Diplomová práce - Magisterský program Inteligentní budovy

Přehled současného stavu techniky pro řešení práce1 Přehled současného stavu techniky prořešení práceTato kapitola se stručně věnuje základnímu porovnání existujících řešení, jejichž použitípro splnění cíle práce je vhodné diskutovat. Přehledové srovnání dostupných zařízení tvoříaktuální pohled na řešenou problematiku a poskytuje tím informaci, jak lze se zadanýmproblémem naložit. Výstupem této kapitoly jsou poznatky, jak se zadaná problematika aktuálněřeší. Z nich vycházejí další indicie pro vlastní návrh cílového zařízení. Porovnání jeprovedeno nejprve z hlediska nejpoužívanějších způsobů komunikace a použitých komunikačníchrozhraní, které jsou stručně charakterizovány, dále jsou porovnány hotové produkty,které z části řeší zadanou problematiku. Uvedeny jsou jak moduly měřicí spotřebuelektrické energie, tak moduly zajišťující požadované ethernetové rozhraní. Následujícíčásti textu kapitol 1.1 , 1.2 a 1.3 jsou převzaty textů prací Projektu 1 a Projektu 2, na kterétato práce navazuje a jsou uvedeny jako použité zdroje [1] a [2].1.1 Porovnání sběrnic a typů komunikace umožňujících vzdálenéměření spotřeby elektrické energie1.1.1 Sériová linka standardu RS-232Klasická sériová linka standardu RS-232 (oficiální jméno standardu je momentálně EIA/TIA-232-E, nicméně RS-232 označení se běžně používá) je pro svoji jednoduchost dodnesčasto využívána jako průmyslové komunikační rozhraní, které umožňuje přenos dat mezidvěma zařízeními. Jedná se o dvoustavovou sběrnici podporující jak synchronní, tak asynchronnípřenos dat. Napěťové úrovně pro logickou 0 jsou definovány v rozsahu od 5 V do15 V pro vysílač a od 3 V do 25 V pro přijímač. Logickou 1 reprezentují napěťové úrovněv pásmu od -5 V do -15 V pro vysílač a od -3 V do -25 V pro přijímač. Asynchronnípřenos dat vyžaduje pouze dva datové vodiče a společnou zem. Základní rámec přenášenýchdat při asynchronní komunikaci začíná start bitem, pokračuje většinou 8 (volitelně5 - 9) datovými bity, volitelně paritou a jedním nebo dvěma stop bity. Standard definujemaximální délku komunikačních vodičů 15 m, případně maximální kapacitu vedení2 500 pF. Většinou není problém při snížení rychlosti přenosu dat komunikovat namnohem větší vzdálenosti. Při použití převodníků RS-232 – TTL je možné na sběrnici při-3

Přehled současného stavu techniky pro řešení prácepojit velkou řadu mikropočítačů vybavených sběrnicí UART (Universal Asynchronous ReceiverTransmitter) případně USART (Universal Synchronous and Asynchronous ReceiverTransmitter), která má kompatibilní přenášené rámce, liší se v napěťových úrovních logickýchstavů. Rychlost komunikace dle standardu RS-232 je maximálně 20 000 bitů zasekundu, mnohá zařízení ale podporují daleko vyšší rychlosti komunikace. Elektroměryvybavené rozhraním RS-232 nejsou příliš rozšířené, nicméně existují a jsou jednouz možností pro vzdálené odečítání spotřeby elektrické energie.1.1.2 Sériová linka standardu RS-485Modifikací RS-232 určenou převážně pro průmyslové aplikace je standard RS-485(TIA/EIA-485), který popisuje skupinu asynchronních sériových linek. Jedná se o sběrnici,která umožňuje standardně připojení až 32 vysílačů a přijímačů. Komunikace může probíhatpolo-duplexně (dvouvodičová sběrnice) i plně-duplexně (čtyřvodičová sběrnice). Maximálnídélka sběrnice je stanovena na 1200 m. Přenosové rychlosti jsou závislé na délcesběrnice a pohybují se v rozmezí 100 kbps až 10 Mbps. Rozsah napěťových úrovní je od -5 V do 5 V. Logické úrovně jsou definovány na základě rozdílu napětí mezi dvěma datovýmivodiči, které se zpravidla označují jako A a B. Pro odeslání logické 1 generuje vysílačna vodiči A -2 V a na vodiči B 2 V. Logická 0 je pak vysílačem generována obráceně,tj na vodiči A 2 V a na vodiči B -2 V. Přijímač považuje za logickou 1 rozdíl mezi vodičiA a B -200 mV a méně a za logickou 0 považuje rozdíl mezi vodiči A a B 200 mV a více.Přenášený rámec dat je je stejný jako u standardu RS-232.Elektroměry vybavené sběrnicí RS-485 se v praxi používají. Způsob komunikace s elektroměrydefinuje norma ČSN EN 62056, která stanovuje asynchronní přenos rámců v poloduplexnímrežimu při výchozí rychlosti 300 bps. Umožňuje použití normalizovanýchpřenosových rychlostí až do 19 200 bps. Přenášený rámec se dle normy skládá z 1 startbitu, 7 datových bitů, 1 paritního bitu a 1 stop bitu. K zabezpečení dat je normou stanovenopoužití sudé parity.1.1.3 Sběrnice M-BusStandard M-Bus někdy také označovaný Meter Bus byl vyvinut pro dálkový odečetenergií vstupujících do objektu. Vodoměry, plynoměry, měřiče tepla, nebo elektroměry vybavenérozhraním M-Bus jsou běžně k dostání. Na dvouvodičovou sběrnici lze v základní4

Přehled současného stavu techniky pro řešení prácekonfiguraci bez implementace síťové vrstvy připojit až 250 zařízení. Komunikace probíháv režimu master – slave. Maximální rychlost komunikace po sběrnici závisí na její délce.Pro délku sběrnice do 1000 m je možná komunikace při rychlosti 300 baudů. Nejvyššírychlost přenosu dat činí 9 600 baudů pro sběrnici o délce nepřevyšující 350 m. Přenos datje obdobný jako u standardu RS-232. Po sběrnici probíhá asynchronní sériový přenos dat.Přenos začíná start bitem, pokračuje 8 datovými bity, sudou paritou a je zakončen jednímstop bitem. M-Bus umožňuje napájení připojených stanic ze stejné sběrnice, po které probíhákomunikace. Z tohoto důvodu se liší způsob interpretace logických úrovní ve směruod řídící stanice k účastnickým stanicím, kdy jsou logické stavy reprezentovány napěťovýmihladinami (logická 1 odpovídá 36 V a logická 0 24 V), a ve směru od účastnickéstanice k řídící stanici, kdy jsou logické stavy reprezentovány proudovým odběrem (logická1 odpovídá proudovému odběru 1,5 mA a za logickou 0 se považuje proudový odběro 11 až 20 mA vyšší).Elektroměry vybavené rozhraním M-Bus jsou běžně dostupné a jejich použití je možnépro vzdálené měření spotřeby elektrické energie.1.1.4 Bezdrátová komunikaceBezdrátová komunikace v průmyslových aplikacích nachází uplatnění pro jednoduchoukomunikaci bez nutnosti instalovat nové kabelové rozvody. Pro průmyslové aplikace byldefinován komunikační standard ZigBee (IEEE 802.15.4). Přenos dat probíhá v bezlicenčníchpásmech 2,4 Ghz (16 komunikačních kanálů), 915 MHz (10 komunikačníchkanálů) a 868 MHz (1 komunikační kanál). Maximální přenosové rychlosti jsou pro pásma2,4 Ghz 250 kbps, pro 915 MHz 40 kbps a pro 868 MHz 20 kbps. Komunikace je možnána vzdálenosti od 10 m do 100 m, záleží ale na výstupním výkonu bezdrátových modulůa také na prostředí. ZigBee umožňuje připojení více než 64 000 zařízení do jedné sítě.Pro bezdrátovou komunikaci se používají RF (Radio frequency) moduly, které se najedné straně připojí ke standardním komunikačním rozhraním RS-232, RS-485 pomocírozhraní U(S)ART a na druhé straně vysílají bezdrátově. Není podmínkou, aby komunikovalypodle standardu ZigBee, pro větší sítě to je ale vhodné. Dále také existují RF modulypro sběrnice M-Bus, které ale nevyužívají standardu ZigBee a označují se jako WirelessM-Bus.5

Přehled současného stavu techniky pro řešení práceElektroměry vybavené RF moduly jsou běžně v nabídce výrobců a je tedy možné je připojitdo sítě standardu Zigbee a poskytují další alternativu pro vzdálené měření spotřebyelektrické energie.1.1.5 Powerline komunikacePowerline komunikace označovaná také PLC komunikace využívá pro přenos dat rozvodůelektrické energie. Z hlediska použití v budovách probíhá komunikace po sítích nízkéhonapětí. Princip komunikace po elektrické síti spočívá ve využití frekvenčních pásem,které lze oddělit od frekvence síťového napětí. Frekvenční pásma, ve kterých je možnéprovádět PLC komunikaci, definuje norma ČSN EN 50065. Norma stanovuje použití frekvenčníhopásma od 3 kHz do 148,5 kHz a rozděluje jej na čtyři části, u kterých definujemožnosti použití. Samotná PLC komunikace určuje typ média, po kterém komunikace probíhá,nikoliv formát přenášených dat. Často se lze setkat s powerline modemy, které jsouvybaveny sériovým komunikačním rozhraním. Přenášená data jsou pro přenos po elektrickésíti modulována často úzkopásmovými modulacemi FSK (Frequency Shift Keying)nebo PSK (Phase Shift Keying), které jsou vhodné pro přenášení malých objemů dat.Přenosy velkých objemů dat se zajišťují použitím širokospektrální modulace, jakou je napříkladOFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).Elektroměry vybavené PLC modulem se začínají používat v nových bytových domech.Sběr dat z jednotlivých bytových elektroměrů provádí centrální jednotka, která naměřenéspotřeby zaznamenává a předává pracovníkovi distribuční společnosti hodnoty z celéhoobjektu. V současné době není úplně běžné, že by centrální jednotka předávala data distribučníspolečnosti vzdáleně.Powerline komunikace není vázána definovaným komunikačním protokolem, proto dnesexistují powerline převodníky z klasických komunikační rozhraní RS-232, RS-485, M-Busi Ethernet, které pomohou s jejich rozšířením v místech, kde není možné instalovat novérozvody potřebné pro jednotlivé sběrnice.1.2 Přehled vybraných dostupných produktů pro vzdálené měřeníspotřeby elektrické energieTato kapitola se věnuje porovnání základních parametrů vybraných dostupných pro-6

