Raport z działalności Studenckiego Koła Naukowego Spektrum w roku akademickim 2010/2011

Transkrypt

1 Raport z działalności Studenckiego Koła Naukowego Spektrum w roku akademickim 2010/2011 Gliwice 2011

2 Spis treści 1. Studenckie Koło Naukowe Spektrum Struktura Spotkania Spotkanie warsztatowe - Projektowanie obwodów drukowanych oraz ich samodzielne wytrawianie Spotkanie warsztatowe - Płyty ewaluacyjnej AVR Xplain Projekty Zakończenie projektu Bezprzewodowego system głosowania Kontroler MIDI dla keyboardu-zabawki Panel operatorski do PC ( PC Panel ) Wyjazdy Wyjazd integracyjno-seminaryjny Zakopane Akcje promujące Dzień Otwarty Kół Naukowych Współpraca Plan działalności SKN Spektrum na rok

3 1. Studenckie Koło Naukowe Spektrum Studenckie koło naukowe Spektrum powstało jako kontynuacja zajęć Technik Mikroprocesorowych/ Systemów Mikroprocesorowych. Aktualnie działalność koła związana jest z taką tematyką jak cyfrowe przetwarzanie sygnałów, systemy sterowania, sterowniki dedykowane oraz wiele pokrewnych tematów. Głównymi zadaniami koła jest realizacja nowych projektów, wyjazdy na szkolenia i seminaria, a także udział w wykładach pozwalających na poszerzanie naszej wiedzy. Ważnym elementem działalności każdego koła jest jego promowanie. W tym celu SKN Spektrum organizowało spotkania warsztatowe, a także brało udział w dniach otwartych kół naukowych w celu pozyskania nowych członków. 1.1 Struktura Opiekun: Zarząd: dr inż. Krzysztof Czyż Radosław Raszewski prezes Rafał Urbański wiceprezes 2. Spotkania W ramach działalności koła odbywały się w miarę systematyczne spotkania. Ich głównym celem było zapoznanie nowych członków z tematyką działalności koła, oraz przygotowanie do rozpoczęcia prac nad własnymi projektami. W tym też celu podczas spotkań odbywały się prezentacje warsztatowo instruktażowe, które były przygotowane pod kątem osób rozpoczynających swoją przygodę z ogólnopojętą tematyką systemów mikroprocesorowych. 3

4 2.1 Spotkanie warsztatowe - Projektowanie obwodów drukowanych oraz ich samodzielne wytrawianie W ramach spotkania omówione zostały aplikacje przystosowane do tworzenia schematów PCB, takie jak Altium Designer, czy też CadSoft Eagle. Głównie skupiono się na środowisku Eeagle, ze względu na jego prostotę i możliwość korzystania z darmowej wersji. W trakcie omawiania przedstawiony został przykładowy projekt, który ułatwił zrozumienie metodologii tworzenia schematów, a także prezentował główne (a zarazem niezbędne) funkcje programu. W dalszej części prezentacji omówione zostały domowe metody wytrawiania schematów PCB. W związku z dużym doświadczeniem członków koła w tej dziedzinie (nabytej chociażby podczas tworzenia projektu automatycznej wytrawiarki do płytek), możliwe było przedstawienie nowym członkom najskuteczniejszych i najbardziej niezawodnych metod wytrawiania(dostępnych w domowym zaciszu). Wiedza nabyta podczas tego spotkania warsztatowego, oraz materiały udostępnione przez członków koła okazały się niezbędne w późniejszych etapach działalności w SKN. Warsztaty przeprowadził członkowie SKN Spektrum Adam Dziendziel oraz Radosław Raszewski. 4

