TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Transkript

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Magisterský semestrální projekt Bc. Jiří Budasz, Bc. Jakub Nečásek Liberec 2012 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/ ) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

2 Zadání 1. Seznamte se se základními principy protokolu CAN a technickými prostředky pro jeho realizaci. 2. Navrhněte funkční vzorek CAN uzlu s vybranými technickými prostředky s požadovanými vlastnostmi: konfigurace modulu CAN z PC po sériové lince RS232C nebo USB snímání vybrané fyzikální veličiny (možnost simulace potenciometrem) a hodnoty cyklicky vysílat po CAN, nebo ovládání akčního členu z příchozích zpráv - indikace příchozích zpráv (displej, LED apod.) 3. Funkční vzorek realizujte a ověřte jeho činnost Vedoucí učitel: Ing. Josef Grosman Doporučené zdroje informací: [1] www stránky s tématikou protokolu CAN [2] www stránky výrobců mikroprocesorů a elektronických součástek [3] Firemní dokumentace výrobců mikroprocesorů a elektronických součástek Rozsah: stran 2

3 Abstrakt Tato zpráva pojednává o návrhu a realizaci multifunkčního zařízení pro sběrnici CAN. Toto zařízení je určeno pro praktickou výuku v předmětech, které se zabývají jednočipovými mikropočítači a sběrnicemi pro automobilový průmysl a automatizaci jako učitelský modul. Zařízení je kompaktní, jeho srdcem je jednočipový mikropočítač, umožňuje simulovat binární vstupy pomocí tlačítek a binární výstupy pomocí LED. Má dále potenciometry, které umožňují simulovat analogové signály, dále obsahuje rotační enkodér simulující inkrementální čidlo a poskytující hodnotu o délce 16 bitů a PWM výstupy ovládané hodnotu délky 10 bitů. Rovněž umožňuje zobrazovat data na LCD displeji v číselném nebo textovém formátu. Zařízení umožňuje nastavené hodnoty vysílat periodicky na sběrnici CAN díky funkci Auto Send, nebo je možné hodnoty zjišťovat dotazem. Odesílaným hodnotám ze vstupů, stejně jako přijímaným k zobrazení, je možné nastavit identifikátory CAN zpráv pomocí software v počítači. V tomto software je rovněž možné podrobně nastavit rychlost sběrnice CAN. Zpráva se zabývá návrhem hardware, firmware mikropočítače a software pro osobní počítač. Zahrnuje také praktickou realizaci kompletního modulu. CAN sběrnice, dspic33fj256mc710a, učitelský modul 3

4 Abstract This thesis is about design and practical realization of a multifunctional CAN Bus device. It is used for education of subjects focused on microcontrollers or data buses for automotive industry and automation. It is designed to be a compact teacher s module using microcontroller to obtain its functionality. The device is able to simulate binary inputs by buttons, binary outputs by LED and analog signals by potentiometers. It contains a rotary encoder to simulate rotary sensors. The encoder provides 16 bits length value. The device has outputs with PWM which are controlled by 10 bits length value. It can display data on the LCD in numeric or text format. It can transmit actual values periodically by Auto Send function or on a demand. User can assign specific CAN message identifier to each input and output using developed PC software for this application. It s also possible to change parameters of the CAN Bus timing by this software. The thesis describes design and of hardware, firmware for microcontroller and PC software. It includes practical realization of complete module. CAN Bus, dspic33fj256mc710a, teacher s module 4

5 Obsah Zadání... 2 Abstrakt... 3 Abstract... 4 Obsah Úvod Hardware modulu Možná řešení úlohy Zvolená konfigurace Vývojové zapojení Výsledný modul Firmware mikropočítače Vývoj firmware Struktura firmware CAN Obslužný software pro PC Úloha a vzhled obslužného software Vývoj a vnitřní struktura aplikace Závěr Použitá literatura

