UART etiketine sahip kayıtlar gösteriliyor. Tüm kayıtları göster
UART etiketine sahip kayıtlar gösteriliyor. Tüm kayıtları göster

24 Ocak 2022 Pazartesi

C dilinde, İyi Yazılmış, Taşınabilir Bir Sensör Sürücü Paketi İncelemesi

Bu yazıda gömülü sistemlere düşük seviyede sürücü geliştiren kişilere referans niteliğinde olan, BOSCH'un  sıcaklık, nem ve basınç sensörü BME280 için geliştirdiği, github üzerinden yayınladığı açık kaynak kütüphaneyi [1] inceleyeceğiz. Başlıkta da belirttiğim gibi kütüphane gerçekten çok modüler bir şekilde oluşturulmuş. Geliştirilen kütüphane platform-bağımsız olduğu için herhangi bir altyapıya adapte edilebilir. Bu yapıyı herhangi bir mikrodenetleyicide veya OS ile çalışan bir gömülü yapıya entegre edebilirsiniz.



Kütüphane geliştirilirken low-coupling, high-coherence kavramlarını başarılı bir şekilde uygulamış. Kütüphane içerisinde herhangi bir dış bağımlılık olmadığı gibi kendi içerisindeki fonksiyon ve veri setleri de tam olarak amaca yöneliktir.

Öncelikle kütüphanenin güzel bir README.md dosyası var. İçerisinde bu kütüphanenin nasıl kullanılabileceği detaylı bir şekilde anlatılmıştır.

Bu yazıda, ilgili kütüphaneyi SPI üzerinden nasıl kendi sisteminize entegre edeceğinizi yine README.md deki örnek üzerinden ele alacağız.

Kütüphane bme280_dev structure'ı üzerinden çalışıyor. Bu yapı aşağıda verilmiştir.

Bu yapıda öncelikle ilgili sensörün hangi arayüz ile hangi modda kullanılacağı çeşitli değişkenlerle seçilir. Bu seçimler değişken isimleri ve gerekli yorumlarla desteklenmiş ve açık bir şekilde belirtilmiştir.

Bunun haricinde taşınabilirlik açısında bizim en çok işimize yarayan kısım fonksiyon pointer yapılarıdır. SPI örneği üzerinden devam edecek olursak bme280_dev yapısı içerisinde okuma yazma fonksiyonları için dev.read ve dev.write fonksiyon pointerlarına ilgili platforma ait SPI yazma okuma fonksiyonları atanır. SPI okuma ve yazma fonksiyonları kendi içerisinde CS operasyonunu gerçekleştirmelidir. Fonksiyonel olarak yazılmış sensör sürücüsü soyutlanmış okuma, yazma fonksiyonları üzerinden çalışır. Bu iki fonksiyona ek olarak kütüphane içerisinde kullanmak üzere 1 ms çözünürlüklü bir delay fonksiyonunun da pointerı structure'a atanır.

Bu noktada önemli bir parantez olarak ilgili fonksiyon pointerları mevcut altyapınızla birebir uyumlu olmayabilir. Hatta muhtemelen farklıdır. Bu noktada sizin altyapınız ile kütüphane arasına bir adaptör katmanı yazmanız gerekebilir. Örnek olarak aşağıdaki fonksiyon incelenebilir. myusleep fonksiyonu platform tabanlı bir fonksiyondur. Örnek olarak ms gecikmesi için STM32 altyapısında HAL_Delay fonksiyonunu düşünebilirsiniz. Arduino altyapısında buna delay fonksiyonu karşılık gelir. Biz her iki platformda da mevcut fonksiyonun adresini aşağıdaki gibi bir adaptör vasıtasıyla bme280_dev yapısına atanır. Böylece kütüphane fonksiyonları platform bağımsız çalışır.

Bu kütüphane kullanılarak oluşturulmuş tam bir örneğe aşağıdaki linkten erişebilirsiniz. En başta da ifade ettiğim gibi gömülü sistemlerde sürücü seviyesinde yazılım geliştiriyorsanız bu kütüphaneleri hiç bir zaman başka bir platformda kullanmayacaksanız bile bu yaklaşımla geliştirmenizi öneririm. Kodun okunabilirliği, güncellenebilirliği ve bakım yapılabilirşliği açısından da oldukça faydalı olacaktır.

https://github.com/BoschSensortec/BME280_driver/blob/master/examples/bsd_userspace.c

Referanslar

[1] https://github.com/BoschSensortec/BME280_driver/

6 Ocak 2021 Çarşamba

Lineer/Proportional/Oransal Çıkışlı Bir Analog Sensörün Okunması, Sensör Okuma ile ilgili Temel Mantıklar

 Sensör verilerinin okunması ve anlamlandırılması kontrol sistemleri için en temel girdiyi oluşturur. Sensör bilgileri, sensörün tipine, iç yapısına, ölçtüğü fiziksel niteliğin davranışına göre farklılık gösterebilir. Sensör çıkışları lineer veya bir polinoma bağlı olabilir.

