Referaty sesja 2p.indd - PAR Pomiary - Automatyka

Komentarze

Transkrypt

Referaty sesja 2p.indd - PAR Pomiary - Automatyka
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
dr in. Piotr Szulewski
Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska
AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY
Powszechnie wystpujca tendencja zwizana z wykorzystywaniem w obszarze automatyki
przemysowej (do sterowania i nadzoru) systemów rozproszonych wymusza konstruowanie
rozwiza
autonomicznych
charakteryzujcych
si
rozbudowanymi
moliwociami
komunikacyjnymi. Artyku omawia koncepcj wykonania w technice mikroprocesorowej
niewielkiego moduu pomiarowo-sterujcego pozwalajcego na doczanie rónorakich
elementów lub ukadów pomiarowych oraz wyposaonego w dedykowany interfejs sieciowy dla
komunikowania si z urzdzeniami zewntrznymi.
DATA ACQUISITION MODULE FOR DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM
Referring to the very popular idea of distributed control systems the conception of small data
acquisition module is presented in this paper. Thanks to the microelectronic technique rapid
growth it is possible to use the popular microprocessor and it’s components as universal and
powerful diagnostic tool. The proposal for construction simple data module and it’s
implementation to the real laboratory environment is provisionally illuminated.
1. ISTOTA INFORMACJI
„W dzisiejszym wiecie informacja jest towarem” – stwierdzenie to, tak powszechnie
przytaczane, stao si ju swoistym truizmem, którego gbokiego sensu praktycznie nie
dostrzegamy. Próbujc zdefiniowa to fundamentalne pojcie mona posuy si konstatacj
wskazujca na szerokie rozumienie pojcia informacji jako „uniwersalnego tworzywa
spajajcego poszczególne elementy systemu, w jedn sprawnie i efektywnie dziaajc
cao” [Marco, 96]. Informacja jest, wic dobrem szczególnym, bez którego trudno mówi
o nowoczesnym i caociowym procesie zarzdzania, zwaszcza w produkcji oraz
wytwarzaniu. W wielu przypadkach mamy do czynienia zazwyczaj z zarzdzaniem
intuicyjnym czsto opartym o rónego rodzaju estymacje czy wrcz szacunki. Trudno
w takich warunkach podejmowa trafne i wywaone decyzje a take na bieco reagowa
w przypadku pojawienia si sytuacji awaryjnej. W problematyce informacji wystpuj dwa
podstawowe zagadnienia okrelane jako pozyskanie informacji (ang. data acquisition) oraz
dostp do informacji (ang. data access). Jak si wydaje we wspóczesnych systemach
pomiarowych s one szczególnie istotne i mog by traktowane wspóbienie. Poczwszy od
formowania sygnaów poprzez ich interpretacj i uporzdkowanie uzyskujemy szczegóow
wiedz o warunkach pracy obrabiarek, urzdze technologicznych lub stanie zaawansowania
realizacji wytwarzania. Tak wic, spostrzeenie, i umiejtne, efektywne i skuteczne
uzyskanie ródowych sygnaów oraz ich udostpnianie (przesyanie) stanowi klucz do
sukcesu jest jak najbardziej poprawne i prawdziwe.
2. SYSTEMY SIECIOWE
Przesyanie informacji na odlego od zawsze stanowio fascynacj i znajdowao si
w centrum zainteresowania czowieka [Tanebaum, 97]. O ile w pocztkowej fazie ju sam
fakt przesania nawet pojedynczego sygnau (np. sygnay wietlne – ogie lub dym, znaki
dwikowe) stanowi o sukcesie caego przedsiwzicia to oczywicie nie wyczerpywao to
moliwoci dalszego rozwoju. Historycznie pierwszym standardem (rok wprowadzenia 1960)
automation 2009
365
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
uywanym do przesyania informacji w warunkach przemysowych bya ptla prdowa 420 mA. Rozpowszechnianie si sygnaów cyfrowych zaowocowao opublikowaniem
w 1962 r. przez EIA (ang. Electronic Industries Association) noty normalizacyjnej wprowadzajcej standard interfejsu komunikacyjnego RS-232 a sze lat póniej RS-232C o szybkoci transferu 20 KBit/s [Mielczarek, 93]. Wraz ze wzrostem wymaga dotyczcych iloci
przesyanych danych i liczby wspópracujcych ze sob urzdze, pojawia si zaczy
rozwizania nowoczesnych systemów transmisyjnych opartych o magistrale cyfrowe. Sie
przemysowa nazywana take sieci polow (ang. fieldbus) lub miejscow, stanowi kolejny
etap w rozwoju systemów transmisji danych w warunkach zakadu przemysowego. W cigu
ostatnich 10 lat obserwowany jest gwatowny rozwój systemów sieciowych opartych
o standard Ethernet w wykonaniu zarówno stacjonarnym jak i bezprzewodowym [Thompson,
04]. Jednoczenie, podkreli naley, e producenci komponentów sieci przemysowych pomimo wielu lat rozwoju i czynionych znacznych wysików w celu ujednolicenia nie wypracowali uniwersalnego standardu. Na rynku istnieje wiele rónorakich propozycji sieci przemysowych. Rozwizania te charakteryzuj si do niewielkim pasmem przenoszenia, ograniczon liczb stacji i stosunkowo niewielk rozlegoci dopuszczalnych instalacji. Nie zawsze tez zachowana jest pena kompatybilno urzdze pochodzcych od rónych wytwórców, co moe powodowa powstawanie problemów w przypadku podejmowania prób unifikacji posiadanych zasobów. Istotn kwesti s take koszty zakupu i wykonania instalacji
systemów przemysowych. Wieloletni rozwój koncepcji sieci Ethernet zaowocowa ustanowieniem jednolitego i powszechnie akceptowanego standardu. Rozpowszechnienie
i zasuona popularno nie moga pozosta niezauwaona przez producentów systemów sterowania i nadzoru zwaszcza, i jest to rynek zbytu gwarantujcy niemae zyski. Ethernet jest
uznawany za najbardziej otwarte rodowisko sieciowe na wiecie pozwalajce na daleko idc integracj informatyczn.
