Zdalny czujnik. Adam Zugaj Wydział Elektroniki, PWr IV rok, AiR (ARR) Wrocław, 12 czerwca 2009

Transkrypt

1 Zdalny czujnik Adam Zugaj Wydział Elektroniki, PWr IV rok, AiR (ARR) Wrocław, 12 czerwca 2009 Dokument został stworzony w ramach kursu Wizualizacja danych sensorycznych, prowadzonego przez dra inż. Bogdana Kreczmera na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej. 1

2 Spis treści 1 Cel projektu 3 2 Założenia projektowe 3 3 Realizacja projektu Moduł czujnika Moduł transceivera Moduł sterownika Program Komunikacja pomiędzy urządzeniami Odczyt danych z termometru Wysyłanie i odbiór danych z transceivera Komunikacja PC ze sterownikiem Wyniki pracy 9 6 Podsumowanie 9 A Dodatek 11 B Dodatek 14 2

3 1 Cel projektu Celem projektu jest realizacja odczytów danych z czujnika poprzez łącze radiowe. 2 Założenia projektowe Jako czujnik, z którego będą pobierane dane zostanie użyty cyfrowy termometr. Dane natomiast będą wysyłane i odbierane przez transceiver, tzn. urządzenie, które może pracować zarówno jako nadajnik jak i odbiornik radiowy. Następnie tak odczytane i wysłane dane będą odbierane przez sterownik i przesyłane do komputera poprzez łącze RS232. Do wyświetlania wyników zostanie napisana odpowiednia aplikacja. 3 Realizacja projektu Cały projekt został podzielony na kilka części: moduł czujnika, moduł transceivera, moduł sterownika oraz program komputerowy. Realizacje poszczególnych części projektu zostały opisane w rozdziałach (3.1, 3.2, 3.3, 3.4). 3.1 Moduł czujnika Głównymi elementami, które wchodzą w skład czujnika są: cyfrowy termometr DS18S20 firmy Dallas Semiconductor oraz mikrokontroler ATtiny2313 firmy Atmel. Schemat ideowy modułu czujnika został przedstawiony na rysunku (5) w dodatku (A). Termometr DS18S20 mierzy temperaturę w zakresie od 55 do +125 C z dokładnością do 0.5 C. Czas odczytu danych wynosi ok. 750ms, zaś cały układ komunikuje się z mikrokontrolerem poprzez interfejs 1-wire, czyli do przesyłania danych wykorzystywana jest tylko jedna linia. Mikrokontroler ATtiny2313 jest niewielkim, 20-pinowym układem. Jego zadaniem jest odczyt danych z czujnika, a następnie przekazanie ich do transceivera, który wyśle je drogą radiową do sterownika. 3.2 Moduł transceivera W celu wysyłania i odbierania danych został zaprojektowany osobny moduł transceivera. Głównym elementem pełniącym role nadajnika i odbiornika jest układ CC1100 firmy Texas Instruments. Schemat ideowy modułu transceivera został przedstawiony na rysunku (6) w dodatku (A). 3

4 Układ CC1100 komunikuje się z urządzeniami zewnętrznymi poprzez szeregowy interfejs SPI. Urządzenie posiada wiele rejestrów konfiguracyjnych, dzięki którym sami możemy wybrać tryb pracy układu jaki nam najbardziej odpowiada. Ustawiać możemy m.in.: prędkość transmisji, sposób kodowania przesyłanego sygnału czy moc sygnału wyjściowego. Aby poprawnie skonfigurować wszystkie rejestry, producent zaleca skorzystanie ze specjalnego programu SmartRF Studio. Tak też zostało to zrealizowane w opisywanym projekcie. Urządzenie CC1100 może pracować na częstotliwościach 315, 433, 868 oraz 915MHz. W Polsce dopuszczalne są jedynie pasma 433 i 868MHz. W projekcie zdecydowano się użyć pasma 433MHz. 3.3 Moduł sterownika Ostatnią częścią sprzętową całego projektu jest moduł sterownika. Głównymi elementami wchodzącymi w skład opisywanego modułu są: mikrokontroler ATtiny2313 firmy Atmel, układ FT232RL firmy FTDI (Future Technology Devices International), konwertery napięć 74AC125 i 74HCT126. Schemat ideowy modułu ilustruje rysunek (7) w dodatku (A). Zadaniem mikrokontrolera jest odbiór danych z transceivera i nastepnie wysłanie ich do komputera PC. Układ FT232RL tworzy z gniazda USB komputera wirtualny port COM. Dzięki takiemu rozwiązaniu, sterownik może być zasilany bezpośrednio z komputera. Poza tym bardzo rzadko spotyka się laptopy wyposażone w port COM, a dzięki FT232RL łączymy sterownik do portu USB i komunikujemy się z nim jak przez łącze RS232. Dodatkowym elementem wpływającym na korzyść stosowania takiego układu jest fakt, iż nie musimy stosować konwertera napięć i zaoszczędzić cenne miejsce na płytce drukowanej. Układy 74AC125 i 74HCT126 to konwertery napięć. Maksymalne napięcie zasilania transceivera wynosi 3.6V, a mikrokontroler zasilany jest napięciem 5V. Sygnały pochodzące od transceivera należy zatem wzmocnić zanim dotrą one do mikrokontrolera (jest to zadanie układu 74HCT126), zaś napięcie dla sygnałów pochodzących od mikrokontrolera musi zostać obniżone do dopuszczalnego przez układ CC1100 (realizuje to układ 74AC125). 3.4 Program W celu wizualizacji wyników pomiarów został stworzony, z wykorzystaniem bibliotek Qt oraz QextSerialPort, prosty program wyświetlający temperaturę. Rysunek (1) pokazuje wygląd głównego okna aplikacji. Program ten komunikuje się ze sterownikiem poprzez RS232 i wysyła do niego zapytanie. 4

