Конвертер Manchester-II в RS232

Этот девайс устанавливается между Модулем Магнитного Каротажа (ММК) и компьютером. Он предназначен для преобразования потока данных, передаваемых от ММК по протоколу Manchester-II, в поток данных, передаваемых в комп по интерфейсу RS232. Вот такие непростые дела, хотя на самом деле всё намного проще.

Девайс не предназначен для продажи. Это внутри-фирменное технологическое оборудование для внутреннего употребления. Нужен он только лишь для настройки модуля ММК.

DSC00889

DSC00888

В состав этого девайса входят:

1. Декодер Manchester-II в UART, который выполнен на трех микросхемах жесткой логики (74LVC1G86, 4538, 74LVC2G74) и одном операционном усилителе (AD8541).

2 Процессорная часть — на базе ATTINY2313,

3. Преобразователь UART в RS232 на транзисторе 2N7002,

4. Источник питания на базе 34063 (+36В -> +5В)

Примечательно, что в качестве мозгов был выбран один из самых простых (и дешевых) микроконтроллеров, у которого имеется только один модуль UART. К этому UART-у с одной стороны подключается декодер (M-II -> UART), который работает со скоростью 10 кБод 8N1, а с другой — RS232, работающий на скорости 1200 Бод 8N2.

Благодаря тому, что суммарное время приема и передачи пакетов оказалось меньше длительности периода их приема (ну и передачи тоже!), то между приемом и передачей есть достаточно времени. И это хорошо!

Потому что мы можем использовать один и тот же UART и для приема, и для передачи, и у нас еще останется время для его переконфигурирования для разных частот и форматов. Если бы такой возможности не было, тогда пришлось бы использовать микроконтроллер с двумя UART-ами.

В двух словах девайс работает следующим образом. Он ожидает поступление информационного пакета от декодера, быстро проверяет контрольную сумму пакета и, если всё нормально, переключает UART на передачу, изменяя при этом скорость и формат. После передачи пакета в комп, микроконтроллер снова переключает UART на прием и ждет появление следующего пакета.

Всё до безобразия просто. По уровню сложности — чисто студенческая курсовая работа.

Объем программы:

text       data        bss        dec        hex    filename
794          0         32        826        33a    mmc-dos.elf

Исходный текст, кому интересно:

// main.c

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>
#include "crc16-ccitt.h"

//  Констатнты и определения
#define PRELEN          (8)  /* Длина преамбулы */
#define CHANNELS       (10)  /* Количество каналов Магнитного Каротажа */
#define SYNC         (0xE6)  /* Синхробайт начала пакета */
#define ID            ('M')  /* Идентификатор пакета */
#define PACKLEN        (26)

// Назначение линий PortB

// Назначение линий PortD
#define RXD              (0)
#define TXD              (1)
#define LED_TX           (2)
#define LED_LO           (3)
#define LED_RX           (4)
#define LED_HI           (5)

// Макросы управления линиями порта PortD
#define LED_RX_OFF        (PORTD &= ~_BV(LED_RX))
#define LED_RX_ON         (PORTD |=  _BV(LED_RX))
#define LED_TX_OFF        (PORTD &= ~_BV(LED_TX))
#define LED_TX_ON         (PORTD |=  _BV(LED_TX))
#define LED_LO_OFF        (PORTD &= ~_BV(LED_LO))
#define LED_LO_ON         (PORTD |=  _BV(LED_LO))
#define LED_HI_OFF        (PORTD &= ~_BV(LED_HI))
#define LED_HI_ON         (PORTD |=  _BV(LED_HI))

/*
typedef enum eMode {RX0_mode, RX1_mode, RX2_mode, RX3_mode, RX4_mode, CRC_mode,
                    TX0_mode, TX1_mode, TX2_mode} mode_t;
 -- enum не подходит, так как он двубайтовый.
*/
#define  RX0_mode  (0)
#define  RX1_mode  (1)
#define  RX2_mode  (2)
#define  RX3_mode  (3)
#define  RX4_mode  (4)
#define  CRC_mode  (5)
#define  TX0_mode  (6)
#define  TX1_mode  (7)
typedef uint8_t mode_t;

static volatile mode_t mode;

