Desarrollo de un controlador de comunicaciones basado en microcontrolador para tecnología GSM.

Transcripción

1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Electrónica Desarrollo de un controlador de comunicaciones basado en microcontrolador para tecnología GSM. Por Isabel Martins Cruz Sartenejas, Febrero 2006

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Electrónica Desarrollo de un controlador de comunicaciones basado en microcontrolador para tecnología GSM. Por Isabel Martins Cruz Realizado con la Asesoría de Ingeniero Pedro Bortot Profesor Cristhian De Castro PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, Febrero 2006

3 iii UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Electrónica Desarrollo de un controlador de comunicaciones basado en microcontrolador para tecnología GSM. Por Isabel Martins Cruz Realizado con la Asesoría del Ing. Pedro Bortot y el Prof. Cristhian De Castro. RESUMEN El presente libro de pasantía muestra el diseño e implementación de un controlador de comunicaciones entre la central de procesamiento de un sistema de Control Supervisorio y Adquisición de Datos y un Controlador Lógico Programable, que consiste en un pequeño servidor de comunicaciones, que opera bajo los estándares RS232 y RS485, con manejo del protocolo MODBUS RTU. La principal funcionalidad del controlador es obtener información de un proceso controlado por medio del Controlador Lógico Programable, y enviar dicha información a la estación de procesamiento del sistema de Control Supervisorio y Adquisición de Datos, mediante un radio módem de tecnología GSM. Adicionalmente, permite manejar una lectora de identificación por radio frecuencia para controlar el acceso al módulo, y permite que el usuario realice la configuración del equipo. El desarrollo del controlador englobó lo referente a la selección del microcontrolador a utilizar, la implementación del protocolo MODBUS RTU, la implementación de la comunicación con el radio módem, y la lógica para el manejo de los datos entrante y saliente del controlador de comunicaciones. PALABRAS CLAVES Controlador de comunicaciones, MODBUS, GSM, comandos AT, comunicación serial, SCADA. Aprobado con mención: Postulado para el premio: Sartenejas, Febrero 2006

4 iv Indice General CAPITULO I: INTRODUCCION... 1 CAPITULO II: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Antecedentes Objetivos Generales y específicos Objetivo General Objetivos Específicos Alcance y Limitaciones... 5 CAPITULO III: FUNDAMENTO TEORICO Sistemas SCADA Protocolo MODBUS Diagramas de estado Maestro/Esclavo Diagrama de estado del dispositivo maestro Diagrama de estado del dispositivo esclavo Modos de transmisión serial Modo de transmisión RTU Modo de transmisión ASCII Estándar GSM Comandos AT El microcontrolador PIC18F Organización de la memoria del PIC18F Memoria de programa Memoria de datos Puerto de comunicación serial Estándar RS Estándar RS CAPITULO IV: MARCO METODOLOGICO Equipos Utilizados Módulo de desarrollo con PIC18F Especificaciones: Módulo de desarrollo con PIC18F Especificaciones: In-Circuit Debugger Radio Módem Especificaciones: Otros Equipos Metodología Utilizada Fase de investigación Fase de diseño Fase de implementación Fase de pruebas Fase de documentación... 38

5 v CAPITULO V: EL CONTROLADOR DE COMUNICACIONES Funcionamiento del prototipo controlador de comunicaciones Diseño de los puertos de comunicación serial bajo el estándar RS232 en el PIC18F Implementación del protocolo MODBUS RTU en el controlador de comunicaciones El puerto de configuración del controlador de comunicaciones El reloj de tiempo real El sensor de temperatura La interacción entre el controlador de comunicaciones y el radio módem Interfaz para la configuración del controlador de comunicaciones Pruebas realizadas al prototipo controlador de comunicaciones Pruebas de los puertos de comunicación serial Pruebas del protocolo MODBUS RTU Pruebas del puerto de configuración del controlador de comunicaciones Pruebas de interacción entre el controlador de comunicaciones y el radio módem Pruebas finales del funcionamiento del prototipo del controlador de comunicaciones CAPITULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES... 73

6 vi Indice de Tablas, Figuras y Diagramas Figuras Figura 1: Arquitectura de un sistema SCADA... 8 Figura 2: Trama MODBUS... 9 Figura 3: Transacción cliente/servidor libre de error...10 Figura 4: Transacción cliente/servidor con error...10 Figura 5: Diagrama de estado del dispositivo maestro en el protocolo MODBUS...11 Figura 6: Diagrama de estado del dispositivo esclavo en el protocolo MODBUS...12 Figura 7: Trama MODBUS RTU...14 Figura 8: Formato para la transmisión de tramas en MODBUS RTU...14 Figura 9: formato para la transmisión de caracteres dentro de cada trama MODBUS RTU...14 Figura 10: Diagrama de estados para el modo de transmisión MODBUS RTU...15 Figura 11: Trama MODBUS ASCII...16 Figura 12: Diagrama de estado para el modo de transmisión MODBUS ASCII...17 Figura 13: Arquitectura interna del PIC18F Figura 14: Memoria de programa del PIC18F Figura 15: Mapa de la memoria de datos en el PIC18F Figura 16: Señal eléctrica correspondiente a un byte de datos en el estándar RS Figura 17: Conector tipo DB9 para estándar RS Figura 18: Conector tipo DB25 para estándar RS Figura 19: Diagrama de conexión de un dispositivo maestro y varios dispositivos esclavos bajo el estándar RS Figura 20: Módulo de desarrollo con PIC18F Figura 21: Módulo de desarrollo con PIC18F Figura 22: In-Circuit Debugger...33 Figura 23: Radio Módem...34 Figura 24: Diagrama de bloques del sistema SCADA...39 Figura 25: Funcionamiento del prototipo controlador de comunicaciones...40 Figura 26: Diagrama de conexión de los puertos de comunicación serial del prototipo controlador de comunicaciones...43 Figura 27: Prototipo de laboratorio del controlador de comunicaciones implementado...43 Figura 28: Arquitectura interna del USART del PIC18F Figura 29: Diagrama circuital de conexión del integrado SP232 (equivalente al MAX232) para convertir señales TTL a RS Figura 30: Diagrama circuital de conexión del integrado SN75176 para convertir señales TTL a RS Figura 31: Diagrama de Flujo de la función que verifica la validez de una trama MODBUS RTU...48 Figura 32: Diagrama de Flujo de la rutina de espera y procesamiento de la tramas MODBUS RTU...54 Figura 33: Trama de configuración del dispositivo controlador de comunicaciones...55 Figura 34: Diagrama de Flujo de la lógica para el procesamiento de una trama de configuración...56 Figura 35: Arquitectura interna del reloj de tiempo real...58 Figura 36: Diagrama de Flujo para la recepción de los comandos AT...61 Figura 37: Diagrama de flujo para la atención de comandos AT referentes a recepción de llamada de voz...62

