Desenvolvimento de um Dispositivo Gerenciador de Protocolo para Aplicações IEEE 1451

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1 Desenvolvimento de um Dispositivo Gerenciador de Protocolo para Aplicações IEEE 1451 Silvano R. Rossi 1, Edward D. Moreno 2, Edson A. Batista 3, Alexandre C. R. da Silva 3, Aparecido A. de Carvalho 3 1 Departamento de Engenharia Eletromecânica Universidad Nacional del Centro de la Pcia. de Buenos Aires (UNICEN) CP: B7400JW1 Olavarría Bs.As. Argentina 2 Centro Universitário Euripides de Marília (UNIVEM) Marília SP Brazil 3 Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Estadual Paulista (UNESP) Caixa Postal Ilha Solteira SP Brazil srossi@fio.unicen.edu.ar, edmoreno@fundanet.br, eabatista@aluno.feis.unesp.br, acrsilva@dee.feis.unesp.br, aac@dee.feis.unesp.br Abstract. This work presents the development of a programmable logic-based IEEE protocol manager that is connected straight to the parallel port of a personal computer. In this way it is possible to implement a Network Capable Application Processor (NCAP) based on a personal computer, without modifications of the parallel port, in order to support the ten signals of the Transducer Independent Interface (TII), that connects the network processor with the Smart Transducer Interface Module (STIM). The protocol manager is vinculated with the STIM through the TII connector, enabling the portability of the application at the transducer and network processor level. Resumo. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um dispositivo gerenciador de protocolo IEEE , baseado em lógica programável, que é conectado diretamente à porta paralela de um computador pessoal. Desta maneira é possível implementar um Processador de Aplicação com Capacidade de Operar em Rede (NCAP), baseado em computador pessoal, sem a necessidade de modificar a porta paralela, para suportar os dez sinais da Interface Independente de Transdutores (TII), que conecta o processador de rede com o Módulo de Interface para Transdutores Inteligentes (STIM). O gerenciador de protocolo vincula-se ao STIM através do conector da TII, possibilitando a portabilidade da aplicação em nível de transdutor e processador de rede. XXXII SEMISH 1875

2 1. Introdução Os dispositivos transdutores desempenham um papel de suma importância não apenas no âmbito industrial, mas também na indústria aeroespacial, na área biomédica e na automação residencial. Transdutor é o nome geral dado tanto para sensores quanto atuadores, que são os dispositivos primários de detecção e atuação em um determinado processo. Atualmente, a grande disponibilidade de recursos e ferramentas para o processamento de sistemas digitais permite introduzir uma elevada capacidade de computação nos transdutores e, por outro lado, muitos dos conceitos associados às tecnologias de redes de computadores são utilizados hoje para conectar transdutores em rede [Lee 2001], [Chong et al. 2003]. O funcionamento dos denominados transdutores inteligentes em rede, possibilita o melhoramento da eficiência de um sistema de instrumentação, uma vez que se torna possível compartilhar as informações e os recursos de um sistema, supervisionar um processo completo e realizar o acesso e monitoramento remoto das variáveis envolvidas. Nesse contexto, o padrão de interfaceamento para transdutores inteligentes em ambientes de rede, IEEE 1451, tem como objetivo estabelecer uma maneira padronizada de conectar dispositivos transdutores em rede, utilizando diferentes tecnologias e buscando atingir interoperabilidade e plug and play em nível de transdutor. No padrão IEEE 1451 é definido um conjunto de diretrizes cujo objetivo é direcionar o problema de interfaceamento entre transdutores e diferentes tecnologias de redes de campo. No padrão IEEE é especificada a interface entre transdutor e processador de rede, a fim de que uma determinada aplicação, contendo transdutores, possa ser independente do processador de rede, introduzindo assim, o modo de operação plug and play do transdutor [IEEE Std ]. No padrão IEEE é definida a interface com a rede de uma maneira tal que a aplicação possa ser independente do protocolo utilizado pela rede [IEEE Std ]. Com base nestas diretrizes define-se o Módulo de Interface para Transdutores Inteligentes (STIM Smart Transducer Interface Module) IEEE , que pode conter até 255 canais transdutores composto por sensores ou atuadores de diferentes tipos. O STIM vincula-se, através da Interface Independente de Transdutores (TII Transducer Independent Interface), com o Processador de Aplicação com Capacidade de Operar em Rede (NCAP Network Capable Application Processor), definido na diretriz IEEE 1451 e que constitui o nó de rede. Existem hoje diversas soluções comerciais e desenvolvimentos tecnológicos com base no padrão IEEE 1451 [Conway et al. 2000], [Cámara et al. 2000], [Wobschall 2002], [Esensors 2004], [Yanfeng et al. 2004]. Entretanto, nota-se uma carência de aplicações da norma mencionada, com base em ferramentas abertas e de domínio público. Além de novos sistemas de instrumentação distribuída serem concebidos com base em um padrão de interfaceamento, é interessante explorar como ferramentas abertas e padronizadas podem ser utilizadas na implementação de tais diretrizes. Neste cenário, uma alternativa interessante é a implementação de um NCAP baseado em PC, pois além de se apresentar como uma ferramenta didática é possível XXXII SEMISH 1876

