UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Uroš Drevenšek UNIVERZALNI SENZOR MAGNETNEGA POLJA Z I2C VODILOM Magistr

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Uroš Drevenšek UNIVERZALNI SENZOR MAGNETNEGA POLJA Z I2C VODILOM Magistrsko delo Maribor, februar 2015

2 UNIVERZALNI SENZOR MAGNETNEGA POLJA Z I2C VODILOM Magistrsko delo Študent: Študijski program: Uroš Drevenšek Študijski program 2. stopnje Mehatronika Mentor FERI: Mentor FS: Lektorica: izr. prof. dr. Vojko Matko izr. prof. dr. Karl Gotlih Mateja Drevenšek, prof. slov.

3

4 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorjema, izr. prof. dr. Vojku Matku in izr. prof. dr. Karlu Gotlihu, za pomoč in vodenje pri nastajanju magistrskega dela. Zahvala gre tudi moji družini, posebej staršema, za vso podporo v času študija. Posebna zahvala gre moji ženi Mateji za vso pomoč, podporo, vzpodbude in strpnost v času mojega študija in nastajanja magistrskega dela. I

5 UNIVERZALNI SENZOR MAGNETNEGA POLJA Z I2C VODILOM Ključne besede: I2C komunikacija, kompas modul CMPS03, merjenje magnetnega polja, senzorji za merjenje magnetnega polja. UDK: : (043.2) Povzetek: Magistrsko delo predstavlja podroben pregled magnetizma, magnetnega polja, zemeljskega magnetnega polja ter metod in senzorjev za merjenje magnetnega polja. Poudarek je na novejših in aktualnih senzorjih ter metodah za merjenje magnetnega polja, ki so danes v širši uporabi. V nadaljevanju so prikazane praktične meritve in preizkusi v okviru merjenja magnetnega polja, tako gostote magnetnega polja, kot smeri magnetnega polja ter podrobna predstavitev, opis in prikaz uporabe I2C komunikacije, ki je v industriji integriranih vezij danes zelo razširjena. Testiranje in praktične meritve so izvedene s pomočjo Hallovega senzorja A1301, kompas modula CMPS03 in komunikacijskega modula USB-I2C. Za vzpostavitev I2C komunikacije med moduloma in računalnikom je uporabljen program USB-I2C Interface. II

6 UNIVERSAL MAGNETIC FIELD SENSOR BASED ON I2C BUS Key words: I2C communication, CMPS03 Compass Module, magnetic field measurement, magnetic field measurement sensors. UDK: : (043.2) Abstract: Master's thesis presents a detailed overview of magnetism, magnetic field, Earth's magnetic field and magnetic field measurement sensors and methods. The emphasis is on recent and current magnetic field measurement sensors and methods, which are today in general use. Further, this master's thesis shows practical measurements and tests within the magnetic field measurement, such as for the magnetic field density, direction of the magnetic field, and introduces detailed presentation, description and demonstration of the use of today s in the industry of integrated circuits widespread I2C communication. Testing and practical measurements were carried out using the A1301 Hall effect sensor, CMPS03 compass module and USB-I2C communication module. The USB-I2C Interface program is used to set up I2C communication between the modules and the computer. III

7 KAZALO KAZALO...iv 1 UVOD TEORETIČNA OZADJA Magnetizem in magnetno polje Magnetni dipol Magnetni navor in magnetna sila Magnetno polje v snoveh Nasičenost magnetnega polja v materialih Zemeljsko magnetno polje Metode merjenja magnetnega polja Senzorji za merjenje magnetnega polja Magneto-impedančni senzorji (GMI) »Fluxgate«merilniki Merilna tuljava Magnetodioda Merilniki magnetnega polja s superprevodnostjo (SQUID) Magnetotranzistor Spin-Valve tranzistor Magnetometri na osnovi magnetostrikcije Protonsko precesijski magnetometri Overhauserjev magnetometer Optično črpalni magnetometer (Optically Pumped Magnetometer) MEMS merilniki magnetnega polja Senzorji na osnovi Hallovega pojava Anizotropni magnetni senzorji s spremenljivo upornostjo (AMR) RAZISKAVA SENZORJEV MAGNETNEGA POLJA Merjenje magnetnega polja s senzorjem A IV

8 3.1.1 Senzor A Meritve s senzorjem A UNIVERZALNI SENZOR MAGNETNEGA POLJA Z I2C VODILOM I2C komunikacija Kompas modul CMPS Senzor Philips KMZ PIC 18F USB-I2C komunikacijski modul FTDI FT232R USB čip PIC 16F Vzpostavitev komunikacije med kompas modulom CMPS03 in USB-I2C komunikacijskim modulom Prvi korak gonilnik Drugi korak vzpostavitev komunikacije Tretji korak branje Četrti korak testiranje Primerljivi senzorji z I2C vodilom Ultrazvočni merilni modul SRF Gonilni modul motorjev MD SKLEP SEZNAM LITERATURE V

9 KAZALO SLIK Slika 2.1: Magnetno polje točkastega magnetnega dipola [48]... 7 Slika 2.2: Način kroženja in spin elektronov vplivata na magnetne lastnosti atomov [19]... 7 Slika 2.3: Magnetizacija paramagnetika kaže v smeri vzbujalnega polja. Sila na paramagnetik v polju je v smeri večje gostote polja. Trajni magnet in paramagnetik se (šibko) privlačita [20]... 8 Slika 2.4: Paramagnetizem [28]... 8 Slika 2.5: Magnetizacija diamagnetika kaže v nasprotni smeri kot vzbujanje ( ). Diamagnetik se odbija od trajnega magneta: sila je v smeri manjše gostote polja [20]... 9 Slika 2.6: Diamagnetizem [28]... 9 Slika 2.7: Zgradba feromagnetnega materiala (z domenami in magnetnimi dipolnimi momenti) [20] Slika 2.8: Feromagnetizem [28] Slika 2.9: Magnetilne krivulje različnih snovi [28] Slika 2.10: Antimagnetik in usmeritve njegovih magnetnih dipolov [20] Slika 2.11: Antimagnetizem [28] Slika 2.12: Magnetni zapis [43] Slika 2.13: Ob prisotnosti magnetnega polja ferofluidi oblikujejo strukture s tipičnimi špicami v obliki ježkov [20] Slika 2.14: Magnetna permeabilnost feromagnetnega materiala prav zaradi nasičenosti doseže maksimum, nato pa začne padati [33] Slika 2.15: Krivulja magnetizacije, ki prikazuje nasičenost 9 različnih feromagnetnih materialov (1. jeklena pločevina, 2. silikon jeklo, 3. lito jeklo, 4. volframovo jeklo, 5. magnetno jeklo, 6. lito železo, 7. nikelj, 8. kobalt, 9. magnetit) [33] Slika 2.16: Shema zemeljskega magnetnega polja [17] Slika 2.17: a) zemeljsko magnetno polje, položaj magnetnih polov in magnetnega ekvatorja (rdeča barva), položaj geografskih polov in geografskega ekvatorja (črna barva); b) konvekcijski tokovi v notranjosti Zemlje (nastaja magnetno polje) [29] Slika 2.18: Magnetna polja a) Zemlje, b) paličastega magneta, c) krožne zanke in d) tuljave [8] Slika 2.19: Shema meritve vodoravne komponente zemeljskega magnetnega polja s kompenzacijo [44] Slika 2.20: Shema vezave izvora, upora ( ) in tuljave pri kompenzacijski metodi [44] Slika 2.21: Shema meritve vodoravne komponente magnetnega polja Zemlje (po Gaussovi metodi) [44] Slika 2.22: Magnetni senzorji in njihova občutljivost [4] Slika 2.23: Osnovna konfiguracija fluxgate merilnika [15] Slika 2.24: Delovanje»fluxgate«merilnikov Slika 2.25: Različne izvedbe merilne dušilke za zaznavanje železnih predmetov [21] Slika 2.26: Notranja ureditev magnetodiode [34] Slika 2.27: Superprevoden merilnik magnetnega polja (SQUID) Slika 2.28: Princip SQUID-a [34] Slika 2.29: a) gradiometer 1. reda, b) planarni gradiometer [14] Slika 2.30: Shema gradiometra 2. reda [23] Slika 2.31: Magnetotranzistor VI

10 Slika 2.32: Prenosna karakteristika Spine-Valve tranzistorja [46] Slika 2.33: Magneto-optični senzor na osnovi Faradayevega efekta [46] Slika 2.34: Optični vlakenski magnetometer Slika 2.35: Primer optično črpalnega magnetometra [46] Slika 2.36: Dva primera MEMS merilnikov magnetnega polja [46] Slika 2.37: Hallov pojav [4] Slika 2.38: Prikaz usmeritve naboja pri Hallovem pojavu [12] Slika 2.39: Wheatstonov mostič s 4 upori [45] Slika 2.40: Karakteristika AMR senzorja [15] Slika 2.41: Princip magneto-uporovnega učinka AMR senzorja [34] Slika 3.1: Senzor A1301 [42] Slika 3.2: Funkcijski blok diagram [42] Slika 3.3: Merilno mesto Slika 3.4: Vzorčni magneti (navadni magnet, magnetna kartica, super-magnet) Slika 3.5: Meritev Slika 4.1: Simbol za I2C protokol [13] Slika 4.2: I2C vodilo s priključenimi napravami [38] Slika 4.3: Start zaporedje (levo) in stop zaporedje (desno) v I2C protokolu [38] Slika 4.4: Prenos bitov [38] Slika 4.5: Pošiljanje bitov [38] Slika 4.6: Kompas modul CMPS03 [37] Slika 4.7: Kalibracija kompas modula CMPS03 [37] Slika 4.8: Poenostavljen prikaz senzorja KMZ51 [30] Slika 4.9: Električna shema senzorja KMZ51 [30] Slika 4.10: Prikaz pinov mikrokrmilnika PIC 18F2321 [32] Slika 4.11: Komunikacijski modul USB-I2C [47] Slika 4.12: Prikaz priključkov komunikacijskega modula USB-I2C [47] Slika 4.13: Prikaz pinov FTDI FT232R USB čipa [9] Slika 4.14: Prikaz pinov mikrokrmilnika PIC 16F687 [31] Slika 4.15: Bit zaporedje branja/pisanja na kompas modul CMPS03 [38] Slika 4.16: Priklop modulov na usb vodilo Slika 4.17: Vklop Com porta Slika 4.18: Zelena dioda začne utripati, kar pomeni, da je modul prejel ukaz oz. smo vklopili Com port 6, na katerega je priklopljen Slika 4.19: Kalibracija kompas modula Slika 4.20: Program nastavljen za modul CMPS Slika 4.21: Kalibracija smeri Slika 4.22: Kalibracija smeri sever Slika 4.23: Kalibracija smeri vzhod Slika 4.24: Kalibracija smeri jug Slika 4.25: Kalibracija smeri zahod Slika 4.26: Kompas modul obrnjen proti vzhodu Slika 4.27: Prednja stran ultrazvočnega merilnega modula SRF08 [50] Slika 4.28: Prikaz priključkov merilnega modula SRF08 [40] Slika 4.29: Prikaz priključkov na gonilnem modulu motorjev MD22 [39] VII

11 KAZALO TABEL Tabela 2.1: Magnetna permeabilnost snovi [3], [26], [28] Tabela 2.2: Razvrstitev snovi glede na magnetne lastnosti [24] Tabela 3.1: Rezultati meritev z navadnim magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V 52 Tabela 3.2: Rezultati meritev z navadnim magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Tabela 3.3: Rezultati meritev z navadnim magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Tabela 3.4: Rezultati meritev z navadnim magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 6 V.. 55 Tabela 3.5: Lastnosti super-magneta [51] Tabela 3.6: Rezultati meritev s super-magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Tabela 3.7: Rezultati meritev s super-magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Tabela 3.8: Rezultati meritev s super-magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Tabela 3.9: Rezultati meritev s super-magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 6 V Tabela 3.10: Rezultati meritev z magnetno kartico v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Tabela 4.1: Registri CMPS03 kompas modula in njihove funkcije [37] Tabela 4.2: Primer spreminjanja I2C privzetih tovarniških naslovov Tabela 4.3: Primer obnovitve tovarniške kalibracije Tabela 4.4: Priključki senzorja KMZ51 [30] Tabela 4.5: Osnovni podatki senzorja KMZ51 [30] Tabela 4.6: Formati vrnjenih bitov [47] Tabela 4.7: Ukazi za izklop LED-diode [47] Tabela 4.8: Analogne vrednosti Tabela 4.9: Oblika vrnjenih analognih podatkov Tabela 4.10: Rezultati meritev usmeritve kompas modula CMPS Tabela 4.11: Registri ultrazvočnega merilnega modula SRF08 [40] Tabela 4.12: Opisi registrov gonilnega modula motorjev MD22 [39] Tabela 4.13: Načini delovanja gonilnega modula motorjev MD22 [39] VIII

12 KAZALO GRAFOV Graf 3.1: Prikaz rezultatov meritev z navadnim magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Graf 3.2: Prikaz rezultatov meritev z navadnim magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Graf 3.3: Prikaz rezultatov meritev z navadnim magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Graf 3.4: Prikaz rezultatov meritev z navadnim magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 6 V Graf 3.5: Prikaz rezultatov meritev s super-magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Graf 3.6: Prikaz rezultatov meritev s super-magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Graf 3.7: Prikaz rezultatov meritev s super-magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V 59 Graf 3.8: Prikaz rezultatov meritev s super-magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 6 V 60 Graf 3.9: Prikaz rezultatov meritev z magnetno kartico v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V IX

13 SEZNAM UPORABLJENIH SIMBOLOV ploščina zanke (ploskev), kompenzacija dejavnika polja tuljave, gostota magnetnega polja (pretoka) (enota T, tesla), gostota magnetnega polja v praznem prostoru, smer gostote magnetnega pretoka, smer gostote magnetnega polja paličastega magneta, smer rezultante obeh magnetnih polj ( in ), gostota magnetnega polja v sredini tuljave, smer magnetnega polja tuljave, gostota neznanega magnetnega polja (tuljave), smer neznanega magnetnega polja, jakost zemeljskega magnetnega polja, električni naboj, magnetna sila (enota N, newton), frekvenčni spekter, resonančna frekvenca, jakost magnetnega polja (enota A/m, SI sistem), višina valja, Plancova konstanta, tok (enota A, amper), smer toka, kompenzacijska tuljava, flip tuljava, najmanjši priporočen flip tok, tok na robu zanke, vztrajnostni moment, konstanta, dolžina tuljave, dolžina vodnika, magnetni navor, smer zunanjega magnetnega polja(magnetizacija), smer magnetnega navora, moment točkastega magnetnega dipola, masa magneta, masa atoma, število ovojev na tuljavi, n-del del polprevodniške diode z nedopiranim silicijem z negativnim potencialom, magnetni moment paličastega magneta, smer momenta paličastega magneta, magnetni dipolni moment, p-del del polprevodniške diode z dopiranim pozitivnim potencialom, p-n spoj polprevodniške diode, X

14 S Uizh Uvh δ φ χ upornost, sprememba upornosti, upornost mostiča, kompenzacija upornosti tuljave, upornost flip tuljave, največja upornost, najmanjša upornost, radij = polmer ( pomeni premer), občutljivost (nekompenzirana), občutljivost (izražena z mv/g), najkrajše trajanje flip impulza, izhodna napetost, vhodna napetost, izhodna napetost mostiča, napajalna napetost mostiča (vhodna napetost), Hallova napetost, skalarni magnetni potencial točkastega magneta, offset napetost, izhodna napetost, sprememba napetosti, izhodna napetost magnetnega polja smeri jug, izhodna napetost magnetnega polja smeri sever, izhodna napetost v odvisnosti od temperature prostora, izhodna napetost v odvisnosti od temperature, sprememba izhodne napetosti mirujočega stanja v odvisnosti od spremembe temperature prostora (je enaka polovici vhodne napetosti), hitrost, kot smeri rezultante magnetnega polja dipolnega magneta in magnetnega polja Zemlje, kot vrtenja tuljave, kot med smerjo toka in smerjo magnetnega polja, tangens kota, sinus kota, permeabilnost praznega prostora, relativna permeabilnost, susceptibilnost, divergenca, krožna frekvenca. Enote: A B = bajt Bd = baud b = bit cm enota za tok (amper), enota za količino podatkov, 1 bajt = 8 bitov, enota za hitrost prenosa znakov na sekundo, 1 Bd = 1 bit/s, osnovna in najmanjša enota informacije, enota za dolžino (centimeter), XI

15 ft enota za merjenje šuma magnetnega polja (območje občutljivosti) (ft = nt = T), G enota za gostoto magnetnega polja B v CGS sistemu enot (gauss), (1G = T = 100 μt), g enota za maso (gram), Hz enota za frekvenco (herc), khz kiloherc ( Hz), km enota za dolžino (kilometer), kω enota za upornost (kiloohm), MBd enota za hitrost prenosa znakov na sekundo (megabaud), MHz megaherc ( Hz), m enota za dolžino (meter), ms enota za čas (milisekunda), ma enota za tok (miliamper), mv enota za električno napetost (milivolt), mw enota za električno moč (miliwatt), N enota za magnetno silo (newton), nt enota za merjenje šuma magnetnega polja (območje občutljivosti), Oe enota pomožnega magnetnega polja H v CGS sistemu enot (oersted), pt enota za merjenje šuma magnetnega polja (območje občutljivosti) (pt = T), s enota za čas (sekunda), T enota za gostoto magnetnega polja, SI sistem (tesla), (1 T = G in 1 T = 1 N/Am = 1 Vs/m 2 ), V enota za električno napetost (volt), W enota za električno moč, enota za merjenje kotov (stopinja), C enota za temperaturo (stopinja Celzija), enota za izhodni tok (mikroamper), µs enota za čas (mikrosekunda), Ω enota za upornost (ohm). Kemijski simboli in spojine: Al aluminij, Bi bizmut, Co kobalt, Cu baker, Fe železo, železov oksid, HF fluorovodikova kislina, H 2 O voda, Mo molibden, Ni nikelj, permalloy zlitina niklja (Ni = 80 %) in železa (Fe = 20 %), Pt platina, supermalloy zlitina niklja (Ni = 75 %), železa (Fe = 20 %) in molibdena (Mo = 5 %), Tb terbij. XII

16 SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC AC ACK bit AMR AV AVCC bit CMD CMOS COM PORT CPU DC EEPROM ESD EUSART FIFO GMI GMN GMR Gnd/GND I/O I2C LED LPT LSB MEMS MOSFET MR MSB NOE OTP PCB PIC PWM SQUID RC RISC Alternating Current; izmenični tok acknowledge bit; potrditveni bit Anisotropic Magnetoresistive sensor; anizotropni magnetni senzor audio-video area; avdio-video področje supply voltage for AD converter; napajanje AD pretvornika binary digit; binarno število, bit je enota informacije command; ukaz Complementary Metal-Oxide Semiconductor; tehnologija uporabljena pri izgradnji mikroprocesorjev com port; vmesnik Central processing unit; centralna procesna enota Direct Current; enosmerni tok Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; električno zbrisljiv in programirljiv bralni pomnilnik Electrostatic discharge protection; elektrostatična zaščita Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter; izboljšan iniverzalni sinhrono-asinhroni sprejemnik in oddajnik First in, first out; način računalniške obdelave podatkov, kjer se najprej obdelajo podatki, ki so bili vneseni prvi Giant magneto-impedance; magneto-impedančni senzorji Geomagnetic noise; šum zemeljskega magnetnega polja Giant Magnetoresistance; velika magneto-upornost Ground; ozemljitev Input/Output; vhod/izhod Inter-Integrated Circuit; notranje integrirano vezje light-emitting diode; svetleča dioda Parallel port; vzporedna vrata, tip vmesnika za priključitev zunanjih naprav least significant bit; najmanj pomemben bit Micro Electro Mechanical Systems; mikro elektro-mehanski sistemi Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor; polprevodniški tranzistor z učinkom električnega polja Magnetoresistance; magneto-upornost Most significant bit; najpomembnejši bit Nuclear Overhauser Effect; jedrski Overhauserjev efekt one-time programmable device; enkrat programirljive naprave Printed Circuit Board; tiskano vezje Programmable Interface Controller; programirljiv mikrokrmilnik Pulse-width modulation; pulzno-širinska modulacija Superconducting Quantium Interference Device; kvantni interferometer Radio controlled; radijsko nadzorovan Reduced Instruction Set Computer; tip mikroprocesorjev z relativno manjšim naborom ukazov XIII