7 vii Figura 38: Diagrama de flujo para la atención de comandos AT referentes a la llegada de un nuevo mensaje corto de texto...63 Figura 39: Ventana principal del programa de configuración del controlador de comunicaciones...64 Figura 40: Ventanas secundarias del programa de configuración del controlador de comunicaciones...65 Figura 41: Forma de conexión del módulo de desarrollo y el PC para cargar y simular el programa del microcontrolador...67 Tablas Tabla 1: Comandos AT relacionados con el envío de SMS...19 Tabla 2: Descripción de los pines de conexión en el estándar RS

8 viii Glosario ASCII Código Estadounidense Estándar para el Intercambio de Información (American Standard Code for Information Interchange). Comandos AT Comandos de Atención utilizados en GSM para comunicarse entre equipos (Attention Comand). CRC Códigos de Redundancia Cíclica. EEPROM Memoria de sólo lectura borrable y programable eléctricamente (electrically-erasable programmable read-only memory). GPS Sistema de posicionamiento global (Global Positioning System). GSM Sistema Global para la Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile comunications). ICD In-Circuit Debugger. MODBUS Protocolo estándar de comunicación industrial. PIC Circuito Integrado Programable (Programmable Integrated Circuit). PLC Controlador Lógico Programable (Programmable Logic Controller). RAM Memoria de acceso aleatorio (Random Access Memory). RFID Identificación por radiofrecuencia (Radio Frequency Identification). RISC Computadora con conjunto de instrucciones reducido (Reduced Instruction Set Computer). RS232 Estándar de comunicación serial. RS485 Estándar de comunicación serial. RTU Unidad Terminal Remota (Remote Terminal Unit). SIM Módulo de identificación de subscriptor (Subscriber Identify Module). SMS Servicio de mensajes cortos de texto (Short Message Service). TTL Lógica Transistor a Transistor (Transistor-Transistor Logic).

9 ix UART Transmisor/Receptor Asíncrono Universal (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). USART Transmisor/Receptor Síncrono/Asíncrono Universal (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter). USB Bus serial universal (Universal Serial Bus).

10 CAPITULO I INTRODUCCION El control automatizado de procesos industriales emplea en forma intensiva y creciente computadores en variados esquemas, que actúan directamente sobre el proceso que se quiere controlar, a fin de lograr que este opere de la manera deseada. Un ejemplo de esto, son los Controladores Lógicos Programables o PLC, acrónimo de Programmable Logic Controller, mediante los cuales no sólo se controla la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también se pueden realizar operaciones aritméticas y manejar señales analógicas para realizar estrategias de control. En la actualidad, este tipo de controlador puede comunicarse con otros controladores o a otros equipos como lo son las computadoras, para compartir la información del proceso controlado. Los sistemas de Control Supervisorio y de Adquisición de Datos o SCADA por sus siglas en inglés (Supervisory Control And Data Acquisition), son sistemas computarizados empleados en el control automatizado de procesos, que permiten obtener y analizar los datos en tiempo real de un proceso controlado. Uno de los principales componentes de un sistema SCADA son las unidades terminales remotas o RTU, acrónimo de Remote Terminal Unit, que son dispositivos basados en microprocesadores, que permiten obtener señales independientes de los procesos industriales controlados, para luego enviar la información a un sitio remoto, generalmente una sala de control donde se encuentra la central de procesamiento del sistema SCADA, donde se visualizan y procesan las variables enviadas por la RTU. La metodología utilizada por la RTU para enviar los datos desde el lugar donde se encuentra el proceso controlado hasta el lugar donde se encuentra la central de procesamiento, es variable y depende del usuario y de las tecnologías disponibles, que pueden ir desde la implementación propia de comunicaciones inalámbricas en línea recta, hasta la utilización de tecnologías existentes, como es el caso de la tecnología GSM por sus siglas en inglés (Global System for Mobile communications) para comunicaciones celulares, mediante la cual puede enviarse información en forma de mensajes cortos de texto.

11 2 Seebeck Instrumentación y Control C.A., es una empresa de soluciones tecnológicas, orientada al desarrollo de productos, proyectos y servicios enmarcados en el área de automatización industrial, comercial y centros de investigación, para ayudar a que sus clientes logren posiciones de mayor productividad y competitividad, con el fin de incrementar sus utilidades y mejorar el servicio que prestan a la comunidad. El desarrollo de un prototipo controlador de comunicaciones basado en microcontrolador y en tecnología GSM como proyecto de pasantía por parte de la empresa Seebeck Instrumentación y Control C.A., surge con base en la misión de la empresa, como la necesidad de desarrollar una tecnología nacional que permita comunicar las unidades remotas de adquisición de datos y monitoreo de procesos de un sistema SCADA con su central de procesamiento, con la finalidad de abaratar los costos de producción y fomentar el desarrollo del país. En la empresa Seebeck Instrumentación y Control C.A. existe un desarrollo similar al propuesto en este proyecto de pasantía, con la diferencia de que este equipo estaba basado en microcomputador lo que suponía un exceso en la cantidad de recursos asignados al sistema. El prototipo controlador de comunicaciones basado en microcontrolador para tecnología GSM, es un dispositivo que permite comunicarse con el PLC del proceso, mediante un protocolo de comunicación industrial, para así obtener las variables deseadas. Una vez que el controlador contiene la información del proceso, este envía los datos en forma de mensajes cortos de texto mediante tecnología GSM a la central de procesamiento del sistema SCADA, pudiendo advertir así la presencia de posibles alarmas o situaciones irregulares a la central de procesamiento y a otros usuarios. Este libro de pasantía se encuentra estructurado en seis capítulos. En el capítulo II, se exponen los antecedentes, los objetivos, y los alcances y limitaciones del proyecto de pasantía. Luego, en el capítulo III, se presentan una serie de conceptos y fundamentos teóricos relacionados con el proyecto de pasantía, de manera de facilitar información que ayude a la comprensión del desarrollo del proyecto. Posteriormente, en los capítulos IV y V, se enumeran los

