Большая База Данных Рефератов - Создание измерительного аппаратно-программного комплекса термометра на основе микроконтроллеров семьи ATMEGA

Создание измерительного аппаратно-программного комплекса термометра на основе микроконтроллеров семьи ATMEGA

акой же алгоритм вычисления контрольной суммы используется и в случае чтения промежуточного ОЗУ, только там считанная из термометра CRC (9-й байт) рассчитана для 8-ми байтов данных.

После обработки одной из команд функций ПЗУ, DS18S20 способен воспринимать еще несколько команд:

Write Scratchpad [4Eh]. Эта команда позволяет записать данные в промежуточное ОЗУ DS18S20.

Read Scratchpad [BEh]. Эта команда позволяет считать данные из промежуточного ОЗУ.

Copy Scratchpad [48h]. Эта команда копирует байты TH и TL из промежуточного ОЗУ в энергонезависимую память. Эта операция требует около 10мс.

Convert T [44h]. Эта команда запускает процесс преобразования температуры.

Recall E2 [B8h]. Эта команда действует обратным образом по отношению к команде Copy Scratchpad, т.е. она позволяет считать байты TH и TL из энергонезависимой памяти в промежуточное ОЗУ. При включении питания эта команда выполняется автоматически.

Read Power Supply [B4h]. Эта команда позволяет проверить, использует ли DS18S20 паразитное питание. Дело в том, что DS18S20 можно подключать всего с помощью двух проводов, в этом случае для питания используется линия данных. Особенности этого режима мы здесь рассматривать не будем.

При использовании DS18S20 только для измерения температуры нужны всего две из этих команд: Convert T и Read Scratchpad.

Последовательность действий при измерении температуры должна быть следующей:

Посылаем импульс сброса и принимаем ответ термометра.

Посылаем команду Skip ROM [CCh].

Посылаем команду Convert T [44h].

Формируем задержку минимум 750мс.

Посылаем импульс сброса и принимаем ответ термометра.

Посылаем команду Skip ROM [CCh].

Посылаем команду Read Scratchpad [BEh].

Читаем данные из промежуточного ОЗУ (8 байт) и CRC.

Проверяем CRC, и если данные считаны верно, вычисляем температуру.

Для подключения DS18S20 к COM-порту компьютера используется адаптер, схема которого приведена на рисунке, где показано окно помощи программы.

Схема этого адаптера не так проста, как, например, схема адаптера DS9097 фирмы Dallas. Это связано в первую очередь с тем, что хотелось иметь общую «землю» компьютера и 1-проводной шины. Для питания DS18S20 используется линия DTR последовательного порта. Адаптер обеспечивает на входе RXD порта компьютера лишь однополярные уровни, что, строго говоря, не соответствует спецификации RS-232C. Однако большинство портов с такими уровнями работают нормально. Вместо указанных на схеме n-канальных МОП-транзисторов можно применить близкие по параметрам транзисторы других типов, например, 2N7000. Подойдут также отечественные транзисторы КП501 или КП505. В принципе, можно применить и биполярные транзисторы, добавив в базы ограничительные резисторы. Конструктивно адаптер выполнен в корпусе разъема D-SUB-25 :

Разъем паяется прямо на плату, которая входит между рядами контактов. Другая сторона платы выполнена удлиненной и выходит за пределы корпуса разъема. В эту часть платы впаян 3-х контактный винтовой терминал

Можно вовсе обойтись без печатной платы, а выполнить монтаж адаптера навесным способом на контактах разъема.

К винтовому терминалу подключается микросхема термометра с помощью проводов, длина которых может составлять до нескольких метров. Если датчик термометра используется в комнатных условиях, то никаких мер по его защите применять не нужно, необходимо только заизолировать выводы. Если же предполагается измерять температуру наружного воздуха или каких-то агрессивных сред, датчик термометра необходимо упаковать. Например, можно взять алюминиевый корпус электролитического конденсатора подходящего диаметра и поместить туда датчик, заполнив весь свободный объем теплопроводящей пастой. Сверху такой стакан необходимо загерметизировать.

