ΘΩΜΑΣ Α. ΚΕΛΑΝΤΩΝΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΘΕΜΑ: ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΙΚΡΟΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ GSM ΙΚΤΥΟΥ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Ι. Μ. ΚΟΝΤΟΛΕΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2003
ΘΩΜΑΣ Α. ΚΕΛΑΝΤΩΝΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΘΕΜΑ: ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΙΚΡΟΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ GSM ΙΚΤΥΟΥ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Ι. Μ. ΚΟΝΤΟΛΕΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2003
ΑΦΙΕΡΩΜΕΝΟ ΣΤΗΝ ΠΗΓΗ ΤΗΣ ΕΥΤΥΧΙΑΣ ΜΟΥ ΚΑΙ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ ΠΟΥ ΜΕ ΕΝΕΠΝΕΥΣΕ ΣΤΗΝ ΧΡΥΣΑ
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3 ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΠΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜOY ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΧΕ ΙΑΣΗΣ 9 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑ Α ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 19 HARDWARE 21 SPI 23 ΣΕΙΡΙΑΚΗ ΘΥΡΑ 23 ΤΜΗΜΑ ΕΝ ΕΙΞΗΣ 25 ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΚΤΡΟΛΟΓΙΟΥ 27 ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ 27 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 GSM MODEM ΕΙΣΑΓΩΓΗ 33 HARDWARE α. TTL MODEM 34 β. PC MODEM 41 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 44 ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΕΝΤΟΛΩΝ 44 ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ 47
ΜΕΡΟΣ ΕΥΤΕΡΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΕΝΤΡΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΕΝΤΡΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ-ΜΟΝΑ Α ΣΥΛΛΟΓΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 51 ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ GSM-COM a. ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 51 b. ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 53 c. ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΕΞΕΛΙΞΗΣ 54 d. ΚΩ ΙΚΑΣ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ 55 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΣΥΝΟΠΤΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ AT ΕΝΤΟΛΩΝ 65 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΡΟ ΙΑΓΡΑΦΕΣ ΚΑΙ ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΤΙΚΑ ΤΟΥ GSM MODEM ΤΗΣ CONEXANT 79 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ MAX 3237 91 LM317 107 LM350 115 LCD 1x16 121 ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ 131
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Όταν ξεκίνησα την φοιτητική µου σταδιοδροµία θυµάµαι ότι κάποιος καθηγητής µου είπε, ότι σαν µηχανικός στο µέλλον θα πρέπει να έχω ένα όραµα, ένα στόχο και να µην χαθώ µέσα στην πληθώρα γνώσεων που θα µου παρείχαν οι σπουδές που επέλεξα. Επίσης θυµάµαι ότι λίγα χρόνια µετά όταν τελείωσα τον πρώτο κύκλο σπουδών µου, ορκίστηκα ότι θα υπηρετήσω την κοινωνία µε στόχο το γενικότερο καλό. Σήµερα καθώς τελειώνουν οι σπουδές µου αποφάσισα να κάνω µια προσπάθεια να σχεδιάσω κάτι το οποίο θα συµπορευόταν µε το όραµά µου. Ελπίζω µε την προσπάθειά µου αυτή να έχω δηµιουργήσει κάτι αντάξιο των σπουδών και των µακρόχρονων προσπαθειών µου. Η ιδέα µου προέκυψε µε αφορµή τις πληµµύρες στον Κηφισό ποταµό. Αυτός ο παραπόταµος ο οποίος µετά από κάθε βροχόπτωση µετατρεπόταν σε ένα µεγάλο και ορµητικό ποταµό µε έβαλε σε σκέψεις. Από την άλλη τα ερεθίσµατα συνέχιζαν να έρχονται από διαφόρους χώρους. Τα τελευταία έτη όλοι βιώσαµε τον παραλογισµό των καιρικών φαινοµένων και ιδιαίτερα οι πολίτες που επλήγησαν από αυτά, όπως αγρότες, άνθρωποι που ασχολούνται µε τον τουρισµό, απλοί πολίτες που έτυχε να κατοικούν σε λάθος τόπο, το λάθος χρόνο, αλλά και λίγο πολύ, ειδικά εφέτος, όλοι είχαµε τις προσωπικές µας εµπειρίες µε τα τερτίπια του καιρού. Η επιστηµονική κοινότητα είχε προειδοποιήσει ότι η αλόγιστη φθορά του φυσικού µας περιβάλλοντος, θα είχε παρενέργειες. Οι εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα, που ως αποτέλεσµα της καύσης