Моргания лампочки и замыкание контактов — дело интересное и полезное для первых шагов. Но, как все мы помним со школы, чем нагляднее эксперимент, тем он интереснее. Я продолжу развивать проект из предыдущих серий, и сегодня мы прикрутим термодатчик 1-Wire для того, чтобы контролировать температуру в твоем многострадальном холодильнике. Того и гляди, скоро у тебя появится «умный» холодильник :).

В предыдущих сериях

Так как я продолжаю повествование с некоей точки, а не с самого начала, то пройдусь по тому, что уже имеется. В нашем арсенале Arduino mega2560 с поднятой ОСРВ scmRTOS. Прошивка позволяет моргать светодиодом L на плате в разных последовательностях в зависимости от «аварийного» или «нормального» состояния, а также «плеваться» в консоль грязными ругательствами (ведь ты именно такие выбрал?) в качестве уведомления об изменении состояния. «Нормальность» состояния определяется замкнутостью контактного датчика. Последовательность можно менять из консоли. Исходники проекта выложены на GitHub.

Вдохнем новизны

Идея прикрутить термодатчик зародилась у меня еще до того, как я начал делать этот проект. Последовательность действий (а именно так и нужно действовать — последовательно и не пытаться забегать вперед) оттягивала этот момент, и я особо не забивал себе голову деталями. Но вот время пришло.

Так в чем проблема? А вот в чем: можно было взять обычный резистивный термодатчик и использовать встроенный АЦП микропроцессора. Но! Я взялся за этот проект с правилом: минимум паяльника и дополнительного нестандартного оборудования, все из коробки. При использовании же резистивного термодатчика необходимо городить делитель напряжения, а значит, требуется минимальное, но погружение в схемотехнику. Так что этот вариант отпал.

Остался второй вариант — цифровой термодатчик. Правда, с ним тоже беда. Цифровой термодатчик подключается по интерфейсу 1-Wire, а такого интерфейса на плате нет. Зато есть вариант минимальными усилиями сделать программную эмуляцию этого интерфейса. Дополнительный бонус этого решения — термодатчиков можно посадить целый рассадник на одну проводную линию, в отличие от резистивного термодатчика (естественно, рекомендуется ознакомиться с матчастью, так как есть ограничения на длину линии, общее сопротивление и прочее).

 

Немного о самом 1-Wire

1-Wire — это так называемый однопроводный интерфейс. Примечателен он тем, что для обмена данными с устройствами по этому интерфейсу требуется всего один сигнальный провод и один провод «земли». Что еще более примечательно, устройства спроектированы таким образом, что по этому же сигнальному проводу они и «кормятся» (то есть для питания устройства используется все тот же сигнальный провод), такой режим называется «паразитным питанием». Для реализации такого способа питания в устройствах ставят достаточно емкий конденсатор.

Для того чтобы начать сессию обмена данными, необходимо сформировать сигнал «сброс». Для этого мастер передает в линию данных 0 на время не менее 480 мкс. После чего мастер отпускает линию данных и начинает слушать линию. За счет резистора подтяжки линия данных установится в 1. Если на линии присутствует устройство (датчик), то он передаст мастеру подтверждение сброса, для этого он удерживает линию данных в 0 на время 60–240 мкс. Считав состояние линии, мастер узнает о присутствии на шине устройств, готовых к обмену.

Старт обмена данными
Старт обмена данными

1-Wire обладает еще одной особенностью: передача битов осуществляется не уровнями сигнала, а временными задержками. Таким образом, чтобы передать 1, необходимо установить в линии 0 и держать его 15 мкс, после чего отпустить линию, которая за счет подтягивающего резистора перейдет в уровень 1. Чтобы передать 0, необходимо установить в линии 0 на 15 мкс, а затем держать 0 на линии еще 60–120 мкс.

Передача данных 1-Wire
Передача данных 1-Wire

 

Честный 1-Wire

Предложенный вариант реализации интерфейса 1-Wire обладает одним недостатком. Точнее, двумя.

  1. Он жрет ресурсы (как любая программная эмуляция).
  2. Он неустойчив к помехам.

