dr in. Piotr Szulewski
Instytut Technik Wytwarzania Politechnika Warszawska
AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY
Powszechnie wystpujca tendencja zwizana z wykorzystywaniem w obszarze automatyki przemysowej (do sterowania i nadzoru) systemów rozproszonych wymusza konstruowanie rozwiza autonomicznych charakteryzujcych si rozbudowanymi moliwociami komunikacyjnymi. Artyku omawia koncepcj wykonania w technice mikroprocesorowej niewielkiego moduu pomiarowo-sterujcego pozwalajcego na doczanie rónorakich elementów lub ukadów pomiarowych oraz wyposaonego w dedykowany interfejs sieciowy dla komunikowania si z urzdzeniami zewntrznymi.
DATA ACQUISITION MODULE FOR DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM
Referring to the very popular idea of distributed control systems the conception of small data acquisition module is presented in this paper. Thanks to the microelectronic technique rapid growth it is possible to use the popular microprocessor and it’s components as universal and powerful diagnostic tool. The proposal for construction simple data module and it’s implementation to the real laboratory environment is provisionally illuminated.
1. ISTOTA INFORMACJI
„W dzisiejszym wiecie informacja jest towarem” – stwierdzenie to, tak powszechnie przytaczane, stao si ju swoistym truizmem, którego gbokiego sensu praktycznie nie dostrzegamy. Próbujc zdefiniowa to fundamentalne pojcie mona posuy si konstatacj wskazujca na szerokie rozumienie pojcia informacji jako „uniwersalnego tworzywa spajajcego poszczególne elementy systemu, w jedn sprawnie i efektywnie dziaajc cao” [Marco, 96]. Informacja jest, wic dobrem szczególnym, bez którego trudno mówi o nowoczesnym i caociowym procesie zarzdzania, zwaszcza w produkcji oraz wytwarzaniu. W wielu przypadkach mamy do czynienia zazwyczaj z zarzdzaniem intuicyjnym czsto opartym o rónego rodzaju estymacje czy wrcz szacunki. Trudno w takich warunkach podejmowa trafne i wywaone decyzje a take na bieco reagowa w przypadku pojawienia si sytuacji awaryjnej. W problematyce informacji wystpuj dwa podstawowe zagadnienia okrelane jako pozyskanie informacji (ang. data acquisition) oraz dostp do informacji (ang. data access). Jak si wydaje we wspóczesnych systemach pomiarowych s one szczególnie istotne i mog by traktowane wspóbienie. Poczwszy od formowania sygnaów poprzez ich interpretacj i uporzdkowanie uzyskujemy szczegóow wiedz o warunkach pracy obrabiarek, urzdze technologicznych lub stanie zaawansowania realizacji wytwarzania. Tak wic, spostrzeenie, i umiejtne, efektywne i skuteczne uzyskanie ródowych sygnaów oraz ich udostpnianie (przesyanie) stanowi klucz do sukcesu jest jak najbardziej poprawne i prawdziwe.
2. SYSTEMY SIECIOWE
Przesyanie informacji na odlego od zawsze stanowio fascynacj i znajdowao si w centrum zainteresowania czowieka [Tanebaum, 97]. O ile w pocztkowej fazie ju sam fakt przesania nawet pojedynczego sygnau (np. sygnay wietlne – ogie lub dym, znaki dwikowe) stanowi o sukcesie caego przedsiwzicia to oczywicie nie wyczerpywao to moliwoci dalszego rozwoju. Historycznie pierwszym standardem (rok wprowadzenia 1960)
uywanym do przesyania informacji w warunkach przemysowych bya ptla prdowa 4-20 mA. Rozpowszechnianie si sygnaów cyfrowych zaowocowao opublikowaniem w 1962 r. przez EIA (ang. Electronic Industries Association) noty normalizacyjnej wprowa-dzajcej standard interfejsu komunikacyjnego RS-232 a sze lat póniej RS-232C o szybko-ci transferu 20 KBit/s [Mielczarek, 93]. Wraz ze wzrostem wymaga dotyczcych iloszybko-ci przesyanych danych i liczby wspópracujcych ze sob urzdze, pojawia si zaczy rozwizania nowoczesnych systemów transmisyjnych opartych o magistrale cyfrowe. Sie przemysowa nazywana take sieci polow (ang. fieldbus) lub miejscow, stanowi kolejny etap w rozwoju systemów transmisji danych w warunkach zakadu przemysowego. W cigu ostatnich 10 lat obserwowany jest gwatowny rozwój systemów sieciowych opartych o standard Ethernet w wykonaniu zarówno stacjonarnym jak i bezprzewodowym [Thompson, 04]. Jednoczenie, podkreli naley, e producenci komponentów sieci przemysowych po-mimo wielu lat rozwoju i czynionych znacznych wysików w celu ujednolicenia nie wypra-cowali uniwersalnego standardu. Na rynku istnieje wiele rónorakich propozycji sieci prze-mysowych. Rozwizania te charakteryzuj si do niewielkim pasmem przenoszenia, ogra-niczon liczb stacji i stosunkowo niewielk rozlegoci dopuszczalnych instalacji. Nie zaw-sze tez zachowana jest pena kompatybilno urzdze pochodzcych od rónych wytwór-ców, co moe powodowa powstawanie problemów w przypadku podejmowania prób unifi-kacji posiadanych zasobów. Istotn kwesti s take koszty zakupu i wykonania instalacji systemów przemysowych. Wieloletni rozwój koncepcji sieci Ethernet zaowocowa ustano-wieniem jednolitego i powszechnie akceptowanego standardu. Rozpowszechnienie i zasuona popularno nie moga pozosta niezauwaona przez producentów systemów ste-rowania i nadzoru zwaszcza, i jest to rynek zbytu gwarantujcy niemae zyski. Ethernet jest uznawany za najbardziej otwarte rodowisko sieciowe na wiecie pozwalajce na daleko id-c integracj informatyczn.
