Acionamento e Monitoração Remota de Dispositivos usando Internet e Rede Serial RS-485

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1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Eletrônica Relatório Interno CTA-ITA-IEE Relatório de Estágio de Pesquisa II EE-602 Acionamento e Monitoração Remota de Dispositivos usando Internet e Rede Serial RS-485 Osmar Vogler Prof. Cairo L. Nascimento Jr. São José dos Campos, 19 de Dezembro de 2002.

2 Conteúdo 1 - Introdução O motor de corrente contínua O circuito para monitoração de sinais digitais Porta Paralela O uso da porta paralela como fonte de potência Programando Portas Paralelas A Rede Serial RS-485 e o seu protocolo O pacote de dados da rede RS Protocolo Rabbit 2000 Web Server Implementação do Programa deste Projeto Exemplo de execução Referências Resumo: Este documento descreve como foi implementado na Divisão de Engenharia Eletrônica do ITA em 2001 e 2002 um sistema para o acionamento e a monitoração de dispositivos remotos através da Internet e de uma rede serial RS-485. O sistema é composto por: 1) um micromputador qualquer conectado à Internet executando um software de web browser padrão (p. ex. Netscape ou Internet Explorer); 2) uma placa Rabbit 2000 TCP/IP Development Kit com uma porta Ethernet 10-Base T e uma porta serial RS-485 executando software de web server, 3) cabos de uma rede serial RS-485, e 4) um microcomputador padrão IBM-XT conectado à rede serial através de sua porta serial RS-232 e conversor RS- 232/RS-485 e conectado ao dispositivo sendo controlado (um circuito driver de potência para 2 motores de corrente contínua) e ao dispositivo monitorado (um conjunto de 4 chaves digitais) pela sua porta paralela (porta da impressora). Através deste sistema, um usuário em qualquer ponto da Internet mundial pode enviar comandos como ligar e desligar cada um dos 2 motores e monitorar o estado (aberta/fechada) de cada um das 4 chaves digitais.

3 1 - Introdução Esta implementação é a continuação de um projeto sendo desenvolvido atualmente pelos professores Wagner Chiepa Cunha e Cairo L. Nascimento Jr. da Divisão de Engenharia Eletrônica do ITA. Tal projeto visa o acionamento e monitoração remota de dispositivos usando a Internet e uma rede serial RS-485. A idéia básica é que um usuário através de um PC ligado à internet e um web browser standard (p. ex., Netscape ou Internet Explorer) possa comandar e monitorar dispositivos remotos. Neste projeto um sistema de acionamento e monitoração simples é implementado. O sistema é composto por: um PC conectado à Internet executando um web browser standard como Netscape ou Internet Explorer (protocolo HTTP/TCP/IP); um servidor web, implementado na placa do Rabbit 2000 TCP/IP Development Kit, com uma porta ethernet 10Base-T (conector RJ-45) e porta serial RS-485 (conector RJ-12), documentação disponível em: um circuito adaptador RS-485/RS-232; um microcomputador rodando um programa cliente que controla e monitora a porta paralela e está conectado a rede RS-485 via porta serial RS-232 e circuito adaptador RS- 232/RS-485; dois motores de corrente contínua acionados por um driver de potência (projetado e implementado pelo Prof. Yagyu da Div. de Eng. Eletrônica do ITA); um conjunto de 4 chaves digitais e 4 leds, implementado usando a placa DEMONSTRATION BOARD disponível no Rabbit 2000 TCP/IP Development Kit; esquema desta placa disponível em: GettingStarted/schemat.htm 1

4 A figura abaixo apresenta um esquema do sistema montado: INTERNET Hub Cliente Internet executando aplicativo Web Browser Rede Ethernet Rabbit 2000 Web Server Rede RS-485 Servidor de aplicativo utilizando porta serial RS-485/RS-232 e porta paralela Driver de potência 12 V, 400 ma Circuito com 4 chaves digitais Motores C.C. Figura 1- Montagem do projeto Quando o usuário no microcomputador conectado à INTERNET digita no web browser o IP do servidor web do RABBIT 2000 ( o software do web browser realiza uma conexão via protocolo TCP/IP/HTTP com o web server e recebe uma página HMTL que contém um formulário com 2 campos: 1) número do dispositivo a ser acionado/monitorado, e 2) comando a ser enviado para tal dispostivo. O usuário preenche os 2 campos de tal formulário e ao clicar o botão do formulário ENVIAR O COMANDO, o web browser envia o conteúdo dos 2 campos para o web server do RABBIT 2000 e fica aguardando uma resposta deste web server. O web server do RABBIT 2000 então: 1. recebe o conteúdo dos 2 campos e compõe uma mensagem no formato RS-485 contendo o número do dispositivo selecionado e o comando enviado pelo usuário; 2

