Topic outline

  • B3B38LPE - Laboratoře průmyslové elektroniky a senzorů

    Cílem laboratoří je seznámit studenty interaktivní formou se základními bloky průmyslového senzorového systému - od vlastního senzoru přes obvody zpracování signálu, převod analogového signálu na digitální, jeho softwarové zpracování pomocí mikroprocesoru až po odeslání výsledků nadřazenému systému a jejich prezentaci uživateli v rámci konceptu "Internet of Things".

    Prosím, v případě jakýchkoliv dotazů týkajících se předmětu (náplň – forma – znalosti – hodnocení) se neváhejte obrátit na Ing. Vojtěcha Petruchu. Emailem (petruvojATfel.cvut.cz) nebo osobně v lab. 73 (přízemí blok B3 naproti vstupu na FEL). Předpokládaní cvičící předmětu: Ing. Vojtěch Petrucha, Ph.D., doc. Ing. Jan Fischer, CSc., Ing. Tomáš Drábek.

  • Přednášky

    Těžištěm předmětu je práce v laboratoři, pravidelné přednášky nejsou plánovány, ale naopak se nevylučují mimořádné přednášky na související témata podané externími spolupracovníky z průmyslu.

    • Cvičení

      Tři varianty náplně předmětu – podle úrovně znalostí – tak aby měl každý student, bez ohledu na předchozí znalosti, z předmětu užitek, získal nové znalosti a dovednosti a mohl získat známku A.

      a) začátečník – nemá žádné nebo jen minimální zkušenosti s bastlením, programováním jednočipových mikroprocesorů a elektronikou obecně

      b) pokročilý – již navštěvoval nějaký podobný kurz (např. ETC) nebo bastlí doma, rozumí základním zapojením (např. odporový dělič, zesilovač s OZ, tranzistor jako spínač…) Umí vytvořit a odladit jednoduchý program pro jednočipový mikrokontrolér (prostředí Arduino, MBED, obecné C…).

      c) expert – již postavil několik složitějších konstrukcí kombinujících analogovou, digitální a výkonovou elektroniku (a buď je sám navrhl, nebo jim velmi dobře rozumí). Umí pokročile programovat jednočipové mikrokontroléry (například v C).

      Variantu a,b si volí student průběžně volbou úkolů k řešení na každém cvičení. Varianta c - po domluvě se cvičícím na začátku semestru.

      Obecně náplň semestru pro jednotlivé skupiny:

      a) základy elektroniky, použití jednoduchých součástek a zapojení, práce s jednočipovým mikrokontrolérem (práce s nepájivým polem a vývojovým kitem k mikroprocesoru), připojení jednoduchých periferií k MCU (např. blikání s LED diodou na několik způsobů, motory, piezo…), zapájení jednoduchého obvodu na univerzální desce s plošnými spoji, připojení senzoru k PC pomocí převodníku USB-sériový port a vizualizace naměřených dat, stavba základní varianty čáru sledujícího robota s STM32 nebo jiný jednoduchý projekt.

      b) rychlé opakování základů, použití, připojení a programování pokročilých periferií k mikroprocesoru (např. grafický displej, multiplexovaný displej, senzory s analogovým a digitálním rozhraním, komunikační rozhraní – USB, WiFi – práce na nepájivém kontaktním poli), zapájení jednoduchého obvodu na desce plošných spojů. Stavba pokročilé verze čáru sledujícího robota (více senzorů, možnost dálkového ovládání přes WiFi…) nebo práce na jiném složitějším projektu, viz návrhy níže.

      c) po prokázání zvládnutí úrovně b) (ideálně tím, že ji velmi rychle kompletně projede) – možnost práce na individuálním projektu po větší část semestru. Projekt – vlastní idea nebo práce na reálném problému (např. zadaném zaměstnavatelem nebo v rámci katedry měření). Projekt bude obsahovat návrh schéma, desky s plošnými spoji (katedra případně zajistí výrobu), osazení a oživení zapojení, včetně programu pro eventuálně použitý jednočipový mikrokontrolér a PC.

      Pro všechny bude povinná závěrečná prezentace projektu před všemi studenty předmětu (5 minut prezentace, 5 minut dotazy) a odevzdání miniaturní zprávy o projektu (2 strany A4 min, 4 strany A4 max.).