3. MIKROKONTROLERY
Od pocztku lat 70. rokrocznie zwiksza si wykorzystanie systemów mikroprocesorowych. W zespoach obrabiarek i maszyn technologicznych coraz czciej mona spotka specjalizowane ukady mikroprocesorowe speniajce zadania lokalnych sterowników logicznych. Ukady te oparte s zazwyczaj o mikroprocesory jednoukadowe (ang. single-chip microcomputer) zwane mikrokontrolerami [Peka, 99]. Termin ten pojawi si w dostpnych opracowaniach stosunkowo niedawno, bowiem dopiero w pocztku lat osiemdziesitych. Obecnie oznacza on ukad scalony ze specjalizowanym mikroprocesorem, speniajcy dwa gówne, kryteria:
o jest zdolny do samodzielnej, autonomicznej pracy – nie wymaga doczania adnych dodatkowych urzdze (dopuszczalny jest zewntrzny rezonator [generator kwarcowy] i zasilacz),
o przeznaczony jest do pracy w systemach kontrolno-pomiarowych lub sterujcych co oznacza konieczno posiadania rozbudowanych moliwoci komunikacji z otoczeniem. Obecnie na rynku dostpnych jest szereg rozwiza mikrokontrolerów poczwszy od modeli 8 bitowych a skoczywszy na 32-bitowych. Najwiksza dynamika rozwoju obserwowana jest w zakresie urzdze o najszerszej szynie danych. Jest to zwizane z coraz wikszymi wymo-gami dotyczcymi danych mocy obliczeniowych i wykorzystywaniem mikrokontrolerów w coraz bardziej skomplikowanych ukadach [Internet, 02/a]. W mikrokontrolerach wykorzy-stywanych w procesach sterowania coraz czciej pojawiaj si take nowoczesne
rozwiza-nia w postaci procesorów sygnaowych DSP (ang. Digital Signal Processor). S to specjali-zowane mikroprocesory realizujce bardzo szybkie wykonywanie operacji przetwarzania (mnoenia i rotacji) danych w postaci wektorów. Procesory sygnaowe s najczciej stoso-wane do wydajnej obróbki szybkozmiennych sygnaów analogowych.
Ze wzgldu na szerokie moliwoci mikrokontrolery wykorzystywane s do coraz bardziej odpowiedzialnych zada. Staj si czci wielu urzdze technologicznych. Peni samodzielne i czsto odpowiedzialne zadania. Wystpuj np. jako regulatory w silnikach napdowych, moduy komunikacyjne w sterownikach PLC itp. Ze wzgldu na ich autonomi, jak te i inne specyficzne wasnoci mona traktowa je jak mikrokontrolery wbudowane. Wyposaenie w zwizany mikrokontroler dowolnego urzdzenia technologicznego lub nawet tylko jego komponentów jest zabiegiem bardzo efektywnym, podnoszcym funkcjonalno i zwikszajcym wachlarz jego zastosowa. Czasami nazywane s one wbudowanymi komputerami sieciowymi (ang. EmNets) [Estrin, 01]. Z punktu widzenia systemu informatycznego oraz, ogólnie, konsolidacji informatycznej stosowanie tych urzdze jest korzystne z powodu posiadania przez nie rozbudowanych interfejsów komunikacyjnych. Pozwalaj one, praktycznie bez koniecznoci wykonywania dodatkowych zabiegów, na pen integracj z istniejcym systemem informatycznym zakadu. Takie rozwizanie obnia koszty oraz zwiksza efektywno wykorzystania posiadanych zasobów. Intensywny rozwój i coraz powszechniejsze stosowanie systemów zwizanych pozwala na wykorzystywanie ich w coraz szerszym, spektrum urzdze. Takie dziaanie umoliwia szybk integracj informatyczn wszelkich regulatorów, zadajników, sterowników i innych skadników maszyn i obrabiarek [Hung, 04].
