Wizualizacja danych sensorycznych

Transkrypt

1 Wizualizacja danych sensorycznych Oprogramowanie do sterowania i wizualizacji działania przetwornicy sterowanej mikrokontrolerem Paweł Kaczmarek nr albumu: czerwca 2010

2 Spis treści 1 Opis projektu 2 2 Opis programu Zapis ustawień Opis interfejsu użytkownika Główne okno programu Okno ustawień komunikacji Okno pomiarowe Komunikacja Cel komunikacji i opis wybranych rozwiązań Modbus Rejestry Modbus Podsumowanie 11 1

3 1 Opis projektu Tematem projektu jest stworzenie oprogramowania do sterowania i wizualizacji działania czterokanałowej przetwornicy step - down realizowanej w ramach projektu Sterowniki Robotów, prowadzonego przez dra inż. Marka Wnuka. Przetwornica sterowana jest mikrokontrolerem MC9S08JM32CLD z rdzeniem HC9S08, ponadto w projekcie wykorzystywane są przetwornice LM2596ADJ o regulowanym napięciu wyjściowym i prądzie maksymalnym 3A, halotronowe czujniki natężenia prądu ACS712 (o wyjściu analogowym) oraz czujnik temperatury TC74 (komunikacja za pomocą interfejsu I 2 C). Ukończone oprogramowanie urządzenia ma pozwolić na: Pełną kontrolę pracy przetwornicy podczas połączenia z komputerem (zdalne włączanie/wyłączanie kanałów, włączanie/wyłączanie monitorowania kanałów, zadawanie alarmowej i maksymalnej temperatury pracy, zadawanie napięcia oraz jego dopuszczalnej odchyłki i maksymalnego prądu na każdym z kanałów Zadanie parametrów do pracy samodzielnej (zapisywanych w pamięci FLASH µc), pozwalających to na włączenie z zadanymi parametrami pracy zaraz po włączeniu zasilania) Wizualizację przebiegów czasowych napięć, prądów i temperatury urządzenia Wyświetlanie statusu urządzenia (aktualne błędy, ich resetowanie) Najistotniejsze elementy projektu to: Stworzenie okienkowej aplikacji sterującej (Qt4) Implementacja opcji sterujących Uruchomienie komunikacji z mikrokontrolerem (podstawowe funkcje protokołu Modbus - zapis i odczyt n rejestrów) Wizualizacja działania przetwornicy (Qwt) 2 Opis programu Stworzone oprogramowanie składa się z dwóch dwóch zasadniczych części jakimi są interfejs użytkownika zapewniający możliwość zmiany parametrów pracy i wyświetlenia aktualnego stanu przetwornicy oraz moduł komunikacji, oparty o protokołów Modbus - oba zagadnienia opisane są szczegółowo w kolejnych rozdziałach. Oprócz stworzonych własnoręcznie modułów i standardowych bibliotek Qt wykorzystane zostały biblioteki Qwt oraz qextserialport. Schemat blokowy stworzonego programu przedstawiony jest na rysunku 1, zaś diagram UML, ze względu na swoje rozmiary umieszczony został w pliku z materiałami dodatkowymi. 2