5 2. envia tal mensagem pela rede serial RS-485 e fica aguardando uma mensagem de resposta do dispositivo endereçado; 3. se receber uma mensagem de resposta dentro do máximo tempo alocado, interpreta a mensagem recebida e atualiza a página HTML e a envia para o web browwer. Todos os dispositivos que estão na rede serial RS-485 estão monitorando as mensagens que circulam em tal rede. Apenas o dispositivo que tem como endereço serial o endereço do destinatário da mensagem deve então interpretar o conteúdo da mensagem, realizar a tarefa contida na mensagem, e gerar uma mensagem de resposta que tem como destinatário o endereço serial do RABBIT 2000 (neste projeto adotamos que o endereço serial do RABBIT 2000 é 00). O web server do RABBIT 2000 recebe a mensagem de resposta do dispositivo serial comandado, extrai o contéudo da mensagem, atualiza algumas variáveis de sua memória com tal conteúdo e gera uma nova página HTML que é então enviada para o web browser do usuário. Nos tópicos seguintes descreve-se cada componente do sistema em detalhes, partindo dos componentes de hardware e concluindo o relatório com detalhamento do software utilizado. 3

6 2 - O motor de corrente contínua O sistema de comunicação foi usado para acionar 2 motores de corrente contínua de imã permanente controlados pela tensão de armadura. Cada motor consome aproximadamente 200 ma com 12V. O sentido de rotação dos motores é regulado conforme a polaridade dos cabos de força do motor. Abaixo um esquema simplificado do motor: Pinos da Porta Paralela SW1 S1 SW2 S2 GND da Porta Paralela +12 V A Driver de potência 0 V +12 V B A 0 V B +12 V 0 V Fonte Externa Figura 2 - Montagem do motor e do driver de potência Como a porta paralela usada não possui capacidade de alimentar os motores, utilizouse um circuito para fornecer potência (denominado de driver de poteência) e uma fonte de alimentação externa 12 V, 400 ma. Os motores e o circuito driver de potência foram fornecidos pelo Prof. Eduardo Yagyu da Divisão de Engenharia Eletrônica do ITA. 4

7 A figura abaixo apresenta o esquema do circuito driver de potência para acionamento de 1 motor CC. Tal esquema foi simplesmente duplicado para acionamento dos 2 motores CC: Figura 3 - Esquema do circuito driver de potência para acionamento de 1 motor CC. Todos os diodos são 1N4148. As portas NOR são implementadas pelo chip 74HC02. Comment: Nomes dos diodos 5

8 3 - O circuito para monitoração de sinais digitais Para ilustrar a capacidade de monitoração de sinais digitais (que p. ex. poderiam sinalizar se uma certa válvula está fechada ou aberta ou se um certo alarme foi acionado), utilizou-se um circuito composto por 4 chaves digitais, onde 4 leds indicam o estado individual de cada chave digital (led aceso indica chave fechada/acionada). Tal circuito foi implementado usando o DEMONSTRATION BOARD disponível no Rabbit 2000 TCP/IP Development Kit, cujo esquema está disponível em: TCPIP/GettingStarted/schemat.htm A leitura do estado das 4 chaves do circuito é feita através do endereço 0x379 da porta paralela. Um esquema simplificado da montagem da placa é apresentado abaixo, com suas respectivas conexões com a porta paralela: +5 V Todos os resistores são R = 3,3 KΩ R R R R R R R R Led 1 Led 2 Led 3 Led 4 SW1 SW2 SW3 SW4 Pinos da Porta paralela Figura 4 - Montagem do circuito de chaves digitais 6

9 4 - Porta Paralela Um dispositivo lógico para comunicação em microcomputadores é chamado porta. Em um PC normalmente temos portas seriais, portas paralelas e mais recentemente portas USB, que são utilizadas para transmitir e receber dados dos mais variados dispositivos. No caso da porta paralela, os dados são codificados em bytes e transferidos através de oito pinos, onde cada um representa um bit. Desde as suas primeiras versões, a porta paralela sofreu várias alterações que aumentaram muito sua flexibilidade e velocidade. Atualmente seu uso é mais atraente para todos os tipos de periféricos do que o uso de portas seriais pois permite a transmissão de dados de forma paralela. Podem ser encontrados três padrões/modelos de porta paralela em um IBM PC: SPP (Standard Paralell Port): é o tipo mais antigo, usado nos computadores IBM XT, os bits de dados são para comunicação unidirecional, admite com taxa de transmissão de até 150 kb/s. EPP(Enhanced Paralell Port): apresenta uma evolução da SPP, os bits de dados são para comunicação bidirecional com taxa de até 2MB/s (graças principalmente ao aumento de posições de memória para armazenamento e ao protocolo de transferência de dados). Estas maiores taxas de transmissão demandam maiores cuidados com a interferência de sinais externos, logo os cabos devem ser duplamente blindados e ter aterramentos eficientes. Além disso, esta porta é compatível com o padrão SPP, podendo ser configurada por software. ECP (Enhanced Capabilities Port): em 1992 Microsoft e HP apresentaram este novo padrão de porta, agregando dois novos modos de transferência bidirecional de dados: um de alta taxa e outro que inclui compressão de dados. Outra novidade é a possibilidade de conectar até 128 dispositivos diferentes na mesma porta, graças ao endereçamento de canais na porta. Utiliza DMA, o que possibilita transferir dados sem interferência do processador, utlizando um buffer FIFO de 16 bytes. Também é compatível com os padrões anteriores. Para a correta utilização da porta, necessitamos conhecer a especificação dos 25 pinos da porta paralela, cuja conexão é usualmente feita pelo conector DB25. A tabela 1 mostra a especificação dos 25 pinos da porta paralela no padrão SPP (usada nos computadores IBM XT): 7

