Wstęp *

I. Podstawy teoretyczne *

II. Wykonanie *

III. Wyniki pracy *

Wnioski *

Literatura *

Załączniki *

W ostatnich latach wzrosło poważnie zainteresowanie systemami sterowania dla celów mieszkalnictwa. Ostatnio odbyła się we Wrocławiu dwudniowa konferencja "Budynek Inteligentny"[4]. Ilość prezentacji ofert była tak duża, że prelekcje odbywały się równolegle. Wymieniono przykłady już sprzedanych budynków mieszkalnych budowanych aktualnie w Polsce zawierających pełne okablowanie strukturalne.

Niniejsza praca koncentruje się głównie na automatyzacji pojedynczego mieszkania (ang. Home Automation) raczej wypracowując własne rozwiązania niż wykorzystując gotowe. Ma to związek z koniecznością zaproponowania możliwie niskiej ceny akceptowalnej dla większej liczby odbiorców.

Impulsem twórczym rozpoczęcia prac był całkiem niewinny system sterowania oświetleniem, który wielu projektantów i użytkowników uważa za pożyteczny. Chodzi o tak niewdzięczne pomieszczenia jak przedpokoje, przez które chcąc przejść bezpiecznie trzeba załączyć oświetlenie a także inne pomieszczenia, gdzie wygoda użytkownika wymusza stworzenie systemu załączającego oświetlenie w zależności od obecności osób w pomieszczeniu czy innych czynników jak pora, aktualne ustawienie. Najbardziej oczywistym rozwiązaniem jest użycie fotokomórek we framugach drzwi i zliczanie wchodzących i wychodzących osób. Pojawia się jednak problem kolejkowania danych z dwu lub więcej fotokomórek w danym pomieszczeniu a także współdzielenia fotokomórek przez liczniki dwu sąsiadujących pomieszczeń. Wszystko to powoduje, że przy czysto sprzętowej realizacji takiego systemu pojawiłoby się mnóstwo połączeń a na to nie zgodzi się przeciętny użytkownik. Pojawił się więc pomysł stworzenia na te potrzeby sieci magistralowej. Oczywiście nadal wymaga to okablowania prawie całego mieszkania jednak wszędzie są to pojedyncze połączenia do magistrali w odróżnieniu od sprzętowej realizacji, gdzie w okolicach liczników połączeń musiałoby być więcej.

Pojawiła się więc koncepcja systemu składającego się z sieci magistralowej i urządzeń komunikujących się przy jej pomocy. Jednym z przydatnych acz nie niezbędnych do pracy elementów systemu powinien być komputer umożliwiający konfigurację sieci i bieżące sprawdzanie jej stanu. Zrozumiałe więc, że jednym z elementów systemu musi być karta do komputera. Należy zauważyć, że wszystkie urządzenia przyłączone do sieci z jej punktu widzenia są skonstruowane podobnie i traktowane jednakowo. Różnią się tylko urządzeniami wykonawczymi. Przyglądając się dokładniej karta do komputera jest jedną z bardziej skomplikowanych.

• wspomniana już karta sieciowa
• zegar centralny
• proste urządzenia wyjściowe takie jak oprawy oświetleniowe czy punkty przyłączeniowe
• proste urządzenia wejściowe

Zdecydowałem, że pierwszym realizowanym urządzeniem będzie wspomniana już karta sieciowa. Biorąc pod uwagę konieczność wypracowania rozwiązania przydatnego także w konstrukcji innych przyłączonych urządzeń oraz możliwości stworzenia taniego sterownika uniwersalnego zdecydowałem także o użyciu procesora jednoukładowego 8051 [1,3,6,7,8,13,19,21] po rozbudowaniu o dodatkowe elementy.

W pozostałych urządzeniach procesor oprócz zapewnienia komunikacji z siecią będzie pełnił aktywną rolę realizując zadania odpowiednie do urządzeń, w które zostanie wbudowany. Prędkość transmisji takiego rozwiązania dla celów sterowania jest wystarczająca a obniża znacznie cenę porównując do uzyskanej przy wbudowaniu w urządzenia szybkich, ale dodatkowych sterowników. Oczywiście nie wyklucza to innych rozwiązań. Do bardziej wymagających zastosowań jak np. transmisja danych cyfrowych między komputerami można skonstruować równoległą, szybką sieć, która z czasem (coraz niższe ceny) przejmie zapewne zadania wolniejszej. Jednocześnie są gotowe i dość szeroko stosowane na świecie rozproszone rozwiązania firmy Echelon [4] dla niektórych popularnych "głupich" elementów jak np. oprawy oświetleniowe, które można wykorzystać.