4 2.1 Zapis ustawień Biblioteka Qt4 dostarcza niezwykle użyteczne narzędzie do zapisu ustawień oprogramowania. Za pomocą klasy QSettings zapisać można (do pliku lub w standardowej dla systemu operacyjnego lokalizacji) dowolne parametry oprogramowania - od rozmiaru okien, przez zaznaczone komponenty, aż po przechowywane wartości liczbowe. W stworzonym programie możliwości klasy zostały wykorzystane do zapisu 3 grup ustawień: Rej - zawartość pierwszych 12 rejestrów protokołu Modbus (zadane parametry pracy) Kom - ustawienia związane z komunikacja z µc, m.in. częstotliwość wymiany danych czy tryb wysyłania sterowań Wyk - ustawienia związane z wyświetlanymi wykresami (które wartości, zakres osi) 3 Opis interfejsu użytkownika Graficzny interfejs aplikacji ma pozwalać na realizację całej opisanej powyżej funkcjonalności, składa się ona z 3 okienek stworzonych z wykorzystaniem zintegrowanego środowiska programistycznego Qt Creator oraz narzędzia do projektowania interfejsów graficznych Qt Designer. 3.1 Główne okno programu Rysunek 2 przedstawia główne okno sterujące aplikacją. Zapewnia ono następującą funkcjonalność: Włączenie/wyłączenie wszystkich kanałów Włączenie/wyłączenie monitorowania wszystkich kanałów Włączanie/wyłączanie każdego kanału z osobna Włączanie/wyłączanie monitorowania każdego kanału z osobna Zadawanie alarmowej i powodującej wyłączenie temperatury pracy przetwornicy Zadawanie zadanego napięcia, jego dopuszczalnej odchyłki oraz maksymalnego prądy dla każdego z kanałów Wywołanie okna ustawień komunikacji (Ustawienia Ustawienia komunikacji) Wywołanie okna rejestracji pomiarów (ikona wykresu na pasku narzędziowym) Polecenie żądania pobrania danych od przetwornicy (ikona odświeżania na pasku narzędziowym) Polecenie żądania przesłania sterowania do przetwornicy (ikona strzałki na pasku narzędziowym) 3

5 4 Rysunek 1: Schemat blokowy oprogramowania

6 5 Rysunek 2: Główne okno interfejsu użytkownika

7 Rysunek 3: Okno ustawień komunikacji Wysłanie do programu specjalnych komend sterujących - włącz/wyłącz, reset błędów, zapisz ustawienia w pamięci FLASH (Komendy sterujące...) Zapis i odczytanie aktualnych parametrów programu i jego okien (Ustawienia programu...) Wyświetlanie aktualnie zmierzonych wartości Sygnalizowanie stanu urządzenia (błędów) Opisane powyżej okno w pełni spełnia swoje zadania. Jedynym brakującym elementem jest stworzenie dodatkowego okna parametrów transmisji szeregowej - takich jak prędkości, bit parzystości czy liczba bitów stopu - kolejna wersja oprogramowania zostanie rozwinięta o tę funkcjonalność. Problem podczas realizacji tej części projektu, było znalezienie optymalnego sposobu wyświetlania informacji o błędach. W Widgetach środowiska KDE znajduje się kontrolka diody LED, która idealnie nadaje się do tego zastosowania, jednakże nie powiodło się doinstalowywanie odpowiednich bibliotek, by uruchomić ją w środowisku GNOME (takie rozwiązanie wpłynęło by też negatywnie na przenośność kodu). Zastosowanym rozwiązaniem jest użycie kontrolek QRadioButton, których w stanie wyłączenia (brak błędów) nie da się kliknąć, zaś w stanie włączenia (wystąpił błąd) po kliknięciu automatycznie włączają się z powrotem. 3.2 Okno ustawień komunikacji Rysunek 3 przedstawia okno ustawień komunikacji. Zapewnia ono następującą funkcjonalność: Wybór pomiędzy pobieraniem danych pomiarowych okresowo lub jedynie po wydaniu polecenia Wybór częstotliwości pobierania danych Wybór trybu wysyłania nowych danych sterujących: Automatycznie po każdej zmianie parametrów pracy Tylko po ręcznym żądaniu przesłania Okresowo Wybór częstotliwości okresowego przesyłania danych sterujących 6

8 Rysunek 4: Okno przebiegów czasowych Po zamknięciu okna i jego powtórnym uruchomieniu, zaznaczone opcje są zapamiętane. 3.3 Okno pomiarowe Na rysunku 4 przedstawiono okno przebiegów czasowych przetwornicy. Wykres i legenda przebiegu wygenerowane są za pomocą klasy Wykres dziedziczącej klasę Qwt- Plot. Podstawa czasu wykresu tworzona jest w zależności od częstotliwości odbierania nowych danych (może także przedstawiać pomiary w chwilach ręcznego wymuszenia pobrania wartości). Oprócz wyświetlania przebiegów okno zapewnia następującą funkcjonalność: Wybór wyświetlanych przebiegów Wybór pomiędzy automatycznym dobraniem skali osi Y, a ręcznym zadaniem zakresu Możliwość podania górnej i dolnej wartości zakresu osi Y Zmiana liczby wyświetlanych pomiarów Zapis pomiarów do pliku 7

