Insluten optisk höghastighetskommunikation
Martin Håkansson
Tom Åkerström
Examensarbete MMK 2017:44 MKNB 098
KTH Industriell teknik och management
Maskinkonstruktion
SE-100 44 STOCKHOLM
1
2
Examensarbete 2017
Insluten optisk höghastighetskommunikation
Examensarbete inom civilingejörsprogrammet
Maskinteknik
Martin Håkansson, Tom Åkerström
Institutionen ITM/Maskinkonstruktion
Kungliga Tekniska Högskolan
Stockholm, 2017
3
4
Examensarbete MMK 2017:44 MKNB 098
Insluten optisk höghastighetskommunikation
Martin Håkansson
Tom Åkerström
Godkänt
Examinator
Handledare
2017-06-07
Ulf Sellgren
Mats Rehnström/Ulf Sellgren
Uppdragsgivare
Kontaktperson
Ericsson
Mats
Rehnström/
Petterson
Fredrik
Sammanfattning
Telekombranschen karaktäriseras av att stora mängder data för över trådlöst mellan system på
kort tid. En förutsättning för detta är också att de kretskort som utvecklas och tillverkas måste
kunna hantera och distribuera stora mängder data internt på kortet. Detta sker ofta i multipla
höghastighetslänkar på upp till 10–28 Gbit/s.
Dagens kretskort bygger på elektriska ledare, som har en början och ett slut. Det vill säga ingen
möjlighet till förgrening eller förändring utan ombyggnad. Ett problem med alla dessa ledare i
kretskorten och kretskortens nära kontakt med varandra är att interferens sker mellan dem. EMI
är en känd beteckning för detta, Elektromagnetisk interferens. För att undgå detta problem och
istället uppfylla EMC, Elektromagnetisk kompatibilitet, kan dessa elektriska ledare ersättas
med optiska.
Detta nya koncept med optiska ledare ska till en början inte ersätta alla elektriska ledare utan
målet är att ersätta merparten av de på korten befintliga höghastighetslänkar och att ersätta de
traditionella höghastighetslänkarnas point to point med en optisk multidroplösning. Utöver att
dessa ledare uppfyller EMC så bidrar de även till att en signal kan skickas från samma sändare
till flera olika mottagare. Då den optiska ledningen sker genom en skiva i PC-plast har signalen
inget förbestämt mål, utan alla mottagare i behov kan plocka upp signalen.
Nyckelord: Kretskort, Laser, Optik
5
6
BachelorThesis MMK 2017:44 MKNB 098
Embedded high speed optical communication
Martin Håkansson
Tom Åkerström
Approved
Examiner
Supervisor
2017-06-07
Ulf Sellgren
Mats Rehnström/Ulf Sellgren
Commissioner
Contact person
Ericsson
Mats
Rehnström/
Petterson
Fredrik
Abstract
The telecom industry is today categorized by being able to wirelessly transmit large amounts
of data between systems in a short time. A precondition for this is that the PCBs (printed circuit
board) being developed and manufactured can handle and distribute large amounts of data
internally. Often presented as multiple high-speed links up to 10-28 Gbit/s.
The PCBs of today contains electric conductors, which all lead from one point to another, with
no possibility of branching or flexibility without being rebuilt. A significant problem with all
these electric conductors in the PCBs and all the PCBs close contact with each other is the
interference building up between them. EMI is a general explanation for this, Electro Magnetic
Interference. To avoid this problem and instead meet the constraints of EMC, Electro Magnetic
Compatibility, these electric conductors can be replaced with optical conductors.
This new concept with optical conductors is not initially going to replace all electric conductors
but replace most of the existing high speed links and the traditional point to point
communication with optical high speed multidrop. Not just fulfilling the need of EMC, these
conductors are also able send one single signal to several different receivers. The optical
conduction is happening inside a plate of PC-plastic, allowing the signal to travel throughout
the whole PCB if needed. While this is happening, all receivers in need of data can pick up the
sent-out signal.
Keywords: Laser, Optics, PCB
7
8
Förord
Denna rapport är resultatet av vårat kandidatexamensarbete inom maskinkonstruktion på
Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Arbetets omfattning är 15 högskolepoäng och har
genomförts under vårterminen 2017 hos Ericsson i Kista.
Under arbetets gång har vi haft mycket stöd från våran handledare Mats Rehnström och vi vill
tacka dig för trevliga möten och diskussioner. Dina idéer och ditt sätt att pedagogiskt beskriva
saker är fantastiska, utan dig hade detta aldrig varit möjligt för oss att genomföra. Tack till
Fredrik Petterson och Michael Lindahl för att ni har delat era givande tankar och reflektioner
med oss. Tack till Thomas Larsson och Johan Lindgren för stöd i arbetet. Slutligen vill vi även
tacka vår projektansvarige Fredrik Norkvist och vår handledare på KTH Ulf Sellgren.
Tom Åkerström & Martin Håkansson
Stockholm, juni 2017
9
10
Innehållsförteckning
1. INLEDNING ___________________________________________________ 13
1.1 SYFTE ____________________________________________________________ 13
1.2 AVGRÄNSNINGAR ____________________________________________________ 14
1.3 METODIK _________________________________________________________ 14
2. REFERENSRAM ________________________________________________ 15
2.1 KRETSKORTET, BAKGRUND OCH NUTID _______________________________________ 15
2.2 FIBEROPTIK _________________________________________________________17
2.3 PROBLEM MED OPTIK I LED-DIODER ________________________________________ 18
2.4 KONCEPT _________________________________________________________ 19
2.5 SCHMITT TRIGGER OCH BIT-SYSTEM_________________________________________ 20
2.6 MÄTUTRUSTNING ____________________________________________________ 21
3. GENOMFÖRANDE ______________________________________________ 23
3.1 FÖRARBETE KONCEPT A OCH B ____________________________________________
3.2 FÖRARBETE KONCEPT C ________________________________________________
3.2.1 Arbete enligt föregående koncept _____________________________________
3.2.2 Drivelektronik __________________________________________________
3.2.3 Stabiliserande kretskort ___________________________________________
3.3 KRAVSPECIFIKATION __________________________________________________
3.4 KONCEPTUTVECKLING _________________________________________________
3.4.1 Koncept A _____________________________________________________
3.4.2 Koncept B _____________________________________________________
3.4.3 Koncept C, Proof of concept _________________________________________
23
25
25
26
30
31
31
31
32
33
4. RESULTAT ___________________________________________________ 39
4.1 KONCEPT A ________________________________________________________ 39
4.2 KONCEPT B ________________________________________________________ 40
4.3 KONCEPT C ________________________________________________________ 42
5. SLUTSATSER __________________________________________________ 45
6. DISKUSSION __________________________________________________ 47
7. REFERENSER _________________________________________________ 51
8. BILAGOR ____________________________________________________ 53
11
Figurförteckning
Figur 1 - Enkelsidigt kretskort (Esys, 2017) ______________________________________ 15
Figur 2 - Dubbelsidigt kretskort (Esys, 2017) _____________________________________ 15
Figur 3 - Flersidigt kretskort (SAE, 2017) _______________________________________ 16
Figur 4 – Totalreflektion i fiber _______________________________________________17
Figur 5 – Problemet med ljusets spridning ______________________________________ 18
Figur 6 - Optiskt kretskort, demonstration av multidrop med röd signal __________________ 19
Figur 7 – Tecknet a i ASCII-kod, som signal _____________________________________ 20
Figur 8 - Enkelt tröskelsystem till vänster och Schmitt triggern till höger, för visualisering av Schmitt
triggerns motståndskraft mot en brusig signal. ___________________________________ 21
Figur 9 - Uppkoppling av mätutrustning _______________________________________ 22
Figur 10 – Matchning av spektralbredd ________________________________________ 23
Figur 11 - Exempel på en diod för vilken framspänningsfallet vid en ström på 10mA är 2.7V
(DISTRELEC, 2017) ______________________________________________________ 24
Figur 12 - Kopplingsschema koncept A och B _____________________________________ 25
Figur 13 - Kommunikationsmodul del 1 ________________________________________ 27
Figur 14 - Kommunikationsmodul del 2 ________________________________________ 28
Figur 15 - Kommunikationsmodul del 3 ________________________________________ 29
Figur 16 - Kopplingsschema för stabiliserande kretskort, mottagare ____________________ 30
Figur 17 - Koncept B med hål för LED-dioder och mottagar-yta ________________________ 32
Figur 18 – PC-plast med hål för koner _________________________________________ 33
Figur 19 - Epoxi-material med kopparbeläggning, undre lager ________________________ 34
Figur 20 - Demonstrering av ljusdödaren _______________________________________ 34
Figur 21 – Kon (stor skala) _________________________________________________ 35
Figur 22 - Alla olika puckar samt demonstration av hur lasern placeras i rätt puck __________ 35
Figur 23 - Huset som täcker puck och laser ______________________________________ 36
Figur 24 - Lagerna på plats med konen, i genomskärning ____________________________ 36
Figur 25 - Hela konstruktionen för ett hus, i genomskärning __________________________ 37
Figur 26 - Laserstrålens väg genom PC-plasten___________________________________ 37
Figur 27 - Det färdiga kretskortet ____________________________________________ 38
Figur 28 - Färidgt kretskort vid pulsmätning ____________________________________ 38
Figur 29 - Grön LED-diod, släckt och tänd ______________________________________ 39
Figur 30 - Ljus med och utan beläggning _______________________________________ 39
Figur 31 - Alla våglängder samtidigt __________________________________________ 40
Figur 32 - Multidrop påvisat med röd och grön kanal ______________________________ 42
Figur 33 - Röd, grön och blå laser samtidigt _____________________________________ 42
Figur 34 - Grön laser stör blå mottagare _______________________________________ 43
Figur 35 – Schmitt triggern rättar till signalen ___________________________________ 43
Figur 36 - Tecknet a, korrekt utseende _________________________________________ 44
Figur 37 - Kon med fästplatta _______________________________________________ 47
Figur 38 – Vald kon _____________________________________________________ 48
Tabellförteckning
Tabell 1 – Exempeltabell ........................................................................................................................... 18
Tabell 2 - Förtydligande av Figur 6 ........................................................................................................ 20
Tabell 3 - De olika resistanserna ............................................................................................................. 24
Tabell 4 - Resistanser för lasrarna ......................................................................................................... 26
Tabell 5 - All mätdata från koncept B ...................................................................................................... 41
12
1. Inledning
Den här rapporten omfattar ett nytt koncept där fiberoptik kombineras med kretskortets nutida
funktion, för att bli av med problem som point to point (P2P) och elektromagnetisk interferens
(EMI), dessa begrepp förklaras nedan. Optiken är effektiv genom att den tillåter “high-speed
multidrop” och är också immun mot EMI då ingen elektrisk induktion bildas. High speed
multidrop innebär att insignaler kan tas upp på flera olika ställen från en enda utsignal. Optiken
har alltså en utomordentlig förmåga att fungera i den elektromagnetiska omgivning den används
i, då den inte medför några oacceptabla störningar. Detta brukar kallas elektromagnetisk
kompatibilitet (EMC). Dessa begrepp förklaras i kapitel 2.1, kretskortet, bakgrund och nutid.
