Ethernetowy sterownik I/O

117ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2010 Ethernetowy sterownik I/O Dodatkowe informacje: Soyter Sp. z  o.o., 05-082 Stare Babice, Blizne Łaszczyńskiego, ul. Warszawska 3, tel.: 22 722-06-85 wewn. 116, fax: 22 722-05-50, www.soyter.pl Dodatkowe materiały na CD i FTP Wygląd modułu EM500 pokazano na ry- sunku 1. Wyprowadzenia są wykonane jako 22-pinowe złącze dwurzędowe. Opis funkcji poszczególnych wyprowadzeń zamieszczo- no w tabeli 1. Moduł ma 512  kB wewnętrznej pamięci Flash, która jest dzielona pomiędzy aplikację użytkownika (320  kB) a  system operacyjny TiOS (192  kB). Oprócz Flash, moduł ma pa- mięć EEPROM o pojemności 208 bajtów. Słu- ży ona głównie do przechowywania nastaw, a  w  EM500 nabiera szczególnego znaczenia, ponieważ moduł nie ma wewnętrznego dysku Flash. System operacyjny modułu EM500 udo- stępnia wprawdzie obiekt o nazwie fd., będący sterownikiem dysku Flash, jednak może on współpracować jedynie z pamięciami zewnętrz- nymi, dołączanymi za pomocą interfejsu SPI. Pojemność pamięci RAM nieznacznie przekracza 16 kB. Pamięć ta jest współdzie- lona pomiędzy zmienne a bufory interfejsów komunikacyjnych. W praktyce oznacza to, że im więcej pamięci przeznaczymy na obsługę połączeń TCP, tym mniej pozostanie jej na zmienne. Pewną trudnością w aplikacjach EM500 jest to, że wymaga on zewnętrznego układu zerowania. Producent zaleca użycie specjali- zowanych układów np. MCP130-300, co nie wpływa korzystnie na budżet projektu. Ścieżki łączące transformator oraz gniaz- do RJ45 z  modułem powinny być jak naj- krótsze, co wymusza umieszczenie modułu bardzo blisko gniazda. Interfejs Ethernet jest zgodny z  10/100 BaseT i  auto-MDIX. Przy- kładowy schemat połączeń pokazano na ry- sunku 2. Linie wejścia-wyjścia Poza interfejsem Ethernet moduł ma 8-bitowy port I/O  oraz interfejs szeregowy SPI o prędkości transmisji do 460,8 kbps mo- gący pracować w jednym z kilku trybów. Wewnętrzna budowa linii I/O  wyma- ga krótkiego komentarza. Typowo z  portem I/O  powiązane są dwa rejestry. Od jednego z nich zależy kierunek transmisji a od dru- giego poziom napięcia na wyjściu. W  ta- kie rejestry wyposażone są starsze modu- ły: EM1202, EM1206, EM1000. W  module EM500 zastosowano inną koncepcję, której schemat pokazano na rysunku  2. Bufor wyjściowy zawiera tranzystor pracujący w układzie OE z rezystorem pull-up o dużej rezystancji. Tak wykonana linia I/O  może przewodzić w  stanie niskim prąd 10  mA, natomiast jej obciążalność w stanie wysokim jest niewielka. Ograniczenie to pozwala jed- nak na pracę linii w charakterze wejścia, bez potrzeby zmiany kierunku transmisji danych poprzez port. Z  podobnymi rozwiązaniami portów quasi dwukierunkowych spotkamy się w mikrokontrolerach (np. z rdzeniem In- tel 8051). Należy jednak pamiętać, że aby od- czytać poziom logiczny napięcia wejściowe- go, najpierw trzeba wprowadzić tranzystor w stan zatkania. Sieciowy sterownik linii I/O Mając wiedzę na temat działania poje- dynczej linii portu I/O  możemy przystąpić do utworzenia przykładowego programu. NOTATNIK KONSTRUKTORA Ethernetowy sterownik I/O Moduł EM500 umożliwia łatwe podłączenie urządzenia do sieci Ethernet. O  jego atrakcyjności decydują spore możliwości przy miniaturowych wymiarach wynoszących zaledwie 18,5×16×6,5 mm. Niżej prezentujemy praktyczną realizację miniaturowego sterownika z  możliwością komunikacja via protokół TCP/IP w  oparciu o  Tibbo EM500. Tabela  1. Wyprowadzenia modułu Tibbo EM500 Pin Funkcja Opis 1  (1,2,3) GPIO0/P0.0/INT0 I/O  (P0.0); linia przerwania 0 2  (1,2,3) GPIO1/P0.1/INT1 I/O  (P0.1); linia przerwania 1. 