5 2.2 Spotkanie warsztatowe - Płyty ewaluacyjnej AVR Xplain. Spotkanie te było związane z pracą na jednym z najnowszych nabytków koła, zestawami edukacyjnymi AVR Xplain. Płyta ewaluacyjna AVR Xplain Zajęcia warsztatowe miały na celu uruchomienie płyt ewaluacyjnych(ze względu na błędy w oprogramowaniu nie jest to rzecz tak prosta jakby się wydawało) oraz przedstawieniu ich możliwości. Mimo niewielkich rozmiarów płyta pozwala na zapoznanie się z naprawdę dużą ilością zagadnień związanych z systemami mikroprocesorowymi, co jest głównie zasługą dobrego mikroprocesora. Ponieważ koło zakupiło kilka sztuk takich zestawów edukacyjnych, możliwe było udostępnienie ich nowym członkom w celu dalszego zapoznawania z ich możliwościami. Zaowocowało to tym, że niektórzy z nich wykonywali projekty na przedmiot System Mikroprocesorowe właśnie na tych zestawach. Warsztaty przeprowadził członkowie SKN Spektrum Adam Dziendziel oraz Radosław Raszewski. 5

6 3 Projekty 3.1 Zakończenie projektu Bezprzewodowego system głosowania Uczestnicy: Radosław Raszewski (koordynator) Piotr Krauze Szymon Drabik Stan projektu: Zakończony Bezprzewodowy System Głosowania jest kompleksowym rozwiązaniem automatyzującym proces głosowania. Pomysłodawcą projektu jest Dziekan wydziału Automatyki, Elektroniki i Informatyki, dr hab. inż. Zdzisław Duda. Propozycję projektu przedstawiono członkom Studenckiego Koła Naukowego Spektrum, którzy podjęli się jego wykonania. Bezprzewodowy System Głosowania odnajduje swoje zastosowanie podczas Rad Wydziału odbywających się na Auli F. Dotychczas wykorzystywany system nie dawał gwarancji poprawnie przeprowadzonego procesu głosowania, co mogło unieważnić całe posiedzenie. Konieczna była zatem rezygnacja z bieżącego rozwiązania. Natomiast zebrane doświadczenia pozwoliły na sprecyzowanie szeregu założeń stawianych Bezprzewodowemu Systemowi Głosowania. Główne wymaganie, jakie należało spełnić, to niezawodność działania. Proces głosowania kończy się zebraniem głosów od wszystkich uprawnionych urządzeń. Należy zapewnić, aby każdy głos został poprawnie odebrany i zinterpretowany. Jako że urządzenia posiadają wbudowane źródło zasilania, wymaga się także możliwie małego poboru energii, który zapewniałby niezawodność działania przez maksymalnie długi okres czasu. Dodatkowo zapewnia się anonimowość głosowania. W tym celu informacje o stanie urządzenia wykorzystuje się jedynie do potwierdzenia poprawności transmisji. Spełnienie nałożonych wymagań jest kluczem do stworzenia profesjonalnego produktu, jakim ma być Bezprzewodowy System Głosowania. Opis projektu Bezprzewodowy System Głosowania przystosowany jest do obsługi do 100 urządzeń uprawnionych do głosowania, zwanych dalej urządzeniami głosującymi. Nad poprawnością pracy od strony sprzętowej czuwa koordynator głosowania, natomiast sam proces głosowania jest zarządzany przez aplikację PC. Dodatkowo aplikacja odpowiedzialna jest za 6