3. MIKROKONTROLERY
Od pocztku lat 70. rokrocznie zwiksza si wykorzystanie systemów mikroprocesorowych.
W zespoach obrabiarek i maszyn technologicznych coraz czciej mona spotka
specjalizowane ukady mikroprocesorowe speniajce zadania lokalnych sterowników
logicznych. Ukady te oparte s zazwyczaj o mikroprocesory jednoukadowe (ang. singlechip microcomputer) zwane mikrokontrolerami [Peka, 99]. Termin ten pojawi si
w dostpnych opracowaniach stosunkowo niedawno, bowiem dopiero w pocztku lat
osiemdziesitych. Obecnie oznacza on ukad scalony ze specjalizowanym mikroprocesorem,
speniajcy dwa gówne, kryteria:
o jest zdolny do samodzielnej, autonomicznej pracy – nie wymaga doczania adnych
dodatkowych urzdze (dopuszczalny jest zewntrzny rezonator [generator kwarcowy]
i zasilacz),
o przeznaczony jest do pracy w systemach kontrolno-pomiarowych lub sterujcych co
oznacza konieczno posiadania rozbudowanych moliwoci komunikacji z otoczeniem.
Obecnie na rynku dostpnych jest szereg rozwiza mikrokontrolerów poczwszy od modeli
8 bitowych a skoczywszy na 32-bitowych. Najwiksza dynamika rozwoju obserwowana jest
w zakresie urzdze o najszerszej szynie danych. Jest to zwizane z coraz wikszymi wymogami dotyczcymi danych mocy obliczeniowych i wykorzystywaniem mikrokontrolerów
w coraz bardziej skomplikowanych ukadach [Internet, 02/a]. W mikrokontrolerach wykorzystywanych w procesach sterowania coraz czciej pojawiaj si take nowoczesne rozwiza-
366
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
nia w postaci procesorów sygnaowych DSP (ang. Digital Signal Processor). S to specjalizowane mikroprocesory realizujce bardzo szybkie wykonywanie operacji przetwarzania
(mnoenia i rotacji) danych w postaci wektorów. Procesory sygnaowe s najczciej stosowane do wydajnej obróbki szybkozmiennych sygnaów analogowych.
Ze wzgldu na szerokie moliwoci mikrokontrolery wykorzystywane s do coraz bardziej
odpowiedzialnych zada. Staj si czci wielu urzdze technologicznych. Peni
samodzielne i czsto odpowiedzialne zadania. Wystpuj np. jako regulatory w silnikach
napdowych, moduy komunikacyjne w sterownikach PLC itp. Ze wzgldu na ich autonomi,
jak te i inne specyficzne wasnoci mona traktowa je jak mikrokontrolery wbudowane.
Wyposaenie w zwizany mikrokontroler dowolnego urzdzenia technologicznego lub nawet
tylko jego komponentów jest zabiegiem bardzo efektywnym, podnoszcym funkcjonalno
i zwikszajcym wachlarz jego zastosowa. Czasami nazywane s one wbudowanymi
komputerami sieciowymi (ang. EmNets) [Estrin, 01]. Z punktu widzenia systemu
informatycznego oraz, ogólnie, konsolidacji informatycznej stosowanie tych urzdze jest
korzystne z powodu posiadania przez nie rozbudowanych interfejsów komunikacyjnych.
