Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Bezobsługowy zespół wymiany danych integrujący różne interfejsy komunikacyjne prowadzący: Adam Kalinowski Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Problem Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Problemem dzisiejszych urządzeń EAZ oraz automatyki przemysłowej jest istnienie wielu systemów transmisji danych. Niecelowe, a wręcz niemożliwe jest wbudowywanie w urządzenia wielu interfejsów obsługujących różne protokoły. Rozwiązaniem jest urządzenie pośredniczące, umożliwiające przekazywanie danych poprzez różne media i interfejsy. Takim urządzeniem jest właśnie: „Bezobsługowy zespół wymiany danych integrujący różne interfejsy komunikacji” Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA W ramach projektu statutowego „Bezobsługowy zespół wymiany danych integrujący różne interfejsy komunikacji” zostały opracowane moduły, kompatybilne ze sobą wyprowadzeniami, oparte o różne układy scalone realizujące przesył przewodowy lub bezprzewodowy. Celem projektu było zapewnienie bramy pomiędzy standardowym przesyłem szeregowym (UART, SPI), a warstwą logiczno-fizyczną wykorzystywanego układu i rodzaju transmisji. W każdym z modułów przesył danych jest realizowany identycznie: dane wysyłamy i odbieramy po łączu UART lub SPI, a jednostka mikroprocesorowa, zarządzająca i sterująca układem wykonawczym, dba o buforowanie i kolejkowanie danych. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Konstrukcja urządzenia umożliwia użycie tylko takiej ilości interfejsów, która zależy od aktualnych potrzeb. Możliwe jest także użycie wielu interfejsów tego samego typu. Przyjęta koncepcja jest systemem otwartym i umożliwia opracowanie innych modułów w miarę powstawania nowych potrzeb. Poszczególne moduły mogą być również użyte jako samodzielne moduły transmisyjne w urządzeniach mikroprocesorowych. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Schemat blokowy urządzenia: Rozwiązanie Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Schemat blokowy urządzenia: Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Wybrano najczęściej występujące media i interfejsy: Bluetooth (2,4 GHz) Zigbee (2,4 GHz) XBee (2,4 GHz) Nordic (2,4 GHz) Światłowód szklany Światłowód plastikowy (POF) Konwerter izolowany RS232/485 USB HOST (Pendrive/konwerter USB z powłoką akceptującą polecenia typu: mkdir, cd, open, read, write, rename, etc.) LAN (TCP/UDP) WiFi (2,4 GHz) GSM (850 MHz, 900 MHz, 1,8 GHz, 1,9 GHz) Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł Bluetooth Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł Bluetooth Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Komunikacja radiowa w paśmie 2,4 GHz standard Bluetooth. Planowany zasięg komunikacji 10 - 100 m. Planowane protokoły komunikacji: MODBUS RTU i tryb pracy przezroczystej. Wykonano: Obsługę programową układu Bluetooth BTM222 Obsługę programową układu Bluetooth WT11 Interfejs konfiguracyjny zgodny ze standardem komend AT: konfiguracja modułu, sparowanie adresów i wybór szybkości komunikacji z opcjonalną możliwością zapisu ustawień do nieulotnej pamięci FLASH. Uzyskane wyniki: Btm222: Nie uzyskano stabilnego połączenia, zbyt długie czasy martwe pomiędzy pakietami danych odbieranych i wysyłanych. WT11: Uzyskano stabilne połączenia z urządzeniem MUPASZ 710 użyciu protokołu MODBUS RTU z szybkością transmisji w granicach 4 kB/s i odległością transmisji 20 m. Możliwe udoskonalenia: Dodanie obsługi piko sieci do 8 urządzeń komunikujących się pomiędzy sobą lub jednym układem nadrzędnym. Wymiana układu WT11 na mocniejszy o teoretycznym zasięgu 1 km w terenie niezabudowanym. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł ZigBee Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł ZigBee Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Komunikacja radiowa w paśmie 2,4 GHz według standardu ZigBee. Planowany zasięg komunikacji 100 m. Planowane protokoły komunikacji: MODBUS RTU, przeźroczysty. Wykonano: Konfigurację programową układu. Transmisja wraz z obsługą ramki MAC według standardu IEEE 802.15.3. Pomyślne zakończenie transmisji Tx oraz Rx zgłaszane przerwaniem. Uzyskane wyniki: Stabilne przesyłanie dowolnych danych, podczas transmisji „przeźroczystej”, na odległość około 35 m. Zwiększanie tej odległości skutkuję retransmisją i gubieniem danych. Transmisja poprzez ściany jest możliwa na odległość około 5 - 10 m. Możliwe udoskonalenia: Zwiększenie zasięgu poprzez przywrócenie oryginalnego toru antenowego, zalecanego przez producenta. Wykorzystanie grubszej warstwy miedzi oraz płytki PCB 4-warstwowej tak jak zaleca producent. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł XBee Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł XBee Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Komunikacja radiowa w paśmie 2,4 GHz standard 802.15.4. Planowany zasięg komunikacji 100 - 1000 m. Planowane protokoły komunikacji: MODBUS RTU i tryb pracy przezroczystej. Wykonano: Obsługę programową układu Xbee. Interfejs konfiguracyjny zgodny ze standardem komend AT: konfiguracja modułu, sparowanie adresów i wybór szybkości komunikacji z opcjonalną możliwością zapisu ustawień do nieulotnej pamięci FLASH. Obsługę programową modułu wykorzystując wbudowany protokołu API Uzyskane wyniki: Uzyskano stabilne połączenie z urządzeniem MUPASZ 710 użyciu protokołu MODBUS RTU z wykorzystaniem API z szybkością transmisji w granicach 2 kB/s i odległością transmisji 50 m). Transmisja uzyska większy zasięg przy zastosowaniu modułu XbeePro i anteny dookólnej. Możliwe udoskonalenia: Rozbudowa protokołu wymiany danych API: - wysyłania pakietów danych do dowolnego układu - komunikacja z układami bez wcześniejszego parowania - budowa sieci układów Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł Nordic Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł Nordic Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Komunikacja radiowa w paśmie 2,4 GHz. Planowany zasięg komunikacji 10 - 100 m. Planowane protokoły komunikacji: MODBUS RTU i tryb pracy przeźroczystej. Wykonano: Niskopoziomową obsługę modułu Nordic w postaci klas i interfejsów do funkcji wirtualnych warstwy sprzętowej w języku programowania C. Interfejs konfiguracyjny zgodny ze standardem komend AT: konfiguracja modułu, sparowanie adresów i wybór szybkości komunikacji z opcjonalną możliwością zapisu ustawień do nieulotnej pamięci FLASH. Uzyskane wyniki: Uzyskano stabilne połączenie z urządzeniem MUPASZ 710 przy użyciu protokołu MODBUS RTU z szybkością transmisji w granicach 2 kB/s i odległością transmisji 10 m. Transmisja uzyska przy zastosowaniu 3 cm anteny z kawałka przewodu. Możliwe udoskonalenia: Zwiększenie szybkość transmisji przez wykorzystanie sprzętowych linii status układu Nordic nrF24L01. Możliwość wymiany platformy sprzętowej bez konieczności modyfikacji funkcji obsługi układu Nordic nrF24L01, możliwość użycia dowolnego mikrokontrolera interfejsem SPI. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Moduł światłowodu szklanego Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł światłowodu szklanego Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Moduł światłowodu szklanego Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Wymiana danych za pomocą medium optycznego: światłowód typ szklany, wielomodowy. Wykonano: Obsługę modułu, wymian danych z poziomu magistrali SPI, moduł pracujący jako układ SPI slave. Protokół wymiany danych przez magistralę SPI. Uzyskane wyniki: Transmisja na odległość do 2000 m. Uwagi: Zastosowanie mikrokontrolera plus magistrali SPI w trybie slave nie daje gwałtownego wzrostu szybkości komunikacji, fakt wynika z: mikrokontroler wymaga czasu na skopiowanie danych z buforów IN -> OUT plus wymagana jest sekwencja komend: „pobranie informacji o statusie  wysłanie komendy odczytu  pobranie danych ” – 3 sekwencje komend na SPI. Po każdej sekwencji wymagane jest sprawdzenie linii BUSY. Sprawdzenie linii BUSY nie jest kompatybilne ze standardem SPI. Ominięcie tego problemu wymaga czasowych stref martwych w komunikacji. Możliwe udoskonalenia: Optymalizacja kopiowania danych z buforów przez dodanie wstawek asemblerowych i transakcji dma. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Moduł światłowodu plastikowego Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł światłowodu plastikowego Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Moduł światłowodu plastikowego Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Wymiana danych poprzez ekonomiczne łącze światłowodowe plastikowe (POF – o średnicy 1 mm) oraz łącze światłowodowe HCS (Hard Clad Silica o średnicy 200 um) charakteryzujące się możliwością przesyłu danych na znacznie większe odległości. Wykonano: Obsługę modułu, wymiany danych poprzez interfejs UART. Transmisja danych przeźroczysta. Uzyskane wyniki: Wymiana danych została przetestowana z maksymalną prędkością dopuszczalną przez układ USART mikrokontrolera STM32, tj. 4,5 MBit/s. Długość przewodu światłowodowego wynosiła 35 metrów. Uwagi: Deklarowane maksymalne możliwości układów HFBR-1528 oraz HFBR-2528 dla: światłowodu POF to prędkość transmisji 10 Mbit/s, a długości światłowodu to 50 metrów; dla światłowodu HCS odpowiednio 10 MBit/s oraz 500 metrów. Możliwe udoskonalenia: Zwiększenie zasięgu komunikacji do 500 metrów poprzez zastosowanie efektywniejszego i droższego światłowodu HCS. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Konwerter izolowany RS232/RS485 Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Konwerter izolowany RS232/RS485 Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Konwerter izolowany RS232/RS485 Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Konwersja protokołów szeregowej wymiany danych, w obie strony, między SPI, a UART w standardzie RS232 oraz RS485. Wykonano: Konwersję danych na standard RS232 wykonano w oparciu o znany konwerter napięć MAX232 oraz dołożono izolację galwaniczną wykorzystując uniwersalny czterokanałowy izolator ADUM1402. Natomiast konwersję danych na standard RS485 wykonano wykorzystując pojedynczy konwerter-izolator ADUM2483. Uzyskane wyniki: Układ konwertera RS485 charakteryzuje się maksymalną prędkością transmisji na poziomie 0,5 Mbit/s, dla układu konwertera RS232 to ponad 20 MBit/s, która jest ograniczona odgórnie przez możliwości układu SPI mikrokontrolera STM32 i wynosi 18 MBit/s. W przypadku konwersji na standard RS485 prędkość jest nieznacznie mniejsza ze względu na przełączanie się pomiędzy nadawanie i odbieraniem oraz buforowaniem danych. Uwagi: (brak) Możliwe udoskonalenia: (brak) Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł USB Host Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł USB Host Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Transmisja danych w standardzie USB 2.0 pomiędzy układem Host, a układem Slave przy użyciu klasy CDC, emulacja portu szeregowego. Wykonano: Obsługę programową protokołu USB 2.0, klasa CDC. Druk wykonano w standardzie modułów komunikacyjnych urządzenia MUPASZ 710 w celu rozszerzenia interfejsów komunikacyjnych urządzenia komunikacyjnego PK 101 . Uzyskane wyniki: Uzyskano stabilne połączenie z urządzeniem MUPASZ 710 przy użyciu protokołu MODBUS RTU i łącza USB o szybkości transmisji w granicach 4 kB/s. Uwagi: Konfiguracja i programowanie układu poprzez dedykowany programator oparty o układ firmowy FTDI FT232 – zdjęcia poniżej. Możliwe udoskonalenia: Możliwość dodanie obsługi drugiego portu USB, obsługa dwóch urządzeń. Dodanie obsługi nowych klas protokołu USB: HID i PenDrive, obsługa masowych przenośnych dysków USB. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Moduł USB – pendrive / SD / SDHC Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł USB – pendrive / SD / SDHC Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Moduł USB–pendrive/SD/SDHC Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Układ posiada dwa tryby działania – może pełnić rolę konwertera interfejsu UART na standard USB (układ mikrokontrolera wykorzystuje wbudowany kontroler hosta USB). Drugi tryb to pendrive z powłoką komend i obsługą systemu plików FAT. Wykonano: Interfejs komunikacji z karta SD/SDHC/MMC (do oraz ponad 4 GB pojemności karty, wykorzystując interfejs SPI) oraz obsługą systemu plików FAT16 / FAT32, wraz z obsługą długich nazw plików. Wykonano komunikację dwustronną wykorzystującą wbudowany w mikrokontroler kontroler host USB. Dane są przesyłane między USB <-> UART. Uzyskane wyniki: Niestety obsługa systemu plików FAT zabiera dość sporo czasu i zapis wielu niewielkich plików znacznie wydłuża czas całej operacji. Prędkość zapisu pojedynczego dużego pliku nie przekracza 100 Kb/s Uwagi: Układ może stanowić gotowe i wygodne rozwiązanie do zapisu niewielkich informacji, np. z czujników lub dziennika zdarzeń, wykorzystując wbudowaną powłokę komend. Możliwe udoskonalenia: Zaimplementowanie komunikacji z kartami pamięci wykorzystując ich natywny tryb interfejsu – SDIO. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł Ethernet Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł Ethernet Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Transmisja danych w standardzie Ethernet. Wykonano: Niskopoziomową obsługę modułu Winet5100 w postaci klas i interfejsów do funkcji wirtualnych warstwy sprzętowej w języku programowania C. Obsługę programową socketów układu Wiznet5100. Obsługę protokółu TCP i UDP. Obsługę protokołu http. Uzyskane wyniki: Uzyskano stabilne połączenie z urządzeniem MUPASZ 710 przy użyciu protokołu MODBUS RTU, „MODBUS_OverTCP” w trybie SerialOverTCP i SerialOverUDP o szybkości transmisji w granicach 4 kB/s. Uwagi: (brak) Możliwe udoskonalenia: Dodanie sprzętowej mechanizmu obsługi magistrali komunikacyjnej z układem Wiznet 5100, adekwatne przyspieszenie szybkości transmisji. Dodanie konwersji ramki protokołu MODBUS-TCP na postać MODBUS- OverTCP ( MODBUS RTU ). Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł WiFi Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł WiFi Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Transmisja danych w standardzie Ethernet, medium radiowe 2.4 GHz. Wykonano: Obsługę programową socketów układu Motorola W24. Uzyskane wyniki: Uzyskano stabilne połączenie z urządzeniem MUPASZ 710 w trybie odczytu przy użyciu protokołu MODBUS RTU „MODBUS_OverTCP” w trybie SerialOverTCP i SerialOverUDP z szybkością transmisji w granicach 4 kB/s. Nie uzyskano natomiast stabilnego połączenia w przypadku wysyłania nastaw do urządzenia. Uwagi: Moduł W24 nie umożliwia przesyłu danych przez łącze RS232 o większej ilości niż 255 bajtów bez włączenia sprzętowego mechanizmu kontroli stanu magistrali RS232 „handshaking”. Możliwe udoskonalenia: Zwiększeni szybkości łącza RS232 do maksymalnej wartość 3 Mb/s oraz adekwatny wzrost szybkości transmisji. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rozwiązanie (MODUŁY) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Moduł GSM Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA MODUŁ GSM Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opis: Transmisja danych poprzez sieć GSM. Wykonano: Ze względu na specyfikę testów, moduł został wykonany w postaci samodzielnego urządzenia. Wykonano obsługę programową z wykorzystaniem komend AT. Zaprogramowano pamięć modemu GSM procedurami samowykonywalnymi. Uzyskane wyniki: Uzyskano poprawne logowanie do różnych sieci komórkowych. Uzyskano połączenie z systemem nadrzędnym. Uzyskano przekaz danych tekstowych w komunikatach SMS. Uwagi: Moduł wykazuje duże zróżnicowanie w poborze energii, pomimo niewielkiego, średniego poboru mocy. Należy zapewnić odpowiedni bufor dla szczytowych prądów. Możliwe udoskonalenia: Wdrożenie transmisji binarnej w trybie GPRS. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Podsumowanie Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opracowano i wykonano szereg modułów wykorzystujących medium kablowe, pasmo radiowe 2,4MHz oraz komercyjną sieć GSM. Zunifikowano sposób łączenia modułów z systemem zarządzającym w postaci magistrali SPI. Uzyskano wymienność modułów. Uzyskano całkowitą realizację transmisji protokołu ModBus-RTU w trybie przeźroczystym w wszystkich modułach kablowych i USB, natomiast dla transmisji radiowych tylko dla modułów: Nordic Bluetooth W11 Zigbee Xbee Uzyskano ograniczoną transmisję w modułach WiFi oraz GSM. Stworzono wygodną podstawę do przekazywania danych pomiędzy urządzeniami wykorzystującymi różne media i protokoły transmisyjne. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Bezobsługowy zespół wymiany danych integrujący różne interfejsy komunikacyjne Dziękuję za uwagę. Warszawa 20.12.2010 Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych (CA)