1. Úvod. 2. Standard CAN Základní koncept

1. Úvod Controller Area Network (CAN) je sériová sběrnice vyvinutá firmou Bosch pro použití v automobilech. Je zvláště vhodná pro propojení „inteligentních“ zařízení jakož i  senzorů a ovládacích členů v systému nebo  podsystému. První obvody  umožňující realizaci   spojení   používající   CAN   protokol   na   linkové   vrstvě   ISO/OSI   referenčního modelu byly na trhu k dispozici již v roce 1989. Vzhledem k relativní jednoduchosti, malým nákladům a vlastnostem podporujících řízení v reálném čase se CAN rozšířila i do mnoha dalších aplikací automatizace a řízení a v dnešní době je již k dispozici cca 50 řadičů CAN od více než 15 výrobců. S rozšířením této sběrnice vyvstala pro potřeby vývoje, řízení a diagnostiky také potřeba   jejího   připojení   k   osobním   počítačům.   Ne   všechny   počítače   však   disponují možností rozšíření o řadič CAN, zejména přenosné počítače. Většina dnešních počítačů je však vybavena jinou sériovou sběrnicí, USB. Cílem této práce je návrh technických a programových prostředků k realizaci připojení sběrnice CAN k osobním počítačům přes USB.

2. Standard CAN 2.1. Základní koncept Vlastnosti CAN: ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Přenosová rychlost až 1 Mbit/s Prioritizace zpráv Zaručené zpoždění Flexibilita konfigurace Příjem multicast zpráv s časovou synchronizací Konzistence dat v systému Multimaster Detekce a korekce chyb Automatické opakované vyslání poškozené zprávy při uvolnění sběrnice Rozlišení   mezi   přechodnými   chybami   a   trvalým   selháním   stanic   a   jejich automatické odpojení

1

Zprávy Informace je po sběrnici posílána v pevném formátu zpráv různé, ale omezené délky. Kdykoli je sběrnice volná, kterákoli připojená stanice může začít vysílat novou zprávu. V CAN systémech CAN stanice nepoužívají žádných informací o konfiguraci systému (adresy stanic). To má několik důležitých důsledků: ●

●

●

●

Flexibilita  systému – stanice mohou být do systému přidány bez jakékoli změny v hardware nebo software kterékoli stanice nebo aplikace. Směrování zpráv – obsah zprávy je pojmenován IDENTIFIKÁTORem, který neurčuje cíl zprávy, ale popisuje význam dat, takže všechny stanice v síti se mohou na základě filtrování zpráv rozhodnout, zda zprávu přijmou či nikoli. Multicast – v důsledku konceptu filtrování zpráv může jakýkoli počet stanic přijmout a současně reagovat na tu samou zprávu. Konzistence  dat –   v CAN  je zaručeno,   že zpráva  je  přijata   současně  buď všemi nebo žádnou ze stanic, tudíž konzistence dat v systému je dosažena koncepty multicastu a ošetření chyb.

Přenosová rychlost Rychlost sběrnice může být v různých systémech různá, avšak v daném systému je rychlost jednotná a pevná. Priority IDENTIFIKÁTOR   definuje   statickou   prioritu   zprávy   během   přístupu   na sběrnici. Vyžádání dat Zasláním REMOTE FRAME může stanice vyžadující data požádat jinou stanici o   zaslání   DATA   FRAME.   DATA   FRAME   a   REMOTE   FRAME   jsou   pojmenovány stejným IDENTIFIKÁTORem. Multimaster Pokud je sběrnice volná, jakákoli stanice může začít vysílat zprávu. Stanice se zprávou nejvyšší priority získá přístup ke sběrnici.

2

Arbitráž Kdykoli je sběrnice volná, může kterákoli stanice začít vysílat zprávu. Jestliže 2 nebo  více  stanic   začne  vysílat   ve  stejnou  dobu,   konflikt   při  přístupu ke  sběrnici  je vyřešen   bitově   orientovanou   arbitráží   pomocí   IDENTIFIKÁTORu.   Mechanismus arbitráže  zaručuje,  že žádná informace ani  časový  úsek nejsou ztraceny.  Jestliže  je současně   vysílán   REMOTE   FRAME   a   DATA   FRAME   se   stejným IDENTIFIKÁTORem,   zvítězí   DATA   FRAME.   Během   arbitráže   každý   vysílač porovnává úroveň vysílaného bitu s úrovní detekovanou na sběrnici. Pokud jsou obě úrovně shodné, může stanice pokračovat ve vysílání. Jestliže je vysílána „recesivní“ úroveň   a   detekována   na   sběrnici   je   úroveň   „dominantní“,   musí   stanice   okamžitě přestat vysílat. Bezpečnost Z důvodu dosažení maximální bezpečnosti při přenosu je do každé CAN stanice implementována silná detekce, signalizace a samočinná kontrola chyb. Detekce chyb ●

● ● ●

Monitorování   (vysílače  porovnávají   úroveň  vysílaného   bitu  s  detekovanou úrovní na sběrnici). CRC Vkládání bitů Kontrola rámce zprávy

Spolehlivost detekce chyb Vlastnosti mechanismu detekce chyb: ● ● ● ● ●

Jsou detekovány všechny globální chyby Jsou detekovány všechny lokální chyby ve vysílačích Je detekováno až 5 náhodně rozprostřených chyb ve zprávě Ve zprávě jsou detekovány shluky chyb až do délky 15 Ve zprávě jsou detekovány chyby jakéhokoli lichého počtu