Genom projektet har existerande teknik använts. Funktionen för elektroniska delar som OPförstärkare, Schmitt trigger, sändare och fotodiod beskrivs inte ingående. Läsaren avses kunna
förstå dessa delar eller på egen hand söka upp nödvändig information kring dem.
Point-to-Point (P2P)
“Point-to-Point” eller “P2P” inom telecom avser som namnet säger en punkt till punkt
anslutning för kommunikation mellan två noder eller ändpunkter. Detta kan liknas vid ett
telefonsamtal, där två telefoner är kopplade till varandra. Vad som sägs i den ena telefonen
uppfattas endast i den andra. På samma sätt ser det ut i annan elektronisk utrustning där en
ledare eller någon annan form av koppling förbinder två elektriska komponenter. Informationen
skickas från den ena kretsen till den andra, via kopplingen, och systemet är begränsat till att
bara skicka informationen på detta sett, från punkt till punkt (Shaw, 2017).
Elektromagnetisk interferens (EMI) och elektromagnetisk kompatibilitet (EMC)
Det finns många olika sorter av elektromagnetiska störningar, men den som är intressant för
detta projekt är vanlig EMI, som kan påverka kretsar och hindra dem från att arbeta och fungera
på det sätt som det är tänkt. EMI är elektromagnetiska störningar som kan uppstå på många
olika sätt, konstgjort eller naturligt (Megyasi, 2014). Egenskaperna hos interferensen varierar
också kraftigt beroende på dess källa och mekanismen som ger upphov till själva störningen.
EMI kan förklaras som en oönskad signal hos signalmottagaren (Poole, 2017). EMC är
motsatsen till EMI och ett eftertraktat tillstånd.
1.1 Syfte
Syftet med projektet är att på ett modulärt sätt i olika steg undersöka om det går att realisera ett
”proof of concept” för optiska kretskort. Målet är att i ett för ändamålet lämpligt medium
överföra data via ljus, på olika frekvenser, utan att dessa interfererar. Frågeställning listas i
punkter nedan:
•
Går det att via införande av optik i kretskort minska antalet elektriska ledare?
•
Vilket material är för ändamålet lämpligt som optiskt medium?
•
Hur kan ljuset på ett effektivt sätt spridas i det optiska mediet?
•
Kan en signal detekteras av flera mottagare (multidrop)?
•
Kan kommunikation upprättas mellan datorer via kretskortet?
13
1.2 Avgränsningar
Avgränsningar har gjorts för att projektet ska bli mer rimligt att genomföra inom de tidsramar
som projektet innefattar. Avgränsningarna listas nedan:
•
Konceptet ska inte ”produktifieras”, utan endast tas fram som just ett koncept
•
Användning av redan existerande tekniker, OP-förstärkare, Schmitt trigger, sändare,
fotodioder etc.
•
Isolerat stabil miljö, ej utsatt för väder
1.3 Metodik
En konceptutveckling i tre delkoncept ska ske för att succesivt dra slutsatser som är nödvändiga
för att gå vidare mot det slutgiltiga konceptet. Hela arbetet kommer ske som en forskningsstudie
där dessa koncept utvecklas och testas. Varje koncept har ett specifikt förarbete innan de
praktiska testerna utförs och varje delkoncept ska bygga på resultatet från de föregående. Solid
Edge ST8 eller annat lämpligt program som kan hantera .PART-filer ska användas för att
bestämma geometrin till ingående komponenter.
Informationssökning ska ske via internet, litteratur och intervjuer med kunniga inom aktuellt
område på Ericsson.
14
2. Referensram
I detta kapitel presenteras bakgrundsfakta som kan vara bra att känna till för att förstå varför
konceptet för ett optiskt kretskort realiseras. Först presenteras nutida tekniker för att sedan
övergå till konceptets idé och utförande.
2.1 Kretskortet, bakgrund och nutid
Redan år 1925 ansökte Charles Ducas om patent för en uppfinning han kallade “printed wiring”.
Den här metoden bygger på att skapa en elektrisk väg i en isolerad yta, genom att printa på en
stencil, med ett elektriskt ledande bläck. Detta har senare kommit att kallas för “printed
curcuit”. Dessa kretskort var väldigt enkla och ensidiga, vilket betyder att kretsarna var på ena
sidan av kortet och komponenterna på den andra. På den tiden så gjordes kretskorten av
material som bakelit, skiktad kartong och även tunna träplankor. Korten användes i
radioapparater och grammofoner (4PCB, 2017). I Figur 1 nedan visas koppar som metall, men
mässing var vanligast förekommande hos de tidiga kretskorten. Figuren visar en “single sided
PCB” med dess delar förklarade (Esys, 2017).
Figur 1 - Enkelsidigt kretskort (Esys, 2017)
Fortfarande på 50 och 60-talet användes dessa ensidiga kretskort, men de hade minskat i storlek
och andra komponentmaterial användes. Vid den här tiden började kretskorten på riktigt att ta
sig in på marknaden och fanns inuti väldigt många produkter. Med den snabbt fortsatta
utvecklingen av kretskorten kom så småningom, även det på 60-talet, det första kretskortet där
koppar hade pläterats på bägge sidorna av kretskortet (4PCB, 2017). Figur 2 nedan visar det
då nya “double sided PCB” med koppar på bägge sidorna av kortet (PCBWay, 2017).
Figur 2 - Dubbelsidigt kretskort (Esys, 2017)
15
De nya kretskorten tillät kretsar att anslutas elektriskt på bägge sidorna av kortet. Koppar hade
även ersatt mässing som prefererad metall, tack vare dess goda ledningsförmåga, enkelhet att
behandla och låga tillverkningskostnad. Nu användes även lödmask för att koppla ihop och
minska korrosionen som inträffar på spår och komponenter. Epoxiföreningar sprejades över
kretskortet för att få en beläggning som skyddar från yttre påverkan (4PCB, 2017).
Utvecklingen av kretskorten har fortsatt från de stora framgångarna under 60-talet fram till idag.
Idag finns och förekommer vanligen kretskort som har flera lager, vilka används huvudsakligen
i professionell elektronisk utrustning, som datorer och militär utrustning. Anledningen till att
dessa är vanligast idag är att de är mycket användbara då kretsen kräver hög hastighet (Phoenix,
2017). Figur 3 nedan visar komplexiteten av ett flerskiktskretskort i jämförelse med dess enkel
och dubbelsidiga föregångare (SAE, 2017).
Figur 3 - Flersidigt kretskort (SAE, 2017)
Hur länge utvecklingen än tillåts fortsätta så finns det en del problem som elektriska kretskort
inte kommer att kunna frångå. När kretskorten fylls med tusentals ledare och i sig omges av
flera andra kretskort uppstår EMI. Då kretskortet också består av just dragna ledare så kan
elektriska signaler bara skickas från A till B, det som idag kallas för point to point (P2P).
