Fakulta elektrotechnická

ˇ ´ vysok´ ˇen´ı technick´ Cesk e e uc e v Praze ´ Fakulta elektrotechnicka

´ PRACE ´ DIPLOMOVA ˇ ıdic´ı modul modelov´ R´ e lokomotivy pro ˇ dopravn´ı laboratoˇ r FD CVUT

Praha, 2011

Autor: Bc. Martin H¨ onig

Prohl´ aˇsen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

V Praze dne podpis

i

Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji vedouc´ımu diplomové práce Ing. V´ıtovi Fáberovi, Ph.D. za studin´ı materiály, konzultace a veden´ı v pr˚ ubˇehu zpracován´ı této diplomové práce. Dˇekuji Ing. Martinu Leso, Ph.D za moˇznost práce na velmi zaj´ımavém projektu a za materiáln´ı podporu, bez které by nebyla realizace ˇreˇsen´ı moˇzná. Dále dˇekuji Pavlovi H¨ ubnerovi ml. za cenné konzultace bˇehem návrhu elektroniky a Ing. Karlovi Duˇskovi, Ph.D. za pomoc pˇri osazován´ı Bluetooth modul˚ u na specializovaném pracoviˇsti.

ii

Abstrakt C´ılem této diplomové práce je dokonˇcen´ı vývoje ˇr´ıdic´ıho modulu pro modelové lokomoˇ ˇ ıdic´ı tivy, které budou nasazeny v budovaném dopravn´ım sále Fakulty dopravn´ı CVUT. R´ modul má za u ´ kol pˇrevz´ıt funkci komerˇcnˇe vyrábˇených modul˚ u s dodateˇcnou funkˇcnost´ı poˇzadovanou pro jeho nasazen´ı v dopravn´ım sále. Jmenovitˇe je poˇzadováno zpˇetnovazebnˇe ˇr´ıdit otáˇcky motoru na poˇzadované hodnotˇe ve vˇsech moˇzných reˇzimech zat´ıˇzen´ı soupravy, sb´ırat a pˇrepos´ılat data o poloze a ujeté vzdálenosti soupravy nadˇrazenému ˇr´ıd´ıc´ımu systému a zastoupit funkci zvukového modulu. Pro oboustranný pˇrenos je vyuˇzita bezdrátová technologie Bluetooth. Práce má za u ´ kol dle zadaných poˇzadavk˚ u a dosavadn´ıch ¨ nig, M., 2008), (Ho ¨ nig, M., 2009)) vybrat zkuˇsenost´ı (viz. (Pavliˇ sta, D., 2007), (Ho dostateˇcnˇe výkonnou a vhodnou mikroprocesorovou platformu, která pokryje dodateˇcné poˇzadavky na ˇr´ıdic´ı modul.

iii

Abstract The goal of these diploma thesis is finishing development of control module for model locomotive, wich will be operate on emerging transportation laboratory at CTU, Faculty of Transportation Sciences. Control module should take over a capabilities of commercially accessible control modules with some extra additional capabilities, wich is required for operating at transportation laboratory. Namely it should be capable of feedback controlling of motor at desired value at all possible load, gather and report position of train and distance moved to superior system and take over a function of sound module. Bluetooth wireless technology is used for bilateral comunication. Thesis should determin a sufficient performance microprocesor platform based on formentioned requirements and ¨ nig, M., 2008), (Ho ¨ nig, M., 2009)). present experinece (see. (Pavliˇ sta, D., 2007), (Ho

iv

vloˇzit origináln´ı zadán´ı !!!!!

v

vi

Obsah Seznam obr´ azk˚ u

ix

Seznam tabulek

xi

´ 1 Uvod

1

1.1

Pˇrehled souˇcasného stavu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2

Návrh fináln´ıho ˇreˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

ˇ sen´ı migrace na novou platformu 2 Reˇ 2.1

2.2

7

Analýza poˇzadavk˚ u na novou platformu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.1.1

Definice hodnot´ıc´ıch kritéri´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.1.2

Porovnán´ı sledovaných parametr˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.1.3

Nároky na výpoˇcetn´ı výkon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.1.4

Diskuze nad porovnán´ı kandidát˚ u na novou platformu . . . . . . .

14

Migrace funkˇcn´ıho kódu na novou platformu . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.2.1

16

Ovˇeˇren´ı splnˇen´ı p˚ uvodn´ı funkˇcnosti . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 N´ avrh a ˇ reˇ sen´ı zvukov´ eho modulu

17

3.1

Hardwarové ˇreˇsen´ı zvukového modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.2

Softwarové ˇreˇsen´ı zvukového modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.2.1

Modelován´ı dle DP M. Hajného . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.2.2

Modelován´ı dle Microsoft Train Simulator . . . . . . . . . . . . .

21

3.2.3

Modelován´ı pro vlastn´ı potˇrebu zvukového modulu . . . . . . . .

24

3.3

M´ıchán´ı v´ıce zdroj˚ u signálu v digitáln´ı podobˇe . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.4

Zvuková odezva emulace motoru na zmˇenu rychlosti j´ızdy . . . . . . . . .

27

4 Realizace nov´ eho ˇ r´ıdic´ıho modulu 4.1

29

Pˇrepracovaná zdrojová ˇcást modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii

30

4.1.2

ˇ sen´ı se superkapacitorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reˇ ˇ sen´ı s bateri´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reˇ

34

4.1.3

Výbˇer fináln´ıho ˇreˇsen´ı zálohován´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

Implementace HCI rozhran´ı pro komunikaci s BT modulem . . . . . . . .

36

4.2.1

HCI Command Packet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.2.2

HCI Event Packet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.2.3

HCI ACL/SCO Data Packet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

4.2.4

Proces vyjednán´ı spojen´ı mezi Bluetooth moduly . . . . . . . . .

42

4.3

Testován´ı alternativn´ı odometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.4

Dodateˇcnˇe pˇridané funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

4.5

Zástavba modulu do lokomotivy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

4.1.1

4.2

30

5 Z´ avˇ er

57

Literatura

61

A Kompletn´ı elektrick´ e schema ˇ r´ıdic´ıho modulu

I

B Seznam pouˇ zit´ eho software

IX

C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

XI

viii

Seznam obr´ azk˚ u 1.1

Blokové schema stávaj´ıc´ıho ˇr´ıdic´ıho modulu . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.2

Blokové schema navrhovaného pˇrepracovaného ˇr´ıdic´ıho modulu . . . . . .

5

3.1

Schéma zapojen´ı zvukové ˇcásti modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.2

Rekonstruované kˇrivky rychlostn´ıho koeficientu pˇrehrávaných vzork˚ u zvuk˚ u 23

3.3

Rekonstruované kˇrivky koeficientu zes´ılen´ı pˇrehrávaných vzork˚ u zvuk˚ u. .

23

3.4

Simulace m´ıchán´ı dvou signálu v digitáln´ı podobˇe . . . . . . . . . . . . .

26

3.5

Pˇrevodn´ı charakteristika stˇr´ıdy PWM signálu na rychlost j´ızdy . . . . . .

28

4.1

Simulace vyb´ıjen´ı superkapacitoru pˇri výpadku napájen´ı . . . . . . . . .

32

4.2

Simulace nab´ıjen´ı superkapacitoru pˇri nábˇehu napájen´ı . . . . . . . . . .

33

4.3

Schema zálohy napájen´ı pomoc´ı superkapacitoru . . . . . . . . . . . . . .

33

4.4

Schema zálohy napájen´ı pomoc´ı baterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

4.5

Schema komunikaˇcn´ıho kanálu mezi zaˇr´ızen´ımi pomoc´ı rozhran´ı HCI . . .

37

4.6

Formát HCI Command Packetu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

4.7

Formát HCI Event Packetu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.8

Formát HCI Data Packetu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.9

Porovnán´ı u ´ daj˚ u o rychlosti z r˚ uzných zdroj˚ u mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . .

45

4.10 Pˇrevodn´ı pomˇer u ´ daj˚ u o rychlosti v pr˚ ubˇehu celého mˇeˇren´ı . . . . . . . .

46

4.11 Mˇeˇren´ı délky okruhu pomoc´ı odometrie na bázi IR ˇcidla

. . . . . . . . .

48

4.12 Mˇeˇren´ı délky okruhu pomoc´ı odometrie na bázi BEMF . . . . . . . . . .

48

4.13 Schema detekce polarity napájen´ı v kolej´ıch . . . . . . . . . . . . . . . .

51

4.14 Tˇelo lokomotivy po odvrtán´ı a odfrézován´ı . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

4.15 Pohlez zespodu na sn´ımaˇc IR bal´ız bez plastového pˇrekrytu . . . . . . . .

52

4.16 Hotová zástavba kabeláˇze bez pˇripojeného ˇr´ıdic´ıho modulu . . . . . . . .

53

4.17 Hotová zástavba s osazeným ˇr´ıdic´ım modulem . . . . . . . . . . . . . . .

54

4.18 Pohled z boku - sloˇzen´ı fotografie s a bez kapoty . . . . . . . . . . . . . .

54

4.19 Fináln´ı sestava lokomotivy s rozsv´ıcenými hlavn´ımi svˇetly . . . . . . . . .

55

ix

A.1 Schema zdrojové ˇcásti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇcást 1 . . . . . . . . . . . . . . .

II

A.2 Schema zdrojové ˇcásti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇcást 2 . . . . . . . . . . . . . . .

III

A.3 Schema procesorové ˇcásti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇcást 1 . . . . . . . . . . . . .

IV

A.4 Schema procesorové ˇcásti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇcást 2 . . . . . . . . . . . . .

V

A.5 Schema motorové bud´ıc´ı ˇcásti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇcást 1 . . . . . . . . . .

VI

A.6 Schema motorové bud´ıc´ı ˇcásti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇcást 2 . . . . . . . . . .

VII

A.7 Schema procesorové ˇcásti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇcást 3 . . . . . . . . . . . . . VIII

x

Seznam tabulek 2.1

Porovnán´ı sledovaných parametr˚ u mikroprocesor˚ u . . . . . . . . . . . . .

11

2.2

12

2.3

Periodicky volané bloky kódu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ potˇrebný pro vykonán´ı operace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cas

4.1

Formát pˇr´ıchoz´ıho datagramu od BT serveru . . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.2

Význam nastaven´ı rychlosti v pˇr´ıchoz´ıch datech . . . . . . . . . . . . . .

42

4.3

Význam nastaven´ı svˇetla a zvuku v pˇr´ıchoz´ıch datech . . . . . . . . . . .

42

4.4

Formát standard. odchoz´ıho datagramu pro BT server . . . . . . . . . . .

42

4.5

Formát urgentn´ıho odchoz´ıho datagramu pro BT server . . . . . . . . . .

42

4.6

Namˇeˇrené délky okruh˚ u pomoc´ı odometrie ˇr´ıdic´ıho modulu . . . . . . . .

49

xi

14

xii

Kapitola 1 ´ Uvod ˇ ıd´ıc´ı modul je uˇcen pro potˇreby dopravn´ıho sálu budovaného v budové Fakulty doR´ ˇ pravn´ı CVUT v Praze. Dopravn´ı sál bude slouˇzit jako demonstraˇcn´ı pom˚ ucka nˇekolika pouˇz´ıvaných zabezpeˇcovac´ıch systém˚ u reálné ˇzeleznice. Konkrétnˇe se jedná o elektromeˇ 71 chanický zabezpeˇcovac´ı systém (tzv. bubnový stroj), releové zabezpeˇcovac´ı zaˇr´ızen´ı AZD a nejnovˇeji nasazované jednotné obsluˇzné pracoviˇstˇe dle základn´ıch technických poˇzadavk˚ u ZTP 4 (elektronické stavˇedlo). Sál se sestává z kombinace obsluˇzných stanoviˇst’ tˇechto zabezpeˇcovac´ıch systém˚ u a modelového kolejiˇstˇe, které slouˇz´ı jako ˇzivá vizualizace. Kolejiˇstˇe o rozloze cca 45 m2 je budováno v mˇeˇr´ıtku 1:87 (oznaˇcovaném jako H0). Uˇcebna by mˇela dále demonstrovat moˇznosti nasazen´ı sytému ETCS.

1.1

Pˇ rehled souˇ casn´ eho stavu

Lokomotivy oboustranˇe komunikuj´ı se servrem nadˇr´ızeného ˇr´ıdic´ıho a zabezpeˇcovac´ıho systému pomoc´ı bezdrátové technologie Bluetooth. Nadˇrazený systém ovládá rychlost a svˇetla lokomotivy. Lokomotivy hlás´ı nadˇrazenému systému aktuáln´ı rychlost lokomotivy, ujetou vzdálenost lokomotivy a posledn´ı detekovaný záchytný bod infrastruktury kolejiˇstˇe. Záchytné body jsou na známých m´ıstech infrastruktury a jsou realizovány jako vys´ılaˇce v infraˇcerveném spektru s kódován´ım Manchester. Lokomotiva, respektive ˇr´ıdic´ı modul, je napájen z kolejnic stejnosmˇerným napˇet´ım v rozsahu 12-14 V. Toto napˇet´ı je na modulu dvoucestnˇe usmˇernˇeno a vyuˇz´ıváno pro 1

´ KAPITOLA 1. UVOD

2

buzen´ı stejnosmˇerného motoru lokomotivy. Ostatn´ı elektronika je pˇripojen k stabilizoˇ ızen´ı otáˇcek motoru, sbˇer dat o projetých vanému rozvodu napájen´ı na u ´ rovni 5 V. R´ záchytných bodech infrastruktury a ujeté vzdálenosti, generován´ı zvukových efekt˚ u zajiˇst’uje mikroprocesor. Komunikace prob´ıhá pomoc´ı sériové linky, která je transparentnˇe repˇ ıdic´ı modul je likována modulem Bluetooth k nadˇrazenému systému na stranˇe serveru. R´ vybaven ˇcidlem otáˇcek motoru na bázi odrazivé infrazávory, analogovou ˇcást´ı pro mˇeˇren´ı zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı motorem a pˇrij´ımaˇcem v infraˇcerveném spektru sn´ımaj´ıc´ı kódy záchytných bod˚ u. Stávaj´ıc´ı ˇreˇsen´ı je postaveno na 8 bitové platformˇe RISC AVR, konkrétnˇe na ˇcipech ˇrady ATMega88/168. Tato platforma poskytuje pˇri taktovac´ı frekvenci 20 MHz výkon 20 MIPS. Do souˇcasné doby bylo implementováno a otestováno ˇreˇsen´ı, které zvládá ˇr´ızen´ı motoru, mˇeˇren´ı jeho otáˇcek IR závorou a mˇeˇren´ım zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı motoru. Dále bylo odzkouˇseno sn´ımán´ı a dekódován´ı záchytných bod˚ u infrastruktury a komunikace s testovac´ım modulem Bluetooth. Motivac´ı pro pˇrechod na výkonˇejˇs´ı platformu je integrace zvukového modulu, která by vytvoˇrila kompletn´ı náhradu komerˇcnˇe prodávaných ˇreˇsen´ı se splnˇen´ım pˇridaných poˇzadavk˚ u, které komerˇcn´ı ˇr´ıd´ıc´ı moduly nepokrývaj´ı. Analýza poˇzadavk˚ u a porovnán´ı dostupných mikroprocesor˚ u je jednou ze zásadn´ıch ˇcást´ı této práce. Blokové schema modulu je na obr. 1.1.

ˇ ˇ ´ 1.1. PREHLED SOUCASN EHO STAVU

3

3.3V Stabilizátor napětí

modul Bluetooth

5V CPU

Rozdílový zesilovač

Stabilizátor napětí

13V

H - můstek

IR odometr

Gretzův můstek

Obr´ azek 1.1: Blokové schema st´ avaj´ıc´ıho ˇr´ıdic´ıho modulu

IR balíza

´ KAPITOLA 1. UVOD

4

1.2

N´ avrh fin´ aln´ıho ˇ reˇsen´ı

ˇ ıdic´ı modul je tˇreba dodateˇcnˇe vybavit periferiemi, které dovol´ı integraci zvukového R´ modulu. Jedná se o pˇripojen´ı extern´ı pamˇeti, která poskytne dostatek m´ısta pro zvuková data za pˇrimˇeˇrenou cenu. Nejvhodnˇejˇs´ım ˇreˇsen´ım se ukazuje pamˇet’ flash s rozhran´ım SPI. Dále je tˇreba generovat audio signál pro reproduktor. Generován´ı signálu je moˇzné realizovat D/A pˇrevodn´ıkem, ale mikroprocesory s integrovaným D/A pˇrevodn´ıkem jsou pomˇernˇe drahé a pˇr´ıliˇs robustn´ı pro c´ılovou aplikaci, takˇze je moˇzné pouˇz´ıt bud’to malý extern´ı pˇrevodn´ık, nebo pouˇz´ıt PWM mikroprocesoru pro generovan´ı signálu, který po extern´ı filtraci bude zastupovat funkci D/A pˇrevodn´ıku. Vzhledem k dvoj´ımu zp˚ usobu mˇeˇren´ı rychlosti motoru bude zváˇzena moˇznost odstranˇen´ı sn´ımaˇce rychlosti motoru na infrazávory. To by umoˇznilo zjednoduˇsen´ı zástavby modulu do lokomotiv, protoˇze by jiˇz nebylo tˇreba znaˇckovat hˇr´ıdel ˇci setrvaˇcn´ık motoru a následnˇe upevˇ novat infraˇcervené ˇcidlo odrazu. Odstranˇen´ı tohoto ˇcidla je vˇsak podm´ınˇeno otestován´ım dostateˇcné pˇresnosti odometrie z´ıskávané integrac´ı, respektive sumac´ı zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı za známý ˇcasový u ´ sek. Dalˇs´ı podstatnou zmˇenou v ˇreˇsen´ı je pouˇzit´ı dob´ıjec´ıho akumulátoru nebo tzv. superkapacitoru m´ısto stávaj´ıc´ıho elektrolytického kondenzátoru. Ten vzhledem k pomˇernˇe enormn´ı kapacitˇe a tedy i rozmˇeru zab´ıral nezanedbatelný prostor a pˇri zapnut´ı napájen´ı zp˚ usoboval nepˇrijatelnou proudovou ˇspiˇcku. Kapacitor slouˇz´ı pro pokryt´ı výpadk˚ u napájen´ı, které jsou primárnˇe zp˚ usobeny neˇcistotami na kolejnic´ıch. Vytrvalejˇs´ı zdroj energie s menˇs´ım rozmˇerem umoˇzn´ı zástavbu reproduktoru a dále umoˇzn´ı zachovat komunikaci pˇri delˇs´ım výpadku napájen´ı a v pˇr´ıpadˇe uv´ıznut´ı m˚ uˇze nahlásit tento stav nadˇr´ızenému ˇ sen´ı by mˇelo také umoˇznit bezpeˇcné zachován´ı komunikace bˇehem pr˚ systému. Reˇ ujezdu obratiˇstˇem, pˇri kterém je tˇreba zmˇenit polaritu napájen´ı kolejnic pˇred výjezdem z u ´ seku smyˇcky obratiˇstˇe, protoˇze by jinak docházelo ke zkratu pˇri pr˚ ujezdu u ´ seku na rozhran´ı kolejiˇstˇe s opaˇcnou polaritou kolejnic. Blokové schema navrhovaného ˇreˇsen´ı ˇr´ıdic´ıho modulu je uvedeno na obr. 1.2.