4. AKWIZYCJA DANYCH
Opisane wczeniej zagadnienie przetwarzania informacji wystpuj take w obszarze przemysowych systemów wytwarzania. Nieustanne denie do zwikszania wydajnoci i dokadnoci pracy obrabiarek oraz urzdze technologicznych generuje potrzeb szczegóowego i precyzyjnego monitorowania warunków, w jakich realizowany jest proces obróbki oraz stan maszyn. Tylko posiadanie aktualnych danych umoliwia podejmowanie poprawnych decyzji o wymaganej korekcji parametrów procesu technologicznego. Oczywistym jest fakt, e najlepszym sposobem uzyskiwania takich danych (np. naprenia, temperatura, drgania itp.) jest stosowanie odpowiednich czujników lub elementów pomiarowych nadzorowanych przez systemu mikroprocesorowy (stosowanie zaawansowanych algorytmów przetwarzania). Dla dystrybucji tak gromadzonych danych idealnym wprost rozwizaniem jest wykorzystanie sieci komputerowej Internet jako najbardziej rozpowszechnionego medium. Jest ona take coraz czciej wykorzystywana w zakadach produkcyjnych i na halach maszyn [Samaranayake, 05]. Wydaje si, e najlepszym rozwizaniem, bdcym jednoczenie optymalnym pod wzgldem rónorakich wasnoci, wydaje si by wykorzystanie do akwizycji danych systemu opartego o mikrokontroler wraz z ukadem interfejsu sieciowego w standardzie Ethernet.
5. AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY - URZDZENIE
Opracowano koncepcj autonomicznego moduu pomiarowego moliwego do zastosowania jak interfejs pomiarowy w rozproszonych systemach akwizycji danych. Starano si posugi-wa rozwizaniami i urzdzeniami powszechnie dostpnymi na rynku tak aby zmniejsza koszty. Takie podejcie wie si take minimalizowaniem problemów technicznych
(uru-chamianie, bdy itp.) poniewa korzysta si z wielokrotnie wdraanych i szczegóowo zwe-ryfikowanych przez uytkowników systemów sprztowych i narzdzi programowych. Dziki temu oszczdzany jest czas potrzebny na uruchomienie wasnej aplikacji i zapewniona jej stabilna i bezawaryjna praca.
Mikroprocesorowym „sercem” moduu pomiarowego jest wykonany w architekturze Harvard przedstawiciel rodziny AVR firmy ATMEL - ukad ATmega128. Procesory tego producenta s rozwijane od ponad 10 lat i poza nowoczesn konstrukcj charakteryzuj si bardzo du
moc obliczeniow. Handlowy slogan okrela go jako „16 bitow wydajno przy koszcie struktury 8 bitowej”. Pozwala to na uruchamianie równie do skomplikowanych progra-mów. Szacunkowe porównanie mocy obliczeniowej w stosunku do starszych (nawet 32 bito-wych) procesorów firmy Intel znanych z komputerów klasy IBM PC, jest umieszczone w tab. 1 i wypada bardzo korzystnie dla przyjtego procesora. Kryterium porównawcze stanowi ilo milionów operacji (instrukcji) jakie moe wykona ALU (jednostka arytmetyczno lo-giczna) w cigu 1 s. Uwag zwraca bardzo bogate wyposaenie w rónorodne ukady peryfe-ryjne takie jak interfejsy, przetworniki czy liczniki pozwalajce na traktowanie tego mikro-procesora jak kompletnego systemu mikrokontrolerowego mogcego samodzielnie realizo-wa nie tylko zadania obliczeniowe ale przede wszystkim zadania kontrolne i sterujce. Szczególnie istotne, z punktu widzenia przygotowywanej aplikacji, jest wystpowanie duej iloci interfejsów komunikacyjnych umoliwiajcych doczanie rozmaitych ukadów peryfe-ryjnych. Zestawianie rodzajów interfejsów i ich gównych parametrów funkcjonalnych znaj-duje si w tab. 2.