3  (1,2) GPIO2/P0.2 I/O  (P0.2) 4  (1,2) GPIO3/P0.3 I/O  (P0.3) 5  (1,2) GPIO4/P0.4 I/O  (P0.4) 6  (1,2) GPIO5/P0.5 I/O  (P0.5) 7  (1,2) GPIO6/P0.6 I/O  (P0.6) 8  (1,2) GPIO7/P0.7 I/O  (P0.7) 9  (1) RX Linia wejścia portu szeregowego 10  (1) TX Linia wyjścia portu szeregowego 11 GND GND 12 MD Zewnętrzny przycisk MD (w  praktyce jest to kolejne linia przerwania) 13 RST Wejście zerujące 14 SE Linia diody stanu linku Ethernet 15 SR Czerwona dioda statusu LED 16 SG Zielona dioda statusu LED 17 RX- Port Ethernet: linia RX- 18 RX+ Port Ethernet: linia RX+ 19 TX- Port Ethernet: linia TX- 20 TX+ Port Ethernet: linia TX+ 21 AVCC Wyjście napięcia zasilającego obwód zewnętrznego transformatora Ethernet 22 VCC Zasilanie układu: 3,3 V (min. 260 mA). Uwagi: Linia akceptuje poziomy napięć TTL (5 V) Może pełnić funkcję linii RTS/Wout/cout portu szeregowego Może pełnić funkcję linii CTS/W0&1in/cin portu szeregowego Rysunek 1. Wygląd modułu Tibbo EM500 Rysunek 2. Schemat quasi dwukierunko- wej linii portu I/O 118 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2010 NOTATNIK KONSTRUKTORA W  tym celu należy pobrać instalator śro- dowiska programistycznego TIDE w  wersji 2.20.25 lub nowszej (dopiero od tej wersji TIDE jest wspierany moduł EM500) oraz obraz systemu operacyjnego TiOS w  wersji 3.01.00. Instalacja systemu TiOS w module jest wykonywana za pomocą programu De- vice Explorer, instalowanego razem z TIDE. Przykład programu jest oparty na sza- blonie DHCP+setup Project, który można wybrać przy rozpoczynaniu nowego pro- jektu. W  pierwszej kolejności zajmiemy się konfiguracją modułu po starcie systemu. Przyjrzyjmy się listingowi 1, na którym za- mieszczono obsługę zdarzenia systemowe- go on_sys_init. Pierwsze linie odpowiedzial- ne są za konfigurowanie IP modułu, aby umożliwić dostęp z  poziomu przeglądarki WWW. W  pamięci EEPROM jest tworzony specjalny obszar, który zawiera niezbędne nastawy. Obejmują one: ? informację czy konfiguracja IP jest sta- tyczna czy ma zostać pobrana z serwera DHCP (dynamiczna), ? adres IP (dla konfiguracji statycznej), ? maskę podsieci, ? adres IP bramy. Mapę pamięci tego obszaru pokazano na rysunku  3. Pod adresem początkowym (Addr: 01) znajduje się znak poprawności Addr: 044 Gateway Addr: 040 Gateway Length Addr: 024 Netmask Addr: 020 Netmask Length Addr: 004 IP Addr: 002 IP Length Addr: 001 Stor Valid Char Rysunek 3. Mapa pamięci obszaru konfiguracyjnego Rysunek 4. Wygląd strony index.html Rysunek 5. Wygląd strony config.html Listing 1. Obsługa zdarzenia systemowego on_sys_init sub on_sys_init() dim dhcp_ip, dhcp_gateway, dhcp_netmask as string(16) dim dhcp_result as ok_ng dim ipcfg as ip_config ?perform IP configuration. First chceck if there is a valid configuration in stor if stor_valid() = NG then stor_ip_set(STOR_DEFAULT_CONF, STOR_DEFAULT_IP, STOR_DEFAULT_NM, STOR_DEFAULT_ GW) ?if not, create the default configuration end if ?get stor configuration ipcfg = stor_ip_get() ?examine if we go for dhcp configuration if ipcfg.conf = DHCP then dhcp_lease_time=0 ?we clear this first dhcp_result=dhcp_obtain(dhcp_ip,dhcp_gateway,dhcp_netmask,dhcp_lease_ time,??) if dhcp_result = OK then set_ip(dhcp_ip, dhcp_gateway, dhcp_netmask) ?dhcp ok else set_ip(ipcfg.ip, ipcfg.gateway, ipcfg.netmask) ?dhcp ng - use