´ ´ ÍHO RE ˇ SEN ˇ Í 1.2. NAVRH FINALN

5

modul Bluetooth

Filtr dolní propust CPU

Napájecí zdroj

Koncový stupeň

3,3V

Rozdílový zesilovač

Správa baterie H - můstek

IR odometr

IR balíza

Step-down konvertor 13V Gretzův můstek

Obr´ azek 1.2: Blokové schema navrhovaného pˇrepracovaného ˇr´ıdic´ıho modulu

6

´ KAPITOLA 1. UVOD

Kapitola 2 ˇ sen´ı migrace na novou platformu Reˇ

2.1

Anal´ yza poˇ zadavk˚ u na novou platformu

Výbˇer nové platformy je tˇreba podloˇzit analýzou souˇcasných poˇzadavk˚ u. Poˇzadavky jsou vyspecifikovány v následuj´ıc´ı podkap. 2.1.1. Pro splnˇen´ı tˇechto poˇzadavk˚ u je tˇreba definovat hodnot´ıc´ı kritéria, která budou schopna dát informaci o vhodnosti potenciálnˇe zvaˇzované nové platformˇe a pomohou tak objektivnˇe rozhodnout mezi kandidáty.

2.1.1

Definice hodnot´ıc´ıch krit´ eri´ı

Pro objektivn´ı zhodnocen´ı moˇznost´ı a výbˇer vhodné mikroprocesorové platformy je tˇreba definovat mˇeˇr´ıtka, kterými budeme hodnotit zvaˇzované kandidáty. Základn´ım a nezbytným poˇzadavkem je výbava nutnými periferiemi pro realizaci funkˇcnosti poˇzadované od ˇr´ıdic´ıho modulu. Dalˇs´ım mˇeˇr´ıtkem je fyzické pouzdro, ve kterém se daný ˇcip vyráb´ı, protoˇze to ovlivˇ nuje pouˇzitelnost v omezeném prostoru lokomotivy a dále také ovlivˇ nuje cenu tiˇstˇeného spoje, protoˇze je spoleˇcnˇe s modulem Bluetooth nejsloˇzitˇejˇs´ım obvodem na ˇr´ıdic´ım modulu a klade t´ım nejzásadnˇejˇs´ı poˇzadavky na tˇr´ıdu pˇresnosti a nutnou technologii osazen´ı tiˇstˇeného spoje. Posledn´ım a také velmi d˚ uleˇzitým mˇeˇr´ıtkem je softwarová podpora produktu. Dnes vyrábˇené mikroprocesory jsou cenovˇe a výkonovˇe 7

ˇ SEN ˇ Í MIGRACE NA NOVOU PLATFORMU KAPITOLA 2. RE

8

velmi ˇsiroce ˇskálované a je tedy moˇzno vybrat od r˚ uzných výrobc˚ u nˇekolik velmi podobnˇe vybavených ˇcip˚ u ve srovnatelné cenové relaci, ale je tˇreba také pˇrihlédnout k dostupnosti kvalitn´ıho a cenovˇe pˇrijatelného vývojového prostˇred´ı. Kromˇe tˇechto primárn´ıch kritéri´ı je jeˇstˇe vhodné pˇrihlédnout k jistým sekundárn´ım parametr˚ um. Tyto parametry jsou sekundárn´ı, protoˇze c´ılová aplikace bud’to neklade zásadn´ı nároky na zm´ınˇené parametry, nebo jsou zm´ınˇené parametry velmi vyrovnané u vˇsech zvaˇzovaných kandidát˚ u a proto na nˇe nen´ı tˇreba klást d˚ uraz. Definuji konkrétn´ı poˇzadavky na c´ılovou platformu. • primárn´ı poˇzadavky – dostateˇcný výpoˇcetn´ı výkon pro realizaci zvukového modelu ∗ výpoˇcetn´ı výkon v celoˇc´ıselné aritmetice ∗ výpoˇcetn´ı výkon v plovouc´ı ˇrádové ˇcárce – poˇzadované periferie ∗ sériové RS-232 roshran´ı (podpora RTS/CTS ˇr´ızen´ı toku výhodou) ∗ hardwarové PWM moduly s dostateˇcnou ˇskálovatelnost´ı periody a stˇr´ıdy pro ˇr´ızen´ı motorového budiˇce

∗ A/D pˇrevodn´ık se ˇctyˇrmi multiplexovanými kanály ∗ SPI/I2C rozhran´ı pro pˇripojen´ı extern´ı pamˇeti pro zvukový modul ∗ dva ˇcasovaˇce pro potˇreby ˇcasován´ı výpoˇctu regulaˇcn´ı smyˇcky, dekódován´ı signálu ze záchytných bod˚ u kolejiˇstˇe, ˇcasován´ı odbˇeru vzork˚ u z A/D pˇrevodn´ıku a dohled nad pˇrekroˇcen´ım ˇcasových limit˚ u (ztráta komunikace, napájen´ı, atd.) ∗ dva nebo v´ıce volných vstup˚ u s moˇznost´ı vyvolán´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı (IR sn´ımaˇc otáˇcek, detektor záchytných bod˚ u kolejiˇstˇe)

∗ ˇsest nebo v´ıce volných vstupnˇe výstupn´ıch pin˚ u pro obecné pouˇzit´ı (svˇetla,

detekce polarity, reset Bluetooth modulu, ovládan´ı napájec´ıho obvodu, apod.)

– pouzdro ˇcipu ∗ velikost pouzdra ∗ rozteˇc pin˚ u pouzdra – vývojové prostˇred´ı

´ ˇ ˚ NA NOVOU PLATFORMU 2.1. ANALYZA POZADAVK U

9

∗ vhodné debugovac´ı rozhran´ı pro testován´ı a ladˇen´ı kódu (JTAG, Trace, debugWire)

∗ pouˇzitelné vývojové prostˇred´ı dodávané k ˇcipu, nebo prostˇred´ı podporuj´ıc´ı ˇcip za dostupnou cenu

∗ pˇrehledná dokumentace, okomentované ukázkové projekty pro rychlé zorientován´ı a následnou migraci kódu

• sekundárn´ı poˇzadavky – dostupnost ˇcipu v maloobchodn´ı s´ıti – cena ˇcipu – velikost programové pamˇeti – referenˇcn´ı napˇet´ı pro A/D pˇrevodn´ık – spotˇreba jádra v aktivn´ım stavu – pˇr´ımý pˇr´ıstup do pamˇeti - DMA

2.1.2

Porovn´ an´ı sledovan´ ych parametr˚ u

Jako výkonˇejˇs´ı náhradu mikroprocesorové platformy jsem po pr˚ uzkumu moˇznost´ı vybral tˇri váˇzné kandidáty. Jejich výbˇer byl ovlivnˇen dostupnost´ı vývojových kit˚ u, které jsem dostal zap˚ ujˇceny od mého zadavatele projektu a mohl jsem se s nimi tedy bl´ıˇze seznámit. • ARM7TDMI - velmi rozˇs´ıˇrené jádro 32 bitového mikroprocesoru RISC s Von Neumanovou architekturou, které je nab´ızeno mnoha výrobci. Jádro je na trhu v´ıce

neˇz deset let a vybudovalo si za tuto dobu rozsáhlou podporu komerˇcn´ıch výrobc˚ u i otevˇrené (tzv. open source) komunity • Cortex-M3 - jedná se o pokroˇcilou implementaci 32 bitového RISC jádra ARM7v s Harvardskou architekturou, která se prosazuje na poli levných a relativnˇe výkonných vestavˇených aplikac´ıch • TI TMS320 C28x - 32 bitové jádro s Harvardskou architekturou. Je nab´ızeno v malých pouzdrech s dostateˇcnou vybavenost´ı periferiemi, má jádro ˇcasteˇcnˇe specializované pro DSP aplikace, ale oproti pˇredchoz´ım ˇcip˚ um nemá implementován pˇr´ımý pˇr´ıstup do pamˇeti, tzv. DMA.


10

Pˇrehled sledovaných parametr˚ u je pˇrehlednˇe zpracován do tab. 2.1. Tabulka maximálnˇe pokrývá sledované parametry, ale nˇekteré detaily postihnout nem˚ uˇze. Je vidˇet, ˇze parametry jsou velmi vyrovnané, d˚ uvodem je velká ˇskála verz´ı jednotlivých ˇcip˚ u. Ve srovnán´ı jsou tedy vybrány ˇcipy v malých pouzdrech s dostateˇcnou vybavenost´ı.

2.1.3

N´ aroky na v´ ypoˇ cetn´ı v´ ykon

Nezbytnˇe nutným krokem pro správnou volbu platformy je také alespoˇ n pˇribliˇzná analýza výkonové nároˇcnosti vykonávaného kódu. Na platformˇe AVR se dalo pro mˇeˇren´ı ˇcasové nároˇcnosti ˇcást´ı kódu vyuˇz´ıt softwarového simulátoru AVR, který je souˇcást´ı AVR studia. Simulátor zobrazuje pˇresný poˇcet potˇrebných takt˚ u hodin mikroprocesoru bˇehem vykonávaného kódu v jazyce C, respektive pˇreloˇzenému ekvivalentu tohoto kódu do assembleru. Pro zvaˇzované c´ılové platformy takový nástroj bohuˇzel neexistuje a proto jsem se musel uchýlit k jiné metodˇe mˇeˇren´ı. Je nˇekolik moˇznost´ı, jak odhadnout, nebo pˇr´ımo experimentálnˇe zmˇeˇrit ˇcas nutný pro vykonán´ı ˇcásti kódu programu. • teoretický výpoˇcet pomoc´ı analýzy pˇreloˇzeného kódu do assembleru a vyhodnocen´ı poˇctu a délky instrukc´ı

• mˇeˇren´ım na fyzickém hardwaru – pomoc´ı nˇekterého z intern´ıch ˇcasovaˇc˚ u – pomoc´ı signalizace na nˇekterém extern´ım pinu Teoretický výpoˇcet analýzy kódu v disassembly je moˇzný, ale velice nároˇcný, protoˇze pro pˇresný výpoˇcet by bylo nutné odhalit cykly v assembleru, vyhodnotit pouˇzité instrukce a jejich délku v hodinových cyklech, nebo alespoˇ n odhadnout délku pomoc´ı statistického pr˚ umˇeru CPI (Cycle Per Instruction). Tento postup by zaslouˇzil samostatný interpreter konkrétn´ıho assembler kódu dle instrukˇcn´ı sady pˇr´ısluˇsné platformy, ruˇcn´ı zpracován´ı by bylo velmi ˇcasovˇe nároˇcné a proto jsem se této metodˇe vyhnul. Mˇeˇren´ı na fyzickém hardwaru jsem provedl pouze na procesoru s jádrem ARM7TDMI. D˚ uvodem byla nejsnaˇzˇs´ı dostupnost tohoto procesoru. Udávaný výkon ostatn´ıch platforem v jednotkách MIPS (poˇcet instrukc´ı za vteˇrinu) srovnatelný, nebo m´ırnˇe vyˇsˇs´ı a jádro ARM7TDMI je podle dosavadn´ıch analýz moˇzné brát jako nejménˇe výkonný,


ARM7TDMI

Cortex-M3

AT91SAM7S

LM3S2276

11

TI TMS320C2027

primárn´ı poˇzadavky Výp. výkon

0,9 MIPS/MHz

1,25 MIPS/MHz

1 MIPS/MHz

RS-233

ano (RTS/CTS)

ano

ano

PWM mod.

ano (4x)

ano (4x)

ano (4x)

PWM frekv.

clk/2n /1-255

clk/2n

clk/2n

A/D kanály

8 (10 bit)

6 (10 bit)

16 (12 bit)

SPI/I2C

ano/ano

ano/ano

ano/ano

ˇcasovaˇce

ano (3+1)

ano (3+1)

ano (3)

ano (2+)

ano (2+)

ano (5+)

ano (5+)

ano (5+)

64/48 pin LQFP

64 pin LQFP

48 pin PQFP/38

ext. pˇreruˇsen´ı ano (2+) I/O porty pouzdro

pin PSOP rozteˇc pin˚ u debug rozhr. IDE

20 mil (0,5 mm)

20 mil (0,5 mm)

22 mil (0,56 mm)

JTAG/DBGU

JTAG

JTAG

Eclipse/CrossStudio Eclipse/CrossStudio Code Composer (IAR, Keil, CodeS-

(IAR, Keil, CodeS-

ourcery)

ourcery) sekundárn´ı poˇzadavky

dostupnost cena

GME, DigiKey, Far- DigiKey, Farnell

verze

v

nell

pouzdˇre ne

daném

7$

8,2$

-

spotˇreba

33,3mA @ 55MHz

9,5mA @ 50MHz

70mA @ 40MHz

A/D ref.

3V/ext.(max 3,3V)

3V

3V

Tabulka 2.1: Porovn´ an´ı sledovan´ ych parametr˚ u mikroprocesor˚ u


12

protoˇze nemá oproti konkurent˚ um hardwarovou dˇeliˇcku a vykazuje nejdelˇs´ı latenci pˇreruˇsovac´ıho systému. Výkonostn´ı analýza na jádru ARM7TDMI tedy poskytuje horn´ı odhad ˇcasových interval˚ u. Vydal jsem se pokud moˇzno nejsnaˇzˇs´ı cestou a provádˇel jsem mˇeˇren´ı ˇcasu pomoc´ı signalizace zaˇcátku a konce výpoˇctu bloku kódu pomoc´ı extern´ıho pinu procesoru a tento signál jsem sledoval a mˇeˇril na osciloskopu. V c´ılové aplikaci nastávaj´ı nˇekteré události pravidelnˇe, protoˇze jsou c´ılenˇe vykonávány v pravidelných ˇcasových intervalech. Nˇekteré události jako napˇr´ıklad ˇc´ıtán´ı pulz˚ u od IR odometru nastávaj´ı neperiodicky a nelze je pˇredv´ıdat. V tab. 2.2 je uveden výˇcet nejˇcastˇeji provádˇených operac´ı s jejich intervalem opakován´ı za jednotku ˇcasu, respektive s jejich mezn´ım minimáln´ım intervalem mezi opakován´ım. operace

perioda opakován´ı priorita

mˇeˇren´ı zpˇetnˇe generovaného napˇet´ı

1 ms

stˇredn´ı

komunikace sériové linky

100 ms

n´ızká

výpoˇcet akˇcn´ıho zásahu regulace

50 ms

stˇredn´ı

sledován´ı signálu IR bal´ız

24,3 ms

stˇredn´ı

smˇeˇsován´ı zvuku na výstup

90,7 µs

vysoká

ˇc´ıtán´ı odometru

min 363 µs

stˇredn´ı

Tabulka 2.2: Periodicky volané bloky k´ odu

Vˇsechny tyto pˇredv´ıdatelné procesy jsou ˇr´ızeny ˇcasovaˇci a vyvolávaj´ı pˇreruˇsen´ı bˇehu programu. Jejich prioritu lze zohlednit prioritou pˇreruˇsen´ı, kterou lze u vˇsech procesor˚ u programovˇe nastavovat. Pro odhad ˇreˇsitelnosti výpoˇcetn´ıch problému s dostupným výpoˇcetn´ım výkonem v ˇcas je tˇreba zmˇeˇrit ˇcasové intervaly potˇrebné pro zpracován´ı jednotlivých poˇzadavk˚ u. Pro procesor AT91SAM7S jsou zmˇeˇrené ˇcasy potˇrebné pro vykonán´ı jednotlivých operac´ı uvedeny v tab. 2.3 Zat´ım jsem nebyl nucen vyuˇz´ıvat ˇzádný pokroˇcilejˇs´ı nástroj pro plánován´ı proces˚ u, protoˇze program bez problém˚ u pracoval v jednom vláknˇe, kdy je vykonávána nekoneˇcná smyˇcka pˇreruˇsovaná poˇzadavky od jednotlivých periferi´ı. Na nové platformˇe je v oblast´ı plánován´ı moˇzné lépe rozvrhovat ˇreˇsen´ı u ´ kol˚ u, protoˇze je moˇzné uˇzivatelsky nastavovat priority obsluh jednotlivých pˇreruˇsen´ı. Metoda, která se specializuje na rozvrhován´ı v´ıce u ´ kol˚ u, které poˇzadujeme vykonávat v reálném ˇcase je tzv. ”rate-monotonic”plánován´ı, kdy vˇsechny vlákna programu maj´ı statickou prioritu pro vykonáván´ı. Toto plánován´ı má následuj´ıc´ı pˇredpoklady:


13

• nejsou sd´ıleny spoleˇcné prostˇredky • nejzaˇsˇs´ı doba dokonˇcen´ı u ´ kol˚ u je shodná s periodou, pˇres kterou plánován´ı analyzujeme

• statické priority u ´ kol˚ u, u ´ kol s nejvyˇsˇs´ı prioritou je vykonán pˇrednostnˇe pˇred vˇsemi ostatn´ımi

• priority jsou pˇridˇeleny podle ”rate-monotonic”konvence (´ ukoly s kratˇs´ı periodou/bliˇzˇs´ı deadline maj´ı vyˇsˇs´ı prioritu)

• ˇcas potˇrebný pro tzv. pˇrepnut´ı kontextu (pˇrechod mezi ˇreˇsen´ım v´ıce u ´ kol˚ u) je v ideáln´ım pˇr´ıpadˇe nulový, v praxi zanedbatelný oproti dávce vykonávaného kódu pˇred dalˇs´ım pˇrepnut´ım kontextu Pokud jsme schopni zaruˇcit tyto pˇredpoklady, tak matematický model této situace je ˇreˇsitelný, pokud plat´ı Liu-Leylandova teorém. Ten ˇr´ıká, ˇze mnoˇzina n periodicky se opakuj´ıc´ıch u ´ kol˚ u s r˚ uznou délkou periody jejich opakován´ı je ˇreˇsitelná, pokud vˇzdy plat´ı U=

n X Ci i=1

Ti

≤n

√ n

2−1 ,

kde Ci je ˇcas potˇrebný pro ˇreˇsen´ı u ´ kolu a Ti je perioda opakován´ı tohoto u ´ kolu. Je moˇzné odvodit, ˇze v limitn´ım pˇripadˇe, kdy se poˇcet proces˚ u n bl´ıˇz´ı nekoneˇcnu, je nutné, aby zat´ıˇzen´ı procesoru U ≤ ln 2 ≈ 0, 693. Je tedy moˇzné obslouˇzit v ˇcas vˇsechny u ´ koly, pokud bude zat´ıˇzen´ı procesoru pod hranic´ı cca 69, 3%. Zbylých cca 30% výpoˇcetn´ıho

ˇcasu lze pouˇzit na ˇcasove nekritické u ´ koly, které nevyˇzaduj´ı splnˇen´ı do pˇresného deadline (nejzaˇzˇs´ı ˇcas pro dokonˇcen´ı operace). V mé aplikaci lze dané pˇredpoklady splnit. Program aˇz na výjimky nesd´ıl´ı prostˇredky, pouze v nˇekterých pˇr´ıpadech vyuˇz´ıvá nˇekteré spoleˇcné promˇenné, které si ale jednotlivé obsluhy pˇreruˇsen´ı vˇzdy pouze ˇctou do své lokáln´ı kopie, aby byla hodnota promˇenné zafixována do konce obsluhy pˇreruˇsen´ı. Rozdˇelen´ı priorit je moˇzné dodrˇzet pomoc´ı nastaven´ı priorit obsluˇzných rutin pˇreruˇsen´ı. Pˇrep´ınán´ı kontextu je v porovnán´ı s dobou vykonáván´ı kódu zanedbatelné, protoˇze dokumentace garantuje obsluhu standardn´ıho pˇreruˇsen´ı (IRQ) za 42 hodinových cykl˚ u a rychlého pˇreruˇsen´ı (FIQ) za 18 hodinových cykl˚ u. To na c´ılové frekvenci 52 MHz pˇredstavuje pouze 0,808 µs, takˇze pˇrepnut´ı kontextu je nezanedbatelné pouze u operace ˇc´ıtán´ı pulz˚ u z odometru, tam je ˇcetnost omezena maximáln´ımi otáˇckami motoru a poˇctem znaˇcek na setrvaˇcn´ıku motoru a po vyˇc´ıslen´ı se jedná o 363µs.