Bazując na wcześniejszych doświadczeniach w konstruowaniu karty zgodnej z popularnymi swego czasu Arcnet [20] lub obecnie Ethernet zaprojektowałem nieco prostszą kartę komunikującą się z komputerem w podobny sposób.

Mikrokontroler jednoukładowy jest pojedynczym układem scalonym zawierającym oprócz samego procesora także najczęściej używane urządzenia peryferyjne takie jak pamięć stała ROM, EPROM, E²PROM, FLASH, pamięć RAM, sterowniki przerwań, układy transmisji szeregowej, układy wejścia-wyjścia, zegar itp. Jest często stosowany w sprzęcie elektronicznym powszechnego użytku ze względu na małe rozmiary i wystarczającą elastyczność. Następca procesora 8048 układ 8051 jest jednym z częściej stosowanych. Jest dostarczany przez wielu producentów np. Intel, Signetics. Na rysunku 1 pokazano z jakich bloków składa się. Rozkład wyprowadzeń pokazano na rysunku 2. Strukturę wewnętrzną na rysunku 3 a na rysunku 4 mapę pamięci procesora. [1,19]

Rysunek 2. Rozkład wyprowadzeń 8051

Rysunek 3. Struktura wewnętrzna 8051

Układ przeznaczony jest do transmisji danych zgodnie ze standardem RS232 [16]. Sprowadza poziom napięć z wartości charakterystycznych dla układów cyfrowych +5V tj. napięcia jedynki i zera do 12 V odpowiednio dodatnie i ujemne.

• R_in - wejście sygnału odbioru (R od angielskiego od ang. receive - odbierać)
• R_out - wyjście sygnału odbioru
• T_in - wejście sygnału nadawania (T od ang. transmit - nadawać)
• T_out - wyjście sygnału nadawania

• CE - chip enable,
• OE - output enable
• VPP, PGM - używane przy programowaniu

• CS1, CS2 - chip select
• WE - write enable
• OE - output enable

I.6.1. Wg sposobu synchronizacji

• synchroniczna
• asynchroniczna

Główna różnica polega na sposobie synchronizacji. W układach asynchronicznych można uzyskać ją tylko przez porównanie przesłanych porcji informacji podczas gdy w układach synchronicznych jest utrzymywana na bieżąco podczas dokonywania transmisji. Używa się do tego kodów samosynchronizujących np. Manchester. Ze sposobu synchronizacji wynika także długość przesyłanych porcji. W transmisji asynchronicznej są to zwykle krótkie porcje 5 do 8 bitów. Każda porcja rozpoczyna się bitem startu a kończy jednym, półtora lub dwoma bitami stopu. Stosuje się także dodatkowy bit parzystości. W transmisji synchronicznej mamy do czynienia z dłuższymi porcjami. Również każda ramka (porcja danych) ma określony format i jest możliwe przesyłanie sumy kontrolnej CRC, nagłówków. [20]

• gwiazda
• magistrala
• pierścień

Topologia gwiazdy na zastosowanie tam, gdzie chodzi o rozdystrubuowanie danych z jednego centralnego punktu do wielu klientów. Przykład serwer obsługujący wiele terminali np. specjalizowany serwer terminali czy ogólna hierarchia publicznych niusów w Polsce.

Topologia magistrali jest dość wygodna. Zaletą swobodne przyłączanie nowych urządzeń bez potrzeby konfiguracji uwzględniającej topologię. Wadą łatwe zatykanie sieci przez wymagające urządzenia jak np. współpracujące ze sobą serwery. Jako panaceum stosuje się przyłączanie takich urządzeń przez switch'e tak by ruch generowany przez nie nie przenosił się na całą sieć.

