Die hier beschriebene Baugruppe PL04 ist eine Weiterentwicklung der PL03 mit erweiterter Funktionalität und deutlich höherer Verarbeitungsgeschwindigkeit. Sie deckt einen weiten Anwendungsbereich ab (messen-steuern-regeln). Für alle Teile der Schaltung sind effiziente Treiberroutinen vorhanden, die die Entwicklungszeit bei neuen Applikationen deutlich verkürzen und überschaubar halten.
analoge Meßeingänge 12bit: (Steckerbelegung)
Es stehen ein Eingang für eine 350 Ohm Differenz-Meßbrücke (DMS oder auch unipolares Signal) und zwei Eingänge für 4-20mA Sensoren zur Verfügung. Die Auflösung beträgt 12bit bei ca. 22µs Wandlungszeit (ADS7822). Die Auflösung kann auf 16bit erhöht werden (ADS8325).
Für den direkten Anschluß von 350 Ohm Meßbrücken werden +5V und -5V zur Versorgung ausgegeben, wobei die -5V so geregelt werden, daß der -Signaleingang virtuell auf 0V (AGND) liegt. Die +5V entsprechen Vref des AD-Wandlers. Das Meßsignal wird am +Signaleingang erwartet und bezogen auf AGND 33-fach/330-fach verstärkt. Die Verstärkung ist per Software umschaltbar. Vor der AD-Wandlung wird das Signal um 10% abgeschwächt und ein positiver Offset von 10% überlagert. Der Differenzeingang kann daher negative Signale bis ca. 10% f.s. verarbeiten. Dies dient der internen Nullpunkteinstellung, die neben der Skalierung im EEPROM gespeichert wird. Die Auflösung des 12bit AD-Wandlers reicht aus, um Meßbrücken mit 0,1% Genauigkeit elektronisch abzugleichen. Die Differenzeingänge werden mit je einem OpAmp OP07 (+/-10nA, 50MOhm) belastet. Höhere Eingangsspannungen benötigen einen externen Abschwächer.
Zwei Sensoren mit 4-20mA Ausgang werden mit je +16V (kurzschlußfest 25mA, per Software schaltbar) versorgt und mit 220 Ohm Shunt-Widerständen in Reihe abgeschlossen. Das resultierende Meßsignal (0,88V - 4,4V) wird nach einem Überspannungsschutz direkt vom AD-Wandler ausgewertet. Nullpunkt und Skalierung werden vorteilhafterweise im EEPROM gespeichert.
Werden keine Sensoren mit 4-20mA verwendet, können die beiden Eingänge nach Entfernen der Shunt-Widerstände als hochohmige Eingänge im Bereich AGND - Vref (+5) beliebig genutzt werden (ratiometrisch, sin/cos-Auswertung von Winkelkodieren). zum Seitenanfang
sin/cos-Eingang für analoge Inkrementalgeber (Steckerbelegung)
Vorzugsweise werden die 90° phasenverschobenen Ausgangssignale von optischen Meßtastern (+/- 10µA z.B. Heidenhain MT12, MT25) nebst Referenzimpuls aufbereitet und verarbeitet. Zur Versorgung des Gebers stehen +5V zur Verfügung. Die Signalauswertung wird per Software zwischen 4-fach und 20-fach umgeschaltet. Die genannten Meßtaster liefern Auflösungen von 2,5µm bzw 0,5µm. Die Auswertung des Referenzimpulses wird ebenfalls per Programm ein- oder ausgeschaltet. Der interne Zähler hat 16 bit; die Grenzfrequenz beträgt 50kHz. Bei Inkrementalgebern mit Spannungsausgang sind externe Abschwächer vorzusehen (Serienwiderstand 100kOhm/Volt). zum Seitenanfang
sin/cos-Eingang für digitale Inkrementalgeber (Steckerbelegung)
Zwei digitale Signaleingänge mit Schaltpunkten bei ca. +1,3V (mit Hysterese) liefern die Signale für einen Inkrementaldekoder, die einen 16bit-Zähler richtungsabhängig inkrementieren bzw. dekrementieren (Timer 5). Durch Kaskadierung mit einem weiteren internern Zähler (Timer4) wird ein 32bit Zähler gebildet. Die Eingangsfrequenz kann einige 100kHz betragen. Der Eingang eignet sich für manuell oder motorisch verstellbare Weggeber bis zu einigen Metern Länge bei bis zu 1µm Auflösung. Zur Versorgung des Gebers stehen -8V sowie +5V zur Verfügung, der per Software auf +12V erhöht werden kann. zum Seitenanfang
digitale Schalteingänge (Steckerbelegung)
Zur freien Verwendung stehen vier digitale Schalteingänge bereit; diese können bei positiven und negativen Signalflanken Prozessorinterrupts hoher Priorität auslösen. Die zusätzliche Versorgungsspannung von +5V (per Software +12V) kann für externe Signalaufbereitung (Sensoren) verwendet werden.
