Platforma za izradu

korisnički specifičnih uređaja

Luka Kapraljević, Goran Kemfelja, Danijel Maršić i Goran Malčić

Tehničko veleučilište u Zagrebu / Elektrotehnički odjel, Zagreb, Hrvatska

danijel.marsic@tvz.hr

Sažetak - Primjenom mikrokontrolerskih struktura u

elektroničkim sklopovima moguće je ostvariti specifične

funkcije pojedinih sklopova i projektirati ih kao zasebne

uređaje te ih zatim povezati u funkcionalne cjelinu čineći

time modularno računalo. Gledajući standardna rješenja na

tržištu, pomoću takve objektne strategije izrade

elektroničkog sklopovlja postiže se veća fleksibilnost

prilikom same izrade, a posebno daljnjeg mogućeg

proširenja uređaja. Temeljem te ideje, u ovom radu

prikazan je projekt sklopovskog i programskog rješenja

platforme za izradu korisnički specifičnih uređaja.

I. UVOD

Mikrokontrolerski sustavi postaju sve pogodniji za brz razvoj novih uređaja koji nalaze široku primjenu. Brz i efikasan razvoj omogućuje povezivanje računalne aplikacije i mikrokontrolerskog sustava u cjelinu koja je fleksibilna i lako programirljiva te kao takva omogućava uključivanje sve većeg broja korisnika takvih uređaja.

Na tržištu se nalazi velik broj razvojnih platformi koje se programiraju, ali povezivanje računala i izradu jednostavne računalne aplikacije ne koriste što smanjuje fleksibilnost sustava. Prednost u odnosu na ostale sustave na tržištu je jednostavno programiranje sklopovlja i računalne aplikacije.

Cilj rada je pokazati mogućnosti razvoja korisnički specifičnih upravljačkih platformi koje bi služile za obrazovne svrhe i robotiku, upravljanje pametnih kuća, automatiziranih linija, mobilnim sustavima za nadzor i upravljanje, upravljanje vozilima i strojevima i njihovo međusobno povezivanje u upravljačko nadzornu strukturu.

II. IDEJNO RJEŠENJE

Uređaj koji se modularno i jednostavno povezuje i programira, nadograđuje i proširuje pomoću novog sklopovlja ili aplikacija razvijen je i izrađen kao platforma sa funkcijskim objektima (Sl. 1.). Takav uređaj ima za cilj da se koristi kao razvojna platforma bez programske podrške, s programskom podrškom kao podatkovno distributivni upravljan pomoću vanjskog računala pomoću izrađene upravljačke ploče ili samostalni uređaj specifične namjene programiran od krajnjeg korisnika pomoću aplikacije za programiranje.

Specifični moduli, što su u ovom radu funkcijski objekti čija funkcionalnost može biti različita (očitanja senzora, obrada informacija, komunikacija, upravljanje

aktuatorima i sl.), izrađeni su od kompatibilnih mikrokontrolerskih struktura koje pomoću različitih programa obavljaju određenu funkciju. Objekti se međusobno povezuju pomoću zajedničke sabirnice, komunikacijski i energetski.

Odabirom komunikacijsko energetske sabirnice postiže se jednostavno spajanje uređaja, a programska podrška pomaže jednostavno upravljanje i korištenje. Također programska podrška ima nekoliko mogućnosti pristupa funkcijskom objektu. Omogućavanje fizičkog odabira određenog funkcijskog objekta kao i programskog odabira postiže se mogućnost plivajućeg funkcijskog objekta koji nije nužno fizički vezan za određenu poziciju u sabirnici. Također pomoću programskog odabira moguće je i multipliciranje istih funkcijskih objekata, režim paralelnog rada funkcijskih objekta.

RAČUNALO

Glavni

procesor

Komunikacijski

procesor

Dig

ita

lni

ula

zi

Dig

ita

lni

izla

zi

An

alo

gn

i

ula

zi

PROCES

U/I

fun

kcij

sk

i

ob

jekt

Slika 1. Idejno rješenje

III. SKLOPOVSKO RJEŠENJE

A. Komunikacijsko energetska sabirnica

Komunikacijsko energetska sabirnica služi za

međusobno povezivanje funkcijskih objekata. Na njoj se

nalaze podatkovna sabirnica, adresna sabirnica i

napajanje za sve funkcijske objekte. Izvedena je tako da

se na tiskanoj pločici nalazi 8 utora u koje je moguće

utaknuti funkcijske objekte. Utori su međusobno

paralelno povezani komunikacijskim sabirnicama,

podatkovnim linijama i energetskim linijama [1].