• niekomutowany
• adresowanie zawartością
• adresowanie zawartością z detekcją nośnika
• adresowanie zawartością z detekcją nośnika i detekcją kolizji
• adresowanie ruchomym slotem
• adresowanie wędrującym znacznikiem

Z dostępem niekomutowanym mamy do czynienia przy podłączeniu dokładnie dwóch węzłów. Przy większej ilości węzłów niezbędne jest adresowanie połączone z przydzielaniem uprawnień do nadawania w sieci. Najczęściej nie wystarcza adresowanie zawartością tj. przesyłanie w treści pakietu informacji o celu przesyłki ponieważ w przypadku rozpoczęcia nadawania przez więcej niż jednego użytkownika dochodzi zwykle do zniekształcenia pakietu, który może zostać uznany za prawidłowy mimo zniekształcenia. Aby temu zapobiec użytkownik powinien dokonać detekcji nośnika (CSMA - Carrier Sense Multiple Access) i rozpocząć nadawanie kiedy medium jest wolne. To niestety nie rozwiązuje problemu ponieważ przy dużym obciążeniu sieci istnieje spore prawdopodobieństwo, że dwa urządzenia uznają, że medium jest wolne i jednocześnie rozpoczną nadawanie. Wprowadzono więc dodatkowo detekcję kolizji (CSMA/CD. - CSMA with Collision Detection) tj. kiedy w pewnym momencie dane urządzenie zauważy, że nadaje wraz z drugim przerywa transmisję i wznawia ją po losowym odcinku czasu. Stosowane w popularny kartach Ethernet. I to nie jest idealnym rozwiązaniem bo przy dużym ruchu większość urządzeń znajduje się po trafieniu w kolizję w wyniku czego mimo zajętości nośnika nie odbywa się przesyłanie kompletnych paczek. Przy pierścieniowej topologii zaczęto więc stosować adresowanie ruchomym slotem, w którym krążący slot przesyła dane aż do zwolnienia przez nadawcę (samego siebie). Jeszcze innym sposobem jest adresowanie ruchomym znacznikiem (ang. Token passing). Ruchomy znacznik służy przydzielaniu uprawnień podczas gdy dane krążą osobno. Może być stosowany zarówno przy topologii pierścieniowej jak i magistralowej wtedy jest tworzony pierścień logiczny (jak w kartach Arcnet) czy dowolnej innej. Przy adresowaniu ruchomym znacznikiem i topologii magistralowej praktycznie nie ma kolizji. Jedyną sytuacją kiedy urządzenie zakłóca innym pracę jest jego pierwsze podłączenie. Wymusza się zakłóceniem rekonfigurację sieci tak by zauważyła je.

• wykonania karty prototypowej,
• oprogramowania jej
• oprogramowania komputera PC.

Przy projektowaniu i wykonywaniu karty całości posłużono się komercyjnym oprogramowaniem: Orcad, AutoTrax, Protel do narysowania schematu oraz zaprojektowania druku płytki [18]. Wykorzystano opisany we wstępie do niniejszej pracy procesor jednoukładowy 8051 taktowany zegarem 12MHz, pamięć RAM 6264, EPROM 2764 oraz kilka układów małej i średniej skali integracji TTL. Schemat elektryczny całej karty udostępniono w dodatku.

Podłączenie do magistrali ISA [15] komputera zrealizowano poprzez typowe złącze krawędziowe ED1 wykorzystując krótką jego część zapewniającą przesyłanie 8 bitów danych i 20 bitów adresowych oraz zasilanie dla układu. Sygnały danych są zatrzaskiwane w buforach U3 i U5 [10,11,12,14] tak by zarówno komputer PC jak i procesor jednoukładowy nie musiały analizować stanu magistrali danych w czasie rzeczywistym. Wystawianiu danej z obu stron towarzyszy generowanie przerwania. Tak, więc zarówno PC jak i procesor jednoukładowy zareagują na udostępnienie danej obsługą przerwania. Impuls dla komputera PC jest formowany programowo na porcie P1.0 mikroprocesora U1 i transmitowany poprzez układ U24 i przełącznik SW1 tak by wygenerowane zostało odpowiednie do wybranego ustawienia przełącznika przerwanie PC. Dla procesora jednoukładowego impuls jest generowany sprzętowo wraz z wpisywaniem danych do bufora U3. Niezbędne przedłużenie czasu trwania impulsu do przynajmniej 12 cykli zegarowych (1 cykl przy zegarze 12MHz to 2 Îźs) procesora jednoukładowego zapewnia układ U28. Dla podanych wartości R10, C8 osiąga się wydłużenie impulsu do 31Îźs. Dekodowaniem adresu zajmują się układy U14 i U15 [10] reagujące na adres 2E1h. Biorąc pod uwagę bramkowanie wejściami G1,G2A i G2B, wykorzystanie odpowiedniego wyjścia Y oraz wzajemne połączenie układów otrzymujemy ciąg binarny 101110001 odpowiadający właśnie heksadecymalnie wyrażonemu adresowi 2E1. Sygnał z tego dekodera jest bramkowany sygnałami AEN, IOW i IOR przy użyciu bramek U25 i U26. Od strony procesora jednoukładowego impulsy sterujące buforami U3 i U5 powstają poprzez zbramkowanie sygnału z dekodera U10 z sygnałami RD, WR.

