Transmisja szeregowa

Szeroko używaną metodą komunikacji jest transmisja szeregowa. Używa ona jedną linię sygnałową (plus masę) w jedną stronę plus drugą linię w przeciwną stronę. Tradycyjnie w komputerach PC był port szeregowy RS-232. Taki port używa napięcia 12V i -12V które są kłopotliwe (zbyt duże) dla mikrosterowników, toteż gdybyśmy chcieli połączyć się przez taki port z mikrosterownikiem to potrzebujemy dodatkowy układ do zmiany poziomu napięć. Obecnie zamiast normalych portów szeregowych często używa się konwertorów ("kabli") z USB na RS-232. Konwertor na RS-232 sprawia ten sam problem z napięciami co tradycyjny port szeregowy. Na szczęście są obecnie dostępne konwertory które logicznie dają taki sam sygnał jak RS-232, ale używają napięć 0V i 3.3V jako sygnałów (często nazywa się to "TTL serial port"), co typowo pozwala na bezpośrednie łączenie z mikrosterownikami. W mikrosterownikach często są sprzętowe porty szergowe, logicznie dające sygnał jak RS-232, ale na poziomie napięć takim samym jak inne wejścia/wyjścia cyfrowe procesora. W przypadku gdy sprzętowy port nie jest dostępny ale dostępny jest stabilny zegar można używać programową transmisję szeregową (z ograniczoną szybkością). Transmisję szeregową i RS-232 często używa się jako synonim, ale są to różne pojęcia. RS-232 specyfikuje użycie jednej lub dwu (dwu gdy chcemy równoczesną transmisję w obu kierunkach) linii sygnałowych i lini masy. Na lini sygnałowej mamy napięcie reprezentujące sygnał. Taka linia transmisyjna ma niezbyt dobre parametry elektryczne, co ogranicza możliwą szybkość transmisji na większe odległości. Znacznie lepsze parametry mają tzw. symetryczne linie różnicowe gdzie linia ma dwa przewody, na gdy na jednym podajemy napięcie dodatnie to na drugim symetryczne doń napięcie ujemne. Odbiornik wtedy reaguje na różnicę napięć między przewodami co eliminuje wiele zakłóceń. Skręcając przewody tak że w przybliżeniu tworzą długie symetryczne spirale dodakowo znacznie ograniczamy zakłócenia. Ponadto z zgodnie z teorią tzw. linii długich dba się o dopasowanie nadajnika i odbiornika do linii. Odpowiednie ustalenia są zawarte w standarcie RS-422 który używając tą samą strukturę logiczną co RS-232 dzięki odpowiedniej konstrukcji elektrycznej pozwala na uzyskanie znacznie lepszego tempa transmisji na większe odległości (dziesiątki metrów do pojedyńczych kilometrów). Od RS-422 częściej jest używany RS-485 który mając te same parametry szybkościowe jak RS-422 pozwala na podłaczanie wielu nadajników i odbiorników do jednej linii (oczywiście w danym momencie tylko jeden nadajnik może być aktywny). RS-485 funkcjonuje jak sieć komputerowa. W porównaniu z np. Ethernetem ma mniejszą przepustowość, tzn. czas transmisji dużego pliku po RS-485 będzie większy niż po Ethernecie. Jednakże Ethernet tranmituje pakiety których minimalna długość to 64 bajty. Po RS-485 zwykle używa się znacznie mniejsze pakiety. W efekcie do celów sterowania RS-485 może mieć konkurencyją szybkość. Ponadto RS-485 był tańszy i stawia znacznie mniejsze wymagania w stosunku do komunikujących się procesorów, co spowodowało że jest on szeroko stosowany w przemyśle. My nie mamy urządzeń RS-485, ale podstawowa obsługa jest taka jak dla normalnego portu szeregowego. Większość płytek które mamy zawiera interfejs USB który pozwala na komunikację szeregową z uruchamianym procesorem. Tzn. pod Linuxem widzimy port wirtualny szeregowy który (poprzez USB) jest połączony z portem szeregowym uruchamianego procesora. Mamy też oddzielne konwertory z USB na port szeregowy "TTL". Uwaga: klasyczne konwertory RS-232 produkują napięcia niebezpieczne dla procesorów (rzędu +-12V), dlatego ważne jest użycie konwertora dającego odpowiedni poziom. Procesor w Stellaris Launchpad zawiera 8 portów szeregowych, port numer 0 jest połączony z interfejsem uruchomieniowym, pozostałe można użyć niezależnie. Aby wypróbować komunikację komputera PC z mikrosterownikiem może pomóc następujący program.

