Digital Kumpas uzerine tersine muhendislik

Bu yazı son halini almamıştır ve sürekli içeriği düzeltilmektedir.

Usilcuz Çin malı kumpaslar fiyatlarına göre çok iyi iş çıkartıyorlar. Nasıl çalışıyorlar diye internette bakındım fakat ansiklopedik bilgiden fazlasını göremedim.

Kumpasın üzerinde sayıları barındıran cetvel kısmına ait plastik tabakayı kaldırdım.

Kumpas1

Şekil 1

Plastik şeridin altından yukarıdaki pcb çıktı. Bu kısımın elektronik devre ile direk bağlantısı yok. Fotografta sonradan boyadığım kırmızı renkli T şeklindeki bakır yüzey kendini tekrarlamaktadır ve hiç bir komşusu ile teması yoktur. Mavi renkteki bakır yüzeyler ise birbirine bağlıdır.

Kumpas2

Şekil 2

Üzerinde gösterge ve tuşların bulunduğu hareketli elektronik kartı önlü arkalı fotoğrafladım.  Yukarıdaki fotonun alt parçası üzerinde dikey ince şeritlerin (kapasitör plakalarının) vialarla bir yerlere bağlı olduğunu görünce olayı kavramak adına fotoya renkli çizgileri eklediğimde yapının aşağıdaki gibi olduğunu gördüm.Kumpas3

Şekil 3

8 tane ince elektrod var ve bunlar kendini 8 kez tekrarlıyor. Bu 8 elektrota MCU tarafından sinyaller gönderiliyor. Her biri 8 elektrotdan oluşan 8 ayrı grup olduğunu ve bu grupların paralel bağlandığını gördüm. (Toplam 64 adet ince şerit var.)

Kumpasın sabit kısmında yeralan pcb üzerindeki geniş levhalı plakalarla hareketli aksamındaki 64 çizgi şeklindeki ince plakalar nasıl örtüşüyorlar onu incelemeliyiz. (Karşılıklı duran bu levhaların kapasitör oluşturduğunu biliyoruz.)

Bunu anlayabilmek için sabit ve hareketli plakaları alt alta koyup tepeden fotoğraf çektim. Daha sonra foto programıyla hareketli elektrod takımından bir parca kesip sabit plaka üstüne olabildiğince doğru şekilde yerleştirmeye çalıştım. Ancak bu yöntemin burada kullanılamayacağını çok geç farkettim. Cep telefonunda olduğu gibi minik mercekler nesnelerin kenarlarında çok fazla eğilmeye neden olduğundan yapılan mesafe ölçümleri hatalı sonuçlar vermekte. Boyutların oranlarına büyükçe bir büyüteçle doğrudan nesnelere bakarak karar ettim.

Kumpas4Şekil 4

Sinyalleri enjekte eden elektrodların genişliği 1 birim.
Enjekte edilen sinyalleri toplayan elektrodların genişlikleri 4 birim.
Tüm sinyalleri toplayan elektrodun genişliği ise 56 birim.

İnternetten bulduğum ölçüler aşağıda mevcut.Kumpas_Olculeri

Hareketli aksamdaki 64 elektrodtan sadece 56 tanesinin kullanılması muhtemelen sinyal toplama elektrodunun iki baş ucundaki, kenar etkisini azaltmak olduğunu düşünüyorum. (Paralel levhalı kapasitörlerde orta kısımlardaki elektrik alanı üniform iken kenarlarda kenar etkisinden dolayı üniform yapı bozulur. Bu nedenle iki taraftan da 4 elektrot değerlendirmeye alınmamıştır.)

Kumpas5

Şekil 5

8 elektrot grubu birbirine paralel olduğundan incelememi 8 elektrod ve iki yan komşusu ile yapabilirim. İnce elektrodların genişliği 0.5 mm civarında olduğundan son derece küçük kapasitor değerleri oluşacağından sinyal aktarımında sıkıntılar yaşanacaktır. Bu nedenle paralel bağlantı ile kapasite değerinin artırıldığını düşünüyorum. Acaba neden daha geniş levhalar çizilmedi de paralel bağlantı tercih edildi? Bunun da cevabının kenar etkilerini minimize etmek için olduğunu düşünüyorum. Nitekim 64 elektrotdan 32 tanesini devre dışı bıraktığımda kumpas hala çalışıyor ve göstergedeki en son digit çok kararlı. (+/-1 sayıp durmuyor sürgü ilerletildikçe bir bir artıyor. Ancak 100mm uzunluğundaki nesneyi ölçtüğümde 101mm den biraz fazla değer gösteriyor.)

