Togstyring. Kian Soleiman Casper Lindholt Andersen Rune Lauritzen Jesper Dalsgaard Mikkel Krautz DE4-1-F09

Transkript

1 Togstyring Kian Soleiman Casper Lindholt Andersen Rune Lauritzen Jesper Dalsgaard Mikkel Krautz DE4-1-F09 2. februar 28. maj 2009

2 Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet Aalborg Universitet Esbjerg 4. Semester TITEL: Togstyring PROJEKTPERIODE: P4, foråret februar 28. maj 2009 PROJEKTGRUPPE: DE4-1-F09 GRUPPEMEDLEMMER: Kian Soleiman Casper Lindholt Andersen Rune Lauritzen Jesper Dalsgaard Mikkel Krautz VEJLEDERE: SYNOPSIS: Der konstrueres hardware til automatisering af en modeljernbane. Jernbanen skal kunne monitoreres på et interface på en PC, mens alt styring af banen foregår på microcontrollerniveau. Kommunikation til det microcontrollerstyrede tog foregår gennem forsyningsspændingen, og giver mulighed for at justere hastigheden på dette tog, med henblik på at kunne undgå kollision. Efter udførsel af diverse test kan det konkluderes at de enkelte system moduler, muliggør en kollisionssikret jernbane ved samling og finpudsning af modulerne. Bo Rohde Pedersen Daniel Ortiz-Arroyo OPLAG: 8 TOTAL SIDEANTAL: 92

3 2 Forord Denne rapport er udarbejdet på Aalborg Universitet Esbjerg af DE4-1-F09, som dokumentation for gruppens P4-projekt på 4. semester, foråret Projektets tema er Kombinerede analoge og digitale systemer, og gruppen har derfor valgt at kigge på problemstillingen: Er det muligt at lave et jernbanesystem, der skal undgå kollision mellem to tog, der har to forskellige hastigheder?. Rapportens målgruppe er vores vejledere samt de andre medstuderende på D/E-retningen. Rapporten er skrevet i et forståeligt sprog, der gør at læseren ikke behøver den store tekniske baggrundsviden. Visse ord er dog forklaret med fodnoter. Projektet opfylder de kriterier, som står anført i studieordningen. I rapporten henvises der til kilder og figurhenvisninger ved at angive afsnittet med [#]. Informationer om kilderne kan findes ved opslag i kildelisten bagerst i rapporten. Med rapporten medfølger en CD-ROM, der indeholder datablade for de forskellige komponenter og microcontrolleren, kildekode for software og tests, videoer af forskellige test, samt selve rapporten i PDF format. Der er inkluderet kodeeksempler i rapporten, koden står på følgende måde: 1 #include <s t d i o. h> 2 3 int main ( int argc, char argv [ ] ) 4 { 5 p r i n t f ( " Hello, World! \ n " ) ; 6 return 0 ; 7 } Kian Soleiman Casper Lindholt Andersen Rune Lauritzen Jesper Dalsgaard M ikkel Krautz

4 Indhold Indledning 7 1 Problemanalyse Historie Jernbanesikkerhed Delkonklusion Problemformulering Problemafgrænsning Kravspecifikation Krav til modeljernbane Krav til togene Krav til kontrol/pc Krav til interface System design Overordnet design Sporskifte Positionering Kommunikation Software analyse Opgaven System definition Omgivelser Problemområdet Struktur Klasser Hændelser Anvendelsesområde Brug Funktioner Interface Den tekniske platform Delkonklusion

5 4 INDHOLD 3 Togstyring Banens opbygning Sporsystemer Skiftespor Analyse Forstærkning Implementering Positionering Analyse Signalopsamling Forstærkning Ensretning Filter Implementering Kommunikation Analyse Delay Gate driver H-bro MOSFET Implementering Tog Analyse Analyse af tog Analyse af tog Ensretter og forsyning Transistorkobling Signal og buffer Tog MSP Implementering Delkonklusion Microcontroller Microcontroller MSP430F ez430-rf Software Software Kontrol PC Interface RS Base

6 INDHOLD Aflæsning af tog-position Kommunikation med tog på banen Styring af skiftespor Håndtering af kommunikation med kontrolprogrammet på PC en Tog Aflæsning af signal på skinnerne Justering af hastighed Implementering Grafisk brugerflade Signal-generering Signal-sampling Delkonklusion Test & Konklusion Indledning MSP Testspecifikation Resultat Konklusion Skiftespor Testspecifikation Resultat Konklusion Positionering Testspecifikation Resultat Konklusion MSP på tog Testspecifikation Resultat Konklusion Konklusion Figurer 68 Litteratur 70 A MSP430-serien af microcontrollere 71 A.1 MSP A.2 Registre A.3 Clocks A.4 Digital I/O

7 6 INDHOLD A.4.1 Konfiguration af digital I/O A.4.2 Anvendelse af digitale I/O porte A.4.3 Anvendelse af interrupts på digitale I/O ben A.5 Interrupts A.5.1 Interrupt prioritet A.5.2 Diskussion A.5.3 Kode A.6 RS A.6.1 Virkemåde A.6.2 USART A.6.3 Kode A.7 Timer A bit tæller/timer for timer A A.7.2 Timer modes A.8 PWM A.8.1 PWM teori A.8.2 PWM på MSP A.9 Port-oversigt B Komponentliste 89 B.1 Komponentliste C Hardware diagrammer 91

8 Indledning Styring af en jernbane kan udvikles på forskellige måder, men samlet for et styringssystem er der nogle ting der skal tages højde for, bl.a. forsinkelser og kollidering. For at løse disse er der forskellige delproblemer som skal løses undervejs. Dette kan være at vide togenes position, samt at kunne regulere hastigheden, for at kunne undgå en kollision. Denne rapport beskæftiger sig med hvordan styring af jernbane kan løses når to tog befinder sig på samme, begrænsede strækning. Et system skal udvikles til styring af togene, som håndterer de givne problemer ved at integrere kollisionsikring og overhalingsrutiner. I denne rapport gør vi brug af en modeljernbane til udviklingen af systemet, dette vil give os nogle af de samme problemer som et virkeligt styringssystem. 7

9 8 INDHOLD

10 Kapitel 1 Problemanalyse 9

11 10 KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE 1.1 Historie Et tog er et transportmiddel bestående af en række forbundne vogne, der alle kører på skinner. Vognene kan være selvkørende eller være trukket af et lokomotiv. Før lokomotivet blev opfundet var de forskellige vogne trukket af heste. Den første jernbane åbnes i 1825 mellem Stockton og Darlington i England. Derefter blev der åbnet forskellige jernbaner verden over. Den første jernbane i Danmark blev åbnet Dette var København-Roskilde, hvor jernbanesporet var af svejsejernsskinner. Som sikkerhedssystem blev der anvendt optisk telegraf, dette blev senere forbedret med armsignaler i I 1875 blev der indført stålskinner, disse kunne klare en større metervægt. Udover nye stålskinner blev der også indført en skinne forstærkning på forskellige strækninger. Sikkerhedssystemet blev igen forbedret i 1878, nu styres sporskifte og signaler fra en central. Denne måde kunne sikre, at et sporskifte ikke fandt sted, mens der var signal til toget. I 1890 indføres fælles signalreglement for DSB. Der kom regler for betydning af rødt, grønt og hvidt lys. Udover dette blev der indført de første regler for sporskiftesignaler, standsignaler, signaler for stationsklokker, signaler på tog, fløjte- og knaldsignaler. Herefter blev signalreglementet moderniseret løbende og i 1929 blev der indført elektromagnetisk sikringsanlæg med bl.a. brug af rangering for togene. Til sidst udvikles sikringssystemet til det system, der findes på de danske jernbaner i dag [1]. Historisk set er toget opfundet til at transportere gods, men blev senere hen moderniseret til et transportmiddel for mennesker. Det var kun de rigeste mennesker, der dengang kunne benytte toget som transportmiddel. Men i dag er toget blevet et almindeligt transportmiddel [1]. 1.2 Jernbanesikkerhed Sikkerhed er en væsentlig faktor i vurderingen af forskellige transportsystemer, og her ligger jernbanen i top. Jernbaner er for så vidt muligt lukkede systemer. Dvs. der ikke tillades uvedkommende på en jernbane, som f.eks. på en offentlig vej, eller på et fortov. Ifølge Bane Danmark [2] er jernbanen meget sikker, og citerer at det er langt farligere blot at bevæge sig i trafikken, hvad end man er fodgænger, cyklist eller bilist, end det er at være togpassager. Bl.a. nævnes der at det er ca. 10 gange så farligt at køre i bil, som det er at køre i tog. [4]. Dette kan opnås fordi jernbanen er, som tidligere nævnt, et forholdsvis lukket system. I disse systemer har man i de fleste tilfælde mulighed for at kontrollere hvad der foregår på banen og kan forhindre ting som f.eks. kollision mellem to tog.

12 1.3. DELKONKLUSION 11 Der er til gengæld også mange faktorer ud over dem man selv kan kontrollere der kan spille ind. Et eksempel er f.eks. visne blade der lægger sig på skinnerne, hvilket gør skinnerne glatte. Dette er et problem som bl.a. er med til at skabe store forsinkelser på jernbanestrækninger, fordi det ikke er forsvarligt at lade togene køre på glatte baner. Den største sikkerhedsrisiko på jernbanen, er ifølge Bane Danmark i forbindelse med vejbaner der krydser togstrækninger [3]. 1.3 Delkonklusion Togsikkerhed og kollisionsfare har altid været en vigtig del af et jernbanesystem. Derfor skal sikkerheden altid være højeste prioritet, når der arbejdes med tog og jernbaner. Derfor ønskes der at laves et system, som kan sikre at tog ikke kolliderer, når tog med forskellige hastigheder kommer for tæt på hinanden. Det skal være muligt for det hurtige tog at lave en overhaling, således dette ikke forsinkes pga. det langsomme tog. Da det ikke er muligt at oprette og teste på et virkeligt system, har vi valgt at lave det i en modeludgave af en jernbane.

