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

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE CZECH TECHNICAL UNIVERSITY IN PRAGUE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA MĚŘENÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MEASUREMENT MODULY S ROZHRANÍM ETHERNET PRO SYSTÉM SBĚRU DAT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR ADAM BAŘTIPÁN

2 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE CZECH TECHNICAL UNIVERSITY IN PRAGUE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA MĚŘENÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MEASUREMENT MODULY S ROZHRANÍM ETHERNET PRO SYSTÉM SBĚRU DAT MODULES FOR ETHERNET BASED DATA ACQUISITION SYSTEM BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR ADAM BAŘTIPÁN doc. Ing. JAN FISCHER, CSc. PRAHA 2011

3 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra měření Akademický rok ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Student: Obor: Název tématu česky: Název tématu anglicky: Adam Bařtipán Kybernetika a měření Moduly s rozhraním Ethernet pro systém sběru dat 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] RM Reference manual, Doc. ID Rev 11, STMicroelectronics 2010 Vedoucí bakalářské práce: doc. Ing. Jan Fischer, CSc. Datum zadání bakalářské práce: 7. prosince 2010 Platnost zadání do 1 : 3. února 2012 L.S. Prof. Ing. Pavel Ripka, CSc. vedoucí katedry Prof. Ing. Boris Šimák, CSc. děkan V Praze dne Platnost zadání je omezena na dobu dvou následujících semestrů.

4 ABSTRAKT Tato práce se zabývá návrem a realizací modulu pro synchronní řízení a sběr dat s mikrokontrolerem z rodiny STM32. Modul obsahuje analogové i digitální vstupy a výstupy, komunikační rozhraní USB 1.1 a Ethernet, prostřednictvím kterého je prováděna synchronizace času s referenčním zdrojem pomocí protokolu PTP. Součástí práce je také návrh plošného spoje a ukázkový příklad pro demonstraci možností modulu včetně obslužného programu pro PC. KLÍČOVÁ SLOVA 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 BAŘTIPÁN, Adam Moduly s rozhraním Ethernet pro systém sběru dat: bakalářská práce. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická, Katedra měření, s. Vedoucí práce byl doc. Ing. Jan Fischer, CSc.

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Moduly s rozhraním Ethernet pro systém sběru dat jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. Praha (podpis autora)

6 Rád bych poděkoval vedoucímu práce, doc. Ing. Janu Fischerovi, CSc za vedení práce a odborné konzultace. Dále bych rád poděkoval svým rodičům, Daně Bařtipánové a Jaroslavovi Bařtipánovi, za neocenitelnou morální i materiální podporu v průběhu celého mého studia.

7 OBSAH 1 Úvod Úvod do problematiky Cíl práce Rozbor zadání Základní představa o řešení Synchronizace času Způsoby synchronizace času Současné možnosti časové synchronizace v síti Ethernet Protokol PTP Způsob synchronizace času pomocí PTP TCP/IP stack Ethernetový ovladač Použité obvody Mikrokontroler STM Fyzická vrstva Ethernetu Konektor PulseJack TM Návrh měřícího modulu Popis zapojení Napájecí zdroj Připojení jednotlivých pinů MCU Napájení MCU Kompatibilita s novějšími MCU z rodiny STM Vyvedení nevyužitých GPIO pinů na konektory Restartování a bootování MCU Oscilátory Připojení PHY Uživatelské tlačítko a LED dioda Zapojení JTAG konektoru Zapojení USB konektoru Deska plošných spojů Rozmístění součástek na DPS Rozložení pinů jednotlivých konektorů na DPS Popis demonstračního programu pro PC Ukázka použití programu

8 4 Naměřené parametry modulu 49 5 Závěr 53 Literatura 55 Seznam symbolů, veličin a zkratek 56 Seznam příloh 58 A Výrobní podklady 59 A.1 Návrh DPS A.2 Schéma zapojení A.3 Rozmístění součástek na DPS B Seznam součástek 62 C Použité názvosloví 65

9 SEZNAM OBRÁZKŮ 2.1 Blokové schéma základní myšlenky řešení Synchronizace času mezi master a slave zařízením Blokové schéma Connectivity line MCU z rodiny STM Blokový diagram propojení mikrokontroleru a fyzické vrstvy Schéma vnitřního zapojení konektoru J0006D21BNL Schéma zapojení napájecí části Schéma zapojení napájení MCU Jumpery pro výběr použitého MCU Připojení nevyužitých GPIO pinů Zapojení restartovacího a bootovacího tlačítka Zapojení signálu NRST uvnitř MCU Připojení oscilátoru a krystalů k MCU Blokové schéma připojení PHY k MCU Schéma zapojení fyzické vrstvy Připojení resetovacího tlačítka k PHY Schéma připojení konektoru k PHY Zapojení uživatelského tlačítka a LED Zapojení JTAG konektoru Zapojení USB konektoru Celkový pohled na DPS Horní vrstva plošných spojů Spodní vrstva plošných spojů Rozmístění součástek v horní vrstvě plošných spojů Rozmístění součástek ve spodní vrstvě plošných spojů Konfigurace propojek SJ1 až SJ3 při pohledu na spodní stranu DPS Zapojení demonstrační aplikace Ukázka demonstračního programu pro PC Zobrazení jednoho signálu měřeného oběma moduly současně A.1 Vrstva TOP, měřítko 1: A.2 Vrstva BOT, měřítko 1: A.3 Rozmístění součástek ve vrsvě TOP, měřítko 1,2: A.4 Rozmístění součástek ve vrsvě BOT, měřítko 1,2:

10 SEZNAM TABULEK 3.1 Napájecí piny jednotlivých MCU z rodiny STM Přehled signálů MII rozhraní Rozmístění pinů napájecího konektoru K1 při pohledu zprava Rozmístění pinů konektoru K2 při pohledu shora Rozmístění pinů konektoru K3 při pohledu shora Rozmístění pinů JTAG konektoru K4 při pohledu zleva Rozmístění pinů konektoru K7 při pohledu shora Naměřené hodnoty odběru proudu Maxmimální přenosové rychlosti rozhraní Ethernet Odchylky od referenčního času (nezatížená sít ) Odchylky od referenčního času (sít vytížená na 50%)

