PRZETWORNIK ANALOGOWO-CYFROWY Streszczenie: Artykuł przedstawia realizację stanowiska pomiarowego do pomiaru termoakustycznych charakterystyk obudów elementów elektronicznych pozwalających na określanie ich szczelności. Przedstawione stanowisko zrealizowano w oparciu o 32-bitowy mikro-kontroler oraz 24-bitowy przetwornik analogowocyfrowy, które wykorzystano do implementacji algorytmu detekcji fazoczułej. W artykule opisano ideę pomiaru, konstrukcję stanowiska pomiarowego, algorytm realizowany przez program mikrokontrolera oraz aplikację pomiarową LabVIEW współpracującą z zaprojektowanych stanowiskiem. W artykule zamieszczono również przykładowe wyniki pomiaru charakterystyk termoakustycznych uzyskane przy użyciu zaprojektowanego stanowiska. 1. Wstęp Szczelność elementów elektronicznych jest istotnym, a w wielu przypadkach krytycznym parametrem decydującym o ich niezawodności. Tyczy się to przede wszystkim zastosowań, w których układy elektroniczne pracują w warunkach ekstremalnych (duża wilgotność, wysokie ciśnienie), a od ich prawidłowej pracy zależy życie ludzkie (np. awiacja, medycyna). Istnieje szereg metod pomiaru szczelności elementów elektronicznych. Cz eść z nich została zawarta w standardach przemysłowych [4-8]. Podstawową wadą większości przemysłowych metod badania szczelności jest ich niszczący charakter co ogranicza zakres ich zastoso-

2 56 Maciej Kubicki wań do podejścia statystycznego. Proponowana przez autora termoakustyczna metoda pomiaru może stanowić nieniszczącą metodę alternatywną dla niszczących testów szczelności określonych poprzez normy stosowane obecnie w przemyśle. Metoda pomiaru opiera się na detekcji z użyciem mikrofonu, zmian ciśnienia powstających w szczelnej komórce pomiarowej w wyniku periodycznego wydzielania mocy w badanym elemencie. Przeprowadzenie pomiaru w zakresie częstotliwości akustycznych umożliwia wyznaczenie termoakustycznych częstotliwościowych charakterystyk amplitudowych i fazowych pozwalających na określenie szczelności badanej obudowy. Artykuł przedstawia realizację stanowiska do pomiarów termoakustycznych opartego o 32-bitowy mikrokontroler oraz 24-bitowy przetwornik analogowocyfrowy, które wykorzystano do programowej implementacji algorytmu detekcji fazoczułej. W artykule zawarto opis konstrukcji stanowiska, algorytmu detekcji implementowanego przez program mikrokontrolera oraz aplikacji pomiarowej LabVIEW współpracującej z zaprojektowanym stanowiskiem. Ponadto w artykule zaprezentowano przykładowe wyniki pomiarowe uzyskane przy użyciu zaprojektowanego stanowiska. 2. Opis metody pomiarowej W metodzie termoakustycznej sygnał akustyczny powstaje na skutek periodycznego wydzielania mocy w badanym elemencie umieszczonym w szczelnej komórce pomiarowej. Wydzielanie mocy następuje poprzez odpowiednie wysterowanie badanego elementu, na przykład tranzystora bipolarnego. Zmiany ciśnienia w komórce pomiarowej rejestrowane są poprzez umieszczony w niej mikrofon pomiarowy. Sygnał mikrofonowy po wzmocnieniu w układzie przedwzmacniacza podlega dalszemu przetwarzaniu, na przykład detekcji fazoczułej, umożliwiającej określenie jego amplitudy oraz przesunięcia fazowego w stosunku do sygnału sterującego. Przeprowadzając w ten sposób pomiar dla częstotliwości z zakresu pasma akustycznego możliwe jest wyznaczenie częstotliwościowych charakterystyk amplitudowych oraz fazowych, których kształt zgodnie z [1-3] zależy bezpośrednio od rozmiaru nieszczelności w badanym elemencie. Na rysunku 1 przedstawiono w sposób schematyczny omawianą metodę pomiaru. Jako V 1 oznaczono objętość wewnątrz obudowy badanego elementu (tranzystora) natomiast przez V 2, objętość komórki pomiarowej. Nieszczelność reprezentowana jest przez kanał o promieniu r i długości L odpowiadającej grubości ścianki obudowy elementu badanego. Zmiany ciśnienia w komórce