13 12 KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

14 Kapitel 2 Problemformulering 13

15 14 KAPITEL 2. PROBLEMFORMULERING 2.1 Problemafgrænsning I forbindelse med design og udarbejdelse af analog elektronik, er det valgt at opbygge et kollisionssikret jernbanesystem. Da det af tekniske såvel som af sikkerhedsmæssige årsager ikke er muligt at bygge en rigtig jernbane foregår projektet på en modeljernbane. Grundet manglende tid har det ikke været muligt at lave en fuldt ud implementeret automatisk løsning, og designet af systemet er derfor afgrænset til følgende punkter: Der laves en lukket bane med to vigespor, som kan ses på figur 2.1. Banen opbygges af modeljernbanerskinner i H0 størrelse 1 af treskinnetypen. Antallet af tog i systemet er valgt til 2, da det handler om at forhindre sammenstød mellem tog i forskellige hastigheder. Der kunne være valgt flere tog, men disse ville være opbygget på samme måde. Hastigheden på det ene tog skal justeres, således at begge tog kan køre samme hastighed. Kommunikation foregår kun til det tog med justerbar hastighed og foregår gennem forsyningsspændingen. Programmeringssproget til interface kodes i C++, mens microcontrolleren kodes i C. Der vælges en microcontroller af typen MSP-430F149, som et mellemled mellem togbane og computer. På toget indsættes en microcontroller af typen ez430-rf2500. Figur 2.1: Billede af opbygning af modeljernbane 1 H0 er en betegnelse for en modeljernbane i skala 1:87

16 2.2. KRAVSPECIFIKATION Kravspecifikation Der er opstillet en række specifikationer, ud fra vores problemafgrænsning, for hvordan systemet skal fungere Krav til modeljernbane Modeljernbanen skal have to vigespor. Vigesporene skal være fordelt på hver sin halvdel af banen. Der findes kun en køreretning på modeljernbanen. Banen skal deles op i 16 sektioner. Det skal være muligt at kommunikere til togene gennem skinnerne Krav til togene Et af togene skal have mulighed for at køre op til 3 forskellige hastigheder og derudover stoppe helt. Hastigheden af det justerbar toget skal ændres uafhængigt af det andet tog. Togenes position på jernbanen skal kunne aflæses. Togenes hastighed skal aflæses Krav til kontrol/pc Hastigheden skal automatisk sættes ned, når togene er for tæt på hinanden. Sporskifte ud på vigespor for langsom tog. Togene må ikke kollidere Krav til interface Togenes position skal kunne ses grafisk på interface. Togenes hastighed og sporskifte skal kunne styres manuelt vha. en knap på interface. Togenes hastighed skal kunne aflæses på interface.

17 16 KAPITEL 2. PROBLEMFORMULERING 2.3 System design I det følgende er der en grundlæggende oversigt over hvordan systemet fungerer. Dette er ment som et overblik til hvordan tingene arbejder sammen med hinanden, og hvilke grænseflader der opstår Overordnet design Brugeren kan holde øje med togbanens tilstand gennem et interface på computeren. Alt kommunikation med banen foregår gennem computer og basen, og på samme måde går det fra banen til basen til computeren. Dette kan ses på figur 2.2. Figur 2.2: Overblik over det samlede system Sporskifte Sporskiftet er styret af microcontrolleren, som med et højt/lavt output bestemmer hvordan sporskiftet skal stå. Hvert af de to sporskift styres af hvert sit output. For mere information omkring sporskiftet se afsnit 3.2 Figur 2.3: Blokdiagram over sporskifte

18 2.3. SYSTEM DESIGN Positionering Basen kommunikere med signalopsamleren for at bestemme hvilke sektioner der i brug. De 16 sektioner repræsenterer hver et output fra den tilsvarende af banens sektioner. Det er dette output signalopsamleren læser på. For mere information om dette output se afsnit Figur 2.4: Blokdiagram over positionering Kommunikation Kommunikationen mellem computer og tog foregår gennem skinnerne. Kommunikationen til togene kan bruges til at justere den ene togs hastighed. Figur 2.5: Blokdiagram over kommunikation

19 18 KAPITEL 2. PROBLEMFORMULERING 2.4 Software analyse Analysen i dette afsnit er lavet ud fra de lærte metoder i faget Object-Oriented Programming and Architectual Design [11] Opgaven Der skal laves software, som skal bruges til styring af tog og dermed til at forhindre kollision af flere tog på et jernbanesystem. To tog kører med hver deres hastighed, og skal forhindres i at komme for tæt på hinanden og kollidere. Der findes to vigespor på jernbanen. Det langsomme tog skal køres ud på dette, hvis de kommer for tæt på hinanden. Banen kan ses på figur System definition Betingelser: Systemet skal designes uafhængigt af togbanen, sådan at det kan tilsluttes enhver bane, og med simple software ændringer anvendes på denne. Systemet skal kunne kontrollere to tog. Systemet skal løbende opdateres, så sikkerheden altid er i orden. Anvendelsesområde: Systemet anvendes på en modeljernbane, hvor der føres to modeltog med forskellige hastigheder. Det antages at systemet først og fremmest er fuldautomatisk, men at det også kan drives manuelt. Til systemet ønskes et interface, med oversigt over banen, togenes position, samt muligheder for manuel justering af skiftespor og hastighed. Teknologi: Systemet skal kunne styres gennem en standard computer. En del af systemet skal designes i hardware. Objekter: Elektronik mellem jernbane og computer, tog og software til togstyring. Funktionalitet: Automatisk styring af jernbanesystem. Der skal ske en regulering af togenes hastighed ud fra positionen på banen. Skiftesporene skal styres ud fra togenes position. Filosofi: Systemet implementeres for at skabe større sikkerhed med færre forsinkelser indenfor togdrift, ved at automatisere styringen af togtrafikken.

20 2.4. SOFTWARE ANALYSE Omgivelser Problemområde: Systemet skal registrere informationer om togenes hastighed samt position. Positionen bestemmes vha. hardware. Systemet skal kunne betjenes gennem en standard computer, og kunne håndtere togtrafikken automatisk. Anvendelsesområde: Systemet skal hjælpe togenes drift ved at automatisere skiftespor og kollisionssikkerhed. Togenes fart bestemmes af systemet, eller brugeren gennem et interface på en computer Problemområdet Struktur På figur 2.6 kan klassediagrammet ses. I diagrammet kan det ses at klasserne jernbane og Tog er afhængige af hinanden, mens de andre klasser hører under jernbane. Figur 2.6: Klassediagram for togsystemet Klasser På figur 2.7 ses tilstandsdiagrammet for klassen tog. Denne klasse kan ændre togets hastighed op og ned, ligesom den kan stoppe toget helt. For at toget kører, skal der være tilsluttet strøm til systemet. Denne klasse repræsentere kun det ene tog, der i dette system har mulighed for at ændre hastigheden.

21 20 KAPITEL 2. PROBLEMFORMULERING Figur 2.7: Tilstandsdiagram for klassen Tog. På figur 2.8 ses tilstandsdiagrammet for klassen skiftespor. Denne tilstand kan ændres ved enten at skifte til venstre eller højre. For at skiftesporet tilstand kan ændres kræver det at der er sluttet strøm til systemet. Figur 2.8: Tilstandsdiagram for klassen Skiftespor. På figur 2.9 ses tilstandsdiagrammet for klassen skinne. Denne klasse sørger for kontakten til skinnerne, og viser de to tilstande den kan være i. Skinnerne er kun aktiveret, når togets slæbesko berører skinnens midterste pol. Når toget igen forlader en sektion, vil skinnen igen være ikke aktiveret. Figur 2.9: Tilstandsdiagram for klassen skinne.

22 2.4. SOFTWARE ANALYSE Hændelser Hændelser Tog Skiftespor Kontakt skinne Strøm tilsluttet Ingen strøm tilsluttet Spor skiftet til højre * Spor skiftet til venstre * Hastighed sat op * Hastighed sat ned * Tog bremset * Tog accelereret * Tog kommer til sektion + Tog forlader sektion + Tabel 2.1: Hændelsestabel for systemet Anvendelsesområde Brug Systemet skal bruges til automatisk at forhindre en kollision mellem togene. Det skal således kunne føre det langsomt kørende tog ud på et sidespor for at skabe mulighed for en overhaling. Bliver toget indhentet før et skiftespor, skal systemet ændre hastigheden, så begge tog kører med samme fart, indtil en overhaling er mulig Funktioner I tabel 2.2 kan de væsentligste funktioner i systemet findes. Der er både listet funktioner for hardware og software. Funktionen Tænd/Sluk aktiveres manuelt ved tryk på hardware, og dermed strøm til hele systemet. Funktionerne Sætte skiftespor A, Sætte skiftespor B, Hastighed på tog op/ned, Aflæs hastighed, Aflæs position og Auto/manuel styring sker alle gennem software. Aktivering og aflæsning af disse vil kunne ske på et interface. Aktivering af funktioner vil ske ved at sætte hak i en boks, mens justeringen af hastigheden kun vil ske ved justering af slidebar, hvor der kan vælges mellem tre forskellige hastigheder og stop. Aflæsningen af position kan ses på et billede af banen, mens aflæsning af hastighed vil blive noteret i et status vindue. En skitse af interfacet kan ses i afsnit

23 22 KAPITEL 2. PROBLEMFORMULERING Funktion Aktivering Kompleksitet Type Tænd/Sluk Hardware Simpel Opdatering Sætte skiftespor A Software Middel Opdatering Sætte skiftespor B Software Middel Opdatering Hastighed på tog op/ned Software Middel Opdatering Aflæs hastighed Software Middel Aflæsning Aflæs position Software Middel Aflæsning Auto/Manuel styring Software Middel Opdatering Tabel 2.2: Funktionsliste for systemet Interface Vi designer interfacet med et skærmbillede af jernbanen, hvorpå togets position kan aflæses sektionsvis. Et antal knapper som angivet i funktionslisten og en slidebar til justering af hastighed på det ene tog. En skitse af vores interface kan ses på figur Figur 2.10: Skitse af interface

24 2.4. SOFTWARE ANALYSE Den tekniske platform Systemet skal udvikles så det helt eller delvist kan ligges ned i den hardware som resten af togsystemet bruger. Da selve togstyringen skal køre på microcontroller niveau, kodes denne del i C, mens selve interfacet kodes i C++.

25 24 KAPITEL 2. PROBLEMFORMULERING 2.5 Delkonklusion Der konstrueres en modeljernbane med to vigespor, hvorpå der drives to tog med forskellige hastigheder. Togbanen kan overvåges på et interface, hvorpå man kan se togenes positioner sektionsvis, dette interface kommunikerer med basen, en MSP430F149, som anvendes til alt direkte styring af togbanen. Ved hjælp af kommunikation gennem skinnerne kan det hurtigtkørende tog justeres i hastighed, således at en kollision mellem de to tog kan undgås. Toget der kan justeres i hastighed er monteret med en ez430-rf2500 microcontroller, denne microcontroller er sat op så den læser på det signal der er implementeret i forsyningsspændingen til banen. Dette signal benytter den til at bestemme hvilken duty-cycle den skal køre toget med og dermed togets hastighed. Kommunikation mellem kontrol pc ens interface og basen foregår ved hjælp af RS232 kommunikation begge veje, for mere information om denne type kommunikation henvises til appendix A.6

26 Kapitel 3 Togstyring 25

27 26 KAPITEL 3. TOGSTYRING 3.1 Banens opbygning På figur 2.1 ses hvordan banen er opbygget. Banen bliver forsynet med en retningsskiftende 15V spænding til alle skinnestykkerne se figur Forsyningen til skinnerne sendes ud gennem en H-bro for at kunne vende spændingsretningen i banen. Banen er opbygget af 16 sektioner. Formålet med at dele banen op i 16 sektioner er, at der kan måles strømforbrug for hver af de 16 skinner, idet den midterste pol er isoleret for hver sektion. Dette skal bruges til bestemme positioneringen Sporsystemer Skinnerne på modeljernbanen er af treskinne typen. Inden for modeltogsmarkedet findes der to forskellige sporsystemer i skala H0. Der findes toskinnesystemet og treskinnesystemet. Toskinnesystemet er den umiddelbart mest simple metode, hvor de to skinnestrenge bruges til at overføre hver sin strømpol. Fra hver skinne føres en pol videre til motor eller dekoder. Systemet kræver at de to hjul er elektrisk isoleret fra hinanden for at der ikke skabes kortslutning. Treskinnesystemet, som bruges i denne bane, er lidt mere komplekst, men fungerer i grove træk på samme måde. Forskellen her er at denne skinnetype netop har tre. Derfor er den ene pol to af skinnerne, og den anden pol er midterlederen [12].