11 1 ÚVOD 1.1 Úvod do problematiky V průmyslovém prostředí se často setkáváme s potřebou měřit nejrůznější fyzikální veličiny, nebo řídít procesy. Prvním příkladem může být sestavování matematického modelu chování auta nebo letadla v různých situacích z běžného provozu. Model vznikne změřením jednotlivých hodnot senzory umístěnými na vozidle (letadle) v konkrétní zkoumané situaci. Každá takto změřená hodnota je opatřena značkou s časem, kdy byla pořízena. Čím přesněji dokážeme změřit hodnotu fyzikální veličiny a zároveň čas jejího pořízení, tím přesnější matematický model dokážeme sestavit, což ve výsledku vede jednak k lepšímu (konkurenceschopnějšímu) výrobku a jednak k ušetření nákladů na vývoj (na matematickém modelu můžete vyzkoušet i podmínky, které by vedly k nenávratnému zničení reálného výrobku). Druhým příkladem by mohlo být řízení supravodivých magnetů v urychlovači částic. Zde je potřeba jednotlivé supravodivé magnety rozmístěné po obvodu pláště urychlovače spínat v přesně stanovených časových okamžicích, aby byla urychlovaná částice jednak udržována na své optimální dráze a jednak aby byla také urychlována a ne jen udržována na konstantní rychlosti nebo dokonce zpomalována. K tomu je pochopitelně zapotřebí výkonný řídící systém zajíšt ující vysokou úroveň časové synchronizace jednotlivých povelů k sepnutí. Dnes se v průmyslové praxi setkáme se dvěmi základními koncepcemi měřících a řídících systémů. Jednou je tzv. centralizovaný systém, což je systém postavený na hlavní řídící jednotce (ŘJ), která obstarává veškeré měření i řízení, a k ní jsou připojeny jednotlivé měřící senzory nebo akční prvky sloužící k řízení daného procesu. Výhodou takovéhoto řešení je poměrně jednoduchá komunikace mezi ŘJ, senzory (příkazy změř, pošli ) a akčními prvky (příkazy zapni, vypni, atd.) a také odpadá potřeba synchronizace času mezi těmito periferiemi, jelikož jediný systém s vlastním časem je ŘJ. Nevýhodou je především pořizovací cena a závislost celého systému na jediném prvku (ŘJ), jehož nefunkčnost vyřadí celý systém z provozu. V současnosti se dostávají do popředí tzv. distribuované systémy, které jsou postaveny na jednotlivých do značné míry autonomních modulech, které jsou schopné vykonávat dílčí ukony bez zásahu nadřazené jednotky, čímž zásadně zvyšují spolehlivost celého systému. Dalšími výhodami jsou nízká pořizovací cena a snadná rozšiřitelnost takového systému. Nevýhodou jsou vysoké nároky na 10

12 komunikační sběrnici mezi jednotlivými moduly, jelikož je vyšší spolehlivost vykoupena podstatně komplexnější komunikací než v případě centralizovaného systému. Nevýhodou z pohledu časové synchronizace je fakt, že každý modul má svůj vlastní zdroj času, který obecně nemusí (a běžně nemívá) stejnou hodnotu jako referenční čas nadřazené jednotky, takže je potřeba zajistit, aby čas jednotlivých modulů kopíroval s předem známou přesností referenční čas, tedy čas na jednotlivých modulech synchronizovat s referenčním. Moderní řešení dostupných měřících a řídících distribuovaných systémů zpravidla sestává z modulů řízených mikroprocesorem (např. s jádrem ARM) a nadřazené řídící aplikace pro PC. Pro komunikaci mezi jednotlivými moduly je k dispozici dostatečné možství komunikačních rozhraní, přičemž mezi nejrozšířenější patří Profibus, CAN, RS-485 a v poslední době se díky stále klesajícím pořizovacím nákladům prosazuje také Ethernet. Dnes je kladen velký důraz na univerzálnost modulů a v souladu s tím je potřeba navrhnout modul, který dokáže jak měřit tak řídít. Distribuovaný systém je pak postavený z většího počtu stejných modulů, což snižuje náklady na výrobu a díky tomu také může jeden modul zastoupit v případě poruchy jiný nefunkční modul. 1.2 Cíl práce Modul pro synchronní řízení a sběr dat by měl obsahovat řídící jednotku (procesor), dostatek vstupů pro měření elektrických veličin (především AD převodníky) a výstupů pro řízení požadovaného procesu. Dále je nezbytné aby obsahoval rozhraní umožňující komunikaci s nadřízenou jednotkou (často se jedná o PC) stejně jako s ostatními moduly. Distribuované systémy bývají často nasazené v situacích, kdy je potřeba měřit ve více měřících kanálech současně, ale z určitého důvodu (např. měření za vysoké teploty, měření v rozsáhlém prostoru) není možné toto měření provádět jedním měřícím přístrojem. Jeden měřící přístroj má tu výhodu, že veškerá naměřená data ze všech kanálů si nesou časovou značku z jediného zdroje času tohoto přístroje. Takto vzniklý soubor dat je tedy časově koherentní. Naproti tomu v distribuovaném systému, kde moduly pracují jako jednotlivé měřící kanály, je ke každé naměřené hodnotě přiřazna časová značka odvozená od systémového času konkrétního modulu, který nemusí být na všech modulech stejný (a běžně nebývá). Z toho důvodu je potřeba na všech modulech synchronizovat jejich zdroje času s referenčním zdrojem času. K těmto účelům slouží synchronizační protokol, který prostřednictvím komunikační sběrnice neustále zjišt uje hodnotu referenčního času a upravuje podle ní 11

13 jednotlivé systémové sytémové časy modulů. V ideálním případě by tak bylo možné dosáhnout přesně stejného času na všech modulech, nicméně v praxi je tato ideální synchronizace nedosažitelná a synchronizovaný čas se pouze blíží referenčnímu. Cílem této práce je navrhnout univerzální měřící modul postavený na jádře ARM Cortex-M3 z rodiny mikrokontrolerů STM32, jenž bude se svým okolím komunikovat pomocí rozhraní Ethernet. Pro komunikaci prostřednictvím tohoto rozhraní je nejprve nutné implementovat TCP/IP stack, tedy program zprostředkovávající uživateli snadnou obsluhu sít ového provozu včetně dvou základních komunikačních protokolů TCP a UDP. Právě TCP/IP stack poskytuje synchronizačnímu protokolu nezbytné metody pro vysílání a příjem synchronizačních zpráv. K synchronizaci času na jednotlivých modulech bude využit Precision Time Protocol (PTP). Tato práce by měla poskytnout dalším zájemcům o synchronní řízení a sběr dat v oblasti distribuovaných systémů jednoduchou a finančně nenáročnou platformu pro vývoj pokročilejších řešení, a proto bude součástí práce také ukázkový program pro PC demonstrující možnosti zde popisovaného modulu. 12