6 1 Úvod Sběrnice CAN patří v dnešní době mezi nejpoužívanější sběrnice v průmyslové automatizaci a automobilovém průmyslu. Tuto skutečnost reflektují, mimo jiné, látky předmětů, které se zabývají programováním jednočipových mikropočítačů. Na Fakultě mechatroniky, informatiky a mezioborových studií je to například předmět Řídící počítačové systémy vyučovaný v navazujícím studijním programu Elektrotechnika a informatika. Studenti tohoto předmětu na cvičeních pracují s multifunkčními moduly s mikropočítači, které umožňují komunikaci po sběrnici CAN. V této souvislosti vznikla potřeba spolehlivého modulu, který by sloužil jako tzv. učitelský modul. Tento přípravek by měl mít jednak několik funkcí pro příjem a zobrazování dat ze sběrnice CAN a také by měl být schopen vysílat různá data, jak jednoduchá binární, tak i numerická data simulující fyzikální veličiny nastavitelná pomocí potenciometrů. Současně by tento modul měl být jednoduše nastavitelný z osobního počítače bez nutnosti zásahu jeho obsluhy do firmware použitého mikropočítače. S takovouto funkcí by popsaný přípravek měl sloužit jako spolehlivá opora pro studenty vyvíjející cvičné aplikace. Hovoříme-li o komunikaci po sběrnici CAN, tak potom se v této aplikaci pohybujeme pouze na 1. a 2. vrstvě referenčního modelu ISO/OSI, tedy na fyzické a linkové vrstvě. Tato zpráva se zabývá návrhem a realizací takto fungujícího modulu. Vzhledem k tomu, že funkce sběrnice CAN není příliš jednoduchá a její popis by zabral velký prostor, nevěnujeme se jí v této zprávě, spíše uvádíme náš přístup k používání této sběrnice a nutná řešení některých úskalí. Realizace zahrnovala jak kompletní návrh hardware, firmware modulu tak i obslužného software, kterým je možné modul nastavovat z osobního počítače. Tato softwarová aplikace přitom klade na použitý počítač minimální nároky, stačí pouze operační systém Windows a rozhraní RS232, případně převodník z USB rozhraní na RS232. Toto zadání bylo řešeno v rámci magisterského projektu. 6

7 2 Hardware modulu 2.1 Možná řešení úlohy Takovéto zadání je možno řešit několika způsoby. Prvním je použití specializovaných obvodů pro CAN uzly s pevně nastavenými identifikátory a neměnnými počty analogových a digitálních vstupů a výstupů. Tyto obvody jsou primárně určeny tam, kde konfigurace zařízení zůstává stále stejná tedy finální zařízení. Avšak naše aplikace vyžaduje určitou variabilitu periferií a hlavně uživatelsky přívětivé nastavování. Proto jsme se rozhodli pro použití universálního mikropočítače. Zde se nabízí několik možných architektur a mnoho výrobců. Také je možné si vybrat mezi interními CAN moduly s externím linkovým budičem, nebo externími CAN moduly s již zabudovaným linkovým budičem. Pokud bychom si zvolili nějaký z externích modulů, tak kromě použitého komunikačního rozhraní nejsme nijak limitováni ve výběru ovládacího mikrokontroléru. Tato volba by se mohla zdát jako ideální, avšak má i svá úskalí. Moduly nemají příliš velké vnitřní zásobníky zpráv, jen pár nastavitelných filtrů a masek a jen některé používají přerušení. Také komunikační rozhraní by mohlo být slabším článkem použité SPI rozhraní je sice velmi rychlé (desítky Mbps), ale mírná limitace by mohla plynout z jeho topologie dvou kruhových zásobníků. 2.2 Zvolená konfigurace Pro naši úlohu jsme zvolili jednočipový mikropočítač od firmy Microchip z důvodu dobrých zkušeností s těmito výrobky a praxí v práci s nimi. Jedná se o digitální signálový procesor s označením dspic33fj256mc710a [1] Již z označení 33FJ je patrné, že se jedná o zástupce jedné z nejvyšších modelových řad od tohoto výrobce. Pouzdro je typu TQFP se 100 piny. Mikropočítač má 16 bitovou architekturu a maximální instrukční frekvenci 40 MHz (při 3,3 V napájení). Obsahuje mnoho integrovaných komunikačních a funkčních modulů: 2x SPI, 2x UART, 2xECAN, 2x ADC, PWM se čtyřmi dvojitými výstupy, vstup pro inkrementální snímač polohy, atd. Dále disponuje modulem pro přímý přístup do paměti (Direct Memory Access DMA), který dokáže přesouvat data mezi periferiemi a RAM nezávisle na procesoru. Velmi užitečné je též vybavení mikropočítače modulem oscilátoru s programovatelným fázovým závěsem (PLL). Výsledná instrukční frekvence tedy není příliš závislá na připojeném zdroji hodinového signálu. Díky tomu jsme mohli dosáhnout instrukční frekvence 40 MHz (taktovací je tedy 80 MHz) s použitím krystalového oscilátoru o hodnotě 24 MHz. 7