Описанный адаптер также подходит для считывания электронных ключей IButton и для подключения других однопроводных устройств.

Программа ds1820.exe, работающая под Win95/98/ME/NT, позволяет считывать и отображать показания термометра, а также считывать серийный номер и программировать два пользовательских байта. Эта программа кроме термометра DS18S20 поддерживает и его предшественника DS1820.

Вид главного окна программы показан на рисунке

Окно имеет следующие элементы управления:

Поле Device ID, куда выводится код семейства 1-проводного устройства. Для DS1820 и DS18S20 он равен 10h.

Поле Device Name, где приводится расшифровка типа устройства.

Поле Serial number, куда выводится серийный номер, записанный в ПЗУ.

Поле CRC, где отображается результат проверки контрольной суммы (OK или FAIL).

Поле TH / User byte 1, куда можно ввести значение в шестнадцатеричной форме, которое будет записано в регистр TH.

Поле TL / User byte 2, куда можно ввести значение в шестнадцатеричной форме, которое будет записано в регистр TL.

Кнопка Start запускает процесс измерения температуры. Преобразования выполняются периодически, а измеренная величина выводится в поле температуры. Дискретность представления составляет 0.1°C, что достигается дополнительными вычислениями.

Кнопка Exit позволяет выйти из программы.

Кроме того, вверху окна имеется меню, состоящее из трех пунктов: Port, Utilites и Help.

Меню Port в развернутом виде показано на рис. 13. Это меню позволяет открыть один из четырех портов COM1 - COM4. Кроме того, меню позволяет закрыть порт и выйти из программы. В списке активны только доступные порты (т.е. те, которые физически присутствуют и не заняты в данный момент другими приложениями). Когда порт открывается, проверяется наличие на этом порту адаптера (достаточно соединения TXD - RXD). Если адаптер не обнаружен, выводится соответствующее сообщение

Меню Help содержит рисунок принципиальной схемы адаптера и сведения о разработчике программы.

Для хранения установок программа использует ini-файл, который создается автоматически в том же директории, где расположен exe-файл. В ini-файле содержится информация о положении окна программы и номер используемого COM-порта:

[General]

Left=427

Top=295

COM port=2

Если в существующем ini-файле указан номер COM-порта, который на момент запуска программы занят или отсутствует, выводится специальное сообщение

Меню Utilites содержит три пункта:

Read ROM - считывание содержимого ПЗУ (код семейства, серийный номер), а также считывание TH и TL.

Start Conv. - дублирует кнопку Start основного окна.

Write User Bytes - записывает значения TH и TL, которые введены в соответствующих полях.

Обмен, который производится по 1-проводной шине, требует довольно точного соблюдения временных соотношений микросекундного диапазона. Работая под Windows, точно сформировать такие интервалы программным способом невозможно. Поэтому необходимые временные интервалы формируются аппаратно микросхемой приемопередатчика последовательного порта, который используется не совсем обычно.

Для генерации импульса сброса и приема ответа порт настраивается на скорость 9600 бод, длина символа 8 бит, и передается число F0h. Это приводит к формированию импульса сброса низкого уровня (с учетом инверсии адаптера) длительностью примерно 520 мкс (стартовый бит + 4 передаваемых бита). За ним следует импульс высокого уровня такой же длительности (4 передаваемых бита + стоповый бит), в течение которого ожидается ответ термометра. Если термометр не подключен, то порт примет число F0h не искаженным. Но если термометр сформировал импульс ответа, то принятое число будет содержать большее количество единиц, чем четыре. Таким образом определяется наличие ответа.

