Laboratóriumi műszerek megvalósítása ARM alapú mikrovezérlővel és Linux-szal

Bevezetés

Hardver

Fejlesztői környezet

Felhasználói felületek

Utószó

Laboratóriumi műszerek megvalósítása ARM alapú mikrovezérlővel és Linux-szal Fuszenecker Róbert Budapesti Műszaki Főiskola Kandó Kálmán Műszaki Főiskolai Kar

2007. október 17.

Fuszenecker Róbert Laboratóriumi műszerek megvalósítása ARM alapú mikrovezérlővel és Linux-szal

BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Laboratóriumi berendezések

I

Nem kell kielégíteniük az ipari berendezésekkel szemben támasztott követelményeket (pl. hőmérséklet- és páratartalom-tartomány, mechanikai igénybevételek, stb.)

I

Különleges követelmények támaszthatók (pontosság, rendszerbe szervezhetőség, stb.)


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Laboratóriumi berendezések

I

Nem kell kielégíteniük az ipari berendezésekkel szemben támasztott követelményeket (pl. hőmérséklet- és páratartalom-tartomány, mechanikai igénybevételek, stb.)

I

Különleges követelmények támaszthatók (pontosság, rendszerbe szervezhetőség, stb.)


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Hálózat


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A mérőhálózat és a berendezések főbb összetevői

I I

Mérésvezérlő: személyi számítógép Linux-szal Műszerek felépítése: I

I I

Processzor modul (mikrovezérlő és kisegítő áramkörei), ez tartja a kapcsolatot a mérésvezérlővel Végrehajtó és beavatkozó szervek Érzékelő szervek


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I I


I I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I I


I I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I I


I I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I I


I I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Az irányítástechnika területei

I

Vezérlés

I

Mérésadatgyűjtés

I

Szabályozás → kapcsoló üzemű tápegység


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

Vezérlés

I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

Vezérlés

I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A mérőberendezés blokkvázlata


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Elvárások a mérésvezérlővel szemben

I

Operációs rendszer (Linux) és működtető (felhasználói) szoftver

I

Párhuzamos (nyomtató) vagy USB csatlakozó a JTAG-hez

I

Soros port vagy USB → soros port átalakító

A működtető szoftverről még a „Fejlesztői környezet” részben lesz szó.


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I


I


I




BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I


I


I




BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I


I


I




BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Amit az ARM alapú mikrovezérlőkről tudni érdemes

I

I

Eredetileg az ARM magot processzorok számára fejlesztették ki (Acorn, Apple, Intel) Mára a mikrovezérlő-gyártók kedvelt processzora lett I I I

I

32 bites aritmetikai egységgel rendelkezik 4 GBájt lineáris címtartomány Kis fogyasztás (41 mA áramfelvétel 60 MHz-es órajelfrekvencián) A gyártók nagyszámú külső eszközzel egészítették ki, így alakult ki a mikrovezérlő, az egy lapkán felépített számítógép


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

ARM alapú mikrovezérlők kiegészítő elemei I

FLASH és RAM memória (8-512 kbájt)

I

Analóg–digitális és digitális–analóg átalakító (10 bites)

I

16 és 32 bites számlálók (események számlálására, időzítésre, PWM-re)

I

SPI: Serial Peripheral Interface, MMC és SD kártyák programozására

I

Megszakításvezérlő

I

Órajel-generátor

I

GPIO: általános célú (digitális) adatbemenetek és kimenetek

I

RTC: valós idejű óra

I

WDT: watchdog timer


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I

Órajel-generátor

I


I


I

WDT: watchdog timer


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I

Órajel-generátor

I


I


I

WDT: watchdog timer


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I

Órajel-generátor

I


I


I

WDT: watchdog timer


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I

Órajel-generátor

I


I


I

WDT: watchdog timer


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I

Órajel-generátor

I


I


I

WDT: watchdog timer


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I

Órajel-generátor

I


I


I

WDT: watchdog timer


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I

Órajel-generátor

I


I


I

WDT: watchdog timer


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I

Órajel-generátor

I


I


I

WDT: watchdog timer


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

ARM alapú mikrovezérlők kiegészítő elemei (folytatás)

I

U(S)ART: univerzális aszinkron (soros) adó-vevő; ezt fogjuk a számítógéppel való kommunikációhoz használni

I

USB: univerzális soros busz

I

Ethernet

I

CAN és LIN busz: mikrovezérlők helyi hálózatba kötésére


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I


I


I

Ethernet

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I


I


I

Ethernet

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I


I


I

Ethernet

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A választás

A mérőhálózat alapelveinek bemutatásához az ATMEL cég AT91SAM7S64 típusú mikrovezérlőjét használtam.