12 3 equipos y herramientas utilizadas durante el desarrollo del proyecto de pasantía, se explica la metodología utilizada para llevarlo a cumplimiento, así como también los pasos para el desarrollo del prototipo del controlador de comunicaciones, exponiendo lo referente a las funcionalidades del equipo y cómo se implementaron, y las pruebas realizadas al prototipo para verificar su correcto funcionamiento. Por último en el capítulo VI se indican las conclusiones y recomendaciones con miras a futuras mejoras en el sistema.

13 CAPITULO II PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA CAPITULO II PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En el presente capítulo se hace un recorrido por el planteamiento del desarrollo del controlador de comunicaciones como proyecto de pasantía, los antecedentes del proyecto dentro de la empresa, los objetivos a seguir para solucionar el problema, y el alcance y limitaciones del mismo Antecedentes En Seebeck Instrumentación y Control C.A. existe una versión inicial de un controlador de comunicaciones desarrollado con base en un microcomputador, lo cual constituye un exceso de recursos en el sistema desarrollado, acarreando consigo costos innecesarios. Como consecuencia de lo anterior, surge la necesidad de diseñar e implementar un nuevo controlador de comunicaciones que cumpla con las mismas funcionalidades del primer desarrollo, y que permita abaratar los costos de producción al basar el desarrollo en un microcontrolador, lo que supone una asignación de recursos adecuada al sistema. Para satisfacer esta necesidad, se crea el proyecto de pasantía Desarrollo de un controlador de comunicaciones basado en microcontrolador para tecnología GSM.

14 Objetivos Generales y específicos Objetivo General Desarrollar un prototipo controlador de comunicaciones entre la central de procesamiento de un sistema SCADA y un PLC, mediante mensajes cortos de texto con tecnología GSM, que permita abaratar los costos de producción del equipo con respecto a la versión anteriormente desarrollada Objetivos Específicos Realizar la memoria descriptiva del prototipo controlador de comunicaciones. Desarrollar e implementar la lógica de control de los diferentes puertos de comunicación. Implementar en el controlador de comunicaciones el protocolo MODBUS RTU. Implementar la comunicación del controlador de comunicaciones con un radio módem. Realizar la propuesta del hardware involucrado en el diseño del controlador de comunicaciones. Documentar el prototipo implementado Alcance y Limitaciones El desarrollo del controlador de comunicaciones entre la central de procesamiento de un sistema SCADA y un PLC, mediante mensajes cortos de texto con tecnología GSM, está orientado al diseño e implementación de un prototipo que al estar basado en microcontrolador suponga una disminución de los costos de producción con respecto al desarrollo previo existente en la empresa. El proyecto de pasantía contempla la selección del microcontrolador a utilizar en el desarrollo, basándose en proporcionar al equipo la cantidad de recursos necesarios y abaratar los costos.

15 6 Además de lo anterior, el prototipo debe poseer las siguientes funcionalidades. Contener cuatro puertos de comunicación serial, tres RS232 y uno RS485; manejar el protocolo de comunicación industrial MODBUS RTU orientado a dispositivos maestros; manejar los comandos de comunicación GSM, necesarios para el entendimiento entre el prototipo diseñado y el radio módem GSM; y permitir que el usuario realice la configuración de los parámetros de operación del equipo. Para lograr lo anterior se requiere la programación de la lógica interna del microcontrolador y la adición de circuitos integrados externos que permitan cumplir con cada una de las funcionalidades expuestas, además la creación de una interfaz gráfica que permita realizar las configuraciones del controlador de comunicaciones. Adicionalmente, una vez desarrollado el equipo, este se somete a una serie de pruebas de laboratorio que permitan verificar su buen funcionamiento.

16 CAPITULO III FUNDAMENTO TEORICO CAPITULO III FUNDAMENTO TEORICO En este capítulo se exponen los conceptos básicos necesarios para la comprensión del proyecto de pasantía, entre los cuales se encuentran los sistemas SCADA, los microcontroladores, algunos estándares de comunicación serial, el protocolo de comunicación industrial MODBUS, la tecnología GSM y los comandos AT Sistemas SCADA Los sistemas de Control Supervisorio y de Adquisición de Datos o SCADA por sus siglas en inglés (Supervisory Control And Data Acquisition), son sistemas computarizados empleados en el control automatizado de procesos, que permiten obtener y analizar los datos de un proceso en tiempo real. Son utilizados para monitorear y controlar los equipos industriales que componen un proceso. El sistema SCADA es el encargado de obtener la información del proceso y transferirla a una central de procesamiento, donde se verifican y procesan los datos recibidos, para que en caso de que se haya producido una alarma tomar las acciones pertinentes. Los sistemas SCADA tienen la función de adquirir y transmitir los datos de un proceso, para posteriormente procesarlos y almacenarlos, lo que permite supervisar la evolución de las variables de control del proceso a través de un monitor, y controlar las variables del proceso mediante la generación de alarmas o mediante los actuadores directos conectados al proceso. Un sistema SCADA está formado por cuatro componentes fundamentales (Ver Figura 1). El primero de ellos es la instrumentación de campo, ella comprende todo lo referente a los sensores y actuadores del proceso. En segundo lugar se

17 8 encuentran las estaciones terminales remotas, que son las encargadas de obtener la información del proceso, bien sea mediante la comunicación con los PLC o mediante la adquisición directa de las señales analógicas, para luego enviar los datos a la estación central de procesamiento del sistema SCADA. El tercer componente es la red de comunicación, que es el medio de transmisión utilizado para enviar los datos desde la estación terminal remota hasta el sistema central de procesamiento. Por último, se encuentra la estación central de procesamiento del sistema SCADA, conocida también como la interfaz hombremáquina, en la que se reciben los datos enviados por las RTU y se generan las acciones necesarias para controlar el proceso (si desea ver más información, ver [10], [12], [13] y [14]). Figura 1: Arquitectura de un sistema SCADA 3.2. Protocolo MODBUS El protocolo MODBUS serial, es un protocolo maestro-esclavo. En este protocolo sólo un dispositivo maestro está conectado al bus de datos, y uno o varios (hasta un máximo de 247) dispositivos esclavos están conectados al mismo bus de datos. En este tipo de comunicación los dispositivos esclavos aún cuando están todos conectados al mismo bus, no pueden establecer comunicación entre sí, sólo el dispositivo maestro es el encargado de iniciar una transacción MODBUS con cualquiera de los dispositivos esclavo.

18 9 El dispositivo maestro conectado al bus puede hacer peticiones a los dispositivos esclavos de dos formas diferentes. La primera de ellas es cuando el dispositivo maestro desea hacer una petición a un dispositivo esclavo específico, para ello el dispositivo maestro direcciona la petición a uno de los dispositivos esclavos conectados al bus y espera a que este último procese la solicitud y le envíe la trama de respuesta, en este modo de operación la transacción MODBUS consiste de dos mensajes, la petición desde el maestro al esclavo y la respuesta del esclavo al maestro. La segunda forma de hacer peticiones es aquella en la que el dispositivo maestro envía un mensaje general a todos los dispositivos esclavos para que estos realicen una operación de escritura, en este modo, los dispositivos esclavos no envían respuesta para así evitar colisiones en el bus. El protocolo MODBUS consiste en un simple protocolo de datos encapsulados en tramas, mediante el cual el dispositivo maestro puede hacer una petición a uno de los dispositivos esclavos conectados a la línea, enviando una trama en la que se especifica la dirección del dispositivo esclavo, la operación que se desea realizar, los datos necesarios para que ejecute la acción y los datos para el chequeo de errores en la trama enviada (Ver Figura 2). Dirección del dispositivo esclavo Código de la función Datos Figura 2: Trama MODBUS Chequeo de errores El campo de la dirección del dispositivo esclavo contiene un byte con la dirección del dispositivo esclavo al cual se desea hacerle la petición, en caso de que el dispositivo maestro quiera hacer una petición simultánea a todos los dispositivos esclavos conectados en el bus deberá colocar la dirección 0 en este campo. El campo del código de la función es el que le indica al dispositivo esclavo que tipo de acción realizar y en el campo de los datos se encuentran los parámetros necesarios para ejecutar la acción solicitada. Por último, el campo de chequeo de errores contiene los bytes que permiten al dispositivo esclavo verificar

19 10 si los datos que envío el dispositivo maestro son los mismos que el recibió. Existen dos métodos para el cálculo de los errores y dependen del modo de transmisión (RTU o ASCII). Si una petición llega al dispositivo esclavo sin errores y este la procesa y ejecuta la acción, al terminar envía una trama de respuesta al dispositivo maestro indicando operación exitosa (Ver Figura 3). De lo contrario, si los datos recibidos en la petición están errados o si se produjo algún error durante la ejecución de la acción, entonces el dispositivo esclavo envía una trama de respuesta indicando que error se produjo (Ver Figura 4) (si desea ver más información, ver [7]). Figura 3: Transacción cliente/servidor libre de error Figura 4: Transacción cliente/servidor con error

20 Diagramas de estado Maestro/Esclavo Aún cuando existen dos modos de transmisión en el protocolo MODBUS (RTU y ASCII, explicados en la siguiente sección), los diagramas de estado que muestran como operan tanto el dispositivo maestro como los dispositivos esclavos, son independientes del modo de transmisión que se este utilizando. Diagrama de estado del dispositivo maestro El estado Idle que equivale a estar libre, es el estado inicial en que entra el dispositivo maestro una vez encendido. El dispositivo maestro solo podrá hacer peticiones si se encuentra en este estado, y después de hacerla dejará este estado y no podrá hacer otra petición hasta que vuelva a él. Cuando la petición que hace el dispositivo maestro es a un dispositivo esclavo en específico, el maestro entra en el estado Espera por respuesta y un temporizador se enciende, esto previene que el dispositivo maestro se quede esperando por respuesta indefinidamente. El valor del tiempo de espera del temporizador depende de la aplicación (Ver Figura 5). Figura 5: Diagrama de estado del dispositivo maestro en el protocolo MODBUS

21 12 Si el dispositivo maestro recibe una respuesta, este la chequea antes procesarla y si hay error se ignora la respuesta recibida, se procesa el error y se vuelve al estado inicial para volver a hacer la petición. Si por el contrario, ninguna respuesta se recibe, el tiempo del temporizador expira, se genera un error y se vuelve al estado inicial para volver a hacer la petición. Es importante destacar que el número de veces seguidas que se puede volver a hacer la petición depende de la configuración del dispositivo maestro. Cuando la petición que hace el maestro va dirigida a todos los dispositivos esclavos conectados en el bus, ninguna respuesta es recibida. Sin embargo, un tiempo de espera es iniciado por el maestro de manera de permitir que cualquier dispositivo esclavo procese la petición antes de recibir una nueva (si desea ver más información, ver [8]). Diagrama de estado del dispositivo esclavo El estado Idle que equivale a estar libre, es el estado inicial en que entra el dispositivo esclavo una vez encendido. Cuando una petición es recibida, el esclavo chequea la trama recibida antes de ejecutar la acción solicitada, si se produjo algún error entonces se envía una trama al maestro indicando el error que se produjo, a menos que el error que se produjo haya sido chequeando la veracidad de la trama recibida (Ver Figura 6). Figura 6: Diagrama de estado del dispositivo esclavo en el protocolo MODBUS