8 Další důležitou součástí zapojení jsou CAN linkové budiče. Osazeny jsou dva kusy typu MCP2551E [2]. Výrobcem je také společnost Microchip z důvodu maximální kompatibility s použitým mikrořadičem. Jsou v pouzdře SOIC s osmi vývody. Dovolují maximální rychlost 1 Mbps a jsou v Extended verzi pro teploty od - 40 C do 125 C. Napájí se 5 V a dovolují připojení do 12V a 24V CAN systémů. Také disponují nastavitelnou délkou náběžné a sestupné hrany za účelem odstranění rušení vyššími harmonickými při nižších hodnotách rychlosti CAN sběrnice. Vzhledem k programovatelné rychlosti sběrnice v našem návrhu jsme však tuto možnost nemohli využít. Bylo by příliš složité přepínat rezistory na vývodu budičů v závislosti na zvolené rychlosti. Pro bezpečné ukládání nastavení rychlosti CAN sběrnice a hodnot identifikátorů jednotlivých periferií jsme do zapojení zakomponovali sériovou Flash paměť. Výrobcem je Silicon Storage Technology, ale nabízí je společnost Microchip. Nese označení SST25VF512A [3]. Má shodné pouzdro jako linkové budiče SOIC s osmi vývody. Komunikuje pomocí rozhraní SPI a napájecí napětí má shodné s mikropočítačem 3,3 V. Velikost paměťového prostoru je 512 kbit a maximální taktovací frekvence je 33 MHz. Komunikaci pomocí rozhraní RS232 umožňuje převodník úrovní MAX3232 [4]. Je v pouzdru SOIC s šestnácti vývody a pro kompatibilitu s mikropočítačem je napájen také 3,3 V. Oproti známější verzi MAX232 vyžaduje menší přídavné kondenzátory (jen 100 nf), a tím značně spoří místo na plošném spoji. 8

9 2.3 Vývojové zapojení Mikropočítač tohoto typu jsme dosud nikdy nepoužívali, tak bylo nutné navrhnout a vyrobit tzv. demoboard za účelem vyzkoušení různých zapojení a ladění firmware. Cílem návrhu bylo propojení jednočipu s externími obvody (budiče, paměť atd.), osazení nejnutnějších součástek (blokovací a odrušovací kondenzátory, krystaly atp.) a propojení co nejvíce vývodů mikropočítače s nepájivým polem. Vzhledem k vysokému počtu vývodů jednočipu a nemalému množství připojených součástek byl návrh složitý. Navíc běžně dostupná nepájivá pole nedisponují 100 řádky, a tak volba padla na oboustrannou desku plošných spojů usazenou kolmo k ploše nepájivého pole. Schéma a plošný spoj jsme kreslili v programu EAGLE. Na obrázku je obr. 2.1 hotový demoboard nasazen na nepájivém poli s připojenými potenciometry (analogové veličiny), tlačítky (binární veličiny) a LCD pro zobrazení alfanumerických dat. Obr. 2.1 Vývojové zařízení 9

10 2.4 Výsledný modul Po odladění zapojení a firmware jsme přistoupili k návrhu finální podoby zařízení. Pro výukové účely nám přišlo vhodné osadit deset analogových vstupů, čtyři digitální a jeden vstup inkrementálního snímače. Výstupů jsme zvolili deset analogových (simulovaných na LCD), čtyři digitální a tři PWM výstupy. Návrh plošného spoje počítal se zabudováním do krabičky a byl tedy jednodušší než demoboard. Také jsme nevyužili úplně všechny vývody mikropočítače. Na obrázku obr. 2.2 je vidět schéma výsledné desky plošných spojů. Jak je zřejmé většina ovládacích a signalizačních členů je připojena pomocí drátků do pájecích plošek právě toto nám značně usnadnilo návrh. K mikropočítači je kromě již uvedených součástek připojeno ještě čtyřnásobné hradlo AND (74HC08D), které slouží jako jednoduchý převodník úrovní (3,3 V na 5 V) pro výstup PWM signálu. Ve schématu jsou také dva pevné lineární stabilizátory napětí 7805 (5 V) a LE33CV (3,3 V). Zařízení je tedy možno napájet napětím v rozsahu 7 30 V. Pro jednoduchost je k modulu přiložen adaptér 12 V se standardním napájecím konektorem 2,5/5,5 mm. Posledním fyzickým úkolem, který jsme měli vyřešit, bylo umístění celého zařízení do krabičky. Mnoho ovládacích a signalizačních prvků však dává modulu specifický tvar, a tak nebylo možné použít sériově vyráběné plastové krabičky. Možností vlastní výroby bylo několik od šroubované krabičky z ohýbaného plechu přes pájenou krabičku z cuprextitu až k námi zvolenému sytému předního panelu a dna spojeného distančními sloupky. Na obr. 2.3 je vidět již hotové zařízení i s připojeným adaptérem. Detail desky plošných spojů z pohledu zespodu je pak vidět na obr