С первым недостатком можно еще как-то мириться, хотя по мере роста проекта ресурсов остается все меньше. Со вторым недостатком в боевом софте надо бороться семплированием сигнала. Что такое семплирование? Допустим, бит 1 передается 6 мкс. Для того чтобы точно быть уверенным, что это 1, а не какая-то наводка, необходимо несколько раз в течение этих 6 мкс измерить состояние входного сигнала. Чем больше измерений ты проведешь, тем точнее будет твой результат и уверенность в правильности принятия данных. Однако 6 мкс — это ооочень мало, тут возникает вопрос разумности и аппаратных возможностей. С разумностью, хочется верить, у тебя все в порядке, а вот с возможностями в нашем микропроцессоре неважненько. Первое, что приходит в голову, — натравить таймер с частотой 1 мкс и получить хотя бы пять семплов. Проблема только в том, что в данном железе на такую частоту настроить таймер не представляется возможным. Настроить-то можно, но толку от этого не будет, так как надо учитывать накладные расходы на «проваливание» в прерывание, сохранение регистров, выход из прерывания. Другой вариант — мотание в цикле, но опять вопрос во времени. Такт процессора на частоте 16 МГц длится 1/16 мкс, то есть у тебя есть всего 16 тактов. За это ничтожное время тебе надо прокрутить счетчик (цикл же), снять состояние сигнала, перейти к следующей итерации. С учетом оптимизации и прочих накладных расходов на СИ сделать это практически нереально. Выход один — использовать аппаратную микросхему интерфейса 1-Wire, подключаемую, например, по SPI-интерфейсу.

Железо

Итак, выбор пал на термодатчик компании Maxim, модель DS18S20 (что под рукой оказалось). Если ты полез гуглить, сразу предупреждаю: подавляющее количество примеров применения термодатчиков с Arduino построено на базе DS18B20. Он немного отличается, но в рамках нашего проекта разницы никакой.

 

Работа термометра

Для работы с термометром по 1-Wire необходимо выполнить (по крайней мере для знакомства с ним) всего три действия:

  • запустить измерение;
  • подождать время, необходимое АЦП термометра, чтобы зафиксировать показание;
  • считать показание из памяти термометра.

Как и с обычными АЦП, чем выше точность, тем больше времени требуется для проведения измерения, тем дольше нужна задержка перед попыткой чтения показаний.

Термодатчик имеет два режима работы: постоянное питание или паразитное питание. Я буду использовать режим паразитного питания. В этом режиме термодатчик кушает через подтягивающий резистор (4,7 кОм) линии 1-Wire, когда линия «свободна» или передается высокий уровень. Как раз это вторая деталь, которую необходимо найти, резистор 4,7 кОм.

 

WARNING

Будь внимателен при подключении термодатчика, при ошибке подключения ты можешь его сжечь. Если сам не силен, попроси умеющего товарища спаять тебе проводки, ничего зазорного в этом нет :).

Схема подключения термодатчика
Схема подключения термодатчика
Фото подключения термодатчика
Фото подключения термодатчика

Теперь, когда с подключением ты более или менее разобрался, приступим ко второй части нашего остросюжетного боевика. Нужно писать софт. Я, как и большинство программистов, создание ленивое, поэтому я вопросил у Всезнающего Гугла, что уже придумано до нас и надо ли изобретать велосипед.

Самое вразумительное, что я нашел, — это библиотека OneWire, рекомендуемая ардуиновцами. Также нам пригодится творчество еще одного товарища из ардуиновского сообщества — библиотека, реализующая протокол обмена данными с термодатчиком.

Можно просто взять, собрать все это в обычный скетч и прошить в железку, на чем и успокоиться. Но ты помнишь про холодильник? А значит, будем вкорячивать это добро в наш проект.

Ось зла

 

Предварительные причесывания

Начал я с простого — заставил хотя бы собираться библиотеки. Обе библиотеки используют ардуиновские функции, поэтому пришлось внести некоторые изменения. Для начала добавим файл OneWire_Port.h в проект (он будет портом библиотеки OneWire для проекта) и приинклюдим его в файл OneWire.h, а затем начнем причесывание. А именно:

  • OneWire построена таким образом, что ей при создании экземпляра объекта скармливается номер ноги, на которой у тебя будет линия 1-Wire. Это тащит за собой кусочек мрака из недр библиотек Ардуино, поэтому я пошел простым путем и зашил хардкодом в конструктор класса OneWire нужные мне ноги. Да, теряем универсальность, но я пока не вижу применения с двумя шинами 1-Wire (хотя… ну да не сейчас). Исходя из схемы платы, я выбрал ногу PA6, которая выходит на колодку DIGITAL пин 28.
      PORTA &= ~_BV(PA6);
      DDRA &= ~_BV(PA6);
    