22 13 Si la trama no tiene errores y su procesamiento por parte del dispositivo esclavo fue exitoso, entonces una trama de respuesta es enviada al dispositivo maestro indicando que la operación fue exitosa (si desea más información, ver [8]) Modos de transmisión serial Existen dos modos de transmisión serial definidos en el protocolo MODBUS, el modo RTU y el modo ASCII. El modo en el que se este operando, define la forma en la que se empaqueta la información en los campos del mensaje y cómo se decodifica. Es importante que todos los dispositivos conectados a un mismo bus operen en el mismo modo. Aún cuando el modo ASCII es necesario en algunas aplicaciones, la norma dice que todos los dispositivos deben tener implementado el modo RTU, y el modo ASCII es una opción, la cual puede o no estar implementada. Modo de transmisión RTU En este modo cada mensaje es transmitido en una cadena continua de caracteres, donde cada byte de datos se transmite en un formato de 11 bits: 1 bit de inicio, 8 bits de datos, 1 bit de paridad y 1 bit de parada. En caso de no estar utilizando el bit de paridad se enviaran dos bits de parada. Ahora bien, la trama utilizada para enviar una petición consta de cuatro campos, el primero de ellos contiene la dirección del dispositivo esclavo, el segundo el código de la función que se desea ejecutar, el tercero los datos con los parámetros necesarios para ejecutar la acción y el cuarto campo contiene dos bytes con el CRC (Código de redundancia cíclica) de la trama (Ver Figura 7).

23 14 Figura 7: Trama MODBUS RTU En el modo de transmisión RTU las tramas son separadas por un intervalo silencioso de al menos 3,5 veces el tiempo de un caracter (Ver Figura 8), de esta manera el dispositivo que recibe la trama pude saber cuando empieza y cuando termina una trama. Por otra parte, si entre dos caracteres de una trama transcurren más de 1,5 veces el tiempo de un caracter, entonces la trama es declarada como incompleta (Ver Figura 9). Figura 8: Formato para la transmisión de tramas en MODBUS RTU Figura 9: formato para la transmisión de caracteres dentro de cada trama MODBUS RTU Cuando un dispositivo, independientemente de si es esclavo o maestro, comienza su operación en modo de transmisión RTU, este se queda en el estado inicial por un tiempo de 3,5 veces el tiempo de un caracter, para luego ir al estado Libre (Idle), de esta manera se asegura que se cumpla el tiempo que debe existir entre las tramas. El dispositivo se mantendrá en el estado Libre si no se encuentra haciendo transmisión o recepción. Cuando el dispositivo se encuentra

24 15 haciendo un envío de datos y transcurren más de 3,5 veces el tiempo de un caracter, el dispositivo considera que ejecuto el tiempo de final de trama y regresa al estado Libre. Por otra parte, si el dispositivo se encuentra recibiendo datos y transcurre un tiempo mayor de 1,5 veces el tiempo de un caracter, entonces el dispositivo deja de recibir datos y procesa los que almaceno en el buffer de recepción, luego independientemente de si la datos son válidos o inválidos el dispositivo espera 3,5 veces el tiempo de un caracter antes de volver al estado Libre, es importante destacar que durante este tiempo, si los datos son válidos el dispositivo los procesa y si no lo son el dispositivo desecha toda la trama (Ver Figura 10) (si desea ver más información, ver [8]). Figura 10: Diagrama de estados para el modo de transmisión MODBUS RTU Modo de transmisión ASCII En este modo de transmisión cada mensaje es transmitido en una cadena continua de caracteres, donde cada byte de datos se transmite en un formato de 10 bits: 1 bit de inicio, 7 bits de datos, 1 bit de paridad y 1 bit de parada. En caso de no estar utilizando el bit de paridad se enviaran dos bits de parada.

25 16 Este modo de operación es utilizado principalmente cuando el enlace físico de comunicación o las capacidades del dispositivo utilizado no permiten el manejo de temporizadores para cumplir con los requerimientos del modo RTU. Es importante destacar que este modo de comunicación es menos eficiente que el anteriormente descrito, ya que para enviar cada byte necesita dos caracteres. Por ejemplo, si el usuario desea enviar el byte 0x4A, este byte es codificado por los caracteres 0x34 y 0x41 (0x34= 4 y 0x41= A en ASCII). En este modo de transmisión cada una de las tramas contiene un caracter de inicio (0x3A= : ) y dos caracteres de finalización de trama (0x0D= CR y 0x0A= LF ), de manera que al recibir estos caracteres, el dispositivo sabe exactamente donde y cuando empieza y termina una trama (Ver Figura 11). Figura 11: Trama MODBUS ASCII El diagrama de estados en este modo de operación (Ver Figura 12) es muy sencillo ya que cada vez que el dispositivo recibe un caracter de inicio vacía el buffer de entrada y lo llena hasta que reciba los bytes de finalización para volver al estado Libre. Cada vez que llega un caracter de inicio se limpia el buffer de recepción y se considera que está llegando una nueva trama, incluso si el dispositivo está trabajando en la recepción de una trama anterior de la cual no había recibido los caracteres de finalización. Cuando el dispositivo recibe los caracteres de finalización, la trama es procesada, es decir, se calcula el LRC (Código de redundancia longitudinal) y se chequea que concuerde con el LRC recibido, se chequea que la dirección del dispositivo esclavo sea la misma y que el código de la función sea válido. Una vez que se verifica la validez de la trama, si la trama es válida entonces se ejecuta la acción solicitada, de lo contrario se descarta.

