RS485 teploměr

01.09.2014

Intro

Uvažuji o stavbě domu a pokud by k tomu někdy došlo, chtěl bych si do něj nabastlit nějakou tu automatizaci. Chci se vyhnout kupování hotových věcí a jelikož je bastlení, i přes současný nedostatek času, stále mým největším koníčkem, je domek to správné "pískoviště" :-)

V první fázi by mělo jít o měření teplot v místnostech a ovládání okruhů podlahového topení dle požadovaných teplot. Když jsem se koukal okolo, jak to řeší jiní, tak mnoho lidí vezme nějaký PC (dnes nejčastěji Raspberry PI), připojí k němu 1-wire sběrnici a tu si roztahá po domě. Ono to funguje a pokud se respektují app-note od Maximu (délky vedení, odbočky, buzení, aktivní pullup apod.), tak poměrně spolehlivě. Jenže otázkou je, co dělat v případě, že bych nechtěl jen měřit teplotu? Že bych chtěl například indikovat stav topení, umožnit změnu požadované teploty z každého pokoje a třeba za 5-10 let udělat ještě něco úplně jiného? Z těchto důvodů jsem samotnou 1-wire zavrhnul a zvolil raději klasiku v podobě RS485. Oproti 1-wire je potřeba jeden drát navíc, ale univerzálnost budoucího použití předčila i větší složitost jednotlivých koncových prvků - na prosté měření teploty nestačí jen čidlo, ale MCU s RS485 řadičem.

Jak to funguje?

Pricip je jednoduchý - existuje sběrnice RS485 (dva dráty A a B) a napájení (+12V a zem). K této sběrnici jsou připojeny prvky jako je např. tento teploměr (SLAVE) a prvek, který realizuje řídící člen (MASTER) - tím může být bežné PC, Raspberry a nebo v mém případě Atmel ATMega328. Master prvek poté komunikuje se slave prevky, úkoluje je a dotazuje se. Slave prvek nikdy sám nevysílá, vždy pouze na vyžádání mastera. Tím je zajištěno, že na sběrnici nemůže dojít ke kolizi - bohužel však za cenu, že slave prvek nemůže masterovi ohlásit nějakou událost ihned, ale master se musí zeptat. Ostatně toto je věc protokolu, samotná RS485 zajišťuje pouze fyzický přenos dat a to ještě bez specifikace low-level rámců.

Komunikace probíhá pomocí UART rámců rychlostí 1200bps s jedním stopbitem. Je to sice dosti malá rychlost, ale má jisté výhody:

Nemusí se řešit impedanční zakončení sběrnice, typ kabelu nebo stínění.
Je možné použít MCU ATtiny85, který nemá HW UART a zároveň ho kvůli spotřebě taktovat na 1MHz.

O RS485 je toho na webech popsáno moc, ale pro úplnost je nutné připomenout, že pro správný provoz je důležité, aby byl na sběrnici definován klidový stav - tedy aby byl B(+) proti A(-) napěťově kladnější. Jelikož je v označování A a B je trochu zmatek, platí proto, že vývod 6 MAX485 musí být připojen na vývody 6 ostatních a analogicky u vývodu 7. Vývod 6 je pak kladnější než 7. Pokud se vývody prohodí, nic se nestane, pouze nebude fungovat komunikace. Bez definování klidového stavu by pak do přijímače chodil chaos, což by mohlo v určitém případě zapříčinit doručení chybných dat.

Konstrukce

Základem je IC1 MCU ATtiny85. Výhoda tohoto kousku je v tom, že obsahuje 8kB FLASH paměti (dostatek prostoru pro firmware), dá se snadno koupit jako kusovka v GME (levněji pak z Číny) a vyrábí se v pouzdře DIP8. Nevýhoda pak, že neobsahuje HW UART, čili příjem a vysílání rámců je nutné řešit softwarově - to zabre místo ve flash a ostatní HW zdroje. Je taktován na 1MHz interním RC oscilátorem.

K MCU je připojen převodník TTL UART na RS485 MAX485, IC2. Je možné použít i levnější alternativu v podobě SN75176, ale vzhledem k tomu, že se dá MAX485 objednat z číny za témeř stejnou cenu, tak asi není co řešit. Rozdíl mezi MAX485 a SN75176 je ten, ze MAX má výrazně nižší klidovou spotřebu. Sběrnice je k MAX485 připojena přes ochranné odpory R1 a R2, které tam samozřejmě být nemusí, ale už se mi párkrát podařilo místo komunikace docílit ohňostroje :-) Ochraný odpor R3 mezi výstupem MAX485 a vstupem MCU je zde umístěn proto, že datový výstup MAX485 je napěťově docela tvrdý a znemožňoval by tak naprogramování zapájeného MCU.

