V PRAZE MODULY S ROZHRANÍM ETHERNET PRO SYSTÉM SBĚRU DAT FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ CZECH TECHNICAL UNIVERSITY IN PRAGUE

ˇ ´ VYSOKE ´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ CESK E V PRAZE CZECH TECHNICAL UNIVERSITY IN PRAGUE

´ FAKULTA ELEKTROTECHNICKA ˇ REN ˇ Í KATEDRA ME FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MEASUREMENT

´ MODULY S ROZHRANÍM ETHERNET PRO SYSTEM ˇ SBERU DAT

´ RSK ˇ A ´ PRACE ´ BAKALA BACHELOR’S THESIS

´ AUTOR PRACE AUTHOR

ˇ ´ ADAM BARTIP AN

ˇ ´ VYSOKE ´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ CESK E V PRAZE CZECH TECHNICAL UNIVERSITY IN PRAGUE

´ FAKULTA ELEKTROTECHNICKA ˇ REN ˇ Í KATEDRA ME FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MEASUREMENT

´ MODULY S ROZHRANÍM ETHERNET PRO SYSTEM ˇ SBERU DAT MODULES FOR ETHERNET BASED DATA ACQUISITION SYSTEM

´ RSK ˇ A ´ PRACE ´ BAKALA BACHELOR’S THESIS

´ AUTOR PRACE

ˇ ´ ADAM BARTIP AN

AUTHOR

´ VEDOUCÍ PRACE SUPERVISOR

PRAHA 2011

doc. Ing. JAN FISCHER, CSc.

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra měření

Akademický rok 2010-2011

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE

Student:

Adam Bařtipán

Obor:

Kybernetika a měření

Název tématu česky:

Moduly s rozhraním Ethernet pro systém sběru dat

Název tématu anglicky:

Modules for Ethernet Based Data Acquisition System

Pokyny pro vypracování: Navrhněte a realizujte moduly s rozhraním Ethernet a podporou protokolu PTP a další podpůrné bloky, které budou využity v distribuovaném systému synchronního sběru dat a dálkového ovládání. Při návrhu se orientujte na využití procesorů řady STM32. Implementujte TCP/IP stack lwIP a vytvořte další potřebné programové vybavení pro STM32 včetně podpory standardu IEEE1588 i programové vybavení pro nadřazené PC. S využitím modulů sestavte jednoduchou verzi systému synchronního sběru dat a ovládání akčních členů, pomocí nějž ověříte správnost návrhu modulů i způsobu jejich ovládání.

Seznam odborné literatury: [1] Yiu J.: The definitive Guide to the ARM Cortex- M3. Elsevier, 2007, [2] Cortex-M3™, Technical Reference Manual. Publ. ARM DDI 0337B, 2006, ARM Limited [3] RM0008 - Reference manual , Doc. ID 13902 Rev 11, STMicroelectronics 2010

Vedoucí bakalářské práce:

doc. Ing. Jan Fischer, CSc.

Datum zadání bakalářské práce:

7. prosince 2010

Platnost zadání do1:

3. února 2012

L.S. Prof. Ing. Pavel Ripka, CSc. vedoucí katedry

Prof. Ing. Boris Šimák, CSc. děkan V Praze dne 7. 12. 2010

_______________________________ Platnost zadání je omezena na dobu dvou následujících semestrů.

ABSTRAKT Tato práce se zabývá návrem a realizac´ı modulu pro synchronn´ı ˇr´ızen´ı a sbˇer dat s mikrokontrolerem z rodiny STM32. Modul obsahuje analogové i digitáln´ı vstupy a výstupy, komunikaˇcn´ı rozhran´ı USB 1.1 a Ethernet, prostˇrednictv´ım kterého je provádˇena synchronizace ˇcasu s referenˇcn´ım zdrojem pomoc´ı protokolu PTP. Souˇcást´ı práce je také návrh ploˇsného spoje a ukázkový pˇr´ıklad pro demonstraci moˇznost´ı modulu vˇcetnˇe obsluˇzného programu pro PC.

ˇ ´ SLOVA KLÍCOV A ARM, Cortex-M3, STM32, PTP, IEEE-1588

ABSTRACT This thesis deals with design and construction of module for synchronnized control and data acquisition based on a microconotroller from the STM32 family. Proposed module contains analog and digital inputs and outputs, USB 1.1 and Ethernet communication interfaces. The Ethernet interface is used to synchronize time with a reference source of time using the PTP protocol. Part of this work is also design of the printed circuit board and one example demonstratig the use and posibilities of the module, including demonstrational program for PC.

KEYWORDS ARM, Cortex-M3, STM32, PTP, IEEE-1588

ˇ ´ Adam Moduly s rozhran´ım Ethernet pro systém sbˇeru dat: bakaláˇrská práce. BARTIP AN, ˇ Praha: Ceské vysoké uˇcen´ı technické v Praze, Fakulta elektrotechnická, Katedra mˇeˇren´ı, 2011. 65 s. Vedouc´ı práce byl doc. Ing. Jan Fischer, CSc.

´ SEN ˇ Í PROHLA Prohlaˇsuji, ˇze svou bakaláˇrskou práci na téma Moduly s rozhran´ım Ethernet pro ” systém sbˇeru dat“ jsem vypracoval samostatnˇe pod veden´ım vedouc´ıho bakaláˇrské práce a s pouˇzit´ım odborné literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, které jsou vˇsechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakaláˇrské práce dále prohlaˇsuji, ˇze v souvislosti s vytvoˇren´ım této bakaláˇrské práce jsem neporuˇsil autorská práva tˇret´ıch osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zp˚ usobem do ciz´ıch autorských práv osobnostn´ıch a jsem si plnˇe vˇedom následk˚ u poruˇsen´ı ustanoven´ı § 11 a následuj´ıc´ıch autorského zákona ˇc. 121/2000 Sb., vˇcetnˇe moˇzných trestnˇeprávn´ıch d˚ usledk˚ u vyplývaj´ıc´ıch z ustanoven´ı § 152 trestn´ıho zákona ˇc. 140/1961 Sb.

Praha

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

.................................. (podpis autora)

Rád bych podˇekoval vedouc´ımu práce, doc. Ing. Janu Fischerovi, CSc za veden´ı práce a odborné konzultace. Dále bych rád podˇekoval svým rodiˇc˚ um, Danˇe Baˇrtipánové a Jaroslavovi Baˇrtipánovi, za neocenitelnou moráln´ı i materiáln´ı podporu v pr˚ ubˇehu celého mého studia.

OBSAH ´ 1 Uvod 10 ´ 1.1 Uvod do problematiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2 C´ıl práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 Rozbor zad´ an´ı 2.1 Základn´ı pˇredstava o ˇreˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Synchronizace ˇcasu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Zp˚ usoby synchronizace ˇcasu . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Souˇcasné moˇznosti ˇcasové synchronizace v s´ıti Ethernet 2.3 Protokol PTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Zp˚ usob synchronizace ˇcasu pomoc´ı PTP . . . . . . . . 2.4 TCP/IP stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Ethernetov´ y ovladaˇc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Pouˇzité obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Mikrokontroler STM32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Fyzická vrstva Ethernetu . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.3 Konektor PulseJackTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 N´ avrh mˇ eˇ r´ıc´ıho modulu 3.1 Popis zapojen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Napájec´ı zdroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Pˇripojen´ı jednotliv´ ych pin˚ u MCU . . . . . . . . . 3.1.3 Napájen´ı MCU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Kompatibilita s novˇejˇs´ımi MCU z rodiny STM32 3.1.5 Vyveden´ı nevyuˇzit´ ych GPIO pin˚ u na konektory . 3.1.6 Restartován´ı a bootován´ı MCU . . . . . . . . . . 3.1.7 Oscilátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.8 Pˇripojen´ı PHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.9 Uˇzivatelské tlaˇc´ıtko a LED dioda . . . . . . . . . 3.1.10 Zapojen´ı JTAG konektoru . . . . . . . . . . . . . 3.1.11 Zapojen´ı USB konektoru . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek na DPS . . . . . . . . . . . 3.2.2 Rozloˇzen´ı pin˚ u jednotliv´ ych konektor˚ u na DPS . . 3.3 Popis demonstraˇcn´ıho programu pro PC . . . . . . . . . 3.3.1 Ukázka pouˇzit´ı programu . . . . . . . . . . . . . .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

13 13 13 13 14 16 17 18 19 19 19 20 21

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

23 23 23 24 24 25 27 27 30 32 37 38 39 40 42 44 45 47

4 Namˇ eˇ ren´ e parametry modulu

49

5 Z´ avˇ er

53

Literatura

55

Seznam symbol˚ u, veliˇ cin a zkratek

56

Seznam pˇ r´ıloh

58

A V´ yrobn´ı podklady 59 A.1 Návrh DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 A.2 Schéma zapojen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 A.3 Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek na DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 B Seznam souˇ c´ astek

62

C Pouˇ zit´ e n´ azvoslov´ı

65

´ ˚ SEZNAM OBRAZK U 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 A.1 A.2 A.3 A.4

Blokové schéma základn´ı myˇslenky ˇreˇsen´ı . . . . . . . . . . . . Synchronizace ˇcasu mezi master a slave zaˇr´ızen´ım . . . . . . . Blokové schéma Connectivity line MCU z rodiny STM32 . . . Blokov´ y diagram propojen´ı mikrokontroleru a fyzické vrstvy . Schéma vnitˇrn´ıho zapojen´ı konektoru J0006D21BNL . . . . . Schéma zapojen´ı napájec´ı ˇca´sti . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma zapojen´ı napájen´ı MCU . . . . . . . . . . . . . . . . . Jumpery pro v´ ybˇer pouˇzitého MCU . . . . . . . . . . . . . . . Pˇripojen´ı nevyuˇzit´ ych GPIO pin˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı restartovac´ıho a bootovac´ıho tlaˇc´ıtka . . . . . . . . . Zapojen´ı signálu NRST uvnitˇr MCU . . . . . . . . . . . . . . Pˇripojen´ı oscilátoru a krystal˚ u k MCU . . . . . . . . . . . . . Blokové schéma pˇripojen´ı PHY k MCU . . . . . . . . . . . . . Schéma zapojen´ı fyzické vrstvy . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇripojen´ı resetovac´ıho tlaˇc´ıtka k PHY . . . . . . . . . . . . . . Schéma pˇripojen´ı konektoru k PHY . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı uˇzivatelského tlaˇc´ıtka a LED . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı JTAG konektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı USB konektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Celkov´ y pohled na DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Horn´ı vrstva ploˇsn´ ych spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spodn´ı vrstva ploˇsn´ ych spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rozm´ıstˇen´ı souˇca´stek v horn´ı vrstvˇe ploˇsn´ ych spoj˚ u . . . . . . Rozm´ıstˇen´ı souˇca´stek ve spodn´ı vrstvˇe ploˇsn´ ych spoj˚ u. . . . . Konfigurace propojek SJ1 aˇz SJ3 pˇri pohledu na spodn´ı stranu Zapojen´ı demonstraˇcn´ı aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . Ukázka demonstraˇcn´ıho programu pro PC . . . . . . . . . . . Zobrazen´ı jednoho signálu mˇeˇreného obˇema moduly souˇcasnˇe . Vrstva TOP, mˇeˇr´ıtko 1:1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vrstva BOT, mˇeˇr´ıtko 1:1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek ve vrsvˇe TOP, mˇeˇr´ıtko 1,2:1 . . . . . . . Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek ve vrsvˇe BOT, mˇeˇr´ıtko 1,2:1 . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

13 17 20 21 22 23 25 26 28 29 29 31 32 33 34 36 37 38 39 40 41 41 42 43 43 46 47 48 59 59 61 61

SEZNAM TABULEK 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4.1 4.2 4.3 4.4

Napájec´ı piny jednotliv´ ych MCU z rodiny STM32 . . . . . . . Pˇrehled signál˚ u MII rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rozm´ıstˇen´ı pin˚ u napájec´ıho konektoru K1 pˇri pohledu zprava . Rozm´ıstˇen´ı pin˚ u konektoru K2 pˇri pohledu shora . . . . . . . Rozm´ıstˇen´ı pin˚ u konektoru K3 pˇri pohledu shora . . . . . . . Rozm´ıstˇen´ı pin˚ u JTAG konektoru K4 pˇri pohledu zleva . . . . Rozm´ıstˇen´ı pin˚ u konektoru K7 pˇri pohledu shora . . . . . . . Namˇeˇrené hodnoty odbˇeru proudu . . . . . . . . . . . . . . . . Maxmimáln´ı pˇrenosové rychlosti rozhran´ı Ethernet . . . . . . Odchylky od referenˇcn´ıho ˇcasu (nezat´ıˇzená s´ıt’) . . . . . . . . . Odchylky od referenˇcn´ıho ˇcasu (s´ıt’ vyt´ıˇzená na 50%) . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

26 34 44 44 44 45 45 49 50 51 52

1 1.1

´ UVOD ´ Uvod do problematiky

V pr˚ umyslovém prostˇred´ı se ˇcasto setkáváme s potˇrebou mˇeˇrit nejr˚ uznˇejˇs´ı fyzikáln´ı veliˇciny, nebo ˇr´ıd´ıt procesy. Prvn´ım pˇr´ıkladem m˚ uˇze b´ yt sestavován´ı matematického modelu chován´ı auta nebo letadla v r˚ uzn´ ych situac´ıch z bˇeˇzného provozu. Model vznikne zmˇeˇren´ım jednotliv´ ych hodnot senzory um´ıstˇen´ ymi na vozidle (letadle) v konkrétn´ı zkoumané situaci. Kaˇzdá takto zmˇeˇrená hodnota je opatˇrena znaˇckou ˇ ım pˇresnˇeji dokáˇzeme zmˇeˇrit hodnotu fyzikáln´ı veliˇciny s ˇcasem, kdy byla poˇr´ızena. C´ a zároveˇ n ˇcas jej´ıho poˇr´ızen´ı, t´ım pˇresnˇejˇs´ı matematick´ y model dokáˇzeme sestavit, coˇz ve v´ ysledku vede jednak k lepˇs´ımu (konkurenceschopnˇejˇs´ımu) v´ yrobku a jednak k uˇsetˇren´ı náklad˚ u na v´ yvoj (na matematickém modelu m˚ uˇzete vyzkouˇset i podm´ınky, které by vedly k nenávratnému zniˇcen´ı reálného v´ yrobku). Druh´ ym pˇr´ıkladem by mohlo b´ yt ˇr´ızen´ı supravodiv´ ych magnet˚ u v urychlovaˇci ˇca´stic. Zde je potˇreba jednotlivé supravodivé magnety rozm´ıstˇené po obvodu pláˇstˇe urychlovaˇce sp´ınat v pˇresnˇe stanoven´ ych ˇcasov´ ych okamˇzic´ıch, aby byla urychlovaná ˇca´stice jednak udrˇzována na své optimáln´ı dráze a jednak aby byla také urychlována a ne jen udrˇzována na konstantn´ı rychlosti nebo dokonce zpomalována. K tomu je pochopitelnˇe zapotˇreb´ı v´ ykonn´ y ˇr´ıd´ıc´ı systém zaj´ıˇst’uj´ıc´ı vysokou u ´roveˇ n ˇcasové synchronizace jednotliv´ ych povel˚ u k sepnut´ı. Dnes se v pr˚ umyslové praxi setkáme se dvˇemi základn´ımi koncepcemi mˇeˇr´ıc´ıch a ˇr´ıd´ıc´ıch systém˚ u. Jednou je tzv. centralizovan´ y systém, coˇz je systém postaven´ y ˇ na hlavn´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotce (RJ), která obstarává veˇskeré mˇeˇren´ı i ˇr´ızen´ı, a k n´ı jsou pˇripojeny jednotlivé mˇeˇr´ıc´ı senzory nebo akˇcn´ı prvky slouˇz´ıc´ı k ˇr´ızen´ı daného ˇ procesu. V´ yhodou takovéhoto ˇreˇsen´ı je pomˇernˇe jednoduchá komunikace mezi RJ, senzory (pˇr´ıkazy zmˇeˇr“, poˇsli“) a akˇcn´ımi prvky (pˇr´ıkazy zapni“, vypni“, atd.) ” ” ” ” a také odpadá potˇreba synchronizace ˇcasu mezi tˇemito periferiemi, jelikoˇz jedin´ y ˇ Nev´ systém s vlastn´ım ˇcasem je RJ. yhodou je pˇredevˇs´ım poˇrizovac´ı cena a závislost ˇ celého systému na jediném prvku (RJ), jehoˇz nefunkˇcnost vyˇrad´ı cel´ y systém z provozu. V souˇcasnosti se dostávaj´ı do popˇred´ı tzv. distribuované systémy, které jsou postaveny na jednotliv´ ych do znaˇcné m´ıry autonomn´ıch modulech, které jsou schopné vykonávat d´ılˇc´ı ukony bez zásahu nadˇrazené jednotky, ˇc´ımˇz zásadnˇe zvyˇsuj´ı spolehlivost celého systému. Dalˇs´ımi v´ yhodami jsou n´ızká poˇrizovac´ı cena a snadná rozˇsiˇritelnost takového systému. Nev´ yhodou jsou vysoké nároky na

10

komunikaˇcn´ı sbˇernici mezi jednotliv´ ymi moduly, jelikoˇz je vyˇsˇs´ı spolehlivost vykoupena podstatnˇe komplexnˇejˇs´ı komunikac´ı neˇz v pˇr´ıpadˇe centralizovaného systému. Nev´ yhodou z pohledu ˇcasové synchronizace je fakt, ˇze kaˇzd´ y modul má sv˚ uj vlastn´ı zdroj ˇcasu, kter´ y obecnˇe nemus´ı (a bˇeˇznˇe nem´ıvá) stejnou hodnotu jako referenˇcn´ı ˇcas nadˇrazené jednotky, takˇze je potˇreba zajistit, aby ˇcas jednotliv´ ych modul˚ u kop´ıroval s pˇredem známou pˇresnost´ı referenˇcn´ı ˇcas, tedy ˇcas na jednotliv´ ych modulech synchronizovat s referenˇcn´ım. Modern´ı ˇreˇsen´ı dostupn´ ych mˇeˇr´ıc´ıch a ˇr´ıd´ıc´ıch distribuovan´ ych systém˚ u zpravidla sestává z modul˚ u ˇr´ızen´ ych mikroprocesorem (napˇr. s jádrem ARM) a nadˇrazené ˇr´ıd´ıc´ı aplikace pro PC. Pro komunikaci mezi jednotliv´ ymi moduly je k dispozici dostateˇcné moˇzstv´ı komunikaˇcn´ıch rozhran´ı, pˇriˇcemˇz mezi nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı patˇr´ı Profibus, CAN, RS-485 a v posledn´ı dobˇe se d´ıky stále klesaj´ıc´ım poˇrizovac´ım náklad˚ um prosazuje také Ethernet. Dnes je kladen velk´ y d˚ uraz na univerzálnost modul˚ u a v souladu s t´ım je potˇreba navrhnout modul, kter´ y dokáˇze jak mˇeˇrit tak ˇr´ıd´ıt. Distribuovan´ y systém je pak postaven´ y z vˇetˇs´ıho poˇctu stejn´ ych modul˚ u, coˇz sniˇzuje náklady na v´ yrobu a d´ıky tomu také m˚ uˇze jeden modul zastoupit v pˇr´ıpadˇe poruchy jin´ y nefunkˇcn´ı modul.