Для генерации интервалов приема и передачи битов, порт настраивается на скорость 115200 бод. Стартовый бит начинает временной интервал, затем идут 8 единичных или нулевых бит, в зависимости от значения бита, который нужно передать. Заканчивается последовательность стоповым битом, который на некоторое время устанавливает на 1-проводной шине высокий уровень. Вид этой последовательности полностью соответствует требуемому виду временного интервала передачи бита, за исключением того, что обмен является более медленным, чем способна обеспечить 1-проводная шина: на один бит затрачивается примерно 87 мкс.

Прием со стороны передатчика последовательного порта ничем не отличается от передачи единичного бита. Проанализировав принятый последовательным портом символ можно установить, какой бит передал термометр. В случае нулевого бита один или несколько битов принятого портом байта будут единичными (с учетом инверсии адаптера).

Для работы с COM-портом программа пользуется функциями API через специальную «оберточную» динамическую библиотеку comapi32.dll. Однако скорость обмена получается гораздо ниже расчетной из-за того, что переключение скорости COM-порта (вызов функции SetCommState с изменённым значением поля BaudRate структуры DCB) идёт удивительно долго (порядка 200 миллисекунд!). Это весьма неприятное свойство API.

Программа DS1820.zip вместе с исходным текстом на Delphi 5 source20.zip распространяется бесплатно.

При использовании термометра необходимо учитывать, что корпус DS18S20 сделан из материала с относительно плохой теплопроводностью. Поэтому утечка тепла через выводы и подключенные к ним провода может быть весьма ощутимой. Для уменьшения ошибки измерения следует использовать провода малого сечения.

Кроме измерения температуры компонентов внутри корпуса компьютера, этот термометр можно использовать и для других целей, например, как комнатный или как наружный термометр.

3) Робота с COM-портом в среде ОС Windows:

Вопрос «как работать с COM-портами?» стал классическим на многих конференциях по языкам программирования. Рано или поздно чуть не каждому программисту приходится работать с портами ввода/вывода. Сегодня я хочу рассказать про работу с последовательным портом из-под самой распространенной на сегодняшний день 32-разрядной операционной системы -- Windows. К статье прилагается пример программы, работающей с COM-портом, написанной на Borland Delphi 7.

Статья построена по принципу «от простого к сложному». Сначала будут изложены основы работы с портами из-под Win32 с описанием необходимых функций. Затем рассмотрим применение этих функций на примере Delphi-программы. Конечным результатом будет класс, предназначенный для работы с COM-портом, и пример использующей его программы.

Очень часто программисту приходится управлять с помощью компьютера каким-либо внешним устройством, или просто анализировать состояние этого устройства. Порты ввода/вывода -- самый распространенный способ сопряжения компьютера и внешнего устройства. Давным-давно уже написано множество классов, библиотек и компонент для работы с портами, поэтому можно, конечно, воспользоваться уже готовым и к тому же бесплатным решением. Именно так я и поступил лет семь назад, при этом потеряв самое главное -- своевременное понимание того, как все-таки работать с портами из-под Win32. Незнание внутренних механизмов -- это, во-первых, пробел в стройном ряду знаний, а во-вторых, актуальная возможность ошибок в работе программы.

С портами из-под Win32 работают так же, как и с обычными файлами, используя при этом всего несколько специфичных функций WinAPI. Однако коммуникационный порт -- это не совсем обычный файл. Для него, например, нельзя выполнить позиционирование файлового указателя, или же создать порт, если таковой отсутствует. Любая работа с портом начинается с его открытия. Для этого используется файловая функция WinAPI (описания WinAPI-функций взяты из MSDN (Microsoft Developer Network), следовательно, приводятся в синтаксисе C):

HANDLE CreateFile(

LPCTSTR lpFileName,

DWORD dwDesiredAccess,

DWORD dwShareMode,

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,

DWORD dwCreationDistribution,

DWORD dwFlagsAndAttributes,

HANDLE hTemplateFile

);

lpFileName -- указатель на строку с нулевым завершающим символом. Обычно это имя открываемого файла, но в нашем случае это должно быть название порта (COM1, COM2, …).