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A processzor modul A processzor modullal szemben támasztott követelmények I Biztosítania kell a mikrovezérlő működéséhez szükséges feltételeket, úgymint I

I

I

I

I

I

stabilizált, túlfeszültség ellen védett tápfeszültség, max. 15 V bemenő feszültségig nagypontosságú órajel a pontos időzítésekhez, aszinkron soros átvitelhez a JTAG kivezetések, 10 pólusú szalagkábel csatlakozón keresztül a megfelelő üzemmódba lépést beállító kapocspár (nyomkövetés vagy normál üzem) hardver RESET kivezetés a mikrovezérlő esetleges kézi újraindításához LED-ek a hibás és megfelelő állapotok jerlzésére


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I

I

I

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I

I

I

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I

I

I

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I

I

I

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I

I

I

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I

I

I

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I

I

I

I

I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A processzor modul A processzor modullal szemben támasztott követelmények (folytatás) I Elvárhatjuk, hogy az alkalmazáshoz szükséges alapvető elemek is szerepeljenek a panelen: I

I

(Token Ring–)RS-232 kommunikációt lehetővé tevő kivezetések és illesztő áramkörök 4 pólusú szalagkábel csatlakozóra kivezetett ki- és bemenetek: I I I

3 db PWM kimenet 2 × 3 db analóg bemenet 3 × 2 db LED kimenet (előlapra kivezetve)


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I




BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I




BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I




BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I




BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I




BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I




BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A processzor modul kapcsolási rajza


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A processzor modul NYÁK-rajza


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Érzékelő, végrehajtó és beavatkozó szervek

A modullal szemben támasztott követelmények I

Kapcsolóeszközök vezérlése PWM jellel

I

Kimenő jelek mérése A/D átalakító segítségével (túlfeszültség-védett)


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó




I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó




I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A végrehajtó-érzékelő modul kapcsolási rajza


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A végrehajtó-érzékelő modul NYÁK-rajza


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A fejlesztői környezet A számítógép működtető szoftverének, és a mikrovezérlő programjának elkészítéséhez szükségesek a következő komponensek:1 I

binutils, gcc és gdb: a számítógép számára fordítanak, ezekkel készül a mérésvezérlő szoftvere

I

binutils, gcc és gdb: ARM architektúrára fordítanak; segítségükkel állítjuk elő a mikrovezérlő programját (firmware)

I

OpenOCD: a számítógépen fut, feltöltő és nyomkövető program

1

Erről részletesen a dolgozatban olvashatunk


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


1



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


1



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


1



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Adatátvitel soros porton keresztül A számítógép és a mikrovezérlő között az átvitel bájtsoros és csomagorientált. Tulajdonságai: I

Több eszköz (mérésvezérlő és mérőberendezések) kapcsolható rendszerbe

I

Fix csomagméret, előre definiált parancsok

I

Nincs szükség statikus eszközazonosítókra, ezeket a mérésvezérlő osztja ki

I

Hibavédelemmel ellátott a kommunikáció

I

Extra információk (azonosítók, ellenőrző összeg, parancs) csökkentik az effektív átviteli sebességet


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Csomagformátum

I

(8 bit) Cél eszköz azonosítója (dinamikus)

I

(8 bit) Parancs kódja

I

(8 bit) Adat, paraméter

I

(8 bit) Ellenőrző összeg (nullázó bájt)


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A TokenRing–RS-232 hálózat felépítése


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Vezérlő szoftver (felhasználói interfész)


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Grafikus vezérlő szoftver


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Továbbfejlesztési lehetőségek A dolgozatban megfogalmazott felhasználási területek tovább bővíthetőek, például I

szabályozással (állásos, PID kompenzált vagy véges beállású, stb.)

I

függvénygenerátor funkciókkal

I

négypólusok tranziens állapotbeli vizsgálatával

I

analóg feszültségmérő képességgel

I

oszcilloszkóp megvalósításával

I

további kommunikációs megoldásokkal (CAN, Ethernet, GSM) ...


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Kérdések?


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Köszönöm a figyelmet!


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Felhasznált irodalom

I

ARM7TDMI Technical Reference Manual (Rev 3), ARM Limited, 2001.

I

AT91 ARM Thumb-based Microcontrollers, ATMEL Corporation, 2006. november 22.


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

Felhasznált szoftverek I

Ubuntu Linux 6.06 (Dapper Drake) [Linux kernel 2.6.15-27-k7]

I

binutils 2.17 (using BFD version 2.17)

I

gcc 4.0.3

I

openocd – Open On-Chip Debugger (2007-05-30 17:45 CEST)

I

VIM — VI IMproved version 6.4.6

I LATEX2ε

(pdfeTeX, Version 3.141592-1.21a-2.2)

I

The GIMP 2.2.11

I

aspell (International Ispell Version 3.1.20 (but really Aspell 0.60.4))

I

Dia 0.94

I

Eagle 4.16r2 for Linux, Light Edition


BMF KKMFK (2007.)

Laboratóriumi műszerek megvalósítása ARM alapú mikrovezérlővel és Linux-szal

Recommend Documents