Diseño de Microcontroladores

Transcripción

1 Departamento de Electrónica Diseño de Microcontroladores Alumnos: De la Goublaye de Ménorval, Eric Gómez, Rodrigo Pinto, Orlando Salas, Felipe 30/03/04

2 1. Índice 1. Índice Introducción Diseño del convertidor análogo digital Obtención de la temperatura en grados Celsius Transmisión de datos por la interfaz de red Conclusiones Anexo...17

3 2. Introducción En la actualidad existen muchos dispositivos que deben ser monitoreados y controlados constantemente. Estas tareas involucran la presencia permanente de personal en el lugar físico, que cumpla con la función de observar el comportamiento del dispositivo y de tomar medidas en caso de que un evento extraordinario suceda. La presencia permanente de este personal, a su vez implica costos para las empresas que no siempre están dispuestos a pagar. Un ejemplo conocido, es el de una sala de servidores que para un óptimo funcionamiento debe estar en un rango de temperatura adecuado. Otros casos que necesitan un monitoreo y control constante de la temperatura de este tipo, son los invernaderos de plantas, frigoríficos, cierto tipo de contenedores de alimentos, etc. Para este tipo de casos existen sistemas de enfriamiento que no ofrecen monitoreo a distancia como tampoco envían avisos para que el administrador realice acciones en caso de falla o mal funcionamiento. Este documento presenta una solución a este tipo de problemas, la cual se basa en un desarrollo de monitoreo y control a distancia mediante microcontroladores, en particular utilizando la tarjeta EasyWeb2 con el microcontrolador MSP430. En este informe se desarrolla un sistema que permite monitorear gráficamente la temperatura de un lugar distante a través de la Red Internet, dando la opción automática de activar un ventilador de enfriamiento a cierto umbral de temperatura. Para lograr este objetivo, el trabajo ha sido dividido en las siguientes cuatro partes: Diseño del convertidor análogo digital Obtención de la temperatura en grados Celsius Transmisión de datos por la interfaz de red Diseño del programa cliente

4 3. Diseño del convertidor análogo digital Se diseño el modulo del convertidor análogo digital en su forma simple con el fin de muestrear la temperatura en un pin de la tarjeta de desarrollo, para registrar y luego enviar la temperatura por Internet. Al señalar que se tiene un convertidor simple se hace referencia a que solo se tiene una conversión por una sola entrada y no una conversión secuencial. Se tomó como entrada al pin P6.1. La temperatura es una variable que contiene una variación lenta, por lo que se eligió un muestreo lento de 1024 ciclos de reloj (el más lento de los muestreos). El convertidor tomará las muestras y las pondrá en el registro ADC12MCTL0, la fuente Sample & Hold es ADC12SC, el reloj que se selecciono, para el muestreo fue MCLK. Una vez que se configura el flag ADC12SC, comienza la conversión la cual espera doce ciclos de reloj antes de guardar los datos que estaban en el registro ADC12MTCL0 para ponerlos en MEM0. Las interrupciones están deshabilitadas, pues en la aplicación, que se desarrollo no son necesarias. Las interrupciones son deshabilitadas con ADC12IE = 0x00 El buen funcionamiento del conversor queda definido por la configuración de los registros de control CTL0 Y CTL1. CTL0 Primero se configuran los bits de los registros SHT0_xx y SHT1_xx, que darán el tiempo de captura. Estos al tener el valor 1111 proporcionarán un muestro lento, mas precisamente un total de 1024 ciclos de reloj, de modo que el tiempo de SAPCON, o sea tiempo de sincronismo mas tiempo de muestreo serán los 1024 ciclos de reloj. Después se procuro tener una referencia interna, para ello se seccione REFON. CTL1 Se selecciona el primero de los registros a convertir, en este caso se hará la conversión en CSTARTADD_0. Para no interrumpir los ciclos de captura se pondrá los bits SHP = 1, ISSH Y SHS = 0, estas señales de control permiten que se hagan un muestro correctamente. Otro problema de la conversión es que se debe asegurar que esta no sea muy chica dado que a la entrada de la conversión se cuenta con un filtro pasabajos que tiene retardo. La división del reloj se hizo por 7, esto esta dado por ADC12DIV7. La fuente de reloj que se tomo fue el reloj MCLK, la selección se hizo ADC12SSEL_2. Para terminar se elige el modo de conversión CONSEQ_0, que es solo conversión simple.