9 Podanie ścieżki do pliku zapisu pomiarów Opcja zapisu pomiarów do pliku pozwala na zapisywanie w określonym pliku (gdy plik istnieje wyniki dopisane będą na końcu, gdy nie istnieje zostanie stworzony) wartości kolejnych próbek przebiegów wybranych do wyświetlania (oraz podstawy czasu). Liczba zapisanych próbek jest zgodna z podaną w oknie (lub równa liczbie dokonanych pomiarów, jeśli ta liczba jest mniejsza), a format zapisu to kolumny separowane znakami tabulacji, co powoduje, że plik może być bardzo łatwo wczytany przez oprogramowanie typu MS Excel czy Arkusz Kalkulacyjny OpenOffice.org. 4 Komunikacja 4.1 Cel komunikacji i opis wybranych rozwiązań Komunikacja oprogramowania z przetwornicą ma realizować dwa podstawowe cele, jakimi są: odczytywanie aktualnego stanu przetwornicy (napięcia i prądy poszczególnych kanałów, temperatura pola masy, informacje o błędach), przesyłanie nowych parametrów pracy (zmiana zadanego napięcia, jego możliwej odchyłki, maksymalnego prądu, temperatury alarmowej i krytycznej, żądanie zresetowania błędów, wyłączenia przetwornicy oraz zapisu aktualnych ustawień). Powyższe zadania zrealizowane są za pomocą: dwóch podstawowych poleceń protokołu Modbus (zapis i odczyt n rejestrów), standardu RS485, działającego w trybie half-duplex. Wybrany sposób komunikacji wydaje się być bardzo dobrym rozwiązaniem dla przetwornicy zasilającej konstrukcje robotyczne - standard RS485 jest w nich bardzo często wykorzystywany ze względu na możliwość jednoczesnego podłączenia do magistrali wielu urządzeń, a protokół Modbus zapewnia łatwy sposób odczytu i zapisu danych zawartych w rejestrach oraz, niezwykle ważną w robotach, niezawodność działania, poprzez liczenie pola kontrolnego każdej z ramek. Podłączenie przetwornicy do komputera zrealizowane jest za pomocą konwerterów RS485 RS232 oraz RS232 USB. Pozwala to na komunikowanie się z urządzeniem jak ze zwykłym portem szeregowym. 4.2 Modbus Zaimplementowany protokół Modbus działa w trybie RTU, z jednym bitem startu, kontrolą parzystości (parzystej) oraz jednym bitem stopu oraz prędkością 9600 bps. Tryb RTU wybrany został z dwóch powodów: jest domyślnym trybem działania protokołu Modbus i wedle dołączonej dokumentacji musi być zaimplementowany w każdym urządzeniu wykorzystującym ten protokół, 8-bitowy tryb transmisji idealnie nadaje się do przesyłania 16 bitowych rejestrów, których używa przetwornica (w trybie ASCII do przesłania 8 bitów danych potrzeba 2 bajtów). 8