3

Signalizace chyb a doba zotavení Poškozené   zprávy   jsou   označeny   kteroukoli   stanicí   detekující   chybu.   Takové zprávy jsou zrušeny a budou automaticky poslány znovu. Doba zotavení od detekce chyby   do  začátku  vysílání  další  zprávy  je  nejvýše  31   bitů,  pokud  nedošlo  k dalším chybám. Omezení selhání CAN stanice jsou schopny rozlišit mezi krátkým rušením a trvalým selháním. Vadné stanice jsou odpojeny. Spojení Sériová   komunikační   linka   CAN   je   sběrnice,   ke   které   může   být   připojeno množství   stanic.   Toto   množství   nemá   teoretický   limit.   Prakticky   bude   počet   stanic omezen zpožděním a elektrickým zatížením linky. Úrovně sběrnice Sběrnice může nabývat dvou komplementárních logických hodnot: „dominantní“ a   „recesivní“.   Během   současného   přenosu   „dominantního“   a   „recesivního“   bitu převládne   „dominantní“   bit.   Například   v   případě   implementace   funkce   AND   na přenosovém   médiu   bude   „dominantní“   úroveň   reprezentována   logickou   „0“   a „recesivní“ úroveň logickou „1“. Potvrzování Všechny   vysílače   kontrolují   konzistenci   přijaté   zprávy   a   buď   potvrzují   v pořádku přijaté zprávy nebo označí vadné. Režim spánku/probuzení Aby se snížila   spotřeba systému, může být  CAN stanice  přepnuta  do režimu spánku   (bez   jakýchkoli   vnitřních   aktivit   a   s   odpojenými   budiči   sběrnice).   Režim spánku   může   být   ukončen   detekovanou   aktivitou   na   sběrnici   nebo   vnitřními podmínkami stanice. Při probuzení jsou vnitřní aktivity  stanice restartovány, MAC vrstva stanice čeká na stabilizaci oscilátoru a poté se synchronizuje  se sběrnicí. Po dokončení synchronizace jsou připojeny budiče sběrnice. 4

Tolerance oscilátoru Tolerance oscilátoru je omezena 1,58%, tedy pro rychlosti do 125 Kb/s je možno využít keramické rezonátory, pro vyšší frekvence je nutné použít krystal.

2.2. Zprávy Formáty rámců Existují dva formáty rámců, lišící se délkou pole IDENTIFIKÁTOR. Rámce s 11­bitovým   IDENTIFIKÁTORem   jsou   Standardní   rámce,   rámce   s   29­bitovým IDENTIFIKÁTORem jsou Rozšířené rámce. Typy rámců Přenos zpráv je zajištěn a řízen čtyřmi typy rámců: ● ●

● ●

DATA FRAME přenáší data od vysílače k přijímači. REMOTE   FRAME   je   vyslán   stanicí,   požadující   přenos   DATA   FRAME   se stejným IDENTIFIKÁTORem. ERROR FRAME je vyslán jakoukoli stanicí detekující chybu na sběrnici. OVERLOAD   FRAME   je   používán   k   poskytnutí   zvláštní   prodlevy   mezi předchozím a následujícím DATA FRAME nebo REMOTE FRAME.

DATA   FRAME   a   REMOTE   FRAME   mohou   být   použity   v   obou   formátech (standardní, rozšířený) a jsou navzájem odděleny Mezirámcovým prostorem. DATA FRAME DATA   FRAME   sestává   ze   sedmi   bitových   polí:   začátku   rámce,   arbitrážního pole, řídícího pole, datového pole, kontrolního pole, potvrzovacího pole, a konce rámce. Datové pole může mít nulovou délku. Začátek rámce Začátek   rámce   (SOF)   označuje   počátek   DATA   FRAME   a   REMOTE   FRAME. Sestává z jednoho „dominantního“ bitu. Stanici je povoleno začít vysílat pouze když je sběrnice v klidu. Všechny uzly se musí synchronizovat s touto náběžnou hranou SOF.

5

Arbitrážní pole Formát   arbitrážního   pole   závisí   na   typu   rámce.   V   standardním   rámci   má arbitrážní pole 11 bitů IDENTIFIKÁTORu a 1 RTR bit. Bity IDENTIFIKÁTORu se označují   ID28…ID18.   V   rozšířeném   rámci   má   arbitrážní   pole   29   bitů IDENTIFIKÁTORu, SRR bit, IDE bit a RTR bit. Bity IDENTIFIKÁTORu se označují ID28…ID0. Z důvodu rozlišení mezi standardním a rozšířeným rámcem dostal rezervovaný bit „r1“ funkci IDE bitu.

Obrázek 2.2.1. Datový rámec IDENTIFIKÁTOR IDENTIFIKÁTOR má ve standardním formátu délku 11 bitů a odpovídá tzv. BASE  ID  v  rozšířeném  formátu.  Tyto   bity  jsou  vysílány  v   pořadí  od   ID28  k  ID18. Nejméně významným bitem je ID18. Ze sedmi nejvýznamnějších bitů (ID28 – ID22) musí být alespoň jeden bit „dominantní“. V   rozšířeném   formátu   je   IDENTIFIKÁTOR   rozšířen   o   dalších   18   bitů (EXTENDED ID). Jsou vysílány v pořadí od ID17 k ID0.

6

V   standardním   rámci   je   IDENTIFIKÁTOR   následován   RTR   (Remote Transmission Request) bitem. DATA FRAME má tento bit „dominantní“, REMOTE FRAME „recesivní“. SRR bit SRR (Substitute  Remote Request) bit  v  rozšířeném  rámci  nahrazuje  RTR bit standardního   rámce.   Jde   o   „recesivní“   bit,   tudíž   je   v   případě   kolize   standardního rámce a rozšířeného rámce se stejným ID upřednostněn standardní rámec.

Obrázek 2.2.2. Detail datového rámce IDE bit IDE   (IDentifier   Extension)   bit   leží   ve   standardním   rámci   v   řídícím   poli,   v rozšířeném rámci v arbitrážním poli. Ve standardním rámci je vysílán „dominantní“, v rozšířeném „recesivní“.