static conf end if else set_ip(ipcfg.ip, ipcfg.gateway, ipcfg.netmask) ?use static conf end if ?end: perform IP configuration. First chceck if there is a valid configuration in stor ?perform basic sock configuration init_sock() io_init() end sub Listing 2. Fragment pliku nagłówkowego config.tbh zawierającego domyślną konfigurację IP #define STOR_DEFAULT_CONF (STATIC_IP) #define STOR_DEFAULT_IP (?172.16.0.10?) #define STOR_DEFAULT_NM (?255.255.0.0?) #define STOR_DEFAULT_GW (?172.16.0.1?) List. 3. Obsługa zdarzenia przycisku MD sub on_button_pressed() ?reset the ip setings to the default and reboot: stor_ip_set(STOR_DEFAULT_CONF,STOR_DEFAULT_IP,STOR_DEFAULT_NM,STOR_ DEFAULT_GW) sys.reboot end sub List. 4. Fragment pliku io.html ...
EM500 IO WebDriver
IP:
File: io.html
...

>P0.0 ... List. 5. Fragment pliku io_get_set.html ... File: io_get_set.html /io.html?> ... 119ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2010 Ethernetowy sterownik I/O zuje wyświetlane pole, aby zaznaczenie było widoczne. Po załadowaniu strona pokazuje po- ziom I/O  w  momencie, w  którym był on odczytany przez podprogram generujący stronę. Prześledźmy teraz, co wydarzy się, jeśli użytkownik zmieni poziom którejś z li- nii (rysunek 8). Po kliknięciu przycisku Set/Get, do serwera zostaje wysłane następujące zapy- tanie http: http://10.0.0.10/io_get_set.htm- l?P0.1=chcked&P0.4=chcked. W  jego wy- niku serwer wygeneruje stronę io_get_set. html i w rezultacie przetworzy kod tej stro- Po skompilowaniu programu źródło- wego i załadowaniu go do modułu, można obejrzeć wygląd strony WWW (index.html), która powinna być taka, jak na rysunku 4. Do dyspozycji użytkownika są trzy przy- ciski: Configure, I/O  oraz Reboot. Pierwszy z  nich służy do modyfikacji ustawień sie- ciowych. Po jego kliknięciu moduł prześle podstronę config.html pokazaną na rysun- ku 5. Umożliwia ona zmianę ustawień sie- ciowych oraz podaje adres MAC modułu. W  razie potrzeby ustawienia te możemy modyfikować, a  wykonane zmiany zapisać w pamięci EEPROM po kliknięcie przycisku Save Configuration. Nowe ustawienia mo- dułu zostaną wprowadzone po ponownym włączeniu zasilania lub kliknięciu przyci- sku Reboot (rysunek 6). W przypadku wykonania błędnej konfi- guracji można zewrzeć linię MD do masy, co powoduje wywołanie zdarzenia on_but- ton_pressed. W  następstwie zostaje wyko- nany podprogram przywracający domyślne nastawy IP (zamieszczone na list.  2). Pod- program obsługi zdarzenia od przycisku MD zamieszczono na listingu 3. Linie I/O Podstronę odpowiedzialną za sterowa- nie liniami portu I/O, wywoływaną po na- ciśnięciu przycisku I/O na stronie głównej, pokazano na rysunku 7. Składa się ona z  formularza z  ośmio- ma polami typu ?checkbox?. Każde z nich kontroluje poziom wyjściowy odpowied- niej linii I/O  oraz informuje o  panującym na niej poziomie logicznym. Przyjrzymy się implementacji strony io.html, której frag- ment zamieszczono na listingu 4. Jest on odpowiedzialny jest za ?checkbox? ustala- jący poziom bitu 0 portu 0. Wyświetlanie pól jest zależne od aktualnego stanu linii. Odczytujemy go za pomocą io.state, po uprzednim wyborze numeru linii (io.num). W przypadku odczytu poziomu wysokiego zapisujemy do bufora nadawczego gniazda TCP łańcuch ?chcecked?, który parametry- konfiguracji. Jest on sprawdzany tuż po star- cie za pomocą funkcji stor_valid(). Po pierw- szym uruchomieniu programu można spo- dziewać się, iż poprawna konfiguracja nie zostanie