14

operace

doba potˇrebná pro obsluhu

mˇeˇren´ı zpˇetnˇe generovaného napˇet´ı

36,6 µs

komunikace sériové linky

3,7 ms (aktivn´ı ˇcekán´ı)

výpoˇcet akˇcn´ıho zásahu regulace

120,4 µs

smˇeˇsován´ı zvuku na výstup

14,2 µs

sledován´ı signálu IR bal´ız

1,28 ms

ˇc´ıtán´ı odometru

850 ns + 870 ns

ˇ potˇrebn´ Tabulka 2.3: Cas y pro vykon´ an´ı operace

Provedu výpoˇcet pro moj´ı u ´ lohu plánován´ı, kdy mus´ı platit U=

√ 36, 6 3, 7 120, 4 1, 28 14, 2 1, 72 6 + + + + + ≤6 2−1 1000 100 50000 24, 3 86, 8 363 U = 0, 2970 ≤ 0, 7348

Základn´ı pˇredpoklad ˇreˇsitelnosti u ´ loh v poˇzadovaném ˇcase je tedy splnˇen. Zbývaj´ıc´ı ˇcas je k dispozici pro obsluhu ˇcasovˇe nekritických u ´ loh a plnˇen´ı zvukové vyrovnávac´ı pamˇeti.

2.1.4

Diskuze nad porovn´ an´ı kandid´ at˚ u na novou platformu

Pokud vyhodnot´ım porovnán´ı paramter˚ u v tab. 2.1, tak v primárn´ıch parametrech jsou rozd´ıly pouze v hardwarovém ˇr´ızen´ı toku dat pro rozhran´ı RS-323, ˇskálovatelnosti frekvence modulace PWM modul˚ u a dostupném vývojové prostˇred´ı. Sekundárn´ı parametry se liˇs´ı v´ıce. Pokud pˇrihlédnu ke spotˇrebˇe, dostupnosti a vývojovému prostˇred´ı ˇcip˚ u série TMS320C2000, tak tuto moˇznost pokládám za nejménˇe vhodnou. Aˇckoliv je tento ˇcip je ˇcásteˇcnˇe specializován pro DSP aplikace a disponuje jednocyklovou instrukc´ı MAC (Multiply and Accumulate), tak jeho dostupnost v pouˇzitelném pouzdˇre, spotˇreba a v neposledn´ı ˇradˇe slabá podpora zastaralým vývojovým prostˇred´ım ho jednoznaˇcnˇe vyˇrazuj´ı z výbˇeru. Seriozn´ı volbu jsem z´ uˇzil na výbˇer mezi jádrem ARM7TDMI a Cortex-M3. Toto dilema je velmi ˇcasto diskutováno, protoˇze výbˇer mezi jádrem ARM7 a Cortex-M3 ˇreˇsilo uˇz monoho vývojáˇr˚ u. Srovnán´ı tˇechto jader je rozebráno v mnoha ˇclánc´ıch a kromˇe

ˇ ÍHO KODU ´ 2.2. MIGRACE FUNKCN NA NOVOU PLATFORMU

15

specificky definovaných kritéri´ı pro moj´ı konkrétn´ı aplikaci jsem se snaˇzil nastudovat problematiku i obecnˇeji, z pohledu celkové architektury jader. Velmi dobrým zdrojem je ˇclánek (Lundgren, A., 2009), jehoˇz autor je dlouhodobým zamˇestnancem firmy IAR, která vyvinula komerˇcnˇe pouˇz´ıvané vývojové prostˇred´ı IAR Em-bedded workbench for ARM. Ve zkratce je zde vyzdviˇzen nejzásadnˇejˇs´ı rozd´ıl v podobˇe ˇradiˇce pˇreruˇsen´ı, tzv. NVIC - Nested Vector Interrupt Controller, který je na platformˇe Cortex-M3 integrovaný pˇr´ımo v jádˇre a výraznˇe zkracuje dobu pˇreruˇsen´ı z 48 hodinových cykl˚ u na 12. Dále tento integrovaný ˇradiˇc pˇreruˇsen´ı harwarovˇe ˇreˇs´ı uloˇzen´ı kontextu, nen´ı tˇreba tuto proced˚ uru provádˇet ruˇcnˇe, respektive direktivami pro pˇrekladaˇc. Dále je zde diskutována cena ˇcip˚ u, která je v souˇcasné dobˇe vyrovnaná a podpora vývojových prostˇred´ı, která je v souˇcasné dobˇe také vyrovnaná. V pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı ˇcipu od Luminary Micro je pˇr´ınosnou vlastnost´ı bezplatná softwarová podpora v podobˇe knihovny StellarisWare, která výraznˇe zjednoduˇsuje práci s periferiemi a hlavnˇe umoˇzn ˇ uje snadnou migrovatelnost kódu mezi podobnými ˇcipy, závis´ı pouze na pˇr´ıtomnost pouˇz´ıvaných periferi´ı na c´ılovém ˇcipu migrace. Aˇckoliv je Cortex-M3 novˇejˇs´ım, výkonˇejˇs´ım, a v jistých ohledech pokroˇcilejˇs´ım jádrem oproti jádru ARM7TDMI, tak pro c´ılovou aplikaci nepˇredstavuje zásadnˇe lepˇs´ı ˇreˇsen´ı oproti jádru ARM7TDMI, respektive jeho implementace ˇcipem AT91SAM7S. Oba ˇcipy poskytuj´ı dostateˇcný výpoˇcetn´ı výkon pro c´ılové nasazen´ı. ARM7TDMI poskytuje oproti Cortex-M3 jádru ˇr´ızen´ı toku dat RTS/CTS a velmi d˚ uleˇzitou pˇresnost nastaven´ı frekvence modul˚ u PWM. Jeho vyˇsˇs´ı spoˇreba je snesitelnou cenou za zm´ınˇené pˇrednosti. Je tˇreba brát ohled na fakt, ˇze porovnávaná výrobcem udávaná spotˇreba je mezn´ı (maximáln´ı) a to ve stavu, kdy jsou vˇsechny periferie na ˇcipu zapnuty, takˇze lze pˇredpokládat, ˇze spotˇreba pˇri reálném nasazen´ı bude o nˇeco niˇzˇs´ı, neˇz uvedená mezn´ı hodnota.

2.2

Migrace funkˇ cn´ıho k´ odu na novou platformu

Program vykonávaný mikrokontrolerem je od zaˇcátku vývoje psán v jazyce C je tedy ˇcásteˇcnˇe pˇrenositelný na jiné platformy, pro které je dostupný pˇrekladaˇc z jazyka C do instrukc´ı assembleru c´ılové platformy. Zmˇenu zdrojového programu vyˇzaduj´ı ˇcásti, které se provád´ı inicializace periferi´ı a obsluhy pˇreruˇsen´ı. Vlastn´ı inicializace periferi´ı musela být kompletnˇe pˇrepracována. Na platformˇe AVR, respektive v prostˇred´ı AVR


16

Studia s vestavˇeným pˇrekladaˇcem WinAVR se obsluha pˇreruˇsen´ı uvozovala kl´ıˇcovým slovem signal(interrupt id), kde promˇenná interrupt id znaˇc´ı zdroj pˇreruˇsen´ı (seznam konstant oznaˇcuj´ıc´ı zdroje pˇreruˇsen´ı je uveden v dokumentaci pro knihovnu AVR-libc). V prostˇred´ı Rowley CrossStudio for ARM se obsluˇzné rutiny p´ıˇs´ı jako standardn´ı funkce bez vstupn´ıch a výstupn´ıch promˇenných, které se pˇri inicializaci registruj´ı v pˇrisluˇsném registru procesoru. Registraci, tedy zápis adresy obsluˇzné funkce, který je volána pˇri pˇr´ısluˇsném pˇreruˇsen´ı lze provádˇet ruˇcnˇe, nebo pohodlnˇeji pomoc´ı funkce knihovny CTL, která je souˇca´st´ı vývojového prostˇred´ı.

2.2.1

Ovˇ eˇ ren´ı splnˇ en´ı p˚ uvodn´ı funkˇ cnosti

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno, hlavn´ı prac´ı pˇri migraci na platformu ARM7 byla nutnost u ´ pravy kód˚ u, který inicializoval periferie. Po u ´ spˇeˇsném zvládnut´ı u ´ pravy konfigurace nových periferi´ı jsem ovˇeˇril funkˇcnost nejdˇr´ıve laboratornˇe s vývojovou deskou AT91SAM7X256-EK od firmy Atmel. K vývojové desce byl pˇripojeny ovládané periferie pro ovˇeˇren´ı kompatibility ˇreˇsen´ı. Testy byly nutné hlavnˇe z d˚ uvodu pˇrechodu na 3,3 V logiku. Konkrétnˇe se jednalo o spolehlivost ovládán´ı bud´ıc´ıho H m˚ ustku Si9986, který je urˇcen pro ovládán´ı pomoc´ı TTL logiky. Dále bylo nutné otestovat novˇe pouˇzitý IR sn´ımaˇc GP1UE26RK0VF s tvarovaˇcem. Ten, narozd´ıl od dˇr´ıve pouˇz´ıvaného typu SFH5110, lze napájet napˇet´ım 3,3 V. Ukázalo se vˇsak, ˇze pˇri sn´ıˇzeném napájen´ı na u ´ roveˇ n 3,3 V je sn´ıˇzena i citlivost sn´ımaˇce, který následnˇe vyˇzadoval delˇs´ı ”burst”pro uveden´ı výstupu do u ´ rovnˇe logické nuly. To v praxi znamenalo, ˇze doˇslo ke zkreslen´ı signálu ve smyslu asymetrie doby trván´ı logických urovn´ı. Bylo proto provedeno prodlouˇzen´ı doby vys´ılán´ı logických u ´ rovn´ı z 16 na 20 impulz˚ u na bit, to znamená pˇri pouˇzité modulaˇcn´ı frekvenci 36 kHz prodlouˇzen´ı z 0,444 ms na 0,555 ms. Toto opatˇren´ı pomohlo eliminovat asymetrii na zanedbatelnou u ´ roveˇ n a nebylo tak tˇreba komplikovat pˇr´ısluˇsný software nutnost´ı reakce na r˚ uznou dobu trván´ı log. u ´ rovn´ı. Následovaly experimenty testuj´ıc´ı realizovatelnost dodateˇcných funkˇcnost´ı a výroba prototypového tiˇstˇeného spoje pro j´ızdn´ı testy pˇr´ımo na lokomotivˇe.

Kapitola 3 N´ avrh a ˇ reˇ sen´ı zvukov´ eho modulu

Pro generován´ı akustického signálu bylo tˇreba vyˇreˇsit, jakým zp˚ usobem bude signál fysicky generován, jakým zp˚ usobem bude navázán na reproduktor a fyzicky jaký reproduktor je moˇzné zastavˇet do lokomotivy.

3.1

Hardwarov´ eˇ reˇsen´ı zvukov´ eho modulu

Pro generován´ı signálu z procesoru, který nemá vlastn´ı DA pˇrevodn´ık, je moˇzné pouˇz´ıt extern´ı DA pˇrevodn´ık pˇripojený na nˇekteré standardn´ı komunikaˇcn´ı rozhran´ı. Tyto DA pˇrevodn´ıky jsou nab´ızeny ˇcasto s rozhran´ım I2 C, popˇr´ıpadˇe s jeho mutac´ı I2 S. V návrhu bylo zvaˇzováno pouˇzit´ı obvodu CS4334 od firmy Cirrus Logic. Ten vˇsak vyˇzaduje pˇrivádˇen´ı pomˇernˇe rychlých extern´ıch hodin v ˇrádech MHz a pro c´ılové pouˇzit´ı má zbyteˇcnˇe velkou vzorkovac´ı frekvenci zdrojového signálu. Dalˇs´ı ˇreˇsen´ı mohl poskytnout integrovaný obvody MAX9477 od firmy Maxim, který lze plnit daty pomoc´ı I2 S rozhran´ı, disponuje integrovaným koncovým stupnˇem. Tento obvod se vˇsak ukázal jako pˇr´ıliˇs robustn´ı, protoˇze mˇel pomˇernˇe velké pouzdro a byl koncipován na výraznˇe vyˇsˇs´ı výstupn´ı výkon neˇz bylo tˇreba. Nakonec bylo rozhodnuto pouˇz´ıt techniku metodu filtrovaného PWM signálu pomoc´ı doln´ı propusti. Tato technika je pomˇernˇe ˇcasto vyuˇz´ıvaná a firma Texas Instruments j´ı vˇenuje samostatnou aplikaˇcn´ı nótu (Mitchell, M., 2000). Metoda je vˇsak obecnˇe pouˇzitelná na libovolném mikroprocesoru s dostateˇcnˇe rychlým PWM výstupem. V prin17

´ ˇ SEN ˇ Í ZVUKOVEHO ´ KAPITOLA 3. NAVRH A RE MODULU

18

cipu se jedná a vyuˇzit´ı modulovaného PWM signálu o nˇekolikanásobnˇe vyˇsˇs´ı frekvenci, neˇz je vzorkovac´ı frekvence výstupn´ıho audio signálu. Tento signál je následnˇe pasivnˇe filtrován pomoc´ı RC ˇclánku. Výstupn´ı hodnota je pak uˇcena stˇr´ıdou PWM signálu. Tato metoda s pouˇzit´ım vybraného procesoru AT91SAM7S umoˇzn ˇ uje zvolit v rámci bˇeˇzných standard˚ u libovolnou vzorkovac´ı frekvenci výstupn´ıho audio signálu a také volbu rozliˇsen´ı aˇz 16 bit˚ u. Vzhledem ke kvalitˇe dostupných zvukových dat, nutné kvalitˇe audio signálu, pamˇet’ové nároˇcnosti a pouˇzitelné datové reprezentace byla zvolena vzorkovac´ı frekvence 8 000 Hz s rozliˇsen´ım 8 bit. Signál je následnˇe pˇrivádˇen do zesilovaˇce, který dovoluje vˇetˇs´ı zat´ıˇzitelnost výstupu, neˇz samotný procesor. Protoˇze koncové stupnˇe maj´ı pomˇernˇe velkou vstupn´ı citlivost, je zes´ılen´ı nastaveno na hodnotu 1/3. Pro regulaci hlasitosti je pouˇzit digitáln´ı potenciometr MAX5463 od firmy Maxim v miniaturn´ım pouzdˇre SC70. Ten je ovládán dvouvodiˇcovˇe pomoc´ı signál˚ u negated chip select, dále jen NCS a up/negated down, dále jen U/ND. Digitáln´ı potenciometr inkrementálnˇe posouvá jezdec pˇriveden´ım sestupné hrany signálu U/ND s aktivovaným signálem NCS. Smˇer posuvu jezdce je dán u ´ rovn´ı signálu U/ND v dobˇe, kdy byl aktivován obvod signálem NCS. Podrobná funkce obvodu je popsána v jeho dokumentaci (Maxim, 2005). Jako koncový stupeˇ n byly zvaˇzovány r˚ uzné obvody z ˇrady TDA. Nakonec bylo rozhodnuto o pouˇzit´ı obvodu TDA7233. Jedná se o jednokanálový (mono) zesilovaˇc tˇr´ıdy AB s jmenovitým výstupn´ım výkonem 1 W (pˇr´ı napájec´ım napˇet´ı 12 V a zátˇeˇz´ı o jmenovitém odporu 8 Ω ˇcin´ı výstupn´ı výkon aˇz 1,9 W). Obvod má vstup MUTE pro absolutn´ı ztlumen´ı výstupn´ıho signálu. Pˇri aktivaci tohoto vstupu se obvod zároveˇ n uvede do reˇzimu n´ızké spotˇreby energie. Dalˇs´ı informace je moˇzné z´ıskat z dokumentace (ST Microelectronic, 2005). Výsledné schema zapojeni obvodu je uvedeno na obr. 3.1. Zapojen´ı koncového stupnˇe je dle doporuˇcen´ı výrobce. Zapojen´ı bylo testováno s klasickým odporový trimrem a vývojovou deskou. Testován´ı digitáln´ıho potenciometru bylo provádˇeno aˇz na prvn´ım prototypu ploˇsného spoje.