3 aproveitar seus recursos de hardware, basicamente: processador, porta paralela e placa de rede [Rossi et al. 2004]. O emprego do PC vem ao encontro das atuais filosofias de integração em sistemas de instrumentação e controle distribuído, pois a utilização do NCAP-PC possibilita a conexão do módulo a uma rede LAN, executar e modificar o software do NCAP e gerar as interfaces gráficas no mesmo módulo. A TII, é o vínculo físico entre o STIM e o NCAP. Entretanto, essa interface é serial e composta fisicamente por dez linhas de sinal. O emprego de um NCAP-PC requer, então, a modificação da porta paralela a tal fim [Lee and Schneeman 1996]. Este fato pode ser inconveniente principalmente pela perda da portabilidade. Neste artigo é apresentado um dispositivo gerenciador de protocolo, desenvolvido através do emprego da tecnologia de lógica programável. Tal dispositivo tem como objetivo solucionar o problema da conexão entre um STIM e um NCAP baseado em PC. O gerenciador de protocolo desenvolvido neste trabalho implementa parte da funcionalidade IEEE e constitui o hardware de entradas/saídas do NCAP, sendo conectado diretamente à porta paralela do PC. 2. Contexto da Aplicação O sistema é composto por um NCAP baseado em PC, que age como aplicativo servidor em um ambiente de rede. O NCAP está vinculado ao STIM através da TII. O NCAP é composto por um PC convencional que utiliza uma placa de interface para se comunicar com a rede e o gerenciador de protocolo, para gerenciar o protocolo IEEE através da TII, a fim de que o NCAP possa enviar e receber dados associados com o transdutor conectado no STIM. O NCAP executa um software desenvolvido com base na tecnologia Java, utilizando pacotes para: a) implementar a comunicação em rede sob o modelo cliente-servidor em ambiente distribuído, b) para a comunicação com a porta paralela e c) para a implementação de interfaces gráficas. A arquitetura é mostrada na Figura 1. Conector DB-25 da Porta Paralela Interface de rede Gerenciador de Protocolo TII STIM NCAP Rede Figura 1. Contexto da aplicação. XXXII SEMISH 1877