odnaleziona. W  takim przypadku jest wykonywany podprogram stor_ip_set(), zadaniem którego jest zapamiętanie nastaw w  pamięci nieulotnej. Korzysta on przy tym z  nastaw domyślnych, które podane są w pliku config.tbh (listing 2). Następnie zostaje wywołana procedura odczytująca nastawy z  pamięci EEPROM stor_ip_get(), a  rezultat jej pracy jest zapamiętywany w zmiennej ipcfg typu ip_config. Ten typ jest zdefiniowany w pliku config.tbh: type ip_config conf as ip_config_type ip as string netmask as string gateway as string end type W  dalszej kolejności jest sprawdzane pole ipcfg.conf określające czy moduł ma być skonfigurowany statycznie, czy pobrać nastawy z serwera DHCP. Do ustawiania ad- resów jest używana procedura set_ip() do- starczana z szablonem. Jako kolejna przeprowadzana jest pod- stawowa konfiguracja gniazd TCP i  HTTP. Zajmuje się tym podprogram init_sock(). Po- nownie zostały użyte procedury dostępne w  szablonie. Następnie dzięki wywołaniu procedury serial0_setup() jest wykonywane wstępne konfigurowanie portu szeregowe- go, ale nie jest on uaktywniany. Rysunek 8. Przykładowa zmiana stanu linii P0.0, P0.2, P0.3, P0.5, P0.6 i P0.7 Rysunek 6. Wygląd strony reboot.html Rysunek 7. Wygląd strony io.html R E K L A M A 120 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2010 NOTATNIK KONSTRUKTORA List. 7. Definicja funkcji io_set() ?sets io?s state sub io_set(io_set as io_array_type) dim i as byte for i = IO_FIRST_IO to IO_LAST_IO io.num = i if io.enabled = YES then if io_set.io(i-IO_FIRST_IO) = PL_ON then io.state = HIGH else io.state = LOW end if end if next i end sub List. 6. Definicja funkcji http_req_2_io() ?translate http request string to io action function http_req_2_io(httpreqstr as string) as io_array_type dim sp as byte dim ep as byte dim l as byte dim i as byte dim result as io_array_type dim idx as byte dim ios as byte for i = 0 to (IO_NUM - 1) result.io(i) = PL_OFF next i ?maybe there is nothing to do? if len(httpreqstr) = 0 then http_req_2_io = result else ?more than one IO was checked while instr(1,httpreqstr,?P0?,1) <> 0 idx = io_pxx_2_idx(mid(httpreqstr,1,4)) httpreqstr = mid(httpreqstr,13,len(httpreqstr)-13) result.io(idx) = PL_ON wend ?check last IO http_req_2_io = result end if end function List. 6. Definicja funkcji io_pxx_2_idx() ?convert Px.x to array index function io_pxx_2_idx(pinName as string) as byte select case pinName case ?P0.0?: io_pxx_2_idx = 0 case ?P0.1?: io_pxx_2_idx = 1 case ?P0.2?: io_pxx_2_idx = 2 case ?P0.3?: io_pxx_2_idx = 3 case ?P0.4?: io_pxx_2_idx = 4 case ?P0.5?: io_pxx_2_idx = 5 case ?P0.6?: io_pxx_2_idx = 6 case ?P0.7?: io_pxx_2_idx = 7 case else: io_pxx_2_idx = 0 end select end function Podsumowanie W opisywanym projekcie znikomą war- tość ma rozdzielenia modułu, transformato- ra i złącza RJ45 w EM500. Komponenty te i tak muszą znaleźć się w pobliżu modułu, zwiększając gabaryty całego urządzenia. Po- tencjalnie ciekawym zastosowaniem EM500 jest jego połączenie z GA1000 i utworzenie węzła WiFi o  niewielkich wymiarach. Na taką możliwość musimy jednak jeszcze poczekać, gdyż w  chwili obecnej system operacyjny modułu EM500 nie wspiera GA1000 (brak implementacji obiektu wln.). Opisana aplikacja może służyć jako baza do bardziej zaawansowanych projektów niż tylko proste przełączanie linii I/O. Jednak w  praktyce często jest potrzeba budowy jak najprostszego i  najtańszego sterownika przekaźników, który dałoby się sterować po- przez