Wypróbować komunikację między dwoma procesorami przy pomocy portu szeregowego.

Uwaga: Ze względu na poziomy napięć nie należy łączyć Arduino z MSP430 Launchpad. Połączenie procesorów tego samego typu czy też Arduino lub MSP430 Launchpad ze Stellaris Launchpad powinno działać.

Uwaga: Interfejs uruchomieniowy w MSP430 Launchpad zawiera interfejs USB do portu szeregowego. Niestety, ten interfejs ma szybkość ustaloną na 9600 i zawiesza się jeśli MSP430 transmituje a komputer PC nie odbiera. Ponadto by go użyć z procesorem MSP430G2553 trzeba ustawić poprzecznie zworki portu szergowego (podłużne ustawienie zamienia miejscami linie TX i RX i odpowiada procesorowi MSP430G2452). Lepiej działa podłączenie oddzielnego konwertora z USB na port szeregowy "TTL", rozłączamy wtedy zworki portu szeregowego i połączamy linię TX konwertora do RX procesora zaś RX kowertora do TX procesora. Dodatkowo nasze konwertory mają wyprowadzone napięcie 5V co pozwala podłączać do MSP430 Launchpad moduły wymagające zasilania 5V (oczywiście pod warunkiem że linie sygnałowe nie mają zbyt dużego napięcia).

SPI

SPI jest bardzo prostą metodą transmisji pozwalającą uzyskać niezłą szybkość na małe odległości. Interfejs SPI łączy urządzenie nadrzędne z jednym lub więcej urządzeniami podrzędnymi. Sprzętowe interfejsy SPI w mikrosterownikach zwykle umożliwiają pracę zarówno jako urządzenie nadrzędne jak i jako urządzenie podrzędne. W środowiskach Arduino i Energia do obsługi SPI można użyć biblitekę SPI. Implementuje ona tylko tryb pracy jako urządzenie nadrzędne. Program spi0.ino pokazuje proste użycie do sterowania rejestru przesuwającego. Tą samą funkcję można zrealizować programowo, pokazuje to soft_spi.ino.

Uwaga: Procesor w Stellaris Launchpad zawiera 4 interfejsy SPI. Domyślny interfejs jest dostępny jako obiekt SPI i normalnie jest to sprzętowy interfejs numer 2 (można to zmienić wykonując metodę 'setModule' przed wywołaniem 'begin'). Domyślna konfiguracja używa portu PA_5 do wyboru urządzenia podrzędnego. Wydaje się że powoduje to konflikt gdy używamy interfejs numer 0. W przykładzie nie używamy linii wyboru urządzenia podrzędnego, ale konfigurujemy ją na PC_7 aby uniknąć konfliktu.

Uwaga: Nóżki używane przez intefejsy SPI są w pliku źródłowym biblioteki, poniżej odpowiedni fragment:

static const unsigned long g_ulSSIConfig[4][4] =
{
    {GPIO_PA2_SSI0CLK, GPIO_PA3_SSI0FSS, GPIO_PA4_SSI0RX, GPIO_PA5_SSI0TX},
    {GPIO_PF2_SSI1CLK, GPIO_PF3_SSI1FSS, GPIO_PF0_SSI1RX, GPIO_PF1_SSI1TX},
    {GPIO_PB4_SSI2CLK, GPIO_PB5_SSI2FSS, GPIO_PB6_SSI2RX, GPIO_PB7_SSI2TX},
    {GPIO_PD0_SSI3CLK, GPIO_PD1_SSI3FSS, GPIO_PD2_SSI3RX, GPIO_PD3_SSI3TX},};

Tradycyjna terminologia (MOSI i MISO) sugeruje zmianę kierunku linii gdy interfejs SPI zmienia rolę z nadrzędnego na podrzędny. W Stellaris Launchpad kierunek się nie zmienia i terminologia (RX, TX) to odzwierciedla.