Alle digitalen Eingänge der PL04 sind mit RS232-Leitungsempfängern 1489 aufgebaut. Daraus resultieren die technischen Daten: 3-7kOhm Eingangswiderstand, +/-30V Eingangssignalbereich, Schaltschwelle bei ca. 1,3V mit ca. 0,3V Hysterese. Alle Eingänge sind mit einem 10k-Pullup-Widerstand nach +12V beschaltet; externe Signalgeber (Schalter/Taster gegen 0V) lassen sich somit direkt anschießen. zum Seitenanfang
analoge Eingänge 0-5V / 10bit (Steckerbelegung)
Zwei analoge Eingänge werden vom prozesserinternen AD-Wandler mit 10bit Auflösung ausgewertet: Wandlungszeit < 10µs. Diese Eingänge verfügen über je 3k3-Pullup-Widerstände nach +5V. NTC-Widerstände oder andere Temperaturfühler (z.B. LM335) lassen sich direkt anschließen. Die Verwendung ist beliebig: Potentiometer, Fußtaster, Schlüsselschalter, Mehrfachschalter über unterschiedliche Widerstände. zum Seitenanfang
Leistungsbrücke für DC-Motor 12V / 3A (Steckerbelegung)
Ein Motortreiber IC STM L6203 steuert maximal zwei DC-Motore ohne Richtungsumkehr (externes Relais kann jedoch Drehrichtung steuern) oder einen einzelnen Motor vorwärts-rückwärts an. Neben der Ein-Aus-Funktion lassen beide Ausgänge über separate Pulsweitenmodulation eine Drehzahlsteuerung zu. Der Motorstrom ist vom Prozessor überwachbar (interner AD-Wandler 10bit). Der Spitzenstrom des L6203 beträgt 5A; der Dauerstrom von hier 3A ist durch die Eingangsschutzdiode der PL04 vorgegeben. Anlauf und Bremsen der Motore wird vorzugsweise durch PWM-Steuerung und Rampen per Software gesteuert, um die Stromversorgung nicht zu überlasten (Strombegrenzung). Typische PWM-Frequenz 20kHz bei 10bit Auflösung. zum Seitenanfang
digitale Schalteingänge mit +/- Flankenauswertung (Motorposition) (Steckerbelegung)
Zwei digitale Signaleingänge mit Schaltpunkten bei ca. +1,3V (mit Hysterese) erzeugen bei positiven und negativen Flanken Prozessorinterrupts, die per Software einen 32bit Zähler richtungsabhängig inkrementieren bzw. dekrementieren. Die Eingangsfrequenz kann einige kHz betragen. Der Eingang eignet sich für einen auf der Motorwelle angebrachten Inkrementalgeber oder für Endschalter des Motorantriebs. Zur Versorgung des Gebers stehen +5V zur Verfügung. zum Seitenanfang
Schrittmotorausgang 2 x 0,5A (Steckerbelegung)
Dieser Ausgang treibt einen 2-phasigen bipolaren Schrittmotor kleiner Leistung (typ. 5,6V / 0,64A pro Strang). Der Konstantstrom-Ausgang kann max. 0,7A liefern; die eingestellten 0,5A / Strang werden nur bei geringen Schrittzahlen (500/s) erreicht. Wegen des induktiven Verhaltens von Schrittmotoren sinkt der Strom bei höheren Schrittraten (einige kHz) weiter ab. Der Ruhestrom kann per Software auf 1/3 des nominalen Wertes gesenkt werden. zum Seitenanfang