1.2

C´ıl pr´ ace

Modul pro synchronn´ı ˇr´ızen´ı a sbˇer dat by mˇel obsahovat ˇr´ıd´ıc´ı jednotku (procesor), dostatek vstup˚ u pro mˇeˇren´ı elektrick´ ych veliˇcin (pˇredevˇs´ım AD pˇrevodn´ıky) a v´ ystup˚ u pro ˇr´ızen´ı poˇzadovaného procesu. Dále je nezbytné aby obsahoval rozhran´ı umoˇzn ˇuj´ıc´ı komunikaci s nadˇr´ızenou jednotkou (ˇcasto se jedná o PC) stejnˇe jako s ostatn´ımi moduly. Distribuované systémy b´ yvaj´ı ˇcasto nasazené v situac´ıch, kdy je potˇreba mˇeˇrit ve v´ıce mˇeˇr´ıc´ıch kanálech souˇcasnˇe, ale z urˇcitého d˚ uvodu (napˇr. mˇeˇren´ı za vysoké teploty, mˇeˇren´ı v rozsáhlém prostoru) nen´ı moˇzné toto mˇeˇren´ı provádˇet jedn´ım mˇeˇr´ıc´ım pˇr´ıstrojem. Jeden mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroj má tu v´ yhodu, ˇze veˇskerá namˇeˇrená data ze vˇsech kanál˚ u si nesou ˇcasovou znaˇcku z jediného zdroje ˇcasu tohoto pˇr´ıstroje. Takto vznikl´ y soubor dat je tedy ˇcasovˇe koherentn´ı. Naproti tomu v distribuovaném systému, kde moduly pracuj´ı jako jednotlivé mˇeˇr´ıc´ı kanály, je ke kaˇzdé namˇeˇrené hodnotˇe pˇriˇrazna ˇcasová znaˇcka odvozená od systémového ˇcasu konkrétn´ıho modulu, kter´ y nemus´ı b´ yt na vˇsech modulech stejn´ y (a bˇeˇznˇe neb´ yvá). Z toho d˚ uvodu je potˇreba na vˇsech modulech synchronizovat jejich zdroje ˇcasu s referenˇcn´ım zdrojem ˇcasu. K tˇemto u ´ˇcel˚ um slouˇz´ı synchronizaˇcn´ı protokol, kter´ y prostˇrednictv´ım komunikaˇcn´ı sbˇernice neustále zjiˇst’uje hodnotu referenˇcn´ıho ˇcasu a upravuje podle n´ı

11

jednotlivé systémové sytémové ˇcasy modul˚ u. V ideáln´ım pˇr´ıpadˇe by tak bylo moˇzné dosáhnout pˇresnˇe stejného ˇcasu na vˇsech modulech, nicménˇe v praxi je tato ideáln´ı synchronizace nedosaˇzitelná a synchronizovan´ y ˇcas se pouze bl´ıˇz´ı referenˇcn´ımu. C´ılem této práce je navrhnout univerzáln´ı mˇeˇr´ıc´ı modul postaven´ y na jádˇre ARM Cortex-M3 z rodiny mikrokontroler˚ u STM32, jenˇz bude se sv´ ym okol´ım komunikovat pomoc´ı rozhran´ı Ethernet. Pro komunikaci prostˇrednictv´ım tohoto rozhran´ı je nejprve nutné implementovat TCP/IP stack, tedy program zprostˇredkovávaj´ıc´ı uˇzivateli snadnou obsluhu s´ıt’ového provozu vˇcetnˇe dvou základn´ıch komunikaˇcn´ıch protokol˚ u TCP a UDP. Právˇe TCP/IP stack poskytuje synchronizaˇcn´ımu protokolu nezbytné metody pro vys´ılán´ı a pˇr´ıjem synchronizaˇcn´ıch zpráv. K synchronizaci ˇcasu na jednotliv´ ych modulech bude vyuˇzit Precision Time Protocol (PTP). Tato práce by mˇela poskytnout dalˇs´ım zájemc˚ um o synchronn´ı ˇr´ızen´ı a sbˇer dat v oblasti distribuovan´ ych systém˚ u jednoduchou a finanˇcnˇe nenároˇcnou platformu pro v´ yvoj pokroˇcilejˇs´ıch ˇreˇsen´ı, a proto bude souˇca´st´ı práce také ukázkov´ y program pro PC demonstruj´ıc´ı moˇznosti zde popisovaného modulu.

12

2

´ Í ROZBOR ZADAN

2.1

Z´ akladn´ı pˇ redstava o ˇ reˇ sen´ı

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v sekci 1.2, základem modulu bude mikrokontroler s ethernetov´ ym rozhran´ım, na kterém je potˇreba implementovat obsluˇzné programy pro komunikaci. Blokové schéma 2.1 nastiˇ nuje moˇzné ˇreˇsen´ı celého modulu a distribuovaného systému.

modul 1 sběrnice Ethernet

PC

PTP protokol, uživatelské programy

TCP/IP stack

modul N

ethernetový driver

modul 3 MCU (s MAC vrstvou)

analogové vstupy a výstupy

PHY

modul 2

digitální vstupy a výstupy

Obr. 2.1: Blokové schéma základn´ı myˇslenky ˇreˇsen´ı

2.2 2.2.1

Synchronizace ˇ casu Zp˚ usoby synchronizace ˇ casu

V mˇeˇr´ıc´ı, ˇr´ıd´ıc´ı a automatizaˇcn´ı technice, kde je v systému pouˇzito v´ıce nezávisl´ ych zaˇr´ızen´ı, je ˇcasto vyˇzadováno pˇresné ˇcasován´ı tˇechto zaˇr´ızen´ı tak, aby bylo dosaˇzeno synchronizace jednotliv´ ych události resp. korelace namˇeˇren´ ych dat. Aby bylo moˇzno

13

takovéto synchronizace dosáhnout, jednotlivá zaˇr´ızen´ı musej´ı m´ıt bud’ pˇr´ıstup k centráln´ımu zdroji hodinového signálu, nebo si musej´ı synchronizovat své vlastn´ı zdroje hodinového signálu podle referenˇcn´ıho zdroje. Zástupcem prvn´ıho pˇr´ıpadu je napˇr. systém PCI Extensions for Instrumentation (PXI), kde je v rámci jednoho chasis1 vˇsem modul˚ um poskytnut pˇr´ıstup k referenˇcn´ımu zdroji 10MHz hodinového signálu s vysokou pˇresnost´ı. Toto ˇreˇsen´ı je ovˇsem u ńosné pouze v pˇr´ıpadˇe, ˇze jsou jednotlivé mˇeˇr´ıc´ı moduly pomˇernˇe bl´ızko referenˇcn´ıho zdroje taktu, jako v pˇr´ıpadˇe PXI (vzdálenost nepˇresahuje 1m). Pomˇernˇe ˇcasto se ale v praxi setkáme s potˇrebou m´ıt jednotlivé mˇeˇr´ıc´ı moduly rozm´ıstˇené ve vˇetˇs´ıch vzdálenostech a ojedinˇelé nejsou ani pˇr´ıpady, kdy se jednotlivé moduly v pr˚ ubˇehu mˇeˇren´ı pohybuj´ı a mˇen´ı svou vzdálenost od ˇr´ıd´ıc´ıho modulu. To jsou typicky distribuované systémy zaloˇzené na autonomn´ıch mˇeˇr´ıc´ıch a ˇr´ıd´ıc´ıch modulech, kde se zpravidla nerozvád´ı hodinov´ y signál pˇr´ımo po komunikaˇcn´ı sbˇernici ve formˇe periodického signálu o dané frekvenci. D˚ uvodem je fakt, ˇze se vzr˚ ustaj´ıc´ı vzdálenost´ı od zdroje signálu docház´ı k jeho deformaci napˇr. v d˚ usledku elektromagnetického ruˇsen´ı nebo vzájemné kapacity vodiˇc˚ u. Nav´ıc v pˇr´ıpadˇe, ˇze mˇeˇr´ıc´ı modul mˇen´ı vzdálenost od referenˇcn´ıho zdroje, docház´ı také ke zmˇenˇe zpoˇzdˇen´ı, s jak´ ym doraz´ı signál do synchronizovaného zaˇr´ızen´ı, coˇz se pomˇernˇe obt´ıˇznˇe kompenzuje.

2.2.2

Souˇ casn´ e moˇ znosti ˇ casov´ e synchronizace v s´ıti Ethernet

Pˇrestoˇze dnes existuje velké mnoˇzstv´ı pr˚ umyslov´ ych sbˇernic s vysokou spolehlivost´ı pˇrenosu dat, souˇcasn´ ym trendem na poli distribuovan´ ych systém˚ u je sp´ıˇse pouˇz´ıvat s´ıtˇe typu Ethernet. Hlavn´ım d˚ uvodem je nepochybnˇe cena takového ˇreˇsen´ı, která je d´ıky masivn´ımu rozˇs´ıˇren´ı Ethernetu v posledn´ıch letech zpravidla niˇzˇs´ı neˇz konkurenˇcn´ı moˇznosti na bázi striktnˇe pr˚ umyslov´ ych sbˇernic (napˇr. RS-485, RS-422, CAN, Profibus a pod.). Dalˇs´ım pozitivn´ım faktorem masivn´ıho rozˇs´ıˇren´ı Ethernetu je také fakt, ˇze v´ yrobci mikrokontroler˚ u dnes maj´ı tendenci nab´ızet ve sv´ ych jednoˇcipov´ ych ˇreˇsen´ıch i ethernetové rozhran´ı, aniˇz by to zásadn´ım zp˚ usobem navyˇsovalo cenu v´ ysledného produktu. V neposledn´ı ˇradˇe je d˚ uleˇzitá univerzálnost a modulárnost ethernetové s´ıtˇe, d´ıky které je moˇzné s´ıt’ dále rozv´ıjet, mˇenit jej´ı strukturu, ˇskálovat a v pˇr´ıpadˇe potˇreby také zvyˇsovat propustnost dat (rychlost komunikace). S v´ yhodou je také moˇzné pouˇz´ıt jiˇz existuj´ıc´ıch ethernetov´ ych zaˇr´ızen´ı (pˇrep´ınaˇce, rozboˇcovaˇce, opakovaˇce, smˇerovaˇce a dalˇs´ı), které jsou sice primárnˇe 1

Pˇr´ıstrojov´ a skˇr´ıˇ n s nap´ ajec´ım zdrojem, sloty pro zasunut´ı jednotliv´ ych modul˚ u a rozvodem referenˇcn´ıho ˇcasového sign´ alu

14

urˇceny napˇr´ıklad do datov´ ych center velk´ ych spoleˇcnost´ı, ale d´ıky své kvalitˇe a spolehlivosti mohou b´ yt nasazeny i v pr˚ umyslovém provozu. Jednou z posledn´ıch v´ yhod Ethernetu je také jeho nezávislost na druhu média, prostˇrednictv´ım kterého je komunikováno. Lze tedy komunikovat po metalické veden´ı (nejˇcastˇejˇs´ı), v pˇr´ıpadˇe prostˇredn´ı se siln´ ym elektromagnetick´ ym ruˇsen´ım nen´ı problém pr˚ ubˇeˇznˇe pˇrej´ıt z metalického na optické médium (optické vlákno) a stejnˇe tak m˚ uˇze metalické i optické veden´ı pˇrecházet v pˇr´ıpadˇe potˇreby v bezdrátovou komunikaci vzduchem, jakou je napˇr´ıklad WiFi ˇci WiMax [4], [5]. Velkou nev´ yhodou s´ıtˇe Ethernet z pohledu ˇcasové synchronizace je fakt, ˇze vys´ılaná data (pakety) nemus´ı dorazit do c´ılového bodu ve stejném poˇrad´ı, v jakém byla vyslána, coˇz se v rozsáhlejˇs´ıch s´ıt´ıch bˇeˇznˇe stává. Dalˇs´ım prolbémem m˚ uˇze b´ yt promˇenná (napˇr. v závislosti na vyt´ıˇzen´ı s´ıtˇe) délka zpoˇzdˇen´ı mezi okmaˇziky vyslán´ı a pˇr´ıjmem dat, která se d´ıky n´ızké pˇredv´ıdatelnosti obt´ıˇznˇe koriguje. Pro u ´ˇcely ˇcasové synchronizace (nejen) v prostˇred´ı s´ıtˇe Ethernet vznikla ˇrada protokol˚ u, které se od sebe liˇs´ı pˇredevˇs´ım pˇresnost´ı, s jakou dokáˇz´ı udrˇzovat stanoven´ y systémov´ y ˇcas. Jedn´ım z takov´ ychto protokol˚ u je Reference Broadcast Time Synchronization (RBTS), kter´ y pracuje na pomˇernˇe jednoduchém principu. Takzvan´ y broadcast beacon vyˇsle vˇsem zaˇr´ızen´ım pˇripojen´ ym ke komunikaˇcn´ı sbˇernici znamen´ı k synchronizaci, coˇz je zpráva, která neobsahuje informaci o aktuáln´ım ˇcase, ale pouze v´ yzvu vˇsem u ´ˇcastn´ık˚ um komunikace k tomu, aby si mezi sebou navzájem synchronizovali ˇcas. Samotn´ y broadcast beacon tedy pouze odstartuje“ synchro” nizaci a dále se na n´ı nepod´ıl´ı. Synchronizace prob´ıhá prostˇrednictv´ım v´ ymˇeny ˇcasov´ ych u ´daj˚ u mezi jednotliv´ ymi zaˇr´ızen´ımi a následn´ ym dopoˇc´ıtán´ım ˇcasov´ ych posunut´ı v˚ uˇci kaˇzdému u ´ˇcastn´ıkovi komunikace. Tato metoda se nejˇcastˇeji pouˇz´ıvá v bezdrátov´ ych senzorov´ ych s´ıt´ıch. Jej´ı v´ yhodou je jednoduchá implementace takového protokolu a odstranˇen´ı nejistoty, která u protokol˚ u pracuj´ıc´ıch na bázi referenˇcn´ıho ˇcasu vys´ılaného jedn´ım zaˇr´ızen´ım (zpráva obsahuje u ´daj o referenˇcn´ım ˇcase) vzniká v d˚ usledku pˇredem neznámého zpoˇzdˇen´ı mezi vys´ılac´ı stranou a koncov´ ymi body s´ıtˇe, kter´ ym je zpráva urˇcena. Nev´ yhodou je paradoxnˇe právˇe absence referenˇcn´ıho ˇcasu, která zp˚ usobuje, ˇze systémov´ y ˇcas jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı neodpov´ıdá jednomu konkrétn´ımu ˇcasu, kter´ y je povaˇzován ze pˇresn´ y, ale sp´ıˇse se bl´ıˇz´ı aritmetickému pr˚ umˇeru systémov´ ych ˇcas˚ u jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı. Vzhledem k pˇredpokládanému pouˇzit´ı v bezdrátov´ ych senzorov´ ych s´ıt´ıch byl pˇri návrhu tohoto protokolu kladen velk´ y d˚ uraz na n´ızkou spotˇrebu (jednotlivá zaˇr´ızen´ı b´ yvaj´ı ˇcasto napájena z akumulátor˚ u) na u ´kor pˇresnosti ˇcasové synchronizace.