οργανικών ουσιών, είναι αναπόφευκτες, και ειδικά λόγω του ότι στις περισσότερες των περιπτώσεων, δεν ήταν σύµφωνες µε τα παγκόσµια πρότυπα περί αερίων ρύπων, είχαν σαν αποτέλεσµα την δηµιουργία του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Οι µετεωρολόγοι υποστηρίζουν ότι το προαναφερθέν φαινόµενο είναι υπαίτιο για τα ακραία καιρικά φαινόµενα που εµφανίζονται στον πλανήτη ενώ προειδοποιούν ότι στα χρόνια που θα ακολουθήσουν η παρούσα κατάσταση θα επιδεινωθεί. Η πίστη µου είναι ότι στο πολύ άµεσο µέλλον θα βιώσουµε όλοι µας το µένος της φύσης και αυτό είναι αναπόφευκτο. Πρώτον γιατί οι χώρες που επιβαρύνουν περισσότερο το περιβάλλον δυσανασχετούν µε το θέµα, και από την άλλη ο κρατικός τους µηχανισµός θεωρείται έτοιµος να αντεπεξέλθει σε κάθε ακραίο καιρικό φαινόµενο, σε αντίθεση µε τις χώρες µε µικρότερη δυναµική. εύτερον γιατί η ιστορία του ανθρώπου έχει δείξει ότι θα πάρουµε µέτρα όταν είναι πλέον πολύ αργά. Όταν εξετάζουµε ένα θέµα πρέπει να είµαστε ψυχρά ρεαλιστές και όχι να το αναλύουµε µε αισιοδοξία και ευθυνοφοβία. Προσωπικά θεωρώ βέβαιο το γεγονός, ότι ακραία καιρικά φαινόµενα θα αλλάξουν τον τρόπο ζωής µας. Το ερώτηµα που εύλογα γεννιέται, είναι αν το ελληνικό κράτος είναι έτοιµο για να αντιµετωπίσει τέτοιου είδους απειλές εξ ουρανού. Τα τελευταία χρόνια το λογότυπο της διαφηµιστικής εκστρατείας του Ε.Ο.Τ Ήλιος-Θάλασσα, τουλάχιστον τον χρόνο που πέρασε ήταν άστοχο. Από την άλλη ο αγροτικός πληθυσµός της χώρας µας, ήδη εξουθενωµένος, από προηγούµενα έτη, φέτος υπέστη ακόµη ένα σοβαρό πλήγµα λόγω των άστατων καιρικών φαινοµένων. Τέλος αξίζει να αναφερθούµε σε παραδείγµατα χειµερινών τουριστικών κέντρων ή ακόµη και σε πολίτες της πιο αναπτυγµένης από άποψη υποδοµής πόλης της Ελλάδος, την Αθήνα, που επλήγησαν επανειληµµένα. Γεγονός που κυρίως προκύπτει από τα παραπάνω είναι ότι από τεχνοκρατικής άποψης, χάνονται χρήµατα ενώ παράλληλα το πολιτικό κόστος των κυβερνώντων είναι µεγάλο. Τα δύο παραπάνω είναι τα επιχειρήµατά µου για την πρότασή µου στο θέµα αυτό. Η τοποθέτησή µου δεν είναι τυχαία, διότι πιστεύω ότι τα προαναφερθέντα ΠΡΟΛΟΓΟΣ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1
αίτια είναι αυτά που τελικά θα οδηγήσουν την ελληνική κυβέρνηση να λάβει περαιτέρω µέτρα θωράκισης της χώρας από τέτοιου είδους απειλές. Σκοπός της διπλωµατικής είναι να αναβαθµίσει την πρόγνωση µετεωρολογικών φαινοµένων αλλά και να παρέχει γνώση των ακριβών συνθηκών που επικρατούν σε ευαίσθητες περιοχές, όπως για παράδειγµα τις αγροτικές. Το σύστηµα µικροµετεωρολογικών µετρήσεων που είναι και το θέµα της διπλωµατικής εργασίας, βασίζεται σε ένα σύστηµα τηλεµετρίας το οποίο µεταφέρει χρησιµοποιώντας το δίκτυο της κινητής τηλεφωνίας οκτώ τοπικές µετρήσεις (τοπικός σταθµός) ανά τακτά χρονικά διαστήµατα προς ένα κέντρο συλλογής πληροφοριών (κεντρικός σταθµός). Το παραπάνω σύστηµα είναι µια οικονοµική λύση για να δηµιουργηθεί κατά αρχήν µια πληρέστατη βάση δεδοµένων για το κέντρο πρόγνωσης και αφετέρου να παρέχει άµεση και ακριβή πληροφορία για τα κέντρα διαχείρισης κρίσεων. Οι τοπικοί σταθµοί λειτουργούν εντελώς ανεξάρτητα, πρώτον ενεργειακά, αφού λειτουργούν µε ηλιακή ενέργεια και δεύτερον τηλεπικοινωνιακά, επικοινωνώντας µε τον κεντρικό σταθµό µέσω του GSM δικτύου. Η επικοινωνία µεταξύ των τοπικών και του κεντρικού σταθµού, επιτυγχάνεται µε την χρήση GSM µόντεµ. Τα παραπάνω εξαρτήµατα µπορούµε να τα παροµοιώσουµε µε βιοµηχανικά κινητά τηλέφωνα, αφού έχουν όλα τα χαρακτηριστικά των κινητών τηλεφώνων, παρέχοντας όµως µεγαλύτερη αξιοπιστία και ισχύ σήµατος. Οι τοπικοί σταθµοί θα έχουν την ευθύνη για την διεξαγωγή των µετρήσεων µε επιτυχία και την µεταφορά τους στον κεντρικό σταθµό. Ο κεντρικός σταθµός από την πλευρά του θα έχει την ευθύνη για την επεξεργασία και απεικόνιση των δεδοµένων που λαµβάνει και την διαχείριση των συναγερµών. Επιπλέον στον κεντρικό σταθµό µπορούµε να αναθέσουµε την ευθύνη για την δηµιουργία και την διαχείριση µιας βάσης δεδοµένων η οποία θα περιέχει όλα τα αποτελέσµατα των µετρήσεων που έχουν διεξαχθεί. Προσπέλαση στην παραπάνω βάση δεδοµένων θα µπορεί να επιτευχθεί µέσω δικτύου και θα µπορεί να είναι