Şekil 5 de 2,3,4 ve 6, 7, 8 nolu levhalar 1 birimlik kapasitor oluştururlar. Fakat 1 ve 5 nolu levhalar Ca ve Cb olmak üzere iki bileşenli kapasitör oluşturur. a+b=1 dir. Bu durumda şekildeki levha  diziliminde 0<a<1 aralığında sistemi analiz edebiliriz.

Şekil 3'teki 8 elektroda MCU'dan gelen sinyallerin dalga şeklini merak ettim. 1,2,3,4 nolu hatlara ait sinyallerin dalga şekiller aşağıda.

(Mavi 1) (Kırmızı 2) (Yesil 3) (Kahve 4) 5, 6, 7 ve 8 nolu sinyaller ise  bu sinyallerin inversi.
Yani birinci sinyalin inversi 5 nolu sinyal oluyor. 2 nolu sinyalin inversi de 6 nolu sinyal ….

Kumpas 8 kanal

Şekil 6

Yukarıdaki sinyallerin PWM dalga formunda olduğu hemen anlaşılıyor.

Sinyali RC filitreden geçirip demodüle ettiğimde dalga şeklinin aşağıdaki çizimde üstteki gibi olduğunu gördüm. Fakat onun altındaki gibi olması işime gelir. (Daha basit ve anlaşılır)

Kumpas7

Şekil 7

Aşagıdaki dalga şekli ise toplama elektrodundan okunan sinyal.

Kumpas8

Şekil 9

Şimdi saksıyı çalıştırmanın vakti geldi.

1) Elektrodlara uygulanan sinyaller arasinda 45 derece faz farki var.

1. elektrod sinyal acisi    0 derece.
2. elektrod sinyal acisi   45 derece.
3. elektrod sinyal acisi   90 derece.
4. elektrod sinyal acisi  135 derece.
5. elektrod sinyal acisi  180 derece. (?)
6. elektrod sinyal acisi  225 derece. (?)
7. elektrod sinyal acisi  270 derece. (?)
8. elektrod sinyal acisi  315 derece. (?)

Elimizdeki tüm veriler bu kadar. Şimdi bu adamlar nasıl bir mantık kurdular ki 0.01 mm lik artımlarla ölçüm yapabiliyorlar?

Kumpas11

Hani yukarılarda bir yerde pwmdeki gizli sinyali ortaya çıkartmıştım ve dalga şekli bu ama ben alttaki gibi olduğunu düşünüyorum demiştim. Haa işte alltaki gibi olursa toplam üçgen dalga, yok diğeri olan sinyaller toplanırsa da RC şarj deşarj eğrisinin çok benzeri oluşuyor. (Gerçekten ilginç) Bu toplama işlemini PC de bir yazılımla yapıp gördüm.

PWM sinyali demodule ettiğimi söylemiştim. 45 derece faz farklı bu 4 sinyalin toplamı tam bir üçgen dalga ediyor. Diğer 4 sinyal bunların evriği olduğundan 5,6,7,8 sinyalleri de bunun tam tersini yani 180 derece faz farklı sinyali verecek.

Kumpas tek bir pil ile çalıştığından +/- besleme kullanmamak adına böyle bir üçkağıt yapılmış gibi görünüyor.

Yukaridaki kumpasda fazla bir gelisme saglayamadim ve 5 USD'ye siparis ettigim 0.2 mm hassasiyetteki kumpas bu gun geldi. Belki bunda ilerleme saglayabilirim.

Elektrodlarin fotograflari asagida. Ilk kumpastan farkli olarak sabit kisimdaki elektrodlarin hic biri bir biri ile bagli degil.

20190115_135011

 20190115_135023

 

 

 

 

 

 

 

Scanner ile tarama yaptim ve baski aldim. Baski aldigim kagidi kesip elektrodlarin cakismasini gozledim. Umarim bu kez optiklerin husranina ugramam.

20190115_144139

 

Bu yazı 2- Arm ve Asm kategorisine gönderilmiş. Kalıcı bağlantıyı yer imlerinize ekleyin.