´ RE ˇ SEN ˇ Í ZVUKOVEHO ´ 3.1. HARDWAROVE MODULU

Obr´ azek 3.1: Schéma zapojen´ı zvukové ˇc´ asti modulu

19


20

3.2

Softwarov´ eˇ reˇsen´ı zvukov´ eho modelu

´, Základ techniky modelován´ı zvuku motoru v r˚ uzných otáˇckách byl ˇcerpán z (Hajny M., 2006). Materiál se zabývá komplexn´ım modelován´ım zvuku pro automobilový simulátor, tedy nejen modelován´ım zvuku motoru, ale i ruch˚ u z vnˇejˇs´ıho prostˇred´ı, jako je aerodynamický hluk, hluk od pneumatik, atd.. Modelován´ı dieslového motoru lokomotivy je v principu shodná u ´ loha jako modelován´ı zvuku motoru automobilu. Pro svou práci jsem ´ , M., 2006, kap. 7.4). studoval pˇredevˇs´ım (Hajny Druhým hlavn´ım zdrojem poznatk˚ u mi byl reverse engeneering konfiguraˇcn´ıch soubor˚ u zvukových model˚ u ˇzelezniˇcn´ıho simulátoru Microsoft Train Simulator, dále jen MSTS. MSTS má pomˇernˇe silnou základnu pˇr´ıznivc˚ u, kteˇr´ı vytváˇrej´ı 3D modely ˇceských lokomotiv a voz˚ u vˇcetnˇe jejich zvukových model˚ u. Po rozkl´ıˇcován´ı skript˚ u, které ˇr´ıd´ı pˇrehrávan´ı jednotlivých zvuk˚ u bˇehem j´ızdy se ukázalo, ˇze modelován´ı zvuku motoru je ´ , M., 2006). velmi podobné s metodou v (Hajny

3.2.1

Modelov´ an´ı dle DP M. Hajn´ eho

Pro modelován´ı zvuku motoru lze zvolit v zásadˇe dva pˇr´ıstupy: • Syntéza zvuku z umˇelých signál˚ u • Syntéza zvuku skládán´ım nahraných reálných zvuk˚ u Syntéza zvuku z umˇelých signál˚ u by znamenala analýzu nejvýraznˇejˇs´ıch harmonickýh sloˇzek reálného signálu v celém spektru otáˇcek motoru. Následnˇe by bylo tˇreba aproximovat funkce amplitud tˇechto harmonických sloˇzek v závislosti na otáˇckoách motoru. Výsledný zvuk by se pak reprodukoval generován´ım a sloˇzen´ım nejvýraznˇejˇs´ıch harmonických sloˇzek. Pro dosaˇzen´ı dostateˇcnˇe vˇerného výsledku by bylo tˇreba pouˇz´ıt pomˇernˇe velkého mnoˇzstv´ı harmonických sloˇzek. Vzhledem k pouˇzit´ı na jednoˇcipovém mikroprocesoru nepˇripadala z výkonového hlediska v u ´ vahu. Syntéza zvuku skládán´ım nahraných vzork˚ u zvuk˚ u je oproti pˇredchoz´ımu ˇreˇsen´ı pamˇet’ové nároˇcnˇejˇs´ı, ale výkonovˇe ménˇe nároˇcná metoda. Syntéza zvuku motoru je provádˇena skládán´ım zvukových smyˇcek odpov´ıdaj´ıc´ıch zvuku motoru v urˇcitých diskrétn´ıch hodnotách otáˇcek motoru. Pokud je dostateˇcné mnoˇzstv´ı vzork˚ u pro pokryt´ı celého spektra otáˇcek, lze vzorky pouze m´ıchat mezi sebou podle aktuálnˇe poˇzadovaných otáˇcek motoru.

´ RE ˇ SEN ˇ Í ZVUKOVEHO ´ 3.2. SOFTWAROVE MODELU

21

Funkce zes´ılen´ı signálu, které lze vhodnˇe pouˇz´ıt pro pˇrekrýván´ı zvukových smyˇcek, jsou ´ , M., 2006). uvedeny v (Hajny

3.2.2

Modelov´ an´ı dle Microsoft Train Simulator

Zvukové modely v Microsoft Train Simulatoru (dále jen MSTS) jsou ˇreˇseny modifikac´ı syntézy zvuku skládán´ım reálných zvuk˚ u z odd´ılu. 3.2.1. Modifikace spoˇc´ıvá v pouˇzit´ı chudˇs´ı ˇskály zvukových vzork˚ u. Pˇri malém poˇctu vzork˚ u docház´ı k nespojitosti odezvy zvukového modelu na zmˇenu otáˇcek motoru, protoˇze urˇcitý rozsah otáˇcek motoru je pokryt pouze jednou zvukovou smyˇckou pro konstantn´ı otáˇcky. Tento problém je ˇreˇsen v MSTS bud’to pomoc´ı pˇrehráván´ı vzork˚ u r˚ uznou rychlost´ı v rámci tohoto pásma otáˇcek, nebo vyuˇzit´ım pˇredpokladu, ˇze páka ovládaj´ıc´ı výkon motoru, respektive jeho otáˇcky, má jen omezené mnoˇzstv´ı poloh, kterému je pˇrizp˚ usoben poˇcet vzork˚ u modelu lokomotivy. Pokud je pouˇzito malé mnoˇzstv´ı vzork˚ u, tak je v rámci pásma otáˇcek, kdy je vyuˇz´ıvana jediná zvuková smyˇcka, provádˇeno pˇrehráván´ı smyˇcky rychleji, nebo pomaleji a je proto nutné provádˇet pˇrevzorkován´ı signálu. Chován´ı zvukových model˚ u v MSTS je uloˇzeno v souborech s pˇr´ıponou SMS (zkratka pro Sound Management System). Jedná se skripty s pomˇernˇe jednoduchou syntax´ı. Kaˇzdý soubor obsahuje hlaviˇcku a dále je uvozen fráz´ı Tr SMS(). Uvnitˇr závorek jsou definice chován´ı zvukového modelu, tzn. kdy a jak se maj´ı pouˇstˇet jednotlivé zvuky náleˇz´ıc´ı modelovanému vozidlu. Detailn´ı popis významu skript˚ u jsem jsem z´ıskal od ˇceského tv˚ urce zvukových modelu Petra Smutka, ale rozkl´ıˇcován´ı je moˇzné naj´ıt i na internetu, viz. (Hagen, R., 2002). Nejzaj´ımavˇejˇs´ı ˇcást´ı byla ˇcást popisuj´ıc´ı chován´ı motoru. Zde je uveden pˇr´ıklad skriptu, kde je definováno pˇrevzorkovan´ı signálu (rychlost pˇrehráván´ı) a zes´ılen´ı signálu v závislosti na poloze ˇr´ıd´ıc´ı páky. FrequencyCurve ( Variable2Controlled CurvePoints ( 7 0.000

12025

0.010

12025

0.250

13000

0.300

13000

0.301

12025


22

0.350

12025

0.650

13000

) G r a n u l a r i t y ( 100 ) ) VolumeCurve ( Variable2Controlled CurvePoints ( 12 0.000

0.0

0.010

0.3

0.050

0.4

0.150

0.45

0.250

0.0

0.350

0.0

0.450

0.50

0.550

0.60

0.650

0.70

0.750

0.80

0.850

0.90

0.950

1.0

) Granularity ( 0.05 ) ) Pro lepˇs´ı porozumnˇen´ı významu skriptu jsem kˇrivky rekonstruoval v prostˇred´ı Matlab do grafu, viz. obr. 3.2 a obr. 3.3. Kˇrivky rychlostn´ıho koeficient˚ u ukazuj´ı lineárn´ı zmˇenu rychlosti pˇrehráván´ı vzork˚ u v rozsahu, kdy je vzorek slyˇsitelný na výstupu. Kˇrivky koeficient˚ u zes´ılen´ı naznaˇcuj´ı, ˇze prvn´ı vzorek zvuku je pouˇz´ıván pˇreváˇznˇe pouze pro simulaci volnobˇehu motoru. Následuj´ıc´ı vzorky jsou vyuˇz´ıvány pro ˇsirˇs´ı rozsahy otáˇcek a specielnˇe posledn´ı vzorek je vyuˇzit v nejˇsirˇs´ım rozsahu, pˇriˇcemˇz pˇri pˇribliˇzovnán´ı se k maximáln´ımu výkonu se narozd´ıl od pˇrechoz´ıch vzork˚ u zvyˇsuje hlasitost aˇz k maximáln´ı u ´ rovni. Tento postup jsem reprodukoval pro c´ılové pouˇzit´ı na mikroprocesoru, protoˇze mˇel dostateˇcnˇe n´ızkou výkonovou nároˇcnost a zároveˇ n pˇrijatelnou pamˇet’ovou nároˇcnost na mnoˇzstv´ı zvukových dat.

´ RE ˇ SEN ˇ Í ZVUKOVEHO ´ 3.2. SOFTWAROVE MODELU

23

1.18 1.17

rychlostni koeficient

1.16 1.15 1.14 1.13 1.12 1.11 vzorek1 vzorek2 vzorek3 vzorek4

1.1 1.09 1.08

0

50

100 150 Strida signalu v 8 bit rozliseni

Obr´ azek 3.2: Rekonstruované

kˇrivky

200

rychlostn´ıho

250

koeficientu

pˇrehr´ avan´ ych vzork˚ u zvuk˚ u

1 0.9 0.8

koeficient zesileni

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

vzorek1 vzorek2 vzorek3 vzorek4

0.1 0

0

50

100 150 Strida signalu v 8 bit rozliseni

200

250

Obr´ azek 3.3: Rekonstruované kˇrivky koeficientu zes´ılen´ı pˇrehr´ avan´ ych vzork˚ u zvuk˚ u


24

3.2.3

Modelov´ an´ı pro vlastn´ı potˇ rebu zvukov´ eho modulu

Pro testován´ı zvukových model˚ u jsem pouˇz´ıval nejdˇr´ıve program Matlab a zvukové smyˇcky vytvoˇrené lokáln´ı komunitou uˇzivatel˚ u MSTS. Tyto zvukové modely jsou velmi vhodné, protoˇze jsou volnˇe dostupné a maj´ı rekonstruovat zvukové modely lokomotiv, které se pohybuj´ı na naˇsich trat´ıch, tedy pˇredevˇs´ım lokomotivy a motorová vozidla ˇceskoslovenské, pˇr´ıpadnˇe ruské výroby. Manipulace s rychlost´ı pˇrehráván´ı zvukových smyˇcek má jistá u ´ skal´ı. Obecnˇe lze mˇenit rychlost v omezeném rozsahu. Pˇri zrychlován´ı zvuk degraduje, protoˇze klesá poˇcet vzork˚ u na ˇcasový u ´ sek, v extrémn´ım pˇr´ıpadˇe aˇz na mez, kdy se dostaneme do konfliktu se vzorkovac´ım teorémem. Pˇri zpomalován´ı naopak houstne poˇcet vzork˚ u na ˇcasový u ´ sek. To by teoreticky nemˇelo nijak negativnˇe ovlivˇ novat kvalitu zvuku. Rozsah zmˇeny rychlosti pˇrehráván´ı je vˇsak v´ıce omezen jevy, které souvis´ı s vn´ımán´ım zvuku posluchaˇcem. Pˇri zmˇenˇe rychlosti pˇrehráván´ı smyˇcky docház´ı k posuvu frekvenˇcn´ıho spektra vzh˚ uru, respektive n´ıˇze, podle toho zda zrychlujeme ˇci zpomalujeme pˇrehráván´ı oproti originálu. Tento jev je pro posluchaˇce zvláˇstˇe patrný a nepˇr´ıjemný, pokud takto manipulujeme s nahrávkou obsahuj´ıc´ı zpˇev. Zmˇena rychlosti pˇrehráván´ı zvukové smyˇcky uloˇzené v digitáln´ı podobˇe pˇrináˇs´ı nutnost pˇrevzorkován´ı signálu. Protoˇze se rychlost pˇrehráván´ı mˇen´ı ˇrádovˇe v jednotkách procent oproti originálu, je tˇreba pˇri zachován´ı konstatn´ı rychlost´ı vzorkován´ı na výstupu dopoˇc´ıtávat hodnotu vzork˚ u mezi p˚ uvodn´ımi známými hodnotami. Metod pro pˇrevzorkován´ı je velké mnoˇzstv´ı a pˇredevˇs´ım ty sloˇzitˇejs´ı, které se snaˇz´ı zabránit výˇse uvedenému posuvu spektra, jsou ˇcasto patentovány a stˇreˇzeny svými vlastn´ıky. Bˇehem testován´ı v programu Matlab byla pouˇzita jednoduchá lineárn´ı interpolace vzork˚ u. Touto metodou lze dle subjektivn´ıho poslechu mˇenit rychlost pˇrehrávané smyˇcky o ±12% (pˇri pouˇzité

kvalitˇe vzork˚ u dle kap. 3.1 a kvalitˇe reprodukce v c´ılovém zaˇr´ızen´ı). Na c´ılovém zaˇr´ızen´ı vˇsak bylo nutné se uchýlit k metodˇe prostého vyb´ırán´ı nejbliˇzˇs´ıho souseda.

3.3

M´ıch´ an´ı v´ıce zdroj˚ u sign´ alu v digit´ aln´ı podobˇ e

Pˇr´ı m´ısen´ı zvukových signálu v otevˇreném prostoru docház´ı ke sˇc´ıtán´ı tohoto vlnˇen´ı. Pro sm´ısen´ı dvou, nebo v´ıce zvuk˚ u v digitán´ı podobˇe nen´ı moˇzné provédˇet jednodu-

´ Í VÍCE ZDROJU ˚ SIGNALU ´ ´ Í PODOBE ˇ 3.3. MÍCHAN V DIGITALN

25

chou operac´ı sˇc´ıtán´ı. Pokud jsou zvuková data v pamˇeti mikroprocesoru uloˇzena v rozliˇsen´ı 8 bit, tedy v rozsahu 0 aˇz 255, a stejnˇe tak výstup z mikroprocesoru je D/A pˇrevodn´ık se shodným rozliˇsen´ım 8 bit, tak nen´ı moˇzné tuto operaci provádˇet prostým souˇctem vzork˚ u, protoˇze výstup je shora omezen maximáln´ı hodnotou 255, respektive 255 · (Vref /255), kterou lze na D/A pˇrevodn´ıku nastavit. Souˇcet vzork˚ u vˇsak produkuje

hodnoty v rozsahu 0 aˇz 510, které D/A pˇrevodn´ık nen´ı schopen reprodukovat. Jako nejjednoduˇsˇs´ı ˇreˇsen´ı by se zdála normalizace zaznamenaných vzork˚ u na poloviˇcn´ı hlasitost, t´ım bychom vˇsak redukovali kvalitu nahrávky, protoˇze bychom stejnˇe tak sn´ıˇzili dynamický rozsah na polovinu. Problém by se pak dále komplikoval, pokud bychom poˇzadovali m´ısen´ı obecnˇe v´ıce neˇz dvou signál˚ u. Pro vyˇreˇsen´ı problému chceme realizovat algoritmus, který bude m´ısit signál A a B tak, ˇze pokud bude signál B reprezentovat ticho, tak chceme na výstupu z´ıskat ˇcistý signál A a naopak. Pokud budou oba signály nabývat nenulové amplitudy, chceme aby výsledkem operace byly hodnoty v rozsahu 0 aˇz 255. Tˇemto poˇzadavk˚ um vyhovuje operace Y = A + B − A · B,

kde

A, B, Y ∈ h0; 1i

respektive Y =A+B−

A·B , 255

kde

A, B, Y ∈ h0; 255i

Zvuková data jsou vˇsak uloˇzena v lehce odliˇsné reprezentaci, kde ticho je reprezentováno hodnotou 128 a uˇziteˇcný signál se mˇen´ı v rozsahu 0 aˇz 255. Tento algoritmus tedy nutné upravit do podoby Y = 2 · A · B,

kde

Y = 2 · (A + B) − 2 · A · B − 1,

A, B ∈ h0; 0, 5i, Y ∈ h0; 255i kde

A > 0.5 nebo B > 0.5

respektive Y = A · B/128,

kde

Y = 2 · (A + B) − A · B/128 − 256,

A, B ∈ h0; 128i, Y ∈ h0; 255i kde

A > 128 nebo B > 128

Chován´ı tohoto algoritmu je graficky znázornˇeno na obr. 3.4. Je vidˇet, ˇze ticho v obou kanálech A i B generuje na výstupu také ticho. Pokud je na vstupu pouze jeden zdroj uˇziteˇcného signálu, tak procház´ı nezmˇenˇen a pokud vstupuj´ı do výpoˇctu dva uˇziteˇcné signály, tak docház´ı k dynamickému zatlumen´ı tak, aby se signál udrˇzel v pˇr´ıpustném rozsahu hodnot.