28 3.2. SKIFTESPOR Skiftespor Der er på togbanen to skiftespor der skal styres. Disse skal kunne reguleres automatisk for at sikre at det hurtige tog kan passere på kortest mulig tid. For at automatisere disse spor er der blevet konstrueret en styring der gør at den valgte microcontroller kan skifte sporene på et logisk højt/lavt signal. Skiftesporene er bygget af to spoler, en spole til hver vej sporet skifter. Det er disse spoler der skal aktiveres for at styre dem automatisk Analyse Skiftesporene består helt grundlæggende af to spoler, hvor hver af dem aktiveret for sig selv, gør at sporet skifter henholdsvist den ene eller den anden vej ved at trække en metalplade til sig. For at kunne designe en styring af skiftespor har det været nødvendigt at måle hvor meget strøm sporene trækker for at skifte. Det er igennem en test bestemt at skiftesporene trækker ca. 1,1A ved 15V i skifte øjeblikket. Figur 3.1: Blokdiagram over skiftesporet En MSP430 leverer 3,3V på et output ben, men tillader ikke at man trækker en stor strøm. På grund af dette er det nærliggende at bruge MSP430 eren til at aktivere en kontakt. En simpel måde at gøre dette på, er at slutte output benet fra MSP430 eren til basis på en transistor og dermed benytte transistorens kontakt funktion til at skaffe de 15V og den strømforstærkende funktion til at skaffe de 1,1A Forstærkning En transistor kan ved hjælp af et input på basis benet, som enten registreres som højt eller lavt, fungere som en kontakt der kan tillade en strøm at løbe ned gennem de to andre ben. Der findes flere typer transistorer, men generelt kan de deles op i to grupper. I vores system har vi brugt en Darlington BC875 NPN transistor, for at kunne trække en stor nok strøm igennem til at aktivere vores skiftespor. For at kunne skifte begge spor med ét output er MSP430 erens output signal delt op i to, hvoraf det ene er ført gennem en inverter. De tre forskellige ben er kaldet henholdsvis basis, emitter og kollektor. For at bruge transistoren som en kontakt, slutter man det styrende input til basis, den spænding/strøm man ønsker at styre på kollektor, og ground (0V) på emitter.

29 28 KAPITEL 3. TOGSTYRING Ideen er så at man slutter enheden man ønsker at styre til før kollektorbenet, og på denne måde løber strømmen først, når der er et højt signal fra microcontrolleren. For at opnå den ønskede strøm er der benyttet en Darlington transistor. Det vil sige at det er en kreds der består af to transistorer der er sat sammen for at få en stor strøm forstærkning. Dette kan ses på figur 3.2. Den samlede strømforstærkning svarer til de to enkelte transistorers forstærkning ganget sammen. Figur 3.2: Diagram over Darlington koblede transistorer En Darlington kobling opfører sig som en enkelt transistor med en meget stor strømforstærkning, det er derfor muligt at bruge microcontrollerens output med lav strømstyrke som kontakt til at drive sporskiftene Implementering Figur 3.3: Diagram over opbygning af skiftesporet Elektronikken i skiftesporene består overordnet set af to transistorer af typen BC875 og en inverter af typen HEF4049BP. Microcontrollerens udsendelse af et højt signal, bruges til at aktivere transistorerne for at opnå de nødvendige 15V, der skal bruges for at aktivere et skiftespor. Inverterens funktion er at der kun skal benyttes en enkelt udgang på microcontrolleren til at skifte begge veje. Således

30 3.2. SKIFTESPOR 29 at et logisk højt signal skifter sporet til den ene retning, og et logisk lavt signal skifter sporet tilbage. Til hver af de to spoler er der monteret en afladningsdiode, så der ikke skal tænkes på den strøm der potentielt kan være opladet i spolerne. Opbygningen af skiftesporet kan ses på figur Med denne løsning er kravene til de enkelte moduler opfyldt for en prototype. Systemet kan optimeres i forbindelse med en produktion eller lign. De følgende punkter er alternativer til de valgte løsninger. I stedet for en spændingsdeler kunne der have valgt en spændingsregulator for mere stabil spændingsforsyning til IC-kreds.

31 30 KAPITEL 3. TOGSTYRING 3.3 Positionering Der skal laves positionsbestemmelse på togskinnerne, således det er muligt at se positionen af togene. I gennem et software interface skal det være muligt at vise dette på en grafisk model af banen. Positionsbestemmelse skal også forhindre togene i at kollidere Analyse For at kunne bestemme togenes position og dermed have mulighed for at forhindre dem i at kollidere, er togbanen delt op i 16 sektioner, som det kan ses på figur 2.1. Hver af disse sektioner forsynes med individuel ground, hvilket giver mulighed for at vi kan måle på strømforbruget på de enkelte sektioner for at bestemme om sektionen er i brug eller ej. Dette er muligt at måle, fordi togene skal køre på skinnerne, og deres slæbesko skal røre midterpolen, for at der er forbindelse mellem forsyning og ground. Figur 3.4: Blokdiagram over positionering Aflæsningen af de 16 sektioner, kan ske på forskellige måder. Dette kan enten aflæses med en direkte forbindelse mellem skinner og microcontroller, som vil aflæse en skinne efter en, for at se om der er et tog på. Den anden mulighed er at sende outputs fra skinner ind i en analog multiplexer, som kan modtage flere inputs og digitalt vælge outputtet. Dette bliver forklaret nærmere i afsnit , hvordan en multiplexer fungerer. Flere målinger har vist at spændingsforskellen over målemodstanden på den sektion, der bliver aflæst, ikke er stor nok til at være logisk høj. Derfor skal der laves en forstærkning af signalet. Når toget kører på den skinne der bliver aflæst, skal dette kunne læses som et logisk høj. Dette vil blive løst ved at sætte en operationsforstærker på udgangen af multiplexeren. Denne vil forstærke signalet, så det bliver til logisk højt. Dette vil blive forklaret nærmere i afsnit

32 3.3. POSITIONERING Signalopsamling Da togbanen har 16 sektioner der skal aflæses har vi valgt at bruge to multiplexere af typen, HEF4051BP 1, som er en 8 inputs analog multiplexer. På figur 3.5 kan opbygningen af multiplexeren ses. Multiplexeren er bygget op så den har 8 inputs x0-x7 og et output X. Figur 3.5: Diagram over multiplexer Ved hjælp af de tre adressebits (A, B, C) kan det vælges hvilket output der ønskes af de 8 inputs på X. På nedenstående tabel kan sammenhængen mellem adressebits og hvilket output der læses på X ses [13]. C B A Aflæser Lav Lav Lav x0 Lav Lav Høj x1 Lav Høj Lav x2 Lav Høj Høj x3 Høj Lav Lav x4 Høj Lav Høj x5 Høj Høj Lav x6 Høj Høj Høj x7 Tabel 3.1: Sandhedstabel over multiplexer [13]. Herefter sendes outputtet videre fra multiplexeren over i operationsforstærkeren Forstærkning For at få en stor nok spænding på en given sektion med et tog, til at basens inputbuffer går høj, har vi indsat en differential operationsforstærker kobling. Dennes formål er at sørge for vi har et signal, der er stort nok til at kunne bruges i microcontrolleren. Operationsforstærker koblingen ønskes at forstærke spændingen ca. 8 gange. Forstærkningen for en ikke-inverterende operationsforstærker regnes efter følgende formel: 1 Se datablad i vedlagte CD-ROM

33 32 KAPITEL 3. TOGSTYRING V out = V in (1 + R 2 R 1 ) Over målemodstanden er der en spænding på 0V, når toget ikke befinder sig på sektionen, og hhv. 0,47V og 0,72V for hvert tog, når de befinder sig på skinnerne. Da dette ikke er højt nok til at blive fanget som logisk høj, vælger vi at forstærke signalet op til ca. 4V. Der vælges 4V, da der som minimum skal bruges 2V for at opfange det som logisk højt, og med 4V er der mulighed for små usikkerheder. 4V = 0.47V (1 + R 2 220Ω ) Det forudsættes at V out = 4V og R 1 = 220Ω. Derudover vælges 0,47V som inputspænding, da det er den mindste og dermed den der skal forstærkes mest for at nå de 4V. Det har ingen betydning at den anden spænding forstærkes til over 4V, så længe den maksimalt ligger omkring 5V, da bufferen maksimalt kan klare 5,5V. R 1 forudsættes, og dermed kan den krævede forstærkning og R 2 beregnes ud fra dette. Ved at isolere R 2 i udtrykket, fås nedenstående beregninger. R 2 = ( 4V 0.47V + 1) 220Ω R 2 = Ω 1.8kΩ Den teoretiske forstærkning er dermed 1 + (1800/220) 9, 18. Figur 3.6: Diagram over forstærkning af signal Hermed er operationsforstærkerens modstande valgt, og får forstærket signalet op til det ønskede. Dermed ser den samlede opbygning af forstærkningen ud, som på figur 3.6. Fra operationsforstærkeren går signalet videre til et lav-pas filter, der skal tage det værste støj.

34 3.3. POSITIONERING Ensretning Operationsforstærkeren er afhængig af at få den højeste spænding ind på sit positive inputben. Idet vi skifter fra +15v til -15v benyttes der en analog switch af typen DG211 til at bytte rundt på operationsforstærkerens inputben, således at den højeste spænding stadig står på det positive inputben. Figur 3.7: Skitse af switchens funktion ved ændrende strømretning En illustration af hvordan den analoge switch fungerer kan ses på figur 3.7. Det er således muligt med en analog switch at pol-vende benene. Ved hjælp af fire inputs på den analoge switch, kan det vælges hvordan det skal fungeres. Figur 3.8: Diagram over ensretning af signal Filter Signalet fra toget indeholder meget støj. Som regel forekommer der meget støj fra motorer, og det samme gælder for disse tog. Ligesom signalet bliver forstærket i operationsforstærkeren bliver støjen også forstærket lige så meget. Derfor er der

35 34 KAPITEL 3. TOGSTYRING brug for et lav-pas filter til at dæmpe støjen, så det ikke genere systemet. Filteret designes som et almindeligt lav-pas filter. Knækfrekvensen ω c vælges til at ligge på 10 Hz, idet det antages at 0,1 sek. er et passende interval at aflæse positionen i, idet togenes tid på de enkelte sektioner er større end dette. Der gælder at: ω c = 1 R C Ud over at ω c fastsat. Så fastsættes C til at være 150nF. 10Hz = 1 R 150nF R = F 10Hz R = 666, 67kΩ 680kΩ Signalet fra filteret går videre ind til microcontrolleren, hvor der vil blive aflæst hvor toget befinder sig Implementering Figur 3.9: Diagram over positionering

36 3.3. POSITIONERING 35 På figur 3.9 kan hardwarediagrammet over vores positionering ses. Togsektionernes ground er forbundet med målemodstanden, som løber videre til et inputben på multiplexeren. Outputtet fra multiplexeren går over i operationsforstærkeren. Operationsforstærkeren er placeret efter multiplexeren, da det er mest effektivt, og det reducerer antallet af operationsforstærkere. Signalet fra multiplexeren bliver forstærket og sendt videre til microcontrolleren. Da togbanen forsynes med +/- 15V gennem en H-bro, benytter vi en analog switch til at skifte polaritet i operationsforstærkerens inputsignaler. Med denne løsning er kravene til de enkelte moduler opfyldt for en prototype, men bærer dog præg af at nogle problemer er løst på et sent tidspunkt i projektet. Der kunne være lavet nogle forbedringer i forhold til de enkelte moduler, og de følgende punkter er alternativer til de valgte løsninger. Der kunne være valgt en komparator i stedet for differentiel op-amp kobling. Dette ville sikre et digitalt output til microcontrolleren. Der kunne være bygget en diodebrokobling som ensretter, i stedet for den valgte analog switch.