15

Dalˇs´ım protokolem pouˇz´ıvan´ ym pro synchronizaci ˇcasu je tzv. Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP), kter´ y jiˇz pracuje se zdrojem referenˇcn´ıho ˇcasu, kter´ y periodicky vys´ılá zprávu s ˇcasovou znaˇckou odpov´ıdaj´ıc´ı referenˇcn´ımu ˇcasu. Tato zpráva je adresovaná vˇsem u ´ˇcastn´ık˚ um komunikace. Kaˇzd´ y u ´ˇcastn´ık po pˇr´ıjmu takové zprávy zaznamená ˇcas pˇrijet´ı a sloˇzen´ım obou ˇcasov´ ych u ´daj˚ u z´ıskává informaci o posunut´ı svého ˇcasu oproti referenˇcn´ımu. Protokol ovˇsem nekompenzuje promˇenné zpoˇzdˇen´ı mezi vyslán´ım a pˇr´ıjmem zprávy. D´ıky tomu se pr˚ umˇerná chyba systémového ˇcasu oproti referenˇcn´ımu pohybuje v ˇrádu des´ıtek aˇz stovek mikrosekund. Stejnˇe jako v pˇr´ıpadˇe prtokolu RBTS i protokol FTPS! byla navrhován s ohledem na n´ızkou spotˇrebu a to na u ´kor pˇresnosti ˇcasové synchronizace. Velice vyuˇz´ıvan´ ym protokolem pro synchronizaci ˇcasu uˇz´ıvan´ ym pˇredevˇs´ım mezi osobn´ımi poˇc´ıtaˇci a s´ıt’ov´ ymi servery je Network Time Protocol (NTP). Tento protokol je pomˇernˇe sloˇzit´ y a existuje v nˇekolika verz´ıch (aktuáln´ı verze má poˇradové ˇc´ıslo 4 a následuj´ıc´ı verze je ve v´ yvoji), které jsou detailnˇe popsány na stránkách organizace zajiˇst’uj´ıc´ı jeho v´ yvoj: www.ntp.org. V s´ıti internet dokáˇze pracovat s odchylkou v ˇrádu des´ıtek milisekund, v lokáln´ıch s´ıt´ıch je moˇzné dosáhnout pˇresnosti na stovky mikrosekund. Posledn´ı zde zmiˇ novanou moˇznost´ı je tzv. Precision Time Protocol, jehoˇz implementac´ı na jednoˇcipovém mikropoˇc´ıtaˇci se zab´ yva tato práce. V´ıce podrobnost´ı je moˇzno nalézt v sekci 2.3, která je tomuto protokolu vˇenována.

2.3

Protokol PTP

Pro u ´ˇcely synchronizace ˇcasu v s´ıti Ethernet vznikl prtokol definovan´ y normou Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE-1588), téˇz oznaˇcovan´ y jako PTP, kter´ y bude vyuˇzit i ve zde popisovaném modulu. Jeho c´ılem je nab´ıdnout alternativu synchronizace hodinového signálu k synchronizaci pomoc´ı centrálnˇe rozvádˇeného hodinového signálu. Toho je dosaˇzeno periodick´ ym vymˇen ˇován´ım informac´ı mezi master zaˇr´ızen´ım a jednotliv´ ymi slave moduly tak, aby si slave moduly mohly samy korigovat a sladit“ jejich lokáln´ı zdroje hodinového taktu ” s master jednotkou. PTP poskytuje standardizovan´ y protokol pro synchronizaci hodin prostˇrednictv´ım s´ıtˇe umoˇzn ˇuj´ıc´ı v jeden okamˇzik vyslat jednu zprávu v´ıce pˇr´ıjemc˚ um 2 , jako napˇr´ıklad 2

V zahraniˇcn´ı literatuˇre se tato vlastnost oznaˇcuje jako tzv. multicast.

16

Ethernet. Nab´ız´ı moˇznost synchronizace heterogenn´ıch zdroj˚ u hodinového signálu, nezatˇeˇzuje s´ıt’ pˇr´ıliˇsn´ ymi nároky na objem pˇrenesen´ ych dat a nevyˇzaduje mnoho v´ ypoˇcetn´ıho v´ ykonu. Protokol byl standardizován institutem IEEE poprvé v roce 2002, jeho druhá verze byla vydána v roce 2008. Druhá verze IEEE-1588 protokolu, oznaˇcovaná jako IEEE-1588-2008 neboli PTP v2, poskytuje vyˇsˇs´ı pˇresnost, robustnost a spolehlivost tohoto protokolu, ale nen´ı zpˇetnˇe kompatibiln´ı s IEEE-1588-2002 neboli PTP v1, tj. s verz´ı z roku 2002.

2.3.1

Zp˚ usob synchronizace ˇ casu pomoc´ı PTP

Lokáln´ı ˇcas slave zaˇr´ızen´ı se synchronizuje s master jednotkou pomoc´ı obousmˇerné komunikace, která je naznaˇcena na obr. 2.2. Na dvou svisl´ ych osách je vynesen lokáln´ı ˇcas nadˇrazené (master) resp. podˇrazené (slave) jednotky. M˚ uˇzeme si vˇsimnout, ˇze obˇe osy zaˇc´ınaj´ı s jin´ ym poˇca´teˇcn´ım ˇcasem (osy jsou orientovány shora dol˚ u). Toto je bˇeˇzn´ y pˇr´ıpad, kdy jsou lokáln´ı ˇcasy jednotliv´ ych jednotek posunuty v˚ uˇci sobˇe, v anglitcké literatuˇre je tento jev oznaˇcován jako offset.

Obr. 2.2: Synchronizace ˇcasu mezi master a slave zaˇr´ızen´ım

Korekce posunut´ı se provede po tom, co master vyˇsle periodicky vys´ılanou synchronizaˇcn´ı zprávu - Sync(100), ke které je pˇripojená ˇcasová znaˇcka udávaj´ıc´ı, kdy byla zpráva odeslána mikrokontrolerem. Po této zprávˇe m˚ uˇze pˇr´ıpadnˇe následovat jeˇstˇe jedna zpráva - Follow Up(100), která obsahuje znaˇcku s ˇcasem, kdy byla zpráva Sync(100) skuteˇcnˇe odeslána fyzickou vrstvou Ethernetu. To dovoluje slave

17

zaˇr´ızen´ı zjistit skuteˇcn´ y ˇcas, kdy byl dán mikrokontrolerem povel k odeslán´ı zprávy a t´ım pro slave zpˇresnit informaci o referenˇcn´ım ˇcase master jednotky. Toto má v´ yznam v s´ıt´ıch, kde ˇcas vyslán´ı paketu nem˚ uˇze b´ yt znám dopˇredu. Zástupcem takové s´ıtˇe je napˇr´ıklad Ethernet, kde vlivem detekce kolize a následného mechanismu ˇreˇsen´ı takové kolize obecnˇe nem˚ uˇze3 b´ yt znám pˇresnˇe ˇcas, kdy doˇslo k odeslán´ı celého paketu. Ve chv´ıli, kdy se podaˇr´ı odeslat cel´ y packet, uˇz nen´ı zpravidla moˇzné mˇenit jeho obsah, tedy ani ˇcasovou znaˇcku. Poté se opakuje vyslán´ı synchronizaˇcn´ıho paketu následované dotazem slave zaˇr´ızen´ı na zpoˇzdˇen´ı s´ıtˇe - Delay Request. Slave zaznamená ˇcas, kdy odeslal dotaz, a master po pˇrijet´ı tohoto dotazu obratem odeˇsle zprávu - Delay Response(112) s ˇcasovou znaˇckou okamˇziku, kdy dorazil paket s ˇza´dost´ı. Po této proceduˇre jiˇz slave zná jak ˇcasové posunut´ı obou zdroj˚ u ˇcasu, tak i obousmˇerné 4 zpoˇzdˇen´ı pˇri pˇrenosu zprávy zp˚ usobené charakterem s´ıtˇe . Slave nyn´ı zná referenˇcn´ı ˇcas master jednotky s vysokou pˇresnost´ı5 a systémov´ y ˇcas je tedy sychronizován. V souvislosti s v´ yˇse zm´ınˇen´ ym postupem synchronizace je vhodné poznamenat, ˇze Sync() pakety jsou vys´ılany periodicky (periodu urˇcuje master zaˇr´ızen´ı). Slave m˚ uˇze kdykoliv vyslat poˇzadavek na urˇcen´ı zpoˇzdˇen´ı s´ıtˇe (Delay Request), master mu ale odpov´ı zprávou obsahuj´ıc´ı maximáln´ı pr˚ umˇernou frekvenci, s jakou se sm´ı dotazovat.

2.4

TCP/IP stack

TCP/IP stack je kl´ıˇcová ˇcást programu mikrokontroleru, jelikoˇz poskytuje uˇzivatelsk´ ym program˚ um snadno pouˇzitelné rozhran´ı pro navazován´ı spojen´ı, v´ ymˇenu dat a následné ukonˇcen´ı spojen´ı. Uˇzivatel d´ıky tomu nemus´ı znát (a pˇredevˇs´ım programovat) do detailu celou komunikaci prostˇrednictv´ım ethernetového rozhran´ı, byt’ pochopen´ı ethernetové komunikace na vˇsech u ´rovn´ıch je bezesporu ˇza´douc´ı a pro návrh takovéhoto modulu dokonce nezbytné. Jako vhodn´ y TCP/IP stack pro mikrokontroler byl vybrán lightweight TCP/IP ” stack“, v praxi ˇcastˇeji oznaˇcovan´ y jako lwIP. Narozd´ıl od jin´ ych zvaˇzovan´ ych 3

Dnes jsou k dispozici i specializované (a pomˇernˇe drahé) ethernetové fyzické vrstvy, které jiˇz dok´ aˇz´ı ˇcasovou znaˇcku injektovat do odes´ılaného paketu na HW u ´rovni, jedná se napˇr´ıklad o DP83848 od spoleˇcnosti National Semiconductor. 4 Toto zpoˇzdˇen´ı se v praxi povaˇzuje za konstantn´ı, pˇrestoˇze se m˚ uˇze napˇr´ıklad v d˚ uskedku promˇenlivého vyt´ıˇzen´ı s´ıtˇe mˇenit. 5 Pˇresnost je z´ avisl´ a na konkrétn´ı implementaci, typicky se pohybuje kolem 1µs.

18

moˇznost´ı (napˇr. uIP TCP/IP stack) poskytuje lwIP plnou implementaci protokolu Internet Group Management Protocol (IGMP), kter´ y je nezbytn´ y pro synchromizaci ˇcasu pomoc´ı PTP (viz 2.3), a zdrojové kódy jsou volnˇe dostupné. Velkou v´ yhodou je v tomto pˇr´ıpadˇe fakt, ˇze mnoz´ı v´ yrobci mikrokontroler˚ u, stejnˇe jako ST Microelectronics, poskytuj´ı jiˇz hotovou implementaci tohoto stacku pro své procesory. Usnadˇ nuj´ı tak v´ yvojáˇr˚ um pouˇzit´ı jejich obvod˚ u a zvyˇsuj´ı t´ım jejich potenciál.

2.5

Ethernetov´ y ovladaˇ c

Nezbytnou souˇca´st´ı je ethernetov´ y ovladaˇc (ˇcasto oznaˇcovan´ y jako driver), kter´ y poskytuje TCP/IP stacku metody pro ˇr´ızen´ı komunikace na u ´rovni hardwaru. Dává tedy moˇznost zapisovat do vnitˇrn´ıch registr˚ u Media Access Control (MAC) vrstvy a fyzické vrstvy (viz 2.6.2). Zde m˚ uˇzeme s v´ yhodou vyuˇz´ıt implementaci ethernetového driveru, kterou poskytuje v´ yrobce mikrokontroler˚ u STM32 (ST Microelectronics) bezplatnˇe.

2.6 2.6.1

Pouˇ zit´ e obvody Mikrokontroler STM32

Jako ˇr´ıd´ıc´ı prvek na modulu byl zvolen 32-bitov´ y mikrokontroler s jádrem ARM cortex-M3 od firmy ST Microelectronics (STM32), konkrétnˇe model STM32F107[9] z tzv. connectivity line, tj. MCU s rozˇs´ıˇrenou nab´ıdkou komunikaˇcn´ıch periferi´ı integrovan´ ych pˇr´ımo na ˇcipu. Mikrokontroler obsahuje krom standardn´ıch periferi´ı jako jsou ˇcasovaˇce, A/D a D/A pˇrevodn´ıky, vstupnˇe-v´ ystupn´ı brány a Universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter (USART) také celou ˇradu nadstandardn´ıch periferi´ı jako napˇr´ıklad Universal Serial Bus (USB), Controller Area Network (CAN), Cyclic Redundancy Check (CRC) a pˇredevˇs´ım ethernetovou 10/100 MAC vrstvu s podporou IEEE-1588, coˇz je pro danou aplikaci kl´ıˇcové. Blokové schéma pouˇzitého MCU z rodiny STM32 m˚ uˇzeme vidˇet na obr. 2.36 . Samotn´ y procesor jako takov´ y disponuje dostateˇcn´ ym v´ ypoˇcetn´ım v´ ykonem, kter´ y 7 v´ yrobce udává jako 1,25 DMIPS/MHz , tj. pˇri maximáln´ım taktovac´ı frekvenci jádra MCU 72MHz dokáˇze vykonat aˇz 90 milion˚ u instrukc´ı za sekundu[9]. Pro uloˇzen´ı programu mikrokontroleru slouˇz´ı flash pamˇet’, která se v závislosti na volbˇe ˇcipu m˚ uˇze pohybovat od 64kB do 256kB. Pamˇet’ dat je typu Static Random 6 7

Obr´ azek byl pˇrevzat ze str´ anek v´ yrobce: www.st.com. DMIPS - poˇcet celoˇc´ıseln´ ych operac´ı procesoru za sekundu v milionech

19

Obr. 2.3: Blokové schéma Connectivity line MCU z rodiny STM32 Access Memory (SRAM) a opˇet se m˚ uˇze pohybovat v rozmez´ı 48 aˇz 64kB. Na modulu je osazen ˇcip s 256kB flash Read Only Memory (ROM) a 64kB SRAM. K nahrán´ı programu do pamˇeti procesoru slouˇz´ı Joint Test Action Group (JTAG) resp. Serial Wire Debug (SWD) rozhran´ı, která zárovˇen dovoluj´ı ˇr´ıdit bˇeh programu v MCU a prohl´ıˇzet jednotlivé registry v pamˇeti i pˇr´ımo v jádru procesoru v pr˚ ubˇehu vykonáván´ı programu. V´ yhodou SWD je n´ızk´ y poˇcet vodiˇc˚ u a s t´ım souvisej´ıc´ı mal´ y konektor, kdeˇzto JTAG má standardnˇe dvacetipinov´ y konektor, ale na druhou stranu dosahuje vyˇsˇs´ıch pˇrenosov´ ych rychlost´ı.

2.6.2

Fyzick´ a vrstva Ethernetu

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v sekci 2.6.1, samotn´ y mikrokontroler obsahuje pouze MAC vrstvu, která se stará o správné adresován´ı, ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu ke komunikaˇcn´ımu kanálu a pˇr´ıpadnou detekci koliz´ı v pˇr´ıpadˇe, ˇze v jeden okamˇzik zaˇcne vys´ılat v´ıce stanic. MAC vrstva ovˇsem nen´ı schopna sama vys´ılat data po s´ıti Ethernet. K tomu potˇrebuje Ethernet physical transceiver (PHY) - fyzickou vrstvu Ethernetu, coˇz je integrovan´ y obvod obsahuj´ıc´ı standardizované komunikaˇcn´ı rozhran´ı Media Independent Interface (MII) (pˇr´ıpadnˇe Reduced Media Independent Interface (RMII)) pro komunikaci s MAC vrstvou, ˇr´ıd´ıc´ı a kontroln´ı obvody a v´ ystupn´ı budiˇce pro pulsn´ı

20

transformátor, za n´ımˇz je zapojen ethernetov´ y konektor. Celou situaci ilustruje obr. 2.4.

STM32 CPU

MAC

ST802RT1

PHY

PulseJack konektor transformátor

konektor

Obr. 2.4: Blokov´ y diagram propojen´ı mikrokontroleru a fyzické vrstvy Central Processing Unit (CPU) spolu s MAC je obsaˇzena na samotném ˇcipu connectivity line MCU z rodiny STM32. K STM32 je pomoc´ı MII resp. RMII rozhran´ı pˇripojena fyzická vrstva PHY, která je v tomto pˇr´ıpadˇe ˇreˇsena ˇcipem ST802RT1 od spoleˇcnosti ST Microelectronics[11] (stejnˇe jako mikrokontroler). Následuje pulsn´ı transformátor galvanicky oddˇeluj´ıc´ı modul od s´ıtˇe Ethernet a standardn´ı ethernetov´ y konektor. Na tomto modulu byl pouˇzit konektor typu PulseJackTM , kter´ y je popsán v následuj´ıc´ı sekci 2.6.3.