14 2 ROZBOR ZADÁNÍ 2.1 Základní představa o řešení Jak již bylo zmíněno v sekci 1.2, základem modulu bude mikrokontroler s ethernetovým rozhraním, na kterém je potřeba implementovat obslužné programy pro komunikaci. Blokové schéma 2.1 nastiňuje možné řešení celého modulu a distribuovaného systému. modul 1 PC PTP protokol, uživatelské programy TCP/IP stack ethernetový driver sběrnice Ethernet modul N modul 3 MCU (s MAC vrstvou) PHY modul 2 analogové vstupy a výstupy digitální vstupy a výstupy Obr. 2.1: Blokové schéma základní myšlenky řešení 2.2 Synchronizace času Způsoby synchronizace času V měřící, řídící a automatizační technice, kde je v systému použito více nezávislých zařízení, je často vyžadováno přesné časování těchto zařízení tak, aby bylo dosaženo synchronizace jednotlivých události resp. korelace naměřených dat. Aby bylo možno 13

15 takovéto synchronizace dosáhnout, jednotlivá zařízení musejí mít bud přístup k centrálnímu zdroji hodinového signálu, nebo si musejí synchronizovat své vlastní zdroje hodinového signálu podle referenčního zdroje. Zástupcem prvního případu je např. systém PCI Extensions for Instrumentation (PXI), kde je v rámci jednoho chasis 1 všem modulům poskytnut přístup k referenčnímu zdroji 10MHz hodinového signálu s vysokou přesností. Toto řešení je ovšem únosné pouze v případě, že jsou jednotlivé měřící moduly poměrně blízko referenčního zdroje taktu, jako v případě PXI (vzdálenost nepřesahuje 1m). Poměrně často se ale v praxi setkáme s potřebou mít jednotlivé měřící moduly rozmístěné ve větších vzdálenostech a ojedinělé nejsou ani případy, kdy se jednotlivé moduly v průběhu měření pohybují a mění svou vzdálenost od řídícího modulu. To jsou typicky distribuované systémy založené na autonomních měřících a řídících modulech, kde se zpravidla nerozvádí hodinový signál přímo po komunikační sběrnici ve formě periodického signálu o dané frekvenci. Důvodem je fakt, že se vzrůstající vzdáleností od zdroje signálu dochází k jeho deformaci např. v důsledku elektromagnetického rušení nebo vzájemné kapacity vodičů. Navíc v případě, že měřící modul mění vzdálenost od referenčního zdroje, dochází také ke změně zpoždění, s jakým dorazí signál do synchronizovaného zařízení, což se poměrně obtížně kompenzuje Současné možnosti časové synchronizace v síti Ethernet Přestože dnes existuje velké množství průmyslových sběrnic s vysokou spolehlivostí přenosu dat, současným trendem na poli distribuovaných systémů je spíše používat sítě typu Ethernet. Hlavním důvodem je nepochybně cena takového řešení, která je díky masivnímu rozšíření Ethernetu v posledních letech zpravidla nižší než konkurenční možnosti na bázi striktně průmyslových sběrnic (např. RS-485, RS-422, CAN, Profibus a pod.). Dalším pozitivním faktorem masivního rozšíření Ethernetu je také fakt, že výrobci mikrokontrolerů dnes mají tendenci nabízet ve svých jednočipových řešeních i ethernetové rozhraní, aniž by to zásadním způsobem navyšovalo cenu výsledného produktu. V neposlední řadě je důležitá univerzálnost a modulárnost ethernetové sítě, díky které je možné sít dále rozvíjet, měnit její strukturu, škálovat a v případě potřeby také zvyšovat propustnost dat (rychlost komunikace). S výhodou je také možné použít již existujících ethernetových zařízení (přepínače, rozbočovače, opakovače, směrovače a další), které jsou sice primárně 1 Přístrojová skříň s napájecím zdrojem, sloty pro zasunutí jednotlivých modulů a rozvodem referenčního časového signálu 14

16 určeny například do datových center velkých společností, ale díky své kvalitě a spolehlivosti mohou být nasazeny i v průmyslovém provozu. Jednou z posledních výhod Ethernetu je také jeho nezávislost na druhu média, prostřednictvím kterého je komunikováno. Lze tedy komunikovat po metalické vedení (nejčastější), v případě prostřední se silným elektromagnetickým rušením není problém průběžně přejít z metalického na optické médium (optické vlákno) a stejně tak může metalické i optické vedení přecházet v případě potřeby v bezdrátovou komunikaci vzduchem, jakou je například WiFi či WiMax [4], [5]. Velkou nevýhodou sítě Ethernet z pohledu časové synchronizace je fakt, že vysílaná data (pakety) nemusí dorazit do cílového bodu ve stejném pořadí, v jakém byla vyslána, což se v rozsáhlejších sítích běžně stává. Dalším prolbémem může být proměnná (např. v závislosti na vytížení sítě) délka zpoždění mezi okmažiky vyslání a příjmem dat, která se díky nízké předvídatelnosti obtížně koriguje. Pro účely časové synchronizace (nejen) v prostředí sítě Ethernet vznikla řada protokolů, které se od sebe liší především přesností, s jakou dokáží udržovat stanovený systémový čas. Jedním z takovýchto protokolů je Reference Broadcast Time Synchronization (RBTS), který pracuje na poměrně jednoduchém principu. Takzvaný broadcast beacon vyšle všem zařízením připojeným ke komunikační sběrnici znamení k synchronizaci, což je zpráva, která neobsahuje informaci o aktuálním čase, ale pouze výzvu všem účastníkům komunikace k tomu, aby si mezi sebou navzájem synchronizovali čas. Samotný broadcast beacon tedy pouze odstartuje synchronizaci a dále se na ní nepodílí. Synchronizace probíhá prostřednictvím výměny časových údajů mezi jednotlivými zařízeními a následným dopočítáním časových posunutí vůči každému účastníkovi komunikace. Tato metoda se nejčastěji používá v bezdrátových senzorových sítích. Její výhodou je jednoduchá implementace takového protokolu a odstranění nejistoty, která u protokolů pracujících na bázi referenčního času vysílaného jedním zařízením (zpráva obsahuje údaj o referenčním čase) vzniká v důsledku předem neznámého zpoždění mezi vysílací stranou a koncovými body sítě, kterým je zpráva určena. Nevýhodou je paradoxně právě absence referenčního času, která způsobuje, že systémový čas jednotlivých zařízení neodpovídá jednomu konkrétnímu času, který je považován ze přesný, ale spíše se blíží aritmetickému průměru systémových časů jednotlivých zařízení. Vzhledem k předpokládanému použití v bezdrátových senzorových sítích byl při návrhu tohoto protokolu kladen velký důraz na nízkou spotřebu (jednotlivá zařízení bývají často napájena z akumulátorů) na úkor přesnosti časové synchronizace. 15