10 Tabela 1 - Pinagem da porta paralela do IBM XT Pino Sinal Direção Descrição 1 /Strobe Saída Sinal de controle 2 Dado 0 Saída Bit de dado D0 3 Dado 1 Saída Bit de dado D1 4 Dado 2 Saída Bit de dado D2 5 Dado 3 Saída Bit de dado D3 6 Dado 4 Saída Bit de dado D4 7 Dado 5 Saída Bit de dado D5 8 Dado 6 Saída Bit de dado D6 9 Dado 7 Saída Bit de dado D7 10 /ACK Entrada Sinal de status 11 Busy Entrada Sinal de status 12 Paper Enpty (PE) Entrada Sinal de status 13 Select Entrada Sinal de status 14 /Autofeed Saída Sinal de controle 15 /Error Entrada Sinal de status 16 Init Printer Saída Sinal de controle 17 /Select Input Saída Sinal de controle 18 Ground --- Sinal de terra 19 Ground --- Sinal de terra 20 Ground --- Sinal de terra 21 Ground --- Sinal de terra 22 Ground --- Sinal de terra 23 Ground --- Sinal de terra 24 Ground --- Sinal de terra 25 Ground --- Sinal de terra Também é útil conhecer a representação física do conector fêmea para a porta paralela do PC: 8

11 Figura 5: Conector fêmea DB-25 para a porta paralela do PC (figura extraída de atlas.ucpel.tche.br/~rafaelte/portpar.html) As portas LPT podem ser acessadas nos endereços de memória especificados abaixo: Tabela 2 - Endereços da porta LPT PORTA DATA BITS STATUS BITS CONTROL BITS LPT1 378H 379H 37AH LPT2 278H 279H 27AH LPT3 3BCH 2BDH 3BDH Assim dizemos que cada porta LPT é formada por 3 portas: Porta de Dados (Data Port), Porta de Status (status Port) e Porta de Controle (Control Port). Normalmente um programa de computador: escreve nas portas de dados e de controle, pois estas portas contém bits marcados como de saída na tabela 1; lê a porta de status, pois esta porta contém os bits marcados como de entrada na tabela 1. A correspondência entre os bits de cada uma destas portas e os pinos do conector DB25 é a seguinte: 9

12 1. A porta de dados (Data Port) contém os sinais de dados (os bits D0 a D3 foram usados neste projeto para acionar os 2 motores CC): D7 Dado 7 pino 9 do conector D6 Dado 6 pino 8 do conector D5 Dado 5 pino 7 do conector D4 Dado 4 pino 6 do conector D3 Dado 3 pino 5 do conector D2 Dado 2 pino 4 do conector D1 Dado 1 pino 3 do conector D0 Dado 0 pino 2 do conector 2. A porta de status (Status Port) com os sinais de status da impressora (os bits D4 a D7 foram usados neste projeto para ler os status das 4 chaves digitais): D7 Busy pino 11 do conector D6 /ACK pino 10 do conector D5 Paper Empty (PE) pino 12 do conector D4 Select pino 13 do conector D3 /Error pino 15 do conector D2 /IRQ D1 Reservado D0 Reservado (Nota: o bit D7 desta porta, sinal Busy, pino 11 do conector, tem a sua leitura invertida pelo circuito da porta paralela, ou seja, se o nível zero for aplicado no pino 11 do conector, a leitura do bit 7 desta porta será nível alto e vice-versa. Portanto a leitura deste bit deve ser re-invertida por software para coincidir com o nível lógico do pino 11.) 3. A porta de controle (Control Port) com os sinais de controle da impressora (esta porta não foi usada neste projeto): D7 Reservado D6 Reservado D5 Direction D4 IRQ Enable D3 /Select Input pino 17 do conector D2 Init Printer pino 16 do conector D1 /Autofeed pino 14 do conector D0 /Strobe pino 1 do conector O uso da porta paralela como fonte de potência O uso da porta paralela como fonte de potência para acionar algum dispositivo externo pode ser bastante limitado. Este uso depende do tipo de porta disponível no PC, assim como da voltagem de saída. Os modelos de porta paralela mais recentes tem maior capacidade de fornecer corrente, como a porta ECP, já modelos mais antigos, como a porta SPP (utilizada no 10

