INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELETRÔNICA E COMPUTAÇÃO (PG/EEC)

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1 CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELETRÔNICA E COMPUTAÇÃO (PG/EEC) EA-254 Microcontroladores e Sistemas Embarcados / 2009 EXAME Alunos:Bruno Mourão Siqueira Kledermon Garcia Prof. Wagner Chiepa Cunha Prof. Cairo L. Nascimento Jr.

2 Sumário TAREFA RESUMO... 3 TAREFA INTRODUÇÃO... 5 ESQUEMA DE LIGAÇÃO... 6 DESCRIÇÃO DO PROGRAMA DA PLACA FLASHTCP DESCRIÇÃO DO PROGRAMA DA PLACA µflash PLUS CONCLUSÕES... 20

3 TAREFA 1 Estude e faça um resumo de até 2 páginas do artigo Controle e Monitoração de Dispositivos Remotos usando Internet e Rede Serial RS-485 disponível em: ftp://labattmot.ele.ita.br/ele/cairo/my_publications/2004/cba2004_cairo_chiepa_vogler_yagyu_1293.pdf Veja exemplo de user interface usando o SBC Rabbit 2000 em Experimente enviar alguns comandos para este web server (nenhum dispositivo está conectado ao SBC pela rede RS-485) e estude o código HTML da página. Note o efeito da instrução HTML: <meta http-equiv="refresh" content="60"> RESUMO Este artigo descreve a implementação e o funcionamento de um sistema de controle e monitoração de dispositivos remotos através da internet. O sistema é composto por um microcomputador conectado a internet com um programa web browser instalado, uma placa Rabbit 2000 TCP/IP com um software web server instalado e um microcomputador padrão IBM-PC-XT que executa o software responsável pelo acionamento e monitoração dos dispositivos (2 motores de CC. e um conjunto composto de quatro teclas e quatro LEDs). O sistema é ativado quando um usuário, utilizando um microcomputador conectado a internet e um web browser, efetua uma conexão via internet com o web server (placa Rabbit 200) através do endereço : ( Após o estabelecimento da conexão, o web server devolve ao web browser a home page do sistema. Através da home page é possível enviar comandos ao web server através de um formulário e receber o status atual esperado dos dispositivos. A placa Rabbit 2000 TCP/IP rodando o web server, executam as seguintes tarefas: - Receber os comandos enviado pelo web browser através do formulário, e compor uma mensagem contendo o número do dispositivo selecionado e o comando digitado pelo usuário; - Enviar esta mensagem através da rede serial RS-485 e aguardar a resposta do dispositivo endereçado (apenas o dispositivo endereçado na mensagem executará os comandos); - Receber a mensagem de resposta, atualizar a home page e enviá-la ao web browser. Página 3

4 A placa Rabbit 2000 TCP/IP, do ponto de vista da comunicação de rede local serial, é um dispositivo mestre, ou seja, envia os comandos pela rede RS-485 e aguarda uma mensagem de resposta dos dispositivos escravos. O microcomputador IBM-PC-XT é um dispositivo escravo e desempenha a função de interpretar os comandos recebidos pela rede serial RS-485 e acionar os dispositivos que estão fisicamente conectados à porta paralela deste. Após executar o comando, este deve devolver uma mensagem ao dispositivo mestre. Esta mensagem é formada pelo comando validado e executado, pelo status atual esperado dos motores e pelo status atual das quatro chaves digitais. As principais vantagens deste sistema são: utilizar rede RS-485, o que possibilita que os dispositivos sejam facilmente conectados a rede; e o acionamento do sistema é feito através de web browser, que está presente nos microcomputadores com acesso a Internet, dispensando a instalação de novos softwares. Página 4