17 Dalším protokolem používaným pro synchronizaci času je tzv. Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP), který již pracuje se zdrojem referenčního času, který periodicky vysílá zprávu s časovou značkou odpovídající referenčnímu času. Tato zpráva je adresovaná všem účastníkům komunikace. Každý účastník po příjmu takové zprávy zaznamená čas přijetí a složením obou časových údajů získává informaci o posunutí svého času oproti referenčnímu. Protokol ovšem nekompenzuje proměnné zpoždění mezi vysláním a příjmem zprávy. Díky tomu se průměrná chyba systémového času oproti referenčnímu pohybuje v řádu desítek až stovek mikrosekund. Stejně jako v případě prtokolu RBTS i protokol FTPS! byla navrhován s ohledem na nízkou spotřebu a to na úkor přesnosti časové synchronizace. Velice využívaným protokolem pro synchronizaci času užívaným především mezi osobními počítači a sít ovými servery je Network Time Protocol (NTP). Tento protokol je poměrně složitý a existuje v několika verzích (aktuální verze má pořadové číslo 4 a následující verze je ve vývoji), které jsou detailně popsány na stránkách organizace zajišt ující jeho vývoj: V síti internet dokáže pracovat s odchylkou v řádu desítek milisekund, v lokálních sítích je možné dosáhnout přesnosti na stovky mikrosekund. Poslední zde zmiňovanou možností je tzv. Precision Time Protocol, jehož implementací na jednočipovém mikropočítači se zabýva tato práce. Více podrobností je možno nalézt v sekci 2.3, která je tomuto protokolu věnována. 2.3 Protokol PTP Pro účely synchronizace času v síti Ethernet vznikl prtokol definovaný normou Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE-1588), též označovaný jako PTP, který bude využit i ve zde popisovaném modulu. Jeho cílem je nabídnout alternativu synchronizace hodinového signálu k synchronizaci pomocí centrálně rozváděného hodinového signálu. Toho je dosaženo periodickým vyměňováním informací mezi master zařízením a jednotlivými slave moduly tak, aby si slave moduly mohly samy korigovat a sladit jejich lokální zdroje hodinového taktu s master jednotkou. PTP poskytuje standardizovaný protokol pro synchronizaci hodin prostřednictvím sítě umožňující v jeden okamžik vyslat jednu zprávu více příjemcům 2, jako například 2 V zahraniční literatuře se tato vlastnost označuje jako tzv. multicast. 16

18 Ethernet. Nabízí možnost synchronizace heterogenních zdrojů hodinového signálu, nezatěžuje sít přílišnými nároky na objem přenesených dat a nevyžaduje mnoho výpočetního výkonu. Protokol byl standardizován institutem IEEE poprvé v roce 2002, jeho druhá verze byla vydána v roce Druhá verze IEEE-1588 protokolu, označovaná jako IEEE neboli PTP v2, poskytuje vyšší přesnost, robustnost a spolehlivost tohoto protokolu, ale není zpětně kompatibilní s IEEE neboli PTP v1, tj. s verzí z roku Způsob synchronizace času pomocí PTP Lokální čas slave zařízení se synchronizuje s master jednotkou pomocí obousměrné komunikace, která je naznačena na obr Na dvou svislých osách je vynesen lokální čas nadřazené (master) resp. podřazené (slave) jednotky. Můžeme si všimnout, že obě osy začínají s jiným počátečním časem (osy jsou orientovány shora dolů). Toto je běžný případ, kdy jsou lokální časy jednotlivých jednotek posunuty vůči sobě, v anglitcké literatuře je tento jev označován jako offset. Obr. 2.2: Synchronizace času mezi master a slave zařízením Korekce posunutí se provede po tom, co master vyšle periodicky vysílanou synchronizační zprávu - Sync(100), ke které je připojená časová značka udávající, kdy byla zpráva odeslána mikrokontrolerem. Po této zprávě může případně následovat ještě jedna zpráva - Follow Up(100), která obsahuje značku s časem, kdy byla zpráva Sync(100) skutečně odeslána fyzickou vrstvou Ethernetu. To dovoluje slave 17

19 zařízení zjistit skutečný čas, kdy byl dán mikrokontrolerem povel k odeslání zprávy a tím pro slave zpřesnit informaci o referenčním čase master jednotky. Toto má význam v sítích, kde čas vyslání paketu nemůže být znám dopředu. Zástupcem takové sítě je například Ethernet, kde vlivem detekce kolize a následného mechanismu řešení takové kolize obecně nemůže 3 být znám přesně čas, kdy došlo k odeslání celého paketu. Ve chvíli, kdy se podaří odeslat celý packet, už není zpravidla možné měnit jeho obsah, tedy ani časovou značku. Poté se opakuje vyslání synchronizačního paketu následované dotazem slave zařízení na zpoždění sítě - Delay Request. Slave zaznamená čas, kdy odeslal dotaz, a master po přijetí tohoto dotazu obratem odešle zprávu - Delay Response(112) s časovou značkou okamžiku, kdy dorazil paket s žádostí. Po této proceduře již slave zná jak časové posunutí obou zdrojů času, tak i obousměrné zpoždění při přenosu zprávy způsobené charakterem sítě 4. Slave nyní zná referenční čas master jednotky s vysokou přesností 5 a systémový čas je tedy sychronizován. V souvislosti s výše zmíněným postupem synchronizace je vhodné poznamenat, že Sync() pakety jsou vysílany periodicky (periodu určuje master zařízení). Slave může kdykoliv vyslat požadavek na určení zpoždění sítě (Delay Request), master mu ale odpoví zprávou obsahující maximální průměrnou frekvenci, s jakou se smí dotazovat. 2.4 TCP/IP stack TCP/IP stack je klíčová část programu mikrokontroleru, jelikož poskytuje uživatelským programům snadno použitelné rozhraní pro navazování spojení, výměnu dat a následné ukončení spojení. Uživatel díky tomu nemusí znát (a především programovat) do detailu celou komunikaci prostřednictvím ethernetového rozhraní, byt pochopení ethernetové komunikace na všech úrovních je bezesporu žádoucí a pro návrh takovéhoto modulu dokonce nezbytné. Jako vhodný TCP/IP stack pro mikrokontroler byl vybrán lightweight TCP/IP stack, v praxi častěji označovaný jako lwip. Narozdíl od jiných zvažovaných 3 Dnes jsou k dispozici i specializované (a poměrně drahé) ethernetové fyzické vrstvy, které již dokáží časovou značku injektovat do odesílaného paketu na HW úrovni, jedná se například o DP83848 od společnosti National Semiconductor. 4 Toto zpoždění se v praxi považuje za konstantní, přestože se může například v důskedku proměnlivého vytížení sítě měnit. 5 Přesnost je závislá na konkrétní implementaci, typicky se pohybuje kolem 1µs. 18