Na slici 2 je prikaz svih podatkovnih i energetskih

linija koje postoje na komunikacijsko energetskoj

sabirnici. U izrađenom uređaju se za komunikaciju

između funkcijskih objekata koristi SPI (eng. Serial

Peripheral Interface, SPI) sabirnica, za adresiranje

„FIZIČKA ADRESA“ a od napajanja se koriste 3V3, 5V

i 12V. Svaki funkcijski objekt se prijavljuje glavnom

procesoru sa svojim identifikacijskim kodom (ID) te

prema tom kodu glavni procesor zna koji je to funkcijski

objekt (DI, DO, AI, AO, PS), koliko ulaza odnosno izlaza

ima, koja su mu napajanja i ostale bitne informacije za

upravljanje s tim objektom.

Slika 2. Prikaz linija komunikacijsko energetske sabirnice

B. Napajanje

Da bi funkcijski objekti radili ispravno potrebno je osigurati adekvatne napone za napajanje preko komunikacijsko energetske sabirnice. Napajanje PS3512 je izrađeno isključivo za napajanje funkcijskih objekata, a ne za napajanje trošila, te je stoga potrebno za napajanje trošila i kao ulazni napon od PS3512 koristiti komercijalno dobavljivo napajanje.

C. Slike i tablice

Za izvršavanje korisničkog programa brine se

funkcijski objekt Glavni procesor koji se sastoji od

mikroupravljača Atmel AT32UC3A1128, radne

memorije High speed SRAM 32 kB i servisne flash

memorije (Slika 3).

Slika 3. Blok prikaz glavnog procesora

Funkcijski objekt glavni procesor je spojen na

komunikacijsko energetsku sabirnicu. Od komunikacije

koristi dva SPI kanala (SPI0 i SPI1), a za napajanje

koristi 5V sa funkcijskog objekta napajanje. SPI0 koristi

za komunikaciju sa svim funkcijskim objektima osim sa

komunikacijskim procesorom. S komunikacijskim

procesorom je spojen pomoću SPI1 kanala. Brzina

prijenosa podataka po SPI kanalu iznosi 200 kb/s. Rad

uređaja (platforme) je podijeljen u radne cikluse koji

obuhvaćaju slijedeće operacije: čitanje ulaza, korisnički

program i postavljanje izlaza (Slika 4.).

Slika 4. Princip rada platforme

D. Komunikacijski procesor

Komunikaciju s računalom obavlja funkcijski objekt

komunikacijski procesor. Njegova glavna zadaća je

pohranjivanje korisničkog programa na Micro SD karticu

te prijenos korisničkog programa glavnom procesoru.

Komunikacija s glavnim procesorom se vrši preko

komunikacijsko energetske sabirnice SPI1 kanalom. Za

upravljanje memorijom kod prijenosa podataka brine se

DMA kontroler koji bez upotrebe komunikacijskog

procesora razmjenjuje podatke sa glavnim procesorom

(Slika 5.).

Slika 5. Blok prikaz komunikacijskog procesora

E. Digitalni ulazi

Da bi uređaj mogao primiti digitalne informacije iz

procesa kojim upravlja potreban mu je funkcijski objekt

koji ima mogućnost primiti digitalni signal. Tome služi

funkcijski objekt sa osam digitalnih ulaza. Na slici 6.

prikazan je blok prikaz funkcijskog objekta digitalni ulazi

na kojem je vidljiva unutarnja struktura objekta. Ulazi su

izvedeni tako da imaju zaštitnu diodu protiv krivog

spajanja (obrnutog polariteta). Ujedno su i galvanski

odvojeni od mikrokontrolera, a tako i od ostatka uređaja.

Galvanska odvojenost je bitna ukoliko dođe do

povećanog napona na pojedinom ulazu da zaštiti ostatak

tog funkcijskog objekta od previsokog napona.