Bu yazı kapsamında lineer çıkışlı sensörler hakkında detaylı bir açıklama yaptıktan sonra polinomsal çıkışlı bir sensör hakkında da kısa bir yorum yapıp bitireceğim.

Lineer çıkışlı analog bir sensöre örnek olarak SS495B ve LM35 üzerinden ilerleyeceğiz. Aşağıda gördüğünüz görselde SS495B'nin gauss/çıkış voltaj grafiği verilmiştir. Bu sensörün ölçüm yaptığı fiziksel nitelik ile çıkış voltajının lineer olduğu grafikten bellidir. Çıkış gerilimi gauss değerine göre lineer olarak artıp azalır.

SS495B Çıkış Karakteristiği
Bu şekilde çıkış veren sensörler çok basit bir matematiksel formülle tanımlanır. ADC değerini okuyup voltaja çevirdikten sonra, gerilim değerinden ilgili fiziksel değere geçilir. Bu örnekte o değer gauss'tur.

Grafikten görüldüğü gibi sensör 0.5V-4.5V arasıda tanımlıdır. Aralık dışıda bir değer okunması halinde uygulamanın çeşidine göre bir senaryo planlanır. Bu aralıkta da direkt bir eğik doğru formülü ile tanımlanır. Bu formül;

Gauss = ( Vout - 2.5 ) * ( 640 / 4.5 )

şeklindedir. Bu formüldeki ( 640 / 4.5 ) ifadesi grafiğin eğimidir. Bu değer sayısal olarak sadeleştirilip sadece bir çarpım ifadesi şeklinde de yazılabilir.

LM35 sensörü de sıcaklığa bağlı lineer çıkış veren bir sensördür. Bu sensörün datasheetinde çıkış aşağıdaki şekilde ifade edilmiştir. Sensör 2°C-150°C aralığında her bir derece için 10mV çıkış verir.
LM35 Çıkış Karakteristiği

Bu bilgilerden hareketle bu sensörün çıkışını santigrat derece şeklinde ifade etmek için aşağıdaki formül kullanılır.

Temperature = 2 + ( Vout / 0.01 ) = 2 + ( Vout * 100 )

İki ayrı sensör değerinin nasıl dijital veriye çevrildiğini bu iki örnekle özetlemiş olduk. Bir de polinomsal çıkış veren sensörler vardır. Bunlar için en yaygın örnekler NTC tipi sıcaklık sensörleri olabilir. Bu sensörlerin direnç değerleri sıcaklığa bağlı değişir ve en basit şekilde başka bir direnç ile seri bağlanarak orta noktanın gerilimi üzerinden bir dönüşüm yapılır. Burada ilk olarak basit gerilim bölücü mantığından sıcaklık sensörünün direnç değeri bulunur ve bu direnç değeri -nispeten- kopleks bir matematik denkleminden geçerek sıcaklık elde edilir. Bu denklem "Steinhart and Hart Equation" olarak adlandırılır. Burada yer alan A, B ve C sabitleri ilgili sensörün datasheetinde verilir. R değeri ise NTC'nin o anki direnç değeridir.


Bir NTC'nin direnç değerinin sıcaklığa bağlı değişimini gösteren grafikte aşağıdaki gibidir. Grafikte görünen PTC, NTC ile ters çalışan ama aynı amaçla kullanılan bir sensör türüdür.




Bu yazı kapsamında sensör okuma ve okunan değerleri fiziksel değere çevirme hakkında genel bilgiler vermeye çalıştım. Umarım faydalı olur. Çalışmalarınızda başarılar.



7 Aralık 2020 Pazartesi

Cooperative Multitasking

 Bu yazıda cooperative multitasking (CM olarak anılacak) kavramı üzerine bildiklerimi ve gömülü sistemler üzerinde bu yapıya benzer bir çalışma metodolojisi ile nasıl geliştirme yaptığımdan bahsedeceğim.