2.6.3

Konektor PulseJackTM

Pˇri v´ ybˇeru ethernetového konektoru byl kladen d˚ uraz na kvalitu, spolehlivost a v neposledn´ı ˇradˇe také na poˇcet dodateˇcn´ ych souˇca´stek, které konektor potˇrebuje ke správné funkci. Klasick´ y ethernetov´ y konektor má osm pin˚ u pˇr´ımo spojen´ ych s osmi vodiˇci Unshielded Twisted Pair (UTP) kabelu (nˇekdy téˇz oznaˇcovan´ y jako Cat 5e). Za konektorem mus´ı následnovat pulsn´ı transformátor zajiˇst’uj´ıc´ı galvanické oddˇelen´ı zaˇr´ızen´ı od zbytku s´ıtˇe, dále pak ˇctveˇrice 50Ω rezistor˚ u, dvojice 10nF kondenzátor˚ u a jedna 10µH tlumivka. To je pomˇernˇe velké mnoˇzstv´ı dodateˇcn´ ych souˇcástek s nezanedbatelnou cenou. Proto jsou dnes na trhu k dostán´ı konektory, které integruj´ı do pouzdra konektoru bud’ jen nˇekteré, nebo dokonce vˇsechny tyto souˇcástky. To jednak usnadn´ı návrh zapojen´ı, uˇsetˇr´ı drahocenné m´ısto na DPS a ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u sn´ıˇz´ı i cenu. Pro potˇreby návrhu modulu byl zvolen konektor J0006D21BNL[13] typu Pulsec Jak je vidˇet na obr. 2.58 , v pouzdˇre je integrován pouze Jack TM od firmy Pulse . 8

Obr´ azek byl pˇrevzat ze str´ anek v´ yrobce: www.pulseeng.com.

21

Obr. 2.5: Schéma vnitˇrn´ıho zapojen´ı konektoru J0006D21BNL pulsn´ı transformátor, nicménˇe právˇe ten svou cenou znaˇcnˇe pˇrevyˇsuje cenu ostatn´ıch potˇrebn´ ych souˇca´stek. D˚ uvodem pro volbu právˇe tohoto konektoru byla dobrá dostupnost a pˇrimˇeˇrená cena. V´ yhodou je také pˇr´ıtomnost dvou indikaˇcn´ıch led pˇr´ımo v pouzdˇre. Podrobnˇejˇs´ı popis zapojen´ı je moˇzno nalézt v sekci 3.1.8.

22

3

´ ˇR ˇ ÍCÍHO MODULU NAVRH ME

C´ılem této kapitoly je seznámit ˇctenáˇre s postupem návrhu zapojen´ı a v´ ysledné DPS. Vzhledem k rozmˇer˚ um celého schématu budu popisovat jednotlivé bloky samostatnˇe, celé schéma je obsahem pˇr´ılohy A.

3.1 3.1.1

Popis zapojen´ı Nap´ ajec´ı zdroj

Kvalita napájec´ıho zdroje do znaˇcné m´ıry ovlivˇ nuje spolehlivost celého zapojen´ı, proto byl zvolen monolytick´ y integrovan´ y stabilizátor LF33 (IC3) od firmy ST Microelectronics [12]. Je to tzv. low-dropout stabilizátor, coˇz znamená, ˇze mezi vstupn´ı a v´ ystupn´ı svorkou docház´ı k velmi malému u ´bytku napˇet´ı, v tomto pˇr´ıpdˇe 0,45V. Za zm´ınku stoj´ı také n´ızk´ y klidov´ y proud obvodem, kter´ y je typicky 500µA. V´ ystupn´ı napˇet´ı stabilizátoru je 3,3 V pˇri maximáln´ım v´ ystupn´ım proudu 500 mA, takˇze na vstupu staˇc´ı napájec´ı napˇet´ı 3,3 V + 0,45 V = 3,75 V k tomu, aby na v´ ystupu bylo poˇzadovan´ ych 3,3 V, nicménˇe za bezpeˇcnou hodnotu povaˇzuji vstupn´ı napˇet´ı (na svorce IN) 4 V. Zapojen´ı obvodu vycház´ı z doporuˇceného katalogového zapojen´ı vˇcetnˇe hodnot pouˇzit´ ych souˇca´stek, tj. kondenzátory C1 a C4 maj´ı kapacitu 10µF a blokovac´ı kondenzátory C2, C3 maj´ı kapacitu 100nF.

Obr. 3.1: Schéma zapojen´ı napájec´ı ˇca´sti

Modul je také chránˇen proti pˇrepólován´ı bˇeˇznou kˇrem´ıkovou diodou 1N4007 (D1), která má maximáln´ı u ´bytek napˇet´ı na PN pˇrechodu 1,1V pˇri protékaj´ıc´ım proudu 1A [14]. Proto je nutné na vstupn´ı napájec´ı konektor (K1) pˇrivést napˇet´ı alespoˇ n 3,3 V + 0,45 V + 1,1 V = 4,85 V, reáln´ yu ´bytek napˇet´ı na diodˇe bude o nˇekolik desetin voltu niˇzˇs´ı, nebot’ diodou bude protékat maximáln´ı proud zhruba 300 mA.

23

Za rozumnou hodnotu napájec´ıho napˇet´ı povaˇzuji 5V, pro kterou byl zdroj také navrhován. Napájec´ı napˇet´ı je moˇzné pˇrivést krom konektoru K1 také napˇr´ıklad z USB konektoru (K5), nebo z ethernetového konektoru (K6), které jsou popány v podsekci 3.1.11 respektive 3.1.8. Zdroj je dále doplnˇen o trojici testovac´ıch bod˚ u, které umoˇzn ˇuj´ı diagnostiku obvodu v pˇr´ıpadˇe, ˇze se vyskytne problém s napájen´ım, pˇr´ıpadnˇe pokud máme podezˇren´ı, ˇze chybná funkce celého modulu souvis´ı s napájec´ı ˇcást´ı. O jednoduchou indikaci správné funkce zdroje se stará indikaˇcn´ı LED v kombinaci se sériov´ ym odporem (R1) omezuj´ıc´ım proud tekouc´ı diodou na 3,3 mA.

3.1.2

Pˇ ripojen´ı jednotliv´ ych pin˚ u MCU

Pouˇzit´ y mikrokontroler je v pouzdru LQFP100, z ˇcehoˇz vypl´ yvá, ˇze má sto pin˚ u (v´ yvod˚ u). Z toho celkem ˇsestnáct pin˚ u slouˇz´ı pro pˇriveden´ı napájen´ı k obvodu, ˇctyˇri slouˇz´ı pro ˇr´ızen´ı bˇehu MCU a pˇripojen´ı krystalu a zb´ yvaj´ıc´ıch osmdesát pin˚ u jsou tzv. General Purpose Input/Output (GPIO) piny. V následuj´ıc´ıch sekc´ıch bude popsáno zapojen´ı veˇsker´ ych v´ yvod˚ u MCU.

3.1.3

Nap´ ajen´ı MCU

Na obr. 3.2 a 3.3 m˚ uˇzeme vidˇet ˇreˇsen´ı napájec´ı ˇca´sti MCU. Blokovac´ı kondenzátory C5 aˇz C8 jsou pˇripojeny vˇzdy mezi dvojic´ı napájec´ıch pin˚ u (pin 10 - pin 11, pin 27 - pin 28, atd.). Znaˇcná pozornost byla vˇenována návrhu napájen´ı analogové ˇca´sti MCU, které ovlivˇ nuje chod a pˇresnost A/D a D/A pˇrevodn´ık˚ u. Bylo potˇreba zajistit dobˇre vyfiltrované napˇet´ı na vstupech VREF+ (pin 21) a VDDA (pin 22), ˇcehoˇz bylo dosaˇzeno zapojen´ım filtraˇcn´ı tlumivky (L1) do cesty napájen´ı. Za tlumivkou následuje paralelnˇe zapojená dvojice 10µF (C11) a 100nF (C12) kondenzátor˚ u. C11 slouˇz´ı k pokr´ yván´ı zv´ yˇsen´ ych poˇzadavk˚ u na odbˇer, C12 je blokovac´ı kondenzátor. Takto oˇsetˇrené napájen´ı je pˇrivedené pˇres 47Ω odpor (R2), kter´ y slouˇ z´ı k omezen´ı proudu (to asi nebude k omezen´ı proudu), do VREF+. Mezi VREF+ a zem´ı je pˇripojen dalˇs´ı blokovac´ı kondenzátor C10.

24

Obr. 3.2: Schéma zapojen´ı napájen´ı MCU

3.1.4

Kompatibilita s novˇ ejˇ s´ımi MCU z rodiny STM32

Jelikoˇz v pr˚ ubˇehu práce na tomto modulu byly vydány dva nové MCU, nástupci STM32F107 s typov´ ym oznaˇcen´ım STM32F207 resp. STM32F217, vyvstal zde poˇzadavek na moˇznost osazen´ı tˇechto nov´ ych MCU na desku ploˇsn´ ych spoj˚ u, coˇz si vyˇzádalo i zásah do schématu. Zapojen´ı pájec´ıch jumper˚ u umoˇzn ˇuj´ıc´ıch osadit starˇs´ı i novˇejˇs´ı verze mikrokontroleru STM32 (SJ1 aˇz SJ3) je moˇzné vidˇet na obr. 3.3. V tabulce 3.1 je uveden seznam pin˚ u pouzdra LQFP100, u kter´ ych docház´ı ke zmˇenˇe pˇripojen´ı STM32F2x7 oproti STM32F107. Na pinech 49 a 73 doˇslo ke zmˇenˇe a v pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı novˇejˇs´ıho MCU se k nim pˇripoj´ı dvojice keramick´ ych 2,2µF kondenzátor˚ u (C9 a C31), které vyˇzaduje vnitˇrn´ı napˇet’ov´ y regulátor novˇejˇs´ıch MCU. Pin 49 je nav´ıc moˇzné spojit se zem´ı (GND) pomoc´ı pájec´ıho jumperu (SJ2) tak, jak to vyˇzaduje STM32F107. C31 je poté zkratovan´ y a obvod neovlivˇ nuje. Kondenzátor C9 je jedn´ım v´ yvodem trvale pˇripojen k zemi, ale v pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı starˇs´ıho MCU nemá pˇripojen druh´ y v´ yvod a obvod tedy také neovlivn´ı. U pinu 20 doˇslo pouze 1

V´ yrobcem rezervov´ an pro pozdˇejˇs´ı pouˇzit´ı (Reserved for Future Use).

25

Obr. 3.3: Jumpery pro v´ ybˇer pouˇzitého MCU pin (LQFP100) 19 20 49 73 99

STM32F107 VSSA VREFVSS nezapojen VSS

STM32F2x7 VDD VSSA V CAP1 V CAP2 RFU1

spojen s: MCU SEL1 GND C31, MCU SEL2 C9 MCU SEL3

Tab. 3.1: Napájec´ı piny jednotliv´ ych MCU z rodiny STM32 k formáln´ımu pˇrejmenován´ı z VREF- na VSSA, nicménˇe oba piny jsou ve velké vetˇsinˇe aplikac´ı, vˇcetnˇe této, spojeny pˇr´ımo se zem´ı. Piny 19 a 99 je obdobn´ ym zp˚ usebem pomoc´ı pájec´ıch jumper˚ u (SJ1 a SJ3) moˇzné pˇripojit bud’ ke kladnému napájec´ımu pólu (+3,3 V VDD) nebo k zemi (GND). K nejzásadnˇejˇs´ı zmˇenˇe docház´ı nepochybnˇe na pinu 19, kter´ y p˚ uvodnˇe patˇril analogové zemi VSSA, ale v novˇejˇs´ıch MCU se z nˇej stal kladn´ y napájec´ı pin VDD. Podobnˇe je zapojen i pin 99, kter´ y ovˇsem p˚ uvodnˇe slouˇzil jako klasick´ y zemn´ıc´ı pin, zat´ımco u nov´ ych mikrokontroler˚ u je v´ yrobcem rezervován pro dalˇs´ı pouˇzit´ı a doporuˇcuje se jej pˇripojit ke kladnému pólu napájen´ı. Z v´ yˇse zm´ınˇen´ ych informac´ı by mˇelo b´ yt ˇctenáˇri jasné, ˇze v pˇr´ıpadˇe chybného spojen´ı jumper˚ u SJ1 nebo SJ3 m˚ uˇze doj´ıt po pˇripojen´ı napájec´ıho napˇet´ı ke zniˇ cen´ı

26

MCU pˇr´ıpadnˇe stabilizátoru IC3. Jumper SJ2 nen´ı tak kritick´ y a jeho chybné zapojen´ı m˚ uˇze zp˚ usobit nanejv´ yˇs ˇspatnou funkci obvodu. Správné zapájen´ı jumper˚ u pro jednotlivé mikrokontrolery je popsáno v kapitole zab´ yvaj´ıc´ı se návrhem DPS v sekci 3.2.1.

3.1.5

Vyveden´ı nevyuˇ zit´ ych GPIO pin˚ u na konektory

Mikrokontroler ve stopinovém pouzdru disponuje osmdesáti GPIO piny, pˇriˇcemˇz 51 z nich nen´ı k niˇcemu vyuˇzito a jsou vyvedeny na dva dvouˇradé tˇrcetipinové konektory K2 a K3, aby je bylo moˇzné vyuˇz´ıt pro pˇripojen´ı dalˇs´ıch periferi´ı mimo modul. Celé zapojen´ı ukazuje schéma na obr. 3.4. Konektory K2 a K3 jsou zapojeny témˇeˇr shodnˇe, na prvn´ıch dvou pinech je kladné napájec´ı napˇet´ı +3,3 V, následuje 26 (resp. 25 v pˇr´ıpadˇe K2) GPIO pin˚ u a na posledn´ıch dvou (resp. tˇrech) pinech je pˇripojena zem (GND). Za zm´ınku stoj´ı fakt, ˇze na konektorech jsou k dispozici dvˇe plné ˇsestnáctibitové brány GPIOD a GPIOE, které je moˇzné s v´ yhodou vyuˇz´ıt k pˇripojen´ı pamˇet’ovˇe mapovan´ ych periferi´ı, napˇr´ıklad extern´ı SRAM. Na obr. 3.4 je také vidˇet 10kΩ pull-down odpor R3 zapojen´ y proti zemi, d´ıky kterému je na pinu PB2 (BOOT1) ihned po resetu MCU definovaná logická u ´roveˇ n2 0, coˇz umoˇzn ˇuje zvolit z jakého zdroje bude mikrokontroler po restartu (resp. pˇripojen´ı napájec´ıho napˇet´ı) naˇc´ıtat sv˚ uj program. Bliˇzˇs´ı popis je moˇzno nalézt v následuj´ıc´ı podsekci.

3.1.6

Restartov´ an´ı a bootov´ an´ı MCU

Na modulu je um´ıstˇené resetovac´ı tlaˇc´ıtko, které uvede mikrokontroler do v´ ychoz´ıho stavu a ten po uvlonˇen´ı tlaˇc´ıtka zaˇcne vykonávat program od poˇcátku. Pˇripojen´ı tlaˇc´ıtka je vidˇet na obr. 3.5(b). Tlaˇc´ıtko TL1 po stisku pˇripoj´ı v´ yvod NRST k zemi. Paralelnˇe k nˇemu je pˇripojen 10nF kondenzátor C16, kter´ y v kombinaci s vntˇrn´ım odporem RP U , kter´ y je vidˇet 3 na obr.3.6 , tvoˇr´ı tzv. bezzákmitové tlaˇc´ıtko s ˇcasovou konstantou τ definovanou vztahem 3.1. τ = R · C [s; Ω, F ] 2 3

(3.1)

Pokud nen´ı ovlivnˇena jin´ ymi souˇcástkami pˇripojen´ ymi na PB2 prostˇrednictv´ım konektoru K2. Obr´ azek byl pˇrevzat ze zdroje [8] (strana 121).

27

Obr. 3.4: Pˇripojen´ı nevyuˇzit´ ych GPIO pin˚ u V dokumentaci [8] v´ yrobce udává, ˇze k restartován´ı MCU je potˇreba pin NRST spojit se zem´ı po dobu alespoˇ n 20µs. Kondenzátor C16 má kapacitu 10nF, ale hodnota odporu RP U nen´ı v dokumentaci uvedena. Jedná se o klasick´ y pull-up odpor, kter´ y udrˇzuje na pinu NRST logickou 1, pokud nen´ı k pinu nic jiného pˇripojeno. Typická hodnota pull-up odporu leˇz´ı v rozmez´ı jednotek aˇz stovek kΩ a zmˇeˇren´ım byla velikost tohoto odporu stanovena na pˇribliˇznˇe 43kΩ. Známe tedy obˇe potˇrebné

28

(a) v´ yvody MCU

(b) resetovac´ı tlaˇc´ıtko

(c) bootovac´ı tlaˇc´ıtko

Obr. 3.5: Zapojen´ı restartovac´ıho a bootovac´ıho tlaˇc´ıtka

Obr. 3.6: Zapojen´ı signálu NRST uvnitˇr MCU hodnoty pro stanoven´ı ˇcasové konstanty τ , která po dosazen´ı do vztahu 3.1 vycház´ı τ = 430µs, coˇz je v´ıce jak 20-krát vyˇsˇs´ı hodnta neˇz minimáln´ı poˇzadovaná v´ yrobcem a bezesporu vyhovuje dané potˇrebˇe. Je nutné si ale také uvˇedomit, ˇze kondenzátor C16 (stejnˇe jako odpor RP U ) je trvale pˇripojen k pinu NRST a prodluˇzuje“ veˇskeré ” pulzy, které na pin pˇricházej´ı, tzn. i ty které pˇricházej´ı prostˇrednictv´ım konektoru JTAG popsaném v podsekci 3.1.10. To by mohlo b´ yt problematické v pˇr´ıpadˇe, ˇze JTAG adaptér generuje podstatnˇe kratˇr´ı resetovac´ı pulsy a bezprostˇrednˇe po nich se pokouˇs´ı komunikovat s MCU. V takovém pˇr´ıpadˇe je moˇzné patˇriˇcnˇe sn´ıˇzit kapacitu C16 na hodnotu, která jiˇz nebude ovlivˇ novat funkci JTAG adaptéru. V´ yˇse popsan´ y (teoretick´ y) problém ovˇsem v praxi nikdy zat´ım nenastal, uvád´ım ho zde pouze pro u ´plnost. Velice kladnˇe hodnot´ım pˇr´ıtomnost Schmittova klopného obvodu uvnitˇr MCU, jelikoˇz signál jdouc´ı z RC ˇclánku tvoˇreného C16, RP U má pochopitelnˇe exponenciáln´ı pr˚ ubˇeh, kter´ y je aˇz posléze tvarován na obdéln´ıkov´ y právˇe d´ıky Schmittovu klopnému obvodu patrnému na obr. 3.6.