5 TAREFA 2 Implemente um sistema de comando e monitoração remota de dispositivos físicos usando as placas µflashplus e FlashTCP e o software ertos. Um web server ([1], pág. 15) deve ser executado na placa µflashplus e os dispositivos físicos que serão comandados e/ou monitorados remotamente deverão estar conectados à placa FlashTCP. As 2 placas deverão estar conectadas por um conexão serial sem fio implementada com o uso de 2 módulos Bluetooth-serial BlueWave da Wireless Futures (wireless serial cable). A placa µflashplus deve ser conectada à rede ethernet do ITA por uma conexão sem fio (wireless ethernet cable) implementada usando as 2 pontes ethernet sem fio (wireless ethernet bridges) modelo WET11 da Linksys conforme já mostrado em aula. INTRODUÇÃO A finalidade dos programas desenvolvidos nesta tarefa é comandar remotamente os dispositivos utilizados nas aulas anteriores: Placa com 2 motores e placa com 8 LEDs e 8 teclas, além da caixa com o LCD e teclado. O SBC µflashplus é um webserver, responsável por gerar uma pagina HTML com as informações de status dos dispositivos e capturar os comandos enviados pelo usuário remoto (através do web browser) e enviá-los para a placa FlashTCP. O SBC FlashTCP deve receber os comandos da placa µflashplus por comunicação serial RS-232 e executá-los nos dispositivos. Página 5

6 ESQUEMA DE LIGAÇÃO 1) Cabo de conexão padrão Ethernet RJ45 RJ45: 2) Cabo de Comunicação Serial Dual Row Header 10 Pin RS 232 DB9 Fêmea: Página 6

7 SBC µflashplus COM2 (DCE) PC (DTE) Pino Descrição Pino Descrição 1 Pull Up 1 DCD 3 TXD 2 RXD 5 RXD 3 TXD 7 N.C 4 DTR 9 GND 5 GND 2 N.C 6 DSR 4 Pull Up 7 RTS 6 Pull Up 8 CTS 8 Pull Up 9 RI 10 N.C 3) Cabo de Comunicação Serial RS 232 DB9 Macho (COM1) Bluetooth: SBC µflashplus COM1 (DTE) 12 way Dual row 0.05 micro header- FTSH series Pino Descrição Pino Descrição 1 DCD 2 RXD 6 RS232 TxD 3 TXD 5 RS232 RxD 4 DTR 5 GND 6 DSR 7 RTS 4 RS232 CTS (in) 8 CTS 3 RS232 RTS (out) 9 N.C 4) Cabo de Comunicação Serial RS 232 Dual Row Header (COM1) Bluetooth: SBC FlashTCP COM1 (DTE) 12 way Dual row 0.05 micro header- FTSH series Pino Descrição Pino Descrição 1 DCD 3 RXD 6 RS232 TxD 5 TXD 5 RS232 RxD Página 7

8 7 DTR 9 GND 2 DSR 4 RTS 4 RS232 CTS (in) 6 CTS 3 RS232 RTS (out) 8 N.C 10 N.C 5) Cabo de Comunicação Serial Dual Row Header 10 Pin (COM2) RS 232 DB9 Fêmea: SBC µflashplus COM2 (DCE) PC (DTE) Pino Descrição Pino Descrição 1 Pull Up 1 DCD 3 TXD 2 RXD 5 RXD 3 TXD 7 N.C 4 DTR 9 GND 5 GND 2 N.C 6 DSR 4 Pull Up 7 RTS 6 Pull Up 8 CTS 8 Pull Up 9 RI 10 N.C 6) Cabo de Comunicação Serial Dual Row Header 10 Pin (COM3) RS 232 DB9 Fêmea RS 232 DB9 Macho: Página 8

9 SBC FlashTCP COM3 (DTE) Caixa LCD03 DB9 Fêmea Pino Descrição Pino Descrição 1 DCD 1 3 RXD 2 TXD 5 TXD 3 RXD 7 DTR 4 9 GND 5 GND 2 DSR 6 4 RTS 7 6 CTS 8 8 N.C 9 10 N.C 7) Cabo de Comunicação Paralelo Dual Row Header 26 Pin (LPT1) DB 25 Fêmea DB25 Macho: Página 9