7

Řídící pole Řídící pole sestává z šesti bitů, ve standardním formátu to jsou 4 bity délky dat (DLC), „dominantní“ IDE bit a rezervovaný bit „r0“. V rozšířeném formátu jsou to 4 bity DLC a rezervované bity „r0“ a „r1“. Tyto bity musí být vysílány dominantní, ale přijímače akceptují obě úrovně. DLC 4 bity  udávající délku datového pole v bajtech mají povoleny hodnoty <0..8>. Hodnota 0 je kódována „dominantními“ bity. Datové pole Datové pole může mít délku 0 – 8 bajtů po 8 bitech vysílaných nejvýznamnějším bitem jako prvním. Kontrolní (CRC) pole Obsahuje 15­bitový kontrolní součet (CRC) všech předcházejících bitů vč. SOF. Následuje jeden „recesivní“ bit jako oddělovač. Potvrzovací pole Obsahuje 2 „recesivní“ bity. Příjemce, který obdrží zprávu v pořádku, nastaví první z těchto bitů na „dominantní“ úroveň. Konec rámce Každý DATA FRAME a REMOTE FRAME je oddělen sérií sedmi „recesivních“ bitů. REMOTE FRAME Přijímací uzel si může zažádat o zaslání dat vysláním REMOTE FRAME. Od DATA FRAME se liší tím, že nemá datové pole a RTR bit má „recesivní“ úroveň. Jeho čtyřbitové pole DLC určuje délku <0..8> datového pole očekávaného DATA FRAME. Chybový rámec, rámec přetížení a mezirámcový prostor Mimo   rámce   uvedené   dříve   ještě   existují   chybové   rámce,   kterými   stanice signalizují   detekovaný   chybový   stav   na   sběrnici,   rámce   přetížení,   kterými   může přijímací   stanice   pozdržet   vyslání   dalšího   DATA   FRAME   nebo   REMOTE   FRAME (maximálně ale 2x po sobě) a mezirámcový prostor, ve kterém stanice detekují klidový stav   sběrnice  (a  tedy   možnost  zahájení   vlastního   vysílání).  Detaily   nejsou  pro tuto 8

práci podstatné, zájemce odkazuji na specifikaci.

2.3. Filtrování zpráv Filtrování   zpráv   je   zcela   založeno   na   IDENTIFIKÁTORu.   Volitelné   registry masek  dovolují   mapovat   určité   skupiny   IDENTIFIKÁTORů   na  vyrovnávací   paměti přijímače. Délka registru masky může zahrnovat celý IDENTIFIKÁTOR nebo jen jeho část.

2.4. Platnost zpráv Okamžik,   kdy   je   zpráva   uznána   platnou,   se   u   příjemce   a   vysílače   liší.   Pro vysílač  je  tímto okamžikem  konec pole, označujícího  konec rámce. Pokud  je zpráva poškozena, je automaticky poslána znovu s ohledem na její prioritu. Arbitráž o nový přístup ke sběrnici začíná ihned poté, kdy je detekován klidový stav na sběrnici. Pro příjemce je tímto okamžikem předposlední bit pole, označujícího konec rámce.

2.5. Kódování Bitový tok polí začátek rámce (SOF), arbitrážní pole, řídící pole, datové pole a kontrolní (CRC) pole je kódován metodou NRZ (No­Return­to­Zero). Ostatní pole mají pevnou formu a nejsou metodou NRZ upravována.

2.6. Fyzická vrstva Fyzická vrstva může být v podstatě realizována jakýmkoli médiem, schopným reprezentovat   „recesivní“   a   „dominantní“   úroveň.   Elektrická   a   optická   média   jsou tudíž samozřejmostí. Je možné i vysílání bezdrátové a vysílání po napájecím vedení.  Pro optická média standard neexistuje, pro elektrická média jich je na výběr několik: ●

ISO   11898­2   (vysokorychlostní)   je   nejpoužívanějším   standardem   v   CAN. Rychlost až 1 Mb/s s teoretickou délkou sběrnice 40  m při 1 Mb/s. Jde o diferenciální dvouvodičovou sběrnici s napěťovými úrovněmi –2 V a +7 V, se zakončovací rezistancí 120 Ohmů. Pro automobilový průmysl byla vydána specifikace SAE J2284, pro ostatní aplikace je možno použít doporučení CiA 102.

9

●

●

●

ISO   11898­3   (odolná   vůči   chybám)   umožňuje   přenos   dat   asymetricky   po jednom vodiči v případě výpadku druhého. Definuje rychlosti do 125 Kb/s s 32 uzly a napěťovými úrovněmi –2 V a +7 V. Napájecí napětí je stanoveno na   5   V.   Předpokládá   malou   rozlohu   sítě   a   možnost   použití   nezakončené sběrnice. SAE J2411 (jeden vodič) – rychlost do 33,3 Kb/s (83,3 Kb/s pro diagnostiku), do 32 uzlů, standard zahrnuje selektivní režim spánku. ISO   11992   (bod­bod)   –   sériové   zapojení   uzlů,   rychlost   125   Kb/s,   délka sběrnice 40 m, jako médium je definována nestíněná kroucená dvoulinka, napájecí napětí 12 V nebo 24 V.

2.7. Omezení selhání S ohledem na omezení selhání sítě jsou pro každou stanici definovány 3 možné stavy: ● ● ●

„error active“ „error passive“ „bus off“

Každá   stanice  obsahuje   2  čítače  chyb:  čítač   chyb  při   příjmu   a   čítač  chyb  při vysílání. S ohledem na závažnost chyby při příjmu/vysílání jsou tyto čítače zvyšovány o jistou hodnotu, při příjmu/vyslání rámce bez chyby  jsou čítače snižovány o 1. Při běžném   provozu   na   sběrnici   se   stanice   nacházejí   ve   stavu   „error   active“,   kdy   se aktivně  podílejí  na  komunikaci  a  při detekci chyby  vysílají  příznak chyby  ACTIVE ERROR FLAG. Při překročení hodnoty 127 v některém z čítačů se stanice přepne do stavu „error passive“ , ve kterém je jí dovolena komunikace po sběrnici, ale při detekci chyby vysílá pouze příznak PASSIVE ERROR FLAG a po vysílání musí jistou dobu čekat,   než   smí   zahájit   další   vysílání   (jsou   upřednostněny   „zdravé“   uzly).   Pokud některý z čítačů přesáhne hodnotu 255, stanice odpojí své budiče sběrnice a přestane se podílet na komunikaci na sběrnici. Stanici je dovoleno přejít zpět do stavu „error active“ poté, co jsou oba její čítače vynulovány po 128 detekcích 11 „recesivních“ bitů na sběrnici. (Poznámka: Hodnota 96 a vyšší je již známkou silně rušené sběrnice.)

