Nei paragrafi che seguono viene descritta la progettazione elettrica del modulo, dal-la definizione degli schematici, aldal-la realizzazione del dal-layout per dal-la produzione del circuito stampato (PCB, Printed Circuit Board).
6.4.1 Schematico
Il FEIM include essenzialmente sei differenti sezioni:
• alimentazione, per la conversione della tensione a 24 V corrente continua nelle tensioni interne ed esterne a 12 V, 5 V e 3.3 V;
• modulo microcontrollore e sezione Ethernet;
• sezione di conversione analogico-digitale;
• sezione di conversione digitale-analogica;
• sezione di lettura contatti puliti;
• sezione di comando uscite di potenza.
Di seguito sono descritte le componenti fondamentali delle singole sezioni.
Alimentazione La sezione di alimentazione è composta da due regolatori DC/DC di tipo switching. Il primo è basato sull’integrato LM2596-12 della National Semi-conductors: si tratta di un convertitore operante alla frequenza fissa di 150 kHz che integra il sistema di controllo ed il MOS per la commutazione generando, in uscita una tensione controllata di 12 V. A valle di questo primo convertitore è presente un altro integrato di regolazione switching della National Semiconductors: l’LM2575-5, operante alla frequenza fissa di 52 kHz ed integrante anch’esso logica di controllo e MOS di commutazione. Ciascuno dei due integrati richiede pochi componenti ester-ni, in particolare: capacità di uscita, diodi di ricircolo e induttanza.
A causa delle pesanti distorsioni di ingresso generate è stato necessario inserire un blocco di filtraggio di modo comune all’ingresso, al fine di rispettare le norme sulla compatibilità elettromagnetica riguardanti le emissioni condotte (cfr. sez. 6.7). Tale blocco è costituito da un filtro a due celle, comprendenti ciascuna una bobina di bloc-co di modo bloc-comune ed una capacità in poliestere.
All’ingresso della sezione è poi presente un diodo per la protezione contro le inver-sioni di polarità ed un fusibile autoripristinabile che protegge il circuito e la rete di alimentazione esterna in caso di sovraccarico o corto circuito.
Modulo microcontrollore Il modulo a microcontrollore è l’RCM3700 della Rab-bit Semiconductors, appena descritto. Sulla scheda è previsto un connettore per il fissaggio del modulo stesso.
Conversione analogico-digitale Per la realizzazione della conversione analogico-digitale degli ingressi provenienti dai sensori analogici è stato utilizzato il sistema di conversione on-chip: l’ADS7871 della Texas Instruments. L’integrato include un riferimento di tensione, un amplificatore a guadagno programmabile, un multiplexer
per la lettura di otto ingressi ed un convertitore analogico-digitale ad approssimazioni successive (SAR) a 14 bit (13 bit nella modalità single-ended utilizzata). La connes-sione con il modulo a microcontrollore avviene mediante una linea SPI full-duplex.
È stato realizzato un front-end di conversione dei livelli di tensione da 0–10 V a 0–2 V fisso per quattro ingressi, mentre per gli altri quattro è stata adottata una soluzione che permette di leggere segnali di tipo 0–10 V, 0–1 V e 4–20 mA mediante la selezio-ne fisica mediante ponticelli della rete di riduzioselezio-ne della tensioselezio-ne, mediante partitore resistivo, o di conversione corrente-tensione, mediante resistenza di precisione.
In ogni caso le necessarie tarature possono essere effettuate utilizzando i parametri di compensazione degli errori di guadagno ed offset previsti nel firmware.
Conversione digitale-analogico Il modulo comprende anche quattro canali di usci-ta in tensione in susci-tandard 0–10 V, per in controllo di attuatori proporzionali. L’usciusci-ta è generata sfruttando il convertitore AD5304 della Analog Devices, collegato ad un amplificatore operazione OP496, sempre della Analog Devices.
Lettura contatti puliti Per la lettura dello stato dei contatti puliti sono previsti dei partitori di tensione, che convertano il livello di tensione a 12 V, utilizzato per l’alimentazione dei contatti, in un livello compatibile con gli ingressi del modulo RCM3700, che sono ingressi in standard CMOS 3.3 V (tolleranti tensioni fino a 5 V).
Per questo motivo il partitore opera una riduzione di un fattore 0.248, che porta quindi la tensione di alimentazione da 12 V ad un valore di circa 3 V, facendo scorrere una corrente di circa 1 mA. In questo modo le interferenze elettromagnetiche non comportano variazioni che possano portare a false letture di variazioni dello stato.
Inoltre il firmware include funzioni di sicurezza, che verificano la durata minima dell’impulso di ingresso al fine di discriminare false letture da effettive variazioni.
Comando uscite di potenza Le uscite di potenza sono realizzate utilizzando dei MOS FDN337N della Fairchild Semiconductors, in gradi di sopportare una corrente massima di 2.2 A ed una tensione massima di 30 V in un case estremamente ridotto:
SOT-23, con una tensione di soglia pari a 1 V massimo. Questo consente di gestire il
controllo diretto dei relè a 24 V senza bisogno di ulteriori strutture di amplificazione, con un controllo diretto da parte del microcontrollore.
Ingressi ed uscite configurabili Delle dodici uscite di potenza, sei possono essere configurate in modo da operare come ingressi supplementari, anziché come uscite, mediante appositi ponticelli presenti sulla scheda. Questo permette di ampliare la flessibilità dell’installazione e della configurazione fisica del sistema, anche in sede di ampliamento successivo.
Layout
Il Layout della scheda è stato realizzato su un supporto a due strati, in modo da permettere l’installazione solamente su una faccia dei componenti, al fine di ridurre i costi. La tecnologia utilizzata è una tecnologica ad isolamento minimo e pista minima 150 ¸tm (anche detta tecnologia 6/6, 6 mils pista minima, 6 mils isolamento minimo).
Non è stata realizzata una scheda a quattro strati per motivi di costo, ma questo ha reso difficili le procedure relative alla certificazione di compatibilità elettromagnetica, in particolare per quanto riguarda le emissioni radiate (cfr. sez. 6.7), quindi la prossima revisione verrà progettata per l’impiego di una scheda a quattro strati. In Figura 6.1 si può vedere il modulo realizzato.