11 Obr. 2.2 Schéma zapojení desky plošných spojů výsledného modulu 11

12 Obr. 2.3 Foto modulu Obr. 2.4 Detail DPS zespodu 12

13 3 Firmware mikropočítače 3.1 Vývoj firmware V této kapitole se budeme věnovat funkci programu mikropočítače. I přes naše zkušenosti s těmito jednočipy byl vývoj firmware jednou z nejdelších a nejsložitějších prací na této úloze. Program jsme psali v jazyce C do editoru přímo od firmy Microchip. Editor se jmenuje MPLAB X IDE a námi používaná verze byla Abychom mohli programovat vybraný jednočip v jazyce C, bylo nutné do editoru vložit kompilátor MPLAB C30. Program MPLAB X IDE je ke stažení zdarma přímo ze stránek výrobce. Avšak kompilátor C30 je placený produkt. Naštěstí výrobce umožňuje po zaregistrování stáhnout studentskou verzi LITE, ve které jsme pracovali. 3.2 Struktura firmware Vývojový diagram hlavního programu je na obr V programu se nejprve nastavuje oscilátor. Po resetu totiž běží mikropočítač z hodinového signálu generovaného interním RC článkem. Je tedy nutné inicializovat fázový závěs a následně jej uvést jako zdroj taktovacího signálu. Poté se nastavují směry portů, inicializuje komunikace s LCD a Flash pamětí, nastaví a spustí se AD převodník [5], modul inkrementálního snímače polohy [6], PWM modul [7] a UART. Také se v této části programu konfigurují a spouští tři časovače. První periodicky ukončuje vzorkování analogového vstupu a spouští jeho převod AD převodníkem. Tento funguje s periodou 100 μs, odvozenou od obnovovací frekvence snímačů 1 khz a počtu analogových vstupů. Druhý časovač obnovuje údaje na LCD s frekvencí 25 Hz. V jeho přerušení se tedy načte aktuální poloha čtyřpólového přepínače stránek a odpovídající údaj se zobrazí na displeji. Třetí časovač je spojen s funkcí AUTOSEND. Pokud je aktivována tak periodicky odesílá data ze všech snímačů na sběrnici s frekvencí 10 Hz. Závěrem počátečního nastavení se vyčítají data z Flash paměti. Jedná se o nastavení rychlosti sběrnice CAN (tedy složení bitu a dělička z instrukční frekvence) a také uložené hodnoty identifikátorů. 13

