Forschungsergebnisse: UART/TP-Bus. ein maßschneiderbares Feldbussystem zur Vernetzung von Microcontrollern. Computer Networks Group

Transkript

1 Forschungsergebnisse: Der UART/TP-Bus ein maßschneiderbares Feldbussystem zur Vernetzung von Microcontrollern Computer Networks Group Dipl.-Inform. J. Thees Fachbereich Informatik Universität Kaiserslautern URL: Übersicht Der UART/TP-Bus 1 ist ein neuartiges Feldbussystem, das speziell zur kostengünstigen Vernetzung von Microcontrollern in verteilten Anwendungen mit geringen Bandbreitenanforderungen entwickelt wurde. Als Busschnittstelle wird dabei die in praktisch allen Microcontrollern integrierte UART-Schnittstelle 2 eingesetzt, die über einen einfachen (z.b. diskret aufgebauten) die Ankopplung an einen Eindraht-Bus ermöglicht. Die Ankopplung erfolgt dabei vollkommen symmetrisch, so dass kein dedizierter Master- erforderlich ist und somit der Ausfall einzelner die Kommunikation zwischen den übrigen nicht dauerhaft beeinträchtigt. Microcontroller UART/TP UART Controller-Board UART/TP-Bus Abbildung 1: Ankopplung eines Controllers an den UART/TP-Bus 1. Universal Asynchronous Receiver Transmitter / Token Passing 2. Eine UART-Schnittstelle ermöglicht die serielle, asynchrone und bidirektionale Übertragung von Bytes. Sie ist in den meisten Microcontrollern bereits als Hardwarekomponente enthalten und stellt u.a. die Grundlage für die an vielen Geräten (u.a. PCs) vorzufindende -Schnittstelle dar.

2 Die Grundidee des UART/TP-Bus besteht darin, die Sende- und Empfangsschnittstellen der UARTs aller vernetzten Microcontroller über einen einfachen derart auf einen Eindraht-Bus zu schalten, dass jedes Byte, das von einem der Controller verschickt wird, von allen am Bus angeschlossenen Controllern (einschließlich dem Sendenden) empfangen wird (siehe Abbildung 1). Kombiniert wird dieser Hardware-realisierte Byte-Broadcast mit einem darauf aufbauenden, Software-gesteuerten Busvergabemechanismus, dem Token-Passing (vergl. IEEE 802.4). Dabei wird die Sendeberechtigung in Form einer speziellen Nachricht (Token) über den Bus zwischen den beteiligten Stationen ausgetauscht. Nur die Station, die gerade das Token besitzt, darf sendend auf den Bus zugreifen. Hat der Token-Besitzer nichts mehr zu senden, so gibt er das Token an die nächste Station weiter. So kann umläufig jede Station regelmäßig sendend auf den Bus zugreifen. Das Busmanagement erfolgt dabei verteilt, so dass beim Ausfall eines s nach einer kurzen Reinitialisierung die am Bus verbliebenen Komponenten im vollen Umfang weiter kommunizieren können. Wird im Gegenzug ein dem Bus hinzugefügt oder ein ausgefallener reaktiviert, so integriert sich dieser wieder selbsttätig in den logischen Ring der aktiven Komponenten. 2 Eigenschaften des UART/TP-Bus Die Vorteile des UART/TP-Bus sind: Kostenoptimierung und Unabhängigkeit bei der Auswahl der Microcontroller. Die eingesetzten Microcontroller müssen als Hardwarevoraussetzung lediglich eine UART- Schnittstelle besitzen. Damit sind praktisch alle Microcontroller ohne nennswerte externe Zusatzhardware ankoppelbar. So werden zur Busankopplung an den Microcontroller keine externen Adress- und Datenbusse oder zusätzliche I/O-Leitungen benötigt. Maßgeschneiderte und kostenoptimierte Busankopplung und Busverkabelung. Die Busankopplung und Busverkabelung kann präzise und kostenoptimal auf die Anforderungen der Anwendung (Störfestigkeit, Buslänge, Energieverbrauch) maßgeschneidert werden. Im einfachsten Fall genügt ein Eindraht-Bus, der über eine einfache, diskret aufgebaute -Schaltung (2 Transistoren) an den Bus angeschlossen wird. Diese Lösung erlaubt bereits den Anschluss von z.b. 30 Geräten über einen Bus von 30 m Länge bei einer nutzbaren Übertragungsbandbreite von 12 kbit/s. Durch den Einsatz von aufwendigeren Techniken wie Twisted-Pair-Kabeln und differentieller Signalkodierung können Störfestigkeit, Reichweite und Bandbreite weiter erhöht werden. Unabhängig davon können Bussegmente auch über Router oder Repeater verbunden werden. Kostengünstige Ankopplung von PCs unter verschiedenen Betriebssystemen. Geräte mit einer RS-232-Schnittstelle wie z.b. Standard-PCs können an den UART/TP-Bus direkt über einen einfachen passiven zur Pegelwandlung (der PC selbst wird dann zum Busknoten, siehe Abbildung 2) oder über einen Microcontroller (als Bridge oder Router zum PC) angeschlossen werden. Die Anbindung an eine Software-Applikation auf dem PC kann in beiden Fällen unter verschiedenen Betriebssystemen (z.b. QNX, Linux oder Windows 9x/NT/2000) ohne spezielle Treiber über eine weitgehend systemunabhängige Protokollbibliothek erfolgen. Computer Networks Group, University of Kaiserslautern 2