Pozwalaj one, praktycznie bez koniecznoci wykonywania dodatkowych zabiegów, na pen
integracj z istniejcym systemem informatycznym zakadu. Takie rozwizanie obnia koszty
oraz zwiksza efektywno wykorzystania posiadanych zasobów. Intensywny rozwój i coraz
powszechniejsze stosowanie systemów zwizanych pozwala na wykorzystywanie ich w coraz
szerszym, spektrum urzdze. Takie dziaanie umoliwia szybk integracj informatyczn
wszelkich regulatorów, zadajników, sterowników i innych skadników maszyn i obrabiarek
[Hung, 04].
4. AKWIZYCJA DANYCH
Opisane wczeniej zagadnienie przetwarzania informacji wystpuj take w obszarze
przemysowych systemów wytwarzania. Nieustanne denie do zwikszania wydajnoci
i dokadnoci pracy obrabiarek oraz urzdze technologicznych generuje potrzeb
szczegóowego i precyzyjnego monitorowania warunków, w jakich realizowany jest proces
obróbki oraz stan maszyn. Tylko posiadanie aktualnych danych umoliwia podejmowanie
poprawnych decyzji o wymaganej korekcji parametrów procesu technologicznego.
Oczywistym jest fakt, e najlepszym sposobem uzyskiwania takich danych (np. naprenia,
temperatura, drgania itp.) jest stosowanie odpowiednich czujników lub elementów
pomiarowych
nadzorowanych
przez
systemu
mikroprocesorowy
(stosowanie
zaawansowanych algorytmów przetwarzania). Dla dystrybucji tak gromadzonych danych
idealnym wprost rozwizaniem jest wykorzystanie sieci komputerowej Internet jako
najbardziej rozpowszechnionego medium. Jest ona take coraz czciej wykorzystywana
w zakadach produkcyjnych i na halach maszyn [Samaranayake, 05]. Wydaje si, e
najlepszym rozwizaniem, bdcym jednoczenie optymalnym pod wzgldem rónorakich
wasnoci, wydaje si by wykorzystanie do akwizycji danych systemu opartego
o mikrokontroler wraz z ukadem interfejsu sieciowego w standardzie Ethernet.
5. AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY - URZDZENIE
Opracowano koncepcj autonomicznego moduu pomiarowego moliwego do zastosowania
jak interfejs pomiarowy w rozproszonych systemach akwizycji danych. Starano si posugiwa rozwizaniami i urzdzeniami powszechnie dostpnymi na rynku tak aby zmniejsza
koszty. Takie podejcie wie si take minimalizowaniem problemów technicznych (uru-
automation 2009
367
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
chamianie, bdy itp.) poniewa korzysta si z wielokrotnie wdraanych i szczegóowo zweryfikowanych przez uytkowników systemów sprztowych i narzdzi programowych. Dziki
temu oszczdzany jest czas potrzebny na uruchomienie wasnej aplikacji i zapewniona jej
stabilna i bezawaryjna praca.
Mikroprocesorowym „sercem” moduu pomiarowego jest wykonany w architekturze Harvard
przedstawiciel rodziny AVR firmy ATMEL - ukad ATmega128. Procesory tego producenta
s rozwijane od ponad 10 lat i poza nowoczesn konstrukcj charakteryzuj si bardzo du
Procesor
8088 (XT)
MIPS
1
80286
80486
ATMega 128
Pentium IV
1÷5
12
16
~ 8000
Tab. 1. Porównanie wydajnoci procesorów
moc obliczeniow. Handlowy slogan okrela go jako „16 bitow wydajno przy koszcie
struktury 8 bitowej”. Pozwala to na uruchamianie równie do skomplikowanych programów. Szacunkowe porównanie mocy obliczeniowej w stosunku do starszych (nawet 32 bitowych) procesorów firmy Intel znanych z komputerów klasy IBM PC, jest umieszczone w tab.
1 i wypada bardzo korzystnie dla przyjtego procesora. Kryterium porównawcze stanowi
ilo milionów operacji (instrukcji) jakie moe wykona ALU (jednostka arytmetyczno logiczna) w cigu 1 s. Uwag zwraca bardzo bogate wyposaenie w rónorodne ukady peryferyjne takie jak interfejsy, przetworniki czy liczniki pozwalajce na traktowanie tego mikroprocesora jak kompletnego systemu mikrokontrolerowego mogcego samodzielnie realizowa nie tylko zadania obliczeniowe ale przede wszystkim zadania kontrolne i sterujce.
Szczególnie istotne, z punktu widzenia przygotowywanej aplikacji, jest wystpowanie duej
iloci interfejsów komunikacyjnych umoliwiajcych doczanie rozmaitych ukadów peryferyjnych. Zestawianie rodzajów interfejsów i ich gównych parametrów funkcjonalnych znajduje si w tab. 2.