16
2.2 Fiberoptik
Fiberoptik är ett optiskt system för överföring av data, där ljus leds genom så kallade optiska
fiber. Denna optiska fiber består av en kärna av rent glas eller plast omgiven av ett mantelhölje
samt ett skyddande skal. Ljuspulser skickas från en sändare genom mediet i fibern till en
mottagare i andra änden, och på så vis överförs data. En förutsättning för att denna överföring
ska fungera optimalt är att totalreflektion uppstår, dvs. att inget ljus “läcker ut” ur kärnan.
Totalreflektion uppstår då ljusstrålar reflekteras i en gränsyta mellan två medier med olika
optisk täthet (Manneberg, 2001). Om ljuset kommer från det optiskt tätare materialet finns vid
en tillräckligt stor infallsvinkel inget utrymme för brytning in i det tunnare mediet. Allt ljus
reflekteras då tillbaka in i det tätare mediet. För att uppnå detta i en optisk fiber krävs alltså att
kärnan är optiskt tätare än mantelhöljet och att infallsvinkeln är lika stor eller överstiger gränsen
för totalreflektion. Figur 4 nedan förtydligar detta.
Figur 4 – Totalreflektion i fiber
Fiberoptik är den i särklass snabbaste tekniken för överföring av data. Eftersom en fiberoptisk
kabel använder ljuspulser istället för elektricitet vid överföring av information från en punkt till
en annan, innebär detta att kapaciteten i en fiberoptisk kabel är näst intill obegränsad.
Begränsningen är den hastighet ljuset färdas i glas, det vill säga 200 000 km/s (Undvall &
Karlsson, 2013).
I jämförelse med att skicka data elektroniskt via kopparledare har fiberoptik många fördelar.
Elektromagnetisk energi kan påverka signaler negativt men eftersom fibern leder ljus är den
immun mot elektromagnetisk interferens - till skillnad från kopparledare som leder just
elektricitet (ICTNet, 2014).
Fiberoptik erbjuder även betydligt högre överföringshastighet, en optisk fiber kan idag överföra
ca 3200 Gbit/s, i jämförelse med koppar där den snabbaste kommunikationen är 10 Gbit/s (ITkom, 2004). Optiska fiber kan även dras flera mil innan signalen måste förstärkas, till skillnad
från koppar där signalen måste förstärkas var 100:e meter (ICTNet, 2014).
17
2.3 Problem med optik i LED-dioder
Spridning av ljuset från LED-dioder gör att ljuset färdas olika långt och träffar mottagaren vid
olika tillfällen. Detta skapar ett brus i den mottagna signalen. Ljusets hastighet och längden
ljuset färdas påverkar hur mycket brus som fås upp i signalen.
f =
1
(1.1)
t
Med ekvation (1.1), där f är frekvensen och t är periodtiden, kan tiden mellan varje nod på
signalen räknas ut. Med en frekvens på 9,6 kHz blir då den tiden 0,000104s. I Figur 5 kan ett
exempel ses på vad som händer om ljuset bryts och då färdas på olika sätt från sändare till
mottagare.
1
2
Sändare
Mottagare
Figur 5 – Problemet med ljusets spridning
Med hjälp av Tabell 1 förklaras ett exempel på hur bruset uppstår via skillnaderna i tid då ljuset
når fram vid olika tillfällen. Ljusets hastighet i glas är 200 000 km/s.
Tabell 1 – Exempeltabell
Ljussignal
1
2
Tid nod-nod
Sträcka
150 [mm]
340 [mm]
---
Färdtid
7,5 10-10 [s] 1, 7 10-9 [s]
---
9,6 kHz
---
---
0,000104 [s]
96 MHz
---
---
10, 4 10-9 [s]
Då färdtiden för den längre sträckan fortfarande är så pass liten relativt tiden mellan avståndet
på noderna vid 9,6 kHz så kommer resultatet kunna anses som bra, även om det uppstår brus
till viss del. Ju högre frekvens desto mindre blir tiden mellan noderna. Då tiden mellan noderna
är mindre med högre frekvens blir skillnaden i färdtid ett procentuellt större problem. Om
signalen istället ställs in på 96 MHz enligt Tabell 1 är nod-nod tiden i samma storleksordning
som de olika färdtiderna och kommer påverka den upptagna signalen mycket mer, till sådan
nivå att det nästan kan bli omätbart, då samma signal med denna höga frekvens nu av
mottagaren kan uppfattas som flera olika signaler. I detta projekt har överföring undersökts med
en frekvens på 9,6 kHz för att frångå detta problem.
18
2.4 Koncept
Genom att ta den befintliga tekniken för kretskort och kombinera den med fiberoptik kan
framtidens kretskort skapas. Fiberoptiken är som nämnt den idag snabbaste tekniken för att
skicka signaler, medan kretskorten är essentiella komponentstationer. Konceptet bygger på att
byta ut P2P-ledarna mot en platta i PC-plast, med mycket goda optiska egenskaper. Genom
denna platta skickas laserljus, för att tas upp på alla de platser där signalen behövs. Detta innebär
att det inte längre är ett P2P-system utan ett så kallat multidrop, vilket också kan ske med en
otroligt hög hastighet. Då de elektriska ledarna inte existerar finns heller inte någon risk för
EMI.
Konceptet har delats upp i tre olika delkoncept för att undersöka olika förutsättningar samt ett
förarbete för att konstruera nödvändig utrustning. Koncepten har döpts till Koncept A, B
respektive C. Koncept A är simpelt och undersöker endast om ljus kan skickas genom PC-plast
samt om en beläggning på glaset förbättrar ljussignalen. Koncept B är mer avancerat och
undersöker fyra olika ljussignaler samtidigt, hur dessa påverkar varandra och om beläggningens
karaktär påverkar resultatet. Koncept C är det så kallade ”proof of koncept” och det slutgiltiga
steget. I koncept C används lasrar istället för de LED-dioder som använts för undersökningarna
i Koncept A och B. I A och B används även en egentillverkad konstruktion med OP-förstärkare
för att ta emot signalerna, vilket förklaras i kapitel 3.1 Förarbete koncept A och B. I koncept
C används ett egentillverkat kretskort med förstärkningssteg och Schmitt trigger, vilket
förklaras i kapitel 3.2 Förarbete koncept C. Schmitt trigger förklaras närmare i kapitel 2.5
Schmitt trigger och Bit-system.
I koncept C kopplades även datorer in för att kommunikation skulle ske och inte bara
upptagning av ljus. Den kanalen som här användes var RS232. De förtydligas i
kopplingsschemat som visas för koncept C i kapitel 3.2 Förarbete koncept C.
Genomförandet är uppdelat i dessa tre steg för att få en succesiv förståelse i funktion och
resultat. Det fungerar som ett sätt att forska fram slutresultatet och på vägen stöta på problem
som är lättare att hantera innan det färdiga koncept C verklighetsställs.
Koncept C är ett proof of concept vilket innebär att skalan är många gånger större än den
potentiella produkt som kan bli utav konceptet. Konstruktionen är 250x200 mm och innehåller
endast fyra lasersändare och fem mottagare. Fem mottagare används för att påvisa multidropfunktionen. Figur 6 nedan visar en förenklad bild av konceptets funktion. Observera att lasrar
och mottagare är placerade i kanterna för att figuren ska bli lättare att förstå.
Figur 6 - Optiskt kretskort, demonstration av multidrop med röd signal
19
Enligt konceptet ska en dator kunna kopplas till sändare och/eller mottagare, utifrån behov av
kommunikation. Ljussignaler skickas i olika färger och tas upp av motsvarande mottagare.
Tabell 2 nedan förklarar uppkopplingen i Figur 6. Alla ljussignaler sprids i hela kortet, men
demonstreras med en pil i figuren för att enkelt förstå transmissionen. Med den röda signalen
demonstreras multidrop, för att visa att samma signal kan tas upp på flera olika ställen, därav
som nämnt tidigare en extra mottagare.
Tabell 2 - Förtydligande av Figur 6
Dator
1
Sändare(T)
Röd(R)
2
3
Blå(B) Grön(G)
Mottagare(R) Grön(G)
IR
Röd(R)
4
IR
Blå(B)
2.5 Schmitt trigger och Bit-system
När information sänds med hjälp av ett bitsystem behövs fyrkantsvågor för att signalen ska
kunna läsas av korrekt. En startbit initierar registreringen av signalen på ytterligare åtta bitar,
som kan vara antingen höga eller låga. Registreringen sker i mitten på varje bit och det är därför
krävs det en pulskvot på 50-50, vilket betyder att alla bitar är lika långa. Registreringen avslutas
med en paritetsbit och en eller två stoppbitar (Rehnström, 2017).