Slika 6. Blok prikaz digitalnih ulaza

F. Digitalni izlazi

Da bi izrađeni uređaj mogao upravljati sa procesom

potreban mu je funkcijski objekt sa 8 digitalnih izlaza na

koje je moguće spojiti induktivno i otporno trošilo. Svaki

digitalni izlaz je galvanski odvojen (koristeći

optoizolator) od mikrokontrolera te od ostalih izlaza kako

bi se funkcijski objekt zaštitio od neželjenih napona i

struja (Slika 7.). Maksimalna struja po izlazu iznosi 500

mA dok je maksimalna ukupna struja po svim izlazima

2,5A.

Slika 7. Blok prikaz digitalnih izlaza

G. Analogni ulazi

Za očitavanje analognih vrijednosti brine se funkcijski

objekt analognih ulaza čija dva ulaza mogu prema potrebi

biti naponski ili strujni (Slika 8.). Odabir vrste ulaza se

vrši programski pomoću aplikacije za konfiguriranje

uređaja.

Kada je odabran naponski ulaz raspon napona kojeg

može mjeriti je od -10V do 10V. Uz klasične analogne

senzore (naponski) na naponski ulaz moguće je spojiti K-

tip i T-tip termopara. Prilikom odabira strujnog ulaza

funkcijski objekt mjeri struju od -20 do 20 mA.

Vrijednost struje odnosno napona se mjeri pomoću 16

bitnog ADC (eng. Analog to Digital Converter)

pretvornika. Na taj način je moguće dobiti digitalne

vrijednosti napona od -32768 do 32767.

Slika 8. Blok prikaz analognih ulaza

H. Analogni izlazi

Funkcijski objekt analogni izlazi zamišljen je tako da

ima dva izlaza koji se mogu neovisno odabrati da li će

biti naponski ili strujni.

Slika 9. Blok prikaz analognih izlaza

Na slici 9. vidljiv je blok prikaz unutarnje strukture

funkcijskog objekta analogni izlazi. Prikazan je samo

jedan analogni izlaz, a funkcijski objekt sadrži dva izlaza.

Nije moguće istovremeno imati i naponski i strujni

izlaz na jednom kanalu (VOUT1 i IOUT1 ili VOUT2 i

IOUT2). Na naponski izlaz je moguće spojiti trošilo sa 2

žice (bez kompenzacije impedancije spojnih vodova) ili

sa 4 žice (sa kompenzacijom impedancije spojnih

vodova). Raspon napona je moguće odabrati (za svaki

izlaz zasebno) preko aplikacije za konfiguriranje u

rasponima 0 do 5V, 0 do 10V, ±5V i ±10V s mogućnošću

20% nadvišenja.

Na strujne izlaze moguće je spojiti trošila samo na

jedan način, a to je između stezaljki IOUT+ i IOUT-.

Raspon izlazne struje moguće je odabrati preko aplikacije

za konfiguriranje u rasponima 0 do 20mA, 4 do 20mA, 0

do 24mA, ± 20mA i ±24 mA s mogućnošću 2%

nadvišenja. Strujni izlazi mogu pokretati otporna trošila

otpora do 300Ω.

I. Procesor za proširenje

U jednu komunikacijsku sabirnicu je moguće ugraditi

do ukupno osam funkcijskih objekata što je dovoljno za

neki manje složeni proces. Iz toga razloga razvijeni su i

dodatni funkcijski objekti za proširenje sustava.

Proširenje sustava zamišljeno je u dva smjera, proširenje

sa dodatnom komunikacijsko energetskom sabirnicom i

proširenje samo sa dodatnim funkcijskim objektima.

Na slici 10. vidljiva su dva principa spajanja dodatnih

funkcijskih objekata. Uz ta dva moguća je i kombinacija,

što znači da je moguće spojiti i dodatnu komunikacijsko

energetsku sabirnicu i zasebne funkcijske objekte.

Slika 10. Princip spajanja dodatnih funkcijskih objekata

IV. PROGRAMSKA PODRŠKA

Programska podrška sastoji se od šest aplikacija koje

su nezavisne. Postoji aplikacija za konfiguriranje,

uređivanje, preglednik, programiranje, prevođenje i

testiranje. Na slici 11. je prikaz aplikacija i njihovo

međusobno djelovanje.

Slika 11. Blok prikaz aplikacija

A. Aplikacija za konfiguriranje

Aplikacija za konfiguraciju služi za očitavanje

sklopovske opreme koja je spojena na komunikacijsko

energetsku sabirnicu. Aplikacija koristi Windows sučelje

i naziva se Corebus config v5_1.