17 R/W SCL SDA SPI TTL UART USB VDC read/write; branje/pisanje Serial Clock; serijska ura Serial Data; serijski podatek Serial Peripheral Interface Bus; serijski periferni vmesnik Time to live or hop limit; mehanizem, ki omejuje življenjsko dobo podatkov v računalniku ali omrežju Universal Asynchronic Receiver/Transmitter; univerzalni asinhroni serijski sprejemnik in oddajnik Universal Serial Bus; univerzalno serijsko vodilo Volt, Direct Current; volt, enosmerni tok XIV

18 1 UVOD Magnetizem je eden izmed zelo pomembnih fizikalnih pojavov. Navzoč je v vseh snoveh, vendar je v nekaterih snoveh tako šibek, da ga brez posebnih priprav ne moremo zaznati. Posebej v znanosti in industriji se pogosto pojavi potreba po merjenju gostote in smeri magnetnega polja posameznih naprav in predmetov in ne nazadnje tudi zemeljskega magnetnega polja. Za merjenje magnetnega polja obstaja veliko različnih senzorjev, ki se razlikujejo glede na namen uporabe in zahtevane občutljivosti senzorja ter natančnosti meritve. Za večjo uporabnost senzorjev je zaželeno, da imajo možnost enostavne povezave z drugimi komponentami in sistemi. V elektroniki je ena izmed najbolj razširjenih in uporabnih komunikacijskih povezav I2C povezava, za katero od leta 2006 ni več potrebno plačevati licence, zaradi česar je še bolj dostopna. I2C (Inter-Integrated Circuit) pomeni notranje integrirano vezje. Že samo ime pove njegov namen, ki je medsebojna povezava integriranih vezij. Danes je vodilo v industriji integriranih vezij široko sprejeto, saj so si ga priredili mnogi izdelovalci le-teh. I2C vodilo za povezavo med napravami uporablja dve žici, eno za serijsko podatkovno linijo SDL (Serial Data Line) in drugo za serijsko časovno linijo SCL (Serial Clock Line). Na tem področju obstaja zelo malo gradiva, ki bi na enem mestu zajemalo tako podrobna teoretična ozadja kot tudi praktične preizkuse. Zato smo v raziskavi, ki je osnova tega magistrskega dela, najprej opravili podroben študij ozadja magnetizma, magnetnih pojavov in magnetnega polja ter zemeljskega magnetnega polja. Potem smo preučili metode merjenja magnetnega polja ter opravili pregled senzorjev magnetnega polja, vendar smo se osredotočili na aktualnejše senzorje, ki so danes v širši uporabi. Nato smo se lotili praktične raziskave senzorjev magnetnega polja, v okviru katere smo opravili meritve s Hallovim senzorjem A1301. Rezultate meritev raziskave smo prikazali v obliki tabel in grafov. Te meritve smo opravili že v okviru študijskega projekta. Nato smo se z namenom predstavitve in praktičnega preizkusa senzorja, ki je sposoben izmeriti tudi smer zemeljskega magnetnega polja in hkrati podpira I2C komunikacijo z 1

19 drugimi napravami ter ima možnost povezave z računalnikom preko USB vhoda, lotili raziskave v to smer. Za raziskavo smo uporabili kompas modul CMPS03, ki deluje na osnovi Philipsovega AMR senzorja KMZ51. Najprej smo podrobno raziskali I2C komunikacijo. Nato smo modul CMPS03 preko USB-I2C modula priključili na računalnik in vzpostavili komunikacijo, ki je potekala v štirih korakih. Namestili smo gonilnike, opravili priključitev za vzpostavitev komunikacije, nato smo omogočili branje podatkov iz modula ter nazadnje še testirali delovanje modula s pomočjo programa USB-I2C Interface. Potek postopka priključitve in meritve smo prikazali slikovno, rezultate pa v obliki tabel. V zadnjem poglavju smo raziskali in predstavili primerljive senzorje, delujoče na osnovi I2C vodila, ki delujejo podobno kot kompas modul CMPS03 in jih je s tem modulom možno enostavno povezati in implementirati v skupni sistem oziroma napravo, kar je danes izredno pomembno. 2

20 2 TEORETIČNA OZADJA V začetku magistrskega dela smo raziskali teoretična ozadja magnetizma in magnetnih pojavov, da smo utrdili osnove za boljšo raziskavo v nadaljevanju. Opisali smo magnetizem in magnetno polje ter magnetno polje Zemlje. Nato smo opisali metode merjenja magnetnega polja ter senzorje za merjenje magnetnega polja. 2.1 MAGNETIZEM IN MAGNETNO POLJE Magnetizem je fizikalni pojav, za katerega bi lahko dejali, da je prisoten v prav vseh snoveh; v nekaterih bolj, v nekaterih manj. Snovi med seboj imajo lahko privlačno ali odbojno silo. Magnetizma pa ne moremo zaznati v prav vseh stvareh, saj se ponekod pojavi v izredno majhni količini in ga brez posebnih naprav ne gre zaznati. Močan je predvsem v železu in vseh jeklih ter v mineralu magnetit. Magnetno polje se ustvarja z gibanjem nabitih delcev [49]. Magnetno polje je določeno z gostoto magnetnega polja in je prostor okrog trajnih vodnikov ali magnetov. Po njih teče električni tok, v njem pa se nahajata magnetni navor in magnetna sila. Magnetno polje sestavljajo silnice. Silnice magnetnega polja imajo zaključene zanke (redko potekajo iz neskončnosti v neskončnost), s tem ko imajo silnice električnega polja izvor na pozitivnem, ponor pa na negativnem naboju. Na podlagi tega magnetno polje poimenujemo kot brezizvorno, teorija brezizvornosti pa sovpada z matematičnim pogojem, da mora biti v vsaki točki prostora divergenca gostote magnetnega polja enaka nič. O tem pojavu govori sledeča Maxwellova enačba [25]: (2.1) Tu je: divergenca, gostota magnetnega polja. 3

21 Do tega nenavadnega pojava v magnetnem polju pride zaradi tega, ker je gostota magnetnega polja psevdovektor (ni pravi vektor) in je v bistvu vektorski produkt dveh pravih vektorjev ter je lahko definirana z Lorentzovo silo. Pravi vektorji in psevdovektorji se razlikujejo kar se tiče simetrijskih lastnosti, saj se psevdovektorjem spremeni predznak, to pa se zgodi pri nepravih rotacijah koordinatnega sistema [25] MAGNETNI DIPOL Magneti imajo zmeraj južni in severni pol magnetni dipol, na katerega v magnetnem polju deluje navor, ki v smeri magnetnega polja nenehno poskuša usmeriti magnetni dipol. Navor je odvisen od magnetnega momenta dipola in gostote magnetnega polja. Na magnetnico v kompasu, ki predstavlja zgled za indukcijo, deluje magnetno polje Zemlje, saj jo nenehno usmerja v smeri proti magnetnima poljema Zemlje [25] MAGNETNI NAVOR IN MAGNETNA SILA Vektorski produkt magnetnega dipolnega momenta predstavlja magnetni navor [35]: in gostote magnetnega polja (2.2) Tu je: magnetni navor, magnetni dipolni moment, gostota magnetnega polja. Gostoto magnetnega polja izrazimo z enoto: 1 N/Am = 1 Vs/m 2 = 1 T (tesla). Silo, s katero magnetno polje deluje na vodnik (po njem teče električni tok), imenujemo magnetna sila in jo lahko izrazimo z naslednjo enačbo, kjer je vodnik dolžine l, po katerem teče tok I in deluje v homogenem magnetnem polju z gostoto [20], [25]: 4

22 . (2.3) Tu je: magnetna sila, tok, dolžina vodnika, gostota magnetnega polja. Sila, s katero magnetno polje deluje na vodnik, je pravokotna na smer gostote magnetnega polja in smer vodnika. Kot med smerjo toka in smerjo magnetnega polja ima pomembno vlogo, saj je magnetna sila na vodnik od njega odvisna. Na magnetno silo vpliva pravokotna komponenta smeri gostote magnetnega polja. Silo, ki deluje na električni naboj e, ki se v magnetnem polju z gostoto, lahko izrazimo z naslednjo enačbo [20], [25]: giblje s hitrostjo (2.4) Tu je: sila, električni naboj, hitrost gostota magnetnega polja MAGNETNO POLJE V SNOVEH Od relativne permeabilnosti snovi ( ) in gostote magnetnega polja v praznem prostoru ( ) je odvisna gostota magnetnega polja v snovi (označujemo jo z ). Relativno permeabilnost lahko določimo le empirično, torej na osnovi meritve [27]. Relativna permeabilnost je odvisna od atomske zgradbe posamezne snovi in neodvisna od jakosti magnetnega polja (izjema pa so vsi feromagnetiki). Za razlago pojavov v elektrotehniki si še vedno lahko pomagamo z Bohrovim modelom atoma, kateri pa v 5

23 jedrski fiziki zaradi svoje zastarelosti že nekaj časa ni v uporabi. Bohrov model atoma govori o kroženju elektronov okoli jedra atoma ter o sočasnem kroženju istih elektronov okrog svoje osi (kar poimenujemo spin), oboje pa lahko smatramo kot moment točkastega magnetnega dipola, saj je atom tako zelo majhen. Moment točkastega magnetnega dipola je definiran z naslednjo enačbo [20], [28]: Tu je: moment točkastega magnetnega dipola, tok na robu zanke, ploščina zanke. Spremenljivka predstavlja ploščino zanke, pa tok, ki teče po robu zanke. Kroženje jedra okoli svoje osi prav tako prispeva k momentu točkastega dipola. Slednjega Bohrov model atoma tudi predvideva, ampak moment zaradi počasne rotacije (v primerjavi s prejšnjima dvema) lahko zanemarimo. Skalarni magnetni potencial točkastega dipola izrazimo z [48]: (2.6) Tu je: skalarni magnetni potencial točkastega magneta, tok, polmer, ploskev. 6

24 Slika 2.1: Magnetno polje točkastega magnetnega dipola [48] Magnetni poli so s pomočjo zunanjega magnetnega polja usmerjeni tako, da je pretok skoznje čim večji. Ravnotežje med momenti zaradi spina in momenti zaradi kroženja elektronov je za magnetne lastnosti odločilnega pomena, saj je rezultanta vseh teh momentov enaka magnetnemu polju v snovi [28]. Slika 2.2: Način kroženja in spin elektronov vplivata na magnetne lastnosti atomov [19] Snovi v fiziki lahko razdelimo na paramagnetike in diamagnetike. Paramagnetiki (slika 2.3) so na primer kisik, aluminij, platina, volfram, mangan, zrak, razne soli, oksidi in drugi in so tisti elementi, pri katerih prihaja do neravnotežja momentov zaradi spina in kroženja elektronov, njihovo magnetno polje pa se v notranjosti poveča ter velja, da je relativna permeabilnost malenkost večja od 1 (μ r > 1). Diamagnetiki pa so na primer zlato, grafit, 7

25 voda, bizmut, germanij in drugi in so tiste snovi, kjer prihaja do kombinacije spina in momenta kroženja elektronov na takšen način, da ni rezultančnega momenta. Vpliv spina se tako izniči, vpliv kroženja elektronov pa zelo zmanjša k obojemu pripomore vpliv zunanjega magnetnega polja. Sledi, da je magnetno polje znotraj take snovi manjše od magnetnega polja v praznem prostoru (slika 2.5). Relativna permeabilnost je torej manjša od 1 (μ r < 1) [20], [28]. Če ob diamagnetik postavimo močen trajni magnet, se bo med njima razvila odbojna sila (neodvisno od pola magneta). O tem je že leta 1846 govoril Michael Faraday, in sicer na primeru bizmuta (relativna permeabilnost 0,99983) [20]. Slika 2.3: Magnetizacija paramagnetika kaže v smeri vzbujalnega polja. Sila na paramagnetik v polju je v smeri večje gostote polja. Trajni magnet in paramagnetik se (šibko) privlačita [20] Paramagnetizem pomeni šibko obliko magnetizma. Magnetizacija je smer zunanjega magnetnega polja in je sorazmerna magnetni poljski jakosti, kar vidimo na sliki 2.4 [28]. Slika 2.4: Paramagnetizem [28] 8

26 Slika 2.5: Magnetizacija diamagnetika kaže v nasprotni smeri kot vzbujanje ( ). Diamagnetik se odbija od trajnega magneta: sila je v smeri manjše gostote polja [20] Diamagnetizem pomeni šibko magnetizacijo snovi. Ta nasprotuje zunanjemu magnetnemu polju. Če imamo pozitivno vrednost, bo vrednost negativna (prikazano na sliki 2.6). Slika 2.6: Diamagnetizem [28] Snovi se v elektrotehniki delijo na feromagnetike (slika 2.7) in neferomagnetike. V skupino feromagnetikov spadajo železo, kobalt, nikelj, samarij ter vsi njihovi oksidi. Skupine atomov se zaradi vpliva jedrskih sil v feromagnetikih lokalno uredijo in zavzamejo isto smer, kar z drugo besedo imenujemo feromagnetizem. Takim področjem rečemo domene, velike so med kvadratnim milimetrom in kvadratnim centimetrom ter na začetku medsebojno neurejene, zaradi česar ne vplivajo na magnetno polje zunaj feromagnetika. Ko nanje vpliva zunanje magnetno polje, se začnejo urejati, kot posledica pa se magnetno polje znotraj snovi zelo poveča (več tisočkrat ali celo milijonkrat bolj kot v paramagnetikih). Domene ostanejo urejene tudi po prenehanju delovanja zunanjega 9

27 magnetnega polja, saj se njegov vpliv ohranja, zato je za feromagnetike značilen predvsem pojav zaostalega magnetizma oz. histereze. Zraven feromagnetikov pa poznamo še neferomagnetike, ki so snovi, v katerih, v primerjavi z magnetnim poljem v praznem prostoru, sprememba magnetnega polja ni velika [20], [28]. Slika 2.7: Zgradba feromagnetnega materiala (z domenami in magnetnimi dipolnimi momenti) [20] Pri feromagnetikih magnetizacija sovpada s smerjo zunanjega magnetnega polja. Vrednost magnetizacije je zelo velika in hitro prehaja v nasičenje (že pri majhnih vrednostih magnetne poljske jakosti), kar je izraženo na sliki 2.8 [28]. Slika 2.8: Feromagnetizem [28] Na sliki 2.9 vidimo magnetilne krivulje feromagnetika, paramagnetika in diamagnetika ob konstantni gostoti magnetnega pretoka [28]. 10

28 Slika 2.9: Magnetilne krivulje različnih snovi [28] Obstajajo pa še druge snovi s posebnimi magnetnimi lastnostmi. Sem spadajo t. i. antimagnetiki (na primer manganov oksid), za katere je značilno, da je usmeritev njihovih magnetnih dipolov zaradi vpliva zunanjega magnetnega polja postavljena tako, da je magnetno polje v njih enako približno nič (slika 2.10). Posebna vrsta antimagnetikov so ferimagnetiki, ki so po magnetnih lastnostih podobni feromagnetikom. Posebnost ferimagnetikov je ta, da rezultanta magnetnih dipolskih momentov v notranjosti (zaradi vpliva zunanjega magnetnega polja) ni enaka nič, čeprav imajo tudi ti nasprotno usmerjene magnetne momente. Mednje spadajo feriti, ki imajo v elektrotehniki pomembno vlogo, saj imajo zelo majhno električno prevodnost (ni takšnih izgub zaradi ohmskih tokov pri višjih frekvencah). Ferimagnetike lahko srečamo tudi v naravi; na primer magnetit (železov oksid ) [20], [28]. Slika 2.10: Antimagnetik in usmeritve njegovih magnetnih dipolov [20] 11

29 Antimagnetiki imajo šibek magnetizem, podoben paramagnetikom. Njihova susceptibilnost je majhna in pozitivna. Potek temperaturne odvisnosti od susceptibilnosti vidimo na sliki 2.11 [28]. Slika 2.11: Antimagnetizem [28] Poznamo tudi supermagnetike. Ti se uporabljajo pri izdelavi magnetnih nosilcev podatkov, kot so na primer avdio in video trakovi ter diski. Vsebujejo feromagnetne delce ločene z neferomagnetno snovjo, torej so v bistvu feromagnetiki vmešani v dielektričen material. Tako kot paramagnetiki, tudi supermagnetiki nimajo histereznih lastnosti. Kljub delovanju zunanjega magnetnega polja je možen vpliv na vsako domeno posebej, saj domene ostanejo ločene [20], [28]. Vir energije za sekundarne spominske enote, kot so trakovi ali diski, ni potreben. Ko želimo nanje nekaj zapisati, skozi tuljavo z navitjem steče tok. Takrat se magnetno polje generira (s pomočjo električnega signala, ki nosi zapis informacije) in lokalno namagneti magnetni film. Ko pa želimo z njega prebrati, se zaradi drsenja tuljave po filmu preko namagnetenega področja inducira električni tok, katerega s pomočjo elektronike prevedemo v informacijo (trakovi ali, gostota zapisa bit/mm in diski CoCrTa ali CoPtCr, gostota zapisa bit/mm). Zapis in branje sta prikazana na sliki Efekt magnetoupornosti se izrablja v novejših enotah [43]. 12

30 Slika 2.12: Magnetni zapis [43] V to skupino spadajo tudi t. i. ferofluidi, ki so koloidne raztopine z feromagnetnimi ali ferimagnetnimi delci nanometrskih dimenzij (npr. 10 nm). V ferofluidih polje ni prisotno, ob prisotnosti magnetnega polja pa oblikujejo strukture s tipičnimi špicami v obliki ježkov, ki jih vidimo na sliki 2.13 [20]. Slika 2.13: Ob prisotnosti magnetnega polja ferofluidi oblikujejo strukture s tipičnimi špicami v obliki ježkov [20] 13

31 Tabela 2.1: Magnetna permeabilnost snovi [3], [26], [28] SNOV, MATERIAL Magnetna permeabilnost (μ) supermalloy (zlitina Ni (75 %), Fe (20 %), Mo (5 %)) silikonsko GO jeklo ferit T železo (Fe) 5000 ferit N ferit M nikelj (Ni) 600 kobalt (Co) 250 ferit U60 8 platina (Pt) 1, aluminij (Al) 1, zrak 1, voda (H 2 O) 0, baker (Cu) 0, bizmut (Bi) 0,99983 SNOVI Tabela 2.2: Razvrstitev snovi glede na magnetne lastnosti [24] Susceptibilnost (χ) v odvisnosti od gostote magnetnega pretoka (B) Odvisnost od temperature Histereza Primer snovi Susceptibilnost (χ) Diamagnetiki ne ne ne voda (H 2 O) Paramagnetiki ne da ne aluminij (Al) Feromagnetiki da da da železo (Fe) 3000 Antiferomagnetiki da da da Terbij (Tb) 9.51E-02 Ferimagnetiki da da da MnZn (Fe 2 O 4 )

