Kumpas Veri Aktarımı

Bu rehberimizde, ucuz Çin menşeli kumpasların içindeki gizli veri portunu, dijital kumpas veri aktarımı, 1.5V seviyesindeki lojik sinyalleri mikrodenetleyici seviyesine () yükseltmek için kullanılan seviye dönüştürücü (level shifter) devre tasarımlarını ve kumpası bilgisayarla arayüzleme yöntemlerini tüm mühendislik detaylarıyla ele alacağız.

Hassas mekanik parçaların boyutsal ölçümlerinde, 3D yazıcı tasarımlarında ve PCB devre kartı yerleşimlerinde dijital kumpaslar (digital calipers) en temel ölçüm araçlarımızdır. Seri üretimde kalite kontrol süreçlerini otomatikleştirmek, istatistiksel analizler yapmak veya robotik sistemlerde hassas doğrusal konum geri bildirimi elde etmek için kumpastan gelen verileri anlık olarak bilgisayara veya bir mikrodenetleyiciye aktarmak son derece kullanışlıdır.

Mekanik tasarımlar yaparken veya 3D Yazıcı Nedir ve Nasıl Çalışır kılavuzumuzdan aldığımız çıktılarda toleransları test etmek amacıyla dijital kumpasları sıklıkla kullanmaktayız. Kumpasın hassas ölçüm verilerini bilgisayara aktarmak için kumpasın arkasında yer alan gizli veri çıkış portunu kullanacağız. Kumpasın veri pinlerine doğrudan kablo lehimlemek oldukça zor ve riskli bir işlem olduğundan, Thingiverse üzerinde paylaşılan Thingiverse üzerindeki 3D Basılabilir Kumpas Konnektör Modeline göz atarak lehim yapmadan şık bir soket konektörü basabilirsiniz.

Ucuz dijital kumpasların plastik üst kasasının altında gizli 4 pinli bir bakır veri yolu konektörü bulunur. Üst segment markalı mutlak konum kodlu kumpaslar yüksek ücretlerle veri kablosu satarken, aslında standart tüm dijital kumpaslar bu donanımsal veri çıkışına sahiptir. Bu veri hattı, kumpasın hareketli çenesini bir doğrusal cetvel gibi kullanarak freze makinelerinde dijital okuma panelleri (DRO – Digital Readout) oluşturmak veya robotik kollarda konum geribildirimi almak için mükemmel bir alternatiftir. Konum hassasiyeti, bir milimetrenin yüzde biri () mertebesinde yüksek bir çözünürlükle elde edilebilir.

Yazı İçeriği

Toggle

Kumpas Veri Aktarımı: Senkron Seri Haberleşme Protokolü Analizi

Dijital kumpaslardan mikrodenetleyicilerle (Arduino vb.) veri okuyabilmek için öncelikle kumpasın kullandığı veri formatını ve sinyal zamanlamasını anlamamız gerekir. Dijital kumpaslar genellikle 24-bit Senkron Seri Haberleşme Protokolü kullanırlar. Bu protokol, UART veya standart SPI mimarisine benzese de kendine has zamanlama parametrelerine sahiptir. Haberleşme mimarileri hakkında temel karşılaştırmalara Seri Haberleşme Protokolleri rehberimizden ulaşabilirsiniz.

Kumpasın veri portunda 4 adet çıkış pini yer alır:

• GND (Toprak): Sistemin referans hattı.
• CLK (Clock – Saat): Yaklaşık frekansta saat darbeleri üreten sinyal hattıdır. Sinyaller kumpas tarafından aktif olarak üretilir (Kumpas Master konumundadır).
• DATA (Veri): Saat sinyaliyle eş zamanlı olarak konum verilerini ileten hattır.
• VCC (Güç): nominal besleme girişi veya pil çıkışı.