dwDesiredAccess -- тип доступа. В нашем случае должен быть равен GENERIC_READ|GENERIC_WRITE.

dwShareMode -- параметр совместного доступа. Для коммуникационных портов всегда равен 0.

lpSecurityAttributes -- атрибут защиты. Для коммуникационных портов всегда равен NULL.

dwCreationDistribution -- режим автосоздания. Для коммуникационных портов всегда равен OPEN_EXESTING.

dwFlagsAndAttributes -- атрибут режима обработки. Для коммуникационных портов должен быть равен 0 или FILE_FLAG_OVERLAPPED.

hTemplateFile -- описатель файла-шаблона. Для коммуникационных портов должен быть равен NULL.

При успешном открытии порта функция возвращает его описатель, а в случае ошибки возвращает INVALID_HANDLE_VALUE.

Сразу оговорюсь: все недостающие описания можно найти на http://msdn.microsoft.comи еще по ряду адресов, которые вам подскажет поисковый сервер.

Из всех параметров функции CreateFile() особого пояснения требует dwFlagsAndAttributes. Работа с портом может быть организована в синхронном (nonoverlapped) или асинхронном (overlapped) режимах обработки, что и задается этим флагом. При синхронном режиме (когда параметр dwFlagsAndAttributes = 0) только один поток приложения может либо читать, либо писать в порт. Помните переговорное устройство в лифте? Нажали кнопку -- можем только говорить, отпустили кнопку -- можем только слушать.

Синхронный режим обработки прост в реализации. Если надо записать данные в порт, то вызываем функцию записи и ожидаем, пока она не завершится. Если же надо читать данные, то вызываем функцию чтения и ждем, пока она не отработает. Для простых задач синхронный режим обработки вполне подходит, однако в мире Windows он почти всегда обречен на неудачу. Ожидание операции чтения или записи воспринимается пользователем программы как «зависание».

Асинхронный режим (когда параметр dwFlagsAndAttributes = FILE_FLAG_OVERLAPPED) позволяет производить операции чтения и записи в порт параллельно из разных потоков. В то время, пока один поток приложения принимает данные, другой поток может параллельно с первым передавать данные -- как при разговоре по телефону, когда вы можете слушать и говорить одновременно. Данный режим обработки больше импонирует идее многозадачности Windows. Но за все надо платить: для реализации этого режима обработки требуется в два раза больше написанного кода, вдобавок, умения писать многопоточные программы. Какой режим выбрать -- решайте сами. Но если уж разбираться в работе порта, то разбираться «по-взрослому», до конца, а потому и рассмотрим более сложный вариант -- асинхронную обработку.

На практике открытие порта для асинхронного режима обработки из программы на Delphi выглядит примерно так:

OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_OVERLAPPED, 0);

if hPort = INVALID_HANDLE_VALUE then

raise Exception.Create('Error opening port');

Функция возвращает описатель порта (hPort), который нам потом пригодится для вызова других функций работы с портом. Если в результате открытия порта описатель не получен, то возбуждается исключение с соответствующим текстом ошибки. Открыв порт, мы получаем его в свое распоряжение. Теперь с этим портом может работать только наша программа (точнее, только наш процесс). По окончании работы с портом его следует закрыть, вызвав функцию:

BOOL CloseHandle(

HANDLE hObject

);

В качестве единственного параметра надо передать полученный ранее описатель порта (hPort).

Хоть система при завершении выполнения программы и освобождает все выделенные ей ресурсы (в том числе и порты), хорошим тоном программирования считается собственноручное закрытие портов. Открывать/закрывать порт как будто несложно. Кроме того, нам потребуется программная настройка порта. Думаю, все видели диалог настройки последовательного порта в диспетчере устройств системы. Все эти настройки мы можем произвести программно. Для этих целей используется функция WinAPI:

BOOL SetCommState(

HANDLE hFile,

LPDCB lpDCB

);

hFile -- описатель открытого порта.

lpDCB -- указатель на структуру DCB.