20 možností (např. uip TCP/IP stack) poskytuje lwip plnou implementaci protokolu Internet Group Management Protocol (IGMP), který je nezbytný pro synchromizaci času pomocí PTP (viz 2.3), a zdrojové kódy jsou volně dostupné. Velkou výhodou je v tomto případě fakt, že mnozí výrobci mikrokontrolerů, stejně jako ST Microelectronics, poskytují již hotovou implementaci tohoto stacku pro své procesory. Usnadňují tak vývojářům použití jejich obvodů a zvyšují tím jejich potenciál. 2.5 Ethernetový ovladač Nezbytnou součástí je ethernetový ovladač (často označovaný jako driver), který poskytuje TCP/IP stacku metody pro řízení komunikace na úrovni hardwaru. Dává tedy možnost zapisovat do vnitřních registrů Media Access Control (MAC) vrstvy a fyzické vrstvy (viz 2.6.2). Zde můžeme s výhodou využít implementaci ethernetového driveru, kterou poskytuje výrobce mikrokontrolerů STM32 (ST Microelectronics) bezplatně. 2.6 Použité obvody Mikrokontroler STM32 Jako řídící prvek na modulu byl zvolen 32-bitový mikrokontroler s jádrem ARM cortex-m3 od firmy ST Microelectronics (STM32), konkrétně model STM32F107[9] z tzv. connectivity line, tj. MCU s rozšířenou nabídkou komunikačních periferií integrovaných přímo na čipu. Mikrokontroler obsahuje krom standardních periferií jako jsou časovače, A/D a D/A převodníky, vstupně-výstupní brány a Universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter (USART) také celou řadu nadstandardních periferií jako například Universal Serial Bus (USB), Controller Area Network (CAN), Cyclic Redundancy Check (CRC) a především ethernetovou 10/100 MAC vrstvu s podporou IEEE-1588, což je pro danou aplikaci klíčové. Blokové schéma použitého MCU z rodiny STM32 můžeme vidět na obr Samotný procesor jako takový disponuje dostatečným výpočetním výkonem, který výrobce udává jako 1,25 DMIPS/MHz 7, tj. při maximálním taktovací frekvenci jádra MCU 72MHz dokáže vykonat až 90 milionů instrukcí za sekundu[9]. Pro uložení programu mikrokontroleru slouží flash pamět, která se v závislosti na volbě čipu může pohybovat od 64kB do 256kB. Pamět dat je typu Static Random 6 Obrázek byl převzat ze stránek výrobce: 7 DMIPS - počet celočíselných operací procesoru za sekundu v milionech 19

21 Obr. 2.3: Blokové schéma Connectivity line MCU z rodiny STM32 Access Memory (SRAM) a opět se může pohybovat v rozmezí 48 až 64kB. Na modulu je osazen čip s 256kB flash Read Only Memory (ROM) a 64kB SRAM. K nahrání programu do paměti procesoru slouží Joint Test Action Group (JTAG) resp. Serial Wire Debug (SWD) rozhraní, která zárověn dovolují řídit běh programu v MCU a prohlížet jednotlivé registry v paměti i přímo v jádru procesoru v průběhu vykonávání programu. Výhodou SWD je nízký počet vodičů a s tím související malý konektor, kdežto JTAG má standardně dvacetipinový konektor, ale na druhou stranu dosahuje vyšších přenosových rychlostí Fyzická vrstva Ethernetu Jak již bylo zmíněno v sekci 2.6.1, samotný mikrokontroler obsahuje pouze MAC vrstvu, která se stará o správné adresování, řízení přístupu ke komunikačnímu kanálu a případnou detekci kolizí v případě, že v jeden okamžik začne vysílat více stanic. MAC vrstva ovšem není schopna sama vysílat data po síti Ethernet. K tomu potřebuje Ethernet physical transceiver (PHY) - fyzickou vrstvu Ethernetu, což je integrovaný obvod obsahující standardizované komunikační rozhraní Media Independent Interface (MII) (případně Reduced Media Independent Interface (RMII)) pro komunikaci s MAC vrstvou, řídící a kontrolní obvody a výstupní budiče pro pulsní 20

22 transformátor, za nímž je zapojen ethernetový konektor. Celou situaci ilustruje obr STM32 ST802RT1 PulseJack konektor CPU MAC PHY transformátor konektor Obr. 2.4: Blokový diagram propojení mikrokontroleru a fyzické vrstvy Central Processing Unit (CPU) spolu s MAC je obsažena na samotném čipu connectivity line MCU z rodiny STM32. K STM32 je pomocí MII resp. RMII rozhraní připojena fyzická vrstva PHY, která je v tomto případě řešena čipem ST802RT1 od společnosti ST Microelectronics[11] (stejně jako mikrokontroler). Následuje pulsní transformátor galvanicky oddělující modul od sítě Ethernet a standardní ethernetový konektor. Na tomto modulu byl použit konektor typu PulseJack TM, který je popsán v následující sekci Konektor PulseJack TM Při výběru ethernetového konektoru byl kladen důraz na kvalitu, spolehlivost a v neposlední řadě také na počet dodatečných součástek, které konektor potřebuje ke správné funkci. Klasický ethernetový konektor má osm pinů přímo spojených s osmi vodiči Unshielded Twisted Pair (UTP) kabelu (někdy též označovaný jako Cat 5e). Za konektorem musí následnovat pulsní transformátor zajišt ující galvanické oddělení zařízení od zbytku sítě, dále pak čtveřice 50Ω rezistorů, dvojice 10nF kondenzátorů a jedna 10µH tlumivka. To je poměrně velké množství dodatečných součástek s nezanedbatelnou cenou. Proto jsou dnes na trhu k dostání konektory, které integrují do pouzdra konektoru bud jen některé, nebo dokonce všechny tyto součástky. To jednak usnadní návrh zapojení, ušetří drahocenné místo na DPS a ve většině případů sníží i cenu. Pro potřeby návrhu modulu byl zvolen konektor J0006D21BNL[13] typu Pulse- Jack TM od firmy Pulse c. Jak je vidět na obr , v pouzdře je integrován pouze 8 Obrázek byl převzat ze stránek výrobce: 21

23 Obr. 2.5: Schéma vnitřního zapojení konektoru J0006D21BNL pulsní transformátor, nicméně právě ten svou cenou značně převyšuje cenu ostatních potřebných součástek. Důvodem pro volbu právě tohoto konektoru byla dobrá dostupnost a přiměřená cena. Výhodou je také přítomnost dvou indikačních led přímo v pouzdře. Podrobnější popis zapojení je možno nalézt v sekci