5 Rysunek 1: Główne okno aplikacji. Następnie czeka pewien czas na wyniki i wyświetla odczytane dane w oknie głównym lub informuje o ewentualnym błędzie. 4 Komunikacja pomiędzy urządzeniami W tym rozdziale zostanie przedstawiona realizacja przesyłu danych dla poszczególnych układów. 4.1 Odczyt danych z termometru Cyfrowy termometr DS18S20 komunikuje się z mikrokontrolerem poprzez interfejs 1-wire. Odczyt temperatury można zrealizować np. zgodnie z poniższym algorytmem: 1. Resetujemy termometr, w tym celu: Podajemy stan niski na linii (przez ok. 480us), Ustawiamy z powrotem stan wysoki na linii 1-wire, Termometr powinien odpowiedzieć również stanem niskim, 2. Podajemy sekwencję instrukcji (bit po bicie, zachowując ramy czasowe pokazane na rysunku (2)): 0xCC oraz 0x44, 3. Termometr odczytuje temperaturę (czekamy ok. 750ms), 4. Podajemy sekwencję instrukcji: 0xCC oraz 0xBE, 5. Termometr odpowiada, wysyłając kolejno wartość temperatury (pierwszy bajt) i znak (drugi bajt wartość 0x00 oznacza, że temperatura jest dodatnia, zaś 0xFF informuje o temperaturze ujemnej). 5

6 Rysunek 2: Ramy czasowe podczas wysyłania i odczytywania bitu na magistrali 1-wire. 4.2 Wysyłanie i odbiór danych z transceivera Najbardziej pracochłonną częścią projektu, była konfiguracja transceivera. W tym celu należało stworzyć funkcje do odczytu i zapisu danych poprzez SPI. Sposób przesyłania danych poprzez SPI został pokazany na rysunku (3). Układ CC1100 posiada 2 tryby komunikacji: zwykły i burst. W związku z tym, iż niektóre rejestry mogą być zapisywane i odczytywane tylko w trybie burst, należało stworzyć 4 funkcje (2 do zapisu danych oraz 2 do odczytu). Układ firmy Texas Instruments po restarcie posiada w swoich rejestrach pewne wartości domyślne. Jeżeli jednak chcemy skonfigurować urządzenie wg naszych potrzeb, producent zaleca wykorzystanie programu SmartRF Studio. Wygląd głównego okna programu został przedstawiony na rysunku (4). W programie tym możemy ustawić interesujące nas parametry, takie jak częstotliwość pracy, prędkość transmisji, poziom mocy sygnału wyjściowego, sposób kodowania przesyłanej ramki czy częstotliwość zastosowanego rezonatora. Następnie program sam oblicza wartości odpowiednich rejestrów, a gotowe dane możemy wyeksportować do pliku tekstowego. Naszym zadaniem 6

