2.3 Konstrukcija merilnega sistema
2.3.1 Izbira miške
Pri izbiri miške sta bili v ospredju dve lastnosti. Miška mora biti večje dimenzije oziroma oblikovana tako, da je mogoče v notranjosti namestiti električno vezje, poleg tega pa mora biti brezžična, da iz nje ni potrebno napeljati dveh kablov (enega za miško in enega za merilno vezje). Ker je ideja izdelati čim bolj nevpadljiv merilni sistem, je dobro, da je na videz tudi čim bolj običajna in nevpadljiva ter ne predraga.
Po pregledu ponudbe na trgu smo izbrali miško Logitech M705 Marathon.
Miška je dovolj velika, prostor za vezje pa je enostavno narediti z nekaj rezanja plastike v prostoru za baterije. Prostora ima namreč za dve bateriji, deluje pa lahko samo z eno, kar pomeni, da lahko polovico tega prostora zasede vezje. Če napajanje za miško izvedemo preko USB-kabla (torej zunanje napajanje, ne baterijsko), pa lahko za vezje namenimo celoten prostor za baterije.
Miška je ergonomsko oblikovana, kar je hkrati prednost in slabost. Prednost te oblike je, da jo večina ljudi prime na podoben način, slabost pa je to, da miška ni primerna za levičarje.
Slika 13: Miška Logitech M705 Marathon 2.3.2 Postavitev elektrod
Če želimo dobiti čim boljše meritve, moramo najprej poskrbeti, da se merjena oseba elektrod dotika ves čas čim bolj enakomerno (na istem mestu, enak pritisk na elektrode). Težave nam povzroča dejstvo, da merilni sistem ni namenjen samo eni osebi, ampak čim več različnim, ljudje pa miško držijo na različne načine.
Konstrukcija merilnega sistema 49
Da sem ugotovil, kako ljudje držijo miško, sem jih opazoval pri delu z računalnikom in pregledoval slike ter videoposnetke po internetu. Držanju miške največ pozornosti namenjajo igralci računalniških iger, kjer sta pomembni hitrost in natančnost. Izkaže se, da ljudje v grobem uporabljamo tri različne prijeme miške:
– prijem s celo dlanjo (Palm grip), – prijem v obliki šape (Claw grip,)
– prijem s konicami prstov (Fingertip grip).
Pri prijemu s celo dlanjo dlan počiva na miški, kjer prav tako počivajo tudi prsti. Ta prijem je najbolj sproščen in zato verjetno tudi najbolj razširjen. Miška mora biti dovolj velike dimenzije.
Prijem v obliki šape ima za razliko od prvega sredino dlani dvignjeno od miške, tako da na miški počivajo samo zadnji del dlani in prsti. Pri igranju iger ta prijem omogoča hitrejše premikanje miške naprej in nazaj, ni pa toliko udoben kot prvi.
Pri zadnjem prijemu miško držimo samo s konicami prstov, pri čemer je dlan v zraku. Ta prijem je najmanj udoben, namerno ali nenamerno pa se ga včasih poslužujemo pri uporabi mišk, ki so zelo majhnih dimenzij; pri takih, kjer dlani ne moremo nikamor nasloniti.
Najbolj razširjen je prijem s celo dlanjo (54 %), sledi mu prijem v obliki šape (26,5 %), najmanj ljudi pa miško drži samo s prsti (19,5 %) [9]. Pri držanju miške seveda obstajajo tudi izjeme, ampak teh za namen merilnega sistema ne bomo obravnavali, saj nam omenjeni trije načini zadostujejo.
Slika 14: Najbolj razširjeni načini držanja miške [9]
Vsem trem prijemom je skupno to, da miško držimo s strani. Za desničarje velja, da se palec nahaja na levi strani miške, prstanec in mezinec pa miško podpirata z desne strani, s čimer zagotovimo tritočkovno oporo, ki omogoča stabilno rokovanje in
50 Praktični del
preprečitev vrtenja. Te točke so torej dobra osnova za postavitev elektrod. Ker pa imamo pri različnih prijemih prste (predvsem palec) lahko premaknjene nekoliko bolj naprej oziroma nazaj, je potrebno za postavitev elektrode sprejeti določen kompromis, da taka postavitev pokrije čim večjo populacijo.