Nazwa
I2C
1 Wire
RS232
SPI
IrDA
Szybko
100 – 400 kbit/s
16,3 – 142 kbit/s
1,2 - 115,2 kbit/s
12 Mbit/s
1,2 - 115,2 kbit/s
Kocówki
128 - 1024
100
2
4
2
Liczba linii
2
1
2
4
1
Rozpito
400 pF (4 m)
5 - 400 m
15 m
5
0,5 – 1 m
Topologia
linia
Linia, magistrala, gwiazda
linia
Linia, magistrala
linia
Arbitra
x-Master/x-Slave
1-Master/x-Slave
1-Master/1-Slave
1-Master/x-Slave
RC5, RS6, SONY
Tab. 2. Magistrale szeregowe procesora ATMega 128
Podkreli naley, i zgodnie z powszechnie panujc tendencj wbudowane interfejsy pozwalaj wycznie na stosowanie transmisji szeregowej. Jest ona szybsza, atwiejsza
w implementacji, bardziej odporna na zakócenia i nie obcia duej liczby portów procesora. Wszystkie interfejsy s
typu sprztowego1, co równie zmniejsza obcienie procesora zadaniami transmisji danych.
Rys. 1. Pytka ATMega128
Czst praktyk producentów jest wykorzystywanie interfejsów programowych, co z jednej strony znacznie
zmniejsza koszty produkcji ukadu, ale zajmuje porty procesora oraz zmusza uytkownika do instalowania dodatkowych ukadów komplikujc struktur systemu
1.
368
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
Wbudowane przetworniki analogowo/cyfrowe pozwalaj na precyzyjne przetwarzanie wielkoci analogowych – napiciowych. Przy rozdzielczoci pomiaru 10 bitów i zakresie pomiarowym +5 V uzyskiwana dokadno jest na poziomie ± 4,8 mV (przy wykorzystaniu wysokostabilnego róda odniesienia). Maksymalna czstotliwo przetwarzanego sygnau to 20
kHz (lub10 kHz zgodnie z postulatem Shannona-Kotielnikowa). W budowanym systemie
wykorzystano pytk prototypow polskiego producenta firmy Mikrovega z wybudowanym
ukadem omawianego mikroprocesora ATmega128 (rys. 1). Jest to element maogabarytowy
wykorzystujcy zminiaturyzowane ukady wykonany w technologii montau SMD
i przewlekanego. Na pycie, poza procesorem, zosta umieszczony take ukad stabilizatora
dostarczajcego odpowiednie napicie zasilajce (dowolna polaryzacja, zakres napi 7-16 V,
prd stay lub zmienny), specjalizowany ukad sprztowego resetu, konwerter napi interfejsu szeregowego RS-232C i dodatkowa pami Flash o pojemnoci 4 MB. Wszystkie porty
procesora s wyprowadzone w postaci zoconych pinów o standardowym rastrze 2,54 mm.
Modu w stanie fabrycznym jest od razu gotowy do wykorzystania.
6. AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY – UKAD KOMUNIKACJI
SIECIOWEJ
Zgodnie z przyjtymi zaoeniami o deniu do
uzyskania moduowej budowy, jako interfejs sieciowy zastosowano modu NM7010A-LF firmy
Wiznet. Modu stanowi kompletny system sieci
w standardzie Ethernet. Skada si on ze sprztowego stosu protokou TCP/IP (W3100A-LF), interfejsu sprztowego sieci (RTL8201BL) a take odpowiedniego gniazda przyczeniowego (RJ45)
wraz z transformatorem separujcym. Taka konRys. 2. Modu Wiznet 7010A-LF
strukcja pozwala na uniknicie czasochonnego
oprogramowywania warstw sieciowej i umoliwia bardzo efektywne budowanie aplikacji
z wykorzystaniem sieci w standardzie Ethernet. W module zaimplementowane s protokoy
warstwy transportowej TCP, IP Ver.4, UDP, ICMP, ARP oraz protokoy warstwy cza
i fizycznej DLC, MAC. Podczas nawizywania poczenia stosowane s protokoy i metody
autonegocjacji umoliwiajce dobór odpowiedniej szybkoci poczenia i trybu pracy
(10 Mbit/s lub 100 Mbit/s, fullduplex/halfduplex). Jednoczenie moliwe jest obsuenie czterech indywidualnych sesji poczeniowych co jest wynikiem zastosowania niewielkiej pamici podrcznej (SRAM) o pojemnoci 16 KB jako bufora danych. Widok moduu jest zamieszczony na rys. 3. Niekorzystn cech jest wymagane zasilanie moduu Wiznet napiciem staym o wartoci 3,3 V, co powoduje konieczno stosowania dodatkowego stabilizatora – linie
sygnaowe akceptuj jednak tradycyjne poziomy napi TTL. Do poczenia z mikroprocesorem wykorzystywana jest magistrala I2C. Obsugiwane s take szyny procesorów Intel i Motorola. Poza standardowymi liniami interfejsu I2C sucymi do dwukierunkowego przekazywania danych pomidzy mikroprocesorem sterujcym a moduem sieciowym zastosowano
take dodatkow lini do obsugi przerwania sprztowego mikroprocesora. W ten sposób modu sieciowy „zawiadamia” o pojawieniu si gotowych danych do odebrania lub o gotowoci
do wysania, co zdecydowanie przyspiesza obsug interfejsu sieciowego.
automation 2009
369
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
7. AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY - CZUJNIKI
Jako przykad moliwoci obsugi czujników i moduów pomiarowych przez zastosowany
mikroprocesor wybrane zostay popularne i atwo dostpne ukady.
pomiar wilgotnoci – Modu wilgotnoci typu SY-HS-230 (koreaskiego producenta SY
HITECH) przeznaczony jest do pomiaru wilgotnoci wzgldnej w zakresie 10 ÷ 90 %.
