Ćwiczenie ABIS-C04. Programowanie węzłów sieci LonWorks z wykorzystaniem modułów Mini FX/PL

Ćwiczenie ABIS-C04. Programowanie węzłów sieci LonWorks z wykorzystaniem AUTOMATYKA BUDYNKOWA IMPLEMENTACJA W SIECIACH INTELIGENTNYCH KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII WWW.KANIUP.AGH.EDU.PL AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA WWW.AGH.EDU.PL Temat: Programowanie węzłów sieci LonWorks z wykorzystaniem modułów Mini FX/PL Narzędzia: Pakiet Echelon Mini FX Evaluation Kit, Zestaw uruchomieniowy Mini FX/FT stanowisko laboratoryjne, edytor tekstu np. TextPad Zakres materiału Do ćwiczenia potrzebna jest znajomość: 1. architektury i budowy mikrokontrolera NeuronChip, 2. podstaw języka C. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest opanowanie podstaw programowania w języku Neuron C z wykorzystaniem płytki ewaluacyjnej Mini FX/PL. W czasie ćwiczenia należy zapoznać się z programami demonstracyjnymi dostarczonymi przez producenta, skompilować oraz załadować je do pamięci mikrokontrolera, a następnie przetestować ich działanie. Kolejną częścią ćwiczenia jest rozbudowanie oprogramowania o własne funkcjonalności zaprojektowane z wykorzystaniem języka Neuron C. Wstęp W ćwiczeniu wykorzystywana jest płytka z mikrokontrolerem NeuronChip z rodziny PL3150. Widok płytki przedstawiono na rysunku nr 1.1. Rysunek nr 1.1. Zdjęcie płytki ewaluacyjnej Mini FX/PL, MiniGizmo I/O, zasilacza- medium transmisyjne. Uniwersalny węzeł LonWorks zawiera w sobie układ NeuronCore z rodziny PL 3150 będących połączeniem 3 procesorów. Pierwszy z nich dedykowany jest do współpracy ze KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 1/17

sprzętową warstwą MAC, pozostałe dwa służą do komunikacji z siecią zostało to przedstawione na rysunku nr 1.2. Rysunek nr 1.2. Schemat układu NeuronCore. W skład układów peryferyjnych wspomnianego zestawu wchodzi płytka rozszerzająca możliwości uniwersalnego węzła zwana MiniGizmo. Dysponuje ona ośmioma diodami LED, dziewięcioma przyciskami monostabilnymi, Buzzerem oraz układem do pomiaru temperatury typu 1-wire. Jako medium transmisyjne sieci LonWorks w tym przypadku wykorzystywana jest linia zasilająca (ang. Power Line - PL). Do komunikacji komputera PC z siecią LonWorks wykorzystywany jest moduł interfejsu sieci LonWorks Echelon U20. Skrót PL-20 określa typ transmisji, wykorzystujący jako medium linię zasilającą 230V lub 120V AC. Wymiana informacji odbywa się poprzez nałożenie na falę nośną linii zasilającej sygnału o określonej częstotliwości 132 lub 115 khz, według znormalizowanego protokołu CENELEC. Rysunek nr 1.3 obrazuje sposób wymiany danych z wykorzystaniem modulacji fali nośnej w określonych pasmach. Rysunek nr 1.3. Oscylogram przedstawiający pasma wykorzystywane w transmisji PL technologii LonWorks. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 2/17

Rozdział I: Zapoznanie z oprogramowaniem dedykowanym dla sieci LonWorks na bazie przykładowej aplikacji NightRider. Program ćwiczenia 1. Uruchomić pakiet Echelon Mini FX ( Start/ wszystkie programy ) Przedstawiony na rysunku nr 1.4 MINI FX Evaluation Kit jest to pakiet służący do kompilacji i wgrywania własnych programów, przygotowanych dla węzłów sieci LonWorks, do pamięci mikrokontrolera. Pierwszą czynnością jest wybór ścieżki Neuron C Source file. Należy podać ścieżkę do pliku Main.nc przykładowej aplikacji Nieustraszony. Kolejnym krokiem jest dodanie wszystkich bibliotek. Następnie należy wybrać rodzaj obsługiwanego sprzętu (PL 3150). Ścieżka: Pulpit: ABIS\C04-Mini FX-PL\Gizmo3150 Rysunek nr 1.4. Widok okna pakietu Mini FX Evaluation Kit Ostatnim elementem zakładki Application jest pole Standard Program Identifier. W tym przypadku można pozostawić go w opcji standardowej, ponieważ będzie tworzona nowa sieć. W celu kompilacji pliku Main.nc należy wybrać odpowiednią opcję klikając przycisk Build. Wszystkie pliki są kompilowane do tego samego katalogu \Main Output\ Main.APB. Uwaga. Proces kompilacji został przeprowadzony w programie Mini FX. Konfiguracja sieci odbywa się w pakiecie LonMaker. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 3/17