διαθέσιµη και σε άλλα περιφερειακά κέντρα. Με την τοποθέτηση ενός αριθµού τοπικών µονάδων σε µια περιοχή θα είµαστε σε θέση να γνωρίζουµε πληροφορίες σχετικές µε την θερµοκρασία, την ταχύτητα του ανέµου και την κατεύθυνση του, την υγρασία εδάφους και αέρα, την ένταση βροχόπτωσης αλλά και άλλων ίσως πιο ειδικών µετρήσεων που ίσως κριθούν απαραίτητες, για όλη την περιοχή µε ακρίβεια ανάλογη µε τον αριθµό των µονάδων που θα εγκαταστήσουµε. Το µεγαλύτερο αγαθό στην σύγχρονη εποχή είναι η πληροφορία και ο σκοπός του συγκεκριµένου συστήµατος τηλεµετρίας είναι να µας την δίνει ακόµη και από το πιο δύσβατο σηµείο της Ελλάδος άµεσα, γρήγορα και µε ακρίβεια µε στόχο την θωράκιση από της επερχόµενες επιδροµές εξ ουρανού. Είναι µια πρόταση για ένα δίκτυο µετεωρολογικών µετρήσεων το οποίο θα µπορεί να εξυπηρετεί από την επιστηµονική κοινότητα µέχρι και τον απλό πολίτη ο οποίος θα µπορεί ακόµη και µέσω των υπηρεσιών κινητής τηλεφωνίας να ενηµερώνεται για τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν στο σηµείο της χώρας που τον ενδιαφέρει. Στο σύγγραµµα αυτό θα γίνει η τεχνική περιγραφή του συστήµατος µικροµετεωρογίας αλλά και περιγραφή του τρόπου λειτουργίας του εξετάζοντας το κάθε επιµέρους κοµµάτι του αλλά και συνολικά. Σκοπός είναι να µην κουράσει τον αναγνώστη µε πολύ εξειδικευµένες περιγραφές αλλά να µεταφέρει την κεντρική εικόνα για τον τρόπο λειτουργίας. ΚΑΛΗ ΑΝΑΓΝΩΣΗ ΚΕΛΑΝΤΩΝΗΣ ΘΩΜΑΣ ΠΡΟΛΟΓΟΣ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένα σύστηµα τηλεµετρίας (ΣΤ), έχει ως σκοπό την µεταφορά µετρήσεωνδεδοµένων από το σηµείο όπου γίνονται αυτές, σε ένα άλλο αποµακρυσµένο, όπου θα γίνεται και η συλλογή της πληροφορίας για να την επεξεργαστούµε όπως εµείς επιθυµούµε. Άρα το ΣΤ θα είναι υπεύθυνο για τη µέτρηση στην πηγή αλλά και για την µεταφορά της µετρηµένης τιµής στην αποµακρυσµένη βάση. Στο θέµα της µέτρησης των ζητούµενων µεγεθών, από άποψη σχεδίασης, λίγο πολύ οι τρόποι λύσης είναι περιορισµένοι. Γνωρίζουµε εκ των προτέρων ότι θα χρησιµοποιήσουµε µετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (Α/D), µιας και η πληροφορία θα πρέπει να επεξεργαστεί ψηφιακά στη συνέχεια. Οι παράµετροι που εισέρχονται στη σχεδίαση του συστήµατος µέτρησης είναι πρώτον ο καθορισµός του µετρηµένου αναλογικού µεγέθους, δεύτερον η επιλογή του κατάλληλου A/D και τρίτον η επιλογή του τρόπου µε τον οποίο θα λειτουργεί το σύστηµα στη συγκεκριµένη εφαρµογή. Οι παραπάνω παράµετροι θα καθορίσουν τις προδιαγραφές µέσα στα πλαίσια των οποίων θα πρέπει να κινηθεί η συγκεκριµένη σχεδίαση. Στην ενότητα όπου θα εξεταστεί το σύστηµα µέτρησης θα ασχοληθούµε και µε τα αισθητήρια που θα παρέχουν την είσοδο στο συγκεκριµένο σύστηµα. Τα µετρηµένα µεγέθη µετά από επεξεργασία θα πρέπει να αποστέλλονται από το σηµείο όπου βρίσκεται η τοπική µονάδα (slave unit) στην κεντρική µονάδα συλλογής δεδοµένων (master unit). Το πρόβληµα της µεταφοράς είναι και αυτό µε την µεγαλύτερη πολυπλοκότητα από άποψη σχεδίασης, αφού δεν είναι και λίγοι οι τρόποι µε τους οποίους θα µπορούσαµε να χτίσουµε ένα δίαυλο επικοινωνίας µεταξύ master και slave unit για τη µεταφορά δεδοµένων. Στην πρώτη προσέγγιση που έγινε στο θέµα αυτό η λύση που είχε δοθεί φαίνεται στο σχήµα 1. Η µεταφορά δεδοµένων θα πραγµατοποιούνταν µε την χρήση RF ποµποδεκτών η ισχύς των οποίων θα ήταν 2 Watt στα UHF και θα εξασφάλιζε εµβέλειες της τάξης, δεκάδας χιλιοµέτρων στην περίπτωση οπτικής σύζευξης. Μάλιστα έγινε και κάποια προεργασία η οποία εκτός από σχεδιαστικές προτάσεις περιλάµβανε και οικονοµοτεχνική µελέτη πάνω στο συγκεκριµένο θέµα. Ας θεωρήσουµε ότι το έργο θα ήταν στα πλαίσια νοµαρχίας, έτσι ώστε κάθε νοµός να έχτιζε το δικό του αυτόνοµο σύστηµα, για να αξιολογεί τα δεδοµένα και να λειτουργεί αυτόνοµα, σε επίπεδο τοπικής αυτοδιοίκησης, ενώ παράλληλα θα έπρεπε να υπήρχε και δυνατότητα σύνδεσης µε άλλα κέντρα. Στην παραπάνω περίπτωση θα έπρεπε να έχουµε ισάριθµα κέντρα µε τους νοµούς ενώ για να εξασφαλιστεί η επικοινωνία µε όλους τους τοπικούς σταθµούς θα έπρεπε να χρησιµοποιήσουµε και έναν ασύµφορα µεγάλο αριθµό αναµεταδοτών για κάθε νοµό όπου θα τοποθετούσαµε το σύστηµα. Το κόστος της