ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Έλεγχος Συσκευών µε Embedded Ethernet και CAN Βus Μύρων Ε. Μπουρλάκης Επιβλέπων : Κιαµάλ Ζ. Πεκµεστζή Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Νοέµβριος 2005
2
ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Έλεγχος Συσκευών µε Embedded Ethernet και CAN Βus Μύρων Ε. Μπουρλάκης Επιβλέπων : Κιαµάλ Ζ. Πεκµεστζή Καθηγητής Ε.Μ.Π. Εγκρίθηκε από την τριµελή εξεταστική επιτροπή την 4 η Νοεµβρίου 2005.......... Κ. Ζ. Πεκµεστζή Γ. Κ. Παπακωνσταντίνου Π.. Τσανάκας Καθηγητής Ε.Μ.Π. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Επίκουρος Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Νοέµβριος 2005 3
... Μύρων Ε. Μπουρλάκης ιπλωµατούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Μύρων Ε. Μπουρλάκης, 2005 Με επιφύλαξη παντός δικαιώµατος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανοµή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τµήµατος αυτής, για εµπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανοµή για σκοπό µη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν µήνυµα. Ερωτήµατα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συµπεράσµατα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερµηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσηµες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. 4
Αφιερώνεται σ αυτούς που µ αγάπησαν πραγµατικά στον Ν. Καζαντζάκη, που µε δίδαξε όσα κανένας δάσκαλος 5
6
εν ελπίζω τίποτα, δεν φοβάµαι τίποτα είµαι λεύτερος! Ν. Καζαντζάκης 7
8
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στη διπλωµατική αυτή σχεδιάζεται και υλοποιείται ένα ολοκληρωµένο σύστηµα Eλέγχου Συσκευών µέσω µιας Embedded συσκευής Ethernet και CAN Bus. Το σύστηµα αυτό δίνει τη δυνατότητα ελέγχου 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών 220V µέσω του δικτύου ή ακόµα και του διαδικτύου χρησιµοποιώντας έναν κοινό web browser. Επιπλέον, το σύστηµα διαθέτει δύο ψηφιακά θερµόµετρα τις ενδείξεις των οποίων µπορούν να παρακολουθήσουν οι χρήστες από τον browser τους. Το σύστηµα αποτελείται από τα ακόλουθα µέρη: Μία αυτόνοµη συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών, που λειτουργεί µε τάση δικτύου (220V) και δίνει τη δυνατότητα ελέγχου συνολικά 5 κοινών συσκευών. Η συσκευή λαµβάνει τις εντολές ελέγχου µέσω θύρας RS-232, και για την τροφοδοσία της απαιτείται απλά η σύνδεσή της στο δίκτυο των 220V. Η υλοποίηση βασίζεται σε ένα µικροελεγκτή AVR ATtiny2313 προγραµµατισµένο σε γλώσσα C. Ένα κόµβο CAN (Controller Area Network), που διαθέτει θύρα CAN, θύρα RS-232 και θύρα I 2 C. Ο κόµβος συνδέεται µέσω διαύλου CAN µε τη συσκευή embedded ethernet, µέσω RS-232 µε τη συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών 220V και µέσω I 2 C µε τα ψηφιακά θερµόµετρα. Ο κόµβος βασίζεται σε ένα µικροελεγτή PIC16F876 προγραµµατισµένο σε γλώσσα C και στο MCP2515, που υλοποιεί το πρωτόκολλο CAN. Μία συσκευή Embedded Ethernet, βασισµένη στο ολοκληρωµένο DS80C400, που διαθέτει JVM (Java Virtual Machine) και επιτρέπει τη σύνδεση σε δίκτυο ethernet και δίαυλο CAN. Στο λειτουργικό της συσκευής τρέχει το πρόγραµµα Post, που αποστέλλει στους χρήστες το πρόγραµµα ελέγχου, και το πρόγραµµα CanServer, που επικοινωνεί µε τους χρήστες και το δίαυλο CAN. Τα προγράµµατα αυτά είναι εφαρµογές Java. Στη µνήµη της συσκευής βρίσκεται αποθηκευµένο το πρόγραµµα Net, το οποίο αποστέλλεται και εκτελείται στον browser του χρήστη επιτρέποντάς του το χειρισµό του συστήµατος µέσα από ένα γραφικό περιβάλλον. Το πρόγραµµα Net είναι µια µικροεφαρµογή Java. Λέξεις-Κλειδιά Embedded Ethernet, µικροελεγκτής, AVR, PIC, CAN Bus, I2C, ψηφιακό θερµόµετρο, RS-232, σειριακή επικοινωνία, triac, ρελέ, JAVA, µικροεφαρµογή 9
10
ABSTRACT In this diploma thesis a complete Device Control system is being designed and implemented, which uses an Embedded Ethernet device and CAN bus. This system gives the ability to control 3 analog and 2 on/off channels in 220V over a network or even the internet by using a common web browser. This system, also, includes two digital thermometers, the readings of which users can monitor from their browsers. System consists of the following parts: An autonomous device of 3 analog and 2 on/off channels, which operates at 220V and gives the ability to control a total of 5 common devices. This device receives the control commands over an RS-232 port, and the only power supply required is the 220V mains. This implementation is based on the AVR microcontroller ATtiny2313, programmed in C language. A CAN node (Controller Area Network), which includes a CAN port, an RS-232 port and an I 2 C port. The node is connected over CAN bus to the embedded ethernet device, over RS-232 to the device of 3 analog and 2 on/off channels and over I 2 C to the digital thermometers. The node is based on PIC16F876, programmed in C language, and on MCP2515, which implements the CAN protocol. An Embedded Ethernet Device, based on DS80C400, which has a built-in JVM (Java Virtual Machine) and allows connection to an ethernet network and CAN bus. In the device s operating system the Post program is running, which sends the control program to the users, and the CanServer program, which communicates with the users and the CAN bus. These programs are Java applications. In the device s memory the Net program is stored, which is sent and executed in the user s browser, thus allowing user to control the system through a graphical interface. The Net program is a Java applet. Keywords Embedded Ethernet, microcontroller, AVR, PIC, CAN Bus, I2C, digital thermometer, RS-232, serial communication, triac, relay, JAVA, applet 11
12
EΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή µου κύριο Κιαµάλ Πεκµεστζή για τη θέρµη µε την οποία δέχτηκε την ιδέα µου για τη διπλωµατική αυτή, για την εύστοχη καθοδήγησή του και για την εµπιστοσύνη που µου έδειξε. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα παιδιά του Microlab, που µε βοήθησαν σε ό,τι χρειάστηκα και κυρίως τον Κώστα Γκότση, για την αµέριστη και ανιδιοτελή συµπαράσταση και καθοδήγηση του κατά την εκπόνηση της παρούσας διπλωµατικής. Ακόµη, θα ήθελα να δώσω τις ευχαριστίες µου στην εταιρία Cojiviba για την ευγενική παραχώρηση της συσκευής embedded Ethernet (βλ. τέλος βιβλιογραφίας). 13