Nakon spajanja postavlja se u statusnom prozoru

status Connected nakon toga moguće je učitavati podatke

s uređaja pritiskom na tipku Scan. U prozoru se nakon

toga pojavljuje konfiguracija s funkcijskim objektima.

Funkcijski objekti ujedno prikazuju fizičku poziciju u

komunikacijsko energetskoj sabirnici. Također prikazuju

i programsku adresu i poziciju promjenljivog fizičkog

priključka koji se postavlja u slučaju fizičkog

multipliciranja [2].

Slika 12. Prikaz konfiguriranog uređaja

Na slici 12. je prikazano u kojem se dijelu nalazi

promjenljiva fizička adresa, a u kojem programska

adresa. Iz slike je vidljivo da se na četvrtoj poziciji

(pozicije su od 0 do 7) nalazi objekt ulazi i dodijeljena

mu je oznaka I kao Input na lokaciji 4, a njegova

programska adresa označena s ADRI kao Adrress Input i

iznosi 0 (koristi 8 bitni izbor, odnosno raspon od 0 do

255). Promjenljiva fizička adresa je označena s CS i

iznosi 6 (mogućnosti su od 0 do 7). Jednako tako

funkcijski objekti izlazi s oznakom O kao Output na

lokaciji 5. Ukoliko je u konfiguraciji pronađen

komunikacijski funkcijski objekt s programskom

memorijom moguće je formatirati memoriju na format za

uređaj. Takav format nije čitljiv u drugim sustavima.

Formatiranje se obavlja pritiskom na tipku Format. U

prozoru liste prikazuje se da li je formatiranje bilo

obavljeno.

B. Aplikacija za testiranje

Aplikacija za testiranje služi za ispitivanje i online

pregled podataka sklopovske opreme koja je spojena na

komunikacijsko energetsku sabirnicu. Aplikacija koristi

Windows sučelje i naziva je Corebus debug v5_1.

Aplikacija za testiranje može raditi istodobno kao i bilo

koja od navedenih aplikacija i pritom koristiti isti fizički

priključak.

C. Aplikacija za uređivanje

Aplikacija za uređivanje služi za izradu korisničkog

grafičkog sučelja preglednika. Aplikacija koristi

Windows sučelje i naziva je Corebus edit v5_1. Objekti

se postavljaju odabirom na alatnoj traci koja je prikazana

na slici 13. i svaki sadrži određena svojstva. Objekti su

linija, krug i kružni isječak, tipka, prekidač, indikator,

analogni pokaznik, digitalni pokaznik, analogni davač,

osciloskop, dnevnik za podatke, animacija, tekst,

geometrijski oblik, gumb stranice, pozadina stranice,

prazni element za izradu.

Slika 13. Alatna traka objekata

Svojstva jednog od objekta prikazana su slici 14.

Svojstva objekta uključuje dimenziju, oblik, poziciju,

negativnu logiku, početno stanje, boju naziva, boju

vanjskog ruba, unutarnjeg dijela, pokazivača, pomočnih

linija, naziv za uključeno stanje, naziv za isključeno

stanje, povezivanje, ispis greške, boju uključenog naziva,

boju isključenog naziva, minimalna vrijednost,

maksimalna vrijednost, broj podjela, stranica na kojoj se

nalazi objekt, a neki od objekta sadrže veličinu slova,

naziv datoteke prilikom pohrane podataka, uzorkovanje i

vremensku odgodu.

Slika 14. Svojstva objekta

Veza između objekta i podatka sa funkcijskog objekta

ostvarena je pod nazivom link odnosno povezivnje gdje

je potrebno upisati fizičku adresu s nazivom i brojem

utora i izvodom (npr. I4.5, O5.7, AI0.1), programsku

adresu (npr. ADRI0.5, ADRO6.7, ADRAI0.1) vidljivu iz

aplikacije za konfiguriranje ili gotovu naredbu

(FILEmoj_file, MEM4.9.5, PAGE1, NEXTPAGE,

PREVPAGE, TIME, DATE, DAY).

Na slici 15. prikazan je početni izgled nekih od

objekata kojima je moguće mijenjati gore opisana

svojstva.

Slika 15. Početni izgled objekata

Ova aplikacija ima za cilj jednostavno i brzo izraditi

upravljačku ploču za specifičnu korisničku namjenu.

