В 1956 году Томас Фицпатрик напился в нью-йоркском баре и побился об заклад, что сможет добраться сюда из Нью-Джерси за 15 минут. Он отправился в Нью-Джерси, угнал небольшой самолёт из лётной школы и без огней и радио аккуратно приземлился прямо напротив бара.
Фицпатрик легко отделался — его лишили лицензии пилота и оштрафовали всего на 100$, так как владелец самолёта не стал выдвигать обвинения. Это не помешало ему повторить то же самое через два года, когда в другом заведении бармен отказался поверить в правдивость истории.
Чтобы доказать её, Фицпатрик угнал другой самолёт из той же школы и снова удачно посадил его в Нью-Йорке, но в этот раз суд дал ему полгода тюрьмы.
В данной статье будет рассматриваться разработка коммутатора, для приема, обработки и передачи потока данных от GNSS-приемника и энкодера, осуществляться передача ведущему устройству будет по интерфейсу RS-485.
Интерфейс RS-485 - представляет собой промышленный стандарт физического уровня передачи данных, широко применяемый в распределенных системах управления, телеметрии и автоматизации, его ключевая особенность - использование дифференциального сигнала, что обеспечивает высокую помехоустойчивость и надежность передачи данных на значительные расстояния (до 1200 метров).
В основе работы лежит двухпроводная линия (выводы А иВ), по которой передается информация в виде разности потенциалов:
Логическая "1" фиксируется при условии, что напряжение на линии Аниже, чем на линии B;
Логический "0" соответствует ситуации, когда потенциал линии А выше потенциала линии В.
Такой метод передачи данных позволяет минимизировать влияние электромагнитных помех, так как внешние наводки одинаково взаимодействуют на обе линии и компенсируются при дифференциальном приеме.
В стандартных трансиверах интерфейса RS-485 передатчик и приемник интегрированы в одном корпусе и подключены к общей двухпроводной линии, направление выбирается выводом микроконтроллера, уровень на которой определяет в каком режиме микросхема, в приеме или в передаче.
Данная схема реализует архитектуру «ведущий-ведомый» (Master-Slave). Процесс взаимодействия можно разделить на два ключевых этапа:
Этап опроса и обнаружения устройств При инициализации системы ведущее устройство отправляет ведомому устройству (коммутатору) запрос на получение списка активных подключенных устройств. В данном примере запрашивается статус энкодера и приемника GNSS.
Ведомое устройство, формирует и возвращает ведущему буфер данных, содержащий информацию о наличии активности или отсутствии связи с каждым из опрошенных устройств.
Этап сбора данных После успешного обнаружения активных устройств ведущее устройство инициирует цикл опроса для сбора данных. Последовательно отправляются запросы на получение данных: дистанциис энкодера и навигационной информациис приемника GNSS.
Ведомое устройство агрегирует запрашиваемые параметры, формирует пакет данных и передает его ведущему устройству для последующей обработки.
Таким образом, коммутатор в данной системе обеспечивает централизованный сбор и передачу данных от периферийных устройств к управляющему ведущему устройству по запросу.
В данной схеме используется GNSS-приемник работающий по RS-232, о том как с ним работать я писал статью [Прием и парсинг NMEA-данных от GPS-приемника], в этой статье коммутатор будет принимать данные от GNSS приемника, собирать их в пакет и отправлять ведущему устройству по RS-485.
Для взаимодействия приема и передачи данных, коммутатор и ведущее устройство работают по внутреннему протоколу по аналогии MODBUS ASCII - являющийся одним из вариантов широко распространенного промышленного протокола Modbus, предназначаемого для организации обмена между ведущим и ведомым устройствами по последовательным линиям связи (RS-232/RS-422/RS-485).
Минимальный пример формата кадра MODBUS ASCII
Символ начала сообщения - ( : );
Адрес устройства - указывает, какому устройству предназначен кадр;
Код функции - определяет тип выполняемой операции (чтение, запись, диагностика);
Данные - содержат полезную нагрузку (адреса регистров, значения, количество слов);
Контрольная сумма - обеспечивает контроль целостности передачи данных;
Символы конца строки - (\r\n) - фиксация завершения кадра.
Байты 0xAB и 0xBA образуют преамбулу, по которой ведомое устройство синхронизирует начало кадра;
Поле «Длина команды» содержит длину в байтах начиная с поля 4 и заканчивая полем с символом 0x3E (‘>’) включительно.