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 25 1.1. Σύλληψη της ιδέας 25 1.2. Προδιαγραφές του συστήµατος 26 1.3. Υλοποίηση του συστήµατος Επιλογή υλικού 29 1.3.1. Συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V. 29 1.3.2. Κόµβος CAN 30 1.3.3. Συσκευή Embedded Ethernet 33 2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 37 2.1. Περιγραφή του συστήµατος 37 2.2. Λειτουργία του συστήµατος 43 2.2.1. Εγκατάσταση και ενεργοποίηση 43 2.2.2. Χειρισµός από τον χρήστη 46 2.2.2.1. Λήψη του προγράµµατος χρήστη 46 2.2.2.2. Πρόγραµµα χρήστη 48 2.2.2.2.1. Σύνδεση µε το σύστηµα 48 2.2.2.2.2. Περιγραφή προγράµµατος χρήστη 50 3. ΣΥΣΚΕΥΗ ΕΛΕΓΧΟΥ 3 ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΙ 2 ON/OFF ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΓΙΑ 220V 55 3.1. Περιγραφή του κυκλώµατος 58 3.2. Γενικές γνώσεις 59 3.2.1. Σειριακή επικοινωνία RS-232 59 3.2.1.1. Γενικά 59 3.2.1.2. Προδιαγραφές του RS-232 60 3.2.1.3. Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά 60 3.2.1.4. Λειτουργικά χαρακτηριστικά 62 3.2.1.5. Μηχανικά χαρακτηριστικά 63 3.2.1.6. Πρακτική υλοποίηση του RS-232 63 3.2.1.7. ηµιουργία των απαιτούµενων τιµών τάσεων 65 3.2.1.8. Ρυθµοί µετάδοσης 65 3.2.2. Ο µικροελεγκτής AVR ATtiny2313 66 3.2.2.1. Γενικά χαρακτηριστικά 66 3.2.2.2. Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU - Central Processing Unit) 70 3.2.2.3. Μνήµες 71 3.2.2.4. Σύστηµα χρονισµού 73 3.2.2.5. Χρονιστές 75 3.2.2.6. ιακοπές 75 3.2.2.7. Θύρες εισόδου εξόδου (Ι/Ο) 76 3.2.2.8. Μονάδα σύγχρονης και ασύγχρονης επικοινωνίας (USART) 79 15
3.2.2.9. Αναλογικός συγκριτής 81 3.2.2.10. Γενική σειριακή διασύνδεση (USI) 81 3.2.3. Υπόλοιπα στοιχεία του κυκλώµατος 82 3.2.3.1. Μετασχηµατιστής 82 3.2.3.2. LM7805 83 3.2.3.3. ΜΑΧ232 84 3.2.3.4. Οπτοζεύκτης 86 3.2.3.5. Triac 87 3.2.3.6. Οπτικά αποµονωµένος οδηγός triac 89 3.2.3.7. Ρελέ 91 3.3. Σχεδίαση και Κατασκευή του Κυκλώµατος 92 3.3.1. Τροφοδοσία 97 3.3.2. Κύκλωµα ανίχνευσης περάσµατος τάσης από το µηδέν 99 3.3.3. Κύκλωµα ενός triac 102 3.3.4. Κύκλωµα ενός ρελέ 103 3.3.5. Κύκλωµα σειριακής επικοινωνίας RS-232 105 3.3.6. Κύκλωµα µικροελεγκτή ATtiny2313 106 3.3.7. Σχεδίαση τυπωµένου κυκλώµατος 107 3.4. Πρόγραµµα του µικροελεγκτή ATtiny2313 110 4. ΚΟΜΒΟΣ CAN 115 4.1. Περιγραφή του κυκλώµατος 115 4.2. Γενικές γνώσεις 117 4.2.1. ίαυλος CAN 117 4.2.1.1. Η ανάπτυξη του διαύλου CAN 117 4.2.1.2. Τυποποίηση 118 4.2.1.3. ιαφορές CAN 2.0 A και CAN 2.0 B 121 4.2.1.4. Φυσικό Στρώµα 124 4.2.1.5. Στρώµα ζεύξης δεδοµένων 127 4.2.1.5.1. Γενικά 127 4.2.1.5.2. Μορφή Μηνύµατος 129 4.2.1.5.2.1. DATA FRAME 130 4.2.1.5.2.2. REMOTE FRAME 133 4.2.1.5.2.3. ERROR FRAME 133 4.2.1.5.2.4. OVERLOAD FRAME 137 4.2.1.5.2.5. INTERFRAME SPACING 138 4.2.2. ίαυλος I 2 C 140 4.2.2.1. Η ανάπτυξη του διαύλου I 2 C 140 4.2.2.2. Περιγραφή του διαύλου I 2 C 141 4.2.2.3. Συνδεσµολογία του διαύλου I 2 C 144 4.2.2.4. Μεταφορά δεδοµένων στο δίαυλο I 2 C 148 4.2.3. Ο µικροελεγκτής PIC16F876 151 4.2.3.1. Γενικά χαρακτηριστικά 151 4.2.3.2. Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU - Central Processing Unit) 154 4.2.3.3. Μνήµες 154 4.2.3.4. Σύστηµα χρονισµού 159 4.2.3.5. Χρονιστές 162 16
4.2.3.6. ιακοπές 162 4.2.3.7. Θύρες εισόδου εξόδου (Ι/Ο) 165 4.2.3.8. Μονάδα σύγχρονης και ασύγχρονης επικοινωνίας (USART) 167 4.2.3.9. Μετατροπέας Αναλογικό-σε-Ψηφιακό (ADC) 169 4.2.4. Ο ελεγκτής διαύλου CAN MCP2515 171 4.2.4.1. Γενικά χαρακτηριστικά 171 4.2.4.2. Θύρες εισόδου εξόδου (I/O) 172 4.2.4.3. Εσωτερική δοµή 174 4.2.4.4. Μηχανή πρωτοκόλλου, µάσκες, φίλτρα, buffers 174 4.2.4.5. Μετάδοση µηνύµατος 175 4.2.4.5.1. Buffers µετάδοσης 175 4.2.4.5.2. Αρχικοποίηση µετάδοσης 176 4.2.4.6. Λήψη µηνύµατος 178 4.2.4.6.1. Buffers λήψης 178 4.2.4.6.2. Φίλτρα και µάσκες αποδοχής µηνύµατος 181 4.2.4.7. Χρονισµός Bit 182 4.2.4.7.1. ιάρκεια ενός bit 182 4.2.4.7.2. Προγραµµατίζοντας τα τµήµατα χρονισµού 184 4.2.4.7.3. Ανοχή ρολογιού 185 4.2.4.7.4. Καταχωρητές ρύθµισης χρονισµού 185 4.2.4.8. Καταστάσεις λειτουργίας 185 4.2.4.9. ιασύνδεση SPI 187 4.2.4.10. ιαφορές από το MCP2510 187 4.2.5. Το ψηφιακό θερµόµετρο DS1631 189 4.2.5.1. Γενικά χαρακτηριστικά 189 4.2.5.2. Λειτουργία Μέτρηση Θερµοκρασίας 191 4.2.5.3. Επικοινωνία µέσω διαύλου I 2 C 193 4.2.5.4. ιαφορές από το DS1621 194 4.2.6. Υπόλοιπα στοιχεία του κυκλώµατος 195 4.2.6.1. LM78L05 195 4.2.6.2. MAX232 196 4.2.6.3. MCP2551 196 4.3. Σχεδίαση και Κατασκευή του Κυκλώµατος 198 4.3.1. Κύκλωµα επιλογής και παραγωγής τάσης 201 4.3.2. Κύκλωµα ελεγκτή CAN MCP2515 202 4.3.3. Κύκλωµα διασύνδεσης µε το δίαυλο CAN 203 4.3.4. Κύκλωµα µικροελεγκτή PIC16F876 204 4.3.5. Κύκλωµα σειριακής επικοινωνίας RS-232 206 4.3.6. ίαυλος I 2 C και ψηφιακά θερµόµετρα 207 4.3.7. Σχεδίαση τυπωµένου κυκλώµατος 208 4.4. Πρόγραµµα του µικροελεγκτή PIC16F876 210 5. ΣΥΣΚΕΥΗ EMBEDDED ETHERNET 215 5.1. Γενικές γνώσεις 216 5.1.1. ίκτυα Υπολογιστών 216 5.1.1.1. Ταξινόµηση των δικτύων υπολογιστών 216 5.1.1.1.1. Ταξινόµηση ως προς την τεχνολογία µετάδοσης 216 17
5.1.1.1.2. Ταξινόµηση ως προς την κλίµακα του δικτύου. 217 5.1.1.1.2.1. Τοπικά ίκτυα. 218 5.1.1.1.2.2. Μητροπολιτικά ίκτυα. 220 5.1.1.1.2.3. ίκτυα ευρείας περιοχής. 221 5.1.1.1.2.4. ιαδίκτυα 222 5.1.1.2. Ιεραρχίες πρωτοκόλλων 223 5.1.1.3. Αρχιτεκτονικές ικτύων 224 5.1.1.3.1. Το µοντέλο αναφοράς OSI. 224 5.1.1.3.1.1. Το Φυσικό Στρώµα 226 5.1.1.3.1.2. Το Στρώµα Ζεύξης εδοµένων 226 5.1.1.3.1.3. Το Στρώµα ικτύου 226 5.1.1.3.1.4. Το Στρώµα Μεταφοράς 227 5.1.1.3.1.5. Το Στρώµα Συνόδου 228 5.1.1.3.1.6. Το Στρώµα Παρουσίασης 228 5.1.1.3.1.7. Το Στρώµα Εφαρµογής 228 5.1.1.3.2. Το µοντέλο αναφοράς TCP/IP 229 5.1.1.3.2.1. Το Στρώµα ιαδικτύου 229 5.1.1.3.2.2. Το Στρώµα Μεταφοράς 230 5.1.1.3.2.3. Το Στρώµα Εφαρµογής 231 5.1.1.3.2.4. Το Στρώµα Host προς ίκτυο 231 5.1.1.3.3. Σύγκριση των µοντέλων αναφοράς OSI και TCP/IP. 232 5.1.1.4. Το Internet 232 5.1.1.5. Το πρότυπο IEEE 802.3 (Ethernet) 233 5.1.1.5.1. Καλωδίωση του ΙΕΕΕ 802.3 234 5.1.1.5.2. Η κωδικοποίηση των παλµών του 802.3 237 5.1.1.6. Ταχύ ethernet 239 5.1.1.7. ιευθύνσεις ΙΡ 242 5.1.1.8. Υποδίκτυα 244 5.1.1.9. Το πρωτόκολλο ελέγχου µεταφοράς TCP 246 5.1.2. JAVA 248 5.1.2.1. Γενικά 248 5.1.2.2. Η Γλώσσα Προγραµµατισµού JAVA 249 5.1.2.3. Η Πλατφόρµα Java 253 5.1.2.4. Applets και Applications 254 5.2. Πρόγραµµα Post 256 5.3. Πρόγραµµα CanServer 259 5.4. Πρόγραµµα Χρήστη (Net) 264 6. ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ 273 6.1. CodeVisionAVR, C Compiler 1.24.6 273 6.2. AVR Studio 4.11 273 6.3. STK500 Starter Kit 274 6.4. CCS-C ή PIC-C, C Compiler 3.207 274 6.5. MPLAB IDE 7.10 275 18