32 2.1.4 NASIČENOST MAGNETNEGA POLJA V MATERIALIH Do nasičenosti pride pri nekaterih magnetnih materialih. Stanje nasičenosti je doseženo, ko povečevanje zunanjega magnetnega polja nadalje ne povečuje magnetizacije materiala, tako se tudi skupna gostota magnetnega pretoka več ne povečuje toliko (vendar še vedno zelo počasi narašča zaradi permeabilnosti vakuuma). To je značilno predvsem za feromagnetne in ferimagnetne materiale, kot so železo, kobalt, nikelj in njihove zlitine. Nasičenost je najjasneje razvidna iz krivulje magnetizacije snovi (imenovane tudi BH krivulja ali histerezna krivulja), in sicer kot upogibanje na desni strani krivulje (slika 2.15). Z večanjem polja, se polje približa največji asimptotični vrednosti, ravni nasičenosti za snov oz. zgornjega nasičenja. Magnetno polje torej še vedno narašča, vendar na paramagnetni stopnji, ki je 3 rede magnitude manjša od feromagnetne stopnje [33]. Razmerje med magnetnim poljem in magnetnim poljem se lahko izrazi tudi kot magnetna permeabilnost (prepustnost): ali relativna permeabilnost, kjer pomeni permeabilnost vakuuma. Permeabilnost feromagnetnih materialov (na sliki 2.14 označena kot ) ni konstantna, ampak je odvisna od. V nasičenih materialih se relativna permeabilnost poveča s (največ) do maksimuma, nato pa se približuje obrnjeni nasičenosti in se zmanjšuje proti ena, kar je prikazano na sliki Slika 2.14: Magnetna permeabilnost feromagnetnega materiala prav zaradi nasičenosti doseže maksimum, nato pa začne padati [33] 15

33 Različni materiali imajo različne stopnje nasičenosti. Na primer: železove zlitine visoke permeabilnosti, ki se uporabljajo v transformatorjih, dosežejo magnetno nasičenje pri 1,6 2,2 enotah tesla (T), medtem ko so feriti nasičeni pri 0,2 0,5 T. Nekatere amorfne zlitine dosežejo nasičenost pri 1,2 1,3 T. Zlitina niklja in železa je nasičena na okoli 0,8 T. Feromagnetni materiali (npr. železo) so sestavljeni iz mikroskopskih regij, imenovanih magnetne domene, ki delujejo kot drobni trajni magneti, ki lahko spremenijo svojo smer magnetizacije. Preden se zunanje magnetno polje nanese na material, je njegovo magnetno polje usmerjeno naključno, dejansko se med seboj izključuje, in je zato zanemarljivo majhno. Ko pa se zunanje magnetno polje na material nanese, vanj prodre in usklajuje domene ter povzroči, da se drobna magnetna polja obrnejo in uskladijo vzporedno z zunanjim poljem skupaj ustvarijo veliko magnetno polje, ki sega izven materiala. To se imenuje magnetizacija. Močnejše je zunanje magnetno polje, več domen se poravna, posledično pa je višji tudi magnetni pretok. Nasičenost se pojavi, ko so praktično vse domene poravnane, tako da nadaljnjo povišanje ne more dodatno povečati, oz. ne more povzročiti nadaljnjih poravnav domen. Nasičenost omejuje maksimalno magnetno polje v feromagnetnih jedrih elektromagnetov in transformatorjev na približno 2 T, ki postavlja mejo na minimalno velikost njihovih jeder. To je eden od razlogov, zakaj so električni motorji visokih zmogljivosti, generatorji in pomožni transformatorji zelo veliki; ker morajo vsebovati velika magnetna jedra. Nasičenost pa se v nekaterih elektronskih napravah celo izkorišča. Nasičenost se izkorišča za omejevanje toka v zasičenih jedrih nekaterih transformatorjev, ki se uporabljajo npr. za obločno varjenje ter pri feroresonantnih transformatorjih, ki služijo kot regulatorji napetosti. Ko primarni tok preseže določeno vrednost, je jedro potisnjeno v svoje nasičeno območje, kar omejuje nadaljnje povečanje sekundarnega toka. Nasičena jedra induktorjev in magnetni ojačevalniki za nadzor impedance induktorja uporabljajo enosmerni tok skozi ločeno navijanje (tuljavo) [33]. 16

34 Slika 2.15: Krivulja magnetizacije, ki prikazuje nasičenost 9 različnih feromagnetnih materialov (1. jeklena pločevina, 2. silikon jeklo, 3. lito jeklo, 4. volframovo jeklo, 5. magnetno jeklo, 6. lito železo, 7. nikelj, 8. kobalt, 9. magnetit) [33] 2.2 ZEMELJSKO MAGNETNO POLJE Zemeljsko magnetno polje nastane zaradi električnih tokov v tekočem delu jedra planeta. Njegova jakost se po površini Zemlje zelo spreminja in se giblje med 20 in 50 A/m. Silnice magnetnega polja potekajo v smeri od južnega geografskega pola proti severnemu polu Zemlje, kar vidimo na sliki Geografska in magnetna os ne sovpadata, tako se tudi magnetni pol ne ujema z geografskim (slednji je definiran z rotacijsko osjo Zemlje); iz tega sledi, da magnetne silnice ne kažejo natančno na sever. Natančneje, med njima prihaja do razlike 11,5 [17]. 17

35 Slika 2.16: Shema zemeljskega magnetnega polja [17] Razlika med geografsko in magnetno osjo naj bi po najnovejših meritvah znašala celo 15, saj smer magnetnega dipolnega momenta Zemlje ni stabilna in se vsako leto spremeni za nekje 0,1 [10]. Sestava Zemlje je razdeljena na tri dele, in sicer: v središču se nahaja jedro, okrog njega plašč, na površini pa skorja. Jedro se deli na: zunanje jedro, ki se razteza na globini med 2800 in 5000 km ter ga sestavljata predvsem nikelj in železo, zraven pa najdemo tudi žveplo, silicij in kisik; in na notranje jedro, ki je zelo gosto, sestavljeno iz niklja in železa ter je izredno dober prevodnik elektrike. V središču Zemlje se torej, kot posledica vrtenja Zemlje okrog svoje osi, ustvarjajo krožni električni tokovi (na sliki 2.17 b), kateri vplivajo na sam nastanek magnetnega polja [22], [11]. Iz severnega magnetnega pola izvirajo magnetne silnice magnetnega polja Zemlje, vendar je potrebno poudariti, da se severni magnetni pol nahaja zelo blizu južnega pola Zemlje oz. južnega geografskega pola. In obratno, te silnice nato poniknejo blizu severnega pola Zemlje (severni geografski pol), in sicer v t. i. južni magnetni pol Zemlje. To je vidno na slikah 2.17 a in 2.18 a [10], [20]. 18

36 a) b) Slika 2.17: a) zemeljsko magnetno polje, položaj magnetnih polov in magnetnega ekvatorja (rdeča barva), položaj geografskih polov in geografskega ekvatorja (črna barva); b) konvekcijski tokovi v notranjosti Zemlje (nastaja magnetno polje) [29] Gostota magnetnega polja Zemlje je vektor, vsak vektor pa ima svojo velikost in smer. Gostota magnetnega polja povsod na zemeljski površini ni enaka, saj se lahko spreminja med 20 µt in 70 µt, merimo pa jo z magnetometri. To so v bistvu senzorji, ki zaznavajo jakost magnetnega polja. Gostota magnetnega polja je največja ob zemeljskih polih (na severnem magnetnem polu 70 µt, na južnem pa 60 µt) in pada v smeri ekvatorja. Zato je ob magnetnem ekvatorju vrednost gostote magnetnega polja najnižja in znaša okrog 25 µt [11], [22]. a) b) c) d) Slika 2.18: Magnetna polja a) Zemlje, b) paličastega magneta, c) krožne zanke in d) tuljave [8]. 19

37 Kot lahko opazimo na sliki 2.18 a in b, silnice magnetnega polja paličastega magneta in magnetnega polja Zemlje potekajo na podoben način; s tem ko s sestavljanjem tokovnih zank v tuljavo lahko celo prikažemo potek magnetnega polja paličastega magneta, v razlago samega magnetnega polja pa je potrebno zajeti tudi električne tokove, ki potekajo v notranjosti Zemlje. Tako t. i. konvekcijske tokove v notranjosti Zemlje predstavlja ravno tok po zankah, ki na eni strani v zanko vstopajo, na drugi pa iz nje izstopajo ter okrog nje ustvarjajo magnetno polje. Električni tok ustvarja tokovnice magnetnega polja v ravnini zanke in so na zanko pravokotne. To je dobro vidno na sliki 2.18 c. S postavljanjem zank eno nad drugo ustvarimo tuljavo slika 2.18 d v kateri se nahaja homogeno magnetno polje (notranjost tuljave), okrog nje pa najdemo enake magnetne tokovnice kot pri paličastem magnetu (zunanjost tuljave). Poenostavljeno povedano, če bi sešteli dipolni magnetni moment vseh zank tuljave, bi dobili vsoto, ki bi sovpadala z vsoto dipolnega magnetnega momenta tuljave [16], [20]. Ko govorimo o izvoru in nastajanju magnetnega polja Zemlje, ki je v kar 99 % notranjega izvora, se največkrat omenja prav teorija geodinama. Zaradi različnih sprememb načina gibanja konvekcijskih tokov v jedru, prihaja do sprememb v zemeljskem magnetnem polju, ki pa so velikokrat zelo počasne (na primer kroženje južnega magnetnega pola okoli geografskega pola). Zgoraj smo omenili, da je kar 99 % magnetnega polja Zemlje notranjega izvora, kar pomeni, da vseeno ostaja odstotek magnetnega polja drugega izvora, to je magnetno polje zunanjega izvora, ki je sicer manj pomembno, vendar ga ne gre zanemariti. Povzročajo ga električni tokovi v plasteh zgornje atmosfere, ki je ionizirana. Ionizirane so predvsem molekule kisika in dušika, kar povzročijo delci visokih energij, ki so posledica sevanja Sonca. Sonce tako vpliva na dnevne spremembe zunanjega magnetnega polja. Do pojava pride v ionosferi, ki je od površine Zemlje oddaljena od 50 do 1500 km. Tam zraven ionizacije poteka še en proces, in sicer iz nevtralnih molekul nastanejo električno nabiti delci, to so ioni in elektroni, gibanje le-teh pa povzroči horizontalne obročaste električne tokove, ki so zelo močni [11], [20]. 20

38 2.3 METODE MERJENJA MAGNETNEGA POLJA Kompenzacijska metoda Za merjenje vodoravne komponente zemeljskega magnetnega polja s kompenzacijo je tuljavo potrebno postaviti v smer silnic zemeljskega magnetnega polja, kot jo kaže kompas. Polje v središču tuljave mora biti enako merjenemu polju, vendar obrnjeno nasprotno na podlagi tega lahko nastavimo velikost toka v tuljavi. Magnetna igla postane indiferentna, kadar vsota obeh poljskih gostot znaša nič. Indiferentnost magnetne igle pomeni, da nima preferenčne vrednosti (magnetna energija igle ni odvisna od orientacije). Neznano polje tuljave se da izračunati s pomočjo dimenzij toka in tuljave, vendar je potrebno upoštevati tudi dejstvo, da tuljava ni neskončno dolga. Magnetno poljsko gostoto v sredini tuljave lahko izračunamo s pomočjo naslednje enačbe [44]:. (2.7) Tu je: gostota magnetnega polja v sredini tuljave, permeabilnost praznega prostora, število ovojev na tuljavi, tok, dolžina tuljave, polmer tuljave ( pomeni premer). Spremenljivka predstavlja število ovojev na tuljavi, dolžino tuljave, pa njen premer. Navor na iglo je izredno majhen, skoraj ničen, zato je težko določiti ravnovesno lego igle, kar pa pomeni, da je indiferentno ravnotežje zelo težko natančno doseči. Meritve zato opravljamo izven indiferentne lege. Tuljavo zavrtimo za majhen kot δ (z ozirom na 21

39 smer sever-jug), nato pa izmerimo tok. Magnetna igla se takrat postavi v smeri simetrale smeri sever-jug in osjo tuljave [44]. V tem primeru sta obe poljski gostoti ponovno enaki, kar vidimo na sliki Slika 2.19: Shema meritve vodoravne komponente zemeljskega magnetnega polja s kompenzacijo [44] Na sliki 2.19 imamo prikazano shemo meritve vodoravne komponente zemeljskega magnetnega polja s kompenzacijo. Če želimo meritev narediti natančnejšo, tuljavo odmaknemo od smeri magnetnega polja Magnetno polje tuljave nastavimo tako, da je po velikosti enako neznanemu polju in smer rezultante obeh polj na simetrali med smerema in [44]. Na sliki 2.20 je tipičen prikaz priključitve pri kompenzacijski merilni metodi. Slika 2.20: Shema vezave izvora, upora ( ) in tuljave pri kompenzacijski metodi [44] 22

40 Gaussova metoda Z Gaussovo metodo hkrati izmerimo dve količini, in sicer magnetni moment paličastega magneta in vodoravno komponento magnetnega polja, zato sta potrebni dve meritvi. Prva meritev nam poda nihajni čas (nihanje prosto visečega vodoravnega magneta okoli mirovne lege). Na prosto viseč vodoravni magnet deluje navor = ( = ). Nihanje magneta predstavlja sledeča enačba [44]:. (2.8) Tu je: vztrajnostni moment, kot, magnetni moment paličastega magneta, gostota magnetnega polja, sinus kota. Z = ( /4 + /12) je označen vztrajnostni moment magneta mase okoli navpične osi, ki je oblike valja višine in radija. Krožna frekvenca je pri majhnih amplitudah enaka.. (2.9) Tu je: krožna frekvenca, magnetni moment, 23

41 gostota magnetnega polja, vztrajnostni moment. Produkt določimo iz meritve. Z drugo meritvijo določimo kvocient. To storimo tako, da uporabimo isti paličasti magnet ter primerjamo njegovo magnetno polje z magnetnim poljem Zemlje. Magnetno polje magneta ima v veliki oddaljenosti (glede na dimenzije magneta) obliko točkastega dipola. Ta je [44]: [ ] (2.10) Tu je: smer gostote magnetnega polja paličastega magneta, permeabilnost, smer magnetnega momenta, polmer. Zanima nas predvsem polje dipola v njegovi ekvatorialni ravnini. Ko je produkt =, nam ostane le prvi del enačbe. Paličasti magnet postavimo pravokotno glede na magnetno polje Zemlje, nato z magnetno iglo določimo smer rezultante obeh polj v ekvatorialni ravnini magneta. Pomembno je, da smer določamo v različnih oddaljenostih od magneta, vidno na sliki 2.21 [44]. S pomočjo naslednje enačbe določimo iskani kvocient [44]: (2.11) Tu je: kot smeri rezultante magnetnega polja dipolnega magneta in magnetnega polja Zemlje, 24

42 gostota magnetnega polja paličastega magneta, gostota neznanega magnetnega polja, magnetni moment, polmer. Slika 2.21: Shema meritve vodoravne komponente magnetnega polja Zemlje (po Gaussovi metodi) [44] Na shemi meritve vodoravne komponente magnetnega polja Zemlje po Gaussovi metodi spremenljivka α pomeni smer rezultante magnetnega polja dipolnega magneta in magnetnega polja Zemlje (z ozirom na smer sever-jug) [44]. 2.4 SENZORJI ZA MERJENJE MAGNETNEGA POLJA Senzorji so naprave in elementi, ki se jih uporablja za zaznavanje in zajemanje podatkov ter pretvorbo različnih veličin v električne signale, te pa lahko uporabimo za nadaljnjo obdelavo. Senzorji morajo biti občutljivi le za eno spremenljivko, saj se s tem doseže, da so dodatni zunanji vplivi čim manjši, pomembna pa je tudi njihova linearna pretvorba in čim večja dinamika. Poznamo različne senzorje: senzorje električnih signalov in senzorje magnetnega polja [36]. 25

43 Magnetno polje se da izmeriti na različne načine, vendar večina temelji na povezavi med električnim in magnetnim pojavom. Poznamo različne senzorje za merjenje magnetnega polja senzorje, ki merijo vektorske komponente magnetnega polja in senzorje, ki merijo skalarno magnetno polje Magnetni senzorji za merjenje ne potrebujejo neposrednega fizičnega kontakta, z njimi pa lahko zaznamo spremembe ali motnje, ki so nastale v magnetnem polju. Tako si pridobimo različne informacije o električnem toku, kotu, rotaciji, smeri in prisotnosti. Povzamemo lahko, da je skupna lastnost magnetnih senzorjev zanesljivo, natančno in robustno delovanje povezano z minimalnim vzdrževanjem. Območje delovanja magnetnih senzorjev je prikazano na sliki Občutljivi senzorji morajo predvsem zaradi velikosti magnitude zemeljskega magnetnega polja imeti veliko dinamično območje ali pa dodatno tuljavo, ki pripomore k zmanjšanju polja v bližini senzorja. Na sliki 2.22 prikazuje šum zemeljskega magnetnega polja, s tem ko simbol predstavlja jakost zemeljskega magnetnega polja [4]. Slika 2.22: Magnetni senzorji in njihova občutljivost [4] Z razdaljo se spreminja tudi šum zemeljskega magnetnega polja. Ker zemeljsko magnetno polje vpliva tudi na delce sončnega vetra, iz razpadlih magneto-hidravličnih valov 26

44 nastanejo električni tokovi v ionosferi, iz le-teh pa v območju od 0,0001 do 2 Hz nastane šum zemeljskega magnetnega polja [4]. Spremembe magnetnega polja manjše od šuma zemeljskega magnetnega polja je možno izmeriti z dvema (ali več) prostorsko ločenima senzorjema. Pri nizkih frekvencah ta znaša približno 0,1 nt, s tem ko je frekvenčni spekter enak 1/f. Skalarni merilniki magnetnega polja merijo le magnitudo, s tem ko vektorski merilniki lahko izmerijo tudi velikost vektorskih komponent. Vendar je odvisno, v okviru katerih aplikacij so meritve potrebne, saj so v nekaterih primerih skalarni merilniki celo boljši kot vektorski. Primernejši za uporabo so na primer takrat, ko opravljamo meritve v bližini različnih feromagnetnih predmetov na gibajočem se vozilu, ki na samo meritev lahko vplivajo. Čeprav so odstopanja lahko zelo majhna, se vseeno raje odločimo za skalarni merilnik magnetnega polja, saj koristen signal zaradi gibanja vozila rotacijske vibracije in sprememb v vektorskih komponentah zelo težko ločimo od izmerjenega. Skalarni merilnik je boljša izbira (od vektorskega) tudi zaradi težavnosti natančnega preračunavanja iz vektorskih v skalarne komponente. Preračunavanje otežuje dejstvo, da osi med seboj niso pravokotne, občutljivost triosnega magnetometra pa na vsaki osi ni enaka. Velikost, moč ter zlasti frekvenčni odziv so tiste komponente, ki imajo velik vpliv pri izbiri najustreznejšega senzorja za določeno aplikacijo. Elektronika, s pomočjo katere odčitavamo rezultate, močno vpliva na območje občutljivosti vseh tipov senzorjev. Upoštevati pa moramo tudi samo merjenje magnetnega polja, saj senzor lahko meri vektorske komponente ali pa skalarno magnetno polje [21]. Elektronski kompasi po navadi vsebujejo magneto-uporovne merilnike magnetnega polja, kot sta AMR in GMR, magneto-impedančne senzorje (GMI) ali mikro»fluxgate«senzorje MAGNETO-IMPEDANČNI SENZORJI (GMI) Magneto-impedančni senzorji delujejo na frekvenčnem območju od 100 khz do 10 MHz. Impedanca je funkcija frekvence vzbujalnega toka in magnetnega polja. GMI pojav je velik v materialih, kot so na primer mehki amorfni materiali. Ti imajo relativno visoko 27