D. Aplikacija za preglednik

Aplikacija služi za pregled, promjenu i pohranu

podataka u realnom vremenu. Koristi datoteku koja je

predložak izrađene korisničke upravljačke ploče

pripremljena u aplikaciji za uređivanje. Aplikacija koristi

Windows sučelje i naziva je Corebus view v5_1.

Na slici 16. je prikazan izgled pokrenute aplikacije s

izrađenom upravljačkom pločom. Promjenu stanja nekih

objekata moguće je ostvariti pritiskom na isti ili

povlačenjem određenog kliznog dijela objekt.

Slika 16. Aplikacija preglednika s izrađenom upravljačkom pločom

E. Aplikacija za programiranje

Aplikacija za programiranje služi za izradu

programskog sadržaj. Korisnik postavlja operacije,

funkcije i njihovu vezu sa funkcijskim objektima i

memoriji koji se nalaze unutar procesorskog funkcijskog

objekta. U tablici I su prikazane naredbe koje se koriste.

TABLICA I. NAREDBE APLIKACIJE ZA

PROGRAMIRANJE

U tablici II su prikazane i gotove funkcije.

TABLICA II. FUNKCIJE APLIKACIJE ZA

PROGRAMIRANJE

U tablici III su prikazane matematičke i logičke operacije.

TABLICA III. FUNKCIJE APLIKACIJE ZA

PROGRAMIRANJE

F. Aplikacija za prevođenje

Aplikacija za prevođenje pretvara napisani program u

kod za funkcijski objekt procesor koji ima u dijelu svoje

memorije interpreter koji očitava i izvršava program.

Aplikacija program pritiskom na tipku Compile pretvara

u podatkovne pakete koji se izvode slijedno. Pritiskom na

tipku Prog šalje se programski paket, a na tipku Restore

vraća se prethodni program iz memorije.

V. ZAKLJUČAK

Platforma za izradu korisnički specifičnih uređaja je

uređaj kojim se efikasno može nadzirati i upravljati

odabranim procesom. Što je proces složeniji to je

potrebno više ulazno izlaznih funkcijskih objekata.

Izrađena platforma podržava do 256 funkcijskih objekata

što može zadovoljiti i veće korisničke procese.

Kod obrade korisničkog programa bitna je brzina

procesora i količina radne memorije. Ovakva modularna

struktura omogućava da se bez ikakvih modifikacija u

korisničkom programu i ostalim funkcijskim objektima

ubaci drugi funkcijski objekt glavni procesor koji ima

brži procesor i više radne memorije. Isto vrijedi i za

primjerice komunikacijski procesor. Ukoliko je potrebna

komunikacija preko Etherneta ili GSM-a ili slično,

jednostavno se ubaci željeni funkcijski objekt i rad

uređaja se nastavlja sa tom novom funkcijom.

Komunikacija, tj. podatkovni paketi prilikom

komunikacije između glavnog procesora i ostalih

funkcijskih objekata je standardiziran i univerzalan za sve

funkcijske objekte te to omogućuje dodatna proširenja

tipa dodatni funkcijski objekt za upravljanje istosmjernim

elektromotorima (H-most), upravljanje step motorima,

PWM izlazni funkcijski objekti, brojači…

Programiranje funkcijskih objekata je univerzalno i

kao takvo se može primijeniti u budućnosti na bilo koji

bolji procesor ili računalnu komunikaciju. Odabir

odvojenih funkcijskih objekata dovelo i do lakšeg razvoja

aplikacija koje su se razvijale djelomično zajedno sa

svakim objektom.

Moguće je ubrzati rad komunikacija, dohvata podataka

i slanja podatka na strani računala i funkcijskih objekata

pomoću direktnog brzog adresiranja koje se još nije do

kraja razvilo, ali je u pripremi. Također dio aplikacije za

prevođenje i programiranje stalno se nadograđuje i

poboljšava te je u skorije vrijeme gotova uporabna

verzija, a ne testna kao sada.

LITERATURA

[1] L. Kapraljević, „Sklopovsko rješenje programirljivog logičkog kontrolera“, diplomski rad br. E437, Tehničko veleučilište u Zagrebu, 2016.

[2] G. Kemfelja, „Programska podrška programirljivog logičkog kontrolera“, diplomski rad br. E438, Tehničko veleučilište u Zagrebu, 2016.