6.6. PICSTART Plus Programmer 275 6.7. OrCAD 10.0 275 6.8. Software tools for DSTINIm400 276 6.9. Java 2 SDK 1.4.2 276 6.10. Eclipse Platform 3.0.1 277 7. ΕΠΙΛΟΓΟΣ 279 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 281 19
ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 2-1: Το υλοποιηµένο σύστηµα 37 Εικόνα 2-2: Συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V 38 Εικόνα 2-3: Κόµβος CAN 39 Εικόνα 2-4: Ψηφιακά θερµόµετρα DS1631 40 Εικόνα 2-5: Συσκευή embedded ethernet της Dallas Semiconductor 40 Εικόνα 2-6: Πρόσθια όψη του DSTINIm400 41 Εικόνα 2-7: Οπίσθια όψη του DSTINIm400 41 Εικόνα 2-8: Σταθεροποιητής Τροφοδοτικό 5V 42 Εικόνα 2-9: Συνδεσµολογία του συστήµατος 45 Εικόνα 2-10: Ιστοσελίδα για τον έλεγχο της πρόσβασης (postindex.html) 46 Εικόνα 2-11: Ιστοσελίδα σε περίπτωση λανθασµένων στοιχείων (wronglogin.html) 47 Εικόνα 2-12: Πρόγραµµα χρήστη. Παράθυρο διαλόγου για τα στοιχεία του χρήστη 48 Εικόνα 2-13: Πρόγραµµα χρήστη. Μήνυµα: Λανθασµένα στοιχεία 49 Εικόνα 2-14: Πρόγραµµα χρήστη. Μήνυµα: Χρήστης ήδη συνδεδεµένος 49 Εικόνα 2-15: Πρόγραµµα χρήστη. Μήνυµα: Server γεµάτος χρήστες 49 Εικόνα 2-16: Πρόγραµµα χρήστη. Μήνυµα: Server γεµάτος χρήστες - Αποσυνδεθείτε 50 Εικόνα 2-17: Πρόγραµµα χρήστη. Σύνδεση του χρήστη στο σύστηµα 51 Εικόνα 2-18: Πρόγραµµα χρήστη. Πίνακας µηνυµάτων 52 Εικόνα 2-19: Πρόγραµµα χρήστη. Ενηµερωτική ένδειξη σύνδεσης 54 Εικόνα 3-1: Bits του control byte 56 Εικόνα 3-2: Συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V, 56 Εικόνα 3-3: Συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V, εσωτερική όψη 57 Εικόνα 3-4: Συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V, 57 Εικόνα 3-5: Συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V, 58 Εικόνα 3-6: Προδιαγραφές επιπέδων λογικής του RS-232 61 Εικόνα 3-7: Ακροδέκτες του συνδετήρα RS-232 63 Εικόνα 3-8: Τυπική εφαρµογή του RS-232 64 Εικόνα 3-9: Ο AVR ATtiny2313 της ATMEL 66 Εικόνα 3-10: ιάγραµµα της αρχιτεκτονικής του ATtiny2313 69 Εικόνα 3-11: ιάγραµµα της αρχιτεκτονικής της κεντρικής µονάδας ελέγχου (MCU) του AVR 70 Εικόνα 3-12: Χάρτης της µνήµης προγράµµατος 72 Εικόνα 3-13: Χάρτης της µνήµης δεδοµένων 73 Εικόνα 3-14: ηµιουργία και κατανοµή ρολογιού 74 Εικόνα 3-15: Συνδεσµολογία του κρυσταλλικού ταλαντωτή 75 Εικόνα 3-16: Ακροδέκτες του ATtiny2313 77 Εικόνα 3-17: ιάγραµµα της USART 80 Εικόνα 3-18: Αναλογικός συγκριτής 81 Εικόνα 3-19: Γενική Σειριακή ιασύνδεση (USI) 82 Εικόνα 3-20: Εσωτερική δοµή του LM7805 83 Εικόνα 3-21: Πακετάρισµα ΤΟ-220 του LM7805 84 Εικόνα 3-22: Το ΜΑΧ232 84 Εικόνα 3-23: οµή, ακροδέκτες και πυκνωτές του ΜΑΧ232 85 Εικόνα 3-24: Οπτοζεύκτης 6Ν139 86 Εικόνα 3-25: Εσωτερική δοµή και ακροδέκτες του 6Ν139 87 Εικόνα 3-26: Συµβολισµός του triac 88 Εικόνα 3-27: Ονοµασία του BTA16-600B 88 21
Εικόνα 3-28: Πακετάρισµα ΤΟ-220 του ΒΤΑ16-600Β 89 Εικόνα 3-29: Εσωτερική δοµή MOC3023 90 Εικόνα 3-30: Συνδεσµολογία του MOC3023 90 Εικόνα 3-31: οµή του ρελέ 91 Εικόνα 3-32: Μέρος 1 ο κυκλώµατος 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220 V 95 Εικόνα 3-33: Μέρος 2 ο κυκλώµατος 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220 V 96 Εικόνα 3-34: Κύκλωµα Τροφοδοσίας 97 Εικόνα 3-35: Τάση στην έξοδο του µετασχηµατιστή 97 Εικόνα 3-36: Τάση στην έξοδο της γέφυρας ανόρθωσης 97 Εικόνα 3-37: Τάση στην έξοδο του πυκνωτή εξοµάλυνσης 98 Εικόνα 3-38: Τάση στην έξοδο του LM7805 99 Εικόνα 3-39: Κύκλωµα ανίχνευσης περάσµατος τάσης από το µηδέν 99 Εικόνα 3-40: Πέρασµα τάσης από το µηδέν 100 Εικόνα 3-41: Ανορθωµένη τάση δικτύου και σήµα περάσµατος από το µηδέν 101 Εικόνα 3-42: Κύκλωµα ενός triac 102 Εικόνα 3-43: Κύκλωµα ενός ρελέ 103 Εικόνα 3-44: Κύκλωµα σειριακής επικοινωνίας RS-232 105 Εικόνα 3-45: Κύκλωµα µικροελεγκτή ATtiny2313 106 Εικόνα 3-46: Τελική υλοποίηση 108 Εικόνα 3-47: Σχεδιαστική διάταξη των στοιχείων 108 Εικόνα 3-48: Στοιχεία και γραµµές τυπωµένου κυκλώµατος 109 Εικόνα 3-49: Γραµµές τυπωµένου κυκλώµατος (από την πάνω όψη) 109 Εικόνα 3-50: Μπλοκ διάγραµµα του κυρίως προγράµµατος ATtiny2313, και της συνάρτησης sort () 112 Εικόνα 3-51: Μπλοκ διάγραµµα των διακοπών του προγράµµατος ATtiny2313 113 Εικόνα 3-52: Πυροδοτήσεις ενός triac 114 Εικόνα 4-1: Κόµβος CAN, περιγραφή υλικού 115 Εικόνα 4-2: ιαστρωµάτωση του CAN 2.0 Α 122 Εικόνα 4-3: ιαστρωµάτωση του CAN 2.0 Β 123 Εικόνα 4-4: Τοπολογία του διαύλου CAN 124 Εικόνα 4-5: Συνδετήρας διαύλου CAN (9-pin, αρσενικός, D-sub) 126 Εικόνα 4-6: Data Frame 130 Εικόνα 4-7: Arbitration Field 131 Εικόνα 4-8: Control Field 131 Εικόνα 4-9: CRC Field 132 Εικόνα 4-10: Error Frame 135 Εικόνα 4-11: Overload Frame 138 Εικόνα 4-12: Interframe spacing 1 139 Εικόνα 4-13: Interframe spacing 2 139 Εικόνα 4-14: Παράδειγµα διασύνδεσης µε I 2 C Bus 143 Εικόνα 4-15: Συνδεσµολογία συσκευών στο δίαυλο I 2 C 144 Εικόνα 4-16: ιάταξη αγωγών του διαύλου I 2 C, όταν υπάρχουν τα V DD και V SS 147 Εικόνα 4-17: ιάταξη αγωγών του διαύλου I 2 C, όταν υπάρχει µόνο το V SS 147 Εικόνα 4-18: Μια πλήρης µεταφορά ενός µηνύµατος 148 Εικόνα 4-19: Ένας αφέντης ποµπός στέλνει δεδοµένα σε ένα σκλάβο 148 Εικόνα 4-20: Ένας αφέντης δέκτης λαµβάνει δεδοµένα από ένα σκλάβο 149 Εικόνα 4-21: Συνδυασµένο µήνυµα Συνθήκη Επανέναρξης 149 Εικόνα 4-22: Ο PIC16F876 της Microchip 151 Εικόνα 4-23: ιάγραµµα της αρχιτεκτονικής του PIC16F876 153 Εικόνα 4-24: Χάρτης της µνήµης προγράµµατος και στοίβας 156 22
Εικόνα 4-25: Χάρτης της µνήµης δεδοµένων 158 Εικόνα 4-26: Συνδεσµολογία του κρυσταλλικού ταλαντωτή 160 Εικόνα 4-27: Συνδεσµολογία του RC ταλαντωτή 161 Εικόνα 4-28: Συνδεσµολογία εξωτερικής πηγής ρολογιού 162 Εικόνα 4-29: Ο καταχωρητής INTCON 163 Εικόνα 4-30: Ακροδέκτες του PIC16F876 165 Εικόνα 4-31: οµή του ADC 170 Εικόνα 4-32: Παράδειγµα χρήσης του MCP2515 172 Εικόνα 4-33: Ακροδέκτες του MCP2515 173 Εικόνα 4-34: ιάγραµµα της δοµής του MCP2515 174 Εικόνα 4-35: Buffers και Μηχανή Πρωτοκόλλου CAN 175 Εικόνα 4-36: ιάγραµµα ροής της µετάδοσης µηνύµατος 177 Εικόνα 4-37: Μπλοκ διάγραµµα των buffer λήψης 179 Εικόνα 4-38: ιάγραµµα ροής της λήψης µηνύµατος 180 Εικόνα 4-39: Χρονικά τµήµατα ενός bit 183 Εικόνα 4-40: Οι εντολές που υποστηρίζει το MCP2515 µέσω της θύρας SPI 187 Εικόνα 4-41: Ακροδέκτες του DS1631 189 Εικόνα 4-42: Εσωτερική δοµή του DS1631 190 Εικόνα 4-43: Temperature registers T H και T L 192 Εικόνα 4-44: Configuration Register 192 Εικόνα 4-45: Ακροδέκτες του LM78L05 196 Εικόνα 4-46: Το MCP2551 196 Εικόνα 4-47: Ακροδέκτες του MCP2551 197 Εικόνα 4-48: Εσωτερική δοµή του MCP2551 197 Εικόνα 4-49: Ρυθµός µεταβολής συναρτήσει της αντίστασης R EXT 198 Εικόνα 4-50: Κύκλωµα κόµβου CAN 200 Εικόνα 