Dokadno pomiaru wynosi: ±5 % RH a dopuszczalne temperatury pracy od 0 °C do +60 °C.
Sygnaem wyjciowym jest warto napicia 0,580÷2,870 V zalena od mierzonej
wilgotnoci – moe by wprowadzona bezporednio na wejcie przetwornika analogowocyfrowego. Urzdzenia te charakteryzuj si bardzo du liniowoci charakterystyki, du
czuoci i ma histerez. Najczciej znajduj zastosowanie w nawilaczach oraz
osuszaczach powietrza, systemach klimatyzacji i wentylacji, oczyszczaczach powietrza,
inkubatorach, miernikach wilgotnoci, szklarniach, samochodach itp. Napicia zasilania
wynosi 5 V DC (pobór prdu 3mA) i jest zgodne z napiciem zasilania mikroprocesora, co
upraszcza konstrukcj eliminujc stosowanie dodatkowych róde zasilania i stabilizatorów.
Niewielkie wymiary 18x25x9 mm pozwalaj na do swobodne umieszczanie moduu nawet
w niewielkich przestrzeniach (obudowy zespoów napdowych maszyn, ukady sterowania
itp.).
pomiar cinienia – Modu pomiaru cinienia atmosferycznego typu MPX4115A (firmy
Motorola) naley do bardzo duej rodziny czujników piezorezystywnych z paszczem
silikonowym. Przeznaczony jest do wielu zastosowa z wykorzystaniem pomiaru cinienia
wzgldnego lub bezwzgldnego w zakresie 15 ÷ 115 kPa (2.2 ÷ 16.7 psi). Posiada
wbudowany w swoj struktur ukad formowania sygnau a take pen kompensacj
temperaturow w zakresie od –40 °C do +125 °C. Sygnaem wyjciowym jest napicie
0,350÷4,850 V zalene od mierzonej wartoci cinienia – moe by wprowadzone
bezporednio na wejcie przetwornika analogowo-cyfrowego. Osigana dokadno pomiaru
to 1,5 % w zakresie temperatury od 0 °C do 85 ° C. Czujniki tego typu przeznaczone s do
zastosowania w aplikacjach wymagajcych szybkiego i precyzyjnego pomiaru cinienia
atmosferycznego np. turbosprarki samochodowe, barografy itp. Niewielki pobór prdu
(7 mA) pozwala na prace take w aplikacjach mobilnych.
pomiar temperatury – Elektroniczny termometr typu DS18B20 (firmy Dallas/Maxim)
oferuje pomiar temperatury w zakresie od –55 °C do +125 °C z dokadnoci ±0,5 °C
(w przedziale –od 10 °C do +85 °C). Pomiar odbywa si z wykorzystaniem programowanej
przez uytkownika rozdzielczoci przy sowie o wielkoci od 9 bitów do 12 bitów.
Maksymalny czas przetwarzanie temperatury to 750 ms przy rozdzielczoci 12 bitów.
Uzyskane dane pomiarowe s wystawiane na magistral 1-Wire® i mog by odczytywane
przez nadzorujcy j mikroprocesor. Kady termometr posiada unikalny 64-bitowy kod
identyfikacyjny (niezmienny umieszczony w pamici ROM), co pozwala na stworzenie (przy
wykorzystaniu magistrali 1-Wire®) sieci punktów pomiarów temperatury. Moliwe jest take
zaprogramowanie w wewntrznej strukturze (nieulotna pami NV) punktów alarmowych
(dwuprogowy przedzia temperatury), po przekroczeniu, których nastpuje wysanie
stosownego komunikatu. Zasilanie moe by dostarczane bezporednio z magistrali 1-Wire®
lub z innego zewntrznego róda. Akceptowalny zakres napi to od 3,0 V do 5,5 V.