7 prezentację tematu głosowania, podsumowanie głosowania, oraz tworzenie raportu końcowego. Prace nad projektem zostały podzielone pomiędzy członków SKN Spektrum. Za aplikację PC odpowiedzialni są Grzegorz Sejnota, Mateusz Filec oraz Piotr Krauze. Za projekt obwodu drukowanego i wygląd urządzenia odpowiedzialny jest Szymon Drabik, natomiast za oprogramowanie części sprzętowej i sprawdzenia działania odpowiada Radosław Raszewski. Dodatkowo osoba ta koordynowała pracę wszystkich członków w projekcie, a także była odpowiedzialny za kontakt i zlecenia na usługi zewnętrznych wykonawców. Specyfikacja projektu Aby zagwarantować bezprzewodową komunikację pomiędzy urządzeniami głosującymi a koordynatorem głosowania zastosowano protokół bazujący na standardzie IEEE Standard definiuje pojęcie sieci LR-WPAN, (Low data Rate Wireless Personal Area Network),która charakteryzuje się niewielką przepustowością (do 250 kb/s), lokalnym zasięgiem działania (do 50 m) oraz dużą energooszczędnością urządzeń. Najprostszą implementacją standardu IEEE na posiadaną platformę sprzętową okazał się protokół TIMAC udostępniany przez firmę Texas Instruments. Najbardziej efektywnym i popularnym pasmem działania sieci LR-WPAN jest pasmo 2.4GHz. W odróżnieniu od popularnych sieci WiFi standard definiuje dla tego pasma aż 16 kanałów, jednakże częstotliwości pracy sieci w większości przypadków się pokrywają. Aby zapewnić niezawodność działania sieci należało gruntownie przeanalizować widmo występujących sygnałów w pasmie 2.4GHz i na podstawie badań wybrać najlepszy kanał pracy dla sieci LR- WPAN. W tym celu należało skorzystać ze specjalistycznego sprzętu jakim był analizator widma Tektronix RSA3303A. Dostępna platforma sprzętowa Aby móc rozpocząć pracę związaną z projektem Bezprzewodowego Systemu Głosowania należało zaopatrzyć się w niezbędny sprzęt. Wybrano zestaw ewaluacyjny CC2530ZDK z firmy Texas Instruments. Zestaw zawiera 7 modułów CC2530, 5 modułów zasilających, 2 płyty ewaluacyjne oraz sniffer USB. Taka ilość sprzętu pozwalała na zasymulowanie podstawowego działania Bezprzewodowego Systemu Głosowania. W celu wykonania dogłębnej analizy działania należało wyprodukować odpowiednią ilość urządzeń głosujących. Budowa każdego urządzenia Bezprzewodowego Systemu Głosowania jest oparta o procesor CC2530. Jest to konstrukcja SoC, która oprócz podstawowego mikrokontrolera zapewnia umieszczenie w jednym chipie także modułu radiowego, przetworników A/C oraz pamięci flash. Dzięki takiemu rozwiązaniu zmniejszą się koszt produkcji urządzenia, a także ułatwia jego projektowanie oraz samą obsługę dostępnych peryferii. Procesor CC2530 dodatkowo charakteryzuję się bardzo niewielkim zapotrzebowaniem na pobierane natężenie prądu, które w stanie głębokiego uśpienia wynosi ok. 0.4 µa. 7

8 Urządzenia głosującego Wygląd urządzenia głosującego Wygląd płytki PCB Urządzenie głosujące jest dostępne w 2 obudowach. Urządzenia w kolorze czarnym mogą brać udział we wszystkich głosowaniach. Natomiast urządzenia w kolorze białym mogą brać udział w jedynie niektórych głosowaniach. Na górnej powierzchni widać klawiaturę membranową. Na jej powierzchni można odnaleźć 2 diody statusową oraz baterii, za pośrednictwem których przekazywane są podstawowe informacje dla użytkownika. Za 8

9 pośrednictwem dostępnych niżej przycisków dokonuje się podjęcia decyzji w głosowaniu. Wewnątrz obudowy znajduje się płytka PCB oraz 2 baterie 1.5V AAA. Na powierzchni płytki w centralnym miejscu znajduję się procesor CC2530, rezonatory kwarcowe, symetryzator, klucz antenowy oraz 2 anteny umieszczone prostopadle względem siebie. Dzięki takiemu ułożeniu anten możliwe jest lepsze ich dopasowanie w zależności od aktualnej pozycji urządzenia głosującego. Bezprzewodowy System Głosowania jest przygotowany do obsługi do 100 urządzeń głosujących. Aktualnie jest dostępnych jedynie 80, jednakże proces produkcyjny można bez przeszkód powtórzyć. Koordynator głosowania Wygląd koordynatora głosowania Koordynator głosowania jest urządzeniem odpowiedzialnym za utrzymanie oraz budowanie sieci LR-WPAN. Występuje jako jedno urządzenie w całym Bezprzewodowym Systemie 9