4-51: Κύκλωµα επιλογής και παραγωγής τάσης 201 Εικόνα 4-52: Κύκλωµα ελεγκτή CAN MCP2515 202 Εικόνα 4-53: Κύκλωµα διασύνδεσης µε το δίαυλο CAN 203 Εικόνα 4-54: Κύκλωµα του µικροελεγκτή PIC16F876 205 Εικόνα 4-55: Κύκλωµα σειριακής επικοινωνίας RS-232 207 Εικόνα 4-56: Κύκλωµα διαύλου I 2 C και ψηφιακών θερµοµέτρων DS1631 207 Εικόνα 4-57: Τελική υλοποίηση του κυκλώµατος 208 Εικόνα 4-58: Σχεδιαστική διάταξη των στοιχείων 208 Εικόνα 4-59: Στοιχεία και γραµµές τυπωµένου κυκλώµατος 209 Εικόνα 4-60: Γραµµές τυπωµένου κυκλώµατος (από την πάνω όψη) 209 Εικόνα 4-61: Μπλοκ διάγραµµα του προγράµµατος του PIC16F876 212 Εικόνα 5-1: Ταξινόµηση ως προς την κλίµακα του δικτύου 218 Εικόνα 5-2: ύο δίκτυα εκποµπής: (α) Αρτηρία, (β) ακτύλιος 219 Εικόνα 5-3: Αρχιτεκτονική του µητροπολιτικού δικτύου DQDB 221 Εικόνα 5-4: Σχέση µεταξύ των host και του υποδικτύου 222 Εικόνα 5-5: Στρώµατα, Πρωτόκολλα και ιεπαφές 223 Εικόνα 5-6: Το µοντέλο αναφοράς OSI 225 Εικόνα 5-7: Το µοντέλο αναφοράς TCP/IP 229 Εικόνα 5-8: Τα αρχικά πρωτόκολλα και δίκτυα του µοντέλου TCP/IP 231 Εικόνα 5-9: Τρεις τύποι καλωδίωσης 802.3 (α) 10Base5, (β) 10Base2, (γ) 10Base-T 235 Εικόνα 5-10: Τοπολογίες καλωδίων: (α) Γραµµική, (β) Κορµού, (γ) έντρο, 237 Εικόνα 5-11: Μέθοδοι κωδικοποίησης παλµών 238 Εικόνα 5-12: Μορφές διευθύνσεων IP 242 Εικόνα 5-13: Ειδικές διυθύνσεις IP 243 23
Εικόνα 5-14: Τρόπος διαχωρισµού ενός δικτύου κατηγορίας Β σε υποδίκτυα 245 Εικόνα 5-15: Ανεξαρτησία από αρχιτεκτονική 251 Εικόνα 5-16: Πλατφόρµα Java 253 Εικόνα 5-17: ηµιουργία και εκτέλεση ενός προγράµµατος Java 254 Εικόνα 5-18: Μπλοκ διάγραµµα του προγράµµατος Post 258 Εικόνα 5-19: Μπλοκ διαγράµµατα του προγράµµατος CanServer Μέρος 1 ο 262 Εικόνα 5-20: Μπλοκ διαγράµµατα του προγράµµατος CanServer Μέρος 2 ο 263 Εικόνα 5-21: Μπλοκ διαγράµµατα του προγράµµατος Net Μέρος 1 ο 269 Εικόνα 5-22: Μπλοκ διαγράµµατα του προγράµµατος Net Μέρος 2 ο 270 Εικόνα 5-23: Μπλοκ διαγράµµατα του προγράµµατος Net Μέρος 3 ο 271 Εικόνα 5-24: Μπλοκ διαγράµµατα του προγράµµατος Net Μέρος 4 ο 272 Εικόνα 6-1: Τα στοιχεία που συνθέτουν το STK500 274 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 3-1: Σήµατα του προτύπου RS-232 62 Πίνακας 3-2: Εναλλακτικές λειτουργίες θύρας Α 78 Πίνακας 3-3: Εναλλακτικές λειτουργίες θύρας Β 78 Πίνακας 3-4: Εναλλακτικές λειτουργίες θύρας D 79 Πίνακας 4-1: Ο δίαυλος CAN στο µοντέλο στρωµάτων ISO/OSI 120 Πίνακας 4-2: Απόλυτες στάθµες των γραµµών του διαύλου 125 Πίνακας 4-3: Σχέση µεταξύ ρυθµού µετάδοσης, µήκους, 126 Πίνακας 4-4: Συνδετήρας διαύλου CAN 127 Πίνακας 4-5: Data Length Code 131 Πίνακας 4-6: εσµευµένες διευθύνσεις σκλάβου 150 Πίνακας 4-7: Επιλογή τµήµατος µνήµης 157 Πίνακας 4-8: Ανάκληση και εκτέλεση εντολής 159 Πίνακας 4-9: Επιλογή κατηγορίας ταλαντωτή και πυκνωτών 161 Πίνακας 4-10: Λειτουργίες θύρας Α 166 Πίνακας 4-11: Λειτουργίες θύρας B 166 Πίνακας 4-12: Λειτουργίες θύρας C 167 Πίνακας 4-13: Υπολογισµός Ρυθµού Μετάδοσης της USART 167 Πίνακας 4-14: Ακροδέκτες του MCP2515 173 Πίνακας 4-15: Πίνακας αληθείας φίλτρου / µάσκας 181 Πίνακας 4-16: ιαφορές του MCP2515 από το MCP2510 188 Πίνακας 4-17: Περιγραφή ακροδεκτών του DS1631 190 Πίνακας 4-18: Καταχωρητές του DS1631 191 Πίνακας 4-19: Περιγραφή των bits του Configuration Register 193 Πίνακας 5-1: ιάφοροι τύποι LAN βασικής ζώνης 802.3 234 Πίνακας 5-2: Καλωδίωση του Ταχέως Ethernet 240 24
1. Εισαγωγή 1.1. Σύλληψη της ιδέας Σήµερα, οι περισσότεροι υπολογιστές ή µικροϋπολογιστές παγκοσµίως µπορούν να επικοινωνήσουν µεταξύ τους µέσω κάποιας µορφής δικτύου. Το δίκτυο δίνει τη δυνατότητα να ανταλλάσσονται χρήσιµες πληροφορίες µεταξύ των κόµβων του δικτύου, ώστε να συντονίζονται οι κόµβοι µεταξύ τους ή να ενηµερώνουν ο ένας τον άλλο για διάφορες λειτουργίες. Η εξάπλωση των δικτύων είναι τόσο µεγάλη ώστε πλέον δεν νοείται γραφείο ή επιχείρηση χωρίς δίκτυο υπολογιστών. Ένα δίκτυο σε µία τέτοια εφαρµογή πραγµατικά αλλάζει τον τρόπο µε τον οποίο γίνεται η εργασία, γιατί διευκολύνει πολλές από τις διαδικασίες που γίνονται και αυξάνει την παραγωγικότητα. Μάλιστα, σταδιακά αρχίζουν τα δίκτυα να εξαπλώνονται και στο εσωτερικό των κατοικιών, καθώς παρέχονται ολοένα γρηγορότερες και φτηνότερες συνδέσεις στο διαδίκτυο και δηµιουργούνται συσκευές που επικοινωνούν ασύρµατα µεταξύ τους. Επίσης, αρχίζει να γίνεται η ενοποίηση των διαφόρων µορφών ψυχαγωγίας σε µία κατοικία, πράγµα που οδηγεί στη δικτύωση πολλών συσκευών µεταξύ τους. Για παράδειγµα ραδιόφωνο, µουσική, ταινίες, διαδίκτυο, ηλεκτρονικά παιχνίδια, όλα τείνουν να αντικατασταθούν από ένα ενιαίο δίκτυο που θα επιτρέπει τη µετάδοση των ψηφιακών δεδοµένων σε κάθε σηµείο της κατοικίας. Ένα τέτοιο ενιαίο δίκτυο θα είναι πολύ οικονοµικότερο και συγχρόνως θα χαρακτηρίζεται από µεγάλη ευελιξία και λειτουργικότητα. Παράλληλα, το διαδίκτυο έχει πλέον γίνει απαραίτητο εργαλείο γνώσης και επικοινωνίας για πολλούς ανθρώπους. Όλο και περισσότερες εφαρµογές δηµιουργούνται για να διευκολύνουν την ενηµέρωση και την επικοινωνία των ανθρώπων. Επίσης, µε τον καιρό όλο και περισσότεροι εξοικειώνονται µε τη χρήση του διαδικτύου και είναι πλέον βέβαιο ότι στην επόµενη γενιά όποιος δεν µπορεί να περιηγηθεί στο διαδίκτυο θα θεωρείται αναλφάβητος. Επιπρόσθετα, µε την εξάπλωση των δικτύων και γενικότερα των διαφόρων µορφών επικοινωνίας, καθώς και µε την πρόοδο της τεχνολογίας, δηµιουργούνται µε γρήγορο ρυθµό προϊόντα που παρέχουν έλεγχο συσκευών από απόσταση όπως είναι για παράδειγµα έλεγχος µέσω SMS (Short Message Service Σύντοµο Γραπτό Μήνυµα), µέσω τηλεφώνου κτλ. Ακόµη, κάνουν την εµφάνισή τους εταιρίες και προϊόντα που µετατρέπουν τις κατοικίες σε «έξυπνες». Οι εταιρείες αυτές προτείνουν τη δικτύωση του σπιτιού µε εξειδικευµένα δίκτυα ώστε πολλές από τις λειτουργίες που επιτελούνται από τον άνθρωπο (όπως είναι για παράδειγµα το άναµµα των φώτων, η επιτήρηση συσκευών 25