/*
// Определим структуру фрейма
typedef struct tag_mcframe {
  uint8_t  pre[PRELEN];   // Преамбула
  uint8_t  sync;          // Синхробайт
  uint8_t  id;            // Идентификатор пакета
  uint16_t length;        // Длина фрейма
  uint16_t sn;            // Порядковый номер фрейма
  uint16_t uline;         // Напряжение питания на входе блока

  uint16_t channel[CHANNELS];  // Информация о каналах

  uint8_t  crc[2];      // Контрольная сумма фрейма
} mcframe_t;
*/

uint8_t buf[PACKLEN];
uint8_t iIn;   // Индекс байта, полученного от каротажного прибора и записываемого в буфер
uint8_t iOut;  // Индекс байта, извлекаемого из буфера для передачи в комп

static volatile uint8_t timeout_rx;

//===============================================================================
// Прерывания от таймера TIMER_0
// Частота прерываний 2.0 кГц (0.5 мс)
ISR(TIMER0_COMPA_vect)
{
  if (timeout_rx != 0)
    if (--timeout_rx == 0)
      LED_RX_OFF;
}

//==============================================================================
// Обработчик прерывания от передатчика UART -- буфер передатчика пуст
ISR(USART_UDRE_vect)
{
  // Передаем очередной байт пакета
  UDR = buf[iOut];
  if (++iOut >= (PACKLEN - 2))  // CRC16 пакета в комп не отправляем
  {
    // Передача пакета закончена
    UCSRB &= ~_BV(UDRIE);
    UCSRB |=  _BV(TXCIE);
  }
}

//==============================================================================
// Обработчик прерывания от передатчика UART -- конец передачи
ISR(USART_TX_vect)
{
  UCSRB &= ~(_BV(TXCIE) | _BV(TXEN));  // Выключаем передатчик

  mode = TX1_mode;
  LED_TX_OFF;
}

//==============================================================================
// Обработчик прерывания от приемника UART -- байт принят
ISR(USART_RX_vect)
{
  uint8_t data;
  uint8_t state;
  static uint16_t packlength;

  state = UCSRA;
  data   = UDR;

  LED_RX_ON;
  LED_LO_OFF;
  LED_HI_OFF;

  if ((state & (_BV(FE) | _BV(DOR) | _BV(UPE))) == 0) // (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN)) == 0)
  {  // Ошибок при приеме байта нет. Работаем
    timeout_rx = 100;

    switch (mode)
    {
      case RX0_mode:  // Ожидаем примхода синхробайта
        if (data == SYNC)  // Сихробайт пришел?
          mode = RX1_mode;
        break;

      case RX1_mode:  // Ожидаем прихода ID-байта
        if (data == ID)  // Сихробайт пришел?
          mode = RX2_mode;  // Да. Переходим к следующей фазе приема
        else
        {
          mode = RX0_mode;  // Нет, это какой-то другой байт. Начинаем все с начала.
          LED_RX_OFF;
        }
        break;

      case RX2_mode:  // Ожидаем поступление младшего байта длины пакета
        packlength = data;
        mode = RX3_mode;
        break;

      case RX3_mode:
        packlength |= (data << 8);

        if (packlength == PACKLEN)  // Длина соответствует ожидаемой?
        {
          iIn = 0;
          mode = RX4_mode;
        }
        else
        {
          mode = RX0_mode;
          LED_RX_OFF;
        }
        break;

      case RX4_mode:  // Прием пакета
        buf[iIn] = data;
        if (++iIn == PACKLEN)  // Пакет приянть полностью?
        {
          UCSRC = 0;  // Остановим UART
          LED_RX_OFF;
          mode = CRC_mode;
        }
        break;

      default:
        break;
    }
  }
  else
  {  // При приеме байта были обнаружены ошибки. Начинаем всё с начала
    LED_RX_OFF;
    mode = RX0_mode;
  }
}

