Nella prima parte è stato spiegato come la radiazione solare venga convertita in un segnale elettrico proporzionale alla sua intensità. Sarebbe però incompleto non descrivere anche il processo successivo, ovvero come il segnale elettrico – davvero molto piccolo (ricordiamo che è pari a circa 4,4 microVolt per Watt al metro quadrato) – possa essere trasportato su lunghe distanze. Ad esempio, con un'irradiazione di 1000 Watt al metro quadrato, il segnale raggiunge appena i 4,4 milliVolt, un valore estremamente ridotto.
Questo segnale deve quindi essere trasmesso su diversi metri, dato che il piranometro è solitamente posizionato su un tetto, lontano dagli apparati di memorizzazione dati, come data logger e centraline.
La scheda elettronica di acquisizione dati
Presso il nostro Osservatorio è presente una scheda elettronica che amplifica e condiziona il segnale proveniente dal piranometro. Figura la sigla SO9850A, non è chiaro se compreso od escluso il sensore CM11.
Fig. 1 - Scatola collegata al sensore (notare il cavo con guaina ormai deteriorata)
Fig. 2 - Coperchio della scatola contenente la scheda di acquisizione
Purtroppo, a differenza del piranometro, per questa scheda non disponiamo di alcuna manualistica, dati tecnici o documentazione. Cercheremo comunque di approfondire e comprendere il suo funzionamento. Come sempre, se qualcuno che ci legge ha informazioni utili, non esiti a condividerle con noi scrivendo una mail all’Osservatorio (info@ossmeteoimperia.org).
Fig. 3 - Scheda con morsettiera a vite per il piranometro
La scatola in propilene contenente la scheda è dotata di due connettori: uno proviene dal piranometro, mentre l'altro serve per il collegamento alla DCP SIAP 3830. Al suo interno si trova una piccola scheda elettronica di dimensioni circa 8 cm x 5 cm. La serigrafia presente sul circuito stampato la identifica come SI3830 RTV rev.1.
Fig. 4 - Dettaglio della scheda "faccia processore”
La scheda è a doppia faccia, con componenti SMD a montaggio superficiale e fori metallizzati, e presenta un’altissima densità di componenti. È plausibile che sia un circuito a 4 strati, o comunque più di 2. Cercheremo di ottenere ulteriori informazioni attraverso un'analisi visiva.
La scheda dispone di soli due connettori (pin header):
1. Un connettore a cui sono collegati i due cavi del piranometro (rosso e blu);
2. Un secondo connettore che collega quattro cavi (rosso, bianco, verde e blu).
Si può ipotizzare che questo secondo connettore fornisca l'alimentazione alla scheda e gestisca la trasmissione del dato.
Si ricorda che, se il sensore era connesso alla DCP 3830, la tipologia del sensore suggerisce che fosse di tipo "intelligente", ovvero capace di veicolare i dati attraverso una connessione su bus (probabilmente con i seguenti segnali: +12V, RX, TX e GND). Questa ipotesi è coerente con l'osservazione che i pin esterni risultano collegati a un condensatore posto all'ingresso, evidentemente con la funzione di stabilizzare la tensione.
Un'analisi della scheda rivela inoltre la presenza di componenti saldati e successivamente risaldati, un chiaro segno che il circuito ha subito riparazioni e modifiche successive alla sua produzione originale.
La scheda presenta una densità di componenti così alta che non è possibile distinguere un lato "componenti" e un lato "piste"; entrambi i lati sembrano essere ricoperti di componenti. Su ciascun lato spicca un componente particolare, montato su uno zoccolo PLCC. Il primo, con 44 pin, è contrassegnato da un'etichetta adesiva che riporta la scritta SI3830 RTV RAD, mentre il secondo, montato sul lato opposto, ha 33 pin e una etichetta che riporta 1.7.