Poleg elektrod je potrebno na miški postaviti tudi merilec temperature.
Postavitev na dlan bi povzročila vsaj dve težavi: v vseh prijemih nimamo ves čas naslonjene dlani na miško, še večja težava pa je, da je merjenje temperature boljše na delih, ki imajo čim nižjo temperaturno vztrajnost, torej na čim manjših in tanjših. Za take meritve so najboljši prsti, dlani pa najslabše.
2.3.2.1 Prva postavitev elektrod
Za prvi poskus postavitve elektrod smo uporabili pozlačene kabelske čeveljčke.
Te smo vgradili neposredno na površino miške.
Slika 15: Kabelski čeveljček
Pri montaži elektrod smo si pomagali s segretim nožem, ki z lahkoto zareže v plastiko, zato je rezanje manj nevarno in natančnejše. Najprej smo iz miške izrezali vso »odvečno« plastiko, da smo naredili prostor za vezje, nato pa smo izrezali luknje za elektrode ob straneh miške. Elektrode smo namestili na miško ter jih prilepili z vročo plastiko. Ker je miška ergonomsko oblikovana, so lokacije elektrod že na pol znane, še posebej leva, kjer se nahaja palec. Za desno elektrodo je bilo potrebno malo bolj premisliti, saj jo pri različnih prijemih lahko držimo bolj spredaj ali pa bolj zadaj.
Namestitev elektrod je bila uspešna. Lokacija elektrod se je izkazala za dobro.
Material je zelo trajen in ima odlične električne lastnosti. Plast zlata omogoča elektrodam, da ne oksidirajo, kar pomeni, da njihova površinska upornost s časom ne narašča. Pred uporabo zato ne potrebujejo brušenja ali kakšne druge mehanske ali kemične obdelave. S kladivom jih je bilo dokaj enostavno preoblikovati tako, da se zelo dobro zlijejo z ergonomsko obliko miške in jih pri uporabi skoraj ne čutimo.
Glavna težava teh elektrod pa je njihova vidljivost. Že na prvi pogled jih namreč ne moremo zgrešiti, kar pomeni, da meritev s to miško ni preveč diskretna. Merjena oseba bi verjetno hitro ugotovila, da ne gre za običajno miško. Iz tega razloga smo nadaljevali z raziskovanjem alternativnih načinov montaže elektrod na miško.
Konstrukcija merilnega sistema 51
Slika 16: Leva stran miške s pozlačenimi elektrodami
Slika 17: Desna stran miške s pozlačenimi elektrodami
2.3.2.2 Druga postavitev elektrod
Alternativa kovinskim elektrodam je uporaba prevodne barve, nanesene čez obe polovici miške (galvansko ločeni leva od desne strani). S tem meritev postane popolnoma nevidna, hkrati pa se zmanjša tudi verjetnost »napačnega« držanja miške, torej držanja miške tako, da je med elektrodami in roko slab kontakt ali pa kontakta sploh ni. Ta verjetnost se zmanjša zato, ker se celotna stranska površina miške spremeni v elektrode, če želimo miško premikati po površini, pa jo moramo skoraj obvezno držati s strani.
52 Praktični del
Za realizacijo te ideje smo uporabili prevodno grafitno barvo, ki se dobi v razpršilu – »Graphit 33« nemškega proizvajalca Kontakt Chemie. Gre za temno sivo barvo, ki vsebuje prevoden grafitni prah. Barva je električno prevodna in jo lahko nanesemo na les, plastiko, papir in ostale neprevodne materiale ter jih naredimo prevodne. Razpršilo je enostavno za uporabo, grafit nanašamo na želeno površino s pršenjem z razdalje 20 cm v več nanosih. Med nanašanjem počakamo, da se prejšnji nanos posuši (približno 20 minut oziroma dokler ni suh na otip).
Prevodnost barve seveda ni primerljiva s kovinskimi elektrodami. Njena kontaktna upornost je lahko tudi nekaj kiloohmov. Za določitev te upornosti smo na karton nanašali sloje barve enega za drugim in merili upornost na različnih razdaljah med elektrodama. Karton je bil dimenzij 1,5 cm × 17 cm, kar je omogočalo meritve za razdalje med 0,5 cm in 12 cm. Večje razdalje niso smiselne, saj dolžina miške ne znaša veliko več kot 10 cm, poleg tega pa je tudi širša, kar omogoča nižjo upornost.