Veri Çerçevesi (Data Frame) Yapısı: Kumpas, her ile aralıklarla ardışık veri paketleri gönderir. Tek bir veri paketi 24-bitlik binary (ikilik) veriden oluşur. Bu 24 bitlik çerçevenin çözümlenmesi şu şekildedir:

• İlk 16 bit, ölçülen fiziksel mesafeyi temsil eden ikilik tamsayı değeridir (Değer genellikle inç başına 20480 veya milimetre başına 100 birim olacak şekilde ölçeklendirilir).
• 21. bit, ölçüm birimini belirtir (0: milimetre, 1: inç).
• 24. bit ise işaret bitidir (0: pozitif mesafe, 1: negatif mesafe).

Elektriksel Gerilim ve Seviye Uyumlaştırma Sorunları

Dijital kumpasın veri portundaki en büyük mühendislik zorluğu, lojik sinyallerin gerilim seviyesidir. Kumpasın içindeki mikroişlemci pil gerilimiyle çalışır; bu nedenle CLK ve DATA sinyallerinin yüksek seviyesi (Logic HIGH) yalnızca genliğindedir.

Ancak standart beslemeli bir Arduino UNO’nun dijital giriş pinlerinin bir lojik yüksek sinyali algılayabilmesi için en az () gerilime ihtiyacı vardır. doğrudan Arduino’ya bağlanırsa mikrodenetleyici bu sinyali sürekli mantıksal LOW olarak algılar ve hiçbir veri okuyamaz. Bu elektriksel engeli aşmak için üç temel seviye dönüştürme yöntemi mevcuttur:

• NPN Transistörlü Seviye Değiştirici: Her bir sinyal (CLK ve DATA) çıkışı bir NPN transistörün Base (beyz) bacağına bağlanır. Transistörün Collector bacağı Arduino’nun dahili çekme (pull-up) dirençlerinin mantığını kullanarak hattına çekilir. Bu yöntem sinyali seviyesine yükseltir ancak lojik sinyali tersine çevirir (invert eder). Bu tersleme, yazılım tarafında bitlerin tersi alınarak (NOT işlemi) kolayca düzeltilebilir.
• Gerilim Karşılaştırıcı (Comparator IC): TLC3704 veya LM393 gibi hızlı bir gerilim karşılaştırıcı çip kullanılarak, kumpastan gelen sinyaller yaklaşık seviyesindeki sabit bir referans gerilimle karşılaştırılır ve karşılaştırıcının genliğindeki çıkışı doğrudan Arduino’ya beslenir. En kararlı ve gürültüsüz yöntemdir.
• Level Shifter Entegre Kartları: Hazır satılan çift yönlü lojik seviye dönüştürücü kartlar (TXB0104 vb.) kullanılarak seviyesi doğrudan veya seviyesine dönüştürülür.

Kumpas Güç Besleme Yönetimi

Kumpasın güç beslemesini yönetmek için iki temel tasarım felsefesi bulunur:

• Dahili Pil Kullanımı (En Basit ve Güvenli Yol): Kumpasın LR44 veya SR44 pili kumpasın içinde takılı bırakılır. Kumpas LCD’si kapansa dahi kumpas iç işlemcisi çalışmaya devam ederek konum belleğini korur (Kumpaslar bekleme modunda yalnızca 15-20 mikro amper gibi çok düşük bir akım tüketir, bu da pilin 1 yıldan uzun gitmesini sağlar). Bu senaryoda veri kablosundaki pozitif voltaj kablosu Arduino’ya kesinlikle bağlanmaz. Yalnızca GND, CLK ve DATA hatları ortaklaştırılır. Bu yöntem elektriksel hata riskini sıfıra indirir.
• Harici Regüleli Besleme: Kumpas pilini tamamen çıkarıp, Arduino’nun hattından elde edilen gerilimi LM317 ayarlanabilir regülatör çipiyle tam seviyesine indirgeyerek kumpasa harici güç sağlamaktır. Bu senaryoda kumpasın kararlı çalışması için pil yuvasına paralel olarak ila aralığında parazit önleyici kondansatörlerin çalışma prensiplerine uygun filtre kondansatörleri eklenmelidir. Güç tamamen kesildiğinde kumpasın sıfır referans konumunun kaybolacağı (cihaz her açıldığında sıfırlanacağı) unutulmamalıdır.