26 17 Cuando el dispositivo desea hacer una transmisión debe enviar el caracter de inicio, luego todos los datos necesarios para ejecutar la acción que se solicite y cierra el envío con los caracteres de finalización (si desea más información, ver [8]). Figura 12: Diagrama de estado para el modo de transmisión MODBUS ASCII 3.6. Estándar GSM En 1982, un grupo de países europeos creó el Group Spéciale Mobile (GSM) para desarrollar una tecnología celular que proporcionara roaming internacional imperceptible al usuario y soporte para servicios avanzados no disponibles en las redes analógicas. El Instituto Europeo de Normas para Telecomunicaciones (ETSI) se hizo cargo del proyecto en 1989 y completó la primera serie de especificaciones técnicas. La primera red GSM fue lanzada en 1991, y fue seguida por varias más el año siguiente. Al adoptarse la tecnología en países no europeos, se hizo evidente que GSM sería una tecnología global y no europea; así fue como la sigla GSM comenzó a significar por sus siglas en inglés Global System for Mobile communications (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles). Esta tecnología para teléfonos celulares está basada

27 18 en el esquema de transmisión digital TDMA por sus siglas Time Division Multiple Access (Acceso múltiple por división de tiempo). GSM es una tecnología digital inalámbrica de segunda generación (2G) que presta servicios de voz de alta calidad, así como servicios de datos conmutados por circuitos en una amplia gama de bandas de espectro, entre las cuales se encuentran las de 450, 850, 900, 1800 y 1900 MHz. Los teléfonos que operan bajo la tecnología GSM usan una tarjeta inteligente conocida como SIM (Subscriber Identity Module) que contiene toda la información necesaria del usuario. La ventaja de estas tarjetas inteligentes es que inmediatamente después de insertar el SIM en el teléfono celular este se programa con la información del usuario. GSM posee un servicio de mensajes cortos de texto o SMS (Short Message Service) el cual que permite el envío de mensajes cortos de texto con una longitud máxima de 160 caracteres entre diferentes teléfonos. Aún cuando actualmente este servicio está disponible en una amplia variedad de redes incluyendo las de tercera generación, SMS fue diseñado originalmente como parte del estándar GSM (si desea ver más información, ver [15], [17] y [18]) Comandos AT Los comandos AT (comandos de atención) son instrucciones codificadas que conforman un lenguaje entre el hombre y un terminal módem, o entre dos terminales. La serie de comandos AT fue desarrollada inicialmente en el año 1977 por Dennis Hayes, con el fin de crear una interfaz de comunicación con un módem a fin de poder configurarlo y proporcionarle parámetros para poder realizar distintas acciones. Posteriormente algunas compañías fueron expandiendo la serie de comandos AT hasta llegar a universalizarlos. Aunque en un inicio como ya se explicó la finalidad de los comandos AT era la de establecer una comunicación con un módem, la tecnología móvil GSM

28 19 también ha adoptado como estándar este lenguaje para comunicarse con sus terminales. De esta forma, todos los teléfonos móviles GSM, poseen una serie de comandos AT específicos que sirven de interfaz para configurar los terminales, proporcionarles instrucciones y ejecutar acciones, tales como realizar llamadas de voz y de datos, enviar mensajes cortos de texto (Ver Tabla 1) y agregar usuarios a la agenda del usuario (para más información ver [19] y [20]). Tabla 1: Comandos AT relacionados con el envío de SMS 3.2. El microcontrolador PIC18F8720 Una de las bases en las que se fundamente la organización de los microcontroladores PIC es la arquitectura Harvard, mediante la cual el CPU puede acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la memoria de instrucciones.

29 20 Esta forma de aislamiento entre las memorias permite que cada bus de comunicación sea de tamaño distinto y acorde con lo que se necesita, es decir, el bus de datos es de longitud distinta a la del bus de instrucciones. En el caso particular del PIC18F8720 el bus de instrucciones es de 16 bits y el bus de datos es de 8 bits. Este PIC aunque al igual que los demás integrantes de su familia mantiene una arquitectura Harvard y RISC, tiene lo que se conoce como una arquitectura abierta, ya que pueden sacar al exterior los buses internos y adaptarlos a los de otro sistema o a otros dispositivos como memorias externas (Ver Figura 13). El PIC18F8720 puede direccionar memorias de programa externa de hasta 2Mbytes, pudiendo operar en cualquiera de los cuatro modos de operación que se explican a continuación, siendo estos seleccionables mediante los dos bits menos significativos de uno de los registros de configuración. El Modo Microprocesador: permite acceder únicamente a una memoria de instrucciones externa, y los contenidos correspondientes a la memoria flash de instrucciones interna no pueden ser accedidos. El Modo Microprocesador con bloque cargador : permite acceder a la memoria de instrucciones flash interna desde la posición 0x hasta la posición 0x0001FF, y a partir de aquí accede hasta los 2 Mbytes límite. Es importante destacar que la ejecución del programa conmuta entre las dos memorias según sea necesario. El Modo Microcontrolador: permite acceder únicamente a la memoria flash de instrucciones interna del microcontrolador en toda su capacidad física, es decir, desde su dirección de inicio hasta su dirección de fin. El Modo Microcontrolador Ampliado: este modo permite acceder a ambas memorias de instrucciones tanto la interna como la externa. El dispositivo puede acceder a toda la memoria interna de instrucciones.