Uwaga: W MSP430 nóżka P1.6 to MISO, P1.7 to MOSI zaś P1.5 to SCK. Dodatkowo, na poziomie sprzętu nóżka P1.4 może być użyta do uktywniania interfejsu, w szczególności gdy MSP430 jest interfejsem podrzędnym to sygnał na tej nóżce informuje MSP430 czy został wybrany Niestety, przypisanie MISO do P1.6 oznacza że zieloną diodę świecącą (podłączoną do P1.6) nie da się używać razem z interfejsem SPI. MSP430G2553 ma jeszcze drugi interfejs SPI, który współdzieli sprzęt z portem szeregowym. Jednakże biblioteka SPI obsługuje tylko jeden interfejs. Domyslnie do uaktywniania urządzenia podrzędnego biblioteka SPI używa linię P2.0. Interfejs SPI w MSP430 jest realizowany przez ten sam sprzęt co interfejs I2C, dlatego nie da się użyć obu równocześnie. Dokładniej, sprzęt pozwala na użycie interfejsu normalnie używanego przez port szeregowy jako SPI co dałoby jedno SPI plus I2C, ale biblioteka SPI nie implementuje takiej możliwości.

Uwaga: W Arduino nóżka 11 to MOSI, 12 to MISO zaś 13 to SCK. Ponadto domyślnie nóżka 10 służy do wyboru urządzenia podrzędnego. Nawet jeśli użyjemy inną linię do wyboru urządzenia podrzędnego linia 10 musi byc skonfigurowana jako wyjście (inaczej interfes przełączyłby się w tryb podrzędny, co nie działa z biblioteką SPI). W Arduino linia 13 podłączona jest do pomarańczowej diody świecącej, do oznacza że nie da się użyć tej diody razem z SPI. Dokładniej, dioda będzie świeciła zależnie od sygnału SCK.

Komentarz: SPI jest używane do komunikacji z wieloma różnymi urządzeniami. Np. wyświetlacz Nokii 5110 w programie przykładowym jest obsługiwany przez programowe SPI, ale lepiej by było obsłużyć go przy pomocy sprzętowego SPI.

I2C

I2C jest prostą metodą transmisji, nieco bardziej skomplikowaną niż SPI i dającą nieco mniejszą szybkość, ale pozwalającą na połączenie wielu urządzeń przy pomocy tylko dwu linii sygnałowych (plus masy). W Arduino linia SDA z I2C jest oznaczana jako A4 zaś SCL ma oznaczenie A5. W MSP430 Launchpad linia SDA jest oznaczna przez P1.6 zaś linia SCL ma oznaczenie PA.7. Stellaris Launchpad ma 4 interfejsy I2C, nóżki definiuje poniższy fragment:

static const unsigned long g_uli2cConfig[4][2] =
{
    {GPIO_PB2_I2C0SCL, GPIO_PB3_I2C0SDA},
    {GPIO_PA6_I2C1SCL, GPIO_PA7_I2C1SDA},
    {GPIO_PE4_I2C2SCL, GPIO_PE5_I2C2SDA},
    {GPIO_PD0_I2C3SCL, GPIO_PD1_I2C3SDA}
};

W Stellaris Launchpad domyślny interfejs ma numer 1, tzn. linia PA6 to SCL zaś PA7 to SDA. Interfejs I2C obsługuje biblioteka Wire. Wypróbować komunikację między dwoma procesorami przy pomocy tej biblioteki.

Program i2c_ex.ino ilustruje komunikację z układem MCP23017 (tzn. ekspanderem wejścia wyjścia). Dokumentacja układu wyjaśnia szczegóły.

Komentarz: Wiele urządzeń używna interfejs I2C. Oprócz układu MCP23017 mamy też moduły z zegarem DS1307 i pamięcią EEPROM 24C32.

Komentarz: Na bazie I2C jest zdefinowany protokuł SMBUS który jest standartowo używany w komputerach PC do komunikacji z czujnikami (temperatury, napiecia, obrotów wentylatorów, ...), komunikacji z monitorami i odczytu informacji o parametrach RAM.