24 3 NÁVRH MĚŘÍCÍHO MODULU Cílem této kapitoly je seznámit čtenáře s postupem návrhu zapojení a výsledné DPS. Vzhledem k rozměrům celého schématu budu popisovat jednotlivé bloky samostatně, celé schéma je obsahem přílohy A. 3.1 Popis zapojení Napájecí zdroj Kvalita napájecího zdroje do značné míry ovlivňuje spolehlivost celého zapojení, proto byl zvolen monolytický integrovaný stabilizátor LF33 (IC3) od firmy ST Microelectronics [12]. Je to tzv. low-dropout stabilizátor, což znamená, že mezi vstupní a výstupní svorkou dochází k velmi malému úbytku napětí, v tomto přípdě 0,45V. Za zmínku stojí také nízký klidový proud obvodem, který je typicky 500µA. Výstupní napětí stabilizátoru je 3,3 V při maximálním výstupním proudu 500 ma, takže na vstupu stačí napájecí napětí 3,3 V + 0,45 V = 3,75 V k tomu, aby na výstupu bylo požadovaných 3,3 V, nicméně za bezpečnou hodnotu považuji vstupní napětí (na svorce IN) 4 V. Zapojení obvodu vychází z doporučeného katalogového zapojení včetně hodnot použitých součástek, tj. kondenzátory C1 a C4 mají kapacitu 10µF a blokovací kondenzátory C2, C3 mají kapacitu 100nF. Obr. 3.1: Schéma zapojení napájecí části Modul je také chráněn proti přepólování běžnou křemíkovou diodou 1N4007 (D1), která má maximální úbytek napětí na PN přechodu 1,1V při protékajícím proudu 1A [14]. Proto je nutné na vstupní napájecí konektor (K1) přivést napětí alespoň 3,3 V + 0,45 V + 1,1 V = 4,85 V, reálný úbytek napětí na diodě bude o několik desetin voltu nižší, nebot diodou bude protékat maximální proud zhruba 300 ma. 23

25 Za rozumnou hodnotu napájecího napětí považuji 5V, pro kterou byl zdroj také navrhován. Napájecí napětí je možné přivést krom konektoru K1 také například z USB konektoru (K5), nebo z ethernetového konektoru (K6), které jsou popány v podsekci respektive Zdroj je dále doplněn o trojici testovacích bodů, které umožňují diagnostiku obvodu v případě, že se vyskytne problém s napájením, případně pokud máme podezření, že chybná funkce celého modulu souvisí s napájecí částí. O jednoduchou indikaci správné funkce zdroje se stará indikační LED v kombinaci se sériovým odporem (R1) omezujícím proud tekoucí diodou na 3,3 ma Připojení jednotlivých pinů MCU Použitý mikrokontroler je v pouzdru LQFP100, z čehož vyplývá, že má sto pinů (vývodů). Z toho celkem šestnáct pinů slouží pro přivedení napájení k obvodu, čtyři slouží pro řízení běhu MCU a připojení krystalu a zbývajících osmdesát pinů jsou tzv. General Purpose Input/Output (GPIO) piny. V následujících sekcích bude popsáno zapojení veškerých vývodů MCU Napájení MCU Na obr. 3.2 a 3.3 můžeme vidět řešení napájecí části MCU. Blokovací kondenzátory C5 až C8 jsou připojeny vždy mezi dvojicí napájecích pinů (pin 10 - pin 11, pin 27 - pin 28, atd.). Značná pozornost byla věnována návrhu napájení analogové části MCU, které ovlivňuje chod a přesnost A/D a D/A převodníků. Bylo potřeba zajistit dobře vyfiltrované napětí na vstupech VREF+ (pin 21) a VDDA (pin 22), čehož bylo dosaženo zapojením filtrační tlumivky (L1) do cesty napájení. Za tlumivkou následuje paralelně zapojená dvojice 10µF (C11) a 100nF (C12) kondenzátorů. C11 slouží k pokrývání zvýšených požadavků na odběr, C12 je blokovací kondenzátor. Takto ošetřené napájení je přivedené přes 47Ω odpor (R2), který slouží k omezení proudu (to asi nebude k omezení proudu), do VREF+. Mezi VREF+ a zemí je připojen další blokovací kondenzátor C10. 24

26 Obr. 3.2: Schéma zapojení napájení MCU Kompatibilita s novějšími MCU z rodiny STM32 Jelikož v průběhu práce na tomto modulu byly vydány dva nové MCU, nástupci STM32F107 s typovým označením STM32F207 resp. STM32F217, vyvstal zde požadavek na možnost osazení těchto nových MCU na desku plošných spojů, což si vyžádalo i zásah do schématu. Zapojení pájecích jumperů umožňujících osadit starší i novější verze mikrokontroleru STM32 (SJ1 až SJ3) je možné vidět na obr V tabulce 3.1 je uveden seznam pinů pouzdra LQFP100, u kterých dochází ke změně připojení STM32F2x7 oproti STM32F107. Na pinech 49 a 73 došlo ke změně a v případě použití novějšího MCU se k nim připojí dvojice keramických 2,2µF kondenzátorů (C9 a C31), které vyžaduje vnitřní napět ový regulátor novějších MCU. Pin 49 je navíc možné spojit se zemí (GND) pomocí pájecího jumperu (SJ2) tak, jak to vyžaduje STM32F107. C31 je poté zkratovaný a obvod neovlivňuje. Kondenzátor C9 je jedním vývodem trvale připojen k zemi, ale v případě použití staršího MCU nemá připojen druhý vývod a obvod tedy také neovlivní. U pinu 20 došlo pouze 1 Výrobcem rezervován pro pozdější použití (Reserved for Future Use). 25

27 Obr. 3.3: Jumpery pro výběr použitého MCU pin (LQFP100) STM32F107 STM32F2x7 spojen s: 19 VSSA VDD MCU SEL1 20 VREF- VSSA GND 49 VSS V CAP 1 C31, MCU SEL2 73 nezapojen V CAP 2 C9 99 VSS RFU 1 MCU SEL3 Tab. 3.1: Napájecí piny jednotlivých MCU z rodiny STM32 k formálnímu přejmenování z VREF- na VSSA, nicméně oba piny jsou ve velké vetšině aplikací, včetně této, spojeny přímo se zemí. Piny 19 a 99 je obdobným způsebem pomocí pájecích jumperů (SJ1 a SJ3) možné připojit bud ke kladnému napájecímu pólu (+3,3 V VDD) nebo k zemi (GND). K nejzásadnější změně dochází nepochybně na pinu 19, který původně patřil analogové zemi VSSA, ale v novějších MCU se z něj stal kladný napájecí pin VDD. Podobně je zapojen i pin 99, který ovšem původně sloužil jako klasický zemnící pin, zatímco u nových mikrokontrolerů je výrobcem rezervován pro další použití a doporučuje se jej připojit ke kladnému pólu napájení. Z výše zmíněných informací by mělo být čtenáři jasné, že v případě chybného spojení jumperů SJ1 nebo SJ3 může dojít po připojení napájecího napětí ke zničení 26