Přehled současného stavu techniky pro řešení práceduktů určených pro měření spotřeby elektrické energie, které umožňují dálkový odečetnaměřených dat. Případné uvedené ceny jsou aktuální ke květnu 2012. Pro tuto kapitolubyly čerpány informace ze materiálů uvedených jako zdroje [3], [4], [5], [6]. Text kapitol1.2.1 - 1.2.4 vychází z poznatků práce Projekt 1, který se danou problematikou zabýval a jeuveden jako zdroj [1].1.2.1 Jednofázový elektronický elektroměr DHZ 5/63-M-BusElektroměr DHZ 5/63-M-Bus patří k nejlevnějším jednofázovým elektroměrům vybavenýmkomunikačním rozhraním M-Bus. Dostupný je za cenu přesahující 3 500 Kč a dodáváse v provedení pro montáž na DIN lištu. Umožňuje přímé měření proudu do 5 (63) A.Obr. 1.1 - Elektroměr DHZ 5/63-M-Bus, podle [3]Jedná se o elektroměr třídy přesnosti 1, který může být úředně ověřen a tím určen pro fakturaci.Výše uvedená cena neobsahuje ověření. Na multifunkčním LCD displeji, který má5 + 1 pozici, lze odečítat naměřené hodnoty vizuálně nebo se odečet provádí dálkově pomocířídicí jednotky sběrnice M-Bus. Menu, které je ovládané bezdotykově přiloženímmagnetu z pravé strany elektroměru přepíná na displeji mezi zobrazovanými údajio hodnotě celkové spotřeby činné energie, hodnotě činné energie druhého nulovatelnéhopočítadla, okamžitém odběru energie, velikosti napětí v síti, velikosti protékajícího proudu,fáze cos , verzi softwaru a primární i sekundární adrese pro M-Bus komunikaci. Tytoúdaje jsou dostupné i pro vzdálený odečet.7

Přehled současného stavu techniky pro řešení práceKompaktní rozměry a standardizovaná montáž na DIN lištu předurčuje elektroměr DHZ5/63-M-Bus pro podružná měření spotřeby elektrické energie energeticky náročných technologiízařízení budov.Trojfázová obdoba tohoto modelu elektroměru se stejným vybavením se označuje DHZ5/65A-M-Bus a dostupný je za cca 6 500 Kč.1.2.2 Jednofázový přímý statický elektroměr s PLC modulem KřižíkE1S – PLCJednofázový elektroměr E1S – PLC je určený pro měření sítě nízkého napětí 230 V a jevybaven modulem pro PLC, který zajistí datovou komunikaci po rozvodech elektrické sítě.Nevyžaduje tedy žádné další komunikační vodiče. V prodeji je za cenu přesahující5 000 Kč. Může být použit v systému ISAR (inteligentní systém dálkového odečtu měřičůspolečnosti ModemTec). Dodává se v klasickém elektroměrovém provedení pro montáž na„kříž“ a tím je předurčen spíše pro měření spotřeby elektrické energie budovy jako celkuObr. 1.2 - Elektroměr E1S – PLC, podle [4]případně jednotlivých částí, nikoliv pro podružné měření technologií. Dodává se v několikaprovedeních pro velikost měřeného proudu. Maximální proudový rozsah přímého měřeníje 20 A. Tyto elektroměry měří činnou energii s třídou přesnosti 1 nebo 2. Umožňujínastavení až čtyřech cenových tarifů. Elektroměr zaznamenává a přenáší údaje o celkové8

Přehled současného stavu techniky pro řešení práceodebrané energii, celkové provozní době odběru, odebrané energie v jednotlivých tarifech,provozních dobách jednotlivých tarifů, celkovou energii pro fakturaci i její dílčí části podletarifu a také datum odečtů registrů. Poskytuje data vhodná převážně pro distributora elektrickéenergie.Vysílač PLC pracuje s nosnou frekvencí 70 - 145 kHz a výstupním napětím 10 V špička– spička. Vysílaný signál je modulován modulací D-BPSK (Differential Binary Phase ShiftKeying). Frekvenční rozsah PLC přijímače je 60 - 160 kHz, vstupní citlivost 1 mV a minimálnínutný odstup signál šum 6 dB.Obdobný trojfázový elektroměr se stejnými parametry společnosti ModemTec se značíE3S-PLC a pohybuje v cenové hladině cca 8 000 Kč.1.2.3 ZigBee Energy Meter ZBS-110V2Jedná se spínatelnou zásuvku ovladatelnou pomocí rozhraním ZigBee. Zároveň je alevybavena měřicími obvody a může tak sloužit i jako elektroměr vybavený bezdrátovýmkomunikačním rozhraním standardu ZigBee. Vyrábí se v jednofázovém provedení s maximálnízatížitelností 16 A. Přístroj měří činný i zdánlivý výkon, aktuální velikost napětíi protékaný proud v efektivních hodnotách, frekvenci, spotřebovanou energii. V rozvodnésíti dokáže detekovat napěťové špičky, krátce trvající propady nebo výpadkyObr. 1.3 - ZBS-110V2, podle [5]dodávky elektrické energie. Chyba měření dle výrobce při měření činné energie a efektivníchhodnot proudu a napětí činní méně než 2 %. Rozhraní ZigBee zprostředkuvává bezdrátovoukomunikaci maximální rychlostí 250 kbps ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz.Koncepce spínatelné zásuvky s elektroměrem je výhodná pro podružná měření sledovanýchzařízení především pro krátkodobé nasazení. Toto zařízení můžou s výhodou po-9

Přehled současného stavu techniky pro řešení práceužít osoby bez elektrotechnické kvalifikace, jelikož jeho připojení k elektrické síti i ke spotřebičinezasahuje do instalací rozvodné sítě.1.2.4 Shark 100-SMěřicí přístroj Shark 100-S je určen pro monitorování i analyzování elektrické rozvodnésítě. Chyba měření činného i jalového výkonu činí dle výrobce ± 0,2 %, měření hodnot napětía proudu je zatíženo chybou ± 0,1 %. Měřená napětí v rozvodné síti mohou být v rozmezí90 - 265 V, proudový rozsah volitelně 2 A nebo 5 A. Přístroj je možné si objednats několika typy komunikačních rozhraní. Běžně je vybaven komunikačním rozhraním RS-Obr. 1.4 - Shark 100, podle [6]485 případně sériovou linkou kompatibilní s RS-232 a také IrDA rozhraním. Za příplatekčinící 260 US$ výrobce přístroj dovybaví rozhraním Ethernet 10/100BaseT nebo bezdrátovýmsíťovým WIFI komunikačním rozhraním. Základní cena dle webu výrobce činí necelých500 US$.1.3 Přehled vybraných ethernetových modulůNásledující části textu kapitol 1.3 a 1.3.1 - 1.3.4 vycházejí z poznatků práce Projekt 2uvedeného jako zdroj [2], který se danou problematikou zabýval.Ethernetové hardwarové moduly umožňují komunikaci obecných zařízení pomocí roz-10

Přehled současného stavu techniky pro řešení prácehraní ethernet. Těchto modulů je na trhu dostupná celá řada. Ze strany ethernetového rozhraníbývají velmi podobné. Obsahují integrované obvody, které tvoří fyzickou vrstvu komunikačníhomodelu TCP/IP. Vyšší vrstvy TCP/IP jsou implementovány softwarově v použitémmikroprocesoru pomocí tzv. TCP/IP stacku, který zahrnuje protokoly vrstvy síťové,transportní a aplikační TCP/IP modelu. V těchto jednoduchých modulech nejsou obsaženyvšechny existující protokoly všech vrstev, ale pouze vybraná množina, kterou se dostupnémoduly odlišují. Z druhé strany disponují ethernetové moduly komunikačními sběrniceminebo rozhraními typu U(S)ART, SPI, I 2 C, někdy také RS485 a také vstupně výstupnímidigitálními porty - DIO. Zmíněné komunikační sběrnice umožňují připojení senzorů, čidelnebo dalších integrovaných obvodů se stejnými připojovacími rozhraními. DIO porty lzepoužít pro ovládání silových svorek pro spínání elektrických spotřebičů. Pro základní měřeníanalogových veličin jsou některé moduly vybaveny analogovými vstupy a ADpřevodníkem.1.3.1 Modul NetBurner SBL2eEthernetový modul NetBruner SBL2e je založený na 32 bitovém mikroprocesoru FreescaleColdFire 52236 pracujícím na frekvenci 50 MHz. Modul jako celek disponuje čtyřmivstupy připojenými ke 12 bitovému AD převodníku, deseti DIO piny a dvěma sériovýmilinkami s maximální rychlostí komunikace 115 200 bps. V provedení vývojového kitu mánavíc třetí UART a rozhraní I 2 C, které lze mezi sebou softwarově přepínat, sdílejí stejnévývody. Implementované jsou síťové komunikační protokoly TCP, UDP, Telnet, HTTP,ARP, ICMP a DHCP. Vyžaduje stejnosměrné napájení 3,3 V s maximálním proudovýmodběrem 300 mA. Vyrábí se ve dvou provedeních, které se liší pouze tím, že jedno má zásuvkupro RJ45 konektor (SBL2e-100IR, viz Obr. 1.5) a druhé má vodiče pro síťovou komunikacizakončeny kontaktovou lištou (SBL2e-200IR, viz Obr. 1.6). Správná funkce moduluje zajištěna v teplotním rozmezí od -40 °C do +85 °C. Připojuje se ke standardnípočítačové síti typu ethernet. Parametry komunikace vycházejí z podporovaných standardů10Base-T nebo 100Base-TX.Konfigurace modulu se provádí přes vestavěné webové rozhraní pomocí libovolnéhowebového prohlížeče počítače, který má k danému modulu síťový přístup. Webové rozhraníumožňuje ovládání digitálních výstupů. Tyto funkce jsou dostupné i pomocí protokoluTelnet. Samotná komunikace modulu s řídicím počítačem probíhá asynchronně séri-11

Přehled současného stavu techniky pro řešení práceově. Modul odesílaná data zapouzdří do IP paketu, příp. UDP datagramu a předá naethernetové rozhraní. Základní způsob komunikace na straně řídicího počítače probíhá pomocívirtuálního sériového portu.Obr. 1.5 - Modul NetBurner SBL2e-100IR, podle [7] Obr. 1.6 - Modul NetBurner SBL2e-200IR, podle [7]1.3.2 Lantronix XPortLantronix XPort je minimalistický převodník, který vzhledem vypadá jako větší zásuvkapro konektor RJ45 (Obr. 1.7). Základem je 16 bitový procesor architektury x86 taktovanýna 48 MHz nebo 88 MHz. XPort disponuje jednou sériovou linkou UART a třemi vstupněvýstupními piny. Maximální nastavitelná rychlost sériové komunikace je 921 600 bps. Integrovanéethernetové rozhraní je kompatibilní pro komunikace v ethernetových sítíchstandardů 10Base-T a 100Base-TX. XPort má implementovány síťové protokoly TCP,Obr. 1.7 - Lantronix XPort, podle [8]UDP, IP, SNMP, Telnet, DHCP, BOOTP, ARP, TFTP a HTTP. Napájí se stejnosměrnýmnapětím 3,3 V, typický odběr proudu udává výrobce do 267 mA (mírně se liší podle rychlostisíťové komunikace). Všechny vstupy má tolerantní vůči 5 V logice. Kromě standardní12

