Leidse Makerspace

MainsSensor is een klein printje dat gebruikt kan worden om te monitoren of iets nog “aan staat” , bedoeld om in de MakerSpace bij de deur een reminder te geven als je als laatste weg gaat en b.v. de compressor staat nog aan. (Of een van de andere apparaten die uit moeten, b.v. ook de ruime kilowatt aan verlichting).

Voor wie niet de hele zooi wil lezen, staat onderaan een demonstratiefilmpje.

Het printje bevat een attiny10 en een 433 MHz zendertje. (Vanwege die Attiny10 was ik vorige post dus met een usbasp bezig, de AVR dragon kan geen TPI).

Als het printje voeding krijgt, stuurt het via 433 MHz een bericht met een uniek ID en de status “aan”. Dit bericht wordt af en toe (elke 30 seconden) herhaalt: “ik ben er nog”. (Het HI-bericht).

Als de voeding wegvalt, wordt hetzelfde ID verzonden, met de status “uit”. (Het BYE-bericht). Dit BYE-bericht wordt direct enkele malen herhaald, tot de bufferelco leeg is.

Wat ik leuke aspecten van het mainssensorproject vond:

  • MainsSensor wordt rechtreeks uit het lichtnet gevoed*, via een seriecondensator. Voeding uit 12VDC is ook mogelijk.
  • MainsSensor moet een bericht versturen als de voeding nèt is weggevallen.
  • Het moet compact (Om er nog bij te passen in de bestaande behuizing van eender welk apparaat), dus:
    • de antenne voor de 433 MHz zender zit op de print ge-etst.
    • Spelen met een attiny10 in SOT23-5 (microcontroller, indeed! Dat ding is klein.)

Het schema en de software staan op github.

C1 is de seriecondensator, 47nF / 630VDC X7R in 1210 behuizing. Deze begrenst de stroom op ongeveer 3,2 mA. (Dergelijke ceramische SMD condensators in andere waarden worden ook toegepast als seriecondensator in ledlampen, lekker compact.) (In deze discussie op circuitsonline.net wordt over een dergelijke schakeling gefilosofeerd). R8 van 1k beperkt de inschakelstroom (en eventuele kortsluitstroom mocht C1 falen), en omdat dit een flameproof / fusible weerstand is fungeert deze ook als zekering.

Met die 3 mA wordt de bufferelco C2 geladen, waaruit de 433 MHz module wordt gevoed. Met een 12V zenerdiode D3  wordt de spanning begrenst op 12V. (De stroom verdeeld zich in de laadstroom voor de bufferelco, het gebruik van de schakeling, en de zenerdiode. Als de schakeling de 3 mA niet opmaakt, zal de bufferelco opladen tot de 12V bereikt is, daarboven gaat de zenerdiode geleiden). Via R6 en 5V zener D4 wordt 5V gemaakt voor de microcontroller.

Vòòr C2 zit D2, zodat vòòr D2 gemeten kan worden of de voeding wegvalt, zonder dat de bufferelco eerst leeg moet zijn om hier geen spanning meer te meten. Die buffer is immers nog nodig om de schakeling te voeden om een “uit”  bericht te sturen. C4 vlakt de te meten spanning af, R7 is hiervoor de belasting zodat C4 ontladen wordt als de voeding wegvalt. R3/R4 zijn een spanningsdeler.

C3 is 10 uF ceramisch, dicht bij de microcontroller als ontkoppeling, en tevens als buffer na R6. (Anders zou er een elcotje na R6 over D4 gestaan hebben, en 100nF ceramisch naast de micro – 10u ceramisch is compacter).

Voor het berekenen van de bufferelco is een schatting gemaakt: er is van uitgegaan dat het versturen van een bericht 1/40 s  duurt en 30 mA gebruikt. De bufferelco mag daarbij maximaal iets van 3 V dalen en moet dus minimaal I*dt/dV = 334  uF zijn. Om meerdere berichten te kunnen versturen en de tolerantie van een elco op te vangen is er 1000 uF geplaatst. In de praktijk voldoet dit uitstekend, ook al wijkt de daadwerkelijke tijdsduur en het stroomgebruik af van de inschatting, het goodbye-bericht kan ruim 2 seconden lang herhaalt verstuurd worden. (In het stadium van het project dat ik deze schatting maakte, noemde ik het nog MainsSpy en dacht ik nog Hamming(7,4) encoding toe te passen. Zie whiteboardfoto. Maar omdat het doel juist geen big-brother-robotnanny-spionage is maar een hulpje om dingen uit te zetten, heb ik het hernoemd naar MainsSensor. En forward error correction is hier niet nodig, dus geen Hamming(7,4). )

whiteboard-geklad uit een vroeg projectstadium, o.a. buffer elco inschatting
Buffer inschatting en andere projectnotities, uit een vroeg stadium van het project.