Slika 18: Grafitni razpršilnik
Slika 19: Trak za merjenje prevodnosti barve
Meritev smo izvajali od enega do šestih nanosov barve na razdaljah med 0,5 cm in 12 cm z ločljivostjo 0,5 cm. Ne glede na število nanosov smo dobili približno linearno karakteristiko, ki z razdaljo narašča, seveda pa s številom nanosov upornost močno pada.
Upornost bi načeloma lahko zelo preprosto izračunali po enačbi za izračun upornosti objekta:
Konstrukcija merilnega sistema 53
𝑅 = 𝑙 𝑠 ∙ 𝑢∙ 𝜌
Enačba 20: Izračun upornosti
R je upornost, l razdalja med elektrodama, s širina nanosa, u debelina nanosa, ρ pa specifična upornost.
Specifične upornosti v specifikacijah nismo zasledili, prav tako pa ne moremo določiti debeline nanosa, zato smo kot normirano mero za upornost uporabili specifično upornost/debelino nanosa:
𝜌
𝑢 =𝑅 ∙ 𝑠 𝑙
Enačba 21: Izračun normirane mere upornosti
Širina nanosa je konstantna, upornost in razdaljo med elektrodama pa lahko merimo z multimetrom in ravnilom. Pod predpostavko, da je debelina nanosa enakomerna čez cel karton (kar v praksi ne velja popolnoma), bi moral biti ρ/u konstanten. Pri konstantni širini kartona to pomeni, da bi morala biti upornost linearno odvisna od razdalje med elektrodama:
𝑅 = (𝜌 𝑢∙1
𝑠) ∙ 𝑙
Enačba 22: Linearna odvisnost upornosti od razdalje Konstante so zaradi nazornosti zapisane v oklepajih.
54 Praktični del
Graf 10: Rezultati meritev upornosti v odvisnosti od razdalje med elektrodama in številom nanosov prevodne barve
Iz grafa vidimo, da upornost s številom nanosov močno upada. Padanje lahko primerjamo z eksponentnim padanjem, kar je lepše razvidno iz naslednjega grafa, ki prikazuje povprečno vrednost ρ/u v odvisnosti od števila nanosov:
Graf 11: Odvisnost ρ/debelina od števila nanosov prevodne barve
Pri nanašanju treh ali več nanosov so rezultati že zelo dobri.
Pri merjenju prevodnosti kože imamo opravka z upornostmi od 100 kΩ naprej, zato teh nekaj kΩ, predvsem pa spremenljivost glede na lokacijo držanja miške, ni zaželenih. Za rešitev te težave in hkrati olajšanje pritrditve kontaktov na elektrode smo
0
Konstrukcija merilnega sistema 55
poskus ponovili tako, da smo na karton nalepili eno plast aluminijaste folije, nato pa pobarvali površino folije s prevodno barvo. Sama aluminijasta folija bi bila sicer že dobra elektroda, ampak je preveč opazna, z mat temnosivo prevleko pa bi se dobro skrila.
Rezultati, ki smo jih dobili z aluminijasto folijo pod barvo, so odlični, upornost se z razdaljo spreminja zelo počasi, vrednost ρ/u znaša okrog 0,13 kΩ, upornosti pa so posledično občutno nižje. Gibljejo se okrog 300 Ω, predvsem pa se manj spreminjajo glede na razdaljo, kar so za naš primer odlične električne lastnosti. Prevodnost aluminijastega traku širine 1,5 cm, dolžine 10 cm in debeline 0,01 mm je zanemarljiva (> 0,02 Ω).
Opazili pa smo eno slabo mehansko lastnost, in sicer se barva z aluminijaste folije zelo hitro olušči.