10

3. USB Standard USB je vzhledem ke svému rozšíření již dobře znám a proto se zde omezím jen na některé skutečnosti, které jsem při návrhu převodníku bral v úvahu. Zájemce o detaily standardu USB odkazuji na specifikaci protokolu na internetu. NAPÁJENÍ USB zařízení smí v režimu obecného zařízení (stav před registrací zařízení u hostitele,   tzv.   enumerací)  odebírat   maximálně   100   mA.  Taktéž   zařízení   s   vlastním napájením smí odebírat maximálně 100 mA. Z toho důvodu je nutné zařízení napájené z USB navrhnout tak, aby v počáteční fázi nepřekročila jeho spotřeba tuto hranici. Během identifikace zařízení hostitelem v procesu enumerace je možné si pro zařízení napájené pouze z USB vyjednat až 500 mA (v takovém případě je nutné, aby USB zařízení nesdílelo tzv. „Root port“ s dalšími zařízeními napájenými z USB). REŽIMY PŘENOSU Vzhledem k různým požadavkům zařízení na přenos dat standard USB definuje tyto režimy přenosu: ●

●

●

„BULK“  ­   určený   pro   přenos   velkého   množství   dat   bez   nároku   na přenosovou kapacitu a zpoždění (přístup ke sběrnici je přidělován systémem best­effort ­ „co zbude“).  Maximální velikost dat je 64 B pro rychlá zařízení (12   Mb/s   –   tzv.   FULL­SPEED),   8   B   pro   pomalá   (1,5   Mb/s).   Je   zaručeno doručení   dat   (automatické   opakování   vysílání   dat   v   případě   chyby   při přenosu). Je dostupný pouze FULL­SPEED zařízením. „INTERRUPT“ ­ určený pro občasný přenos malého množství dat a zařízení při   něm   má   zaručenu   periodu   přístupu   ke   sběrnici   mezi   dvěma   po   sobě jdoucími přenosy (1 ms až 255 ms pro rychlá zařízení a 10 ms až 255 ms pro pomalá zařízení). Maximální velikost dat je 64 B pro rychlá zařízení, 8 B pro pomalá. Při chybě při přenosu jsou data automaticky vyslána znovu v příští periodě (garantované doručení dat). ISOCHRONNÍ   (IN,   OUT,   IN/OUT)  –   určený   pro   přenos   konstantního množství   dat   v   pravidelných   intervalech   (je   ohraničeno   zpoždění). Maximální velikost dat je 1023 B. USB řadiče při něm nezajišťují opětovný přenos   při   chybách   při   přenosu.   Je   dostupný   pouze   FULL­SPEED zařízením. 11

●

ŘÍDÍCÍ – určený především pro přenos příkazů, konfiguračních dat a stavu zařízení. Maximální velikost dat je 64 B pro rychlá zařízení, 8 B pro pomalá. Chyby   při   přenosu   jsou   napravovány   opětovným   vysláním   dat.   V   tomto řežimu   přenosu   si   není   možno   nárokovat   konkrétní   části   přenosové kapacity, je přidělována systémem „co zbude“.

U režimů přenosu, kde je jistá vlastnost garantována, je její splnění zaručeno během   celé   doby   aktivní   funkce   zařízení,   neboť   schopnost   dodržet   vyjednané parametry hostitelský USB řadič předem zjišťuje (při procesu enumerace) na základě vyjednaných parametrů s  ostatními zařízeními, které se registrovaly dříve. Pokud je hostitelský   USB   řadič   schopen   svým   závazkům   dostát,   je   zařízení   přijato,   jinak   je enumerace neúspěšná. Následující   tabulka   uvádí   mezní   hodnoty   pro   přenosovou   kapacitu   a   počet přenosů v rámci jednoho přiděleného přístupu na sběrnici pro různé režimy přenosu a velikosti přenášených dat (paketů) pro FULL­SPEED zařízení: Režim

Velikost dat

přenosu

Maximá lní

Maximá lní

přenosová

počet přenosů

Užitečn á  data

kapacita (B/s) „Bulk“

1

107000

107

107

„Interrupt“

1

107000

107

107

Isochronní

1

150000

150

150

Řídící

1

32000

32

32

„Bulk“

64

1216000

19

1216

„Interrupt“

64

1216000

19

1216

Isochronní

1023

1023000

1

1023

Řídící

64

832000

13

832

Maximální   počet   přenosů   znamená   maximální   MOŽNÝ   počet   přenosů,   nikoli počet zaručený. Např. v případě „Interrupt“ režimu při vyjednání 1 ms intervalu je zaručena pouze možnost poslat jeden USB „paket“ o délce 64 B každou milisekundu, nikoli všech možných 19 paketů za milisekundu (to závisí na zatížení sběrnice).

12

S   ohledem   na   výše   uvedené   skutečnosti   se   mi   jeví  pro   převodník  jako nejvýhodnější režim přenosu režim „Interrupt“ a to z těchto důvodů: ●

●

●

Poskytuje   určitou   záruku   zpoždění   –   data   lze   odesílat   v   intervalu   1   ms. Převodník by tak bylo možné použít pro řízení v reálném čase (u systémů bez extrémních nároků na těsnost zpětné vazby). Odpadá   režie   ovladačů   s   ošetřením   chyb   při   přenosu   na   rozdíl   od isochronního režimu. Maximálně   využívá   přenosovou   kapacitu   USB   (v   případě   nezatížené sběrnice nebo pokud je zařízení k „Root portu“ USB hostitele připojeno jako jediné).