και σπιτιού, ο έλεγχος της θέρµανσης κτλ.) να µπορούν να γίνονται αυτόµατα ή ακόµα και να ελέγχονται από απόσταση. Συνειδητοποιώντας τις ανωτέρω τάσεις τις κοινωνίας και της αγοράς γεννήθηκε η ιδέα της δηµιουργίας ενός συστήµατος που θα µπορεί να συνδέεται µε απλό τρόπο σε ένα υπάρχον δίκτυο υπολογιστών (δίκτυο Ethernet) και να δίνει στους χρήστες που είναι εξουσιοδοτηµένοι, τη δυνατότητα να ελέγξουν από έναν άλλο υπολογιστή τη λειτουργία των συσκευών και να παρακολουθούν τις ενδείξεις κάποιων αισθητήρων. Ο υπολογιστής του χρήστη µπορεί είτε να βρίσκεται στο τοπικό δίκτυο είτε σε οποιοδήποτε µέρος του πλανήτη, αρκεί να έχει πρόσβαση στο διαδίκτυο. Ένα τέτοιο σύστηµα µπορεί να µετατρέψει το χώρο εργασίας ή κατοικίας σε «έξυπνο» διευκολύνοντας και αυτοµατοποιώντας έτσι κάποιες εργασίες ή επιτρέποντας έλεγχο και επιτήρηση από απόσταση. 1.2. Προδιαγραφές του συστήµατος Το σύστηµα που θα υλοποιεί την ιδέα που προαναφέρθηκε θα πρέπει να έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Μεγάλη αξιοπιστία Οικονοµία στη δικτύωση Ευελιξία και Συνδεσιµότητα Επεκτασιµότητα Αναβαθµισιµότητα Απλότητα στην εγκατάσταση και λειτουργία Λειτουργικότητα στο χειρισµό από τους χρήστες Ασφάλεια ως προς µη εξουσιοδοτηµένους χρήστες Η µεγάλη αξιοπιστία είναι ίσως η σηµαντικότερη απαίτηση ενός τέτοιου συστήµατος µιας και µιλάµε για έλεγχο συσκευών. Ο µη σωστός χειρισµός των συσκευών από το σύστηµα µπορεί να προκαλέσει σπατάλη πόρων (π.χ. ρεύµατος, νερού κτλ.), βλάβες στις συσκευές ή ακόµα και να θέσει σε κίνδυνο το χώρο όπου θα βρίσκονται οι συσκευές αυτές (π.χ. κίνδυνος πυρκαγιάς, πληµµύρας κτλ.). Για αυτούς τους λόγους το σύστηµα θα πρέπει να είναι εύρωστο στις ακόλουθες περιπτώσεις: ιακοπή ρεύµατος 26
Βλάβη του ίδιου του συστήµατος ελέγχου Βλάβη κάποιας συσκευής Το σύστηµα θα πρέπει να παραµένει σε λειτουργία σε περίπτωση διακοπής του ρεύµατος ή να τίθεται προσωρινά εκτός λειτουργίας διασφαλίζοντας όµως τη σωστή λειτουργία των συσκευών που ελέγχει. Για να το πετύχει αυτό, θα πρέπει να κρατάει στη µνήµη του την κατάσταση που βρισκόταν πριν τη διακοπή του ρεύµατος και µετά την αποκατάσταση του ρεύµατος να επαναφέρει όλες τις συσκευές που ελέγχει στην πρότερη κατάσταση. Σε περίπτωση βλάβης του ίδιου του συστήµατος είναι αναγκαίο να λαµβάνονται µέτρα ασφαλείας. Καλό θα είναι αν ανιχνευτεί κάποια δυσλειτουργία στο σύστηµα να απενεργοποιείται µόνο το τµήµα του συστήµατος που δυσλειτουργεί ή αν αυτό δεν είναι δυνατό, να θέτει όλες τις προς έλεγχο συσκευές εκτός λειτουργίας και ύστερα να ειδοποιεί το διαχειριστή του συστήµατος και τους χρήστες για το πρόβληµα. Το σύστηµα θα ήταν χρήσιµο να µπορεί να ανακάµπτει µόνο του όταν επιλύεται το πρόβληµα. Για να µπορέσει ένα σύστηµα να ανιχνεύσει τη βλάβη κάποιας συσκευής έτσι ώστε να λάβει τα κατάλληλα µέτρα, θα πρέπει να υπάρχει µια µορφή ανάδρασης που θα δίνει τη γνώση στο σύστηµα αν η προς έλεγχο συσκευή λειτουργεί κανονικά ή όχι. Μια τέτοια ανάδραση µπορεί να γίνει είτε από αισθητήρες που µπορεί να έχει το ίδιο το σύστηµα ελέγχου (π.χ. αισθητήρας φωτός για το άναµµα µιας λάµπας) είτε από αισθητήρες που θα έχει η ίδια η προς έλεγχο συσκευή και θα είναι εξειδικευµένοι στις λειτουργίες της. Η οικονοµία στη δικτύωση εξασφαλίζεται όταν το σύστηµα λειτουργεί µε το µικρότερο µήκος καλωδίου και όταν το κόστος των υλικών για τη διασύνδεση είναι χαµηλό. Σηµαντικό είναι το κόστος των επεκτάσεων να είναι χαµηλό ώστε να µπορούν να συνδεθούν οικονοµικά περισσότεροι κόµβοι όπου χρειάζεται καλύπτοντας έτσι την εκάστοτε εφαρµογή. Η ευελιξία και η συνδεσιµότητα είναι παράγοντες πολύ σηµαντικοί για την επιτυχία ενός τέτοιου συστήµατος. Ένα ευέλικτο σύστηµα θα πρέπει να επιτρέπει τη συνδεσιµότητα πολλών συστηµάτων µαζί (δια-συνδεσιµότητα) και να µην θέτει περιορισµό στη θέση ή τη σειρά των κόµβων. Θα πρέπει επίσης να επιτρέπει τη σύνδεση κόµβων σε µεγάλες αποστάσεις ώστε να υπάρχει η απαραίτητη ευελιξία σε εφαρµογές που απαιτούν κάλυψη µεγάλων χώρων. 27
Η επεκτασιµότητα του συστήµατος επιτρέπει την προσθήκη νέων κόµβων και περισσότερων προς έλεγχο συσκευών, ύστερα από την προσθήκη νέου υλικού στο σύστηµα ελέγχου βεβαίως. Είναι πολύ σηµαντική και καθορίζει και αυτή την ευελιξία του συστήµατος διότι δίνει τη δυνατότητα της επέκτασης τόσο του χώρου κάλυψης όσο και των δυνατοτήτων ελέγχου. Η αναβαθµισιµότητα αναφέρεται στη δυνατότητα που θα πρέπει να έχει το σύστηµα για αντικατάσταση κάποιων τµηµάτων του µε πιο σύγχρονα και κυρίως των προγραµµάτων που επιτελούν τη λειτουργία του µε νεότερες εκδόσεις. Απλότητα στην εγκατάσταση και λειτουργία εξασφαλίζεται όταν το σύστηµα µπορεί να συνδεθεί στο δίκτυο σε σύντοµο χρονικό διάστηµα, χωρίς ιδιαίτερη δυσκολία και χωρίς την απαίτηση για ιδιαίτερες γνώσεις. Θα πρέπει επίσης, να τίθεται σε λειτουργία πολύ εύκολα, αν όχι αυτόµατα, και να δίνει στον υπεύθυνο της λειτουργίας του τη δυνατότητα να το επιτηρεί συχνά, εύκολα και µέσω δικτύου αν είναι δυνατόν. Επίσης, θα πρέπει να είναι εύκολα µεταφέρσιµο και να µπορεί να αλλάζει θέση σύνδεσης χωρίς ιδιαίτερες αλλαγές. Λειτουργικότητα στο χειρισµό από τους χρήστες θα έχει το σύστηµα αν ο τρόπος µε τον οποίο ελέγχεται από αυτούς είναι απλός και εύκολα κατανοήσιµος. Για να επιτευχθεί αυτό θα πρέπει ο χειρισµός των συσκευών να γίνεται µέσα από ένα γραφικό περιβάλλον µε χειριστήρια ελέγχου (κουµπιά, sliders κτλ.) και κατάλληλες ενδείξεις για την κατάσταση του συστήµατος. Επίσης, καλό θα είναι το σύστηµα να ενηµερώνει τους χρήστες για διάφορα συµβάντα (π.χ. αλλαγή κατάστασης, βλάβη του συστήµατος κτλ.). Σηµαντικό είναι εξάλλου, να υποστηρίζει τη σύνδεση πολλών χρηστών ταυτόχρονα, ώστε να είναι δυνατό ένας χρήστης που θέλει να παρακολουθεί το σύστηµα, να µένει συνδεδεµένος για µεγάλο χρονικό διάστηµα, χωρίς να χρειάζεται να αποσυνδέεται για να συνδεθεί κάποιος άλλος. Επιπρόσθετα, τίθεται το ζήτηµα πώς ο χρήστης που βρίσκεται µακριά από το σύστηµα θα αποκτάει το πρόγραµµα χειρισµού του συστήµατος. Η λύση να το έχει µαζί του πάντα δεν είναι λειτουργική. Επίσης, η λύση να υπάρχει ένας ανεξάρτητος εξυπηρετητής που θα διαθέτει δηµόσια το πρόγραµµα στους χρήστες, απαιτεί µεγαλύτερη πολυπλοκότητα, περισσότερα έξοδα και δεν συνάδει µε την απαίτηση για απλότητα στην εγκατάσταση και λειτουργία. 28