Mikroprocesor jednoukładowy został uzupełniony dodatkowymi układami zapewniającymi możliwość komunikowania się z komputerem PC a przede wszystkim zwiększające jego możliwości. Dodano dekoder adresu U10 [10] umożliwiający umieszczenie w obszarze adresowym większej liczby urządzeń. Wykorzystano dwa najstarsze bity adresu do wyboru urządzenia: 00 - EPROM U17, 01 - latch'e U3, U5, 10 - wolne i 11 - pamięć buforująca RAM U19.

Pierwszym z przyłączonych urządzeń jest pamięć programu U17 w postaci pamięci EPROM przyłączonej do magistrali danych, magistrali adresowej oraz sterującej sygnałem PSEN. Pełny adres niezbędny do jej adresowania uzyskano zatrzaskując w buforze U16 bity 0..7 adresu zgodnie z sygnałem ALE.

Drugie urządzenie to pamięć U19 typu RAM. Adresowanie wykorzystuje bufor pamięci EPROM U16 oraz sygnały WR i PSEN U1 w taki sposób by pamięć była "widoczna" jako pamięć danych w trybie tylko do pisania i jednocześnie jako pamięć programu tylko do czytania.

Kolejne urządzenie to pamięć zrealizowana na buforach U3 i U5 bramkowana sygnałami RD, RW poprzez układy U25, U26.

Do transmisji wykorzystano wewnętrzny port szeregowy procesora U1 uzupełniony zewnętrznym nadajnikiem U27. Układ U27 został przyłączony standardowym wejściami TxD i RxD procesora U1 i wyprowadzony na zewnątrz karty złączem zgodnie ze standardem RS tj. wyprowadzeniami 2 (RxD), 3 (TxD) i 7(GND). Nie zdecydowano się na zaimplementowanie swobodnego dostępu do medium ze względu na szkoleniowy charakter pracy. Jednak ze względu na dość wyraziste wydzielenie tego modułu nic nie stoi na przeszkodzie by w działającej już karcie zmienić układ transmisyjny na inny zapewniający np. adresowanie ruchomym znacznikiem.

Oprogramowanie karty zostało napisane w całości w asemblerze korzystając z informacji zawartych w literaturze polskiej i zagranicznej [1,3,6,7].

Po uruchomieniu układu w związku z wyzerowaniem procesora program rozpoczyna pracę od adresu zerowego. Następuje programowe ustalenie warunków pracy procesora po czym program wchodzi w pętlę czekając na ustawienie flagi ProgramSprawdzony. Wcześniejsze uaktywnienie przerwań powoduje, że przy wysyłaniu kolejnych bajtów na port wejściowy karty, widoczny od strony komputera, są generowane przerwania zmierzające do zmiany flagi ProgramSprawdzony. W rzeczywistości ładowanie programu jest dwuetapowe. Najpierw jest ładowany program tj. następuje kopiowanie danych podawanych na port wejściowy do pamięci RAM. Po jego załadowaniu jest ustawiana flaga ProgramZaładowany i następuje jego sprawdzanie. Karta wystawia kolejne komórki pamięci na port wyjściowy PC a program uruchomiony na komputerze może porównać je z tymi, które wysyłał. Dopiero po tym ustawiana jest flaga ProgramSprawdzony. Sterowanie jest oddawane do załadowanego programu poprzez skok na jego początek. Przerwania również są przekierowywane do załadowanego programu.

Program transmisyjny ma za zadanie przeprowadzanie transmisji w odpowiedzi na żądania przesyłane na port wejściowy przez komputer PC. Znajduje się w pamięci RAM po załadowaniu przez program ładujący. Jest możliwe, że program transmisyjny zastępuje program ładujący, umieszczony w pamięci stałej EPROM.