5 Esquema del conversor análogo digital. El programa de conversión toma como argumento el canal que debe convertir, en este caso tendrá como argumento 1, pues este es el canal a convertir. El programa deshabilita la conversión que en ese momento se este haciendo o se vaya a hacer esto lo realiza reseteando el bit ENC, como también borra las entradas, que estén dirigidas a las direcciones de memoria a transformar. Posteriormente se habilita la conversión con ENC = 1, un vez asegurado lo anterior se elige el canal a convertir. El disparo que produce la conversión se realiza activando el bit SC esperando los doce ciclos de reloj que demora el conversor en guardar en memoria la conversión, ultimo se realiza con la sentencia, while (ADC12CTL0 & ADC12SC), de est manera se asegura de que lo datos queden bien guardado en memoria antes de ser interrumpidos.

6 Conversión int conversion(canal) { ADC12CTL0 &= ~ENC; ADC12MCTL0 &= 0xFFF0; ADC12MCTL0 = (CANAL & 0x0F); ADC12CTL0 = ENC; ADC12CTL0 = ADC12SC; //deshabilita conversión para // realizar cambios //borra INCHx //Selecciona el canal a // convertir //habilita conversión //inicia conversión while (ADC12CTL0 & ADC12SC); return ADC12MEM0; //espera término de la // conversión, o sea espera // que bit ADC12SC = 0 La inicialización habilita los puertos que se usaran para la conversión y para la acción del ventilador por medio del relé. Además se configura el conversor para que funcione de la manera antes señalada.

7 Inicialización. P6SEL = 0x00DF; P6DIR = 0xFF20; //Todos como Entrada Menos A5 //Para A5 como Salida //Inicialización del Conversor, dado que //por este canal saldrá la señal que //activara al ventilador. ADC12CTL0 &= ~ENC; //deshabilita conversión ADC12CTL0 = SHT1_15 SHT0_15 ADC12ON REFON; ADC12CTL1 = CSTARTADD_0 SHS_0 SHP ADC12DIV_7 DC12SSEL_2 CONSEQ_0; ADC12MCTL0 = SREF_1; //Vr+ = Vref+ y Vr- = Avss. ADC12IE = 0x00; //Deshabilitadas las interrupciones (bits //ADC12IEx) para todos los ADC12MCTLx ADC12CTL0 = ENC; // habilita conversión

8 4. Obtención de la temperatura en grados Celsius En la función temperatura, lo primero es llamar a la función conversión, la cual retorna el valor actualizado del registro ADC12MEM0. Este registro contiene al número binario que representa el voltaje de entrada del pin P6.1, que es voltaje entregado por el censor de temperatura. Cuando se tiene el valor actualizado del registro ADC12MEM0, este debe dividirse por 27,3 para obtener el valor de la temperatura en números decimales (La obtención del numero 27,3 se encuentra explicado en el anexo 1). El resultado de esta operación se almacena en una variable entera llamada ENTERO y en otra flotante llamada TEMP. Para obtener la parte decimal, se resta la variable TEMP con la variable ENTERO, y el resultado se multiplica por 10, con lo que se obtiene el primer digito decimal. El resultado de esta operación se almacena en la variable RESTO, la cual cuenta con un digito significativo decimal. Con esto se puede obtener el valor de la temperatura separada en 2 variables (ENTERO, RESTO). Estas variables son usadas para colocar el valor de la temperatura en el LCD. Esto se encuentra en el siguiente código: void temperatura(void) { conversion(1); float temp=adc12mem0/27.2; int entero=adc12mem0/27.2; int resto=(temp - entero)*10; unsigned int temperatura(void) { conversion(1); int red = ADC12MEM0*10/27.2; float temp=adc12mem0/27.2; unsigned int entero=adc12mem0/27.2; int resto=(temp - entero)*10; Luego se configura el cursor al comienzo de la primera línea del LCD, y se imprime un mensaje definido anteriormente (El mensaje es La temperatura, el cual se encuentra definido en la función Display.h ). Luego se setea el cursor en la segunda línea del LCD y se imprime el siguiente mensaje es de ENTERO, RESTO ºC, (donde ENTERO y RESTO son las variables mencionadas anteriormente) luego se coloco un retardo de 1[s], para que las variaciones en la pantalla fueran perceptibles para las personas. Esto se desarrollo con el siguiente código: Put_Ins(Set_DDRAM_Address + 0); linea Put_Str(LCD_Message1); Put_Ins(Set_DDRAM_Address + Line2_Offset); linea Delayx100us2(4000); //primera //segunda

