Ethernet module on PIC18F97J60 microcontroller. Moduł sieciowy na mikrokontrolerze PIC18F97J60

Transkrypt

1 Przemysław Szwarc V rok Koło Naukowe Techniki Cyfrowej dr inż. Wojciech Mysiński opiekun naukowy Ethernet module on PIC18F97J60 microcontroller Moduł sieciowy na mikrokontrolerze PIC18F97J60 S t r e s z c z e n i e Coraz bardziej praktyczne staje się wykorzystanie istniejących sieci komputerowych jako środka komunikacji dla różnorodnych urządzeń elektronicznych. Artykuł w skrócony sposób przedstawia budowę i zasadę działania urządzenia, które jednocześnie pełni rolę miniaturowego serwera WWW oraz samodzielnego systemu sterowania, systemu do którego dzięki globalnej sieci możliwy jest dostęp z niemal każdego miejsca na ziemi do którego dotarł już Internet. Słowa kluczowe: mikrokontroler, Ethernet, moduł A b s t r a c t Use of a computer network is getting more practical as a communication medium between various electronic devices. The article presents in a short way construction and principle functioning suchlike device, that is simultaneously a miniature web server and a stand-alone control system, a system that user can access through world wide web from entire globe wherever is Internet. Keywords: microcontroller, Ethernet, module

2 1 Wstęp W obecnych czasach Internet dotarł już niemal wszędzie, jest obecny w prawie każdym domostwie, biurze, w małych zakładach pracy, w dużych fabrykach, a wraz z nim sieci telekomunikacyjne które są niezbędne do jego funkcjonowania. Najbardziej rozpowszechniona jest kablowa sieć typu Ethernet, obecne standardy prędkości w takiej sieci pozwalają na przesyłanie dużych ilości danych, umożliwia to jednoczesne prowadzenie rozmów telefonicznych, oglądanie telewizji, czy przeglądanie stron WWW. Sposobów na wykorzystanie takiej sieci jest wiele, jednym z nich jest podłączenie różnorodnych urządzeń takich jak telewizory, konsole do gier, urządzenia audio, kamery przemysłowe, urządzenia alarmowe, sterowniki przemysłowe, automaty z napojami, drukarki. Daje to możliwość zdalnego sprawdzenia stanu urządzenia, zużytych materiałów, aktualnie wykonywanego zadania, zmiany parametrów pracy, sterowania elementami wykonawczymi. Zasięg takiej komunikacji jest globalny a zarazem względnie tani. Warunkiem poprawnego działania w sieci jest wyposażenie urządzenia w odpowiedni interfejs sprzętowy oraz programowa obsługa protokołu TCP/IP. Kiedyś do tego celu służył komputer klasy PC z wbudowaną kartą sieciową oraz z zainstalowanym oprogramowaniem. Takie rozwiązanie posiada jednak wady, mianowicie: rozmiar klasycznego komputera, koszt zakupu i oczywiście zapotrzebowanie na energię. Rozwiązaniem tych problemów może być zastosowanie pojedynczego układu który mógłby zastąpić Peceta w zakresie komunikacji sieciowej. Istnieje cała gama układów tego typu, są to specjalizowane mikrokontrolery wytwarzane przez różnych producentów. Cechują się niskim kosztem, małymi rozmiarami i coraz to większymi możliwościami. Wydajność niektórych z nich pozwala na uruchomienie systemu operacyjnego co do niedawna było zarezerwowane tylko dla większych maszyn. 2. Mikrokontroler PIC18F97J60 PIC18F97J60 jest ośmiobitowym niskonapięciowym mikrokontrolerem produkowanym przez firmę Microchip, występuję w obudowie 100-pin TQFP, dostępne są również mniejsze odmiany układu 64 i 80 pin. Technologia nanowatt zapewnia szereg funkcji mających na celu zredukowanie zużycia energii co ma znaczenie w projektach z zasilaniem bateryjnym. Najbardziej charakterystyczną cechą tego układu jest zintegrowany kontroler sieci Ethernet w pełni kompatybilny z sieciami 10/100/1000Base-T, posiada również zintegrowany MAC oraz 10Base-T PHY, 128kB pamięci Flash dla programu,8kb niezależnej pamięci dla bufora Ethernetu, rozsyłanie pakietów metoda Unicast, Multicast oraz Broadcast, oprócz tego wyposażony został w wiele innych funkcji takich jak: elastyczny system taktowania procesora od 2.78 do 41.67MHz dla rezonatora 25MHz pamięć programu ROM 128kB pamięć operacyjna RAM 3.8kB napięcie zasilania w zakresie od 2.35V do 3.6V (3.14V do 3.45 w trybie pracy modułu Ethernet) wysokie prądy dla PortuB i PortuC wejście/wyjście 25mA pięć timerów: dwa 8-bit i trzy 16-bit cztery zewnętrzne piny obsługujące przerwania