29

Na obr. 3.5(c) je vidˇet ˇreˇsen´ı bootovac´ıho tlaˇc´ıtka (TL2), d´ıky kterému je moˇzno zvolit z jakého zdroje se bude naˇc´ıtat program. Pokud je tlaˇc´ıtko rozpojeno, je na pinu BOOT0 trval pˇr´ıtomna logická u ´roveˇ n 0 prosˇrednictv´ım odporu R5 a po restartu se vykonává program z intern´ı FLASH pamˇeti, pokud dojde ke stisku tlˇc´ıtka, objev´ı se na pinu BOOT0 logická 1, která naˇrizuje mikrokontroleru po resetu vstoupit do tzv. bootloaderu, tj. programu naprogramovaného v´ yrobcem do systémové pamˇeti MCU, kter´ y umoˇzn ˇuje nahrát do mikrkontroleru uˇzivatelsk´ y program prostˇrednictv´ım tˇechto sériov´ ych rozhran´ı: USART1, USART2, CAN2 nebo USB OTG. Odpor R4 slouˇz´ı pouze k omezen´ı proudu tekouc´ıho do pinu BOOT0. Do bootloaderu se vstupuje tak, ˇze stiskneme tlaˇc´ıtko TL1 (MCU RST), následnˇe stiskneme TL2 (BOOT) a poté uvoln´ıme TL1. T´ım dojde k resetu MCU a po opˇetovném startu je zjiˇstˇena logická 1 na pinu BOOT0, v d˚ usledku které zaˇcne mikrokontroler hledat, ze kterého sériového rozhran´ı je moˇzné stáhnout nov´ y program do intern´ı FLASH pamˇeti. Aby se mikrokontroler nepokouˇsel po restartu hledat program v intern´ı SRAM pamˇeti, o ˇcemˇz rozhoduje stav pinu BOOT1, je tento pin pˇridrˇzen v logické 0 odporem R3, kter´ y je moˇzno vidˇet na obr. 3.4. V´ıce infromac´ı k tématu bootován´ı je moˇzné nalézt v [8] pˇr´ıpadnˇe [10].

3.1.7

Oscil´ atory

Pˇrestoˇze je kaˇzd´ y mikrokontroler z rodiny STM32 vybaven vnitˇrn´ım oscilátorem generuj´ıc´ım obdéln´ıkov´ y signál o frekvenci 8MHz, jeho pˇresnost je ve srovnán´ı s krystalov´ ym oscilátorem n´ızká a jeho frekvence se mˇen´ı také v závislosti na teplotˇe pouzdra MCU. To vˇse vede k jeho nevhodnosti pro pouˇzit´ı v situac´ıch, kdy je pˇresné ˇcasován´ı kl´ıˇcové pro správnou funkci zaˇr´ızen´ı, tedy napˇr´ıklad pokud jde o synchronizaci jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı mezi sebou, jako je tomu v tomto pˇr´ıpadˇe. Na obr. 3.7(a) je vidˇet dvojice zdroj˚ u hodinového signálu pro mikrokontroler. Prvn´ı zdroj je ˇreˇsen klasick´ ym pˇripojen´ım krystalového v´ ybrusu Q1 k MCU prostˇrednictv´ım pi˚ u OSC IN a OSC OUT, pˇriˇcemˇz u obou v´ yvod˚ u jsou pˇripojeny proti zemi startovac´ı kondenzátory C13 a C14 s kapacitou 18pF. Samotn´ y oscilátor je uvnitˇr mikrokontroleru a pro korektn´ı fungován´ı MCU staˇc´ı pˇripojit pouze tyto tˇri souˇcástky. Toto ˇreˇsen´ı má ovˇsem i svá u ´skal´ı, jedn´ım z nich je kvalita intern´ıho oscilátoru. Pˇred zahájen´ım návrhu tohoto modulu jsem byl nˇekolika kolegy a vedouc´ım práce upozornˇen, ˇze v urˇcit´ ych situac´ıch se intern´ı oscilátor chová nestandardnˇe a docház´ı k jitteru, viz priloha C. Toto je pro danou aplikaci naprosto neˇzádouc´ı a mohlo by to ovlivnit pˇresnost synchronizace a korelaci namˇeˇren´ ych dat.

30

(a) zdroje taktu

(b) krystal pro RTC

Obr. 3.7: Pˇripojen´ı oscilátoru a krystal˚ u k MCU Proto jsem do schématu pˇridal jeˇstˇe druh´ y zdroj taktu pro MCU, kter´ y je ˇreˇsen krystalov´ ym oscilátorem QG1 opatˇren´ ym o blokovac´ı kondenzátor C15 s kapacitou 100nF. Oscilátor má trvale spojen´ y v´ yvod OE (Output Enable - povolen´ı v´ ystupu) s kladn´ ym pólem napájen´ı, takˇze generuje hodinov´ y signál okamˇzitˇe po pˇripojen´ı napájec´ıho napˇet´ı. V´ yhodou tohoto extern´ıho oscilátoru je absence jitteru a to ve v´ ysledku pozitivnˇe ovlivn´ı pˇresnost synchronizace v porovnán´ı s variantou popsanou v pˇredeˇslém odstavci. Frekvence obou popsan´ ych zdroj˚ u taktu je 25MHz, coˇz je dáno pˇredevˇs´ım potˇrebami MII sbˇernice, pomoc´ı které je k mikrokontroleru pˇripojená fyzická vrstva Ethernetu. Tato frekvence je také vhodná pro taktován´ı vˇetˇsiny periferi´ı obsaˇzen´ ych na ˇcipu STM32F107, jako napˇr´ıklad USB. Z obou v´ yˇse popsan´ ych ˇreˇsen´ı je moˇzno pouˇz´ıt vˇzdy pouze jedno jediné, proto se pˇri osazován´ı DPS osad´ı bud’ jen krystalov´ y v´ ybrus, nebo se osad´ı jen krsytalov´ y oscilátor, nen´ı moˇzné pˇripojit oba zároveˇ n. Obrázek 3.7(b) ukazuje pˇripojen´ı pomalého“ krystalového v´ ybrusu Q2 vˇcetnˇe ” dvou startovac´ıch kondenzátor˚ u C17, C18 o kapacitˇe 22pF. V´ yvody krystalu jsou pˇripojeny k pin˚ um PC14 a PC15 mikrokontroleru, jak je vidˇet na obr. 3.4. Frekvence krystalu Q2 je 32768Hz, coˇz je vhodná hodnota pro dˇelen´ı mocninami dvou s celoˇc´ıseln´ ym pod´ılem, tak jak je to ve vˇetˇsinˇe logick´ ych obvod˚ u bˇeˇzné a nejjednoduˇsˇs´ı, mikrokontrolery nevyj´ımaje. Krystal je pˇripojen k vnitˇrn´ım Real-Time

31

Clock (RTC) - hodinám reálného ˇcasu, které je moˇzné pouˇz´ıt napˇr´ıklad k udrˇzován´ı denn´ıho ˇcasu a data.

3.1.8

Pˇ ripojen´ı PHY

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v kapitole 2.6.2, samotn´ y mikrokontroler disponuje pouze MAC vrstvou a k té je nutné pˇripojit jeˇstˇe fyzickou vrstvu (PHY), d´ıky které je modul schopn´ y komunikovat po metalické s´ıt´ı Ethernet.

Obr. 3.8: Blokové schéma pˇripojen´ı PHY k MCU

Blokové schéma 3.84 znázorˇ nuje propojen´ı MCU a PHY prostˇrednictv´ım rozhran´ı MII. Rozhran´ı samotné vyˇzaduje patnáct datov´ ych vodiˇc˚ u a dalˇs´ı dva vodiˇce (MDIO, MDC) jsou pouˇzity pro konfiguraci fyzické vrstvy ST802RT1 prostˇrednictv´ım MAC vrstvy uvnitˇr mikrokontroleru, která umoˇzn ˇuje ˇc´ıst a zapisovat do vnitˇrn´ıch ˇr´ıd´ıc´ıch registr˚ u. V´ıce informac´ı o moˇznostech konfigurace nab´ız´ı dokumentace PHY [11]. Schéma na obr. 3.9 ukazuje zapojen´ı fyzické vrstvy a jej´ı pˇripojen´ı k mikrokontroleru (viz obr. 3.4). Krom standardn´ıch signál˚ u MII rozhran´ı (viz tab. 3.2) je vidˇet také zp˚ usob napájen´ı, které je oddˇelené pro digitáln´ı a analogovou ˇca´st dvˇemi tlumivkami L2, L3 a kaˇzd´ y z napájec´ıch pin˚ u má ve své bl´ızkosti blokovac´ı kondenzátor (C20 aˇz C26). Pin 9 (PWRDN) slouˇz´ı k pˇrechodu do u ´sporného reˇzimu, pˇri kterém docház´ı k odpojen´ı MII rozhran´ı (izolaci), pˇrechodu pin˚ u vedouc´ıch ke konektoru (viz 3.11) do stavu s vysokou impedanc´ı a stejnˇe tak jsou odpojeny signalizaˇcn´ı LED diody. Tento pin je trvale drˇzen na u ´rovni logicé 1 prostˇrednictv´ım rezistoru R15, d´ıky ˇcemuˇz obvod IC2 pˇri pˇripojeném napájec´ım napˇet´ı trvale setrvává v aktivn´ım 4

Obr´ azek byl pˇrevzat ze zdroje [9].

32

Obr. 3.9: Schéma zapojen´ı fyzické vrstvy stavu. Do u ´sporného reˇzimu m˚ uˇze obvod pˇrej´ıt pouze pokud je softwarovˇe nastaven bit 11 registru RN00 prostˇrednictv´ım sériového konfiguraˇcn´ıho rozhran´ı [11]. Na obr. 3.10 m˚ uˇzeme vidˇet pˇripojen´ı resetovac´ıho tlaˇc´ıtka TL4 k fyzické vrstvˇe (pin RST, signál PHY RST). Ze schématu je patrné, ˇze stejnˇe jako u MCU je i tento signál negovan´ y, ˇcemuˇz odpov´ıdá i zapojen´ı tlaˇc´ıtka. Pro restartován´ı obvodu je potˇreba pin RST drˇzen v u ´rovni logická 0 alespoˇ n po dobu 1ms, coˇz je zajiˇstˇeno RC ˇclánkem tvoˇren´ ym 22kΩ rezistorem R25 a 100nF kondenzátorem C29, jehoˇz ˇcasová konstanta popsaná v sekci 3.1.6 po dosazen´ı do vztahu 3.1 vycház´ı τ = 2, 2ms. Konstanta byla zvolena v´ıce jak dvojnásobná, jelikoˇz v´ yrobce v dokumentaci [11] neuvád´ı zapojen´ı pinu RST uvnitˇr ˇcipu IC2, a prtoto nen´ı moˇzné zjistit, jestli nen´ı napˇr´ıklad k odporu R25 uvnitˇr ˇcipu paralelnˇe pˇripojen pull-up rezistor, jak je tomu v pˇr´ıpadˇe MCU na obr. 3.6, kter´ y by pochopitelnˇe zp˚ usobil rychlejˇs´ı nab´ıjen´ı kondenzátoru C29, v d˚ usledku ˇcehoˇz by doˇslo ke zkráce´ı ˇcasové konstanty τ .

33

n´ azev TX CLK TX EN TXD 0 TXD 1 TXD 2 TXD 3 CRS COL RX CLK RXD 0 RXD 1 RXD 2 RXD 3 RX DV RD ER MDIO MDC

pin MCU 18 48 51 52 17 95 23 26 24 33 34 35 36 32 47 25 16

smˇ er ← → → → → → ← ← ← ← ← ← ← ← ← ↔ →

pin PHY 1 2 5 6 7 8 39 46 37 45 44 43 42 38 40 30 31

Popis sign´ alu Transmit clock Transmit enable Transmit Data bit 0 Transmit Data bit 1 Transmit Data bit 2 Transmit Data bit 3 Carrier sense Collision Transmit clock Receive Data bit 0 Receive Data bit 1 Receive Data bit 2 Receive Data bit 3 Receive Data valid Receive Data error Management Data input/output Management Data clock

Tab. 3.2: Pˇrehled signál˚ u MII rozhran´ı

Obr. 3.10: Pˇripojen´ı resetovac´ıho tlaˇc´ıtka k PHY Pro potˇreby vnitˇrn´ıho napˇet’ového regulátoru slouˇz´ı paraleln´ı kombinace 5,6kΩ a 91kΩ rezistor˚ u (R16, R17), jej´ıˇz v´ ysledn´ y odpor je ≈ 5275Ω, coˇz splˇ nuje poˇzadavky uvedené v dokumentaci [11], kde je uveden referenˇcn´ı odpor 5,25kΩ s 1% toleranc´ı. Pokud pouˇzijeme dva rezistory s 1% toleranc´ı, m˚ uˇze nastat extrémn´ı pˇr´ıpad, kdy v´ ysledná hodnota odporu paraleln´ı kombinace bude nepatrnˇe pˇresahovat poˇzadovanou toleranci, nicménˇe ani v takovém pˇr´ıpadˇe nebude ohroˇzena funkˇcnost

34

fyzické vrstvy jako celku. Je to pomˇernˇe malá daˇ n za fakt, ˇze oba rezistory jsou vybrány ze standardn´ı ˇrady hodnot rezistor˚ u E24 a v´ ysledna cena dvou takov´ ych odpor˚ u je niˇs´ı neˇz pˇresného 5,25kΩ rezistoru. Vzhledem k pouˇzitému MII rozhran´ı, pomoc´ı kterého je propojen mikrokontroler a PHY, je potˇreba pˇrivést na vstup XT1 (pin 35) fyzické vrstvy (IC2) periodick´ y obdéln´ıkov´ y signál o frekvenci 25MHz, d´ıky kterému je maximáln´ı pˇrenosová rychlost mezi MAC a PHY 100Mb/s5 . K této rychlosti dojdeme pomoc´ı jednoduchého v´ ypoˇctu: vys´ılac´ı datová sbˇernice MII rozhran´ı má 4 bity (TXD[3:0]), sbˇernice je taktována pˇriveden´ ym hodinov´ ym signálem na 25MHz a prost´ ym 6 bit 6 1 vynásoben´ım dostáváme 25 · 10 · s · 4bit = 100 · 10 · s = 100M b/s. T´ım dostáváme rychlost vys´ılán´ı dat, rychlost pˇr´ıjmu bychom spoˇc´ıtali totoˇznˇe. Tento v´ ypoˇcet je správn´ y pouze v pˇr´ıpadˇe, ˇze je zaˇr´ızen´ı schopné pracovat v tzv. full-duplex reˇzimu, tedy ˇze je schopné v jeden okamˇzik vys´ılat a zároveˇ n pˇrij´ımat data, coˇz je dnes bˇeˇzné a ve full-duplex reˇzimu pracuje i zde popisovan´ y modul. Programovˇe je moˇzné zajistit ˇcinnost také v half-duplex reˇzimu (zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze v jeden okamˇzik data bud’ pouze vys´ılat nebo pouze pˇrij´ımat), nicménˇe nen´ı k tomu d˚ uvod a dokonce by to negativnˇe ovlivnilo pˇresnost ˇcasové synchronizace. Pro generován´ı obdéln´ıkového signálu je moˇzné pouˇz´ıt krystal pˇripojen´ y ke svorkám XT1 a XT2 obvodu IC2, pochopitelnˇe doplnˇen´ y o dvojici startovac´ıch kondenzátor˚ u, nebo je moˇzné pouˇz´ıt krystalov´ y oscilátor s v´ ystupem veden´ ym na pin XT1, jako je to ˇreˇseno v pˇr´ıpadˇe MCU, a nebo je moˇzné pˇrivést tento kmitoˇcet prostˇrednictv´ım MCO (Microcontroller Clock Output) pinu mikrokontroleru. Zvolena byla nakonec tˇret´ı popisovaná varianta a to hned ze dvou d˚ uvod˚ u. Prvn´ım d˚ uvodem je fakt, ˇze kmitoˇcet 25MHz je v MCU generován pro potˇreby MAC vrstvy a nen´ı problém ho právˇe prostˇrednictv´ım MCO pinu (pin 67 na obr. 3.4) pˇrivést do fyzické vrstvy na pin XT1, viz obr. 3.9. Druh´ ym d˚ uvodem je opˇet finanˇcn´ı stránka návrhu, jelikoˇz takovéto ˇreˇsen´ı uˇsetˇr´ı poˇrizovac´ı náklady dalˇs´ıho krystalu, resp. krystalového oscilátoru a také potˇrebnou plochu DPS, která by taktéˇz mohla m´ırnˇe zv´ yˇsit cenu celého modulu. Na tomto m´ıstˇe by bylo vhodné zm´ınit jeˇstˇe jednu moˇznost, jak pˇrivést hodinov´ y signál k IC2. Touto moˇznost´ı je pˇr´ımé propojen´ı v´ ystupu krystalového oscilátoru QG1 (náleˇz´ıc´ıho MCU) s pinem XT1 fyzické vrstvy. Jakkoliv by se posledn´ı dvˇe zm´ınˇené moˇznosti mohly zdát totoˇzné, existuje mezi nimi podstatn´ y rozd´ıl. Vyveden´ı signálu z pinu MCO totiˇz dává záruku6 , ˇze hodinov´ y signál bude m´ıt stejnou fázi (nábˇeˇzné a sestupné hrany doraz´ı do obou 5

Fyzick´ a i MAC vrstva je schopna komunikovat také rychlost´ı 10Mb/s, pokud je pˇriveden odpov´ıdaj´ıc´ı hodinov´ y sign´ al o frekvenci 2,5MHz. 6 Toto tvrzen´ı plat´ı pouze v pˇr´ıpadˇe dostateˇcnˇe krátkého spoje mezi MCU a PHY.