Fig. 5 - Dettaglio della scheda "faccia eprom"
La rimozione delle etichette risulta necessaria, e non me ne vorrà il costruttore. Partiamo dal componente PLCC più grande: una volta rimossa l'etichetta, si scopre che si tratta di un processore 80C32.
L'80C32 è un microprocessore prodotto da Intel, appartenente alla famiglia degli 8051. A differenza di altri processori, l'80C32 non ha memoria interna (RAM o ROM), ma è progettato per essere utilizzato con memoria esterna. È una variante del 8051, con funzionalità simili, ma con miglioramenti in termini di prestazioni.
Fig. 6 - Contenitore del TN80C32
Fig. 7 - Finalmente libera da cavi e da targhette
Trattandosi di un 80C32, l'architettura della scheda può essere facilmente intuibile. Essendo un processore privo di memoria interna, come un moderno microcontrollore, è necessaria una RAM esterna. Infatti, poco distante si trova un modulo RAM HM62256, una RAM parallela a 8 bit. Inoltre, la presenza di un'EPROM estraibile è confermata dal componente montato su zoccolo: si tratta di un'EPROM OTP 27C512.
L'etichetta 1.7 indica probabilmente la versione del firmware presente sull'EPROM. Tra gli altri componenti, figura anche un 74H373, un registro a trasferimento a 8 bit che gestisce il bus. Non mancano ovviamente le porte logiche e un oscillatore a quarzo da 3,68 MHz.
Questa configurazione è tipica di una scheda di processore degli anni '80, in versione super-miniaturizzata, la più compatta che ricordi di aver visto. Da notare anche la presenza del Ds12312S. Il DS1232S è un supervisore di tensione e generatore di reset prodotto da Dallas Semiconductor (ora parte di Maxim Integrated). Viene utilizzato per monitorare la tensione di alimentazione in sistemi elettronici, garantendo che i microprocessori o microcontrollori funzionino correttamente solo quando la tensione di alimentazione è stabile e all'interno di un range sicuro.
La gestione della parte logica è ora più chiara, ma è importante ricordare che il segnale da acquisire, proveniente dal piranometro, necessita di un attento condizionamento analogico prima dell'acquisizione digitale. Questo condizionamento include un amplificatore e una gestione del modo comune per garantire che il segnale analogico sia correttamente amplificato e isolato prima della conversione.
Vediamo se possiamo individuare i componenti relativi a questa parte del circuito, che sono fondamentali per garantire la qualità e la precisione dell'acquisizione dei dati.
A livello di alimentazione, troviamo un ICL 7660, utilizzato per generare una tensione negativa, fondamentale per alimentare gli amplificatori operazionali necessari al processo di amplificazione del segnale. È probabile che il carico principale dell'amplificazione analogica sia gestito dall'amplificatore operazionale di precisione OP420, noto per la sua elevata accuratezza nelle applicazioni di misura.
Inoltre, la scheda include un generatore di tensione di riferimento AD584, che fornisce un riferimento stabile a 10V, cruciale per garantire la precisione nelle operazioni di conversione e misurazione. Infine, troviamo anche degli interruttori analogici 74HC4066, che consentono il controllo del flusso di segnali analogici attraverso la scheda.
Vista la presenza di resistori di precisione con tolleranze estremamente basse (0,1%), è probabile che la scheda possieda una funzione di autocalibrazione. In questo contesto, il circuito potrebbe sfruttare gli interruttori analogici 74HC4066 per applicare un segnale di riferimento noto e estremamente preciso alla parte analogica del sistema. Questa funzionalità permetterebbe di regolare e calibrare automaticamente i vari componenti, garantendo la massima precisione nel processo di acquisizione e amplificazione del segnale.
L'onere della conversione analogico-digitale (A/D) è affidato al convertitore LTC1292, un dispositivo a 12 bit con interfaccia SPI. Il LTC1292 è un convertitore A/D ad alta precisione, noto per la sua capacità di fornire conversioni accurate anche a velocità relativamente elevate. La sua interfaccia SPI permette una comunicazione semplice e veloce con il processore TN80C32.
