SPS mit ATmega

2016-02-28T11:35:13Z

Andreasr:

''von andreasr''

Viele Steuerungsaufgaben in der Hausautomation können mit einfachen SPS-Funktionen gelöst werden (Treppenhaus-Automat, Tast-Funktion, Und-/Oder-/Xor-/Not-Funktionen,
Flankenerkennung, Selbsthaltung, Reaktion auf Zählerstände, …).
Der Nachteil einer käuflichen SPS ist der hohe Preis.
Auf der anderen Seite kann ein aktueller Mikrocontroller die SPS-Funktionen spielend leicht abbilden.
Nachteil ist hier aber die komplizierte Programmierung bzw. die Pflege des Programms.
C und C++ sind nicht unbedingt die erste Wahl für die Programmierung logischer Ablaufsequenzen.
Was liegt näher als mit einen Mikrocontroller eine SPS zu implementieren, die sich in einer AWL-ähnlichen Sprache programmieren lässt?

=Features=
* 12 V oder 24 V Betriebsspannung
* Platinengröße halbes Euro-Format
* 8 Eingänge
* 8 Ausgänge, 500mA, direktes Schalten induktiver Lasten
* möglichst preiswerte und einfach zu beschaffende Komponenten
* optinale Zusatzmodule anschließbar, z.B. LCD, Taster, RFM12, DCF77-Empfänger
* optionale Softwaremodule realiserbar, z.B. Zeitschaltuhr, [http://http://www.smarthomatic.org/devices/power_switch.html smarthomatic Power Switch] Implementation

=Theory of Operation=
Die Abarbeitung eines SPS-Programmes erfolgt innerhalb von sogenannten Zyklen.
Das sind feste Zeitabschnitte, in denen das gesamte Programm durchlaufen wird und aus Eingangssignalen Ausgangssignale gebildet (berechnet) werden.
Diese Zeitabschnitte sollten möglichst kurz sein, da sie die minimale Reaktionszeit bestimmen.
Da mit einer SPS üblicherweise kontaktbehaftete Steuerungen nachgebildet werden ist eine Zykluszeit von 10-100 ms meistens ausreichend.
Das SPS-Programm sollte für den Mikrocontroller in einem Format vorliegen, dass er leicht einlesen und interpretieren kann; ähnlich einem Maschinenprogramm für die CPU.
Um die Komplexität gering zu halten, besteht jeder Programm-Befehl aus 2 Bytes; einem Opcode und einer Adresse.
Als Ergebnis-Zwischenspeicher wird ein Akkumulator-Register benutzt. Operationen, die 2 Operanden verarbeiten benutzen als zweiten Operanden ebenfalls den Akkumulator.

=Hardware=
Als Mikrocontroller wird ein ATmega328 verwendet.
Um genügend Eingänge und Ausgänge zur Verfügung zu haben wird eine [http://www.mikrocontroller.net/articles/Erweiterung_von_digitalen_IO-Ports Porterweiterung] verwendet.
Die Ansteuerung der Schieberegister erfolgt per Software-SPI.
Das SPS-Programm wird im EEProm des Mikrocontrollers abgelegt und zur Laufzeit in das RAM geladen.
Um Zusatzfunktionalitäten zu realisieren, werden einige Port-Pins des Mikrocontrollers auf einer Stiftleiste herausgeführt.
Die Spannung für den Mikrocontroller und die Peripherie wird über einen [https://www.mikrocontroller.net/part/LM2574 LM2574] erzeugt. Es kann je nach verwendeter Peripherie die 3,3 V oder die 5 V – Variante verwendet werden.
Falls z.B ein [https://www.mikrocontroller.net/articles/RFM12 RFM12] angeschlossen werden soll empfiehlt sich die 3,3 V Variante; falls ein LCD angeschlossen werden soll die 5 V – Variante.
Dem ATmega selbst hat einen Spannungsbereich von ca. 3 V – 5 V falls man mit der Taktfrequenz nicht über 8 MHz geht.
Die Versorgungsspannung kann sich in einem weiten Bereich bewegen und wird im Wesentlichen durch die max. Eingangsspannung des LM2574 begrenzt - 45V.
Es müssen nur die Vorwiderstände für die Optokoppler angepasst werden, dass der Strom durch die LED's ungefähr 10 mA beträgt; also etwa 1,2 kOhm für 12 V und 2,2 kOhm für 24 V.
Die Eingangsbeschaltung für einen einzelnen Eingang sieht so aus:

[[Bild:Eingang.png|400px]]

Optional können 2 Eingänge über Optokoppler isoliert mit Netzspannung angesteuert werden.
Es wird ein kapazitiver Spannungsteiler verwendet. Die Entprellung muss mit einer entsprechenden Zeitkonstante ausgeführt werden, um die 100 Hz-Frequenz zu eliminieren.

[[Bild:Eingang230_neu.png|400px]]

=Sicherheitshinweis=
{{Warnung|Das Arbeiten mit Netzspannung sind die einschlägigen Sicherheitsvorschriften ezüglich Berührungsschutz, Isolationsabstand, Kriechstrecken etc. einzuhalten.}}

Die Ausgänge werden über einen Highside-Treiber vom Typ UDN2981 angesteuert. Der Treiber besitzt TTL-kompatible Eingänge und kann bis zu 500mA schalten.
Freilaufddioden für induktive Lasten sind integriert. Die Ausgangsstufe sieht wie folgt aus:

=Software=
Die eigentliche Befehlsausführung ist in der Funktion <syntaxhighlight lang="c">void SPSExec(const uint8_t* prog)</syntaxhighlight> implementiert.
Es werden immer 2 Bytes gelesen: Opcode und Adresse. Zunächst wird der Opcode aufgespalten in die Operand und in Attribute.

TODO: Grafik

Die Operanden ''opLoad'', ''opAND'', ''opOR'', ''opXOR'' können mit dem Attribute ''attrSubBlock'' kombiniert werden.
Das führt dazu, dass die folgenden Berechnungen bis zum Operanden ''opEnd'' als Teilausdruck aufgefasst werden,
der anschließend mit dem aktuellen Ergebnis kombiniert wird (Klammerausdruck). Zur Berechnung von Teilausdrücken wird ein Stack benutzt.

Danach wird das Adress-Byte ausgewertet. Das Adress-Byte kodiert das Device, einen Byte-Index und die Bit-Nummer:

TODO: Grafik

=Schreiben des SPS-Programmes=
Die Programmierung soll möglichst einfach sein aber auch intuitiv. Das wird erreicht durch eine Kombination von bestimmten Operanden- und Adress-Makros.
In Wirklichkeit ist das Programm eine Deklaration eines Byte-Arrays was im EEProm abgelegt wird.
Zum Einspielen eines neuen SPS-Programmes reicht es also, das EEProm des ATmega neu zu beschreiben (= Speicherprogrammierbare Steuerung)

==Beispiele==
Q1 = I1 AND (I2 OR NOT I3)
<syntaxhighlight lang="c">
#define I1 IN(0)
#define I2 IN(1)
#define I3 IN(2)
#define Q1 OUT(0)

uint8_t EEDataSPSCode[] EEMEM= {
LD, I1,
AND+KLAUF, 0, // (
LD, I2,
OR+NOT, I3,
KLZU, 0, // )
ST, Q1,
EXIT,
};
</syntaxhighlight>

Selbsthaltung, I1 = Q1 Ein, !I2 = Q1 Aus
<syntaxhighlight lang="c">
#define I1 IN(0)
#define I2 IN(1)
#define Q1 OUT(0)

uint8_t EEDataSPSCode[] EEMEM= {
LD, I1,
S, Q1,
LD, NOT+I2
R, Q1, // dominierend Aus
EXIT,
};
</syntaxhighlight>

Flankenerkennung steigende Flanke an I1 setzt Q1
<syntaxhighlight lang="c">
#define I1 IN(0)
#define Q1 OUT(0)
#define Merk1 M(1)

uint8_t EEDataSPSCode[] EEMEM= {
LD, I1,
FP, Merk1, // Flanke Positiv; braucht Hilfs-Merker
S, Q1,
EXIT,
};
</syntaxhighlight>

Der Compiler legt das Array EEDataSPSCode als EEProm-File ab.

=Timer=

=Counter=

=Zusatzfunktionen=
Um die Flexibilität zu erhöhen, können Zusatzmodule in der Software aktiviert werden. Aktuell gibt es folgende Module:

==Uhr==
<syntaxhighlight lang="c">(#ifdef WITH_CLOCK)</syntaxhighlight>
Freilaufende Uhr mit DCF77-Synchronisierung.

==Zeitschaltuhr==
<syntaxhighlight lang="c">(#ifdef WITH_CLOCK_SWITCH)</syntaxhighlight>
Zeitschaltuhr mit 8 Bits, die als Eingänge in die SPS gespiegelt werden. Zur Einstellung der Zeiten kann ein LCD und 3 Taster angeschlossen werden (Erweiterungs-Steckerleiste)
Die Zeitschaltuhr bezieht die Zeitinformation aus dem Modul Uhr (#ifdef WITH_CLOCK)
Es können absulute Zeiten sowie Zeiten relativ zum Sonnen- Auf-/Untergang ausgewählt werden.

==smarthomatic - Potokoll==
<syntaxhighlight lang="c">(#ifdef WITH_SHC)</syntaxhighlight>
Es wird ein [http://http://www.smarthomatic.org/devices/power_switch.html Power smarthomatic Switch-Device] eingebunden, das 8 Ein-/Ausgänge in die SPS spiegelt. In Verbindung mit FHEM lässt sich die SPS damit als intelligentes Hausautomatisierung-Gerät verwenden.
Der Source-Code von Smarthomatic wurde etwas modifiziert, da die Smarthomatic-Module normalerweise davon ausgehen, dass ihnen der ganze Mikrocontroller gehört. Die Konfiguration der Module erfolgt über ein EEProm-Konfiurations-File. Dieses musste so modifiziert werden, dass noch Platz für das SPS-Programm bleibt. Die Hardware (RTM12B) wird über die Erweiterungs-Steckerleiste angeschlossen.

=Bilder=
[[Bild:ZeitSchalt1.png]]

[[Category:Projekte]]
[[Kategorie:AVR-Projekte]]

Datei:Eingang230 neu.png

2016-02-28T11:30:54Z

Andreasr:

SPS mit ATmega

2016-02-28T11:30:06Z

2015-10-17T08:52:20Z

Andreasr: /* Software */

Nachdem der AVR jahrelang seine Dienste verrichtet hat, kommt man heute eigentlich nicht darum herum, auch mal über den (8-Bit) - Tellerrand zu schauen. Die ARM-CPU’s drängen sich geradezu auf und werden auch für den Bastler immer interessanter. Mittlerweile ist ein LPC1114 billiger als ein ATmega32. Und das bei mehr RAM und einer höheren Performance. Was mich bisher vom Einsatz abgehalten hat ist die Tatsache dass die meisten ARM Controller nur als SMD- Package (LQFP) erhältlich sind und das fehlende EEProm zum Ablegen von Konfigurationsparametern. Um diese beiden Nachteile zu eliminieren und insgesamt die Einstiegshürde für den Einsatz eines Cortex-M0 zu senken, habe ich das hier beschriebene Breakout-Board entworfen.

[[Bild:LPC1114-Breakout.png|600px]]

==Features==
* Steckbrett-kompatibel
* Konfigurations-EEProm optional bestückbar (I2C)
* Quarz optional bestückbar
* Cortex 10-pin 0.05" JTAG/SWD Debug-Schnittstelle

==Schaltplan==
[[Bild:LPC1114-Schaltplan.png|600px]]

Es werden im Wesentlichen alle Pins des LPC auf Stiftleisten geführt. Ein Quarz und ein I2C-EEProm sind optional bestückbar. Die Debug-Schnittstelle ist direkt mit den SWD-Pins des Prozessors verbunden.
{{Warnung|Der LPC1114 darf maximal mit einer Versorgungsspannung von 3,6V betrieben werden! Eine Versorgungsspannung von 5V tötet ihn!}}
Die Eingänge sind aber 5V-tolerant.
Im Anhang befinden sich die Eagle-Files. Die Fertigung der Platinen bei einem chinesischen Hersteller hat mich 16USD / 5 Platinen incl. Versand gekostet.

==Software==
Im unten verlinkten Sourcecode-Paket befindet sich ein HelloLpc1114 Projekt für die LPCXpresso-IDE. Enthalten ist auch ein Treiber für das I2C-EEprom. Die Software ist für den Betrieb mit einem 12 MHz-Quarz konfiguriert. Die interne PLL erhöht den Takt auf 48 MHZ. Falls das Board mit dem internen RC-Oszillator oder mit einer anderen Frequenz betrieben werden soll, muss die Takt-Konfiguration angepasst werden. Dazu muss die Datei system_LPC11xx.c editiert werden. Damit man sich nicht durch die einzelnen Bit-Definitionen hangeln muss gibt es das Java-Tool [http://sourceforge.net/projects/cmsisconfig CMSIS Configurator].

[[Bild:CMSIS-Config.png|400px]]

Das Projekt referenziert die CMSIS-Library CMSIS_CORE_LPC11xx. Sie ist Bestandteil des NXP LPCXpresso Installationspaketes.

==Links==
Link für Nachricht an den Autor: [http://www.mikrocontroller.net/user/show/AndreasR Andreas Richter]
 

Sourcecode:
[[Datei:LPC1114_Example.zip]]

Eagle-Files:
[[Datei:LPC1114_Breakout_Eagle.zip]]

[[Category:Projekte]]
[[Category:ARM]]
[[Category:LPC1x]]