Urzdzenia te s powszechnie wykorzystywane w aplikacjach zwizanych z monitorowaniem
warunków rodowiska, pomiarami stanu urzdze i instalacji itp.
pomiar napicia – Przy wykorzystaniu wbudowanego w mikroprocesor przetwornika analogowo-cyfrowego przeprowadzany jest pomiar wartoci skutecznej napicia zasilajcego sieci
370
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
energetycznej 230V. Ze wzgldu na dopuszczaln warto mierzonego napicia na wejciu
przetwornika ADC – 5 V, mierzone napicie jest najpierw prostowane w ukadzie mostkowym Greatz’a a nastpnie poddawane podziaowi w rezystancyjnym dzielniku napicia. Odpowiednie przeliczenia s dokonywane w programie sterujcym mikroprocesorem. Realna
dokadno pomiaru, przy wykorzystaniu dzielnika obnia si wic do wartoci ± 0,2 V.
wejcia/wyjcia cyfrowe – Do uzyskiwania informacji o stanie monitorowanego urzdzenia
wykorzystywane s take wejcia cyfrowe mikroprocesora. Wykonane w standardzie TTL
akceptuj sygnay nie przekraczajce wartoci 5 V. Sygnay podawane przez wejcia cyfrowe
maj charakter dwustanowy. Ich ródem mog by dowolne przeczniki, przyciski itp.
a take elementy elektroniczne stanowice komponenty monitorowanej instalacji. Zwarcie
odpowiedniego wejcia do masy ukadu jest traktowane jako logiczne 0. Maksymalna
czstotliwo zmian stanu wejcia wynosi 1,6 MHz. W modelu jako ustawialne wejcie
zostay zastosowane tradycyjne przeczniki dwigniowe (bistabilne) w iloci 2 sztuk. Stan
ich jest sygnalizowany na pycie prototypowej diodami LED w kolorze czerwonym. Jako
ciekawostk mona wymieni, e przy wykorzystaniu dwóch wej cyfrowych procesora
moliwe jest równie doczenie tradycyjnej klawiatury komputerowej – w standardzie AT.
Obsugiwane s dwa rodzaje zcz: standard DIN 5 lub PS2 (DIN6).
Wykonany model, poza zbieraniem danych umoliwia take odbiór dwustanowych sygnaów
sterujcych i bezporednie lub porednie zaczanie lub wyczanie urzdze
technologicznych. Ze wzgldu na niewielkie dopuszczalne obcienie wyj mikroprocesora
(napicie 5 V, prd rzdu kilkunastu miliamperów) konieczny stao si zastosowanie obwodu
poredniczcego odpowiedzialnego za transformowanie sygnau sterujcego. Obwód zosta
zbudowany przy wykorzystaniu scalonego moduu ULN2003. W skad ukadu wchodzi 7
niezalenych bramek pracujcych w ukadzie wzmacniacza prdowego (ukad Darlingtona)
pozwalajcych na zaczanie napi do 30 V i prdzie 500 mA. Przy zastosowaniu innych
rozwiza sprztowych np. przekaniki, styczniki, triaki itp. umoliwione jest sterowanie
znacznie wikszymi mocami i napiciami. W modelu sterowanie to jest wykorzystane do
zapalania reflektora diodowego (12 V, 50 mA).
Jako urzdzenie sygnalizacyjno-informujce zastosowano wywietlacz LCD. Doczony jest
on bezporednio do portu mikrokontrolera przy wykorzystaniu 8 linii. Umoliwia on
wywietlenie czterech linii po 20 znaków alfanumerycznych (maksymalnie kontroler
wywietlacza typu Hitachi umoliwia obsug matrycy 4x40 znaków). Wbudowany generator
znaków pozwala na samodzielne zdefiniowanie 7 dowolnych znaków (raster 5x8 pikseli).
Wywietlacz dysponuje podwietleniem wykonanym przy uyciu diód LED. Moliwe jest
niezalene, programowe sterownie poziomem podwietlenia wywietlacza przy
wykorzystaniu wbudowanego w mikroprocesor generatora PWM. W opracowanym modelu
sterowanie podwietleniem jest realizowane na drodze potencjometrycznej (regulowany
rcznie rezystor obrotowy). Mikrokontroler umoliwia take doczenie i pen obsug
wywietlacza graficznego.
