Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Projektarbeit 3. Semester
Aufbau eines temperaturbeständigen Mikrocontrollerboards mit dem Honeywell
HT83C51
Chris Bauer Matrikel-Nr.: 166070 Kurs: TMT08B
Karlsruher Institut für Technologie Institut für Angewandte Informatik Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen Betreuer: Dr. J. Isele
DHBW-Karlsruhe Fachleiter: Prof. Dr. D. Fehler
Bearbeitungszeitraum: 11.01.2010 – 07.03.2010
19.01.2012 Chris Bauer 1 von 34
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ........................................................................................................... 3
1.1 Institut für angewandte Informatik - IAI ......................................................... 3
1.2 Ziel dieser Praxisarbeit ................................................................................. 3
2 Kleine Einführung in die Geothermie .............................................................. 3
2.1 Allgemeine Informationen ................................................................................. 3
2.2 „ZWERG“ .......................................................................................................... 4
2.3 Aktueller Stand .................................................................................................. 4
3 High Temperature ICs der Firma Honeywell ................................................... 6
3.1 Mikrocontroller HT83C51 .................................................................................. 6
3.2 High Temperature positive Linear Regulator ..................................................... 7
3.3 High Temperature Dual Precision Operational Amplifier - HTOP01 .................. 8
3.4 High Temperature Quad Operational Amplifier - HT1104 ................................. 9
3.5 HIGH TEMPERATURE QUAD ANALOG SWITCH - HT1204 ........................... 9
3.6 High Temperature Analog Multiplexers - HT506 / HT507 ............................... 10
3.7 High Temperature N-Channel Power FET – HTNFET .................................... 10
3.8 High Temperature Crystal - Clock Generator - HTCCG .................................. 11
3.9 High Temperature 32K x 8 Static RAM - HT6256 ........................................... 12
3.10 Single-Axis Magnetic Sensor - HMC1021D .................................................. 12
3.11 High Temperature Gate Arrays - HT2000 Family .......................................... 13
3.12 Weitere Hersteller und ihre Komponenten .................................................... 13
4 Mikrocontroller - Board DHBW ....................................................................... 14
4.1 Aufbau ........................................................................................................ 14
4.2 Inbetriebnahme und Tests .......................................................................... 15
5 Passive Bauelemente ...................................................................................... 16
5.1 Platine ........................................................................................................ 16
5.2 Hochtemperatur Stecker und Kabel ........................................................... 16
19.01.2012 Chris Bauer 2 von 34
6 Platinen Entwurf in Eagle – HT83C51 ............................................................ 17
6.1 Spannungsversorgung ............................................................................... 18
6.2 Rund um den Mikrocontroller ..................................................................... 19
6.3 Version mit RAM als Programmspeicher .................................................... 19
6.4 Version mit Flash Mikrocontroller und Bootloader ...................................... 21
6.5 Hochtemperatur Latch ................................................................................ 21
6.6 TI Mikrocontroller - SM470R1B1M-HT ....................................................... 22
6.7 Lieferzeiten und Kosten .............................................................................. 22
7 Fazit und Ausblick ........................................................................................... 23
Abbildungsverzeichnis .............................................................................................. 25
Literaturverzeichnis .................................................................................................. 26
Anhang .................................................................................................................... 28
Erstellen des HTPLREG Bausteins für die Eagle Libary .......................................... 28
Hochtemperatur Internetquellen ............................................................................... 29
Schaltplan und Layout der Platinen in Eagle ............................................................ 31
Version mit RAM als Programmspeicher: .......................................................................... 31
Version mit Flash MirkoController und RAM: .................................................................... 32
Platinenlayout mit RAM als Programmspeicher ............................................................... 33
Datenblatt Honeywell HT83C51 ............................................................................... 34
19.01.2012 Chris Bauer 3 von 34
1 Einleitung
1.1 Institut für angewandte Informatik - IAI
Das Karlsruher Institut für Technologie gliedert sich am Campus Nord in 22 Institute,
darunter auch das Institut für Angewandte
Informatik (IAI), welches auf den Gebieten der
Informations-, Automatisierungs- und
Systemtechnik Forschung betreibt. Dabei stützt
es sich hauptsächlich auf die drei
Forschungsschwerpunkte Erde & Umwelt,
Gesundheit und Schlüsseltechnologien.
Seid kurzer Zeit arbeiten hier Arbeitsgruppen im
Bereich der erneuerbaren Energien, vor allem der
Geothermie. Neben der Entwicklung von
semantischen Datenmodellen im Bereich der Geothermie, soll in den nächsten Jahren auch
ein modulares Baukastensystem für Bohrlochsonden entwickelt werden. Das Projekt befindet
sich im Moment allerdings noch in einem sehr frühen Stadium.
1.2 Ziel dieser Praxisarbeit
In dieser Praxisarbeit sollen folgende Fragestellungen untersucht werden:
- Zunächst einmal soll überprüft werden, welche Hochtemperaturbausteine bei der
Firma Honeywell verfügbar sind und welche Funktionen diese haben.
- Mit dem Mikrocontroller HT83C51 soll ein erster Platinenentwurf für die
Hochtemperaturanwendung in den Bohrlochsonden erstellt werden.
- Wie sehen Platinen und andere Bauteile wie z.B. Kabel für diese Randbedingungen
aus und welche Hersteller bieten diese an.
2 Kleine Einführung in die Geothermie
2.1 Allgemeine Informationen
Geothermie oder auch Erdwärme genannt, nimmt unter den erneuerbaren Energieträgern
eine besondere Rolle ein. Ihre Energiequelle ist das Innere der Erde. Diese Wärme kann
direkt zum Wärmen oder Kühlen und zum Erzeugen von elektrischem Strom genutzt werden.
Die Nutzung von Geothermie ist praktisch überall und jederzeit, unabhängig von der
Jahreszeit oder des Wetters, möglich. Deshalb zählt die oberflächennahe Geothermie zu den
am häufigsten zum Einsatz kommenden erneuerbaren Energien. [GEO]
Abb. 1: Luftbild KIT Campus Nord
19.01.2012 Chris Bauer 4 von 34
2.2 „ZWERG“
Am IAI wird seit kurzer Zeit, unter der Leitung von Herrn Dr. J. Isele, an dem neuen
Forschungsprojekt ZWERG gearbeitet. Ziel dieses Projektes ist es, Bohrlochsonden für
Bohrlöcher im Bereich der tiefen Geothermie zu entwickeln.
Aufgrund der hohen Umgebungstemperaturen und hohen Drücken stellt dies große
Anforderungen an die Messsonden und deren technische Elemente im Inneren. Aufgrund
dieser Randbedingungen werden spezielle, temperaturbeständige elektrische und
elektronische Bauteile benötigt. Alternativ versucht man die Sonden mit der Bohrspülung zu
kühlen, bzw. spezielle nach außen hin isolierte und gekühlte Bereiche zu fertigen, in welchen
dann die Bauteile geschützt werden. Wegen dieser technischen Schwierigkeiten, welche bei
in situ Messungen auftreten und der immensen Kosten, wird heute meist auf den Einsatz
solcher Bohrlochsonden verzichtet.
Ein Teil des „Zwerg“ Baukastens ist der Mantel, welcher die Aufgabe hat, die inneren
Bauteile vor den harten äußeren Umgebungsbedingungen zu schützen.
Der Baukasten soll durch eine Kamera, steuernde Elektronik oder Aktoren und Sensoren etc.
erweitert werden.
2.3 Aktueller Stand
Bisher wurden im Bohrloch Baukastenprojekt „Zwerg“ die mechanischen Bauteile, wie
Sondenmantel, Sondenkupplungen, Druckausgleich konstruiert und Abschätzungen
bezüglich der Kühlung des Innenraumes durchgeführt.
Beim Sondenmantel kam man zu dem Ergebnis diesen doppelwandig mit Vakuumdämmung
aufzubauen. [EB] Bei einem Außendurchmesser des Außenrohres von 170mm bleibt so ein
Innenrohr mit dem Innendurchmesser von 90mm zur Nutzung.
Durch die Sondenkupplung müssen alle benötigten Leitungen und Schläuche durchgeführt
werden können. [LOH] Zum Anderen muss diese den Gewichtsbelastungen beim
Herablassen, den eventuell auftretenden Torsions- und Biegekräften, sowie dem hohen
Druck standhalten, damit Dreck und aggressive Gewässer nicht ins Innere der Sonde
gelangen.