13 XT desta montagem) tem menor capacidade de fornecer corrente. A tabela 4 abaixo apresenta possíveis valores de referência para o uso direto da porta paralela como fonte de potência. Tabela 3 - Comparação dos níveis de corrente entre os diferentes tipos de porta paralela Fonte: Uso Normal UM82C11-C IEEE 1284 level II Data bits, modo alto (>2.4V) 2,6 ma 2 ma 14 ma Data bits, modo baixo (<0.4V) 24 ma 24 ma 14 ma Control bits, modo alto (>2.4 V) 0,5 ma 1,5 ma não analisado Control bits,modo baixo(<0.4v) 7 ma 7 ma 14 ma onde: Normal: porta paralela comum, baseada no chips LS-TTL. UM82C11-C: chip que implementa as saídas de controle assim como as saídas TTL com capacidade menor que 1,5 ma IEEE 1284 Level II: driver de alta capacidade de transmissão, cuja interface deve ser capaz de fornecer 14mA de corrente (em +2.4V) e também receber ( sink ) 14 ma (voltagem de saída menor que 0.4V). A impendância em regime normal de operação deve estar entre 45 e 55 ohms. Sempre que for exigido mais corrente da porta paralela, tem-se uma diminuição proporcional na voltagem de saída da porta (para os PCs atuais o padrão é 4.75 V para um corrente de saída de 2.5mA) Programando Portas Paralelas Com a tabela de pinagem e o endereço de memória da porta paralela, podemos programar tal porta em várias linguagens. Por convenção usa-se aqui a linguagem C. 1. Para inicializar a porta, deve-se identificar se ela está disponível no sistema através da instrução: unsigned char Port = (biosequip() & 0xC000) >> 14; onde: Port: char em hexadecimal que identifica a quantidade de portas paralelas disponíveis, (normalmente 3 em DOS); biosequip( ): comando que retorna um n o inteiro, do qual se pode obter uma lista equipamentos disponíveis no PC 0xC000: constante de identificação de porta paralela; 11

14 2. Uma vez verificada a disponibilidade da porta paralela, é necessário assegurar que ela esteja em modo bidirecional através da instrução: outport(0x37a,0x20); onde: outport: commando de escrita na porta; 0x37a: n o da porta de controle, assumindo LPT1; 0x20: n o 32 em base decimal, em base binária, usado para ativar o bit 5 (Direction) no endereço de controle e permitir comunicação bidirecional. OBS: Na montagem descrita neste projeto foi utilizado um PC-XT, com modelo de porta paralela SPP, porta onde os Data bits são somente saída, portanto o comando acima não tem efeito para configuração bi-direcional e é mantido apenas por compatibilidade. Comment: usamos outport e inport 3. Para transmitir sinais usa-se a instrução: outport(0x378,0xff); onde: outport: commando de escrita na porta; 0x378: n o da porta de dados, assumindo LPT1; 0xff: nº 255 em base decimal, em base binária, usado para teste pois ativa os bits de dados D0 a D7 (pinos 2 a 9 do conector DB25). 4. Para ler sinais usa-se a instrução: unsigned char leitura = inpport (0x379); onde: inpport: comando de leitura de porta, através do nº retornado, pode-se saber quais bits estão ativados ou não. Neste projeto foram utilizados os seguintes pinos da porta paralela: Tabela 4 - Pinos da porta paralela usados neste projeto Pino Função N o do Bit Porta Sinal da Porta da Porta 2 Controle C0 do motor 1 0 Data port D0 3 Controle C1 do motor 1 1 Data port D1 4 Controle C0 do motor 2 2 Data port D2 12

15 5 Controle C1 do motor 2 3 Data port D3 10 Leitura da chave A (SW1) 6 Status port /ACK 11 Leitura da chave B (SW2) 7 invertido Status port Busy 12 Leitura da chave C (SW3) 5 Status port Paper Empty 13 Leitura da chave D (SW4) 4 Status port Select 18 Ground Ground Ground Deve-se notar que para comandar os motores basta escrever nos bits D0 a D3 da porta de dados, onde D0 e D1 comandam o motor 1 e D2 e D3 comandam o motor 2. Já o estado das chaves são obtidos da leitura dos bits da porta de status port, sendo que os bits que interessam são respectivamente os bits 4, 5, 6 e 7 invertido. Assim temos a seguinte correspondência: status da chave SW1 = bit 6 da porta de status, status da chave SW2 = inverter o bit 7 da porta de status, status da chave SW3 = bit 5 da porta de status, status da chave SW4 = bit 4 da porta de status. O uso dos bits da porta de status foi necessário porque o programa foi executado em um PC-XT, no qual os Data bits são unidirecionais. Em computadores mais novos com portas paralelas nos padrões EPP ou ECP, como a porta de dados é bidrecional, os bits desta porta também podem ser usados para leitura. 13