Nazwa I2C 1 Wire RS232 SPI IrDA
Szybko 100 – 400 kbit/s 16,3 – 142 kbit/s 1,2 - 115,2 kbit/s 12 Mbit/s 1,2 - 115,2 kbit/s
Kocówki 128 - 1024 100 2 4 2
Liczba linii 2 1 2 4 1
Rozpito 400 pF (4 m) 5 - 400 m 15 m 5 0,5 – 1 m
Topologia linia Linia, magistrala, gwiazda linia Linia, magistrala linia
Arbitra x-Master/x-Slave 1-Master/x-Slave 1-Master/1-Slave 1-Master/x-Slave RC5, RS6, SONY
Tab. 2. Magistrale szeregowe procesora ATMega 128
Podkreli naley, i zgodnie z powszechnie panujc ten-dencj wbudowane interfejsy pozwalaj wycznie na stoso-wanie transmisji szeregowej. Jest ona szybsza, atwiejsza w implementacji, bardziej odporna na zakócenia i nie obci-a duej liczby portów procesora. Wszystkie interfejsy s typu sprztowego1, co równie zmniejsza obcienie proceso-ra zadaniami tproceso-ransmisji danych.
1. Czst praktyk producentów jest wykorzystywanie interfejsów programowych, co z jednej strony znacznie zmniejsza koszty produkcji ukadu, ale zajmuje porty procesora oraz zmusza uytkownika do instalowania do-datkowych ukadów komplikujc struktur systemu
Procesor 8088 (XT) 80286 80486 ATMega 128 Pentium IV
MIPS 1 1 ÷ 5 12 16 ~ 8000
Tab. 1. Porównanie wydajnoci procesorów
Wbudowane przetworniki analogowo/cyfrowe pozwalaj na precyzyjne przetwarzanie wiel-koci analogowych – napiciowych. Przy rozdzielczoci pomiaru 10 bitów i zakresie pomia-rowym +5 V uzyskiwana dokadno jest na poziomie ± 4,8 mV (przy wykorzystaniu wyso-kostabilnego róda odniesienia). Maksymalna czstotliwo przetwarzanego sygnau to 20 kHz (lub10 kHz zgodnie z postulatem Shannona-Kotielnikowa). W budowanym systemie wykorzystano pytk prototypow polskiego producenta firmy Mikrovega z wybudowanym ukadem omawianego mikroprocesora ATmega128 (rys. 1). Jest to element maogabarytowy wykorzystujcy zminiaturyzowane ukady wykonany w technologii montau SMD i przewlekanego. Na pycie, poza procesorem, zosta umieszczony take ukad stabilizatora dostarczajcego odpowiednie napicie zasilajce (dowolna polaryzacja, zakres napi 7-16 V, prd stay lub zmienny), specjalizowany ukad sprztowego resetu, konwerter napi interfej-su szeregowego RS-232C i dodatkowa pami Flash o pojemnoci 4 MB. Wszystkie porty procesora s wyprowadzone w postaci zoconych pinów o standardowym rastrze 2,54 mm. Modu w stanie fabrycznym jest od razu gotowy do wykorzystania.
6. AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY – UKAD KOMUNIKACJI SIECIOWEJ
Zgodnie z przyjtymi zaoeniami o deniu do uzyskania moduowej budowy, jako interfejs sie-ciowy zastosowano modu NM7010A-LF firmy Wiznet. Modu stanowi kompletny system sieci w standardzie Ethernet. Skada si on ze sprzto-wego stosu protokou TCP/IP (W3100A-LF), inter-fejsu sprztowego sieci (RTL8201BL) a take od-powiedniego gniazda przyczeniowego (RJ45) wraz z transformatorem separujcym. Taka kon-strukcja pozwala na uniknicie czasochonnego
oprogramowywania warstw sieciowej i umoliwia bardzo efektywne budowanie aplikacji z wykorzystaniem sieci w standardzie Ethernet. W module zaimplementowane s protokoy warstwy transportowej TCP, IP Ver.4, UDP, ICMP, ARP oraz protokoy warstwy cza i fizycznej DLC, MAC. Podczas nawizywania poczenia stosowane s protokoy i metody autonegocjacji umoliwiajce dobór odpowiedniej szybkoci poczenia i trybu pracy (10 Mbit/s lub 100 Mbit/s, fullduplex/halfduplex). Jednoczenie moliwe jest obsuenie czte-rech indywidualnych sesji poczeniowych co jest wynikiem zastosowania niewielkiej pami-ci podrcznej (SRAM) o pojemnopami-ci 16 KB jako bufora danych. Widok moduu jest zamiesz-czony na rys. 3. Niekorzystn cech jest wymagane zasilanie moduu Wiznet napiciem sta-ym o wartoci 3,3 V, co powoduje konieczno stosowania dodatkowego stabilizatora – linie sygnaowe akceptuj jednak tradycyjne poziomy napi TTL. Do poczenia z mikroproceso-rem wykorzystywana jest magistrala I2C. Obsugiwane s take szyny procesorów Intel i Mo-torola. Poza standardowymi liniami interfejsu I2C sucymi do dwukierunkowego przekazy-wania danych pomidzy mikroprocesorem sterujcym a moduem sieciowym zastosowano take dodatkow lini do obsugi przerwania sprztowego mikroprocesora. W ten sposób mo-du sieciowy „zawiadamia” o pojawieniu si gotowych danych do odebrania lub o gotowoci do wysania, co zdecydowanie przyspiesza obsug interfejsu sieciowego.
7. AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY - CZUJNIKI
Jako przykad moliwoci obsugi czujników i moduów pomiarowych przez zastosowany mikroprocesor wybrane zostay popularne i atwo dostpne ukady.
pomiar wilgotnoci – Modu wilgotnoci typu SY-HS-230 (koreaskiego producenta SY
HITECH) przeznaczony jest do pomiaru wilgotnoci wzgldnej w zakresie 10 ÷ 90 %. Dokadno pomiaru wynosi: ±5 % RH a dopuszczalne temperatury pracy od 0 °C do +60 °C. Sygnaem wyjciowym jest warto napicia 0,580÷2,870 V zalena od mierzonej wilgotnoci – moe by wprowadzona bezporednio na wejcie przetwornika analogowo-cyfrowego. Urzdzenia te charakteryzuj si bardzo du liniowoci charakterystyki, du czuoci i ma histerez. Najczciej znajduj zastosowanie w nawilaczach oraz osuszaczach powietrza, systemach klimatyzacji i wentylacji, oczyszczaczach powietrza, inkubatorach, miernikach wilgotnoci, szklarniach, samochodach itp. Napicia zasilania wynosi 5 V DC (pobór prdu 3mA) i jest zgodne z napiciem zasilania mikroprocesora, co upraszcza konstrukcj eliminujc stosowanie dodatkowych róde zasilania i stabilizatorów. Niewielkie wymiary 18x25x9 mm pozwalaj na do swobodne umieszczanie moduu nawet w niewielkich przestrzeniach (obudowy zespoów napdowych maszyn, ukady sterowania itp.).
pomiar cinienia – Modu pomiaru cinienia atmosferycznego typu MPX4115A (firmy
Motorola) naley do bardzo duej rodziny czujników piezorezystywnych z paszczem silikonowym. Przeznaczony jest do wielu zastosowa z wykorzystaniem pomiaru cinienia wzgldnego lub bezwzgldnego w zakresie 15 ÷ 115 kPa (2.2 ÷ 16.7 psi). Posiada wbudowany w swoj struktur ukad formowania sygnau a take pen kompensacj temperaturow w zakresie od –40 °C do +125 °C. Sygnaem wyjciowym jest napicie 0,350÷4,850 V zalene od mierzonej wartoci cinienia – moe by wprowadzone bezporednio na wejcie przetwornika analogowo-cyfrowego. Osigana dokadno pomiaru to 1,5 % w zakresie temperatury od 0 °C do 85 ° C. Czujniki tego typu przeznaczone s do zastosowania w aplikacjach wymagajcych szybkiego i precyzyjnego pomiaru cinienia atmosferycznego np. turbosprarki samochodowe, barografy itp. Niewielki pobór prdu (7 mA) pozwala na prace take w aplikacjach mobilnych.
pomiar temperatury – Elektroniczny termometr typu DS18B20 (firmy Dallas/Maxim)
oferuje pomiar temperatury w zakresie od –55 °C do +125 °C z dokadnoci ±0,5 °C (w przedziale –od 10 °C do +85 °C). Pomiar odbywa si z wykorzystaniem programowanej przez uytkownika rozdzielczoci przy sowie o wielkoci od 9 bitów do 12 bitów. Maksymalny czas przetwarzanie temperatury to 750 ms przy rozdzielczoci 12 bitów. Uzyskane dane pomiarowe s wystawiane na magistral 1-Wire® i mog by odczytywane przez nadzorujcy j mikroprocesor. Kady termometr posiada unikalny 64-bitowy kod identyfikacyjny (niezmienny umieszczony w pamici ROM), co pozwala na stworzenie (przy wykorzystaniu magistrali 1-Wire®) sieci punktów pomiarów temperatury. Moliwe jest take zaprogramowanie w wewntrznej strukturze (nieulotna pami NV) punktów alarmowych (dwuprogowy przedzia temperatury), po przekroczeniu, których nastpuje wysanie stosownego komunikatu. Zasilanie moe by dostarczane bezporednio z magistrali 1-Wire® lub z innego zewntrznego róda. Akceptowalny zakres napi to od 3,0 V do 5,5 V. Urzdzenia te s powszechnie wykorzystywane w aplikacjach zwizanych z monitorowaniem warunków rodowiska, pomiarami stanu urzdze i instalacji itp.