10 Wykorzystanie trybu RTU wiąże się z koniecznością wysłania całej ramki danych jako ciągłego strumienia znaków, co wymusza sprawdzanie podczas transmisji dwóch warunków: odstęp czasu między kolejnymi znakami w ramce musi być krótszy niż 1,5 czasu wysyłania znaku (np. dla prędkości 9600 bps, czas ten wynosi 1719µs), odstęp czasu między kolejnymi ramkami musi być dłuższy niż 3,5 czasu wysyłania znaku (4010µs dla prędkości 9600 bps). Po stronie mikrokontrolera testowanie czy powyższe warunki zostały spełnione wykonywane jest za pomocą przerwania od odbiornika SCI (testowana jest flaga Idle Line - oznaczająca ciszę na linii przez okres nadawania jednego znaku) oraz przerwań od Timera1. Po wykryciu Idle Line Timer1 jest zerowany oraz włączany, tak aby wygenerować przerwanie po czasie równym połowie czasu przesyłania znaku. W obsłudze tego przerwania ustawiana jest flaga Przerwa oraz ustawiane jest zgłoszenie przerwania za podwojony czas wysyłania znaku. Tym razem w obsłudze przerwania Timer1 jest wyłączany, flaga Przerwa gaszona, a flaga Cisza (oznaczająca koniec ramki) ustawiana. Gdy nowy znak nadejdzie w czasie gdy ustawiona jest flaga Przerwa oznacza to błąd braku ciągłości strumienia danych lub zbyt szybkie nadejście kolejnej ramki - dotychczas odebrane informacje oraz nadchodzące, aż do ustawienia flagi Cisza są ignorowane. Analogiczna metodę planowano wykorzystać w tworzonym oprogramowaniu. Zamiast użycia flagi Idle Line planowano uruchomić obiekt QTimer po odczytaniu każdej z ramek na czas równy półtorej okresu przesyłania znaku. Pierwszym napotkanym problem była niewystarczająca rozdzielczość klasy QTimer (zadawanie czasu w ms), jednakże dla stosowanej prędkości 9600 bps, nie stanowiło to przeszkody w zastosowaniu metody. Problemem, którego nie udało się rozwiązać, był sposób odbierania danych przez klasę QextSerialPort. Po otrzymaniu nowych danych emituje ona sygnał ready- Read(), oznaczający nowe dane w buforze. Istotą problemu jest pojawianie się znacznie większej liczby danych niż tylko jednego bajtu (spowodowane jest to sposobem działania klasy QextSerialPort lub czasem od wyemitowania sygnału do odczytu bufora, w którym nadchodzą kolejne znaki). Dla poprawnego odbierania danych czasy t1,5 i t3,5 zostały wydłużone, przez co program nie kontroluje w pełni poprawności ciągłości strumienia danych w ramce. Dodać należy, że sama klasa QextSerialPort nie dostarcza żadnych mechanizmów pomocnych w kontroli opisanych powyżej czasów - dostępny w niej pomiar czasu ma bardzo mało rozdzielczość (wedle dokumentacji w systemach UNIXowych jest to 0,1s). W trybie RTU każda przesłana ramka kończy się 16 bitowym polem kontrolnym CRC (Cyclical Redundancy Checking). Wartość pola wyliczana jest przez cykliczne dokonywanie operacji exlusive OR pola z kolejnymi przesyłanymi rejestrami oraz przesuwanie bitów o 8 pozycji w lewo (dodatkowo gdy LSB pola jest na końcu cyklu równe 1, dokonywana jest kolejna operacja exlusive OR). W programie zastosowano metodę wyliczania CRC w oparciu o tablice bardziej i mniej znaczącego bajtu CRC, zaczerpniętą z dołączonej dokumentacji 4.3 Rejestry Modbus Dane sterujące przetwornicą oraz aktualne dane pomiarowe zawarte są w 22 elementowej tablicy Rejestry, która odczytywana jest przez komendy protokołu Modbus Zapisz 9