Poznámka:   Z   předchozí   kapitoly   vyplývá,   že   vzhledem   k   délce   CAN   zpráv   a rychlosti CAN sběrnice tato dokáže „generovat“ za 1 ms několik zpráv. Z toho důvodu by bylo výhodné vzhledem k režii ovladačů CAN a USB v převodníku a vzhledem k využití přenosové kapacity USB, aby se zprávy přes USB neposílaly vždy jednotlivě, ale pokud se jich během onoho min. 1 ms intervalu USB vyskytne více,  sloučit je do jednoho   USB   „paketu“.   Zvětší   se   tím   sice   mírně   zpoždění   doručování   zpráv   (kvůli zvýšení režie ovladače z důvodu zavedení komunikačního protokolu nad USB), ale v případě použití převodníku pro intenzivní řízení nebo průběžnou (on­line) diagnostiku na   více   zatížené   sběrnici   CAN   by   se   tak   podstatně   zvýšila   přenosová   kapacita převodníku. Z   výše   uvedených   poznatků   vyplývá,   že   je   tedy   reálně   nutné   počítat   se zpožděním   takového   převodníku   v  řádu  několika   málo   milisekund.   Je   také   vhodné implementovat   v   převodníku   větší   vyrovnávací   paměť   (i   pro   možnost   off­line zpracování přijatých CAN zpráv).

13

4. Hardware V této kapitole jsou popsány technické prostředky převodníku, navržené v rámci diplomové práce.

4.1. MCU Vzhledem ke skutečnostem uvedeným v předchozí kapitole byl (i s ohledem na cenu) jako  základ  převodníku vybrán jednočipový mikropočítač  fy Hitachi H8S2638 (dále jen MCU). Na katedře řídící techniky byl již použit i v jiných projektech, jeho mechanické   vlastnosti   nevyžadují   speciální   zacházení   a   jsou   pro   něj   k   dispozici   i základní programové prostředky (GNU C, program pro zavádění software do paměti přes   integrované   sériové   rozhraní).   Jeho   srdcem   je   32­bitový   CISC   procesor   řady H8S/2600, který většinu instrukcí, nemajících operandy uložené v paměti, provede v jednom cyklu procesoru. Vzhledem k maximální pracovní frekvenci až 20 MHz je tak s ohledem na předpokládané využití převodníku dostatečně výkonný. Stručná charakteristika MCU: ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

32­bitový CISC procesor Pracovní frekvence až 20 MHz Sdílený adresní prostor 16 MB pro I/O a paměť Kompatibilní s CPU řady H8/300 10 vstupně­výstupních bran (I/O portů), 2 vstupní porty Watchdog, časovač, pulsní generátor PWM pro řízení motorů 2x rozhraní CAN 2x sériové rozhraní (SCI) D/A a A/D převodník 256 KB vnitřní FLASH ROM, 16 KB vnitřní RAM Napájecí napětí 5 V, maximální odběr proudu 90 mA (při 20 Mhz).

14

4.2. Řadič USB Jako řadič USB byl vybrán obvod fy Philips PDIUSBD12, který je dostupný i v maloobchodní  síti a  taktéž je již  na  katedře  využíván.  Tento obvod obsahuje   mimo povinného řídícího kanálu (endpointu) 0 ještě jeden nízkorychlostní endpoint a jeden vysokorychlostní   endpoint   (až  1   MB/s)   se  zdvojenou  vyrovnávací   pamětí   (2x   64   B). Endpointy   mohou   pracovat   v   režimech:   „bulk“,   „interrupt“,   isochronní   vstupní, isochronní výstupní a isochronní vstupně­výstupní.  Stručná charakteristika PDIUSBD12: ● ● ● ● ● ●

Vyhovuje USB specifikaci 2.0 (základní rychlost) 2 MB/s paralelní rozhraní Zcela autonomní DMA pro vysokorychlostní endpoint 3 endpointy Až 1 MB/s v režimech „bulk“ a „interrupt“ Napájecí napětí 3,3 V nebo 5 V, maximální odběr proudu 15 mA

4.3. Převodník Převodník je navržen jako modulární, aby bylo možno jej využít i pro jiné účely. Základ   tvoří   MCU   s   obvody   pro   CAN,   RS­232   a   USB   rozhraní,   paměť   se   k   této základní desce připojuje pomocí  konektoru s vyvedenou adresní a datovou sběrnicí a řídícími signály (RD_N, LWR_N, HWR_N, AS_N, CS2_N a CS3_N). Desku je možno napájet jak z USB, tak z externího zdroje napětí 5 V, které se na desku přivádí přes 2­ pinový   konektor   (header).   Pro   výběr   zdroje   napájecího   napětí   (USB   /   externí)   je   v návrhu použit multiplexer TPS2115A fy Texas Instruments, zvládající proud do 1,25 A,   což   je   tudíž   limitem   pro   celkovou   spotřebu   desky   včetně   modulu   paměti.   Jako výchozí zdroj napájení je určen externí zdroj. Aktuální zdroj napájení je hlášen MCU na jednom z jeho portů (řídícím portem desky je port J). Aby   bylo   možno   zařízení   napájet   z   USB,   je   napájení   pro   obvody   pro   CAN   a paměťový   modul   po   RESETu   blokováno   MOS­FETem,   řízeným   signálem PVCC_ENA_N   z  portu  J  MCU.  Dále  je  použit  5  MHz  krystal  pro snížení  spotřeby MCU do vyjednání vyššího odběru z USB, kdy může být frekvence MCU vnitřním PLL programově zvýšena až na čtyřnásobek (MCU má v takovém případě odběr až 90 mA). Součástí desky jsou 3 LED pro ladící účely, připojené k řídícímu portu J.