1-wire sběrnice je k MCU připojena opět přes ochranný odpor R6 a ochrannou diodu D2. Obě součástky také nejsou nutné, ale jedná se o korunovou položku, která může zachránit buď MCU nebo čidla. Firmware umožňuje vyčítat teplotu až z 5-ti čidel DS1820 nebo DS18B20. Poslední volná noha MCU je využita pro indikační LED přes odpor R5. Jeho hodnotu lze volit dle použé LED a požadovaného jasu. Místo LED lze připojit cokoliv jiného (např. tranzistor a relé), proto je napájena z vývodu MCU - tak aby zapnutá LED reprezentovala log.1 na výstupu z MCU.

Schémata a desky

Spotřeba

V předchozím textu jsem se zmínil, že MCU je taktováno na 1MHz a že jsem raději použil MAX485 místo SN75176. V obou případech byla důvodem nižší spotřeba. Jde hlavně o to, že v napájecí části je použit lineární stabilizátor 78L05. Jeho problémem je napěťový úbytek a z toho plynoucí teplo :-)Kombinace ATtiny85 na základním taktu 8MHz a SN75176 totiž žere v klidu 25mA a při tomto proudu už 78L05 nezůstává chladný - není horký, ale vlažný. Jinde by to asi nevadilo, ale jelikož v této konstrukci jde hlavně o měření teploty, představa "vytápěné" elektroinstalační krabice s čidlem na jejím povrchu je těžce snesitelná :-) Pro představu naměřené proudy:

ATTiny85@8MHz (6.5mA) + SN75176 (16mA) + 78L05 (2.5mA) = 25mA
ATTiny85@1MHz (1.7mA) + MAX485 (1mA) + 78L05 (2.5mA) = 5.2mA

Ještě by šel nahradit 78L05 nějakým jiným stabilizátorem (např. LE50), ale tam už to zbytečně cenově povyskočilo a výsledek by nebyl tak výrazný.

Firmware

Program pro Atmela je ke stažení dole. Jedná se o balík, který obsahuje:

Zdrojáky
HEX do flash a EEP do eeprom
Makefile pro poslední verzi WinAVR
Programovací SW avrdude a dávky na naprogamování pomocí programátoru USBasp

USBasp je potřeba přepnout do lowspeed režimu, neboť po zápisu fuses na snížení taktu z 8 na 1MHz přestane MCU rychlý režim programátoru stíhat. Nejsnáze je použitelná dávka avrdude_renew.cmd, která vše smaže, zapíše fuses, flash, eeprom a provede verifikaci.

Software UART

Jelikož použitý MCU Atmel ATtiny85 nemá hardwarový UART, bylo zapotřebí přelouskat application note "AVR274: Single-wire Software UART" a zjednodušenou variantu implementovat. Obrázek je nad tisíc slov....

Předpoklady:

Klidový stav UARTu je log.1
RXD je připojen na PB2, kde je možno nastavit reakci přerušením INT0 na sestupnou hranu
Časovač je nastaven do CTC módu, kde beží od 0 a po dosažení hodnoty zapsané v OCR0A dojde k vyvolání přerušení TIMER0_COMPA. Hodnotou OCR0A pak lze regulovat periodu přerušení.
Doufat, že výrobce nastavil dobře kalibraci oscilátoru a vleze se do +-5%. Větší odchylka už vede k tomu, že předpokládaný bitrate už o hodně ujede. Zatím jsem však neměl problém a nemusel jsem laborovat s OSCCAL. Pokud by k problému došlo, je mezi funkcemi diagnostika umožnující změřit skutečnou periodu bitu a následně pak ve zdrojáku doladit hodnotu OCR0A.

Funkce:

Je detekována sestupná hrana a vyvoláno přerušení INT0:

Zakázáno přerušení INT0
Spuštění časovače s periodou 1.5 násobek délky jednoho bitu

Je vyvoláno přerušení TIMER0_COMPA (bity D0-D7):

Nastavena perioda časovače na délku jednoho bitu
Přečtena a uložena hodnota bitu na RXD
Opakováno 8x pro bity D0 až D7

Je vyvoláno přerušení TIMER0_COMPA (stopbit):

Zařazení přijatého byte (D0-D7) do bufferu
Povoleno přerušení na INT0, tzn. následující bit může být startbitem

Je vyvoláno přerušení TIMER0_COMPA (následující po stopbitu):

Opakáno 4x. V tomto stavu může dojít nový startbit, ale nelze vysílat. Jedná se o preferenci příjmu dalších rámců.