45 prevodnost in mehkomagnetne značilnosti. Če po vodniku teče visokofrekvenčni tok, je omejen na površino vodnika. Prevodnost vodnika in frekvenca izmeničnega toka (AC tok) sta obratno sorazmerni z globino penetracije kožnega pojava. Magnetna prevodnost materialov z visoko električno prevodnostjo se pri delovanju enosmernega (DC) magnetnega polja spreminja tako, da se spremeni globina same penetracije kožnega pojava. Temu sledi dejstvo, da je impedanca prevodnika odvisna od delovanja DC magnetnega polja. Materiali z visoko prevodnostjo (le-ta se lahko spreminja v odvisnosti od DC magnetnega polja) so najboljša izbira za opazovanje GMI pojava, debelina prevodnika pa mora biti primerljiva s samo spremembo kožnega pojava. Povzroči ga DC magnetno polje [21] »FLUXGATE«MERILNIKI»Fluxgate«merilnike magnetnega polja sestavlja feromagnetno jedro. Jedro ovijata dve tuljavi: vzbujalna in merilna tuljava. Fluxgate merilniki so merilniki, ki znajo izkoristiti magnetno indukcijo, saj ob močnem magnetnem polju feromagnetni materiali pridejo v zasičenje, kar lahko vidimo na sliki Jedro pride v zasičenje vsake pol cikla, če je na vzbujalni tuljavi sinusoida dovolj velika. Jedro postane manj občutljivo oz. privlačno za zunanje magnetno polje, ko se bliža zasičenju, saj se v njem poveča magnetna upornost. Vse je posledica tega, da se magnetna gostota ne more več povečevati, te spremembe pa lahko zaznamo z merilno tuljavo. Če zmanjšamo tok, ki teče skozi vzbujalno tuljavo, pride jedro iz zasičenja, posledično pa lahko močneje privlači zunanje magnetno polje. Ustrezna oblika magnetnega pretoka skozi tuljavo je povzročena prav z izmenično neprivlačnostjo in privlačnostjo. Z merilno napravo lahko izmerimo izhodno napetost, ki je sestavljena iz lihih harmonikov frekvence magnetenja in je proporcionalna zunanjemu magnetnemu polju. Občutljivost fluxgate merilnikov je odvisna od zasičenja oz. histereze. Če želimo doseči največjo občutljivost, mora biti krivulja magnetne indukcije kvadratna, saj na podlagi tega pri dani hitrosti magnetnega polja dobimo na tokovodnik največjo silo. Območje občutljivosti fluxgate senzorjev se giblje med do nt. Z odzivnim časom feromagnetnega materiala in vzbujalnim poljem je omejen frekvenčni odziv, zgornja omejitev pa znaša okoli 10 khz [21]. 28

46 Slika 2.23: Osnovna konfiguracija fluxgate merilnika [15] Slika 2.24: Delovanje»fluxgate«merilnikov MERILNA TULJAVA Število ovojev, površina tuljave in permeabilnost jedra po navadi je uporabljeno feromagnetno jedro z veliko permeabilnostjo, saj le-ta poveča gostoto magnetnega pretoka so tisti, ki vplivajo na občutljivost merilne tuljave. Z razmerjem upornosti in induktivnosti je določen čas potreben za porazgubitev induciranega toka (zunanje magnetno polje ni prisotno), prav s tem razmerjem pa je omejen frekvenčni odziv senzorja. Slednjega lahko omeji tudi medovojna kapacitivnost. Dogaja se ravno obratno: nizka upornost pomeni hitrejšo disipacijo, s tem ko visoka pomeni počasnejšo. Merilna tuljava 29

47 zgornje meje občutljivosti nima, zaznava pa magnetno polje nižje od 20 ft ( 2 nt), uporablja se v frekvenčnem območju od 1 Hz do 1 MHz. Zgornja frekvenčna meja merilne tuljave je določena z razmerjem upornosti in induktivnosti [4], [21]. Tuljava deluje na osnovi Faradayevega zakona o indukciji. Zakon opisuje premo sorazmernost inducirane napetosti v zaključeni zanki in hitrosti spreminjanja magnetnega pretoka skozi površino zanke. Statičnega ali počasi spreminjajočega se magnetnega polja merilna tuljava ne more zaznati, če kroži v magnetnem polju, ki je enakomerno, se pomika skozi neenakomerno magnetno polje in če se nahaja v magnetnem polju, ki se s časom spreminja, saj to privede do sprememb magnetnega pretoka v tuljavi. Za merilno tuljavo lahko uvedemo tudi delovanje v aktivnem načinu, v katerem je vključena v električni tokokrog. Na sliki 2.25 so prikazane tri izvedbe merilne tuljave za zaznavanje kovinskih predmetov: uravnovešen induktivni mostič na izhodu zaznamo spremembo napetosti, saj se v eni izmed vej spremeni induktivnost (slika 2.25 a), resonančno vezje spremeni se resonančna frekvenca (zaradi spremembe induktivnosti) (slika 2.25 b), posebno vezje kot senzor je uporabljena samo merilna tuljava, ostala elektronika je povezana brezžično (slika 2.25 c) [21]. Slika 2.25: Različne izvedbe merilne dušilke za zaznavanje železnih predmetov [21] 30

48 2.4.4 MAGNETODIODA Magnetodioda je v polprevodniška dioda ali p-n spoj, pri čemer je n-del del z nedopiranim silicijem in je ločen od p-dela, kar je vidno na sliki Senzor je zgrajen iz nanesenega silicija in silicijevega dioksida na substratu safirja in sledi, da če se na n-dopiranem delu nahaja negativen potencial, istočasno pa na p-dopiranem pozitiven potencial, v nedopiran silicij injicirajo tako elektroni v n-delu kot vrzeli v p-delu materiala. Vsoto toka vrzeli in elektronov pa predstavlja skupni tok. To privede do rekombiniranja nekaterih nosilcev (predvsem nosilcev blizu spojev med safirjem in silicijem ter silicijevim dioksidom in silicijem), prav ti nosilci pa so zaslužni za povečanje upornosti materiala. V odvisnosti od smeri magnetnega polja se navzgor ali navzdol odklonijo nosilni naboji, v trenutku, ko je magnetno polje pravokotno na smer potovanja nosilnih nabojev. Elektroni in vrzeli potujejo v nasprotni smeri, vendar se oboji odklonijo v isto smer. Večjo možnost za rekombinacijo, kot nosilci naboja v bližini spoja med silicijem in silicijevim dioksidom, imajo nosilci naboja v bližini spoja med silicijem in safirjem. Upornost materiala se zmanjša, če magnetno polje nosilce naboja odkloni navzgor (od spoja safir silicij), in poveča, če se nosilci odklonijo navzdol (proti omenjenemu spoju). Magnetodiode imajo približno 10-krat večjo odzivnost od senzorjev, zgrajenih na osnovi Hallovega pojava, ki so pretežno iz silicija [21]. Slika 2.26: Notranja ureditev magnetodiode [34] 31

49 2.4.5 MERILNIKI MAGNETNEGA POLJA S SUPERPREVODNOSTJO (SQUID) Eden izmed najobčutljivejših senzorjev merjenja magnetnega polja pri nizkih frekvencah, manjših od 1 Hz, je t. i. superprevodni kvantni interferometer ali SQUID (Superconducting Quantium Interference Device) in deluje na podlagi vplivov med magnetnim poljem ter električnimi tokovi, le-ti pa so opazni takrat, ko je določen material (niobij, svinec) ohlajen pod t. i. kritično temperaturo. Kritična temperatura se od materiala do materiala spreminja, skupno pa ji je to, da temperature pod to mejo povzročijo izgubo električne upornosti materiala in ga spremenijo v superprevodnik. Superprevoden merilnik magnetnega polja je sestavljen iz superprevodnega obroča s šibkim spojem, ki je lahko tanek spoj z zelo majhnim presekom, skozenj pa teče tok, ki je induciran in je posledica nihanja intenzivnosti magnetnega polja. Obroč senzorja se po navadi vzbuja z radiofrekvenčnim poljem. Tok se periodično spreminja in ustvarja enak vzorec kot optični interferometri, prav spreminjanje toka pa vpliva na resonančno frekvenco vezja. Posledično privede do periodičnega spreminjanja signala, saj je le-ta odvisen od spremembe magnetnega polja, ki jo izmerimo s štetjem dolin in vrhov. Do induciranja električnega toka pride, če magnetni pretok teče skozi obroč superprevodnika in bi ta električni tok brez zunanjih motenj lahko tekel neskončno dolgo, vendar se to ne zgodi, ker je odvisen od gostote magnetnega pretoka. Superprevoden merilnik magnetnega polja je sestavljen iz: radiofrekvenčne tuljave, SQUID obroča je natančen ampermeter in velike antenske zanke (slika 2.27). Sestavni deli morajo biti ohlajeni pod superprevodno temperaturo. Sam SQUID senzor bi lahko bil izredno majhen, vendar zanj potrebujemo še hladilno sredstvo, kar pa vpliva na težo in okornost senzorja, saj se le-ti povečata. Senzor ima sposobnost zaznati magnetno polje gostote 10 ft (pri tem ne smemo zanemariti primernega vzbujanja z DC tokom ali radiofrekvenčnim poljem), prav zaradi izredno visoke občutljivosti pa jih pogosto uporabljajo v medicinske, geološke in astronomske namene [21]. 32

50 Slika 2.27: Superprevoden merilnik magnetnega polja (SQUID) Slika 2.28: Princip SQUID-a [34] Kompenzacije homogenih magnetnih polj se lahko lotimo tako, da namesto ene senzorske tuljave vzamemo dve enaki in ju postavimo eno nad drugo. Razmik med njima je enak bazni razdalji. Vežemo ju v nasprotni smeri dosežemo, da se pretoka skozi tuljavi med seboj odštevata. Tako dobimo gradiometer 1. reda, s katerim merimo spremembo komponente magnetnega polja v smeri ( ), kar vidimo na sliki 2.29 a. Merimo polja izvorov, ki so blizu eni tuljavi ter se na razdalji že močno zmanjšajo, saj so magnetna polja oddaljenih izvorov na mestu 1. tuljave približno enaka tistim na 2. tuljavi, zato k pretoku nič ne prispevajo [14]. 33

51 Slika 2.29: a) gradiometer 1. reda, b) planarni gradiometer [14] Za nekatere meritve je ustreznejši planarni gradiometer. Z njim merimo, slika 2.29 b. Dobimo ga z navitjem žice okoli dveh tuljav v obliki osmice. Pretoka skozi tuljavi se odštevata [14]. Gradiometer 2. reda ne kompenzira le jakosti magnetnega polja ampak tudi zunanje magnetno polje. Ker vsebuje super prevoden sistem, je dovolj, da se namesto celih tuljav uporabijo štiri posamezne zanke, kar je prikazano na sliki Če ima SQUID veliko navojev, pick-up sistem deluje kot tok transformatorja in zato je ustvarjen večji tok, kar pa povečuje tudi natančnost samega sistema [23]. Slika 2.30: Shema gradiometra 2. reda [23] 34

52 2.4.6 MAGNETOTRANZISTOR Magnetotranzistor je integriran na siliciju, njegova sestava je podobna sestavi bipolarnega tranzistorja. Magnetotranzistor je sestavljen iz n-dopiranega kolektorja s p-dopirano bazo, ta pa je ločen od n-dopiranega emitorja. Pri magnetotranzistorju najdemo dva kolektorja (C1 in C2), s tem ko na bipolarnem tranzistorju samo enega. Vse to je vidno na sliki V oba kolektorja magnetotranzistorja pride identično število nosilcev naboja v primeru, da nanj ne deluje zunanje magnetno polje, če pa je magnetno polje pravokotno na smer potovanja nosilcev naboja, se nosilci od enega ali drugega kolektorja naboja odbijejo (odvisno od smeri magnetnega polja). Magnetno polje in razlika napetosti med kolektorjema sta sorazmerna. Zaznavanje magnetnega polja z magnetotranzistorjem lahko privede do Suhlovega in Hallovega pojava. Pri slednjem pride do kompenziranja Lorentzove sile z nasprotnim električnim poljem, zaznanim med dvema kolektorjema. Pri Suhlovem pojavu pa pride do podobnega rezultata, vendar Lorentzova sila ne sme biti kompenzirana. Do odstopanja porazdelitve toka zaznanega na izhodu med kolektorjema pride, saj zunanje magnetno polje povzroča spreminjanje trajektorij gibajočih se nosilcev. Občutljivost magnetotranzistorja je lahko do 100-krat večja kot občutljivost primerljivih silicijevih senzorjev, ki delujejo na osnovi Hallovega pojava [21]. Slika 2.31: Magnetotranzistor 35

53 2.4.7 SPIN-VALVE TRANZISTOR Tranzistorji Spin-Valve so zgrajeni iz treh plasti, s tem ko sta zunanji plasti polprevodni; to sta kolektor in emitor. Kot se spreminja magnetno polje, se spreminja tudi tok, ki teče skozi Spin-Valve tranzistor, in sicer, če se poveča magnetno polje, se posledično poveča tudi tok, ki pa je lahko večji vse do 200 %, vendar je za večino današnjih aplikacije vseeno premajhen (izhodni tok je reda ) [21]. Slika 2.32: Prenosna karakteristika Spine-Valve tranzistorja [46] MAGNETOMETRI NA OSNOVI MAGNETOSTRIKCIJE Na kratko so opisani trije sklopi različnih senzorjev: magneto-optični senzorji, optični vlakenski magnetometri in magneto-električni senzorji. Magneto-optični senzorji so senzorji, ki izkoriščajo Faradayev efekt o zasuku polarizacijske svetlobe pri prehodu skozi snov pod vplivom magnetnega polja, pri čemer je polarizirana svetloba iz dveh krožno polariziranih valov (prvi se vrti v smeri urinega kazalca, drugi pa v obratni smeri). Do tega pojava pride, ker v fazah med svetlobnima valoma, ki krožita vsak v nasprotni smeri, pride do zasuka svetlobe (detektor zazna to 36

54 razliko). Sestaviti je mogoče do 30 pt občutljiv merilnik magnetnega polja, njegova prednost pa je hiter odzivni čas v gigaherčnem področju [21]. Slika 2.33: Magneto-optični senzor na osnovi Faradayevega efekta [46] Optične vlakenske magnetometre sestavljata, podobno kot Mach Zehnder interferometer, dve optični vlakni. Optični val potuje v prvi žarkovni delilnik iz laserske diode, tam pa se razdeli na dve vlakni. Referenčno vlakno je od vplivov okolja izolirano, merilno vlakno pa je premazano z magnetostrikcijskim materialom ali pa je okrog le-tega ovito. Dolžina optičnega vlakna se lahko spreminja v primeru, ko je magnetostrikcijski material izpostavljen magnetnemu polju. Na podlagi tega lahko nastanejo tudi interferenčni vzorci, saj med valoma prihaja do faznih razlik, ker se dolžina merilnega vlakna spreminja (slika 2.34). Slika 2.34: Optični vlakenski magnetometer V drugem žarkovnem delilniku se optična vala spet združita in interferirata. Optični vlakenski magnetometri merijo tako spreminjajoče se magnetno polje s frekvenco, ki je manjša od 60 khz, kot tudi konstantno magnetno polje. Občutljivost teh senzorjev je v 37

55 območju od do nt, zaznajo pa lahko tudi spremembe v dolžini vlakna reda m [7], [21]. Magneto-električni senzorji so sestavljeni iz lamel piezoelektričnih materialov in lamel magnetostrikcijskih materialov. Z njimi je mogoče zaznati spremembe v magnetnem polju v območju. Namenjeni so za merjenje vektorskih komponent magnetnega polja in so sestavljeni iz treh plasti; notranje piezoelektrične in dveh zunanjih magnetostrikcijskih plasti. Pri slednji pride do sprememb zaradi zunanjega magnetnega polja, te pa spodbudijo spreminjanje piezoelektrične plasti, ki generira električno napetost. Tudi magnetoelektrični senzorji imajo prednosti. Ena izmed njih je ta, da za generiranje izhodne napetosti ne potrebujejo nobene energije od zunaj [21] PROTONSKO PRECESIJSKI MAGNETOMETRI Protonsko precesijski magnetometri delujejo na osnovi izkoriščanja odziva jedrskih momentov na zunanje magnetno polje v atomih tekočega ogljikovodika (npr. benzena) in merijo skalarno magnetno polje. Občutljivost, ki jo lahko dosežejo, se giblje v območju od nt do nt. Z vstopno frekvenco tekočega ogljikovodika je omejeno njihovo frekvenčno območje. Merilo jedrskega in atomskega momenta je nastavljeno z Bohrovim magnetometrom ( = električni naboj; = Plancova konstanta; = masa atoma). Znano je, da je jedrski moment manjši od momenta elektrona, s tem ko je na drugi strani jedrska masa od same mase elektrona veliko večja. Na tekoči ogljikovodik (npr. benzen) deluje magnetno polje, to pa povzroča navor na magnetni moment jedra ter želi jedro obrniti v smeri zunanjega magnetnega polja, vendar se, zaradi še vedno vrtečega jedra, to ne zgodi. Jedro začne namesto tega z značilno, premo sorazmerno frekvenco gostoti magnetnega polja procesirati okrog te smeri [21]. 38

56 OVERHAUSERJEV MAGNETOMETER Občutljivost Overhauserjevega magnetometra je večja kot občutljivost zgoraj opisanih protonskih precesijskih magnetometrov. Prav tako Overhauserjevi magnetometri nimajo mrtvih con. Senzor deluje na principu jedrskega Overhauserjevega efekta (Nuclear- Overhauser Effect NOE). Kadar je tekočina s prostimi elektroni izpostavljena sekundarnemu polarizacijskemu radio-frekvenčnemu magnetnemu polju skupaj z vodikovimi elektroni, pride do jedrske magnetne resonance. Prav ti prosti elektroni pa prenašajo energijo na vodikovo jedro. Podobno kot pri protonskem precesijskem magnetometru prenos energije spremeni vrtilno stanje protonov in polarizira tekočino, razlika je le ta, da se tukaj to zgodi v veliko večjem obsegu in z manj energije. Linearna in neodvisna od temperature je proporcionalnost med precesijsko frekvenco in gostoto magnetnega polja. Če je merjenje frekvence nenatančno, magnetne motnje pa precejšnje, lahko pride do napak v merjenju. Do napak pa pride tudi v primeru interakcije med tuljavo zaznavanja magnetnega polja in protoni [21] OPTIČNO ČRPALNI MAGNETOMETER (OPTICALLY PUMPED MAGNETOMETER) Optično črpalni magnetometer deluje na podlagi Zeemanovega efekta. Kadar na atome deluje magnetno polje, so nekatere karakteristike spektralnih črt atomov razcepljene. To je že leta 1896 ugotovil nizozemski fizik Zeeman. Spektralna črta tako postane skupina črt z različnimi valovnimi dolžinami (do tega pride predvsem pri ceziju in rubidiju, ki sta alkalijska elementa). Dinamično območje in občutljivost optično črpalnih magnetometrov sta omejeni z izpisno elektroniko (readout elektronics). Optično črpalni senzorji porabijo kar nekaj W moči, so veliki in dragi, z njimi pa lahko dosežemo občutljivost od nt do nt. Senzorji izkoriščajo tri energijska stanja; dve nižji stanji, ki sta blizu skupaj (razlika energije med njima se ujema z mikrovalovno frekvenco ali radio-frekvenčno spektralno črto, do nje pa pride zaradi razlike v orientaciji vrtenja elektronov) in eno stanje pri dosti večji energiji. Višje stanje ima enako vrtilno količino kot eno izmed nižjih stanj, nižji stanji 39

57 pa se med seboj razlikujeta v eni kvantni enoti vrtilne količine. Z ozirom na zunanje magnetno polje ima elektron lahko le eno izmed dveh orientacij okrog svoje osi torej samo paralelno ali samo neparalelno vendar je znano, da je poraba energije pri obeh orientacijah različna. Pri optičnih črpalkah s krožno polarizirano svetlobo se uporablja cezijev plin, ki absorbira svetlobo (količino le-te spremljamo s fotodetektorjem). Nekaj elektronov plina bo na začetku v enem izmed nižjih stanj, nekaj pa v drugem. Elektroni začnejo absorbirati krožno polarizirano svetlobo in takrat se njihova vrtilna količina začne spreminjati za eno enoto; ti elektroni absorbirajo foton, elektroni z enako vrtilno količino kot tisti v višjem stanju pa ne. Nekateri fotoni se torej absorbirajo in posledica tega je, da postaja žarek zasenčen. Elektroni nenehno prehajajo v drugo energijsko stanje, kar pa pomeni, da bodo vsi elektroni po določenem času prešli v stanje, kjer absorpcija svetlobe ni več mogoča. Nastane v celoti prečrpan plin in sveti relativno transparentno. S pomočjo radio-frekvenčnega polja (ki mora biti vzporedno s svetlobo in prave frekvence) se elektron obrne in spremeni svojo vrtilno količino, kar poimenujemo optično črpanje. Optično črpanje pomeni, da lahko plin svetlobo ponovno absorbira, optični efekt skupaj z radio-frekvenco pa ustvarita močno resonanco in se uporablja v optično črpalnih senzorjih, s pomočjo katerih se da magnetno polje izmeriti skalarno, brez ozira na njegovo orientiranost [21]. Slika 2.35: Primer optično črpalnega magnetometra [46] 40