26

Signal A 250 200 150 100 50 0

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

600

700

800

900

1000

600

700

800

900

1000

Signal B 250 200 150 100 50 0

0

100

200

300

400

500 Signal Y

250 200 150 100 50 0

0

100

200

300

400

500

Obr´ azek 3.4: Simulace m´ıch´ an´ı dvou sign´ alu v digit´ aln´ı podobˇe

´ ODEZVA EMULACE MOTORU NA ZMENU ˇ 3.4. ZVUKOVA RYCHLOSTI JÍZDY27

3.4

Zvukov´ a odezva emulace motoru na zmˇ enu rychlosti j´ızdy

V podkapitole 3.2.3 je popsán zp˚ usob, jakým je modelován zvuk motoru. Je tˇreba vˇsak zvolit veliˇcinu, od které se bude odvozovat reprodukovaný zvuk. Vzhledem k tomu, ˇze otáˇcky motoru u ´ zce souvis´ı s poˇzadovaným výkonem na motoru, mˇela by tedy být zvuková odezva odvozována od stˇr´ıdy PWM signálu pˇrivádˇeného na motor. Tato vazba by zajistila, ˇze i pˇri j´ızdˇe konstantn´ı rychlost´ı by pˇri zmˇenˇe trat’ových podm´ınek (tzn. stoupán´ı, klesán´ı, nebo zmˇena zapˇraˇzené soupravy a t´ım zmˇenˇené zat´ıˇzen´ı lokomotivy) doˇslo k oˇcekávané zmˇenˇe zvukového projevu. Pˇri testu se vˇsak ukázalo, ˇze tato jednoduchá vazba nen´ı moˇzná, protoˇze ppˇri rozjezdu byla odezva nepˇrirozená. Problémem je nelinearita v poˇcátku pˇrevodn´ı charakteristiky stˇr´ıdy PWM signálu na otáˇcky motoru (viz. obr. 3.5). To v znamená, ˇze pˇri pokusu o rozjezd, kdy je reprodukován zvuk volnobˇeˇzných otáˇcek doˇslo k výrazné a nepˇrirozené skokové zmˇenˇe zvuku motoru. Byla proto provedena u ´ prava, kdy zvuková odezva motoru se odvodila od filtrované poˇzadované rychlosti lokomotivy. Aby bylo doc´ıleno poˇzadovaného efektu zmˇeny odezvy pˇri zmˇenˇe j´ızdn´ıch podm´ınek je provádˇena korekce odezvy podle pr˚ umˇerované odchylky stˇr´ıdy PWM signálu od standardn´ı charakteristiky. Pokud bychom chtˇeli model jeˇstˇe v´ıce pˇribl´ıˇzit realitˇe, bylo by tˇreba zpozdit poˇzadavky na rychlost pˇrivádˇené do regulaˇcn´ıho obvodu motoru tak, aby doˇslo k efektu pˇredbuzen´ı motoru pˇred samotným rozjezdem. Tento postup vˇsak zat´ım nebyl vzhledem k testovac´ımu provozu implementován, protoˇze by doslo k sn´ıˇzen´ı ovladatelnosti soupravy pˇredevˇs´ım v pˇr´ıpadˇe nutnosti nouzového zastaven´ı.


28

Pocet prerusení od IR cidla za 0.1s (rychlost)

600 rozjezd brzdení 500

400

300

200

100

0

0

50

100 150 Strida PWM signalu v 8 bit rozliseni

200

250

Obrázek 3.5: Pˇrevodn´ı charakteristika stˇr´ıdy PWM sign´ alu na rychlost j´ızdy

Kapitola 4 Realizace nov´ eho ˇ r´ıdic´ıho modulu

Bˇehem migrace na novou platformu byla provedeny dvˇe, respektive tˇri iterace návrhového procesu. Tento proces se skládá z návrhu ploˇsného spoje, zadán´ım do výroby, osazen´ım, oˇziven´ım elektroniky a následným testován´ım. Bˇehem prvn´ı iterace doˇslo k fatáln´ı chybˇe pˇri návrhu, kdy byly d´ıky neˇst’asnému dˇelen´ı stran mezi výkresem mechanických rozmˇer˚ u procesoru a tabulce okótovaných hodnot ˇspatnˇe navrˇzeny dosedac´ı ploˇsky pro vývody procesoru. Prvn´ı prototyp tiˇstˇeného spoje proto nemohl být plnˇe osazen a otestován, doˇslo pouze k d´ılˇc´ımu testován´ı subsystém˚ u. V druhém kole se podaˇrilo jiˇz vyrobit plnˇe osaditelný prototyp ve dvou verz´ıch, jeden se zálohován´ım napájen´ı pomoc´ı superkapacitoru a druhý se zálohován´ım pomoc´ı baterie. Bylo odhaleno nˇekolik drobných chyb ve zdrojové ˇcásti obvod˚ u, které byly oˇzivovány jako prvn´ı, ty se vˇsak podaˇrilo odstranit pomoc´ı drátových propojek. Hlavn´ım c´ılem testován´ı bylo ovˇeˇren´ı funkˇcnosti pˇrepracované zdrojové ˇcásti a rozhodnut´ı o fináln´ı variantˇe zálohován´ı napájen´ı. Ve tˇret´ım kole byly opraveny chyby zjiˇstˇené pˇri oˇzivován´ı druhého prototypu a byla vyrobena pouze v´ıtˇezná verze z variant superkapacitor/baterie. Dále byl pouˇzit ˇctrnáctipinový konektor pro moˇznost snadného pˇripojen´ı modulu do pˇredpˇripravené zástavby v lokomotivˇe. T´ım doˇslo k oddˇelen´ı pracovn´ıch ˇcinnost´ı zástavby výzbroje do lokomotiv od výroby a oˇziven´ı ˇr´ıdic´ıch modul˚ u. Nyn´ı lze tyto ˇcinnosti provádˇet nezávisle na sobˇe. 29

´ ˇ ÍDICÍHO MODULU KAPITOLA 4. REALIZACE NOVEHO R

30

4.1

Pˇ repracovan´ a zdrojov´ aˇ c´ ast modulu

Prvn´ı zmˇenou ve zdrojové ˇcásti modulu je výmˇena lineárn´ıho stabilizátoru napˇet´ı L7805, s 5 V výstupem, za sp´ınaný zdroj TPS62112 od firmy Texas Instruments se shodným výstupn´ım napˇet´ım. D˚ uvodem bylo m´ırné zahˇr´ıván´ı p˚ uvodn´ıho stabilizátoru v d˚ usledku pomˇernˇe velkého napˇet’ového rozd´ılu mezi vstupem a výstupem stabilizátoru. Zahˇr´ıván´ı nebylo nebezpeˇcné pro obvod, protoˇze má pouzdro vybavené dostateˇcnou chlad´ıc´ı plochou, ale hrozilo by poˇskozen´ı plastové karoserie lokomotivy pˇri zakapotován´ı. Druhou výhodou je pak lepˇs´ı u ´ˇcinnost tohoto obvodu. Zapojen´ı je realizováno dle doporuˇcen´ı výrobce, viz. (Texas Instruments, 2009b). Za t´ımto vstupn´ım odvodem, který dodáva energii pro procesor, BT modul, mˇeˇr´ıc´ı obvod zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı a IR bal´ızu, se ˇreˇsen´ı rodˇelilo na dvˇe moˇzné ˇreˇsen´ı zálohován´ı napájen´ı. • ˇreˇsen´ı se superkapacitorem, který má pˇredˇrazenou proudovou ochranu pro omezen´ı nab´ıjec´ıho proudu pˇri zapnut´ı modulu

• ˇreˇsen´ı s jednoˇclánkouvou Li-Pol bateri´ı, se jmenovitým napˇet´ım 3,7 V. Správa nab´ıjen´ı je ˇreˇsena pˇr´ısluˇsným specializovaným obvodem

Na výstupu obou zálohovac´ıch ˇreˇsen´ı je sp´ınaný zdroj TPS63021 s pˇrednastaveným výstupn´ım napˇet´ım 3,3 V (tak téˇz od firmy Texas Instruments). Tento sp´ınaný zdroj je schopen pracovat v reˇzimu ”step-up”i ”step-down”s automatickým výbˇerem funkce dle aktuáln´ıho napˇet´ı na vstupu obvodu. Tato funkˇcnost je nutná, protoˇze vzhledem k u ´ bytku napˇet´ı na diodách, pˇr´ıpadnˇe na tranzistoru sp´ınaj´ıc´ım záloˇzn´ı napájen´ı, se vstupn´ı napˇet´ı tohoto sp´ınaného zdroje pohybuje v rozmez´ı nad i pod 3,3 V a nelze proto pouˇz´ıt obvod pracuj´ıc´ı pouze v reˇzimu ”step-up”, respektive v reˇzimu ”step-down”. Zapojen´ı je také provedeno dle doporuˇcen´ı výrobce, viz. (Texas Instruments, 2010).

4.1.1

ˇ sen´ı se superkapacitorem Reˇ

Pro zálohu pomoc´ı superkapacitoru byl pouˇzit BZ055A333ZSB od AVX Corporation s kapacitou 33mF na 5,5 V a udávaným vnitˇrn´ım odporem pouhých 250 mΩ. Malý vnitˇrn´ı odpor umoˇzn ˇ uje velkou proudovou zat´ıˇz´ıtelnost. Rozmˇerovˇe se jedná o kvádr s rozmˇery

ˇ ´ ZDROJOVA ´ C ˇ AST ´ 4.1. PREPRACOVAN A MODULU

31

28x17x3,5 mm a vývody pro SMD technologii osazovan´ı(zkratka SMD je pro Surface Mounted Device, tedy povrchovˇe montované zaˇr´ızen´ı). Pˇri návrhu ˇreˇsen´ı jsem provedl simulaci v prostˇred´ı Matlab, aby bylo moˇzné odhadnout dobu, po kterou bude schopen tento kapacitor udrˇzet v chodu 3,3 V vˇetev napájen´ı. Vycházel jsem z následuj´ıc´ıch pˇredpoklad˚ u. Superkapacitor je v ideáln´ım pˇr´ıpadˇe pˇred výpadkem napájen´ı nabit na napˇet´ı 5 V. Poˇzadovaný výstupn´ı proud zdroje na 3,3 V vˇetvi sloˇzen z nˇekolika sloˇzek. • Bluetooth modul - ˇspiˇckovˇe, pˇri pˇr´ıjmu i vys´ılán´ı, max. 120 mA • Procesor - pˇri taktovac´ı frekvenci 55 MHz, se vˇsemi periferiemi zapnutými 33,3 mA • Operaˇcn´ı zesilovaˇce - max 1,3 mA na obvod • IR bal´ıza - max. 0,4 mA bez vybuzen´ı, 1,6 mA pˇri vybuzen´ı signálem V souˇctu je tedy poˇzadovaný výstupn´ı proud v nejhorˇs´ım pˇr´ıpadˇe 157,5 mA, budu tedy poˇc´ıtat se Iout 160 mA a Uout 3, 3 V. Výpoˇcet je proveden iteraˇcnˇe, kdy poˇzaduji na výstupu konstantn´ı výkon Pout = Iout ·Uout = 0, 52 W. Udávaný graf u ´ˇcinnosti v garantuje u ´ˇcinnost bezpeˇcnˇe nad 90%. Budu poˇc´ıtat orientaˇcnˇe s u ´ˇcinnost´ı η = Pin /Pout = 0, 9. Je

tedy tˇreba dodávat na vstupu zdroje Pin = Pout /η = 0, 58 W. Budu tedy iteraˇcnˇe poˇc´ıtat odeb´ıraný proud na vstupu pˇri známém napˇet´ı a výkonu jako Iin = Pin /Uin . Pokud tedy vyjdu z rovnic Q = I · t a U = Q/C, budu iteraˇcnˇe ˇreˇsit rovnici Pin ui Ii · ∆t = ui − C Ii =

ui+1

Vnitˇrn´ı odpor superkapacitoru jsem zanedbal, protoˇze na poˇcátku procesu je na vnitˇrn´ım odporu u ´ bytek pouze Pin /U0 · Rin = (0, 58/5) · 0, 25 = 0, 029 V, takˇze u ´ bytek na

vnitˇrn´ım odporu superkapacitoru je opravdu zanedbatelný. Nechal jsem tedy vypoˇc´ıtat

pr˚ ubˇeh napˇet´ı na superkapacitoru s velmi jemným ˇcasovým krokem ∆t = 0, 005 s. Výsledek simulace je na obr. 4.1. V grafu je oznaˇcen bod, kdy pˇrestává pracovat sp´ınaný zdroj 3,3 V vˇetve. K výpadku napájen´ı na 3,3 V vˇetvi tedy dojde v nejhorˇs´ım pˇr´ıpadˇe za 0,62 s. To je dostatek ˇcasu pro zjiˇstˇen´ı nebezpeˇcného pádu napˇet´ı, kdyˇz napˇet´ı je mˇeˇreno AD pˇrevodn´ıkem kaˇzdou ms a napˇet´ı na superkapacitoru je zjiˇst’ováno v okamˇziku, kdy je pˇrivádˇen výkon na motor, nebo minimálnˇe jednou za 50 ms. Stejnˇe tak se jedná o dostateˇcnou dobu na zaslán´ı zprávy BT modulu o detekovaném pádu napájen´ı, aby byl


32

nadˇrazený server uvˇedomˇen o uváznut´ı soupravy na kolejiˇsti. Server by mˇel m´ıt i pˇrehled o poloze uváznut´ı, protoˇze lokomotiva do posledn´ı chv´ıle zas´ılá informace o odometrii. 5 4.5 4

napeti [V]

3.5 3 2.5 X: 0.62 Y: 1.84

2 1.5 1 0.5 0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 cas [s]

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Obr´ azek 4.1: Simulace vyb´ıjen´ı superkapacitoru pˇri v´ ypadku nap´ ajen´ı

Pro kompletn´ı pˇrehled situace byl provedena i opaˇcná simulace nábˇehu napájen´ı pˇri omezen´ı nab´ıjec´ıho proudu na Ilim = 0, 8 A. Nab´ıjec´ı proud byl omezen speciáln´ım obvodem TPS2557 od firmy Texas Instruments, který dovoluje programovatelné omezen´ı výstupn´ıho proudu pomoc´ı extern´ıho odporu. Zp˚ usob ˇreˇsen´ı byl obdobný. Ve výpoˇctu je zahrnut i nábˇeh sp´ınaného zdroje pˇri dosaˇzen´ı Uc = 1, 8 V. Výsledek je na obr. 4.2. Nab´ıjen´ı superkapacitoru je cca tˇrikrát rychlejˇs´ı neˇz vyb´ıjen´ı, takˇze nehroz´ı bˇehˇem j´ızdy faleˇsná detekce výpadku napájen´ı, protoˇze by musela být lokomotiva v´ıce neˇz tˇretinu ˇcasu izolována od kolejnic, respektive jeˇstˇe nepˇr´ıznivˇejˇs´ım pomˇerem, protoˇze výpadky by musely proniknout pˇres vstupn´ı blokován´ı a sp´ınaný zdroj z vstupn´ıho napˇet´ı na 5 V vˇetev. To je bezpeˇcná rezerva, protoˇze v takovém pˇr´ıpadˇe by mnohem dˇr´ıve doˇslo k výpadku trakce a zastaven´ı lokomotivy, tedy právˇe k opravdovému uváznut´ı. Navrˇzené schema zapojen´ı se superkapacitorem je uvedeno na obr. 4.3. Nulové propojky R5 a R6 dovoluj´ı pouˇzit libovolnou verzi obvodu TPS2556/7. Stejnˇe tak pouˇzit´ı jedné z propojek (podle typu obvodu) lze oddˇelit 3,3 V vˇetev napájen´ı od zbytku zdrojové ˇcásti a t´ım usnadˇ nuje postupné oˇzivován´ı modulu. Hodnota odporu urˇcuj´ıc´ıho proudové omezen´ı je dle dokumentace výrobce, viz. (Texas Instruments, 2009a).


33

5 4.5 4

napeti [V]

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

0

0.1

0.2

0.3 cas [s]

0.4

0.5

0.6

Obr´ azek 4.2: Simulace nab´ıjen´ı superkapacitoru pˇri n´ abˇehu nap´ ajen´ı

Obr´ azek 4.3: Schema z´ alohy nap´ ajen´ı pomoc´ı superkapacitoru


34

4.1.2

ˇ sen´ı s bateri´ı Reˇ

Bateriová záloha se skládá z jednoˇclánkové Li-Pol baterie s jmenovitým napˇet´ım 3,7 V a jmenovitou kapacitou 110 mAh. Baterie má rozmˇery 30x15x9,5 mm. Nab´ıjen´ı baterie je spravováno integrovaným obvodem MCP73812 od firmy Microchip. Tento obvod dob´ıj´ı baterii pomoc´ı pˇredprogramovaného konstantn´ıho proudu dokud nen´ı na jeho výstupu 4,2 V. Velikost nab´ıjec´ıho proudu je doporuˇcena volit jako 1 C, tedy jako jednonásobek kapacity v Ah. Tak lze dosáhnout nejkratˇs´ıho ˇcasu nab´ıjen´ı bez degradace ˇzivotnosti baterie. Podrobný popis funkce obvodu je uveden v jeho dokumentaci, viz. (Microchip, 2007). Dle teoretického pˇredpokladu z kap. 4.1.1 je tˇreba na vstupu sp´ınaného zdroje dodávat v nejhorˇs´ım pˇr´ıpadˇe výkon Pin = 0, 58 W. To by pˇri nomináln´ı hodnotˇe napˇet´ı na baterii znamenalo odbˇer 160 mA, to znamená hrubým odhadem výdrˇz cca 40 min. Protoˇze nen´ı tˇreba, aby zálohován´ı udrˇzovalo 3,3 V vˇetev napájen´ı po tak dlouhou dobu a zároveˇ n nen´ı ˇzádouc´ı, aby sp´ınaný zdroj 3,3 V vˇetve vyb´ıjel baterii za pˇr´ıpustnou mez jej´ı vyb´ıjec´ı charakteristiky, byl zaˇrazen mezi zdroj a baterii sp´ınac´ı tranzistor, který dovoluje procesoru v pˇr´ıpadˇe výpadku napájen´ı po urˇcité dobˇe ˇr´ızenˇe pˇrej´ıt do vypnutého stavu. Dále je tˇreba oˇsetˇrit napájen´ı tak, aby v pˇripadˇe bˇeˇzné funkce byla baterie nab´ıjena obvodem MCP73812 a sp´ınaný zdroj 3,3 V vˇetve byl zásoben z 5 V napájen´ı. Je tˇreba také zamezit toku proudu z 5 V vˇetve smˇerem do baterie. Výsledné schema ˇreˇsen´ı je uvedeno na obr. 4.4.

Obr´ azek 4.4: Schema z´ alohy nap´ ajen´ı pomoc´ı baterie


35

Na schematu je vidˇet oddˇelen´ı napájen´ı z 5 V vˇetve a z baterie pomoc´ı dvou shottkyho diod D3 a D4 s n´ızkým pˇrechodovým napˇet´ım cca 0,3 V. Aktivace záloˇzn´ıho napájen´ı z baterie je provádˇena pomoci unipolárn´ıho tranzistoru T1 s P kanálem, který je ovládán procesorem pˇres bipolárn´ı tranzistor T2. Aktivace nab´ıjec´ıho obvodu baterie U2 je spojeno s 5 V vˇetv´ı napájen´ı, aby byl obvod aktivn´ı vˇzdy, kdyˇz je modul v provozu. Napˇet´ı na baterii je pro u ´ˇcely diagnostiky sledováno pomoc´ı AD pˇrevodn´ıku na procesoru.