//===============================================================================
// Инициализация портов
void initPorts(void)
{
  DDRB  = 0;
  PORTB = 0;
  DDRD  = _BV(LED_RX) | _BV(LED_HI) | _BV(LED_LO) | _BV(LED_TX);
  PORTD = 0;
}

// Инициализация таймеров
void initTimers(void)
{
  // Инициализация таймера 0
  OCR0A  = 46;  // FCPU / (Prescaller * F_INT) - 1 = 12000000 / (256 * 1000) - 1 = 45.875
  TCCR0A = _BV(WGM01);   // CTC
  TCCR0B = _BV(CS02);    // Prescaler = /256
  TIMSK  = _BV(OCIE0A);  // Interrupt Enable
}

void init_hw(void)
{
  initPorts();
  initTimers();

  // Инициализация компаратора
  ACSR = _BV(ACD);  // Выключить компаратор (ADC = 0); отключить выход
                    // компаратора от схемы захвата таймера 1 (ACIC = 0)
}

//===============================================================================
// Тестирование светодиодов
void LEDS_Testing(void)
{
  PORTD |= (_BV(LED_RX) | _BV(LED_HI) | _BV(LED_LO) | _BV(LED_TX));
  _delay_ms(300);
  PORTD &= ~(_BV(LED_RX) | _BV(LED_HI) | _BV(LED_LO) | _BV(LED_TX));

  _delay_ms(200);

  LED_TX_ON;
  _delay_ms(200);

  LED_TX_OFF;
  LED_LO_ON;
  _delay_ms(200);

  LED_LO_OFF;
  LED_HI_ON;
  _delay_ms(200);

  LED_HI_OFF;
  LED_RX_ON;
  _delay_ms(200);

  LED_RX_OFF;

/*
  _delay_ms(200);

  PORTD |= (_BV(LED_RX) | _BV(LED_HI) | _BV(LED_LO) | _BV(LED_TX));
  _delay_ms(300);
  PORTD &= ~(_BV(LED_RX) | _BV(LED_HI) | _BV(LED_LO) | _BV(LED_TX));

  _delay_ms(200);

  PORTD |= (_BV(LED_RX) | _BV(LED_HI) | _BV(LED_LO) | _BV(LED_TX));
  _delay_ms(300);
  PORTD &= ~(_BV(LED_RX) | _BV(LED_HI) | _BV(LED_LO) | _BV(LED_TX));
*/
}

//===============================================================================
void start_RX(void)
{
  mode = RX0_mode;

  // 10000 8N1
  // UBRR = FCPU / (2 * baud) - 1 = 12000000 / (16 * 10000) - 1 = 74  = 0x4A
  UBRRL = 74;
  UBRRH = 0;

  UCSRC = _BV(UCSZ1) | _BV(UCSZ0);  // 8N2
  UCSRB = _BV(RXCIE) | _BV(RXEN);
}

//===============================================================================
// Запустить передачу в комп
void start_TX(void)
{
  mode = TX0_mode;
  LED_TX_ON;

  iOut = 4;  // SN и Uline не будем отправяль в комп

  // 1200 8N2
  // UBRR = FCPU / (2 * baud) - 1 = 12000000 / (16 *  1200) - 1 = 624 = 0x270
  UBRRL = 0x70;
  UBRRH = 0x02;

  UCSRC = _BV(USBS) | _BV(UCSZ1) | _BV(UCSZ0); // 8N2
  UCSRB = _BV(UDRIE) | _BV(TXEN);
}

//===============================================================================
// Индицировать напряжение на кабеле
void show_voltage(void)
{
  uint16_t uline;

  uline = *(uint16_t *) &(buf[2]);

  LED_LO_OFF;
  LED_HI_OFF;

  if (uline < ((30 - 1) * (700 / 30)))
    LED_LO_ON;
  else if (uline > ((30 + 1) * (700 / 30)))
    LED_HI_ON;
}

//===============================================================================
int main(void)
{
  init_hw();