Utökad ASCII är en teckenkodning som används för att representera bokstäver och andra tecken
i datorer. Utökad ASCII använder, till skillnad från ASCII, 8 bitar. Varje tecken representeras
av en siffra, som för att kunna användas i ett bit-system av datorer skrivs binärt. Exempelvis
motsvaras bokstaven a av 97, som skrivs binärt som 01100001. När dessa tecken kodas och
skickas som ljus så motsvaras en nolla (0) av att ljuset lyser, och en etta (1) av att det är släckt.
Datorn läser av signalen bakifrån, ett a skulle alltså i praktiken bli 10000110 och se ut som i
Figur 7 nedan, där signalen går låg när det lyser.
Figur 7 – Tecknet a i ASCII-kod, som signal
20
En signal som av någon anledning inte är fyrkantsvågig kan ordnas upp med en Schmitt trigger.
Schmitt triggern gör om insignalen till en perfekt fyrkantsvåg med hjälp av två trösklar, eller
triggers, som slår om signalen till hög eller låg vid tröskelnivån. Figur 8 visar på problemet
med endast en tröskel och hur Schmitt triggern med sina två trösklar skapar en perfekt utsignal.
Figur 8 - Enkelt tröskelsystem till vänster och Schmitt triggern till höger, för visualisering av Schmitt
triggerns motståndskraft mot en brusig signal.
2.6 Mätutrustning
Nedan beskrivs den mätutrustning och den koppling av dessa som använts för att utvärdera de
olika koncepten.
Oscilloskop
Ett oscilloskop från Tektronix av modell TDS 380 användes för att kontrollera att den skickade
signalen såg ut som önskat.
Ett oscilloskop från Agilent Technologies av modell DSO-X 3034A användes för att detektera
de mottagna signalerna. Den skickade signalen användes som referens för att bedöma kvalitén
av den mottagna signalen.
Funktionsgenerator
Funktionsgeneratorer från Hewlett Packard av modell 33120A användes för att generera en
elektronisk fyrkantsvåg med önskad frekvens och våglängd.
Mottagarna försörjdes med ett strömförsörjningsaggregat från TTi Inc av modell CPX400DP.
Mätexempel, typiskt för koncept A och B
Funktionsgeneratorer kopplades till LED-dioderna för att kontrollerat ge spänningspulser med
önskad frekvens. Med funktionsgeneratorer kunde ljussignalerna lätt styras för att göra
mätningarna relevanta. Mätningarna utfördes med en frekvens på 9,6 kHz och en spänning på
5 VPP. Den utsända ljussignalen togs upp av en mottagare som bestod av en fotodiod och en
OP-förstärkare, som matades med en spänning på 9V. För att mäta spänningen i mottagaren
användes ett oscilloskop som kopplats till OP-förstärkarens jord samt inspänning. Genom att
göra detta kunde de mottagna analoga signalerna analyseras och jämföras med den skickade
signalen för att bedöma kvalitén av den mottagna signalen. Uppkopplingen visas i Figur 9.
21
Figur 9 - Uppkoppling av mätutrustning
22
3. Genomförande
Konceptet har framtagits stegvis, med succesiv förbättring och utveckling. Utvecklingen av
konceptet har skett i fyra olika steg, där varje steg närmat sig det färdiga konceptet. Steg ett var
förarbete och de resterande tre stegen koncept A, B och C. Förarbetet och koncepten beskrivs
var för sig nedan.
3.1 Förarbete koncept A och B
Arbetet inleddes med en introduktion av de platser som skulle kunna utnyttjas på Ericsson i
Kista. Huvuddelen av arbetet skedde i två byggnader, På Torshamnsgatan 38 Ericsson MIC och
Blåfjällsgatan 8 Ericsson. På MIC skedde bearbetning av komponenter och diskussion kring
tillverkning och tillverkningsprocesser. Här gavs konsultation kring olika förslag för att göra
arbetet så enkelt som möjligt och för att minska eventuella onödiga tillverkningskostnader. På
Blåfjällsgatan 8 skedde alla experiment och testerna av alla koncept och dess komponenter. Här
monterades även alla koncept och lödning skedde för de komponenter som behövde tillverkas
på egen hand. All mätutrustning som behövdes fanns på plats i labbet.
I nästföljande steg gjordes en undersökning av på Ericsson befintliga komponenter för projektet
och vad som skulle beställas. Enklare komponenter som kondensatorer och motstånd, i för
projektet rimliga storlekar, samt löd-utrustning fanns vid löd-stationerna. Beställning var alltså
endast nödvändig av de för projektet unika komponenterna. Det innefattar LED-dioder,
fotodioder, lasrar och skyddsglasögon mot laserstrålarna. LED-dioder beställdes av flera olika
sorter för att kunna matcha rätt spektralbredd till de fotodioder som beställts.
Matchning av spektralbredd
Matchningen är relevant för att kunna ta emot en så bra signal som möjligt, detta beskrivs nedan.
LED-dioderna, fotodioderna och skyddsglasögonen beställdes från ELFA DISTRELEC och
lasrarna beställdes från RS Components.
Både LED-dioderna och fotodioderna har en specifik spektralbredd som finns att hitta i
respektive datablad, se Bilaga 1 för grön och röd LED-diod, Bilaga 2 för blå och IR samt Bilaga
3 för fotodioderna. Matchningen betyder att areorna för spektralbredderna täcker varandra så
mycket som möjligt och således att maximala våglängden för LED-dioden ligger så nära
maximala känsligheten för fotodioden som möjligt. Se Figur 10 nedan för ett förtydligande av
matchningen. Den blåa ytan i figuren representerar diodens spektralbredd, den gula ytan
fotodiodens spektralbredd och den gröna ytan den delade arean. Till vänster är alltså ett exempel
på dålig matchning och till höger ett exempel på en bra matchning. En bra matchning ska uppnå
en skärningspunkt på minst 70 % av l peak (Rehnström, 2017).
Figur 10 – Matchning av spektralbredd
23
När rätt dioder hittats via matchningen gavs en introduktion i lödning och säkerhet kring detta
av handledare Mats Rehnström.
Utan motstånd riskerar LED-dioder att brännas sönder. Därför behövdes ett seriekopplat
motstånd med lämplig resistans för optimal arbetspunkt (märkström). För att bestämma
resistansen behövdes först framspänningsfallet för LED-dioden. Detta bestämdes genom att
titta på databladet för respektive LED-diod och sedan avläsa framspänningsfall vid 10mA
ström, se exempel i Figur 11 nedan.
Figur 11 - Exempel på en diod för vilken framspänningsfallet vid en ström på 10mA är 2.7V
(DISTRELEC, 2017)
För att bestämma resistansen, RD, användes
RD =
U -UD
,
ID
(1.2)
där U är matningsspänningen 5V, UD är framspänningsfallet för den aktuella dioden och ID är
strömmen 10 mA. Motståndet löddes fast i serie med dioderna och krympslang smältes runt
diodens ben för att undvika kontakt mellan dem.
För varje diod, se Bilaga 1–2, bestämdes det seriekopplade motståndet enligt ekvation (1.2).
Nedan visar Tabell 3 motståndens uträknade storlek till respektive diod.
Tabell 3 - De olika resistanserna
Diod Resistans [Ω]
Grön
170
Röd
295
Blå
190
IR
375
24
Fotodioderna löddes sedan till en OP-förstärkare med motstånd och kondensatorer, se Figur 12
nedan.
Figur 12 - Kopplingsschema koncept A och B
Detta innebar att allt som behövdes för att sända och mottaga ljus på ett enkelt sätt nu var
konstruerat och redo att testas. Detta används i koncept A och B, i koncept C används en mer
avancerad konstruktion.
Optiskt medium beställdes från Nordbergs tekniska AB. Här efterfrågades ett material med
optiskt bra egenskaper, bearbetbarhet och om möjligt inte temperaturkänsligt för att kunna löda
på det. Av kostnadsskäl uteslöts önskemålet på temperaturkänslighet, då det stod mellan det
eller att minska på bearbetbarheten. En PC-plast med mycket bra optiska egenskaper och som
enkelt kan bearbetas kunde levereras.
3.2 Förarbete koncept C
Förarbetet till koncept C bygger på förståelse från förarbetet till koncept A och B. Koncept C
utförs till skillnad från A och B med lasrar, vilka är mycket farliga och kan skada synen.
Säkerhetsåtgärder har vidtagits i form av skyddsglasögon från ELFA. Konceptets förarbete
bygger på samma steg som tidigare, matchning av spektralbredd och resistansval via
framspänningsfall har gjorts på samma sätt som i föregående koncept.
3.2.1 Arbete enligt föregående koncept
Efter utförd matchning av spektralbredd och med hjälp av ekvation (1.3) erhölls värdena i
Tabell 4 nedan, där för lasrarna uträknade resistanser RL visas. För varje laser se Bilaga 5 och
hur det matchats mot mottagarna i Bilaga 3. I detta fall är matningsspänningen U L = 9V och
strömmen I L = 100mA. Från matningsspänningen subtraheras framspänningsfallet U D = 0,6V
för två schottky-dioder.