15

Obrázek 4.3.1. Blokové schéma převodníku

4.3.1. Rozhraní RS­232 Vodiče pro příjem (Rx) a vysílání (Tx) programovacího sériového rozhraní MCU (SCI1) používané MCU k nahrání software do vnitřní RAM, jsou na desce vyvedeny přes obvod MAX232 na standardní DB9F konektor pro RS­232 (DCE). Zbylé datové vodiče   obvodu   MAX232   byly   použity   pro   signály   hardwarového   řízení   toku   (RTS1, CTS1), připojené k řídící bráně MCU (RTS1 ­ port J) a na vstupní vývod MCU pro přerušení (CTS1 ­ IRQ5_N). Druhé sériové rozhraní (SCI0) (Rx, Tx) spolu se signály RTS0 a CTS0 (IRQ4_N) je vyvedeno v TTL úrovních na  vnitřní konektor. Je určeno především   pro   ladící   účely.   Schopnost   MCU   reagovat   jak   na   vzestupnou,   tak   na sestupnou hranu signálu na svých vstupech pro přerušení, usnadňuje návrh ovladače pro sériové rozhraní reflektujícího hardwarové řízení toku.

16

4.3.2. Rozhraní USB Rozhraní USB je tedy tvořeno obvodem PDIUSBD12 s několika málo pasivními součástkami. Zapojení na USB straně je převzato ze schématu ukázkového zapojení obvodu výrobce pro napájecí napětí 5 V. K MCU je připojen 8­bitovou datovou sběrnicí, adresním bitem A0 a řídícími signály RD_N, HWR_N, CS1_N a IRQ2_N). Posledním řídícím   signálem   je   signál   SUSPEND,   kterým   je   možno   z   MCU   převést   odvod PDIUSBD12 ze stavu snížené spotřeby (suspended) do aktivního stavu. Jelikož MCU nemá obvod DMA, je toto na straně PDIUSBD12 deaktivováno. Pro snazší indikaci funkčnosti USB rozhraní je k obvodu PDIUSBD12 připojena LED, která po inicializaci obvodu svítí, po programovém připojení k USB zhasne a při přenosu dat bliká. PDIUSBD12   je   v   adresním   prostoru   MCU   namapován   do   prostoru   adres 100000h až 1FFFFFh.

Obrázek 4.3.2.1. Výřez ze schématu se zapojením USB rozhraní

4.3.3. Rozhraní CAN Jako fyzická vrstva bylo vybráno doporučení CiA 102 specifikace ISO 11898­2. Vodiče pro přenos dat (Tx, Rx) od MCU jsou přivedeny přes rychlé optické oddělovače HPCL­0721   do   běžně   používaného   budiče   sběrnice   PCA82C250   a   ke   sběrnici   se připojují přes standardní DB9M konektor. Obvody pro CAN jsou napájeny přes 5 V galvanické oddělovače CDDSW1­0505S. Obě rozhraní CAN jsou vybavena přepínačem pro 120 Ω zakončení sběrnice. Napájení pro tuto část desky je přiváděno přes spínací tranzistor řízeného z MCU (port J) z důvodu minimalizace odběru převodníku z USB do úspěšně provedené registrace k PC (enumerace). Celková spotřeba CAN rozhraní při uvažování limitních hodnot činí cca 180 mA.

17

Obrázek 4.3.3.1. Výřez ze schématu se zapojením CAN rozhraní

4.3.4. Modul paměti Paměťový modul sestává ze dvou obvodů CY7C1049B statické paměti RAM v organizaci 512 Kb x 8 s přístupovou dobou 20 ns a dokáže tak pracovat v nejrychlejším možném cyklu sběrnice MCU, který činí 2 takty, tj. 50 ns (v tomto režimu vyžaduje MCU, aby byla data zapsána do 25 ns po aktivaci signálů LWR_N / HWR_N). Použití těchto  pamětí  vzhledem  k jejich maximálnímu  uváděnému odběru 185  mA (celkem tedy 370 mA) nezaručuje možnost napájení z USB, jelikož součet maximálních odběrů s dalšími  obvody  převodníku přesahuje  500   mA,  které  je  schopna   USB standardně dodávat. Vzhledem k modularitě je však možné v případě, že nebude požadována tak rychlá   paměť,   použít   jiný   modul   s   pamětí   s   nižšími   energetickými   nároky,   jejíž rychlost se běžně pohybuje okolo 55 ns a MCU při přístupu k této paměti zpomalit vložením   jednoho   nebo   více   taktů   do   cyklu   sběrnice   (provádí   se   programovou konfigurací   registrů   definujících   časování   přístupu   do   8   oblastí   adresního   prostoru MCU). Modul je v adresním prostoru MCU namapován do prostoru adres 200000h až 18

2FFFFFh. Součástí paměťového modulu je i konektor pro připojení displeje,  který je na katedře   používán.   Obsahuje   i   jednoduchý   dekodér   adresy   generující   signál   výběru (CS_N) pro displej a rozděluje tak adresní prostor nevyužitého signálu CS3_N, který je na modul vyveden z desky MCU. Napájení   paměťového   modulu   je   stejně   jako   v   případě   CAN   blokováno tranzistorem (výchozí stav po RESETu je ODPOJENO).