  LEDS_Testing();

  // Понеслась!
  sei();
  start_RX();
  while (1)
  {
    switch (mode)
    {
      case CRC_mode:
        if (get_crc16_ccitt(buf, PACKLEN) == 0)
        {
          show_voltage();
          start_TX();
        }
        else
        {
          start_RX();
        }
        break;

      case TX1_mode:
        start_RX();
        break;

      default:
        break;
    }
  }

  return 0;
}

и

// crc16-ccitt.c

#include <stdint.h>

/*
  http://ru.wikipedia.org/wiki/Циклический_избыточный_код

  Name  : CRC-16 CCITT
  Poly  : 0x1021    x^16 + x^12 + x^5 + 1
  Init  : 0xFFFF
  Revert: false
  XorOut: 0x0000
  Check : 0x29B1 ("123456789")
  MaxLen: 4095 байт (32767 бит) - обнаружение
    одинарных, двойных, тройных и всех нечетных ошибок

  время вычисления 816 байт для ATMEGA328 на 8 MHz = 2.759 ms
  примерно 3.4 мкс на один байт или 27 тактов на один байт
*/

/*
uint16_t get_crc16_ccitt(uint8_t *plock, uint16_t len)
{
  const static uint16_t crc16_table[256] = {
    0x0000, 0x1021, 0x2042, 0x3063, 0x4084, 0x50A5, 0x60C6, 0x70E7,
    0x8108, 0x9129, 0xA14A, 0xB16B, 0xC18C, 0xD1AD, 0xE1CE, 0xF1EF,
    0x1231, 0x0210, 0x3273, 0x2252, 0x52B5, 0x4294, 0x72F7, 0x62D6,
    0x9339, 0x8318, 0xB37B, 0xA35A, 0xD3BD, 0xC39C, 0xF3FF, 0xE3DE,
    0x2462, 0x3443, 0x0420, 0x1401, 0x64E6, 0x74C7, 0x44A4, 0x5485,
    0xA56A, 0xB54B, 0x8528, 0x9509, 0xE5EE, 0xF5CF, 0xC5AC, 0xD58D,
    0x3653, 0x2672, 0x1611, 0x0630, 0x76D7, 0x66F6, 0x5695, 0x46B4,
    0xB75B, 0xA77A, 0x9719, 0x8738, 0xF7DF, 0xE7FE, 0xD79D, 0xC7BC,
    0x48C4, 0x58E5, 0x6886, 0x78A7, 0x0840, 0x1861, 0x2802, 0x3823,
    0xC9CC, 0xD9ED, 0xE98E, 0xF9AF, 0x8948, 0x9969, 0xA90A, 0xB92B,
    0x5AF5, 0x4AD4, 0x7AB7, 0x6A96, 0x1A71, 0x0A50, 0x3A33, 0x2A12,
    0xDBFD, 0xCBDC, 0xFBBF, 0xEB9E, 0x9B79, 0x8B58, 0xBB3B, 0xAB1A,
    0x6CA6, 0x7C87, 0x4CE4, 0x5CC5, 0x2C22, 0x3C03, 0x0C60, 0x1C41,
    0xEDAE, 0xFD8F, 0xCDEC, 0xDDCD, 0xAD2A, 0xBD0B, 0x8D68, 0x9D49,
    0x7E97, 0x6EB6, 0x5ED5, 0x4EF4, 0x3E13, 0x2E32, 0x1E51, 0x0E70,
    0xFF9F, 0xEFBE, 0xDFDD, 0xCFFC, 0xBF1B, 0xAF3A, 0x9F59, 0x8F78,
    0x9188, 0x81A9, 0xB1CA, 0xA1EB, 0xD10C, 0xC12D, 0xF14E, 0xE16F,
    0x1080, 0x00A1, 0x30C2, 0x20E3, 0x5004, 0x4025, 0x7046, 0x6067,
    0x83B9, 0x9398, 0xA3FB, 0xB3DA, 0xC33D, 0xD31C, 0xE37F, 0xF35E,
    0x02B1, 0x1290, 0x22F3, 0x32D2, 0x4235, 0x5214, 0x6277, 0x7256,
    0xB5EA, 0xA5CB, 0x95A8, 0x8589, 0xF56E, 0xE54F, 0xD52C, 0xC50D,
    0x34E2, 0x24C3, 0x14A0, 0x0481, 0x7466, 0x6447, 0x5424, 0x4405,
    0xA7DB, 0xB7FA, 0x8799, 0x97B8, 0xE75F, 0xF77E, 0xC71D, 0xD73C,
    0x26D3, 0x36F2, 0x0691, 0x16B0, 0x6657, 0x7676, 0x4615, 0x5634,
    0xD94C, 0xC96D, 0xF90E, 0xE92F, 0x99C8, 0x89E9, 0xB98A, 0xA9AB,
    0x5844, 0x4865, 0x7806, 0x6827, 0x18C0, 0x08E1, 0x3882, 0x28A3,
    0xCB7D, 0xDB5C, 0xEB3F, 0xFB1E, 0x8BF9, 0x9BD8, 0xABBB, 0xBB9A,
    0x4A75, 0x5A54, 0x6A37, 0x7A16, 0x0AF1, 0x1AD0, 0x2AB3, 0x3A92,
    0xFD2E, 0xED0F, 0xDD6C, 0xCD4D, 0xBDAA, 0xAD8B, 0x9DE8, 0x8DC9,
    0x7C26, 0x6C07, 0x5C64, 0x4C45, 0x3CA2, 0x2C83, 0x1CE0, 0x0CC1,
    0xEF1F, 0xFF3E, 0xCF5D, 0xDF7C, 0xAF9B, 0xBFBA, 0x8FD9, 0x9FF8,
    0x6E17, 0x7E36, 0x4E55, 0x5E74, 0x2E93, 0x3EB2, 0x0ED1, 0x1EF0
  };