RL =
U -UL - 2 UD
IL
25
(1.3)
Tabell 4 - Resistanser för lasrarna
Laser Resistans [Ω]
Grön
13
Röd
56
Blå
23
IR
58
3.2.2 Drivelektronik
Den OP-förstärkare som användes i koncept A och B uppgraderas i det här konceptet till en
mycket mer avancerad drivelektronik som beskrivs i detta delkapitel.
Drivelektronik krävs för att kalibrera och utvärdera det proof of concept som ska tas fram. Mats
Rehnström på Ericsson är ytterst ansvarig för utveckling av denna drivelektronik. För att i
praktiken kunna realisera detta proof of concept krävs fyra identiska kommunikationsmoduler,
vilka visas i Bilaga 4. Den stora drivelektroniken kopplas sen till mindre kretskort som sitter i
husen på det optiska kretskortet (husen beskrivs i kapitel 3.4.3 Koncept C, proof of concept).
Då kommunikationsmodulerna i drivelektroniken är identiska beskrivs endast en modul
detaljerat i tre steg nedan, moduluppdelningen syns även i Bilaga 4 med en röd, grön respektive
blå ruta. Dessa kommunikationsmoduler medger att ljus av fyra olika våglängder ska kunna
kommunicera simultant i samma optiska medium.
Mottagarna har alla olika känsligheter. De olika ingångsstegen har till uppgift att
signalkonditionera den ursprungliga signalen från aktuell mottagare. För att detta ska fungera
måste ingångssteget vara utformat på ett sådant sätt att det utifrån förstärkningshänseende
erbjuder fyra olika förstärkningslösningar. Oavsett förstärkningslösning så måste utsignalen
vara under 0,8V eller över 2V (Rehnström, 2017) för att Schmitt triggern ska fungera korrekt.
Detta föranleder att det analoga ingångssteget baserat i QUAD-OP-amp-kretsen LM358
erbjuder nedan listade förstärkningslösningar. Dessa markeras i Figur 13 som A, B, C och D.
•
Inverterad OP-förstärkare med biasering (A)
•
Icke inverterad OP-förstärkare (B)
•
Emitterföljare (C)
•
Komparatorkoppling (D)
26
Efterföljande steg har till syfte att anpassa utsignalen från respektive förstärkarsteg till en TTLkompatibel signal. Detta buffras av en Schmitt trigger vilken sedan i respektive fall är kopplad
till de med resistorer konfigurerbara inverterarna. Vidare realiseras detta med hjälp av EXORgrindar och OR-grindar. Utsignalen från respektive inverterare är därefter kopplad på ett sådant
sätt att denna kan tas ut på TTL-utgången, RS232-utgången eller på USB-utgången.
Figur 13 - Kommunikationsmodul del 1
27
Utsignalen från OR-grindarna används således vid generering av den utsignal som krävs för att
generera en TTL-kompatibel utsignal för teständamålet. OR-grindarnas utsignal används även
för att generera en TX-signal för UART-kretsen och USB-kretsen. På motsvarande sätt fast i
omvänd riktning ombesörjer det logiska grindnätet bestående av i huvudsak 4-EXOR grindar
och en OR-grind möjligheten att lyssna på UART-kretsen eller USB-kretsen. Detta visas i
Figur 14 nedan.
Figur 14 - Kommunikationsmodul del 2
28
Respektive modul kalibreras mot en referenssignal, i detta fall en symmetrisk fyrkantsvåg,
vilken kännetecknas av en pulskvot på 50-50. Denna signal, vilken utgörs av en TTLkompatibel signal som genereras av en funktionsgenerator ansluts till den SMA-kontakt som i
Figur 15 nedan är märkt OTRX1 TTL-IN.
Figur 15 - Kommunikationsmodul del 3
Denna referenssignal är ansluten till en resistiv spänningsdelare vars funktion i huvudsak är att
begränsa strömmar mellan de i uppkopplingen förekommande enheterna. Spänningsdelaren
tillser även att den aktuella ingången, då den ej är inkopplad, är kopplad via ett pull-down
motstånd till systemjord (GND). På motsvarande sätt används signalen från OR-grinden dels
för att generera en TTL-kompatibel utsignal på utgången OTRX TTL-OUT (se Figur 15) men
även för att generera den strobesignal som i Figur 15 benämns RED-LED TX STROBE.
29
3.2.3 Stabiliserande kretskort
Till det optiska kretskortet gjordes även mindre kretskort för att stabilisera lasrar och mottagare.
För att minimera brus och störningar sker den första förstärkningen av detekterad signal på
kretskortet med fotodioden. Fotodioden har integrerats med förstärkaren på mottagaren och
använder sig av det faktum att backströmmen genom fotodioden omvandlas till en
spänningsnivå. Se Figur 16 för denna lösning.
Figur 16 - Kopplingsschema för stabiliserande kretskort, mottagare
Utspänningen från denna OP-förstärkarkoppling tecknas U out = R f I s BC där R f = R1 + R2 . För
att uppnå frekvensstabilitet och erforderliga krav på stegsvar etc. monteras även C3 . För att
under testerna ha så stora frihetsgrader som möjligt avseende modifikationer finns även
komponentpositionerna C1 och C2 . Då fotodioder har olika prestanda avseende backströmmar
vs belysning krävs det att respektive korttyp avseende våglängd kalibreras individuellt. Det är
här också viktigt att understryka att huvudskälet till att använda mottagarlösningar med
integrerad förstärkare är att minska störningarnas påverkan. Detta så att den signal som överförs
till drivelektroniken ligger i spänningsintervallet 0-9V, vilket annars inte hade varit fallet om
en helt separat fotodiod vars signal som är micro-amp kan komma att störas ut av miljön i
labbet.
Ett stabiliserande kretskort gjordes även för lasrarna. Kortets främsta syfte är att hålla lasern på
plats. Lasern seriekopplas med två schottky-dioder och den resistans för varje laser som
räknades ut tidigare i detta kapitel.
30
3.3 Kravspecifikation
Nedan listas de krav som ställts på den konceptuella konstruktion som ska tas fram:
•
Storlek på konstruktion ska vara ca 250x200 mm
•
Överföring av minst två olika våglängder i samma medium
•
Kunna överföra signal till flera mottagare (multidrop)
•
Kunna överföra traditionella UART-kanaler med lämplig Baud-rate (Bd)
3.4 Konceptutveckling
Konceptet utvecklades i tre steg; A, B och C. Första steget är väldigt enkelt där endast
möjligheten att skicka ljussignaler genom glas undersöks. I andra steget skickas flera
våglängder samtidigt. I sista steget används information från de tidigare stegen för att utveckla
ett färdigt proof of concept.
3.4.1 Koncept A
Koncept A gick ut på att undersöka hur ljus kan skickas genom ett genomskinligt medium och
vad som händer med ljuset. Här användes vanliga LED-dioder för att skicka ljuset. LEDdioderna är många gånger mindre koncentrerade än lasrarna i koncept C, men duger för att
undersöka ljusets transmission genom PC-plast. För att få en bra bild över ljuset användes en
plaststav på 300x50x50 mm. En LED-diod placerades i ett hål på ena sidan av staven och en
mottagare motsvarande LED-diodens våglängd placerades mot stavens andra ände.
Ljussignaler skickades på 9.6 kHz och med 5 VPP. Plasten var frostat på bägge kortsidor men
genomskinligt på långsidorna.
Det här konceptet gjordes som nämnt bara för att undersöka om ljus kan skickas genom PCplast och om det ger ett bättre resultat att innesluta plasten i någon form av beläggning. Endast
rött och grönt ljus testades här.
31
3.4.2 Koncept B
Vidareutveckling av koncept A. Här skedde en utveckling av beläggningen då aluminium
jämfördes med matt svart färg och matt svart färg lades även till i kanterna för att döda signalen.
Koncept B utfördes även med fyra färger samtidigt istället för en åt gången för att undersöka
om de olika våglängderna påverkade varandra. Undersökning gjordes för att kontrollera så att
ljuset i de fyra olika färgerna kommer kunna användas i koncept C.
Konstruktionen utvecklades lite annorlunda för att få ett bättre resultat än i koncept A. En
plastskiva på 210x150x5 mm användes nu. Blanka aluminiumskivor lades över och under
plastskivan för att hålla inne och reflektera ljuset, medan svart eltejp virades runt om, för att
döda signalen i kanterna av glasskivan. Det är nödvändigt att döda signalen för att få minimal
reflektion och störning. Borrhål gjordes i sidorna av plastskivan, där LED-dioderna fördes in.
Mottagarna lades även mot plastskivans kant och täcktes med eltejp för att inte påverkas av
utomstående ljus. Figur 17 nedan visar en enkel bild över konstruktionen, från LED-diodens
sida och mottagarnas sida.