CM kavramı non-preemptive multitasking olarakta bilinir. Temel olarak görevi taskları sıralı bir şekilde işletmektir. Bilinen modern multitasking yapılarından farkı ise önceliğe göre aktif bir task switching yapmamasıdır. CM yapısında, işlemci aynı anda bir task ile ilgilenir ve o task tamamlanana kadar diğer taskların çalışmasına izin vermez. Bu yapı Windows 3.1x'te kullanılmıştır.[1]

CM yapısı ile çalışacak bir sistemde taskların zamanları önemlidir. Bu yüzden yazılacak taskların süreleri ve gereksinim durumu iyi analiz edilmelidir. Vakit alan bir task önemli bir taskı engellerse bu sistemi verimsiz/anlamsız/zararlı hale getirebilir.

CM kavramını görselleştirmek için aşağıdaki görseli kullanalım. Burada örnek olarak Task A 20ms de bir çalışır ve task aktif olduktan sonra 3 ms boyunca iş yapar. Diğer tasklarda da benzer şekilde çalışma periyotları ve çalışma süreleri tanımlanmıştır.

İlk ve en basit kural çalışma süresi, çalışma periyodundan büyük olmalıdır. Bu ikisi arasındaki fark ne kadar yüksek olursa ilgili taskın işlemciye yükü o kadar düşük olur.



Görselde CM metodu içe çalışan bir yapı verilmiş ve Task A, B, C tanımlanmıştır. Her bir taskın çalışma sürelerine göre işlemler grafikteki gibi verilir. Burada zamanları tek tek inceleyeceğiz.
  • @10. ms Task C çalışır ve 11. ms'de biter.
  • @15. ms Task B çalışır ve 17. ms'de biter.
  • @20. ms Task A çalışır ve 23. ms'de biter. Bu esnada Task A'nın da çalışma periyodu gelir ancak Task A bitmediği için sırasını bekler. Task A biter bitmez 23. ms'de Task C başlar. 24. ms'de biter. Bu kaymadan dolayı Task C'nin bir sonraki başlama zamanı kayar ve Task C 33. ms'de çalışır.
  • @30. ms Task B çalışır ve 32. ms'de biter.
  • @33. ms Task C çalışır ve 34. ms'de biter.
  • @40. ms Task A çalışır ve 43. ms'de biter.
  • @43. ms Task C çalışır ve 44. ms'de biter.
  • @45. ms Task B çalışır ve 47. ms'de biter.
Bu yapıda en önemli konu 20. ms'de yaşanan kaymaların olabileceğidir. Bu yüzden doğru bir düzen içerisinde tasarlanmalıdır. Çok daha uzun sürecek tasklar da olabilir. Bu durumda diğer taskların kritik görevlerinin olmaması önemlidir.

Bu yapıyı kurarken genelde tüm tasklar tek bir zaman sayacı üzerine kurulur ve ilgili zaman sayacını referans alark her bir task çalışma başlangıcını belirler.

Gömülü sistemlerde çalışırken, RTOS kullanmadan geliştirilecek uygulamlarda oldukça faydalı bir yöntemdir. RTOS'lara göre eksik kaldığı bir nokta normalde delay koyarak geliştirilebilecek basit akış diyagramlarını oluşturmak için switch case yapılarının gerekmesi olabilir ancak alışkanlık sağladığınızda fazlasıyla kolaylık sağlayacaktır.

Bu yazı kapsamında interruptsız bir program üzerine konuyu anlattım. Ek ve özet bilgi olarak bu yapılar çalışırken çalıştıracağınız interruptlar ile de tam gerçek zamanlı tasklar çalıştırabilirsiniz. Kurgulanacak bu yapıda yukarıda verilen tasklar interruptlar tarafından bölünür ve sizin hem interrupt yapınız hem de ana döngü yapınız sağlıklı bir şekilde çalışabilir.

Ana döngü içerisinde yavaş toplanacak veriler, haberleşme değerlendirme algoritmaları, dosya okuma/yazma yapıları vs. geliştirilebilir. Interruptlar içerisinde ise hızlı tepki verilmesi gereken giriş/çıkış yapıları, kontrol algoritmaları, periyoda bağımlı algoritmalar vs. çalıştırılabilir.

Umarım faydalı olur.

Referanslar

[1]. https://en.wikipedia.org/wiki/Cooperative_multitasking

30 Temmuz 2020 Perşembe

RS-232, RS-485, RS-422 Nedir? Temel Kavramlar, Açıklamalar ve Karşılaştırmalar

Bir haberleşme yapısı farklı seviyede katmanlardan oluşur. Bu yazıda bahsedeceğim RS-232, RS-485 ve RS-422 katmanları fiziksel katman seviyesinde çalışırlar. Fiziksel katman haberleşme yapılarının en alt noktasıdır.