4.3.5. Konektory

SERIAL1 RS­232

CAN0

120 Ω pro CAN

SERIAL0 TTL

CAN1

EXT. PWR

PWM

USB

BOOT/ FLASH

RAM PWR RAM MODUL

Obrázek 4.3.5.1. Rozmístění konektorů na hlavní desce

19

4 SV2:

4

BOOT 1

FLASH, nepřepisovatelná 1

SV1: SV5:

4

1 1

FLASH, přepisovatelná 1

Externí zdroj, 1 = +5 V, 2 = GND Napájení RAM, 1 = +5 V, 2 = GND

1

X2:

1 – RTS 2 – CTS 3 – Rx 4 – Vcc 5 – Tx 6 - GND

0 1 X4:

SV4:

120 Ω zakončení CAN. CAN0 vypnuto, CAN1 zapnuto 2 1

20 19

1 – PH1, 2 – PH0, 3 – PH3, 4 – PH2, 5 – PH5, 6 – PH4, 7 – PH7, 8 – PH6 9 – TCLKA, 10 – TCLKB, 11 – TIOCA1, 12 – TCLKC, 13 – TIOCA2, 14 – TCLKD, 15 – AN6, 16 – AN7, 17 – AN4, 18 – AN5, 19 – GND, 20 - PVcc SV3:

41 42

1 2 1 – HWR_N 2 – LWR_N 3 – AS_N 4 – RD_N 5 – D1 6 – D0 7 – D3 …

19 – D15 20 – D14 21 – A1 22 – A0 23 – A3 …

39 – A15 40 – A14 41 – CS3_N 42 – CS2_N

Obrázek 4.3.5.2. Zapojení konektorů SV2: V BOOT režimu MCU očekává nahrání software do vnitřní RAM přes RS­232, ve FLASH režimu spouští program uložený ve FLASH ROM. __________________________________________________________________ Schéma a deska plošných spojů byly navrženy v programu Eagle německé firmy CadSoft Computer GmbH a jsou uloženy ve formátu tohoto programu na přiloženém CD. Schéma je k dispozici na CD také ve formě PNG souboru. 20

5. Software 5.1. CAN Ovladač pro CAN pro H8S/2638 MCU sestává ze dvou částí, první část zajišťuje obsluhu vyrovnávacích pamětí řadiče CAN v MCU, druhá poskytuje rozhraní (API) pro vyšší programové vrstvy (aplikaci). Každý ze dvou řadičů má k dispozici 16 vyrovnávacích pamětí (message boxů) <0..15> pro jednu zprávu, z nichž 15 jich je konfigurovatelných jak pro příjem, tak pro vysílání, vyrovnávací paměť číslo 0 je pouze pro příjem. Ovladač je využívá v režimu, kdy je polovina z nich nastavena na příjem a polovina na vysílání, čímž poskytuje 8 obousměrných   komunikačních   kanálů   na   jednom   CAN   portu.   Technické   omezení řadiče dovoluje maskování IDENTIFIKÁTORu pro příjem na každém portu pouze pro vyrovnávací   paměť   číslo   0.   Zprávy   jsou   vysílány   podle   priority   určené IDENTIFIKÁTORem. Ovladač   pracuje   v   režimu   přerušení,   kdy   reaguje   na   události:   přijetí   zprávy, přepsání nepřečtené zprávy novou, odeslání zprávy, zrušení odeslání zprávy, přechodu řadiče   do   „bus   off“   stavu   a   na   reset   řadiče.   Vzhledem   k   víceúrovňovému   systému přerušení MCU (Interrupt Mode 2), kdy může být rutina obsluhy přerušení přerušena událostí s vyšší prioritou, je ovladač vybaven zámkem, znemožňujícím jeho volání z aplikace, která zpracovává přerušení s vyšší prioritou (v případě takového volání je indikována volající aplikaci chyba a požadovaná operace se neprovede). Při   zpracování   přerušení   v   důsledku   přijetí   nebo   vyslání   zprávy   (a   uvolnění vyrovnávací paměti vysílače) ovladač posune ukazatele v seznamu zpráv předaného druhou vrstvou ovladače a připraví se na příjem nebo vyšle další zprávu. V případě přechodu řadiče CAN do „bus off“ stavu jsou všechny popisovače vyrovnávacích pamětí (kanálů)   uzavřeny   a   v   případě   blokujících   operací   pro   příjem   a   vysílání   je   řízení předáno zpět aplikaci s indikací chyby). Po uzavření všech popisovačů je řadič CAN přepnut do stavu snížené spotřeby a před dalším použitím je nutné jej reinicializovat (reset), což je provedeno automaticky při pokusu o otevření kanálu. První vrstva ovladače také zajišťuje (pod podmínkou, že nejsou otevřeny žádné popisovače kanálů) inicializaci řadiče a nastavení rychlosti sběrnice. Druhá   vrstva   zajišťuje   předávání   seznamu   přijatých   zpráv   a   seznamu IDENTIFIKÁTORů zpráv, které mají být přijaty, mezi aplikací a první (nižší) částí ovladače. Pro tuto část ovladače bylo zvoleno programové rozhraní (API) shodné s API komponenty   „CANopen   device“   projektu   OCERA   (www.ocera.org).   Při   přístupu   k vnitřním   strukturám   ovladače   tato   vrstva   zakazuje   přerušení   od   řadiče   CAN,   aby

21

nemohla   být   přerušena   událostí   na   CAN   sběrnici   v   době   modifikace   vnitřních struktur. Kanály   jsou   aplikaci   přiřazovány   touto   druhou   vrstvou   automaticky   a vzestupně.   Pokud   je   tedy   třeba   pro   příjem   zpráv   využít   registr   masky IDENTIFIKÁTORu, je nutné, aby aplikace tento CAN port otevřela jako první.

Druhá vrstva (API)

Funkce pro příjem / vyslání posloupnosti zpráv, otevření / zavření kanálu (API)

Vnitřní stavové proměnné, ukazatelé na seznamy zpráv Zámek první vrstvy

První vrstva

Zpracování přerušení, příjem / vysílání zpráv

Obrázek 5.1.1. Struktura ovladače pro CAN pro MCU Ovladač je napsán v jazyce C, zdrojový kód je přístupný na přiloženém CD. Z ovladače jsou aplikaci přístupné tyto funkce: hcan_Init()  hcan_SetMask()  vca_open_handle() vca_close_handle() vca_send_msg_seq() vca_rec_msg_seq()  vca_wait()

­ inicializuje prostředí ovladače a řadič CAN na  požadovanou rychlost sběrnice, ­ nastaví masku IDENTIFIKÁTORu pro kanál číslo 0, ­ otevře komunikační kanál a vrátí jeho popisovač  aplikaci, ­ uzavře komunikační kanál, ­ odešle posloupnost zpráv, ­ přijme posloupnost zpráv. ­ testuje, zda byla zpráva odeslána/přijata.