Zastavení časovače a čekání na sestupnou hranu na RXD pinu.

Vysílání je ještě jednodušší:

Připraví se rámec, tedy starbit+data+stopbit
Spuštění časovače s periodou délky jednoho bitu
Je vyvoláno přerušení TIMER0_COMPA (bity D0-D7):

TXD se nastaví na příslušnou úroveň.
Opakováno 10x pro celý rámec.

Zastavení časovače a umožnení příjmu čekáním na sestupnou hranu na RXD pinu.

1-wire

Maxim na svém webu umístil dokument "APPLICATION NOTE 187, 1-Wire Search Algorithm", kde prakticky popisuje jak realizovat algoritmus na vyhledání ROM kódu zařízení připojených na 1-wire sběrnici. Kód je ale příliš komplexní, takže ho trochu pokrátil a implementoval do dvou funkcí:

ow_search_reset() - resetuje výsledky prohledávání
ow_search_find() - nalezne prvek, jeho ROM uloží do globální proměnné ow_device_rom a vrátí TRUE. Další zavolání funkce nalezne další prvek na sběrnici a tak dokola, dokud funkce nevrátí FALSE jako příznak, že na sběrnici už nic dalšího není.

Tyto funkce jsou použity pro možnost nastavení ROM připojených čidel, tak, aby jeden tento teploměr mohl měřit více teplot.

Ovládání

Teploměr komunikuje rychlostí 1200bps, 1 stopbit, žádná parita.

Formát paketu (vše ASCII znaky): * d s [fc] #

* = úvodní znak paketu
d = adresa příjemce (interval A-Z)
s = adresa odesílatele (interval A-Z)
[fc] = žádný, jeden nebo více znaků jako argumenty (interval 0-9A-F, u TX i | a -)
# = znak konce paketu, za ním mohou následovat znaky konce řádku - jsou ignorovány.

Příklad:

Prvek M chce prvku X poslat data S a R. Učiní to tímto paketem:

*XMSR#

Prvek X paket přijal a odešle odpověď bez argumentů takto:
- *MX#

Vrácení teplot čidel a nastavení LED

Jedná se o základní fukci, která vrací teploty z čidel. Teploty jsou průměrovány za poslední 4 měření, resp. za 4 poslední volání této funkce. Součástí funkce o vrácení teploty je i možnost nastavení stavu LED a to proto, aby se nemusely posílat dva příkazy - jeden na zaslání teploty a druhý na nastavení stavu LED.

Příkaz:

*ds# Vrátí průměrovanou teplotu teploměrů.
*dsZ# Vrátí průměrovanou teplotu teploměrů a zapne LED.
*dsV# Vrátí průměrovanou teplotu teploměrů a vypne LED.
*dsR# Vrátí průměrovanou teplotu teploměrů a zapne rychlé blikání LED.
*dsP# Vrátí průměrovanou teplotu teploměrů a zapne pomalé blikání LED.
*ds?# Vrátí průměrovanou teplotu teploměrů. ? je libovolný znak mimo ZVRP.

Příklad:

*XM# *XMZ# *XMR# apod.

Odpověď:

*dsl[ttt]#

l = stav LED Z,V,R,P
[ttt] = data pro nastavený teploměr (tzn. trojice vždy pro každý nastavený teploměr)

ttt = tři půlbyte integeru teploty, př. 3E3 = 0x03E3 = 995 = -0.5°C
teplota se interně ukládá do unsigned integeru dle vzorce 1000+T*10
výsledek se průměruje za poslední 4 měření

Příklad odpovědi:

*MXV4F13EA# vrací dvě teploty 4F1 (1265=26.5°C) a 3EA (1002=0.2°C) a info, že LED je vypnutá.

Změna adresy

Každý prvek na RS485 sběrnici má adresu z intervalu A-Z. Po naprogramování MCU je výchozí adresa nastavena na X. Je tedy nutné ji změnit a k tomu slouží následující funkce.

Příkaz:

*dsSAx#

x = nová adresa

Příklad:

*XMSAP# - změna adresy prvku X na P.