Přehled současného stavu techniky pro řešení práceverze XPort-XE se vyrábí i verze Xport-SE, která umožňuje šifrování přenášených dat.XPort může pracovat v prostředí s rozsahem teplot od -40 °C do +85 °C.Konfigurace nastavení se provádí pomocí interního web serveru, protokolu SNMP, sériovélinky nebo Telnetu. Přenášená data ze sériové linky zapouzdřuje do IP paketů, příp.UDP datagramů stejně jako modul NetBurner SBL2e, z toho vyplývá stejný princip základníkomunikace s řídicím počítačem pomocí virtuálního sériového portu.1.3.3 XT-NANOSíťový modul XT-Nano je miniaturní převodník, určený pro integraci do velmi malýchzařízení. Výrobce neposkytuje informace o použitém mikroprocesoru. Strana síťového rozhraníje kompatibilní se standardy 10Base-T a 100Base-TX. Převodník je vybaven rozhranímiI 2 C, SPI a sériovou linkou, která umožňuje komunikaci s rozhraním RS232a sběrnicí RS485 v logických úrovních 3,3 V TTL logiky. Maximální rychlost komunikacepo sériové lince činí 115 200 bps. Dále je k dispozici 6 DIO pinů. Napájí se stejnosměrnýmnapětím 3,3 V s maximálním proudovým odběrem 300 mA. Výhodou modulu XT-Nano jemožnost napájení po datovém kabelu tzv. Power over Ethernet (PoE). Mezi implementovanésíťové protokoly patří IP, TCP, UDP, FTP, ICMP, ARP, SNMP, DHCP, BOOTP,DNS, Telnet, HTTP. Modul je navržen pro funkčnost v teplotním rozmezí od 0 °C do+70 °C.Obr. 1.8 - Modul XT-Nano, podle [9]Konfigurace modulu XT-Nano se provádí pomocí telnetu, integrovaného webového rozhranínebo sériového rozhraní. Komunikace s řídicím počítačem po ethernetu probíhá obdobnějako u předchozích modulů.13

Přehled současného stavu techniky pro řešení práce1.3.4 Porovnání jednotlivých modulůVšechny výše uvedené moduly jsou připojitelné do ethernetové sítě podle standardů10Base-T a 100Base-TX, které jsou v současné době podporované prakticky všemi aktivnímisíťovými prvky. Z hlediska charakteru přenášených dat a rychlostí převáděnýchtypů komunikací nikdy nebude plně využita ani nižší 10 Mb rychlost. Všechny moduly vyžadujístejnosměrné napájení 3,3 V, proudové odběry mají velmi podobné. Výhodou moduluXT-Nano je možnost napájení po ethernetovém kabelu. Pracovní rozmezí teplot majístejné moduly NetBurner SBL2e a XPort, které jsou vhodné i pro venkovní použití. Příméhoměření analogových veličin je schopen pouze modul NetBurner SBL2e, zbylé bybylo nutné doplnit o externí obvod AD převodníku. Nejširší vybavenost pro další rozšířenínabízí modul XT-Nano, který standardně obsahuje komunikační rozhraní I 2 C a SPI.Všechny uvedené moduly mají sériové rozhraní kompatibilní s typem UART a nabízejícelou řadu síťových protokolů. U všech je ale základním komunikačních prvkem zapouzdřenísériové komunikace do datových paketů příp. datagramů, které zprostředkuje nejzákladnějšípřenos dat mezi jimi a řídicím počítačem. Všechny moduly jsou vybaveny DIOpiny, kterými lze ovládat další zařízení, každý jich má jiný počet. Cena k aktuálnímu datu(květen 2012) činí 30 US$ za modul NetBurner SBL2e, 70 US$ za modul XT-Nano a přibližně72 US$ za Lantronix Xport.V současné době je na trhu celá řada ethernetových modulů, které poskytují obdobnémožnosti pro implementaci do cílového zařízení. Jejich parametry ani cena se nevymykáz výše uvedených informací a tím se nabízí možnost vlastního řešení, které bude pro finálníaplikaci dostačující, ale finančně výhodnější.14

Návrh hardwarové části2 Návrh hardwarové částiTexty kapitol 2.1 a 2.2 a některé části kapitoly 2.3.1 a 2.3.1.1 vycházejí z poznatkůpráce Projekt 2 (zdroj [2]).2.1 Stanovení požadavků na hardwarovou částPrvní fází návrhu zapojení cílového zařízení je stanovení požadavků, které má dané zařízenířešit. Finální produkt by měl být schopen měření spotřeby elektrické energie připojenýchspotřebičů a zároveň by měl umožňovat jejich spínání. Měření i spínání spotřebičůby mělo být prováděno vzdáleně z řídicího počítače, který bude připojen do ethernetovésítě, stejně tak jako zařízení, které bude jednotlivé spotřebiče měřit a spínat.Základní strukturu navrhovaného zařízení bude tvořit obvod pro měření spotřeby elektrickéenergie, řídicí mikropočítač a obvod fyzické vrstvy ethernetového rozhraní, které budouspolu pospojovány.2.2 Základní blokové schémaZ výše uvedených požadavků na návrh zařízení vychází základní blokové schéma zapojení,které je znázorněno na Obr. 2.1. Na základě tohoto schématu je proveden výběrNapájeníMěřicíobvodProcesorRozhraníEthernetSpínacíreléObr. 2.1 - Základní blokové schéma, podle [2]15

Návrh hardwarové částikonkrétních integrovaných obvodů a dalších součástí, které jsou stručně charakterizoványv dalších kapitolách a které tvoří jednotlivé bloky schématu.2.3 Výběr integrovaných obvodů a dalších součástí pro zapojeníJednotlivé integrované obvody a další součásti, které budou použity v zapojení, jsou vybránys ohledem na jejich dostupnost, cenu a vhodnost pro jednoduché spojení s ostatnímisoučástmi. Zároveň musí poskytovat dostatečné možnosti, které splní stanovené požadavkyna cílové zařízení. Nejprve se zaměříme na výběr a stručnou charakteristiku měřicího obvodu,řídicího procesoru a ethernetového rozhraní.2.3.1 Modul pro měření elektrického výkonu a spotřeby elektrickéenergieProzkoumáním nabídky výrobců integrovaných obvodů zjistíme, že se již delší dobuprodukují speciální integrované obvody určené pro měření elektrického výkonu a spotřebyelektrické energie. Obvody jsou typu SoC (System on Chip) – mají v sobě integrovanévelké množství dalších potřebných součástí pro měření a často mají integrovaný řídicí mikroprocesor,který zprostředkovává funkci obvodu jako celku a jeho komunikaci s okolím.Jedním z těchto měřicích obvodů je produkt společnosti Maxim řady Teridian s typovýmoznačením 78M6612.2.3.1.1 Obvod Teridian 78M6612Měřicí obvod Teridian 78M6612 je předurčený pro návrh kompaktních zařízení propřesná měření spotřeby elektrické energie jednofázové sítě, pro která je vybaven 22 bitovýmAD převodníkem typu sigma delta s digitální teplotní kompenzací. Na čipu je integrovánobvod reálného času (RTC), který má také digitální teplotní kompenzaci. Dáleobsahuje přesnou napěťovou referenci a teplotní senzor. Zpracování výpočtů zajišťujesamostatná 32 bitová výpočetní jednotka (CE – Compute Engine). Obvod obsahujeprogramovatelný 8 bitový mikroprocesor typu 80515 taktovaný na frekvenci 4,9152 MHzs 2 kB operační paměti XRAM, a 32 kB programové paměti typu FLASH. Rozhraní I 2 Cnebo MicroWire umožní rozšíření o externí paměť typu EEPROM. Pro komunikaci s okolímje vybaven dvěma rozhraními typu UART, jedním SPI a infračerveným optickým rozhraním(IR LED), které se používá pro bezkontaktní odečet hodnot z digitálních elek-16

Návrh hardwarové částitroměrů. Pro případné zobrazovaní naměřených hodnot na LCD displeji je vybaven LCDřadičem, který obslouží grafické displeje do velikosti 152 pixelů. V případě výpadku napájeníje obvod schopen fungovat ve třech nízkopříkonových režimech určených pro napájeníze záložní baterie, jejíž stav dokáže také sledovat. O spolehlivý běh obvodu se stará integrovanýwatchdog. Základní blokové schéma obvodu je uvedeno na Obr. 2.2.Obr. 2.2 - Blokové schéma obvodu Teridian 78M6612, podle [10]Operativní rozsah teplot prostředí udává výrobce v rozmezí -40 °C až +85 °C, ve kterémměří spotřebu elektrické energie ve Wh s nepřesností ±0,5 %. Dodává se v SMD pouzdruLQFP-64. Další informace k obvodu lze nalézt ve katalogovém listu, který je uveden jakozdroj [10].2.3.1.2 Měřicí modul AC-PMONMěřicí modul AC-PMON společnosti Maxim je založen na obvodu Teridian 78M6612,17

Návrh hardwarové částikterým se zabývala kapitola 2.3.1.1 a parametry modulu vycházejí z parametrů použitéhoměřicího obvodu. Vývojový modul AC-PMON obsahuje kromě měřicího obvodu dalšípodpůrné součásti. Měřicí obvod je galvanicky spojen s měřeným spotřebičem, a tedyi s elektrickou sítí. Z hlediska bezpečnosti a zachování správné funkce je nutné provéstgalvanické oddělení měřicí části a komunikační části. Modul AC-PMON se napájí stejnosměrnýmnapětím +5 V a obvod, který galvanicky odděluje napájení od sítě je na něm integrován.Komunikace s okolím probíhá pomocí sériové linky (rozhraní UART) v logickýchúrovních 3,3 V, obvod 78M6612 má však všechny vstupy tolerantní i vůči 5 Vlogickým úrovním. Komunikace probíhá rychlostí 38 400 baudů za sekundu a rámecpřenášených dat má formát 8-N-1, tj. 8 datových bitů, bez parity a jeden stop bit. Sériovýpřenos je řízen softwarově metodou XON / XOFF, další specifika komunikace budou řešenydále v softwarové části práce. Galvanické oddělení sériové linky je potřeba řešit nakomunikačním modulu. Měřicí modul AC-PMON je vyobrazen na Obr. 2.3.Obr. 2.3 - Měřicí modul AC-PMONDalší návrh hardwaru je nutné provést tak, aby byl kompatibilní s výše popsaným měřicímmodulem. AC-PMON obsahuje programovatelný mikroprocesor, ve kterém je nahránfirmware od výrobce. Ten se zajistí přesné měření. Tento firmware nelze jednoduše modifikovat.Výrobce standardně poskytuje zkompilovaný firmware, nikoliv jeho zdrojovékódy. Z tohoto důvodu je nutné použít pro komunikační modul další mikropočítač, který18