Aşağıdaki görsellerde haberleşme yapılarının yüksek seviyeden düşük seviyeye giden genel yapısı verilmiştir. İlk görsel genel bir gösterimdir. İkinci görselde ise RS-232 ve RS-485 özelinde fiziksel katmandan uygulama katmanına giden yapı gösterilmiştir. Transfer edilecek veriye her bir katmanda çeşitli eklemeler yapılır. Bunun yapılıp yapılmayacağı ve boyutu yapıya göre değişkenlik gösterir.




Giriş


İlgili standartlar mikrodenetleyici tarafındaki seri haberleşme (Genellikle UART olarka anılır.) yapısını dış dünyaya açabilmek için kullanılır. Pratikte verinin cihaz veya sistem dışına, daha uzun mesafelere gönderilmesi için kullanılır. Bununla birlikte UART birimi alıcı-verici çifti ile iki yapı arası haberleşmeye imkan sağlar. RS-485, RS-422 gibi yapılarda çoklu haberleşme topolojileri kurulabilir.

RS-232 genellikle iki cihaz arası kısa haberleşmelerde tercih edilir.

RS-485 ve RS-422 üzerine bir çok endüstriyel haberleşme standardı inşa edilmiştir. Özellikle RS-485 yüksek hız ve sadece 2 kablo gereksinimi dolayısı ile bir çok sektör ve alanda tercih edilir. MODBUS, Profibus, BACnet gibi otomasyon standardları fiziksel katmanda RS-485'i kullanır.

RS-232


  • Single-ended. Veri GND referansına göre gönderilir.
  • RX, TX ve GND bağlantıları ile haberleşir. Hat üzerinde 2 cihaz olabilir.
  • Azami uzunluk: 15 Metre 19.2 kbps
  • Azami hız: 1 MBPS 15 Metre

RS-485


  • Differential. Veri AB arasındaki voltaj farkına göre iletilir. GND gereksinimi duymaz.
  • AB hattı üzerinden 32 alıcı/verici cihazı destekler. Bu değer kullanılan transreceiver ve sonlandırma direncine göre farklılıklar gösterebilir.
  • Azami uzunluk:1.2 KM 100 kbps
  • Azami hız: 10 MBPS 15 Metre


RS-422


  • Differential. Veri AB arasındaki voltaj farkına göre iletilir. GND gereksinimi duymaz.
  • RX+,RX-,TX+,TX- hatları üzerinden 1 gönderici 10 adet alıcıya kadar destekler.
  • Azami uzunluk:1.2 KM 100 kbps
  • Azami hız: 10 MBPS 15 Metre


Teknik Karşılaştırma Tablosu






Görsel Kaynakları:
  • https://www.omega.com/en-us/resources/rs422-rs485-rs232
  • https://iebmedia.com/ethernet.php?id=4582&parentid=74&themeid=255&hft=23&showdetail=true&bb=1
  • https://hvac-talk.com/vbb/attachment.php?attachmentid=643921&d=1447971918
  • http://www.rs485.com/rs485spec.html
  • ti.com

UART Nedir?

Giriş


Universal Asynchronous Receiver Transmitter (Evrensel Asenkron Alıcı/Verici) kelimelerinin baş harflerinden oluşur. Adından anlaşılabileceği gibi iki ayrı birim arasında asenkron olarak gerçekleştirilen haberleşme protokolüdür. Temel prensip olarak iki tarafın haberleşme hızını bildikleri, başlangıcı, sonu belli haberleşme yapısıdır. Arada senkronlayıcı bir sinyal olmadığı için asenkron olarak isimlendirilir. Mikrodenetleyiciler veya mikroişlemciler üzerinde gerçekleştirilen uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Arduino gibi low-level veya Raspberry Pi gibi high-level geliştirme kartlarında muhakkak karşınıza çıkar. Anlaması, uygulaması ve geliştirilmesi basit bir yapı olduğu için bir çok uygulamanın ve sistemin temelini oluşturur. Devre içi haberleşmede kullanıldığı gibi uzak mesafelere kablolu iletimde de temeli oluşturur. RS232, RS485, RS422 gibi fiziksel katmanlara da imkan verdiği için otomasyon, kontrol, ve robotik gibi bir çok alanda kullanımı vardır. Bu katmanlar ile veri kilometrelerce uzağa iletilebilir ve bir hat üzerine ikiden fazla cihaz bağlanabilir.