3 Stanowisko do pomiarów termo akustycznych 57 rejestrowane są przez mikrofon M, którego sygnał wyjściowy po wzmocnieniu w stopniu przedwzmacniacza K podlega dalszemu przetwarzaniu. Rys. 1. Schemat pomiaru szczelności z wykorzystaniem metody termoakustycznej 3. Projekt stanowiska Celem stworzenia stanowiska była integracja wielu funkcji pomiarowych w jednym urządzeniu. Stanowisko realizuje zarówno generację sygnału sterującego o zadanej amplitudzie i częstotliwości, jak i pomiar odpowiedzi elementu badanego umieszczonego w komórce termoakustycznej. Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy zaprojektowanego stanowiska. Rys. 2. Schemat blokowy stanowiska do pomiarów termoakustycznych

4 58 Maciej Kubicki Za generację sygnału pobudzającego element badany, pomiar odpowiedzi badanego elementu oraz sterowanie procesem pomiaru odpowiada 32-bitowy mikrokontroler. Generacja sygnału pobudzającego odbywa się z poziomu wbudowanego w mikrokontroler 12-bitowego przetwornika cyfrowo-analogowego poprzez płytę sterowania wydzielaniem mocy. Odpowiedź termoakustyczna badanego elementu rejestrowana przez mikrofon pomiarowy, po wzmocnieniu w układzie niskoszumowego przedwzmacniacza, podlega próbkowaniu przy użyciu scalonego 24-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Próbki sygnału odpowiedzi odczytywane są przez mikrokontroler sterujący i poddawane dalszemu przetwarzaniu z wykorzystaniem techniki detekcji fazoczułej w celu określenia amplitudy i fazy sygnału odpowiedzi. Oprócz sterowania samym procesem pomiaru mikrokontroler odpowiada za komunikację z aplikacją pomiarową LabVIEW odbywającą się za pośrednictwem portu szeregowego. Stanowisko współpracuje z wymiennymi komórkami pomiarowymi oraz płytami adapterów zawierającymi gniazda do montażu badanych komponentów, umożliwiając pomiar charakterystyk termoakustycznych komponentów w różnych obudowach. Obecnie stanowisko umożliwia wyznaczanie charakterystyk termoakustycznych obudów metalowych TO-18, TO-39, TO-3 oraz plastikowych TO-92 oraz TO-220. Na rysunku 3 przedstawiono przekrój oraz zdjęcie stanowiska pomiarowego. W zaprojektowanym stanowisku komórka pomiarowa w formie wydrążonego bloku aluminiowego umieszczona jest bezpośrednio pomiędzy płytami drukowanymi adaptera oraz mikrofonu, które zamykają jej objętość. Element badany umieszczany jest w gnieździe na płycie adaptera. Na płycie mikrofonu umieszczono mikrofon elektretowy WM-61 firmy Panasonic [10], który wybrano ze względu na stosunkowo płaską charakterystykę amplitudową w całym paśmie akustycznym oraz dużą czułość. Płyta mikrofonu umieszczana jest w gnieździe w płycie głównej stanowiska pomiarowego. W gnieździe na płycie adaptera mocowana jest natomiast płyta sterowania wydzielaniem mocy, połączona przewodem taśmowym z płytą główną stanowiska pomiarowego. W skład płyty głównej wchodzi mikrokontroler sterujący pracą karty, układ interfejsu RS232, układ scalonego przetwornika analogowo-cyfrowego, regulatory na-pięcia 5V oraz 3.3V zasilające poszczególne elementy płyty głównej oraz niskoszumowy przedwzmacniacz mikrofonowy. Podstawę układu przedwzmacniacza mikrofonowego stanowi scalony poczwórny wzmacniacz niskoszumowy TS974 firmy ST Microelectronics [9]. Dwa wzmacniacze wchodzące w skład układu scalonego zostały użyte do zrealizowania układu wzmocnienia sygnału mikrofonowego w oparciu o konfigurację wzmacniacza nieodwracającego. Wzmocnienie pierwszego stopnia zostało ustalone na 21, wzmocnienie drugiego stopnia może być ustawione w zakresie