Návrh hardwarové částizprostředkuje jak komunikaci s měřicím modulem, tak komunikaci po ethernetové síti. Výběruřídicího mikropočítače a jeho specifikace popisuje další kapitola 2.3.2 .2.3.2 Řídicí mikropočítačNutnost použití řídicího mikropočítače vyplývá z výše uvedených informací. Z hlediskadřívějších zkušeností s mikropočítači produkovaných společností Atmel řady AVR padlorozhodnutí na jejich použití i přesto, že nejsou vybaveny ethernetovým rozhraním, kterémá cílové zařízení obsahovat. Z tohoto důvodů vyplývá nutnost použití dalšího obvodurealizující ethernetové rozhraní, který bude jednoduše spojitelný s řídicím mikropočítačem.Další nutné požadavky na mikropočítač již byly stanoveny dříve. Následující podkapitolyse stručně věnují charakteristice mikropočítačů řady AVR a popisu konkrétního modelu,který je vybrán pro další návrh.2.3.2.1 Mikropočítače Atmel AVRMikropočítače společnosti Atmel označované AVR se na trhu vyskytují od roku 1997.Jedná se mikropočítače s harvardskou architekturou integrovaného procesoru, který má redukovanouinstrukční sadou (RISC). Ta je optimalizovaná tak, aby bylo možné většinu instrukcívykonat v jednom strojovém cyklu.Mikropočítače AVR se produkují v několika řadách. MegaAVR, tinyAVR, XMEGAmají 8 bitový mikroprocesor , AVR UC3 pak 32 bitový. Veškeré mikropočítače uvedenýchřad obsahují kromě mikroprocesoru velké množství dalších integrovaných součástí. Dalšíinformace k produktovým řadám je možné najít na webových stránkách výrobce, kteréjsou uvedeny jako zdroj [12].2.3.2.2 Mikropočítač Atmel ATmega32AMikropočítač ATmega32A se řadí do skupiny megaAVR. Jeho mikroprocesor může býtexterním krystalem taktován standardně až na 16 MHz, při užití vnitřního RC oscilátoru jeto pak maximálně 8 MHz. Obsahuje 32 kB programové paměti typu FLASH, 1 kB pamětidat typu EEPROM a 2 kB operační paměti typu SRAM. Životnost FLASH paměti seudává na 10 000 zápisových cyklů, u EEPROM paměti je to 100 000 cyklů. Dále mikropočítačdisponuje dvěma 8 bitovými a jedním 16 bitovým čítačem nebo časovačem. Progenerování pulsně šířkové modulace je vybaven 4 PWM kanály. Pro měření analogových19

Návrh hardwarové částiveličin lze použít 8 multiplexovaných kanálů 10 bitového AD převodníku aproximačníhotypu. Pro sériovou komunikaci s okolím má k dispozici rozhraní USART, I 2 C a SPI. Spolupráces externími digitálními zařízeními je umožněna pomocí 32 programovatelnýchvstupně výstupních pinů.Mikropočítač se napájí stejnosměrným napětím od 2,7 V do 5,5 V. Správná funkce jezajištěna v prostředích s rozsahem teplot od -55 °C do +125 °C. Dodává se ve třech typechpouzder. Pro vývodovou montáž je určeno pouzdro PDIP, pro povrchové montáže pakpouzdra TQFP a MLF. Tato pouzdra a rozmístění jejich vývodů jsou uvedena na Obr. 2.4.Obr. 2.4 - ATmega32A - pouzdra a rozmístění vývodů, podle [13]Blokové schéma mikropočítače ATmega32A je uvedeno na Obr. 2.5 a strukturovaněznázorňuje propojení vnitřních součástí. Vstupně výstupní piny jsou sdruženy po 8 doportů, které se označují A, B, C a D. Všechny vstupně výstupní piny jsou také propojenys dalšími integrovanými zařízeními. Např. piny portu A jsou spojeny multiplexorem, kterýje připojen k AD převodníku. Přepínání mezi jednotlivými režimy použití pinů se provádípomocí programu mikropočítače v závislosti na jeho aplikaci a zapojení. Maximální výstupníproud na jednom pinu udává výrobce 40 mA.ATmega32A se nastavuje pomocí 32 8 bitových registrů, které jsou přímo navázány nainstrukční sadu, která čítá 131 instrukcí. Pomocí registrů se nastavuje chování veškerýchčástí obvodu, které má mikropočítač integrovány. Detailní popis registrů potřebný pro20

Návrh hardwarové částiObr. 2.5 - ATmega32A - blokové schéma vnitřního zapojení, podle [13]tvorbu řídicího programu je k nalezení v katalogovém listu výrobce, který je uveden jako21

Návrh hardwarové částizdroj [13] a je snadno vyhledatelný na internetových stránkách výrobce ve své poslednírevizi.2.3.3 Obvod pro realizaci ethernetového rozhraníZ požadavků na cílové zařízení vychází nutnost komunikace po počítačové síti typuethernet. Vybraný řídicí mikropočítač ATmega32A tímto rozhraním nedisponuje, proto jepotřeba jej doplnit obvodem, který realizuje ethernetové rozhraní – ethernetovým řadičem.Pro spojení s mikropočítačem je vhodný obvod ENC28J60 společnosti Microchip. Následujícíčást textu této kapitoly je převzat z Projektu 2 uvedeným jako zdroj [2].Obvod ENC28J60 je ethernetový řadič vybavený standardním rozhraním SPI. Splňujevšechny požadavky normy IEEE 802.3, která určuje specifikace fyzické a spojové vrstvykomunikačního modelu ISO/OSI, příp. vrstvu síťového rozhraní komunikačního modeluTCP/IP. Podporuje komunikaci po ethernetu podle standardu 10Base-T, což udává i maximálnírychlost komunikace po síti 10 Mbps v polo-duplexním i plně-duplexním režimu.Jeho vnitřní blokové schéma zapojení lze najít v katalogovém listu výrobce - zdroj [14].Pro návrh spojení s řídicím mikroprocesorem dobře poslouží následující schéma uvedenéna Obr. 2.6, které zároveň naznačuje nutnost použití oddělovacího transformátoru, přeskterý se připojuje k ethernetové síti.Obr. 2.6 - Spojení obvodu ENC28J60 s řídicím mikroprocesorem a ethernetovou sítí, podle [14]Správná funkce je zaručena v teplotním rozsahu od -40 °C do +85 °C. Napájí se stejnosměrnýmnapájecím napětím od 3,14 V do 3,45 V. Proudový odběr dle katalogového listuvýrobce činí maximálně 250 mA. Všechny vstupy má tolerantní vůči 5 V logickýmúrovním. Dostupný je ve čtyřech typech pouzder – SPDIP pro vývodovou montáž, SSOP,SOIC a QFN pro povrchovou montáž. Rozložení pinů u jednotlivých typů pouzder je uve-22

Návrh hardwarové částideno na Obr. 2.7.Obvod ENC28J60 z výroby nemá přidělenou MAC adresu, je nutné ji nastavit programemmikropočítače. Pro testovací účely je možné si MAC adresu buď vymyslet, nebo lépepoužít MAC adresu prokazatelně nefunkčního síťového zařízení. Tento způsob však nenízcela korektní a v případě komerční produkce je povinností zažádat u IEEE standardizačníasociace, která výrobci přidělí definovaný rozsah, který může používat a pod kterým budoujeho výrobky jednoznačně identifikovány.Obr. 2.7 - Pouzdra obvodu ENC28J60 a rozmístění pinů, podle [14]2.3.4 RJ45 konektor s oddělovacím transformátoremMetalické přenosové médium ethernetové sítě se od jednotlivých zařízení v ní připojenýchgalvanicky odděluje transformátory. V praxi se jedná o obvod, který integruje transformátorya další prvky. Zařazuje se mezi ethernetový řadič a konektor RJ45 používanýpro připojení k ethernetové síti. Z hlediska jednoduchosti návrhu zařízení se začaly produkovatkonektory RJ45 s oddělujícími transformátory. Běžně se nazývají MagJacky, avšaktoto označení má zaregistrováno společnost Bel Fuse Corporation, která je začala produkovatjako jedna z prvních. V současné době je na trhu celá řada těchto konektorů od čínskýchproducentů, kteří je většinou nazývají obligátním popisem - RJ45 modulární konektors pulsními transformátory apod. Typický vzhled konektoru a jeho vnitřní zapojení jeuvedeno na Obr. 2.8.23

Návrh hardwarové částiTypicky je MagJack kombinací zapojení více prvků. Patří mezi ně konektor RJ45, impedančněpřizpůsobené transformátory případně jiná magnetika specifická pro standardy sítí10Base-T, 100BaseTX a 1000Base-T. Některé jsou přizpůsobeny pro možnost napájení zařízenípo datových vodičích – Power Over Ethernet (PoE). Dále standardně obsahujírezistory, kompenzátor vysokého napětí a filtry, které potlačují souhlasné rušení. Volitelněmohou být v pouzdru integrovány signalizační diody.Obr. 2.8 - Vzhled MagJacku a jeho typické vnitřní zapojení, podle [15]:Použití MagJacků zjednodušuje návrh a zmenšuje velikost výsledného zařízení. Na trhuje široké spektrum těchto typů konektorů a je důležité při návrhu spojení s ethernetovýmřadičem respektovat rozložení jednotlivých vývodů, které není u všech modelů stejné.2.3.5 Ovládání silových svorekNásledující část textu kapitoly vychází z poznatků práce Projekt 2 uvedené jako zdroj[2].Pro ovládání silových svorek připojených spotřebičů nelze přímo použít výstupních pinůřídicího mikropočítače bez dodatečných součástí. Budeme-li uvažovat výstup pinu jako řídicísignál, pak potřebujeme zařízení, které umožní na základě logické úrovně daného pinusepnout nebo rozepnout silový kontakt. Možná je varianta použití výkonového tranzistorupříp. jiných výkonových zapojení tranzistorů. V tomto případě by bylo nutné dostatečně dimenzovatchlazení tranzistoru, a to podle velikosti spínané zátěže. Druhou poměrně jednoduchouvariantou je použití elektromagnetického relé se stejnosměrnou ovládací cívkou.Z hlediska uvažovaného spínání zátěží s odebíranými proudy do 10 A nebo do 16 A jenutné volit stejně dimenzovaná relé. Podle katalogů výrobců taková relé existují, ale nelzeje ovládat napěťovými úrovněmi, které poskytuje řídící mikropočítač na jednotlivých pi-24