3 dwa moduły CCP trzy rozszerzone moduły ECCP, jedno dwa lub cztery wyjścia PWM z wybieralną polaryzacją dwa moduły MSPP wspierający standard SPI (wszystkie 4 tryby) oraz I2C (tryby Master i Slave) dwa moduły USART obsługujące standard: RS-485, RS kanałowy, 10 bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy wejścia cyfrowe tolerujące napięcie 5.5V Wachtdog Timer programowalny w zakresie od 4ms do 134s ICSP złącze programowania układu zamontowanego zewnętrzna szyna pamięci adresowalna do 2MB kontroler Ethernetu zgodny z IEE zintegrowany MAC oraz 10Base-T PHY automatyczne wykrycie polaryzacji portu Ethernet 8kB pamięci SRAM dla bufora Ethernetu automatyczne powtórne wysłanie pakietu w przypadku kolizji automatyczna generacja sum kontrolnych CRC automatyczne odrzucanie błędnych pakietów sygnalizacja aktywności oraz statusu Producent układu zapewnia, jako biblioteki w języku C, bezpłatny stos TCP/IP optymalizowany dla rodzin mikrokontrolerów PIC18, PIC24 oraz dspic. Stos jest zestawem programów które dostarczają usługi dla aplikacji opartych o protokół TCP/IP. Użytkownik nie musi znać wszystkich złożonych specyfikacji protokołu TCP/IP aby go używać. Stos jest podzielony na wiele warstw, gdzie każda z warstw ma dostęp do usług z jednej lub więcej warstw bezpośrednio pod nią. Przez specyfikacje wiele warstw stosu TCP/IP dostępne są nie tylko w przypadku ich wywołania ale także w przypadku wystąpienie zdarzenia takiego jak time-out czy przybycie nowego pakietu. Praktyczne implementacje mogą być zrealizowane w przybliżeniu na 28-34kB kodu programu. w zależności od wykorzystanych modułów, pozostawiając więcej przestrzeni pamięci programu dla aplikacji użytkownika. Protokoły wspierane przez darmowy stos TCP/IP: ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DHCP, SNMP, HTTP, FTP, TFTP. 3. PIC-MAXI-WEB PIC-MAXI-WEB jest płytką ewaluacyjną oferowaną przez firmę Olimex, sercem zestawu jest mikrokontroler PIC18F97J60, dodatkowo na wyposażeniu znajdują się: przekaźniki, wyświetlacz LCD, wejścia analogowe, odseparowane wejścia optyczne, potencjometr, termistor, gniazdo Ethernet. Dostępne jest również gniazdo z bezpośrednio wyprowadzonymi pinami mikrokontrolera co daje użytkownikowi możliwość podłączenia własnych elementów zewnętrznych. Dostępne jest również gniazdo ICSP/ICD które służy do programowania układu bez potrzeby demontażu czyli tzw. programowanie w systemie, oraz dynamicznej analizy programu w trakcie jego wykonywania co znacznie przyspiesza proces projektowania.

4 Rys. 1. Widok płytki PIC-MAXI-WEB. 4. Moduł rozszerzający Moduł ma na celu poszerzenie zakresu możliwości PIC-MAXI-WEB. Wyposażony został w dwa dodatkowe przekaźniki, cztery wyjścia tranzystorowe z dwa jako wyjścia z modulacją szerokości impulsu (PWM) pracujące z częstotliwością 2,5kHz. Zegar PCF8583 z podtrzymaniem bateryjnym, dwa wyjścia analogowe 0-10V działające w oparciu o przetwornik MAX518 oraz wzmacniacz, zegar jak i przetwornik komunikują się z mikrokontrolerem poprzez wspólną magistralę I2C. Cztery wejścia logiczne przystosowane do napięcia +24V oraz termometr cyfrowy mogący pracować w zakresie temperatur od -55 C do +125 C. Całość została zaprojektowana i wykonana w warunkach domowych, niektóre części pochodzą z odzysku. Schemat elektryczny jak i model PCB wykonany został za pomocą programu EAGLE.

5 Rys. 2. Widok płytki rozszerzeń. 5. Działanie Po załączeniu zasilania na wyświetlaczu LCD ukazuje się pierwotnie zaprogramowany adres IP urządzenia, informacja ta jest niezbędna do wywołania sterownika. W przypadku gdy w sieci zastosowany jest serwer DHCP, sterownik pobierze przydzielony mu przez ten serwer nowy adres IP który także zostanie wyświetlony. W przeglądarce internetowej obsługującej język JAVA w miejsce adresu internetowego należy wpisać adres IP urządzenia po zatwierdzeniu wyświetlone zostanie okienko wymuszające podanie loginu oraz hasła w celu uzyskania dostępu do strony WWW, na której wyświetlane są stany wszystkich wejść oraz wyjść zastosowanych w sterowniku. Zaimplementowane to zostało po to aby osoby niepowołane nie miały dostępu do sterownika. Zmiana loginu i hasła wymaga przekompilowania programu i ponownego zaprogramowania mikrokontrolera. Po udanym logowaniu wyświetlona zostanie strona WWW, na której wyświetlane są stany wyjść, wejść, odczytana temperatura, godzina. Możliwe jest też ręczne wysterowanie każdego z wyjść, zmiana godziny wszystko poprzez przeglądarkę. Możliwa jest także zmiana wyglądu strony, wcześniej odpowiednio przygotowaną stronę można wysłać do sterownika który zapisze ją sobie w zewnętrznej pamięci.

6 Rys. 3. Strona WWW sterownika w przeglądarce. Sam podgląd wejść/wyjść, czy ich ręczna zmiana jest dobra wtedy gdy nad danym procesem czuwa operator, zapewniona tez musi być łączność, w przypadku jej utraty tracona jest kontrola nad sterownikiem. Rozwiązanie takie jest mało użyteczne, wyjściem z takiej sytuacji jest zaimplementowanie algorytmu sterowania wewnątrz samego urządzenia, które w przypadku utraty łączności poradzi sobie z powierzonym mu zadaniem. 6. Literatura [1] Bentham J. TCP/IP Lean Web Servers for Embedded Systems, CMP Books, Kansas 2002 [2] Grębosz J. Symfonia C++, Oficyna Kallimach, Kraków 1999 [3] Hadam P. Projektowanie systemów mikroprocesorowych, BTC, Warszawa 2004 [4] PIC18F97J60, stos TCP/IP [5] Predko M. Programming and Customizing the PIC Microcontroller, The McGraw-Hill Companies