Figur 17 - Koncept B med hål för LED-dioder och mottagar-yta
En LED-diod respektive en mottagare för varje våglängd placerades på motsatta sidor av
konstruktionen, för att lätt kunna ta upp signalen. I ett så optimalt förhållande som möjligt, var
plastskivan endast exponerad för ljus från LED-dioderna.
För att nu undersöka hur färgerna påverkade varandra inne i konstruktionen gjordes detta i tre
olika steg. Peak-to-peak, RMS och pulskvot mättes först för ljussignalerna, när de skickades
var för sig. I steg två skickades rött och grönt ljus samt blått ljus och IR samtidigt, samma
registreringar gjordes här. I sista steget skickades alla ljussignaler samtidigt för att få en så bra
överblick som möjligt över hur bra detta skulle fungera i koncept C.
I detta koncept användes fler funktionsgeneratorer än i koncept A, då fyra LED-dioder matades
med spänning istället för en.
32
3.4.3 Koncept C, Proof of concept
I koncept B gavs bekräftelse på att rött, grönt, IR och blått ljus kommer kunna användas i samma
medium för att kommunicera. Det gav även bekräftelse på att en blank yta används bäst som
reflekterande beläggning samt att mattsvarta kanter fungerar för att döda ut ljussignalerna och
undvika eko/reflektion. Koncept C tas fram som färdigt proof of koncept och är således mycket
mer avancerat i konstruktionen än tidigare koncept.
I detta koncept utvecklades en geometri som tillåter att komponenterna monteras uppe på kortet
istället för på sidan. Dels för att det blir mer realistiskt för ett kretskort men även för att det där
finns mer yta att jobba på. Det är även lättare att jämnt sprida ljuset i materialet om detta sker
ovanifrån. Aluminiumskivorna byts nu ut mot kopparpläterade epoxiskivor. Kopparytan ska nu
ge den önskade effekt aluminiumet bidrog med i koncept B. Bytet sker från aluminium till
kopparplättering sker delvis för att komponenter lätt ska kunna monteras på kortet, vilket hade
försvårats med aluminium.
Solid Edge ST8 har använts för att få en 3D bild av konceptet och för att kunna leverera STEPfiler till en beställning av komponenterna, då dessa nu var för avancerade och små för att
tillverka på egen hand och måste beställas. Komponenterna beställdes från Ericssons egen
produktionsenhet, i aluminium och epoxi. Komponenterna beskrivs i detalj nedan.
PC-plast
Figur 18 nedan visar PC-plasten som innesluts av de två epoxiskivorna. Hålen som syns i
figuren är position för koner, som används för att sprida ljus i materialet. Dessa koner och dess
funktion beskrivs närmare senare i detta kapitel. Utrymme finns för 9 koner för att kunna
demonstrera multidrop, men behov finns bara för åtta, fyra sändare och fyra mottagare. I höger
och vänster kant syns hål för styrpinnar som används för att positionera plasten rätt mellan
epoxilagren och matcha konhålen för alla tre lager.
Figur 18 – PC-plast med hål för koner
33
Epoxi-material
Som nämnt användes nu epoxiskivor som beläggning istället för aluminiumskivor. Epoximaterial finns vanligtvis med kopparplätering, som används till dagens vanliga kretskort och är
därför billigt och enkelt att få tag på. Observera att i figur 19 nedan är kortet vänt så att
kopparytan syns och inte epoxin. Det är dock den epoxin som kommer synas utåt och där
lasrarna och mottagarna kommer att fästas. Då dessa komponenter ska fästas på denna yta är
epoxi fördelaktigt jämtemot aluminium. Epoxiskivan har exakt samma hålbild som i PC-plasten
för att matcha lagerna med varandra. Observera att i figuren nedan syns det undre epoxilagret,
det övre lagret har även hål för placering av lasrar, mottagare och dess hållare som beskrivs
senare i detta kapitel.
Figur 19 - Epoxi-material med kopparbeläggning, undre lager
”Ljusdödaren”
Ljusdödaren är en svart beläggning som lades på kanterna av kretskortet för att döda signalen
när den når dit. Figur 20 nedan visar en liten del av kretskortet som belagts med ljusdödaren
och hur kortet sett ut annars. Ljusdödaren har lika viktigt som funktion att inte släppa in
utomstående ljus. I figuren syns även en av konerna som används för att sprida ljuset i hela PCplasten.
Figur 20 - Demonstrering av ljusdödaren
34
Konen
Konen är en kritisk del i konstruktionen, då en stor del i hela projektet handlade om hur ljuset
skulle spridas i PC-plasten. Hur konen sprider ljuset förklarars senare i detta kapitel. Utifrån
olika alternativ togs beslutet att välja en kon som pressas fast i epoxiskivan, de andra
alternativen diskuteras i kapitel 6. Diskussion. Konerna konstruerades i aluminium för enkel
bearbetning och för att kunna ha en blank yta som reflekterar ut ljuset i PC-plasten. Konen visas
i figur 21 nedan. Höjden på konen är 1 mm och vinkeln som sprider ljuset är 45 grader.
Figur 21 – Kon (stor skala)
Puckarna
Puckarna valdes som komponentnamn för den del som har i funktion att hålla lasrarna och
mottagarna på plats. Dessa togs fram i tre olika former, då lasrarna fanns i två olika storlekar
och fotodioden behöver ett större hål för placering. I figur 22 nedan visas alla tre olika puckar
samt ett förtydligande på hur den gröna lasern placeras i en av puckarna. Alla puckar visas i
genomskärning på mitten för att ge en tydligare bild. Till vänster på puckarnas ovansida syns
ett av M2-hålen som kommer låsa de stabiliserande kretskorten, vilket förklaras i kapitel 3.2
Förarbete koncept C. Till höger på puckens undersida syns även en av de två styrpinnarna som
används för att positionera pucken rätt på epoxiskivan. Detta för att puckens hål ska hamna
centrerat över de tre lagernas hål där konen sitter. Positionen är kritisk för att laserstrålen ska
träffa rätt på konen.
Figur 22 - Alla olika puckar samt demonstration av hur lasern placeras i rätt puck
35
Huset
Husets geometri togs fram främst av kosmetiska skäl, för att få det färdiga kortet att vara så likt
ett riktigt kretskort som möjligt. Huset används för att stänga inne de stabiliserande kretskorten
samt puck i ett utrymme och säkra att ingen ljus tränger in i konstruktionen. Huset är konstruerat
att se ut som kylflänsar, vilka alltså inte har någon effekt i vår konstruktion. Figur 23 nedan
visar huset utifrån och i genomskärning till vänster samt när det täcker över puck och laser till
höger.
Figur 23 - Huset som täcker puck och laser
Hela konstruktionen
Hela konstruktionen monterades i följande steg. Det undre epoxilagret, med hål för konens
underdel användes som utgångspunkt, med den silvriga ytan uppåt. Styrpinnar placerades i
lagrets hörn för att kunna placera nästkommande lager korrekt. Konerna pressades sedan på
plats i de hål som gjorts i epoxiskivan. Hålen har samma diameter som konernas underdel och
de pressas därför fast. Sedan placerades PC-plasten på epoxiskivan så att konerna samt
styrpinnarna hamnade korrekt i sina hål. Samma sak gjordes med det övre epoxi-lagret. Figur
24 nedan visar de tre lagerna och konen i genomskärning.
Figur 24 - Lagerna på plats med konen, i genomskärning
När de tre lagren var på plats fortsatte monteringen av komponenterna ovanpå kretskortet.
Beroende på typ av laser eller fotodiod valdes matchande puck och placerades på rätt ställe på
kortet. Dessa pressades på plats på samma sätt som konerna. Lasrar och fotodioder löddes fast
vid de stabiliserande kretskorten. Kretskorten lades sedan så att lasrarna och mottagarna
passade sina hål. I pucken finns ett litet spann för att flytta runt lasrar och fotodioder, för att
placera dessa optimalt. Kretskorten har som tidigare nämnt samma M2-hål som puckarna för
36
att kunna fästa dem i varandra, men med större diameter. Detta gav möjligheten att flytta
minimalt på kretskortet och skruva det på plats i pucken där starkast signal tas emot. Huset
placerades sedan över puck och kretskort, på ett så symmetriskt sätt som möjligt. I figur 25
visas delkonstruktionen i genomskärning. Observera att det stabiliserande kretskortet för lasern
inte finns med i figuren.
Figur 25 - Hela konstruktionen för ett hus, i genomskärning
I Figur 26 nedan visas hur signalen är tänkt att spridas i PC-plasten, från laser till kon, från kon
till kon och slutligen från kon upp till mottagare. Observera att mottagaren inte syns i figuren.
Figur 26 - Laserstrålens väg genom PC-plasten
37
Det stabiliserande kretskortets utgångar kopplades sedan till drivelektroniken som i sin tur
anslöt till datorer för att kunna kommunicera med varandra. Ett extra hus konstruerades med
röd mottagare för att kunna påvisa multidrop. Figur 27 visar det färdiga kretskortet.