19.01.2012 Chris Bauer 5 von 34
Abb. 2: Sonde im Bohrloch [LOH]
Im nächsten Abschnitt des Projektes geht es darum, sich den inneren Komponenten, wie der
elektronischen Steuerung und dazugehöriger Peripherie zuzuwenden. In einem parallel
laufenden Projekt geht es um die Kamera sowie deren Nutzung und wie diese in den Sonden
eingesetzt werden könnte.
19.01.2012 Chris Bauer 6 von 34
3 High Temperature ICs der Firma Honeywell
Die meisten elektronischen Bauteile wie z.B. Widerstände, Dioden, Kondensatoren und IC’s
haben eine maximale Betriebstemperatur, welche für unsere Anwendung in der Geothermie
nicht mehr ausreichend hoch ist.
Diese Temperaturgrenze liegt meist bei 85°Grad, im Automotivebereich bei 125°C. In einer
vorherigen Projektarbeit [EB2] wurde die benötigte
Kühlleistung, um die Sonde großflächig auf
Betriebstemperatur herunter zu kühlen, welche die
Nutzung von gewöhnlichen elektronischen
Bauteilen ermöglicht, abgeschätzt. Demnach ist es
kaum möglich, die komplette Bohrlochsonde
herunter zu kühlen, jedoch ist es punktuell mit
einem angemessenen Leistungsaufwand denkbar.
Deshalb sollte die Elektronik und die dazugehörenden passiven Bauelemente wenn möglich
den genannten Umgebungsbedingungen bestmöglich standhalten. Die Firma Honeywell hat
in ihrem Sortiment so genannte „High Temperature“ Produkte, welche in der Raumfahrt, bei
Erdölbohrungen, Kernreaktoren und der Luftfahrt verwendet werden. Diese Produktfamilie
beinhaltet einen Mikrocontroller der 80C51 Familie und weitere ICs welche u. a. für die
Verwendung des Mikrocontrollers benötigt werden. Im Folgenden wird auf die verschiedenen
Bausteine und ihre Funktionen eingegangen.
3.1 Mikrocontroller HT83C51
Der von Honeywell entwickelte 8Bit Mikrocontroller HT83C51 stammt aus der Intel 8051
Familie. Er ist Pin kompatibel zum Intel 8XC51FC, hergestellt mit Honeywell’s „dielectrically
isolated high-temperature (HTMOS™) process“ und für Betriebstemperaturen von -55 bis zu
225°C, bei einer Taktung mit 16MHz, im Dauereinsatz bis zu 5 Jahren geeignet. Der
HT83C51 verwendet den Standard MCS-51 Befehlssatz welcher für Kontrollanwendungen
optimiert ist. Da er Pin für Pin kompatibel zum MCS-51 Serienprodukt ist, ist er auch mit allen
bekannten Entwicklungsumgebungen kompatibel. Die Schlüsseltechnologien beinhalten ein
programmierbares Counter Array, watch dog timer, erweiterter Serieller Port für
Multiprozessor Kommunikation und eine hierarchische Interrupt Struktur. Die Interrupt
Struktur beinhaltet 7 Quellen mit 4 Prioritätsstufen. Der HT83C51 unterschiedet sich vom
8XC51FC, indem er nur halbduplex serielle Kommunikation unterstützt und ein 8K
maskenprogrammierbares ROM zur Verfügung stellt. Der Controller ist in einem Standard
DIP Gehäuse (40 Pins) erhältlich. Möglicherweise sind auf Anfrage auch andere Gehäuse
Abb. 3: High temperature IC’s [IC]
19.01.2012 Chris Bauer 7 von 34
erhältlich. Der Mikrocontroller benötigt eine Single 5V±10% Spannungsversorgung und
verbraucht bei einer Taktfrequenz von 16MHz
einen Strom von 70mA, im Leerlauf sind es
nur 15mA. Der Controller bietet 4 I/O Ports a
8 PINs, diese Ports bieten eine zusätzliche
alternative Verwendung, wie z.B. den Zugriff
auf externe Speicher oder Interrupt Eingänge.
Der Controller bietet die Möglichkeit bis zu
64K externen Programmspeicher und 64K
externen Datenspeicher anzuschließen. Intern
hat der Controller 256 Byte Datenspeicher. Des Weiteren beinhaltet der Chip einen internen
Oszillator für die Taktsteuerung, drei 16Bit Zähler und einen Taktausgang. Er beinhaltet ein
programmierbares Counter Array mit Capture/Compare, Software Timer mit Watchdog
Fähigkeit, Hochgeschwindigkeitsausgang und Pulsweitenmodulation. Mit niedrigerer Taktrate
arbeitet der Controller normalerweise 1 Jahr bei 300°C.
3.2 High Temperature positive Linear Regulator
Der HTPLREG ist ein Analog-Digital Linearregler, ausgelegt um über einen hohen
Temperaturbereich von -55°C bis
zu 225°C zu arbeiten. Er stellt
eine feste Ausgangsspannung,
welche je nach Variante des
Bauteils zwischen 5V, 10V, 12V,
15V variiert, bereit. Die maximale
Eingangsspannung beträgt bei
der 5V Variante 25V bei allen
anderen Bausteinen beträgt sie
28V.
Der maximale Ausgangsstrom beträgt 500mA. Der Linearregler kann über einen Shutdown
Pin in den Ruhezustand versetzt werden, während dessen beträgt der Ruhestrom 1,5 mA.
Ein interner Kurzschlussschutz wird bereitgestellt. Der HTPLREG wird in einem 4PIN
Hermetic Power Package ausgeliefert.
Abb. 5: Functional Diagram [HTP]
Abb. 4: Honeywell HT83C51[HT83]
19.01.2012 Chris Bauer 8 von 34
3.3 High Temperature Dual Precision Operational Amplifier - HTOP01
Der HTOP01 ist ein 2facher Präzisions- Kleinleistungs- Operationsverstärker, welcher eine
sehr geringe Input Offsetspannung und einen geringen Drift der Offsetspannung in einem
Temperaturbereich von -55°C bis 225°C zur Verfügung stellt. Hierzu wird die Input
Offsetspannung kontinuierlich gemessen und abgeglichen, um eine nahezu perfekte
Offsetspannungskompensation über den ganzen Temperaturbereich und die Zeit zu
gewährleisten. Der Input Offset Drift beträgt maximal 0.2µV/°C. Ein interner Oszillator und
Logik beinhalten alle notwenige Technik, um den Abgleich durchzuführen. Es sind keine
externen Kapazitäten erforderlich. Der Oszillator erzeugt eine zufällige Frequenz zwischen 2
und 4 KHz, was in sehr
hohem Maß nachweisbar
Taktgeräusche reduziert.
Zusätzlich wird ein Clock
Input Pin zur externen
Steuerung zur Verfügung
gestellt (XCLK). Mit einem
Auswahl Input Pin (SEL)
kann zwischen den beiden
Taktgebern (intern/ extern)
ausgewählt werden. Die externe Taktoption ermöglicht Timing Flexibilität für synchron
verglichene Systeme, in denen kein Taktsignal im abgeglichenen Verstärkerausgang toleriert
werden kann. Um Energie zu sparen schaltet ein Power Shutdown PIN (SHDN) alle
analogen Elektroniken ab, wenn er auf high gesetzt wird. Der Strom mit SHDN ist kleiner als
150µA.
Als Spannungsversorgung benötigt der OP VDD=5V und VSS=0V (Single Supply 5V). Das
Verstärkungsbandbreiten- Produkt beträgt 2 MHz. Die Großsignalverstärkung beträgt
minimal 80dB. Der Ausgangsstrom beträgt im normalen Betrieb ±20mA und maximal ±50mA
im Kurzschlussfall. Der Operationsverstärker ist in einem 14 PIN Keramik DIP Gehäuse
erhältlich.
Abb. 6: Dual Precisions OP [OP]
19.01.2012 Chris Bauer 9 von 34
3.4 High Temperature Quad Operational Amplifier - HT1104
Der IC HT1104 beinhaltet 4 Operationsverstärker welche vielseitig und über einen sehr
großen Temperaturbereich einsetzbar sind. Diese Verstärker stellen eine garantierte
Performance über den kompletten Temperaturbereich von -55 bis 225 Grad zur Verfügung.
