Mérő- és vezérlőberendezés megvalósítása ARM alapú mikrovezérlővel és Linux-szal

Bevezetés

Hardver

Fejlesztői környezet

Felhasználási területek

Utószó

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

2007. július 18.

Fuszenecker Róbert Mérő- és vezérlőberendezés megvalósítása ARM alapú mikrovezérlővel és Linux-szal

BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A mérőberendezés felhasználási területei

I

Vezérlés

I

Mérésadatgyűjtés

I

Transzfer karakterisztika felvétele


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


I

Vezérlés

I


I


I

Szabályozás

I

Tranziens állapotbeli viselkedés vizsgálata

I

...


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A mérőberendezés főbb összetevői

I

Mérésvezérlő: személyi számítógép Linux-szal

I

Processzor modul: mikrovezérlő és kisegítő áramkörei

I

Végrehajtó és beavatkozó szerv

I

Érzékelő szerv


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I


I


I


I

Érzékelő szerv


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I


I


I


I

Érzékelő szerv


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


I


I


I


I

Érzékelő szerv


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 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

Eredetileg az ARM magot processzorok számára fejlesztették ki (Acorn, Apple, Intel)

I

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 70 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



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó



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

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

I

USB: univerzális soros busz

I

Ethernet

I

CAN busz: controller area network; 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

Objektív és szubjektív szempontokat figyelembe véve végül az NXP (Philips alapította) cég LPC 2101 típusú mikrovezérlője mellett döntöttem. A konkurens lapka az ATMEL AT91SAM7S32 volt, de ez kevésbé tűnt megbízhatónak.


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A választás

Objektív és szubjektív szempontokat figyelembe véve végül az NXP (Philips alapította) cég LPC 2101 típusú mikrovezérlője mellett döntöttem. A konkurens lapka az ATMEL AT91SAM7S32 volt, de ez kevésbé tűnt megbízhatónak.


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

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


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


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 (MAX 232) 10 pólusú szalagkábel csatlakozóra kivezetett ki- és bemenetek: I I I

2 analóg bemenet 2 analóg (pontosabban PWM) kimenet 4 vagy 5 digitális ki-/bemenet (szoftverből beállíthatók)


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

Érzékelő, végrehajtó és beavatkozó szervek

A modullal szemben támasztott követelmények I

Tegye lehetővé egy 12 V-os izzó vezérlését digitális és analóg (PWM) jellel – tartalmazzon egy digitálisan vezérelhető kapcsolót

I

Legyen alkalmas fényerősségmérésre – egy fotodióda és egy áram-feszültség átalakító által; kimenete illeszkedjen a mikrovezérlő A/D átalakítójának bemenetéhez


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 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 olvashat


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, a mérésvezérlő osztja ki)

I

(8 bit) Forrás eszköz azonosítója

I

(8 bit) Parancs kódja

I

(8 bit) Ellenőrző összeg (nullázó bájt)

I

(32 bit vagy 4×8 bit) Adat


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A TokenRing–RS-232 hálózat felépítése


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó


A dolgozatban az alábbi méréseket és vezérléseket valósítottam meg: I

12 V-os izzó be- és kikapcsolása

I

12 V-os izzó be- és kikapcsolása időzítő megszakítással

I

12 V-os izzó fényerejének beállítása impulzusszélesség-modulációval

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




I


I


I


I



BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A vezérlés hardverének egyszerűsített kapcsolási rajza


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A mérés hardverének egyszerűsített kapcsolási rajza


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A mérésadatgyűjtés eredménye A két napos mérés során a szobámban tapasztalható fényerőt ábrázoltam az idő függvényében:


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A mérésadatgyűjtés eredménye Az előbbi eredmények utófeldolgozás nélkül:


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A transzfer karakterisztika felvételének eredménye Egy LED-ből és egy ellenállásból felépített négypólus transzfer karakterisztikája:


BMF KKMFK (2007.)

Bevezetés

Hardver



Utószó

A transzfer karakterisztika felvételének eredménye Az előbbi eredmények utófeldolgozás nélkül:


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

További 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

UM10161 Volume 1: LPC2101/02/03 User Manual, Philips Semiconductors, 2006. január 12.

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.)

Mérő- és vezérlőberendezés megvalósítása ARM alapú mikrovezérlővel és Linux-szal

Recommend Documents