Η ασφάλεια ως προς µη εξουσιοδοτηµένους χρήστες είναι πολύ σηµαντικό ζήτηµα. Το σύστηµα πρέπει να διασφαλίζει ότι δεν θα αποκτήσουν πρόσβαση σε αυτό χρήστες που δεν είναι εξουσιοδοτηµένοι από τον διαχειριστή του συστήµατος. Σε αντίθετη περίπτωση κακόβουλες επιθέσεις θα είχαν ως αποτέλεσµα τη δυσλειτουργία του συστήµατος ή και την κατάρρευσή του ακόµα. Μη εξουσιοδοτηµένοι χρήστες θα µπορούσαν να θέσουν σε λειτουργία συσκευές χωρίς την άδεια του ιδιοκτήτη, µε όλα τα αρνητικά επακόλουθα που αυτό συνεπάγεται για την ασφάλεια του χώρου. Για να διασφαλιστεί το σύστηµα πρέπει κάθε χρήστης να έχει ένα προσωπικό κωδικό ασφαλείας που θα εισάγει στο σύστηµα για να του επιτρέψει την πρόσβαση. Καλό θα ήταν επίσης η µετάδοση του κωδικού µέσω του δικτύου ή του διαδικτύου να γίνεται ύστερα από κρυπτογράφηση. 1.3. Υλοποίηση του συστήµατος Επιλογή υλικού Για να είναι επιτυχηµένο ένα τέτοιο σύστηµα ελέγχου συσκευών, πρέπει να πληροί τις προϋποθέσεις που αναλύθηκαν στην προηγούµενη παράγραφο. Το σύστηµα που υλοποιήθηκε στην παρούσα διπλωµατική πληροί την πλειονότητα των παραπάνω προδιαγραφών και αποτελεί ένα ολοκληρωµένο σύστηµα που απλά το συνδέει κανείς στο δίκτυο και ελέγχει συσκευές. Για να γίνει σαφής και τεκµηριωµένη η επιλογή του υλικού για τη συγκεκριµένη υλοποίηση, θα εξηγηθούν οι επιλογές που έγιναν µε γνώµονα τις παραπάνω προδιαγραφές. 1.3.1. Συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V. Καταρχάς, στόχος αυτής της διπλωµατικής είναι να δηµιουργηθεί ένα σύστηµα µε το οποίο ένας χρήστης να µπορεί να ελέγξει συσκευές µέσα από το δίκτυο. Αυτό συνεπάγεται ότι θα πρέπει να υπάρχει ένα σύστηµα που θα θέτει σε λειτουργία τις επιθυµητές συσκευές και να λειτουργεί ως διακόπτης, χωρίς να απαιτεί όµως την παρουσία του χρήστη. ύο τρόποι υπάρχουν να ελέγξει κανείς ψηφιακά την τάση του δικτύου: τα ρελέ και τα triacs. Τα ρελέ έχουν τα πλεονεκτήµατα της απλότητας στη σχεδίαση της εφαρµογής και της µηδενικής αντίστασης κατά την αγωγή, ενώ από την άλλη, τα µειονεκτήµατα της φθοράς των επαφών, του µειωµένου χρόνου απόκρισης και της ανάγκης για ύπαρξη άλλης πηγής τάσης πέραν του δικτύου, για την τροφοδοσία του πηνίου του οπλισµού τους. Τα triacs από την άλλη, έχουν τα πλεονεκτήµατα της άµεσης απόκρισης, της δυνατότητας για αναλογικό έλεγχο (dimmer), της ανύπαρκτης φθοράς (κανένα κινούµενο µέρος) και του µικρότερου µεγέθους. Ωστόσο, έχουν τα 29
µειονεκτήµατα της υπαρκτής, αν και µικρής, αντίστασης αγωγής, των πρόσθετων στοιχείων που απαιτούνται για τον έλεγχό τους και για την ηλεκτρική αποµόνωση από την τάση δικτύου και της πολύ µεγάλης δυσκολίας στην υλοποίηση ψηφιακά ελεγχόµενου dimmer. Αποφασίστηκε, λοιπόν, να κατασκευαστεί ένα κύκλωµα µε 3 triacs και δύο ρελέ, ώστε να συνδυαστούν τόσο αναλογικά κανάλια (triacs) όσο και on/off κανάλια. Ο αριθµός των καναλιών επιλέχθηκε µε την εξής λογική: τα triacs αποφασίστηκε να είναι 3, ώστε αν χρησιµοποιηθούν λάµπες κόκκινη, πράσινη και µπλε, µία σε κάθε κανάλι, να είναι δυνατό να παραχθεί οποιοδήποτε χρώµα φωτισµού, δεδοµένου ότι τα κανάλια είναι αναλογικά. Η σκέψη αυτή δεν σηµαίνει βέβαια ότι η εφαρµογή επιβάλλει τη χρήση µόνο για λάµπες. Το σύστηµα µπορεί να ανοιγοκλείσει οποιαδήποτε συσκευή επιτρέπεται να ανοιγοκλείνει κατευθείαν από την τροφοδοσία της. Τα ρελέ επιλέχθηκαν να είναι δύο, αφού η πλακέτα δεν θα είχε αρκετό διαθέσιµο χώρο και αφού κρίθηκαν αρκετά για την εφαρµογή. Για τον έλεγχο των triacs και των ρελέ, απαιτείται ένας µικροελεγκτής ώστε να λαµβάνει τις εντολές ελέγχου και σύµφωνα µε αυτές να ελέγχει τους χρονισµούς των triacs και την κατάσταση των ρελέ. Αρχικά, επιλέχθηκε να χρησιµοποιηθεί ένας PIC µικροελεγκτής, µιας και ήταν διαθέσιµα τα εργαλεία ανάπτυξης και προγραµµατισµού του και επειδή είχε ήδη αποφασιστεί ότι θα χρησιµοποιηθεί PIC στην ανάπτυξη του κόµβου CAN. Όµως, για να δοθεί µεγαλύτερη ποικιλία στην επιλογή του υλικού και για λόγους µείωσης του κόστους και µεγαλύτερης επεξεργαστικής ισχύος, τελικά επιλέχθηκε ένας AVR µικροελεγκτής. Επιλέχθηκε, λοιπόν, ο ATtiny2313 της εταιρίας Atmel, ο οποίος προγραµµατίστηκε σε γλώσσα C. Για την επικοινωνία του µικροελεγκτή µε το υπόλοιπο σύστηµα προστέθηκε µια θύρα RS-232 στο κύκλωµα. Επίσης, για λόγους απλότητας, αρχικά θεωρήθηκε ότι το κύκλωµα θα τροφοδοτείται µε 12V από εξωτερική τροφοδοσία. Ωστόσο, για να γίνει η συσκευή αυτόνοµη και ολοκληρωµένη επιλέχθηκε να προστεθεί στο κύκλωµα µετασχηµατιστής 12V, κύκλωµα ανόρθωσης και εξοµάλυνσης, και σταθεροποιητής τάσης για τα 5V. Έτσι, για τη λειτουργία της συσκευής απαιτείται µονάχα η σύνδεσή της πρίζας της στο δίκτυο των 220V. 1.3.2. Κόµβος CAN Το σύστηµα που πραγµατεύεται η διπλωµατική αυτή, συνδέεται σε δίκτυο υπολογιστών Ethernet. Ως γνωστόν, όµως το δίκτυο Ethernet έχει τοπολογία αστέρα, πράγµα που σηµαίνει ότι το σύστηµα αυτό θα πρέπει να συνδεθεί στο πλησιέστερο HUB (Ακτινικός επαναλήπτης - Συσκευή διασύνδεσης υπολογιστών). Για τον πιο διαδεδοµένο τύπο καλωδίου σε εγκαταστάσεις γραφείων, που είναι το 100 Base-T (UTP category 5), το 30
µέγιστο µήκος καλωδίου φτάνει µόνο τα 100m. Έτσι, φαίνεται ότι ένα ευέλικτο σύστηµα ελέγχου συσκευών δεν θα µπορούσε να αρκεστεί µόνο στο δίκτυο Ethernet, γιατί για κάθε σηµείο στο οποίο θα επιθυµούσαµε έλεγχο θα έπρεπε να φέρουµε και ένα καλώδιο από το πλησιέστερο hub. Επίσης, θα έπρεπε να χρησιµοποιήσουµε και µία συσκευή σύνδεσης στο δίκτυο Ethernet για κάθε σηµείο ελέγχου, πράγµα εξαιρετικά ασύµφορο. Κρίθηκε αναγκαίο, λοιπόν, το σύστηµα ελέγχου να χρησιµοποιεί και ένα άλλο είδος δικτύου το οποίο να εξασφαλίζει τα ακόλουθα πλεονεκτήµατα: Ελάχιστο δυνατό µήκος καλωδίου Σύνδεση πολλών κόµβων ελέγχου στο ίδιο καλώδιο Μεγάλη απόσταση κάλυψης Ικανοποιητική ταχύτητα Αξιόπιστη µετάδοση Ο δίαυλος CAN χρησιµοποιείται χρόνια στο αυτοκίνητο και στη βιοµηχανία για να διασυνδέει αισθητήρες και µικροεπεξεργαστές / µικροελεγκτές µεταξύ τους. Ο δίαυλος αυτός µειώνει δραµατικά το µήκος των καλωδίων που απαιτείται για τη διασύνδεση πολλών µικροελεγκτών µαζί, γιατί χρησιµοποιεί την ονοµαζόµενη τοπολογία διαύλου, που σηµαίνει ότι όλα τα στοιχεία συνδέονται σε ένα απλό συνεστραµµένο ζευγάρι καλωδίου που τερµατίζεται στα δύο άκρα του µε τη σχετική σύνθετη αντίσταση τερµατισµού. Η διευθέτηση αυτή εξασφαλίζει ότι κάθε σταθµός µπορεί να επικοινωνήσει µε οποιοδήποτε άλλο σταθµό του δικτύου, χωρίς περιορισµούς. Επίσης, µπορούν να συνδεθούν 112 κόµβοι στον ίδιο δίαυλο. Η απόσταση κάλυψης µπορεί να φτάσει το 1 Km για ρυθµό µετάδοσης 50Kbit/s και ταχύτητα 1Mbit/s για µήκος καλωδίου 40m. Όσον αφορά στην αξιοπιστία της µετάδοσης δεδοµένων, ο δίαυλος CAN είναι από τους πιο αξιόπιστους, γιατί χρησιµοποιεί διαφορικές στάθµες σηµάτων, πράγµα που τον καθιστά πολύ ανεκτικό στο θόρυβο. Επίσης, το πρωτόκολλο διαθέτει πολλούς µηχανισµούς ανίχνευσης λαθών. Απόδειξη της µεγάλης του αξιοπιστίας είναι η χρήση του στο αυτοκίνητο, όπου υπάρχει µεγάλος ηλεκτροµαγνητικός θόρυβος, και που η ζωή των επιβαινόντων εξαρτάται από την αξιοπιστία του διαύλου. Τα χαρακτηριστικά αυτά, λοιπόν, του διαύλου CAN τον καθιστούν κατάλληλο για την υλοποίηση της παρούσας διπλωµατικής. Για να εξασφαλιστεί ένας ικανοποιητικός ρυθµός µετάδοσης αλλά και να υπάρχει διαθέσιµο αρκετό µήκος καλωδίου, επιλέχθηκε να χρησιµοποιηθεί ο ρυθµός µετάδοσης 125Kbit/s που επιτρέπει µέγιστο µήκος καλωδίου 500m. Με την υλοποίηση του διαύλου CAN, πλέον, σε κάθε σηµείο ελέγχου µπορεί κανείς να τοποθετεί ένα κόµβο CAN, αντί για ένα σύστηµα που συνδέεται σε Ethernet. 31