Der IC ist in einem Hermetic 14-Lead Keramik DIP
Gehäuse erhältlich. Er stellt Single oder Split Supply
Operation zur Verfügung (±5V oder 0-10V) und hat einen
ESD (electrostatic discharge) geschützten Schaltkreis. Er
wird in der Raumfahrt und Luftfahrtelektronik, zur
Turbinensteuerung und Steuerung schwer beanspruchter
Verbrennungsmotoren eingesetzt. Der Spannungsdrift mit
der Temperatur beträgt maximal 15µV/°C. Input Offset
Spannung beträgt über den kompletten Temperaturbereich von -55°C bis 225°C maximal
7mV. Der OP besitzt zusätzlich einen Ein-/Ausgangs- Überlastschutz. Die
Leerlaufverstärkung beträgt minimal 100dB. Das Verstärkungsbandbreitenprodukt beträgt
1,4MHz. Der Ausgangs-Kursschluss beträgt 15mA.
3.5 High Temperature Quad Analog Switch - HT1204
Der HT1204 beinhaltet in einem Gehäuse 4 unabhängig voneinander arbeitende Schalter,
welche die Signale, ob digitale oder analoge, über einen
extrem weiten Temperaturbereich schalten können. Es
ist also ein 4x1 – Schließer, dass heißt 4 Signale
können unabhängig voneinander durchgeschaltet
werden. Typische Anwendungen für den HT1204 sind:
Signal Abtastung, Takten, Modulieren, Demodulieren
und Multiplexen. Der 4fach Schalter weißt ein geringes
Übersprechen zwischen den Schaltern auf. Der
Eingangswiderstand beträgt 100Ω, die
Eingangskapazität beträgt 12pF und der
durchzuschaltende Strom pro Schalter beträgt ±20mA.
Im schlechtesten Fall beträgt der Leckstrom 500nA bei
225 °C. Die Einschaltzeit beträgt 100ns und die
Abschaltzeit 200ns.
Der IC benötigt eine Spannungsversorgung zwischen 5 und 11V und ist in einem 14-Lead
Keramik DIP erhältlich.
Abb. 7: Quad OP [OP2]
Abb. 8: Analog Switch [SW]
19.01.2012 Chris Bauer 10 von 34
3.6 High Temperature Analog Multiplexers - HT506 / HT507
Der HT506 ist ein 16fach Analog Multiplexer,
welcher 16 Eingänge besitzt und über einen 4 Bit
Code für die Kanalauswahl verfügt.
Der HT507 ist ein IC, welcher zwei 8fach
Multiplexer, mit 3Bit Code für die Kanalauswahl,
beinhaltet.
Zusätzlich haben beide Multiplexer einen Enable
Pin für die Deaktivierung des Gerätes. Die
Multiplexer sind in einem 28 Pin Keramik DIP
Gehäuse erhältlich und haben bei
Betriebstemperaturen zwischen -50 und 225°C
eine garantierte Lebenserwartung von 5 Jahren.
Der Eingangswiderstand der beiden Multiplexer
beträgt 400Ω und der Ausgangsleckstrom weniger als
2,5µA bei 225°C.
Die Geräte sind fähig mit Splitt Supply (±5V) oder
Single Supply (VDD=10V VSS=GND=0V) zu arbeiten.
Der analoge Ein- / Ausgangsbereich geht von ±5V
oder von 0-10V. Die Enable und Adress-Eingangspins
bieten TTL oder CMOS Kompatibilität. An jedem
Anschluss kann ein Strom von 10mA und ein
kurzfristiger Strom (1ms lang) von 15mA fließen. Das
Schalten der einzelnen Kanäle erfolgt mir einer kurzen
Unterbrechung. Die Schaltzeiten betragen beim
Einschalten 400ns und beim Ausschalten 200ns.
3.7 High Temperature N-Channel Power FET – HTNFET
Bei dem HTNFET handelt es sich um einen sehr ausfallsicheren N-Channel Power FET,
welcher speziell für einen extrem großen Temperaturbereich ausgelegt wurde.
Der NFET kann zwischen -50 und 225°C für 5 Jahre garantiert eingesetzt werden. Er ist in
einem 4Pin Power-Tab Package erhältlich (HTNFET-T), oder als 2facher NFET in einem
8Pin Keramik DIP Gehäuse (HTNFET-D). Der Ausgangsstrom beträgt bis zu 1A im
Dauerbetrieb. Die typische Eingangsspannung beträgt bis zu 60V.
Abb. 10: HT506 [MU]
Abb. 9: HT507 [MU]
19.01.2012 Chris Bauer 11 von 34
Die Drain-Source Durchschlagsspannung beträgt mindestens 55V, die Gate
Schwellenspannung beträgt bei 25°C maximal 2,4V. Die maximale Leistung beträgt 50W bei
einer Tj von 250°C (Sperrschichttemperatur).
3.8 High Temperature Crystal - Clock Generator - HTCCG
Der HTCCG ist ein CMOS und TTL kompatibler Hochtemperatur Frequenzgenerator. Er hat
einen integrierten Kristall gesteuerten Oszillator
Treiber, Teilerkette, Spannungsüberwachung
(low voltage monitor), Enable und Reset
Anschluss. Die Ausgangsfrequenz des HTCCG
reicht von 24KHz bis zu 20MHz, es ist ebenfalls
möglich, die Ausgangsfrequenzen durch 2, 4 und
8 geteilt abzugreifen. Für extreme low Power
Applikationen ist auch ein Enable Pin vorhanden,
um den Chip zu deaktivieren. Der Der IC benötigt
eine Single 5V Spannungsversorgung. Es kann
zusätzlich ein externer Frequenzgenerator
angeschlossen werden, welcher Frequenzen von
48KHz bis zu 40MHz liefert. Dazu ist ein PIN für die Auswahl extern/intern zuständig. Der
Frequenzgenerator kann für Anwendungen, welche alleinig die Präzisionsteilerkette
benötigen, umgangen werden. Der IC ist in einem 14 PIN Keramik DIP Gehäuse erhältlich
und für einen Temperaturbereich von -55 bis zu 225°C geeignet.
Abb. 11: HTNFET [FET]
Abb. 12: Clock Generator [HTC]
19.01.2012 Chris Bauer 12 von 34
3.9 High Temperature 32K x 8 Static RAM - HT6256
Der HT6256 SRAM wird in einem Hermetik 28 PIN Keramik
DIP Gehäuse ausgeliefert. Er benötigt eine 5V±10% Single
Supply Spannungsversorgung, ist für eine
Betriebstemperatur von -55 bis zu 225°C ausgelegt und ist
mit Honeywell´s Silicon on Insulator (SOI) Technology
hergestellt. Die Ein-/Ausgänge sind CMOS kompatibel und
verfügen über CMOS Puffer. Der Lesezugriff erfolgt komplett
asynchron.
Die Zugriffzeit beträgt im Lese oder
Schreibmodus weniger als 50ns über den
kompletten Temperaturbereich, dies
unterstützt eine Taktung des Mikrocontrollers
von 20MHz. Der Leistungsbedarf beträgt
weniger als 30 mW/MHz während des
Betriebs und weniger als 10mW wenn er
Deaktiviert ist.
3.10 Single-Axis Magnetic Sensor - HMC1021D
Der Honeywell HMC1021D ist ein Sensor in einem 8 PIN Keramik DIP Gehäuse, welcher auf
einer Achse Magnetfelder messen
kann. Der HMC1021D kann bei
Hochtemperaturanwendungen
eingesetzt werden, verfügt über die
Fähigkeit kleine magnetische Felder
zu messen und hat ein
nichtmagnetisches Gehäuse. Mit ihm
können magnetische Felder in Stärke
und Richtung bis zu schwachen 85
micro Gauss (8,5 nT) gemessen
werden, weshalb er eine höchst zuverlässige Komponente ist, um kleine magnetische
Felder, wie z.B. das Erdmagnetfeld, zu messen.
Es können magnetische Felder mit einer Stärke von ±6 Gaus (±0,6 Tesla) gemessen
werden. An den IC muss eine Referenzspannung zwischen VBRIDGE und GND, welche
zwischen 1,8V und 12V liegt angeschlossen werden.
Abb. 13: Pinout RAM [RAM]
Abb. 14: Temperaturverhalten [RAM]
Abb. 15: PIN OUT HMC1021D [HMC]
19.01.2012 Chris Bauer 13 von 34
In Abhängigkeit des Magnetfeldes und der Richtung wird eine positive oder negative
Spannung ausgegeben. Der Chip ist in einem 8PIN Keramik DIP Gehäuse erhältlich.