11 n rejestrów (kod funkcji: 0x10) oraz Odczytaj n rejestrów (kod funkcji: 0x03). Zastosowanym uproszczeniem jest traktowanie wszystkich rejestrów jako Holding Registers, mimo, iż w rzeczywistości część z nich pełni rolę rejestrów wejściowych. Dla ułatwienia odczytywania i zapisywania elementów tablicy Rejestry, indeksowana jest ona za pomocą zmiennej wyliczeniowej enum Nr rej. Oto opis poszczególnych elementów tablicy Rejestry: 0 = Zadane napiecie1 - zadane napięcie kanału 1-ego, 1 = Zadany prad1 - zadany prąd maksymalny kanału 1-ego, 2 = Zadane napiecie2 - zadane napięcie kanału 2-ego, 3 = Zadany prad2 - zadany prąd maksymalny kanału 2-ego, 4 = Zadane napiecie3 - zadane napięcie kanału 3-ego, 5 = Zadany prad3 - zadany prąd maksymalny kanału 3-ego, 6 = Zadane napiecie4 - zadane napięcie kanału 4-ego, 7 = Zadany prad4 - zadany prąd maksymalny kanału 4-ego, 8 = Dopuszczalny blad21 - górny bajt określa dopuszczalną odchyłkę napięcia dla kanału 2-ego, zaś dolny na kanału 1-ego, 9 = Dopuszczalny blad43 - górny bajt określa dopuszczalną odchyłkę napięcia dla kanału 4-ego, zaś dolny na kanału 3-ego, 10 = Temp wyl alarm - górny bajt określa temperaturę wyłączenia przetwornicy, zaś dolny temperaturę alarmową, 11 = Sterowanie - bity określają czy kanały maja zostać włączone, bity czy kanały mają być monitorowane, bit 13 to polecenie resetu błędów, bit 14 to polecenie wyłączenia przetwornicy, a bit 15 to polecenie zapisu ustawień do pamięci flash, 12 = Aktualne napiecie1 - aktualne napięcie kanału 1-ego, 13 = Aktualny prad1 - aktualny prąd kanału 1-ego, 14 = Aktualne napiecie2 - aktualne napięcie kanału 2-ego, 15 = Aktualny prad2 - aktualny prąd kanału 2-ego, 16 = Aktualne napiecie3 - aktualne napięcie kanału 3-ego, 17 = Aktualny prad3 - aktualny prąd kanału 3-ego, 18 = Aktualne napiecie4 - aktualne napięcie kanału 4-ego, 19 = Aktualny prad4 - aktualny prąd kanału 4-ego, 20 = Aktualna temp - aktualna temperatura pola masy, 10

12 21 = Status - aktualny status urządzenia, 1 na bitach 0,2,4,6 - napięcie kanałów poza zakresem, 1 na bitach 1,3,5,7 - prąd kanałów większy od maksymalnego, 1 na bicie 8 - niezerowe napięcie na wyłączonym kanale, 1 na bicie 9 - niezerowy prąd w wyłączonym kanale, 1 na bicie 10 - przekroczono temperaturę alarmową, 1 na bicie 11 - przekroczono temperaturę wyłączenia. Pierwsze 12 rejestrów modyfikowanych jest przez stworzone oprogramowanie (bardziej znaczący bajt rejestru nr 11 jest także zmieniany przez mikrokontroler), zaś kolejne 10 jest przez program jedynie odczytywane. Napięcia w rejestrach wyrażone są w mv, prądy w ma, a temperatura w stopniach Celsjusza. 5 Podsumowanie Stworzone oprogramowanie spełnia postawione na początku semestru założenia. Dotychczasowe testy pokazały, że można za jego pomocą w łatwy sposób sterować przetwornicą, a wyświetlane przebiegi czasowe i stan urządzenia są zgodne z przewidywaniami. Złe oszacowanie czasu pracy na stworzone modułu komunikacji sprawiło, że nie jest on w pełni zgodny ze specyfikacją trybu RTU (co udało się osiągnąć po stronie przetwornicy), jednak nie wpływa to w znaczący sposób na poprawność działania programu. Kończąc projekt zauważono kilka braków, jak np. możliwość zmiany parametrów asynchronicznej transmisji szeregowej, bez ingerencję w kod programu, które zostaną poprawione w finalnej wersji programu, na której stworzenie zabrakło czasu. W materiałach dodatkowych dostarczono dokumentację stworzonego oprogramowania oraz samo oprogramowanie, które jednakże nie jest w pełni ukończone, co powoduje np. wyświetlanie dużej liczby komunikatów diagnostycznych. 11