Návrh hardwarové částinech. Proto je potřeba zvolit relé ovládaná vyšším napětím, což bude nutné respektovat přinávrhu napájení. Čím vyšší je spínací napětí ovládacích svorek, tím klesá protékaný proudovládacím vinutím. Pro ovládání stejnosměrným napětím 12 V se proudové odběry ovládacíchcívek pohybují řádově do 50 mA, výjimkou nejsou ale ani poloviční hodnoty. Podlepočtu ovládaných výstupů se nadimenzuje obvod, který bude realizovat napájení pro spínánírelé.Samostatné relé nelze přímo napojit k řídicímu mikroprocesoru. Prvním důvodem je nedostatečnénapětí logických úrovní, která daná relé nesepne, druhým pak potřeba proudupro sepnutí ovládacího vinutí. Ta většinou převyšuje možnosti mikroprocesoru. Relé jemožné ovládat mikroprocesorem pomocí tranzistoru ideálně typu MOSFET, který je řízenýpouze napětím. Další možností je použití obvodu pro spínání induktivní zátěže. Jedná seo integrovaný obvod, který obsahuje spínací tranzistor a další elektronické součástky. Tytoobvody jsou přímo připojitelné k mikroprocesoru a k ovládanému relé. Obsahují diodovouochranu ovládacího vinutí relé, kterou je nutné při použití samostatného tranzistoru řešitantiparalerně zapojenou diodou k ovládacím svorkám. Příklad zapojení obvodu spínání induktivnízátěže je uveden na Obr. 2.9. Jedná se o zapojení integrovaného obvoduNUD3112 výrobce ON Semiconductor a je ovladatelný napěťovými úrovněmi 3,3 V a 5 V.Určen je pro spínání 12 V relé.Obr. 2.9 - Zapojení obvodu pro spínání induktivní zátěže NUD3112, podle [16]Obvod NUD3112 se dodává v pouzdru pro povrchovou montáž SOT23, které má pouzetři kontakty. Ty jsou analogické k vnitřnímu zapojení použitého tranzistoru.25

Návrh hardwarové částiZ hlediska nedostupnosti obvodu NUD3112 na českém trhu bude zapojení pro ovládánírelé mikropočítačem realizováno následně pomocí zapojení běžných součástek podle Obr.2.10. Jelikož se zatím jedná o návrh vývojového modulu, bude toto zapojení plně dostačovat.Pro návrh cílového zařízení určeného pro sériovou výrobu však doporučuji použitíobvodu NUD3112, jehož zapojení je velmi robustní a odolné vůči obecnému elektromagnetickémurušení a tím zvýší celkovou odolnost zařízení jako celku. Při objednáníz webu výrobce (www.onsemi.com) činí cena za 1 ks 0,1867 US$ (květen 2012), nejednáse o nijak drahý obvod, který by bylo žádoucí nahrazovat ve finálním zařízení vlastním zapojením,ale pro návrh a realizaci vývojového modulu je jeho použití neekonomické, protožejak už bylo zmíněno, není českými dodavateli běžně nabízen.Obr. 2.10 - Zapojení pro ovládání relé mikropočítačem2.3.6 Galvanické oddělení sériové linkyPro správný a bezpečný provoz zařízení je nutné zajistit galvanické oddělení sériovékomunikace mezi měřicím modulem a řídicím mikropočítačem. Z poznatků kapitoly2.3.1.2 je zřejmé, že měřicí modul obsahuje galvanické oddělení napájecího napětí, nikolivvšak sériové komunikace. Galvanického oddělení sériové linky lze dosáhnout buďvhodným zapojením optočlenů, nebo pomocí oddělujících transformátorů. Společnost26

Návrh hardwarové částiMaxim ve svých dalších zapojeních používá dvoukanálové digitální transformátorové izolátoryurčené pro galvanické oddělení sériových komunikačních kanálů. Jedním zástupcemz těchto obvodů je ADUM1200 z produkce společnosti Analog Devices.Jedná se o izolátor realizující galvanické oddělení dvou kanálů sériových komunikačníchrozhraní, které komunikují podle standardů RS-232, RS485 a SPI. Podporuje odděleníkomunikací v logických úrovních 5 V, 3 V i ve smíšeném režimu. Dimenzovaný jepro komunikaci do rychlosti 25 Mbps na kanál. Mezi vstupem a výstupem dokáže po dobujedné minuty odolávat napětí 2,5 kV. Probíhající komunikaci neovlivní napěťové špičky dovelikosti 560 V. Odkazy na příslušné normy, podle kterých je ADUM1200 testován jsouuvedeny v jeho katalogovém listu, který je uveden jako zdroj [17] . Maximální rozsah teplotprostředí, kde je zajištěna správná funkce obvodu, je v rozsahu -40 °C až +105 °C. Vyrábíse pouze v pouzdru pro povrchovou montáž typu SOIC-8.Obr. 2.11 - Funkční blokové schéma obvodu ADUM1200, podle [17]Funkční blokové schéma je uvedeno na Obr. 2.11. Z něj vychází princip jeho zapojenímezí měřicí modul a řídicí mikropočítač. Jednotlivé strany k jednomu či druhému prvkumají vlastní napájení, které musí být také galvanicky odděleno.2.3.7 Obvody pro realizaci napájení jednotlivých větvíNapájení jednotlivých částí bude realizováno pomocí klasických tří-svorkových stabilizátorů.Napájecí 3,3 V větev se zrealizuje stabilizátorem LF33CV a 5 V stabilizátorem7805-STM. Jelikož je 12 V větev určená pouze pro spínání relé, není nutné ji stabilizovata prozatím lze využít předpokladu, že vývojový modul bude jako celek napájen 12 V adap-27

Návrh hardwarové částitérem.Stabilizátor LF33CV je dimenzován na proudové odběry do 1 A, stabilizátor 7805-STMpak na 1,5 A. Tím je zajištěna dostatečná proudová rezerva pro vývojový modul a umožníto napájení dalších obvodů, které se k modulu připojí při návrhu jiných zařízení naspolečném základu. Další specifikace a doporučené zapojení stabilizátorů je možné naléztv jejich katalogových listech, které jsou uvedeny jako zdroje pro LF33CV [18] a pro 7805-STM [19].2.4 Podrobné blokové schéma zapojeníZ výběru součástí a získaných poznatků z předchozích kapitol vychází podrobné blokovéschéma zapojení na Obr. 2.12. Na jeho základě je dále vytvořeno elektrotechnickéNapájecí zdroj12 VLF33CV3,3 V stabilizátor7805-STM5 V stabilizátorADUM1200Galvanické odděleníUARTATmega32AŘídicí mikropočítačSPIENC28J60Ethernetový řadičRJ45MagJackMěřicímodulAC-PMONLEDdiodySpínacíreléSilovésvorkyObr. 2.12 - Podrobné blokové schéma zapojení28

Návrh hardwarové částischéma zapojení. Blokové schéma principiálně znázorňuje propojení jednotlivých prvkůmezi sebou.2.5 Elektrotechnické schéma zapojeníNávrh zapojení elektrotechnického schématu a následně vzoru desky plošných spojů vyplýváz podrobného blokového schématu uvedeného na Obr. 2.12. Proveden je v programuEAGLE 6.1.0 společnosti CadSoft, který je dostatečně silným nástrojem pro kreslení elektrotechnickýchschémat a generování výstupních dat potřebných pro výrobu desekplošných spojů. Na základě dřívějších zkušeností s programem EAGLE jsem se rozhodl jejznovu použít.2.5.1 Zapojení napájecích obvodůPrvní část návrhu se věnuje zapojení napájecích obvodů. V kapitole 2.3.7 byly vybránynapěťové stabilizátory LF33CV pro 3,3 V napájecí větev a 7805-STM pro 5 V napájecí větev.Zapojení je realizováno na základě doporučeného použití podle katalogových listů výrobců,které jsou uvedeny jako zdroje [18] a [19]. Výstup stabilizátoru LF33CV je doplněnblokujícím kondenzátorem pro napájení Atmegy32A. Výstupy obou stabilizátorů a takéspolečné země jsou vyvedeny na kontaktní lišty, pomocí kterých je možné napájet externíObr. 2.13 - Zapojení napájecí částiobvody. Na 3,3 V části je připojená signalizační LED dioda D1. Elektrotechnické schéma29

Návrh hardwarové částizapojení napájecích obvodů je zakresleno na Obr. 2.13.2.5.2 Zapojení řídícího mikropočítače ATmega32ADalší fáze návrhu se zabývá zapojením řídícího mikropočítače ATmega32A. Elektrotechnickéschéma jeho zapojení je zakresleno na Obr. 2.14.Obr. 2.14 - Zapojení řídícího mirkopočítače ATmega32ANa svorky mikropočítače XTAL1 a XTAL2 je zapojený 16 MHz krystal Q1. Jeho použitínení nutné, ATmega32A má integrovaný RC oscilátor, avšak ten dokáže taktovat procesorna maximálně 8 MHz. Výběr mezi vnitřním a externím oscilátorem se nastavuje pomocífuse bitů mikropočítače. Napájení analogových obvodů mikropočítače je filtrovánopomocí LC článku složeného z cívky L1 a kondenzátoru C7. Referenční napětí pro ADpřevodník je možné pomocí propojky JUM1 spojit s 3,3 V napájecí větví nebo volit externíreference připojitelné do svorkovnice označené AREF.Pro komunikaci s ethernetovým řadičem jsou použity piny MISO, MOSI, SCK, SS30

Návrh hardwarové částia INT2. Piny MISO, MOSI a SCK se zároveň používají pro programování mikropočítačev zapojení (ISP) a jsou tedy na ISP konektor JP1. Při programování je vyžadováno, abybyla na pin reset přivedena logická nula, proto je reset pin také vyveden na ISP konektor.Při běžném běhu je resetovací pin připojen přes rezistor 10k na napájecí napětí, tím je naněj přivedena logická jednička. Tento pin má invertovanou logiku, proto je v logickéjedničce „neresetován“.Piny ADC0, ADC1 a ADC2 jsou vyvedeny na kontaktní lištu JUM4 a lze pomocí nichměřit elektrické napětí pomocí AD převodníku až do úrovně zvolené napěťové reference.Vývody SDA a SCL jsou použity pro realizaci I 2 C komunikační sběrnice. Ta má klidovéúrovně, kdy neprobíhá komunikace, definovány v logické jedničce, a to je dosaženo pomocí4k7 pull-up rezistorů připojených na 3,3 V napájecí větev. Oba vodiče sběrnice jsouvyvedeny na kontaktní lištu JUM2 se společnou komunikační zemí a tím je modul připravenpro připojení externích zařízení komunikujících po této sběrnici.2.5.3 Zapojení ethernetového řadiče ENC28J60 a MagJackuPřipojení ethernetového řadiče ENC28J60 k řídicímu mikropočítači je realizováno pomocívodičů INT, MISO, MOSI, SCK a SS. Všechny napájecí piny VDD řadiče jsou připojenyna napájecí větev 3,3 V a všechny piny VSS na společnou zem. Resetovací pin jepřipojen přes rezistor 3k3 na napájecí napětí. Pin RBIAS je připojen přes 2k rezistor naspolečnou zem. Na pin VCAP je proti zemi připojen elektrolytický kondenzátor o hodnotě10 uF. Zapojení součástek na piny RBIAS a VCAP vychází z doporučení uvedeného v katalogovémlistu řadiče ENC28J60 uvedeného jako zdroj [14].Řadič je taktován krystalem Q2 na frekvenci 25 MHz, který je připojen k vývodůmOSC1 a OSC2.Výstupy LEDA a LEDB pro signalizační diody stavu ethernetové komunikace jsou připojenyna MagJack, který tyto dvě diody obsahuje ve svém pouzdru. Katody LED diodjsou připojeny přes rezistory 220R na společnou zem a tím je dosaženo potřebného úbytkunapětí pro jejich rozsvícení.Piny TPOUT+ a TPOUT- jsou výstupem pro ethernetovou komunikaci a jsou spojenys kontakty TD+ a TD- MagJacku. Piny TPIN+ a TPIN- přijímají ethernetovou komunikaci31