3.11 High Temperature Gate Arrays - HT2000 Family
Bei einem Gate Array handelt es sich um eine vorkonfektionierte Logikschaltung die im
Nachhinein nicht mehr verändert werden kann, also eine auf spezifische Anwendungen
integrierte Schaltung. Das „Funktionsprogramm“ (Verilog oder VHDL Simulation) muss dem
Hersteller bei der Bestellung zugestellt werden. Dieses wird dann umgesetzt, somit sind die
Kosten für eine Kleinserie sehr hoch. Die HT2000 Gate Arrays sind mit Honeywells
„HTMOS“ Technologie entwickelt und können über den vollen Temperaturbereich von -55 bis
zu 225 Grad mit bis zu 25MHz arbeiten. Es kann zwischen verschiedenen I/O Typen gewählt
werden (Driver, Receiver, Bi-Directional, Three State). Es sind Gate Arrays mit 40K bis zu
390K Gates im Rohzustand zu erhalten.
3.12 Weitere Hersteller und ihre Komponenten
Im Laufe des Projektes und der Materialsuche für das Hochtemperatur Mikrocontroller Board
sind weitere Hersteller und Komponenten ergründet worden, auf die im Folgendem kurz
eingegangen wird.
Für die Spannungsversorgung des Mikrocontrollerboards sind Kondensatoren zur Pufferung
und Filterung notwendig. Bei RS sind Aluminium axial Kondensatoren in den Versionen von
2,2µF bis zu 1000µF von der Firma Vishay erhältlich, welche in einen Temperaturbereich von
-80°C bis zu 200°C eingesetzt werden können. Ab einer Temperatur von 125°C muss eine
Spannungsminderung berücksichtig werden [RS].
Abb. 16: Tabelle Gate Arrays HT2000 Familie [Gate]
19.01.2012 Chris Bauer 14 von 34
Auf der Homepage des Herstellers Vishay sind weitere Hochtemperaturkondensatoren wie
die „Wet Tantalum HI TMP®“ Kondensatoren zu finden. Diese sollen ebenfalls bis zu 200°C
einzusetzen sein und haben bei diesen Temperaturen eine Lebenserwartung von 500
Stunden [VIS].
Bei der Firma Kemet, welche ausschließlich Kondensatoren herstellt sind ebenfalls einige
Kondensatoren, welche eine Betriebstemperatur jenseits der 200Grad aufweisen, zu finden.
Die Lebenserwartung beträgt hier 2000 Stunden bei 200Grad Umgebungstemperatur [KEM].
Für die Spannungsversorgung wird eine Diode zum Schutz vor Verpolung benötigt, diese
sollte auch den Randbedingungen standhalten. Eine solche Diode, welche bis zu 200°C
Betriebstemperatur bietet, ist bei dem Hersteller Edidiodes zu finden [ED]. Allerdings muss
noch überprüft werden, ob diese tatsächlich für die Anwendung geeignet ist, da manche
Werte des Datenblattes nicht den Vorstellungen entsprechen. Weitere Dioden, welche
ebenfalls in Erwägung gezogen werden können sind bei ST Electronics [ST] und Diotec
[DIO] zu finden.
Der Hersteller Cissoid bietet weitere ICs für einen Temperaturbereich bis zu 225°C
Dauereinsatz an [CIS]. Die Produktpalette erstreckt sich hierbei von logischen Operatoren
wie And, Or, Nor bis zu DC-DC Converter, Halb- bzw. Vollbrücken zur Motoransteuerung
und Transistoren. Des Weiteren sind auf der Herstellerseite Partnerfirmen verzeichnet,
welche ebenfalls Hochtemperatur-Anwendungen anbieten.
Texas Instruments (TI) bietet ebenfalls Hochtemperatur-Elektronik-Komponenten an [TI].
Unter anderem ist auch ein 32-Bit Mikrocontroller, welcher 1MB Flash und 64KB SRAM
Speicher integriert hat, erhältlich. Allerdings weisen Angaben darauf hin, dass diese
Komponenten teilweise noch nicht lieferbar sind.
Auch Atmel bietet Hochtemperatur-Elektronik an, allerdings wird hier auch darauf verwiesen,
dass manche Bausteine noch nicht erhältlich sind. Es sind dort ICs wie Halbbrücken zur
Motorsteuerung bis 200°C erhältlich [ATM].
4 Mikrocontroller - Board DHBW
4.1 Aufbau
Zunächst einmal war es notwendig die prinzipielle Funktionsweise und allgemeine Hardware
zur Funktion eines Mikrocontrollers kennen zu lernen. Hierzu wurde zum einen
entsprechende Fachliteratur aus der Bibliothek ausgeliehen. [BIP] Zum anderen wurde das
Atmel Atmega Board, welches an der DHBW-Karlsruhe zu Lernzwecken der Assembler-
Programmierung für die Studenten zur Verfügung steht, aufgebaut.
19.01.2012 Chris Bauer 15 von 34
Auf dem Mikrocontroller-Board sind zwei Atmel AT89S8252 Mikrocontroller der Intel 8051
Familie verbaut. Diese sind mit dem Standard MCS-51 Befehlsatz in Assembler kompatibel.
Bei diesem System der DHBW-Karlsruhe programmiert ein Atmel AT89S8252 den anderen
Controller. Er empfängt ein Programmfile vom Rechner per Serieller Schnittstelle, schreibt
die Nutzdaten in ein RAM und programmiert dann über die SPI Schnittstelle den anderen
Mikrocontroller. Nach einem automatischen Reset des programmierten Mikrocontrollers wird
in diesem das Programm gleich ausgeführt.
Auf der Platine ist eine Prozesssimulation zur leichten Funktionsüberprüfung realisiert. Port 0
ist auf LEDs als Ausgangsport und Port 2 auf 4 Taster als Eingangsport geführt. Zusätzlich
stehen diese Portpins und die Portpins der anderen beiden Ports zur freien Verfügung,
indem sie auf 2mm Buchsen und Wannenstecker herausgeführt werden.
Des Weiteren ist die SPI Schnittstelle auf 2mm Buchsen nach Außen geführt, um so einen
externen Mikrocontroller programmieren zu können, welcher über SPI Schnittstelle verfügt.
Zu diesem Board existiert ein Bausatz mit fertiger Platine und den notwendigen Bauteilen an
der DHBW. Diese Platine muss nur noch bestückt und verlötet werden. Anschließend kann
dann mit einem anderen schon fertigen Atmel Board ein Atmel AT89S8252 mit dem
notwendigen Intel-Hex-File beschreiben werden. Danach müssen die ICs nur noch in ihre
Sockel eingebaut werden und das Board sollte betriebsbereit sein.
4.2 Inbetriebnahme und Tests
Zur Inbetriebnahme des Boards musste zuerst die Serielle Datenübertragung zwischen
Rechner und Mikrocontroller hergestellt werden. Dies wurde mittels eines USB to RS232
(Seriell) Konverters von DELOOK realisiert. Die Programmdaten werden mit dem
Hyperterminal von Windows an das DHBW-Board übertragen.
Um den Mikrocontroller programmieren zu können, wird mit einem Texteditor ein *.a51 File
erstellt. Diese Files können z.B. mit dem MED-Texteditor erstellt und in Assembler Sprache
beschrieben werden. Anschließend muss die Datei noch mit einem Compiler in
Maschinencode (Binärcode) übersetzt werden. Der Compiler erstellt eine *.txt Datei, welche
dann mittels Hyperterminal an das Board übertragen werden kann. Ist diese Datei erfolgreich
übertragen, wird der Code gleich ausgeführt und es kann ein Funktionstest durchgeführt
werden.
19.01.2012 Chris Bauer 16 von 34
5 Passive Bauelemente
5.1 Platine
Die Firma LeitOn GmbH bietet eine Platine mit einer Glasübergangstemperatur (TG) von
>=260°C an. Der Glasübergang trennt den spröden energieelastischen Bereich
(Glasbereich) vom weichen Bereich (gummielastischer Bereich). Bei der Platine P96/26 von
Isola, welche auf einem Polyimidharz basierenden Hoch-Tg-Laminat aufbaut handelt es sich
um eine ein oder zwei lagige Platine [ISO]. Diese wurde speziell für
Hochtemperaturanwendungen entwickelt und kann bei einer Umgebungstemperatur von bis
zu 200 Grad dauerhaft eingesetzt werden. Multilayer-Varianten sind bei diesen
Temperaturen von der Firma LeiOn bzw. Isola nicht erhältlich.