Ethernet. Marcin Chruściel, EP marcin.chrusciel@ep.com.pl wartość zmiennej lokalnej result jako war- tość funkcji. Powróćmy teraz do strony http (li- sting 5). Wartość funkcji zostaje przepisana do lokalnej zmiennej ios, która następnie jest przekazywana do funkcji io_set(ios) (li- sting 7). Funkcja ta w pętli nadaje poziomy odpowiednim liniom portu 0. Zakres działa- nia pętli wyznaczają stałe IO_FIRST_IO oraz IO_LAST_IO. Symbole te zdefiniowane są w pliku nagłówkowym io.tbh: #define IO_FIRST_IO (0) #define IO_LAST_IO (7) Z  powyższego wynika, iż faktyczna zmiana stanu bądź konfiguracji linii odby- wa się dopiero podczas przetwarzania stron związanych z  przyciskiem użytkownika (io_get_set.html). Taką metodą nie możemy przeprowadzać akwizycji sygnałów z  du- żymi prędkościami, jednak takie podejście może z powodzeniem być używane w nie- wymagających dużych prędkości aplika- cjach kontrolnych (np. sterowanie oświetle- niem za pomocą przekaźników). ny. Najistotniejszy jej fragment pokazano na listingu 5. W celu odczytania informa- cji o  nowym poziomie portu wywołujemy funkcję http_req_2_io(), która jako argu- ment przyjmuje wartość własności sock. httprqstring. W omawianym przypadku jest to P0.1=chcked&P0.4=chcked HTTP/1.1. Można zauważyć, że jako parametr wywo- łania strony zostały dołączone jedynie za- znaczone pola formularza. Definicję podprogramu http_req_2_io() pokazano na listingu 6. Funkcja zwraca wartość typu io_array_type zdefiniowaną w  pliku nagłówkowym io.tbh w  postaci struktury: type io_array_type io(8) as off_on end type Struktura zawiera jeden element ? 8-elementową tablicę zmiennych typu wy- liczeniowego (PL_OFF, PL_ON). W  pierw- szej kolejności funkcja nadaje (w  pętli) wszystkim elementom zwracanej tablicy wartość PL_OFF. Następnie jest sprawdza- ne czy parametr wywołania strony prze- kazany do funkcji poprzez własność sock. httprqstring (i skopiowany do zmiennej lo- kalnej httpreqstr) nie jest pustym ciągiem znaków. Jeśli by tak było, funkcja zakończy działanie i zwróci tablicę wartości PL_OFF. Jeśli jednak długość łańcucha znakowego jest różna od zera, wówczas jest przepro- wadzana jego analiza. W  pierwszej kolej- ności poszukiwany jest łańcuch składający się z dwóch znaków ? ?P0?. Wyszukiwanie jest realizowane za pomocą funkcji instr(1, httpreqstr, ?P0?, 1). Rozpocznie ona prze- szukiwanie zawartości zmiennej httpreqstr (drugi argument wywołania), począwszy od jej początku (pierwszy argument wy- wołania). Poszukiwanym elementem jest pierwsze (czwarty argument) wystąpienie łańcucha ?P0? (trzeci argument). Rezulta- tem jest numer pozycji poszukiwanego cia- gu. W  przypadku niepowodzenie funkcja zwraca 0. Całe wywołanie jest warunkiem wykonania się pętli while. Wewnątrz pętli, za pomocą funkcji mid, z ciągu wybieramy cztery pierwsze znaki zmiennej httpreqstr. Następnie funkcja (list. 6) przekształca ciąg znaków z postaci ?P0.x? na liczbową war- tość x, która tu jest numerem linii. Wartość ta przypisywana jest do zmiennej idx. Po- nieważ mówimy o  8-bitowym porcie I/O, zatem zakres wartości wynosi od 0...7. W  przypadku błędu funkcja zwraca war- tość 0. Kolejnym krokiem jest usuniecie z cią- gu httpreqstr początkowych 12 znaków: ?P0. x=chcked&? związanych z przetwarzaną in- formacją na temat aktualnej linii. Tak przy- gotowany łańcuch jest gotowy na następną iterację pętli. Dla obliczonego numeru linii (idx) wstawiamy wartość PL_ON w  tablicy poziomów. Na samym końcu zapisujemy