Байт 0x09 - является кодом команды (в данном примере, запрос статуса);
Поля <тип энкодера>, <тип GNSS> задают конфигурацию активных модулей;
Символ '>' (0x3E)обозначает конец пакета.
Ведомое устройство (Slave) приняв пакет, формирует ответ:
0x5A, 0xA5, <длина команды>, 0x09, <установленный энкодер>, <установленный GNSS>, <тип GNSS>, '>' Здесь преамбула от ведомого устройства будет такая 0x5A, 0xA5.
Если параметр команды «Установка активного экодера» равен 1 и энкодер физически не подключен, то значение текущего типа энкодера «Установленный энкодер» становится равным -1.
Если в ответе на команду[9] параметр «Установленный GNSS » равен -1, значит GNSS не подключен, если 1 – то подключен.
Тип GNSS: 1 – одиночный режим, 4 – режим с дифференциальной коррекцией, 5 – режим дифференциальной коррекции с плавающим решением.
Cхема электрическая принципиальная
Объяснение по схеме
DD2 Микроконтроллер STM32F030CCT6 выполняет функции центрального управляющего узла коммутатора данных.
Характеристики МК
Ядро: ARM Cortex-M0, тактовая частота до 48 МГц;
Память: 256 КБ Flash для хранения ПО, 32 КБ SRAM для оперативных данных;
В микроконтроллере будет задействовано сразу 3 UART-порта:
UART_1 - предназначен для работы с GNSS-приемником;
UART_2 - предназначен для работы с энкодером;
UART_3 - предназначен для работы с ведущим устройством.
Выводы NRST и BOOT0
Вывод NRST(reset) используется для аппаратного сброса МК, подключается через резистор R16(10кОм) к питанию +3В — подтягивает NRST к логической «1», конденсатор С19(0,1мкФ), формирует RC-цепочку, используется для подавления помех и автосброса при включении питания, данный пример схемы гарантирует корректный старт МК после подачи питания, защищает от ложных срабатываний при скачках напряжения.
Вывод BOOT0 определяет, откуда МК будет загружать программу после сброса:
BOOT0 = 0 — загрузка из Flash‑памяти(основной режим работы);
BOOT0 = 1 — загрузка из системной памяти (встроенный загрузчик через UART, I2C, SPI).
В схеме вывод подтянут резистором R13(10кОм) к земле (логический «0»), это обеспечивает автоматическую загрузку программы из flash‑памяти после старта, если потребуется использовать встроенный загрузчик, можно временно подать «1» на BOOT0.
Обвязка питания VCC и VA
МК имеет несколько выводов питания:
VCC — основное цифровое питание (3.3В);
VA — питание аналоговой части (АЦП, компараторы и т. д.).
На выводах VCC и VA уставлен конденсатор С18 (0.1мкФ), он фильтрует высокочастотные помехи, возникающие при переключении логики, конденсатор ставиться как можно ближе к выводам МК, также дополнительно установлен танталовый конденсатор С20 (4.7мкФ), он сглаживает низкочастотные колебания и стабилизирует питание аналоговой части.
Узел кварцевого резонатора BQ
Кварцевый резонатор подключается к выводам МК (5 и 6), также добавляются нагрузочные конденсаторы С13 и С14 (12пФ), они обеспечивают корректный запуск и устойчивую работу генератора, формируя необходимую нагрузочную емкость.
После подачи напр.питания МК запускает внутренний RC-генератор, но при активации внешнего кварцевого генератора на выводах (5 и 6) начинает работать схема усилителя с положительной обратной связью, при которой:
На выводы 6(А) и 7(В) микросхемы DA3, поступают данные от энкодера, выводы подключены через согласующие резисторы:
Резистор R5(120 Ом) - предотвращает отражение сигналов в линии;
Резисторы R3 и R6(1,5 кОм) - подтягивающие, обеспечивающие корректное определение логических уровней на линии.
Резисторы R11 и R12(10 кОм) - устанавливают стабильный логический уровень на управляющих выводах RE и DE, таким образом они предотвращают ложные переключения при старте системы.
Подключение выводов к МК:
RO(выход приемника) - подключается к PA3;
DI(вход) - подключается к PA2;
DE и RE - подключаются PA1;
выводы А и B - подключаются к энкодеру.