      bitmask = _BV(PA6);
      baseReg = &PINA;
  • OneWire использует задержки в микросекундах для реализации протокола 1-Wire, подсунем библиотечную функцию _delay_us() в файл OneWire_Port.h
      #define delayMicroseconds(usec) _delay_us(usec)
  • OneWire любит отключать прерывания во время выполнения очень маленьких задержек (несколько микросекунд), и я ее понимаю. Но сразу же оглянемся и подумаем о том, что у нас все-таки будет ось. А значит, включение прерываний разумнее проредить немного, чтобы случайно не потерять контекст выполнения на неопределенное время. Библиотека использует ардуиновские функции работы с прерываниями, подсунем ей стандартные через файл OneWire_Port.h:
      #define noInterrupts()          __builtin_avr_cli()
      #define interrupts()            __builtin_avr_sei()
  • В драйвере термодатчика используется задержка, измеряемая в миллисекундах. Тут разумнее использовать вызов функции ОС, особенно учитывая размер этих задержек. Для замены sleep на вызов функции ОС пришлось немного погородить макросов в OneWire_Port.h, комментарии в коде.
      // Количество «тиков» операционной системы (переключений контекстов) в секунду
      #define __CLOCKS_PER_SEC  1000
      //Период системного таймера операционной системы
      #define PERIOD_TIMER_MS  ( 1000UL /  __CLOCKS_PER_SEC )
      // Макрос перевода миллисекунд в количество тиков операционной системы
      #define MSEC_TO_TICK( X )   ( X / PERIOD_TIMER_MS )
      #define delay(msec)             OS::sleep( MSEC_TO_TICK(msec))
 

Внедрение агента в банду

Теперь либы собираются, настал черед вкрутить их в код проекта. Как удостовериться, что оно заработало? Элементарно: создаем экземпляр класса OneWire, затем DallasTemperature с параметром шины, на которую подключены термодатчики, и начинаем все это активно использовать.

В проекте уже есть простенький терминал, добавляй туда команду, по которой будет производиться опрос термодатчика и вывод значения в терминал. Для удобства я добавил еще одну команду — поиск термодатчиков, по этой команде опрашивается линия, ответившие термодатчики заносятся в «кеш» библиотеки, после чего для найденных термодатчиков можно получить адреса и вывести их в терминал. Отмечу отдельно алгоритм поиска устройств на линии, очень увлекательный процесс, описан подробно в документации к iButton в разделе Network Capabilities.

Первый запуск
Первый запуск

 

Выносим в отдельный поток

Собственно, теперь ты убедился, что библиотека работает, термодатчик тоже что-то измеряет (в данном случае комнатную температуру). Давай теперь подключим все это добро к нашей системе сигнализации. Для этого необходимо создать отдельный поток, в котором будет производиться периодический опрос термодатчика и при возникновении аварии отправляться сообщение.

Немного подумав, я решил, что лучше сделать целый класс — движок работы с термодатчиками, унаследовав его от класса process<>, чтобы все собрать в одну кучку: сделать имплементацию функции-потока, дать этой функции доступ к членам класса, выставить наружу основные функции работы с термодатчиками.

Однако тут я уткнулся в жадность. Мне хотелось оставить возможность опроса термодатчиков из консоли и иметь сигнализацию. Сразу же возникает необходимость разделять общие ресурсы, так как теперь два потока будут дергать один термодатчик (а точнее, шину 1-Wire). Лезь в класс OneWire и добавляй ему приватного мембера OS::TMutex _mutex;.

Здесь начинается интересное. Мьютекс мы завели, но пользоваться им внутри класса неразумно, так как библиотека работы с термодатчиком написана очень сильно интегрировано и на лету дергает функции байтовой, а не пакетной приема-передачи по 1-Wire. Для локализации массовых вызовов я создал два метода: open и close для шины 1-Wire.

void OneWire::open()
{
    _mutex.lock();
}

void OneWire::close()
{
    _mutex.unlock();
}

Затем пришлось прошерстить всю библиотеку DallasTemperature и обернуть вызовы функций работы с шиной 1-Wire в оболочку _wire->open() -> _wire->close().