Bei der Fertigung der Platine muss bei der Struktur darauf geachtet werden, dass die
Leiterbahnstärke und der Leiterbahnabstand 4mil nicht unterschreiten dürfen, wobei 6mil
besser wären (1mil entspricht 0,03mm).
Bei der Hochtemperaturentwicklung der Platine bietet die Firma LeitOn GmbH Unterstützung
an, da diese Firma hier schon Erfahrung gemacht hat und auch Produkte wie Lötzinn,
Lötstopplack und die Platine selbst dort angeboten werden. Für den Informationsaustausch
und auch ein Angebot wurde schon Email-Kontakt aufgenommen.
Auf ein Angebot von LeitOn wird derzeit noch gewartet. Es ist aber schon sicher, dass diese
Hoch-TG Platinen auch gefräst werden können. Somit sind zumindest eine eventuelle
Testplatine und Versuchsaufbauten im IAI unter den 200°C im Backofen möglich.
Mit anderen Platinenherstellern wie Andus, Contag, Würth oder Brockstedt kann im Laufe
des Projektes, wenn die Anwendungen konkreter werden zusätzlich Kontakt aufgenommen
werden.
Auch der Hersteller Andus stellt möglicherweise Platinen her (Dickkupfer), welche den
Umgebungsbedingungen standhalten könnten [AN]. Auf der Herstellerseite Contag ist
ebenfalls unter dem Stichwort Hoch-TG eine ein- bis zwei-seitige Leiterplatte zu finden. In
der frühen Entwicklungsphase war es aber ausreichend von einem Hersteller sicher zu
wissen, dass dieser Platinen für diesen Temperaturbereich anbietet.
5.2 Hochtemperatur Stecker und Kabel
Das Auffinden von Hitzebeständigen Kabeln dürfte sich als nicht ganz so schwierig wie bei
manch anderen Komponenten herausstellen.
Es muss hier lediglich die Isolierung den Umgebungsbedingungen standhalten und der
Widerstand der Leitung darf nicht zu hoch werden mit ansteigender Temperatur. Als
Beschichtung der Kabel kämen Silikon oder andere Temperaturbeständige Kunststoffe wie
Teflon in Frage. Besonders bei Temperatursensoren und Thermoelementen, welche bis zu
19.01.2012 Chris Bauer 17 von 34
einigen Hundert Grad messen, werden solche Kabel benötigt. Im RS-Katalog sind solche
Kabel mit Spezifizierung bis zu
250°C als Feindraht mit PTFE-
Isolierung erhältlich. Diese Kabel
sind für Thermoelemente und für
die Verlängerung der Leitungen
von Thermoelementen ausgelegt.
Mit diesen Feindrahtleitungen
könnte eine Verbindung zwischen
den einzelnen Platinen hergestellt
werden [RS2].
Ein Kabel mit mehr als 3 Litzen
wurde noch nicht für 200°C
Umgebungstemperatur gefunden. Allerdings bietet der Hersteller LEONI Kabel
verschiedener Art nach Anfrage für einen Temperaturbereich von -190°C bis zu 1250°C an
[LEO]. Diese können auch komplett fertig konfektioniert werden.
Auf der Homepage von HK Testsysteme GmbH werden als Produkte Hochtemperatur
Steckverbinder angeboten [HK]. Laut Kontakt mit dem Hersteller können diese Stecker in
Design und Anzahl der Kontakte variabel auf die Kundenwünsche gefertigt werden. Ob ein
Einsatz mit Steckern auf der Platine und an den Kabeln überhaupt in Frage kommen kann,
muss zuerst noch untersucht werden. Aufgrund der Erschütterungen, welche während des
Herablassens der Sonde herrschen, könnte es sein, dass es sicherer wäre, die Kabel direkt
zu verlöten, um so eine Unterbrechung der Übertragung zu vermeiden. Zumindest aber
sollten die Steckverbindungen mechanisch gut verbunden sein.
6 Platinen Entwurf in Eagle – HT83C51
Nachdem die Bausteine von Honeywell auf ihre Funktion geprüft waren und das DHBW-
Board aufgebaut war könnte mit der minimal Ausstattung für die Temperaturbeständige
Platine begonnen werden. Hierbei wurde gleich von Anfang an versucht möglichst alle
Bauteile, auch die passiven, für die Umgebungsbedingung von 200 °C zu spezifizieren.
Hierfür war es bei fast allen Bauteilen notwendig längere Recherchen zu betreiben, sowie
teilweise auch Email Kontakt mit den Herstellern aufzunehmen.
Beim Erstellen des Platinenlayouts wurde nach PIN kompatiblen IC’s in der Eagle Libary
gesucht und diese dann in die Bausteine von Honeywell umbenannt. Zusätzlich war es
erforderlich einen Baustein selbst in der Bibliothek anzulegen, da dieser in der Gehäuse-
Abb. 17: Burn in Board mit Hochtemperatur Steckverbinder von HK [HK2]
19.01.2012 Chris Bauer 18 von 34
Form nicht vorhanden war. Hierfür wurde auch eine eigene Honeywell Bibliothek angelegt, in
welcher der Baustein in Eagle nun zu finden ist (siehe
Anhang).
Als ersten Ansatz für das Platinenlayout wurde eine runde
Platine mit einem Durchmesser von 88mm vorgesehen.
Diese wurde an der einen Seite um 10mm abgeflacht um
die interne Durchführung von Kabeln zu ermöglichen. Auf
der anderen Seite wurde die Platine um 20mm abgeflacht
um Kabel und Schläuche, welche durch die Sonde führen, vorbei leiten zu können. Die
Platinen sollen, nach der ersten Überlegung, als Stapel aufgebaut werden können und so
flexibel für Erweiterungen sein (siehe Abb. 18).
6.1 Spannungsversorgung
Zunächst einmal ist es notwendig eine 5V Single Supply Spannungsversorgung für das
Mikrocontroller Board herzustellen. Diese wird mittels des positive Linear Regulators
Honeywell HTPLREG realisiert. Des Weiteren wurde eine Diode als Verpolungsschutz und
Kondensatoren zur Pufferung bzw. Filterung von Störungen vorgesehen.
Als Diode wurde bisher auf dem Layout nur ein Platzhalter vorgesehen, da noch nicht
endgültig geklärt ist, welche Diode bei den Randbedingungen tatsächlich funktioniert und für
unsere Anwendung richtig geeignet ist. Für erste Tests bei Umgebungstemperatur könnte
eine Diode 1N4001 bis 1N4007 eingesetzt werden.
Der Kondensator C1 ist für die Pufferung der Eingansspannung zuständig. Dieser wird mit
einer Kapazität von 100µF vorgesehen und ist bei RS erhältlich. Kondensator C2 ist für die
Filterung hoher Frequenzen und sollte deshalb eine Kapazität von 100nF aufweisen. Dieser
ist vom Kondensatorhersteller Kemet auch in SMD 1206 für 200°C Umgebungstemperatur
erhältlich und wird aufgrund von mangelndem Platz auf der Platine einem herkömmlichen
Abb. 19: Spannungsversorgungsschaltung
Abb. 18: Sandwichbauweise Arobis [FZK]
19.01.2012 Chris Bauer 19 von 34
Axial oder Radial Kondensator vorgezogen. Der Kondensator C3 ist für die
Spannungspufferung der Ausgangsspannung zuständig und von der Schaltung, welche vom
HTPLREG versorgt wird abhängig. Der Kondensator wurde mit 10µF ausgelegt womit die
Schaltung noch erweiterbar ist. Dieser ist ebenfalls bei RS erhältlich.
6.2 Rund um den Mikrocontroller
Die weitere Elektronik für das Board wurde für eine einfache Inbetriebnahme, wie z.B. das
Ansteuern einer LED oder Ein- /Ausschaltvorgängen ausgelegt. Das heißt, für konkrete
Anwendungen bei denen beispielsweise Signalanpassungen notwendig sind, wird dies mit
weiteren Bauteilen auf einer getrennten Anwenderplatinen realisiert. Auch die zu steuernden
LEDs müssten auf einer getrennten Platine mit den zugehörigen Widerständen
untergebracht werden. Auf dem Mikrocontrollerboard sollen nur die für den Betrieb
notwendigen Bauteile integriert und I/O Ports über Stecker nach außen geführt werden.
Im Laufe der Projektarbeit wurde festgestellt, dass es schon für die Programm-Entwicklung
notwendig ist einen externen Programmspeicher zu verwenden, da der Honeywell HT83C51
Mikrocontroller nur einen internen Masken programmierbaren 8K ROM beinhaltet. Außerdem
besitzt er keinen Bootloader oder eine Schnittstelle mit der er programmiert werden könnte.