14 Obr. 3.1 Vývojový diagram programu mikropočítače 14

15 Po načtení se konfigurační data zapisují do registrů CAN modulů. Tímto jsou samotné moduly nastaveny, ale ještě zbývá zvolit jejich komunikaci s procesorem. Musí se tedy nastavit DMA kanály [8], které řídí tok dat mezi modulem a RAM. Jeden kanál může buď přijímat data z periferií a zapisovat je do RAM nebo naopak z RAM předávat periferiím. Tento proces je zcela autonomní bez použití procesoru. Až po vykonání se vyvolá přerušení, které již řídí procesor. Jedna CAN zpráva zabírá v paměti osm wordů. Proto je v RAM vytvořeno dvourozměrné pole o šířce těchto osmi wordů a šestnácti položkách. Přerušení se tedy vyvolává po přesunu celé zprávy do RAM. V obsluze přerušení se zjišťuje, který filtr zprávu přijal a kde je uložena. Z těchto informací se poté odvozuje další zpracování dat. Druhým modulem, který využívá DMA je AD převodník. V jeho případě je však použit jen jeden kanál (čtení). Také neukládá převedená data z analogových vstupů do dvourozměrného pole, nýbrž do dvou jednorozměrných. Jedno pole je široké word a dlouhé deset položek tedy jedno pole obsahuje výsledky ze všech analogových vstupů. Druhé pole je identické a DMA kanál je střídá po naplnění předchozího. Tímto to je zaručeno, že procesor bude přistupovat vždy jen k aktuálně nepoužívanému poli dat. Nastavením DMA kanálů zcela končí inicializační část a program vstupuje do nekonečné smyčky testování stavových tlačítek. Nejprve se testuje poloha přepínače AUTOSEND. Pokud se jeho poloha od minulého testování změnila, tak program zapne nebo vypne časovač vysílající zprávy na sběrnici. Dalším je tlačítko na rotačním enkodéru, to má za úkol resetovat čítač pulsů z inkrementálního snímače na základní hodnotu. Posledním je tlačítko pro vstup do konfiguračního módu. Vstupem do něj se vypínají moduly CAN, AD převodníku i PWM. Mikroprocesor čeká na data z počítače poslaná pomocí linky RS232. Po přijetí kompletního konfiguračního pole se celé posílá zpátky za účelem ověření správnosti. Pokud byl přenos úspěšný, počítač posílá potvrzení a mikropočítač zapisuje přijaté pole do paměti Flash a sám se resetuje. V případě neúspěšného přenosu zůstává v nekonečné smyčce a informuje o tom uživatele na displeji. Pomocí čtyřpólového přepínače je v běžném chodu možno procházet několik zobrazení dat. První dvě stránky jsou odlišeny popiskem v levém horním rohu P.1 respektive P.2. První stránka obsahuje dekadickou interpretaci 10-bitových dat přijatých s identifikátorem pro LCD1 až LCD5. Druhá stránka zobrazuje stejným způsobem data pro LCD6 až LCD10. Na třetí stránce jsou zobrazena data z LCD7 až LCD10 avšak s tím rozdílem, že jsou interpretována jako 15

16 ASCII kód tedy je možno na tuto stránku po CAN sběrnici poslat nápis sestávající ze 2x16 znaků. Čtvrtá stránka je celá vyhrazena pro zobrazení hodnoty čítače enkodéru. Názorný příklad rozložení je na Obr P P a b c d e f g h i j k l m n o p A B C D E F G H I J K L M N O P E N C O D E R C O U N T E R P O S I T I O N : CAN Obr. 3.2 Stránky LCD Každý modul CAN má 16 nastavitelných filtrů a až 32 zásobníků na zprávy. Zásobníky zpráv se dělí na vysílací/přijímací (TX/RX) a jen přijímací (RX). Těch, které dokážou zprávy vysílat je osm. Každému zásobníku lze přiřadit jen jeden filtr, ale více zásobníků může sdílet stejné filtry tím se dá zvětšit paměťový prostor pro náročné aplikace. Další možností je vytvoření FIFO paměti na části zásobníků tak, že určitý počet filtrů ukládá zprávy jím prošlé do této paměti. Odpadá tedy nutnost data ihned číst a zásobníky uvolňovat. Další možností by bylo nastavit moduly pro příjem všech zpráv a poté jejich vyhodnocení uživatelskou aplikací. Náš mikropočítač obsahuje dva moduly CAN, tedy můžeme v základním nastavení připojit až 32 snímačů a akčních členů. 16