Ethernet

Ethernet jest standartem dla lokanych sieci komputerowych. Obecnie coraz częściej jest używany również do komunikacji z mikrosterownikami. Zaletą Ethernetu jest duża przepustowość i możliwość współpracy z siecią rozległą. Mamy dwa moduły ethernetu. Jeden to Arduino Ethernet Shield, obsługiwane przez bibliotekę Ethernet w środowisku Arduino (teoretycznie ten moduł powinien działać z innymi sterownikami niż Arduino, ale wymaga to trochę pracy). Drugim modułem jest moduł na układzie ENC28J60, obsługiwany przez bibliotekę "ethercard" w środowisku Arduino. Oryginalna biblioteka jest specyficzna dla procesorów AVR, ale w pracowni mamy wersję która powinna działać z innemi procesorami Oba moduły komunikują się z procesorem za pomocą SPI. Komentarz: Bibloteka "ethercard" niby impementuje TCP/IP, ale są poważne ograniczenia:

potrzebna jest brama (gateway), wszystkie pakiety są wysyłane do bramy, nie ma możliwości wysłania bezpośrednio do komputera docelowego jeśli jest różny od bramy
TCP obsługuje tylko połączenia gdzie dane mieszczą się w pojedynczym pakiecie.

Moduły radiowe z nRF24L00+

W wielu przypadkach wygodna jest komunikacja radiowa. Proste moduły do transmisji na małe odległości w paśmie 2.4 GHz często używają układu nRF24L00+. Moduły z tym układem w środowisku Energia i Arduino są obsługiwane przez bibliotekę Enrf24.

Uwaga: Procesor komunikuje się układem nRF24L00+ za pomocą SPI. Biblioteka Enrf24 używa obiektu SPI, czyli domyślnego interfejsu. Nóżki dla interfejsu SPI trzeba znaleźć w opisie SPI. Pozostałe nóżki sygnałowe modułu tzn. CE, CSN, IRQ podajemy (w tej kolejności) jako argument konstuktora obiektu klasy Enrf24.

Uwaga: Układ nRF24L00+ jest zasilany napięciem maksymalnie 3.6V. Gdy napięcie zasilające nie przekracza 3.3V linie wejścia/wyjścia układu tolerują napięcie 5V. Czyli podłączając moduł do MSP430 Launchpad czy Stellaris Launchpad zasilamy moduł tym samym napięciem co procesor (nóżka Vcc w MSP430 Launchpad, nóżka 3.3V w Stellaris Launchpad). Gdy podłączamy moduł do Arduino zasilamy go napięciem 3.3V.

Uwaga: Układ nRF24L00+ pracuje na tym paśmie co WiFi i wiele innych urządzeń. Oznacza to że uzyskanie połączenia może być utrudnione ze względu na zakłócenia (interferencję) od innych transmisji. Pasmo 2.4GHz jest podzielne na 126 kanałów po 1MHz. Układ nRF24L00+ pracuje w jednym z nich, wybranym w trakcie konfiguracji. Teoretycznie można zmieniać kanał pomiędzy transmisjami pakietów, ale nadajnik i odbiornik muszą uzywać ten sam kanał więc trzeba by jakoś synchronizować zmianę. WiFi używa bloków po 6 kanałów (tzn. kanał WiFi to 6MHz), dla nRF24L00+ lepiej wybrać kanał nie używany przez WiFi.

Moduły radiowe 433 MHz

Są to pary składające się z nadajnika i odbiornika. Nadajnik ma trzy linie: zasilania, masy i sygnału. Nadaje gdy na lini jest stan wysoki, w przeciwnym razie nie nadaje. Odbiornik ma cztery końcówki, ale też jest to zasilanie, masa i dwie połączone ze sobą końcówki sygnału. Stan wysoki na wyjściu sygnału oznacza że odbiornik słyszy sygnał, stan niski oznacza że nie słyszy. Jednakże nie można pary nadanik-odbiornik wykożystać jako prosty kanał do przesyłania bitów. Mianowicie, odbiornik stara się dostosować swoją czułość do siły sygnału i jeśli nadajemy same zera to może podniść czułość tak że będzie łapać zakłucenia. A więc sygnał nadawany musi być tak dobrany by odbiornik widział dostatecznie dużo jedynek. Innymi słowy przed wysłaniem do nadajnika bity trzeba odpowiednio zakodować a odbiornik musi je rozkodować. Moduły mają ograniczoną szybkość (rzędu 4800 zmian sygnału na sekundę). Sygnalizacja na paśmie 432 MHz jest często używana do sterowania. W szczególności moduły mogą być użyte do komunikacji z gniazdkami radiowymi. Wspiera to biblioteka rc-switch w środowisku Arduino.

Uwaga: Odbiornik wymaga zasilania 5V i daje sygnal 5V na wyjściu. Nadajnik powinien pracować zarówno z napięciem 3.3V jak i 5V, ale przy 3.3V moc będzie mniejsza i sygnał może być zbyt słaby.