35

ethernetov´ ych vrstev ve stejn´ y okamˇzik) jak pro MAC tak pro PHY, coˇz je v této aplikaci nanejv´ yˇs ˇza´douc´ı. Pˇr´ımé propojen´ı v´ ystupu QG1 a a pinu XT1 obvodu IC2 tuto záruku v ˇza´dném pˇr´ıpadˇe nedává.

Obr. 3.11: Schéma pˇripojen´ı konektoru k PHY

Na obr. 3.11 m˚ uˇzeme vidˇet pˇripojen´ı ethernetového konektoru K6 k fyzické vrstvˇe, viz obr. 3.9. Konektor samotn´ y je popsan´ y v sekci 2.6.3. V zapojen´ı vid´ıme ˇctveˇrici 50Ω rezistor˚ u (R18 aˇz R21), které slouˇz´ı k impedanˇcn´ımu pˇrizp˚ usoben´ı veden´ı. Dále dvojici 10nF kondenzátor˚ u (C27, C28) a c´ıvku L4, které vycházej´ı ze specifikace Ethernetu. Bliˇzˇs´ı informace k pájec´ım propojkám SJ4, SJ5 je moˇzné nalézt v sekci 3.2.1. Fyzická vrstva poskytuje v´ ystupy pro tˇri indikaˇcn´ı LED diody. S v´ yhodou zde bylo pouˇzito dvou LED diod, které jsou souˇca´st´ı konektoru K6. Zelená dioda indikuje stav spojen´ı (pokud sv´ıt´ı, je navázáno spojen´ı na u ´rovni linkové vrstvy ISO/OSI 7 ˇ modelu ). Zlutá LED dioda uvnitˇr konektoru indikuje aktivitu spojen´ı, tj. zda jsou pˇrenáˇsena data (bliká) nebo ne (sv´ıt´ı). Posledn´ı dioda LED3 jiˇz nen´ı souˇca´st´ı konektoru a jej´ım u ´kolem je informovat o rychlosti spojen´ı, tedy zda maximáln´ı rychlost komunikace je 100Mb/s (sv´ıt´ı) nebo 10Mb/s (nesv´ıt´ı). Kaˇzdé diodˇe pochopitelnˇe náleˇz´ı pˇredˇradn´ y rezistor (R22 aˇz R24) omezuj´ıc´ı proud tekouc´ı diodu. 7

Definice ISO/OSI modelu je dostupná (za poplatek) na webov´ ych stránkách organizace International Organization for Standardization: www.iso.org.

36

3.1.9

Uˇ zivatelsk´ e tlaˇ c´ıtko a LED dioda

Obr. 3.12: Zapojen´ı uˇzivatelského tlaˇc´ıtka a LED

Vzhledem k tomu, ˇze zde popisovan´ y modul má slouˇzit nejen pro demonstraci moˇznost´ı protokolu PTP, ale také pro dalˇs´ı v´ yvoj pokroˇcilejˇs´ıch ˇreˇsen´ı, je pˇr´ıtomnost uˇzivatelsky programovatelné LED diody (LED5) a tlaˇc´ıtka (TL3) pˇr´ımo na DPS kl´ıˇcová. Uˇzivatelská LED dioda m˚ uˇze napˇr´ıklad slouˇzit k jednoduché indikaci správné ˇcinnosti zaˇr´ızen´ı, nebo naopak indikovat chybu, ke které dosˇslo v pr˚ ubˇehu vykonáván´ı programu. Tlaˇc´ıtko pak umoˇzn ˇuje snadno ˇr´ıd´ıt vykonáván´ı programu nebo napˇr´ıklad zadáván´ı konkrétn´ıch hodnot ke zpracován´ı programem. Typick´ ym pˇr´ıkladem takového pouˇzit´ı tlaˇc´ıtka mohou b´ yt levné digitáln´ı bud´ıky, kde poˇctem stisk˚ u tlaˇc´ıtka urˇcujeme poˇcet minut, hodin, mˇes´ıc˚ u, rok˚ u, atd. Jejich zapojen´ı je vidˇet na obr. 3.12. Signál USR LED je veden od uˇzivatelské LED diody pˇres rezistor R13 na pin PB15, zat´ımco signál USR BTN je veden od tlaˇc´ıtka k pinu PB14 mikrokontroleru, viz obr. 3.4. Oba signály jsou také vyvedeny na ˇctyˇrpinov´ y konektor K7, kter´ y zpˇr´ıstupˇ nuje v´ yˇse zm´ınˇené dva piny MCU pro pˇr´ıpad, ˇze by byla potˇreba je pouˇz´ıt jinak, neˇz k pˇripojen´ı LED diody a tlaˇc´ıtka. V takovém pˇr´ıpadˇe staˇc´ı neosadit rezistor R13 (omezuj´ıc´ı proud tekouc´ı LED diodou) a R26 (0Ω propojka), ˇc´ımˇz dojde k odpojen´ı tlaˇc´ıtka TL3, LED5 a RC ˇclánku tvoˇreného 10kΩ rezistorem R14 a 100nF kondenzátorem C19, kter´ y po stisku tlaˇc´ıtka vygeneruje pulz v odbˇe trván´ı τ = 1ms. Na konektoru je taktéˇz pˇritomno kladné napájec´ı napˇet´ı 3,3 V a zem (signál GND), d´ıky kter´ ym nen´ı potˇreba pˇrivádˇet napájen´ı z jin´ ych konektor˚ u.

37

Obr. 3.13: Zapojen´ı JTAG konektoru

3.1.10

Zapojen´ı JTAG konektoru

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v sekci 2.6.1, k nahráván´ı programu do MCU a ˇr´ızen´ı jeho bˇehu slouˇz´ı rozhran´ı JTAG pˇr´ıpadnˇe SWD. Obˇe zm´ınˇená rozhran´ı jsou vyvedena na konektor K4 na obr. 3.13, kter´ y má 20 pin˚ u ve dvou ˇradách po deseti. Takto zapojen´ y konektor odpov´ıdá standardn´ımu rozm´ıstˇen´ı v´ yvod˚ u pro velkou vˇetˇsinu ARM JTAG adaptér˚ u8 , které slouˇz´ı k propojen´ı PC a MCU, viz obr. 3.4. Piny 11, 17 a 19 nejsou vyuˇzity (mikrokontroler jejich pˇripojen´ı nepodporuje a k programován´ı a ladˇen´ı programu nejsou potˇreba), proto jsou pˇripojeny trojic´ı 10kΩ pull-down rezistor˚ u R10 aˇz R12 k zemi, jak doporuˇcuje v´ yrbce. Pin 13 je naopak prostˇrednictv´ım pullup odporu pˇripojen ke kladnému napájec´ımu napˇet´ı, ˇc´ımˇz definuje logickou ˚ uroveˇ n signálu, pokud zrovna neprob´ıhá pˇrenos dat z PC do MCU (signál JTDO). Rozhran´ı SWD je vyvedeno na tomtéˇz konektoru, pˇriˇcemˇz datov´ y signál SWDIO (Serial Wire Data Input Output) je na pinu 7 (JTAG signál JTMS) a ˇcasovac´ı signál SWCLK (Serial Wire Clock) odpov´ıdá pinu 9 (JTAG signál JTCK). Je d˚ uleˇzité zm´ınit, ˇze v jeden okamˇzik m˚ uˇze prob´ıhat pˇrenost dat logicky pouze prostˇrednictv´ım jednoho ze dvou v´ yˇse zm´ınˇen´ ych rozhran´ı. Programem mikrokontroleru je moˇzné urˇcit, které rozhran´ı se bude pouˇz´ıvat, a nebo je moˇzné zvolit rozhran´ı z ovládac´ıho SW z PC (za pˇredpokladu, ˇze nebylo dané rozhran´ı zakázáno programem MCU). 8

Popis konektoru a jeho jednotliv´ ych http://www.hw.cz/pdf/kity/arm-jtag.pdf.

signálu

38

je

moˇzné

nalézt

napˇr´ıklad

zde:

3.1.11

Zapojen´ı USB konektoru

Vzhledem k tomu, ˇze mikrokontroler STM32F107 disponuje mimo jiné také rozhran´ım USB 1.1, pomoc´ı kterého je moˇzné jednak komunikovat s PC a jednak nahrávat program do MCU d´ıky vnitˇrn´ımu bootloaderu, kter´ y je popsán v´ yrobcem v aplikaˇcn´ı poznámce AN2606 [10]. Tento USB port (konektor K5) je také tzv. HOST port, je tedy moˇzné k nˇemu pˇripojit USB periferie (poˇc´ıtaˇcová myˇs, klávesnice, atd.).

Obr. 3.14: Zapojen´ı USB konektoru

Dvojice 22Ω rezistor˚ u R6, R7 slouˇz´ı k omezen´ı odraz˚ u na veden´ı mezi PC a MCU, které by pˇri dané maximáln´ı komunikaˇcn´ı rychlosti 12Mbit/s bezesporu ovlivˇ novaly kvalitu datového pˇrenosu. Rezistor R8 (1,5kΩ) vycház´ı ze specifikace USB 1.19 . Signál USB DN je pˇripojen k pinu PA11 a USB DP k pinu PA12 mikrokontroleru, viz obr. 3.4. Pˇri propojen´ı modulu s PC je na pinu 1 USB konektoru K4 pˇr´ıtomno také napˇet´ı 5V, které je moˇzné s v´ yhodou pouˇz´ıt k napájen´ı modulu. Aby bylo modul moˇzno napájet z PC (pˇripadnˇe jiného zaˇr´ızen´ı poskytuj´ıc´ıho 5V napájen´ı), staˇc´ı spojit propojku JP1, coˇz pˇrivede 5V napˇet´ı na vstupn´ı svorku stabilizátoru IC3, jak je naznaˇceno na obr. 3.1. Je d˚ uleˇzité si také povˇsimnout, ˇze tato napájec´ı cesta nen´ı chránˇena proti pˇrepólován´ı diodou D1. D˚ uvodem je fakt, ˇze USB konektor je dobˇre zaˇzit´ y standard s pevnˇe dan´ ym rozm´ıstˇen´ım vˇsech ˇctyˇr vodiˇc˚ u na jednotliv´ ych pinech konektoru, takˇze zde existuje pouze mizivá ˇsance, ˇze by doˇslo k pˇrepólován´ı. Na diodˇe D1 by tedy zbytnˇcne docházelo k u ´bytku napˇet´ı a vlivem protékaného proudu by se zahˇr´ıvala. 9

Specifikace USB 1.1: mprolab.teipir.gr/vivlio80X86/usb11.pdf

39

3.2

Deska ploˇ sn´ ych spoj˚ u

Zapojen´ı popsané v sekci 3.1 bylo realizováno na dvouvrstvém ploˇsném spoji o ˇs´ıˇrce 100mm a v´ yˇsce 50mm. Ploˇsn´ y spoj byl, stejnˇe jako schéma zapojen´ı, navrˇzen v programu Eagle od spoleˇcnosti Cadsoft10 . K volbˇe právˇe tohoto editoru jsem mˇel dva hlavn´ı d˚ uvody. Prvn´ım z nich je fakt, ˇze firma Cadsoft poskytuje volnˇe dostupnou a ˇcasovˇe neomezenou verzi zdarma. Tato verze má sice jistá omezen´ı oproti komerˇcnˇe prodávané verzi, ale ˇzádné z nich nebránilo v návrhu schématu ani DPS. Druh´ ym d˚ uvodem byla dobrá znalost a orientace v tomto editoru narozd´ıl od kokurenˇcn´ıch produkt˚ u.

Obr. 3.15: Celkov´ y pohled na DPS

Na obr. 3.15 m˚ uˇzeme vidˇet kompletn´ı návrh DPS s vyobrazenou horn´ı i spodn´ı vrstvou ploˇsn´ ych spoj˚ u. V roz´ıch jsou patrné ˇctyˇri velké otvory o pr˚ umˇeru 3,2mm, které slouˇz´ı k pˇripevnˇen´ı DPS do pˇr´ıstrojové krabiˇcky popˇr´ıpadˇe k pˇriˇsroubován´ı distanˇcn´ıch sloupk˚ u, které pak slouˇz´ı jako noˇziˇcky“ a podp´ıraj´ı desku tak, aby ” nedoˇslo ke zkratu pˇri poloˇzen´ı na kovov´ y podklad. V levé ˇca´sti DPS se bohuˇzel nepodaˇrilo um´ıstit obˇe d´ıry nad sebe tak, jak je to na pravé stranˇe. D´ uvodem byl nedostatek m´ısta v d˚ usledku rozmˇer˚ u USB a JTAG konektor˚ u, které bylo ˇzádouc´ı um´ıstit na kraj desky pro dobrou pˇr´ıstupnost. Obrázek 3.16 znázorˇ nuje ploˇsné spoje v horn´ı vrstvˇe DPS. Na prvn´ı pohled jsou patrná tˇri m´ısta, kde je tzv. rozlitá“ mˇed’ spojená se zem´ı napájec´ıho zdroje. Té ” 10

Na str´ ank´ ach v´ yrobce http://www.cadsoft.de/ je moˇzné nalézt podrobnˇejˇs´ı informace k jeho produkt˚ um.

40

Obr. 3.16: Horn´ı vrstva ploˇsn´ ych spoj˚ u se vuyˇz´ıvá pro zlepˇsen´ı odolnosti proti elekotrmagnetickému ruˇsen´ı a v pˇr´ıpadˇe stabilizátoru IC3 (viz obr. 3.16) v pravé spodn´ı ˇcásti také k chlazen´ı tohoto obvodu. Silné spoje v horn´ı vrsvˇe slouˇz´ı k rozvodu napájec´ıch napˇet´ı.

Obr. 3.17: Spodn´ı vrstva ploˇsn´ ych spoj˚ u

Pohled na spodn´ı vrstvu ploˇsn´ ych spoj˚ u nab´ız´ı obr. 3.17, na kterém m˚ uˇzeme vidˇet rozlitou zem po celé polˇse desky s v´ yjimkou m´ıst, kde to nedovoluje minimáln´ı pˇr´ıpustná vzdálenost dvou spoj˚ u daná v´ yrobn´ımi moˇznostmni. Nejsilnˇejˇs´ı spoje ve spodn´ı vrsvˇe slouˇz´ı stejnˇe jako v pˇr´ıpadˇe horn´ı vrstvy k rozvodu kladného napájec´ıho

41

napˇet´ı a jsou dimenzovány na nˇekolikanásobnˇe vyˇsˇs´ı proudy, neˇz je pˇredpokládan´ y odbˇer modulu. D˚ uvod˚ u existuje hned nˇekolik: silnˇejˇs´ı spoje nijak nezvyˇsuj´ı v´ yrobn´ı cenu DPS, dostateˇcnˇe siln´ y rozvod napájec´ıho napˇet´ı pˇredcház´ı problém˚ um spojen´ ym s ˇspiˇckov´ ymi proudov´ ymi odbˇery (napˇr´ıklad náhodné restartován´ı MCU v d˚ usledku chvilkového poklesu napájec´ıho napˇet´ı zp˚ usobeného prouduvou ˇspiˇckou) a tˇret´ım d˚ uvodem je fakt, ˇze z modulu mohou b´ yt pomoc´ı konektor˚ u K2, K3 pˇr´ıpadnˇe K7 napájeny dalˇs´ı obvody, jejichˇz odbˇer nen´ı pˇredem znám.