Návrh hardwarové částiObr. 2.15 - Zapojení ethernetového řadiče ENC28J60 a MagJackua jsou spojeny s piny MagJacku RD+ a RD-. Rezistory R4, R5, R6, R7 mají hodnotu 51Ra kapacitory C11 a C12 10 nF. Tyto rezistory a kapacitory impedančně přizpůsobují zapojenířadiče ethernetové síti. Tento způsob zapojení je doporučen výrobcem řadiče v katalogovémlistu.2.5.4 Zapojení spínacího reléZapojení spínacího relé vychází z kapitoly 2.3.5 , ve které bylo navrženo zapojení proovládání relé mikropočítačem. Jeho připojení k mikropočítači je zakresleno na Obr. 2.16.Relé se ovládá řídícím mikropočítačem výstupem PB3. Použitý tranzistor BC547 je použitve spínacím režimu. Na bázi má připojen odporový dělič tvořený rezistory R17 a R18,který zajišťuje správné nastavení báze tranzistoru pro spínání výstupem mikropočítačea zároveň eliminuje „cvakání“ relé po zapojení modulu k napájecímu napětí, které bymohlo nastat a bylo by způsobeno inicializací mikropočítače po jeho zapnutí. Ovládacísvorky relé jsou chráněny proti indukovanému napětí při rozepnutí kontaktu antiparalerněpřipojenou univerzální diodou 1N4148. Silové svorky relé jsou vyvedeny do šroubovacíchsvorkovnic, které jsou na schématu označeny K1 a K2.32

Návrh hardwarové částiObr. 2.16 - Zapojení spínacího relé2.5.5 Galvanické oddělení sériové komunikace – zapojeníPro galvanické oddělení sériové linky mezi měřicím modulem a řídicím mikropočítačembyl v kapitole 2.3.6 vybrán izolátor ADUM1200. Jeho zapojení do obvodu je zakresleno naObr. 2.17.Obr. 2.17 - Zapojení izolátoru sériové linky ADUM1200Obvod ADUM1200 má dvojí napájení. Ze strany řídícího mikropočítače je napájen ze33

Návrh hardwarové částistejné 3,3 V větve. Z druhé strany je napájení přivedeno prvním a čtvrtým kontaktem konektoruJUM5. Pin INA je spojen s pinem TX mikropočítačem a je galvanicky oddělena vyveden na pin OUTA, který je připojen na druhý kontakt konektoru JUM5 a připojujese k přijímači měřicího modulu. Třetí kontakt konektoru JUM5 se připojuje k vysílači měřicíhomodulu a je přiveden na pin izolátoru INB. Izolátorem je galvanicky oddělen a vyvedenna pin OUTB, který je připojen k pinu přijímače mikropočítače RX.Pro případnou aplikaci vývojového modulu, ve které není zapotřebí galvanického oddělenísériové linky, je v zapojení k dispozici konektor JUM3 přímo spojený s piny RX a TXřídicího mikropočítače.2.5.6 Signalizační LED diodyPro účely ladění aplikace řídicího mikropočítače, případně pro demonstraci vzdálenéhoObr. 2.18 - Zapojení signalizačních LED diod k řídicímu mikropočítačispínání jsou do zapojení zařazeny signalizační LED diody. Z důvodu proudového zatěžovánířídicího mikropočítače nejsou k němu přímo připojeny. Anody LED diod D5 a D234

Návrh hardwarové částijsou připojeny k napájecí větvi 3,3 V. Na jejich katody jsou zapojeny rezistory R13 a R14o hodnotě 220R. Ty jsou připojeny ke kolektoru tranzistoru BC547 zapojeném ve spínacímrežimu. Emitory tranzistorů jsou pak připojeny na společnou zem. Bázové rezistory R15a R16 mají hodnotu 10k a jsou připojeny k pinům mikropočítače PB0 a PB1. Tím je zajištěnorozsvícení LED diody nastavením logické jedničky a zhasnutí LED diody nastavenímlogické nuly na příslušném pinu mikropočítače.35

Realizace hardwarové části3 Realizace hardwarové částiV předchozí kapitole byl proveden výběr jednotlivých součástí, bylo zakresleno podrobnéblokové schéma, ze kterého byly zakresleny elektrotechnická schémata jednotlivýchčástí zapojení. Ta poslouží pro zakreslení vodivých cest desek plošných spojů.3.1 Návrh desky plošných spojůDílčí elektrotechnická schémata zapojení jednotlivých částí obvodu uvedená v kapitole2.5 dávají dohromady celkové elektrotechnické schéma, které je uvedeno v příloze A. Nazákladě celkového elektrotechnického schématu zapojení je navržena deska plošných spojůstejně jako schéma v programu Eagle. Z těchto dat byl vygenerován vzor pro výrobu deskyplošných spojů – uveden v příloze B, ze kterého byla vyrobena deska plošných spojů. Dálebyl vygenerován osazovací plán, který je uveden na Obr. 3.1.Obr. 3.1 - Osazovací plán vývojového moduluDeska plošných spojů byla navržena jako jednovrstvá jednostranná s užitím čtyř drátovýchpropojek. Pro účely vývoje se tento model jeví jako dostačující.36

3.2 Osazení a oživení desky plošných spojůRealizace hardwarové částiOsazení plošného spoje součástkami uvedenými v příloze C je poměrně snadné a nevyžadujespeciální nástroje. Pro snadné osazování je vhodné mít při ruce vygenerovanýosazovací plán. Mírně obtížnější je osazení jediné součástky v SMD provedení, kterou jeADUM1200 a jako jediný se osazuje ze strany vodivých cest. Místo mikropočítače ATmega32Aa ethernetového řadiče ENC28J60 se osadí přesné patice, do kterých se následněoba obvody vloží. Řešení osazení mikropočítače do přesné patice je výhodné pro případyjeho zničení, kdy jej lze jednoduše vyjmout a nahradit jiným. Stále předpokládáme, že sejedná o vývojový modul, ve kterém mohou citlivé součástky trpět, případně chybou vývojářemohou být zcela poškozeny.Prvotní kontrola plošného spoje spočívá ve vizuální kontrole vyrobené desky se zaměřenímpředevším na vodivé cesty, které se nacházejí velmi blízko sebe. Vizuálně případněObr. 3.2 - Osazený vývojový modulza pomoci multimetru zkontrolujeme, zda nejsou blízké vodivé cesty spojené, případně zdanejsou nejslabší vodivé cesty „podleptány“ a tím pádem vodivě přerušeny. Pokud jsou vodivécesty v pořádku, je možné plošný spoj osadit podle osazovacího plánu. Před vložením37

Realizace hardwarové částimikropočítače a ethernetového řadiče je vhodné připojit k napájecí svorkovnici 12 V napájecízdroj a voltmetrem změřit, zda jsou na příslušných napájecích větvích odpovídajícívelikosti napětí. Je-li vše v pořádku, vložíme mikropočítač i ethernetový řadič do patica modul je připraven pro použití. Pro delší používání je nutné na stabilizátor 3,3 V větveLF33CV připevnit chladič, je potřeba dát pozor na fakt, že chladič je přes stabilizátor spojense společnou zemí vývojového modulu. Fotografie osazeného modulu je uvedena naObr. 3.2.38

Firmware pro řídící mikropočítač4 Firmware pro řídící mikropočítačVyrobený vývojový modul po zapnutí prozatím nevykonává žádné funkce, což je způsobenoabsencí programu, který by řídil použitý mikropočítač. Program mikropočítač má zajistitsprávnou komunikaci jak po ethernetovém rozhraní, tak komunikaci s měřicím modulem.Komunikace s měřicím modulem je možná pomocí sériové komunikace a rozhraníUART. Program bude implementovat dotazy, na které reaguje měřicí modul odeslání řetězces požadovanou hodnotou. Naprogramování ethernetové komunikace do řídicího mikropočítačenení snadnou záležitostí. Mikropočítač musí být schopen oboustranné komunikaces ethernetový řadičem, který zprostředkovává fyzické rozhraní ethernetovékomunikace. Samotná síťová komunikace včetně veškerých potřebných síťových protokolůse ošetřuje v mikropočítači. Následující podkapitoly se věnují tomuto problému takovýmzpůsobem, aby byl naplněn cíl práce.4.1 Úvod do programování mikropočítače ATmega32AText této kapitoly se věnuje základním předpokladům potřebným pro programovánímikropočítače ATmega32A. Text kapitoly 4.1 je s drobnými úpravami převzatý z bakalářsképráce uvedené jako zdroj [22], jejíž část se věnovala úvodu do programování mikropočítačeATmega8L. Oba mikropočítače jsou ze stejné produktové řady a způsob jejichprogramování se tedy neliší.Pro kódování programu mikropočítače je použit jazyk C. Zkompilování a naprogramovánímikropočítače se provádí pomocí volně dostupného balíku softwaru WinAVR[20] (pro platformu Windows), případně pomocí balíku AVRDude (pro platformu Linux,dostupný ve standardních repozitářích distribuce Debian).Programování mikropočítačů je obecně záležitostí práce s jejich registry. Některé registryslouží pouze pro nastavení jednotlivých rozhraní, jiné zase představují zásobníky prodata, která někam zapisujeme nebo odněkud čteme. Pomocí registrů se také povolují přerušenía provádí se jejich obsluha. Přerušení je metoda pro obsluhu asynchronních událostí.Mikropočítač při detekci přerušení (pozná se podle příznaků přerušení) přeruší vykonávánísledu instrukcí a provede obsluhu přerušení, po jejímž dokončení se vrací zpět do místa,kde byly vykonávané instrukce pozastaveny.39

Firmware pro řídící mikropočítačPro psaní firmwaru je k dispozici celá řada vývojových prostředí. Samotná společnostAtmel nabízí AVRStudio, dále existuje program CodeVision, který je vhodný hlavně proméně zdatné programátory případně pro situace, kdy je potřeba rychle připravit firmwaremikropočítače. Pomocí jeho grafického rozhraní si uživatel zvolí funkce, které mají býtmikropočítačem vykonávány, a CodeVision vygeneruje předpřipravený kód. Rozhodnutína výše uvedený software padlo hlavně z důvodu hardwarové nenáročnosti, platformovézastupitelnosti a také z důvodu možnosti použití nejjednoduššího programátoru pro paralelní(LPT) port počítače. Jedná se o ISP programátor, který využívá SPI rozhraní mikropočítačeATmega32A. Kompatibilní je s programátory označenými STK-200. Zapojeníprogramátoru je uvedeno na Obr. 4.1.Obr. 4.1 - Zapojení jednoduchého ISP programátoru, podle [21]WinAVR obsahuje překladač gcc, který je známý pod operačními systémy typu UNIX.Překlad se provádí velmi jednoduše, stačí mít sepsaný zdrojový kód, k němu sestavenýsoubor makefile, v příkazovém řádku je pak nutné se přepnout do pracovní složky.Příkazem make se provede kompilace a zobrazí se případné chyby a případná varování.Zároveň se s načtenými knihovnami přeloží kód do binární podoby, která se nahraje dopaměti programu mikropočítače. Překlad zdrojového kódu a programování se provádínajednou zavoláním příkazu make load. Naprogramování pomocí softwaru AVRDudev příkazové řádce OS Ubuntu 10.04 je ukázáno na Obr. 4.2.40