37 36 KAPITEL 3. TOGSTYRING 3.4 Kommunikation Kommunikation med togene foregår gennem skinnerne. Der bliver sendt et bitmønster ud gennem forsyningsspændingen, som så bliver læst af microcontrollerne ude på togene. Til dette bruges en trådløs microcontroller af typen ez430-rf2500. Dette vil der blive forklaret mere om i afsnit I dette afsnit vil hardware delen af kommunikationen blive forklaret Analyse Vi kommunikerer med togene gennem forsyningsspændingen. For at undgå spændingstab når vi sender en bitstrøm ud gennem forsyningen, har vi valgt at lade forsyningen foregå gennem et 200Hz firkantsignal der skifter mellem + 15V og -15V. Figur 3.10: Firkantsignal For at vende strømretningen så vi opnår et +/-15V signal kan der benyttes en H-bro. Princippet i denne er grundlæggende at hvis man benytter den til at drive en motor, kan man let vende strømmen og dermed motorens kørselsretning. Dette stemmer overens med behovet for et vedvarende signal på togbanen. For at undgå en kortslutningssituation, benyttes der et delay der forsinker den ene gennemløbsretning, så gennemtænding ikke kan forekomme i H-broen. Figur 3.11: Blokdiagram over kommunikation Af pensummæssige årsager benyttes der en MOSFET H-bro, dette gør at der skal designes en gate driver for at minimere MOSFET ens aktiveringstid. For at opnå en så stejl aktiveringskurve som muligt kobles der en komparator og to transistorer til gaten på MOSFET en.

38 3.4. KOMMUNIKATION Delay Som tidligere nævnt skal der laves en forsinkelse for at sikre at de to halve H-broer ikke er tændt samtidig. Vi ønsker en forsinkelse på ca. 2 µs for at være sikre på at H-broens flanker ikke rører hinanden. Formlen for at udregne en forsinkelse kan ses på nedenstående formel: T = C R Hvor T er målt i sekunder, C er målt i µf og R er målt i MΩ. Tidskonstanten T er den tid det tager at lade kondensatoren op til 2/3 af forsyningsspændingen. Det samme gælder også når kondensatoren aflades. Der vælges en kondensator på 150nF s = µf*r R = R = 13, MΩ = 13Ω Da en modstand på 13Ω ikke er tilgængelig, vælges en modstand på 15Ω, så forsinkelsen ikke bliver mindre end 2µs. Den reelle forsinkelse bliver derfor, T = µf MΩ = 2.25µs.

39 38 KAPITEL 3. TOGSTYRING Gate driver Der er valgt at bruge en LM358 til at opbygge en komparator, som det kan ses på figur Kmparatoren sammenligner de to indgangssignaler; det inverterede inputsignal og det ikke-inverterede inputsignal, og afgører hvilken en der er størst. Denne sammenligningen bruges til at bestemme hvornår den enten skal sende rent højt eller rent lavt ud. Denne Digitale udgang er ideel til at styre de transistorer der driver strømmen til gaten, da risetime for en komparator minimal. Figur 3.12: Billede af en komparator Hvis man ser på figur 3.12, kan det beskrives som nedenstående: Når det inverterende signal er større end det ikke-inverterende signal, går udgangen V out mod den negative forsyningsspænding V s. Når det inverterende signal er mindre end det ikke-inverterende signal, går udgangen V out mod den positive forsyningsspænding V s+. Da det ønskes at det firkantede signal skal sendes videre, skal triggerspændingen på den inverterende indgang være mindre end 5V. Derfor laves der en spændingsdeler på ca. 1/5 af forsyningsspændingen på den inverterende indgang. R 1 sættes til at være 12kΩ og R 2 vælges til 3, 3kΩ. V out = V in R 2 R 1 +R 2 V out = 15V 3,3kΩ 12kΩ+3,3kΩ V out = 3, , 2 I dette tilfælde står der 5V og ca. 3,2V på hhv. den ikke-inverterende indgang og den inverterede indgang. Derfor går udgangen mod den positive forsyningsspænding, og dermed fås et 15V firkantet digitalt signal.

40 3.4. KOMMUNIKATION 39 Figur 3.13: Diagram over gate driver For at få så lav en aktiveringstid på gaten som det er muligt er der indsat en transistorkobling der sørger for at levere en stor nok strøm til dette. Transistorkoblingen består af henholdsvis en BC557 (PNP) og en BC547 (NPN), denne kobling sørger for at mosfet gate enten har forbindelse til ground (gennem NPN transistoren) eller 15V (gennem PNP transistoren) H-bro Firkantkurven opnås ved at styre togets forsyningsspænding gennem en H-bro. H-broen er bygget op af fire MOSFET transistorer 2, som det ses på figur??. Der bliver brugt to NPN-transistorer og to PNP-transistorer, hhv. IRF530 og IRF Transistorerne til H-broen er valgt ud fra det krav at vores tog tilsammen trækker ca. 1,3 ampere for at køre med den maksimale fart. H-broen er sat op så den enten tillader strømmen at løbe den ene eller den anden vej igennem. I praksis vil det sige at H-broen skiftevis sender 15V ud til enten togets slæbesko eller hjul. H-broen polvender systemet når kurven skal gå lavt, og på den måde kan vi kommunikere uden signalets høj- og lavtider har indflydelse på togets kørsel. 2 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, på dansk kaldet metal-oxid-halvlederfelteffekttransistor 3 Se databladene på vedlagte CD-ROM

41 40 KAPITEL 3. TOGSTYRING Figur 3.14: Diagram over H-bro med MOSFETs For at forhindre at H-broen åbner for begge strømretninger samtidigt og dermed kortslutter i det øjeblik strømretningen vendes, er der lavet en forsinkelse på den ene strømretning i H-broen. Forsinkelsen er konstrueret af et RC-led, der sikrer at H-broen er helt inaktiv inden den vender strømmen MOSFET MOSFET er en transistor som bruges når man ønsker at skifte eller forstærke elektroniske signaler. I projektet anvendes der henholdsvis N- og P-kanal transistor, også kaldt NMOSFET og PMOSFET. Fælles for begge MOSFET s er at de har tre terminaler, bestående af gate G, drain D og source S. Forskellen på NMOSFET og PMOSFET er hvilken spændingsforskel, V gs, de tænder på, og hvordan forholdet er mellem drain og source. MOSFET transistorens gate kan ses som en kondensator, det er den kondensator som styrer tænd spændingen og hvornår transistoren er tændt helt op. Når en positiv gate-spænding tilsluttes en NMOSFET transistor kan det ses som en kondensator opladning, når kondensatoren er fuldt opladt vil den maksimale strøm løbe fra drain til source [5]. Opbygningen af de to typer af MOSFET s ligner hinanden. Forskellen ligger i den måde elektronerne vandrer fra drain til source på. En NMOSFET er opbygget på et p substrate underlag, og ved drain og source ligger der n +4. Når en NMOSFET tændes vil de positivt ladede huller blive trukket ned fra n + området, og blive skubbet ned i underlaget. Dette efterlader de negativt ladede elektroner tilbage, 4 Positivt ladet silicium

42 3.4. KOMMUNIKATION 41 som bliver tiltrukket af det modsatte n + område. Når et tilstrækkeligt antal negativt ladede elektroner opnås vil tiltrækningen fra n + området danner en kanal, Induced channel, som skaber en forbindelse mellem drain og source. Jo flere negative elektroner der efterlades, jo større vil kanalen blive og derved vil en større strøm løbe igennem [5]. Figur 3.15: Tværsnit af en NMOSFET Skiftetiden i NMOSFET og PMOSFET afhænger af bevægeligheden i henholdsvis n + elektronerne og p + hullerne. Da n + elektronerne vandrere hurtigere end p + hullerne, betyder det at en NMOSFET kan skifter hurtigere end en PMOSFET [5] Implementering På figur 3.16 kan opbygningen ses fra microcontrollerens PWM signal til H-broens udgang til motoren. Der kunne vælges enten at lave to PWM signaler 5, som havde to modsatte duty-cycle eller at nøjes med et enkelt signal, og så invertere den, således man får modsatte duty-cycle. Der er i dette projekt valgt det sidste. 5 Der kan læses mere om PWM signaler i appendix A.8

43 42 KAPITEL 3. TOGSTYRING Figur 3.16: Diagram over opbygning af PWM signal fra microcontroller til H-bro Signalet der kommer fra microcontrolleren er et firkantet signal, der går fra 0V til 5V. Da det for togene er nødvendig med en spænding på 15V for at køre, skal signalet forstærkes og digitaliseres. Dette gøres ved hjælp af en komparator, som dermed sender et 15V firkantet signal videre. Dette signal sendes videre ind i to transistorer, hhv. en PNP og NPN transistor. Disse bruges som gate-driver til MOSFETs for at styre flankerne. Hvis der sendes et signal fra microcontrolleren direkte ind i en MOSFET, så vil strømmen være for svag i forhold til en hurtig opladning i MOSFETens kondensater. Dette vil blive beskrevet nærmere i afsnit Derefter bliver signalet sendt videre ind i H-broen, som styrer motorerne. Et system som dette lever op til de krav vi har stillet for at generer funktionel kommunikation ud gennem forsyningsspændingen ved et 200Hz signal. Havde man omdesignet størrelsen på komparatormodstande, ville man formentligt kunne hæve denne frekvens til et mere passende område uden for det der er muligt at høre for det almindelige menneske. Dette er et punkt der er nærliggende at ændre i forbindelse med en fast produktion, men i forbindelse med en prototype er det acceptabelt idet det gør det muligt at teste funktionaliteten i praksis.