7 Rysunek 3: Przebieg impulsów na odpowiednich liniach podczas zapisu i odczytu danych dla układu CC1100. jest wpisanie tych wartości do odpowiednich rejestrów układu w czasie startu programu. Ciekawym elementem układu CC1100 jest linia GDO0. Może ona posiadać różne funkcje, jednak najciekawszą wydaje się być możliwość poinformowania, zmianą stanu tej linii, o odbiorze lub nadaniu pakietu. W ten sposób mikrokontroler przez zewnętrzne przerwanie, może zostać poinformowany o odebraniu pakietu przez transceiver i wykonać czynności związane z odczytem danych. W związku z tym, iż przesyłana ilość danych jest niewielka, prędkości transmisji dla transceivera została ustawiona na najniższą z możliwych, tzn. 1.2kBaud. 4.3 Komunikacja PC ze sterownikiem Komunikacja pomiędzy PC a sterownikiem została zrealizowana poprzez łącze RS232. Od strony mikrokontrolera wykorzystano moduł USART, w który wyposażył go producent. Z komputera PC transmisja ta została zrealizowana przy użyciu biblioteki QextSerialPort, która jest bardzo pomocna przy przesyłaniu danych poprzez port szeregowy i działa zarówno pod systemami Windows jak i Linuks. Prędkość transmisji została ustawiona na 19200bps. 7

8 Rysunek 4: Wygląd głównego okna aplikacji SmartRF Studio. 8

9 5 Wyniki pracy Wszystkie moduły zostały zaprojektowane a następnie wykonane samodzielnie. W dodatku (B) zostało umieszczone zdjęcie pokazujące wynik pracy. Kolejne części poprawnie komunikują się między sobą i odczyt danych jest prawidłowy. Największy problem z przesyłaniem danych stanowi uzyskana odległość pomiędzy czujnikiem a sterownikiem. Jeżeli na drodze sygnału nie występują przeszkody to wynosi ona kilkanaście metrów. Niewątpliwie w dużej mierze związane jest to z anteną. Aby poprawić uzyskany rezultat można np. dołączyć do sterownika antenę zewnętrzną. Inny problem jaki wystąpił po uruchomieniu czujnika był związany ze zbyt małą pojemnością zastosowanej baterii. Czujnik, gdy jest w trybie nasłuchu (czeka na dane) pobiera niecałe 20mA prądu, z czego zdecydowana większość (ok. 18mA) jest przeznaczona dla transceivera. Okazuje się, że zastosowana bateria płaska typu CR2032 jest mało wydajna. W celu rozwiązania tego problemu można zastosować 2 baterie typu AAA lub też pozostać przy baterii CR2032 i skorzystać z ciekawej funkcji oferowanej przez producenta WOR (Wake On Radio). Polega ona na wprowadzeniu układu w stan uśpienia (wtedy pobiera on ok. 400nA prądu), a następnie cyklicznym wybudzaniu go, przechodzeniu do stanu nasłuchu i oczekiwaniu na dane. Jeżeli żadne dane nie zostaną odebrane, układ przechodzi z powrotem do stanu uśpienia. Cała procedura dzieje się bez udziału mikrokontrolera (ten może być poinformowany np. dopiero po odebraniu pakietu danych). Czasy, kiedy układ pozostaje w uśpieniu i nasłuchu są oczywiście programowalne. Problemem z wykorzystaniem tej usługi jest fakt, iż nadajnik o odbiornik powinny być razem zsynchronizowane. Gdy dane dotrą do obiornika w czasie, kiedy ten jest w stanie uśpienia, żadne pakiety nie zostaną odebrane. 6 Podsumowanie Projekt został poprawnie zrealizowany. Komunikacja pomiędzy poszczególnymi urządzeniami przebiega prawidłowo. Niewielka odległość przesyłu danych oraz zbyt słaba bateria zastosowana w czujniku, to główne problemy jakie wystąpiły podczas realizacji zadania. Urządzenie można uczynić bardziej funkcjonalnym poprzez m.in. rozbudowanie aplikacji komputerowej, aby poszczególne opcje konfiguracyjne transmisji radiowej były dostępne z poziomu użytkownika jak również pokazanie poziomu odbieranego sygnału. Zdjęcie wykonanego projektu znajduje się w dodatku (B). 9

10 Literatura [1] CC1100 Data Sheet, Texas Instruments, [2] ATtiny2313 Data Sheet, Atmel, [3] DS18S20 Data Sheet, Dallas Semiconductor, [4] Ryszard Szymaniak, Jak oswoić i skłonić do pracy transceiver ISM CC1100, Elektronika Praktyczna,

11 A Dodatek Rysunek 5: Schemat ideowy modułu czujnika. 11

12 Rysunek 6: Schemat ideowy modułu transceivera. 12

13 Rysunek 7: Schemat ideowy modułu sterownika. 13

14 B Dodatek Rysunek 8: Gotowe moduły czujnika i sterownika wraz z transceiverami. 14