Микросхема DA4, используется для приема и передачи данных ведущему устройству, схема подключения резисторов точно такая же как и у DA3,
Подключение выводов к МК:
RO(выход приемника) - подключается к PB11;
DI(вход) - подключается к PB10;
DE и RE - подключаются PB1.
выводы А и B - подключаются к ведущему устройству.
Узел подключения GNSS-приемника
Микроконтроллеры STM32, работают с логическими уровнями TTL/CMOS - обычно это 3.3В или 5В, интерфейс RS-232, напротив, использует более высокие и отрицательные напряжения ( от ±3В до ±12В), что делает их напрямую несовместимыми.
Если подключить напрямую модуль-GPS (RS-232) к выводам МК-STM32, это может не только привести к искажению данных, но и физически повредить выводы. ADM3202 решает эту задачу, переводя сигналы из одного уровня в другой, в обоих направлениях.
ADM3202 - это двухканальный приемопередатчик уровней RS-232 - TTL, выполняет сразу две задачи:
Преобразование входящих RS-232 сигналов в безопасные TTL-уровни(RX-канал);
Преобразование исходящих TTL-сигналов микроконтроллера в RS-232(TX-канал).
Для формирования требуемых амплитуд RS-232, внутри микросхемы используется помповый преобразователь напряжения(chage pump) с четырьмя внешними конденсаторами, это позволяет работать от одного источника питания (от 3В до 5.5В).
Вид осциллограммы передаваемых данных модуля-gnss(rs-232) до преобразования ADM3202
Осциллограмма амплитуды данных от модуля-gps(rs-232) до преобразования ADM3202
Показатель амплитуды данных от модуля gps(rs-232) до преобразования = delta [ 10.6V ], нельзя подключать к микроконтроллеру STM32.
Вид осциллограммы передаваемых данных модуля-gnss(rs-232) после преобразования ADM3202
Осциллограмма амплитуды данных от модуля-gnss(rs-232) после преобразования ADM3202
Показатель амплитуды данных от модуля gnss(rs-232) после преобразования = delta [ 3.6V ], можно подключать к микроконтроллеру STM32.
Узел преобразователя и стабилизатора напряжения
Микросхема DA1 - MP2315 представляет собой синхронный понижающий DC-DC преобразователь с интегрированными силовыми MOSFET-ключами. Высокая частота переключения (до 2.2 МГц), компактный корпус и широкий диапазон входных напряжений (от 4.5 В до 24 В), ссылка на техническую документацию MP2315 [https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/1035056/MPS/MP2315.html].
Микросхема DA2 — LP2985 представляет собой малошумящий стабилизатор, предназначен для преобразования входного напряжения +5В в стабильное напряжение +3В, используемое МК и периферийными узлами, ссылка на техническую документацию LP2985 [https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/99706/TI/LP2985.html].
Модель печатной платы коммутатора
Слой TOP (верхний слой) и слой BOTTOM(нижний слой) подключены к GND
Прикладываю схему и модель печатной платы cсылка на скачивание Commutator_STM32(.sch/.pcb) [ https://t.me/ChipCraft В закрепленном сообщении [ #исскуствомк_Схема_Commutator_STM32]
Прикладываю также программу для открытия P-CAD Viewer, да... она очень и очень древняя, но я данную программу по построению схем и печатных плат полюбил очень давно, и в основном проектирую только в ней, cсылка на скачивание P-CAD Viewer [ https://t.me/ChipCraft В закрепленном сообщении [ #исскуствомк_проектирование_sch/pcb — Программа для просмотра схем и печатных плат]
Краткая инструкция по открытию файлов
Для того чтобы открыть схему, необходимо открыть программу SCHView(располагается в папке P-CAD 2006 Viewer) и в ней уже открыть файл, для того чтобы открыть печатную плату, необходимо открыть программу PCBView и в ней уже открыть файл.
Настройка микроконтроллера STM32F030CCTx в CubeIDE(Ведомое устройство)
Настройка RCC и SYS (в RCC выбираю Crystal/Ceramic Resonator, так как у меня внешний кварц)
Настройка выводов узла подключения энкодера
Вывод PA1 предназначен для управления DA3 (MAX14841), он подключен к DE и RE, для приема и передачи данных энкодера, необходимо поднимать и опускать вывод МК, работа схемы:
На выводе МК = 1 (высокий уровень, "поднят"):
DE = 1 — драйвер включен (выходы A и B активны и передают данные из DI).