28 MCU případně stabilizátoru IC3. Jumper SJ2 není tak kritický a jeho chybné zapojení může způsobit nanejvýš špatnou funkci obvodu. Správné zapájení jumperů pro jednotlivé mikrokontrolery je popsáno v kapitole zabývající se návrhem DPS v sekci Vyvedení nevyužitých GPIO pinů na konektory Mikrokontroler ve stopinovém pouzdru disponuje osmdesáti GPIO piny, přičemž 51 z nich není k ničemu využito a jsou vyvedeny na dva dvouřadé třcetipinové konektory K2 a K3, aby je bylo možné využít pro připojení dalších periferií mimo modul. Celé zapojení ukazuje schéma na obr Konektory K2 a K3 jsou zapojeny téměř shodně, na prvních dvou pinech je kladné napájecí napětí +3,3 V, následuje 26 (resp. 25 v případě K2) GPIO pinů a na posledních dvou (resp. třech) pinech je připojena zem (GND). Za zmínku stojí fakt, že na konektorech jsou k dispozici dvě plné šestnáctibitové brány GPIOD a GPIOE, které je možné s výhodou využít k připojení pamět ově mapovaných periferií, například externí SRAM. Na obr. 3.4 je také vidět 10kΩ pull-down odpor R3 zapojený proti zemi, díky kterému je na pinu PB2 (BOOT1) ihned po resetu MCU definovaná logická úroveň 2 0, což umožňuje zvolit z jakého zdroje bude mikrokontroler po restartu (resp. připojení napájecího napětí) načítat svůj program. Bližší popis je možno nalézt v následující podsekci Restartování a bootování MCU Na modulu je umístěné resetovací tlačítko, které uvede mikrokontroler do výchozího stavu a ten po uvlonění tlačítka začne vykonávat program od počátku. Připojení tlačítka je vidět na obr. 3.5(b). Tlačítko TL1 po stisku připojí vývod NRST k zemi. Paralelně k němu je připojen 10nF kondenzátor C16, který v kombinaci s vntřním odporem R P U, který je vidět na obr.3.6 3, tvoří tzv. bezzákmitové tlačítko s časovou konstantou τ definovanou vztahem 3.1. τ = R C [s; Ω, F ] (3.1) 2 Pokud není ovlivněna jinými součástkami připojenými na PB2 prostřednictvím konektoru K2. 3 Obrázek byl převzat ze zdroje [8] (strana 121). 27

29 Obr. 3.4: Připojení nevyužitých GPIO pinů V dokumentaci [8] výrobce udává, že k restartování MCU je potřeba pin NRST spojit se zemí po dobu alespoň 20µs. Kondenzátor C16 má kapacitu 10nF, ale hodnota odporu R P U není v dokumentaci uvedena. Jedná se o klasický pull-up odpor, který udržuje na pinu NRST logickou 1, pokud není k pinu nic jiného připojeno. Typická hodnota pull-up odporu leží v rozmezí jednotek až stovek kω a změřením byla velikost tohoto odporu stanovena na přibližně 43kΩ. Známe tedy obě potřebné 28

30 (a) vývody MCU (b) resetovací tlačítko (c) bootovací tlačítko Obr. 3.5: Zapojení restartovacího a bootovacího tlačítka Obr. 3.6: Zapojení signálu NRST uvnitř MCU hodnoty pro stanovení časové konstanty τ, která po dosazení do vztahu 3.1 vychází τ = 430µs, což je více jak 20-krát vyšší hodnta než minimální požadovaná výrobcem a bezesporu vyhovuje dané potřebě. Je nutné si ale také uvědomit, že kondenzátor C16 (stejně jako odpor R P U ) je trvale připojen k pinu NRST a prodlužuje veškeré pulzy, které na pin přicházejí, tzn. i ty které přicházejí prostřednictvím konektoru JTAG popsaném v podsekci To by mohlo být problematické v případě, že JTAG adaptér generuje podstatně kratří resetovací pulsy a bezprostředně po nich se pokouší komunikovat s MCU. V takovém případě je možné patřičně snížit kapacitu C16 na hodnotu, která již nebude ovlivňovat funkci JTAG adaptéru. Výše popsaný (teoretický) problém ovšem v praxi nikdy zatím nenastal, uvádím ho zde pouze pro úplnost. Velice kladně hodnotím přítomnost Schmittova klopného obvodu uvnitř MCU, jelikož signál jdoucí z RC článku tvořeného C16, R P U má pochopitelně exponenciální průběh, který je až posléze tvarován na obdélníkový právě díky Schmittovu klopnému obvodu patrnému na obr

