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8ch版基板設計制作とローカル環境での動作確認まで

なかなか時間が取れず中断していた8ch版の立ち上げですが、確定申告も終わって徐々に作業再開しています。先ずはLAN内のローカル環境で動作確認までの流れをレポートします。4ch版では手描きだった回路図も今回はCADで書いてみました。次回の試作はPCB起こしの予定なのでそのためにもパターン設計に移行しやすいCAD図面は手間暇かける価値があると考えました。使ったのはフリーなのになかなか使える優れものFritzingです。もう少し使いこなせたら別記事にしたいと思います。 今回の作業としては、
  • 回路設計 → CAD図面

初代4ch版センサー基板での基本設計

SPIアウトのADCを使った理由 簡単に多チャンネルを実現するには多チャンネル入力を持つADコンバータとアナログ出力のセンサーを使うか、複数のI2C接続のセンサーを繋ぐなど方法はいくつも有ります。手ごろなセンサーがとても安く買えるのと、次世代の試作は8ch版を検討予定だった事もありADコンバータ(SPI出力)を選定しています。 豊富なCPUパワーが余っている 計測間隔は1分間隔なので1ch当たりの計測時間は秒単位の時間をかけても問題無しです。このためのんびりソフトウエアによるアベレージングや補正など加えても破綻しません。計測だけならCPUパワーなどほとんど消費しませんので、今後追加開発として監視カメラ機能なども取り込む予定です。 ベンチでOKでも現場ではNGな事も有る 太陽光発電所への設置を想定した企画でしたが、ベンチでデバック完了して実際太陽光発電所に持ち込んだ結果、ケーブルを伸ばした(3m)PVパネルに張り付けた温度センサーは全く何を測っているのか意味不明なくらいデーターがバラツキました。これはパワコン(PCS)のDC-DCやインバータからのノイズを過小評価していたためです。パワコンの動作を考えれば当たり前と言えば当たり前なのですが、400V x 10Aの電力を数十キロHzでOn/Offするのですから誘導ノイズも半端ではありません。しかもそれを24本束ねたハーネスが近くを通っていましたし。 対策はハードとソフトの両面で 地道に回路でノイズ対策を取りました。幸い計測サンプリングが秒単位と遅いのでCRの時定数を大きくとってもOKだった。厳密ではありませんが伝送路のインピーダンスマッチングを取りました。ソフト側では12回計測しMin値とMax値を省いて残り10サンプルの平均を取りました。 これで昼間のパワコンが盛大にノイズをまき散らしても必要精度(+-0.5度C)が確保できた。  

8ch版の設計 センサー出力とADC入力レンジ範囲

基本的にフルスケール1V出力のアナログセンサーを選定し、ADCの入力も1VフルスケールとなるようにReference電圧を設定しました。 入力の不足するセンサー(Photo Diode)類はオペアンプを介して1Vフルスケールに増幅してADCへ入力としました。センサー系は安定度と感度を稼ぐため5Vで動作させていますし、ADCは3.3Vですので、回路検証するまでもなくセンサー系がADCを3.3V以上に引っ張ると問題が有ります。昔のICは少しの電流注入ですぐラッチアップしてしまいましたので少し神経質かもしれませんが。ひどいノイズ環境で使う装置のため、入力保護の抵抗は100Ωに止めていますので様子を見て3.3Vのツェナーを入れるかもしれません。それにしても初期のICに比べるとESDもラッチアップも強くなりました!   ADCとSPI接続   温度センサー 湿度センサー 照度センサーとオペアンプ
  • 基板配線
今回の8ch版2次試作では初回同様手半田の手配線なのですがセンサーを引き出すために3Pターミナルを7つPCB回りに配置しました。使用した基盤は秋月で購入したパワーグリッドユニバーサル基板と言う物でピンとピンの間隙にバスが一面X-Yに両面這わせてありGNDと電源の配線が大幅に簡略化できます。このため手半田空中配線なのですが写真の様に比較的スッキリまとまりました。今回はADCへの3.3Vは空中配線ですが、そのほかの5V系は全部このバスを利用しました。便利なのですけどバスとピンの間隙が1mm以下になるのでそれなりに繊細な半田ゴテと半田付けのSkillが必要かもしれません。