pomiar napicia – Przy wykorzystaniu wbudowanego w mikroprocesor przetwornika
energetycznej 230V. Ze wzgldu na dopuszczaln warto mierzonego napicia na wejciu przetwornika ADC – 5 V, mierzone napicie jest najpierw prostowane w ukadzie mostko-wym Greatz’a a nastpnie poddawane podziaowi w rezystancyjnym dzielniku napicia. Od-powiednie przeliczenia s dokonywane w programie sterujcym mikroprocesorem. Realna dokadno pomiaru, przy wykorzystaniu dzielnika obnia si wic do wartoci ± 0,2 V.
wejcia/wyjcia cyfrowe – Do uzyskiwania informacji o stanie monitorowanego urzdzenia
wykorzystywane s take wejcia cyfrowe mikroprocesora. Wykonane w standardzie TTL akceptuj sygnay nie przekraczajce wartoci 5 V. Sygnay podawane przez wejcia cyfrowe maj charakter dwustanowy. Ich ródem mog by dowolne przeczniki, przyciski itp. a take elementy elektroniczne stanowice komponenty monitorowanej instalacji. Zwarcie odpowiedniego wejcia do masy ukadu jest traktowane jako logiczne 0. Maksymalna czstotliwo zmian stanu wejcia wynosi 1,6 MHz. W modelu jako ustawialne wejcie zostay zastosowane tradycyjne przeczniki dwigniowe (bistabilne) w iloci 2 sztuk. Stan ich jest sygnalizowany na pycie prototypowej diodami LED w kolorze czerwonym. Jako ciekawostk mona wymieni, e przy wykorzystaniu dwóch wej cyfrowych procesora moliwe jest równie doczenie tradycyjnej klawiatury komputerowej – w standardzie AT. Obsugiwane s dwa rodzaje zcz: standard DIN 5 lub PS2 (DIN6).
Wykonany model, poza zbieraniem danych umoliwia take odbiór dwustanowych sygnaów sterujcych i bezporednie lub porednie zaczanie lub wyczanie urzdze technologicznych. Ze wzgldu na niewielkie dopuszczalne obcienie wyj mikroprocesora (napicie 5 V, prd rzdu kilkunastu miliamperów) konieczny stao si zastosowanie obwodu poredniczcego odpowiedzialnego za transformowanie sygnau sterujcego. Obwód zosta zbudowany przy wykorzystaniu scalonego moduu ULN2003. W skad ukadu wchodzi 7 niezalenych bramek pracujcych w ukadzie wzmacniacza prdowego (ukad Darlingtona) pozwalajcych na zaczanie napi do 30 V i prdzie 500 mA. Przy zastosowaniu innych rozwiza sprztowych np. przekaniki, styczniki, triaki itp. umoliwione jest sterowanie znacznie wikszymi mocami i napiciami. W modelu sterowanie to jest wykorzystane do zapalania reflektora diodowego (12 V, 50 mA).
Jako urzdzenie sygnalizacyjno-informujce zastosowano wywietlacz LCD. Doczony jest on bezporednio do portu mikrokontrolera przy wykorzystaniu 8 linii. Umoliwia on wywietlenie czterech linii po 20 znaków alfanumerycznych (maksymalnie kontroler wywietlacza typu Hitachi umoliwia obsug matrycy 4x40 znaków). Wbudowany generator znaków pozwala na samodzielne zdefiniowanie 7 dowolnych znaków (raster 5x8 pikseli). Wywietlacz dysponuje podwietleniem wykonanym przy uyciu diód LED. Moliwe jest niezalene, programowe sterownie poziomem podwietlenia wywietlacza przy wykorzystaniu wbudowanego w mikroprocesor generatora PWM. W opracowanym modelu sterowanie podwietleniem jest realizowane na drodze potencjometrycznej (regulowany rcznie rezystor obrotowy). Mikrokontroler umoliwia take doczenie i pen obsug wywietlacza graficznego.
8. AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY - OPROGRAMOWANIE
Sporód wielu oferowanych na rynku kompilatorów pozwalajcych na generowanie kodu dla procesorów AVR wybrany zosta caociowy pakiet Bascom firmy MCS Electronic pracujcy na standardowym komputerze klasy PC pod kontrol systemów operacyjnych rodziny MS Windows.. rodowisko programowe, oparte jest na popularnych implementacjach jzyka pro-gramowania Basic i umoliwia atwe oraz wydajne programowanie. Wbudowane w struktur
jzyka gotowe instrukcje i procedury przypieszaj znacznie proces konstruowania oprogra-mowania zwaszcza z wykorzystaniem rónorakich interfejsów komunikacyjnych. W skad pakietu wchodzi take wiele narzdzi programowych np. symulator, program komunikacyjny, konwerter graficzny, analizator, debugger itp. pozwalajcych na wydajne testowanie popraw-noci stworzonego kodu. Nie bez znaczenia jest take fakt udostpniania przez producenta wielu interesujcych i praktycznych przykadów programów uruchamianych na mikrokontro-lerach AVR a take szybkie reagowanie na wprowadzane przez wytwórców procesorów no-woci. Procedury obsugi komunikacji sieciowej zostay napisane z wykorzystaniem bibliote-ki EasyTCP/IP w wersji 1.0. Naley zauway i podkreli problem doboru waciwego kom-pilatora, który dokonuje tumaczenia opracowanego algorytmu pomiarowego na jzyk ma-szynowy bezporednio wykonywany przez mikroprocesor. Jest to za zagadnienie bardzo istotne albowiem wpyw jakoci generowanego kodu na szybko realizacji poszczególnych instrukcji jest bardzo duy. Rónica pomidzy kompilatorami waha si w granicach 30–40 % czego bezporednim skutkiem moe by skrócenie lub wyduenie czasu trwania ptli gów-nej programu sterujcego [Mohani, 04]. W opracowanym modelu nie wystpoway zagadnie-nia krytyczne czasowo a stosowana wewntrzna (zaimplementowana w kompilatorze) opty-malizacja kodu bya cakowicie wystarczajca.
Podstawowym zadaniem napisanego oprogramowania sterujcego jest dokonywanie odczytów z doczonych czujników i zespoów pomiarowych a take udostpnianie wyników. Jak wspomniano wczeniej najbardziej rozpowszechnion i najbardziej elastyczn instalacj sieciow jest Internet. Wanie to medium zostao przyjte jako forma rozpowszechnia-nia wyników pomiarów. Niewtpliwie najbardziej znan form publikacji informacji w sieci Internet jest stosowanie technologii WWW, czyli stron interneto-wych. Popularnym i chtnie wykorzystywanym stan-dardem tworzenia stron WWW jest hipertekstowy jzyk znaczników (ang. HyperText Markup Language - html), który opisuje struktur informacji zawartych w dokumencie przeznaczonym do publikacji. Zasto-sowany zosta on równie w opracowanym modelu. Schemat ideowy realizowanego algorytmu znajduje si na rys. 3. Mikrokontroler sterujcy pracuje jako serwer danych, stale nasuchujc na porcie TCP 80 da obsugi nadchodzcych od uytkowników (komputerów zdalnych). W obecnym wykonaniu moliwe jest obsuenie tylko jednego poczenia sie-ciowego na raz. Po uzyskaniu potrzebnych danych wymagane jest zakoczenie poczenia dla umoli-wienia innemu „zainteresowanemu” uzyskania po-czenia. Po zmianie oprogramowania sterujcego mak-symalna liczba jednoczenie realizowany sesji moe wynosi 4 co wynika z wielkoci dostpnej pamici operacyjnej w module Wiznet. Najnowsze rozwizania moduów Ethernetowych oferuj znacznie wiksz ilo jednoczenie obsugiwanych sesji (8÷16). Pierwsz czynnoci po
waczeniu zasilania i urucho-mieniu moduu sieciowego jest przeprowadzenie synchronizacji wewntrznego zegara z wzorco-wym serwerem czasu. Dopiero po poprawnym zakoczeniu proce-dury ustawiania czasu mikrokontroler jest gotowy do obsugi zada biecych. Dla zabezpieczenia poufnoci komunikacji oraz prezentowanych danych przed dostpem osób nieuprawnionych wymuszono konieczno zalogowania si uytkownika. Wymagane jest podanie nazwy konta i odpowiedniego hasa (konto i haso s przechowywane w pamici mi-krokontrolera i nie jest moliwa ich zmiana przez uytkownika). Weryfikacja uytkownika jest przeprowadzana jednorazowo tylko na pocztku sesji. Aplikacja skada si z jednej strony rys. 4, na której s podawane wszystkie mierzone wielkoci. Strona zawiera w swoim kodzie automatyczne ponowienie (odwieenie) swojej zwartoci w interwale 10 s. Oznacza to, i komputer zdalny samoczynnie ponowi danie skierowane do serwera o wysanie uaktualnio-nej strony.