5 Stanowisko do pomiarów termo akustycznych 59 od 1 do 21 z poziomu klucza analogowego sterowanego przez mikrokontroler. Pozostałe 2 wzmacniacze wchodzące w skład układu scalonego użyto do wytworzenia napięcia odniesienia DC oraz stopnia odwracającego fazę sygnału wyjściowego dostosowującego wyjście przedwzmacniacza do symetrycznego wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego. W celu zmniejszenia wpływu szumów w układzie zasilania, przedwzmacniacz oraz mikrofon zasilane są z baterii 9V. Zasilanie układu przedwzmacniacza załączane jest jedynie w trakcie pomiaru poprzez przekaźnik sterowany bezpośrednio z mikrokontrolera, co pozwala wydłużyć czas pracy układu. Rys. 3. Stanowisko do pomiarów termoakustycznych: a) zdjęcie stanowiska, b) przekrój W celu zrealizowania cyfrowego przetwarzania sygnału pomiarowego z wykorzystaniem algorytmu detekcji fazoczułej na płycie głównej zastosowano 32-bitowy mikrokontroler STM32F407VGT6 [11] z rdzeniem ARM Cortex M4, taktowany zegarem 168MHz, charakteryzujący się sprzętowym wsparciem

6 60 Maciej Kubicki dla operacji zmiennoprzecinkowych. Za pomiar próbek sygnału wyjściowego przedwzmacniacza odpowiada scalony 24-bitowy przetwornik analogowocyfrowy PCM4201 firmy Texas Instruments [12] mogący pracować z maksymalną częstotliwością próbkowania 108 khz i komunikujący się z mikrokontrolerem wykorzystaniem magistrali I2S. W danej aplikacji ograniczono maksymalną częstotliwość próbkowania do 48 khz co jest wartością wystarczającą do pomiaru sygnałów występujących w termoakustycznej technice pomiarowej. Sygnał sterujący generowany z poziomu mikrokontrolera podawany jest na układ sterowania wydzielaniem mocy, który zapewnia takie wysterowanie badanego tranzystora, aby wydzieliła się w nim moc określona bezpośrednio przez sygnał sterujący podany na wejście układu sterującego. Układ sterowania wydzielaniem mocy umożliwia wysterowanie tranzystorów typu NPN oraz PNP, przy czym tryb pracy zależy od orientacji w jakiej płyta sterowania została zainstalowana w gnieździe na płycie adaptera. Zarówno w przypadku sterowania tranzystorem NPN jak i PNP wykorzystano układ oparty o przetwornik napięcie-prąd wymuszający określony prąd w obwodzie emitera. Przy założeniu, że napięcie sterujące podawane na wejście płyty sterowania wydzielaniem mocy jest niewielkie w stosunku do napięcia polaryzującego badany tranzystor, moc wydzielona w elemencie badanym jest w przybliżeniu liniowo zależna od napięcia sterującego. Na płycie sterowania wydzielaniem mocy umieszczono złącza śrubowe do podłączenia zasilania samego układu sterowania oraz płyty głównej stanowiska pomiarowego. Komunikacja pomiędzy dedykowaną kartą pomiarową a aplikacją pomiarową odbywa się za pomocą interfejsu szeregowego RS232. Na płycie karty pomiarowej umieszczono dodatkowo gniazdo USB typu B, co umożliwia zrealizowanie komunikacji z wykorzystaniem interfejsu USB w przyszłości. 4. Oprogramowanie sterujące pracą stanowiska Na rysunku 4 przedstawiono algorytm pomiaru realizowany przez mikrokontroler STM32F407VGT6 sterujący pracą stanowiska do pomiarów termoakustycznych. Przedstawiony algorytm zaimplementowano w języku C korzystając ze środowiska Keil. Przed rozpoczęciem pomiaru program mikrokontrolera wyznacza wartości rejestrów interfejsu I2S odpowiadających za zrealizowanie pomiaru z zadaną częstotliwością próbkowania. Odpowiednim zmiennym wykorzystywanym w algorytmie przypisywane są wartości początkowe, na wyjście przetwornika cyfrowo-analogowego wystawiana jest wartość zero.