Graf 12: Upornost v odvisnosti od razdalje za aluminijasto folijo in grafitni nanos
Za utrditev barvnega nanosa na aluminijasti foliji smo poskusili folijo rahlo zbrusiti, da bi se barva bolj oprijela, kar pa ni pomagalo. Pomagalo ni niti daljše sušenje barve. Pri toplotni obdelavi se je barva oluščila še hitreje. Prevodna barva na aluminijasti foliji kljub izvrstnim električnim lastnostim, žal, ni uporabna. Za izdelavo se nam zdi najprimernejša miška s čim več nanosi grafitne barve brez aluminijaste folije.
2.3.3 Napetostna referenca
Napetostna referenca je element, ki skrbi, da je vrednost napetosti na izhodu konstantna ne glede na spreminjanje napetosti na vhodu, spreminjanje temperature, staranje … Preprosta napetostna referenca je lahko Zenerjeva dioda, za aplikacije, kjer je zahtevana velika točnost in natančnost, pa se običajno uporabljajo namenski čipi.
0
56 Praktični del
Za točno merjenje napetosti s pomočjo AD-pretvornika moramo imeti tudi točno napetostno referenco, saj se meritve izvajajo v primerjavi z referenčno vrednostjo. Če torej vrednost napetostne reference odstopa za 1 %, potem tudi vse nadaljnje meritve odstopajo za 1 %. Tako je napetostna referenca prva v verigi, ki določa točnost meritve, zato je zelo pomembno, da izberemo dovolj točno.
Napetost napetostne reference predstavlja zgornjo mejo meritve AD-pretvornika, zato moramo biti pri izbiri pozorni. Tipične vrednosti se gibljejo nekje med 1 V in 5 V. Pomemben podatek je še osnovna točnost, podana v procentih ali milivoltih, temperaturna stabilnost, šum, časovna stabilnost in izhodni tok.
Osnovna točnost nam podaja točnost napetostne reference brez upoštevanja ostalih faktorjev, kot je staranje, spreminjanje temperature, spreminjanje vhodne napetosti … Tipično je osnovna točnost nižja od 1 %, lahko znaša celo 0,01 %.
Temperaturna stabilnost igra pomembno vlogo predvsem, če je tiskano vezje, kjer se čip nahaja, izpostavljeno velikim temperaturnim spremembam. V primeru, da se meritve izvajajo v notranjih prostorih, kjer je temperatura stabilna, ta podatek ne igra velike vloge.
Količina šuma določa natančnost napetostne reference. V primeru velikega šuma bi pri merjenju konstantne napetosti z AD-pretvornikom vedno dobili drugačen rezultat, zato si želimo, da je šum čim nižji. Šum je pogojen tudi s pasovno širino merjenega signala in ga lahko preprosto zmanjšamo z uporabo frekvenčnih filtrov.
Časovna stabilnost reference nam pove, kakšno je pričakovano obnašanje referenčne napetosti skozi čas. Napetost namreč lahko počasi drsi navzgor ali navzdol v primerjavi z začetno vrednostjo.
Izbrali smo napetostno referenco REF5040 v 8-pinskem SOIC ohišju.
Slika 20: Napetostna referenca REF5040 [10]
Napetostna referenca ima 8 pinov, uporabni so samo trije: (skupna) masa, vhod in izhod.
Konstrukcija merilnega sistema 57
Izbrana napetostna referenca ima naslednje podatke [10]:
Tabela 3: Podatki napetostne reference
Podatek Vrednost
Izhodna napetost 4,096 V
Točnost 0,05 %
Temperaturna stabilnost 3 ppm/°C
Časovna stabilnost 50 ppm/1000 h za prvih 1000 h 25 ppm/1000 h za drugih 2000 h
Šum 3 μVPP/V
Izhodni tok (max) ±10 mA
Vhodna napetost 4,296 V do 18 V
Ta napetostna referenca torej zagotavlja točen izhod (4,096 ± 0,002) V, kar je za naše potrebe dovolj dobro. Če meritve izvajamo diferencialno, se nam v resnici napetost reference okrajša, zato je bolj pomembno, da je referenca čim bolj stabilna in ima čim nižji šum, sama napetost pa ne igra ključne vloge.