  uint16_t crc = 0xFFFF;

  while (len--)
    crc = (crc << 8) ^ crc16_table[(crc >> 8) ^ *plock++];

  return crc;
}
*/

/*  Name  : CRC-16 CCITT
  Poly  : 0x1021    x^16 + x^12 + x^5 + 1
  Init  : 0xFFFF
  Revert: false
  XorOut: 0x0000
  Check : 0x29B1 ("123456789")
  MaxLen: 4095 байт (32767 бит) - обнаружение
    одинарных, двойных, тройных и всех нечетных ошибок

  время вычисления 816 байт для ATMEGA328 на 8 MHz = 12.9 ms
  примерно 18.8 мкс на один байт или 126 тактов на один байт
*/

uint16_t get_crc16_ccitt(uint8_t *pBlock, uint16_t len)
{
  uint16_t crc = 0xFFFF;
  uint8_t  i;

  while (len--)
  {
    crc ^= *pBlock++ << 8;

    for (i = 0; i < 8; i++)
      crc = crc & 0x8000 ? (crc << 1) ^ 0x1021 : crc << 1;
  }

  return crc;
}

Если заметите ошибки или появятся вопросы — Welcome!

UPDATE 01.07.2014

В процессе эксплуатации возник обычный вопрос —  защитить плату от механических повреждений при транспортировке и случайного замыкания. Поискав несколько минут у себя в бардаке коробочку или мыльницу и не найдя ничего подходящего, я решил соорудить защиту платы из двух кусочков подручного материала, который попался под руку. Ножовка и напильник в руки — и через полчаса бутерброд готов!

DSC00007

Поскольку на оргстекле надписи очень легко стираются, решил поступить проще — налепил белую изоленту и перманентным маркером обозначил контакты клеммника и подписал светодиоды:

DSC00006

Не на продажу — главное функциональность, а не внешний вид.

Конвертер  пару-тройку раз скатался в Арти на геофизическую станцию. Успешно прошел не только испытание, но отработал свое прямое назначение — помочь настроить Модуль Магнитного Каротажа (ММК).

Advertisements

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s