17 My jsme využili všech 32 filtrů a nechali tedy příjem zpráv čistě na CAN modulu. Dále jsme využili 15 vysílacích zásobníků pro snímače. Kromě odesílání zpráv na příkaz procesoru je možné TX zásobníky nastavit na automatickou odpověď pokud tedy filtrem zásobníku přiřazenému projde zpráva ve tvaru žádosti o data, tak CAN modul automaticky odešle obsah zásobníku. Tímto se značně šetří čas i složitost programu. Pro přijímání jsme zvolili u obou modulů FIFO paměť o délce osmi zpráv. Jak jsme se již zmínili, je tímto zaručena delší časová rezerva než bude nutné zásobník vyprázdnit pro nové zprávy. V obsluze přerušení od přijetí zprávy je tedy nutné vzhledem k nezávislosti filtrů a zásobníků kromě filtru, kterým zpráva prošla také číst kde je uložena. Když však vezmeme v potaz rychlost mikropočítače 40 MHz a maximální rychlost sběrnice CAN, která činí 1 MHz, je jasné, že procesor zprávu zpracuje mnohem dříve, než modul přijme další. Tato konfigurace by tedy mohla být vhodná i pro značně složitější zpracování dat než jen jejich přesun či zobrazení. Tab. 3.1 znázorňuje rozložení akčních členů a snímačů mezi oba CAN moduly. Jak je zřejmé nelze posílat například hodnotu tlačítek na LED. Tab. 3.1 CAN1 CAN2 Snímače Akční členy Snímače Akční členy TL1 PWM1 ENCODER LCD3 TL2 PWM2 P4 LCD4 TL3 PWM3 P5 LCD5 TL4 D1 P6 LCD6 P1 D2 P7 LCD7 P2 D3 P8 LCD8 P3 D4 P9 LCD9 LCD1 P10 LCD10 LCD2 17

18 4 Obslužný software pro PC 4.1 Úloha a vzhled obslužného software V této části se budeme zabývat funkcí software z hlediska uživatele. Podrobnější popis struktury, vnitřního chování aplikace a její vývoj je popsán v následující podkapitole. Aplikace je nazvána Konfigurace CAN modulu. Pomocí tohoto obslužného software na osobním počítači lze konfigurovat parametry komunikace a přiřazení identifikátorů CAN zpráv jednotlivým periferiím v modulu. Vzhled aplikace je zachycen na obr. 4.1 Aplikace je graficky, i funkčně rozdělena na dvě části. Jednak je to část pro ovládání komunikace s modulem a jednak je to část, která umožňuje konfiguraci CAN sběrnice a periferií v modulu. Námi vyvinutá aplikace může pracovat jen v operačním systému Windows firmy Microsoft, který podporuje platformu.net. Obr. 4.1 Vzhled PC aplikace 18

19 Uživatel propojí CAN modul s počítačem pomocí linky RS232, následně nastaví port, na který modul připojil. V této chvíli může zapsat pomocí příslušného tlačítka do modulu nastavení, které je určeno druhou částí aplikace. Provede-li to, aplikace odešle nastavení po sběrnici RS232. V případě jakékoliv chyby, ať už je to neotevření portu, nadlimitní doba posílání, vypíše o tom aplikace zprávu uživateli. V okamžiku přijmutí všech dat nastavení modulem je nastavení pro kontrolu posláno zpět do počítače. Aplikace následně provede porovnání přijetých dat s odeslanými, a pokud jsou stejná, informuje uživatele o správném provedení konfigurace. V opačném případě informuje o chybě při kontrole dat. V druhé části aplikace uživatel zadává konfiguraci CAN komunikace modulu. V levé části je nastavení časování CAN sběrnice. Zde je možné měnit několik hodnot ovlivňujících délku jednoho bitu na CAN sběrnici potažmo rychlost komunikace. Hodnoty jsou voleny výběrem z rozbalovacího menu. Nastavená rychlost je zároveň pro kontrolu vypočtena a zobrazena v dolní části. Také jsou zobrazeny další hodnoty potřebné pro ověření správného nastavení jakožto i kontrolka zobrazující zelený symbol OK v případě správné kombinace hodnot a červený symbol False v případě nesprávné. V levé části aplikace uživatel nastavuje hodnoty identifikátorů CAN zpráv pro každou periferii modulu. Nastavený identifikátor slouží jak k identifikaci odeslaných dat, tak i k dotazu na příslušná data jiným CAN zařízením. Hodnotu je možné zapsat z klávesnice nebo zadat zvětšováním nebo zmenšováním pomocí klikání myší. Aplikace uživateli neumožňuje zadat nereálnou hodnotu identifikátoru, tj. hodnota, která není mezi 0x000 až 0x7FF. Hodnoty identifikátorů jsou nastavovány hexadecimálně. Pro ulehčení práce je u každé periferie zobrazen počet bitů dat, které periferie odesílá případně přijímá. 4.2 Vývoj a vnitřní struktura aplikace Aplikaci jsme vyvíjeli v prostředí Visual Studio 2008 s použitím platformy.net. Kód aplikace jsme psali v jazyce C#. Díky použití zmíněné platformy pro objektové programování byla tvorba jak grafické, tak funkční části aplikace relativně jednoduchá. Jak jsme již uvedli aplikace je v principu rozdělena na dvě části, a to jak graficky, tak i funkčně. Jedna část obsluhuje komunikaci s modulem a část zajišťuje zadávání konfiguračních hodnot. Na obr. 4.2 je zobrazen zjednodušený UML diagram vytvořené aplikace. Tento diagram zachycuje hlavní části programu pro ilustraci jeho základní struktury a fungování. Pro přehlednost nepostihuje všechny detaily aplikace. Aplikace obsahuje statickou třídu 19