30 Figura 13: Arquitectura interna del PIC18F

31 22 Es importante resaltar que en cualquiera de los modos de operación, el microcontrolador tiene acceso y total manejo de las memorias de datos interna del microcontrolador (RAM y EEPROM). Al observar la arquitectura interna del microcontrolador PIC18F8720 se puede observar la presencia de un bus de salida para el manejo de dispositivos externos, mediante el cual se puede expandir la capacidad de memoria del microcontrolador en caso de que la memoria interna no sea suficiente para la aplicación deseada Organización de la memoria del PIC18F8720 Memoria de programa El PIC18F8720 dispone de una memoria de programa interna de 128 Kbytes y es capaz de direccionar una memoria externa de hasta 2 Mbytes, ya que el contador de programa es un registro de 21 bits. Dentro de la memoria de programa interna del microcontrolador se encuentra una pila de 31 niveles, en los que almacena las direcciones de retorno de las diferentes subrutinas. La posición 0x de la memoria es el denominado vector de reset, y esta dirección es la que se carga en el contador de programa cuando el microcontrolador se enciende, y en esta dirección se almacena un GOTO a la rutina de inicio del programa (Ver Figura 14). Por otra parte, entre la dirección 0x y la dirección 0x se encuentran ordenados por orden de prioridad los vectores de las diferentes interrupciones permitidas en el microcontrolador.

32 23 Figura 14: Memoria de programa del PIC18F8720 Memoria de datos La memoria de datos está implementada en una RAM estática y está dividida en 16 bancos de 256 bytes cada uno. La memoria de datos contiene tanto los registros de funciones especiales (SFR, Special Function Registers) como los registros de propósito general (GPR, General Purpouse Registers). Los registros de funciones especiales son utilizados para controlar y configurar el controlador y las funciones de los dispositivos periféricos (Ver Figura 15). El PIC18F8720 tiene 3840 bytes disponibles en la RAM para guardar datos comprendidos entre el banco 0 y el banco 14 (desde la posición 0x000 hasta la

33 24 posición 0xEFF), ya que parte de los 256 bytes del banco 15 está reservado para los registros de funciones especiales del PIC (para más información ver [16]). Figura 15: Mapa de la memoria de datos en el PIC18F Puerto de comunicación serial Un puerto de comunicación serial es una interfaz de comunicación entre dos dispositivos, en la cual la transmisión de un byte de datos se realiza bit a bit. La transmisión de cada byte de datos en los puertos de comunicación serial va

34 25 precedida de un bit de inicio (start bit) que es siempre un 0 lógico y finalizada con uno o dos bits de parada que son siempre un 1 lógico. Igualmente existe la posibilidad de hacer uso de un bit de paridad para verificar la integridad de la información, el cual, en caso de ser usado se transmitiría a continuación del último bit del byte de datos y antes de transmitir el bit de parada. Los puertos seriales, también conocidos como puertos de comunicación (COM), dependen de un chip especial para funcionar correctamente, que actúa como controlador de los datos y el cual es conocido como UART por sus siglas en inglés de Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (Transmisor/Receptor Asíncrono Universal). El UART toma la salida paralela del bus del sistema de la computadora y lo transforma en forma serial, para transmitirse a través del puerto serial. La mayoría de los chips UART tienen un buffer integrado que varía de 16 a 16kB de capacidad, que tiene por finalidad incrementar la velocidad de funcionamiento del integrado, ya que permite almacenar datos que vienen del bus del sistema, mientras procesa los datos de salida (por el puerto serial). La principal ventaja de este tipo de interfaz de comunicación frente a interfaces como el puerto de comunicación paralelo, es que sólo se necesitan tres cables para realizar una comunicación bidireccional, y su principal desventaja es que los datos se transmiten 8 veces más lento que si tuviéramos una comunicación en paralelo, en la cual cada bit de datos se transmite simultáneamente por cables distintos Estándar RS232 RS232 es un estándar de comunicación serial que nació a principios de los años 60 producto de la necesidad de desarrollar una interfaz de comunicación que fuera confiable y que permitiera la comunicación entre equipos de diferentes fabricantes. RS232 permite la interconexión entre un equipo de terminación de circuito de datos (DCE), el cual es un equipo que soporta temporización (generalmente un módem) y un equipo terminal de datos (DTE) que usualmente es el PC, a una tasa máxima de 20 kbps y con una separación máxima de 50 pies (15 metros). En el estándar RS-232 los 1 lógicos se representan con valores de tensión negativos entre -3V y -12V, y los 0 lógicos con valores de tensión

35 26 positivos entre 3V y 12V (Ver Figura 6). Normalmente el protocolo utilizado para enviar los datos es 8N1, que significa 8 bits de datos, sin paridad y 1 bit de stop. Sin embargo, el protocolo puede variar ya que la cantidad de bits de datos puede ser siete u ocho, puede tener un bit de paridad que puede ser par o impar, y por último se envían uno o dos bits de parada (Ver Figura 16). Este estándar de comunicación serial puede utilizar dos tipos de conectores, el DB9 (Ver Figura 17) y el DB25 (Ver Figura 18). El conector DB25 solo usa 22 de los 25 pines y permite comunicación síncrona y asíncrona, por su parte el DB9 solo permite comunicación asíncrona (para más información ver [1], [2], [3] y [4]). Figura 16: Señal eléctrica correspondiente a un byte de datos en el estándar RS232 Figura 17: Conector tipo DB9 para estándar RS232

36 Figura 18: Conector tipo DB25 para estándar RS232 27

37 28 Cada pin puede ser de entrada o de salida, teniendo cada uno de ellos una función específica (Ver Tabla 2). Tabla 2: Descripción de los pines de conexión en el estándar RS232 Pin Nombre del Pin Función del Pin TXD Transmitir datos Transmitir los datos vía serial RXD Recibir datos Recibir los datos vía serial DTR Terminal de datos listo Se activa cuando el equipo terminal de datos está listo para establecer un enlace con el equipo de terminación de circuito de datos DSR Equipo de datos listo Indica que el equipo de terminación de circuito de datos está listo para establecer un enlace RTS Solicitud de envío Indica al equipo de terminación de circuito de datos que el equipo terminal de datos está listo para empezar el intercambio de datos CTS Libre para envío Indica que el equipo de terminación de circuito de datos está listo para el intercambio de datos DCD Detección de portadora Se activa cuando el equipo de terminación de circuito de datos detecta una portadora La importancia de todas las señales de control anteriormente descritas, radica en que estas permiten controlar el flujo de datos entre los equipos interconectados. Por ejemplo, si tenemos un módem que se comunica a 56Kbps y la conexión serial entre la computadora y el módem es a 115Kbps (el doble de rápido), esto significa que el módem está recibiendo más información de la computadora de la que puede transmitir por la línea telefónica. Aún suponiendo que el módem tuviera un buffer de 128K para almacenar datos, este rápidamente se llenaría y sería incapaz de funcionar correctamente con toda la información llegándole de la computadora. Sin embargo, haciendo uso de las señales de control que provee el estándar RS232, el módem puede parar el flujo de datos de la computadora antes de llenar el espacio del buffer. Una vez que el módem realiza esta acción, la computadora envía constantemente una señal de petición