9 Como la función Temperatura es invocada dentro de un loop infinito, mediante el código se despliega en le display de de forma continua la temperatura ambiente. Para el caso en que la temperatura exceda los 25 ºC, se inserto un código que enciende un ventilador para bajar la temperatura. El ventilador se encuentra conectado a un relé, que al recibir un uno lógico (5 Volts.) cambia de estado encendiendo el ventilador, esto se representará mediante la instrucción RELAY1_ON o RELAY1_OFF, estas 2 instrucciones representan el cambiar el estado del relé, estas instrucciones se encuentran definidas en la librería MSP430lib.h. El siguiente código permite que cuando la temperatura exceda los 25ºC se encienda el ventilador y se sigan cumpliendo las funciones antes definidas: if (entero > 24) { STATUS_LED_ON; //switch on VENTILADOR RELAY1_ON; //ventilador encendido Put_Ins(Clear_Display);Delayx100us(retclear); Put_Ins(Set_DDRAM_Address + 0); Put_Str(B1_Message); Put_Ins(Set_DDRAM_Address+Line2_Offset); //segunda linea Delayx100us2(4000); printf("es de %d.%d c",entero,resto ); Delayx100us2(4000); else { RELAY1_OFF; //Ventilador apagado

10 Luego de esto se definió función Temperatura1, la cual es la encargada de entregar la temperatura que ira por la red. Esta función entrega un promedio de 3 temperaturas (para que el cambio de temperatura sea apreciable en el programa en visual basic), esta temperatura promedio se entrega como retorno de la función temperatura1 en la variable redfin. La función se define con las siguientes instrucciones: unsigned int temperatura1(void) { int redfin,red1,red2,red3; red1 = ADC12MEM0*10/27.2; conversion(1); Delayx100us2(100); red2 = ADC12MEM0*10/27.2; conversion(1); Delayx100us2(100); red3 = ADC12MEM0*10/27.2; Delayx100us2(100); redfin = (red1 + red2 + red3)/3; return redfin; Este retorno se almacena en la variable tv la cual es un string que se llena con el retorno de la función temperatura1. Este string es el que será enviado por la red y recibido por el programa en Visual Basic. El string se forma de la siguiente manera: sprintf(tv, "%d", (unsigned char) temperatura1());

11 5. Transmisión de datos por la interfaz de red La tarjeta de desarrollo EasyWeb2, tal como su nombre lo indica, mediante la controladora de red CS8900A permite hacer desarrollos de programas que se conecten con la red mediante protocolos TCP/IP y UDP. Como se puede observar en el Diagrama 1, doce de los pines del microcontrolador MSP430 están conectados directamente a la controladora de red. Diagrama 1: Pines conectados a la controladora de Red. En Internet se pueden encontrar distintos programas orientados al desarrollo de aplicaciones de red, la mayoría de ellos son basados en el stack TCP/IP realizado por Andreas Dannenberg de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Alemania (University of applied sciences). Dada su simplicidad este stack tiene varias limitaciones como por ejemplo no permite múltiples conexiones, no acepta paquetes UDP o paquetes fragmentados y no hace detección de errores (ckecksum). Al ser este nuestro primer acercamiento con la tarjeta de desarrollo se prefirió ocupar este Stack TCP/IP, dejando en

12 vista para futuras aplicaciones el uso de otros Stack s TCP/IP mas avanzados como el UIP (Adam Dunkels <adam@dunkels.com>). Una vez adquirido los valores de la temperatura por medio de la puerta digital procedemos a realizar una conexión tipo cliente/servidor. Como cliente se utiliza un programa que se ha realizado en Visual Basic. Captura de Pantalla: Aplicación Cliente en Visual Basic Antes de realizar una conexión con el microcontrolador, el programa RedTemp V 1.0 debe ser configurado por el usuario ingresando la dirección IP y puerto destino del microcontrolador. Una vez configurado se debe presionar el botón Conectar QUIEN ESTABLECERÁ una conexión TCP/IP al microcontrolador. Luego de establecer la conexión la aplicación cliente cada medio segundo (500 ms) envía de forma continua el String F al microcontrolador.