4 O protocolo através da TII estabelece-se a partir de dez sinais, como mostrado na Tabela 1. Pelo fato de ser um protocolo orientado à conexão confiável, a TII utiliza linhas de disparo, reconhecimento e habilitação. O NCAP, via intermediação do gerenciador de protocolo, pode enviar um endereço funcional padronizado, para obter, por exemplo, o valor associado com a leitura de um sensor conectado a um canal do STIM. Desta maneira, o NCAP deve endereçar não apenas a função mas também o canal correspondente. Este processo é feito através do sinal DIN, que é um sinal de entrada no STIM. O STIM responderá em conseqüência usando o sinal DOUT, enviando para o gerenciador de protocolo, o valor correspondente. Sinal DOUT DIN DCLK NIOE NTRIG POWER Tabela 1. Sinais da Interface Independente de Transdutores. COMMON NACK NSDET NINT Descrição Transporte de dados STIM NCAP Transporte de dados NCAP STIM e endereçamento de funções Relógio Habilitação de entrada / saída Função de disparo Alimentação +5 (V) Referência Reconhecimento de disparo e delimitação de pacotes de 8 bits Detecção do STIM Requisição de serviço (interrupção) O diagrama do protocolo padronizado entre o NCAP e o STIM é apresentado na Figura 2. A fim de que o protocolo possa ser estabelecido, é necessário que o NCAP dispare o processo, pois ele é o dispositivo mestre. Assim, quando houver uma requisição de algum tipo de ação por parte de um cliente conectado à rede, o NCAP efetua um disparo através do sinal NTRIG (A). O STIM reconhece o evento de disparo usando o sinal NACK (B) e, posteriormente, o NCAP envia um sinal de habilitação, usando o sinal NIOE. Uma vez que a comunicação entre os módulos foi estabelecida, o sinal NACK é utilizado pelo STIM, para delimitar pacotes de 8 bits (C). Desta maneira, através do gerenciador de protocolo, o NCAP envia o endereço de função padronizado utilizando a linha DIN (D) e, em seguida, o endereço do canal que contém o transdutor para o qual a função foi endereçada (E). Dependendo da função ser de escrita ou de leitura, serão enviados valores de escrita ou, então, o gerenciador lerá os valores fornecido pelo STIM através da linha DOUT. A TII possui ainda: um sinal de detecção do STIM, um sinal de interrupção, a fim de que o STIM possa realizar requisição de serviço e a alimentação de 5 V, fornecida pelo gerenciador de protocolo. XXXII SEMISH 1878

5 NTRIG NIOE F NACK DCLK DIN DOUT Função Canal DIN Leitura Leitura DOUT Função Canal Escrita Escrita A B C D C E C C C G B * Figura 2. Protocolo padronizado. 3. Desenvolvimento do Gerenciador de Protocolo O gerenciador de protocolo implementa a interface entre o software do NCAP e a TII. O comportamento do gerenciador de protocolo foi descrito integralmente em VHDL (VHSIC Hardware Description Language) e implementado com um dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array). O gerenciador é responsável por obter os dados e os sinais de controle através da porta paralela do PC, com a finalidade de disparar e gerenciar o processo que estabelece o protocolo IEEE , controlando assim, as atividades do STIM, ao qual estão conectados sensores e atuadores. Desta maneira, o gerenciador de protocolo recebe os endereços de função, canal e escrita, através da porta paralela do PC e os disponibiliza, de maneira sincronizada, para a interface TII. Além disso, o gerenciador recebe, do STIM, os dados por meio do sinal DOUT e os disponibiliza para o tratamento interno no NCAP. O gerenciador foi desenvolvido com o intuito de fornecer uma solução que possa ser empregada em diversas aplicações e possibilite o modo de operação plug and play do STIM, pois o dispositivo pode ser conectado a qualquer PC que implemente a funcionalidade do software do NCAP desenvolvido neste trabalho. Introduz-se, deste modo, uma grande flexibilidade no sistema, pois a porta paralela não precisa ser modificada e, além disso, o gerenciador pode ser implementado com um dispositivo lógico programável de baixo custo e uso geral. O dispositivo é composto basicamente pelos seguintes blocos: módulo multiplexador-demultiplexador, módulo de disparo, módulo de detecção do STIM e gerenciador. O diagrama de blocos da arquitetura do gerenciador de protocolo é apresentado na Figura 3. XXXII SEMISH 1879