εγκατάστασης αλλά και η πολυπλοκότητα του συστήµατος κρίνουν την αρχική ιδέα ως µη συµφέρουσα. Για να ξεπεραστεί το πρόβληµα της µεταφοράς δεδοµένων, για ένα σύστηµα το οποίο να παρέχει πανελλαδική κάλυψη, για λόγους οικονοµικούς θα έπρεπε να χρησιµοποιήσουµε ένα ήδη υπάρχον δίκτυο. Το γεγονός ότι θέλουµε πλήρη αυτονοµία και ανεξαρτησία για τις τοπικές µονάδες οδήγησε σε µια µόνο αποδεκτή λύση, το δίκτυο της κινητής τηλεφωνίας. Υιοθετώντας την παραπάνω λύση στη σχεδίαση του συστήµατος το κόστος αλλά και η πολυπλοκότητα του συνολικού συστήµατος µειώνεται θεαµατικά αλλά και οι δυνατότητες του πλέον αναβαθµίζονται. Μέχρι αυτό το σηµείο αναφέρθηκαν το τµήµα της µέτρησης (και των αισθητηρίων) και το τµήµα επικοινωνίας (GSM engine modem), χωρίς να ΠΡΟΛΟΓΟΣ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3
αναφερθεί ο συνδετικός κρίκος µεταξύ τους. Με πιο τρόπο τα δεδοµένα θα µεταφέρονται από το σύστηµα µέτρησης στη βαθµίδα εκποµπής και λήψης; Σχήµα 1. Αρχική Ιδέα Υλοποίησης Θα έπρεπε λοιπόν να υπάρχει ένα σύστηµα που θα παρεµβάλλεται µεταξύ των δύο προαναφερθέντων και θα εξασφαλίζει την αµφίδροµη επικοινωνία µεταξύ τους. Το παραπάνω τµήµα της τοπικής µονάδας, είναι η κεντρική µονάδα επεξεργασίας της τοπικής µονάδας και είναι αυτή που έχει ως έργο την οργάνωση των λειτουργιών που θα συντελούνται. Θα πρέπει να υλοποιεί σειριακή επικοινωνία µε την µονάδα µέτρησης, να λαµβάνει τα δεδοµένα και να εκτελεί κάποια επεξεργασία τους, να εξασφαλίζει σειριακή επικοινωνία µε την µονάδα εκποµπής και λήψης, καθώς και να είναι υπεύθυνη για την σωστή λειτουργία της και γενικά να διαχειρίζεται το τοπικό σύστηµα. Στην τελική σχεδίαση έχει προστεθεί στην κεντρική µονάδα επεξεργασίας µια οθόνη LCD 16 χαρακτήρων, για να υπάρχει ενηµέρωση του χρήστη για τις εκάστοτε διεργασίες που εκτελεί αλλά και για να ενηµερώνει µε µηνύµατα σφαλµάτων σε περιπτώσεις δυσλειτουργίας. Ακόµη η κεντρική µονάδα περιλαµβάνει και ένα πληκτρολόγιο 12+1 πλήκτρων για να επιτρέπει στον χρήστη εύκολη πρόσβαση στις µεταβλητές του συστήµατος. Η τοπική µονάδα για να είναι εντελώς ανεξάρτητη, θα πρέπει και η τροφοδοσία της να είναι ανεξάρτητη. Για τον παραπάνω λόγο έχει επιλεγεί σαν τροφοδοτική µονάδα να χρησιµοποιηθεί ένας ηλιακός συλλέκτης ισχύος 50Watt που µε τον συνδυασµό του µε µια µπαταρία 12 Volt 80AHR θα εξασφαλίζεται συνεχής τροφοδοσία της µονάδας και η αυτονοµία της χωρίς να απαιτείται καµία εξωτερική σύνδεση. Στο πρώτο µέρος θα αναλύσουµε τα παραπάνω τµήµατα του τοπικού σταθµού αλλά και την σχεδίαση του κάθε τµήµατος ξεχωριστά. Ο τοπικός σταθµός κάνει ΠΡΟΛΟΓΟΣ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ 4
κάποιες µετρήσεις, τις επεξεργάζεται και τις αποστέλλει στον κεντρικό σταθµό (master unit). Ο τελευταίος έχει σαν έργο να λάβει τα δεδοµένα και να τα απεικονίσει στην οθόνη του υπολογιστή όπως φαίνεται και στο σχήµα 2. Τον κεντρικό σταθµό λοιπόν θα τον απαρτίζουν, ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής και ένα modem GSM το οποίο θα συνδέεται µε το αντίστοιχο της τοπικής µονάδας κάθε φορά που θα έχουµε λήψη δεδοµένων. Τα δεδοµένα που θα λαµβάνονται από την αποµακρυσµένη µονάδα, θα τα επεξεργάζεται ένα πρόγραµµα που θα είναι και υπεύθυνο για την περαιτέρω αξιοποίηση των δεδοµένων. Το δοµικό διάγραµµα του όλου συστήµατος φαίνεται στο σχήµα 3. Με τον κεντρικό σταθµό συλλογής δεδοµένων θα ασχοληθούµε στο δεύτερο µέρος της διπλωµατικής. Στο τρίτο µέρος της διπλωµατικής βρίσκονται τα παραρτήµατα, που περιέχουν χρήσιµες τεχνικές πληροφορίες για το σύστηµα που σχεδιάστηκε. Σχήµα 2. Απεικόνιση εδοµένων στην κεντρική µονάδα ΠΡΟΛΟΓΟΣ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5
ΤΟΠΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ ΟΚΤΩ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ- ΕΞΟ ΟΣ: 4-20mA 8 CHANNELS ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ (ANALOG CARD) ΟΚΤΩ ΚΑΝΑΛΙΩΝ DUAL BAND 900/1800 MHz ANTENNA POWER SPI GSM MODEM RS 232 ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑ Α ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ (Κ.Μ.Ε.) ΠΑΡΕΧΕΙ: ΠΛΗΚΤΡΟΛΟΓΙΟ, ΟΘΟΝΗ LCD, ΣΕΙΡΙΑΚΗ ΘΥΡΑ, ΘΥΡΑ SPI. POWER ΜΟΝΑ Α ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑΣ 12VDC POWER ΚΕΝΤΡΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ DUAL BAND 900/1800 MHz ANTENNA ΠΡΟΣΩΠΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ (PC) ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ: GSM-Com RS 232 GSM MODEM Σχήµα 3. οµικό διάγραµµα όλου του συστήµατος. ΠΡΟΛΟΓΟΣ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ 6
ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΠΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ (SLAVE UNIT) 1ο ΜΕΡΟΣ 7
8
ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΧΕ ΙΑΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ. Στην εισαγωγή της διπλωµατικής έγινε µια αναφορά στο σύστηµα µέτρησης, που περισσότερο είχε σαν στόχο να µας προβληµατίσει πάνω στις επιλογές που θα έπρεπε να κάνουµε για το ζητούµενο θέµα. Θα αρχίσουµε να εξετάζουµε το σύστηµα από έξω προς τα µέσα, δηλαδή αρχίζοντας από τις πηγές αναλογικού σήµατος που θα είναι και είσοδοι στο σύστηµα µέτρησης και στην συνέχεια θα προχωρήσουµε µέχρι την ψηφιακή έξοδο προς την κεντρική µονάδα επεξεργασίας. Το ζητούµενο στο σύστηµα που εξετάζουµε, είναι να πραγµατοποιούµε κάποιες µετρήσεις φυσικών µεγεθών. Για να µετρήσουµε µεγέθη, όπως για παράδειγµα, η θερµοκρασία, θα πρέπει να χρησιµοποιηθούν τα κατάλληλα αισθητήρια για να παρακολουθούµε την εκάστοτε φυσική ποσότητα. Σήµερα σχεδόν για κάθε φυσική ποσότητα υπάρχει ένα ή και περισσότερα µετρητικά ενός ή διαφόρων τύπων, για παράδειγµα για την µέτρηση θερµοκρασίας που αναφέρθηκε παραπάνω µπορούν να χρησιµοποιηθούν σαν αισθητήρια, θερµόµετρα διαστολής, θερµοζεύγη, αισθητήρια µε αντίσταση, θερµίστορ ή ηµιαγωγικούς µετατροπείς θερµοκρασίας. Η έξοδος του αισθητηρίου είναι συνήθως ένα ηλεκτρικό σήµα, που µεταβάλλεται ανάλογα µε τις µεταβολές του µετρούµενου φυσικού µεγέθους, και οδηγείται σε διατάξεις που ονοµάζονται µεταδότες. Ο µεταδότης µετατρέπει την έξοδο του αισθητηρίου σε ένα ηλεκτρικό σήµα το οποίο είναι συµβατό µε τα βιοµηχανικά standards. Το σύνηθες, όσον αφορά βιοµηχανικό υλικό, είναι οι δύο παραπάνω διακριτές διατάξεις να συνιστούν µία ενιαία διάταξη. Η παραπάνω διάταξη ονοµάζεται µετατροπέας µέτρησης. Με την πάροδο του χρόνου οι µεταδότες τυποποιήθηκαν στη χρήση σηµάτων 4-20 ma και 1-5 VDC. Από τα δύο παραπάνω σήµατα το πιό εµπορικό κρίθηκε το σήµα ρεύµατος το οποίο και θα χρησιµοποιήσουµε σαν είσοδο στο σύστηµα µέτρησης. Στην σχεδίαση του συστήµατος θεωρήσαµε ότι µε την µέτρηση οκτώ µετεωρολογικών µεγεθών θα είχαµε καλή ποιότητα πληροφόρησης για τον τοπικό σταθµό. Θα µπορούσαµε να µετράµε για παράδειγµα, θερµοκρασία αέρα, τοπική θερµοκρασία, ταχύτητα ανέµου, κατεύθυνση ανέµου, υγρασία ατµοσφαιρική, υγρασία εδάφους, στάθµη βροχόπτωσης και υγρασία εδάφους. Για οικονοµικούς λόγους στο πρωτότυπο του µετρητικού συστήµατος χρησιµοποιήθηκαν εικονικές µετρητικές διατάξεις, δηλαδή οκτώ πηγές ρεύµατος που θα προσοµοιώνουν τα πραγµατικά αισθητήρια και θα παρέχουν έξοδο 4-20 ma. Για τον παραπάνω λόγο κατασκευάστηκε ένα σύστηµα που περιλαµβάνει οκτώ πηγές ρεύµατος και παρέχει στον χρήστη την δυνατότητα να µεταβάλει ανεξάρτητα κάθε µία από τις παραπάνω εξόδους µέσα στο εύρος τιµών της εξόδου (4-20 ma). Η παραπάνω διάταξη φαίνεται στο σχήµα 1.1. Στο σχήµα αυτό φαίνονται οι έξοδοι των πηγών (κλεµοσειρά 1), ο διακόπτης on/off της διάταξης (2) και τα χειριστήρια των οκτώ καναλιών (3). Το σύστηµα µέτρησης, σχεδιάστηκε έτσι ώστε να περιλαµβάνει οκτώ αναλογικές εισόδους 4-20mA, από τις οποίες κάθε µία θα συνδέεται µε την έξοδο της αντίστοιχης µετρητικής διάταξης. Στο σχήµα 1.2 µπορούµε να δούµε το σύστηµα µέτρησης, ενώ στη συνέχεια θα αναλύσουµε την λειτουργία των επιµέρους τµηµάτων του. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 9
Σχήµα 1.1. Σύστηµα προσοµοίωσης των µετρητικών διατάξεων. Παρέχει οκτώ πηγές ρεύµατος 4-20 ma µε δυνατότητα ρύθµισης. Σχήµα 1.2. Σύστηµα µέτρησης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 10