10 Głosowania. Sieć budowana jest w oparciu o sygnały Bacon. Sygnały wysyłane są cyklicznie co 480ms i ich głównym zadaniem jest rozsyłanie informacji o istniejącej sieci. Koordynator głosowania odpowiedzialny jest także za przesyłane są informacje do urządzeń głosujących. W tym celu korzysta się z adresu rozgłoszeniowego, co gwarantuje odczytanie informacji przez wszystkie podłączone urządzenia końcowe jednocześnie. Koordynator głosowania współpracuje także z aplikacją PC. Z poziomu komputera przesyłane są instrukcje dla koordynatora takie jak rozpoczęcie głosowania, zakończenie głosowania bądź inne instrukcje serwisowe. Komunikacja z koordynatorem głosowania jest możliwe poprzez standard Ethernet, zatem możliwe jest dalsze rozwijanie Bezprzewodowego Systemu Głosowania dodając nową funkcjonalność. 3.2 Kontroler MIDI dla keyboardu-zabawki Uczestnicy: Sprzęt: Stan projektu: Mateusz Maciąg Mikrokontroler ATmega32U2 z interfejsem USB w trakcie realizacji Opis Celem projektu jest przerobienie w warunkach domowych układu cyfrowego znajdującego się w znalezionym przez pomysłodawcę starego mini keyboardu zabawki z czasów dzieciństwa. Projekt zakłada odejście od pierwotnych ograniczeń urządzenia takich jak możliwość odgrywania maksymalnie dwóch próbek naraz oraz skromnej jakości dźwięku odgrywanego przez maleńki głośniczek. Docelowo ma zostać wprowadzony interfejs USB umożliwiający połączenie z komputerem. Odpowiednio zaprogramowany mikrokontroler będzie rozpoznawany w systemie operacyjnym jako urządzenie MIDI bez potrzeby instalacji dodatkowych sterowników. Wiele programów do komponowania muzyki jest w stanie obsłużyć urządzenia MIDI jako źródło wysokości i czasu trwania dźwięków włączając w to zarówno darmowe programy jak i komercyjne produkty w stylu Cubase lub EWQL. MIDI jest popularnym standardem komunikacji między cyfrowymi urządzeniami dźwiękowymi (syntezatorami, modułami brzmieniowymi, kartami dźwiękowymi, w końcu z samym komputerem klasy PC). Standard określa między innymi sprzętową warstwę wymiany informacji. Na poziomie fizycznym sygnał przenoszony jest pięciożyłowym kablem w sposób niemal identyczny jak w transmisji szeregowej RS232, tyle że z nietypową prędkością kb/s. Informacja o dźwięku przesyłana jest w postaci prostych komunikatów typu: załącz nutę o wysokości X z siłą Y na takim, a takim kanale. 10

11 Wraz z nastaniem czasów USB oraz technologii Plug & Play, zaszła potrzeba opakowania MIDI w standard USB, który różni się od tego pierwszego w zasadzie w każdej kwestii implementacyjnej. Niemniej została wyznaczona specjalna klasa urządzeń (USB Audio Device Class) oraz jej szczególny przypadek - dotyczący właśnie urządzeń MIDI 1. Dzięki temu, jeśli tylko uporamy się z implementacją standardu USB, wysyłanie komunikatów MIDI odbywa się wg niezależnego protokołu za pomocą prostych struktur danych z dala od spraw niskopoziomowych. Projekt zakłada wykorzystanie otwartego kodu źródłowego projektu LUFA, w którym zaimplementowano już lwią część interfejsu USB-MIDI. Wykorzystany zostanie fakt, iż projekt ten wspiera w zasadzie wszystkie mikrokontrolery z Kontroler MIDI wewnątrz keyboardu. rodziny AVR 8-bit ze sprzętowym USB. Budowa kontrolera MIDI Dotychczas został zaprojektowany i wykonany prototyp płytki PCB pełniący rolę kontrolera MIDI. Sercem układu jest mikrokontroler ATmega32U2 ze względu na wsparcie sprzętowe USB (w wersji 2.0) oraz atrakcyjną cenę. W płytce przewidziano trzy złącza. Jedno, 10- pinowe, służy do programowania mikrokontrolera za pomocą programatora ISP. Drugie złącze 16-pinowe wyprowadza poza układ zasilanie oraz magistralę danych, poprzez którą będzie ściągany stan klawiszy. Trzecie opcjonalne służyć będzie do podłączenia wyświetlacza LCD zgodnego z HD Zasadnicze problemy Pierwszorzędnym problemem jest obsługa wielu przycisków. Mikrokontroler występuje w obudowie 32- nóżkowej, z czego zaledwie 22 stanowią porty ogólnego użytku. Klawiszy keyboardu jest 32. Dodatkowych klawiszy funkcyjnych jest kolejne 31. W oryginalnym układzie zastosowano tradycyjną w przypadku klawiatur numerycznych matrycę o wymiarze 8 na 8 (łącznie 16 portów) nie mniej takie rozwiązanie umożliwiało poprawne rozpoznanie stanu maksymalnie dwóch klawiszy naraz. Zaplanowano zatem rozwiązanie podobne do tych występujących w klawiaturach PC: klawisze są grupowane po osiem sztuk i multipleksowane za pomocą specjalnej linii adresowej. Z kontrolera wyprowadzono 3 linie adresowe, co umożliwia zaprogramowanie łącznie 64 przycisków ( ). Dotychczasowo zaprojektowano płytkę obsługującą tylko podstawowe 1 Specyfikacja klasy została opisana w 11