44 3.5. TOG Tog Analyse Der bliver i projektet benyttet to tog, med hvert sit styringselektronik til driften. Hovedforskellen i denne opbygning er at det ene tog kan justeres i hastighed, mens det andet tog bare skal kunne køre på en bane hvor forsyningsspændingen er af firkantsignaltypen. For at kunne drive jævnstrømstog på en bane med firkant forsyningsspænding skiftende fra -15V til +15V, er vi nødsaget til at bruge en brokobling Figur 3.17: Diagram over opbygning af brokobling [14] Brokoblingen vender den negative del af kurven, hvilket vil sige at man opnår et næsten rent jævnstrømssignal når man sender en firkantkurve igennem, jævnstrømssignalet svarer til det man sender ind, minus det vi mister over dioderne 2V. Dette gøres ved at firkantsignalet sendes ind på terminal A og B, hvilket resulterer i at polariteten på disse terminaler skifter samtidigt med at strømmen går høj/lav. I de halvperioder hvor det elektriske potentiale på terminal A er højere end på terminal B, vil dioden D2 lede strømmen frem til modstanden, alt imens D3 leder strømmen tilbage til B-terminalen. Figur 3.18: Forsyningsspænding før og efter brokobling For mere info om hvorfor vi benytter en forsyning af firkantsignal typen, samt hvordan denne forsyning er konstrueret, se afsnittene 3.4 og

45 44 KAPITEL 3. TOGSTYRING Analyse af tog 1 Tog 1 er et modeltog, som er modificeret til at kunne køre på skinner med forsyningsspænding af firkantsignaltypen. Denne modifikation er udført ved at indsætte en diodebrokobling mellem + og - på den originale motor. Dette tog er således i stand til at køre på en bane med skiftende spænding som om det var en normal jævnstrømsbane Analyse af tog 2 Tog 2 er et modeltog, som er modificeret til at kunne køre, og modtage instruktioner på skinner med forsyningsspænding af firkantsignaltypen. Instruktionerne bliver bearbejdet af en monteret microcontroller, som bruger dem til at justere togets hastighed. Figur 3.19: Diagram over tog Ensretter og forsyning Signalerne som kommer fra skinnerne skal behandles på en måde så toget kan kører, dette skal ske ved at ensrette det firkantedesignal, som modtages fra skinnerne, til et jævnstrømssignal Transistorkobling PWM-signalerne som kommer fra den trådløse microcontroller, skal bruges så motoren kan køre, dette kan gøres igennem en transistorkobling. Denne kobling bruges som en kontakt til at tænde motoren Signal og buffer For at kunne læse de signaler der sendes fra den ene pol på skinner, skal disse signaler have en vis værdi. Denne værdi er fra starten for stor og skal derfor sænkes. Sænkninen kan foregå igennem en spændingsdeler. Det sænkede signal skal derefter behandles for at microcontrolleren kan aflæse dette. Dette kan gøres vha. en buffer.

46 3.5. TOG Tog MSP Microcontrolleren på toget skal modtage signalerne som en bitstrøm, som derefter omdannes til PWM-signal som styrer toget. Microcontrolleren på dette tog er af ez430-rf2500-typen. Det er en mobil processor, der i kraft af sin lille størrelse er velegnet til indbygning eksempelvist på et tog. microcontrolleren er sat op så den læser på det firkantsignal der bliver sendt ud til toget. Det signal den læser benytter den til at bestemme hvilken duty-cycle der skal genereres til at drive toget med, og dermed togets fart. Microcontrolleren er batteridrevet og dermed uafhængig af banens forsyningsspænding Implementering Figur 3.20: Diagram over brokobling på toget På figur 3.20 ses hardwarediagrammet over brokoblingen på tog 2. Inputsignalerne fra skinner sendes ind i henholdsvis en brokobling og en spændingsdeler. Brokoblingen benyttes for at kunne drive vores jævnstrømstog med et firkantetsignal, altså ensrette spændingen fra banen. Ud fra brokoblingen sendes signalet videre ud til motor, som også får input fra den trådløse microcontroller igennem en transistorkobling. Transistorkoblingen benyttes for at kunne styrer PWM-signalerne, fra den trådløse microcontroller, som motoren skal drives af. Grunden til signalerne bliver sendt igennem en spændingsdeler skyldes at størrelse af signalet skal sænkes for at microcontrolleren kan læse det. Ud fra høj/lav tiderne i dette signal kan microcontrolleren bestemme om signalet er bestemt til det aktuelle tog. Skulle dette være tilfældet kan den regulere hastighed.

47 46 KAPITEL 3. TOGSTYRING 3.6 Delkonklusion Der er blevet designet hardware som på prototypeniveau virker og kan styre systemet. På grund af manglende tid er de enkelte komponenter ikke sat sammen, men er testet enkeltvis for at sikre funktionaliteten. Da det på forhånd var fastlagt at banens forsyningsspænding kunne køre begge veje har det givet nogle designmæssige problemer, der skulle løses. For at muliggøre denne type forsyning, har vi forsynet banen gennem en H-bro. Denne type forsyning stiller krav til den øvrige elektronik, og som følge af en lidt omvendt rækkefølge i designfasen, har det været nødvendigt at ændre på eksisterende hardware for at få det til at passe til nye krav. Resultatet er dog blevet et system der virker modulvis efter de krav der er stillet, men samtidigt har plads til at simplificere designet. Vi har lagt vægt på at få så mange moduler færdige som det var muligt, de færdige moduler kan ses i vores test-afsnit, og der vil man kunne se at de enkeltvis lever op til de krav der er stillet. Den tekniske platform for banen er altså klar, da banen fungerer med positionsbestemmelse og skiftespor, men mangler integration af H-bro for at kunne drive togene. Vi har testet at den teoretiske kommunikation virker, ved at sikre vi kan læse et signal sendt ud til microcontrolleren på toget, og denne er i stand til at generere et forudindkodet pwm signal som reaktion på dette. Hver for sig opfylder hardwaremodulerne de krav vi har stillet til projektet, men yderligere finpudsning ved integration må forudses at være nødvendig.

48 Kapitel 4 Microcontroller 47

49 48 KAPITEL 4. MICROCONTROLLER 4.1 Microcontroller Der bliver i dette projekt benyttet to forskellige microcontrollere. Begge er af MSP430-typen, men grundet pladsmangel er der valgt en mindre udgave til toget MSP430F149 Som nævnt tidligere, benyttes der i en MSP430F149 microcontroller til styring og kontrol af Togbanen. MSP430 microcontrolleren er en 16-bit RISC 1 CPU. Der anvendes en Von- Neumann arkitektur, hvilket vil sige at selve instruktionerne der udføres at processoren, samt de data den arbejder på, opbevares i den samme hukommelse. Principperne bag MSP430 ens opbygning kan ses på figur A.3. Figur 4.1: Diagram over MSP430 s opbygning [7]. Da MSP430 er en microcontroller, og ikke kun en microprocessor, indeholder den ekstra in- og output-muligheder der gør det let at interagere med ekstern elektronik. En liste over nogle af de forskellige features der er tilgængelige ses nedenfor: JTAG til overføring af nyt firmware/programkode, samt debugging. USART for let implementering af serielle kommunikationsprotokoller. (RS232, osv.) Digitale I/O ben for tilkobling af eksterne digitale enheder. (Nogle med interrupt-muligheder.) 1 Reduced Instruction Set Computer

50 4.1. MICROCONTROLLER bit ADC Analog-to-digital converter. To indbyggede timere, Timer A og Timer B, med valgfrie clock-kilder. Kan f.eks. anvendes til implementering af PWM signaler (se afsnit A.8) ez430-rf2500 Der benyttes en ez430-rf2500 til at styre toget med, denne microcontroller er ligesom MSP430F149 eren en 16-bit RISC CPU. Forskellen på de to ligger i antallet af tilgængelige porte og funktioner se fig Figur 4.2: ez430 oversigt over opbygning med porte [9]. Nogle af de ting der kendetegner ez430 eren kan ses nedenfor: Digitale I/O ben for tilkobling af eksterne digitale enheder. (Nogle med interrupt-muligheder.) 16-MIPS hastighed. 200-ksps 10-bit SAR ADC. To indbyggede operations forstærkere. Watchdog timer, 16-bit Timer A3 og Timer B3. Kan f.eks. anvendes til implementering af PWM signaler (se afsnit A.8). USCI modul understøttende UART/LIN, (2) SPI, I2C, or IrDA. Let implementering af serielle kommunikationsprotokoller. (RS232, osv.) Fem energibesparende modes der bruger ned til 700 na i standby.

51 50 KAPITEL 4. MICROCONTROLLER

52 Kapitel 5 Software 51

53 52 KAPITEL 5. SOFTWARE 5.1 Software Softwaren i dette projekt kan overordnet deles op i 3 enheder, idet der er en kontrol pc med interface til systemet. En base der styrer banen, og et "intelligent"tog, som selv kan justere hastigheden alt efter hvad den får besked på. I det følgende vil der redegøres for hvordan disse enheder fungerer, sammen og hver for sig Kontrol PC Vores kontrol PC styrer resten af banen vha. et program opbygget via Qt 4 C++ toolkittet. Kildekoden til dette program kan findes på vores CD under mappen code/togstyring. Ud over en standard installation af Qt 4.5.0, benyttes også QextSerialPort som bindeled for at gøre det muligt at forbinde til en seriel port på en Qt-venlig måde. QextSerialPort kan findes på og bibliotekets forfatter har fraskrevet sig sin ophavsret til programmet (programmet er udgivet under såkaldte public domain vilkår.). Kildekoden til QextSerialPort er at finde på CD en under mappen code/togstyring/3rdparty/qextserialport/, inkl. nogle små-ændringer for at få det til at bygge ordentligt, sammen med vores kontrolprogram Interface Den grafiske brugerflade til kontrolprogrammet er opbygget vha. Qt Designer, som gør det mulig let at designe Qt brugerflade og gemme dem til XML.ui filer, der under program-kompilering bliver indbygget i programmet. Programmet indeholder tre grund-elementer: Bane-oversigt Banestyring Event log Bane-oversigten er bygget op med et billede af togbanen, hvorpå togenes position kan ses på sektionsvis. Denne bliver automatisk opdateret via beskeder modtaget via RS232 fra basen. Banestyringen fungerer via knapper med mulighed for at skifte banens skiftespor. Derudover er der også mulighed for at justere de enkelte toges hastighed. Denne kommunikation sker også via RS232.

54 5.1. SOFTWARE 53 Figur 5.1: Billede af interfacet på PC en RS232 Al kommunikation mellem base og kontrolprogram sker via en simpel RS232- baseret pakke-protokol. Alle pakker har samme grundlæggende opbygning, der starter med en identifikations byte, som ses nedenfor: Navn Beskrivelse Type (størrelse) Identifikation Beskriver typen af pakken uint8_t (byte) Denne grundlæggende opbygning vil vi omtale som headeren. Da kommunikationen i systemet er meget simpel og begrænset, er der ikke brug for en kompliceret måde at tale imellem de to endepunkter på. ToggleTrackMessage Navn Beskrivelse Type (størrelse) Opcode Beskriver typen af pakken uint8_t (byte) Track ID Numerisk ID på det spor der skal skiftes uint8_t (byte) State Hvilket stadie skiftesporet skal skifte til uint8_t (byte)

55 54 KAPITEL 5. SOFTWARE TrainSpeedMessage Navn Beskrivelse Type (størrelse) Opcode Beskriver typen af pakken uint8_t (byte) Train ID Numerisk ID på det tog der skal skifte uint8_t (byte) eller skifter hastighed Speed Togets hastighed (0: Stoppet, 1: Langsom, uint8_t (byte) 2: Mellem, 4: Hurtig) TrainPositionMessage Navn Beskrivelse Type (størrelse) Opcode Beskriver typen af pakken uint8_t (byte) Train ID Numerisk ID på det tog der skal skifte uint8_t (byte) eller skifter position Track ID Numerisk ID på det spor toget er på. (0-15) uint8_t (byte) DebugText Navn Beskrivelse Type (størrelse) Opcode Beskriver typen af pakken uint8_t (byte) MessageLength Længde af besked i bytes. uint8_t (byte) Message Tekst i bytes (ASCII/UTF-8) uint8_t (byte) [repeated] Selve RS232 kommunikationen er dog ikke færdig-implementeret, på hverken basen eller kontrol PC en, grundet alt hardware ikke er blevet færdig-opbygget Base Basens job er kontrol af togbanen, og at sende beskeder i et format som vores kontrolprogram kan forstå. Basens overordnede jobs er: Aflæsning af tog-position. Kommunikation med tog på banen (sæt hastighed). Styring af skiftespor. Håndtering af kommunikation med kontrolprogrammet på PC en Aflæsning af tog-position Aflæsningen af togenes position sker via nogle ind- og udgange på MSP430 microcontrolleren der går videre til et stykke aflæsnings-hardware.