3.2.1

Rozm´ıstˇ en´ı souˇ c´ astek na DPS

Obr. 3.18: Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek v horn´ı vrstvˇe ploˇsn´ ych spoj˚ u

Obrázek 3.18 ukazuje rozm´ıstˇen´ı souˇca´stek pˇri pohledu shora na DPS. Uprostˇred desky vid´ıme mikrokontroler IC1, od kterého jsou vyvedeny nevyuˇzité GPIO piny na konektory K2 a K3. U levého okraje DPS je JTAG konektor K4 slouˇz´ıc´ı k nahrán´ı programu do MCU. Pod n´ım se nacház´ı USB konektor K5. U pravého okraje DPS m˚ uˇzeme vidˇet ethernetov´ y konektor K6, kter´ y v sobˇe zároveˇ n obsahuje dvˇe signalizaˇcn´ı diody, levá (zelená) indikuje pˇr´ıtomnost spojen´ı s dalˇs´ım zaˇr´ızen´ım, pravá (ˇzlutá) sv´ ym blikán´ım indikuje aktivitu spojen´ı, tzn. bliká pokud jsou data pˇrij´ımána ˇci odes´ılána. Nad nimi je um´ıstˇena LED3, která signalizuje rychlost spojen´ı. Pokud sv´ıt´ı, maximáln´ı rychlost komunikace je 100Mb/s, v opaˇcném pˇr´ıpadˇe je maximáln´ı rychlost pouze 10Mb/s. Konektor K1 slouˇz´ı k napájen´ı celého modulu napˇet´ım v rozmez´ı 5V aˇz 18V. Modul je taktéˇz moˇzno napájet z USB konektoru (spojen´ım propojky JP1 pod konektorem), nebo z ethernetového konektoru (spojen´ım propojky JP2 nad konektorem). K restartován´ı MCU uˇzivatelem slouˇz´ı tlaˇc´ıtko TL1, pro restartován´ı PHY (IC2) je urˇceno tlaˇc´ıtko TL4. Tlaˇc´ıtkem TL3 je moˇzné uvést

42

mikrokontroler po restartu do tzv. boot módu, kter´ y umoˇzn ˇuje nahrát program do MCU prostˇrednictv´ım nˇekolika komunikaˇcn´ıch rozhran´ı popsan´ ych v [10]. V levé horn´ı ˇcásti desky je pak uˇzivatelské tlaˇc´ıtko TL3 a uˇzivatelská LED dioda LED5, které jsou popsány v sekci 3.1.9 stejnˇe jako konektor K7. O indikaci pˇr´ıtomnosti stabilizovaného napájec´ıho napˇet´ı 3,3 V se stará LED1, kterou m˚ uˇzeme naj´ıt nad stabilizátorem IC3.

Obr. 3.19: Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek ve spodn´ı vrstvˇe ploˇsn´ ych spoj˚ u

(a) pro STM32F107

(b) pro STM32F2x7

Obr. 3.20: Konfigurace propojek SJ1 aˇz SJ3 pˇri pohledu na spodn´ı stranu DPS

Rozm´ıstˇen´ı souˇca´stek pˇri pohledu na spodn´ı stranu desky znázorˇ nuje obr. 3.19. Zde jsou nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ım prvkem pájec´ı propojky SJ1 aˇz SJ5, které se spojuj´ı kapkou c´ınu. Propojky SJ1, SJ2 a SJ3 slouˇz´ı k pˇrizp˚ usoben´ı napájen´ı konkrétn´ımu mikrokontroleru, tedy bud’ MCU STM32F107, nebo STM32F2x7 (novˇejˇs´ı ˇrada MCU). Odpov´ıdaj´ıc´ı konfiguraci propojek pro jednotlivé MCU ukazuje obr. 3.20. Propojky SJ4 a SJ5 slouˇz´ı k testovac´ım u ´ˇcel˚ um, ale pro korektn´ı funkci celého modulu a pˇredevˇs´ım

43

jeho komunikace prostˇrednictv´ım ethernetového rozhran´ı musej´ı b´ yt vˇ zdy propojeny. Na obr. 3.19 jsou taktéˇz vidˇet tˇri rezistory R27, R28 a R29, které nejsou popsány v kapitole 3. Nejedná se o rezistory v pravém slova smyslu, ale jde pouze o 0Ω propojky v pouzdru 0805, které slouˇz´ı ke zlepˇsen´ı rozvodu zemˇe na spodn´ı stranˇe DPS. Pouˇzity jsou v m´ıstech, kde nen´ı moˇzné takov´ y spoj vést ani v horn´ı ani ve spodn´ı vrstvˇe ploˇsn´ ych spoj˚ u.

3.2.2

Rozloˇ zen´ı pin˚ u jednotliv´ ych konektor˚ u na DPS 1

2

GND

VCC

Tab. 3.3: Rozm´ıstˇen´ı pin˚ u napájec´ıho konektoru K1 pˇri pohledu zprava

29

27

25

23

21

19

17

15

13

11

9

7

5

3

1

GND

PC9

PC7

PD15

PD13

PD11

PD9

PE15

PE13

PE11

PE9

PE7

PA6

PA4

3,3V

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

GND

GND

PC8

PC6

PD14

PD12

PD10

PD8

PE14

PE12

PE10

PE8

PB2

PA5

3,3V

Tab. 3.4: Rozm´ıstˇen´ı pin˚ u konektoru K2 pˇri pohledu shora

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

3,3V

PA10

PC11

PD0

PD2

PD4

PD6

PB5

PB7

PE0

PE2

PE4

PE6

PC0

GND

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

3,3V

PA9

PC10

PC12

PD1

PD3

PD5

PD7

PB6

PB9

PE1

PE3

PE5

PC13

GND


44

19

17

15

13

11

9

7

5

3

1

P-D

P-D

MCU RST

JTDO

P-D

JTCK

JTMS

JTDI

JTRST

3,3V

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

GND

GND

GND

GND

GND

GND

GND

GND

GND

3,3V

Tab. 3.6: Rozm´ıstˇen´ı pin˚ u JTAG konektoru K4 pˇri pohledu zleva 4

3

GND

3,3V

2

1

PB15

PB14


3.3

Popis demonstraˇ cn´ıho programu pro PC

Pro demonstraci moˇznost´ı synchronn´ıho sbˇeru dat pomoc´ı zde popisovaného modulu vznikl jednoduch´ y (konzolov´ y) program napsan´ y v jazyku C# umoˇzn ˇuj´ıc´ı naˇc´ıtat data z modulu (resp. nˇekolika modul˚ u zároveˇ n) a následnˇe je ukládat jako jednoduch´ y textov´ y soubor ve formátu Comma-Separated Values (CSV). Naˇc´ıtaj´ı se data z AD pˇrevodn´ıku MCU a spolu s pˇresnou ˇcasovou znaˇckou okamˇziku, kdy byla hodnota namˇeˇrena, jsou posléze uloˇzena do souboru. Takto vznikl´ y soubor je R a d´ moˇzné naˇc´ıst napˇr´ıklad v programu Matlab od spoleˇcnosti MathWorks ale s nimi pracovat. Je tak napˇr´ıklad moˇzné pomoc´ı dvou modul˚ u zmˇeˇrit stejn´ y pr˚ ubˇeh napˇet´ı a oba signály poté porovnat a zjistit ˇcasov´ y posun mezi nimi. D˚ uvodem, kter´ y mˇe vedl k volbˇe právˇe takovéhoto ˇreˇsen´ı, je fakt, ˇze data ve formátu CSV dokázˇe kromˇe programu Matlab zpracovávat také vˇetˇsina tabulkov´ ych TM procesor˚ u (napˇr. Microsoft Excel nebo OpenOffice.org Calc), a v´ ysledné soubory jsou snadno ˇcitelné i pro bˇeˇzného ˇclovˇeka, pokud je otevˇre v textovém editoru. Program poskytuje také moˇznost poˇc´ıtat okamˇzit´ y v´ ykon pˇripojené zátˇeˇze za pouˇzit´ı dvou mˇeˇr´ıc´ıch modul˚ u, kdy jeden modul mˇeˇr´ı okamˇzité napˇet´ı a druh´ y mˇeˇr´ı u ´bytek napˇet´ı na rezistoru sériovˇe zapojeném mezi zdroj a zátˇeˇz. Tento u ´bytek napˇet´ı odpov´ıdá proudu protékaj´ıc´ımu zátˇeˇz´ı. Z obou namˇeˇren´ ych hodnot poté vypoˇc´ıtá okamˇzit´ y v´ ykon a uloˇz´ı jej do souboru ve formátu CSV. Obrázek 3.21 ukazuje schéma slouˇz´ıc´ı k demonstraci nˇekter´ ych moˇznost´ı aplikace zde popisovaného podulu pˇri pouˇzit´ı s ukázkov´ ym programem. Zátˇeˇz zde pˇredstavuje

45

Obr. 3.21: Zapojen´ı demonstraˇcn´ı aplikace rezistor Rz, na kterém mˇeˇr´ı modul 2 okamˇzité napˇet´ı. Rezistor Rs pˇredstavuje 1Ω sn´ımac´ı rezistor slouˇz´ıc´ı k mˇeˇren´ı protékaj´ıc´ıho proudu. V pˇr´ıpadˇe, ˇze je pˇrekroˇcen uˇzivatelem nastaven´ y maximáln´ı proud, rozepne modul 1 prostˇrednictv´ım tranzistoru T1 kontakty relé RE1 a dojde k odpojen´ı zdroje od zátˇeˇze. Pokud proud zátˇeˇz´ı (nebo napˇet´ı na zátˇeˇzi) pˇrekroˇc´ı uˇzivatelem zadanou mez, je posláno mˇeˇr´ıc´ımu modulu znamen´ı, na jehoˇz základˇe modul provede zadanou ˇcinnost, tedy napˇr´ıklad odpoj´ı zátˇeˇz od zdroje. T´ımto zp˚ usobem je moˇzné napˇr´ıklad chrán´ıt zdroj proti dlouhodobému zkratu nebo naopak zátˇeˇz proti zniˇcen´ı v d˚ usledku pˇrehˇra´t´ı. Komunikace modulu s PC prob´ıhá prostˇrednictv´ım rozhran´ı Ethernet, pomoc´ı protokolu User Datagram Protocol (UDP) na portu 23. Tento protokol byl vyuˇzit proto, ˇze pˇri jeho pouˇzit´ı dosahuje modul vyˇsˇs´ı pˇrenosové rychlosti v d˚ usledku niˇzˇs´ı zátˇeˇze procesoru spojené s komunikac´ı oprtoti protokolu Transmission Control Protocol (TCP). Port 23 je p˚ uvodnˇe urˇcen sluˇzbˇe telnet11 , pomoc´ı které je taktéˇz moˇzné se k modulu pˇripojit a komunikovat s n´ım stejnˇe jako s n´ım komunikuje zde popisovan´ y ovládac´ı program. 11

Popis protokolu a dalˇs´ı uˇziteˇcné informace je moˇzné nalézt na webov´ ych stránkách http://www.telnet.org/.

46

3.3.1

Uk´ azka pouˇ zit´ı programu

Na obr. 3.22 m˚ uˇzeme vidˇet v´ ystup ukázkového programu pro PC. Nejprve si ze souboru modules.ip naˇcte seznam IP adres vˇsech modul˚ u, následnˇe zobraz´ı informaˇcn´ı zprávy z modul˚ u a dále pokraˇcuje ukládán´ım namˇeˇren´ ych dat do textov´ ych soubor˚ u dataSetN, kde N odpov´ıdá poˇradovému ˇc´ıslu modulu, které odpov´ıdá poˇrad´ı modul˚ u v textovém souboru s jejich IP adresami.

Obr. 3.22: Ukázka demonstraˇcn´ıho programu pro PC

Programu je moˇzné z konzole zadat tˇri parametry: poˇzadovan´ y poˇcet mˇeˇren´ı, maximáln´ı pˇr´ıpustn´ y proud protékaj´ıc´ı zátˇeˇz´ı (v mA) a parametr urˇcuj´ıc´ı zda se má vypoˇc´ıtat i okamˇzit´ y v´ ykon. Prvn´ı dva parametry jsou povinné, tˇret´ı je moˇzné vynechat. Pokud je zadán i tˇret´ı parametr, program vypoˇc´ıtá okamˇzité v´ ykony v dan´ ych ˇcasech a uloˇz´ı je do souboru vykony.txt taktéˇz ve formátu CSV. Graf na obr. 3.23 ukazuje vizualizaci namˇeˇren´ ych dat pro pˇr´ıpad, kdy oba moduly mˇeˇr´ı stejn´ y signál. Zvlnˇen´ı, které je moˇzné vidˇet na maximech a minimech pr˚ ubˇeh˚ u, je zp˚ usobeno chybou AD pˇrevodn´ıku MCU.

47

Obr. 3.23: Zobrazen´ı jednoho signálu mˇeˇreného obˇema moduly souˇcasnˇe

48

4

ˇ REN ˇ ´ PARAMETRY MODULU NAME E

Tato kapitola obsahuje ˇzmˇeˇrené parametry modulu, jak´ ymi je napˇr´ıklad odbˇer proudu, maximáln´ı rychlost komunikace nebo pˇresnost ˇcasové synchronizace v nˇekolika modelov´ ych situac´ıch. Namˇeˇrené hodnoty jsou pˇrehlednˇe zapsány v tabulkách (tab. 4.1 aˇz tab. 4.4) pro snadnou orientaci a moˇznost porovnán´ı hodnot. Veˇskeré u ´daje byly namˇeˇreny pˇri napájec´ım napˇet´ı 9 V a MCU s taktem 72MHz. stav stand-by reˇzim aktivn´ı (pozastaven)

odbˇ er [mA] 7,0 13,2

aktivn´ı (pozastaven)

59,4

aktivn´ı (bˇeˇz´ı)

135,8

aktivn´ı (bˇeˇz´ı)

218,6

podm´ınky MCU i PHY v stand-by módu vypnuty veˇskeré periferie, pozastaveno vykonáván´ı programu zapnut´ y Ethernet (MAC i PHY), USB, USART, ˇcasovaˇce, GPIO, pozastaveno vykonáván´ı programu zapnut´ y Ethernet (MAC i PHY), USB, USART, ˇcasovaˇce, GPIO, program pouze bliká LED diodou a synchronizuje ˇcas modulu s referenˇcn´ım zdrojem ˇcasu zapnut´ y Ethernet (MAC i PHY), USB, USART, ˇcasovaˇce, GPIO, program synchronizuje ˇcas modulu s referenˇcn´ım zdrojem ˇcasu a pomoc´ı PC jsou vyˇc´ıtány hodnoty z ADC (pˇres Ethernet)

Tab. 4.1: Namˇeˇrené hodnoty odbˇeru proudu

49

druh pˇ renosu pˇr´ıjem dat (UDP)

max. rychlost [MB/s] 3,2

odes´ılán´ı dat (UDP)

5,7

pˇr´ıjem dat (TCP)

2,4

odes´ılán´ı dat (TCP)

3,0

podm´ınky pˇr´ıjem dat prostˇrednictv´ım protokolu UDP odes´ılán´ı dat prostˇrednictv´ım protokolu UDP pˇr´ıjem dat prostˇrednictv´ım protokolu TCP odes´ılán´ı dat prostˇrednictv´ım protokolu TCP

Tab. 4.2: Maxmimáln´ı pˇrenosové rychlosti rozhran´ı Ethernet

50

situace pˇr´ımé propojen´ı

max. namˇ eˇ ren´ a/pr˚ umˇ ern´ a odchylka [µs] 0,78/0,15

propojen´ı pˇres pˇrep´ınaˇc (switch)

1,03/0,53

propojen´ı pˇres dva pˇrep´ınaˇce (2x switch)

2,33/0,61

propojen´ı pˇres pˇrep´ınaˇc k PC

2,15/0,63

zapojen´ı dva moduly byly propojeny kˇr´ıˇzen´ ym kabelem (modul 1 ↔ modul 2), modul 1 pˇredstavoval zdroj referenˇcn´ıho ˇcasu dva moduly byly spojeny prostˇrednictv´ım pˇrep´ınaˇce (modul 1 ↔ switch ↔ modul 2), modul 1 pˇredstavoval zdroj referenˇcn´ıho ˇcasu dva moduly byly spojeny prostˇrednictv´ım dvou pˇrep´ınaˇc˚ u (modul 1 ↔ switch ↔ switch ↔ modul 2) , modul 1 pˇredstavoval zdroj referenˇcn´ıho ˇcasu dva moduly byly spojeny prostˇrednictv´ım pˇrep´ınaˇce s PC (2x modul ↔ switch ↔ PC) , PC pˇredstavoval zdroj referenˇcn´ıho ˇcasu

Tab. 4.3: Odchylky od referenˇcn´ıho ˇcasu (nezat´ıˇzená s´ıt’)

51

situace pˇr´ımé propojen´ı

max. namˇ eˇ ren´ a/pr˚ umˇ ern´ a odchylka [µs] 3,71/0,33

pˇres pˇrep´ınaˇc (switch)

9,47/0,81

pˇres dva pˇrep´ınaˇce (2x switch)

15,22/0,88

pˇres pˇrep´ınaˇc k PC

3,17/0,60

zapojen´ı dva moduly byly propojeny kˇr´ıˇzen´ ym kabelem (modul 1 ↔ modul 2), modul 1 pˇredstavoval zdroj referenˇcn´ıho ˇcasu, moduly stˇr´ıdavˇe pˇrij´ımaly a vys´ılaly bloky dat o velikosti 5kB dva moduly byly spojeny prostˇrednictv´ım pˇrep´ınaˇce (modul 1 ↔ switch ↔ modul 2), modul 1 pˇredstavoval zdroj referenˇcn´ıho ˇcasu dva moduly byly spojeny prostˇrednictv´ım dvou pˇrep´ınaˇc˚ u (modul 1 ↔ switch ↔ switch ↔ modul 2) , modul 1 pˇredstavoval zdroj referenˇcn´ıho ˇcasu dva moduly byly spojeny prostˇrednictv´ım pˇrep´ınaˇce s PC (2x modul ↔ switch ↔ PC) , PC pˇredstavoval zdroj referenˇcn´ıho ˇcasu