58 MEMS MERILNIKI MAGNETNEGA POLJA MEMS (mikro-elektromehanski sistem) merilniki magnetnega polja po večini delujejo na principu Lorentzove sile. Kot primer bi lahko navedli senzor, ki zaznava gibanje miniaturnega paličastega magneta, pri katerem je z elektro depozicijo nanesen trdomagnetni material, na katerem za jedkanje uporabimo flourovodikovo kislino (HF). Polja manjša kot 200 nt zaznamo optično. Pri MEMS senzorjih magnetnega polja je velikokrat uporabljen tudi ksilofonski resonator. Tukaj izmenični tok skozi dolžino MEMS prečke pošiljamo s frekvenco enako resonančni frekvenci. Pravokotno na os prečke deluje DC magnetno polje in istočasno okrepi gibanje prečke pri frekvenci. Polju je amplituda gibanja proporcionalna in jo lahko zaznamo optično. MEMS senzorji magnetnega polja imajo sposobnost zmanjšanja vpliva 1/f šuma [21]. Slika 2.36: Dva primera MEMS merilnikov magnetnega polja [46] SENZORJI NA OSNOVI HALLOVEGA POJAVA Leta 1879 je Hallov pojav odkril Edwin H. Hall. Po njem se imenuje napetost (Hallova napetost), ki jo dobimo, če magnetno polje deluje skozi tanki pravokotnik kovine, skozenj pa po dolžini teče električni tok, ki je konstanten, kar lahko vidimo na sliki Po kovini gibajoča se magnetna sila, ki ima vpliv na elektron, se imenuje Lorentzova sila in prav zaradi nje se elektroni na eni strani kovine kopičijo, s tem ko se število le-teh na drugi strani manjša. Vse to na robovih kovine privede do kopičenja električnega potenciala. Ta električni potencial imenujemo Hallova napetost in je večji/a, če nanj/o deluje večja sila, kar pa je posledica hitreje premikajočih se elektronov (slika 2.38). Na Hallovo napetost 41

59 vplivata smer magnetnega polja in toka, in sicer tako, da ji spreminjata velikost ter predznak. V polprevodnikih je Hallov pojav zelo velik, v kovinskih prevodnikih pa zelo majhen. Senzorji iz silicija so cenejši in delujejo na osnovi Hallovega pojava, s tem ko so senzorji iz polprevodnikov III. V. skupine občutljivejši, saj je mobilnost elektronov višja od mobilnosti silicijevih. Najlažje dostopni so merilniki iz polprevodnika indijevega antimona (III. V. skupina) in delujejo že v območju od nt in naprej, s tem ko silicijevi merilniki delujejo od nt do nt. Senzorji na osnovi Hallovega pojava so izredno majhni, njihova zgornja frekvenčna meja je okrog 1 MHz, njihova poraba med 0,1 in 0,2 W, merijo pa lahko tako spreminjajoče se kot tudi konstantno magnetno polje [6], [21]. [4] (2.12) Tu je: Hallova napetost, konstanta, smer toka, smer gostote magnetnega pretoka. Slika 2.37: Hallov pojav [4] 42

60 Skozi pravokotno izrezan kovinski trak, prikazan na sliki 2.38, teče električni tok, katerega postavimo v prečno magnetno polje. Elektroni se zaradi magnetne sile začnejo kopičiti ob robu kovinskega traku. Nabere se plast negativnega naboja; na drugi strani, kjer je primanjkljaj elektronov, pa plast pozitivnega naboja. Ti dve plasti skupaj ustvarita prečno električno polje, s tem pa električno silo, ki magnetno silo uravnovesi [12]. Slika 2.38: Prikaz usmeritve naboja pri Hallovem pojavu [12] ANIZOTROPNI MAGNETNI SENZORJI S SPREMENLJIVO UPORNOSTJO (AMR) Anizotropni magnetni senzorji s spremenljivo upornostjo ali na kratko AMR senzorji so zgrajeni iz tankega nanosa zlitine železa in niklja na silicijevi rezini (zlitino železa in niklja poimenujemo permalloy). AMR senzorji so zelo majhni in lahki, porabijo med 0,12 in 0,5 mw moči, delajo pri temperaturi od 55 do 200 C, z njimi pa lahko dosežemo občutljivost od do nt. AMR senzorji vsebujejo 4 upore povezane na Wheatstonov mostič (slika 2.39), saj je sprememba magnetoupornosti manjša od 4 %. Upornost se v odvisnosti od kota magnetenja in smeri električnega toka spreminja, ter je največja takrat, ko je kot med vektorjem toka in vektorjem magnetne polarizacije enak nič. Če ta kot povečamo, se upornost začne manjšati in postane najnižja, ko sta vektorja drug na drugega pravokotna, njeno spreminjanje pa lahko enačimo s kvadratom kosinusa kota med vektorjema. Tok skozi magnetoupore torej poganja vhodna napetost, upornost vseh štirih magnetouporov pa je enaka. S tem ko magnetno polje obrne vektor magnetne polarizacije v dveh 43

61 nasproti ležečih uporih v smeri toka, sledi, da se upornost dvigne. In zgodi se obratno padec upornosti na ostalih dveh uporih. Izhod postane v linearnem območju sorazmeren jakosti magnetnega polja, sama velikost tega območja pa je sorazmezna z občutljivostjo senzorja [21], [45]. Slika 2.39: Wheatstonov mostič s 4 upori [45] Sloj permalloya je na senzor nanesen v prisotnosti močnega magnetnega polja in če so magnetne domene v tankem sloju permalloya usmerjene v isto smer, na senzorju dosežemo dobro ponovljivost in največjo možno občutljivost. Močno tuje magnetno polje lahko vpliva na usmerjenost magnetnih domen in s tem na vektor magnetne polarizacije. Iz tega razloga ob senzorju najdemo navitje, katerega naloga je usmerjanje magnetne domene s pomočjo kratkega, a močnega impulza. Na podlagi tega je dobra ponovljivost senzorja dosežena. Navitje AMR senzorja pa prav tako lahko služi za kompenziranje izhodne (offset) napetosti [21]. 44

62 Slika 2.40: Karakteristika AMR senzorja [15] Slika 2.41: Princip magneto-uporovnega učinka AMR senzorja [34] 45

63 3 RAZISKAVA SENZORJEV MAGNETNEGA POLJA Raziskavo smo opravljali v okviru študijskega projekta. V prvem delu je zajemala študij teoretičnega ozadja, v drugem delu pa smo opravili meritve. 3.1 MERJENJE MAGNETNEGA POLJA S SENZORJEM A1301 Po študiju osnov magnetizma in magnetnih pojavov, smo se lotili raziskovanja in iskanja ustreznih senzorjev magnetnega polja, ki bi zadostili potrebam in pričakovanju tega projekta. Iskali smo senzor s čim višjo občutljivostjo, primeren za merjenje trenutnega in tudi zemeljskega magnetnega polja. Ker na tržišču ni veliko senzorjev, ki bi zadostili vsem tem potrebam, smo se skupaj s profesorjem odločili za zelo občutljiv senzor KMZ52 proizvajalca Philips. Gre za senzor, v katerem sta 2 mostiča, ki sta zamaknjena za 90, kar omogoča, da nam tak senzor iz jakosti polja, ki ga izmeri posamezen mostič, nato izračuna kot med obema mostičema, in s tem smer magnetnega polja, ki ga merimo. To pomeni, da je v primeru, ko je signal na obeh mostičih enako močan, polje pod kotom 45. Žal, pa smo na koncu ugotovili, da dobava tega senzorja ni več možna, niti ne obstaja senzor ekvivalenten iskanemu. Zato je bilo potrebno poiskati drugo rešitev. Odločili smo se, da v prvi fazi naročimo Hallov magnetni senzor s čim višjo občutljivostjo, da z njim opravimo osnovne meritve magnetnega polja. V drugi fazi projekta pa bomo poskušali poiskati čim boljšo rešitev, bodisi s še enim enakim senzorjem, ki bi ga postavili pod kotom 90 stopinj proti drugemu senzorju in na ta način poskušali določiti smer magnetnega polja, bolj verjetno pa bomo skušali poiskati senzor drugega proizvajalca, ki bi bil po lastnostih čim bolj podoben senzorju KMZ52. Ko smo pregledali ponudbo Hallovih senzorjev na tržišču in preučili njihove specifikacije, smo se odločili za Hallov senzor A1301 proizvajalca Allegro Microsystems. 46

64 3.1.1 SENZOR A1301 A1301 je ratiometričen linearen Hallov senzor in je prikazan na sliki 3.1. Ima visoko občutljivost 2 do 3 mv/g in je tovarniško programiran za optimalne zmogljivosti. Ima hiter vklopni čas, ratiometričen izhod in je zelo zanesljiv. Deluje pri napetosti od 4,5 V do 6 V. Ima robustno ohišje z ESD zaščito. Hallov senzor A1301 je optimiziran za natančno zagotavljanje izhodne napetosti, ki je sorazmerna z magnetnim poljem. Ta senzor ima mirujočo izhodno napetost, ki je 50 % vhodne napetosti. Tipična izhodna občutljivost tega senzorja je 2,5 mv/g. Senzor ima integrirano vezje, ki vključuje Hallovo vezje, linearni ojačevalnik in izhodno CMOS strukturo. Združenje vseh teh komponent na enem čipu nam odpravi veliko težav v povezavi z nizko napetostjo na ravni analognih signalov. Visoko natančnost izhodne vrednosti pridobimo z notranjo offset izravnavo. Zaradi teh lastnosti je A1301 idealen za uporabo pri zaznavanju položaja sistemov tako za linearno ciljno gibanje kot rotacijsko ciljno gibanje. Senzor je zelo primeren za industrijske aplikacije v širokem temperaturnem območju od 40 C do 125 C. Senzor je dobavljiv v dveh različnih ohišjih, in sicer v pokončnem ohišju, namenjenem za površinsko montažo in ležečem ohišju, namenjenem za integracijo v tiskano vezje [42]. Slika 3.1: Senzor A1301 [42] MERITVE S SENZORJEM A1301 Meritve smo opravljali pri tipični vezavi po funkcijskem blok diagramu, ki se nahaja tudi v tehnični specifikaciji in je prikazan na sliki

65 Slika 3.2: Funkcijski blok diagram [42] Najprej smo preverili točnost razmerja vhodne in izhodne napetosti. Ugotovili smo, da razmerje, ki pravi, da je izhodna napetost enaka 50 % vhodne napetosti, drži. Opravili smo meritve pri 4,5 V (min. napajalna napetost), 5 V, 5,5 V in 6 V(maksimalna napajalna napetost). Pri vseh vrednostih je bila izhodna napetost natančno enaka 50 % vhodne napetosti. Slika 3.3: Merilno mesto 48

66 Nato smo se lotili merjenja gostote magnetnega polja vzorčnih magnetov na različnih razdaljah od senzorja. Meritve smo opravljali z navadnim magnetom, super-magnetom in magnetno kartico. Prikazani so na sliki 3.4. Slika 3.4: Vzorčni magneti (navadni magnet, magnetna kartica, super-magnet) Merili smo gostoto magnetnega polja v oddaljenosti 0 do 80 mm v koraku 10 mm. Meritev smo opravljali pri minimalni in maksimalni predpisani napajalni napetosti (4,5 in 6 V). Merili smo tako, da smo izmerili izhodno napetost pri posameznih razdaljah. Iz tega podatka smo nato izračunali posamezne gostote magnetnega polja. Upoštevali smo, da je občutljivost pri 4,5 V 2 mv/g in pri 6 V 3 mv/g. Za preračun podatkov smo uporabili enačbe iz tehnične specifikacije [42]: ( ) (3.1) (3.2) 49

67 ( ) (3.3) Tu so: sprememba napetosti, gostota magnetnega pretoka, sprememba izhodne napetosti mirujočega stanja v odvisnosti od spremembe temperature prostora (je enaka polovici vhodne napetosti), izhodna napetost v odvisnosti od temperature prostora, izhodna napetost v odvisnosti od temperature, občutljivost (izražena z mv/g), izhodna napetost magnetnega polja smeri sever, izhodna napetost magnetnega polja smeri jug. Navadni magnet Najprej smo opravili meritev z navadnim magnetom dimenzije 12 x 12 x 6 mm. Prikazana je na sliki

68 Slika 3.5: Meritev Merili smo tako, da smo magnet najprej obrnili v pozitivno smer in merili po predvidenih korakih, nato pa smo magnet obrnili za 180 in enake meritve ponovili še v negativni smeri. Gostoto magnetnega pretoka smo izračunali po izpeljavi enačbe 3.2. Dobili smo naslednjo enačbo:. (3.4) Tu so: gostota magnetnega pretoka, občutljivost (izražena z mv/g), izhodna napetost magnetnega polja smeri sever, izhodna napetost magnetnega polja smeri jug. 51

69 Gostota magnetnega polja (B) Pozitivna smer Tabela 3.1: Rezultati meritev z navadnim magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Vhodna napetost Uvh (V) Oddaljenost magneta (mm) Izhodna napetost Uizh (V) Gostota magnetnega polja B (G) 4,5 / 2, ,5 0 4, ,5 10 3, ,5 4,5 20 2, ,5 4,5 30 2, ,5 40 2, ,5 50 2, ,5 60 2, ,5 70 2,265 7,5 4,5 80 2,250 0 Graf 3.1: Prikaz rezultatov meritev z navadnim magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Oddaljenost magneta (mm) 52

70 Gostota magnetnega polja (B) Negativna smer Tabela 3.2: Rezultati meritev z navadnim magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Vhodna napetost Uvh (V) Oddaljenost magneta (mm) Izhodna napetost Uizh (V) Gostota magnetnega polja B (G) 4,5 / 2, ,5 0 0, ,5 10 0, , ,5 30 2, ,5 40 2, ,5 50 2, ,5 60 2, ,5 70 2,247 1,5 4,5 80 2,250 0 Graf 3.2: Prikaz rezultatov meritev z navadnim magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Oddaljenost magneta (mm) 53

71 Gostota magnetnega polja (B) Pozitivna smer Tabela 3.3: Rezultati meritev z navadnim magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Vhodna napetost Uvh (V) Oddaljenost magneta (mm) Izhodna napetost Uizh (V) Gostota magnetnega polja B (G) 6 / , , , , , , , ,106 35, ,056 18, ,049 16, ,037 12, Graf 3.3: Prikaz rezultatov meritev z navadnim magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Oddaljenost magneta (mm) 54

72 Gostota magnetnega polja (B) Negativna smer Tabela 3.4: Rezultati meritev z navadnim magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 6 V Vhodna napetost Uvh (V) Oddaljenost magneta (mm) Izhodna napetost Uizh (V) Gostota magnetnega polja B (G) 6 / , , , , , ,833 55, ,953 15, ,983 5, ,990 3, ,998 0, Graf 3.4: Prikaz rezultatov meritev z navadnim magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 6 V Oddaljenost magneta (mm) 55

73 Super-magnet Nato smo enake meritve opravili še s super-magnetom. Njegove lastnosti so podane v tabeli 3.5. Tabela 3.5: Lastnosti super-magneta [51] SUPERMAGNET Material: Oblika. Dimenzije: Toleranca: Material prevleke: Magnetizacija: Moč: NdFeB kvadratna 5 x 4 x 1,5 mm +/- 0,1 mm nikelj platina (Ni Cu Ni) N G Max. delovna temperatura: 80 C Teža: 0,23 g Rezultati so prikazani v tabelah in na grafih na naslednjih straneh. 56

74 Gostota magnetnega polja (B) Pozitivna smer Tabela 3.6: Rezultati meritev s super-magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Vhodna napetost Uvh (V) Oddaljenost magneta (mm) Izhodna napetost Uizh (V) Gostota magnetnega polja B (G) 4,5 / 2, ,5 0 4, ,5 5 3, ,5 10 2, ,5 20 2, ,5 30 2, ,5 40 2, ,5 50 2, ,5 60 2,250 0 Graf 3.5: Prikaz rezultatov meritev s super-magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Oddaljenost magneta (mm) 57

75 Gostota magnetnega polja (B) Negativna smer Tabela 3.7: Rezultati meritev s super-magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Vhodna napetost Uvh (V) Oddaljenost magneta (mm) Izhodna napetost Uizh (V) Gostota magnetnega polja B (G) 4,5 / 2, ,5 0 0, ,5 5 1, ,5 10 2, ,5 20 2, ,5 30 2,207 21,5 4,5 40 2, ,5 50 2, ,5 60 2,250 0 Graf 3.6: Prikaz rezultatov meritev s super-magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 4,5 V Oddaljenost magneta (mm) 58

76 Gostota magnetnega polja (B) Pozitivna smer Tabela 3.8: Rezultati meritev s super-magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Vhodna napetost Uvh (V) Oddaljenost magneta (mm) Izhodna napetost Uizh (V) Gostota magnetnega polja B (G) 6 / , , , , ,190 63, , , , Graf 3.7: Prikaz rezultatov meritev s super-magnetom v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Oddaljenost magneta (mm) 59

77 Gostota magnetnega polja (B) Negativna smer Tabela 3.9: Rezultati meritev s super-magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 6 V Vhodna napetost Uvh (V) Oddaljenost magneta (mm) Izhodna napetost Uizh (V) Gostota magnetnega polja B (G) 6 / , , , , ,912 29, ,920 26, , Graf 3.8: Prikaz rezultatov meritev s super-magnetom v negativni smeri pri vhodni napetosti 6 V Oddaljenost magneta (mm) 60

78 Gostota magnetnega polja (B) Magnetna kartica Nazadnje smo meritve opravili še z magnetno kartico dimenzije 30x60x1 mm. Opravili smo samo meritev pri 6 V pri pozitivni smeri, ker je bilo magnetno polje zelo šibko. Dobili smo rezultate, ki so zapisani v tabeli Tabela 3.10: Rezultati meritev z magnetno kartico v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Vhodna napetost Uvh (V) Oddaljenost magneta (mm) Izhodna napetost Uizh (V) Gostota magnetnega polja B (G) 6 / ,966 11, ,978 6, ,992 2, Graf 3.9: Prikaz rezultatov meritev z magnetno kartico v pozitivni smeri pri vhodni napetosti 6 V Oddaljenost magneta (mm) 61

79 Z opravljenimi meritvami smo spoznali delovanje senzorja A1301 in ugotovili, da je za merjenje gostote magnetnega polja različnih magnetov zelo uporaben. Potrdili smo, da gostota magnetnega polja pri vseh magnetih z oddaljevanjem postopoma pada. Izhodna napetost pa pada postopoma, ko imamo magnet obrnjen v pozitivno smer in ga oddaljujemo. Ko pa magnet obrnemo v negativno smer in ga oddaljujemo, izhodna napetost postopoma narašča. Gostota magnetnega polja z oddaljevanjem magneta v vseh primerih postopoma pada. Vse te odvisnosti so razvidne iz zgornjih grafov, ki smo jih izdelali na osnovi meritev prikazanih v pripadajočih tabelah. V nadaljevanju projekta bomo poiskali dodaten magnetni senzor s čim višjo občutljivostjo, ki bo sposoben določiti tudi smer magnetnega polja, kar je cilj naše raziskave. 62

