MACIEJ KUBICKI kubicki.maciej@gmail.com 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-
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
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
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
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
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.
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
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)
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-
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 20-150Hz, dla 3 egzemplarzy tranzystorów BC-141-16 w obudowie TO-39 ze spreparowanymi nieszczelnościami o promieniu 80, 60 i 40µm. Charakterystyki zostały wyznaczone w odniesieniu do zmierzonej charakterystyki otwartego tranzystora BC- 141-16, 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-141-16 w obudowie TO-39 z nieszczelnościami o różnym promieniu, punkty dane doświadczalne, linie dopasowania teoretyczne
Stanowisko do pomiarów termo akustycznych 65 Rys. 7. Wyniki pomiaru termoakustycznych charakterystyk fazowych tranzystorów BC- 141-16 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.
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, 2005 2. 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, 2005 3. Bychto L., M. Maliński M.: Thermoacoustic Investigations of Air Tightness of Electronic Devices. Acta Acustica United with Acustica, Vol. 92, No. 3, 2006 4. Military Standard MIL-STD-202G, Method 112E, Seal, U.S. Department of Defense, 2003 5. Military Standard MIL-STD-750D, Method 1071.6, Hermetic Seal, U.S. Department of Defense, 1995 6. Military Standard MIL-STD-883H, Method 1014.13, Seal, U.S. Department of Defense, 2010 7. International Standard IEC 60068-2-17:1994 Environmental testing. Test methods. Test Q. Sealing., International Electrotechnical Commission, 1994 8. JEDEC Standard, JESD22-A1-9-A, Hermeticity,JEDEC Solid State Technology Association, 2001 9. TS971, TS972, TS974 output rail to rail low noise operational amplifiers. ST Microelectronics, 1999 10. 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 2013 12. PCM4210, Low Power, 24-Bit, Single Channel Audio Analog-to-Digital Converter, Texas Instruments 2004 13. 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