6 EN Gerenciador de Protocolo CLK PWR Módulo de Disparo Módulo de Detecção do STIM NSDET POWER COMMON MUX/ DEMUX Módulo Gerenciador (Controle do Protocolo IEEE ) NACK DOUT DIN NTRIG NIOE Interface com a Porta Paralela DCLK NINT Figura 3. Arquitetura do gerenciador de protocolo. A partir do registrador de dados da porta paralela obtêm-se pacotes de dados de 8 bits que são multiplexados e colocados nos barramentos de função, canal e escrita do módulo gerenciador. O controle do multiplexador é realizado por endereços de 8 bits que circulam pelo mesmo barramento, evitando assim, o uso de entradas de controle adicionais. O NCAP realiza as operações de leitura através da saída de 5 bits do gerenciador de protocolo, com a finalidade de utilizar o pacote Parport diretamente, o qual permite o acesso à porta paralela do PC usando Java [del Cid 2004]. Os 5 bits obtidos a partir do sinal DOUT e fornecidos pelo módulo gerenciador, são lidos pelo NCAP, usando o registrador de estados da porta paralela. Internamente, no gerenciador, é lido um byte por vez, enviado pelo STIM. Cada byte é dividido em duas parcelas, na qual a primeira contém os 5 primeiros bits, sendo que o bit mais significativo deve ser invertido e, a segunda parcela, contém os 3 bits restantes com o bit mais significativo invertido; a parcela é preenchida com zeros até completar os 5 bits. O software do NCAP realiza dois ciclos de leitura por cada byte enviado pelo STIM e o byte real é reconstruído internamente no NCAP. Uma vez que recebe um sinal de disparo, o módulo gerenciador controla o protocolo através da TII. O módulo foi implementado usando o conceito de máquina de estados, utilizando descrição VHDL comportamental. Foram necessários aproximadamente 100 estados a fim de realizar o controle do protocolo através da TII. Quando o módulo gerenciador recebe um evento de disparo, envia um sinal ativo baixo através da linha NTRIG, com a finalidade de executar o protocolo. Na seqüência, o STIM utiliza o sinal NACK para reconhecer o evento e, em seguida, o módulo gerenciador envia um sinal de habilitação usando o sinal NIOE. A partir desse momento e, em sincronismo com o sinal de relógio, é possível enviar e receber dados por meio de DIN e DOUT. O valor do endereço de função e o valor do canal correspondente, armazenados em um buffer, são enviados para o STIM, através da linha DIN. XXXII SEMISH 1880

7 O STIM processa os dados e age em conseqüência; por exemplo, se o endereço de função for 128 e o canal 1, o STIM fará uma operação de leitura sobre o transdutor conectado ao canal 1 e enviará, para o NCAP, os dados correspondentes através do sinal DOUT. Neste caso, em particular, no canal 1 há conectado um sensor de temperatura integrado, de uso geral, cuja finalidade é detectar a temperatura ambiente. O módulo de detecção do STIM tem como finalidade a introdução do modo hot swap, pois, de acordo com a norma IEEE , o STIM deve ser conectado ou retirado do conector físico da TII, sem desligar a alimentação do NCAP. Assim sendo, o STIM fornece um sinal em nível lógico zero, através da linha NSDET. Quando o módulo de detecção do STIM detecta este valor, o gerenciador de protocolo fornece alimentação por meio de POWER e COMMON da TII. Além da versão apresentada, foi implementada outra versão do gerenciador de protocolo que, em essência, possui os mesmos blocos funcionais, entretanto, possui entradas de controle para realizar a multiplexação e a leitura é feita a partir de 8 bits. Esta versão pode ser empregada junto a um software para o NCAP baseado na linguagem Phyton. Com o emprego de Phyton é possível ler 8 bits diretamente, usando a porta paralela, de uma maneira mais flexivél se comparado com uma implementação baseada em Java. Em contraste com a anterior, nesta versão são necessárias duas entradas de controle, a fim de endereçar a função, o canal e os valores de escrita. 4. Resultados Obtidos Na Figura 4 apresenta-se um exemplo de simulação do protocolo IEEE , através da TII, estando conectado o gerenciador de protocolo com o STIM. Na Figura observase a multiplexação dos dados que vêm do registrador de dados da porta paralela e o código de função 128 endereçado para o canal 1. O valor binário , lido a partir do canal transdutor 1, é transmitido de forma serial através do sinal DOUT. O gerenciador de protocolo transforma esse valor em duas parcelas de 5 bits, com o bit mais significativo negado, a fim de que possam ser lidos corretamente pelo NCAP, via intermediação do registrador de estados da porta paralela do PC. Na Figura 5 é mostrado um caso similar ao anterior, empregando a segunda versão do gerenciador de protocolo. Neste caso os códigos 128 e 1 são enviados através de DIN de acordo com as entradas de controle 01 2 e 10 2 respectivamente. O valor binário , lido a partir do canal transdutor 1, é transmitido de forma serial através do sinal DOUT. Assim, o gerenciador coloca o byte no barramento saidaparalela[7..0], a fim de que o dado possa ser lido pelo NCAP, via intermediação do registrador de dados da porta paralela do PC. A Figura 6 mostra o resultado experimental obtido a partir de uma medição realizada sobre a TII. Neste caso observa-se o sinal de reconhecimento em função do sinal DIN, para o endereço de função 128 e o canal 1. Importante salientar que um sistema pode conter vários canais, onde aumentando o número de canais aumenta-se a complexidade do sistema mas aumenta a flexibilidade e o desempenho. O nosso protótipo em FPGAs implementa e pode gerenciar vários canais. XXXII SEMISH 1881

