Entwicklung und Programmierung einer Multifunktions-Adapterplatine für ein mbed-mikrocontrollermodul

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1 Master-Verteidigung zum Thema: Entwicklung und Programmierung einer Multifunktions-Adapterplatine für ein mbed-mikrocontrollermodul Vorgelegt Vorgelegt dem dem Institut Institut für für Automatisierungstechnik Automatisierungstechnik der der Universität Universität Rostock Rostock Bearbeiter: Bearbeiter: cand. cand. M.Sc. M.Sc. Maik Maik Gotzmann Gotzmann Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

2 Inhalt Einleitung Hardwarekonzept und Realisierung Softwarekonzept und Implementierung Konfiguration durch den Webserver Funktionsprüfung Zusammenfassung und Ausblick Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 2

3 Inhalt Einleitung Hardwarekonzept und Realisierung Softwarekonzept und Implementierung Konfiguration durch den Webserver Funktionsprüfung Zusammenfassung und Ausblick Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 3

4 Motivation / Ziel Vielzahl von Sensoren verwenden unterschiedlichste Schnittstellentypen Konstruktion der Multifunktions-Adapterplatine als universellen Schnittstellenwandler Bündelung empfangener Daten und Übertragung über ein zentrales Medium MCU Interface Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 4

5 Inhalt Einleitung Hardwarekonzept und Realisierung Softwarekonzept und Implementierung Konfiguration durch den Webserver Funktionsprüfung Zusammenfassung und Ausblick Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 5

6 Basis: mbed-mikrocontroller-modul Technische Daten: MCU NXP LPC1768 (ARM-Cortex M3) 96 MHz Taktfrequenz 64 KByte RAM 512 KByte Flash 40-PIN DIP Bauform Integrierte Schnittstellen: mbed-mikrocontrollermodul Quelle: Ethernet inklusive Ethernet-PHY 3x Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) 2x Controller Area Network (CAN) Universal Serial Bus (USB) 2x Serial Peripheral Interface (SPI) 2x Inter-Integrated Circuit (I 2 C) Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 6

7 Konzept/Realisierung des Base-Boards USB CAN Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 7

8 Galvanische Trennung V DD ISO GND ISO DC/DC Converter GND V DD Isolation Barrier Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 8

9 Konzept der Breakout-Boards Generischer Aufbau: Abmessungen: 35,56mm x 35,56 mm Elektrischer Kontakt: 9-polige Stiftleiste Spannungsversorgung: - Primär: +5V - Sekundär: +3,3V 4 bzw. 5 Datenkontakte GND + 5 V DATA DATA DATA DATA NC (BS 2/4), RESET (BS 1/3) GND + 3,3 V 35,56 mm Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 9

10 Realisierung der Breakout-Boards Breakout-Board RS-232: Full-Duplex Datenübertragungsrate: 250 kbit/s Breakout-Board RS-422: Full-Duplex Multidrop Datenübertragungsrate: max. 12 MBit/s Breakout-Board RS-485: Half-Duplex Multipoint Datenübertragungsrate: max. 12 MBit/s IC1 C5 R4 IC4 R3 C8 R6 R7 L1 C2 IC3 C3 IC2 LED1 Breakout-Board EEPROM: 32 kbyte ROM Exklusiver Einsatz auf Breakout-Socket 1 JP1 R2 CON1 R Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 10

11 Inhalt Einleitung Hardwarekonzept und Realisierung Softwarekonzept und Implementierung Konfiguration durch den Webserver Funktionsprüfung Zusammenfassung und Ausblick Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 11

12 Softwaremodell Programmierung in C mit Hilfe der IDE LPCExpresso Programmablauf innerhalb der Main-Control-Loop Webserver FIFO FIFO- Modul Konfigurations- Modul uip- Stack Service- Modul uip Emac Treiber / Interrupts Hardware: LPC Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 12

13 Aufbau der UDP-Datennutzlast 16 Bit Data Length Counter 16 Bit Package Counter ID: ADC Length: 2 Bytes One Sample ID: CAN Length: 10 Bytes CAN Message ID and Message FIFO Overflow Error on ID: BS2 ID: BS2 Length: 255 Bytes BS2: max 255 Bytes Data Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 13

14 Inhalt Einleitung Hardwarekonzept und Realisierung Softwarekonzept und Implementierung Konfiguration durch den Webserver Funktionsprüfung Zusammenfassung und Ausblick Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 14

15 Aufruf des Webservers TCP/IP basierende Applikation Statische und dynamische HTML-Seiten im Quelltext enthalten Aufruf der Startseite durch IPv4-Adresse der Multifunktions-Adapterplatine statische Startseite Konfiguration Laden/Speichern Kontrolle ADC Konfiguration der Breakout Sockets 1-4 Konfiguration CAN Konfiguration Ethernet Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 15

16 Konfiguration einer UART-Schnittstelle Hardwarekonfiguration Softwarekonfiguration Änderung der Hardwarekonfiguration nach Re-Initialisierung Änderung der Softwarekonfiguration erfolgt unmittelbar Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 16