56 5.1. SOFTWARE 55 1 unsigned char 2 track_read_status ( int i ) 3 { 4 unsigned int out = 0 ; 5 6 i f ( i < 8) { 7 out = ( i & 0x1 ) ( ( i << 1) & 0x4 ) ( ( i << 2) & 0x10 ) ; 8 P4OUT = out & 0 x3f ; 9 i o s l e e p ( ) ; 10 return ( P4IN & 0x40 ) ; 11 } else { 12 i = 8 ; 13 out = ( ( i << 1) & 0x2 ) ( ( i << 2) & 0x8 ) ( ( i << 3) & 0x20 ) ; 14 P4OUT = out & 0 x3f ; 15 i o s l e e p ( ) ; 16 return ( P4IN & 0x80 ) ; 17 } 18 } Togenes position aflæses så med jævne mellemrum, og rapporteres videre til kontrol PC en via RS Kommunikation med tog på banen Kommunikation med tog på banen foregår via en H-bro der er tilsluttet selve togbanen. Denne opstilling gør det muligt for microcontrolleren at udsende signaler på skinnerne, så togene på banen herefter kan læse og forstå disse signaler, og adlyde. Udsendelsen af dette signal foregår via et PWM-lignende signal der genereres via et timer-interrupt på microcontrolleren. Perioden af dette signal er fastlagt på forhånd, og duty-cyclen er forskellig alt efter hvordan hver enkelt periode ønskes fortolket. Se evt. code/test/test-communication-base.c for et eksempel på generering af et sådant signal fra basen Styring af skiftespor Styringen af togbanens skiftespor styres også af basens software. Denne styring er meget simpel, og foregår ved at sætte en output I/O port på MSP430 eren højt eller lav, alt efter hvilken status skiftesporet skal have Håndtering af kommunikation med kontrolprogrammet på PC en. Håndtering af kommunikation foregår via en hjemmelavet pakke-baseret protokol af meget simple pakker. Disse pakker er allerede beskrevet ovenfor i afsnittet

57 56 KAPITEL 5. SOFTWARE Denne del af projektet er ikke endnu implementeret på basen Tog Softwaren der driver toget kan overordnet deles op i to dele, en der beskæftiger sig med at læse på de signaler der sendes ud til toget, og en del der justerer togets hastighed afhængigt af det modtagne signal Aflæsning af signal på skinnerne Aflæsningen af det af basen udsendte signal, foregår på samme vis som det genereres på basen (se ). Værdien af en input-port på EZ430-RF2500 microcontrolleren samples med jævne mellemrum og disse samples analyseres og fortolkes. Fortolkningen af dette signal er endnu ikke tilfredsstillende opbygget og implementeret på toget. Dog har vi testet at aflæse et PWM firkant-signal med 50% duty-cycle på togets microcontroller. Se Justering af hastighed Hastighedsjustering på togene foregår via et PWM signal til motoren. Da vi ønsker at togene skal kunne køre med 4 forskellige hastigheder (også vist i vores kontrolprograms GUI, se 5.1.1). Selve PWM signalet kan generes som ses i appendix A Implementering Dette afsnit vil diskutere nogen af de implementeringsvalg og vurdere de teknologier der er anvendt i softwaren Grafisk brugerflade Den grafiske brugerflade er skrevet i C++ med brug af Qt-biblioteket. Dette valg blev taget, da vi i løbet af semesteret har fået undervisning specifikt i C++. Valget af Qt var naturligt, da Qt for det første kan køre på mange forskellige platforme, samt muligheden for at benytte Qt uden videre betaling pga. Qts open source licens. Andre GUI biblioteker kunne blive aktuelle, men de fleste valg ville formentlig ikke passe lige så godt ind i projektet. Nogle muligheder kunne f.eks. være WxWidgets ( ), eller GTK+ ( ). Disse muligheder er ligeledes open-source.

58 5.1. SOFTWARE 57 Derudover ville der også være mulighed for at benytte nogle platform specifikke biblioteker på f.eks. Windows eller Mac OS X, men disse muligheder ville ikke passe godt ind, da gruppens computere kører forskellige operativsystemer Signal-generering Måden signaler på MSP430-microcontrolleren genereres på, er via timer-interrupts. Nogle problemer med denne metode er dog blevet opdaget. MSP430-microcontrolleren kan generere output signaler uden hjælp fra CPU en vha. de to indbyggede timere. Ønsker man imidlertid andet en et PWM-signal med en forud-fastlagt duty-cycle er denne løsning ikke god. Hvis man vil lave sit eget signal, er man nødt til at benytte sin timer sammen med en GPIO-port på microcontrolleren, og ændre output værdien på denne port på de rigtige tidspunker. Denne metode kan dog godt være fejlbehæftet hvis man kører ved høje frekvenser (eller hvis ens timer deler samme clock source som CPU clocken), kan det beytde at ens timer interrupt ikke kan udføres inden det næste interrupt ankommer, og output signalet vil ikke være rigtigt genereret. Løsningen på dette problem er at køre CPU en med en højrere clockfrekvens end sin timer, eller sikre sig at ens interrupts kan nå at udføres i den tid der er til rådighed mellem to timer interrupts Signal-sampling Samplingen af signalet foregår ligeledes via timer interrupts på samme måde som genereringen af signalet. Denne metode indebærer samme problemer mht. til timing og interrupts som under

59 58 KAPITEL 5. SOFTWARE 5.2 Delkonklusion Størstedelen af softwaren er færdiglavet, men enkelte dele mangler, pga. tidsmangel. De dele der kan testes separat uden en endelig sammensætning er testede. Den grafiske brugerflade til kontrol PC en fungerer som planlagt. Backenddelen (der kommunikerer med basen via RS232) er ikke færdigbygget, men kode hertil er inkluderet. Enkelte dele som GUI en skal svare på f.eks. ændringer af hastighed, position på banen, etc., er testet separat og virker som forventet. Basens software fungerer også tilfredsstillende. Det er muligt at spore togenes position sektionsvis. Det er muligt at styre skiftespor, og det er muligt at generere et signal til togene om hastighedsændringer. Softwaren på de enkelte toge er forholdsvis simpel. Systemet på togene skal aflæse signalet afsendt af basen, og generere et PWM-signal der skal gå ind i en motor. Grundet tidsmangel har det ikke været muligt at få signalbehandlingen til at virke tilfredsstillende. PWM-motor outputtet fungerer som det skal. Vores software virker endnu ikke som et samlet system, men de dele der er blevet lavet færdigt, virker enkeltvis, og disse er blevet testet og verificeret.

60 Kapitel 6 Test & Konklusion 59

61 60 KAPITEL 6. TEST & KONKLUSION 6.1 Indledning I dette afsnit er der fokuseret på tests af de samlede moduler, dette vil sige at det testes at softwaren til de enkelte moduler kan styre den tiltænkte hardware.

62 6.2. MSP MSP 430 Formålet med denne test er at sikre at microcontrolleren virker, så der i projektet er et stabilt udgangspunkt for en funktionel kode Testspecifikation Microcontrolleren er testet for at sikre os at alle in/output ben virker: Sætte alle ben høje, og måle om der står 3,3 V på dem. Sætte alle ben lave og måle om der står 0 V på dem Resultat Testen viste at microcontrolleren fungerede, som den skulle. Alle ben der kunne sættes hhv. høj eller lav, gjorde dette. Test Alle ben sat højt Alle ben sat lavt Resultat Fungerer fint Fungerer fint Konklusion Tabel 6.1: Resultater af test med microcontrolleren Dette modul virker som det er beskrevet i testspecifikationen. Dog viste det sig at være nødvendigt eksplicit at sætte alle ben på microcontrolleren, da værdien ved opstart ikke er defineret.

63 62 KAPITEL 6. TEST & KONKLUSION 6.3 Skiftespor Testspecifikation Skiftesporet er testet for at finde den strøm der trækkes i skifteøjeblikket. Idet vi kører 15V på banen er denne spænding taget som udgangspunkt for skiftet. Der er indsat et amperemeter i opstillingen for at se hvor mange ampere der trækkes. Skiftesporsstyringen er testet for at sikre os at det virker som det er designet til, samt programmet til styring af sporene virker optimalt. Det er testet både med og uden tog for at sikre hastigheden på skiftesporet er tilstrækkelig. Skifte sporet til højre u. tog Skifte sporet til venstre u. tog Skifte sporet til højre m. tog Skifte sporet til venstre m. tog Resultat Testen viste at skiftesporet ved 15V bruger ca. 1,1A for at skifte. Testen viste at skiftesporsstyrringen fungerede som det skulle både med og uden tog. Test Skift til højre u. tog Skift til venstre u. tog Skift til højre m. tog Skift til venstre m. tog Resultat Fungerer fint Fungerer fint Fungerer fint Fungerer fint Tabel 6.2: Resultater af test med skiftesporet Konklusion Dette modul virker som det er beskrevet i testspecifikationen.

64 6.4. POSITIONERING Positionering Testspecifikation Positioneringen er testet for at sikre os at det virker som det er designet til på alle sektioner, samt at serielkommunikationen mellem basen og interfacet fungerer optimalt. Det er testet først med et tog derefter med to for at sikre dette også virker. Monitorere 1 tog rundt på de 16 sektioner Monitorere 2 tog rundt på de 16 sektioner Resultat Testen viste at positioneringen fungerede som det skulle både med et og med to tog Test Monitorere 1 tog rundt på de 16 sektioner Monitorere 2 tog rundt på de 16 sektioner Resultat Fungerer fint Fungerer fint Tabel 6.3: Resultater af test med positionsbestemmelsen Konklusion Dette modul virker som det er beskrevet i testspecifikationen.

