Sprzętowa regulacja temperatury – mikrokontroler ADN8830 W ostatnim etapie prac nad układami regulacji temperatury został

przetestowany sprzętowy kontroler realizujący zadanie kondycjonowania zbudowany na bazie mikrokontrolera ADN 8830 firmy Analog Devices. Mikrokontroler ten dedykowany jest do obsługi modułów termoelektrycznych, stosowany miedzy innymi w stabilizacji temperatury diod laserowych. Przyjęte przez producenta rozwiązanie regulatora okazało się na tyle efektywne, że autor postanowił przeprowadzid analizę pod kątem wykorzystania takiego układu pomimo konieczności wykonania osobnej implementacji sprzętowej dla diody LED i drugiej dla fotodiody (rysunek 5.6).

Strona 70

Rys. 5.6. Kondycjonowanie termiczne wykorzystujące sprzętowe mikrokontrolery modułów TEC ADN 8830

Schemat blokowy układu ADN8830 przedstawiony jest na rysunku 5.7a. Podobnie jak w przypadku kodu opartego o mikrokontroler PicoBlaze do dyspozycji programisty jest tutaj informacja dwustanowa o ustaleniu temperatury lub problemach z odczytem napięcia na termistorze. Informacja o różnicy między temperaturą zadaną a jej wartością aktualną jest podawana w postaci sygnału analogowego.

Analogowa postad tej informacji a także taki sam sposób określania temperatury zadanej jest wadą tego rozwiązania. Wymusza stosowanie przetworników cyfrowo analogowych podobnie jak koniecznośd odczytu różnicy między temperaturą zadaną a obecną przetworników analogowo cyfrowych. Mogą to byd jednak przetworniki o małej dynamice próbkowania, wyposażone w dowolną magistralę sprzętową, sam układ zaś pracuje w trybie autonomicznym. Rozwiązanie takie zajmuje 5% zasobów sprzętowych układu FPGA, co jest najniższym wynikiem dla zrealizowanych przez autora rozwiązao.

Strona 71 a)

b)

Rys. 5.7. Kondycjonowanie termiczne wykorzystujące sprzętowy mikrokontroler modułów TEC ADN 8830 firmy Analog Devices:

a) schemat blokowy kontrolera (na podstawie materiałów firmy Analog Devices), b) zmontowany i przetestowany układ kondycjonowania

Układ kontrolera temperatury zrealizowany został w postaci osobnego modułu przedstawionego na rysunku 5.7b.

Strona 72 5.1.5 Analiza rozwiązań układu stabilizacji temperatury

Moduł regulacji temperatury decyduje o jakości pracy tak emitera jak i detektora, co ma znaczny wpływ na jakośd przeprowadzanych pomiarów. Porównanie wyników detekcji dla ustalonych warunków wymuszenia i zmiany temperatury pracy fotodiody PD36TEC-PR skłoniło autora do realizacji niezależnych układów kondycjonowania termicznego diody LED i fotodiody. Układ pracujący z diodą LED34TEC-PR charakteryzuje się dużą dynamiką regulacji. Jest ona konieczna za względu na zróżnicowanie warunków pracy emitera: pracę pseudo-ciągłą lub z przebiegami testowymi zawartymi w pamięci układu. Mniejsza dynamika wymagana jest dla kondycjonowania detektora ze względu na stabilną pracę układu wejściowego przedwzmacniacza przetwornika analogowo-cyfrowego.

Autor uzyskał rozwiązania analogiczne do sprzętowego regulatora opartego o dedykowany mikrokontroler ADN8830. Pozwoliło to na analizę jakości rozwiązania, a w konsekwencji na wyłonienie optymalnego rozwiązania sprzętowego stanowiącego kompromis pod względem stopnia komplikacji układu detektora metanu. Autor badał również różne implementacje wewnątrz układu FPGA – Spartan 3E.

Analizie poddano także pobór mocy układu optoelektronicznego detektora metanu przy wykorzystaniu różnych implementacji wewnętrznych w odniesieniu do układów wykorzystujących zewnętrzny mikrokontroler.

Szczególną uwagę zwrócono na jakośd regulacji temperatury, biorąc pod uwagę dwa kryteria: czas ustalania temperatury i niepewnośd ustalenia temperatury dla odcinków czasu porównywalnych z czasem jednej serii pomiarowej.

Strona 73

5.2 Charakterystyki kierunkowe wykorzystanych elementów

optoelektronicznych

Badania mające na celu określenie charakterystyk kierunkowych wykorzystywanych elementów oraz kątowego rozkładu mocy promieniowania optycznego diody LED34TEC-PR przeprowadził autor we współpracy z dr Siergiejem Molczanowem w Instytucie Joffego. W pomiarach wykorzystany został zestaw do detekcji synchronicznej omówiony w rozdziale 3. Wyniki pomiarów kątowego rozkładu mocy optycznej zrealizowane w odległości od 10 do 60 mm między emiterem LED 34TEC-PR a detektorem PD36TEC-PR przedstawia rysunek 5.8.