12 32 klawisze, więc wykorzystane będą tylko 2 linie. Zadaniem mikrokontrolera będzie cykliczne skanowanie stanu linii danych dla poszczególnych linii adresowych. Mikrokontroler musi robić to na tyle szybko by nie generować dodatkowych opóźnień, które i tak będzie występować ze względu na długą drogę, jaką musi przebyć informacja od klawiszy do głośnika w komputerze. Schemat obwodów płytki kontrolera Schemat ułożenia płytek we wnętrzu organków. 3.3 Panel operatorski do PC ( PC Panel ) Uczestnicy: Sprzęt: Stan projektu: Łukasz Juranek Zestaw edukacyjny Freescale zakończony Opis: Celem tego projektu było stworzenie łatwego w obsłudze panelu operatorskiego. W automatyce często istnieje potrzeba obserwowania przebiegu procesów w różnych miejscach fabryki. Głównym problemem z którym muszą zmierzyć się automatycy jest zaprogramowanie paneli operatorskich dla każdego stanowiska z osobna i w różny sposób. Koszty takiego podejścia są wysokie, dlatego też zdecydowaliśmy się stworzyć urządzenie które będzie znacznie tańsze, prostsze w konfiguracji i dające większe możliwości niż zwykły panel operatorski. Jak to działa PC Panel pozwala przejąć kontrolę nad dowolną aplikacją która posiada interfejs graficzny i działa w systemie MS Windows OS. Nasz projekt składa się z dwóch elementów. Pierwsza część to wyświetlacz QVGA TFT LCD obsługiwany przez mikroprocesor Coldfire v1 MCF51CN, natomiast druga część to aplikacja komputerowa. Aplikacja monitoruje wszystkie działające w systemie programy, a także wysyła w postaci specjalnie skompresowanej grafiki obraz wybranej za pomocą mikrokontrolera aplikacji. Układ sterujący jest połączony z komputerem za pomocą kabla Ethernetowego. Jego zadaniem jest wyświetlanie grafiki wysyłanej przez 12

13 aplikacje działającą na podłączonym komputerze, oraz przekazywanie do tej aplikacji aktywności użytkownika wykrytej za pomocą ekranu dotykowego. W ten sposób możemy w pełni kontrolować naszą aplikację komputerową za pomocą wyświetlacza LCD. Wygląd aplikacji komputerowej Urządzenie sterujące 13