80 4 UNIVERZALNI SENZOR MAGNETNEGA POLJA Z I2C VODILOM V glavni raziskavi smo se najprej lotili študija I2C komunikacije, na osnovi katere deluje kompas modul CMPS03, ki je bil predmet naše raziskave. V okviru raziskave smo modul CMPS03 najprej podrobno opisali, nato smo opisali tudi njegove glavne komponente. Kasneje smo opisali še komunikacijski modul USB-I2C, preko katerega smo modul CMPS03 povezali z računalnikom. V zadnjem delu raziskave pa smo v štirih korakih podrobno opisali vzpostavitev I2C komunikacije med obema moduloma in osnovne meritve tudi praktično prikazali. 4.1 I2C KOMUNIKACIJA I2C pomeni notranje integrirano vezje (Inter-Integrated Circuit). I2C vodilo je razvilo podjetje Philips Semiconductors v zgodnjih osemdesetih letih. Njegov osnovni namen je bil enostavno povezovanje procesorja (CPU) s perifernimi enotami v TV-sprejemniku. Običajni računalniški sistemi za opravljanje takšne naloge uporabljajo paralelna vodila. Rezultat tega je veliko bakrenih povezav na tiskanem vezju za podatkovne in naslovne linije, da kup dekoderske logike, ki vse to povezuje, sploh ne omenjamo. V izdelkih široke potrošnje, kot so audio-video naprave, je tako povezovanje nesprejemljivo. V teh napravah šteje vsaka komponenta in komponenta manj pomeni večji dobiček za proizvajalca in nižjo ceno za končnega potrošnika. Poleg tega veliko število linij pomeni, da je naprava bolj podvržena tako elektromagnetnim motnjam kot elektrostatičnim razelektritvam. Raziskava, ki so jo naredili v Philipsovih laboratorijih v Eindhovnu na Nizozemskem je imela za posledico novo dvožično vodilo imenovano I2C vodilo ali I2C-bus. I2C je sinonim za Inter-IC bus. Že samo ime pove njegov namen: medsebojno povezati integrirana vezja. V današnjih dneh se je vodilo razširilo izven svojega AV področja. Vodilo je široko sprejeto v industriji integriranih vezij, saj so si ga priredili mnogi izdelovalci le-teh. Od oktobra leta 2006 plačilo licence za implementacijo I2C protokola ni več potrebno. 63

81 Slika 4.1: Simbol za I2C protokol [13] UPORABA I2C VODILA Uporaba I2C vodila je za začetnika lahko zelo zahtevna. Na svetovnem spletu se nahaja kar nekaj primerov v zvezi z uporabo I2C vodila, vendar je večina med njimi takih, ki uporabljajo krmilnike na visoki ravni in ne prikazujejo podrobnosti o tem, kaj se na vodilu dejansko dogaja. Zato smo poskusili uporabo predstaviti na preprostejši način. I2C vodilo I2C vodilo vsebuje le dve liniji, ki se imenujeta SCL in SDA. SCL je linija ure in se uporablja za sinhronizacijo vseh prenosov podatkov preko I2C vodila. SDA je podatkovna linija. SCL in SDA liniji sta priključeni na vse naprave na I2C vodilu. Obstaja pa še tretja žica, ki je v bistvu ozemljitev ali 0 V. Na vodilu lahko najdemo tudi priključek 5 V, moč katerega se razdeli na naprave. Obe, tako SCL in SDA linija sta gonilnika "odprta za izpust". To pomeni, da lahko čip spusti svoj izhod nizko, ne more pa ga dvigniti. Za linijo, ki bi ga pa lahko dvignila, moramo zagotoviti upor z oskrbo 5 V. Za to potrebujemo upor s SCL linije do linije 5 V in dodaten upor s SDA linije do linije 5 V. Za celotno I2C vodilo potrebujemo le en niz uporov in ne za vsako napravo, kot je prikazano na sliki 4.2 [38]. 64

82 Slika 4.2: I2C vodilo s priključenimi napravami [38] Vrednost upora ni kritična. Uporabljajo se upori vrednosti vse od 1,8 kω do 47 kω. Najpogostejše vrednosti so 1,8 kω, 47 kω in 10 kω in vse, kar je v tem območju, bi moralo brezhibno delovati. Če uporov ne uporabimo, sta SCL in SDA liniji vedno nizko, skoraj 0 V in I2C vodilo ne deluje [38]. Gospodarji in sužnji (masters and slaves) Naprave na I2C vodilu so bodisi gospodarji ali sužnji. Gospodar je vedno naprava, ki poganja SCL linijo ure. Sužnji so naprave, ki se odzivajo na gospodarja. Suženj ne more začeti prenosa preko I2C vodila, to lahko stori le gospodar. Po navadi je na I2C vodilu več sužnjev in le en gospodar. Možno sicer je, da na I2C vodilo priklopimo več gospodarjev, vendar takšnih primerov nismo zasledili [38]. I2C protokol Ko gospodar (master) želi komunicirati s sužnjem (slave), to prične z izdajanjem začetnega zaporedja na I2C vodilu. Start zaporedje oz. zaporedje za vklop je ena od dveh posebnih zaporedij, opredeljenih na I2C vodilu, drugo je zaporedje stop oz. zaporedje zaustavitve. Start in stop zaporedji sta posebni, saj predstavljata edini točki, kjer se SDA (podatkovna linija) lahko spremeni, medtem ko je SCL linija (linija ure) visoko. Ko se prenesejo podatki, mora SDA linija ostati stabilna in se ne sme spreminjati, medtem ko je SCL linija visoko. Start in stop zaporedji zaznamujeta začetek in konec prenosa, ki poteka preko sužnja [38]. 65

83 Slika 4.3: Start zaporedje (levo) in stop zaporedje (desno) v I2C protokolu [38] Podatki se prenašajo v zaporedjih 8 bitov. Biti se nahajajo na SDA liniji, ki se začne z MSB (najpomembnejšim bitom). SCL linija ima sprva visoke impulze, nato pa nizke. Ne smemo pozabiti, da čip linije ne more dvigniti visoko, ampak jo preprosto pusti na miru. Visoko jo dejansko potegne upor. Za vsakih 8 bitov prejetih podatkov prenosna naprava pošlje nazaj potrditveni bit, tako da se za prenos vsakih 8 bitov podatkov dejansko sproži 9 SCL impulzov ure. Če sprejemna naprava pošlje nazaj nizek ACK bit, potem je podatke prejela in je pripravljena, da sprejme drugi bajt. Če pa ga pošlje nazaj visoko, potem je to znak, da dodatnih podatkov ne more sprejeti, zato mora gospodar s pošiljanjem zaporedja stop prenos prekiniti. Slika 4.4: Prenos bitov [38] Hitrost prenosa Standardna hitrost ure (SCL) je za I2C vodilo do 100 khz. Ta hitrost se tudi največ uporablja. Proizvajalec Philips opredeljuje tudi večje hitrosti: hiter način,vse do 400 khz in način še višje hitrosti, do 3,4 MHz. Naslavljanje I2C vodila (dodajanje naslovov) Vsi I2C naslovi so bodisi 7-bitni ali 10-bitni. Uporaba 10-bitnih naslovov je sicer redka. Večina modulov in čipov ima 7-bitne naslove. To pomeni, da je lahko na I2C vodilo 66

84 priklopljenih do 128 naprav, saj se 7-bitno število lahko pojavi od 0 do 127. Pri pošiljanju 7 bitnega naslova vedno pošljemo 8 bitov. Dodatni bit se uporablja za obveščanje sužnja, če gospodar nanj piše ali iz njega bere. Če je bit enak nič, gospodar na sužnja piše, če pa je bit enak 1, pa gospodar s sužnja bere. 7-bitni naslov se nahaja v zgornjih 7 bitih bajta in bit branja/pisanja (R/W) je LSB (najmanj pomemben bit). Slika 4.5: Pošiljanje bitov [38] Protokol programske opreme I2C vodila Gospodar najprej pošlje zaporedje zagona (start sequence). To vse sužnje vodila opozori, da se je transakcija (prenos) pričela in da morajo spremljati, če se transakcija nanaša na njih. Nato gospodar pošlje naslov naprave. Suženj, ki se s tem naslovom ujema, bo nadaljeval s transakcijo, vsi ostali sužnji pa bodo to transakcijo ignorirali in počakali na naslednjo. Sedaj, ko ima suženj že svoj naslov, mora gospodar poslati notranjo lokacijo ali številko registra v sužnja, na katerega želi pisati ali z njega brati. Ta številka je odvisna od tega, kaj suženj dejansko je in koliko notranjih registrov ima. Nekatere zelo preproste naprave jih nimajo, vendar jih večina ima. Potem ko I2C vodilo pošlje naslov in notranji naslov registra, gospodar lahko pošlje podatkovni bajt (ali bajte, saj ni nujno, da je samo eden). Gospodar lahko podatkovne bajte še naprej pošilja na sužnja in ti se običajno nahajajo v naslednjih registrih, saj suženj po vsakem bajtu samodejno poviša notranji naslov registra (increment). Ko gospodar pisanje podatkov na sužnja zaključi, pošlje zaporedje za zaustavitev, s katerim se transakcija zaključi. Na sužnja pišemo v naslednjih korakih: 1. pošljemo zaporedje zagona; 2. pošljemo naslov I2C vodila sužnja z R/W (beri/piši) nizkim bitom (sodi naslov); 3. pošljemo interno številko registra, ki jo želimo zapisati; 67

85 4. pošljemo podatkovni bajt; 5. opcijsko pošljemo vse dodatne podatkovne bajte; 6. pošljemo zaporedje za zaustavitev [38]. Branje z I2C vodila Pred branjem podatkov s sužnja (slave), mu moramo povedati, katerega od njegovih notranjih naslovov želimo prebrati. Torej branje s sužnja se dejansko prične s pisanjem nanj. To je enako, kot če želimo pisati nanj. Takrat pošljemo zaporedje za začetek, naslov I2C vodila sužnja z (R/W) beri/piši nizkim bitom (sodi naslov) in notranjo številko registra, v katerega želimo pisati. Potem pošljemo drugo zaporedje za začetek (včasih imenovano ponovni zagon) in nato še enkrat I2C naslov, tokrat z bralnim bitnim nizom. Nato lahko preberemo toliko podatkovnih bajtov, kot želimo in prekinemo prenos z zaporedjem za zaustavitev. Če pa pride do zapleta, ko gospodar (master) bere s sužnja, je suženj tisti, ki pošilja podatke na SDA linijo, vendar pa je gospodar tisti, ki nadzira uro. Lahko se zgodi, da suženj podatkov ni pripravljen poslati. Pri napravah, ko je suženj dejansko mikroprocesor, ki upravlja tudi z drugimi operacijami, lahko to predstavlja problem. Takrat mora mikroprocesor na sužnju rutino prekiniti, shraniti svoje delovne registre, ugotoviti, kateri naslov želi gospodar z njega prebrati, pridobiti podatke in jih namestiti v prenosnem registru. Da se to zgodi, lahko traja nekaj µs, med tem časom gospodar pošilja impulze ure na SCL linijo, da se suženj nanje ne more odzvati. Protokol I2C vodila za to ponuja rešitev. Sužnju je dovoljeno, da drži SCL linijo nizko. To se imenuje raztezanje ure. Ko suženj od gospodarja prejme ukaz branja, zadrži linijo ure nizko. Mikroprocesor nato prejme zahtevane podatke, jih postavlja v prenosni register in spusti linijo ure, tako da omogoča uporu, da ga napetost potegne visoko. Z gospodarjevega vidika bo obravnavan prvi impulz ure branj tako, da bo linija SCL visoko, nato pa preverimo, če je res šla visoko. Če je še vedno nizko, potem jo nizko zadržuje suženj, zato mora gospodar z nadaljevanjem počakati, dokler se ne dvigne. Dobro je to, da strojna oprema I2C vodila na večini mikroprocesorjev izvede to samodejno. 68

86 Včasih je gospodar I2C vodila le zbirka podprogramov in obstaja nekaj izvedb, ki raztezanje ure popolnoma ignorirajo. 4.2 KOMPAS MODUL CMPS03 Kompas modul CMPS03 je bil zasnovan za uporabo v robotiki, še posebej za pomoč pri navigaciji robotov. Magnetni kompas modul CMPS03 opredeljuje kot rotacije (vrtenja) glede na zemeljsko magnetno polje. Njegova ločljivost je 0,1 stopinje, natančnost pa 3 do 4 stopinje. Zahteva le 5 V napetosti, njegovi izhodi pa potekajo preko PWM ali I2C vodila. CMPS03 kompas modul nam omogoča, da ugotovimo usmerjenost v povezavi s severom, ki smo ga preko kalibracije predhodno določili. Kompas modul uporablja Philipsov senzor magnetnega polja KMZ51, ki je dovolj občutljiv, da z njim lahko merimo tudi magnetno polje Zemlje. Z njegovo pomočjo kompas modul izračuna smer horizontalne komponente magnetnega polja Zemlje. Kompas modul je združljiv z velikim številom različnih krmilnikov in drugih senzorskih modulov. Vgrajen ima mikrokontroler PIC18F2321 [37], [41]. Slika 4.6: Kompas modul CMPS03 [37] 69

87 POVEZAVE Pin 1: Kompas modul zahteva napajanje 5 V na nominalnih 25 ma. Obstajata dve možnosti, kako pridobiti smer magnetnega polja iz modula. Prva možnost je s pomočjo signala PWM, ki je na voljo na pinu 4, druga možnost pa je vmesnik I2C, na pinih 2 in 3. Pin 2 in pin 3: Sta vmesnika I2C in se lahko uporabljata za neposredno odčitavanje usmerjenosti. Če vmesnika I2C ne uporabimo, potem je ta dva pina potrebno priključiti na napetost 5 V preko dveh uporov vrednosti približno 47 kω. Pin 4: Signal PWM je širina impulza moduliranega signala s pozitivno širino impulza, ki predstavlja kot. Širina impulza variira od 1 ms (0 ) do 36,99 ms (359,9 ). Impulz je generiran s 16-bitnim timerjem v procesorju, ki daje 1 µs resolucije. Prepričati se moramo, da smo povezali pine I2C, SCL in SDA z napajanjem 5 V (če uporabljamo PWM). Pin 5: Se uporablja, da preverimo, če je kalibracija v teku. Če želimo, lahko s tem pinom povežemo LED-diodo, in sicer preko upora 390 Ω. Pin 6: Je eden od dveh pinov, ki omogočata možnost za kalibracijo kompasa. Drugi zapisuje 255 (0xFF) v ukazni register. Na kalibracijski vhod je povezan upor in po kalibraciji lahko ostane nepovezan. Pina 7 in 8: Se ne uporabljata. Povezana sta z upori in morata ostati nepovezana. Pin 9: Je priključen na 0 V [37]. 70

88 Registri Kompas modul ima 16-bajtno paleto registrov, od katerih so nekatere dvojne, kot 16-bitni registri, zato sledi: Tabela 4.1: Registri CMPS03 kompas modula in njihove funkcije [37] Register Funkcija 0 Revizijska številka programske opreme, Rev14 ali višja. 1 Usmeritev kompasa kot bajt, to je za celoten krog. 2, 3 Usmeritev kompasa kot ukaz, to je za celoten krog, predstavlja 0 359,9. 4, 5 Interni test senzor 1 obdeluje razliko signala, 16-bitna beseda (Sensor 1 processed difference signal - 16 bit signed word). 6, 7 Interni test senzor 2 obdeluje razliko signala, 16-bitna beseda. 8, 9 Interni test senzor 1, neobdelani podatki, 16-bitna beseda (Senzor 1 raw data - 16 bit signed word). 10, 11 Interni test senzor 2, neobdelani podatki, 16-bitna beseda. 12 Koda za odklepanje 1 kodo za odklepanje uporabimo za spremembo naslova I2C vodila ali za obnovitev tovarniško predhodno nastavljene kalibracije. 13 Koda za odklepanje 2 14 Koda za odklepanje 3 15 Glavni register Ukazni register Register 15 je ukazni register. Obstaja zelo malo ukazov (0xC0 CE) za spremembo naslovov na I2C in 0xF2 za ponovno tovarniško kalibracijo. Ti ukazi zahtevajo odklepanje kode. Tudi 255 (0xFF) je kalibracijski ukaz, za katerega odklepanje kod ni potrebno [37]. Spreminjanje I2C privzetega tovarniškega naslova 0xC0 I2C naslov lahko spremenimo na katerikoli od 8 naslovov: 0xC0, 0xC2, 0xC4, 0xC6, 0xC8, 0xCA, 0xCC ali 0xCE. To storimo tako, da vpišemo kode za odklepanje registrov 71

89 12, 13 in 14 in dodamo nov naslov za register 15. Vedeti moramo, da so kode za odklepanje drugačne od tistih, ki lahko obnovijo tovarniško kalibracijo [37]. Tabela 4.2: Primer spreminjanja I2C privzetih tovarniških naslovov Register 12 Register 13 Register 14 Register 15 0xA0 0xAA 0xA5 0xC2 Zgornji primer spremeni naslov v 0xC2 in novi naslov učinkuje takoj. Ne smemo pozabiti označiti CMPS03 z novim naslovom. To lahko storimo v eni I2C transakciji, tako da registrov naslov nastavimo na 12 in vpišemo 4 bajte. Kazalec notranjega registra se samodejno poveča [37]. Obnovitev tovarniške kalibracije Tovarniške nastavitve kalibracije je mogoče obnoviti. To storimo tako, da vpišemo kode za odklepanje v registre 12, 13 in 14 ter obnovimo ukaz (0xF2) za register 15. Vedeti moramo, da so kode za odklepanje drugačne od tistih, ki se uporabljajo za spreminjanje I2C naslovov. Tabela 4.3: Primer obnovitve tovarniške kalibracije Register 12 Register 13 Register 14 Register 15 0x55 0x5A 0xA5 0xF2 To lahko storimo v eni transakciji, tako da nastavimo registrov naslov na 12 in vpišemo štiri bajte. Kazalec notranjega registra se samodejno poveča. Kalibracija Kalibracije ne smemo izvajati, dokler kompas modul deluje. Še posebej, če uporabljamo vmesnik I2C. Modul je bil tovarniško že umerjen za naklon, ki je enak 67 (Anglija). Če je naša lokacija blizu te, lahko kompas uporabljamo brez ponovnega kalibriranja. Kalibracijo je potrebno narediti le enkrat, podatki kalibracije se hranijo v EEPROM pomnilniku na PIC18F2321 čipu. Zato kalibracije, ko modul vklopimo, ni potrebno vedno znova izvajati [37]. 72

90 Slika 4.7: Kalibracija kompas modula CMPS03 [37] Pred kalibracijo kompasa moramo natančno vedeti, v kateri smeri je sever, kje vzhod, jug in zahod. Pomagamo si lahko s kompasom. Pri kalibraciji moramo poskrbeti, da je kompas vselej v vodoravni legi, s komponentami navzgor, in da ga ne nagibamo. Med kalibracijo moramo umakniti vse magnetne in železne materiale proč od kompasa. I2C vodilo V primeru, ko za kalibracijo uporabimo I2C vodilo, moramo zapisati samo 255 (0xff) v register 15, enkrat za vsako od štirih glavnih točk kompasa: sever, vzhod, jug in zahod. 255 je pobrisan samodejno, potem ko je vsaka točka kalibrirana. Točke kompasa lahko nastavimo v poljubnem vrstnem redu, vendar je potrebno kalibrirati vse štiri. Primer: 1. Postavimo kompas modul vodoravno, obrnjen proti severu. Vpišemo 255 v register Postavimo kompas modul vodoravno, obrnjen proti vzhodu. Vpišemo 255 v register Postavimo kompas modul vodoravno, obrnjen proti jugu. Vpišemo 255 v register Postavimo kompas modul vodoravno, obrnjen proti zahodu. Vpišemo 255 v register 15 [37]. 73