65 64 KAPITEL 6. TEST & KONKLUSION 6.5 MSP på tog Formålet med denne test er at finde ud af hvor præcist microcontrolleren ude på toget kan aflæse signalet fra skinnerne Testspecifikation Microcontrolleren er testet for at sikre at der ikke aflæses noget forkert i kommunikationssignalet. Testen er udført ved at sende et 200Hz 50% dutycycle signal ud af en tonegenerator, og sætte dioden på microcontrolleren til at lyse konstant, i tilfælde af at signalet blev opfanget korrekt. Sætte dioden til at lyse hvis 450 ud af 1000 målinger er høje. Sætte dioden til at lyse hvis 460 ud af 1000 målinger er høje. Sætte dioden til at lyse hvis 470 ud af 1000 målinger er høje. Sætte dioden til at lyse hvis 480 ud af 1000 målinger er høje. Sætte dioden til at lyse hvis 490 ud af 1000 målinger er høje. Sætte dioden til at lyse hvis 500 ud af 1000 målinger er høje. Testkoden for denne test kan findes på den vedlagte CD under /code/test/testtogmsp.c Resultat Testen viste at microcontrolleren kunne opfange signalet med en tilfredsstillende fejlmargin. Det ses i tabel 6.4 at ved både 490/1000 og 500/1000 blinker dioden og signalaflæsningen anses i disse tilfælde for ustabil. Dette resulterer i en fejlmargin på 2%. Test Ved 450 ud af 1000 Ved 460 ud af 1000 Ved 470 ud af 1000 Ved 480 ud af 1000 Ved 490 ud af 1000 Ved 500 ud af 1000 Resultat Dioden lyser konstant Dioden lyser konstant Dioden lyser konstant Dioden lyser konstant Dioden blinker Dioden blinker Tabel 6.4: Resultater af test af signal modtagelse

66 6.5. MSP PÅ TOG Konklusion Som beskrevet i testspecifikationen skulle der findes en fejlmargin, denne blev fundet til 2%, hvilket anses for acceptabelt.

67 66 KAPITEL 6. TEST & KONKLUSION 6.6 Konklusion Udfra problemstillingen "Er det muligt at lave et jernbanesystem, der skal undgå kollision mellem to tog, der har to forskellige hastigheder?"skal det bestemmes om problemet er løst. Der er for de enkelte moduler udført en række test for at bestemme om kravene er opfyldt, men da ikke alle dele er helt færdigtudviklede har det ikke været muligt at teste systemet samlet. De dele der er testet lever dog op til de opstillede krav, som selvstændige moduler. Den hardwaremæssige platform for projektet er næsten færdigtudviklet, og viser at en intelligent togbane med kommunikation gennem forsyningsspændingen kan konstrueres med simple midler. Desværre har det ikke været muligt at sætte modulerne sammen pga. tidspres, så beviset for systemets bæredygtighed hviler alene på modulerne. Software-mæssigt mangler der noget integration mellem de forskellige moduler. Microcontroller-firmware er blevet udviklet, men primært anvendt til tests af sammenspil mellem hardware og software. Ingen egentlig integration i et færdigt produkt har fundet sted pga. tidsmangel. Derudover er der blevet udviklet et grafisk kontrol-program til PC ere. Dette program er testet, og virker lokalt, men er ude af stand til at kommunikere med resten af systemet, ligeledes pga. mangel på tid. Ved et færdigt system er der nogle ting der med fordel kan ændres i vores prototype, de ting vi har fundet er diskuteret under hvert enkelt hardware-modul, som punkter der skal genovervejes ved en færdig løsning. Det vurderes muligt at skabe en kollisionssikret togbane, med de midler stillet til rådighed på 4. semester Ålborg Universitet Esbjerg.

68 Figurer 2.1 Billede af opbygning af modeljernbane Overblik over det samlede system Blokdiagram over sporskifte Blokdiagram over positionering Blokdiagram over kommunikation Klassediagram for togsystemet Tilstandsdiagram for klassen Tog Tilstandsdiagram for klassen Skiftespor Tilstandsdiagram for klassen skinne Skitse af interface Blokdiagram over skiftesporet Diagram over Darlington koblede transistorer Diagram over opbygning af skiftesporet Blokdiagram over positionering Diagram over multiplexer Diagram over forstærkning af signal Skitse af switchens funktion ved ændrende strømretning Diagram over ensretning af signal Diagram over positionering Firkantsignal Blokdiagram over kommunikation Billede af en komparator Diagram over gate driver Diagram over H-bro med MOSFETs Tværsnit af en NMOSFET Diagram over opbygning af PWM signal fra microcontroller til H-bro Diagram over opbygning af brokobling [14] Forsyningsspænding før og efter brokobling Diagram over tog Diagram over brokobling på toget

69 68 FIGURER 4.1 Diagram over MSP430 s opbygning [7] ez430 oversigt over opbygning med porte [9] Billede af interfacet på PC en A.1 Status registeret på MSP430 [8] A.2 Oversigt over portene på MSP430F149 [7] A.3 Oversigt over P1 og P2 registrene [8] A.4 Oversigt over P3-P6 registrene [8] A.5 Her ses de forskellige interruptvektorer samt en liste over interruptprioriteterne på MSP430 [7] A.6 Timer modes på MSP430 [8] A.7 Up mode på Timer A og B.[8] A.8 Continuous mode på Timer A og B [8] A.9 Up/down-mode på Timer A og B [8] A.10 Eksempler på PWM signaler [6] A.11 Anvendelse af PWM på Timer B. På billedet ses eksempler på værdier af de to Capture/Compare registre CCR0 og CCR

70 Litteratur [1] Banedanmark. Dansk jernbanehistorie, visartikel.asp?artikelid=256 [Online; tilgået 09-marts-2009]. [2] Banedanmark. Banedanmark, [Online; tilgået 09-marts-2009]. [3] Banedanmark. Driftsuheld 2007, visartikelbred.asp?artikelid=6943 [Online; 09-marts-2009]. [4] Banedanmark. Jernbanesikkerhed, asp?artikelid=3502 [Online; tilgået 09-marts-2009]. [5] Adel S. Sedra. Kenneth C. Smith. Microelectronic CIRCUITS 5th. Oxford University Press, Inc. [6] cpemma.co.uk. Pulse Width Modulation, pwm.html [Online; tilgået 18-november-2008]. [7] Texas Instruments. MSP430x13x, MSP430x14x Mixed Signal Processor (Datasheet), Se CD for kopi. [8] Texas Instruments. MSP430x1xx Family Users Guide, Se CD for kopi. [9] Texas Instruments. ez430-rf2500 Family Users Guide, Se CD for kopi. [10] James K. Peckol. EMBEDDED SYSTEMS A Contemporary Design Tool. John Wiley and Sons Inc. [11] Munk-Madsen Nielsen og Stage Mathiassen. Object oriented analysis and design. Forlaget Marko, [12] MJ-blog. Sporsystemmer, to- eller treskinne?, dk/2008/11/sporsystemer/ [Online; tilgået 05-marts-2009]. [13] Philips. Datasheet - hef4051b, Se datablad på CD-ROM. 69

71 70 LITTERATUR [14] Wikipedia. Diode brokobling, index.php?title=diodebrokobling&oldid= [Online; tilgået 12- maj-2009].

72 Bilag A MSP430-serien af microcontrollere 71

73 72 BILAG A. MSP430-SERIEN AF MICROCONTROLLERE A.1 MSP430 I dette appendix kan man finde informationer om de forskellige funktioner vi benytter på MSP430 eren. A.2 Registre MSP430 har i alt 15 registre, hvor nogle af disse anvendes til specielle formål som f.eks. stack pointer eller program counter. De første fire registre i MSP430, R0, R1, R2 og R3 er specielle, og har følgende funktioner: R0: Program Counter R1: Stack Pointer R2: Status Register R3: Constant Generator De resterende registre, R4-R15 er general purpose, og kan således benyttes til hvad end man lyster. Program Counter registeret er det register der holder styr på adressen i hukommelsen hvor CPU en på et givent tidspunkt er ved at eksekvere. Stack Pointeren peger på programmets stack, og Constant Generator-registeret anvendes i instruktioner der arbejder med konstante værdier, f.eks. en CMP instruktion der sammenligner værdien af et register med 0 eller en anden konstant værdi. Det eneste register der er interessant fra vores synspunkt er Status Registeret, da vores programkode til microcontrolleren er skrevet i C, og derfor ikke har haft brug for at røre ved de resterende registre. Status registeret (se figur A.1) indeholder diverse status bits for aritmetiske instruktioner som f.eks. ADD og SUB. Disse er N, Z, C og V, som er hhv. negativ-, zero-, carry- og overflow-bittene. Det er også muligt at slukke for nogle systemclocks (se afsnit A.3 for mere information vedr. clocks) via registrene SCG0 og SGC1 og OSCOFF. Derudover er det også muligt at slukke for CPU en via CPUOFF-bittet. Det eneste register der eksplicit anvendes i vores software er GIE, Global Interrupt Enable, der slår interrupts til.

74 A.3. CLOCKS 73 Figur A.1: Status registeret på MSP430 [8]. A.3 Clocks MSP430 indeholder et modul kaldet Basic Clock Module. Basic Clock modulet indeholder tre forskellige clock kilder: LFXT1CLK: en lavfrekvent 32,768 KHz oscillator. XT2CLK: En valgfri højfrekvent oscillator. DCOCLK: Intern digitalt kontrolleret oscillator med RC-karakteristik. Kører som standard omkring 800KHz. Selve Basic Clock modulet eksporterer tre clock signaler: ACLK: Auxillary clock. Kører altid med LFXT1CLK kilden. Kan køres med en divider på 1, 2, 4 eller 8. MCLK: Master clock. Master clocken er den clock der leverer clocksignal til bl.a. CPU en og system. Kan benytte alle ovenstående clock-kilder med dividerne 1, 2, 4 eller 8. til alle de ovenstående clock-kilder. SMCLK: Sub-master clock. Anvendt som clock til devices som f.eks. timere og USART. SMCLK har en divider på 1, 2, 4 eller 8. I projektet drives både MCLK og SMCLK af DCO clock-kilden. DCO clockfrekvensen er ikke ændret fra standardværdien, som er på omkring 800KHz.

75 74 BILAG A. MSP430-SERIEN AF MICROCONTROLLERE A.4 Digital I/O MSP430 har i alt 64 ben, hvoraf de 48 kan konfigureres til I/O ben. Mange af disse har også andre funktioner som f.eks. timere, men kan indstilles som værende udelukkende I/O ben via et register. De 48 I/O ben er inddelt i 6 porte kaldet P1 P6. Hver enkelt port styres via et byte langt port-register [8]. På figur A.2 kan en oversigt over portene og portenes placering på microcontrolleren ses. Figur A.2: Oversigt over portene på MSP430F149 [7]. En oversigt over de porte der anvendes i katapult-projektet kan findes bagerst i bilag A.9. A.4.1 Konfiguration af digital I/O Som nævnt kan de 48 ben kan enten vælges som digitale I/O ben eller den indbyggede funktion, f.eks. timere, ADC og lignende. Det overordnede register der styrer dette kaldes PxSEL, der findes et af disse registre til hver port. Hvis et bit er sat højt, vil dette ben opføre sig efter den indbyggede funktion, som kan findes i databladet. Ligeledes vil et bit være et digitalt I/O ben, når dette bit er sat lavt.