16 5 - A Rede Serial RS-485 e o seu protocolo No sistema de rede em que foi montado este projeto, o servidor web Rabbit 2000 funciona como mestre de uma rede serial RS-485 (envia comandos e por pouco tempo aguarda resposta deste comando, nunca recebe comando), sendo que os demais dispositivos conectados ficam operando em modo escravo (estado normal de escuta por comandos e apenas então gera uma resposta). Assim, todos os comandos na rede serial partem do Rabbit em direção aos dispositivos da rede, que devem então executar alguma tarefa e enviar uma mensagem de resposta para o Rabbit. O programa de comunicação no cliente da rede RS-485 foi desenvolvido em ambiente DOS com compilador TURBO C 2.0 pelo Prof. Chiepa da Divisão de Engenharia Eletrônica do ITA. O microcomputador usado como cliente na rede serial foi um microcomputador PC- XT, rodando sistema operacional DOS. A comunicação com o mestre da rede serial é feita através de uma porta serial RS-232. Para capacitar tal microcomputador a ser um dispostivo na rede RS-485, existe um circuito de conversão (compatibilização elétrica) RS-232/RS-485 projetado e implementado pelo Prof. Chiepa. Para este projeto o programa de comunicação serial na rede RS-485 foi expandido para incluir a comunicação do PC via porta paralela. Tal programa tem as seguintes características: roda em modo escravo, jamais tomando iniciativa de comunicação; verifica se os pacotes que circulam na rede são destinados a ele; caso ele seja o destinatário, imprime o pacote recebido na tela do computador; extrai do pacote recebido o comando contido no pacote; verifica a validade do comando recebido se comando recebido for válido (p. ex. ligar Motor 1) tal comando é enviado pela porta paralela do microcomputador; lê o estado das 4 chaves digitais; compõe e transmite uma mensagem de resposta para o remetente do pacote recebido (normalmente o dispositivo mestre da rede, neste caso o Rabbit). As mensagem de resposta são as leituras dos data bits da porta paralela, concatenadas com o último comando enviado para cada motor. Se os pacotes recebidos pela porta serial tenham outro destinatário, o programa apenas imprime na tela os números dos dispositivos que são o destinatário e o remetente do pacote. 14

17 O Rabbit 2000 roda como mestre da rede serial RS-485, e cada vez que ele manda uma mensagem, inicia contagem para receber resposta. Se o Rabbit 2000 não receber uma mensagem de resposta dentro do máximo tempo alocado para a resposta, uma mensagem de time out é colocada na web page servida pelo web server do Rabbit. O único instante em que o Rabbit fica no modo de escuta por mensagens na rede serial destinadas a ele é logo após o Rabbit ter enviado um pacote pela rede serial. Qualquer comunicação entre os dispositivos da rede serial é desprezada pelo Rabbit O pacote de dados da rede RS-485 As mensagens transmitidas na rede RS-485 seguem um protocolo simples, desenvolvido pelos Profs. Chiepa e Cairo. Cada mensagem pode ter no máximo 128 bytes. A mensagem a ser transmitida é processada pela função transmiter, sendo o pacote montado com os seguintes campos (tabela 6): Tabela 5 - Especificação do pacote de comunicação na rede RS-485 Tipo Valor Comprimento Marcador de abertura 0xf0 1 byte Endereço de Destino 02 (ex.) 2 bytes Endereço de Origem 00 (ex.) 2 bytes Mensagem Comando: status (ex.) 1 a 118 bytes CheckSum f97e (ex.) 4 bytes Marcador de fechamento 0x0f 1 byte Comment: A var MAXPACK=1000, não parece haver outra limitação no programa O pacote de exemplo mostrado na tabela 5 corresponde ao dispositivo mestre (00) enviando ao dispositivo escravo 02 a mensagem Comando: status. Isto significa a seguinte seqüência de 25 bytes sendo transmitidos na rede serial RS-485 (tabela 6): 15

18 Tabela 6 - Exemplo de pacote transmitido pela rede serial RS-485 N o do byte Valor do byte em hexadeximal Valor do byte em ASCII 1 F0 == C 7 6F o 8 6D m 9 61 a 10 6E n d 12 6F o 13 3A : (espaço) s t a t u s f e 25 0F == O caracter marcador de abertura sempre será 0xf0, assim sempre que algum dispositivo da rede recebe este byte, o dispositivo deve se preparar para receber a continuação do pacote. O endereço de destino do pacote vem logo a seguir (assim o dispositivo pode rapidamente decidir se ele deve continuar recebendo o pacote se o pacote for para ele, ou simplesmente ignorar o restante do pacote se o pacote não for endereçado para ele). Um valor 00, indica que o destinatário deste pacote é o mestre da rede, no caso o Rabbit O endereço de origem é definido dentro do programa sendo o 3º campo do pacote. 16