      Proč prezentace? Příprava na prezentaci v rámci individuálního projektu, bakalářské práce, pohovoru ve firmě… Je vhodné procvičovat dovednost sdělit před publikem to podstatné a ideálně poutavou, efektní a efektivní formou. 

      Proč zpráva? Je třeba umět písemně a graficky formulovat problém, popsat řešení, vyzdvihnout pozitivní výsledky, umět „prodat“ svůj produkt. Požadovaný rozsah 2-4 stránky (včetně například obrázků, screenshotů, blokových nebo vývojových diagramů, schémat) by neměl představovat velkou zátěž.

      Projekt – různě obtížný individuálně řešený projekt na kterém se bude pracovat přibližně v poslední třetině předmětu (případně déle viz bod c) níže).  Typicky Nucleo nebo ARM na nepájivém poli, univerzální desce nebo vlastnoručně navržené PCB, které dělá nějakou zajímavou funkci – typicky zpracovává data ze senzoru, zobrazuje a předává je dál, případně ovládá nějaký akční člen.

      Projekt může být založen na platformě "miniRover" - jednoduchá modulová robotická platforma s možností vybavení elektronikou dle vlastního návrhu.

      Další tipy na jednoduché projekty: RGB lampička ovládaná přes WiFi, ovládaná z PC, ovládaná akcelerometrem, ovládaná zvukem (hlasem), ovládaná IR ovladačem…  Jednoduché zabezpečovací zařízení na kolo, meteostanice… Jiný typ robota než ten, který bude k dispozici v rámci předmětu (dvoumotorový podvozek se zadním kolečkem). Zajímavé rozšíření některé úlohy ze semestru...

      Cílem předmětu je seznámit Vás se součástkami, jejich zapojením do obvodů, připojením k mikroprocesoru... Budete používat nepájivé pole i páječku, multimetr, osciloskop (laboratorní přístroj i třeba Váš vlastní, Vámi postavený - viz LEO...). Každý student bude mít k dispozici vlastní set-krabici, se základními komponentami a součástkami, aby mohl (pokud bude chtít) pracovat i mimo laboratoř. 

      zapojení s STM32 na nepájivém kontaktním poli

      Příklad zapojení na nepájivém kontaktním poli - v levé části STM32F042 s USB připojením jako jednoduchý osciloskop nebo voltmetr, vpravo zapojení s IR LED a fototranzistory...

       obrazek virtualniho pristroje - voltmetr a dac

      Screenshoty softwarově definovaných přístrojů využívajících HW v procesorech STM32 (osciloskop, generátor, voltmetr...). 

      Vývojový kit Nucleo od firmy STMicroelectronics, v tomto případě s procesorem STM32F411. Na desce je integrován programátor a debbuger. Pro ladění a komunikaci s PC je také možné využít virtuální sériový port. K dispozici je přístup k GPIO pinům procesoru, vstupům a výstupům časovačů (generování PWM), AD převodníku, externím přerušením a komunikačním rozhraním (USART, I2C, SPI).

      bastl na univerzální desce s plošnými spoji

      Příklad zapojení na univerzální desce s plošnými spoji. Pomocí "adaptérů" lze pracovat i se SMD součástkami v miniaturních pouzdrech (MSOP10).

       

      Příklad čáru sledujícího robota řízeného modulem Nucleo-L432 (st.com). Optický reflexní snímač používá fotodiodu a I/U převodník s operačním zesilovačem a amplitudovou modulaci pro potlačení vlivu okolního osvětlení, dva DC motory jsou řízeny dvojitým H-můstkem (TB6612). Celý robot je napájen z 8 AA článků přes modul spínaného zdroje (přední část s displejem - ukazuje 6.1 V - výstup měniče = palubní napětí pro motory). Na robotovi je i optický infračervený triangulační dálkoměr - který mu umožňuje bezpečně zastavit před překážkou. Podvozek z ebay.com.

       

    • Wiki

      Úvodní informace k předmětu, poznámky k přístrojům a součástkám, základy elektroniky.

      Návod na sestavení zapojení s mikrokontrolerem STM32F046 na nepájivém kontaktním poli.

      Informace k instalaci software pro zapojení s STM32F042 (Windows)

      Datasheety k součástkám se kterými se setkáte během semestru (zip archiv, 25MB).

      Stránka s programy pro STM32F042, drivery, firmware (softwarově definované přístroje a jiné).