W prawej, dolnej czci ekranu umieszczone s dwa przyciski pozwalajce na wydawanie polece zwizanych z ustawianiem wartoci dwóch wyj programowalnych. Naciskajc odpowiedni przycisk nastpuje ustawienie stanu odpowiedniego wyjcia. W taki przypadku odpowiedni komunikat jest
wysyany z komputera
uytkownika niezwocznie bez oczekiwania na upynicie czasu odwieenia. Zmiana stanu wyjcia jest wskazywana waciwym piktogramem. Dla oszczdnoci miejsca w pamici
podrcznej mikrokontrolera wszystkie obrazy i grafiki wykorzystywane przy budowie strony s przechowywane na zdalnym komputerze PC i w odpowiedniej chwili automatycznie pobierane przez komputer uytkownika. Rozwizanie to zmniejsza efektywn szybko odwieania strony gównej ale pozwala na znaczne „upla-stycznienie” prezentowanych danych. W docelowej aplikacji korzysta mona z bardzo uproszczonej formy graficznej lub wrcz j pomin. Na wywietlaczu LCD bezporednio doczonym do mikrokontrolera podawane s informacj dotyczce aktualnego czasu (UTC), iloci dokonanych odwiee strony (licznik powtórze) a take o aktualnie wykorzystywa-nym do komunikacji porcie TCP po stronie zdalnego uytkownika. Cakowity program ró-dowy skada si z 784 linii, przy czym 223 linie stanowi kod strony internetowej w jzyku html. Skompilowany i skonsolidowany program ma objto prawie 30 KB i zajmuje ok. 23 % dostpnej w mikrokontrolerze pamici flash.
9. PODSUMOWANIE
W wyniku przeprowadzonych prac badawczych opracowano koncep-cj autonomicznego moduu po-miarowego w oparciu o mikro-kontroler wyposaony w zestaw czujników i ethernetowy modu komunikacyjny (rys. 5). Spraw-dzono w warunkach laboratoryj-nych poprawno pracy wybra-nych komponentów sprztowych i programowych. Napisana aplika-cja pracuje stabilnie i moe by stosunkowo atwo rozbudowy-wana. Podkreli naley, e uzy-skane wyniki maj zdecydowanie charakter rozpoznawczo-przygotowawczy. Na podstawie poczynionych obserwacji i przemyle mona sformuowa korzystne cechy zaproponowane-go rozwizania:
o moliwo implementowania bardzo zoonych i skomplikowanych algorytmów, o atwa i wydajna zmiana lub modyfikacja realizowanego algorytmu,
o umoliwianie bardzo efektywnej diagnostyki i raportowania, o prosta wymiana danych z systemami nadrzdnymi,
o zwarta struktura.
Prototyp autonomicznego moduu pomiarowego jest dostpny pod adresem: http://docent.cim.pw.edu.pl Wymagana nazwa uytkownika oraz haso to akronim (w jzyku angielskim) komputerowo zintegrowanego wytwarzania pisany maymi literami.
LITERATURA:
[Estrin, 01] D. Estrin, G. Borriello, R. Colwell, J. Fiddler, M. Horowitz, W. Kaiser, N. Leveson, B. Liskov, P. Lucas, D. Maher, P. Mankiewich, R. Taylor, and J. W. (eds.). Embedded, Everywhere, A Research Agenda for Networked Systems of Embedded Computers. Computer Science and Telecommunications Board, National Academies Press, 2001.
http://www.nap.edu/html/embedded_everywhere/ch1.html
[ Hung, 04] Min-Hsiung Hung, Johnny Tsai, Fa-Tien Cheng, Haw-Ching yang, “Development of an Ethernet-based equipment integration framework for factory automation”, Elsevier, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 20 (2004), 369-383
[Internet, 02/a] Internetowa skadnica wiedzy, „Microperipheral market trends” Serwer: http://smithsonianchips.si.edu/ice/cd/MICRO97/SEC04.PDF
[Marco, 96] Tom deMarco, “Measuring and Managing Performance in Organizations”, http://www.systemsguild.com/GuildSite/DandL/AustinForeword.html
[Mielczanek, 93] Mielczarek W., „Szeregowe interfejsy cyfrowe”, Wydawnictwo Helion, Gliwice 1993 r., str. 3
[Mohani, 04] Sibin Mohani, Frank Mueller, David Whalley, Christopher Healy, “Timing Analysis for Sensor Network Nodes of the Atmega Processor Family” , Dept. of Computer Science, Center for Embedded Systems Research, http://moss.csc.ncsu.edu/~mueller/ftp/pub/mueller/papers/rtas05mica.pdf
[Peka, 99] Peka R., “Mikrokontrolery – architektura, programowanie, zastosowania”, Wydawnictwo Komunikacji i cznoci Warszawa 1999
[Samaranayake, 05] Lilantha Samaranayake, Mats Leksell, Thilakasiri Vijayananda, Sanach Alahakoon, „Ethernet ready Sensor Acutator Module for Distributed Control Applications”, EUROCON 2005 Serbia & Montenegro, Belgrade, November 22-24, 2005]
[Tanenbaum, 97] Tanenbauym Andrew, “Rozproszone systemy operacyjne”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997 r. (“Distributed operating systems”, Prentice-Hall international, Inc., 1995)
[Thompson, 04] Haydn A. Thompson, “Wireless and Internet communications technologies for monitoring and control”, Elsevier, Control engineering practice 12 (2004), 781-791