Odpověď:

*ds# odsílatelem s je už nová adresa

Příklad odpovědi:

*MP#

Přidání ROM čidla

Teploměr umožňuje vyčítat teploty z 5-ti čidel na 1-wire sběrnici. Aby veděl, jaké má které čidlo ROM a jakého je typu, je nutné toto pomocí této funkce nastavit. Funkce na vracení teplot vrací pouze nastavená čidla, ostatní ignoruje.

Příkaz:

*dsSCctssssssssssssssss#

c = číslo teploměru 0-4
t = typ teploměru 0=žádný teploměr, 1=DS18B20, 2=DS1820
s..s = seriove cislo ROM zarizeni, pr. 10488B8A0208006F

Příklad:

*XMSC3110488B8A0208006F# - nastaví na pozici 3 čidlo DS18B20 s ROM 10488B8A0208006F

Odpověď:

*ds|c-t-ssssssssssssssss|#

Příklad odpovědi:

*MX|3-1-10488B8A0208006F|#

Odstranění nastavení čidla

Pokud se nějaké čidlo fyzicky odstraní, lze to touto funkcí deaktivovat. Chybná teplota z neexistujícího čidla pak není vracena funkcí na vrácení teplot.

Příkaz:

*dsSDc#

c = číslo teploměru 0-4

Příklad:

*XMSD3# - odstraní nastavení čidla z pozice 3

Odpověď:

*ds|c-0|#

Příklad odpovědi:

*MX|3-0|#

Prohledání 1-wire sběrnice

Funkce se pokusí prohledat všechny čidla na 1-wire sběrnici. Vráti jejich ROM, které lze použít ve funkci pro nastavení čidla. Výstup není omezen a funkce tak vrátí tolik ROM, kolik čidel na 1-wire najde.

Příkaz:

*dsSS#

Příklad:

*XMSS#

Odpověď:

*ds|ssssssssssssssss|ssssssssssssssss|# - počet dle nalezených prvků

s..s = seriove cislo ROM zarizeni, pr. 10488B8A0208006F

Příklad odpovědi:

*MX|10488B8A0208006F|10488B65021824AA|#

Výpis nastavení teploměrů

Funkce vypíše nastavení všech 5-to pozic a to typ čidel a ROM kódy. Pokud je ve výpisu na místě typu čidla 0, znamená to, že čidlo není aktivní a funkce na vracení teplot ho nevrací.

Příkaz:

*dsSR#

Příklad:

*XMSR#

Odpověď:

*ds|0-t-ssssssssssssssss|...|4-t-ssssssssssssssss|# - zkráceno, výpis pro 0-4

t = typ teploměru 0=žádný teploměr (tj. nenastaven nebo smazán), 1=DS18B20, 2=DS1820
s..s = seriove cislo ROM zarizeni, pr. 10488B8A0208006F

Příklad odpovědi:

*MX|0-1-10488B8A0208006F|...|4-0-FFFFFFFFFFFFFFFF|#

Broadcast test dostupnosti

Jedná se o diagnostickou funkci, kterou poslechou všechny prvky na RS485 sběrnici. Po přijetí příkazu odešlou svoji identifikaci do cca 30-ti sekund dle adresy. Krokuje se od A do Z po sekundě, čili prvek s adresou A odpoví hned, prvek s adresou Z až za 26 (počet písmen v abecedě) sekund.

Příkaz:

*?s#

Příklad:

*?M#

Odpověď:

*ds# - odpověď příjde do 30 sekund dle adresy.

Příklad odpovědi:

*MX#

Příklad pro 10 teploměrů a následné rozsvícení LED u "I":

Test časování

Jedná se o diagnostickou funkci, která slouží k ověření přesnosti interního kalibrovaného RC oscilátoru. Po obdržení odpovědi se na cca. 8 sekund objeví na TXD obdélníkový signál, jehož půlperioda má délku bitu při 1200bps (tj. cca 833.34us) nebo 1.5 násobek delky bitu při 1200bps (tj. cca 1.25ms).

Příkaz:

*dsSTx#

x = interval časování 0=833.34us (delka bitu při 1200bps), 1=1.25ms (1.5*delka bitu)

Příklad:

*XMST0#

Odpověď:

*dsTx# - následuje obdélníkový signál

Příklad odpovědi:

*MXT0#

Korekce RC oscilátoru

Funkce pro korekci interního RC oscilátoru. Přičte nebo odečte jedničku z registru OSCCAL a diferenci uloží do EEPROM. Po provedení se spustí test časování bitrate - viz. výše.