Lego 4 LavA. Entwicklung einer Lego Mindstorms Experimentierplattform für FPGA-basierte, konfigurierbare Multiprozessorsysteme

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1 Lego 4 LavA Entwicklung einer Lego Mindstorms Experimentierplattform für FPGA-basierte, konfigurierbare Multiprozessorsysteme Nico Stute Bachelorarbeit Abschlussvortrag Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund nico.stute@udo.edu 26. September 2011 Lego 4 LavA 1

2 Inhalt Ziele der Arbeit Anforderungen Sensorinterface Aktorinterface Errata Prototyp Demo Lego 4 LavA 2

3 Inhalt Lego 4 LavA 3

4 Inhalt Lego 4 LavA 3

5 Ziele der Arbeit Implementierung eines konfigurierbaren Sensor/Aktor-Interfaces in VHDL Einbindung des Interfaces in LavA Entwicklung der Hardware um Lego Sensoren/Aktoren anzusteuern Schreiben einer Steuerbibliothek (C/C++) Bau eines Lego-Demonstrators zur Evaluierung Lego 4 LavA 4

6 Anforderungen LEGO I 2 C-Interface Analogeingang H-Brücke Quadratureingang Lego 4 LavA 5

7 Anforderungen LEGO I 2 C-Interface Analogeingang H-Brücke Quadratureingang LavA Wishbone-Interface C-Bibliothek Lego 4 LavA 5

8 Sensorinterface Programm ReadSensor() I2CWrite() Write() WBWrite() I2CRead() Read() WBRead() Software WB-Adapter Taktteiler VHDL I 2 C-Modul AD 9V 4,3V Hardware Sensor Lego 4 LavA 6

9 Sensorinterface - Hardware value=5v value=5v value=5v PCF8591 5V GND 27 Vss 82K C 82K 100nF Vss 16 VDD 15 AOUT 14 VREF 13 AGND 12 EXT 11 OSC 10 SCL 9 SDA AIN0 1 2 AIN1 3 AIN2 4 AIN3 5 A0 6 A1 7 A2 VSS 8 AIN AIN SCL B BC547C FPGA SDAO E B C BC547C value=9v value=5v Vss 1K E SDAI 10K 39 10K 10K Vss 9V B C BC547C 10K C E AIN / 9V B BC547C GND E Vss GND Vss value=5v 5V SCL Sensor SDA / AIN TITLE FILE: REVISION: Lego 4 LavA PAGE OF DRAWN BY: 7

10 4.1 Entwurf und Implementierung Sensorinterface - VHDL Stoppbedingung (stop), Byte lesen (read), Byte schreiben (write), Bestätigung lesen (readack), Bestätigung schreiben (writeack)). Die Zustände read und write werden jeweils achtmal in Folge wiederholt, um ein komplettes Byte zu verarbeiten. Die Unterzustände teilen eine Taktperiode in vier gleiche Zeitschritte ein (low (l), steigende Flanke scl (re), high (h), fallende Flanke (fe)). sda start addr rw ack data ack stop init l l l read re h write re h stop re h fe fe fe l l l writeack re h readack re h start re h fe fe fe end Abbildung 4.2: Zustandsautomat de I 2 C-Moduls when write => case substate is when l => Lego 4 LavA 8

11 Sensorinterface - Software unsigned char read LEGO ( unsigned char c, v o l a t i l e i n t addr ){ unsigned char i ; I 2 C s t a r t ( addr ) ; I 2 C w r i t e (LEGO, addr ) ; I 2 C w r i t e ( c + 0 x42, addr ) ; I 2 C s t o p ( addr ) ; I 2 C s t a r t ( addr ) ; I 2 C w r i t e (LEGO READ, addr ) ; i = I 2 C r e a d ( 0, addr ) ; I 2 C s t o p ( addr ) ; r e t u r n ( i ) ; } unsigned char r e a d s e n s o r ( unsigned char type, unsigned char c, v o l a t i l e i n t addr ){ i f ( t y p e == LEGO){ r e t u r n ( read LEGO ( c, addr ) ) ; } r e t u r n ( read PCF ( c, addr ) ) ; } Lego 4 LavA 9

12 Aktorinterface Programm SetPwm() Write() WBWrite() ReadQuad() Read() WBRead() Software WB-Adapter Taktteiler VHDL PWM-Modul Quad-Modul 9V 4,3V Hardware Aktor Lego 4 LavA 10

13 8 4 9 Aktorinterface - Hardware 9V 5V 5V 5V L298 MW15 Vs (power) Vss (logic) U? 5V 5V FPGA GND PWM1 PWM2 1K Vdd 6 Enable A 5 Input 1 7 Input 2 Enable B 11 Input 3 10 Input 4 12 Vdd 1K GND PWM1 PWM2 FPGA A 1K 1K A B B Aktor M1 M2 5V GND 5V 3 Output 2 2 Output 1 1 Sense A Output 4 14 Output 3 13 Sense B 15 5V M1 M2 5V GND Aktor B Vdd GND Vdd B A A Vdd TITLE FILE: REVISION: Lego 4 LavA 11 PAGE OF DRAWN BY:

14 Aktorinterface - VHDL PWM 8 Bit Bremsen, Links-, Recht-, Freilauf Quadratur 16 Bit Reset bei Lesezugriff Fehlererkennung WB-Adapter Taktteiler PWM-Modul Quad-Modul Lego 4 LavA 12

15 Aktorinterface - Software v o i d s e t s p e e d ( i n t speed, s t r u c t MOTOR motor ){ i f ( speed < 0){ set PWM (REV, ( unsigned char ) speed, motor ) ; } e l s e { set PWM (FWD, ( unsigned char ) speed, motor ) ; } } i n t read QUAD ( s t r u c t MOTOR motor ){ i n t r e s u l t = r e a d ( motor. addr ) & 0x0000FFFF ; i f ( r e s u l t > 32768){ r e s u l t = r e s u l t 65536; } r e t u r n ( r e s u l t ) ; } Lego 4 LavA 13

16 Errata Firmewarebug im Ultraschallsensor Lego 4 LavA 14

17 Errata Firmewarebug im Ultraschallsensor Reverse Engineering der Firmware Lego 4 LavA 14

18 Errata Firmewarebug im Ultraschallsensor Reverse Engineering der Firmware 8 Bit AD-Wandler Lego 4 LavA 14

19 Errata Firmewarebug im Ultraschallsensor Reverse Engineering der Firmware 8 Bit AD-Wandler MAX127 (8 x 12 Bit) ADS7828 (8 x 12 Bit) Helligkeitssensor 1.0 blockiert den I 2 C-Bus Lego 4 LavA 14

20 Errata Firmewarebug im Ultraschallsensor Reverse Engineering der Firmware 8 Bit AD-Wandler MAX127 (8 x 12 Bit) ADS7828 (8 x 12 Bit) Helligkeitssensor 1.0 blockiert den I 2 C-Bus Farbsensor 2.0 verwendet anderes Interface Lego 4 LavA 14

21 Errata Firmewarebug im Ultraschallsensor 5V Reverse Engineering der Firmware GND Vss C 8 Bit AD-Wandler B BC547C SCL MAX127 (8 x 12 Bit) E C B BC547C ADS7828 SDAO (8 x 12 Bit) E 1K Helligkeitssensor SDAI 1.0 blockiert den I 2 Vss C-Bus 9V Farbsensor 2.0 verwendet anderes Interface Jumper zum Trennen des I 2 C-Busses SDA an AD-Wandler FPGA 27 value=5v 82K value=5v 82K 100nF Vss value=5v B K VDD AOUT VREF AGND EXT OSC SCL SDA C E Vss value=9v B 39 C E PCF K BC547C AIN0 1 AIN1 AIN2 AIN3 A0 A1 A VSS 8 BC547C value=5v Vss 10K 10K Vss value=5v AIN AIN AIN / 9V GND GND 5V SCL SDA / AIN Sensor TITLE FILE: REVISION: PAGE OF DRAWN BY: Lego 4 LavA 14

22 Prototyp Digilent Nexys 2 Spartan 3E NXT Motoren mit Quadraturencoder Gyroskop und Beschleunigungssensor von HiTechnic Lego 4 LavA 15

23 Prototyp IPC IPC IPC WB UART WB Timer WB Timer Timer Outport Outport MBlite MBlite MBlite I 2 C PWM PWM Aktor Aktor Sensor Sensor Lego 4 LavA 16

24 Prototyp IPC IPC IPC WB UART WB Timer WB Timer Timer Outport Outport MBlite MBlite MBlite I 2 C PWM PWM Aktor Aktor Sensor Sensor Timer IO IO WB PWM Aktor ZPU PWM I 2 C Sensor Aktor Sensor Lego 4 LavA 16

25 Prototyp 8 Bit AD-Wandler Lego 4 LavA 17

26 Prototyp 8 Bit AD-Wandler Beschleunigungssensor Lego 4 LavA 17

27 Prototyp 8 Bit AD-Wandler Beschleunigungssensor - Rauschen - Rückkopplung Lego 4 LavA 17

28 Prototyp 8 Bit AD-Wandler Beschleunigungssensor - Rauschen - Rückkopplung Massenträgheit und Spiel der Motoren Lego 4 LavA 17

29 Prototyp 8 Bit AD-Wandler Beschleunigungssensor - Rauschen - Rückkopplung Massenträgheit und Spiel der Motoren geschachtelter PID-Regler Lego 4 LavA 17

30 Prototyp 8 Bit AD-Wandler Beschleunigungssensor - Rauschen - Rückkopplung Massenträgheit und Spiel der Motoren geschachtelter PID-Regler - Überschwingen - zu langsam Lego 4 LavA 17

31 Demo Demo Lego 4 LavA 18

32 Referenzen Lego MINDSTORMS Developer Files LavA Projekt Wishbone bei OpenCores I 2 C-Bus Spezifikation download/usermanuals/um pdf Lego 4 LavA 19

33 Fragen Fragen? Lego 4 LavA 20