2. Uruchomić przedstawiony na rysunku nr 1.5 program LonMaker, który jest narzędziem służącym do integracji sieci LonWorks, nadać odpowiednią nazwę projektu i kliknąć przycisk Create Network. Rysunek nr 1.5. Widok okna pakietu Echelon LonMaker Design Manager. Wskazówka: W celu poprawnej identyfikacji modułu interfejsu sieciowego, który zostanie wykorzystany do prac z siecią LonWorks, należy uruchomić narzędzie LonWorks Interfaces dostępne w Panelu Sterowania. W zakładce USB powinna zostać wyświetlona nazwa aktualnie używanego modułu U20. Przykład użycia wspomnianego pakietu został przedstawiony na rysunku nr 1.6 Rysunek nr 1.6. Widok okna pakietu LonWorks Interfaces. Na następnym wyświetlonym na ekranie oknie pozostawić domyślne opcje tak jak zostało to przedstawione na rysunku nr 1.7. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 4/17

Rysunek nr 1.7. Widok okna Network Wizard, pojawiającego się podczas tworzenia nowego projektu sieci. W kolejnym wyświetlonym oknie, pokazanym na rysunku nr 1.8, należy wybrać odpowiedni interfejs sieci jaki ma zostać wykorzystany do połączenia komputera PC z siecią LonWorks. Nazwę aktualnie używanego interfejsu można sprawdzić za pomocą apletu LonWorks Interfaces, znajdującego się w Panelu Sterowania. Rysunek nr 1.8. Widok okna Network Wizard, w którym należy dokonać wyboru odpowiedniego interfejsu sieciowego. Kolejne wyświetlone na ekranie okno, które zostało przedstawione na rysunku nr 1.9, pozwala na wybór z pośród dwóch trybów zarządzania siecią. Wybrać tryb OnNet. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 5/17

Rysunek nr 1.9. Widok okna Network Wizard, w którym należy wybrać tryb zarządzania siecią. Następne wyświetlone okno, przedstawione na rysunku nr 1.10, pozwala na wybranie dodatkowych programów (tzw. plugin ów) konfigurujących ustawienia danych urządzeń, które mają zostać dołączone do tworzonego projektu. Rysunek nr 1.10. Widok okna Network Wizard, w którym można dokonać wyboru plugin ów. Proces dodawania nowego projektu sieci należy zakończyć klikając przycisk Zakończ w oknie z rysunku 1.10. Zakończenie tego procesu skutkuje otwarciem programu MS Visio z widocznym schematem utworzonej sieci. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 6/17

Poprawnie wykonany proces dodawania nowego projektu sieci LonWorks skutkuje uruchomieniem programu Microsoft Visio, wzbogaconego o opcje pakietu LonMaker, efekt ten został przedstawiony na rysunku nr 1.11. Okno główne programu przedstawia urządzenia (Device) podłączone do magistrali LON (Channel 1) oraz bloki funkcyjne tych urządzeń. Bloki funkcyjne wraz z typami zmiennych definiuje się za pomocą języka NeuronC. Strzałkami defioniowany jest przepływ danych w postaci zmiennych sieciowych. Rysunek nr 1.11. Widok okna pakietu LonMaker z nowym projektem sieci LonWorks. Blok LNS Network Interface m.in. reprezentuje urządzenie U20 USB będące głównym węzłem dostępu do sieci LonWorks z komputera PC. Kolor zielony świadczy o poprawności działania urządzenia w sieci LonWorks. 3. W celu dodania nowego urządzenia należy z palety Shapes przeciągnąć ikonkę Device i położyć ją na płachcie projektu. Na ekranie zostanie wyświetlone okno pokazane na rysunku nr 1.12. Jeżeli ustawienia są poprawne należy kliknąć przycisk Dalej. Rysunek nr 1.12. Widok okna dodawania nowego urządzenia w programie LonMaker. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 7/17