91 Pin metoda Pin 6 se uporablja za kalibriranje kompasa. Kalibracijski vhod (pin 6) ima povezan upor in lahko po kalibraciji ostane nepovezan. Za umerjanje kompasa mora biti za vsako od štirih glavnih točk kompasa (sever, vzhod, jug in zahod) kalibracijski pin izklopljen in nato spet vklopljen. Enostavno pritisno stikalo povežemo od pina 6 do 0 V (Ground = ozemljitev) ter vklapljamo in izklapljamo kalibracijski pin. Kompasne točke lahko nastavljamo v poljubnem vrstnem redu, vendar je potrebno kalibrirati vse štiri. Primer: 1. Postavimo kompas modul vodoravno, obrnjen proti severu. Na kratko pritisnemo in spustimo stikalo na kalibracijskem pinu Postavimo kompas modul vodoravno, obrnjen proti vzhodu. Na kratko pritisnemo in spustimo stikalo. 3. Postavimo kompas modul vodoravno, obrnjen proti jugu. Na kratko pritisnemo in spustimo stikalo. 4. Postavimo kompas modul vodoravno, obrnjen proti zahodu. Na kratko pritisnemo in spustimo stikalo. Kalibracijo je potrebno opraviti v natanko štirih korakih enkrat za vsako od štirih glavnih točk kompasa: sever, vzhod, jug in zahod SENZOR PHILIPS KMZ51 Senzor KMZ51 je izredno občutljiv merilec magnetnega polja, ki deluje na osnovi magnetnega učinka tankoplastnih nikelj-železovih zlitin. Spada med anizotropne magnetne senzorje s spremenljivo upornostjo (AMR), ki smo jih opisali v točki Senzor sestavljajo Wheatstonov magnetni mostič in vgrajene tuljave (kompenzacijska in set/reset tuljava), kar je razvidno iz električne sheme na sliki 4.9. Vgrajena kompenzacijska tuljava omogoča meritve magnetnega polja s povratno zanko za tvorjenje izhoda, ki je neodvisen od občutljivosti. Orientacijsko občutljivost lahko nastavimo ali spremenimo s pomočjo 74

92 integrirane set/reset tuljave. Po izpostavljenosti močnemu motečemu magnetnemu polju je za povrnitev nastavitev (set) potrebno na tuljavi uporabiti kratek tokovni impulz. Negativen impulz bo ponastavil senzor na predhodno občutljivost. Ob uporabi periodično izmeničnih spreminjajočih se impulzov in lock-in ojačevalnikov je izhod neodvisen od samega senzorja in offseta ojačevalnika. Senzor KMZ51 je najbolj uporaben v navigacijskih sistemih in za meritve magnetnega polja, zaradi visoke občutljivosti pa je še posebej uporaben za merjenje zemeljskega magnetnega polja [30]. Tabela 4.4: Priključki senzorja KMZ51 [30] PIN SIMBOL OPIS 1 flip tuljava 2 napajalna napetost mostiča 3 GND ozemljitev 4 kompenzacijska tuljava 5 kompenzacijska tuljava 6 izhodna napetost mostiča 7 izhodna napetost mostiča 8 flip tuljva Slika 4.8: Poenostavljen prikaz senzorja KMZ51 [30] 75

93 Tabela 4.5: Osnovni podatki senzorja KMZ51 [30] SIMBOL PARAMETER MIN. OPTIMALNO MAX. ENOTA oskrba mostiča z / 5 8 V napetostjo S občutljivost / (nekompenzirana) offset napetost 1,5 / + 1,5 mv/v upornost mostiča 1 / 3 kω kompenzacija upornosti tuljave kompenzacija dejavnika polja tuljave upornost flip tuljave najmanjši priporočen flip tok najkrajše trajanje flip impulza Ω A/m/mA Ω ma μs Slika 4.9: Električna shema senzorja KMZ51 [30] 76

94 4.2.2 PIC 18F2321 PIC18F2321 spada v družino PIC18 naprav. Periferni 8-bitni PIC mikrokontroler ponuja najboljše razmerje med ceno in zmogljivostjo na tržišču. Vsebuje Flash pomnilnik, ki je pomnilnik za večkratno zapisovanje podatkov, približno tisočkrat na en čip. Temelji na močnem RISC jedru. Odraža ga enostavno menjavanje pinov od 6 do 100, ki skorajda ne zahteva vnosa nobene kode. Mikrokontroler uporablja 16-bitni program vpisovanja besed z možnostjo pisanja na pine od 18 do 28. PIC18 so naprave visoke zmogljivosti z integriranimi A/D pretvorniki. Vsi PIC18 mikrokontrolerji imajo vgrajeno napredno RISC arhitekturo, ki podpira Flash in OTP naprave. Omogočajo 16-bitna navodila z ločenimi 8- bitnimi podatki. Na njih je omogočeno, da se vsa navodila izvršijo v enem ciklu, razen pri programskih panogah, ki zahtevajo dva cikla [32]. Družina PIC18 mikrokontrolerjev ima zelo dobre značilnosti, saj zmanjšuje število zunanjih komponent in s tem tudi stroške, zmanjšuje tudi porabo energije, povečuje pa zanesljivost sistema. Družina PIC18 mikrokontrolerjev uporabniku zagotavlja enostavno upravljanje. Slika 4.10: Prikaz pinov mikrokrmilnika PIC 18F2321 [32] 77

95 4.3 USB-I2C KOMUNIKACIJSKI MODUL USB-I2C modul zagotavlja popoln vmesnik med računalnikom in I2C vodilom. Modul se preko USB kabla napaja sam in lahko dobavlja do 70 ma in 5 V za zunanje vezje iz standardnega 100 ma USB vhoda. Modul je samo gospodar (master), ne suženj (slave). Vgrajen ima mikrokontroler PIC 16F687 in FTDI FT232R USB čip. Povezave Slika 4.12 prikazuje I2C povezave. Slika 4.11: Komunikacijski modul USB-I2C [47] Slika 4.12: Prikaz priključkov komunikacijskega modula USB-I2C [47] 0 V Gnd 0 V Gnd pin mora biti povezan z 0 V (ozemljitev) na naši I2C napravi. Pin 1 Pin 1 je dejansko linija procesorja za resetiranje in se uporablja samo pri izdelavi, in sicer za programiranje procesorja po končni montaži. Funkcija za resetiranje je v programski 78

96 opremi onemogočena, tako da se ta pin lahko uporablja kot vhodni pin. Ima 47 kω upora na PCB in če vhod ni potreben, se lahko to zanemari [47]. SCL in SDA Ti pini so povezave I2C vodila. Neposredno povezane morajo biti s pini SCL in SDA na I2C napravi. USB-I2C modul je vedno master bus (glavno vodilo) in ima povezan 4,7 kω upor na PCB. + 5 V Iz USB-I2C modula lahko dobavimo 5 V napetosti in do 70 ma za zunanje naprave. Če naša I2C naprava potrebuje več kot to, ali ima svojo oskrbo, potem pustimo + 5 V pin nepovezan. Ne dovajamo svoje lastne oskrbe 5 V na ta pin. LED lučke Na USB-I2C se nahajata dve statusni LED lučki. Rdeča LED lučka označuje, da je naprava vklopljena, zelena LED lučka pa začne hitro utripati, ko je prejet ukaz. Rdečo LED lučko je mogoče vklopiti in izklopiti z ukazom SETPINS. Glej spodaj. I/O pini Če modul USB-I2C ne uporabljate za I2C, se lahko uporablja v splošne namene za I/O krmilnik s tremi I/O linijami. Vhod 1 je vedno le vhodni pin in ima 47 kω upor (ne 4,7 kω kot drugi). Druga dva pa sta lahko vhoda ali izhoda. Izhodi so nastavljeni visoko/nizko z ukazom SETPINS. Pin se aktivno ne poganja visoko se sprosti in dvigne visoko s 4,7 kω uporom. Nizki izhod je aktivno usmerjen in se lahko spusti največ za 24 ma. GETPINS bo vrnil status I/O pina. Za uporabo I/O pina kot vhoda, moramo najprej zapisati 1 (visoko). To bo sprostilo pin tako, da bo 4,7 kω upor dvignil visoko. Potem se lahko uporablja kot vhod. Oba SETPINS in GETPINS ukaza bosta povrnila status I/O pina, vendar jih lahko spremeni le SETPINS. Biti v podatkovnem bajtu zapisani s SETPINS, vrnjeni s SETPINS in GETPINS, imajo naslednji format [47]: 79

97 Tabela 4.6: Formati vrnjenih bitov [47] x x x x I/O3 I/O2 vhod 1 rdeča LED Naslednji ukaz ugasne rdečo LED-diodo in dvigne I/O linije visoko, tako da se jih lahko uporabi kot vhode: Tabela 4.7: Ukazi za izklop LED-diode [47] USB-I2C_CMD SETPIN zahteva Podatek 1 Podatek 2 0x5A 0x10 0x0E 0x00 (neuporabljen) Analogni vhodi Z USB-I2C modulom lahko pretvorimo tudi analogne vrednosti na pinih I/O2 in I/O3. Preden to naredimo, morajo biti I/O pini nastavljeni visoko učinkovito so nastavljeni kot vhodi. Ne smemo pozabiti, da je to primarno za USB-I2C vmesnik in kot takšen ima 4,7 kω upora. To moramo upoštevati pri priključitvi analognega vhoda. Z naslednjim ukazom pridobimo analogne vrednosti prikazane v tabeli 4.8. Tabela 4.8: Analogne vrednosti USB-I2C_CMD GETAD zahteva Podatek 1 Podatek 2 0x5A 0x12 0x00 (neuporabljen) 0x00 (neuporabljen) Analogni podatki so vrnjeni v obliki, kot jih vidimo v tabeli 4.9 [47]: Tabela 4.9: Oblika vrnjenih analognih podatkov Bajt 1 Bajt 2 Bajt3 Bajt 4 I/O2 visok bajt I/O2 nizek bajt I/O3 visok bajt I/O3 nizek bajt 80

98 Analogni vhodi uporabljajo 10-bitno pretvorbo, tako da dobimo vrednosti od 0 do 1024 (0x0000 do 0x03FF). Zelo pomembno je, da ne moremo mešati I/O načina in načina I2C. I/O ukazi se ne smejo uporabljati, če je I2C naprava priključena FTDI FT232R USB ČIP FT232R je USB na serijskem UART vmesniku in ima številne napredne lastnosti. Vsebuje le en USB čip za asinhron prenos serijskih podatkov vmesnika. Na čipu se uravnava celoten USB protokol in za to ni potrebno dodatno programiranje posebne programske USB opreme. Vsebuje popolnoma integrirano 1024-bitno EEPROM napravo za shranjevanje deskriptorjev in CBUS I/O konfiguracijo, USB upore in popolnoma integrirano generacijo ure, ki vsebuje izbirni izhod. Hitrosti prenosa podatkov se na ravneh TTL gibajo med 300 baud do 3 Mbaud (RS422, RS485, RS232). Tehnologijo visoko prepustnih podatkov omogočajo 128-bajtni prejemni pomnilnik (buffer) in 256 bajtov možnosti prenosa pomnilnika. Vsebuje edinstveno funkcijo USB FTDIChip-ID in nastavljive CBUS I/O pine, ki omogočajo pošiljanje in prejemanje LED signalov. Ima tudi UART vmesnik za 7 ali 8 podatkovnih bitov, od tega 1 ali 2 stop bita. FIFO sprejema in posreduje pomnilnike za visoko podatkovno prepustnost. Vsebuje možnost sinhronega in asinhronega bit bang vmesnika. Naprava ima predhodno tovarniško programirano edinstveno USB serijsko številko. Podpira različne USB konfiguracije: vodila z napajanjem, vodila z lastnim napajanjem in vodila visokega napajanja. Vsebuje integrirano 3,3 V stopnjo pretvornika za USB I/O in integriran pretvornik ravni na UART in CBUS za povezovanje med 1,8 V in 5 V logike. Na njem najdemo tudi integrirano power-on ponastavitveno vezje, popolnoma integrirano AVCC filtriranje napajanja (zunanje filtriranje ni potrebno), omogoča možnost inverzije UART signala, upravljanje napajanja od 3,3 V (z uporabo zunanjega oscilatorja) do 5,25 V (notranji oscilator). Pri nizkem obratovanju USB prekine tok in ima nizko porabo pasovne širine USB-ja. FT232R čip razširi razpon delovne temperature od 40 C do 85 C [9]. 81

99 Slika 4.13: Prikaz pinov FTDI FT232R USB čipa [9] PIC 16F687 PIC16F687 mikrokontroler ponuja vse prednosti dobro priznanega srednjega razreda arhitekture x14 s standardiziranimi funkcijami, vključno s široko delovno napetostjo od 2 V do 5,5 V, vgrajen ima 256-bajtni EEPROM pomnilnik podatkov in nanowatt tehnologijo. Standardna analogna periferna enota vključuje do bitnih A/D kanalov, analogni primerjalni modul z dvema primerjalnikoma, programabilno referenco napetosti na čipu in EUSART, ki podpira RS232, RS485 in LIN 2.0. Ima natančen notranji oscilator (8 MHz 32 khz) [31]. 82

100 Slika 4.14: Prikaz pinov mikrokrmilnika PIC 16F687 [31] 4.4 VZPOSTAVITEV KOMUNIKACIJE MED KOMPAS MODULOM CMPS03 IN USB-I2C KOMUNIKACIJSKIM MODULOM PRVI KORAK GONILNIK USB-I2C komunikacijski modul za uravnavanje vseh USB protokolov uporablja FTDI FT232R USB čip. Pred uporabo USB-I2C moramo namestiti FTDI-jev Virtualni COM Port (VCP) gonilnik. Ti gonilniki se dodajo oz. pojavijo kot dodatni Com Port, poleg morebitnih obstoječih Com Portov strojne opreme. Programska aplikacija poveže napravo 83

101 USB na enak način, kot bi dostopala do standardnih Windows Com Port-ov z uporabo Windows VCOMM API klicev oz. pozivov ali s pomočjo Com Port knjižnice. Na voljo so gonilniki za sisteme Windows, Apple, Linux in Open BSD sisteme. Že preden priključimo USB-I2C komunikacijski modul na naš računalnik si moramo pridobiti in namestiti gonilnike. Namestitev gonilnikov smo izvedli po določenih korakih (v našem primeru smo uporabljali operacijski sistem Windows 8), ki so opisani v nadaljevanju. Namestitev gonilnikov Namestitev gonilnikov za napravo FTDI v operacijskem sistemu Windows 8 poteka po spodaj opisanih korakih. 1. Napravo priključimo na prost USB vhod na računalniku. Če je na voljo internetna povezava, se bo Windows 8 samodejno povezal z Windows spletno stranjo posodobitev in namestil ustrezen gonilnik, ki ga bo za napravo našel. Če primeren gonilnik ni samodejno najden, moramo postopek namestitve izvesti ročno. 2. Najprej s spletne strani prenesemo najnovejše FTDI gonilnike za Windows in jih shranimo v izbrano mapo na računalniku (za lažje iskanje mogoče kar na Namizju, kot smo jih v našem primeru). 3. Če želimo v Windows 8 poiskati Upravitelja naprav, premaknemo miško v spodnji desni kot zaslona in izberemo gumb Nastavitve, nato pa Nadzorna plošča. V oknu Nadzorna plošča izberemo Strojna oprema in zvok. 4. V naslednjem oknu izberemo možnost Upravitelj naprav. 5. V oknu Upravitelj naprav pod Druge naprave zasledimo rumen opozorilni znak, ki sporoča, da gonilnik še ni nameščen. V našem primeru se je izpisalo FT232R USB UART. 6. Z desnim klikom miške na ime gonilnika se odpre izbirni stolpec. 7. Izberemo Posodobitev gonilnikov, nato lahko izberemo samodejno ali ročno iskanje nove strojne opreme. Izberimo možnost Prebrskaj računalnik in poišči programsko opremo. 84

102 8. V naslovno polje vnesemo natančno lokacijo shranjenih gonilnikov in poženemo namestitev. 9. Pritisnemo Zapri in se vrnemo v okno Upravitelj naprav. Če je bila izbrana virtualna možnost Com Port-a, potem bo Upravitelj naprav napravo prikazal pod Druge naprave. Nov vnos najdemo pod Krmilniki USB in je prikazan kot USB Serial Converter. To prikazuje, da je gonilnik nameščen. Namestitve Virtualnega Com Port gonilnika se lotimo preko podobnih korakov, ki smo jih opisali že zgoraj. Najdemo ga pod Druge naprave, v našem primeru pod imenom USB Serial Port. Nato ponovno izvedemo desni klik na USB Serial Port in izberemo Posodobitev gonilnikov. Nato skoraj identično ponovimo korake 7 9, le da v tem primeru namesto FT232R USB UART nameščamo drug gonilnik (USB Serial Port (COM6)). Tokrat v Upravitelju naprav vnosa ne vidimo kot FT232R USB v okviru Drugih naprav, vendar pod Vrata COM in LPT kot USB Serial Port (COM6). Naprava je pripravljena za uporabo na COM6. V našem primeru so bile vse naprave nameščene na COM6. Dodelitev com port-a se določi z namestitvijo na podlagi naslednjega prostega com port-a, kakor so določeni v registru računalnika. Com port lahko prerazporedimo tudi na drug prost port DRUGI KORAK VZPOSTAVITEV KOMUNIKACIJE V našem primeru je gospodar (master) USB-I2C komunikacijski modul, suženj (slave) pa magnetni modul CMPS03. Suženj nikoli ne začne prenosa. Tako gospodar kot tudi suženj pa lahko preko I2C vodila prenašata podatke, vendar je ta prenos zmeraj pod nadzorom gospodarja. Ko gospodar (v našem primeru USB-I2C modul) želi komunicirati s sužnjem (CMPS03), to prične z izdajanjem začetnega zaporedja na I2C vodilu. 85

103 Sledi primer programske kode za zagon (start) kompas modula CMPS03, zapisane v C jeziku: #include "CMPS03.h" CMPS03 compass(p9, p10, CMPS03_DEFAULT_I2C_ADDRESS); Serial pc(usbtx, USBRX); int main() { } [1]. pc.printf("starting CMPS03 test...\n"); while(1){ } wait(0.1); pc.printf("bearing is: %f\n", compass.readbearing() / 10.0); Programsko opremo za I2C gospodarja lahko izvedemo na različne načine. V našem primeru je napisan v C jeziku za PIC procesor, ki smo ga uporabili, vendar je primeren za večino procesorjev z manjšimi spremembami I/O pin definicij. Primeren je za krmiljenje vseh podobnih modulov, ki temeljijo na I2C tehnologiji. Odkar sta SCL in SDA liniji odprtega tipa, uporabljamo kontrolni register za nadzor izhoda tako, da ohranimo izhodni register nizko. Port pini morajo biti prebrani, čeprav so definirani kot SCL_IN in SDA_IN. Ta definicija in inicializacija je verjetno vse, kar bomo morali spremeniti, če bomo uporabljali drugačen procesor. #define SCL TRISB4 // I2C bus(vodilo) #define SDA TRISB1 // #define SCL_IN RB4 // #define SDA_IN RB1 // Za inicializacijo portov nastavimo izhodne upore na 0, tristate registre pa na 1, kar onemogoči izhode in jim dovoli, da jih upori dvignejo visoko. SDA = SCL = 1; SCL_IN = SDA_IN = 0; 86

104 Da dobimo jasno zaporedje na I2C vodilu, uporabljamo kratko zakasnitev med spremembami SDA in SCL linij. To predstavlja pod-rutinski klic in vrnitev (subroutine call and return). void i2c_dly(void) { } Naslednje 4 funkcije zagotavljajo osnovne ukaze za start (zagon), zaustavitev, branje in pisanje zaporedja. Iz njih so lahko med našima moduloma zgrajeni vsi I2C prenosi. void i2c_start(void) { SDA = 1; // i2c start bit sequence(zaporedje) i2c_dly(); SCL = 1; i2c_dly(); SDA = 0; i2c_dly(); SCL = 0; i2c_dly(); } void i2c_stop(void) { SDA = 0; // i2c stop bit sequence(zaporedje) i2c_dly(); SCL = 1; i2c_dly(); SDA = 1; i2c_dly(); } unsigned char i2c_rx(char ack) { char x, d=0; SDA = 1; for(x=0; x<8; x++) { d <<= 1; do { SCL = 1; } while(scl_in==0); // wait for any SCL clock stretching (raztezanje ure) 87