Program serwera zajmuje się odpowiadaniem na żądania z sieci dotyczące aktualnego czasu. Wraz z kartą może więc pełnić funkcję zegara centralnego. Programowa jego realizacja wynika z edukacyjnego charakteru pracy. Docelowo powinien to być osobny sterownik nie połączony inaczej niż przez ogólnodostępną sieć z komputerem zgodnie z założeniami podanymi we wstępie. Listing programu zamieszczono w załączniku do niniejszej pracy.

Udało się wykonać dwie kompletne karty przesyłające dane między sobą. Do komunikacji wykorzystano popularny interfejs RS232. Konstrukcyjnie karty są wykonane tak by było możliwe wstawienie dowolnego innego interfejsu biorąc pod uwagę nieco inne zastosowania lub wykorzystanie gotowych sterowników sieci oraz dzięki wbudowanej pamięci RAM, dowolnego programu transmisyjnego.

Podczas konstrukcji urządzenia brano pod uwagę uniwersalność urządzenia, możliwość dostosowania go do specyficznego zastosowania, czytelność dokumentacji. Wszystko po to by mogło być używane do założonego celu sterowania urządzeń w mieszkaniu a także czysto naukowych prób w laboratorium. Brano pod uwagę np. możliwość stworzenia podobnego przez przeciętnego elektronika na podstawie niniejszej pracy. Urządzenie znajdzie praktyczne zastosowanie do sterowania w mieszkaniu a także jako wdzięczny obiekt szkoleniowy dla studentów.

1. "8049/8051 Family Microcontroler User's. Guide 1988", Signetics Corporation, 1988
2. Skrypty Uniwersytetu Śląskiego nr 353, Jan Piecha, "Podzespoły maszyn cyfrowych ...", Uniwersytet Śląski, Katowice 1985
3. Piotr i Paweł Gałka, "Podstawy programowania mikrokontrolera 8051", MIKOM, Warszawa1995
4. "Inteligentny budynek - Integracja systemów raport 1997/1998", Walter Open Systems,Wrocław 1998
5. Dan. Osier, Steve Grobman, Steve Batson, "Delphi 2", SAMS Publishing, 1996
6. Henryk Małysiak, "Mikrokomputery jednoukładowe serii MCS48, MCS51, MCS96", Wydawnictwo Pracownik Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice 1992
7. Wybrane numery czasopisma, "Radioelektronik", z lat 1982-1998
8. Wybrane numery czasopisma, "Elektronika Praktyczna", z lat 1995-1998
9. Wybrane numery czasopisma, "PC Kurier", z lat 1990-1998
10. Jan Pieńkoś, Janusz Turczyński, "Układy scalone TTL w systemach cyfrowych", Wydawnictwa Telekomunikacji i łączności, Warszawa 1986
11. Piotr Misiurewicz, Marek Grzybek, "Półprzewodnikowe układy logiczne TTL", Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1982
12. Włodzimierz Sasal, "Układy scalone UCA64/UCY74", Wydawnictwa Komunikacji i łączności, Warszawa 1985
13. Piotr Misiurewicz, "Układy mikroprocesorowe", Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1983
14. Jan Pieńkoś, Stanisław Moszczyński, Adam Pluta, "Układy mikroprocesorowe 8080/8085 w modułowych systemach sterowania", Wydawnictwa Komunikacji i łączności, Warszawa 1988
15. Wybrane numery czasopisma, "Mikroklan"
16. Wojciech Mielczarek, "Szeregowe interfejsy cyfrowe", Helion, Gliwice 1993
17. Don Taylor, Jim Mischel, John Penman, Terence Goggin, "Programowanie w Delphi", Mikom, Warszawa 1997
18. Jerzy Kondarewicz, "Projektowanie płytek obwodów drukowanych...", Lynx-Sft, Warszawa 1993
19. Praca magisterska Zenona Kukuły, "Miernik różnicy pojemności z zastosowaniem mikrokomputera jednoukładowego 80C535", Uniwersytet Śląski, Katowice 1997
20. Jan Piecha, Piotr Porwik, "Transmisja danych w sieciach komputerowych", Skrypty Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 1992

Zasoby formatki głównej