Studentský digitální osciloskop z Ječné stříbrný na letní Cortex Challenge
8. 12. 2015 | František Štefanec │SPŠE Ječná | www.spsejecna.cz
Dne 18. července 2015 se konalo vyhodnocení soutěže Cortex Challenge, kterou pořádala Katedra měření Elektrotechnické fakulty Českého vysoké učení technického v Praze. Cílem bylo v domácích podmínkách vyvinout výrobek, jehož základem bude vývojový kit Nucleo F303RE od firmy STMicroelectronics a který bude sbírat data nebo ovládat domácí přístroje. Na prvním místě se umístila laserová vypalovačka, na druhém místě se umístil můj projekt jednoduchého digitálního osciloskopu, který je vhodný pro základní měření.
Firmware kitu Nucleo je napsán v programovacím jazyce C/C++ a přeložen v online vývojovém prostředí mbed.org. Pro účel zobrazení naměřených hodnot na PC byla vyvinuta aplikace v programovacím jazyce Java v prostředí Processing. Rychlost vzorkování (sampling) je prozatím pouze 83 kSPS, ale přepsáním firmware je možné dosáhnout až 5 MSPS. Přesnost měření je 12 bitů, nicméně zobrazení je s přesností okolo 9 b (500 hodnot).
Mezi funkce osciloskopu patří například trigger (spouštění), který spustí měření až po té, co vstupní signál klesne pod určitou úroveň a opět ji přesáhne. To lze nastavit od 1/8 do 7/8 maximálního napětí po kroku 1/8, což je standardně 0,4125 V. Vzorky (samples), jejichž počet můžeme nastavit, se ukládají do datového pole. Firmware podporuje buď 1000, 2000 či 5000 samples. Aplikace pro PC je prozatím fixně nastavena na 1000 samples, ale v budoucnu je v plánu tento nedostatek dořešit. Stejně jako trigger lze nastavit i rychlost vzorkování, respektive periodu vzorkování ve třech krocích 12 µs, 25 µs a 50 µs.
Komunikace s počítačem je realizována pomocí zabudovaného konvertoru standardního sériového portu na USB. Zařízení připojené k počítači se chová jako virtuální sériový port a zároveň jako zařízení typu USB Mass Storage pro účel nahrání firmware. Rychlost komunikace mezi zařízením a počítačem je standardně nastavena na 921600 Bd.
Software pro PC je multiplatformní a byl testován jak na aktuálních Windows 10, tak na Linuxu (na distribuci Linux Mint, Ubuntu, obojí nejnovější verze). Jeho úkolem je jednak přijímat data z Nuclea a vypisovat je a dále posílat data zpět do Nuclea – pro nastavení triggeru i rychlosti samplování. Software zatím vykazuje určité nedostatky, mezi které patří například krkolomný způsob nastavování (je nutný přepis kódu a opětovné spuštění aplikace v Processingu), fixní velikost okna (šířka 1000 pixelů), omezená paměť na vzorky (1000 samples). Rozhraní programu je pouze v angličtině.
Do budoucna bych chtěl projekt rozvinout a zdokonalit, a to buď v rámci soutěže nebo dlouhodobé maturitní práce.
František Štefanec, student SPŠE Ječná, v době zadání soutěže 2. ročníku, v současné době ve 3. ročníku.