8 Figura 4. Transferência de dados através da TII usando o gerenciador de protocolo com entrada de 8 e saída de 5 bits. Figura 5. Transferência de dados através da TII usando o gerenciador de protocolo com entrada e saída de 8 bits. XXXII SEMISH 1882

9 Figura 6. Protocolo através da TII: sinal DIN vs. Sinal NACK. O gerenciador de protocolo foi implementado com um dispositivo lógico programável do tipo FPGA da família FLEX 10K, modelo EPF10K20RC240-4, de portas típicas e 1152 elementos lógicos. Os recursos internos do FPGA, usados na implementação das duas versões do gerenciador, são apresentados na Tabela 2. Na Figura 7 é mostrada a montagem feita no laboratório para testar o sistema. Recursos Tabela 2. Sinais da Interface Independente de Transdutores. Elementos Lógicos Gerenciador com entrada de 8 e saída de 5 bits I/O Disponíveis Utilizados 667 (57%) 27 (14,3%) Recursos Gerenciador com entrada e saída de 8 bits Elementos Lógicos I/O Disponíveis Utilizados 490 (42%) 32 (16,9%) Gerenciador de Protocolo TII STIM Figura 7. Protótipo implementado em laboratorio. XXXII SEMISH 1883

10 O gerenciador de protocolo aceita uma taxa de transferencia máxima de dados de aproximadamente 7 Mbps, através da TII. Entretanto, o desempenho do sistema é limitado pela velocidade da porta paralela. O desempenho da porta paralela depende do modo de utilização (EPP, ECP) e do barramento utilizado (ISA, PCI, AGP, etc.), podendo variar desde umas centenas de KBytes/s até uns poucos MBytes/s. Desta maneira debe considerar-se que para as aplicações que precisam determinismo, esta situação debe ser cuidadosamente analisada. O gerenciador de protocolo pode funcionar tanto com um STIM baseado em dispositivo lógico programável quanto um STIM baseado em microcontrolador. Neste último caso, pode ser necesaria uma reconfiguração mínima nas temporizações de alguns dos sinais da TII. Neste projeto foram realizados vários testes incluindo essas duas formas de implementação (lógica programável e microcontrolador), e foram validados os experimentos permitindo verificar a funcinonalidade plug and play do nosso sistema. 5. Discussão Junto à evolução acentuada das tecnologías associadas às redes de computadores, projetistas e fabricantes de transdutores tentam encontrar maneiras adequadas de adaptar essas tecnologías às redes de transdutores para serem aplicadas em instrumentação e controle. Desta maneira, é possível notar que o emprego de computadores nas redes de sensores, pode ser de grande importância, fundamentalmente quando são usados perto do nível de campo. A implementação de NCAPs baseados em PC, com um hardware auxiliar, neste caso, o gerenciador de protocolo, mostra-se como uma alternativa viável para sistemas de instrumentação distribuída concebidos com base em um padrão de interfaceamento. O software para o NCAP pode ser desenvolvido a través de linguagens como C, C++, Java e Phyton e o hardware do NCAP suportado pelo próprio hardware do PC. Isto possibilita a implementação de nós de rede baseados em ferramentas livres e padronizadas e permite pensar no emprego de tecnologias de LAN em nível de redes de controle, possibilitando a integraçãao em sistemas de instrumentação e controle. Embora uma implementação deste tipo fique limitada à velocidade da porta paralela, existe um amplo campo de aplicações como por exemplo: a) Aplicações industriais que não requisitem tempos de resposta extremamente rigorosos; b) Sensoriamento de parâmetros em máquinas elétricas; c) Controle de temperatura, nível e pressão; d) Aplicações em automação residencial: monitoramento, comando de portão eletrônico, controle de luminosidade, sistemas de alarme, etc. e) Monitoramento e controle de variáveis em casas de vegetação. 6. Conclusões A implementação de NCAPs baseados em PC pode ser uma alternativa interessante, pois podem ser aproveitados os recursos de hardware do PC e, além disso, não é necessária uma máquina sofisticada a tal fim. A implementação de um NCAP-PC requer a modificação da porta paralela, a fim de suportar a TII. Neste trabalho foi apresentada uma solução para direcionar este XXXII SEMISH 1884