10 SBC FlashTCP LPT1 DB25 Fêmea Pino Descrição Pino Descrição 1 Strobe 1 Strobe 3 D0 2 D0 5 D1 3 D1 7 D2 4 D2 9 D3 5 D3 11 D4 6 D4 13 D5 7 D5 15 D6 8 D6 17 D7 9 D7 19 Acknowledge 10 Acknowledge 21 Busy 11 Busy 23 Paper Empty 12 Paper Empty 25 Selected 13 Selected 2 Auto Feed 14 Auto Feed 4 Error 15 Error 6 Initialize 16 Initialize 8 Select 17 Select 10 GND 18 GND 12 GND 19 GND 14 GND 20 GND 16 GND 21 GND 18 GND 22 GND 20 GND 23 GND 22 GND 24 GND 24 GND 25 GND 26 GND Página 10

11 8) Cabo de Comunicação Paralelo Dual Row Header 26 Pin (PortA & PortB) Placa de I/O: O circuito de geração da interrupção do teclado está mostrado na figura abaixo. Como o pedido de interrupção está setado para ocorrer na borda de subida, então foi adicionado as três portas AND (equivalente a uma AND de quatro entradas) de modo que quando não há teclas pressionadas todas as entradas estão em nível alto, e conseqüentemente a saída também estará em nível alto. Quando ocorrer o acionamento de alguma tecla, uma das entradas estará em nível baixo (pulso), alterando o estado da saída e gerando um pedido de interrupção. Página 11

12 DESCRIÇÃO DO PROGRAMA DA PLACA FLASHTCP O programa da placa FlashTCP cria nove THREADs, onde cada THREAD é responsável pelo acionamento de um dispositivo: O THREAD interpcmd está encarregado de gerenciar os comandos enviados e recebidos, tanto entre os THREADs quanto através da porta serial RS 232 (comunicação serial RS 232>Bluetooth entre os dois SBCs). Este THREAD verifica se há um novo comando recebido de algum THREAD através do uso de mensagens (kgetmessage) e se há um novo comando recebido da placa µflashplus através da porta serial (COM1). O tratamento dos comandos recebidos através da porta serial ou através de mensagens ocorre da mesma forma, pois ambas seguem o mesmo protocolo, conforme está descrito abaixo: Byte n Função Descrição 00 STATE_CMD Comando: Este byte informa o tipo de comando e de qual THREAD se trata 01 STATE_SUBCMD Subcomando: Utilizado para enviar comandos para os THREADs 02 STATE_PARAMETER Parâmetro: Este byte informa o parâmetro do comando 03 STATE_QTD_DATA Quantidade de dados 04 STATE_DATA Dados: se a mensagem contiver texto, este será enviado a partir deste byte (máximo 107 bytes) 05 STATE_END Fim do pacote Quando há um novo comando, o interpcmd verifica sua validade através de máquina de estados, e caso seja um comando válido, é solicitado que este seja executado. Esta solicitação é feita através do encaminhamento da mensagem de comando para o THREAD que deverá executá la. O THREAD motor está encarregado de acionar os motores. O acionamento ocorre quando o THREAD recebe uma mensagem do interpcmd, com o seguinte formato: Página 12

13 Byte n Função 00 CMD_PUT_MOTORS 01 COMANDO/DADO 02 VALOR A SER ESCRITO NA PORTA PARALELA 0x378 (Motores) 03 CONTADOR DE CARACTERES DA MENSAGEM (0 CARACTERES) 04 STATE_DATA 05 DATA_END_PACKAGE A mensagem de comando é recebida através da função kgetmessage, contendo o comando (CMD_PUT_MOTORS) e o valor a ser escrito na porta LPT1 (0x378). Após a atualização da porta, é efetuada a atualização do registro geral. Este THREAD verifica também se há um pedido de leitura (CMD_REQ_MOTORS) do registro geral e se houver, uma mensagem contendo o status do motor é enviada ao interpcmd. O THREAD led está encarregado de acionar os LEDs. O acionamento ocorre quando o THREAD recebe uma mensagem do interpcmd, com o seguinte formato: Byte n Função 00 CMD_PUT_LEDS 01 COMANDO/DADO 02 VALOR A SER ESCRITO NO PORB (LEDs) 03 CONTADOR DE CARACTERES DA MENSAGEM (0 CARACTERES) 04 STATE_DATA 05 DATA_END_PACKAGE Página 13