Στο σχήµα 1.2 µπορούµε να διακρίνουµε την τοπολογία των εξαρτηµάτων που απαρτίζουν το σύστηµα µέτρησης και την αρχιτεκτονική του. Το τµήµα 2 απαρτίζει το αναλογικό τµήµα του συστήµατος και αριστερά το υπόλοιπο αποτελεί το ψηφιακό µέρος. Ο διαχωρισµός αναλογικου και ψηφιακού µέρους είναι διακριτός και δεν είναι τυχαίος. Σε σχεδιάσεις ψηφιακών συστηµάτων τα οποία συνεργάζονται µε αναλογικά κυκλώµατα, γνωστό στην ξένη βιβλιογραφία ως when analog meets digital, ακολουθούµε κάποια πρότυπα σχεδίασης για την αντιµετώπιση του θορύβου που θα µπορούσε να αλλοιώσει την αξιοπιστία του συστήµατος. Για τον λόγο αυτό στο ψηφιακό τµήµα σαν γείωση χρησιµοποιούµε µια µεγάλη επιφάνεια χαλκού (ground frame) ενώ την γείωση την περνάµε στο αναλογικό µέρος από ένα σηµείο χρησιµοποιώντας µια πολύ λεπτή γραµµή χαλκού. Το παραπάνω µέτρο λαµβάνεται στο επίπεδο σχεδίασης της πλακέτας και µπορούµε να διακρίνουµε τα παραπάνω στο σχήµα 1.3. Στο επίπεδο σχεδίασης του κυκλώµατος το µέτρο που πάρθηκε στο Σχήµα 1.3 Σχεδίαση πλακέτας για µείωση του ηλεκτρικού θορύβου. σύστηµα µέτρησης είναι η χρήση χαµηλοπερατών φίλτρων (low pass filter). Η βαθµίδα φιλτραρίσµατος του εισαγόµενου σήµατος από τις µετρητικές διατάξεις διακρίνεται στο σχήµα 1.2, όπου το σήµα εισέρχεται από την κλεµοσειρά (1) και η βαθµίδα αποκοπής υψηλών συχνοτήτων είναι η (3). Τα χαµηλοπερατά φίλτρα είναι τύπου (T) L-C-L θωρακίζουν το κύκλωµα κυρίως από θόρυβο αιχµών (spikes). Το αναλογικό τµήµα του συστήµατος µέτρησης ολοκληρώνεται µε µία µεταβλητή αντίσταση για κάθε µία είσοδο. Σκοπός της µεταβλητής αντίστασης είναι να µετατρέψει το ρεύµα που την διαρρέει σε τάση, κατάλληλη για να µετρηθεί στη συνέχεια από τον µετατροπέα A/D. Έτσι το αναλογικό τµήµα θα παρέχει οκτώ τάσεις κατάλληλες προς επεξεργασία και ανάλογες µε το σήµα των µετρητικών διατάξεων, δηλαδή µε τα µετρούµενα φυσικά µεγέθη. Η καρδία της µετρητικής διάταξης είναι ο µικρουπολογιστής που την πλαισιώνει (σχήµα 1.2 -(4)) και είναι υπεύθυνος για της λειτουργίες της κάρτας. Ο µικρουπολογιστής που χρησιµοποιήθηκε περικλείει και A/D οκτώ καναλιών, είναι αρχιτεκτονικής RISC 8-bit µε κωδικό AT90S8535 της εταιρίας Atmel. Το ψηφιακό ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 11
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 12
µέρος λοιπόν απαρτίζεται απο τον µικροεπεξεργαστή και από κάποια εξαρτήµατα που σχετίζονται µε την λειτουργία του και όπως διακρίνονται στο σχήµα 1.2 είναι, ο κρύσταλλος-ταλαντωτής του συστήµατος (5), το button reset (6) του συστήµατος, οι βραχυκυκλωτές (7) και ο connector (8) της σειριακής θύρας της κάρτας. Το σχηµατικό διάγραµµα του συστήµατος µέτρησης φαίνεται στο σχήµα 1.4. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ. Σ αυτό το µέρος θα δούµε µε ποιό τρόπο λειτουργεί το σύστηµα µέτρησης και ποιά είναι η θέση του στη γενικότερη διάταξη του τοπικού σταθµού. Στην ουσία, το όλο σύστηµα είναι ο µικρουπολογιστής, ενώ τα υπόλοιπα µέρη που πλαισιώνουν το σύστηµα µέτρησης απλώς εξασφαλίζουν την σωστή λειτουργία. Παρακάτω θα δούµε και θα αναλύσουµε τις εργασίες που διεκπεραιώνει ο 8535. Ο 8535 έχει ενσωµατωµένο στο εσωτερικό του κύκλωµα µετατροπής αναλογικού σε ψηφιακό, το οποίο έχει οκτώ εισόδους. Το κύκλωµα αυτό φαίνεται στο σχήµα 1.5. Κάθε µία από τις οκτώ αναλογικές εισόδους του 8535 µπορεί να µετατρέψει την τάση που θα εφαρµοστεί στην είσοδο σε µια ψηφιακή λέξη µήκους 10bit. Η τάση που θα εφαρµοστεί στην είσοδο δεν θα πρέπει να ξεπερνάει την τάση αναφοράς του A/D, η οποία στην εφαρµογή µας είναι 3,7 Volt (Vref) ενώ η τροφοδοσία της διάταξης είναι 3.85 VDC (Vcc), γιατί στην περίπτωση που η τάση ξεπεράσει το παραπάνω όριο υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του µικροεπεξεργαστή. Σχήµα 1.5. Σχηµατικό διάγραµµα του εσωτερικού µετατροπέα A/D του 8535. Εφαρµόζουµε στις εισόδους της κάρτας οκτώ σήµατα ρεύµατος 20 ma και ρυθµίζουµε την µεταβλητή αντίσταση, του αναλογικού τµήµατος, για κάθε κανάλι, έτσι ώστε στην είσοδο του 8535 να έχουµε τάση ίση µε την τάση αναφοράς του µετατροπέα. Με τον παραπάνω τρόπο αντιστοιχούµε το µέγιστο στο µέγιστο, δηλαδή αξιοποιούµε στο έπακρο την δυνατότητα µέτρησης του 8535. Έτσι όταν το σήµα που δεχόµαστε είναι 20 ma (max) θα µετατρέπεται µέσω του A/D στην ψηφιακή λέξη $03ff (δεκαεξαδική τιµή, αντίστοιχη δεκαδική: 1023), ενώ σε είσοδο 4 ma αντιστοιχεί η ψηφιακή λέξη $CC ή στο δεκαδικό 205, αφού η διακριτικότητα είναι 3,61328 mv και η τάση στην είσοδο για σήµα 4 ma είναι 0,74 Volt, µια και τα µεγέθη είναι αναλογικά. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 13