4. Następnie zostanie wyświetlone okno pokazane na rysunku nr 1.13. W polu Load XIF należy wskazać ścieżkę dostępu do pliku XIF. Jest to plik generowany przez program do kompilacji np. pakiet Mini FX, zawierający opis bloków funkcyjnych użytych w projekcie. Ścieżka: Pulpit: ABIS\C04-Mini FX-PL\Gizmo3150\Source\MainOutput\ Rysunek nr 1.13. Widok okna, w którym należy wskazać plik XIF dla danego urządzenia. Zadania do samodzielnego wykonania 1. Dodać nowe urządzenie Device 2. W tym celu należy ponownie przeciągnąć ikonkę Device z palety Shapes do okna głównego. Na ekranie zostanie wyświetlone okno jak na rysunku nr 1.12. Tym razem należy odznaczyć Create New Device Template, a z rozwijanej listy urządzeń Name wybrać Main. Ostatnim krokiem jest skomisjonowanie i wgranie programu na urządzenia w nowej sieci. 5. Prawym przyciskiem myszy kliknąć na blok Device 1, a następnie wybrać polecenie Commissioning zostało to przedstawione na rysunku nr 1.14 Rysunek nr 1.14. Widok ukazujący się po kliknięciu prawym przyciskiem myszy na bloku Device 1. 6. Należy zaznaczyć opcję Load aplication image w celu załadowania pliku wykonywalnego, zbudowanego wcześniej w pakiecie FX Mini (Main.APB) zostało to przedstawione na rysunku nr 1.15. Następnie wcisnąć przycisk Dalej> Ścieżka: Pulpit: ABIS\C04-Mini FX-PL\Gizmo3150\Source\MainOutput\ KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 8/17

Rysunek nr 1.15. Widok okna wyświetlanego podczas procesu komisjonowania. 7. Wprowadzić ustawienia takie jak zostały przedstawione na rysunku nr 1.16. Następnie wcisnąć przycisk Dalej> Rysunek nr 1.16. Widok okna wyświetlanego podczas procesu komis jonowania. 8. Następnie zaznaczyć opcję Service pin tak jak zostało to przedstawione na rysunku nr 1.17. Spowoduje to odczyt numeru Neuron ID przez program po naciśnięciu przycisku Service Pin na płytce ewaluacyjnej. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 9/17

Rysunek nr 1.17. Widok okna wyświetlanego podczas procesu komis jonowania. Wybór przycisku Zakończ skutkuje wyświetleniem okna, jak na rysunku nr 1.18, z prośbą o wciśnięcie przycisku Service Pin dla komisjonowanego urządzenia. Rysunek nr 1.18. Widok okna wyświetlanego podczas oczekiwania przez pakiet na wciśnięcie przycisku Service Pin komis jonowanego urządzenia. Uwaga: Zaznaczona opcja Filter on program ID powoduje, że pakiet LonMaker oczekuje numer Program ID z poprzedniego programu znajdującego się w pamięci urządzenia. W celu wprowadzenia aktualnego programu opcja Filter On program ID musi pozostać odznaczona. Zadania do samodzielnego wykonania 1. Jeżeli wszystkie urządzenia zostały skomisjonowane należy w pakiecie LonMaker przeciągnąć z palet Shapes ikonkę Functional Block i położyć ją na płachcie projektu. Wyświetlone zostanie okno dodawania bloków funkcjonalnych przedstawione na rysunku nr 1.19. Dla urządzenia Device 1 (pole Device: Name) należy dodać następujące bloki: Counter, Control i LED, dla urządzenia Device 2 blok Led. Dla wszystkich bloków funkcjonalnych zaznaczyć opcję Create all network variables and shapes, KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 10/17

Rysunek nr 1.19. Widok okna dodawania bloku funkcjonalnego. 2. Uruchomić program TextPad zainstalowany w systemie Windows 7. Jest to edytor tekstu z podkreśleniem składni języka NeuronC. Program Nieustraszony steruje diodami LED dodatkowych płytek minigizmo generując węża świetlnego na obu z nich. Przeanalizować kod źródłowy programu. Na podstawie kodu źródłowego programu dokonać połączeń między blokami (ang. Bingings) w pakiecie LonMaker. Zaobserwować mruganie LED. Zapoznać się z rozdziałem drugim ćwiczenia UWAGA: Przed każdym nowym procesem konfiguracji sieci w programie LonMaker należy zdekomisjonować wszystkie urządzenia Device. Jest to związane z przyznanym przez firmę Echelon limitem skomisjonowanych urządzeń w postaci punktów Credits widocznych podczas uruchamiania programu LonMaker. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 11/17