8-fach Schaltausgang 0,5A (Steckerbelegung)
Zur Ansteuerung von Relais/Ventilen/Signalanzeigen stehen acht Ausgänge mit offenem Kollektor und Freilaufdiode (gegen +12V) zur Verfügung (low-side Treiber). Beim verwendeten 8-fach Treiber-IC 2803 können Ausgänge auch parallel geschaltet werden. Der Gesamtstrom aller Ausgänge beträgt max.1,5A; er ist vom Prozessor überwachbar (interner AD-Wandler 10bit). zum Seitenanfang
Multiprozessor-Schnittstelle 62,5kBd (Steckerbelegung)
Zur Erweiterung der PL04 mit externen Modulen (Tastatur-Display, weitere PL04) wird die 2. ser. Schnittstelle des Prozessors an einer separaten Steckerleiste herausgeführt. Neben den Signalen TxD (Treiber mit off. Kollektor+Pulldown) und RxD sind +5V, +12V, ein Schaltsignal zum Ein-/Ausschalten der Stromversorgung sowie ein Eingang für ext. Interrupt beschaltet. Diese Schnittstelle kann als weitere RS232 verwendet werden, eignet sich aber bevorzugt zur schellen und einfachen Anbindung von weiteren Modulen mit 62,5kBd. Das Übertragungsformat ist kompatibel zum 8051-Multiprozessorformat. zum Seitenanfang
ser. PC-Schnittstelle (mod. RS232) mit off. Kollektor+Pulldown (Steckerbelegung)
Dies ist die Standard-Schnittstelle zum Anschluß eines externen Rechners (PC) und zum Download von Programmen ins Flash-EPROM. Eingangsseitig sind die Signale RxD und DSR (hardware handshake) vorhanden. TxD ist als Ausgang mit offenem Kollektor und Pulldown-Widerstand ausgeführt. Hierdurch lassen sich bis zu fünf PL04 an einem PC betreiben: Datenabfrage nach Adressierung vom PC. Die Signalleitungen RxD, TxD und DSR sind über T-Filter geführt und durch bipolare Dioden ESD-geschützt. Die max. Datenrate beträgt 38,4kBd. zum Seitenanfang
interner Erweiterungsstecker für I/O-Zusatzmodule (Steckerbelegung)
Über 8 Daten- und 10 Adressleitungen sowie /RD, /WR, /CS, /RESET und /INT Signale lassen sich interne I/O-Erweiterungen an den Prozessor koppeln; z.B. USB- oder Ethernet-Controller.
Die verwendete H8S/2352-CPU wird mit 20MHz betrieben. Der Flash-Speicher wird über 8 Datenbits angesprochen, das RAM mit 16bit Datenbreite. Intern sind 8kB RAM vorhanden, die bevorzugt dem Stack und schnellen Interruptroutinen zugewiesen werden. Dadurch erhöht sich die Ausführungsgeschwindigkeit gegenüber dem Flash-EPROM um ca. Faktor 3. Neben der hohen Rechenleistung (32bit-Operationen) verfügt der Controller über viele I/O-Module hoher Funktionalität. Weitere Informationen zur CPU finden sich bei der Beschreibung der Rechnerkarte CHIP_2352 sowie beim Prozessorhersteller.