8. AUTONOMICZNY MODU POMIAROWY - OPROGRAMOWANIE
Sporód wielu oferowanych na rynku kompilatorów pozwalajcych na generowanie kodu dla
procesorów AVR wybrany zosta caociowy pakiet Bascom firmy MCS Electronic pracujcy
na standardowym komputerze klasy PC pod kontrol systemów operacyjnych rodziny MS
Windows.. rodowisko programowe, oparte jest na popularnych implementacjach jzyka programowania Basic i umoliwia atwe oraz wydajne programowanie. Wbudowane w struktur
automation 2009
371
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
jzyka gotowe instrukcje i procedury przypieszaj znacznie proces konstruowania oprogramowania zwaszcza z wykorzystaniem rónorakich interfejsów komunikacyjnych. W skad
pakietu wchodzi take wiele narzdzi programowych np. symulator, program komunikacyjny,
konwerter graficzny, analizator, debugger itp. pozwalajcych na wydajne testowanie poprawnoci stworzonego kodu. Nie bez znaczenia jest take fakt udostpniania przez producenta
wielu interesujcych i praktycznych przykadów programów uruchamianych na mikrokontrolerach AVR a take szybkie reagowanie na wprowadzane przez wytwórców procesorów nowoci. Procedury obsugi komunikacji sieciowej zostay napisane z wykorzystaniem biblioteki EasyTCP/IP w wersji 1.0. Naley zauway i podkreli problem doboru waciwego kompilatora, który dokonuje tumaczenia opracowanego algorytmu pomiarowego na jzyk maszynowy bezporednio wykonywany przez mikroprocesor. Jest to za zagadnienie bardzo
istotne albowiem wpyw jakoci generowanego kodu na szybko realizacji poszczególnych
instrukcji jest bardzo duy. Rónica pomidzy kompilatorami waha si w granicach 30–40 %
czego bezporednim skutkiem moe by skrócenie lub wyduenie czasu trwania ptli gównej programu sterujcego [Mohani, 04]. W opracowanym modelu nie wystpoway zagadnienia krytyczne czasowo a stosowana wewntrzna (zaimplementowana w kompilatorze) optymalizacja kodu bya cakowicie wystarczajca.
Podstawowym zadaniem napisanego oprogramowania
sterujcego
jest
dokonywanie
odczytów
z doczonych czujników i zespoów pomiarowych
a take udostpnianie wyników. Jak wspomniano
wczeniej najbardziej rozpowszechnion i najbardziej
elastyczn instalacj sieciow jest Internet. Wanie to
medium zostao przyjte jako forma rozpowszechniania wyników pomiarów. Niewtpliwie najbardziej
znan form publikacji informacji w sieci Internet jest
stosowanie technologii WWW, czyli stron internetowych. Popularnym i chtnie wykorzystywanym standardem tworzenia stron WWW jest hipertekstowy
jzyk znaczników (ang. HyperText Markup Language
- html), który opisuje struktur informacji zawartych
w dokumencie przeznaczonym do publikacji. Zastosowany zosta on równie w opracowanym modelu.
Schemat ideowy realizowanego algorytmu znajduje
si na rys. 3. Mikrokontroler sterujcy pracuje jako
serwer danych, stale nasuchujc na porcie TCP 80
da obsugi nadchodzcych od uytkowników
(komputerów zdalnych). W obecnym wykonaniu
moliwe jest obsuenie tylko jednego poczenia sieciowego na raz. Po uzyskaniu potrzebnych danych
wymagane jest zakoczenie poczenia dla umoliwienia innemu „zainteresowanemu” uzyskania poczenia. Po zmianie oprogramowania sterujcego maksymalna liczba jednoczenie realizowany sesji moe
wynosi 4 co wynika z wielkoci dostpnej pamici
operacyjnej w module Wiznet. Najnowsze rozwizania moduów Ethernetowych oferuj
znacznie wiksz ilo jednoczenie obsugiwanych sesji (8÷16). Pierwsz czynnoci po
372
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
waczeniu zasilania i urucho-mieniu moduu sieciowego jest przeprowadzenie synchronizacji
wewntrznego zegara z wzorco-wym serwerem czasu. Dopiero po poprawnym zakoczeniu
proce-dury ustawiania czasu mikrokontroler jest gotowy do obsugi zada biecych. Dla
zabezpieczenia poufnoci komunikacji oraz prezentowanych danych przed dostpem osób
nieuprawnionych wymuszono konieczno zalogowania si uytkownika. Wymagane jest
podanie nazwy konta i odpowiedniego hasa (konto i haso s przechowywane w pamici mikrokontrolera i nie jest moliwa ich zmiana przez uytkownika). Weryfikacja uytkownika
jest przeprowadzana jednorazowo tylko na pocztku sesji. Aplikacja skada si z jednej strony
rys. 4, na której s podawane wszystkie mierzone wielkoci. Strona zawiera w swoim kodzie
automatyczne ponowienie (odwieenie) swojej zwartoci w interwale 10 s. Oznacza to, i
komputer zdalny samoczynnie ponowi danie skierowane do serwera o wysanie uaktualnionej strony.
W prawej, dolnej czci ekranu
umieszczone s dwa przyciski
pozwalajce
na
wydawanie
polece zwizanych z ustawianiem
wartoci
dwóch
wyj
programowalnych.
Naciskajc
odpowiedni przycisk nastpuje
ustawienie stanu odpowiedniego
wyjcia. W taki przypadku
odpowiedni
komunikat
jest
wysyany
z komputera
uytkownika niezwocznie bez
oczekiwania na upynicie czasu
odwieenia.