Με τον τρόπο που περιγράψαµε παραπάνω, ο 8535 µπορεί να µετατρέπει τα σήµατα που προέρχονται από τις µετρητικές διατάξεις σε ψηφιακή µορφή, η οποία θα µας επιτρέψει να την επεξεργαστουµε παραπέρα. Οπότε µετά από κάθε δειγµατοληψία αφαιρούµε από την µέτρηση την τιµή 205, για να αντιστοιχίσουµε στο ψηφιακό µηδέν για είσοδο 4 ma, δηλαδή µε το µηδέν της µετρητικής διάταξης. Τι γίνεται όµως όταν η είσοδος είναι µικρότερη από 4 ma; Σ αυτή την περίπτωση, όταν δηλαδή το αποτέλεσµα της αφαίρεσης είναι αρνητικό, ενηµερώνεται η σηµαία σφάλµατος του αντίστοιχου καναλιού, για να αποσταλεί αργότερα µαζί µε τα υπόλοιπα δεδοµένα στην κεντρική µονάδα επεξεργασίας, και θα υποδηλώνει κακή λειτουργία του αντίστοιχου καναλιού (πιθανόν κακή σύνδεση). Ο αλγόριθµος που χρησιµοποιείται για την µέτρηση των αναλογικών σηµάτων, µετατρέπει την τιµή που εισόδου σε ποσοστό επί τις εκατό, του εύρους σήµατος της εξόδου των µετρητικών συστηµάτων, δηλαδή των 4-20 ma. Η παραπάνω λύση προσδίδει ευελιξία στο σύστηµά µας, αφού δεν περιοριζόµαστε κάθε φορά από το φυσικό µέγεθος που µετράται, έτσι στην κεντρική µονάδα που θα καταλήξουν τα δεδοµένα των µετρήσεων θα αντιστοιχίσουµε το ποσοστιαίο µέγεθος του αντίστοιχου καναλιού (από τον αντίστοιχο τοπικό σταθµό), στην αντίστοιχη φυσική σταθερά. Ας δούµε όµως πώς ακριβώς λειτουργεί ο αλγόρυθµος. Τα µετρούµενα µεγέθη έχουν την ιδιοµορφία να µεταβάλλονται µε πολύ αργό ρυθµό, για παράδειγµα η θερµοκρασία µπορεί να µείνει αµετάβλητη για ένα µεγάλο χρονικό διάστηµα, όπως γνωρίζουµε από την προσωπική µας εµπειρία. Το παραπάνω µας οδήγησε στην επιλογή του χρόνου δειγµατοληψίας, στα 15 min χωρίς να είναι περιοριστική αυτή η επιλογή, αλλά επειδή θεωρήσαµε ότι ο αριθµός των 96 µετρήσεων ηµερησίως για τα οκτώ φυσικά µεγέθη είναι απόλυτα ικανοποιητικός στη συγκεκριµένη εφαρµογή. Έτσι κάθε 15 min πραγµατοποιείται µια σάρωση των αναλογικών εισόδων µε µια διαδικασία που εξασφαλίζει περαιτέρω µείωση του θορύβου που περιγράφεται παρακάτω. Πριν από κάθε µέτρηση οδηγούµε τον µικροεπεξεργαστή σε κατάσταση ύπνου (sleep mode), µε αποτέλεσµα κάθε εσωτερική λειτουργία του 8535 να σταµατάει µε σκοπό, κατά την µέτρηση να υπάρχει πλήρης ηρεµία στο σύστηµα και µόνο τότε, δηλαδή όταν δεν υπάρχουν διαταραχές να πραγµατοποιηθεί η µέτρηση. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζουµε αξιοπιστία στην τελική µέτρηση αλλά και γενικά µε την όλη σχεδίαση του συστήµατος για τον θωρακισµό απο τον θόρυβο τα αποτελέσµατα είναι πολύ ικανοποιητικά χωρίς να χρειάζεται η προσθήκη κάποιου ψηφιακού φίλτρου (που ήταν στα αρχικά σχέδια, προσθήκη εκθετικού φίλτρου). Στη συνέχεια οι µετρήσεις που έχουν αποθηκευτεί στη µνήµη του συστήµατος, αφού γίνει η αντιστοίχιση του σηµείου µηδέν και ο έλεγχος της σηµαίας σφάλµατος, µετατρέπονται σε ποσοστιαίο µέγεθος. Τα 4 ma αντιστοιχούν στο µηδέν και τα 20 ma στο 820 (1024 205), έτσι αν x η τιµή που µετρήθηκε µείον την σταθερά αντιστοίχισης 205, το ποσοστιαίο µέγεθος προκύπτει από την παρακάτω σχέση: 100000 y% = x = 122 x = **,***% 820 η οποία µας δίνει ακρίβεια τριών δεκαδικών ψηφίων και περιορίζει το σφάλµα αποκοπής. Από την τιµή του y% που υπολογίσαµε, λαµβάνονται µόνο τα τέσσερα σηµαντικότερα ψηφία, αποκόπτοντας το τρίτο δεκαδικό ψηφίο. Ο παραπάνω τετραψήφιος αριθµός καταλαµβάνει 2 byte µνήµης. Τα δύο byte που περιέχουν το ποσοστιαίο µέγεθος στο δυαδικό σύστηµα αποτελούν είσοδο µιας υπορουτίνας του λογισµικού, η οποία µετασχηµατίζει τον δυαδικό αριθµό σε τέσσερα ψηφία BCD. Ανά δύο τα BCD ψηφία αποθηκεύονται σε διαδοχικά byte και ο συνολικός αριθµός ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 14