Bei Verfügbarkeit kann auch die pinkompatible CPU H8S/2394 eingesetzt werden. Diese hat 32kB internes RAM, welches in einem Takt (50ns) mit 16bit angesprochen wird. Hiermit lassen sich auch umfangreichere Routinen sehr schnell im internern Speicher ausführen. Einschränkung: ein Watchdog-Reset für den internen Erweiterungsport kann bei H8S/2394 nicht generiert werden, nur der Power-On Reset.zum Seitenanfang
Die Baugruppe PL04 verfügt über 128/512kB Flash-EPROM, welches im System über die RS232-Schnittstelle programmiert werden kann. Der Zugriff vom Prozessor erfolgt im 8bit-Modus ohne waitstates (100ns/Zugriff). Weitere Informationen zur Programmierung des Flash-EPROM finden sich bei der Beschreibung der Rechnerkarte CHIP_2352. zum Seitenanfang
Standardmäßig sind 512kB RAM auf der PL04 vorgesehen. Das RAM ist batteriegepuffert. Es wird von der CPU im 16bit-Modus ohne waitstates angesprochen (100ns/Zugriff). zum Seitenanfang
batteriegepufferte Uhr mit 240Byte RAM (IIC-BUS)
Über einen IIC-Bus wird der Baustein PCF8583 an der Adresse 0xA0 angesprochen. Neben Datum und Uhrzeit können hier noch 240Byte RAM benutzt werden. zum Seitenanfang
Typisch 512Byte EEPROM werden an der Adresse 0xA8 über einen IIC-Bus angesprochen. Bei Verwendung anderer EEPROMs können auch mehrere kB gespeichert werden. Im EEPROM werden in der Regel die Abgleichdaten Nullpunkt und Skalierung der AD-Eingänge sowie gerätespezifische Konstanten gespeichert. zum Seitenanfang
12V-Stromversorgung (Steckerbelegung)
Die gesamte Baugruppe PL04 wird aus einer einzigen Stromquelle 12V/DC gespeist: externes (Schalt-)Netzteil oder Akku. Das Ein- und Ausschalten erfolgt leistungsfrei über einen Taster. Neben dem Anschluß für den Ein-/Austaster liefert die betreffende Stiftleiste noch eine strombegrenzte Hilfsspannung für eine LED ('EIN') und je einen geschalteten 5V- bzw. 12V-Ausgang (z.B. Erweiterungsmodul, Lüfter).
Alle benötigten Spannungen werden intern aus den +12V erzeugt: +5V, +8V, +18V, -8V und geschaltete +12V für Leistungsausgänge (Motore, Relais, Ventile). Die Spannungen +8V, +12V, +18V und -8V können vom Mikroprozessor über seinen AD-Wandler überwacht werden. Eine Schottkydiode 3A sorgt für einen Verpolungsschutz am Eingang und setzt den Grenzwert für die max. Dauerstromaufnahme.
Bei Verwendung eines Netzteils, sollte dies der Applikation angepaßt und kurzschlußfest sein. Andernfalls (z.B. bei Betrieb an einem Akku), ist die Schaltung mit einer entsprechenden Sicherung abzusichern: typisch 4A flink.
Bei Unterbrechnung der Versorgungsspannung für mehrere 10ms (lastabhängig), sorgt ein Unterspannungsdetektor (Schwelle bei ca. 10V) für ein Abschalten der internen Stromversorgung und verhindert ein Einschalten beim erneuten Anlegen der Versorgungsspannung. Neben dem manuellen Taster kann auch der Prozessor die interne Stromversorgung programmgesteuert abschalten (z.B. Gerät zu lange unbenutzt). Das Ein-/Ausschalten der PL04 wird von einem ATtiny-Controller übernommen, der entsprechend umprogrammiert auch andere Ein-Aus-Sequenzen ermöglich, wie beispielsweise das sofortige Einschalten bei angelegter Versorgungsspannung oder Sperrzeiten zum Einschalten nach Unterbrechung der Versorgungsspannung.
Bei anliegender Versorgungsspannung werden RAM und Uhr auch bei abgeschaltetem Gerät mit ca. 5V versorgt; andernfalls wird die Pufferung durch eine CR2032 Lithiumbatterie übernommen, die unter normalen Einsatzbedingungen mehr als fünf Jahre durchhält.