RE = 1 — приемник выключен (выход RO отключен).
Микросхема находится в режиме передачи.
На выводе МК = 0 (низкий уровень, "опущен"):
DE = 0 — драйвер выключен (выходы A и B в высокоимпедансном состоянии).
RE = 0 — приемник включен (данные с A и B передаются на RO).
Микросхема находится в режиме приема.
Настройка USART2
Энкодер передает данные на скорости [230400], в Baud Rate выставляю скорость, остальные параметры без изменений
Заходим во вкладку NVIC Settings и включаем прерывания
Заходим во вкладку DMA Settings и подключаем DMA
Настройка выводов узла приема и передачи данных с ведущим устройством
Вывод PB1 предназначен для управления DA4 (MAX14841), он подключен к DE и RE, для приема и передачи данных с ведущим устройством, необходимо поднимать и опускать вывод МК, работа схемы:
На выводе МК = 1 (высокий уровень, "поднят"):
DE = 1 — драйвер включен (выходы A и B активны и передают данные из DI).
RE = 1 — приемник выключен (выход RO отключен).
Микросхема находится в режиме передачи.
На выводе МК = 0 (низкий уровень, "опущен"):
DE = 0 — драйвер выключен (выходы A и B в высокоимпедансном состоянии).
RE = 0 — приемник включен (данные с A и B передаются на RO).
Микросхема находится в режиме приема.
Настройка USART3
Ведущее устройство передает и принимает данные на скорости [230400], в Baud Rate выставляю скорость, остальные параметры без изменений
Заходим во вкладку NVIC Settings и включаем прерывания
Ссылка на скачивание исходного кода [ https://t.me/ChipCraft В закрепленном сообщении [ #исскуствомк_исходный_код — Исходный код для STM32F030CCTx_Switch_GPS_DP].
Модуль uart_processing.c
Данный модуль реализует обработку обмена по трем интерфейсам UART, используемым в составе коммутатора:
UART1 - прием данных от GNSS-приемника;
UART2 - взаимодействие с датчиками перемещения(ДПИ, ДП32, Encoder);
UART3 - взаимодействие с ведущим устройством.
Функция void fillBuff_com9(int8_t typeDP)
Формирует ответ на девятую команду протокола, которая служит для запроса или установки типа подключенного датчика перемещения
Режим запроса статуса (typeDP == 1), возвращается текущее значение параметра gParams.type_DP которое отражает активный тип подключенного датчика.
Режим смены конфигурации (typeDP != 1) проверяется, отличается ли новый тип от ранее установленного (gParams.typeDP_fromAB), если произошла смена конфигурации, выполняются переинициализация датчиков.
После выполнения логики, функция формирует ответный пакет в буфере uart_rx_buf_com9:
преамбула (0x5A, 0xA5);
идентификатор команды (0x09);
Тип ДП(retDP);
признак активности GPS (gParams.isGPS);
статус RTK (isRTK_GPS);
конец сообщения (>).
Функция uart_Handler()
Это центральный узел, который предназначается для взаимодействия с ведущим устройством
Логика работы:
Анализ приема:
Проверяется флаг uartRxABDone, сообщающий о завершении приема пакета по интерфейсу USART3;
Валидность пакета подтверждается преамбулой (0xAB и 0xBA) и соответствием длины данных (uart_rx_buf_AB[2]).
Декодирование команды:
в зависимости от байта команды uart_rx_buf_AB[3] выполняется одна из ветвей:
0x09(девятая команда) - вызывается fillBuff_com9() и передается ведущему устройству;
'Y' (данные от датчиков перемещения) - вызывается dpi_getDP_buffer(), формирует буфер дистанции и передается ведущему устройству;
0x02 (версия прошивки) - формируется ответ в формате Vx.x.x> и передается ведущему устройству.
Обработка завершения передачи:
Если пакет подготовлен, управление передается функции uart_transmitAB();
В противном случае запускается повторный прием (uart_startRecievingAB), гарантирует непрерывность работы, после успешной отправки пакета, сбрасывается флаг uartTxIRDone_AB, восстанавливается линия приема и освобождается RS-485 (сброс сигнала DE_RE).
Модуль uart_Proc_dp.c
Краткое описание функций:
dpi_getDp_buffer() - получение актуального пакета для передачи;
dpi_getDist() - узнать накопленное расстояние;
dpi_resetDist() - сбросить счетчик дистанции и внутренние буферы;
dpi_getDpi_connect_status() - определение состояния подключения.