δεσµεύει 2 byte µνήµης. Στο high byte αποθηκεύονται τα δύο πιο σηµαντικά ψηφία και στο low byte τα δύο δεκαδικά, πάντα από το σηµαντικότερο προς το λιγότερα σηµαντικό. Για κάθε κανάλι δεσµεύουµε δύο διαδοχικά byte στην περιοχή µνήµης στην οποία αποθηκεύονται τα αποτελέσµατα των µετρήσεων. Μετά το πέρας της σάρωσης δηµιουργείται ένας πίνακας διαδοχικών θέσεων στην µνήµη του 8535, ο οποίος έχει µήκος 8*2+1=17 bytes και περιέχει τα αποτελέσµατα των µετρήσεων για τα οκτώ κανάλια και ένα byte που περιέχει τις οκτώ σηµαίες λάθους (στο bit0 η σηµαία λάθους του καναλιού µηδέν κ.ο.κ). Ο παραπάνω πίνακας µαζί µε έναν αριθµό τριών byte (τίτλος του πακέτου), αποτελεί το πακέτο πληροφορίας που αποστέλλει το σύστηµα µέτρησης προς την κεντρική µονάδα επεξεργασίας του τοπικού σταθµού. Η µορφή του αποστελλόµενου πακέτου διακρίνεται στο σχήµα 1.6 που ακολουθεί. Ο ΤΙΤΛΟΣ ΤΟΥ ΠΑΚΕΤΟΥ ΕΙΝΑΙ ΕΝΑΣ ΑΡΙΘΜΟΣ 3ων BYTE ΠΟΥ ΥΠΟ ΗΛΩΝΕΙ ΤΗΝ ΓΝΗΣΙΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΠΑΚΕΤΟΥ. ΠΕΡΙΕΧΕΙ ΤΑ ΥΟ ΕΚΑ ΙΚΑ ΨΗΦΙΑ ΤΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ, ΓΙΑ ΤΟ ΚΑΝΑΛΙ 0, ΣΕ BCD ΜΟΡΦΗ. ΤΟ ΛΙΓΟΤΕΡΟ ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ ΨΗΦΙΟ ΒΡΙΣΚΕΤΑΙ ΣΤΟ LOW NIBLE ΤΟΥ BYTE. ΣΧΗΜΑ 1.6. Η ΜΟΡΦΗ ΤΟΥ ΠΑΚΕΤΟΥ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΠΟΥ ΑΠΟΣΤΕΛΛΕΙ ΤΟ Σ.Μ. ΣΤΗΝ Κ.Μ.Ε. ΠΡΟΣ ΚΜΕ TITLE #1 (1 st BYTE) TITLE #2 (2 nd BYTE) TITLE #3 (3 rd BYTE) CHANNEL ERROR FLAG CHANNEL 0 LOW BYTE CHANNEL 0 HIGH BYTE CHANNEL 1 LOW BYTE CHANNEL 1 HIGH BYTE CHANNEL 2 LOW BYTE CHANNEL 2 HIGH BYTE CHANNEL 3 LOW BYTE CHANNEL 3 HIGH BYTE CHANNEL 4 LOW BYTE CHANNEL 4 HIGH BYTE CHANNEL 5 LOW BYTE CHANNEL 5 HIGH BYTE CHANNEL 6 LOW BYTE CHANNEL 6 HIGH BYTE CHANNEL 7 LOW BYTE CHANNEL 7 HIGH BYTE ΤΟ BYTE ΑΥΤΟ ΠΕΡΙΕΧΕΙ ΤΙΣ ΣΗΜΑΙΕΣ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ. ΑΝ ΤΟ BIT n (n=0-7) ΕΙΝΑΙ 1, ΤΟΤΕ ΣΦΑΛΜΑ ΣΤΟ ΚΑΝΑΛΙ n. ΠΕΡΙΕΧΕΙ ΤΑ ΥΟ ΑΚΕΡΑΙΑ ΨΗΦΙΑ ΤΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ, ΓΙΑ ΤΟ ΚΑΝΑΛΙ 0, ΣΕ BCD ΜΟΡΦΗ. ΤΟ ΛΙΓΟΤΕΡΟ ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ ΨΗΦΙΟ ΒΡΙΣΚΕΤΑΙ ΣΤΟ LOW NIBLE ΤΟΥ BYTE. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 15
Με αυτό τον τρόπο ολοκληρώνεται η δειγµατοληψία και αυτό που αποµένει πλέον είναι να µεταφερθούν τα δεδοµένα στην κεντρική µονάδα επεξεργασίας µε την οποία το σύστηµα ελέγχου συνδέεται σειριακά. Η σειριακή επικοινωνία εξασφαλίζεται µέσω του SPI πρωτοκόλλου επικοινωνίας που υποστηρίζουν οι επεξεργαστές της εταιρίας Atmel (Serial Peripheral Interface) το οποίο επιτρέπει σύγχρονη µεταφορά δεδοµένων µε υψηλή ταχύτητα µεταξύ µικροεπεξεργαστών της συγκεκριµένης εταιρίας. Το παραπάνω πρωτόκολλο το χαρακτηρίζουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Αµφίδροµη επικοινωνία - σύγχρονη µεταφορά δεδοµένων Λειτουργία αφέντη-σκλάβου (master-slave operation) Μετάδοση πρώτα του LSB ή του MSB Τέσσερις επιλογές για την ταχύτητα µετάδοσης Σηµαία διακοπής για το τέλος εκποµπής ή λήψης Οι δύο επεξεργαστές που επικοινωνούν µέσω SPI λειτουργούν διατηρώντας µεταξύ τους µια σχέση αφέντη-σκλάβου. Το σύστηµα που πρόκειται να στείλει δεδοµένα ορίζεται σαν αφέντης και τροφοδοτεί µε ενα σήµα χρονισµού το σύστηµα λήψης, που ορίζεται σαν σκλάβος, για να επιτευχθεί σύγχρονη επικοινωνία µεταξύ τους. Κάθε φορά που εµφανίζεται ένας παλµός από τον αφέντη ολισθαίνει και ένα bit πληροφορίας στο κανάλι επικοινωνίας, µέχρις ότου να αδειάσει ο buffer εξόδου του αφέντη. Τοποθετώντας ένα byte πληροφορίας στον buffer εκποµπής του αφέντη, αυτόµατα σηµατοδοτείται και η εκκίνηση της διαδικασίας η οποία έχει ως αποτέλεσµα να αδειάζει, µέσα από τον δίαυλο επικοινωνίας µεταξύ των δύο συστηµάτων, ο buffer εξόδου του αφέντη στον buffer εισόδου του σκλάβου. Το σχηµατικό διάγραµµα του Serial Peripheral Interface φαίνεται στο σχήµα 1.7. Σχήµα 1.7. Σχηµατικό διάγραµµα λειτουργίας του SPI. Το σύστηµα µέτρησης είναι η βαθµίδα του συστήµατος όπου το αναλογικό σήµα µετασχηµατίζεται σε ψηφιακό. Οι απαιτήσεις µας όσον αφορά τη λειτουργία του είναι να πραγµατοποιεί αξιόπιστες µετρήσεις µε το ελάχιστο δυνατό σφάλµα και να µεταφέρει τα δεδοµένα στην κεντρική µονάδα επεξεργασίας µε ταχύτητα και ασφάλεια. Για να εξασφαλίστεί το πρώτο ζητούµενο έχουµε αναφέρει τις τεχνικές απόρριψης θορύβου που χρησιµοποιήθηκαν αλλά και τον τρόπο που γίνεται τελικά η ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 16