Основные параметры последовательного порта описываются структурой DCB. Она содержит массу полей, каждое из которых соответствует определенному параметру настройки порта. Мы рассмотрим несколько полей, которые нам нужны:

BaudRate -- скорость передачи данных. Возможно указание констант --CBR_100, CBR_300, CBR_600, CBR_1200, …, CBR_256000.

Parity -- схема контроля четности. Может содержать одно из следующих значений: EVENPARITY, MARKPARITY, NOPARITY, ODDPARITY, SPACEPARITY.

ByteSize -- число информационных бит в передаваемых и принимаемых байтах.

StopBits -- количество стоповых бит. Может быть ONESTOPBIT, ONE5STOPBIT, TWOSTOPBIT.

Чтобы не заполнять структуру DCB вручную, ее можно заполнить информацией о текущем состоянии порта вызовом функции GetCommState(), затем изменить необходимые поля и установить настройки вызовом функции SetCommState(). Настройку порта желательно производить сразу после его открытия. На Delphi это выглядит так:

var

Dcb: TDcb;

…

if not GetCommState(hPort, Dcb) then

raise Exception.Create('Error setting port state');

Dcb.BaudRate := CBR_9600;

Dcb.Parity := NOPARITY;

Dcb.ByteSize := 8;

Dcb.StopBits := ONESTOPBIT;

if not SetCommState(hPort, Dcb) then

raise Exception.Create('Error setting port state');

Еще одна операция, которая нам понадобится сразу после открытия порта -- его сброс.

BOOL PurgeComm(

HANDLE hFile,

DWORD dwFlags

);

Вызов этой функции очищает очередь приема/передачи и завершает все находящиеся в ожидании запросы ввода/вывода.

hFile -- описатель открытого порта.

dwFlags -- производимые действия в виде набора флагов PURGE_TXABORT, PURGE_RXABORT, PURGE_TXCLEAR, PURGE_RXCLEAR.

Пример на Delphi:

if not PurgeComm(hPort, PURGE_TXCLEAR or PURGE_RXCLEAR) then

raise Exception.Create('Error purging port');

На этом подготовительная фаза заканчивается, и можно приступать непосредственно к приему/передаче данных. Прием данных у нас будет происходить по событийной схеме; программа будет ожидать прием одного или нескольких символов (байт). Для перевода порта в этот режим необходимо вызвать функцию SetCommMask() с флагом EV_RXCHAR:

if not SetCommMask(hPort, EV_RXCHAR) then

raise Exception.Create('Error setting port mask');

Прием и передача данных выполняется функциями ReadFile() и WriteFile(), то есть теми же самыми функциями, которые используются для работы с дисковыми файлами. Вот их описание:

BOOL ReadFile(

HANDLE hFile,

LPVOID lpBuffer,

DWORD nNumberOfBytesToRead,

LPDWORD lpNumberOfBytesRead,

LPOVERLAPPED lpOverlapped

);

BOOL WriteFile(

HANDLE hFile,

LPCVOID lpBuffer,

DWORD nNumberOfBytesToWrite,

LPDWORD lpNumberOfBytesWritten,

LPOVERLAPPED lpOverlapped

);

hFile -- описатель открытого порта.

lpBuffer -- адрес буфера.

nNumberOfBytesToRead/nNumberOfBytesToWrite -- число ожидаемых к приему или предназначенных для передачи байт.

lpNumberOfBytesRead/lpNumberOfBytesWritten -- число фактически принятых или переданных байт.

lpOverlapped -- адрес структуры OVERLAPPED, используемой для асинхронных операций.