20 ApplicationSettings. V ní je uloženo základní nastavení hodnot pro aplikaci. Jsou to jak funkční tak i některá grafická nastavení. Zmíněný přístup umožňuje pohodlnou změnu konfigurace celé aplikace pouhou změnou hodnoty statické proměnné obsažené ve statické třídě ApplicationSettings bez nutnosti složitého vyhledávání v kódu. Rozdělení aplikace na dvě části respektuje použití dvou komponent v hlavním formuláři, nazvaném MainForm. Jednou je komponenta pro komunikaci (BoxComunicationControl) a pro zadávání nastavení (SettingBoxPIC). Obě komponenty jsou potomky knihovní třídy GroupBox. Obr. 4.2 Zjednodušený UML diagram tříd aplikace Nejdříve ke komponentě BoxComunicationControl. Ta zajišťuje komunikaci pomocí rozhraní RS232. K tomuto účelu má instanci knihovní třídy SerialPort, která umožňuje práci se sériovou linkou na počítači. K nastavení příslušného portu je určena komponenta typu ComboBox, což je v podstatě rozbalovací menu. Ostatní parametry přenosu po lince, jako rychlost (Baudrate), počet datových bitů, stop bitů a nastavení parity, jsou definovány jako statické proměnné ve třídě ApplicationSettings. Stiskne-li uživatel tlačítko pro zápis nastavení do modulu, komponenta jednak otevře příslušný port a jednak si vyžádá pomocí příslušné metody nastavení potřebné k zapsání. Komponenta BoxComunicationControl pro tento účel komunikuje s druhou částí aplikace pomocí abstraktní třídy ASettingBox, která plní účel rozhraní. Vrácené nastavení již obsahuje nastavení modulu ve formě pole proměnných typu byte. Následně je toto pole předáno sériové lince k zapsání. Po ukončení odesílání linka čeká na příjem dat. Komponenta dále čeká, až je přijat stejný počet dat, jako byl odeslán. Poté přijatá data porovná s odeslanými a v případě 20

21 shody, což znamená správné zapsání nastavení, informuje jednak uživatele o správném nastavení a jednak odešle do modulu potvrzovací zprávu. V opačném případě je uživatel rovněž informován a do modulu je vyslána zpráva o chybě. V průběhu posílání i příjmu dat pomocí sériové linky je tlačítko pro odeslání nastavení vypnuto. Celý průběh posílání a příjmu dat je ošetřen proti výjimkám a je ošetřena maximální doba pro celý proces, aby se nestalo, že při špatně nastaveném portu bude aplikace čekat na data, která nikdy nepřijdou, nebo pokud dojde k náhlému odpojení kabelu případně jiné podobné chybě. Nyní k třídě SettingBoxPIC, která tvoří druhou část aplikace. Ta má instanci třídy PICSetting. Třída PICSetting obsahuje proměnné, které odpovídají nastavení modulu, respektive použitého jednočipového mikropočítače, jehož vlastnosti tak zmíněná třída modeluje. Konfigurační proměnné jsou zde uloženy jednak v numerických celočíselných reprezentacích, tak hlavně je z těchto hodnot vypočítáváno konfigurační pole, které slouží přímo k zápisu do modulu. Také jsou v třídě PICSetting vypočítávány parametry rychlosti komunikace modulu po CAN sběrnici, které jsou zobrazovány uživateli. Jak jsme již zmínili, třída SettingBoxPIC obsahuje rozbalovací menu tvořená instancemi třídy ComboBox. Pomocí nich uživatel nastavuje parametry rychlosti CAN sběrnice. Změní-li se nějaký parametr, je okamžitě pomocí příslušné události změněna jeho hodnota v instanci třídy PICSetting, jsou v ní provedeny všechny popsané výpočty, jak kontrolních a informačních hodnot tak i konfiguračního pole. Třída SettingBoxPIC dále obsahuje pole komponent typu NumericUpDown, pomocí kterého se nastavují identifikátory CAN zpráv pro všechny periferie. Rovněž i zde je při změně jakéhokoliv identifikátoru zapsána změna do instance třídy PICSetting a provedeny stejné výpočty jako v předchozím případě. Při vytváření instance třídy SettingBoxPIC jsou do všech komponent nastaveny defaultní hodnoty, které odpovídají nejvíce používanému v praxi. Rovněž lze vše nastavit na defaultní hodnotu pomocí příslušného tlačítka. Popisovaná třída SettingBoxPIC je potomkem abstraktní třídy ASettingBox, která zde slouží jako rozhraní. Jediným důvodem, proč je použita jako abstraktní třída, je fakt, že rozhraní nemůže dědit po třídě GroupBox, z níž musí být všichni potomci této třídy odvozeni. Díky tomuto dědění může třída SettingBoxPIC předávat třídě BoxComunicationControl nastavení pro přenos, což se děje pomocí příslušné metody předáním hodnoty třídy PICSetting. I třída SettingPICBoxPIC používá hodnoty ze statické třídy ApplicationSettings. V tomto případě jsou to například názvy periferií a nastavení roztečí mezi jednotlivými komponentami v grafické části třídy. 21