11 problema. Foi desenvolvido um dispositivo gerenciador de protocolo IEEE , do lado do NCAP, baseado na tecnología de lógica programável e implementado com uma FPGA da familia FLEX 10K de portas típicas e 1152 elementos lógicos. O dispositivo implementado é conectado à porta paralela de um PC convencional que executa o software do NCAP. Desta maneira, o gerenciador torna-se um dispositivo portável e não é necessário realizar qualquer modificação na porta paralela do PC. Foram introduzidas duas versões do dispositivo, a primeira com entrada de 8 bits, multiplexação por endereços que circulam pelo mesmo barramento e saída de 5 bits, para ler dados usando o registrador de estados da porta paralela e o pacote Parport. A segunda versão, possui entrada de 8 bits com duas entradas para o controle da multiplexação de dados e saída de 8 bits para ler dados usando o registrador de dados da porta paralela. O dispositivo desenvolvido possibilita a criação de nós IEEE 1451, baseados em ferramentas de domínio público e padronizadas. Desta forma, é possível implementar redes de transdutores, flexíveis e escaláveis. Referências Cámara, L., Ruiz, O. and Samitier, J. (2000) Complete IEEE 1451 Node, STIM and NCAP, implemented for a CAN Network, In: Proc. of the 17 th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Baltimore, vol.2, p Chong, C., Kumar, S. (2003) Sensor Networks: Evolution, Opportunities and Challenges, In: Proc. of the IEEE, IEEE, vol.91, no. 8, p Conway, P., Heffernan, D., O Mara, B., Burton, P. and Miao, T. (2000) IEEE : an Interpretation and Example Implementation, In: Proc. of the 17 th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Baltimore, vol.2, p Del Cid, (2004) Parallel Printer Access Through Java, /Juanga69, December. Esensors (2004) IEEE 1451 NCAP Interface with Multiple Serial Ports, December. IEEE Std (1999) IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Network Capable Application Processor (NCAP) Information Model, IEEE Standards Board. IEEE Std (1997) IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats, IEEE Standards Board. Lee, K. (2001) Sensor Networking and Interface Standardization, In: Proc. of the 18 th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Budapest, vol.1, p Lee, K. and Schneeman, R. (1996) Standardized Approach for Smart Transducer Interface Draft Standards, In: Proc. of the Sensors Expo, Philadelphia, p XXXII SEMISH 1885

12 Rossi, S., Batista, E., de Carvalho A. and Rodrigues da Silva, A. (2004) IEEE 1451 Node Development for Connecting Transducers to Networks, In: Proc. of the 6 th Conferência Internacional de Aplicações Industriais, Joinville, p Wobschall, D. (2002) An Implementation of IEEE 1451 NCAP for Internet Access of Serial-Port Based Sensors, In: Proc. of the 2 th Sensors for Industry Conference, p Yanfeng, W., Masakatsu, N., Mikiko, Y., Makoto, N., Masaichi, F., and Kenzo, W. (2004) A NDIR CO 2 Monitor with Smart Interface for Global Networking, In: Proc. of the 21 th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Como- Italy, vol.2, p XXXII SEMISH 1886