7 Stanowisko do pomiarów termo akustycznych 61 START Wyznaczenie parametrów pomiaru i wartości początkowych Zapis początkowej wartości do przetwornika DAC Uruchomienie komunikacji na magistrali I2S Oczekiwanie na dane z przetwornika ADC Odczyt danych z magistrali Wystawienie nowej wartości na wyjście DAC Aktualizacja wartości składowych x i y STOP Wyznaczenie amplitudy i fazy zwrócenie wyniku do aplikacji pomiarowej NIE Czy odczytano ostatnią próbę? TAK Zatrzymanie komunikacji na magistrali CS Rys. 4. Algorytm pomiaru realizowany przez stanowisko do pomiarów termoakustycznych W następnej kolejności ustawiana jest obsługa przerwań związanych z odbieraniem danych z magistrali I2S po czym uruchomiona zostaje komunikacja z przetwornikiem analogowo-cyfrowym poprzez wystawienie sygnałów zegarowych na magistralę I2S. Po uzyskaniu synchronizacji przetwornik analogowo-cyfrowy rozpoczyna wystawianie na magistralę wartości spróbkowanego sygnału pomiarowego. Od tego momentu pomiar przebiega w sposób autonomiczny w oparciu o mechanizm obsługi przerwań. Ze względu na konstrukcję rejestrów wewnętrznych procesora oraz charakterystykę magistrali I2S do pomiaru jednej 24-bitowej próbki wymagana jest obsługa 4 kolejnych przerwań. Każde z przerwań oznacza odczyt 16 bitów z magistrali. Dwa pierwsze odczyty składają się na jedną 24-próbkę (8 bitów jest nieznaczące). Pozostałe 2

8 62 Maciej Kubicki odczyty są odczytami pustymi, co wynika z faktu, iż magistrala I2S została zaprojektowana do obsługi przetworników stereofonicznych pracujących w sprzęcie audio, stąd niezależnie od liczby wykorzystywanych kanałów zawsze transmitowane są ramki prawego i lewego kanału. Po odczycie pełnej próbki na wyjście przetwornika cyfrowo-analogowego wystawiana jest nowa wartość sygnału pobudzenia wyrażona zależnością: U DAC = A ctrl sin (2π f f s i), (1) gdzie: A ctrl amplituda sygnału podawanego na wejście układu sterowania wydzielaniem mocy, f częstotliwość sygnału podawanego na wejście układu sterowania wydzielaniem mocy, f s częstotliwość próbkowania, i numer próbki (iteracji). Na podstawie wartości odczytanej próbki sygnału wejściowego wyznaczana jest chwilowa wartość składowych x i y występujących w algorytmie detekcji fazoczułej: x = sample sin (2π f f s i), (2) y = sample sin (2π f f s i), (3) gdzie: sample wartość próbki odczytanej z przetwornika analogowocyfrowego. Wartości chwilowe składowych x i y dodawane są do zmiennych przechowujących sumę wartości chwilowych z poprzednich iteracji: x sum = x sum prev + x, (4) y sum = y sum prev + y, (5) gdzie: x sum prev oraz y sum prev są wartościami zmiennych z poprzedniej iteracji. Pomiar jest kontynuowany, aż do pobrania zdefiniowanej liczby próbek. Po odczytaniu ostatniej próbki komunikacja na magistrali I2S zostaje zatrzymana, a obsługa przerwań związanych z komunikacją wyłączona. Następnie wyznaczane są uśrednione po wszystkich próbkach wartości składowych x i y: X = x sum N (6) Y = y sum N (7) gdzie: N jest liczbą wszystkich próbek (iteracji)

9 Stanowisko do pomiarów termo akustycznych 63 Wyznaczone w ten sposób wartości służą bezpośrednio do określenia amplitudy i fazy sygnału mierzonego: A = 2 X 2 + Y 2 (8) φ = arctg ( Y X ) (9) Uzyskane w ten sposób wyniki pomiaru przesyłane są poprzez port szeregowy do aplikacji pomiarowej. 5. Aplikacja pomiarowa LabVIEW Zadaniem aplikacji pomiarowej jest zdefiniowanie parametrów pomiaru, odczyt i prezentacja wyników pomiarowych uzyskanych ze stanowiska pomiarowego oraz zautomatyzowanie procesu pomiaru charakterystyk częstotliwościowych. Na rysunku 5 przedstawiono widok interfejsu użytkownika aplikacji pomiarowej. Rys. 5. Interfejs użytkownika aplikacji pomiarowej LabVIEW Pomiar charakterystyk częstotliwościowych przeprowadzany jest przy ustalonych parametrach którymi są: amplituda mocy, zakres częstotliwości, liczba punktów pomiarowych, czas pojedynczego pomiaru oraz czas opóźnienia początkowego. W wyniku działania aplikacji otrzymywane są termoakustyczne charak-