31 Na obr. 3.5(c) je vidět řešení bootovacího tlačítka (TL2), díky kterému je možno zvolit z jakého zdroje se bude načítat program. Pokud je tlačítko rozpojeno, je na pinu BOOT0 trval přítomna logická úroveň 0 prosřednictvím odporu R5 a po restartu se vykonává program z interní FLASH paměti, pokud dojde ke stisku tlčítka, objeví se na pinu BOOT0 logická 1, která nařizuje mikrokontroleru po resetu vstoupit do tzv. bootloaderu, tj. programu naprogramovaného výrobcem do systémové paměti MCU, který umožňuje nahrát do mikrkontroleru uživatelský program prostřednictvím těchto sériových rozhraní: USART1, USART2, CAN2 nebo USB OTG. Odpor R4 slouží pouze k omezení proudu tekoucího do pinu BOOT0. Do bootloaderu se vstupuje tak, že stiskneme tlačítko TL1 (MCU RST), následně stiskneme TL2 (BOOT) a poté uvolníme TL1. Tím dojde k resetu MCU a po opětovném startu je zjištěna logická 1 na pinu BOOT0, v důsledku které začne mikrokontroler hledat, ze kterého sériového rozhraní je možné stáhnout nový program do interní FLASH paměti. Aby se mikrokontroler nepokoušel po restartu hledat program v interní SRAM paměti, o čemž rozhoduje stav pinu BOOT1, je tento pin přidržen v logické 0 odporem R3, který je možno vidět na obr Více infromací k tématu bootování je možné nalézt v [8] případně [10] Oscilátory Přestože je každý mikrokontroler z rodiny STM32 vybaven vnitřním oscilátorem generujícím obdélníkový signál o frekvenci 8MHz, jeho přesnost je ve srovnání s krystalovým oscilátorem nízká a jeho frekvence se mění také v závislosti na teplotě pouzdra MCU. To vše vede k jeho nevhodnosti pro použití v situacích, kdy je přesné časování klíčové pro správnou funkci zařízení, tedy například pokud jde o synchronizaci jednotlivých zařízení mezi sebou, jako je tomu v tomto případě. Na obr. 3.7(a) je vidět dvojice zdrojů hodinového signálu pro mikrokontroler. První zdroj je řešen klasickým připojením krystalového výbrusu Q1 k MCU prostřednictvím piů OSC IN a OSC OUT, přičemž u obou vývodů jsou připojeny proti zemi startovací kondenzátory C13 a C14 s kapacitou 18pF. Samotný oscilátor je uvnitř mikrokontroleru a pro korektní fungování MCU stačí připojit pouze tyto tři součástky. Toto řešení má ovšem i svá úskalí, jedním z nich je kvalita interního oscilátoru. Před zahájením návrhu tohoto modulu jsem byl několika kolegy a vedoucím práce upozorněn, že v určitých situacích se interní oscilátor chová nestandardně a dochází k jitteru, viz priloha C. Toto je pro danou aplikaci naprosto nežádoucí a mohlo by to ovlivnit přesnost synchronizace a korelaci naměřených dat. 30

32 (a) zdroje taktu (b) krystal pro RTC Obr. 3.7: Připojení oscilátoru a krystalů k MCU Proto jsem do schématu přidal ještě druhý zdroj taktu pro MCU, který je řešen krystalovým oscilátorem QG1 opatřeným o blokovací kondenzátor C15 s kapacitou 100nF. Oscilátor má trvale spojený vývod OE (Output Enable - povolení výstupu) s kladným pólem napájení, takže generuje hodinový signál okamžitě po připojení napájecího napětí. Výhodou tohoto externího oscilátoru je absence jitteru a to ve výsledku pozitivně ovlivní přesnost synchronizace v porovnání s variantou popsanou v předešlém odstavci. Frekvence obou popsaných zdrojů taktu je 25MHz, což je dáno především potřebami MII sběrnice, pomocí které je k mikrokontroleru připojená fyzická vrstva Ethernetu. Tato frekvence je také vhodná pro taktování většiny periferií obsažených na čipu STM32F107, jako například USB. Z obou výše popsaných řešení je možno použít vždy pouze jedno jediné, proto se při osazování DPS osadí bud jen krystalový výbrus, nebo se osadí jen krsytalový oscilátor, není možné připojit oba zároveň. Obrázek 3.7(b) ukazuje připojení pomalého krystalového výbrusu Q2 včetně dvou startovacích kondenzátorů C17, C18 o kapacitě 22pF. Vývody krystalu jsou připojeny k pinům PC14 a PC15 mikrokontroleru, jak je vidět na obr Frekvence krystalu Q2 je 32768Hz, což je vhodná hodnota pro dělení mocninami dvou s celočíselným podílem, tak jak je to ve většině logických obvodů běžné a nejjednodušší, mikrokontrolery nevyjímaje. Krystal je připojen k vnitřním Real-Time 31

33 Clock (RTC) - hodinám reálného času, které je možné použít například k udržování denního času a data Připojení PHY Jak již bylo zmíněno v kapitole 2.6.2, samotný mikrokontroler disponuje pouze MAC vrstvou a k té je nutné připojit ještě fyzickou vrstvu (PHY), díky které je modul schopný komunikovat po metalické sítí Ethernet. Obr. 3.8: Blokové schéma připojení PHY k MCU Blokové schéma znázorňuje propojení MCU a PHY prostřednictvím rozhraní MII. Rozhraní samotné vyžaduje patnáct datových vodičů a další dva vodiče (MDIO, MDC) jsou použity pro konfiguraci fyzické vrstvy ST802RT1 prostřednictvím MAC vrstvy uvnitř mikrokontroleru, která umožňuje číst a zapisovat do vnitřních řídících registrů. Více informací o možnostech konfigurace nabízí dokumentace PHY [11]. Schéma na obr. 3.9 ukazuje zapojení fyzické vrstvy a její připojení k mikrokontroleru (viz obr. 3.4). Krom standardních signálů MII rozhraní (viz tab. 3.2) je vidět také způsob napájení, které je oddělené pro digitální a analogovou část dvěmi tlumivkami L2, L3 a každý z napájecích pinů má ve své blízkosti blokovací kondenzátor (C20 až C26). Pin 9 (PWRDN) slouží k přechodu do úsporného režimu, při kterém dochází k odpojení MII rozhraní (izolaci), přechodu pinů vedoucích ke konektoru (viz 3.11) do stavu s vysokou impedancí a stejně tak jsou odpojeny signalizační LED diody. Tento pin je trvale držen na úrovni logicé 1 prostřednictvím rezistoru R15, díky čemuž obvod IC2 při připojeném napájecím napětí trvale setrvává v aktivním 4 Obrázek byl převzat ze zdroje [9]. 32

34 Obr. 3.9: Schéma zapojení fyzické vrstvy stavu. Do úsporného režimu může obvod přejít pouze pokud je softwarově nastaven bit 11 registru RN00 prostřednictvím sériového konfiguračního rozhraní [11]. Na obr můžeme vidět připojení resetovacího tlačítka TL4 k fyzické vrstvě (pin RST, signál PHY RST). Ze schématu je patrné, že stejně jako u MCU je i tento signál negovaný, čemuž odpovídá i zapojení tlačítka. Pro restartování obvodu je potřeba pin RST držen v úrovni logická 0 alespoň po dobu 1ms, což je zajištěno RC článkem tvořeným 22kΩ rezistorem R25 a 100nF kondenzátorem C29, jehož časová konstanta popsaná v sekci po dosazení do vztahu 3.1 vychází τ = 2, 2ms. Konstanta byla zvolena více jak dvojnásobná, jelikož výrobce v dokumentaci [11] neuvádí zapojení pinu RST uvnitř čipu IC2, a prtoto není možné zjistit, jestli není například k odporu R25 uvnitř čipu paralelně připojen pull-up rezistor, jak je tomu v případě MCU na obr. 3.6, který by pochopitelně způsobil rychlejší nabíjení kondenzátoru C29, v důsledku čehož by došlo ke zkráceí časové konstanty τ. 33