Zmiana
stanu
wyjcia
jest
wskazywana
waciwym piktogramem. Dla
oszczdnoci miejsca w pamici
podrcznej
mikrokontrolera
wszystkie
obrazy
i
grafiki
wykorzystywane przy budowie strony s przechowywane na zdalnym komputerze PC
i w odpowiedniej chwili automatycznie pobierane przez komputer uytkownika. Rozwizanie
to zmniejsza efektywn szybko odwieania strony gównej ale pozwala na znaczne „uplastycznienie” prezentowanych danych. W docelowej aplikacji korzysta mona z bardzo
uproszczonej formy graficznej lub wrcz j pomin. Na wywietlaczu LCD bezporednio
doczonym do mikrokontrolera podawane s informacj dotyczce aktualnego czasu (UTC),
iloci dokonanych odwiee strony (licznik powtórze) a take o aktualnie wykorzystywanym do komunikacji porcie TCP po stronie zdalnego uytkownika. Cakowity program ródowy skada si z 784 linii, przy czym 223 linie stanowi kod strony internetowej w jzyku
html. Skompilowany i skonsolidowany program ma objto prawie 30 KB i zajmuje ok.
23 % dostpnej w mikrokontrolerze pamici flash.
automation 2009
373
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
9. PODSUMOWANIE
W wyniku przeprowadzonych prac
badawczych opracowano koncepcj autonomicznego moduu pomiarowego w oparciu o mikrokontroler wyposaony w zestaw
czujników i ethernetowy modu
komunikacyjny (rys. 5). Sprawdzono w warunkach laboratoryjnych poprawno pracy wybranych komponentów sprztowych
i programowych. Napisana aplikacja pracuje stabilnie i moe by
stosunkowo atwo rozbudowywana. Podkreli naley, e uzyskane wyniki maj zdecydowanie
charakter
rozpoznawczoprzygotowawczy. Na podstawie
poczynionych obserwacji i przemyle mona sformuowa korzystne cechy zaproponowanego rozwizania:
o moliwo implementowania bardzo zoonych i skomplikowanych algorytmów,
o atwa i wydajna zmiana lub modyfikacja realizowanego algorytmu,
o umoliwianie bardzo efektywnej diagnostyki i raportowania,
o prosta wymiana danych z systemami nadrzdnymi,
o zwarta struktura.
Prototyp autonomicznego moduu pomiarowego jest dostpny pod adresem:
http://docent.cim.pw.edu.pl Wymagana nazwa uytkownika oraz haso to akronim (w jzyku
angielskim) komputerowo zintegrowanego wytwarzania pisany maymi literami.
LITERATURA:
[Estrin, 01] D. Estrin, G. Borriello, R. Colwell, J. Fiddler, M. Horowitz, W. Kaiser, N. Leveson,
B. Liskov, P. Lucas, D. Maher, P. Mankiewich, R. Taylor, and J. W. (eds.).
Embedded, Everywhere, A Research Agenda for Networked Systems of Embedded
Computers. Computer Science and Telecommunications Board, National Academies
Press, 2001.
http://www.nap.edu/html/embedded_everywhere/ch1.html
[ Hung, 04] Min-Hsiung Hung, Johnny Tsai, Fa-Tien Cheng, Haw-Ching yang,
“Development of an Ethernet-based equipment integration framework for factory
automation”, Elsevier, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 20 (2004),
369-383
[Internet, 02/a] Internetowa skadnica wiedzy, „Microperipheral market trends” Serwer:
http://smithsonianchips.si.edu/ice/cd/MICRO97/SEC04.PDF
374
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
[Marco, 96] Tom deMarco, “Measuring and Managing Performance in Organizations”,
http://www.systemsguild.com/GuildSite/DandL/AustinForeword.html
[Mielczanek, 93] Mielczarek W., „Szeregowe interfejsy cyfrowe”, Wydawnictwo Helion,
Gliwice 1993 r., str. 3
[Mohani, 04] Sibin Mohani, Frank Mueller, David Whalley, Christopher Healy, “Timing
Analysis for Sensor Network Nodes of the Atmega Processor Family” ,
Dept. of Computer Science, Center for Embedded Systems Research,
http://moss.csc.ncsu.edu/~mueller/ftp/pub/mueller/papers/rtas05mica.pdf
[Peka, 99] Peka R., “Mikrokontrolery – architektura, programowanie, zastosowania”,
Wydawnictwo Komunikacji i cznoci Warszawa 1999
[Samaranayake, 05] Lilantha Samaranayake, Mats Leksell, Thilakasiri Vijayananda, Sanach
Alahakoon, „Ethernet ready Sensor Acutator Module for Distributed Control
Applications”,
EUROCON
2005
Serbia
&
Montenegro,
Belgrade,
November 22-24, 2005]
[Tanenbaum, 97] Tanenbauym Andrew, “Rozproszone systemy operacyjne”, Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 1997 r. (“Distributed operating systems”, Prentice-Hall
international, Inc., 1995)
[Thompson, 04] Haydn A. Thompson, “Wireless and Internet communications technologies
for monitoring and control”, Elsevier, Control engineering practice 12 (2004),
781-791
automation 2009
375

Podobne dokumenty