4.1.3

V´ ybˇ er fin´ aln´ıho ˇ reˇ sen´ı z´ alohov´ an´ı

Zálohován´ı napájen´ı je motivováno nutnost´ı ˇr´ızeného ukonˇcen´ı komunikace mezi BT serverem a ˇr´ıd´ıc´ım modulem. U pˇredchoz´ıch prototyp˚ u nebylo ˇreˇseno ˇr´ızené vypnut´ı modulu a pokud doˇslo k neoˇcekávanému výpadku napájen´ı, BT server zaznamenal tuto ztrátu se znaˇcným zpoˇzdˇen´ım. Stˇejnˇe tak je tˇreba zajistit pˇreklenut´ı doby mezi pˇrepólován´ım napájen´ı z kolej´ı pˇri prujezdu obratiˇstˇem soupravy a ztráta komunikace s modulem je neˇzádouc´ı. Bˇehem reálného testován´ı se ukázalo, ˇze skuteˇcná výdrˇz napájen´ı pˇred kompletn´ım výpadkem na 3,3 V vˇetvi je oproti odhadu delˇs´ı, cca 2 s. Navzdoru tomuto faktu bylo rozhodnuto o pouˇzit´ı bateriové zálohy. Ve prospˇech bateriového ˇreˇsen´ı hovoˇr´ı nˇekolik argument˚ u. • vytrvalost - bateriová záloha poskytuje nesrovnatelnˇe delˇs´ı moˇznost provozu pˇri výpadku napájen´ı, a t´ım i bezpeˇcnˇejˇs´ı ˇr´ızené vypnut´ı modulu

• cena - superkapacitor stoj´ı 16$ a obvod omezuj´ıc´ı proud pˇri nábˇehu stoj´ı 2$ oproti 2$ za baterii a 0,68$ za nab´ıjec´ı obvod baterie a dve diody po 0,5$.

• dostupnost souˇcástek a podp˚ urných obvod˚ u - dostupnost obvodu TPS2556/7 nen´ı zcela bezproblémová, dosavadn´ı exempláˇre byli z´ıskány jako vzorky pˇr´ımo od výˇ e republiky, pouˇzitý robce. Vlastn´ı superkapacitor nen´ı moˇzné sehnat v rámci Cesk´ vzorek byl zakoupen v americkém obchodˇe. Oproti tomu Li-Pol baterie jsou bez problému dostupné ve velmi podobném proveden´ı od nˇekolika r˚ uzných výrobc˚ u a podp˚ urné obvody jsou také mnohem lépe dostupné. Výhodou superkapacitoru je ponˇekud menˇs´ı rozmˇer. Pevnou montáˇz na desku ploˇsného spoje nelze povaˇzovat za výhodu, protoˇze zástavba modulu je v kaˇzdé lokomotivˇe znaˇcnˇe


36

rozd´ılná a né vˇzdy je mˇenˇe flexibiln´ı rozmˇerová konfigurace výhodou. Druhou výhodou superkapacitoru je menˇs´ı mnoˇzstv´ı podp˚ urných souˇca´stek, ale u ´ spora m´ısta na tiˇstˇeném spoji by byla ve výsledku nepatrná.

4.2

Implementace HCI rozhran´ı pro komunikaci s BT modulem

HCI rozhran´ı (Host Controller Interface) zpˇr´ıstupˇ nuje ovládac´ı rozhran´ı pro ovládán´ı kontroleru radiového modulu, linkového manaˇzera a pˇr´ıstup k ˇr´ıd´ıc´ım a stavovým registr˚ um hardwaru. Jeho základn´ı specifikace je urˇcena dokumentem (Bluetooth SIG, 2001) a je spoleˇcná pro vˇsechny Bluetooth zaˇr´ızen´ı. Tato norma je veˇrejnˇe dostupná na stránkách Bluetooth SIG (Special Interest Group). Konkrétn´ı implementace se m´ırnˇe liˇs´ı podle pouˇzitého fyzického komunikaˇcn´ıho rozhran´ı (USB, RS232, UART). Pouˇzitý modul WML-C40A od firmy BlueRadios respektuje tuto specifikaci a je moˇzné s n´ım ˇ ıd´ıc´ı modul vyuˇz´ıvá komunikaci komunikovat pomoc´ı rozhran´ımi USB, nebo UART. R´ pomoc´ı rozhran´ı UART s hardwarovým ˇr´ızen´ım toku pomoc´ı signál˚ u RTS/CTS. Pozice HCI rozhran´ı mezi koncovými zaˇr´ızen´ımi je naznaˇceno na obr. 4.5, pˇriˇcemˇz jeden z host˚ u je BT server (postavený na platformˇe AVR, konkrétnˇe ATmega162 a dále pˇr´ıpojen do systému pomoc´ı rozhran´ı CAN) a druhý je ˇr´ıd´ıc´ı modul lokomotivy. BT server je schopen simultáln´ıho spojen´ı aˇz se sedmi dalˇs´ımi zaˇr´ızen´ımi v pozici ”slave”. Spojen´ı mezi moduly je provádˇeno na základˇe fyzických MAC adres BT modul˚ u. Pˇri u ´ spˇeˇsném propojen´ı je spojen´ı pˇridˇelen náhodnˇe vygenerovaný ”link key”, který jednoznaˇcnˇe urˇcuje aktuáln´ı spojen´ı mezi dvˇema hosty. HCI rozhran´ı rozliˇsuje zprávy do nˇekolika kategori´ı: • HCI Command Packet - ˇr´ıdic´ı pˇr´ıkazy pro modul, slouˇz´ı pro ovládán´ı hardwaru BT modulu

• HCI ACL Data Packet - datový paket pouˇzivaný pˇri ACL spojen´ı (Asynchronous Connection Link), urˇcen pro paketovˇe orientovanou asynchronn´ı výmˇenu dat

• HCI SCO Data Packet - datový paket pouˇzivaný pˇri SCO spojen´ı (Synchronous Connection Oriented), urˇcen pro stálý datový tok napˇr. hlasových dat

4.2. IMPLEMENTACE HCI ROZHRANÍ PRO KOMUNIKACI S BT MODULEM 37

Obr´ azek 4.5: Schema komunikaˇcn´ıho kan´ alu mezi zaˇr´ızen´ımi pomoc´ı rozhran´ı HCI

• HCI Event Packet - paket pro asynchronnˇe nastávaj´ıc´ı události Fyzické rozhran´ı BT modulu je továrnˇe nastaveno na 112000 baud/s, bez parity, jeden stop bit, RTS/CTS ˇr´ızen´ı toku dat. Zmˇena nastaven´ı je moˇzná pomoc´ı SPI rozhran´ı, ale nen´ı tˇreba, procesor ˇr´ıd´ıc´ıho modulu je nastaven shodnˇe. BT modul komunikuje pomoc´ı ustálených zpráv. Kaˇzdá zpráva je uvozena kódem (0x01 aˇz 0x04), rozliˇsuj´ıc´ım výˇse zm´ınˇenou kategorii, do které zpráva spadá. Formát následuj´ıc´ıch dat za hlaviˇckou je pak urˇcen podle kategorie zprávy. V rámci c´ılového nasazen´ı je pouˇzito jen nˇekolik nutných pˇr´ıkaz˚ u. Jejich popis je rozebrán v následuj´ıc´ıch podkapitolách.

4.2.1

HCI Command Packet

Struktura HCI Command Packetu je uvedena na obr. 4.6. Prvn´ı dva byty obsahuj´ı ”OpCode”, který je dˇel´ı na dvˇe ˇcásti, 6 bit˚ u OGF (OpCode Group Field) a 10 bit˚ u OCF (OpCode Command Field). OGF urˇcuje skupinu, do které pˇr´ıkaz patˇr´ı a OCF

38


udává pˇr´ımo kód pˇr´ıkazu z pˇr´ısluˇsné skupiny. Nejvyˇzˇs´ı moˇzná skupina OGF (0x3F) je rezervována pro speciln´ı pouˇzit´ı a je na libov˚ uli kaˇzdého výrobce. Následuje byte udáváj´ıc´ı poˇcet následuj´ıc´ıch parametr˚ u do konce paketu.

Obr´ azek 4.6: Form´ at HCI Command Packetu

ˇ ıdic´ı modul vyuˇz´ıvá následuj´ıc´ı pˇr´ıkazy: R´ • OGF 0x01 - Host Controller & Baseband Commands – OCF 0x0C - Link Key Request Negative Reply - Slouˇz´ı pro zaslán´ı odpovˇedi na pˇr´ıchoz´ı událost Link Key Request, kdy se snaˇz´ı nˇejaké zaˇr´ızen´ı bezdrátovˇe spojit s BT modulem. Tento pˇr´ıkaz zas´ılá negativn´ı odpovˇed’, tzn. ˇze zaˇr´ızen´ı nejsou dosud spojena ˇzádným kl´ıˇcem (ˇcasto se mluv´ı o spárován´ı zaˇr´ızen´ı). Vstupn´ım parametrem je fyzická MAC adresa BT zaˇr´ızen´ı, kterému odpov´ıdáme. – OCF 0x0D - PIN Code Request Reply - Slouˇz´ı pro zaslán´ı odpovˇedi na pˇr´ıchoz´ı událost PIN Code Request. Vstupn´ımi parametrem je MAC adresa BT zaˇr´ızen´ı, délka PIN kódu a vlastn´ı PIN kód. • OGF 0x03 - Host Controller & Baseband Commands – OCF 0x03 - Reset - softwarový reset BT modulu – OCF 0x05 - Set Event Filter - filtr pˇr´ıchoz´ıch událost´ı, BT modul podle nastaven´ı filtru pˇrepos´ılá hostovi pouze události (Eventy), které projdou filtrem.

4.2. IMPLEMENTACE HCI ROZHRANÍ PRO KOMUNIKACI S BT MODULEM 39 – OCF 0x13 - Change Local Name - zmˇen´ı jméno zaˇr´ızen´ı, které je viditelné zpod kterým se dodateˇcnˇe identifikuje. Nové jméno zaˇr´ızen´ı je pˇredáváno jako vstupn´ı parametry v kódován´ı UTF-8. – OCF 0x1A - Write Scan Enable - podle parametru povoluje/zakazuje zjistitelnost BT modulu. – OCF 0x20 - Write Authentication Enable - podle parametru povoluje/zakazuje nezabezpeˇcené spojen´ı. Pokud nen´ı uvedeno jinak, vrac´ı tyto pˇr´ıkazy jediný parametr, který se nazývá status. Pokud pˇr´ıkaz vrát´ı nulu, znamená to u ´ spˇeˇsné proveden´ı pˇr´ıkazu, ˇc´ıslo r˚ uzné od nuly znamená ne´ uspˇech, význam lze dohledat v tabulce chybových kód˚ u v dokumentaci (Bluetooth SIG, 2001, str. 766).

4.2.2

HCI Event Packet

Struktura HCI Event Packetu je uvedena na obr. 4.7. Prvn´ı byte udává Event Code, tedy kód nastalé události. Následuje druhý byte, udávaj´ıc´ı poˇcet následuj´ıc´ıch Event parametr˚ u a zbytek paketu tvoˇr´ı tyto parametry. Nejvyˇsˇs´ı kód události je opˇet rezervován pro událost specifickou pro kaˇzdého výrobce.

Obr´ azek 4.7: Form´ at HCI Event Packetu


40

Dokumentace (Bluetooth SIG, 2001) obsahuje plný výˇcet moˇzných pˇr´ıchoz´ıch ˇ ıdic´ı modul reaguje pouze na urˇcité oˇcekávané typy pˇr´ıchoz´ıch událost´ı. událost´ı. R´ • Code 0x03 - Connection Complete Event - potvrzen´ı spojen´ı mezi BT moduly. Obsahuje informace o fyzické MAC adrese vzdáleného BT modulu, vygenerovaný identifikátor Connection Handle pro toto spojen´ı a zp˚ usobu zabezpeˇcen´ı kanálu. • Code 0x05 - Disconnection Complete Event - událost ztráty spojen´ı s vzdáleným

BT modulem. Obsahuje informaci o Connection Handle tohoto spojen´ı a d˚ uvod ztráty spojen´ı dle Error Listu.

• Code 0x0E - Command Complete Event - standardn´ı odpovˇed’ na vˇsechny Command Pakety, nese informaci o proveden´ı/neproveden´ı pˇrijmutého pˇr´ıkazu.

• Code 0x16 - Pin Code Request Event - vzdálený BT modul se pokouˇs´ı vytvoˇrit nové zabezpeˇcené spojen´ı pomoc´ı PIN kódu.

• Code 0x17 - Link Key Request Event - vzdálený BT modul se pokouˇs´ı spojit s BT modulem pomoc´ı Link key (vytvoˇreném pˇri pˇr´ıpadném pˇrechoz´ım spárován´ı). Pˇr´ıchoz´ı událost obsahuje jen MAC adresu vzdáleného BT modulu, je na uˇzivateli, zda pro tuto adresu má uloˇzen Link Key a podle toho odpov´ı na tuto událost. • Code 0x18 - Link Key Notification Event - událost oznamuj´ıc´ı u ´ spˇeˇsné spojen´ı mezi

BT moduly. Jej´ı souˇcást´ı je Link Key, který m˚ uˇze být pouˇzit pˇri pˇr´ıˇst´ım spojen´ı jiˇz bez PIN kódu.

4.2.3

HCI ACL/SCO Data Packet

Struktura datových paket˚ u je uvedena na obr. 4.8. Pro oba typy (ACL a SCO) datových paket˚ u je struktura shodná. Prvn´ıch 12 bit˚ u obsahuje ”Connection Handle”, coˇz je jiˇz zmiˇ novaný jednoznaˇcný identifikátor vygenerovaný pro spojen´ı mezi dvˇema BT zaˇr´ızen´ımi. Následuj´ı dva bity Packet Boundary Flag urˇcuj´ıc´ı zda se jedná a prvn´ı startovac´ı paket vys´ılané zprávy, nebo nˇekterý z následuj´ıc´ıch. Dalˇs´ı dva bity Broadcast Flag urˇcuj´ı, zda se jedná o zprávu pro konkrétn´ı zaˇr´ızen´ı, nebo zda se má provádˇet broadcast pro vˇsechny zaˇr´ızen´ı typu slave v okol´ı (i ty co zat´ım pouze naslouchaj´ı), nebo zda se jedná o broadcast vys´ılán´ı pouze pro slave zaˇr´ızen´ı jiˇz registrovaná do Piconetu vys´ılaj´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı.

4.2. IMPLEMENTACE HCI ROZHRANÍ PRO KOMUNIKACI S BT MODULEM 41

Obr´ azek 4.8: Form´ at HCI Data Packetu

Pro komunikaci s BT servery se pouˇz´ıvaj´ı datové pakety typu ACL. Pˇr´ıchoz´ı zprávy chod´ı periodicky z nadˇr´ızeného BT serveru dle dohodnutého formátu. V pˇr´ıpadˇe pˇr´ıliˇs ˇ ıdic´ı dlouhé prodlevy povaˇzuje modul komunikaci za pˇreruˇsenou a zastavuje lokomotivu. R´ modul generuje dva typy zpráv. Periodicky zas´ılá zpˇet sv˚ uj stav dle uˇzivatelsky definovaného protokolu a v pˇr´ıpadé pr˚ ujezdu pˇres IR bal´ızu a u ´ spˇeˇsném dekódován´ı nové hodnoty odes´ılá zkrácenou zprávu o ˇc´ısle bal´ızy a stavu odometrie, protoˇze odometrie je v okamˇziku pr˚ ujezdu pˇres bal´ızu resetována. Formát datagram˚ u vymˇen ˇ ovaných mezi BT serverem a ˇr´ıdic´ımi moduly jsou uvedeny v tabulkách 4.1, 4.4 a 4.5. Podrobný význam pˇr´ıchoz´ıch dat je dodefinován v tab. 4.2 a 4.3. Datagramy jsou zapouzdˇrené do pole Data v rámci datových paket˚ u uvedených na obr. 4.8. byte význam

0

1

2

ˇr´ıdic´ı data

0x00

poˇz. rychlost

reset

0x01

ˇr´ıdic´ıho

3 4

5 6 7

zvuk/osvˇetlen´ı

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0x02

-

-

-

-

-

-

-

0x03

odometrie

bal´ıza

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

modulu inicializace ˇr´ıdic´ıho modulu pˇrednastaven´ı ˇr´ıdic´ıho modulu povolen´ı k j´ızdˇe

0x04 ano (0x01)/ne (0x00)

Tabulka 4.1: Form´ at pˇr´ıchoz´ıho datagramu od BT serveru


42

bit 0

1 2

3 4 5

6

7

hodnota poˇz. rychlosti

smˇer (0 - sudý/1 - lichý)

Tabulka 4.2: V´ yznam nastaven´ı rychlosti v pˇr´ıchoz´ıch datech

bit 0

1

2

svˇetla - svˇetla - svˇetla

3

4

5

6

7

svˇetla

zvuk

motor

hvizd

kom-

pˇredn´ı

pˇredn´ı

- zadn´ı - zadn´ı globálnˇe

b´ılá

ˇcervená

b´ılá

presor

ˇcervená

Tabulka 4.3: V´ yznam nastaven´ı svˇetla a zvuku v pˇr´ıchoz´ıch datech

byte 0

1

2

3

4

5

6

7

status

odome-

IR

poˇz.

nasta-

napˇet´ı

-

-

trie

bal´ıza

rychlost ven´ı

baterie

svˇetla, zvuku Tabulka 4.4: Form´ at standard. odchoz´ıho datagramu pro BT server

byte 0

1

2

3

4

5

6

7

status

odome-

IR

-

-

-

-

-

trie

bal´ıza

Tabulka 4.5: Form´ at urgentn´ıho odchoz´ıho datagramu pro BT server

4.2.4

Proces vyjedn´ an´ı spojen´ı mezi Bluetooth moduly

Pro lepˇs´ı pochopen´ı pouˇz´ıvaných zpráv je tˇreba popsat zp˚ usob, jakým je vyjednáváno spojen´ı mezi BT moduly pˇri navazován´ı spojen´ı. BT zaˇr´ızen´ı obecnˇe umoˇzn ˇ uj´ı pouˇz´ıt pro zabezpeˇcené spojen´ı tzv. proces párován´ı. Významem je navázán´ı zabezpeˇceného spojen´ı pomoc´ı PIN kódu pouze jednou a pouˇzit´ı vygenerovaného linkového kl´ıˇce pro budouc´ı spojen´ı, kdy bude moˇzné se mezi spárovanými BT moduly spojit automaticky,

4.2. IMPLEMENTACE HCI ROZHRANÍ PRO KOMUNIKACI S BT MODULEM 43 bez nutnosti ovˇeˇrován´ı pomoc´ı PIN kódu. Tento zp˚ usob nen´ı pro komunikaci ˇr´ıdic´ıho modulu s BT serverem pouˇzit, ale je nutné s n´ım poˇc´ıtat i pˇri navazován´ım nového spojen´ı. Po zapnut´ı ˇr´ıdic´ıho modulu probˇehne nejˇr´ıve inicializace BT modulu následuj´ıc´ımi kroky: • HW reset pomoc´ı NRESET pinu BT modulu. Výrobce uvád´ı nutnost aktivace resetu na min. 5 ms.

• SW reset pomoc´ı pˇr´ısluˇsného HCI pˇr´ıkazu. Procesor si tak ovˇeˇr´ı základn´ı funkˇcnost BT modulu, protoˇze mus´ı dostat odpovˇed’ v podobˇe Command Complete Event. • Zmˇena jména BT modulu, kterým se identifikuje do okol´ı. • Nastaven´ı Event filtru na automatické pˇrijmut´ı spojen´ı od libovolného BT zaˇr´ızen´ı. • Povolen´ı zjistitelnosti BT zaˇr´ızen´ı pomoc´ı pˇr´ıkazu Write Scan Enable. • Nastaven´ı poˇzadavku na zabezpeˇcené spojen´ı pomoc´ı pˇr´ıkazu Write Authentication Enable.

Inicializace vyˇzaduje potvrzován´ı u ´ spˇeˇsného proveden´ı pˇr´ıkaz˚ u pomoc´ı události Command Complete Event v nastaveném ˇcasovém limitu (500 ms). V opaˇcném pˇr´ıpadˇe stavový automat skáˇce zpˇet na zaˇcátek a provád´ı HW reset BT modulu. Pokud probˇehne inicializace u ´ spˇeˇsnˇe, stavový automat vyˇckává na událost Link Key Request Event, tedy na pokus o pˇr´ıchoz´ı spojen´ı ze strany BT serveru. V pˇr´ıpadˇe pˇr´ıchodu této událost´ı docház´ı k následuj´ıc´ı výmˇenˇe pˇr´ıkaz˚ u: • IN - Link Key Request Event - pokus o spojen´ı ze strany BT serveru, spojen´ı je vˇzdy oznámeno dotazem na linkový kl´ıˇc pro MAC adresu, ze které docház´ı k pokusu o spojen´ı. • OUT - Link Key Request Negative Reply - ˇr´ıdic´ı modul odpov´ıdá negativnˇe, protoˇze neprovád´ı párován´ı s BT serverem a neukládá si proto Link Key pro dalˇs´ı pouˇrit´ı.

• IN - PIN Code Request Event - BT server se pokus´ı vytvoˇrit spojen´ı pomoc´ı definovaného PIN kódu.

• OUT - PIN Code Request Reply - ˇr´ıdic´ı modul odpov´ı dohodnutým PIN kódem.


44

• IN - Connection Complete Event - v pˇr´ıpadˇe u ´ spˇechu je spojen´ı potvrzeno událost´ı Connection Complete Event, která vrát´ı hodnotu Connection Handle platnou pouze pro aktuáln´ı relaci spojen´ı. V pˇr´ıpadˇe naruˇsen´ı tohoto procesu neoˇcekávanou událost´ı nebo vyprˇsen´ı ˇcasového limitu opˇet dojde k HW resetu a opakován´ı celé procedury. Pokud se dojde k u ´ spˇeˇsnému spojen´ı, je zahájena komunikace mezi BT serverem a ˇr´ıdic´ım modulem pomoc´ı datových paket˚ u smˇerovaných pomoc´ı MAC adresy a Connection Handle kl´ıˇce. Komunikaci m˚ uˇze naruˇsit detekce výpadku spojen´ı, kdy BT server neodpov´ı do ˇcasového limitu (1 s). Nebo dojde k výpadku napájen´ı a ˇr´ıdic´ı modul lokomotivy se v pˇr´ıpadˇe neobnoven´ı napájen´ı ˇr´ızenˇe odpoj´ı a vypne.

4.3

Testov´ an´ı alternativn´ı odometrie

´ eˇsná realizace ˇr´ızen´ı rychlosti motoru pomoc´ı zpˇetnˇe generovaného napˇet´ı mˇelo za Uspˇ c´ıl kompletn´ı náhradu mˇeˇren´ı rychlosti pomoc´ı IR ˇcidla, pracuj´ıc´ıho na principu odrazivé optozávory. D˚ uvodem je odstranˇen´ı nutnost´ı zástavby ˇcidla do rámu lokomotivy a výroba odrazivých/neodrazivých ploch na setrvaˇcn´ıku motoru. Tento postup se jeˇstˇe v´ıce komplikuje v pˇr´ıpadˇe model˚ u regionáln´ıch souprav, které vˇetˇsinou nemaj´ı klasickou konstrukci s pˇetipólovým motorem se setrvaˇcn´ıkem jako klasické lokomotivy. Oproti tomu mˇeˇren´ı rychlosti pomoc´ı zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı na motoru nevyˇzaduje ˇzádnou dodateˇcnou zástavbu do lokomotivy, protoˇze mˇeˇren´ı je provádˇeno pomoc´ı pˇr´ıvod˚ u napˇet´ı k motoru. Protoˇze lokomotivy nemaj´ı shodný pˇrevodový pomˇer mezi motorem a koly, je nutné provádˇet normován´ı pro obˇe metody mˇeˇren´ı rychlosti. Pro plnohodnotnou náhradu bylo tˇreba otestovat, zda je pˇresnost odometrie zaloˇzená na bázi zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı na motoru srovnatelná s odometri´ı na báz´ı IR ˇcidla. Jako prvn´ı test bylo provedeno mˇeˇren´ı pˇrevodn´ıho pomˇeru mezi u ´ daji o rychlosti v pouˇz´ıvaném rozsahu stˇr´ıdy signálu PWM, respektive v pouˇz´ıvaném spektru otáˇcek. Mˇeˇren´ı pomoc´ı zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı nelze provádˇet do maximáln´ı stˇr´ıdy, protoˇze se stoupaj´ıc´ı hodnotou stˇr´ıdy se zkracuje doba, po kterou je motor ve stavu vysoké impedance a tedy i poˇcet namˇeˇrených vzork˚ u za periodu. Aby bylo moˇzné prohlásit mˇeˇren´ı rychlosti na bázi zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı za ekvivaletn´ı s referenˇcn´ım mˇeˇren´ım pomoc´ı IR závory, je nutné, aby byl stálý pˇrevodn´ı pomˇer mezi obˇema zp˚ usoby mˇeˇren´ı

´ Í ALTERNATIVNÍ ODOMETRIE 4.3. TESTOVAN

45

v pokud moˇzno celém spektru otáˇcek. Omezen´ı mˇeˇr´ıc´ı metody na bázi zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı nen´ı aˇz tak omezuj´ıc´ı, protoˇze rychlost j´ızdy, kdy se bl´ıˇz´ı stˇr´ıda signálu PWM k maximáln´ı hodnotˇe, je jiˇz nebezpeˇcná z hlediska vykolejen´ı soupravy. Mˇeˇren´ı je zaznamenáno na obr. 4.9, pro omezen´ı zaˇsumˇen´ı jsem provedl pr˚ umˇerován´ı dat plovouc´ım oknem o velikosti pˇeti vzork˚ u.

Rychlost/Strida signali PWM (8 bit)

250

rychlost na bazi mereni BEMF rychlost na bazi IR cidla strida signalu PWM

200

150

100

50

0

0

100

200

300

400 Cas [s]

500

600

700

Obr´ azek 4.9: Porovn´ an´ı u ´daj˚ u o rychlosti z r˚ uzn´ ych zdroj˚ u mˇeˇren´ı

Toto mˇeˇren´ı dává pouze rámcovou pˇredstavu o poˇzadované svázanosti mˇeˇr´ıc´ıch metod. Pro exaktn´ı porovnán´ı je tˇreba vypoˇc´ıtat pˇrevodn´ı pomˇer mezi veliˇcinami mˇeˇrené rychlosti v namˇeˇreném rozsahu otáˇcek. Graf vypoˇctených hodnot pˇrevodn´ıho pomˇeru mezi otáˇckami mˇeˇrenými nepˇr´ımo A/D pˇrevodn´ıkem a nepˇr´ımo IR závorou je vykreslen na obr. 4.10 spoleˇcnˇe s grafem odchylek. Hodnoty jsou vypoˇcteny z ˇcistých nepr˚ umˇerovaných dat a proloˇzeny aproximac´ı polynomem nultého ˇrádu, tedy konstantou, pomoc´ı metody nejmenˇs´ıch ˇctverc˚ u. Aproximace polynomem nultého ˇrádu vyˇsla konstanta pˇrevodn´ıho pomˇeru 0,3194. Pro zaj´ımavost jsem provedl i aproximaci pomoc´ı polynomu prvn´ıho ˇrádu. Výsledkem byla pˇr´ımka definovaná jako y = k · x + q s parametry k = 1, 9813 · 10−7 a q = 0, 3193, tedy

témˇer naprosto shodný výsledek, protoˇze sklon pˇr´ımky je zanedbatelný. Chyba odhadu na obr. 4.10 je na zaˇcátku mˇeˇren´ı pomˇernˇe vysoká, to je zp˚ usobeno n´ızkým odstupem ˇsumu


Prevodni pomer Rychlost IR/Rychlost BEMF

46

0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

Prevodni pomer aprox. konstantou 0

100

200

300

400 Cas [s]

500

600

700

0

100

200

300

400 Cas [s]

500

600

700

Odchylka aproximace od mereni [%]

35 30 25 20 15 10 5 0 −5 −10 −15

Obrázek 4.10: Pˇrevodn´ı pomˇer u ´daj˚ u o rychlosti v pr˚ ubˇehu celého mˇeˇren´ı


47

od uˇziteˇcné hodnoty namˇeˇrené rychlosti pˇri j´ızdˇe malou rychlost´ı. Celkovˇe lze prohlásit, ˇze chyba se drˇz´ı v rozmez´ı ±10%. Vzhledem k ˇcasovým konstantám ˇr´ızené soustavy lze stlaˇcit tento ˇsum pomoc´ı softwarového filtrován´ı.

Jako posledn´ı test jsem provedl j´ızdu po okruhu s jednou IR bal´ızou. Po kaˇzdém pr˚ ujezdu lokomotivy pˇres bal´ızu jsem zmˇenil vys´ılaný kód. T´ım jsem byl schopem detekovat pr˚ ujezd jednoho okruhu a sledován´ım odometrie v PC jsem mˇel statistiku o zmˇeˇrené ujeté vzdálenosti za kaˇzdé kolo. Namˇeˇrené u ´ daje jsou uvedeny v tab. 4.6. Mˇeˇren´ı je zpracováno obdobným zp˚ usobem. Provedl jsem odhad délky jednoho kola aproximac´ı polynomem nultého ˇra´du a vyˇsetˇril jsem odchylky namˇeˇrené délky od aproximace. Výsledky jsou uvedeny na obr. 4.11 a obr. 4.12. Z mˇeˇren´ı ujeté vzdálenosti okruhu lze vyvodit velmi d˚ uleˇzité informace o pˇrevodn´ım pomˇeru odometrie na skuteˇcnou ujetou vzdálenost, protoˇze délka okruhu je známá. Okruh má pr˚ umˇer 86,6 cm, to znamená obvod 272 cm. Lze tedy odvodit, ˇze vztah pro výpoˇcet ujeté vzdálenosti podle odometrie odvozené od IR ˇcidla je sIR = kIR · odoIR

kde kIR =

272 = 0, 0721 3771, 6

a vztah pro výpoˇcet ujeté vzdálenosti podle odometrie od sn´ımán´ı zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı motoru je sAD = kAD · odoAD

kde kAD =

272 = 0, 0228 11940

Dále lze dopoˇc´ıtat rozptyl hodnot ujeté vzdálenosti v reálných hodnotách vzdálenosti. Pokud rozptyl hodnot odometrie odvozené od IR ˇcidla je dle grafu obr. 4.11 cca ±0, 12%, to znamená reálný rozptyl ±(3771, 6 · 0, 0012 · kIR ) = 0, 33 cm. V pˇr´ıpadˇe odometrie

odvozené od mˇeˇren´ı zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı dle grafu obr. 4.12rozptyl cca ±1, 2%, to znamená reálný rozptyl ±(11940 · 0, 012 · kIR ) = 3, 26 cm.

Odometrie na bázi zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı vykazuje o ˇrád niˇzˇs´ı pˇresnost oproti

stávaj´ıc´ımu ˇreˇsen´ı. V absolutn´ıch ˇc´ıslech to znamená stále dostaˇcuj´ıc´ı pˇresnost, protoˇze pˇri kaˇzdém pr˚ ujezdu pˇres IR bal´ızu dojde ke kalibraci a mˇeˇren´ı tedy prob´ıhá relativnˇe oproti posledn´ı projeté IR bal´ıze. Bal´ızy jsou od sebe v kolejiˇsti vzdáleny v rozmez´ı od jednoho do ˇctyˇr metr˚ u, podle sloˇzitosti infrastruktury (tedy hustˇs´ı pokryt´ı v problematických u ´ sec´ıch), to znamená, ˇze ve stanic´ıch, kde bude tˇreba zastavovat s vysokou pˇresnost´ı bude ujetá vzdálenost bezpeˇcnˇe niˇzˇs´ı, neˇz je délka testovac´ıho okruhu a pˇresnost bude tedy minimálnˇe stejná nebo lepˇs´ı neˇz vypoˇctených ±3, 26 cm.


Odchylka aprox. od mereni [%]

Namerena delka IR odometrii

48

3776 3774 3772 3770 Namerena delka aprox. konstantou

3768 3766

0

2

4

6 Cislo kola

8

10

12

0

2

4

6 Cislo kola

8

10

12

0.15 0.1 0.05 0 −0.05 −0.1

4

1.21

x 10

1.2 1.19 1.18 1.17

Odchylka aprox. od mereni [%]

Namerena delka BEMF odometrii

Obr´ azek 4.11: Mˇeˇren´ı délky okruhu pomoc´ı odometrie na b´ azi IR ˇcidla

Namerena delka aprox. konstantou 0

2

4

6 Cislo kola

8

10

12

0

2

4

6 Cislo kola

8

10

12

2 1 0 −1 −2

Obr´ azek 4.12: Mˇeˇren´ı délky okruhu pomoc´ı odometrie na b´ azi BEMF


kolo ˇc.

namˇeˇrená hodnota z odometrie

namˇeˇrená hodnota z odometrie

na bázi IR ˇcidla

na bázi BEMF

1

3767

12041

2

3774

12026

3

3772

11965

4

3770

12009

5

3775

11959

6

3771

11973

7

3770

11983

8

3773

11859

9

3773

11940

10

3773

11761

11

3770

11828

Tabulka 4.6: Namˇeˇrené délky okruh˚ u pomoc´ı odometrie ˇr´ıdic´ıho modulu

49


50

4.4

Dodateˇ cnˇ e pˇ ridan´ e funkce

Bˇehem vývoje modulu bylo implementováno nˇekolik drobných funkc´ı ˇr´ıdic´ıho modulu, které vˇetˇsinou vyplynuly z novˇe pouˇzitých funkˇcn´ıch prvk˚ u, nebo z drobných zmˇen v poˇzadavc´ıch na modul. Byla pˇripojena baterie na jeden z multiplexovaných vstup˚ u AD pˇrevodn´ıku procesoru, aby bylo moˇznˇe sledovat aktuáln´ı napˇet´ı na baterii z d˚ uvodu ochrany pˇred podpˇet´ım zp˚ usobeným vybit´ım, ale také z d˚ uvodu sledovan´ı ˇzivotnosti baterie. Baterie je pˇripojena k procesoru pomoc´ı odporového dˇeliˇce napˇet´ı, aby rozsah vstupn´ıho napˇet´ı na procesoru byl v rozmez´ı 0 V aˇz Uref = 3, 3 V. Dˇeliˇc zatˇeˇzuje baterii odporem 200 kΩ, to znamená pˇri nomináln´ı hodnotˇe napˇet´ı na baterii 3.7 V snesitelný stálý odbˇer proudu 18,5 µA. Pro detekci polarity napájen´ı v kolej´ıch bylo dˇr´ıve vyuˇz´ıváno optoˇclenu, který byl zapojen spoleˇcnˇe s omezovac´ı diodou na sbˇeraˇce lokomotivy. Optoˇclen pak v pˇr´ıpadˇe kladnˇe polarizované diody stáhnul na svém výstupu u ´ roveˇ n napˇet´ı na logickou nulu, v pˇr´ıpadˇe závˇernˇe polarizované vstupn´ı diody byl výstup fixován pull-up odporem na u ´ roveˇ n logické jedniˇcky. Novˇe je polarita zjiˇst’ována pomoc´ı kombinace dvou odpor˚ u a jedné diody. Výˇrez ze schematu je vykreslen na obr. 4.13. Pokud je na sbˇeraˇci kladná polarita napˇet´ı, je dioda D5 polarizována závˇernˇe a na vstupu procesoru je vnuceno napˇet´ı 3,3 V pomoc´ı pull-up odporu R1. Pokud je na sbˇeraˇci opaˇcná, je na sbˇeraˇci pˇred diodou záporné napˇet´ı v˚ uˇci zemi, protoˇze docház´ı k posuvu napˇet´ı zemˇe na diodˇe gretzova m˚ ustku. Protoˇze pˇrechodový odpor diody D5 nen´ı shodný s pˇrechodovým odporem diod v gretzové m˚ ustku, je zaˇrazen do obvodu jeˇstˇe odpor R2, aby nedocházelo k zatˇeˇzován´ı vstupu ˇ sen´ı pˇrineslo drobnou u procesrou napˇet´ım niˇzˇs´ım, neˇz je jeho potenciál zemˇe. Reˇ ´ sporu m´ısta pˇredevˇs´ım z hlediska výˇsky nad povrchem tiˇstˇeného spoje, protoˇze bˇeˇznˇe dostupné ˇ sen´ı pˇrineslo pouze jednu optoˇcleny jsou vˇetˇsinou v pomˇernˇe robustn´ıch pouzdrech. Reˇ drobnou komplikaci v podobˇe nutnosti SW filtrace detekovaného napájen´ı, protoˇze doba odbuzen´ı optoˇclenu pˇrirozenˇe filtrovala výpadky signálu pˇri j´ızdˇe po ˇspinavých kolej´ıch. Novˇe pouˇzitý procesor AT91SAM7S dovoluje proveden´ı SW resetu pomoc´ı registru RSTC CR (Reset Controller Control Register), nen´ı jiˇz nutné provádˇet pˇrednastaven´ı watchdog ˇcasovaˇce v kombinaci s ˇr´ızeným zacyklen´ım programu za u ´ˇcelem proveden´ı resetu procesoru.