Dan de PCB antenne. Hiervoor heb ik me gebaseerd op een appnote van Murata (AN0036). Ik heb 2 PCB ontwerpen gemaakt, bij de eerste poging (rode printjes, V1.0) was de antenne veel te lang. Dat liet zich goed meten met de VNA (VNAart :)). Van de rode printjes met te lange antenne kan deze worden ingekort door het printspoor door te krassen, waarna opnieuw met de VNA gemeten kan worden wat de antenne-eigenschappen geworden zijn. De antenne van de gele printjes (v1.1) is ook iets te lang, maar minder dramatisch.

De meetresultaten variëren van exemplaar tot exemplaar, waarbij ook de veranderende eigenschappen van de veranderende meetopstelling meespelen, maar rekening houdend met dat voorbehoud: de antenne van de rode printjes resoneert op ongeveer 334 MHz, de SWR is daar ongeveer 3,9:1. Op 433 MHz is de SWR ongeveer 13:1. (meting 190609 153659). Met het inkorten van de PCB antenne op het rode printje wordt deze veel gevoeliger voor andere objecten in de buurt, maar kan deze bijvoorbeeld (meting 190609 155321) uitkomen op een resonantiefrequentie van 442 MHz met een SWR van 1,8:1 – de SWR op 433 MHz was ongeveer 2:1.

De nieuwe gele V1.1 printjes hebben (meting 190702 190935) een antenne met een resonantiefrequentie van 449 MHz, de SWR is daar ongeveer 2,5 :1. Op 434 MHz is de SWR ongeveer 4:1. Dat is dus stukken beter dan de 13:1 van een ongemodificeerd rood printje.

Verder bleek bij het schrijven van de software dat 32 bytes RAM toch wat weinig is. Het ID in ram werdt overschreven in de interrupt routine (ISR). Daardoor werdt ook dit aspect van het project interessanter dan voorheen gedacht.

Oorspronkelijk stond het ID hardcoded en was vrijwel alles al bekend bij compile time. Omdat de attiny10 zuinig moet zijn, loopt deze op een trage (128 kHz) klok. Tijdens het verzenden van een bericht beslissingen maken zou de timing verstoren, dus het te versturen bericht werdt tevoren in ram klaargezet. Er worden HI-berichten verstuurd zolang de sensor (en het apparaat) aan staat, en BYE-berichten als het apparaat (en de sensor) wordt uitgezet.

Later is een crc toegevoegd, waardoor er wat meer ram gebruikt wordt, hetgeen ertoe leidde dat de stack het ram in groeide bij de context switch bij de (pin change) interrupt die gebruikt wordt om te meten of de voeding is weggevallen, met dus als gevolg het overschrijven van de variabele met het uit-te-zenden bericht.

Omdat het niet erg is als de microcontroller reset en opnieuw begint bij het terugkomen van de spanning, heb ik ervoor gekozen de ISR zonder context save / restore uit te voeren (“naked” ISR). Om de microcontroller gegarandeerd te resetten, ook als de voeding terugkomt voordat de bufferelco leeg is, wordt bij het ingaan van de ISR de watchdog timer (WDT) op 2 seconden ingesteld. Zodoende wordt de microcontroller 2 seconden later gereset. Er is dus geen context restore en return from interrupt. Dit scheelt 13 bytes ram (van de 32).

De software aan de ontvangstkant is onder te verdelen in een aantal lagen:

  • De ontvangstlaag (datalinklaag)
  • De verwerkingslaag (Applicatielaag)
  • De presentatielaag

De ontvangslaag verwerkt de ontvangen bits tot berichten, die doorgegeven worden aan de verwerkingslaag. De verwerkingslaag slaat de ID’ s en de status van de ontvangen sensoren op. De presentatielaag haalt hier de naam van het apparaat bij en toont deze informatie.