22

Funkce  vca_send_msg_seq()  a  vca_rec_msg_seq()  mohou   pracovat   jak   v neblokujícím, tak v blokujícím režimu (vrátí řízení volající aplikaci až po odeslání / příjmu   všech   zpráv).   Bližší   popis   funkcí   a   jejich   parametrů   je   k   dispozici   v dokumentaci na přiloženém CD.

5.2. USB V tomto bodě má práce skončila, neboť se i přes velké množství vynaloženého času  a   usilí   nepodařilo   ovladač   USB  zprovoznit,   resp.   nedojde   k  úspěšné   registraci zařízení   u   hostitele   (enumeraci).   Po   dlouhodobém   testování   jsem   zjistil   tyto skutečnosti: Komunikace s hostitelským řadičem proběhne podle scénáře: 1) RESET USB sběrnice, 2) příjem USB požadavku „SET ADDRESS“, 3) příjem USB požadavku „SET ADDRESS“, 4) RESET USB sběrnice, 5) příjem USB požadavku „SET ADDRESS“, 6) příjem USB požadavku „SET ADDRESS“, 7) konec neúspěšné enumerace. Zjišťováním   stavu   obvodu   PDIUSBD12   v   průběhu   enumerace   jsem   zjistil,   že odpověď  (packet   nulové   délky)  na   požadavek   „SET   ADRESS“     je   do   PDIUSBD12 zapsána,   PDIUSBD12   hlásí,   že   ji   ve   své   výstupní   vyrovnávací   paměti   řídícího endpointu 0 má a čeká na odeslání, ale k odeslání již buď nedojde, nebo ji hostitel nerozpozná.  Studiem zdrojového kódu ovladače USB na straně Linuxu mého PC jsem zjistil, že na potvrzení přijetí požadavku „SET ADDRESS“ čeká PC 10 ms, a po té svůj požadavek zopakuje (viz bod 3 zjištěného scénáře neúspěšné enumerace). Rozborem kódu   USB   ovladače   na   straně   MCU   pro   PDIUSBD12   však   nenacházím   důvod   pro takovou   režii   zpracování   požadavku   „SET   ADDRESS“.   Celkový   počet   instrukcí   pro zpracování   tohoto   požadavku   nepřesahuje   1000   instrukcí,   což   při   době   jejich zpracování   na   20   MHz   MCU   zdaleka   nedosahuje   oněch   10   ms,   takže   selhání enumerace z důvodu přílišné prodlevy na straně převodníku vylučuji. Během   snahy   o   zprovoznění   mého   vlastního   USB   kódu   se   mému   vedoucímu diplomové práce podařilo přenést ovladač pro obvod PDIUSBD12 jiného diplomanta z minulých let na tento převodník  se zjištěním,  že se chová nestabilně (přenos dat z převodníku do PC selhává). Na mém počítači však tento ovladač nedokáže projít ani enumerací stejně jako můj testovací USB ovladač. Jiná USB zařízení však na příslušném USB portu mého PC pracují spolehlivě.

23

Příčinu   uvedeného   chování   se   do  doby   termínu  odevzdání   diplomové   práce   z časových důvodu již nepodařilo zjistit.

6. Závěr Ačkoli se původního cíle, kterým byla kompletní realizace převodníku CAN/USB po hardwarové i softwarové stránce, nepodařilo dosáhnout, výsledky mé práce našly velké uplatnění v jiných projektech realizovaných na katedře. Pro další pokračování na tomto projektu navrhuji jeden ze dvou postupů: 1) Využít USB rozhraní s obvodem PDIUSBD12 v té podobě, v jaké pracuje na deskách jiných zařízení na katedře, avšak realizovat jej na samostatné desce, aby bylo možné   jej   odzkoušet   i   na   jiných   platformách   a   odzkoušenou   verzi   pak   připojit   k modifikaci hardware navrženého v rámci této práce. 2) Vytvořit hardware navržený v této práci s jiným USB řadičem. Oba   postupy   by   měly   umožnit   zjistit   konkrétní   místo,   na   kterém   se  nachází příčina   problému   a   tím   i   napomoci   k   jeho   odstranění   a   vyvarování   se   výskytu podobných problémů při návrhu dalších USB zařízení.

24

7. Literatura Při návrhu jsem vycházel především z informací nalezených na internetu.  Zde uvádím seznam podstatných zdrojů informací: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]

Universal Serial Bus specification 1.1 a 2.0 URL: <www.usb.org> Controller Area Network specification 2.0B URL: <www.can.bosch.com> CiA 102 physical layer specification URL: <www.can­cia.org> H8S/2638 Series, Hardware Manual URL: <www.renesas.com> H8S/2638 Series, Programming Manual URL: <www.renesas.com> PDIUSBD12 Product data URL: <www.semiconductors.philips.com> Plošné spoje se SMD, návrh a konstrukce Nakladatelství Platan, 2000. Projekt OCERA URL: <www.ocera.org> Program Eagle. <www.cadsoft.de> GNU C. Program Doxygen. <www.stack.nl/~dimitri/doxygen/>

8. Obsah přiloženého CD Seznam adresářů na CD a jejich obsah: /hw

/src

Obsahuje schéma hlavní desky a paměťového modulu a  návrh jejich desky plošných spojů ve formátu programu  Eagle,  zároveň jsou k dispozici  i jako obrázky ve formátu   PNG. Obsahuje zdrojový kód ovladače pro CAN pro MCU. 25

/doc

Obsahuje dokumentaci zdrojového kódu ovladače pro CAN   pro MCU vygenerovanou programem DOXYGEN ve formátu  HTML a elektronickou podobu textu diplomové práce ve  formátu PDF.

26