17 Inhalt Einleitung Hardwarekonzept und Realisierung Softwarekonzept und Implementierung Konfiguration durch den Webserver Funktionsprüfung Zusammenfassung und Ausblick Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 17

18 Funktionsprüfung durch PERL-Script Test der Gesamtfunktionalität PERL-Script zum Empfang der UDP-Pakete Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 18

19 Langzeittest durch Schiffssimulator Eingang: 3x RS-232 mit 4 800/ Bit/s Empfänger: PC/104 mit xpc- Target-Applikation Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 19

20 Inhalt Einleitung Hardwarekonzept und Realisierung Softwarekonzept und Implementierung Konfiguration durch den Webserver Funktionsprüfung Zusammenfassung und Ausblick Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 20

21 Zusammenfassung Schaffung eines universalen Schnittstellenwandlers Zusammenfassen unterschiedlicher Schnittstellenstandards Modularer Aufbau durch Breakout-Boards Flexible Konfiguration der Schnittstellenparameter Benutzerfreundliche Konfiguration durch GUI Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 21

22 Ausblick Platzierung des EEPROM-Speichers auf dem Base-Board Bidirektionaler Datenfluss bildet Tunnel-System Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Für weitere Fragen stehe ich Ihnen nun zur Verfügung! Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

24 Motivation Vielzahl von Sensoren verwenden unterschiedlichste Schnittstellentypen CPU Zusammenfassung des physikalischen Übertragungsmediums nicht möglich Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

25 PoE-Verfahren V IN = V DC Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

26 PoE-Verfahren 1. Erkennen der Polarität 2. Signaturerkennung 3. Klassifizierung 4. Einspeisung der Gleichspannung durch PSE Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

27 RS-422 Multidrop RXD RXD R R 100R 100R RXD RXD R R Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

28 RS-485 Multipoint Transceiver A A Transceiver TXD D 120R R T 120R R T R RXD B Transceiver Receiver B RXD R D TXD TXD RXD RXD D R R Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

29 120R CAN Daisy-Chain Bustopologie 120R D D R CAN Transceiver R TXD RXD CAN Transceiver RXD TXD Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

30 Konfigurationsbefehl Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

31 EEPROM-Modul Autoerkennung BB1_Flash_Init() 8 Bit Wort senden Antwort vom Slave erhalten? Ja Signaturbytes lesen Nein return 0 (EEPROM invalid) Return 0: De-Initialisierung BS1 Initialisierung mit Standardkonfiguration Return 1: Laden der Konfigurationsparameter Entsprechen Signaturbytes =5577AACCh Ja Nein Signaturbytes schreiben Signaturbytes lesen Entsprechen Signaturbytes =5577AACCh Nein Return 2: BS1 bleibt initialisiert Initialisierung mit Standardkonfiguration Ja return 1 (EEPROM valid) return 2 (EEPROM valid but empty) return 0 (EEPROM invalid) Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

32 Konfiguration der Netzwerkeinstellungen Empfänger identifiziert durch IPv4-Adresse und Port-Nr. Änderungen wirken sich unmittelbar aus Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 19

33 Konfiguration der Netzwerkeinstellungen Wahlweise mit sofortiger Übernahme Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik 18

34 mbed-mikrocontrollermodul PIN PIN SPI UART oder I 2 C UART oder SPI Internal ADC GND +5 V MOSI MISO SCLK CS TX RX MOSI MISO SCLK CS ADC 0 ADC 1 ADC 2 ADC 3 ADC 4 ADC 5 SDA SCL TX RX MCU NXP LPC1768 LED1 LED2 LED3 LED4 mbed SDA SCL RD- RD+ TD- TD+ D- D+ RD TD TX RX PWM 1 PWM 2 PWM 3 PWM 4 PWM 5 PWM 6 Ethernet CAN USB UART oder I 2 C PWM Out Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

35 Dynamik in HTML-Seiten Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

36 CAN-Akzeptanzfilter 32 Bit Filter RAM Cell CAN Controller = 2 Filter Enabled Standard Message ID 1 CAN Controller = 2 Filter Disabled Standard Message ID 2 MSB LSB Bit Explicit standard frame format identifier section (11-bit CAN ID) Filter Entry 1 & 2 Filter Entry 7 & X X X X RAM address: 00h RAM address: 0Ch Group of standard frame format identifier section (11-bit CAN ID) Filter Entry 1 Filter Entry X Start Message ID X X Start Message ID X End Message ID End Message ID RAM address: 10h RAM address: 1Ch Explicit extended frame format identifier section (29-bit CAN ID) Filter Entry 1 Filter Entry x<= Extended Message ID Extended Message ID x RAM address: 20h RAM address: max. 3Ch Group of extended frame format identifier section (29-bit CAN ID) Filter Entry 1 Filter Entry 1 Filter Entry y<= Start Extended Message ID End Extended Message ID RAM address: max. 40h RAM address: max. 44h Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik