8-kanałowa karta przekaźników na RS232

Poniższy projekt powstał jako część domowej automatyki. Jest to karta przekaźników sterowana poprzez port RS232 komputera która może zostać dodatkowo rozbudowana o 5 wejść. Opisywany projekt to kompletne rozwiązanie zawierające część sprzętową wraz z firmwarem jak i część programową (PC) na która składa się konsolowy program (linux) do sterowania, biblioteka dla języka php oraz okienkowa aplikacja napisana w javie/swing.

Hardware

Można by powiedzieć że jest on typowy – mikrokontroler, driver max232, karta przekaźników. Mimo wszystko postaram się pokrótce opisać zasadę działania sterownika i części wykonawczej.
Na rysunku poniżej widać schemat części sterownika karty.

Głównym jego elementem jest mikrokontroler AT90S2313 (U1) taktowany kwarcem 10,7 Mhz (Q1, C1, C2). Następnie mamy driver rs232 typu MAX232 wraz z elementami towarzyszącymi C3,C4,C5,C6 którego wyjście jest wyprowadzone na gniazdo DB9 typu męskiego (aby połączyć układ z komputerem należy korzystać z kabla z przeplotem, tzw. Null-modem). Dalej reset mikrokontrolera podciągnięty do plusa zasilania, a port B (piny PB) poprzez rezystory ograniczające prąd (R2-R9) podane na tranzystory sterujące przekaźnikami i diodami LED – T1..T8. Tranzystory te pracują w układzie wspólnego emitera (wzmocnienie prądowe jest większe od jedności). Z kolektorów tych tanzystorów sygnał jest podawany na 8 identycznych bloków przekaźników które wyglądają jak na rysunku poniżej.

Każdy blok składa się z przekaźnika wraz z diodą prostowniczą (na rysunku powyżej D9). Dioda ta służy do wytracenia energii impulsu wyindukowanego w cewce przekaźnika, wytworzonego podczas nagłego przerwania jej zasilania. Oprócz tego, w każdym bloku znajduje się dioda LED (D1) wraz z rezystorem ograniczającym prąd (R10). Styki samego przekaźnika zostały połączone równolegle tak aby zwiększyć dopuszczalny prąd przez nie płynący.

Firmware

Program dla mikrokontrolera został napisany w języku C a skompilowany przy pomocy avr-gcc a następnie wgrany do pamięci układu przy pomocy programatora USBasp.
Procedury odpowiedzialne za komunikację, podobnie jak część sprzętowa, są typowe, można by powiedzieć że książkowe i wyglądają jak poniżej.

#define UART_BAUD 9600				/* serial transmission speed */

void UART_putchar(char c)
{
	UDR = c;
	loop_until_bit_is_set(USR, TXC);
	sbi(USR, TXC);
} // end of UART_putchar()

char UART_getchar(void)
{
	loop_until_bit_is_set(USR,RXC);
	cbi(USR,RXC);
	return UDR;
} // end of UART_getchar()

void UART_init()
{
	UBRR = (unsigned char)UART_CONST;		//spped
	UCR = _BV(RXEN)|_BV(TXEN);	//RXEN - permit recive, TXEN - permit send, RXCIE - interrupt on recive
} // end of UART_init()

Jak widać w fragmencie powyższego kodu, mamy 3 procedurki: UART_init(), UART_putchar() oraz UART_getchar(), które służą kolejno do skonfigurowania, wysłania znaku oraz odebrania znaku. Oprócz tego jest jeszcze jedna ważna stała UART_BAUD która określa prądkość komunikacji i jest ustawiona na 9600.
Procedura UART_init() składa się jedynie z dwóch linijek, w pierwszej przypisywana jest do rejestru UBRR żądana prędkość transmisji, natomiast w drugiej ustawiamy bity RXEN i TXEN rejestru UCR, które odpowiednio uaktywniają nadawanie i odbieranie (jak można wywnioskować z ich nazw RX/TX recive/transmit, EN – enable).
Procedura UART_putchar() przyjmuje jeden parametr, którym jest znak który ma zostać wysłany. Znak ten jest przypisywany do rejestru UDR a następnie wykonywana jest pętla tak długo aż zostanie ustawiony bit TXC w rejestrze USR co oznacza wysłanie znaku.
Procedura UART_getchar() działa podobnie, z tym że tutaj najpierw wykonywana jest pętla tak długo aż zostanie ustawiony bit RXC w rejestrze USR co oznacza nadejście znaku, a następnie ten znak zostaje zwrócony.
Oprócz samej komunikacji został jeszcze w mikrokontrolerze zaprogramowany prosty protokuł, który składa się z dwóch komend. Pierwsza z nich służy do ustawiania stanów na porcie PB (włączania i wyłączania przekaźników) druga do odczytu aktualnego stanu urządzenia.
Poniżej fragment przykładowej sessji w której zostają włączone przekaźniki PK1 oraz PK6, a następnie urządzenie zostaje poproszone o zwrócenie aktualnego stanu.