14 A mensagem de comando é recebida através da função kgetmessage, contendo o comando (CMD_PUT_LEDS) e o valor a ser escrito no portb (0x61). Após a atualização da porta, é efetuada a atualização do registro geral. Este THREAD verifica também se há um pedido de leitura (CMD_REQ_LEDS) do registro geral e se houver, uma mensagem contendo o status dos LEDs é enviada ao interpcmd. O THREAD chaves está encarregado de monitorar o acionamento das chaves. A verificação é feita por pooling e quando houver o pressionamento de alguma das chaves, é efetuado a atualização do registro geral. Este THREAD verifica também se há um pedido de leitura (CMD_REQ_SWITCH) do registro geral e se houver, uma mensagem contendo o status das chaves é enviada ao interpcmd. O THREAD buzzer é responsável por acionar o buzzer que está conectado em paralelo com o led 8, no portb. O acionamento ocorre quando o THREAD recebe uma mensagem do interpcmd, com o seguinte formato: Byte n Função 00 CMD_PUT_BUZZER 01 COMANDO/DADO 02 COMANDO DE ACIONAMENTO DO BUZZER 03 CONTADOR DE CARACTERES DA MENSAGEM (0 CARACTERES) 04 STATE_DATA 05 DATA_END_PACKAGE A mensagem de comando é recebida através da função kgetmessage, contendo o comando (CMD_PUT_BUZZER) e um valor correspondente ao comando a ser executado, que pode ser: 0x55 = acionamento do buzzer por 1 segundo; 0x0F = desliga o buzzer; 0xF0 = liga o buzzer. Página 14

15 Após a atualização da porta, é efetuada a atualização do registro geral. Este THREAD verifica também se há um pedido de leitura (CMD_REQ_BUZZER) do registro geral e se houver, uma mensagem contendo o status do buzzer é enviada ao interpcmd.` O THREAD lcd" é responsável por enviar os textos para o display LCD. As mensagens a serem escritas no LCD contem 25 bytes e seguem o seguinte formato: Byte n Função 00 CMD_PUT_LCD 01 COMANDO/DADO 02 LINHA DO LCD (0 A 3) 03 CONTADOR DE CARACTERES DA MENSAGEM 04 1º. Caracter da mensagem 05 2º. Caracter da mensagem 06 3º. Caracter da mensagem 07 4º. Caracter da mensagem 08 5º. Caracter da mensagem 09 6º. Caracter da mensagem 10 7º. Caracter da mensagem 11 8º. Caracter da mensagem 12 9º. Caracter da mensagem 13 10º. Caracter da mensagem 14 11º. Caracter da mensagem 15 12º. Caracter da mensagem 16 13º. Caracter da mensagem 17 14º. Caracter da mensagem 18 15º. Caracter da mensagem 19 16º. Caracter da mensagem 20 17º. Caracter da mensagem 21 18º. Caracter da mensagem 22 19º. Caracter da mensagem 23 20º. Caracter da mensagem 24 DATA_END_PACKAGE Quando houver um pedido para escrita no LCD (CMD_PUT_LCD), este THREAD confere o número de caracteres que a mensagem contém (máximo de 20) e caso não tenha os 20 caracteres, então insere espaços no final do texto até completá los. Em seguida o texto resultante é atualizado no registro geral e a mensagem é enviada para ser escrita na porta serial (COM3). A função responsável pela escrita do texto no LCD, recebe a mensagem contendo o texto, posiciona o cursor na linha correspondente do LCD e envia o texto através da porta serial (COM3), caractere a caractere. Página 15