Έτσι, αντί να χρησιµοποιείται το γνωστό UTP καλώδιο category 5, που έχει τέσσερα συνεστραµµένα ζεύγη (8 αγωγοί), πλέον µπορεί να χρησιµοποιείται µόνο ένα συνεστραµµένο ζεύγος και γη (3 αγωγοί) ή 4 αγωγοί αν επιθυµούµε και την τροφοδοσία των κόµβων από το δίαυλο. Επιλέχθηκε να χρησιµοποιηθεί καλώδιο 4 αγωγών, ώστε όσοι κόµβοι συνδέονται στο δίαυλο να τροφοδοτούνται από αυτόν. Ο κόµβος CAN που υλοποιείται σε αυτή τη διπλωµατική βασίζεται στο ολοκληρωµένο MCP2515, που υλοποιεί όλες τις εκδόσεις CAN πρωτοκόλλων και φυσικά την τελευταία (έκδοση 2.0B). Το ολοκληρωµένο αυτό είναι ικανό για τη διαβίβαση και τη λήψη κανονικών, εκτεταµένων και αποµακρυσµένων πλαισίων. Το MCP2515 έχει δύο µάσκες αποδοχής και έξι φίλτρα αποδοχής, που χρησιµοποιούνται για να φιλτράρουν τα ανεπιθύµητα µηνύµατα, ώστε να αφήνει µικρό φόρτο εργασίας στο µικροελεγκτή που το ελέγχει. Για τη λειτουργία του MCP2515 απαιτείται ένας µικροελεγκτής που θα το ελέγχει µέσω της τυποποιηµένης διεπαφής SPI (Serial Peripheral Interface). Αρχικά, λόγω διαθεσιµότητας στο εργαστήριο, χρησιµοποιήθηκε το MCP2510, που είναι ο προκάτοχος του MCP2515. Κανένα από τα δύο ολοκληρωµένα δεν υπήρχε σε απόθεµα στα καταστήµατα της Ελλάδας. Αργότερα, όµως ζητήθηκαν δείγµατα του MCP2515 από την εταιρία Microchip, οπότε δεδοµένου ότι το MCP2515 είναι συµβατό µε το MCP2510 ως προς τους ακροδέκτες και τις εντολές ελέγχου, το MCP2510 αντικαταστάθηκε από το MCP2515, χωρίς όµως να γίνει αλλαγή στον κώδικα, ο οποίος είχε ήδη γραφτεί. Το MCP2515 λειτουργεί κανονικά, αλλά σε κατάσταση συµβατότητας. Αυτό σηµαίνει ότι λειτουργεί ακριβώς όπως το MCP2510, αλλά δεν αξιοποιούνται οι προσθήκες που έγιναν σε αυτό από την εταιρία. Η ύπαρξη του όµως στο κύκλωµα δίνει τη δυνατότητα να γραφεί αργότερα νέα έκδοση του προγράµµατος του µικροελεγκτή, ώστε να αξιοποιηθούν τα πρόσθετα χαρακτηριστικά του. Όπως αναφέρθηκε, για τη λειτουργία του MCP2515 χρειάζεται ένας µικροελεγκτής. Για τη συγκεκριµένη εφαρµογή επιλέχθηκε ο PIC16F876, για διάφορους λόγους. Καταρχήν, για τους µικροελεγκτές PIC υπήρχε διαθέσιµος ο compiler CCS-C ή PIC-C για προγραµµατισµό σε γλώσσα C, της εταιρίας Custom Computer Services, ο οποίος είχε κάποιες συναρτήσεις για οδήγηση του MCP2510. Επιπλέον, ο PIC16F876, έχει πολλές θύρες διαθέσιµες για µελλοντικές προσθήκες και διαθέτει USART και θύρα I 2 C. Επίσης, το συγκεκριµένο ολοκληρωµένο έχει αρκετή µνήµη και ταχύτητα για προγραµµατισµό σε C. Για να υπάρχουν δεδοµένα προς µετάδοση και προς τις δύο κατευθύνσεις αποφασίστηκε να προστεθούν στον κόµβο CAN και κάποιοι αισθητήρες. Έτσι, συµπεριλήφθηκαν και δύο ψηφιακά θερµόµετρα, που επικοινωνούν µε τον µικροελεγκτή µέσω της θύρας I 2 C. Γι αυτό είναι σηµαντικό που ο µικροελεγκτής έχει hardware θύρα I 2 C. Ως θερµόµετρο αρχικά επιλέχθηκε το αρκετά διαδεδοµένο DS1621 της Dallas 32
Semiconductor, το οποίο υπήρχε και στην ελληνική αγορά. Επειδή, όµως διαπιστώθηκε ότι η εταιρία είχε ήδη βγάλει τον αντικαταστάτη του, που είναι το DS1631, και πρότεινε όλες οι νέες σχεδιάσεις να χρησιµοποιούν το καινούργιο ολοκληρωµένο, ζητήθηκαν δείγµατα από την εταιρία. Όταν έφτασαν τα δείγµατα, το DS1621 αντικαταστάθηκε από το DS1631, µε µικρή αλλαγή του κώδικα ώστε το ολοκληρωµένο να λειτουργεί σε κατάσταση συµβατότητας µε τον προκάτοχό του. Επίσης, χρειάστηκε κάποια αλλαγή και στον τρόπο διασύνδεσης του ολοκληρωµένου, δεδοµένου ότι το πακετάρισµα ήταν για επιφανειακή στήριξη (SMT). Επιλέχθηκε να συνδεθούν δύο θερµόµετρα στο δίαυλο I 2 C, ώστε να φανεί η λειτουργικότητα του διαύλου, αλλά και να µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα θερµόµετρο για τον εσωτερικό χώρο και ένα για τον εξωτερικό. Τέλος, ο κόµβος CAN πρέπει να έχει και µια θύρα RS-232 για να στέλνει δεδοµένα στη συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών. Για το σκοπό αυτό συνδέεται η αντίστοιχη θύρα του µικροελεγκτή µε το ολοκληρωµένο MAX232, που µετατρέπει τις τάσεις της θύρας RS-232 σε τάσεις TTL και είναι πολύ συνηθισµένο. 1.3.3. Συσκευή Embedded Ethernet Καταρχήν εφόσον επιθυµείται η σύνδεση του συστήµατος σε ένα τυπικό δίκτυο υπολογιστών (δίκτυο ethernet), το σύστηµα θα πρέπει να διαθέτει θύρα ethernet, να έχει τη δυνατότητα να εκτελεί λειτουργίες ftp, telnet, http κτλ. και να επικοινωνεί µέσω TCP/IP ή και άλλων πρωτοκόλλων, όπως το UDP. Επιπρόσθετα, πρέπει να προγραµµατίζεται εύκολα και σε γλώσσα υψηλού επιπέδου δεδοµένου ότι τέτοιες λειτουργίες είναι αρκετά περίπλοκες. Η καταλληλότερη γλώσσα για λειτουργίες που αφορούν δίκτυο και διαδίκτυο είναι η JAVA, λόγω της µεταφερσιµότητας, του µικρού µεγέθους προγραµµάτων της, της ανεξαρτησίας της από πλατφόρµα και της προγραµµατιστικής ευκολίας, που παρέχει σε λειτουργίες δικτύου. Τα δύο παραπάνω χαρακτηριστικά, δηλαδή τη σύνδεση σε δίκτυο ethernet και την υποστήριξη προγραµµάτων JAVA, συναντώνται τόσο σε ένα προσωπικό υπολογιστή όσο και σε ένα embedded σύστηµα (ενσωµατωµένο σύστηµα). Ειδικά τον τελευταίο καιρό όλο και περισσότερες εταιρίες δηµιουργούν embedded συστήµατα που συνδέονται σε δίκτυο ethernet. Πολλές εταιρίες ολοκληρωµένων, αρχίζουν να ενσωµατώνουν τις απαραίτητες λειτουργίες για σύνδεση σε δίκτυο ethernet σε ένα και µόνο ολοκληρωµένο. Τέτοια ολοκληρωµένα υλοποιούν σε ένα ειδικό τµήµα τους τη στοίβα TCP/IP ή και άλλων πρωτοκόλλων, απαλλάσσοντας έτσι τον σχεδιαστή από το καθήκον του προγραµµατισµού µιας τέτοιας λειτουργίας, που είναι εξαιρετικά πολύπλοκη. 33