Im laufenden Betrieb in der Bohrlochsonde will man die Elektronik über ein Bus-System
ansprechen können, hierfür bietet der Mikrocontroller ebenfalls keine Möglichkeit. Es müsste
also Beispielsweise I²C über normale Port Pins mit entsprechendem Programmcode
realisiert werden.
Für die Ansteuerung des externen Speichers ist es zusätzlich notwendig, ein 8Bit Latch zu
verwenden, da wie bei vielen Mikrocontrollern der 8051 Familie auch beim HT83C51 das
Adresssignal der unteren 8Bit auf den gleichen PINs wie das 8Bit Datensignal ausgegeben
wird. Ein zusätzliches weiteres Problem ist das nicht Vorhandensein eines EEPROMs /Flash
welches bei den Randbedingungen bis 200°C funktioniert. Auch andere
Hochtemperaturhersteller bieten einen solchen nicht an.
In den folgenden Kapiteln wird auf verschiedene Lösungsmöglichkeiten des
Speicherproblems eingegangen.
6.3 Version mit RAM als Programmspeicher
Eine Überlegung war das von Honeywell angebotene RAM HT6256 für den
Programmspeicher zu verwenden. Hierfür müssen einige Dinge beachtet werden, auf die im
Folgenden eingegangen wird.
19.01.2012 Chris Bauer 20 von 34
Zunächst einmal muss am Mikrocontroller der EAn PIN nicht mit 5V sondern mit Masse
verbunden werden. Damit wird das Programm komplett vom externen Speicher gelesen und
der interne Programmspeicher nicht ausgeführt.
Wird EAn mit 5V verbunden, so wird von der Adresse 0000H bis 1FFFH vom internen ROM
gelesen und von 2000H bis FFFFH vom externen Speicher. Der RAM-Speicher muss in
diesem Fall, da er als
Programmspeicher funktionieren soll
wie ein EEPROM angesprochen
werden. Hierzu muss das WEn Signal
des HT6256 RAMs auf high Level
liegen, denn damit sind nur
Leseoperationen erlaubt. CSn wird
fest auf GND verdrahtet. Der OEn
Eingang des RAMs wird mit dem
PSENn Augang des Mikrocontrollers
verbunden. Die Daten und
Adressleitungen von Port 0 des
Honeywell HT83C51 werden über das
8Bit Latch mit dem RAM verbunden.
Die Adressleitungen des Port 2 werden direkt mit dem RAM verbunden. Das ALE (Address
Latch Enable Signal) wird an den Takteingang des 8 Bit Latches angeschlossen. Mit dieser
Verschaltung kann der Mikrocontroller auf das RAM als normalen Programmspeicher
zugreifen. Hierbei ist allerdings darauf zu achten, dass ein RAM ein flüchtiger Speicher ist,
das heißt, sobald die Spannungsversorgung ausfällt wird der Inhalt gelöscht. Um dies zu
verhindern wird versucht das RAM mit einer Spannungsversorgung zu puffern. Dies kann
mittels Kondensator oder Batterie geschehen, wobei hierbei auf die Temperaturfestigkeit
geachtet werden muss. In Frage würden Hochtemperatur Kondensatoren der genannten
Hersteller kommen. Jedoch müsste hierzu noch ausgerechnet werden, welche Kapazität
notwendig wäre, um den Speicher für ein paar Minuten oder Stunden zu puffern.
Es wurde zusätzlich ein Jumper auf der Platine vorgesehen, um die Spannungsversorgung
des RAMs von der Spannungsversorgung des Boards trennen zu können. Hier könnte auch
eine Diode eingelötet werden, welche den Stromfluss nur in den RAM-Speicher zulässt und
den Kondensator auflädt, dieser sich aber nicht über die komplette Schaltung entladen kann.
Um den RAM-Speicher zu beschreiben, könnte ein Programmer wie z.B. ein Galep 4 oder 5
verwendet werden, wofür der RAM-Speicher gesockelt werden müsste [GAL]. In der
Bauteile-Typenliste, welche mit diesem Gerät beschrieben werden können, sind auch 28PIN
NV-RAMs aufgeführt. Beim Beschreiben mit dieser Methode ist auch darauf zu achten, dass
Abb. 20: Platinenentwurf in Eagle
19.01.2012 Chris Bauer 21 von 34
die Daten eines normalen RAMs verloren gehen würden, sobald er aus dem Sockel des
Programmers herausgenommen wird. Deshalb ist eine Pufferspannung unabdingbar.
Eine weitere Möglichkeit Programmdaten in den RAM zu speichern wäre ein EEPROM
Emulator, Allerdings muss hier noch einmal genau überprüft werden ob es möglich ist, einen
RAM-Speicher zu emulieren und zu beschreiben.
Der Speicher wird vom Honeywell HT83C51 in dieser Version des Boardes so angesprochen
wie ein 32K EEPROM. Wenn ein pinkompatibles EEPROM für 200°C gefunden wird, könnte
dies anstelle des RAMs verbaut werden. Des Weiteren bietet diese Version die Möglichkeit
in der Programmentwicklungsphase ein EEPROM, welches unter der Betriebsbedingung von
200°C nicht funktioniert trotzdem zu verwenden.
6.4 Version mit Flash Mikrocontroller und Bootloader
Eine andere Möglichkeit das Problem mit dem Programmspeicher zu umgehen wäre einen
dem Honeywell HT83C51 PIN kompatiblen Mikrocontroller für die Programmentwicklung zu
verwenden. In dieser Version des Layouts wurde der RAM HT6256 von Honeywell als
Datenspeicher an den Mikrocontroller angebunden. Die Beschaltung ändert sich nur soweit,
dass anstelle des PSENn Anschlusses nun der PIN RDn an OEn und der PIN WRn an WEn
angebunden werden. Am Controller wird der EAn PIN diesmal auf 5V gelegt. Der
Mikrocontroller könnte dann entweder über UART oder über die SPI Schnittstelle, je nach
ausgesuchtem Modell, auf der Platine im System beschrieben werden (ISP - In System
Programmer).
Zu diesem Vorteil kommt allerdings auch der Nachteil, dass dieser Mikrocontroller nicht
Hochtemperatur fähig ist und somit nach der Entwicklung das fertige Programm an
Honeywell gesendet und in die Maske programmiert werden müsste. Sind nun häufiger
Änderungen im Programm vorzunehmen, wovon leider aufgrund der verschiedenen
Ausbaustufen auszugehen ist, wird dies eine sehr kostspielige und zeitraubende Lösung.
Somit ist diese Lösung leider keine richtige Alternative.
6.5 Hochtemperatur Latch
Bei den oben genannten Lösungsmöglichkeiten wird ein 8Bit Latch der 74XX Baureihe
verwendet. Bei diesem Latch handelt es sich um ein IC im 20 PIN DIL Gehäuse, welcher bei
der 200°C Umgebungstemperatur nicht funktionsfähig ist. Hierfür wird noch ein IC gesucht,
welcher den Randbedingungen standhält. Bisher wurde nur ein 2Bit Latch der Firma Cissiod
gefunden [CIS2]. Allerdings muss auch bei diesem IC noch abgeklärt werden, ob dieses nun
schon erhältlich ist. Dieses 2Bit Latch kann ebenso wie die Honeywell ICs bei bis zu 225°C
erfolgreich eingesetzt werden. Es ist entweder in einem DIL 14 oder in einem SOIC16
Gehäuse erhältlich. Bei diesem IC ist für jedes Flip Flop getrennt der Takt nach außen
19.01.2012 Chris Bauer 22 von 34
geführt, sowie zusätzlich zum Ausgang jedes Flip Flops ein invertierter Ausgang vorhanden.
Für die Ansteuerung des externen Speichers müssten für 8Bit vier solcher 2Bit Latches
vorgesehen werden, was einen erheblichen Platzverlust auf der Platine zur Folge hätte.
Aufgrund dessen und der Hoffnung noch ein 8Bit Latch für die Umgebungsbedingungen zu
finden, wurde vorerst, nach dem späten Auffinden des 2Bit Latches, darauf verzichtet, dieses
auf der Platine zu integrieren. Aufgrund des geringen Zeitverbleibs wurde dies auf einen
späteren Zeitpunkt verschoben wobei hierbei gleich die Spannungsversorgung auf eine
separate Platine untergebracht werden muss.