19 A mensagem gerado pelos dispositivos escravos da rede serial sempre será um retorno a algum comando do servidor, sendo montada como uma string e enviada em caracteres (printable) ASCII sem qualquer codificação, podendo conter letras maiúsculas e minúsculas. O campo checksum é usado para verificar a a integridade da mensagem recebida (p. ex., alguma interferência pode ter corrompido o sinal enviado). Tal campo é calculado em função de um somatório do código ASCII de cada caracter da mensagem. O cálculo do checksum pode ser conferido na função transmiter, ele segue o algoritmo abaixo: 1. O checksum é calculado pela soma de todos os caracteres presentes no pacote, isto é, os 2 caracteres que indicam destino, mais 2 caracteres que indicam origem, mais N caracteres de mensagem: t_checksum=0; for(i=1;i<tamanho+5;i++) t_checksum=t_checksum+t_pack[i]; onde: i=1: porque o primeiro caracter marca início de pacote tamanho: nº de caracteres da mensagem a ser enviada tamanho+5: porque a mensagem é colocada após o marcador de início (1 caracter), indicador de origem(2 caracteres) e indicador de destino(2 caracteres) tpack: vetor de caracteres que será enviado 2. O operador complemento é aplicado ao checksum: t_checksum=~t_checksum; ex: 4 ==> 100 logo ~4 = ~100 = 011 = 3 3. O primeiro byte de checksum é calculado pelo deslocamento de 12 bits à direita do valor do complemento do checksum: t_pack[i]=t_checksum>>12; 4. O segundo byte é calculado pelo deslocamento de 8 bits à direita e um AND bit a bit com 15 (15 = 1111 em binário): t_pack[i]=(t_checksum>>8) & 0x0f; 17

20 5. O terceiro byte é calculado pelo deslocamento de 4 bits à direita e um AND bit a bit com 15: t_pack[i]=(t_checksum>>4) & 0x0f; 6. O quarto byte é calculado com um AND bit a bit com 15: t_pack[i]=t_checksum & 0x0f; 7. Cada um dos bytes de checksum é testado: Se este byte for maior que 9, soma-se 87 a ele. Caso seja menor que 9, soma-se 48 a ele: if(t_pack[i]>9) t_pack[i]+='a'-10; else t_pack[i]+='0'; O marcador de fechamento sempre será 0x0f, indicando o fim de um pacote enviado na rede. Como comentado anteriormente o computador cliente na rede RS-485 deve ficar escutando a rede. Quando algum pacote é endereçado a ele, a função receiver é executada (nesta função pode-se encontrar todo o protocolo de conversação feito para esta rede RS-485) Protocolo Na função receiver do arquivo Rede.h, encontra-se o protocolo de comunicação da rede, uma análise desta função expõe o modelo de protocolo. A rede pode conter vários dispositivos em comunicação. Então uma das regras do protocolo consiste em escutar a rede e identificar corretamente o início de um pacote na rede, outros bytes são desprezados. Uma vez identificado o marcador de início de um pacote, o programa prepara-se para receber o campo de destinatário do pacote (conforme fig. 7). O endereço de destinatário da mensagem é comparado com o endereço do dispositivo que está realizando a escuta. Se o dispositivo atual é o destino do pacote, ele passa a esperar os 2 bytes que identificam o endereço de origem. Para assegurar a integridade dos dados, um checksum é montado com os dados recebidos, obviamente ele segue o caminho inverso da função transmiter. Os detalhes do algoritmo são apresentados abaixo em 9 passos: 18

21 1. Os bytes de destino e origem são somandos: r_checksum=r_pack[1]+r_pack[2]+r_pack[3]+r_pack[4]; onde r_pack = pacote recebido da rede RS Os bytes de checksum recebidos na mensagem são subtraídos: r_checksum-=r_pack[r_byte_counter-4]; r_checksum-=r_pack[r_byte_counter-3]; r_checksum-=r_pack[r_byte_counter-2]; r_checksum-=r_pack[r_byte_counter-1]; 3. Calcula-se o complemento do checksum: r_checksum=(~r_checksum); 4. O primeiro byte do checksum é calculado pelo deslocamento à direta de 12 bits: cs[0]=r_checksum>>12; 5. O segundo byte do checksum é calculado pelo deslocamento à direita de 8 bits e aplicando um AND bit a bit com 15: cs[1]=(r_checksum>>8) & 0x0f; 6. O terceiro byte do checksum é calculado pelo deslocamento à direita de 4 bits e aplicando um AND bit a bit com 15: cs[2]=(r_checksum>>4) & 0x0f; 7. O quarto byte do checksum é calculado aplicando um AND bit a bit com 15: cs[3]=r_checksum & 0x0f; 8. Cada um dos bytes de checksum é testado: Se este byte for maior que 9, soma-se 87 a ele. Caso seja menor que 9, soma-se 48 a ele: if(t_pack[i]>9) t_pack[i]+='a'-10; else t_pack[i]+='0'; 19

22 9. Os bytes de checksum calculados são comparados com os bytes de checksum recebidos: for(i=0;i<4;i++) if(cs[i]!=r_pack[r_byte_counter-4+i]) { r_start_pack=on; end_serial_int(); return; } Finalmente, o pacote deve ter um fechamento válido, e a quantidade de bytes deve estar entre um valor mínimo e máximo estabelecidos no protocolo. 20