105 i2c_dly(); if(sda_in) d = 1; SCL = 0; } if(ack) SDA = 0; else SDA = 1; SCL = 1; i2c_dly(); // send (N)ACK bit SCL = 0; SDA = 1; return d; } bit i2c_tx(unsigned char d) { char x; static bit b; for(x=8; x; x--) { if(d&0x80) SDA = 1; else SDA = 0; SCL = 1; d <<= 1; SCL = 0; } SDA = 1; SCL = 1; i2c_dly(); b = SDA_IN; // possible ACK bit SCL = 0; return b; } [38]. Štiri osnovne funkcije (zgoraj) so združljive na enostaven način in lahko izvedejo celoten prenos na I2C vodilu. V našem primeru je program na PIC mikrokontrolerju komunikacijskega modula že zapisan. Podpira tudi flash funkcijo, zato ga lahko kadarkoli zbrišemo in naložimo drug program. Ta komunikacijski modul je posebej izdelan za zelo enostavno priključitev s kompas modulom CMPS03 in njemu podobnimi moduli. Temu primerno je sprogramiran in zasnovan. Deluje tako, da kompas modul samo priključimo nanj. Ne potrebujemo napajanja 5 V, ker to napetost priskrbi komunikacijski modul preko 88

106 USB povezave in nobenega dodatnega upora, ki bi jih v nasprotnem primeru potreboval kompas modul na SCL in SDA liniji, saj komunikacijski modul avtomatsko nadzoruje delovanje I2C povezave med obema moduloma. Komunikacijski modul enostavno priključimo na USB vhod našega računalnika TRETJI KORAK BRANJE Da preberemo usmeritev kompasa kot bajt iz CMPS03 modula izvedemo naslednje korake: 1. pošljemo zaporedje zagona; 2. pošljemo 0xC0 (I2C naslov modula CMPS03 z R/W beri/piši nizkim bitom (sodi naslov)); 3. pošljemo 0x01 (notranji naslov usmeritve registra); 4. ponovno pošljemo zaporedje zagona (ponovi zagon); 5. pošljemo 0xC1 (I2C naslov modula CMPS03 z R/W beri/piši visokim bitom (lihi naslov)); 6. z modula CMPS03 preberemo podatkovni bajt; 7. pošljemo zaporedje za zaustavitev. Bit zaporedje je videti takole: Slika 4.15: Bit zaporedje branja/pisanja na kompas modul CMPS03 [38] 89

107 Najprej je potrebno poslati začetni bit, modul naslov (0xC0) z beri/piši nizkim bitom, nato registrsko številko, ki jo želimo prebrati. Temu sledi ponavljajoč začetek in naslov modula spet z beri/piši visokim bitom (0xC1). Zdaj bere en ali dva bajta za 8 bit ali 16 bit registrov zaporedoma. 16-bitni registri najprej preberejo visoke bajte. Za pisanje na CMPS03 moramo uporabiti 0xC0, za branje iz njega pa 0xC1. Torej bit branja/pisanja samo ustvari parne ali neparne naslove. Oba naša modula sta zasnovana za delo na hitrosti vse do 100 khz. Modula sta testirana do 1 MHz, vendar se pri hitrostih nad 160 khz ne moreta odzvati dovolj hitro, da bi prebrala podatke I2C. Zato je med vsakim prenesenim bajtom potreben majhen zamik, okrog 50 µs. Vendar v praksi skoraj nikoli ni potrebe po uporabi visokih hitrosti SCL. Zato obdržimo SCL linijo na ali pod 100 khz, kar je tudi standardna hitrost ure oz. takta (SCL). Spodaj lahko vidimo primer programske kode za branje iz kompas modula CMPS03, zapisane v programskem jeziku C: #include "CMPS03.h" CMPS03::CMPS03(PinName sda, PinName scl, int address) { } i2c = new I2C(sda, scl); //Kompas deluje na 100KHz. i2c->frequency(100000); i2caddress = address; char CMPS03::readSoftwareRevision(void){ } char registernumber = SOFTWARE_REVISION_REG; char registercontents = 0; //Najprej pošljemo št. registra, ki ga želimo prebrati, //v tem primeru, glavni register, št. 0. i2c->write(i2caddress, &registernumber, 1); //Zdaj preberemo 1 bajt, ki bo vsebina glavnega registra. i2c->read(i2caddress, &registercontents, 1); return registercontents; int CMPS03::readBearing(void){ char registernumber = COMPASS_BEARING_WORD_REG; char registercontents[2] = {0x00, 0x00}; 90

108 //Najprej pošljemo št. registra, ki ga želimo prebrati, //v tem primeru, register št. 2, 3, ki pokaže //usmeritev kompasa kot 16-bitno besedo. i2c->write(i2caddress, &registernumber, 1); //Zdaj preberemo dva bajta, ki bosta vsebina //teh registrov. i2c->read(i2caddress, registercontents, 2); //Register 2 [prebran prvi], je bil višji bajt, sledi //register 3 [prebran drugi], je nižji bajt. int bearing = ((int)registercontents[0] << 8) ((int)registercontents[1]); return bearing; } [2] ČETRTI KORAK TESTIRANJE Najprej smo povezali kompas modul CMPS03 in komunikacijski modul USB-I2C, ki smo ga preko USB vodila priključili na računalnik. Ko smo to storili, se je na komunikacijskem modulu prižgala rdeča dioda, kar je vidno na sliki Slika 4.16: Priklop modulov na usb vodilo 91

109 Nato smo s pomočjo testnega programa usb_i2c_io najprej poiskali naš Com port in testirali I/O načine. Ko smo vključili pravi Com port (v našem primeru Com 6) so se na I/O 2 in I/O 3 pokazale analogne vrednosti, kot vidimo na sliki Slika 4.17: Vklop Com porta Istočasno je na komunikacijskem modulu začela utripati zelena dioda, kar je pomenilo, da je prejel ukaz (slika 4.18). Slika 4.18: Zelena dioda začne utripati, kar pomeni, da je modul prejel ukaz oz. smo vklopili Com port 6, na katerega je priklopljen V programu imamo tudi možnost, da posamezne vhode preklapljamo med low in high (nizko in visoko). Nato smo testirali različne nastavitve, ki jih testni program omogoča. Najprej smo rdečo diodo preklopili na low. Ko smo to storili, je rdeča dioda na 92

110 komunikacijskem modulu ugasnila. Zelena dioda pa je utripala naprej. V naslednjem koraku smo preklopili na low I/O 2 in spremenila se je analogna vrednost tega vhoda. Obe diodi na komunikacijskem modulu sta bili prižgani. Rdeča neprekinjeno in zelena utripajoče, kot na začetku. Nato smo preklopili na low še I/O 3 in analogna vrednost tega vhoda se je spremenila. Nazadnje smo dali še oba, I/O 2 in I/O 3 na low. Obema so se vrednosti spremenile. Nato smo si naložili program USB-I2C Interface, ki se uporablja za testiranje I2C modulov in naprav. Najprej smo pregledali funkcije in nastavitve programa. Program ima možnost izbire I2C naslova, izbire načina branja iz registra, izbire številskega sistema in različnih nastavitev, kot so vklop/izklop com porta, velikost naslova registra (1 ali 2 bajta), dodajanje registra na zaslon in prikaz zaporedja bajtov. Po osnovnem testiranju komunikacije naših modulov in pregledu programa smo opravili kalibracijo kompas modula CMPS03. Čeprav je bil kalibriran že pri proizvodnji, in sicer v Angliji, smo se vseeno odločili, da ga za čim natančnejše delovanje ponovno kalibriramo. Kalibrirali smo ga po I2C metodi. Obstaja še Pin metoda, ki smo jo opisali v točki 4.2. Najprej smo kompas modul izključili iz napajanja in iz njegove okolice odstranili vse moteče faktorje, ki bi lahko vplivali na kalibracijo. Pri kalibraciji smo si pomagali s kompasom poiskali smo smer sever, kar je prikazano na sliki Slika 4.19: Kalibracija kompas modula 93

111 Ko smo natančno določili smer sever, smo kompas modul ponovno priklopili na USB vodilo in s pomočjo programa USB-I2C Interface nadaljevali kalibracijo. Najprej smo si naložili podlago, nastavljeno točno za model našega modula CMPS03. Potem se nam je prikazal sistem registrov za naš kompas modul CMPS03 (slika 4.20). Slika 4.20: Program nastavljen za modul CMPS03 Nato smo nadaljevali s postopkom kalibracije, ki je potekal v štirih korakih. Modul smo kalibrirali za vsako smer posebej. Vrsti red ni pomemben; mi smo pričeli s severom, ker smo si pred tem natančno določili smer sever. Izbrali smo I2C naslov 0xC0, ki je naslov za pisanje na CMPS03. Vpisali smo predpisano vrednost 255 v register 15 (glavni register) in pritisnili Write (zapiši), kar je prikazano na sliki

112 Slika 4.21: Kalibracija smeri Enak postopek smo ponovili za vse smeri; se pravi, zaporedoma za smeri sever, vzhod, jug in zahod. Ob posameznem koraku smo vpisali vrednost 255 v register 15 in ob tem v ustrezno smer obrnili kompas modul: sever (slika 4.22), vzhod (slika 4.23), jug (slika 4.24), zahod (slika 4.25). Na vsaki od slik je označena smer, ki smo jo v tistem trenutku kalibrirali, ter smer sever za lažjo orientacijo. Slika 4.22: Kalibracija smeri sever 95

113 Slika 4.23: Kalibracija smeri vzhod Slika 4.24: Kalibracija smeri jug 96

114 Slika 4.25: Kalibracija smeri zahod Po končani kalibraciji je ta trajna in je ne rabimo ponavljati. Kompas modul nam ves čas prikazuje podatke smeri, ne glede na to, kam ga obrnemo. Spreminjaje vrednosti v posameznih registrih lahko vidimo ves čas. Podatki se izpisujejo v treh različnih številskih sistemih; šestnajstiškem, desetiškem in dvojiškem. Katere podatke bomo uporabili, je odvisno od tega, kaj bi radi merili in kakšna bo naša nadaljnja uporaba. V našem primeru smo se odločili, da bomo uporabili vrednosti registra 3, ki so se nam zdele najrazumljivejše. Opazovali smo desetiške vrednosti, ki so nam najbližje. Izpisovale so se vrednosti od 0 do 255, kar predstavlja celoten krog. Ker vemo, da ima krog 360⁰, smo si za lažjo predstavo izračunali, da je v tem primeru vrednost 1 približno 1,41⁰. Da bi stvar poenostavili, smo si korak branja nastavili na 2 s (nastavljiv je od 0,1 s do 2 s). Za lažjo predstavo smo posneli 4 osnovne odzive kompas modula. Postavili smo ga v enake položaje, kot pri postopku kalibracije, da bi s tem tudi preverili, če je bila kalibracija uspešna. Najprej smo kompas modul postavili proti severu in videli, da nam register 3 (0x3), ki kaže usmeritev kompasa, pokaže vrednost 0. Nato smo modul obrnili proti vzhodu in odčitali vrednost na usmeritvenem registru. Pokazal je vrednost 63 (vidno na sliki 4.26), kar je po izračunu približno 90⁰. 97

115 Slika 4.26: Kompas modul obrnjen proti vzhodu. Nato smo modul obrnili proti jugu in odčitali vrednost 127, kar je približno 180⁰. Potem smo kompas modul obrnili še proti zahodu in odčitali vrednost 191, kar je približno 270⁰. Nazadnje smo obrnili kompas modul še za skoraj 90⁰, da nam je prikazal vrednost 255, se pravi tik preden vrže vrednost na 0, kar nam je predstavljalo obrat kompasa za celoten krog in kot 360⁰. Iz opravljenih meritev smo ugotovili, da je kompas modul CMPS03 zelo natančen in uporaben. Ugotovili smo tudi, da smo ga dobro umerili, saj nam je v vsako smer neba pokazal zasuk za 90⁰. Nato smo opravili še več meritev in sicer tako, da smo obračali kompas modul v območju od 0 do 255 (usmeritev kompasa kot bajt), v koraku po 10, iz česar smo lahko odčitali stopinje usmeritve kompas modula. Rezultati so prikazani v tabeli

116 Tabela 4.10: Rezultati meritev usmeritve kompas modula CMPS03 Vhodna napetost Uvh (V) Usmeritev kompasa (bajt) Usmeritev kompasa ( ) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

117 Iz rezultatov meritev usmeritve kompas modula, smo ugotovili, da nam kompas lahko v vsaki točki in v vsakem trenutku prikaže zelo natančno usmeritev. Ta podatek je zelo uporaben predvsem v navigacijskih sistemih, saj nam lahko kjerkoli poda zelo natančno smer. Zagotoviti moramo le konstantno napajanje 5 V, ki smo ga v našem primeru enostavno dobavljali preko komunikacijskega modula, ki je bil priključen na USB vhod računalnika. 4.5 PRIMERLJIVI SENZORJI Z I2C VODILOM Na trgu je veliko senzorjev z I2C vodilom, ki podpirajo I2C komunikacijo. Osredotočili smo se na senzorske module, ki delujejo na podoben način kot naš kompas modul CMPS03 in so prav tako povezljivi s komunikacijskim modulom USB-I2C, ki smo ga uporabili, ter so prav tako lahko v skupen sistem povezani tudi z našim kompas modulom, v primeru delovanja v isti napravi ali sistemu (na primer v robotu) ULTRAZVOČNI MERILNI MODUL SRF08 SRF08 je ultrazvočni merilec razdalje, ki meri razdaljo med 3 in 600 cm. Idealen je za uporabo na sprednjem delu robota, po navadi skupaj s servomotorjem za pregled situacije. Slika 4.27: Prednja stran ultrazvočnega merilnega modula SRF08 [50] Vgrajen ima sonar, ki meri razdaljo v kotu 45 z resolucijo 3 4 cm. Komunikacija z drugimi krmilniki in moduli poteka preko I2C vodila. Privzet naslov SRF08 je 0xE0. Spremenimo ga lahko na kateri koli od 16 naslovov E0, E2, E4, E6, E8, EA, ES, EE, F0, 100

118 F2, F4, F6, F8, FA, FC ali FE; torej se lahko uporablja vse do 16 sonarjev. Poleg zgoraj navedenih naslovov se vsi sonarji na I2C vodilu odzovejo na naslov 0, ki je naslov splošnega oddajanja. To pomeni, da je pisanje območja ukaza za I2C naslov 0 (0x00). Rezultate je treba brati vsakega posamično, iz vsakega naslova sonarja [40]. Slika 4.28: Prikaz priključkov merilnega modula SRF08 [40] Povezave "Do Not Connect" pin je treba pustiti nepovezan. Ta povezava se uporabi samo enkrat, in sicer v tovarni za programiranje PIC16F872 po izdelavi modula in ima notranji upor. SCL in SDA linije morajo imeti upore in 5 V napajanja nekje na I2C vodilu. Potreben je le en par uporov in ne par za vsak modul. Po navadi so upori pri glavnem vodilu in ne na sužnjih. SRF08 je vedno suženj, nikoli gospodar. Registri SRF08 vsebuje 36 registrov. Prikazani so v tabeli

119 Tabela 4.11: Registri ultrazvočnega merilnega modula SRF08 [40] Lokacija/mesto Branje Pisanje 0 revizija programske opreme glavni register 1 senzor lučke max gain register (default 31) 2 prvi povrnjen visok bajt (1st Echo High Byte) register razdalje (default 255) 3 prvi povrnjen nizek bajt N/A ~~~~ ~~~~ ~~~~ 34 sedemnajsti povrnjen visok N/A bajt 35 sedemnajsti povrnjen nizek bajt N/A Spreminjanje naslova I2C vodila Če želimo I2C naslov SRF08 spremeniti, moramo imeti na vodilu samo en sonar. Zapišemo zaporedje 3 ukazov, ki v pravilnem vrstnem redu sledijo naslovu. Na primer, da spremenimo naslov sonarja 0xE0 (privzet naslov) na 0xF2, vpišemo sledeče naslove v naslov 0xE0; 0xA0, 0xAA, 0xA5, in 0xF2. Da spremenimo I2C naslov, je te ukaze potrebno poslati v pravilnem zaporedju. V sredini zaporedja ne sme biti izdan noben drug ukaz. Zaporedje je treba poslati na ukazni register na mestu 0, kar pomeni 4 ločene transakcije pisanja na I2C vodilu. Ko končamo, moramo sonar označiti s svojim naslovom, če pa pozabimo, ga poženemo brez pošiljanja ukazov. SRF08 ima LED-diodo, ki spremlja nastavitev novega naslova. Sledi daljši prižig lučke, kateremu sledi več krajših bliskov, ki označujejo naslov. Utripanje se preneha takoj, ko je na SRF08 poslan ukaz. Merjenje razdalje Sledi primer zagona meritve modula SRF08 v cm: i2c_start(); i2c_tx(0xe0); // send start sequence // pošiljanje start zaporedja // SRF08 I2C address with R/W bit clear // naslov z R/W bit brisanje 102

120 i2c_tx(0x00); i2c_tx(0x51); i2c_stop(); // SRF08 command register address // naslov glavnega registra // command to start ranging in cm // ukaz za začetek merjenja // send stop sequence // pošiljanje stop zaporedja Naslednji primer prikazuje, kako na senzorju svetlobe brati vrednosti z registra 1 in obseg rezultatov registrov 2 in 3: i2c_start(); // send start sequence // pošiljanje start zaporedja i2c_tx(0xe0); // SRF08 I2C address with R/W bit clear // naslov z R/W bit brisanje i2c_tx(0x01); // SRF08 light sensor register address // naslov reg. na senzorju svetlobe i2c_start(); // send a restart sequence // pošiljanje restart zaporedja i2c_tx(0xe1); // SRF08 I2C address with R/W bit set // naslov z R/W bit nastavljen lightsensor = i2c_rx(1); // get light sensor and send acknowledge. Internal register address will increment automatically. // naslov notranjega registra se avtomatsko poviša rangehigh = i2c_rx(1); // get the high byte of the range and send acknowledge. // dobimo visok bajt razdalje in poslano potrdilo rangelow = i2c_rx(0); // get low byte of the range - note we don't acknowledge the last byte. // dobimo nizki bajt razdalje i2c_stop(); // send stop sequence // pošiljanje stop zaporedja [40] GONILNI MODUL MOTORJEV MD22 MD22 je motorni gonilnik nizke/srednje moči, namenjen za napajanje dveh motorjev. Motorja napaja z neodvisnim nadzorom. Je enostaven za uporabo in prilagodljiv. Vgrajen ima 15 V MOSFET pogon, skupaj s polnilno črpalko, tako da modul potrebuje samo dva vira napetosti. Standardno napajanje 5 V (enako kot CMPS03, SRF08 in drugi podobni I2C moduli) in do 50 ma za kontrolno logiko. Drugi pa je H-mostič, napetosti 60 V, ki omogoča napetosti motorja do 24 VDC. Gonilni modul MD22 ima krmilno funkcijo; motorji so lahko upravljani z I2C registrom ali vhodom (analogni + servo). Modul lahko nadzorujemo na več načinov. Z I2C vodilom lahko nadzorujemo do 8 MD22 modulov, kar omogoča preklop na različne naslove in 4 načine delovanja, vključno s krmiljenjem. Druga 103

121 možnost sta dva neodvisna analogna vhoda 0 V 2,5 V 5 V; 0 V polno vzvratno, 2,5 V center stop, 5 V polno naprej. Tretja možnost je 0 V 2,5 V 5 V analogni vhod za hitrost, z drugim kanalom za krmiljenje. Četrta možnost je neodvisni kanal RC. Motorji so posamično nadzorovani neposredno od izhoda RC sprejemnika. Naslednja možnost je RC način delovanja s krmiljenjem. Omogoča kontrolo hitrosti z radijsko kontrolo in krmiljenje z drugo. MD22 uporablja zelo natančen MOSFET, zaradi česar je modul zelo robusten [39]. Slika 4.29: Prikaz priključkov na gonilnem modulu motorjev MD22 [39] Povezave Motor 1 in Motor 2 sta povezavi za priključitev motorjev. Motor+ in Motor Ground sta povezavi za priključitev napajanja motorjev. Logic 5 V in Logic Ground sta priključka za napajanje logičnega vezja. Motor Ground in Logic Ground sta na modulu notranje povezana. Prepričati se moramo, da uporabimo kabel, predviden vsaj za 10 A, za baterijo, varovalko in napeljavo motorja. SDA in SCL sta povezavi I2C vodila [39]. Registri MD22 ima 8 registrov, oštevilčenih od 0 do 7 in so prikazani v tabeli