16 Este THREAD verifica também se há um pedido de leitura (CMD_REQ_LCD) do registro geral e se houver, uma mensagem contendo o status esperado do lcd é enviado ao interpcmd. O THREAD teclado" é responsável por receber as teclas pressionadas no teclado do LCD e armazená las em buffer com um histórico das 20 ultimas teclas pressionadas e também verificar se ocorreu a seqüência de alarme: *#*. Caso ocorra a seqüência de alarme, duas mensagem são enviadas ao interpcmd: uma mensagem de acionamento do buzzer por 1s (CMD_PUT_BUZZER); e outra mensagem de alarme (CMD_GET_ALARM_STATE) é enviada ao interpcmd. A função de recebimento da tecla é acionada pelo THREAD teclado sempre que houver uma interrupção do teclado (IRQ 5), através da sinalização de uma flag no tratamento da interrupção. A referida função envia um byte de requisição (decimal 16) através da porta serial COM3 para o LCD e este retorna dois bytes contendo o valor decimal da tecla pressionada, de acordo com o esquema abaixo: High byte Low byte /3 4/2 4/1 3/3 3/2 3/1 2/3 2/2 2/1 1/3 1/2 1/ # 0 * Os dois bytes recebidos são testados para verificação de qual tecla foi pressionada, e ao determinála o valor equivalente em ASCII é guardado em uma variável. O THREAD recebe o valor armazenado na variável e o adiciona a um vetor do tipo char de 20 posições. A cada novo byte recebido, o vetor é testado quanto à seqüência de alarme e armazenado no registro geral do sistema. O THREAD sendcmd é responsável por transmitir os dados da placa FlashTCP para a µflashplus. Este THREAD monitora o recebimento de mensagens do interpcmd e as envia através da porta serial (COM1) para a placa µflashplus. O THREAD datetime é responsável por capturar a hora do sistema e enviá la ao interpcmd, quando solicitado através do comando (CMD_REQ_TIME). É responsável também por atualizar a hora do sistema quando houver uma solicitação através do comando (CMD_PUT_TIME). Página 16

17 Os comandos a serem transmitidos pela porta serial (COM1) são enviados ao THREAD interpcmd e apos o comando ser validado pela máquina de estados do protocolo, este é adicionados em uma estrutura de dados do tipo fila. Sendo que todos os demais THREADS podem solicitar que os comandos sejam adicionados na fila, porém o único que tem permissão para colocar e retirar um elemento da fila é o THREAD interpcmd, este mecanismo impede que ocorra conflito na solicitação de comandos. A comunicação entre os dois SBCs é feita através de um único THREAD (sendcmd), que recebe os comandos a serem enviados pela serial através da função kgetmessage, de forma que não existe a possibilidade de ocorrer múltiplos acessos a porta serial COM1, desta forma não foi necessário o uso de sessão critica para a função de escrita e leitura desta porta serial. A comunicação entre o SBC FlashTCP e a Caixa_LCD03 é feito através da porta serial COM3 e o uso desta porta é compartilhada pelos THREADs teclado e lcd". Neste caso existe a possibilidade dos dois THREADs acessarem a porta simultaneamente, o que pode gerar erros de leitura e escrita ou travamento do SBC. Este problema de acesso foi solucionado utilizando a sessão critica do ertos. Para esta implementação foi criado uma função responsável pelo acesso a porta COM3, e os dois THREADs solicitam o acesso à porta para esta função que está protegida por sessão critica. Página 17

18 DESCRIÇÃO DO PROGRAMA DA PLACA µflash PLUS O programa da placa µflashplus cria sete THREADS, onde cada THREAD é responsável pelo controle de um recurso: - O THREAD interpcmd tem as mesmas funções do THREAD de mesmo nome, descrito no programa utilizado no SBC FlashTCP, além de utilizar o mesmo protocolo de comunicação descrito anteriormente. - O THREAD sendcmd tem as mesmas funções do THREAD de mesmo nome, descrito no programa utilizado no SBC FlashTCP, além de utilizar o mesmo protocolo de comunicação descrito anteriormente. - O THREAD alarm está encarregado de monitorar o recebimento da sequência de alarme *#*. A verificação é feita por pooling e quando for recebido a sequência de alarme os registros relacionados são atualizados. Este THREAD verifica também se foram recebidos uma quantidade de alarmes múltipla de 5. Se houver é enviado uma mensagem para o THREAD , com a solicitação de envio de uma mensagem eletrônica. - O THREAD aguarda, usando o método POOLING, por mensagens de solicitação de envio de s. Quando a mensagem é recebida, o THREAD, com base nos dados gravados no arquivo .cfg, envia uma mensagem eletrônica utilizando o protocolo SMTP no modo CLIENT. - O THREAD networktimeclient aguarda, usando o método POOLING, por mensagens de solicitação de ajuste do relógio e calendário do sistema. Quando a mensagem é recebida, o THREAD, com base nos dados de endereço do Internet Time Server (RFC 868) e o ajuste de fuso horário, que estão gravados no arquivo tcp.cfg, executa o protocolo para obter as informações de data e hora. Com estas informações atualiza o relógio e calendário do sistema, e envia uma mensagem para o THREAD interpcmd solicitando o envio da atualização do relógio e calendário para o SBC FlashTCP. Página 18

19 - O THREAD timer monitora, com base no relógio do sistema, os eventos que acontecem em frequências estabelecidas. É este THREAD que envia as mensagens de solicitação de atualização da data e hora do SBC µflashplus a cada trinta minutos (intervalo definido na constante INTERVAL_REQUEST_CLOCK), e de solicitação de leitura dos estados dos periféricos do SBC FlashTCP a cada sessenta segundos (intervalo definido na constante INTERVAL_REQUEST_STATES). - O THREAD webserver é responsável pela construção das páginas de INTERNET, utilizando as informações obtidas do SBC FlashTCP, além das informações que são geradas pelo próprio SBC µflashplus. É responsável, também, por tratar e encaminhar as solicitações feitas por usuários, através das páginas de INTERNET, de alterações dos estados dos periféricos do SBC FlashTCP. São permitidas até cinco solicitações simultâneas de acesso as páginas, por parte de usuários remotos utilizando web browsers (quantidade de solicitações definidas na constante MAXHTTPD). Página 19

20 CONCLUSÕES A experiência proporcionada pela implementação proposta neste exame, permitiu o rompimento de um pré conceito sobre a dificuldade e o tempo de desenvolvimento de sistemas eletrônicos ditos sistemas embarcados. A integração de várias tecnologias SBCs, comunicação sem fio BLUETOOTH, implementação de serviços de rede ( client, webserver e network time client), controle de periféricos eletrônicos (chaves, LCD, LEDs, BUZZER e motores) no sistema disponibilizado para as atividades, se mostrou uma tarefa mais trabalhosa do que complexa. Apesar de todas as partes constituintes do exame terem sido abordadas durantes as aulas, uma situação inesperada foi encontrada durante o execução do exame. O entendimento e a proposta de solução desta condição configuraram-se como o maior desafio enfrentado durante os trabalhos do exame. Ficou constatado que a utilização da função printf disponibilizada pela biblioteca stdio do compilador Borland C, e cuja finalidade é enviar para o dispositivo padrão de saída uma seqüência de dados formatada em texto em conjunto com o sistema MULTI-THREAD ertos, gera a interrupção inesperada do programa em execução, e a solução para esta incompatibilidade foi a substituição da função printf pela função cprintf que é disponibilizada pela biblioteca conio. Durante os testes de execução do programa no computador, algumas vezes o programa travava e a seguinte mensagem era apresentada: Halt in thread1: stack overflow - size Quando o programa foi executado no Windows a partir do BorlandC, a seguinte mensagem foi gerada: Após perceber este efeito, todas as funções printf foram substituídas por cprintf, o que solucionou o problema dos travamentos das placas SBCs. Página 20

21 Foi realizada uma pesquisa para tentar encontrar os motivos da incompatibilidade encontrada, porém nada conclusivo foi encontrado. Contudo a seguinte referência foi encontrada no site equipe.nce.ufrj.br/adriano/c/apostila/conio.html#cprintf (acessado no dia 19/07/2009):...cprintf funciona da mesma forma que o printf, mas com a diferença de respeitar algumas outras funções da Conio (inclusive da Linux-Conio). É recomendável utilizar a cprintf ao invés da printf quando estiver trabalhando com a Linux-Conio. Uma hipótese é que o desrespeito da função printf a algumas funções citada na referência, torne a função printf no thread safe. Este termo é mencionado no manual do ertos para as operações de ponto flutuantes, e é recomendada a não utilização de funções ou operações com esta designação em conjunto com o sistema MULTI-THREAD ertos. Página 21