2.3.4 Analogno-digitalno pretvornik
Analogno-digitalni pretvornik ali AD-pretvornik je vezje, ki analogne signale (napetosti) pretvori v digitalne kode, ki jih lahko programsko pretvorimo nazaj v napetosti in z njimi računamo. AD-pretvornik je obvezna oprema vsake digitalne meritve. Z njimi merimo napetosti, s pomočjo katerih lahko izračunamo željene veličine glede na arhitekturo vezja. Merilni problem moramo torej »prevesti« na merjenje napetosti na tak način, da lahko iz te napetosti in poznavanja delovanja senzorja oziroma referenčnih vrednosti izračunamo merjeno veličino.
V primeru sistema za merjenje prevodnosti kože je merjena veličina torej prevodnost. To lahko izračunamo iz poznavanja napetosti na koži in tokom skozi kožo po Ohmovem zakonu. Ker pa toka direktno ne moremo meriti z AD-pretvornikom, lahko tega prav tako izračunamo iz napetosti na zaporedno vezanem uporu, katerega upornost je natančno določena in poznana.
Pomembni podatki, ki jih srečamo pri AD-pretvornikih, so naslednji:
– napetostno območje merjenja, – hitrost vzorčenja (vzorci/s), – ločljivost (število bitov), – število vhodov,
– diferencialni vhodi,
58 Praktični del
– napetostna referenca (vgrajena, možnost zunanje …), – šum oziroma SNR,
– linearnost
– in drugi, odvisno od aplikacije (npr. poraba energije, če gre za napravo na baterije, ki zahteva nizko porabo).
Pri AD-pretvornikih tipično najprej opazimo ločljivost. Arduino ima vgrajene AD-pretvornike, toda njihova ločljivost je zgolj 10 bitov oziroma 1024 vrednosti. Na prvi pogled se to mogoče zdi veliko, ampak za aplikacije, kjer je zahtevana velika točnost meritev, se hitro izkaže, da je to premalo. Za primer vzemimo preprost merilnik napetosti. Meriti želimo na območju od 0 V do 5 V z ločljivostjo 1 mV. Z uporabo 10-bitnega AD-pretvornika bi v tem primeru dosegli ločljivost:
𝐿 = 𝑈𝑀𝐴𝑋
2𝑛 − 1= 5 𝑉
210− 1= 5 𝑉
1023≅ 4,89 𝑚𝑉 Enačba 23: Ločljivost AD-pretvornika
Ločljivost je torej približno petkrat prenizka. Če enačbo obrnemo in izračunamo minimalno število bitov AD-pretvornika, ugotovimo, da potrebujemo vsaj 13-bitni pretvornik:
𝑛 ≥ 𝐿𝑜𝑔2(𝑈𝑀𝐴𝑋
𝐿 + 1) ≅ 12,288 Enačba 24: Izračun števila bitov
13-bitni AD-pretvorniki sicer obstajajo, so pa bolj redki, zato bi v tem primeru uporabili 14- ali 16-bitni pretvornik.
Druga pomembna karakteristika je merilno območje. Pri tem moramo najprej razlikovati med enokanalnimi in diferencialnimi ojačevalniki. Prvi meri napetosti na območju na primer med GND in UREF, medtem ko lahko pri diferencialnem merimo napetostno razliko med dvema priključkoma.
Dejansko merilno območje ni nujno pogojeno z referenčno napetostjo. AD-pretvornik lahko interno vsebuje tudi delilnike referenčne napetosti, s katerimi lahko omeji območje na UREF/2, UREF/4 in podobno. Nekateri AD-pretvorniki imajo vgrajen tudi ojačevalnik vhodnega signala, ki ima podoben učinek. Izbrati moramo tak pretvornik, ki nam omogoča, da čim bolje izkoristimo celotno merilno območje, saj drugače efektivno izgubimo na ločljivosti. Primer tega je, da imamo 10-bitni AD-pretvornik z merilnim območjem od 0 V do 5 V. Če nam merilno vezje na izhodu daje napetosti samo od 1 V do 2,25 V, uporabljamo samo 1,25 V od 5 V merilnega območja.
Konstrukcija merilnega sistema 59
To je samo četrtina celotnega merilnega območja, zato se nam tudi ločljivost zmanjša za 2 bita (22 = 4). Efektivna ločljivost takega sistema bo torej 8 bitov.