23 6 - Rabbit 2000 Web Server O servidor web utilizado neste projeto é o Rabbit 2000, produzido pela Rabbit Semicondutores ( uma subsidiária da empresa Z-WORLD ( Dentre suas características estão portas de comunicação RS-232, RS-485, interface para comunicação Ethernet 10Base-T e programação para servidor web. O servidor roda programas compilados em uma versão da linguagem C, possuindo capacidade de estabelecer conexões usando o protocolo HTTP/TCP-IP pela porta ethernet e conexões de RS-485/RS-232 pela porta serial. Nesta implementação quando o web browser é apontado para o endereço o servidor Rabbit monta a página html, atualizando os valores indicados pelo campo echo var para posterior envio ao usuário: Status do Controlador das URs: #echo var="status_master" Data e Hora de início: #echo var="time_stamp_0" Data e Hora local: #echo var="time_stamp" Tempo de execução: #echo var="nmsg_out" Número de mensagens enviadas: #echo var="nmsg_in" Número de mensagens recebidas: #echo var="msg_out_code" Última Mensagem Recebida: #echo var="msg_in_code" 21

24 Do lado do usuário, deve abrir-se uma página como indicado abaixo: Segundo Teste: Web com vários dispositivos RS-485 Cairo e Chiepa, ITA, Setembro 2001 Status do Controlador das URs: Operacional. Data e Hora de início: Sex 06/12/2002, 18h:28m:53s. Data e Hora local: Sex 13/12/2002, 18h:20m:39s. Tempo de execução: 167 h, 51 m. 1 - Selecione a UR: Selecione o comando a ser enviado para a UR: Informar status da UR Ativar UR Setar Modo Carregamento Aumentar Corrente de 1 passo Desativar UR Setar Modo Descarregamento Diminuir Corrente de 1 passo Estabelecer corrente da UR: Comando: 3 - Envie o comando: Enviar o comando Cancelar Número de mensagens enviadas: 54. Número de mensagens recebidas: 44. Última Mensagem Enviada: Sex 13/12/2002, 13h:59m:28s, IP = , UR = 02 Comando: status Última Mensagem Recebida: Sex 13/12/2002, 13h:51m:51s, UR = 02 Comando: Status (15), M2 ligado, M2 desligado, Status: M1 Desligado, M2 Tras, Chaves: AAAA. Cairo e Chiepa, 1/Set/2001, ITA - Brazil. s: cairo@ele.ita.br, chiepa@ele.ita.br Neste formulário, a função central é o envio do comando ao dispositivo. Isto é feito pela função submit: 22

25 <font color="blue">3 - Envie o comando:</font> <br><input type="submit" value="enviar o comando"> que deve enviar o valor digitado pelo usuário no campo Comando: <input type="text" name="comando_texto" maxlength="25" size="25" value=""> ou selecionado pelo usuário, como, por exemplo a função de Status abaixo: <td colspan="2"><input type="radio" name="opcao_comando" value="status"> Informar status da UR</td> O programa web server que acompanha o kit do Rabbit 2000 foi configurado pelo Prof. Cairo Nascimento para executar as seguintes funções: Set_Time: configura data e hora de RTC se não foi ainda configurado. Get_Time: obtém data e hora. Get_Exec_Time: tempo consumido em processamento, horas e minutos. Get_IP_Address: retorna IP do web browser que entrou em contato com o Rabbit. Submit: 1. Obtém da memória do servidor web os dados recebidos através do formulário preenchido na tela do web browser, 2. Verifica a validade dos dados do formulário, 3. Compõe e envia a mensagem para o dispositivo serial endereçado, 4. Espera pela resposta do dispositivo serial endereçado, 5. Processa a resposta recebida do dispositivo serial endereçado, 6. Atualiza a memória do servidor web de acordo com a resposta recebida do dispositivo serial endereçado. Calcula_CRC: calcula checksum de 4 bytes para mensagem. Enviar_Msg: envia mensagem para dispositivo da rede RS-485. Receber_Msg: aguarda mensagem da rede RS-485 para tempo máximo. As funções abaixo são também usadas no programa executado pelo Rabbit 2000 e fazem parte da biblioteca de funções que foram fornecidas junto com o kit de desenvolvimento TCP/IP do Rabbit 2000: parse_token: processamento de formulário recebido pelo web server. parse_post: processamento de formulário recebido pelo web server. io_init: configura porta serial. sock_init: configura 23

26 http_init: configura servidor http. 24

27 7 - Implementação do Programa deste Projeto O programa aqui implementado faz uma ponte entre a rede RS-485 e a porta paralela de um microcomputador, concentrando tarefas de interpretação dos comandos para a porta paralela. Sempre que o programa é iniciado, ele deixa todos os Data bits altos, já para o driver do motor utilizado os bits 1111 desligam os motores. No encerramento do programa os motores também são desligados novamente deixando todos os Data bits em nível alto. O programa utiliza 2 arquivos tipo header (extensão.h), os quais trazem todas as funções necessárias para interfacear a porta paralela e a rede: Rede.h: arquivo com funções de manipulação de dados para a rede RS-485, adaptado de um programa fornecido pelo Prof. Chiepa. Principais funções: receiver: recepção e processamento de pacotes de dados. transmiter: processamento e transmissão de pacotes de dados. funções auxiliares: input232, output232, initialize, enable485, disable485, enablerint, disablerint, unmask_sioint, end_serial_int; Paralela.h: contém todas as funções de manipulação da porta paralela e de interpretação de comandos. Funções: InicializaParalela: procedimentos de inicialização da porta paralela. ExecutarComando: interpretação dos comandos para a porta paralela. LerParalela: leitura dos Data bits da porta paralela. LerChaves: leitura dos Status bits da porta paralela. printb: apresenta nº em formato binário. sprintb: transforma byte obtido dos Status bits em formato binário, em seguida extrai os bits correspondentes aos pinos 10, 11, 12 e 13. O programa foi feito em 2 módulos. O primeiro módulo permite testar a porta paralela (executar comandos) localmente. Isto pode ser útil em casos de falha, já que fica mais fácil identificar em que ponto da rede existe uma possível falha. 25