14 4. Wyjazdy 4.1 Wyjazd integracyjno-seminaryjny Zakopane Wyjazd został zorganizowany w dniach maja 2011 roku. Odbył się on w domu wypoczynkowym Aga w Zakopanem-Kościelisku. W wyjeździe uczestniczyło łącznie trzynaście osób oraz opiekun koła dr inż. Krzysztof Czyż. Najważniejszym wydarzeniem wyjazdu był sobotni grill, który stał się miejscem gorących dysput na temat istniejących już projektów, m. in. na temat finalizowanego już projektu Bezprzewodowego systemu głosowania, a także pomysłów na nowe projekty. Ze względu na duże zmiany strukturalne koła(zbliżające się odejście wszystkich starszych członków koła piszących aktualnie prace magisterskie) była to także okazja, aby porozmawiać o przyszłości koła i jego priorytetach na kolejny rok. W miłej atmosferze rozmawiało się również na temat projektów inżynierskich, jako że wielu spośród uczestników jest w trakcie studiów inżynierskich. Poza aspektem naukowym wyjazdu, mieliśmy także możliwość pozwiedzać piękne miasto, jakim z pewnością jest Zakopane, oraz popracować nad naszym zdrowiem w trakcie górskich spacerów. Zdjęcie grupowe członków koła. 14

15 5. Akcje promujące 5.1 Dzień Otwarty Kół Naukowych Dnia 31 maja 2011 roku, na wydziale Górnictwa i Geologii w Gliwicach odbył się Dzień Otwarty Kół Naukowych, na którym zaprezentowały się wszystkie koła, których tematyka działalności jest związana z kierunkiem Automatyki i Robotyki, w tym także SKN Spektrum. Akcja ta miała na celu zachęcić studentów kończących I rok studiów do udzielania się w szeregach jednego z nich. W trakcie dnia otwartego SKN Spektrum reprezentowali Radosław Raszewski, Rafał Urbański, Paweł Nowak, oraz opiekun koła, dr Krzysztof Czyż. Wygłoszona prezentacja cieszyła się dużym zainteresowaniem, czego potwierdzeniem była dyskusja ze studentami na temat działalności koła, która wywiązała się po zaprezentowaniu wszystkich uczestników. Owocem całej akcji było zgłoszenie chęci pracy w naszym kole 10 nowych studentów. 6. Współpraca W roku akademickim 2010/2011 SKN Spektrum udało się nawiązać współpracę z prężnie rozwijającą się firmą Freescale. Owocem tej współpracy było otrzymanie nowych, bogato wyposażonych zestawów edukacyjnych, na których wykonywane były różnego rodzaju projekty(chociażby przedstawiony wcześniej PC Panel). Zestawy edukacyjne firmy Freescale W ramach porozumienia z firmą została jedną z dwóch polskich uczelni biorących udział w międzynarodowym konkursie The Freescale Cup. Konkurs ten od kilku lat organizowany jest na arenie międzynarodowej i cieszy się dużą popularnością. Udział SKN Spektrum w takim przedsięwzięciu jest bardzo dobrą okazją, aby promować zarówno naszą uczelnię jak i koło naukowe. 15

16 7. Plan działalności SKN Spektrum na rok Koło naukowe SKN Spektrum pragnie także w przyszłym roku kontynuować swoją działalność. Priorytetem w roku akademickim 2011/12 z pewnością będzie jak najlepsze zaprezentowanie się w międzynarodowym konkursie The Freescale Cup. Ze względu na ograniczoną liczbę uczestników konkursu (trzy drużyny trzyosobowe), koło będzie prowadziło także normalną działalność. Wszystkie większe projekty udało się zakończyć z powodzeniem, co umożliwia nam swobodny wybór nowych tematów projektów w przyszłym roku. W związku ze zgłoszeniem się nowych członków koła (po raz pierwszy są to studenci drugiego roku), jednym z zadań SKN Spektrum będzie przeprowadzanie systematycznych spotkań warsztatowych, które przybliżą tematykę działalności koła i pozwolą na rozpoczęcie samodzielnej pracy młodszym studentom. Spotkania te są dla nas wyjątkowo ważne, ponieważ zachęcenie nowych członków do pracy w kole zapewni, że koło nie przestanie działać w momencie kiedy kolejny rocznik opuści mury uczelni. Jak co roku, jednym z naszych celów będzie promowanie SKN Spektrum podczas imprez takich jak Dni Otwarte Kół Naukowych, czy też poprzez organizację Dnia Otwartego SKN Spektrum. To właśnie dzięki takim akcjom nasza organizacja pozyskuje nowych członków, przez co odgrywają one dla nas istotną rolę. 16