76 A.4. DIGITAL I/O 75 Skemaerne (figur A.3 og figur A.4) viser de registre der er tilkoblet de forskellige I/O porte. Portene P1 og P2 adskiller sig fra de andre registre ved at de har interrupt-egenskaber. Samtlige porte indeholder udover PxSEL, der bestemmer om en given port er et I/O ben, registrene PxIN, PxOUT og PxDIR. Derudover indeholder de to registre med interrupt-muligheder også registrene PxIE, PxIFG og PxIES der anvendes til konfiguration af interrupts [8]. Figur A.3: Oversigt over P1 og P2 registrene [8]. Figur A.4: Oversigt over P3-P6 registrene [8]. A.4.2 Anvendelse af digitale I/O porte Hver port har et PxDIR register. Dette register vælger retningen af I/O benet dvs. om benet skal være et input ben, eller et output ben. Benet sættes som output, hvis det tilsvarende bit i registret er sat højt, mens benet sættes som input, hvis det tilsvarende bit er lavt. Sættes et ben på en specifik port som et input ben, anvendes PxIN registret til at udlæse dette bens værdi. PxIN er kun et læsbart registrer, og det er ikke muligt at ændret dens værdi. Sættes et ben som output, styres benets værdi via registret PxOUT. PxOUT registret fungerer på samme måde som PxIN, bortset fra at man her selv sætter værdien, i stedet for at aflæse den. Signalerne på de digitale output ben afhænger af MSP430-controllerens forsyningsspænding. I dette projekt anvender en forsyning på 3,3 V, hvilket vil sige at MSP430 output benene giver 3,3 V output, og ligeledes forventer inputs på 3,3 V.

77 76 BILAG A. MSP430-SERIEN AF MICROCONTROLLERE A.4.3 Anvendelse af interrupts på digitale I/O ben De to porte, P1 og P2, kan anvendes sammen med interrupts. Dette betyder at microcontrolleren kan interrupte kørende programkode, når der sker en ændring på et input ben. For at slå interrupt-funktionen til på et input ben, benyttes registret PxIE. Hvert bit i dette register svarer til et ben på den pågældende port. Når interrupts er slået til, vil en ændring på et I/O få processoren til at hoppe til en bestemt adresse i koden (en såkaldt Interrupt Service Routine). Omstændighederne for ændringen af et bens værdi er det også muligt at konfigurere. Dette gøres via registret PxIES, som gør det muligt at vælge hvor vidt man vil have et interrupt når et signal går fra at være lavt til højt, eller omvendt.

78 A.5. INTERRUPTS 77 A.5 Interrupts Et interrupt er et asynkront signal fra hardware eller software, som indikerer at der er behov eksekveringstid. Når der sker et interrupt kræver den opmærksomhed til det sted i koden der er fastsat (også kaldet en ISR 1, således afbrydes CPU ens igangværende programudførelse. Den igangværende programudførelse genoptages igen, når ISR en er udført. Interrupts på MSP430 slås til ved at sætte bittet GIE i status registeret SR. Derefter skal interrupts for de enkelte porte i PxIE, hvis der er tale om digital I/O, eller interrupt enable bittet i kontrolregistret for enheden. A.5.1 Interrupt prioritet Når der er flere interrupts ønsker CPU-tid samtidigt, bliver de eksekveret efter prioritet. Fra Texas Instruments side er der på forhånd valgt prioriteter for de forskellige interrupts, som kan ses på figur A.5. Som det kan ses har de vigtige system-interrupts højere prioritet end normale device-interrupts. Derudover er interrupt-prioriteten bestemt via interrupt-vektorens adresse i hukommelsen. A.5.2 Diskussion Interrupts kan med fordel benyttes hvis ændringer af værdier på input kan håndteres i en interrupt service routine. I sådanne tilfælde giver det ingen mening at sidde og polle på de enkelte input ben for derefter at udføre en anden kode. I en sådan situation kan det ofte betale sig at anvende et interrupt, da opgaven der skal udføres typisk er en simpel ændring. Et eksempel på et sted der kunne anvendes polling på input ben i stedet for interrupts er ved afstandsmålere. Pga. flowet i softwaren, er det meget lettere at avende en synkron aflæsning, end et asynkront interrupt. Om man skal anvende interrupts i en given situation afhænger således meget af situationen, og måden dataet fra en bestemt enhed skal anvendes i resten af softwaren. 1 Interrupt Service Routine

79 78 BILAG A. MSP430-SERIEN AF MICROCONTROLLERE Figur A.5: Her ses de forskellige interruptvektorer samt en liste over interruptprioriteterne på MSP430 [7]. A.5.3 Kode Da softwaren er skrevet i C, vil der her komme nogle enkelte eksempler på anvendelse af interrupt-vektorer for interrupt service routines i C. Vores kode er skrevet til både at kunne køres i Texas Instruments Code Composer compiler, og MSP-GCC. Begge disse compilere har understøttelse for at lave interrupt service routiner direkte i C-kode (i modsætning til assembler), men der benyttes forskellig syntax fra compiler til compiler. I Code Composer anvendes in-line ISR således:

80 A.5. INTERRUPTS 79 1 #pragma v e c t o r=port1_vector 2 interrupt void p ort1_isr ( void ) { 3 4 / Read v a l u e o f PORT1 i n p ut. / 5 unsigned char v a l = P1IN ; 6 7 / Determine which pin to s e r v i c e. / 8 i f (P1IFG & 0x1 ) { 9 / P1. 0 was changed / (... ) P1IFG &= ~(0 x1 ) ; 14 } i f (P1IFG & 0x2 ) { 17 / P1. 1 was changed. / (... ) P1IFG &= ~(0 x2 ) ; 22 } 23 } I MSP-GCC erklæres funktionen lidt anderledes, ellers fungerer resten som i Code Composer: 1 #include <s i g n a l. h> / mspgcc wants the s i g n a l. h header f o r in l i n e ISRs. / 2 3 i n t e r r u p t (PORT1_VECTOR) port1_isr ( void ) { (... ) 7 8 } Desuden skal det nævnes at MSP430 ikke altid er god til selv at cleare interrupt flaget for alle interrupts, så dette kan med fordel gøres manuelt for at undgå komplikationer.

81 80 BILAG A. MSP430-SERIEN AF MICROCONTROLLERE A.6 RS232 RS232 er en simpel seriel data-bus oprindeligt beregnet til kommunikation mellem en DTE (Data Terminal Equipment) dvs. en computer eller en terminal, og en DCE (Data Communications Equipment) dvs. et modem [10]. RS232 standarden specificerer forskellige funktioner og niveauer, som f.eks. spændingsniveauer og funktionen af de forskellige ben på portene. Dog har RS232 gennem tiden også været brugt til andre ting end blot kommunikation mellem en DTE og en DCE, og i disse applikationer har man bl.a. brugt forskellige standard-specificerede ben til signalering af applikations-specifikke formål. Dermed trodsede man den egentlige specifikation, men fik yderligere funktionalitet. Dette var smart fordi RS232 og DE9-stik var vidt tilgængelige på computere, og det var derfor muligt at bygge simple udvidelser dertil. Selv om RS232 i dag kan føles gammel og forældet er det stadig yderst nyttigt, og meget simpelt at arbejde med i praksis, dette gør at det er yderst attraktivt at arbejde med til kommunikation mellem indlejrede systemer under debugging eller lignende. A.6.1 Virkemåde RS232 er anvendt til karakter-baseret kommunikation, typisk vil dette være transmission af ASCII karakterer, men det er ikke begrænset hertil. Normalt anvendes såkaldte UART er for at gøre det lettere at arbejde med RS232, og på disse kan man sætte en værdi for antal bits per karakter. For at gøre det muligt at modtage data asynkront fra den modsatte ende af kommunikationen, gør RS232 brug af start og stop bits. Denne teknik kaldes framing. Framing sker for hver enkel karakter der afsendes fra UART en. For at dekode en karakter fra signalerne der kommer efter et start-bit i en frame anvendes en forudbestemt timing kaldet baud raten. Baud raten bestemmer hvor tit modtageren skal sample signalet for dermed at bestemme en specifik bit-værdi. Ud over de to start- og stopbits fra framingen, bruger man også ofte endnu et ekstra bit for at forhindre data korruption, det såkaldte paritets-bit. Når paritet er slået til, vil paritets-bittet fremgå umiddelbart efter alle databits er blevet transmitteret, men før stop-bittet. Typisk anvendes to forskellige metoder til paritetstjeks, odd eller even paritet. De fungerer på den måde at antallet af logiske 1-bits i de transmitterede databits optælles. Køres der med odd parity

82 A.6. RS sættes paritetsbittet til logisk 1 hvis antallet er ulige, ellers 0. Ligeledes sættes paritetsbittet højt hvis antallet er lige, når der køres med even parity. RS232 bruger desuden lidt atypiske spændingsniveauer. Dette er gjort for at bekæmpe støj. Et logisk 0 i RS232 er en spænding mellem +3 V og +15 V. Et logisk 1 er en spænding mellem 3 V og 15 V. A.6.2 USART En Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) eller Universial Synchronous/Asynchronous Reciever/Transmitter (USART) er det stykke hardware der benyttes til at kommunikere over en RS232-linje. Vi vil ikke gå i dybden med at forklarer hvordan en USART fungerer, men vil kun forklare det overfladisk. USART en laver alt det hårde arbejde beskrevet tidligere i kapitlet, og abstraherer stort set alt viden om den underliggende protokol væk. På MSP430 fungerer det på den måde, at man skriver til et output register for at sende en byte af sted, og læser fra et input register når man vil læse et sendt byte. Det er ligeledes muligt at anvende interfacet til USART en via interrupts, så man kan modtage en IRQ når der er modtaget en ny byte, og når en ny byte bør sendes. A.6.3 Kode Kode til styring af RS232 og USART kan findes på den medfølgende CD-ROM i mappen code/mspcode/rs232.c.

83 82 BILAG A. MSP430-SERIEN AF MICROCONTROLLERE A.7 Timer MSP430 indeholder to timere kaldet timer A og timer B [8]. Både timer A og B er asynkrone 16bit timere/tællere med: 4 indbyggede operationstilstande. Valgfrie og justerbare clock frekvenser. 3 justerbare capture/compare registre. Konfigurerbare outputs med mulighed for PWM. Asynkront input og output latching. Interrupt vector funktion for hurtig behandling af Timer A/B interrupts. A bit tæller/timer for timer A 16-bit tælle registret, TAR, fungerer på den måde at den afhængigt af operationstilstand vil enten inkrementere eller dekrementere sin værdi på hver stigende flanke på clocksignalet. TAR registret kan ved hjælp af software både skrives til og læses fra, ydermere kan timeren kan sættes til at generere at interrupt når der forekommer overflow i dette register. TAR registret kan også tømmes ved at sætte TACLR bittet. Dette sletter dog også clock divideren og count-retningen for op/ned mode. A.7.2 Timer modes Timer A og B i MSP430 har 4 forskellige tilstande som vist på A.6, up, up/down, stop og continuous. Hvilken af disse tilstande der vælges, bestemmes af MCx bittet. Figur A.6: Timer modes på MSP430 [8]. Up-mode benyttes hvis timerperioden altid skal være forskellig fra 0FFFFh optællinger. Timeren vil gentage sig selv ved at tælle op til den i compare-registret,