Tab. 4.4: Odchylky od referenˇcn´ıho ˇcasu (s´ıt’ vyt´ıˇzená na 50%)

52

´ ER ˇ ZAV

5

C´ılem bakaláˇrské práce bylo navrhnout modul pro synchronn´ı sbˇer dat a ˇr´ızen´ı, postaven´ y na 32-bitovém ARM MCU. Pro modul bylo definováno následuj´ıc´ı zadán´ı: • mikrokontroler z ˇrady STM32 • implementace rozhran´ı Ethernet • implementace TCP/IP protokolu s vyuˇz´ıt´ım lwIP stack • implementace protokolu PTP • návrh, v´ yroba a osazen´ı DPS • vytvoˇren´ı programového vybaven´ı pro PC • sestaven´ı jednoduchého systému synchronn´ıho sbˇeru dat a ovládán´ı akˇcn´ıch ˇclen˚ u Pˇri ˇreˇsen´ı bakaláˇrské práce bylo dosaˇzeno následuj´ıc´ıch v´ ysledk˚ u. Po analyzován´ı poˇzadavk˚ u zadán´ı byl zvolen jako nejlépe vyhovuj´ıc´ı mikrokontroler STM32F107 z ˇrady STM32, kter´ y disponuje ethernetovou MAC vrstvou a dostateˇcn´ ym v´ ypoˇcetn´ım v´ ykonem. Jako fyzická vrstva byl pouˇzit ˇcip ST802RT1, kter´ y obsahuje standardizované komunikaˇcn´ı rozhran´ı MII slouˇz´ıc´ı k propojen´ı MCU a PHY. Toto ˇreˇsen´ı poskytuje plnou implementaci rozhran´ı Ethernet s teoretickou maximáln´ı pˇrenosovou rychlost´ı 100Mb/s. Komunikaci prostˇrednictv´ım rozhran´ı Ethernet vyuˇz´ıvaj´ıc´ı protokol TCP/IP zajiˇst’uje lwIP stack1 , coˇz je subprogram zajiˇst’uj´ıc´ı korektn´ı implementaci TCP a UDP protokolu pˇri pomˇernˇe skromn´ ych nároc´ıch na v´ ypoˇcetn´ı v´ ykon a operaˇcn´ı pamˇet’ MCU. Zde byla s v´ yhodou vyuˇzita jiˇz existuj´ıc´ı implementace lwIP pro mikrokontrolery z ˇrady STM32, kterou poskytuje firma ST Microelectronics na sv´ ych webov´ ych stránkách (www.st.com). D´ıky tomuto vstˇr´ıcnému kroku v´ yrobce jsem uˇsetˇril cenn´ y ˇcas, kter´ y jsem mohl vˇenovat dalˇs´ımu v´ yvoji a zdokonalován´ı zde popisovaného modulu. K synchronizaci ˇcasu prostˇrednictv´ım rozhran´ı Ethernet slouˇz´ı protokol PTP definovan´ y normou IEEE-1588. Ten byl implementován s vyuˇzit´ım zdrojov´ ych kód˚ u 2 PTP serveru , kter´ y byl p˚ uvodnˇe napsán pro operaˇcn´ı systém linux, ale d´ıky dobré 1

Bliˇzˇs´ı informace je moˇzné nalézt na webov´ ych stránkách v´ yvojáˇr˚ u: http://www.sics.se/ adam/lwip/. 2 Dokumentaci a zdrojové k´ ody PTP serveru ptpd je moˇzné naj´ı na webov´ ych stránkách: http://ptpd.sourceforge.net/.

53

dokumentaci a dostateˇcnˇe komentovanému kódu bylo pomˇernˇe snadné se ve zdro´ jov´ ych souborech orientovat. Uprava spoˇc´ıvala pˇredevˇs´ım v pˇrepsán´ı tˇech ˇcást´ı kódu, kde byly vyuˇz´ıvány funkce a rozhran´ı OS linux. T´ımto zp˚ usobem bylo moˇzné implementovat protokol PTP verze 1 a s mal´ ymi zmˇenami i verze 2. V rámci této práce byl navrˇzena dvouvrstvá deska ploˇsn´ ych spoj˚ u, jej´ıˇz v´ yrobu obstarala firma PragoBoard s.r.o. Desku jsem následnˇe osadil, oˇzivil a na takto vzniknuvˇs´ım modulu jsem ovˇeˇril správnost mého návrhu. Obsluˇzn´ y program pro PC je napsan´ y v jazyku C#, kter´ y poskytuje programátorovi jednoduché a snadno pochopitelné prostˇred´ı pro práci se s´ıt´ı a vlákny, coˇz jsou dvˇe kl´ıˇcové oblasti, které program pro synchronn´ı sbˇer dat z modul˚ u vyˇzaduje. D´ıky tomu je moˇzné naˇc´ıtat data z velkého mnoˇzstv´ı modul˚ u najednou a zároveˇ n je ukládat do soubor˚ u ve formátu CSV. Tento formát je jednak snadno ˇciteln´ y i pro bˇeˇzného uˇz´ıvatele, ale také je pˇredevˇs´ım d´ıky své popularitˇe podporován mnoh´ ymi tabulkov´ ymi procesory a dalˇs´ımi nástroji pro zpracován´ı dat (napˇr. Matlab nebo FreeMat). K demonstrován´ı nˇekter´ ych moˇznost´ı popsaného mˇeˇr´ıc´ıho modulu slouˇz´ı modelov´ y pˇr´ıklad, kter´ y kombinuje vˇsechny v´ yˇse popsané vlastnosti do jednoho funkˇcn´ıho celku. Pomoc´ı dvou modul˚ u je mˇeˇreno napˇet´ı a proud tekouc´ı zátˇeˇz´ı, ze kter´ ych je v PC poˇc´ıtán okamˇzit´ y v´ ykon zátˇeˇze a pˇri pˇrekroˇcen´ı uˇzivatelem stanovené meze je vyslán mˇeˇr´ıc´ım modul˚ um signál k odpojen´ı zátˇeˇze (rozpojen´ı kontakt˚ u relé, stykaˇce), ˇc´ımˇz je v praxi moˇzné napˇr´ıklad chránit spotˇrebiˇc pˇred pˇret´ıˇzen´ım. V´ yˇse popsan´ y distribuovan´ y systém je schopen synchronizovat systémov´ y ˇcas vˇsech zaˇr´ızen´ı v s´ıt´ı podporuj´ıc´ıch protokol PTP (tedy napˇr´ıklad i PC se spuˇstˇen´ ym PTP serverem ptpd ) s pˇresnost´ı na 1 aˇz 20 mikrosekund (dle vyt´ıˇzen´ı a struktory s´ıtˇe). Této u ´rovnˇe synchronizace je moˇzno dosáhnout na bˇeˇznˇe dostupném s´ıt’ovém hardwaru. Pˇri pouˇzit´ı speciáln´ıch switch˚ u s rozˇs´ıˇrenou podporou protokolu PTP je moˇzno dosáhnout pˇresnosti v ˇrádu des´ıtek aˇz stovek nanosekund, nicménˇe takové ˇreˇsen´ı je pomˇernˇe nákladné vzhledem k cenˇe tohoto specializovaného HW. Z v´ yˇse popsaného je patrné, ˇze se mi podaˇrilo splnit zadán´ı bakaláˇrské práce a c´ıl˚ u stanoven´ ych v u ´vodn´ı kapitole. Osobnˇe jsem se pˇri v´ yvoji tohoto modulu nauˇcil mnoho nového a rád bych se problematice ˇcasové synchronizace rád vˇenoval i po dobu svého dalˇs´ıho studia, nebot’ si mysl´ım, ˇze jde o práci platnou, potˇrebnou a jiˇz dnes v mnoha (nejen) pr˚ umyslov´ ych oborech nezbytnou.

54

LITERATURA [1] Yiu J. The definitive guide to the ARM Cortex-M3 Elsevier, 2007, 357s, ISBN 978-0-7506-8534-4 [2] Sloss A., Symes D., Wright C. ARM System developers guide Elsevier, 2004, 695s, ISBN 1-55860-874-5 [3] Zurawski R. Networked embedded systems CRC Press, 2009, 828s, ISBN 9781-4398-0761-3 [4] David Tse, Pramod Viswanath Fundamentals of Wireless Communication Cambridge University Press, 2005, 554s, ISBN 978-0-5218-4527-4 [5] P. Marshall, J. Rinaldi Industrial Ethernet ISA, 2009, 124s, ISBN 978-1-55617892-4 [6] Ereth McKnight-MacNeil, B.Sc. CS-MNS: Analysis and Implementation Carleton University, 2010, 112s [7] ARM Limited Cortex-M3TM - Technical Reference Manual Publ. ARM DDI 0337B, 2006 [8] ST Microelectronics RM0008 - Reference manual Doc. ID 13902 Rev 11 [9] ST Microelectronics STM32F107 datasheet Doc ID 15274 Rev 5 [10] ST Microelectronics AN2606 Application note - STM32 microcontroller system memory boot mode Doc ID 13801 Rev 9 [11] ST Microelectronics ST802RT1 datasheet Doc ID 17049 Rev 1 [12] ST Microelectronics LF00 series datasheet [13] PulseJackTM J0 series datasheet J403.D (5/06) [14] Fairchild Semiconductor 1N4001 - 1N4007 General Purpose Rectifiers Rev. I40

55

˚ VELICIN ˇ SEZNAM SYMBOLU, A ZKRATEK ARM

Advanced RISC Machine

CAN

Controller Area Network

CPU

Central Processing Unit

CRC

Cyclic Redundancy Check

CSV

Comma-Separated Values

DPS

Deska Ploˇsn´ ych Spoj˚ u

FTSP

Flooding Time Synchronization Protocol

GPIO

General Purpose Input/Output

IEEE-1588 Institute of Electrical and Electronics Engineers IGMP

Internet Group Management Protocol

JTAG

Joint Test Action Group

LED

Light-Emitting Diode

MAC

Media Access Control

MCU

Mikrokontroler

MII

Media Independent Interface

NTP

Network Time Protocol

PC

Personal Computer

PCI

Peripheral Component Interconnect

PHY

Ethernet physical transceiver

PTP

Precision Time Protocol

PXI

PCI Extensions for Instrumentation

RBTS

Reference Broadcast Time Synchronization

RISC

Reduced Instruction Set Computer

RMII

Reduced Media Independent Interface

56

ROM

Read Only Memory

RTC

Real-Time Clock

SRAM

Static Random Access Memory

STM32

32-bitov´ y mikrokontroler s jádrem ARM cortex-M3 od firmy ST Microelectronics

SWD

Serial Wire Debug

TCP

Transmission Control Protocol

UDP

User Datagram Protocol

USART

Universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter

USB

Universal Serial Bus

UTP

Unshielded Twisted Pair

57

ˇ ÍLOH SEZNAM PR A V´ yrobn´ı podklady 59 A.1 Návrh DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 A.2 Schéma zapojen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 A.3 Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek na DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 B Seznam souˇ c´ astek

62

C Pouˇ zit´ e n´ azvoslov´ı

65

58

A A.1

´ Í PODKLADY VYROBN N´ avrh DPS

Obr. A.1: Vrstva TOP, mˇeˇr´ıtko 1:1

Obr. A.2: Vrstva BOT, mˇeˇr´ıtko 1:1

A.2

Sch´ ema zapojen´ı

59

A.3

Rozm´ıstˇ en´ı souˇ c´ astek na DPS

Obr. A.3: Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek ve vrsvˇe TOP, mˇeˇr´ıtko 1,2:1

Obr. A.4: Rozm´ıstˇen´ı souˇca´stek ve vrsvˇe BOT, mˇeˇr´ıtko 1,2:1

61

B

ˇ ASTEK ´ SEZNAM SOUC n´ azev

pouzdro

hodnota

R1

330Ω

0805

R2

47Ω

0805

R3

10kΩ

0805

R4

10kΩ

0805

R5

10kΩ

0805

R6

22Ω

0805

R7

22Ω

0805

R8

1,5kΩ

0805

R9

10kΩ

0805

R10

10kΩ

0805

R11

10kΩ

0805

R12

10kΩ

0805

R13

330Ω

0805

R14

10kΩ

0805

R15

10kΩ

0805

R16

5,6kΩ

0805

R17

91kΩ

0805

R18

49,9Ω ± 1%

0805

R19

49,9Ω ± 1%

0805

R20

49,9Ω ± 1%

0805

R21

49,9Ω ± 1%

0805

R22

330Ω

0805

R23

330Ω

0805

R24

330Ω

0805

R25

22kΩ

0805

R26

0Ω (propojka)

0805

R27

0Ω (propojka)

0805

R28

0Ω (propojka)

0805

R29

0Ω (propojka)

0805

C1

10µF/25V

A/3216-18W

C2

100nF/25V

0805

C3

100nF/25V

0805

62

n´ azev

hodnota

pouzdro

C4

10µF/25V

A/3216-18W

C5

100nF/25V

0805

C6

100nF/25V

0805

C7

100nF/25V

0805

C8

100nF/25V

0805

C9

2,2µF/10V (keramick´ y)

0805

C10

10nF/25V

0805

C11

10µF/16V

A/3216-18W

C12

10nF/25V

0805

C13

12pF/50V

0805

C14

12pF/50V

0805

C15

100nF/25V

0805

C16

10nF/25V

0805

C17

22pF/50V

0805

C18

22pF/50V

0805

C19

100nF/25V

0805

C20

100nF/25V

0805

C21

100nF/25V

0805

C22

100nF/25V

0805

C23

100nF/25V

0805

C24

100nF/25V

0805

C25

100nF/25V

0805

C26

100nF/25V

0805

C27

10nF/50V

0805

C28

10nF/50V

0805

C29

100nF/25V

0805

C30

2,2µF/10V (keramick´ y)

0805

L1

68nH/Imax =500mA (R=0,38Ω)

0805

L2

68nH/Imax =500mA (R=0,38Ω)

0805

L3

68nH/Imax =500mA (R=0,38Ω)

0805

L4

2,2µH/Imax =150mA (R=3,8Ω)

0805

63

n´ azev

pouzdro

hodnota

Q1

25MHz

HC49U

Q2

32 768Hz

TC26H

QG1

25MHz

CFPS-39

IC1

STM32F107VCT6

LQFP100

IC2

ST802RT1A

LQFP48

IC3

LF33CDT

TO252AA

D1

1N4007

DO214AA

LED1

zelená

0805

LED2

zelená

souˇcást K6

LED3

ˇcervená

0805

LED4

ˇzlutá

LED5

oranˇzová

souˇcást K6 0805

K1

AK100 (dvoupólov´ y)

RM = 5,0mm

K2

pinová liˇsta 30 pin˚ u, dvouˇradá

RM = 2,54mm

K3


RM = 2,54mm

K4


RM = 2,54mm

K5

USB B konektor

K6

J0006D2BNL

K7

pinová liˇsta 4 piny, dvouˇradá

RM = 2,54mm

JP1

pinová liˇsta 2 piny, jednoˇradá

RM = 2,54mm

JP2

pinová liˇsta 2 piny, jednoˇradá

RM = 2,54mm

SJ1

SMD pájec´ı propojka, 3 piny

souˇcást DPS

SJ2


souˇcást DPS

SJ3


souˇcást DPS

SJ4


souˇcást DPS

SJ5


souˇcást DPS

TL1

tlaˇc´ıtkov´ y sp´ınaˇc

B3F

TL2


B3F

TL3


B3F

TL4


B3F

90◦ do DPS RJ45, 90◦ do DPS

64

C

ˇ E ´ NAZVOSLOV ´ Í POUZIT

Teorie ˇcasové synchronizace s sebou nese znaˇcné mnoˇzstv´ı technick´ ych pojm˚ ua term´ın˚ u. Tato pˇr´ıloha poskytuje definici nˇekolika základn´ıch pojm˚ u, ˇctenáˇri by to mˇelo usnadnit porozumˇen´ı a pochopen´ı textu této práce. Pojmem master budu dále v textu oznaˇcovat mˇeˇr´ıc´ı modul, Personal Computer (PC) nebo jakékoliv jiné zaˇr´ızen´ı, které v dané aplikaci funguje jako ˇcasová reference, podle které ostatn´ı zaˇr´ızen´ı v s´ıti synchronizuj´ı sv˚ uj vlastn´ı lokáln´ı ˇcas. Oznaˇcen´ı slave bude pouˇzito pro mˇeˇr´ıc´ı modul, PC nebo jakékoliv jiné zaˇr´ızen´ı, které synchronizuje sv˚ uj vlastn´ı lokáln´ı ˇcas podle referenˇcn´ıho master zaˇr´ızen´ı. Pojem jitter se v elektronice pouˇz´ıvá pro oznaˇcen´ı neˇza´douc´ı odchylky jedné nebo v´ıce charakteristik zdroje hodinového taktu od v´ yrobcem udávané hodnoty. V elektronice se term´ınem (frekvenˇcn´ı) drift oznaˇcuje neˇza´douc´ı jev, pˇri kterém docház´ı k posunu frekvence zdroje periodického signálu od jeho nomináln´ı hodnoty.

65

V PRAZE MODULY S ROZHRANÍM ETHERNET PRO SYSTÉM SBĚRU DAT FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ CZECH TECHNICAL UNIVERSITY IN PRAGUE

Recommend Documents