Rozdział II: Aplikacje węzłów sieci w języku NeuronC W niniejszym rozdziale zostały opisane najważniejsze informację na temat języka NeuronC, niezbędne do wykonania niniejszego ćwiczenia. Predefined Events Język Neuron C charakteryzuje się brakiem głównej funkcji main, znanej z języka C lub C++, w zamian występują zdarzenia typu Predefined Events. Stosowana jest klauzula when o następującej składni: [priorytet] when( <event> ) { //task - kod obsługi zdarzenia } Przykładowe zadanie wywołane po aktualizacji zmiennej sieciowej może mieć postać: when(nv_update_occurs(nvilamp) { //kod obsługi zdarzenia } NeuronChip wyposażony jest w Scheduler odpowiedzialny za priorytetowanie według schematu przedstawionego na rysunku nr 2.1 Rysunek nr 2.1. Schemat blokowy algorytmu priorytetowania zaimplementowanego w NeuroChip. Przykład występowania zdarzeń i ich obsługę przez Scheduler przedstawiono na rysunku nr 2.2. Rysunek nr 2.2. Schemat występowania zdarzeń i ich obsługa przez Scheduler. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 12/17

Zmienne sieciowe Zmienne sieciowe (ang. Network Variables) w języku NeuronC są predefiniowanymi przez standard LonWorks wartościami, strukturami lub typami wyliczeniowymi enum. Zmienne zawierające w sobie te elementy są zgodne ze standardem języka ANSI C. Przedrostki zmiennych sieciowych przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Przedrostki zmiennych sieciowych. Przedrostek Znaczenie Lokalizacja Zmiennej nvi Zmienna sieciowa wejściowa RAM nvo Zmienna sieciowa wyjściowa RAM nci Zmienna wejściowa kofiguracyjna EEPROM nco Zmienna stała ROM Bloki i profile funkcjonalne Zmienne sieciowe oraz konfiguracyjne są organizowane w bloki funkcjonalne. W definicji bloku zawarte są informacje o typach zmiennych w nim przechowywanych oraz algorytm przetwarzający sygnały wejść/wyjść (I/O). Technologia LonWorks wymaga, aby bloki funkcjonalne, tworzyć zgodnie z profilami funkcjonalnymi czyli przepisami na bloki funkcjonalne. Profile funkcjonalne są zgodne ze standardem, ponieważ są opracowywane przez organizację LonMark opiekującą się tą technologią. W deklaracji profilu funkcjonalnego znajduje się informacja o: - nazwie wykorzystanego szablonu profilu funkcjonalnego (np. SFPTclosedLoopActuator), - użytych zmiennych sieciowych, oraz ich przypisanie do odpowiednich miejsc w szablonie, - nazwie profilu funkcjonalnego. W celu stworzenia bloku funkcjonalnego należy posłużyć się słowem kluczowym "fblock", natomiast do przypisania zadeklarowanej zmiennej sieciowej z szablonem służy komenda "implements": fblock SFPTclosedLoopActuator { nvilamp[0] implements nvivalu nvolampfb[0] implements nvovaluefb; } Lamp[Lamp_FBLOCK_COUNT] #ifdef USE_EXTERNAL_NAME external_name("lamp") #endif ; Można wymusić kompilację profilu funkcjonalnego z większą ilością zmiennych sieciowych niż zadeklarowana w szablonie za pomocą "implementation_specific(-numer identyfikacyjny zmiennej-)", jednak nie jest to zalecany sposób, ze względu na niezgodność ze standardem LonWorks. W takim przypadku należy stworzyć własny szablon profilu funkcjonalnego. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 13/17

Zadania do samodzielnego wykonania 1. Otworzyć w edytorze TextPad pliki z kodem źródłowym programu Nieustraszony. Przerobić go tak, aby z węża świetlnego poruszającego się po obu płytkach minigizmo powstały dwa synchroniczne, poruszające się w przeciwnych kierunkach. Z pozostawieniem zaświeconych diod w przypadku schodzenia się i wyłączania ich w przypadku rozchodzenia się węży. Na rysunku nr 2.3 została przedstawiona wspomniana idea działania węża świetlnego, Rysunek nr 2.3. Idea działania węża świetlnego. 2. W pliku Main.nc programu Nieustraszony należy przeanalizować deklaracje zmiennych sieciowych oraz organizację kodu dla bloku funkcjonalnego RS. 3. Zaimplementować przerzutnik RS za pomocą NeuronC (RS Task). 4. Skompilować w pakiecie MiniFX oraz skomisjonować urządzenia z załadowanym uaktualnionym programem w pakiecie LonMaker. UWAGA: Przed każdym nowym procesem konfiguracji sieci w programie LonMaker należy zdekomisjonować wszystkie urządzenia Device. Jest to związane z przyznanym przez firmę Echelon limitem skomisjonowanych urządzeń w postaci punktów Credits widocznych podczas uruchamiania programu LonMaker. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 14/17