Figur 27 - Det färdiga kretskortet
När alla komponenter var monterade påbörjades tester av konstruktionen. De första testerna
genomfördes med hjälp av en funktionsgenerator som pulsade ljus från laser till mottagare via
PC-plasten i mittenlagret. Dessa ljussignaler undersöktes med oscilloskop. Det färdiga
kretskortet kopplat till drivelektroniken visas nedan i Figur 28.
Figur 28 - Färidgt kretskort vid pulsmätning
Nästa steg var att undersöka om konstruktionen kan användas för att skicka och ta emot signaler
i en dator. Datorer kopplades med RS232-kontakt till drivelektroniken. Genom denna
uppkoppling styr datorn hur ljuspulserna ska se ut i ASCII-kod, så att den andra datorn vid
mottagning kan avkoda dem korrekt.
38
4. Resultat
Nedan presenteras de delresultat som erhållits under konceptutvecklingen och slutsatser för
respektive koncept. Resultaten för de olika koncepten har använts för vidareutveckling till de
följande koncepten.
4.1 Koncept A
Efter uppkopplingen av koncept A skickades rött och grönt ljus genom staven. Figur 29 visar
hur glaset såg ut då inget ljus sändes genom staven respektive när grönt ljus sändes genom
staven.
Figur 29 - Grön LED-diod, släckt och tänd
Även om LED-dioden lyste så kunde inte ljuset ses genom den genomskinliga långsidan.
Kortsidan visade däremot grönt ljus över hela den frostade ytan. Slutsatsen utifrån detta är att
då det gröna ljuset syns över hela den frostade ytan sprides det kraftigt. Då ljus ska skickas från
en sändare till en mottagare är minimal förlust av ljus optimalt.
Resultatet från koncept A var tillräckligt för att se att det går att skicka en ljussignal genom PCplast och ta upp den på andra sidan. Det togs även som en bekräftelse på att mätutrustningen
fungerade och var kopplad korrekt. Figur 30 nedan visar resultatet av den ljussignal som togs
upp av rött respektive grönt ljus. Resultatet av en matad fyrkantsvåg på 5VPP med 2,5V offset
blev som visas i den övre delen av figuren 111mV för rött ljus respektive 165mV för grönt ljus.
Den undre delen av figuren visar på en tydlig förbättring när PC-plasten på ett enkelt sätt täcktes
över med svart tyg. Nu mättes signalerna till 145mV respektive 285mV. Värt att notera är att
signalen också fick ett fyrkantigare utseende, den positiva betydelsen av detta förklaras i kapitel
2.5 Schmitt trigger och Bit-system. Detta gjordes alltså med relativ osäkerhet men gav
tillräcklig bekräftelse på att signalen störs av utomstående ljus och glaset behöver täckas i någon
form av beläggning.
Figur 30 - Ljus med och utan beläggning
39
Slutsatsen utifrån koncept A blir att PC-plast kommer att kunna användas som optiskt medium
i vidareutvecklingen och att resultatet kommer att förbättras avsevärt om glaset innesluts i
någon form av beläggning.
4.2 Koncept B
Genomförandet av koncept B gav mycket goda resultat i ljusmätningen. När signalerna testades
en i taget visade oscilloskopet väldigt fina fyrkantsvågor, med pulskvoter på nära 50-50. IR gav
det sämsta resultatet med en pulskvot på 64-36, men trots det en relativt fin fyrkantsvåg. Då
signalerna undersöktes två och två förändrades vågornas utseende extremt lite. Detta togs som
bekräftelse på att grönt och rött ljus respektive IR och blått ljus inte märkbart påverkar varandra.
Slutligen testades konceptet med alla fyra olika färger samtidigt. Här noterades viss förändring
i utseendet på de olika ljussignalerna, men fortfarande tillräckligt bra fyrkantsvågor för att
kunna applicera OP-förstärkning och Schmitt trigger. Detta för att få alla signaler med önskad
styrka och utseende. Tabell 5 nedan visar resultatet för alla normerade mätningar och hur dessa
förändrades när de undersöktes tillsammans. Duty+ och Duty- kommer från det engelska ordet
dutycycle, som betyder pulskvot.
I figur 31 nedan visas de fyra olika ljusvågorna när de skickas samtidigt med en enhetlig
frekvens på 9,6 kHz. Då frekvensen varierades för att kontrollera hur ljusen stördes varandra
upptäcktes ingen märkbar skillnad.
Figur 31 - Alla våglängder samtidigt
Beläggningen utvecklades nu till ett ordentligt skal. Aluminium visade sig ha en bättre förmåga
att leverera en stark och fin signal än den mattsvarta ytan.
40
Tabell 5 - All mätdata från koncept B
Ljus
Peak-Peak
[mV]
RMS
[mV]
Duty+
[%]
Duty[%]
474
680
366
221
240
278
220
91
46.59
44.50
45.16
36.67
53.41
55.50
54.84
63.34
430
-44
640
-40
234
-6
306
+28
46.99
53.01
44.77
55.23
680
+314
209
-12
686
+466
71
-20
49.74
50.26
38.20
61.80
470
-4
1070
+390
1370
+1004
230
+9
177
-63
370
+92
476
+256
69
-22
48.54
51.46
48.43
51.57
48.58
51.42
35.99
64.01
Ensamma
Röd
Grön
Blå
IR
Röd/Grön
samtidigt
Röd
Förändring
Grön
Förändring
Blå/IR samtidigt
Blå
Förändring
IR
Förändring
Alla
Röd
Förändring
Grön
Förändring
Blå
Förändring
IR
Förändring
Slutsatsen utifrån koncept B blir att trots det att alla fyra signaler skickas samtidigt, påverkar
de varandra så pass lite att det kommer kunna kommunicera i samma medium utan att
signalerna förstör för varandra. Då signalerna visar upp fina fyrkantsvågor anses den mattsvarta
kantbeläggningen ta bort så pass mycket ljus att reflektionerna blir irrelevanta. Aluminiumet
som beläggning fungerar bättre med blank yta än om det är sprejat med mattsvart färg.
Resultatet ansågs som tillräckligt bra för att minska tjockleken på PC-plasten och påbörja
koncept C, det färdigt proof of concept.
41
4.3 Koncept C
Genomförandet av koncept C gav mycket goda resultat. Multidrop påvisades fungera, tre av
fyra våglängder kunde arbeta samtidigt i samma medium och kommunikation mellan datorer
kunde upprättas på 1200 Baud.
I Figur 32 nedan visas hur en pulsad signal plockas upp av två mottagare, placerade på olika
ställen på kortet. Observera att även den gröna signalen i figuren i verkligheten är röd, då
oscilloskopet som användes för mätning endast visar en kanal av varje färg. Resultatet i figuren
mäts efter förstärkning i bägge korten och även efter Schmitt triggern. Kanalerna visade en
perfekt pulskvot på 50-50 och en stark signal på 5,2-5,3V.
Figur 32 - Multidrop påvisat med röd och grön kanal
Alla lasrar testades i mediet var för sig. Röd, grön samt blå fungerade med mycket fina resultat.
IR-lasern visade sig ha en spektralbredd som inte matchade med fotodioden, därav är IR
uteslutet ur resultatet. Lösning till problemet med IR diskuteras i kapitel 6. Diskussion.
Röd, grön och blå laser testades sedan samtidigt. Resultatet då de pulsades på samma frekvens
visas i Figur 33 nedan. En pulskvot extremt nära 50-50 med signalstyrka 5,6V.
Figur 33 - Röd, grön och blå laser samtidigt
42
Då frekvensen varierades för att undersöka hur lasrarna påverkade fel mottagare blev resultatet
enligt Figur 34 nedan. Den blå mottagaren visade sig ta upp lite av den gröna laserns ljus.
Signalerna är uppmätta innan Schmitt triggern.
Figur 34 - Grön laser stör blå mottagare
Då mätning med den varierade frekvensen gjordes efter Schmitt triggern återgick vi till det
perfekta resultat som visades innan frekvensen ändrades. Se Figur 35 nedan.
Figur 35 – Schmitt triggern rättar till signalen
43
Kommunikation mellan datorer var fullt möjligt. I ett terminalfönster med förinställd Baud-rate
på 1200 Bd kunde kommunikation upprättas. I Figur 36 nedan visas som exempel hur tecknet
a såg ut på oscilloskopet när det skickades mellan datorerna.
Figur 36 - Tecknet a, korrekt utseende
Vid jämförelse av Figur 36 med Figur 7 i kapitel 2.5 Schmitt trigger och Bit-system är det
tydligt att resultatet är som önskat.