Данный модуль предназначен для работы с несколькими типами датчиков перемещения
ДПИ (по интерфейсу RS-485)
Команда 0xBA 0xDC используется для запроса дистанции;
Ответ от ДПИ передается в 6-байтном формате: 4 байта дистанции + 2 байта контрольной суммы CRC.
Функция uartHandlerDp анализирует входящий пакет;
CRC вычисляется по алгоритму побайтового суммирования с инверсией результата;
Если CRC корректна, обновляется переменная dist, в которой хранится расстояние в импульсах;
Результат упаковывается в буфер uart_rx_buf_dpi[];
dpi_time_send и dpi_time_status_connect задают цикличность запросов и ограничение времени ожидания;
Если ответа нет более 100мс, датчик считается отключенным (gParams.typeDP=-1).
ДП32(работа по генерации импульсов)
подключается напрямую к линии RX микроконтроллера и генерирует импульсы
Прерывание по фронту PB3 фиксирует факт прихода импульса;
Таймер TIM6 используется для определения направления перемещения()
2 импульса - > движение назад (счетчик уменьшается)
3 импульса - > движение вперед (счетчик увеличивается)
Настройка TIM6:
Выбрать GPIO_EXTI;
Повесить прерывание, зайти в NVIC и включить.
Encoder (данный тип датчика выдает только импульсы в одном направлении, т.е. дистанция будет всегда положительная)
Каждый фронт на входе PB3 увеличивает счетчик dpEnc_counter, обновление также транслируется с преамбулой (0x5A и 0xA5).
Инициализация параметров (setDefaultParams()), формируются стандартные настройки модуля, включая все протоколы обмена и параметры периферийных интерфейсов;
Перезапуск USART2, сначала деинициализирую и потом инициализирую, помогает корректно работать RS-485 перед началом работы;
Инициализация функций:
uart_GNSS_init() - подготавливает буферы и структуры для приема данных от GNSS -приемника;
uart_Proc_dp_init() - настройка логики обработки данных от датчиков перемещения.
Старт обмена данными:
uart_startRecieving_DP() - запуск приема от датчиков;
uart_startTransmiting_DP() - формирование и отправка первого запроса к датчику;
uart_startRecieving_AB() - начало приема пакетов от ведущего устройства;
uart_startRecieving_GNSS() - включение приема от GNSS-приемника.
Основной цикл работы
Внутренний цикл wihle(1) реализует вызов трех основных обработчиков:
uart_Handler() - обеспечивает обмен с ведущим устройством по RS-485
uart_Handler_GNSS() - выполняет разбор входящего навигационного потока в формате NMEA, а также контроль активности GNSS-приемника;
uart_Handler_DP() - реализует обработку данных с датчиков перемещения.
Просмотр работы приема и передачи данных между ведущим и ведомым устройством, через терминал
С помощью преобразователя USB/RS-485 подключаюсь к DA4 и тестирую
Если статья показалась Вам интересной, буду рад выпустить для Вас еще множество статей исследований по всевозможным видам устройств, так что, если не хотите их пропустить — буду благодарен за подписку на мой ТГ-канал.
9 октября День отражений в лужах отмечается в честь испанского фотографа Гвидо Гутиэрреса Руиса, который прославился снимками отражения в лужах городов и людей. Эти кадры напоминают параллельный мир, где все перевернуто сверху вниз. Поэтому в этот праздник следует последовать его примеру и сделать похожие фотографии.
Если это не начало планетарной катастрофы, тогда я не знаю что это.
Люди в чьих интересах нужно знать про определенное явление из-за собственной лени и тупости не знают и не желают знать про это явление. Люди в чьих интересах защита социальной справедливости и защита интересов трудового народа. Занимаются защитой людоедских указов и раболепским пресмыканием. Люди в чьих интересах защита разума ближних от говна, что льют разномастные шарлатаны. Сами начинают лить говно в мозги родным и близким. Люди в чьих интересах оберегать веру. Сами становятся участниками надругательства из-за незнаний и не желания познавать. Иные защитники научного познания более праведно поступают.
Всё те светлые устремления, идея и мысли о которых существовали всю историю развития умозаключений и разных представлений. Все перестали быть достижимыми.