Temeller


Temel yapı olarak iki birim arasında Rx ve Tx çiftineden oluşur. Karşılıklı veri alış-verişi yapabilmek için RxTx çifti TxRx çifti ile eşleşerek çalışır. Full-duplex bir UART yapısında Rx, Tx bağımsız birer modül gibi çalışır.

Aşağıdaki gibi ara bir fiziksel bağlantı olmadan direkt UART haberleşmesi kullanılacaksa ground lar birleştirilmelidir. Veri Tx hattından Rx’e gider. Pinler fiziksel olarak Tx çıkış, Rx giriş modundadır.


UART’ın genel veri/frame yapısı aşağıdaki gibidir. Tx pini normal durumda HIGH konumunda bekler. LOW’a düştüğü anda frame transferi başlar. Bu noktadan sonra UART yapısı 8 biti kendi register ı üzerine kayıt eder. Eğer stop bitini de doğru şekilde alırsa bir byte alındığına dair bir flag set eder veya ilgili interrupta girer. Tx tarafında ise Tx modülü busy flag’i düşer veya ready flag’i kalkar veya complete interruptına girebilir.


Kavramlar

  • Data Frame: Aktarılan asıl veridir. 5–9 arası değişebilir/ayarlanabilir. Bazı işlemcilerde sabitte olabilir.
  • Baud rate/Bit rate: Bir bitin gönderilme frekansı. (1/baud rate) Bir bitin iletilme süresi. 1-bit start 1-bit stop bitten oluşan bir paketin gönderilme süresi (10/baud rate) kadar sürer.
  • Start Bit: Başlangıç bitidir. Standard bir yapıda (1/baud rate) kadar sürer ve LOW seviyedir.
  • Stop Bit: Sonlandırma bitidir. Standard bir yapıda (1/baud rate) kadar sürer ve HIGH seviyedir. Bir hatadan dolayı LOW olarak okunursa ilgili paket hatalı olarak sınıflandırılır.
  • Parity Bit: Doğrulama bitidir. Genelde opsiyonel olarak kullanılır. Bir paket içerisindeki bitlere göre hesaplanır. Even veya Odd seçilir. Bu koşula göre hesaplanan bit pakete uygunsa paket sağlamdır. Değilse paket içerisinde hatalı bir bit vardır.

Lojik Seviye


Bu kısımda yer alan bilgiler lojik tasarım ile ilgilenen kişilerin ilgisini çekebilir. FPGA, CPLD gibi yapılarda UART modülü aşağıdaki mantıklar çerçevesinde tasarlanır. Modüllerin giriş çıkışları kullanılacak yapılara göre farklı şekillerde genişletilebilir. Örnek olarak hiç bir veriyi kaçırmamak için UART RX modülünün arkasına bir FIFO yapısı bağlanır ve ana kontrol modülü verileri FIFO üzerinden çeker. Bu durumda RX modülü ile FIFO’nun senkron çalışması için -varsa- gereken kontrol pinleri eklenir.

Bu kısımda genellikle modüllerin RTL gösterimi yer alacaktır. RTL lojik tasarımlarda register-transfer level gösterimidir.

RX Bloğu


Alıcı yapı, belirlenen UART hızının birkaç katı hızla çalışır. Örnek olarak STM32 işlemcilerde 8 veya 16 örneklem alır. Bunun sebebi alınan frame i doğrulamaktır. Bir bit gelecek zamanda farklı değerler okunursa o frame hatalı kabul edilir.

rx hattından yeni bir veri gelip iletim tamamlandığında Data_ready çıkışı HIGH olur ve ana kontrol yapısı Data_output üzerinden register a yazılan veri okunur.

TX Bloğu


Gönderici yapı alıcı yapıya göre daha basittir. Kendi içerisindeki paralel veriyi txTrigger sinyali ile UART baud rate hızında seri hattan gönderir. Genellikle ek bir doğrulama veya kontrol gerekmez.

Data_input hattındaki veri start pininin tetiklemesiyle iletime başlar ve frame yapısına uygun olarak(start bit, stop bit, parity) veri tx pini üzerinden aktarılır. Parity hesabının nasıl yapıldığı aşağıdaki şekilde de gösterilmiştir.



Görsel Kaynakları:
  • https://www.slideshare.net/n380/uart-vhdl-rtl-design-tutorial
  • https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/back-to-basics-the-universal-asynchronous-receiver-transmitter-uart/


Unit Step Response Grafiği Hakkında (Birim Adım Cevabı)

Bir sistemin unit step cevabı, ilgili sistemin girişine unit step fonksiyonu uygulandığında, sistem çıkışının davranışını ifade eder. Unit s...