Modulaarisen mittausjärjestelmän kehitys

Abstract

Diplomityössä perehdytään modulaarisen mittausjärjestelmän kehitykseen. Työn lähtökohtana on Gofore Oyj:llä käytössä oleva Vötsch VT4004 lämpökaappi, jota käytetään elektroniikan lämpötilatestaukseen tuotekehityksen aikana. Lämpökaappiin on aiemmin toteutettu STM32-kehitysalustaan pohjautuva ohjain, joka tarjoaa mahdollisuuden ohjata lämpökaappia kosketusnäyttö- ja verkkokäyttöliittymän kautta. Tällä hetkellä lämpökaappitestauksesta ei kerätä automaattisesti mitään mittausdataa. Mittausdatan keräys haluttiin automatisoida luomalla modulaarinen mittausjärjestelmä. Mittausjärjestelmään kytketään mittausmoduuleita, jotka keräävät mittausdataa eri suureista, kuten lämpötilasta, jännitteistä tai virroista. Yksi mittausmoduuli mittaa vain yhden tyyppistä suuretta viidellä mittauskanavalla. Järjestelmään voidaan liittää useita mittausmoduuleita, mikä mahdollistaa useamman suureen samanaikaisen mittaamisen. Mittaustulokset tallennetaan lämpökaapin ohjauspaneelin kehitysalustaan kytketylle mikroSD-muistikortille. Mittaustulokset voidaan ladata tietokoneelle csv-tiedostona lämpökaapin ohjauspaneelin tarjoaman verkkosivun kautta. Työssä selvitettiin sopivin tiedonsiirtoväylä lämpökaapin ohjauspaneelin ja mittausmoduulien väliseen kommunikaatioon vertailemalla lämpökaapin ohjauspaneelin tukemien tiedonsiirtoväylien ominaisuuksia. Vertailun perusteella valittiin sopivimmaksi tiedonsiirtoväyläksi CAN FD. Muistikortilla käytettävä tiedostojärjestelmä valittiin vertailemalla laajasti käytössä olevia ja tunnettuja mikrokontrollereille soveltuvia tiedostojärjestelmiä. Vertailuun valittiin FATFS ja LittleFS, joista valittiin LittleFS käytettäväksi tässä työssä. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin mittausmoduulit jännitteen ja lämpötilan mittaamiseksi termopareilla. Lisäksi suunniteltiin mittausmoduuli virran mittaamiseen. Mittausmoduuleille luotiin yleiskäyttöinen ohjelmisto, joka voidaan helposti muuttaa mittaamaan haluttua suuretta muuttamalla mittaus- ja mittauksen käsittely -logiikkaa. Mittausmoduuli suorittaa mittauksen lämpökaapin ohjauspaneelin määrittelemällä mittaustaajuudella, muuttaa mittaustulokset haluttuun yksikköön ja lähettää mittaustulokset CAN FD -väylän yli lämpökaapin ohjauspaneelille. Lämpökaapin ohjauspaneeliin lisättiin CAN FD -väyläohjain, joka hoitaa kommunikoinnin lämpökaapin ohjauspaneelin ja mittausmoduulien välillä. Lämpökaapin ohjelmistoon lisättiin vaaditut toiminnallisuudet mittausmoduulien ohjaamiseen, mittausmoduulien viestien vastaanottamiseen, mittausdatan tallennukseen mikroSD-muistikortille ja verkkosivu, josta mittaustulokset voidaan ladata. Lopputuloksena saatiin modulaarinen mittausjärjestelmä, joka todistaa konseptin toimivuuden ja joka luo hyvän pohjan tulevaisuuden jatkokehitykselle.

The aim of this master’s thesis is to develop modular measurement system. The background of this thesis is a Vötsch VT4004 temperature test chamber used by Gofore Oyj. Previously, a control panel based on an STM32-development board was developed for controlling the temperature test chamber. It offers a way to control the temperature test chamber through touchscreen and web user interfaces. Currently, no data is collected from tests done in the temperature test chamber. The goal of this master’s thesis is to automate the data collection from tests. A modular measurement system was developed to solve this problem. The measurement system consists of measurement modules and the temperature test chamber control panel. The measurement modules measure the desired physical quantity, for example, temperature, voltage or current. Each measurement module only measures one quantity using five measurement channels. Multiple measurement modules can be connected to the system to measure multiple physical quantities. The temperature chamber control panel handles controlling the measurement modules, receiving measurements from the measurement modules, saving measurements to a microSD card, and providing a web user interface for downloading measurement results as a csv-file. Possible communication bus options for data transfer between the temperature test chamber control panel and the measurement modules were compared. CAN FD was selected as the most suitable for this work. Possible file systems for saving the measurement results were compared. LittleFS was chosen as the most suitable for this work. Measurement modules for measuring voltage and temperature with thermocouples were designed and implemented. Also, a measurement module for measuring current was designed but not implemented in this work. The software for the measurement modules was designed to be modular, so it is easy to modify the measurement logic and result calculations to implement new measurement modules for new physical quantities. A CAN FD -module was added to the temperature test chamber control panel to communicate with the measurement modules. In the software, new functionalities to control the measurement modules, receive measurements from them, save measurements to the microSD card, and download measurement results from the web were implemented. The result of this thesis was a modular measurement system that proves that this concept works and is good starting point for further development.