13 En primera instancia se debe configurar las direcciones IP y puerto del servidor para que pueda atender solicitudes. Esto se realiza mediante la configuración del archivo tcpip.h de la siguiente forma: // easyweb-stack definitions // Dirección IP del microcontrolador #define MYIP_1 172 #define MYIP_2 16 #define MYIP_3 16 #define MYIP_4 5 // Máscara de red #define SUBMASK_1 255 #define SUBMASK_2 255 #define SUBMASK_3 255 #define SUBMASK_4 0 // Puerta de enlace (Gateway) // Permite acceso desde Internet. #define GWIP_1 172 #define GWIP_2 16 #define GWIP_3 16 #define GWIP_4 1 En el archivo Easyweb2.c se debe configurar el puerto local donde se recibirán las peticiones: TCPLocalPort = 1510; Y finalmente, si se desea se puede configurar el número MAC de la controladora de Red en el archivo cs8900.h: #define MYMAC_1 1 // Dirección MAC #define MYMAC_2 2 // (Debe ser Única) #define MYMAC_3 3 #define MYMAC_4 4 #define MYMAC_5 5 #define MYMAC_6 6 Por el lado del servidor, esta a la escucha de nuevos paquetes mediante la siguientes líneas de instrucción:

14 if (SocketStatus & SOCK_DATA_AVAILABLE) { bytecount = TCPRxDataCount; memcpy(&rxbuffer, TCP_RX_BUF, bytecount); // guarda contenido de buff Rx switch (RXBuffer[0]) { // en RXBuffer temperatura()); case 'F': {/* muestrea T de CPU */ temperatura(); sprintf(tv, "%d", (unsigned char) Temp_sample = 1; break; Al constatar que tiene un paquete recibido en su buffer de recepción procede a leerlo y por medio del comando Switch es capaz de diferenciarlo y de tomar distintas decisiones según el paquete recibido. En este caso se compara si el contenido del buffer de recepción es el String F entonces se procede con la función temperatura() (mencionada anteriormente) quien devuelve el valor de la temperatura convertida por el Microcontrolador. Mediante la función ClienteTCP(), se envían a la aplicación cliente los valores ya convertidos de la temperatura: void ClienteTCP(void) { if (Temp_sample == 1 && enviando == 0) { if (SocketStatus & SOCK_CONNECTED) { if (SocketStatus & SOCK_TX_BUF_RELEASED) { memcpy(tcp_tx_buf, "5", 1); memcpy(tcp_tx_buf+1, TV, 5); TCPTxDataCount = 6; TCPTransmitTxBuffer(); Temp_sample = 0; Al haber realizado las instrucciones anteriores el microcontrolador revisa nuevamente el estado de la conexión y ejecuta las funciones habituales del stack TCP/IP.

15 if (!(SocketStatus & SOCK_ACTIVE)) TCPPassiveOpen(); DoNetworkStuff(); ClienteTCP(); La aplicación Cliente al recibir los valores retornados de la función temperatura y enviados por la función TCPClient() procede a graficarlos mediante la Herramienta Microsoft Chart. Para el funcionamiento correcto del cliente se deben instalar MSWINSCK.OCX y MSCHRT20.OCX en la carpeta c:\windows\system32 (archivos adjuntos a este informe), A continuación una captura de pantalla del cliente adquiriendo los datos. Se puede observar que se realizaron dos perturbaciones para efectos de simulación de cambios de temperatura.

16 6. Conclusiones Este segundo avance ha permitido un acercamiento a las aplicaciones de red con la tarjeta de desarrollo EasyWeb2. Se logró entender el mecanismo de conexión, adquisición de datos por la puerta análoga, conversión de análogo-digital, despliegue en pantalla y programación de aplicaciones de red. Este desarrollo permite la obtención de datos por dispositivos externos de la tarjeta, ser procesados internamente para finalmente ser enviados por red a un cliente que puede estar ubicado en un sitio remoto. Mediante la programación realizada se ha podido demostrar el potencial de la tarjeta EasyWeb2 que tal como su nombre lo indica tiene funcionalidades de red. El sensor de temperatura pudiese ser reemplazado sin problema por otro dispositivo de adquisición de datos, como por ejemplo, medidor de distancia, presión, de luz, etc. El Stack TCP/IP utilizado es la base que permitirá entender futuras aplicaciones ha desarrollar en este seminario como el UIP de Adam Dunkels adam@dunkels.com.

17 7. Anexo La obtención del numero 27,3, se realizo en base a los datos entregados en la hoja de datos del LM35DZ (Sensor de temperatura), la cual dice que al polarizarlo con 5[V] y con 0[V], el sensor entrega 10 [mv] por grado Celsius. Representado pro la siguiente figura sacada de la hoja de datos: En la siguiente figura se encuentran explicadas, la forma de conexión y la apariencia de los sensores de temperatura de la familia LM35.

18 Con esto más la relación existente entre el voltaje de entrada al conversor análogo digital dada por: Probando para varias temperaturas se pudo obtener la relación que nos permite transformar la palabra digital en el número decimal que representa la temperatura.