Передача данных является довольно быстрой операцией, поэтому как правило ее выполняют из главного потока приложения. На Delphi это выглядит так:

var

dwWrite: DWORD;

OverWrite: TOverlapped;

WriteBytes: array of Byte;

…

begin

OverWrite.hEvent := CreateEvent(nil, True, False, nil);

if OverWrite.hEvent = Null then

raise Exception.Create('Error creating write event');

…

if (not WriteFile(hPort, WriteBytes, SizeOf(WriteBytes),

dwWrite, @OverWrite))

and (GetLastError <> ERROR_IO_PENDING) then

raise Exception.Create('Error writing port');

end;

В данном примере функция WriteFile() выполняет асинхронную запись массива байтов WriteBytes в порт. Она сразу возвращает управление, и запись в порт происходит параллельно с выполнением основного кода потока. Если результат WriteFile() равен False, то это значит, что на момент возврата управления передача массива байтов еще не закончилась. Поэтому код ошибки выполнения WriteFile() в данном случае должен быть равен ERROR_IO_PENDING. Переменная OverWrite -- overlapped-структура, необходимая для асинхронных операций.

В принципе, вас не должно волновать, когда закончится передача массива байтов. Зато момент приема одного или нескольких символов действительно важен. Поэтому его можно разбить на две части: инициирование приема и определение момента приема с последующим чтением символов. Поскольку при этом приходится считаться с фактором ожидания приема символа, рекомендуется функции приема данных вынести в отдельный поток. Передавать данные можно и из основного потока приложения, поскольку это происходит довольно быстро. А вот событие приема символа будем ожидать в отдельном потоке.

Рассмотрение работы с потоками в Windows, в частности того, как это реализовано в Delphi, выходит за рамки данной статьи. Предполагаю, что читатель встречался или по крайней мере знаком с этим. Скажу лишь, что у любого потока есть главная функция, которая начинает выполняться после его создания. В Delphi для потоков существует класс TThread, а его главная процедура называется TThread.Execute().

Вот так выглядит главная процедура отдельного потока, которая ожидает появление одного или нескольких символов и считывает их:

procedure TReadThread.Execute;

var

ComStat: TComStat;

dwMask, dwError: DWORD;

OverRead: TOverlapped;

Buf: array[0..$FF] of Byte;

dwRead: DWORD;

begin

OverRead.hEvent := CreateEvent(nil, True, False, nil);

if OverRead.hEvent = Null then

raise Exception.Create('Error creating read event');

FreeOnTerminate := True;

while not Terminated do

begin

if not WaitCommEvent(hPort, dwMask, @OverRead) then

begin

if GetLastError = ERROR_IO_PENDING then

WaitForSingleObject(OverRead.hEvent, INFINITE)

else

raise Exception.Create('Error waiting port event');

end;

if not ClearCommError(hPort, dwError, @ComStat) then

raise Exception.Create('Error clearing port');

dwRead := ComStat.cbInQue;

if dwRead > 0 then

begin

if not ReadFile(hPort, Buf, dwRead, dwRead, @OverRead) then

raise Exception.Create('Error reading port');

// В Buf находятся прочитанные байты

// Далее идет обработка принятых байтов

end;

end; {while}

end;

В приведенном примере в потоке крутится цикл, тем самым инициируется ожидание события порта вызовом функции WaitCommEvent(), ожидание же самого этого события задается функцией WaitForSingleObject(). Для определения количества принятых символов используется функция ClearCommError(). Когда количество принятых символов (dwRead) известно, непосредственное чтение символов выполняется функцией ReadFile().

Используя вышеописанные выкладки, я написал на Borland Delphi 7 класс TComPort для работы с COM-портами. К классу прилагается пример приложения, использующий его. Для проверки работоспособности программы я просто соединил нуль-модемным кабелем два COM-порта на своем компьютере и запустил два экземпляра программы для каждого порта. Данные передаются через один порт и одновременно принимаются через другой.

Для передачи и приема данных предусмотрены отдельные окна. Формат передаваемых данных -- строка. Принимаемые данные представляются в виде массива байт.

Страницы: 1, 2