22 5 Závěr Navrhli jsme a realizovali učitelský modul pro praktickou výuku s CAN sběrnicí. Zařízení jsme důkladně vyzkoušeli, a je tedy plně funkční a připravené k použití. Studenti se při vyvíjení svých aplikací na výukových modulech mohou opřít o funkci vytvořeného přípravku. Ovládání jak fyzické tak i softwarové části je jednoduché a intuitivní. Námi vytvořené řešení dále poskytuje značný prostor pro další vylepšení. To je dáno například velkou rezervou pamětí použitého mikropočítače, jak paměti programu pro firmware, tak datové RAM. Nabízí se obohatit zařízení o další funkce, například jednoduché odchytávání zpráv z CAN sběrnice. Tyto zprávy by bylo možné zobrazovat na počítači. Omezením této funkce je rychlost komunikace sériového rozhraní RS232 v počítači, která je obvykle nižší než používané rychlosti CAN sběrnice. Odchytávání by tedy bylo možné pro omezený počet zpráv případně pro omezený časový interval daný přenosovou rychlostí. Nabízí se také využití možnosti mikropočítače pracovat se sběrnicí DeviceNet a posunout tak funkci na nejvyšší vrstvu modelu ISO/OSI, na aplikační vrstvu. 22

23 Použitá literatura [1] MICROCHIP TECHNOLOGY INC. DsPIC33FJXXXMCX06A/X08A/X10A: Data Sheet [online] [cit ]. Dostupné z: [2] MICROCHIP TECHNOLOGY INC. MCP2551 High-Speed CAN Transceiver: Data Sheet [online] [cit ]. Dostupné z: [3] SILICON STORAGE TECHNOLOGY, Inc. 512 Kbit SPI Serial Flash SST25VF512A: Data Sheet [online] [cit ]. Dostupné z: [4] MAXIM INTEGRATED PRODUCTS, Inc. MAX3222-MAX3241: Data Sheet [online] [cit ]. Dostupné z: [5] MICROCHIP TECHNOLOGY INC. DsPIC33F/PIC24H Family Reference Manual: Section 16. Analog-to-Digital Converter (ADC) [online] [cit ]. Dostupné z: [6] MICROCHIP TECHNOLOGY INC. DsPIC33F/PIC24H Family Reference Manual: Section 15. Quadrature Encoder Interface (QEI) [online] [cit ]. Dostupné z: [7] MICROCHIP TECHNOLOGY INC. DsPIC33F/PIC24H Family Reference Manual: Section 14. Motor Control PWM [online] [cit ]. Dostupné z: [8] MICROCHIP TECHNOLOGY INC. DsPIC33F/PIC24H Family Reference Manual: Section 22. Direct Memory Access (DMA) [online] [cit ]. Dostupné z: 23