Aufbau der Steuerelektronik

Wie dem folgenden Blockbild zu entnehmen ist, besteht die Steuerelektronik des Fahrzeugs aus einer Stromversorgung, die auch den Echtzeitrechner speist, zwei Lichtschranken und zwei Ansteuerungsbloecken fuer die Motoren:

Bei der Auswahl der mechanischen und elektronischen Bauteile standen mehrere Punkte im Vordergrund.

• Verfuegbarkeit der Bauteile
  Die benutzten Teile sollten entweder bei einem ortsansaessigen Haendler oder in einem grossen Versand zu erhalten sein. Auch wurde Wert darauf gelegt, dass sie problemlos wiederzubeschaffen sind.
• geringer Preis
  Sicherlich ein Faktor, der in jede Hardwareentwicklung hineinspielt.
• einfaches Interface zu den anderen Komponenten
  Der Aufbau der Schaltung sollte auf einer Lochrasterplatte erfolgen. Daher sollten so wenig Leitungen wie moeglich gezogen werden muessen.
• geringer Stromverbrauch
  Die Forderung nach Autarkie des Fahrzeugs macht eine Stromversorgung auf Basis eines Akkus noetig, dessen Lebensdauer natuerlich moeglichst gross sein sollte.
• geringes Gewicht
  Spielt sowohl fuer den Stromverbrauch als auch fuer die Endgeschwindigkeit des Fahrzeugs eine Rolle.

Die Vorgaben wurden in dieser Reihenfolge priorisiert. Fuer das Fahrzeug selbst bot sich eine Konstruktion aus Fischertechnik(tm)-Bauteilen an, da diese einfach zu verarbeiten, genuegend stabil und vor allem leicht sind. Als Antrieb wurden zwei spannungsgesteuerte 12V Servomotoren gewaehlt, die durch ein Getriebe drehzahlreduziert werden. Vorgegeben war weiter der Realzeitrechner 80C166 mit dem Betriebssystem PxROS. Die zentrale Aufgabe der Hardware besteht darin, die momentane Drehzahl der Motoren zu erfassen, an den Rechner weiterzuleiten und die errechneten Drehzahlkorrekturen an die Motoren weiterzuleiten.

Schaltplaene

Die Steuerelektronik ist auf einer eigenen Platine untergebracht, die auf dem Fahrzeug aufsitzt. Sie unterteilt sich in fuenf funktionale Bloecke:

• Stromversorgung
• Lichschranken und Impulsgeber (je links und rechts)
• DA-Wandler und Verstaerker (je links und rechts)

Stromversorgung

Mit Hilfe eines Spannungsstabilisators 7805 werden die 5V Betriebsspannungen fuer die Lichtschranken, DA-Wandler und den Echtzeitcomputer erzeugt. Die DA-Wandler und damit die Motoren werden direkt durch die Primaerspannung gespeist. So ist es moeglich, alle auf dem Fahrzeug untergebrachten Komponenten aus einer Quelle zu betreiben. In unserem Modell wird ein dipolarer Operationsverstaerker zur Ansteuerung der Motoren verwendet, wodurch eine symmetrische Spannungsversorgung von -12V zu +12V noetig wird. Die Wahl fiel auf diesen OPAmp, da er optimal auf den DA-Wandler abgestimmt ist. Denkbar waere jedoch auch eine Loesung mit einem unipolaren OPAmp, wodurch sich die Spannungsversorgung geringfuegig vereinfacht.

Lichtschranken und Impulsgeber

Die verwendete Lichtschranke arbeitet im Infrarotbereich und zeichnet sich durch ihre hohe Grenzfrequenz aus. Unterbrochen wird sie durch eine Lochscheibe aus einer handelsueblichen Computer-Maus, die an der Radachse befestigt ist. Diese Scheibe liefert pro Radumdrehung 20 Impulse. Das von dem IR-Sensor gelieferte Signal wird ueber eine Schmitt-Trigger entprellt und in einen binaeren Wert uebertragen, der dann direkt den Event-Controller ansteuern kann.

Zur Funktionsweise der Schaltung: Das von der UV-LED abgegebene Licht faellt auf den Fototransistor und veraendert das Spannungsverhaltnis des Transistor-Spannungsteilers. Der Trimmer dient dazu, den optimalen Arbeitspunkt des Transistors zu justieren. Die Spannung wird im TAA761A mit der an Pin 2 anliegenden Referenzspannung verglichen. Auch diese laesst sich mit einem Trimmer optimal einstellen. Wird der Referenzwert unterschritten, so gibt der TAA761A am Ausgang einen Spannungspegel von 0V (log. 0) aus. Wird er ueberschritten, so liefert der Ausgang 5V (log. 1).

A-Wandler und Verstaerker

Der Prozessor liefert auf den Datenleitungen 0 bis 7 einen 8-Bit-Wert, der von dem DA-Wandler linear in eine Spannung im Bereich 0V bis 12V uebersetzt werden soll, mit der die Motoren angesteuert werden koennen. Da beide AD-Wandler ueber ein Eingangslatch verfuegen, koennen sie abwechselnd ueber diese 8 Bit angesteuert weren. Das Eingangslatch uebernimmt die Steuerdaten vom Prozessor, wenn die Datenleitung 8 (fuer links) bzw. 9 (fuer rechts) von high nach low wechselt. Natuerlich kann man auch beide Latches gleichzeitig mit demselben Wert laden.

Der DA-Wandler wandelt den im Latch gespeicherten Wert in eine Spannung zwischen 0V und 5V um, die durch einen Operationsverstaerker auf einen Pegel von 0V bis 12V erhoeht wird, mit dem dann der Motor betrieben wird. Ein Abgleich erfolgt mit Hilfe der beiden Trimmer: Der obere Trimmer sorgt dafuer, dass der Eingang des Verstaerkers nicht uebersteuert (Referenz). Der untere Trimmer sollte beim maximalen Eingangswert so eingestellt werden, dass amAusgang die gewuenschte Maximalspannung anliegt.

Die Signale der Lichtschranken (LS1, LS2), die 8 Datenleitungen sowie die Select-Leitungen fuer den linken und rechten DA-Wandler (MOT1, MOT2) werden ueber den Konnektor des Echtzeitrechners mit dem 80C166 verbunden:

Niko Gerteis [Fopra Realtime]
Wed Feb 05 20:54:12 CET 1997