Im ausgeschalteten Zustand beträgt die Gesamtstromaufnahme unter 0,2mA bei 12V.zum Seitenanfang
Alle Bauteile finden auf einer 4-lagigen Leiterplatte 201x112mm² Platz, die mit vier Schrauben M3 an den Eckpunkten im Gerät befestigt werden kann. Die minimale Bauhöhe beträgt 30mm auf der Bestückungs- und 5mm auf der Lötseite. Bis auf den Steckverbinder vom Erweiterungsport sind alle anderen Anschlüsse an zwei Außenrändern der Leiterplatte angeordnet. Die Stromversorgung wird über eine Schraubklemme geführt. zum Seitenanfang
Steckerbelegung: Die Steckerleisten sind so beschaltet, daß sich ein möglichst einfacher externer Anschluß ergibt: zusammengehörige Pins liegen beieinander. Bei der ser. PC-Schnittstelle ergibt sich eine sinnvolle Belegung, indem diese über ein Flachbandkabel mit einem 9-pol. Sub-D-Stecker (male) verbunden wird.
interner Erweiterungsport: 26-pol. Steckerwanne
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Pin Nr.
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1
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Vcc +5V |
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2
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Vbatt ca. +3V |
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3
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A9 |
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4
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A8 |
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5
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A7 |
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6
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A6 |
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7
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A5 |
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8
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A4 |
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9
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A3 |
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10
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A2 |
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11
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A1 |
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12
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A0 |
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13
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/INT |
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14
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/CS |
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15
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/WR |
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16
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/RD |
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17
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D7 |
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18
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D6 |
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19
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D5 |
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20
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D4 |
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21
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D3 |
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22
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D2 |
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23
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D1 |
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24
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D0 |
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25
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/RESET (power-on und watchdog) |
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26
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GND, 0V |
analoge Meßeingänge: 10-pol. Steckerwanne
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Pin Nr.
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1
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-5V Versorgung f. Meßaufnehmer |
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2
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-Eingang (Referenzeing. f. -5V Versorgung) |
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3
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AGND (0V analog) |
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4
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+Eingang (10mV/100mV) |
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5
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+5V Versorgung f. Meßaufnehmer (Vref) |
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6
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4mA-20mA Eingang2, (0V-Vref ohne Shunt) |
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7
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+Versorgung f. Eingang2 |
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8
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4mA-20mA Eingang1, (0V-Vref ohne Shunt) |
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9
|
+Versorgung f. Eingang1 |
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10
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GND (Schirmung) |
analoger Inkrementalgeber (Heidenhain MT12): 10-pol. Steckerwanne
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Pin Nr.
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|
1
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Phase A, Stromeingang |
|
2
|
GND |
|
3
|
+5V-Ausgang f. Meßtaster |
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4
|
GND |
|
5
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Phase B, Stromeingang |
|
6
|
GND |
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7
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Index, Stromeingang |
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8
|
GND |
|
9
|
GND |
|
10
|
GND |
Die Pinbelegung erlaubt eine einfache Verdrahtung einer HDH-Buchse: 1->1 bis 8->8; Pin 9+10 verdrillt an Schirm (Mitte).
digitaler Inkrementalgeber: 5-pol. Stiftleiste
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Pin Nr.
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1
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GND, 0V |
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2
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-8V (max. 10mA) |
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3
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Phase A, 0V/5V |
|
4
|
Phase B, 0V/5V |
|
5
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+5V/+12V f. Weggeber |
Die Pinbelegung erlaubt eine einfache Verdrahtung einer 7-pol. DIN-Buchse (z.B. RSF-Weggeber).
4xdigitale Schalteingänge: 10-pol. Steckerwanne
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Pin Nr.