De ontvangstlaag is een state-machine rond een timer-interrupt die de ingang polled om de startconditie van een bericht te detecteren. Eenmaal een startconditie gevonden, wordt een pin-change interrupt gebruikt om de rest van het bericht binnen te halen.

De verwerkingslaag slaat het ID op, en houdt bij welke apparaten nog aan staan d.m.v. een timestamp en de BYE-berichten. Als een apparaat zich niet afmeld met een BYE-bericht wordt het als “uit” beschouwd als er  enige tijd (anderhalve minuut) geen HI-berichten meer ontvangen zijn.

De presentatielaag geeft de informatie over wat er nog aan staat weer via een seriële verbinding en op een LCD. Op het LCD worden ook de ingestelde namen van apparaten getoond. De naam/ID koppeling wordt opgeslagen in het EEPROM van de atmega328.

De code van zowel de zenderkant als de ontvangstkant is ruimschoots voorzien van commentaar, dus bij verdere interesse in de werking: kijk op github.

Voor wie geïnteresseerd is in de berichtstructuur, is deze op de MakerSpace Wiki  gedocumenteerd. Ook alle andere documentatie staat daar.

Mocht het hierboven ingesloten filmpje niet laden is hier de link naar youtube.
En voor wie verder nog vragen of opmerkingen heeft, is onder deze blogpost een reactiemogelijkheid 🙂

*) De bijna verplichte waarschuwing: Let er dus op, mocht je dit nabouwen, dat de hele schakeling met het lichtnet verbonden is. De 5 VDC voor de microcontroller is dus, ten opzichte van aarde, nog steeds 230 VAC. Er is geen isolatie, en als je de “5V” zou aanraken, raak je 230 V aan. Niet doen dus. (Ditzelfde geldt voor de 12V).

Because there is no big news yet, some short updates.

– Claude Schwarz pointed me to the Yahoo user group “Lecroy Owners group”, they have design files for a HHZ406 replacement. (Made by Dieter Frieauff). So maybe the ext. trigger input can be repaired as well.

– A service manual for this ‘scope (And others) can be found there as well, or alternatively here: http://www.ko4bb.com/manuals/index.php?dir=LeCroy (Or on elektrotanya.com – but that site is full of ads)

– NoTMS was caused by a missing “Vct”, I accidentally scratched trough this trace while placing the bottom cover. Took quite some time to find, then just a little wire to fix.

9450_scratchedVCT 9450_scratchedVCTFixed

– Thanks to Claude Schwarz (Again), I now have a third ADC card. So I now have spareparts, and if I get one of the 2 broken cards working again, a working 2ch 350Mhz / 400Ms/s (10Gs/s)  DSO. (Or rather: the Leidse Makerspace then has a 2ch 350Mhz DSO). The 3 ADC cards will hereafter be named “9450_3A Claude”, “9450_3A LMS-Broken” and “9450_3A LMS-Working”. (order shown in the picture, ltr: broken, Claude, working )

9450_3A ADCs

– I measured the power supplies on “9450_3A LMS-broken”. All are present. (-5V, -12V, 5V and +12V). Next up: reference voltages and tracing the signal path.

– Some more pictures:

lecroy_patchedOn some of the ADC boards, a 5V regulator is placed where others have just a cap.

lecroy_patched_2

This is another original patch (-5V regulator), both on “9450_3A LMS broken”. This board has no LeCroy repair stickers (shown below), but those patches were there when I got the ‘scope so I assume they are original.

Bot these 2 regulators and the -12V and 12V ones have the correct output voltages.

lecroy_repair

Lecroy Repair stickers on the timebase board. (This board is working fine) There are more of those stickers in the scope on other boards.

9450_errorlog

And the last one for today: The calibration error log. Chan2 has “9450_3A Claude” in this picture, but “9450_3A LMS broken” gives similar results. If I exchange the cards between the channels, ch1 gets the errors and ch2 is error-free. (The error-free channel has “9450_3A LMS working” in both cases).

‘ll keep you posted!

EDIT 2-7-2014:
“Next up: reference voltages and tracing the signal path.”

Measured on HMS403, seems to be OK. Also none of the ADC’s have stuck bits (did not log what bit connected to what line of the LA, but with no input all are 0, as long as there is no selftest / calibration running.)