Και τα δύο συστήµατα έχουν πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα. Ένας προσωπικός υπολογιστής έχει το πλεονέκτηµα ότι µπορεί να τρέξει προγράµµατα σε JAVA χωρίς ιδιαίτερες τροποποιήσεις ή περιορισµούς σε πόρους συστήµατος. Επίσης, εφόσον πρέπει το σύστηµα να συνδέεται σε δίκτυο ethernet, προϋποτίθεται ότι θα υπάρχει τουλάχιστον ένας υπολογιστής στο δίκτυο, οπότε ίσως να µπορούσε να χρησιµοποιηθεί για τον έλεγχο των συσκευών. Για να µην θεωρηθεί όµως αντιοικονοµική αυτή η λύση θα πρέπει να θεωρηθεί ότι ο υπολογιστής αυτός θα χρησιµοποιείται από το χρήστη για την κανονική του λειτουργία και η λειτουργία του ελέγχου συσκευών θα είναι δευτερεύουσα. Ωστόσο, ένας προσωπικός υπολογιστής έχει κάποια σηµαντικά µειονεκτήµατα. Το µέγεθός του δεν συνάδει µε τις απαιτήσεις για ευελιξία, συνδεσιµότητα και απλότητα στην εγκατάσταση και λειτουργία. Για παράδειγµα φανταστείτε ότι κάποιος εργάζεται σε ένα γραφείο και θέλει να ελέγχει µέσω δικτύου µία θερµάστρα ή έναν ανεµιστήρα. Αν το σύστηµα απαιτούσε την ύπαρξη ενός προσωπικού υπολογιστή αφιερωµένου σε µία τέτοια λειτουργία, θα έπρεπε να µεταφέρει και να εγκαταστήσει τον υπολογιστή αυτό στο σηµείο που επιθυµεί τη θερµάστρα. Επίσης, η απαίτηση για µεγάλη αξιοπιστία, που είναι και η σηµαντικότερη απαίτηση, δεν ικανοποιείται από έναν προσωπικό υπολογιστή. Συγκεκριµένα, ακόµα και µε χρήση UPS (Uninterruptible Power Supply - Αδιάλειπτο τροφοδοτικό) ο υπολογιστής µε την κατανάλωση που έχει θα αναγκαζόταν να κλείσει ύστερα από σύντοµο χρονικό διάστηµα. Επιπρόσθετα, η εκκίνησή του προσωπικού υπολογιστή δεν είναι σύντοµη και δύσκολα εξασφαλίζεται ότι µε την εκκίνησή του θα εκτελεστούν όλες οι λειτουργίες του σωστά. Άλλωστε, αν θεωρηθεί ότι η λειτουργία του ελέγχου συσκευών είναι δευτερεύουσα και ότι ο υπολογιστής εκτελεί τις συνηθισµένες λειτουργίες γραφείου, υπάρχουν µεγάλες πιθανότητες να προκύψει κάποιο πρόβληµα στη λειτουργία του. Από την άλλη, ένα embedded σύστηµα έχει αρκετά πλεονεκτήµατα σε αυτή την εφαρµογή. Το µέγεθός του παρέχει µεγάλη ευελιξία στις εφαρµογές και δίνει τη δυνατότητα να µεταφέρεται εύκολα και να χωράει παντού. Ειδικά όµως, στο ζήτηµα της αξιοπιστίας, το embedded σύστηµα υπερέχει ξεκάθαρα µιας και είναι σχεδιασµένο για αυτή την εφαρµογή. Συγκεκριµένα, η εξασφάλιση λειτουργίας σε περίπτωση διακοπής ρεύµατος ικανοποιείται σε πολύ µεγάλο βαθµό από ένα embedded σύστηµα, γιατί ένα τέτοιο σύστηµα έχει µικρή κατανάλωση και εποµένως µπορεί να λειτουργήσει µε άλλες πηγές πέραν του δικτύου, όπως είναι η µπαταρία, για πολλές ώρες. Επίσης, ένα embedded σύστηµα λόγω της απλότητας που διέπει τη λειτουργία του και του γεγονότος ότι είναι σχεδιασµένο να επιτελεί συγκεκριµένες λειτουργίες έχει µικρή πιθανότητα να πάθει κάποια βλάβη. Αντίθετα αν ο έλεγχος γινόταν από έναν προσωπικό υπολογιστή, πολλά µέρη του θα µπορούσαν να εµφανίσουν δυσλειτουργία, όπως είναι για παράδειγµα το λειτουργικό σύστηµα, τα µέσα αποθήκευσης κτλ. 34
Υπάρχουν όµως και κάποια µειονεκτήµατα, όπως είναι το επιπλέον κόστος για την εφαρµογή και οι περιορισµένοι πόροι του συστήµατος. Το πρώτο µειονέκτηµα υποσκελίζεται από την ανάγκη για αυξηµένη αξιοπιστία. Το δεύτερο µειονέκτηµα επιλύεται αν ο κώδικας του προγράµµατος ελέγχου γραφεί µε προσοχή και οικονοµία στους πόρους του συστήµατος, όπως άλλωστε αποδεικνύει και η υλοποίηση του συστήµατος της παρούσας διπλωµατικής. Φαίνεται λοιπόν, ότι το embedded σύστηµα είναι καταλληλότερο για την εφαρµογή αυτή. Υπάρχουν πολλές εταιρίες που παράγουν embedded συστήµατα ethernet. Ωστόσο, λίγα είναι αυτά που περιέχουν εικονική µηχανή JAVA (JAVA Virtual Machine) και εποµένως µπορούν να τρέξουν προγράµµατα JAVA. Επιπρόσθετα, ακόµα λιγότερες επιλογές υπάρχουν αν θέλουµε το embedded σύστηµα να περιλαµβάνει και θύρα για δίαυλο CAN. Τελικά ύστερα από εκτεταµένη αναζήτηση επιλέχθηκε η embedded συσκευή ethernet που βασίζεται στο ολοκληρωµένο DS80C400. Το ολοκληρωµένο αυτό έχει αρκετά µεγάλη ταχύτητα επεξεργασίας, και ενσωµατώνει πολλές θύρες µεταξύ των οποίων και θύρα για δίαυλο CAN. Η εταιρία κατασκευής του, η Dallas Semiconductor, διαθέτει µία συσκευή που ενσωµατώνει το ολοκληρωµένο αυτό και µπορεί να λειτουργήσει κατευθείαν ως σύστηµα embedded ethernet, αφού διαθέτει όλα τα απαιτούµενα περιφερειακά. Η συσκευή της Dallas Semiconductor αποτελείται από δύο µέρη: το DSTINIm400 που ενσωµατώνει το DS80C400 µαζί µε όλα τα περιφερειακά που χρειάζεται για να λειτουργήσει, και το DSTINIs400, που περιλαµβάνει τις θύρες για την επικοινωνία µε το δίκτυο. Η συσκευή περιέχει ένα µίνι λειτουργικό σύστηµα, που θυµίζει Unix, και περιλαµβάνει µια κανονική εικονική µηχανή JAVA. Το λειτουργικό σύστηµα εκτελεί λειτουργίες ftp και telnet, οπότε ο χειρισµός της συσκευής µπορεί να γίνει εξολοκλήρου µέσω του δικτύου ethernet. υστυχώς, ούτε αυτή η συσκευή ήταν διαθέσιµη στην ελληνική αγορά και έπρεπε να εισαχθεί. Στην παράγραφο αυτή περιγράφηκαν οι επιλογές που έγιναν στο υλικό και το λογισµικό. Η σχεδίαση και κατασκευή κάθε τµήµατος θα εξηγηθεί λεπτοµερώς παρακάτω, στις αντίστοιχες παραγράφους. Οι επιλογές που περιγράφηκαν παραπάνω δεν έγιναν όλες από την αρχή, αλλά παράλληλα µε τη σχεδίαση και την εξέλιξη του συστήµατος. Πολλές επιλογές άλλαξαν στην πορεία. Οι παραπάνω επιλογές είναι αυτές που τελικά κρίθηκαν καταλληλότερες για την βέλτιστη υλοποίηση του συστήµατος. Το τελικό σύστηµα όπως αυτό υλοποιήθηκε περιγράφεται στην επόµενη παράγραφο, ώστε να δοθεί στον αναγνώστη η ευκαιρία να γνωρίσει καλύτερα τη δοµή και τη λειτουργία του, πριν προχωρήσει στη µελέτη της κατασκευής του. 35
2. Περιγραφή και λειτουργία του συστήµατος 2.1. Περιγραφή του συστήµατος Το υλοποιηµένο σύστηµα φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα: Εικόνα 2-1: Το υλοποιηµένο σύστηµα Στην παραπάνω εικόνα φαίνονται τα ακόλουθα τµήµατα του συστήµατος: A. Συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V, µε τις πρίζες εξόδου και το κουτί προστασίας B. Κόµβος CAN C. Ψηφιακά θερµόµετρα DS1631, συνδεδεµένα σε δίαυλο I 2 C D. Συσκευή embedded ethernet της Dallas Semiconductor, βασισµένη στο DS80C400 E. Σταθεροποιητής Τροφοδοτικό 5V 37
Στο A φαίνεται η συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V. Στην είσοδο της φαίνεται η πρίζα µε την οποία συνδέεται στο δίκτυο των 220V και η σειριακή της θύρα (RS-232) µε την οποία µπορεί να πάρει εντολές για τη λειτουργία της. Μέσω αυτής της θύρας µπορεί να συνδεθεί είτε στη σειριακή θύρα ενός προσωπικού υπολογιστή είτε στη σειριακή θύρα του κόµβου CAN. Στην παραπάνω εικόνα φαίνεται συνδεδεµένη στον κόµβο CAN. Επίσης, φαίνονται οι 5 πρίζες της εξόδου της (3 αναλογικά και 2 on/off κανάλια) και το µαύρο κουτί για την προστασία της συσκευής. Το προστατευτικό κουτί ήταν αναγκαίο γιατί η συσκευή αυτή λειτουργεί στα 220V. Πρέπει να σηµειωθεί, επίσης, ότι η συσκευή διαθέτει και υποδοχή για προγραµµατισµό του µικροελεγτή AVR εντός της συσκευής (ISP In System Programming). Μία κοντινή εικόνα της συσκευής αυτής φαίνεται ακολούθως: Εικόνα 2-2: Συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V Στο B φαίνεται ο κόµβος CAN. Όπως φαίνεται στην εικόνα, από τη µία πλευρά είναι συνδεδεµένος, µέσω της θύρας RS-232, µε τη συσκευή 3 αναλογικών και 2 on/off καναλιών για 220V, και από την άλλη πλευρά, µέσω διαύλου CAN, µε τη συσκευή embedded ethernet. Από τον κόµβο αυτό ξεκινάει επίσης και ο δίαυλος I 2 C, στον οποίο είναι συνδεδεµένα τα δυο ψηφιακά θερµόµετρα (C). Στο δίαυλο αυτό προστέθηκαν 38