38 29 de envío (RTS) y chequea si esta libre para enviar a través del pin (CTS). Si no hay una respuesta por este pin, la computadora para de enviar información, esperando hasta que le llegue la señal CTS para seguir transmitiendo, esto permite que el módem mantenga un flujo de datos corriendo finamente. Es importante destacar que aún cuando existe la posibilidad de establecer una comunicación serial con las señales de control de flujo, no siempre es necesario hacer uso de estas señales, sobre todo cuando hablamos de realizar una conexión DTE-DTE Estándar RS485 Es comúnmente utilizado para proveer señales seriales fuertes que puedan operar en grandes distancias de cables (hasta 4000 ft), a altas tasas de transmisión (hasta 2 Mb/s), y en ambientes que estén potencialmente llenos de ruidos. RS485 usa par trenzado, de manera de transmitir los datos de modo diferencial y disminuir así el ruido de la línea. Uno de los cables del par trenzado se etiqueta A y el otro B. Cuando el voltaje en A es negativo y el B positivo la señal está inactiva, si es al contrario está activa, por lo tanto la diferencia entre los cables del par trenzado es importante. Este protocolo de comunicación se usa para comunicaciones multipunto, es decir, múltiples dispositivos pueden estar conectados a una misma señal, usando la arquitectura esclavo/maestro, en la cual cada dispositivo esclavo posee una dirección propia, de manera de que cuando la unidad maestra (la que genera los paquetes, Ej. PC) envía un paquete, solo la unidad esclava que posee esa dirección es la que contesta. El maestro revisa periódicamente que dispositivos esclavos se encuentran conectados. Es importante destacar que todos los dispositivos esclavos se encuentran conectados al mismo par trenzado de cables, por lo tanto en el manejo de los dispositivos esclavos, es importante evitar que dos dispositivos esclavos transmitan al mismo tiempo para evitar colisiones. La comunicación en este

39 30 protocolo es unidireccional (halfduplex) y cada uno de los dispositivos (tanto esclavos como maestro) tiene una salida de tres estados (Ver Figura 19) (para más información ver [5] y [6]). Figura 19: Diagrama de conexión de un dispositivo maestro y varios dispositivos esclavos bajo el estándar RS485

40 CAPITULO IV MARCO METODOLOGICO CAPITULO IV MARCO METODOLOGICO En este capítulo se habla acerca de los equipos utilizados para el desarrollo del prototipo controlador de comunicaciones, así como la metodología seguida para llevar a cumplimiento el proyecto de pasantía, en la cual se explican las diferentes etapas del diseño, y las actividades relacionadas con cada una de estas etapas Equipos Utilizados Módulo de desarrollo con PIC18F8720 El módulo de desarrollo permite ejecutar en el microcontrolador PIC18F8720 un programa determinado el cual se le carga a través del conector RJ45 (conector para el ICD), a la vez que permite mediante los pines de conexión, que el microcontrolador interactúe y maneje diferentes dispositivos externos, mientras se observa en un computador la simulación de la ejecución del programa que se encuentra corriendo en el microcontrolador (Ver Figura 20). Figura 20: Módulo de desarrollo con PIC18F8720

41 32 Especificaciones: Microcontrolador PIC18F Flash interna programable de 128Kbytes. - SRAM 3840 bytes. - EEPROM 1024 bytes. - Dos puertos de comunicación serial. Memoria flash programable de 64K conectada al bus externo del microcontrolador. Memoria flash RAM de 64K conectada al bus externo del microcontrolador. Conector RJ45 para el conector del ICD (In-Circuit Debugger). Conectores para UART del microcontrolador. Puerto para la conexión de los diferentes pines del microcontrolador a dispositivos externos Módulo de desarrollo con PIC18F452 El módulo de desarrollo permite ejecutar en el microcontrolador PIC18F452 un programa determinado el cual se le carga a través del conector RJ45 (conector para el ICD), a la vez que permite mediante los pines de conexión, que el microcontrolador interactúe y maneje diferentes dispositivos externos, mientras se observa en un computador la simulación de la ejecución del programa que se encuentra corriendo en el microcontrolador (Ver Figura 21). Figura 21: Módulo de desarrollo con PIC18F452

42 33 Especificaciones: Microcontrolador PIC18F452 - Flash interna programable de 32Kbytes. - SRAM 1536 bytes. - EEPROM 256 bytes. - Un puerto de comunicación serial. Conector RJ45 para el conector del ICD (In-Circuit Debugger). Conector para UART del microcontrolador. Puerto para la conexión de los diferentes pines del microcontrolador a dispositivos externos In-Circuit Debugger Este módulo se conecta a los módulos de desarrollo anteriormente descritos, mediante un conector RJ45 y al PC mediante puerto USB, y permite cargar en la memoria de instrucciones interna del microcontrolador el programa realizado en el PC. Este dispositivo además permite observar en el PC la simulación del programa que se encuentra operando en el microcontrolador, al mismo tiempo que el microcontrolador ejecuta el programa e interactúa con los periféricos externos (Ver Figura 22). Figura 22: In-Circuit Debugger