Rys. 5.8 Rozkład mocy optycznej diody LED34TEC-PR w przedziale od 10mm do 60 mm od emitera

(wyniki uśrednione z pomiarów pięciu diod LED34TEC-PR)

Badania przeprowadzone zostały dla następujących warunków pracy optopary: 1. Temperatura pracy:

o diody LED 34TEC-PR: 4,5 C o fotodiody PD36TEC-PR: 5,1 C

Strona 74 2. Sygnał wymuszenia:

o pseudo ciągły prostokątny (QCW) o wypełnieniu 50 % o częstotliwośd: 500 Hz

o amplituda : 100 mA

Przyjęte warunki pracy optopary zostały zaproponowane przez dr Molczanowskiego i zaakceptowane po wykonaniu testów dla wymuszeo o amplitudach 90 mA i 120 mA oraz częstotliwości 2 kHz, które wykazały zbieżnośd na poziomie 2% z pomiarem wykonanym w proponowanych warunkach.

Problemy, które pojawiły się podczas zestawienia toru optycznego do pomiarów w komorze typu D opisanej w rozdziale 4.1 tej pracy skłoniły autora do wykonania pomiarów rozkładu mocy optycznej dla odległości 100mm między diodą LED a fotodiodą. Badania te wykonał autor dla dostępnych diod LED34TEC-PR oraz LED23TEC-PR korzystając również z zestaw do detekcji synchronicznej w Instytucie Joffego. Pomiar został przeprowadzony na ławie optycznej przy założeniu, że maksimum uzyskanego sygnału stanowid będzie wartośd 1 i będzie osią pomiaru. Zebrano po 9 pomiarów co 1 stopieo kątowy w kierunku dodatnim i ujemnym względem osi. Uzyskane uśrednione wyniki przedstawione zostały na rysunku 5.9.

Rys. 5.9 Kątowy rozkładu mocy optycznej diody LED34TEC-PR dla odległości LED-PD: 100 mm

(wyniki uśrednione z pomiarów pięciu diod LED34TEC-PR oraz dwóch LED23TEC-PR)

Jak wynika z uzyskanych pomiarów, badane diody LED wykazują asymetrię rozkładu emitowanego promieniowania. Zaprezentowana cecha emitera związana jest

Strona 75 z niejednorodną emisją złącza emitującego promieniowanie. Podejrzenie wpływu reflektora wyeliminowano przez wykorzystanie w części pomiarów diod LED uzyskanych dzięki uprzejmości dr Molczanowskiego jeszcze przed koocowym montażem i hermetyzacją obudowy, umożliwiających obrót diody względem reflektora. W toku analizy uzyskanych wyników, obserwacji mikroskopowej struktury diody LED oraz analizy wykonanej przez technologa wykonującego złącza wynik tego zjawiska przypisany został technologii wykonywania złącza diody.

Dla uzyskania pełnego obrazu rozkładu mocy promieniowania na drodze między diodą LED a fotodiodą, autor przedstawił uzyskane pomiary w postaci wykresu radarowego zaprezentowanego na rysunku 5.10.

a)

b)

Rys. 5.10 Pomiar kątowego rozkładu mocy optycznej diody LED34TEC-PR i porównanie z charakterystyką kierunkową diody IR produkowanej seryjnie:

a) wynik dla odległości LED-PD: 100 mm, b) charakterystyka diody QED233 940 nm (na podstawie materiałów firm IBSG (a) i Fairchild (b))

Strona 76 Wartośd 0 na wykresie odnosi się do optymalnego ustawienia miedzy diodą LED a fotodiodą, gdzie uzyskuje się pełną wartośd mierzonego sygnału, oznaczana tutaj jako 1,0. Dla porównania przedstawiony jest wykres charakterystyki kierunkowej diody LED QED233 o widmie emisji 940 nm produkowanej przez firmę Fairchild.

Widoczny jest tutaj istotny problem w konstrukcji toru pomiarowego opartego o wykorzystywane elementy optoelektroniczne: wąski obszar czułości układu oraz jego niesymetria emisji promieniowania. W związku z tym bardzo ważnym czynnikiem jest odpowiednie ustawienie diody LED względem fotodiody. Niespełnienie tego wymogu, czyli braku optymalnego ustawienia drogi optycznej LED – fotodioda powoduje znaczny spadek jakości sygnału odbieranego przez detektor, a nawet jego zanik.

Strona 77

5.3 Wyznaczanie stężenia gazu w pełnym zakresie