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1
|
Eingang 1, (IRQ0 +/- Flanken) |
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2
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GND, 0V |
|
3
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Eingang 2, (IRQ1 +/- Flanken) |
|
4
|
GND, 0V |
|
5
|
Eingang 3, (IRQ2 +/- Flanken) |
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6
|
GND, 0V |
|
7
|
Eingang 4, (IRQ3 +/- Flanken) |
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8
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GND, 0V |
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9
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+5V/+12V f. ext. Sensoren |
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10
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frei |
ser. PC-Schnittstelle (RS232 mod.): 10-pol. Steckerwanne
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Pin Nr.
|
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1
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frei |
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2
|
DSR, Handshake-Eingang |
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3
|
RxD, ser. Dateneingang |
|
4
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verbunden mit Pin6 |
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5
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TxD, ser. Datenausgang |
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6
|
verbunden mit Pin4 |
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7
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frei |
|
8
|
frei |
|
9
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GND, 0V |
|
10
|
GND, 0V |
Die Pinbelegung erlaubt eine einfache Verdrahtung eines 9-pol. SubD-Steckers (Quetschverb.).
ser. Multiprozessor-Schnittstelle (62,5kBd): 10-pol. Steckerwanne
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Pin Nr.
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1
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+5V-Ausgang |
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2
|
+5V-Ausgang |
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3
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RxD-Multiprozessor-Eingang |
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4
|
Ein-Aus-Eingang f. Taster |
|
5
|
TxD-Multiprozessor-Ausgang |
|
6
|
+12V-Ausgang |
|
7
|
/int-Multiprozessor-Eingang |
|
8
|
GND, 0V |
|
9
|
GND, 0V |
|
10
|
GND, 0V |
8x0,5A-Ausgang, 2x3A-Motortreiber, 2xIndex-Eingang: 26-pol. Steckerwanne
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Pin Nr.
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1
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Schaltausgang 1 |
|
2
|
+12V-Ausgang |
|
3
|
Schaltausgang 2 |
|
4
|
+12V-Ausgang |
|
5
|
Schaltausgang 3 |
|
6
|
+12V-Ausgang |
|
7
|
Schaltausgang 4 |
|
8
|
+12V-Ausgang |
|
9
|
Schaltausgang 5 |
|
10
|
+12V-Ausgang |
|
11
|
Schaltausgang 6 |
|
12
|
+12V-Ausgang |
|
13
|
Schaltausgang 7 |
|
14
|
+12V-Ausgang |
|
15
|
Schaltausgang 8 |
|
16
|
+12V-Ausgang |
|
17
|
Motortreiber A1 |
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18
|
+12V-Ausgang |
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19
|
Motortreiber A2 |
|
20
|
+12V-Ausgang |
|
21
|
+5V-Ausgang |
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22
|
GND, 0V |
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23
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Index-Eingang 1 (IRQ6 +/- Flanken) |
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24
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GND, 0V |
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25
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Index-Eingang 2 (IRQ7 +/- Flanken) |
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26
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GND, 0V |
2x0,5A-Schrittmotorausgang (bipolar): 5-pol. Stiftleiste
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Pin Nr.
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1
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Phase 2B |
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2
|
Phase 2A |
|
3
|
GND, 0V |
|
4
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Phase 1B |
|
5
|
Phase 1A |
2xanaloge Eingänge 10bit: 3-pol. Stiftleiste
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Pin Nr.
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1
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ana.-Eingang 1 (AIN7) |
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2
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GND, 0V |
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3
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ana.-Eingang 2(AIN6) |
Ein-Aus-Taster, LED, 12V-Ausgang: 5-pol. Stiftleiste
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Pin Nr.
|
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|
1
|
GND, 0V |
|
2
|
Ein-Aus-Taster gegen 0V |
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3
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LED-Ausgang (ca. 5mA) |
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4
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VCC, +5V (geschaltet) |
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5
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+12V-Ausgang (geschaltet) |
12V-Stromversorgungs: 2-pol.-Schraubklemme
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Pin Nr.
|
|
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1
|
0V-Versorgungsspannung |
|
2
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+12V-Versorgungsspannung |
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