Pri zajemanju analognega signala je pomembna tudi frekvenca zajema. Kakšno frekvenco zajema potrebujemo, je odvisno od zahtev meritve. Če merimo relativno počasne spremembe, je lahko dovolj ena meritev na sekundo (1 SPS = Sample Per Second = 1 Hz), če pa želimo meriti hitre spremembe, bomo potrebovali višje frekvence vzorčenja (nekaj kHz ali več). Digitalni osciloskopi uporabljajo AD-pretvornike s frekvencami nekaj GHz, najboljši tudi nekaj 10 GHz.
Število vhodov AD-pretvornika si izberemo glede na zahteve aplikacije.
Uporabimo lahko tudi več različnih AD-pretvornikov, po navadi pa je enostavneje izbrati en čip, s katerim lahko pokrijemo vse meritve. Pri diferencialnih AD-pretvornikih potrebujemo vsaj dva vhoda, med katerima merimo razliko napetosti, lahko pa imamo več vhodov, med katerimi lahko izbiramo s pomočjo multiplekserja.
Zelo pomembna pri AD-pretvornikih je napetostna referenca. Njena točnost nam določa tudi končno točnost merilnega sistema. Odmik od željene vrednosti lahko preprosto odpravimo s kalibracijo, večjo težavo pa nam povzroča stabilnost reference.
Običajno največje težave povzroča temperaturna stabilnost, težave pa imamo tudi s staranjem in ostalimi okoljskimi dejavniki. Če se odločimo za zunanjo napetostno referenco, si moramo izbrati tako napetost, ki nam najbolj ustreza in ustreza tudi območju AD-pretvornika. Referenca pa mora biti tudi stabilna do te mere, da nam morebitno spreminjanje referenčne napetosti ne spremeni bistveno rezultatov meritve.
Za merilni sistem smo izbrali pretvornik ADS1120, ki je 16-bitni, 4-kanalni AD-pretvornik in zmore hitrosti pretvorbe tudi do 2 kHz. Izbrali smo ga, preden smo dokončno vedeli, kakšno bo merilno vezje, zato izbira verjetno ni optimalna, se je pa izkazala za dovolj dobro. Blokovna shema izgleda tako:
60 Praktični del
Slika 21: Blokovna shema AD-pretvornika ADS1120 iz podatkovne liste [11]
AD-pretvornik ima torej 4 vhode, ki so povezani na multiplekser, s pomočjo katerega lahko izbiramo, kaj želimo meriti. Izbiramo lahko med naslednjimi 16 opcijami:
Tabela 4: Multiplekser AD-pretvornika
Multiplekser koda AINP AINN
0000 AIN0 AIN1
0001 AIN0 AIN2
0010 AIN0 AIN3
0011 AIN1 AIN2
0100 AIN1 AIN3
0101 AIN2 AIN3
0110 AIN1 AIN0
0111 AIN3 AIN2
1000 AIN0 AVSS
1001 AIN1 AVSS
1010 AIN2 AVSS
1011 AIN3 AVSS
1100 (REFPx – REFNx) / 4 -> izbrana napetostna referenca
1101 (AVDD – AVSS) / 4 -> napajalna napetost
1110 (AVDD + AVSS) / 2 -> kratek stik med vhodoma AD, povezan na srednjo napetost med AVDD in AVSS
1111 Rezervirano
Konstrukcija merilnega sistema 61
Priključka AIN0 in AIN3 lahko uporabimo tudi za napetostno referenco. Za zunanjo napetostno referenco imamo že druga dva namenska priključka, kar pomeni, da lahko AIN0 in AIN3 uporabimo kot vhoda.
Iz multiplekserja so signali povezani na ojačevalnik s programirljivim ojačenjem ali PGA (Programmable Gain Amplifier). Izbiramo lahko med ojačenjem 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 in 128. Če želimo, lahko PGA tudi obidemo z možnostjo »bypass«. Tako lahko zmanjšamo porabo elektrike AD-pretvornika, hkrati pa tudi razširimo vhodno napetostno območje na od AVSS – 0,1 V do AVDD + 0,1 V.
Pri uporabi PGA moramo biti pazljivi glede njegovih zahtev za vhodno napetost.
Pri uporabi PGA moramo biti pazljivi glede njegovih zahtev za vhodno napetost.