Firmware pro řídící mikropočítačObr. 4.2 - Programování AVR mikropočítačů řady ATmega, podle [22]4.2 Program pro mikropočítač ATmega32AProgram pro řídicí mikropočítač ATmega32A zajišťuje sériovou komunikaci s měřicímmodulem. Dále se stará o komunikaci po rozhraní SPI s ethernetovým řadičem ENC28J60.Ten zjednodušeně řečeno zpracovává komunikaci po ethernetové síti a převádí ji do sériovékomunikace po rozhraní SPI. Zajišťuje vrstvu fyzického rozhraní podle TCP/IP komunikačnímodelu. Všechny funkce vyšších vrstev modelu je nutné implementovat přímov mikropočítači. Kódování zcela nového programu, který by implementoval síťové komunikačníprotokoly je velmi náročným úkolem. Naštěstí existují předpřipravené programyimplementující vybrané protokoly, které se běžně označují jako TCP stacky. Jednímz těchto softwarů je balík programů nazývaný Ethersex.41

Firmware pro řídící mikropočítač4.2.1 Firmware ethersexEthersex je název pro modifikovatelný firmware určený pro síťovou komunikaci procesorůtypu AVR. Ethersex je možné volně používat i upravovat podle GNU GPL licence(GNU General Public Licence). Podporuje více ethernetových řadičů včetně použitého obvoduENC28J60. Implementuje celou řadu TCP/IP komunikačních protokolů, za zmínkustojí především pro naši aplikaci využitelné IPv4 i IPv6, HTTP, SNMP, Telnet, ICMP.Veškerý výčet možností firmwaru je možné nalézt v dokumentaci softwaru a na internetovýchstránkách projektu uvedených jako zdroj [23], kde je možné stáhnout balík veškerýchzdrojových kódů psaných v jazyce C.4.2.1.1 Konfigurace firmwaru ethersexPoužití firmwaru je v unixových operačních systémech bezproblémové, stačí jej nainstalovatz dostupných repozitářů a veškeré další podpůrné programy se na základě vazebdoinstalují. Pro použití v operačních systémech Windows je nutné doinstalovat sadu unixovýchprogramů pro Windows. Pro tyto účely je možné použít balík programů nazývanéhoCygiwin dostupného z internetových stránek projektu (http://www.cygwin.com).Po spuštění příkazové řádky a přepnutí do adresáře, ve kterém se nachází firmwareethersex, spustíme jednoduché grafické konfigurační menu příkazem „make menuconfig“.Základní úroveň menu je zobrazena na Obr. 4.3.Podmenu „Load a Default Configuration“ slouží pro výběr přednastavených parametrůkompatibilních vývojových modulů.Vstoupením do sekce „General Setup“ se konfiguruje zejména typ použitého mikropočítačea jeho taktovací frekvence. Volíme mikropočítač Atmega32 a frekvenci 16 MHz.V podmenu „Network“ se konfiguruje typ použitého ethernetového řadiče, nastavuje seMAC adresa, IP adresa. MAC adresu je možné automaticky vygenerovat. Jako IP adresuvolíme vybranou z privátních rozsahů např. 192.168.0.90. V této části konfigurace se takévybírá podpora skupin TCP, UDP, ICMP komunikačních protokolů.Položka menu „I/O“ je určena pro definici používaných vstupů a výstupů včetně dalšíchpodporovaných rozšíření. Prozatím je možné ponechat použití AD převodníku.V podmenu „Protocols“ se vybírají implementované protokoly a to včetně konkrétních42

Firmware pro řídící mikropočítačsíťových protokolů spadajících pod protokoly TCP a UDP. Zde vybíráme podporu protokoluSNMP.Obr. 4.3 - Základní úroveň konfiguračního menu firmwaru ethersexPod položkou „Applications“ se nachází výběr připravených aplikací, kterými má výslednýfirmware disponovat. Zde vybíráme podporu HTTP serveru.Po ukončení konfigurace v grafickém menu uložíme nastavení a dostaneme se zpět dopříkazové řádky. Zkompilování firmwaru se provede příkazem „make“. Pro jednoduchéa rychlé nahrávání zkompilovaného programu do mikropočítače byl do souboru makefiledopsán argument „load“ v následující podobě:load: ethersex.hexavrdude -p m32 -c stk200 -U flash:w:$

Firmware pro řídící mikropočítačlivých kanálů převodníků také dostupné pomocí SNMP dotazu. Pro vyčítání dat z měřicíhomodulu je nutné, aby SNMP dotaz, který se dotazuje na konkrétní hodnoty měřené měřicímmodulem, vyvolal sériovou komunikaci mezi mikropočítačem a měřicím modulem.Podle zdroje [25] byla provedena kontrola implementace a správného principu funkceSNMP protokolu ve verzi 1.Do stávající struktury obsluhy reakce na SNMP dotaz v souboru zdrojového kódusnmp.c byl přidán kód, který volá externí funkci, jejíž návratová hodnota je vyčtena z měřicíhoobvodu, a je datového typu long. Struktura kódu ošetřujícího SNMP dotaz je zachovánaa vychází z částí kódů, které ošetřují SNMP dotazy na hodnoty měřené ADpřevodníkem. Struktura OID identifikátoru je zachována z výchozích hodnot firmware a jerozšířena, aby bylo rozpoznatelné, že se jedná o patřičnou hodnotu. Současné nastavenístruktury dat je pokusné a je určeno pouze pro demonstraci správné funkce. Pro finálníprodukt je nutné jasně definovat MIB tabulku, která jednoznačně určuje strukturu dat.4.2.2 Komunikace mikropočítače s měřicím modulemPro základní komunikaci mikropočítače s měřicím modulem je napsána vlastní částzdrojového kódu firmwaru. Měřicí modul má nastavenou sériovou komunikaci napevnoa nelze jednoduše měnit. Rychlost komunikace je nastavena na 38 400 bps ve formátu 8-N-1. Rámec přenášených dat má strukturu 8 datových bitů, bez parity a s jedním stop bitem.Nastaveno je softwarové řízení toku XON/XOFF.Ošetření sériové komunikace je provedeno ve zdrojovém kódu v souboru usart.c. Zde jeošetřeno nastavení správného formátu komunikace. Měřicí modul má pro komunikacis okolím implementováno „rozhraní“ CLI (Command Line Interface). Měřicí modul reagujena definované řetězce, podle kterých modul vrací naměřené hodnoty. Veškeré posílanésekvence musí být potvrzeny znakem CR (Carriage Return – „návrat vozíku“). Podletoho modul rozpozná, že mu byl doručena celý řetězec, podle kterého reaguje. Seznam veškerýchdotazovaných řetězců je uveden v dokumentaci firmwaru měřicího modulu uvedenéhojako zdroj [24]. Pro další vývoj firmwaru bude vhodné celý seznam instrukcíimplementovat do hlavičkového souboru jako konstanty s jejich aliasy srozumitelnými proprogramátora. Prozatím je implementována sekvence „)06?“, na kterou měřicí modul reagujevrácením aktuálně naměřené efektivní hodnoty napětí. Komunikace po sériové lince44

Firmware pro řídící mikropočítačprobíhá v principu po jednotlivých znacích, které jsou reprezentovány jedním bajtem. Měřicímodul ukončuje vysílání znakem „>“, podle kterého se ukončí načítání řetězce mikropočítačem.Přijatá hodnota je překonvertována na datový typ long a vrácena SNMP rutině,která vyvolala požadavek na změření hodnoty.45

Ověření funkčnosti modulu5 Ověření funkčnosti moduluPo oživení vývojového modulu a nahrání zkompilovaného firmwaru do mikropočítačeje modul připraven k vyzkoušení, zda funguje podle předpokladů. Propojení s počítačem seprovede pomocí kříženého ethernetového kabelu. V počítači se na síťové kartě nastaví IPadresa z privátního rozsahu, ve kterém je IP adresa modulu. IP adresa modulu je192.168.0.90, na počítači nastavíme např. 192.168.0.1 s maskou podsítě 255.255.255.0.5.1 Ověření funkčnosti pomocí ARP protokoluNa Obr. 5.1 je uveden výpis příkazu „arp -a“, který vypisuje ARP tabulku síťových zařízeníve stejné podsíti. Uvedený výpis ARP tabulky dokazuje existenci zařízení s IP adresou192.168.0.90, které má MAC adresu 00:22:f9:01:0c:65. Při kontrole v konfiguraci firmwaruethersex zjistíme, že tato MAC adresa byla modulu nastavena.Obr. 5.1 - Ověření funkčnosti pomocí ARP protokolu5.2 Ověření funkčnosti pomocí ICMP protokoluPomocí ICMP protokolu a příkazu „ping“ je možné otestovat, zda zařízení připojenév síti reaguje na dotaz s požadavkem na odezvu. Pro ověření je použit příkaz „ping“ na IPadresu 192.168.0.90 posílaný v intervalu 0,01 s o velikosti 128 bajtů dat. Těchto dotazů jeve sledu posláno dvacet. Výpis příkazu z linuxové konzole je uveden na Obr. 5.2, ze kteréhoje zřejmé, že zařízení na ICMP dotaz reaguje. Zařízení odpovídá stabilně na veškeréodeslané dotazy a žádné se neztrácí, komunikace je tedy bez tzv. packet lossu. Doba meziodesláním dotazu a přijetím odpovědi od zařízení je v průměru 2,657 ms, což je bezproblémováhodnota.Pro zajímavost byla testována maximální rychlost komunikace pomocí ICMP protokolu46

Ověření funkčnosti modulurychlým odesíláním větších ICMP dotazů a bylo zjištěno, že modul při použití 16 MHzkrystalu je schopen obousměrné komunikace při rychlosti cca 75 kB/s.Obr. 5.2 - Ověření funkčnosti pomocí ICMP dotazu5.3 Ověření funkčnosti HTTP serveru a vzdáleného spínáníVe firmwaru ethersex byla vybrána možnost použití HTTP serveru, který je dostupný naportech 80 a 8080. Pomocí webového rozhraní je realizované vzdálené spínání jednotlivýchpinů mikropočítače. Na realizovaném vývojovém modulu jsou připojeny LED diodyk pinům z portu B s pořadovými čísly 0 a 1. Třetím pinem portu B je ovládáno silové relé,které slouží pro demonstraci vzdáleného spínání elektrických spotřebičů. Vypnutí příp. zapnutíse provádí zaškrtnutím případně odškrtnutím zaškrtávacího pole. Ve sloupci DDR sevolí zda je daný pin vstupem nebo výstupem, sloupec PIN pak ukazuje bez ohledu na směrjeho aktuální stav. Pomocí zaškrtávacích polí ve sloupci PORT pak je možné nastavovatlogickou úroveň na daném pinu a tím tedy spínat nebo vypínat LED diody a relé. Webovástránka pro ovládání pinů je zobrazena na Obr. 5.3. Další možnosti webserveru jsou ob-47