´ 4.5. ZASTAVBA MODULU DO LOKOMOTIVY

51

Obr´ azek 4.13: Schema detekce polarity nap´ ajen´ı v kolej´ıch

4.5

Z´ astavba modulu do lokomotivy

Fináln´ı prac´ı na zprovoznˇen´ı ˇr´ıdic´ıho modulu byla zástavba do vlastn´ıch modelových ˇ lokomotiv. Pro ilustraci byla zdokumentována fináln´ı zástavba do lokomotivy CSD 754 028-9, která byla jednou z nejménˇe prostorných lokomotiv pro c´ılovou zástavbu. Lokomotivy urˇcené pro zástavbu byly pˇreváˇznˇe od rakouské firmy Roco. Prvn´ım krokem pˇred kaˇzdou zástavbou bylo kompletn´ı odstrojen´ı kovového tˇela lokomotivy, aby bylo moˇzné bezpeˇcnˇe, bez poˇskozen´ı podvozk˚ u a dalˇs´ıch plastových ˇcást´ı zasáhnout do tˇela lokomotivy. Jednalo se pˇredevˇs´ım o vrtán´ı do prostoru mezi podvozky lokomotivy pro vytvoˇren´ı m´ısta pro sn´ımaˇc IR bal´ız. Dále bylo tˇreba frézovac´ım nástavcem vyhloubit ˇzlab pro veden´ı kabeláˇze od sn´ımaˇce kolem motoru na sdruˇzený propojovac´ı konektor. Ukázka pˇredpˇripraveného tˇela lokomotivy se zpˇetnˇe osazenými podvozky je na obr. 4.14. ˇ Tˇelo lokomotivy patˇr´ı obdobnému typu lokomotivy (CSD 753 193-2) se zcela shodnou


52 zástavbou.

Obr´ azek 4.14: Tˇelo lokomotivy po odvrt´ an´ı a odfrézov´ an´ı

Po mechanickém zásahu do tˇela lokomotivy byla provedeno zástavba sn´ımaˇce IR bal´ız na malý odˇrezek univerzáln´ıho tiˇstˇeného spoje. Následné bylo provedeno nastrojen´ı tˇela lokomotivy podvozky a motorem. Tˇelo lokomotivy osazené sn´ımaˇcem je zdokumentováno na obr. 4.15. Kaˇzdá lokomotiva mˇela mezi podvozky plastový pˇrekryt modeluj´ıc´ı kontejner reálné výzbroje, do kterého byl vyvrtán pouze pr˚ uzor pro sn´ımaˇc, takˇze nebyl naruˇsen vzhled lokomotivy.

Obrázek 4.15: Pohlez zespodu na sn´ımaˇc IR bal´ız bez plastového pˇrekrytu

V zásadˇe byla ve vnitˇrn´ım prostoru zanechána p˚ uvodn´ı zástavba svˇetel, které jsou


53

situovány do m´ıst svˇetlovod˚ u um´ıstˇených na kapotách lokomotiv. P˚ uvodn´ı tiˇstˇené spoje s diodami byly zbaveny p˚ uvodn´ı kabeláˇze, pokud byly v lokomotivˇe pouˇzity ˇzárovky, byly osazeny na univerzáln´ı tiˇstˇené spoje. Následnˇe bylo provedena rozvaha rozm´ıstˇen´ı tiˇstˇeného spoje ˇr´ıdic´ıho modulu, reproduktoru a záloˇzn´ı baterie. Kabeláˇz byla rozmˇeˇrena pˇresnˇe na m´ıru a zapájena na své m´ısto. Takto nazbrojené tˇelo lokomotivy je zdokumentováno na obr. 4.16.

Obr´ azek 4.16: Hotov´ a z´ astavba kabel´ aˇze bez pˇripojeného ˇr´ıdic´ıho modulu

U takto nazbrojených lokomotiv byla provedena kontrola funkˇcnostni kabeláˇze. Pro u ´ plnost je uvedena jeˇstˇe fotodokumentace s osazeným ˇr´ıdic´ım modulem (viz. obr. 4.17). Obrázek je opatˇren struˇcnými popisky hlavn´ıch blok˚ u ˇr´ıdic´ıho modulu. Pro podrobný popis je tˇreba nahlédnout do výrobn´ı dokumentace na pˇriloˇzeném CD. Pˇredposledn´ı obrázek je pohled z boku, kdy byla provedena fotomontáˇz sn´ımku odkapotované a zakapotované lokomotivy pro pˇredstavu o vnitˇrn´ıch nároc´ıch na minimáln´ı rozmˇery ˇr´ıdic´ıho modulu pˇredevˇs´ım ve smˇeru ke stropu papoty (viz. obr. 4.18). Omezen´ı na výˇsku je také patrné z profilu vertikálnˇe zasazených tiˇstˇených spoj˚ u s diodou pro ˇceln´ı sv´ıtilny. Na posledn´ım obrázku (obr. 4.19) je zprovoznˇená lokomotiva s modulem. Výsledek je pro laika k nerozeznán´ı od p˚ uvodn´ıho stavu pˇred zástavbou elektroniky vlastn´ı výroby.

54


Obr´ azek 4.17: Hotov´ a z´ astavba s osazen´ ym ˇr´ıdic´ım modulem

Obr´ azek 4.18: Pohled z boku - sloˇzen´ı fotografie s a bez kapoty


Obr´ azek 4.19: Fin´ aln´ı sestava lokomotivy s rozsv´ıcen´ ymi hlavn´ımi svˇetly

55

56


Kapitola 5 Z´ avˇ er

Diplomová práce pˇrinesla po hardwarové stránce fináln´ı ˇreˇsen´ı ˇr´ıdic´ıho modulu, který je schopen spolehlivˇe ˇr´ıdit stejnosmˇerný motor lokomotivy za pomoci mˇeˇren´ı zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı na motoru, obousmˇernˇe komunikovat pomoc´ı bezdrátové technologie Bluetooth a standardn´ıho komunikaˇcn´ıho rozhran´ı HCI, sb´ırat informace o IR znaˇckách rozprostˇrených v infrastruktuˇre, sb´ırat informace o ujeté vzdálenosti pomoc´ı integrace, respektive sumace informace o rychlosti za ekvidistantn´ı ˇcasové u ´ seky a generovat zvukovou kulisu v podobˇe emulace sirény a motoru lokomotivy. Drobné nedostatky ˇreˇsen´ı jsou výhradnˇe softwarového charakteru a vyˇzaduj´ı dlouhodobˇejˇs´ı testován´ı v reálných podm´ınkách provozu dopravn´ı laboratoˇre. V u ´ vodu je uvedena motivace projektu, pˇrednesen´ı nedostatk˚ u souˇcasného stavu vývoje ˇr´ıdic´ıho modulu a návrh na zp˚ usob ˇreˇsen´ı tˇechto nedostatk˚ u spoleˇcnˇe s poˇzadovanou novou funkˇcnost´ı. Konkrétnˇejˇs´ı zp˚ usob ˇreˇsen´ı bylo tˇreba nejdˇr´ıve podloˇzit analýzou pozmˇenˇených poˇzadavk˚ u na modul a vzhledem k zámˇeru integrace zvukového modulu zváˇzit výkonovou nároˇcnost. Tato analýza je provedena v podkap. 2.1. Analýza byla celkovˇe c´ılena na 32 bitové platformy s výkonem cca 50 MIPS a jej´ım výsledkem bylo pouˇzit´ı platformy s jádrem ARMv7TDMI, konkrétnˇe jeho implementace od firmy Atmel v podobˇe AT91SAM7S. Na tuto platformu byl migrován dosavadn´ı kód a byla ovˇeˇrena p˚ uvodn´ı funkˇcnost s pomoc´ı vývojové desky AT91SAM7X-EK. Po ovˇeˇren´ı splnˇen´ı p˚ uvodn´ı funkˇcnosti bylo pˇristoupeno k experiment˚ um se zvukovým modulem. Bylo tˇreba z´ıskat základn´ı pˇredstavu o zp˚ usobu m´ıchán´ı v´ıce zvukových stop audio signálu do spoleˇcného výstupu, o principu modelován´ı zvuku motor˚ u obecnˇe. Dále bylo tˇreba navrhnout zp˚ usob, jakým bude procesor generovat audio signál a vybrat vhodný výkonový koncový stupeˇ n. Po splnˇen´ı tˇechto u ´ kol˚ uau ´ spˇeˇsném zprovoznˇen´ı to57

´ ER ˇ KAPITOLA 5. ZAV

58

hoto bloku bylo testováno vybaven´ı procesoru extern´ı pamˇet´ı typu Data Flash, která mˇela vylouˇcit nutnost pouˇzit´ı procesoru s velkou intern´ı pamˇet´ı (modely s 256 kB a 512 kB flash pamˇeti). Moˇznost pouˇzit´ı extern´ı pamˇeti z˚ ustala zachována jako volitelná (je moˇzné ji osadit na fináln´ı verzi ˇr´ıdic´ıho modulu), protoˇze se podaˇrilo z´ıskat dostateˇcné mnoˇzstv´ı procesoru typu AT91SAM7S256 s 256 kB pamˇeti, která doposud pokrývala pamˇet’ové nároky na zvukový modul. V kap. 4 je popsán postup celkové realizace ˇreˇsen´ı do kompaktn´ı podoby pouˇzitelné v modelových lokomotivách. Hlavn´ım u ´ skal´ım bylo pouˇzit´ı modern´ıch souˇcástek v pouzdrech typu QFN, které ˇsetˇr´ı m´ısto na ploˇsném spoji, ale vyˇzaduj´ı odliˇsný postup osazován´ı oproti souˇcástkám s klasickými vývody z pouzdra. Nejobt´ıˇznˇejˇs´ı bylo osazen´ı Bluetooth modulu WML-C40A od firmy BlueRadios. Tyto moduly byly osazovány na specializovaném pracoviˇsti Katedry elektrotechnologie, protoˇze jejich radiová ˇcást vyˇzadovala dokonalé spojen´ı se zemn´ım potenciálem. To bylo vzhledem ke konstrukci modulu nemoˇzné realizovat pomoc´ı dostupného vybaven´ı a prototypy osazené pomoc´ı horkozduˇsné stanice a pájec´ı pasty vykazovali výraznˇe horˇs´ı signálovou citlivost a dosah, protoˇze nebylo fizcky moˇzné dostateˇcnˇe kvalitnˇe uzemnit ploˇsky ˇc. 25 a 27, nacházej´ıc´ı se v bl´ızkosti keramické antény BT modulu. Dále byla implementována fináln´ı verze komunikace pomoc´ı modul˚ u WML-C40A za pomoci standardizovaného rozhran´ı HCI (Host Command Interface). Doposud byly z testovac´ıch d˚ uvod˚ u vyuˇz´ıvány pˇreprogramované USB moduly od firmy Acer, postavené na chipsetu CSR (BCR417), které replikovaly transparetn´ı seriovou linku mezi dvˇema moduly. To podstatnˇe zjednoduˇsovalo ladˇen´ı a vývoj ˇr´ıdic´ıho modulu v ranné fázi vývoje a j´ızdn´ıch zkouˇsek, protoˇze nebylo nutné disponovat Bluetooth serverem a CAN rozhran´ım, po kterém tento server komunikuje. Bylo rozhodnuto pro fináln´ı ˇreˇsen´ı sn´ımán´ı otáˇcek motoru pouze pomoc´ı mˇeˇren´ı zpˇetnˇe indukovaného napˇet´ı, protoˇze bylo prokázáno, ˇze regulace rychlosti j´ızdy je moˇzná a následná odvozená odometrie poskytuje niˇzˇs´ı, ale pˇresto dostateˇcnou pˇresnost pro c´ılové pouˇzit´ı. Výhodou tohoto ˇreˇsen´ı je podstatné zjednoduˇsen´ı zástaveb ˇr´ıdic´ıho modulu do modelových lokomotiv a souprav. Pro zálohován´ı napájen´ı bylo rozhodnuto pouˇz´ıt Li-Ion baterii, která poskytuje nesrovnatelnˇe vˇetˇs´ı vytrvalost provozu pˇri výpadku napájen´ı oproti navrhovanému ˇreˇseni se superkapacitorem. Celkovˇe byla realizace modulu souborem pomˇernˇe velkého mnoˇzstv´ı d´ılˇc´ıch problém˚ u, které bylo tˇreba vyˇreˇsit a spojit v jeden kompaktn´ı a funkˇcn´ı celek. Bˇehem dlouhodobé práce na projektu dopravn´ıho sálu Fakulty dopravn´ı, respektive na této konkrétn´ı ˇcásti

59 jsem z´ıskal velké mnoˇzstv´ı zkuˇsenost´ı z oblasti návrhu elektronických obvod˚ u, jejich dimenzovan´ı, návrhu ploˇsných spoj˚ u a vývoj aplikac´ı na r˚ uzných jednoˇcipových platformách. S odstupem se ukázalo, ˇze zvláˇstˇe palˇcivým problémeme v oblasti návrhu vlastn´ı elektroniky je nestálost dostupnosti komponent a rychlost, jakou nˇekteré komponenty zastarávaj´ı a stávaj´ı se nedostupnými. Velkým pokrokem bylo nasazen´ı modern´ıch souˇca´stek v miniaturn´ıch pouzdrech, které umoˇznili realizovat výraznˇe pokroˇcilou funkˇcnost pˇri zachován´ı rozmˇer˚ u ploˇsného spoje.

60

´ ER ˇ KAPITOLA 5. ZAV

Literatura Bluetooth SIG (2001), Specification of the Bluetooth System ver. 1.1, Bluetooth.org Hagen, R. (2002), ‘Deciphering and understanding the .sms files in msts’, http://www. msts.steam4me.net/tutorials/sms_doku.html. ´ , M. (2006), Diplomová pr´ Hajny ace – Zvukový funkˇcn´ı blok pro vozidlové simulátory, ˇ CVUT Praha ˇ ızen´ı modelu lokomotivy, CVUT ˇ ¨ nig, M. (2008), Bakaláˇrská pr´ Ho ace – R´ Praha ˇ ¨ nig, M. (2009), Semestráln´ı pr´ Ho ace – Modelov´ a lokomotiva - LQ regulace, CVUT Praha Lundgren, A. (2009), ‘Choosing between an arm7 and a cortex-m3 processor’, http://www.edn.com/article/459352-Choosing_between_an_ARM7_and_a_ Cortex_M3_processor.php. c Maxim (2005), MAX5460-MAX5468 32-Tap FleaPoT , 2-Wire Digital Potentiometers.

Microchip (2007), MCP73811/MCP73812 Datasheet. Mitchell, M. (2000), MSP430 - Using PWM Timer B as a DAC, Texas Instrumenst ˇ ızen´ı modelu lokomotivy, CVUT ˇ Pavliˇ sta, D. (2007), Bakaláˇrská pr´ ace – R´ Praha ST Microelectronic (2005), TDA7233/TDA7233D Datasheet. Texas Instruments (2009a), TPS2556/TPS2557 Datasheet. Texas Instruments (2009b), TPS6211x Datasheet. Texas Instruments (2010), TPS63020/TPS63021 Datasheet.

61

62

LITERATURA

Pˇ r´ıloha A Kompletn´ı elektrick´ e schema ˇ r´ıdic´ıho modulu

I

II

ˇ ÍLOHA A. KOMPLETNÍ ELEKTRICKE ´ SCHEMA R ˇ ÍDICÍHO MODULU PR

Obr´ azek A.1: Schema zdrojové ˇc´ asti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇc´ ast 1

III

Obr´ azek A.2: Schema zdrojové ˇc´ asti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇc´ ast 2

IV


Obr´ azek A.3: Schema procesorové ˇc´ asti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇc´ ast 1

V


VI


Obr´ azek A.5: Schema motorové bud´ıc´ı ˇc´ asti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇc´ ast 1

VII

Obr´ azek A.6: Schema motorové bud´ıc´ı ˇc´ asti ˇr´ıdic´ıho modulu - ˇc´ ast 2

VIII



Pˇ r´ıloha B Seznam pouˇ zit´ eho software

• Adobe Acrobat Reader - prohl´ıˇzen´ı soubor˚ u .pdf, export obrázk˚ u z .pdf • CAN Analyser - vyˇc´ıtán´ı dat z Bluetooth serveru bˇehem testován´ı komunikace s ˇr´ıdic´ım modulem

• Gerbv - kontrola vygenerovaných výrobn´ıch dat proˇsných spoj˚ u • GhostScript, GhostView - prohl´ıˇzen´ı soubor˚ u formátu .ps a jejich konverze do .pdf • Mathworks Matlab 2008b - experimentován´ı se zvukovými modely, generován´ı graf˚ u z namˇeˇrených hodnot

• MikTeX 2.8 - pˇrekladaˇc zdrojového kódu LATEX • Open Office 3.2 - tvorba a pˇrevod obrázk˚ u do formátu .eps • OrCAD 16 - návrh elektrických schemat a ploˇsných spoj˚ u • Rowley CrossStudio 2 for ARM - vývoj SW pro mikroprocesory s jádrem ARMx • TeXnicCenter - editor zdrojového kódu pro LATEX

IX

X

ˇ ÍLOHA B. SEZNAM POUZIT ˇ EHO ´ PR SOFTWARE

Pˇ r´ıloha C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD K této práci je pˇriloˇzeno CD, na kterém jsou uloˇzeny zdrojové kódy a záznamy z mˇeˇren´ı. • Firmware: Obsahuje tˇri podadresáˇre s projekty Rowley CrossStudio pro r˚ uzné verze vzniklých prototyp˚ u ˇr´ıdic´ıho modulu

• Mˇeˇren´ı: Zdrojová data s namˇeˇrenými hodnotami, Matlab skripty generuj´ıc´ı grafy z dat

• Software: Volnˇe dostupné verze software nutné pro zobrazen´ı nˇekterých pˇriloˇzených podklad˚ u

• Výrobn´ı dokumentace: Výrobn´ı podklady pro tiˇstˇené spoje ˇr´ıdic´ıho modulu • Zvukový model: zvukové vzorky a Matlab skripty pouˇzité pˇri rekonstrukci zvukového modulu a jeho simulaci

XI

Fakulta elektrotechnická

Recommend Documents