Beschreibung Diplomarbeit

Anwendung einer berührungslosen Energie- und Datenübertragung

Aufgabenstellung

Diese Diplomarbeit wurde extern in der Firma Sensor-Technik Wiedemann GmbH in Kaufbeuren bearbeitet.
Aufgabe dieser Arbeit war es, eine Anwendung zu entwickeln, die berührungslos Daten und Energie zwischen zwei Komponenten austauscht. D.h. eine Komponente versorgt die zweite mit Energie. Die übertragenen Daten sollen auf einem LCD angezeigt werden.
Hierbei sollte ein geeignetes Übertragungsverfahren ausgewählt, die Elektronik der Übertragungsstrecke entwickelt, ein Protokoll der Datenübertragung festgelegt und die Mikrocontrollersoftware für diese Anwendung geschrieben werden.

Allgemeines

Zur Bearbeitung dieser Aufgabe wurde die RFID- Technologie (Radio Frequency Identification) als Orientierung gewählt, da diese ebenfalls z.T. mit der induktiven Kopplung arbeitet. Zur Steuerung der Anwendung wurden ATtiny84 Mikrocontroller von ATMEL gewählt. Die Software für diese Controller wurde mit dem „AVR-Studio“ geschrieben. Das LCD ist vom Typ DOG-M-162. Vorteil dieser Serie ist, dass man die Vorwiderstände der Hintergrundbeleuchtung selber bestücken und somit die Leistungsaufnahme des LCDs beeinflussen kann.

Durchführung

Zuerst wurde nach geeigneten Übertragungsverfahren gesucht und Konzepte zur Realisierung erstellt.
Für die Energieversorgung war die offensichtlichste Methode die induktive Kopplung.
Messungen ergaben, dass  mit dieser Methode ausreichend Energie über eine Distanz von wenigen Millimetern übertragen werden kann, um einen Mikrocontroller und ein LCD inkl. Hintergrundbeleuchtung betreiben zu können.
Für die Realisierung der Datenübertragung wurde die Amplitude des Trägersignals, welches die Energieübertragung darstellt, moduliert. Von der „mit zu Energie versorgenden“ Komponente zur „Energie zur Verfügung stellenden“ Komponente wurde hierbei im Takt der Daten eine Last hinzugeschaltet. Daher nennt man dieses Verfahren auch „Lastmodulation“.

Die Codierung stellt in dieser Anwendung der Manchester Code dar. Vorteil dieser Codierung ist der im Code inkludierte Takt.

Das Protokoll wurde selbst definiert und beinhaltet eine Start-/Stoppkombination, eine Paritätsprüfung der einzelnen Datenbytes und zusätzlich ein CRC- Verfahren bei größeren übertragenen Datenmengen.

Fazit

Die Anwendung funktioniert wie es die Firma gewünscht hat. Für das Verständnis der Software, insbesondere der Datenübertragung, wurde eine Beispielapplikation geschrieben, in der verschiedene Daten übermittelt werden und der Nutzer über einen Taster und einen Inkrementalgeber durch ein Menü navigieren kann, welches auf dem LCD ausgegeben wird.


Bild 1 => Die Übertragungsstrecke. Die zwei Koppelelemente bestehen aus jeweils einer Spule, die auf einen Schalenkern gewickelt wurde.
Bild 2 => Die „Energie zur Verfügung stellende“ Komponente
Bild 3 => Die „mit Energie zu versorgende“ Komponente

Christoph Pagelkopf  (Feb. 2008)