44
5. Slutsatser
I det här kapitlet sammanfattas de slutsatser som gjordes under arbetets gång. Slutsatserna finns
även i kapitel 4. Resultat för att lättare kunna följa konceptutvecklingen. Slutsatserna listas:
Slutsatser koncept A
•
PC-plast är lämpligt som optiskt medium
•
Ljuset sprids på frostade ytor, vilket är negativt för ändamålet
•
En beläggning på glaset förbättrar resultatet avsevärt
Slutsatser koncept B
•
Fyra våglängder kan skickas i samma optiska medium utan interferens
•
Blank beläggning är bättre än mattsvart
•
Kantbeläggning ska lämpligtvis vara mattsvart för att ta bort eko
Slutsatser koncept C
•
Koner är lämpligt för att sprida ljus i PC-plasten
•
Multidrop fungerar
•
Kommunikation mellan datorer är fullt möjligt på 1200 Bd
•
Införande av optik i kretskort kan ersätta elektriska höghastighetslänkar
45
46
6. Diskussion
Koncept B
Storleksförändringarna på framförallt grönt och blått ljus kan vara värda att notera. Detta
kommer från en falsk signal då LED-dioderna påverkas av de små spänningar som ligger över
hela konstruktionen. Tester utfördes istället då en LED-diod åt gången plockades ut, för att se
påverkan på de andras respektive mottagare. Signalerna påverkades inte vid dessa tester,
exempelvis hade den blå signalen en konstant förstärkning. Resultatet utifrån vågornas utseende
var alltså mycket positivt.
Koncept C
Det fanns många idéer kring hur konen för koncept C skulle tillverkas. Första idén var att
tillverka ett verktyg med en inverterad spets, för att sedan i PC-plasten borra ut en kon som
täcks med en ljusreflekterande hinna, exempelvis silverfärg. Detta hade lett till att glasskivan
och konerna skulle varit ett enda stycke, vilket hade underlättat för konens placering gentemot
hålen eftersom ingen preciserad placering av konerna skulle behövas. En stor nackdel är att när
konen ska täckas med silverfärg så är precision av högsta prioritet, detta gör denna process
väldigt svår och troligtvis mycket dyrare.
Ett annat alternativ var att svarva en separat kon i aluminium och polera upp den så att den
reflekterar ljus. Då krävs istället precision när konen placeras i förhållande till hålet, eftersom
det är viktigt att mittpunkten för hålet och konen är samma. Detta alternativ bedömdes vara bäst
eftersom de verktyg och instrument som krävdes för detta fanns på plats. Nästa steg var att
bedöma hur konen skulle fästas.
Ett alternativ för att fästa konen var att göra en platta undertill som limmas fast på undersidan
av glaset. En nackdel med detta alternativ är att det finns utrymme för precisionsfel, samt att
det finns en risk att limmet gör att konen lutas och därmed inte har den önskade vinkeln. Figur
37 nedan ger en förtydligande bild.
Figur 37 - Kon med fästplatta
47
Ett andra alternativ för att fästa konen var att svarva en pigg i botten av konen som pressas fast
i epoxilagret under PC-plasten. Detta alternativ bedömdes ha högre precision eftersom piggen
på konen pressas i ett hål med mittpunkt centrerad mot hålets, visas i Figur 38.
Figur 38 – Vald kon
Alternativ för materialet i mittenlagret diskuterades. Efter undersökning av vilka
materialegenskaper som eftersträvades stod det mellan klart kvartsglas och PC-plast. Fördelen
med glas är att det är temperaturtåligt, vilket innebär att materialet klarar temperaturer på 260
grader vid lödning i en ugn. Med glas hade alltså kortet kunnat lödas med det optiska mediet
närvarande. En stor nackdel är dock att det är sprött, vilket försvårar bearbetning med borr.
Sprödheten gör även att glaset riskerar att gå sönder vid kraftiga vibrationer. PC-plast är mer
duktilt än glas, och är därför lättbearbetat samt riskerar inte att gå sönder av vibrationer. En
nackdel är att PC-plast inte klarar av höga temperaturer, och därför skulle kortet få lödas ihop
innan montering av mittenlagret. Då bearbetbarhet värdesattes högre än temperaturtålighet togs
beslutet att använda PC-plast.
Detta proof of concept har konstruerats så att de nio täckande husen precis får plats på kortet.
Vid produktifiering finns en sannolikhet att skalan ändras. Om storleken på kortet förminskas
kommer detta innebära platsbrist och därmed skulle även de täckande husen få förminskas.
IR visade sig inte fungera vid testet av koncept C. Lasern hade en toppvåglängd på 783 nm och
fotodioden på 940. Skillnaden visade sig vara så stor att mottagaren inte kunde registrera någon
signal alls. En lösning på detta är att införskaffa en laser som har en toppvåglängd mer anpassad
till fotodiodens spektralbredd. Det vill säga åtgärden är väldigt liten för att få koncept C att
fungera fullt ut, men då tiden var knapp för oss får detta ses som framtida arbete.
Då frekvensen varierades noterades att grön laser påverkade blå mottagare. Detta löstes med
Schmitt triggern, men vill detta frångås helt och hållet kan känsligare lasrar och fotodioder
ordnas för alla färger. Det finns mindre risk för att mottagarna kommer ta upp ljus från fel laser.
I Figur 32 och Figur 33 kan det noteras att signalen efter Schmitt triggern är 5,2-5,3 respektive
5,6V. Då Schmitt triggern matas med 5V borde den teoretiskt sett leverera utsignaler på 5V.
Den extra förstärkningen kommer från ett konstant brus som ligger över mätproberna, 2-300mV
för två kanaler och 600mV för tre kanaler.
Då Baud-raten ökas succesivt från 1200 Bd frångås den perfekta pulskvoten. Vid
kommunikation på högre Baud-rate kan fel i kommunikationen inträffa. Detta förklaras med att
mätningarna sker på fel ställe då pulskvoten inte längre är 50-50. Bokstaven ”a” som binärt
skrivs 01100001 kanske istället mäts som 01100110 och således levererar ”f”.
48
Konceptet är inte optimerat utan bara bevisat fungerande. Om Baud-raten ska ökas, som kan
vara önskvärt vid framtagning av en produkt måste mediet undersökas mer noggrant, konernas
placering varieras för att hitta bästa resultat och skalan minskas för att förkorta alla avstånd.
Den teknik som i kanterna av kortet ska döda signalen kan antagligen förbättras, då en stor del
i problemet med ökat Baud-rate kommer från reflektioner inne i kortet.
Övrigt
Vi har antagit att den mätutrustning vi använt är fullt fungerande och ger korrekta resultat. Den
mänskliga faktorn har bortsetts ifrån och testerna har heller inte gjorts med annan utrustning för
att säkerställa resultatet.
49
50
7. Referenser
4PCB, 2017. Advanced Curcuits. [Online]
Available at: http://www.4pcb.com/pcb/
[Använd 01 04 2017].
DISTRELEC, E., 2017. ELFA. [Online]
Available at:
https://www.elfa.se/Web/Downloads/_t/ds/151033RS03000_eng_tds.pdf?mime=application%2F
pdf
[Använd 05 05 2017].
Esys, 2017. Esys. [Online]
Available at: http://www.esys.ir/Page.aspx?i=25
[Använd 11 04 2017].
ICTNet, 2014. ICT Networks. [Online]
Available at: www.ictnet.se
[Använd 04 05 2017].
IT-kom, 2004. IT-kommissionen. [Online]
Available at: www.itkommissionen.se
[Använd 02 04 2017].
Manneberg, G., 2001. Vågrörelselära. 1:a red. Stockholm: KTH.
Megyasi, B., 2014. Debok. [Online]
Available at: http://www.debok.net/vetenskap/2014/09/Vad-ar-elektromagnetisk-interferens.html
[Använd 09 04 2017].
PCBWay, 2017. PCBWay. [Online]
Available at: https://www.pcbway.com/pcb_prototype/
[Använd 11 04 2017].
Phoenix, 2017. Gold Phoenix PCB. [Online]
Available at: http://www.goldphoenixpcb.com/html/Support_Resource/others/arc_110.html
[Använd 07 05 2012].
Poole, I., 2017. Radio Electronics. [Online]
Available at: http://www.radio-electronics.com/info/circuits/emc-emi/electromagneticinterference-basics-tutorial.php
[Använd 13 04 2017].
Rehnström, M., 2017. Ingenjör [Intervju] (02 03 2017).
SAE, 2017. SAEcurcuits. [Online]
Available at: http://www.saecircuits.com/wp-content/uploads/2015/06/ML-Cutout.jpg
[Använd 11 04 2017].
Shaw, K., 2017. P2P Technology. [Online]
Available at: http://www.one-uk.net/one-wireless-solutions/point-to-point-ptptechnology/#about_section
[Använd 05 04 2017].
Undvall, L. & Karlsson, A., 2013. Fysik Spektrum. 4:e red. Stockholm: Liber AB.
51
52
8. Bilagor
Bilaga 1; Datablad för grön och röd LED-diod.
53
Bilaga 2; Datablad för IR och blå LED-diod.
54
Bilaga 3; Datablad för alla fotodioder.
55
Bilaga 4; Kopplingsschema för hela drivelektroniken
56
Bilaga 5; Datablad för alla lasrar
57