Sono inoltre presenti trimmer multigiri, che indicano come la parte analogica della scheda sia ricca di regolazioni e tarature, per ottimizzare le performance in base alle specifiche necessità del sistema e garantire un'acquisizione del segnale sempre precisa e affidabile.
Alimentiamo il tutto
Dopo le considerazioni fatte, risulta possibile alimentare la scheda a 12V, come descritto. Tuttavia, l'assorbimento di corrente appare nullo in modo evidente, e un rapido controllo segnala che la parte analogica del sistema sembra essere, per così dire, spenta. L'assorbimento complessivo si attesta su qualche milliampere, senza evidenza di alcuna tensione negativa generata dal 7660 e senza attività nella parte di conversione analogico-digitale.
Tuttavia, la parte digitale del circuito è attivamente in funzione, e in particolare si rileva lo scambio di dati tra la EPROM e la RAM. Questo suggerisce che la sezione digitale sta eseguendo operazioni di lettura e scrittura, ma senza avviare il processo di acquisizione o elaborazione del segnale analogico.
A questo punto, ci sono due ipotesi: o la scheda è guasta, oppure si attiva solo quando riceve un comando specifico tramite un protocollo di comunicazione. In altre parole, il sensore potrebbe comportarsi come uno slave, rimanendo in attesa di un comando per avviare l'acquisizione dei dati. La domanda ora è: quale protocollo utilizza per attivarsi? Quale sequenza di dati permette di attivare il dispositivo e avviare l'acquisizione dei segnali? La risposta a queste domande potrebbe nascondere la chiave per comprendere come il sistema funziona. Chissà se mai riusciremo a scoprirlo, ma sicuramente l'individuazione di un protocollo o di un comando di attivazione sarebbe un passo fondamentale per sbloccare il funzionamento completo del dispositivo.
Un possibile indizio di attivazione potrebbe essere la presenza di MOSFET irfd sulla scheda. I MOSFET sono spesso utilizzati per gestire il flusso di corrente in base a segnali di controllo; quindi, potrebbero essere coinvolti nell'attivazione della parte analogica o nella gestione dell'intero processo di acquisizione, in risposta a un comando esterno.
Un'altra operazione utile è la lettura del firmware contenuto nell'EPROM. Grazie all'uso di un programmatore, possiamo leggere il firmware in formato esadecimale. Spesso, nel firmware, è possibile individuare alcune note in ASCII, che potrebbero essere state inserite dal programmatore stesso. Queste informazioni, anche se non sempre evidenti, possono rivelarsi utili per comprendere meglio il funzionamento del sistema o per raccogliere indizi sul protocollo di comunicazione e altre funzionalità nascoste.
Fig. 8 - Dump della memoria (da notare la versione 1.7 del 10/09/94)
Nel firmware letto, risulta la versione 1.7, una data e molte scritte in chiaro, segno evidente che il dispositivo utilizzava un protocollo per comunicare con un terminale. Tra le scritte in chiaro, si possono trovare messaggi come "calibrazione", "comando non riconosciuto", e altri simili. Questi messaggi suggeriscono che il dispositivo fosse progettato per inviare stringhe di testo per interagire con un terminale, probabilmente come parte di un sistema di diagnostica, configurazione o interazione con l'utente.
Conclusioni
Forse questo articolo ha avuto un’utilità limitata, ma l’intento era quello di documentare una scheda elettronica di 30 anni fa, utilizzata nel rilevamento di dati meteorologici. Chissà che non possa risultare utile a qualcuno. Magari, osservandola, qualcuno con conoscenze specifiche potrà fornire ulteriori informazioni o intuizioni. Parlare di "documentazione storica" potrebbe sembrare ambizioso, ma non si può escludere che, alla fine, tutto questo lavoro possa acquisire un valore, anche solo come testimonianza di una tecnologia che, in passato, ha dato il suo contributo alla raccolta e all’analisi dei dati atmosferici.