28 No segundo módulo, o programa roda em modo escravo, conectado a uma rede RS- 485, aguardando comandos do Rabbit. Neste modo os comandos são digitados e enviados via browser até o microcomputador. Os dois modos de operação diferem pela interface com o usuário e pela complexidade do processo. No entanto possuem um núcleo comum para execução dos comandos, que é a header Paralela.h. Nesta biblioteca a função ExecutarComando recebe uma string com o comando, verifica sua validade, grava nos Data bits da porta paralela (endereço 0x378) e retorna uma leitura dos Data bits. Além disso nos dois módulos a função LerChaves obtém o byte de Status bits (endereço 0x379), passa este valor para a função sprintb que transforma este byte em uma string de números binários e extrai os bits 6, 7, 5 e 4 (ver tabela 6). Nesta montagem (ver figura 3) estes 4 bits representam estados das 4 chaves do circuito, indicando A (chave aberta) e F (chave fechada). A tabela abaixo apresenta os comandos válidos: Tabela 7 - Comandos do programa Comando Função m1f Rotação do motor 1 para frente m1t Rotação do motor 1 para trás m1d Desliga motor 1 m2f Rotação do motor 2 para frente m2t Rotação do motor 2 para trás m2d Desliga motor 2 status Estado dos Data bits da porta quit Desliga motores e encerra programa (localmente) ou desliga motores (remotamente) xxxx Encerra programa cliente no PC. 26

29 8 - Exemplo de execução Para executar o programa localmente digite 1 na abertura do programa, em seguida digite algum comando da lista, exemplo: Inicializando a porta paralela Portas paralelas presentes: 1 leitura: Testar porta (1) ou testar rede (2): 1 ===========================Menu================================== Digite: m1f: motor 1 p/ frente m1t: motor 1 p/ tras m1d: motor 1 desligado m2f: motor 2 p/ frente m2t: motor 2 para tras m2d: motor 2 desligado status: mostrar bits de dados e de status da porta paralela quit: sair ==> Status Leitura Chaves: AAAA ===========================Menu================================== Digite: m1f: motor 1 p/ frente m1t: motor 1 p/ tras m1d: motor 1 desligado m2f: motor 2 p/ frente m2t: motor 2 para tras m2d: motor 2 desligado status: mostrar bits de dados e de status da porta paralela quit: sair ==> Para executar o programa em modo de rede digite 2 durante a abertura do programa. Num navegador web, digite o IP: Abaixo um exemplo de página carregada: 27

30 A página carregada em um Web Browser no endereço: Segundo Teste: Web com vários dispositivos RS-485 Cairo e Chiepa, ITA, Setembro 2001 Status do Controlador das URs: Operacional. Data e Hora de início: Sex 29/11/2002, 20h:52m:34s. Data e Hora local: Ter 03/12/2002, 17h:06m:45s. Tempo de execução: 92 h, 14 m. 1 - Selecione a UR: Selecione o comando a ser enviado para a UR: Informar status da UR Ativar UR Setar Modo Carregamento Aumentar Corrente de 1 passo Desativar UR Setar Modo Descarregamento Diminuir Corrente de 1 passo Estabelecer corrente da UR: Comando: 3 - Envie o comando: Enviar o comando Cancelar Número de mensagens enviadas: 172. Número de mensagens recebidas: 116. Última Mensagem Enviada: Ter 03/12/2002, 15h:18m:55s, IP = , UR = 02 Comando: Status Última Mensagem Recebida: Ter 03/12/2002, 15h:17m:44s, UR = 02 Comando: Status (15), M1 desligado, M2 desligado, Status: M1 Desligado, M2 Tras, Chaves: AAAA. Cairo e Chiepa, 1/Set/2001, ITA - Brazil. s: cairo@ele.ita.br, chiepa@ele.ita.br 28

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32 9 - Referências 1) Peter H. Anderson, The Parallel Port Manual - Use of a PC Printer Port for Control and Data Acquisition, vol. 1, Morgan State University, 1996, 2) Peter H. Anderson, The Parallel Port Manual - Use of a PC Printer Port for Control and Data Acquisition, vol. 2, Morgan State University, 1997, 3) Alexandre F. Guimarães e Mario T. Shimanuki, Controle de uma unidade de disco rígido padrão IDE através de uma saída paralela, Relatório Interno CTA/ITA-IEE/TC-015/2000, Divisão de Engenharia Eletrônica, ITA, ) Web site 5) Web site 30