Please note if you connect a logic analyser to these circuits they are negative logic (“1” is – 5V, “0” = 0V). As the 0V is connected to chassis ground, and your LA’s ground might also be (through the powersuply’s both connected to earth ground), use caution!

The scope does not do a memory test on boot up. I carefully removed one of the RAM IC’s to test this, and the scope does still show “ADC/TMS state working”.

So there might be something wrong with the memory. Fortunately this is normal TTL logic again.

EDIT 8-Aug-2014:
On slower sample rates this scope only uses 1 of its 4 ADC’s (per channel). On slower sample rates, the problem stays, 1 out of 4 points on the display (Maybe 1 out of 4 samples?) is out of line. So it’s not 1 of the 4 adc’s that’s broken (because it only uses one at that sample rate), but something in the memory or further in the data pad. The memory is also divided in 4 parts/banks, so it could just be… But for now I’m going to work on other projects for a while.

Please comment if you have any questions or suggestions!

This was supposed to be an easy repair, and therefore not worth blogging about. But as it turns out, it might get interesting after all. (The ‘scope is not repaired yet)

The “Leidse Makerspace” owns a LeCroy 9450 350Mhz DSO. When they moved to their new location I temporarily got this oscilloscope. Not just for use or storage, but also to attempt to repair it. One of its channels was not working, sometimes it even wouldn’t display anything.

The display problem quickly turned out to be a loose connector. With this connector loose it would display nothing it al, or if it did work, it would sometimes glitch out like this:

IMG_6035_lecroy9450tobefixed

While at other times it would display normally:

IMG_6034_lecroy9450tobefixed

Probably just some transport damage, as after refitting this connector the problem has not been back. Now, on to the more interesting problem: channel 1 did not work: it did not respond to an input signal and it had a huge offset. After using the vertical position adjustment knob to bring it into view it would sometimes even oscillate on it’s own, showing needle-like pulses. The ‘scope also wouldn’t trigger on channel 1. Channel 2 functions fine, so it is still a usable 350Mhz DSO. However, 2 channels would be a lot nicer, and fault-finding is one of my hobbies. So… Time to remove the covers.

The easy-est way to measure in the analogue front-end of this oscilloscope is to turn it upside down, remove the bottom cover, remove the 12 screws holding the shielding, and remove the shielding.

IMG_6067_lecroy9450frontend

After this, an input signal can be followed, measuring before and after each subcircuit.
(I don’t have a picture of this, but I do have a picture of the 9450_7 front end, removed from the ‘scope, and from my annotated copy of the schematic)

IMG_6072_lecroy9450_7

IMG_6080_lecroy9450schematic

Close- up of the area of the board I’m looking at:

lecroy9450_7_detail

Somewhere here, the signal got lost. As you can see there is another module inserted through the pcb, this is the HHZ406. It turned out the signal entered this module (an amplifier), but nothing sensible got out.  IMG_6076_lecroy9450_HHZ406view from the other side of the board, also showing the relays. (Those metal cans)

IMG_6075_lecroy9450_HHZ406

This module does not look like it can be repaired, nothing is obviously visibly broken, and those “black blobs” don’t look promising either, because these usually cover (custom) semiconductors directly bonded to the PCB.

It also looks like it cannot be bought anywhere. Too specific, too custom… (If you know where to get these, or work for LeCroy and have spares, or if you would like to reverse-engineer them, let me know.)

But this story does not end here. This scope has 3 HHZ406 modules. One for each channel, and one for external trigger.

So I swapped the modules for external trigger and channel 1. After this, the signal got to the output of the 9450_7 board. When using the same V/Div settings on ch1 and 2, and feeding them the same input signal, the signals here would be identical.

The story does not end here either, however. Channel 1 still does not work. It does respond to an input signal and the ‘scope does trigger on this channel now, but the signal is not displayed properly. It has needle-like pulses on it. These pulses move when changing V/Div settings on the ‘scope or input signal amplitude from the signal generator. (Video: http://www.youtube.com/watch?v=wFei5CZ6lqA)

There is another defect lurking somewhere in the 9450_3a ADC boards, because when I swap them, the problem moves to the other channel (Ch2). Measuring on these boards is harder because they are not easy to get to while the ‘scope is operating, unlike the analogue front-end (9450_7).

IMG_6036_lecroy9450_3a_adccardsTo be continued (?).