3 Maßgeschneiderte Eigenschaften des Datenübertragungsdienstes. Der für die jeweiligen Anwendungen auf den Microcontrollern (bzw. den angekoppelten PCs) bereitstehende Kommunikationsdienst kann sehr flexibel den Kommunikationsanforderungen der Anwendung angepasst werden. Zu den Implementierungsparametern gehören die Bitübertragungsrate, die maximale Nutzdatenmenge pro Nachricht, optionale Nachrichtenprioritäten, Puffergrößen, Umfang der Prüfsummen, optionale Beschränkung der Bandbreite oder Tokenhaltezeit pro, etc. Durch geeignete Wahl der Parameter lässt sich auch die Einhaltung von applikationsspezifischen Echtzeiteigenschaften (z.b. max. Verzögerung oder garantierter Durchsatz) sicherstellen. UART/TP UART PC PC-Interface (passiv) UART/TP-Bus Abbildung 2: Passive Ankopplung eines PCs an den UART/TP-Bus 3 Prototyprealisierung des UART/TP-Bus Im Rahmen einer Fallstudie im Bereich Gebäudeautomation wurde eine vollständige Prototypimplementierung des UART/TP-Busses entwickelt. Dabei wurden an mehreren UART/TP- Bussen jeweils mehrere Microcontroller-basierte (als Sensoren und Aktuatoren des Automationssystems) und eine aktive PC-Schnittstelle (als Router- zu einem raumübergreifenden CAN-Bus) angekoppelt. Das Gesamtsystem diente zur Steuerung verschiedener Komponenten in einem 1:10-Modell eines Gebäudeausschnitts (siehe Abbildung 3). Die Eckdaten des realisierten Systems sind: Signalcodierung: Bus-Verkabelung: Bus-: Bitcodierung: Open-Collector TTL-kompatibel (5V); Byteübertragung: asynchron 8N1 bei Bit/s. 3-adriges Kabel (Masse, 9 V Stromversorgung, Bus-Datenleitung; siehe Abbildung 4), Bus-Gesamtlänge je nach Aufbau über 10 m; Stromversorgung aus jeweils einem Steckernetzteil pro Bus. Platine mit Microcontroller (zzgl. Quartz und Power-On-Reset- Schaltung), Spannungsregler für Stromversorgung (5,0 V), seriellem EEPROM (I2C-Schnittstelle, für Parameterdaten) und diskret realisiertem UART/TP-; Steckverbinder zu applikationsspezifischen Schnittstellen auf separater Platine; 2 LEDs zur Anzeige von Stromversorgung und Sende-Aktivität. Computer Networks Group, University of Kaiserslautern 3