6.6 TI Mikrocontroller - SM470R1B1M-HT
Zum Ende des Projektes hat sich ein weiterer Lösungsansatz ergeben. Im Laufe des
Projektes und während der Materialsuche wurde immer wieder Hardware gefunden, welche
bei 200°C Umgebungstemperatur noch zuverlässig arbeitet. Zum Ende hin wurde ein
16/32Bit Mikrocontroller der Firma TI, welcher bei einer Temperatur von bis zu 220°C
eingesetzt werden kann, gefunden [TI2].
Dieser Mikrocontroller bietet sehr viel mehr Ausstattung wie der Honeywell HT83C51. Zum
Beispiel beinhaltet er 1MB Flash, 64KB SRAM, 2 High End CAN Controller (CAN2-HECC)
und Hardware Debugging Möglichkeit, um nur ein paar wenige Daten zu nennen.
Im weiteren Verlauf des Projektes gilt es nun abzuklären, ob und wann der Mikrocontroller zu
erhalten ist. Zusätzlich ist eine Abschätzung der Kosten notwendig, wobei hier zusätzlich
berücksichtigt werden muss, dass dieser Mikrocontroller nur noch sehr wenig bis keine
externen ICs benötigt. Beim Honeywell HT83C51 muss im Vergleich noch sehr viel externe
Peripherie verbaut werden. Auch die Anbindung des TI Mikrocontrollers an andere Elektronik
in der Bohrlochsonde würde mit den vielen verschiedenen Bus-Möglichkeiten nicht so viele
Probleme bereiten wie die Lösung mittels HT83C51.
6.7 Lieferzeiten und Kosten
Bei den Kosten der Hochtemperatur Elektronik muss teilweise ein immenser Mehrbetrag in
Kauf genommen werden. So kostet beispielsweise ein dem Honeywell HT83C51 kompatibler
Mikrocontroller der Firma NXP bei RS-Online 3,98€. Bei diesem Mikrocontroller handelt es
sich um die 8XC52, 8XC51 Baureihe [NXP].
Der Honeywell Mikrocontroller kostet laut einem Angebot der Firma Elcos 620€. Bei dem
Internetversand DigiKey ist er mit einem Preis von 560€ gelistet. Die Hochtemperaturvariante
kostet somit immer noch das 140-fache. Bei anderen Bauteilen wie dem RAM und Positive
Linear Regulator sieht das Preisverhältnis sehr ähnlich aus, sodass für Hochtemperatur
Elektronik mindestens der Faktor 100 im Preis eingerechnet werden muss.
19.01.2012 Chris Bauer 23 von 34
Auch die Lieferzeiten dieser Komponenten sind größer da sie meist nicht auf Lager sind. Bei
dem Mikrocontroller von Honeywell muss mit einer Lieferzeit von ca. 6 Wochen gerechnet
werden.
Es werden die Dioden der Firma Diotec und ST Electronics bestellt, um diese unter hohen
Temperaturen zu prüfen. Somit werden mehr Informationen über den Betrieb unter diesen
Randbedingungen gewonnen, da die Datenblätter unzureichend sind.
7 Fazit und Ausblick
In dieser Projektarbeit sollte eine erste temperaturfeste Platine mit dem Honeywell HT83C51
Mikrocontroller aufgebaut werden. Schon zu Beginn des Projektes zeigte sich, dass sich die
Realisierung der gestellten Aufgabe schwieriger erwies als zunächst vermutet.
Probleme gab es am Anfang vor allem mit der Findung von temperaturfesten Komponenten
jeglicher Art. Hierfür musste ein gewisses Fingerspitzengefühl entwickelt werden, unter
welchen Stichworten und Suchanfragen überhaupt geeignete Ergebnisse zu finden sind.
Nach einer gewissen Einarbeitungszeit stellte sich zusätzlich heraus, dass die Features des
Mikrocontrollers sich wirklich nur aufs Wesentliche beschränken und deshalb einiges mit
externen Bauteilen gelöst werden muss. Das noch fehlende 8 Bit Latch, welches die
Umgebungstemperaturen von 200°C aushält, lässt eine erschwert Bauteilsuche erahnen.
Auch andere Bauteile wie Dioden sind für diesen Temperaturbereich nicht so einfach
aufzufinden. Beziehungsweise die Datenblätter angeblich geeigneter Bauteile sind teilweise
in diesem Bereich sehr rätselhaft. Deshalb soll mit manchen Bauteilen in naher Zukunft in
eigenen Hochtemperaturtests herausgefunden werden, inwiefern diese sich für die
vorgesehenen Anwendungszwecke eignen.
Es ergaben sich aber auch positive Aspekte während des Projektes. So wurden zum Beispiel
gegen Ende viele verschiedene Hersteller, welche Hochtemperaturbausteine anbieten,
gefunden. Herauszuheben ist hier unter anderem auch ein Mikrocontroller der Firma TI.
Dieser soll bis 220 Grad einsetzbar sein und bietet wesentlich mehr Features als der
Honeywell HT83C61. Im Laufe des Projektes muss nun abgeklärt werden, welcher der
Controller besser für den Einsatz in der Bohrlochsonde geeignet ist bzw. welcher
Mikrocontroller ein besseres Preisleistungs-Verhältnis bietet.
Auch Platinenhersteller, welche Platinen mit den nötigen Randbedingungen anbieten
können, wurden gefunden. Hier ist besonders die Firma LeitOn GmbH zu erwähnen, welche
uns im Laufe des Projektes noch unterstützen könnte. Bei der Platine ist man mittlerweile zu
dem Entschluss gekommen, dass es nicht so vorteilhaft ist einen Platinenstapel aufzubauen,
sondern die Platine eher länglich aufzubauen und längs in die Sonde einzubauen.
19.01.2012 Chris Bauer 24 von 34
Somit ist am Ende zu sagen, dass es nach jetzigem Stand zwar eine lauffähige Version
eines Mikrocontrollerboards gibt, bei dieser aber noch die Notwendigkeit einer Überarbeitung
besteht. Im Verlauf dieser Überarbeitung sollte nicht nur das Design, sondern auch die
anderen Möglichkeiten der neu gefundenen Hardware mit in Betracht gezogen werden.
19.01.2012 Chris Bauer 25 von 34
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Luftbild KIT Campus Nord 3
Abbildung 2: Sonde im Bohrloch 5
Abbildung 3: High Temperature ICs von Honeywell 6
Abbildung 4: Mikrocontroller Honeywell HT83C51 7
Abbildung 5: Funktional Diagram Positive Linear Regler – HTPLREG 7
Abbildung 6: Dual Precisions Operationsverstärker 8
Abbildung 7: Quad Operationsverstärker 9
Abbildung 8: Quad Analog Switch 9
Abbildung 9: 16fach Multiplexer 10
Abbildung 10: Dual 8fach Multiplexer 10
Abbildung 11: High Temperature N-Channel Power FET 11
Abbildung 12: High Temperature Crystal - Clock Generator 11
Abbildung 13: High Temperature 32K x 8 Static RAM – Pinoutdiagramm 12
Abbildung 14: High Temperature 32K x 8 Static RAM – Temperaturverhalten 12
Abbildung 15: Single-Axis Magnetic Sensor 12
Abbildung 16: High Temperature Gate Arrays - HT2000 Family 13
Abbildung 17: Hochtemperatur Steckverbinder von HK Testsysteme 17
Abbildung 18: Sandwichbauweise Arobis Altlastenroboter 18
Abbildung 19: Spannungsversorgungsschaltung – Mikrocontrollerboard 18
Abbildung 20: Platinenentwurf in Eagle 20
19.01.2012 Chris Bauer 26 von 34
Literaturverzeichnis
[AN] http://www.andus.de/leiterplatten/thermo.php
[BIP] Die 8051 Mikrocontrollerfamilie von Otmar Feger, Stand 1987, ISBN: 3-89090-360-6
Mikrocomputertechnik von Bernd-Dieter Schaaf, Stand 2007, ISBN: 3-466-40718-9
Mikroprozessortechnik von Klaus Wüst, Stand Juni 2003, ISBN: 3-8348-0046-5
[CIS] http://www.cissoid.com/
[CIS2] http://www.cissoid.com/images/stories/pdf/Datasheets/cht-7474.pdf
[DIO] http://www.diotec.com/pdf/bav18.pdf
[EB] Entwurf eines Vakuum gedämmten Bohrlochsondenmantels, Projektarbeit 4.