Реализация функции потока обработки показаний термодатчика совсем проста. В цикле запрашивается температура, проверяется на вхождение ее в граничные диапазоны (которые сейчас захардкожены), при изменении состояния отправляется грязное ругательное сообщение. Напомню, что в прошлой реализации аварийного потока я заложил код источника сообщения AI_ANALOG, который сейчас и использую. Приведу кусочек кода, чтобы не мучить тебя словами.

float val;
AnalogState new_state;

if (!TemperatureEngine::temperature_get(0, &amp;val))
{
    if (state != lost &amp;&amp; ++ lost_cntr &gt; 10 )
    {
        state = lost;
        TAlarmMessage msg;
        msg.state = state;
        msg.src = TAlarmMessage::AI_ALARM;
        AlarmMessageBox.push(msg);
    }
    continue;
}
lost_cntr = 0;
if (val &lt; low_value)
    new_state = low;
else if (val &gt; high_value)
    new_state = high;
else
    new_state = normal;

if (new_state != state)
{
    TAlarmMessage msg;
    msg.state = new_state;
    msg.src = TAlarmMessage::AI_ALARM;
    AlarmMessageBox.push(msg);
}
state = new_state;

Дополнительно я решил добавить аварийное состояние при обрыве термодатчика, то есть когда непрерывно не удается получиться данные от термодатчика на протяжении некоторого времени, в данном случае десяти опросов.

Тут-то я и наступил на грабли. Я забыл про функцию инициации процесса измерения DallasTemperature::requestTemperatures. В ней стоят задержки для того, чтобы подождать, пока термодатчик производит измерение. Но я поставил _wire->close() перед этими задержками. В итоге я получил странную картину: при запросе из терминала начинали скакать показания термодатчика. А случалось вот что: поток движка термодатчиков запускал измерение, одновременно приходил я со своим запросом по терминалу, и в итоге мы оба читали какие-то неинициализированные значения.

Почесав затылок, я вынес отдельно функцию инициации процесса измерения и оставил ее вызов только внутри потока движка термодатчиков. Таким образом, при получении команды из терминала возвращается последняя измеренная температура. Работает даже быстрее, чем каждый раз дергать термодатчик и просить его померить вот прямо сейчас и прямо здесь.

Остается лишь добавить в поток обработки аварийных сообщений кейсы нового источника аварий.

template&lt;&gt; OS_PROCESS void TAlarmTask::exec()
{
    for(;;)
    {
        TAlarmMessage msg;
        // Тут мы уснем до получения аварийного сообщения
        AlarmMessageBox.pop(msg);
        // Получили сообщение, теперь обработаем его
        if (TAlarmMessage::DI_ALARM == msg.src)
        {
            // Обработка аварий цифрового датчика
        }else if(TAlarmMessage::AI_ALARM == msg.src)
        {
            // Здесь вставляем код обработки аварий аналогового (термо)датчика
        }
    }
}
 

Испытания огнем

Конечно же, огонь применять никто не собирается, пожаров нам только не хватает. Но полевые испытания провести стоит. Так как датчик достаточно инертный, то я решил извлечь хоть какую-то пользу от выделяемого компьютером тепла и засунул термодатчик под поток воздуха от процессорного кулера. Ура, температура поползла вверх!

Как только значения температуры перешагнули пороговое значение, тут же в терминал пришло ругательное сообщение. Следующим шагом была проверка на возврат в нормальное состояние.

Проверка срабатывания аварии
Проверка срабатывания аварии

Заключение

Вот мы и сделали еще один сложный шаг к защите содержимого твоего холодильника не только от врагов, но и от разморозки. Теперь в твоем арсенале есть термодатчик, а так как используется линия 1-Wire, то ты уже самостоятельно можешь навесить и два, и три, и более термодатчиков. Надеюсь, что материал этой статьи раскрыл для тебя новые и интересные возможности, казалось бы, игрушечного Arduino и подогрел интерес к программированию встраиваемых систем. Помни, что только написание кода даст тебе знание и умение. Тренируйся, больше практики, старайся воплощать самые свои сумасшедшие идеи, и знание придет. Пиши, пиши, пиши! Железный привет, RESET :).

DANGER

Статическое электричество смертельно для микросхем, старайся избегать работы с микроконтроллерами в синтетической и шерстяной одежде, по возможности используй заземляющие браслеты.

WARNING

При работе с микроконтроллером постарайся убрать все металлические предметы, чтобы предотвратить случайное короткое замыкание и выход платы из строя.

WARNING

Редакция и автор не несут ответственности за возможный вред, причиненный здоровью и имуществу при несоблюдении техники безопасности работы с электроприборами.

Оставить мнение

Check Also

Как работает Linux: от нажатия кнопки включения до рабочего стола

Лучший способ понять, как работает операционная система, — это проследить поэтапно ее загр…