4 CAN-Bus UART-Bus 1 UART-Bus 2 Router Rollo Lichtgruppe Sensor Router Bewegungssensor Aktuator UART-Bus 3 Abbildung 3: Struktur des Gebäudemodells in der Fallstudie Anwendungen der Bus-: elektronischer Lichtdimmer, Bewegungssensor, Taster, elektromechanische Rollosteuerung, Benutzer-Control-Panel mit Menüsystem auf 2*16 Zeichen LCD-Display, aktives PC-Interface. PC-Interface: PC-Ankopplung über und aktives PC-Interface (als Bus- ) PC-Software-Schnittstelle (Linux): C-Bibliothek, greift mit 2 Threads auf serielle Schnittstelle als Unix-Device zu, bietet der Applikation gepufferte Send- und Receive-Funtionen. Bus- (Senderichtung): nicht-invertierender Verstärker mit Open-Collector Ausgang, diskret aufgebaut aus 2 Transistoren (BC547B) und 2 Widerständen. µc µc µc..... Abbildung 4: Bus-Verkabelung in der Fallstudie Data +9V GND Bus- (Empfangsrichtung): optionale Überspannungs- und Verpolungs-Schutzschaltung mit einem Widerstand und einer Zener-Diode. Microcontroller: Benötigte Codegröße: Atmel 89C52 Flash-Microcontroller mit internem Code- (8kByte) und Datenspeicher (256 Byte). Code-Image (BS-Kernel, Bibliotheken und Applikationsteil) ca Byte (Codierung in C, Open-Source C-Compiler SDCC). Computer Networks Group, University of Kaiserslautern 4

5 Datenrahmen-Format: 2 Byte Header (incl. 11-Bit anwendungsdefinierter Nachrichten-Typ- ID und Längenfeld), 0-15 Byte Nutzdaten, 2 Byte Prüfsumme (siehe Abbildung 5) Header Data ChkSum 2 Byte Byte 2 Byte Abbildung 5: Datenrahmenformat in der Fallstudie Token-Format: 1-Byte-Token, mit 6-Bit adresse Datenübertragungsrate: 15,3 kb/s (1920 Byte/s) brutto, 12,1 kb/s (1515 Byte/s) netto max. Tokenumlaufzeit: ca. 0,5 ms pro am Bus (min.), obere Grenze konfigurierbar Bereitgestellter Dienst: Broadcast/Multicast von Nachrichten mit 0-15 Byte Nutzlast und 11- Bit anwendungsdefinierter Nachrichten-Typ-ID (vergl. CAN), Mindest- und Höchstbandbreite konfigurierbar, Nachrichtenprioritäten optional Das im Rahmen der Fallstudie erstellte Gebäudemodell mit integriertem UART/TP-basiertem Automationssystem wird Anfang 2001 auf den folgenden Messen präsentiert: Embedded Systems ( in Nürnberg), Halle 11, Stand Telelogic CeBit ( in Hannover), Halle 14, Stand J44/1 (Telelogic) 4 Zusammenfassung Der UART/TP-Bus bietet aufgrund seiner kostengünstigen Implementierbarkeit, seiner Unabhängigkeit von spezifischer (Microcontroller-) Hardware, und seinen maßschneiderbaren Übertragungseigenschaften eine ideale Plattform zur kostengünstigen Vernetzung von Microcontrollern in verteilten Anwendungen mit geringen Bandbreitenanforderungen. Besonders hervorzuheben ist auch die einfache und weitgehend betriebssystemunabhängige Anbindung von PCs oder anderen Geräten über eine -Schnittstelle. Dies bietet z.b. eine besonders günstige Möglichkeit zur zeitweisen oder dauerhaften Ankopplung von Diagnose-, Parametrierungs- oder Überwachungs-PCs direkt an den Microcontroller-Bus. Computer Networks Group, University of Kaiserslautern 5