Rozdział III: Analizator protokołu LonTalk aplikacja LonScanner Protocol Analyzer Program LonScanner Protocol Analyzer firmy Echelon jest łatwym w użyciu narzędziem umożliwiającym integratorom systemu obserwacje przesyłanych pakietów danych, analizy i diagnostyki sieci LonWorks. Na rysunku nr 3.1 przedstawiono okno główne programu LonScanner. Kolory pozwalają na odróżnienie przesyłanych pakietów. Widoczne są takie informacje jak czas wystąpienia komunikatu, typ (np. z potwierdzeniem lub bez potwierdzenia), źródło i cel oraz przesyłana wartość. Rysunek nr 3.1. Widok okna programu LonScanner Podczas analizy danych pochodzących z sieci LonWorks za pomocą pakietu LonScanner wygodnym jest zaimportowanie nazw zmiennych sieciowych z Bazy Danych LNS. Aby tego dokonać, należy wybrać przycisk pokazany na rysunku nr 3.2. Rysunek nr 3.2. Widok okna programu LonScanner, z zaznaczoną ikoną odpowiedzialną za import nazw zmiennych sieciowych z danego projektu. Następnie w oknie, które zostanie wyświetlone należy z rozwijanej listy wybrać nazwę projektu sieci, który ma zostać poddany alizie w pakiecie LonScanner przykład został przedstawiony na rysunku nr 3.3. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 15/17

Rysunek nr 3.3. Widok okna programu LonScanner, w którym wybiera się nazwę projektu poddawanego analizie. Kolejno należy zaakceptować poprzez kliknięcie przycisku Dalej pojawiające się komunikaty zatwierdzając standardowe ustawienia programu. Każda z zakładek przedstawionych na rysunku nr 3.4 dostarcza porcję informacji pochodzących z analizy sieci LonWorks. Rysunek nr 3.4. Widok paska zakładek dostępnych w programie LonScanner. Po podłączeniu pakietu LonScanner do sieci LonWorks można obserwować przepływ danych między uniwersalnymi węzłami. W zakładce Packet Types podana jest liczba wysłanych pakietów, z podziałem na rodzaj pakietów, oraz ilość błędów które wystąpiły. Natomiast w zakładce BWU History oraz Err Rate History można obserwować obciążenie sieci sterującej i sumaryczną ilość błędów przedstawionych w formie wykresów. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 16/17

Rozdział IV: Analizator protokołu LonTalk moduły Power Line Communication Analyzer Power Line Communicator Analyzer jest urządzeniem dostarczanym przez firmę Echelon, służącym do analizy transmisji w sieci PowerLine. Dysponuje on alfanumerycznym wyświetlaczem czteroliniowym oraz szesnasto przyciskową klawiaturą, które służą do ustalania parametrów testu oraz odczytu jego wyników. W celu rozpoczęcia pomiarów należy wybrać urządzenie nadawcze, rodzaj przesyłanych pakietów, oraz ich ilość, a następnie nacisnąć przycisk Start. Urządzenie zacznie nadawać komunikaty, następnie po ukończeniu transmisji wyświetli ilość błędów, które wystąpiły podczas transmisji. W trakcie pomiaru sieć PL jest znacznie obciążana. Rysunek nr 4.1 przedstawia wyświetlacz analizatora. Rysunek nr 4.1 Widok wyświetlacza modułu Power Line Communicator Analyzer. Zadania do samodzielnego wykonania 1. Dokonać diagnostyki sieci PL z wykorzystaniem przesyłu pakietów z potwierdzeniem i bez potwierdzenia za pomocą modułów Power Line Communications Analyzer. 2. Dokonać analizy FFT sygnału w sieci PL z użyciem oscyloskopu. Wykorzystać zasilania zestawów uniwersalnych węzłów z działającą aplikacją węża świetlnego. Wybór FFT w oscyloskopie Tektronix odbywa się poprzez funkcję Math\FFT. Zaleca się użyć opcji LinearRMS. Za pomocą przycisków Multipurpose A i B służących do przybliżania i przesuwania widma FFT odnaleźć pasmo częstotliwości transmisji. Zwrócić uwagę na odpowiednie ustawienie wyzwalania Trigger w celu poprawnej obserwacji zjawiska. Przykład analizy FFT zarejestrowanego sygnału przedstawiono na rysunku nr 4.2. Rysunek nr 4.2 Oscylogram zarejestrowanej analizy FFT sygnału z sieci PL. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 17/17