10 64 Maciej Kubicki terystyki częstotliwościowe, które po wyeksportowaniu do pliku tekstowego mogą być poddane dalszej analizie w programie do obliczeń matematycznych. 6. Wyniki pomiarowe Na rysunku 6 i 7 przedstawiono uzyskane przy pomocy zaprojektowanego stanowiska pomiarowego oraz aplikacji pomiarowej wyniki pomiaru termoakustycznych charakterystyk nieszczelności w zakresie Hz, dla 3 egzemplarzy tranzystorów BC w obudowie TO-39 ze spreparowanymi nieszczelnościami o promieniu 80, 60 i 40µm. Charakterystyki zostały wyznaczone w odniesieniu do zmierzonej charakterystyki otwartego tranzystora BC , przez co wyniki pomiarowe zostały uniezależnione od charakterystyk częstotliwościowych toru pomiarowego. Wyniki pomiarowe uzupełniono o dopasowania krzywych teoretycznych wykreślonych w oparciu o model CRLC przedstawiony w publikacji [13]. Rys. 6. Wyniki pomiaru termoakustycznych charakterystyk amplitudowych tranzystorów BC w obudowie TO-39 z nieszczelnościami o różnym promieniu, punkty dane doświadczalne, linie dopasowania teoretyczne

11 Stanowisko do pomiarów termo akustycznych 65 Rys. 7. Wyniki pomiaru termoakustycznych charakterystyk fazowych tranzystorów BC w obudowie TO-39 z nieszczelnościami o różnym promieniu, punkty dane doświadczalne, linie dopasowania teoretyczne 7. Wnioski Wyniki przedstawione na rysunku 6 potwierdzają użyteczność zaprojektowanego stanowiska do zastosowań w pomiarach termoakustycznych. Stanowisko zaprezentowane w artykule może stanowić alternatywę dla stanowiska zbudowanego w oparciu o profesjonalną kartę pomiarową. Ponadto zastosowanie dedykowanych rozwiązań sprzętowych umożliwia przeniesienie części procedur obliczeniowych z aplikacji pomiarowej do programu mikrokontrolera sterującego pracą stanowiska pomiarowego, co w wielu przypadkach może znacznie przyśpieszyć czas wykonywania pomiaru oraz umożliwić wstępną obróbkę danych pomiarowych.

12 66 Literatura Maciej Kubicki 1. Maliński M.: Determination of air-tightness of the packagings of electronic devices by the thermoacoustic method. Archives of Acoustics, Vol. 30, No. 3, Maliński M.: Application of a Thermoacoustic Method for the Determination of Air-Tightness of the Packagings of Electronic Devices. Acta Acustica United with Acustica, Vol. 91, No. 2, Bychto L., M. Maliński M.: Thermoacoustic Investigations of Air Tightness of Electronic Devices. Acta Acustica United with Acustica, Vol. 92, No. 3, Military Standard MIL-STD-202G, Method 112E, Seal, U.S. Department of Defense, Military Standard MIL-STD-750D, Method , Hermetic Seal, U.S. Department of Defense, Military Standard MIL-STD-883H, Method , Seal, U.S. Department of Defense, International Standard IEC :1994 Environmental testing. Test methods. Test Q. Sealing., International Electrotechnical Commission, JEDEC Standard, JESD22-A1-9-A, Hermeticity,JEDEC Solid State Technology Association, TS971, TS972, TS974 output rail to rail low noise operational amplifiers. ST Microelectronics, Omnidirectional Back Electret Condenser Microphone Cartridge, Series: WM-61A, WM-61B. Panasonic 11. ARM Cortex-M4 32b MCU+FPU, 210DMIPS, up to 1MB Flash/192+4KB RAM, USB OTG HS/FS, Ethernet, 17 TIMs, 3 ADCs, 15 comm. interfaces & camera, ST Microelectronics PCM4210, Low Power, 24-Bit, Single Channel Audio Analog-to-Digital Converter, Texas Instruments Chrobak Ł., Maliński M.: Nondestructive Testing and Evaluation Design andoptimisation of the photoacoustic cell for nondestructive photoacousticspectroscopy. Nondestructive Testing and Evaluation, Volume 28, Issue 1, 17-27, 2013