s10000100sOK
g10000100

Jak widać powyżej, wysyłamy do urządzenia ciąg znaków 0 i 1 (są to znaki nie liczby!) reprezentujące kolejne wyjścia urządzenia i tak kolejno 0 oznacza przekaźnik wyłączony natomiast 1 oznacza przekaźnik włączony. Ponadto ciąg zer i jedynek jest rozpoczęty i zakończony znakiem ‘s’. W odpowiedzi odtrzymujemy 4 znaki kolejno: ‘OK\n\r’ jeśli operacja została wykonana poprawnie, natomiast jeśli coś poszło by nie tak w samym urządzeniu, zwróciło by ono ciąg znaków: ‘Error 2\n\r’ lub ‘Error 3\n\r’.
W następnej linijce powyższego przykładu mamy odczyt aktualnego stanu urządzenia. Wysyłany jest znak ‘g’ natomiast w odpowiedzi otrzymujemy 8 znaków, zer i jedynek, które reprezentują stany kolejnych portów urządzenia.
Reasumując można by powiedzieć że mamy dwie komendy ‘s’ (set) oraz ‘g’ (get). W przypadku gdy do układu zostanie wysłany jakiś inny – niezrozumiały, ciąg znaków zostanie zwrócony ciąg znaków: ‘Error 0\n\r’. Tak mniej więcej wygląda cały protokół komunikacyjny.

Software

Od strony komputer / serwera, zostały przygotowane 3 różne aplikacje, konsolowy program dla środowiska linux, aplikacja okienkowan napisana w Javie/Swing, oraz klasa w php umożliwiająca sterowanie za pośrednictwem interfejsu www – to rozwiązanie jednak wykorzystuje oprogramowanie ser2net jako proxy.

Aplikacja konsolowa dla linux-a

Aplikacja ta umożliwia sterowanie urządzeniem oraz odczytywanie jego stanów z poziomu konsoli. Osobiście wykorzystuję tą aplikację w swoich skryptach cron’a – mam w ten sposób zorganizowany budzik – o odpowiedniej godzinie włącza się wzmacniacz podłączony do karty dźwiękowej domowego serwerka a następnie zostaje odtworzona playlista przy pomocy MPD.
Opcje dostępne w tym programie wyglądają następująco:

$ ./io_card
Usage: ./io_card -p port [-s (8bit data)] [-g] [-1..8 (on|off)]

-p 	ścieżka do portu np. /dev/ttyS0 lub /dev/ttyUSB0 itp.
-s	ustawienie wyjść, jako parametr podajemy odpowiedni ciąg 8 zer i jedynek
-g	pobiera aktualny stan urządzenia, w tym przypadku zwracany jest ciąg 8 zer i jedynek
-1..8	ustawienie lub skasowanie wyjścia od 1 do 8. Jako parametr możemy podać on lub off.

Przykładowo, aby załączyć przekaźniki 4 i 6 możemy wykonać takie polecenie:

$ ./io_card -p /dev/ttyUSB0 -s00010100
OK

lub możemy to zrobić tak:

$ ./io_card -p /dev/ttyUSB0 -4 on -6 on
OK

teraz aby odczytać aktualny stan:

$ ./io_card -p /dev/ttyUSB0 -g
00010100

następnie aby wyłączyć przekaźnik numer 4 i włączyć przekaźniki 1 i 2 możemy wykonać polecenie:

$ ./io_card -p /dev/ttyUSB0 -4 off -1 on -2 on
OK

W załączniku na dole tego artykułu znajduje się spakowany plik zawierający między innymi tą aplikację wraz kodem źródłowym.

ser2net i PHP

Aby skorzystać z klasy napisanej w php należy najpierw zainstalować i skonfigurować program ser2net. Wybrałem taką właśnie metodą komunikacji ponieważ jest ona bardziej uniwersalny, odpowiednio konfigurując ser2net możemy wystawić urządzenie na jakimś adresie zewnętrznym i kontrolować je zdalnie przy pomocy innej aplikacji klienckiej.
I tak, aby zainstalować w ubuntu w/w program, musimy wykonać polecenie:

sudo apt-get install ser2net

Po wykonaniu tego polecenia zostaje ściągnięty a następnie zainstalowany pakiet ser2net, po czym możemy przystąpić do jego konfiguracji.
W pliku /etc/ser2net.conf należy dodać linijkę jak poniżej:

localhost,3000:telnet:600:/dev/ttyUSB0:9600 8DATABITS NONE 1STOPBIT

Możemy ją odczytać jako: wystaw port /dev/ttyUSB0 na porcie 3000 localhost`a, prądkość transmisji to 9600, 8 bitów danych, 1 bit stopu, brak sprzętowej kontroli.
Zmieniając odpowiednio ścieżkę do porty, oraz host i port można dostosować działanie ser2net do własnych potrzeb.
Po zapisaniu pliku musimy zrestartować deamon ser2net, możemy to zrobić przy pomocy poniższego polecenia:

sudo /etc/init.d/ser2net restart

Po tym zabiegu mamy na localhost:3000 zmapowany port /dev/ttyUSB0, możemy zatem przejść do zabawy z php.
W załącznikach na dole artykułu została dodana klasa php IoCart, która udostępnia następujący interfejs:

• IoCart::__construct($strHost, $strPort) – konstruktor, jako parametry podajemy host i port na jakim nasłuchuje ser2net
• IoCart::close() – zamknięcie połączenia
• IoCart::getStatus() – pobieranie aktualnego stanu urządzenia, wartość zwracana to string składający się z 8 znaków – zer i jedynek
• IoCart::checkStatus($intPortNumber) – sprawdzanie aktualnego stanu jednego wybranego porty – $intPorNumber, wartość zwracana to odpowiednio boolowskie true lub false
• IoCart::setPort($intPort, $bolState) – ustawienie jednego wybranego portu, $intPort – numer portu od 1 do 8, $bolState – wartość boolowska oznaczająca włączony lub wyłączony dany port
• IoCart::set($strByte) – ustawienie wszystkich portów naraz, jako parametr przyjmuje odpowiedni ciąg zer i jedynek, reprezentujący zadane stany kolejnych przekaźników.

Poniżej zrzut ekranu oraz kod przykładowego działającego skryptu (również dołączony do pczaki zip).

<?php 
 include "IoCart.php";
 $objCard = new IoCart('localhost',3000);

 if(isset($_POST['change']) && $_POST['change']=='1' && isset($_POST['value']) && isset($_POST['port']))
 {
    $objCard->setPort($_POST['port'], $_POST['value']=='1' ? true : false);
 }

?><!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.0 Strict//EN"
                      "http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-strict.dtd">
<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" xml:lang="pl" lang="pl">
 <head>
    <title>8 bit IO Card Example</title>
    <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8"/>
 </head>
<body>
    <table border="1" align="center" cellpadding="15"> 
        <tr>
<?php 
 $strStatus = $objCard->getStatus(); 
 for($intI=0; $intI < 8; $intI++):
?>
            <td>Port <?= ($intI+1).': '.($strStatus[$intI]=='1' ? 'On' : 'Off') ?></td>
<?php endfor; ?>
        </tr>
        <tr>
<?php 
 for($intI=0; $intI < 8; $intI++):
?>
            <td align="center">
                <form action="" method="post">
                    <input type="hidden" name="port" value="<?= $intI+1?>" />
                    <input type="hidden" name="value" value="<?= ($strStatus[$intI]=='1' ? '0' : '1') ?>" />
                    <input type="hidden" name="change" value="1" />
                    <input type="submit" value="<?= ($strStatus[$intI]=='1' ? 'Off' : 'On') ?>" />
                </form>
            </td>
<?php endfor; ?>
        </tr>
    </table>
</body>
</html>

Aplikacja okienkowa

No i na koniec mały smaczek, aplikacja okienkowa w javie. Skompilowana również dostępna w załączniku.

Jak już prędzej wspominałem jest ona oparta na javie/swingu, oraz wykorzystuje do komunikacji bibliotekę RXTXcomm. Biblioteka ta jest również dołączona w pliku zip w katalogu lib. Jest to wersja .so jak i dll, niestety nie testowałem działania tego programu pod windowsem, jednak powinien on działać poprawnie 😉

Nie dołączam pełnych źródeł tej aplikacji ponieważ oprócz klasy SerialHandler cała reszta to w zasadzie interfejs graficzny, który każdy kto zna choć trochę jave może sobie napisać (wyklikać) według własnego uznania i dostosowany do własnych potrzeb.

Uwagi końcowe

Oczywiście w tym całym mini-projekcie jest kilka mniejszych lub większych mankamentów lub wręcz błędów projektowych, których jestem świadomy (jak np. Nie najlepiej zaprojektowane pcb, brak kondensatorów filtrujących, brak układu resetu), samo oprogramowanie na PC również jest napisane na szybko i byle jak. Całość jednak działa i spełnia swoją rolę.

Jeśli ktoś był by zainteresowany zakupem całego układu w postaci kit`u (lub zmontowanego układu) lub chciał uzyskać dodatkowe informację lub pomoc podczas uruchomienia, zapraszam do kontaktu 😉

Załączniki

• main.hex – wsad do konktrolera
• board_v2.ps – Płytka drukowana (PostScript)
• board_v2_mirror.ps – Płytka drukowana – odbicie lustrzane (PostScript)
• IO_Karta.zip – załącznik z wszystkimi plikami, wzorem pcb, schematem oraz aplikacjami klienckimi i wsadu.

Galeria