Semester 2009, Forschungszentrum Karlsruhe, Andreas Eberle
[EB2] Voruntersuchung zum Entwurf eines Kühlmoduls für Bohrlochsonden auf Basis von
Peltierelementen, Projektarbeit 3. Semester 2009, Forschungszentrum Karlsruhe,
Andreas Eberle
[ED] http://www.edidiodes.com/pdf/Special/HTD3.pdf
[FET] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=DCCE80583-1A4A-5AA3-E02A-D4CB25848F4F
[FZK] http://www.iai.fzk.de/www-extern/index.php?id=808
[GAL] http://www.conitec.net/german/galep4.php
[Gate] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=D50E086BB-BB6C-A8B7-13BD-904661EAD362
[GEO] http://www.geothermie.de/wissenswelt/geothermie.html
[HK] http://hk-testsysteme.de/
[HK2] http://hk-testsysteme.de/burninmit2.jpg
[HMC] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=D50E086BB-BB6C-A8B7-13BD-904661EAD362
[HTC] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=DA5F0E274-7A61-B672-0E4A-54679F1399A0
[HTP] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=D1F712A2E-CE49-5F51-D289-266FDD8AFCF8
[HT83] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=D8EEF27C2-75FB-1DA9-5B52-EA5848921D74
19.01.2012 Chris Bauer 27 von 34
[IC] http://i.cmpnet.com/planetanalog/2008/11/C0305-Figure3.gif
[ISO] http://www.isola.de/d/ecomaXL/
index.php?site=ISOLA_DE_product_technical_data&sid=79&p=18
[KEM] http://www.kemet.com/kemet/web/homepage/
kechome.nsf/weben/Hi%20Temp
[KIT] http://www.kit.edu/ueber_kit.php
[LEO] http://www.leoni-industrial-solutions.com/Hochtemperatur-br-bestaendige-
Kabel.10002.0.html
[LOH] Entwurf einer multifunktionalen Kupplung für den Geothermie Sondenbaukasten
„ZWERG“, Bachelorarbeit 2009, Forschungszentrum Karlsruhe, Roland Lohrer
[MU] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=D06A04A59-1CFC-BF13-D1F5-4B2DDB43E299
[NXP] http://docs-europe.origin.electrocomponents.com/webdocs/002f/
0900766b8002f14e.pdf
[OP] http://www.honeywell.com/sites/portal?smap=aerospace&page=High-Temp-
Electonics3&theme=T5&catID=C82A27CF1-C0F1-76E9-6B52-
2C477FB52FF7&id=H5E761CAC-F16E-40AF-B54E-3DFBA7F0A988&sel=1
[OP2] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=DF04F9BE0-88C9-65C5-9020-CC03C00CFCB7
[RAM] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=D435AEE4D-E935-2ADA-20AD-0F2A00712BC9
[RS] http://de.rs-online.com : Kondensator Aluminium Axial 175 °C
[RS2] http://de.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.
html?method=searchProducts&searchTerm=363-0389&x=0&y=0
[ST] http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/3240.pdf
[SW] http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.
DocumentServlet?docid=DE7DECF3E-3F70-4ECD-9BAF-AEB5A6BB3066
[TI] http://focus.ti.com/hirel/docs/productcontent.tsp?sectionId=605&tabId=2412
[TI2] http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sm470r1b1m-ht.pdf
[VIS] http://www.vishay.com/docs/40072/134d.pdf
http://www.vishay.com/docs/40024/135d.pdf
19.01.2012 Chris Bauer 28 von 34
Anhang
Erstellen des HTPLREG Bausteins für die Eagle Libary
Für die 5V Single Supply Spannungsversorgung wird ein
HTPLREG IC von Honeywell eingesetzt. Um diesen im
Schaltplan und auf der Platine hinzufügen zu können,
musste er zuerst in der Libary erstellt werden.
Hierzu wird zuerst ein Schaltplan Symbol erstellt (Abb. 1) auf
dem alle Pins
vorhanden sein
müssen.
Anschließend wird das Package gezeichnet,
welches im Platinen-Layout zu sehen ist (Abb. 2).
Bei diesem ist darauf zu achten, dass die
Gehäuse Abmessungen, sowie die PIN-Abstände
und Durchmesser denen vom Hersteller
gegebene
n entsprechen. Diese sind im Datenblatt ersichtlich.
Sind diese beiden Dateien erstellt, kann das Symbol
des Schaltplans mit dem Package kombiniert
werden. Dies ist unter dem Punkt Device möglich.
Hier wird jeder einzelne PIN des Gehäuses mit
einem des Symbols zugewiesen. Dies ist für das
spätere Routen der Leiterbahn wichtig, damit Eagle
weiß welcher PIN wohin führt (Abb. 3). Hier können
zusätzlich Kommentare hinzugefügt werden, welche später beim Auswählen in der Bibliothek
hilfreich sein könnten.
Nach dem Abspeichern und anschließendem
Neustarten des Eagle Programms kann der
Baustein über die Bibliothek in den
Schaltungsentwurf eingefügt werden (Abb. 4).
Abb. 1 Symbol
Abb. 2: Package
Abb. 4: Bibliothek
Abb. 3: Device
19.01.2012 Chris Bauer 29 von 34
Hochtemperatur Internetquellen
Hier werden einige im Laufe der Projektarbeit gefundene Internetquellen zum Thema
Hochtemperatur Elektronik dokumentiert. Diese Quellen könnten bei anderen
Arbeiten möglicherweise hilfreich sein.
http://www.cissoid.com
Cissoid stellt Hochtemperatur Halbleiter wie z.B. AD-Wandler, 74XX Logik Familie,
Glock Generator usw.
http://www.atmel.com/dyn/products/product_card.asp?part_id=4003
Atmel High Temperature Automotive ICs bis zu 200°C: Bsp.: H-Brücken
https://www.spezial.com/suche.php
Suche und Shop für Elektronik, teilweise auch temperaturbeständig
http://de.digikey.com/
Elektronik Shop ähnlich Konrad oder RS, Honeywell Produkte erhältlich
http://www.ccieurolam.com/cms/content/view/24/84/lang,de/
http://www.brockstedt.de/de/prod/index.html
http://www.leiton.de/hoch-tg-leiterplatten.html
http://www.rhe.de/de/Dickschichttechnik.html
Platinenhersteller welche evtl. für 200°C Anwendungen Platinen liefern könnten
http://focus.ti.com/lit/sg/sgzt004/sgzt004.pdf
TI Harsh Environments Guide
http://www.ti.com/ht
TI Hochtemperatur Seite, links ist ein Menü zur Produktauswahl
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sm320f2812-ht.pdf
TI Hochtemperatur DSP bis 200°C
http://www.sintef.no/Home/Information-and-Communication-Technology-
ICT/Instrumentation/Offshore-Instrumentation/High-Temperature-Electronics-Design/
Hochtemperatur Elektronik Design, ASICs für HT, PDF einer Sonde für Ölbohrungen
diese ist mit HTASICs realisiert und bis 200°C fähig
http://www.extremetemperatureelectronics.com/
Extrem Temperatur Elektronik Plattform: Tutorial, Hersteller, Infos rund um HT
19.01.2012 Chris Bauer 30 von 34
http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc0014.pdf
EEPROM von Atmel für bis zu 150°C
http://www.ibizradio.com/linkplay/honeywell/honeywell-high-temp.html
Videopodcast von Honeywell zu High Temperature Elektronik
http://www.elcos.be/
Versand von Luft und Raumfahrt Elektronik, auch Honeywell Chips, laut Internetseite
von Honeywell zuständig für den Raum Deutschland
19.01.2012 Chris Bauer 31 von 34
Schaltplan und Layout der Platinen in Eagle
Version mit RAM als Programmspeicher:
19.01.2012 Chris Bauer 32 von 34
Version mit Flash Mikrocontroller und RAM:
19.01.2012 Chris Bauer 33 von 34
Platinenlayout mit RAM als Programmspeicher
Die Leiterbahnbreite beträgt 0,6mm Stückliste verwendeter Bauteile: Honeywell HT83C51 Honeywell HT6256 RAM Honeywell HTPLREG 5V Diode – Abklären, ob Diotec oder ST (Durch Messung im Ofen) 10µF Kondensator von Vishay 100µF Kondensator von Vishay 100nF Kondensator SMD 1206 von Kemet 8Bit Latch: 74HC573
19.01.2012 Chris Bauer 34 von 34
Datenblatt Honeywell HT83C51