Ověření funkčnosti modulurazově dokumentovány v příloze D.Obr. 5.3 - Ovládání pinů pomocí HTTP serveru5.4 Ověření funkčnosti pomocí SNMP protokoluVyčítání naměřených hodnot je realizováno pomocí SNMP protokolu. Na Obr. 5.4 jeObr. 5.4 - Reakce modulu na SNMP dotazuveden výpis z linuxové konzole příkazu „snmpwalk“, který se pomocí SNMP protokolu48

Ověření funkčnosti moduludotazuje podle definované struktury zařízení. Odpověď SNMP dotazu obsahuje informaceo daném zařízení (název, kontakt na provozovatele, umístění) a dále vyčtené hodnotyz jednotlivých kanálů AD převodníku a vyčtenou hodnotu měření napětí z měřicího modulu.5.5 Stanovení přesnosti zařízeníRealizovaný vývojový modul se pro měření spotřeby elektrické energie spojuje s měřicímmodulem AC-PMON, který je vývojovým modulem společnosti Maxim založeným naměřicím obvodu Teridian 78M6612, který dle specifikace výrobce měří činný výkon s nepřesností±0,5 %. Jelikož je měřicí obvod použitý v měřicím modulu AC-PMON, lze předpokládat,že se měřená hodnota bude pohybovat ve výše uvedených tolerancích. Komunikačnímodul vyčítá z měřicího modulu měřené veličiny v digitální formě a měřeníkomunikačním modulem nemůže být zkresleno. Jiná situace nastane až po realizaci finálníhoproduktu, který bude na jedné desce plošných spojů obsahovat jak komunikační,tak měřicí část zařízení. Pro ověření bude potřeba poměrně přesných referenčních měřidel,jelikož samotný měřicí obvod měří s poměrně vysokou přesností. Ověření přenosnosti zařízeníbude také časově náročné, protože bude nutné zařízení ověřovat měřenými zátěžemi,které budou mít jak induktivní, tak kapacitní charakter. Z výše uvedených důvodů nebyloověření přesnosti zařízení zatím provedeno, avšak po realizaci finálního produktu bude nezbytné.49

Další úpravy vedoucí k realizaci cílového zařízení6 Další úpravy vedoucí k realizaci cílovéhozařízeníTato kapitola se věnuje shrnutí současné připravenosti zařízení pro realizaci cílovéhozařízení a shrnuje další potřebné úkony, které povedou k jeho realizaci.Z hlediska hardwarové části je současná realizovaná varianta velmi dobře připravena.Pro další práci na zařízení je možné převzít navržené zapojení. Pro minimalizaci velikostise návrh převede do SMD provedení. Realizované zapojení vykazuje velmi dobrou stabilitua princip zapojení není nutné nijak zvlášť upravovat.Základem firmwaru mikropočítače je konfigurovatelný firmware ethersex. Pro vyčítánínaměřených hodnot je implementován protokol SNMP. Pro měření veškerých potřebnýchveličin bude nutné doimplementovat celou instrukční sadu měřicího modulu. Jako dalšívhodná úprava se jeví pravidelné vyčítání dat z měřicího modulu a jejich ukládání s časovouznámkou do EEPROM paměti. Vyčítání hodnot pomocí SNMP by pak nespouštělorutinu sériové komunikace, ale pouze by převzalo již naměřenou hodnotu uloženouv paměti. Tím se dosáhne částečné nezávislosti na stabilitě připojení k ethernetové síti.Další možnou úpravou je spínání připojených spotřebičů pomocí SNMP protokolu a jehofunkce write. Tento způsob je však zatím v řešení a probíhá diskuze, zda ovládání pomocíHTTP serveru je dostatečná i z toho hlediska, že HTTP protokol je z rodiny TCP protokolůa je tedy spolehlivý. Protokol SNMP je standardně z rodiny UDP protokolů, které se označujíjako nespolehlivé. Další úpravou projdou webové stránky zobrazované HTTP serverem,zde ale záleží pouze na přání uživatele produktu, jaké funkcionality bude powebových stránkách zařízení požadovat.50

ZávěrZávěrVstupní myšlenkou pro tuto diplomovou práci byla možnost využití ethernetového rozhranípro vzdálené měření a ovládání elektrických spotřebičů. Zařízení disponující tímtorozhraním mohou být snadno připojitelná k celosvětové síti Internet a tím umožní vzdálenousprávu a dohled prakticky z celého světa. Vyčítané údaje lze zpracovávat centrálněbez ohledů na umístění jednotlivých prvků systému. Další motivací pro tuto práci byl fakt,že se obdobná zařízení běžně nevyskytují, respektive vyskytují, ale ve většině případů sejedná o použití zařízení vybavených jinými komunikačními rozhraními, které jsou následněpřevodníkem převedeny na ethernetové rozhraní.Po provedení základního rozboru zadané problematiky byl proveden návrh a realizacečásti zařízení, na jejímž základě je možné postavit cílové zařízení. Práce se zabývá výběrempotřebných součástí a jejich fyzickým propojením.Návrh hardwarové části byl proveden ve formě vývojového modulu, který umožní realizacizamýšleného cílového zařízení. Forma realizace je ale vhodná i pro návrhy dalšíchprvků měřicích příp. řídicích systémů, které lze aplikovat v inteligentních budovách. Základnímisoučástmi modulu jsou řídicí mikropočítač ATmega32A a ethernetový řadič EN-C28J60 doplněný RJ45 konektorem s integrovanými magnetickými obvody. Pro měřeníelektrických veličin byl použit měřicí modul AC-PMON, který je spojen s řídicím mikropočítačempomocí galvanicky oddělené sériové linky. Pro spínání zátěže má zařízeník dispozici elektromagnetické relé.Základem softwaru pro ATmegu32A je konfigurovatelný firmware ethersex. Pomocí nějje realizováno ovládání relé přes webové rozhraní a vyčítání hodnot z měřicího modulu pomocíprotokolu SNMP. Po nahrání zkompilovaného firmwaru do řídicího mikropočítačebylo provedeno ověření funkčnosti zařízení postupně pomocí ARP, ICMP, HTTP a SNMPprotokolů, které bylo úspěšné.Poslední kapitola této práce se věnuje shrnutí dosažených výsledků. Zabývá se dalšímipotřebnými úkony, za pomoci kterých bude možné z realizovaného základu vyvinout finálníprodukt.Výstupem praktické části této diplomové práce je vývojový modul, který lze spojit s vy-51

Závěrbraných měřicím modulem. Program pro ATmegu32A je založen na upraveném firmwaruethersex a umožňuje především vyčítání změřených hodnot pomocí SNMP protokolua ovládání spínacího relé pomocí webové stránky uložené na HTTP serveru modulu. Praktickévyužití vývojového modulu lze předpokládat pro vývoj dalších zařízení pro měřicípřípadně řídící aplikace. Současně se může stát praktickou pomůckou pro výukové účelyřešené problematiky.52

Seznam použité literatury a zdrojů[1] HONOSEK, Jan. Vzdálené měření spotřeby elektrické energie v inteligentníchbudovách. Praha, 2011. Projekt 1. ČVUT, FEL.[2] HONOSEK, Jan. Vzdálené měření a ovládání spotřebičů elektrické energie pomocírozhraní ethernet (Measure & manage box). Praha, 2012. Projekt 2. ČVUT, FS.[3] Produktový list elektroměru DHZ 5/63 M-Bus. KRALgroup [online]. 2012 [cit.2012-05-01]. Dostupné z: www.kralgroup.cz/zc/pdf/DHZ-5-63-M-bus-PTB_Nc.pdf[4] Produktový list elektroměru E1S-PLC. Modemtec [online]. 2012 [cit. 2012-05-01].Dostupné z: www.modemtec.cz/documents/Jednofazovy-72dpi_1207897767.pdf[5] Katalogový list zařízení ZBS-110V2. Pikkerton [online]. 2012 [cit. 2012-05-01].Dostupné z: http://www.pikkerton.com/_mediafiles/80-datasheet-zbs-110v2.pdf[6] Produktový list analyzátoru Shark100. Electro Industries/GaugeTech [online]. 2009[cit. 2012-05-01]. Dostupné z:http://www.electroind.com/pdf/04_28_11_pdf/E145702_Shark100.pdf[7] Katalogový list modulu SBL2e 100 and 200. NetBurner [online]. 2011 [cit. 2012-05-01]. Dostupné z:http://www.netburner.com/downloads/sbl2e/Datasheet-SBL2e-100&200IR.pdf[8] Katalogový list modulu XPort. Lantronix [online]. 2012 [cit. 2012-05-01]. Dostupnéz: http://www.lantronix.com/pdf/XPort_DS.pdf[9] Katalogový list modulu XT-Nano-XXL. AK-NORD [online]. 2012 [cit. 2012-05-01].Dostupné z: http://www.ak-nord.de/en/daten/brochure_xtnano_xxl.pdf[10] Katalogový list obvodu 78M6612. Maxim-IC [online]. 2012 [cit. 2012-05-01].Dostupné z: http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/78M6612.pdf[11] AC-PMON Evaluation Board User Manual. Maxim-IC [online]. 2012 [cit. 2012-05-01]. Dostupné z: http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/78M6612-EVM-1.pdf[12] Atmel Corporation [online]. 2012 [cit. 2012-05-01]. Dostupné z:http://www.atmel.com/[13] Katalogový list mikropočítače Atmel ATmega32A. Atmel Corporation [online]. 2012[cit. 2012-05-01]. Dostupné z: www.atmel.com/Images/doc8155.pdf[14] Katalogový list řadiče ENC28J60. Microchip [online]. 2009 [cit. 2012-05-01].Dostupné z: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39662c.pdf[15] MagJack® ihned a za babku. In: PETRŽELKA, Vít. HW.cz [online]. 2006 [cit.2012-04-30]. Dostupné z: http://www.hw.cz/soucastky/magjackr-ihned-a-zababku.html[16] Katalogový list obvodu NUD3112. ON Semiconductors [online]. 2012 [cit. 2012-05-01]. Dostupné z: http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NUD3112-D.PDF[17] Katalogový list obvodu ADUM1200. Analog Devices [online]. 2012 [cit. 2012-05-01]. Dostupné z:http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADuM1200_1201.pdf[18] Katalogový list stabilizátoru LF33CV. STMicroelectronics [online]. 2012 [cit. 2012-05-01]. Dostupné z: http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/53

TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000546.pdf[19] Katalogový list stabilizátoru 7805. STMicroelectronics [online]. 2012 [cit. 2012-05-01]. Dostupné z:http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000444.pdf[20] WinAVR [online]. 2012 [cit. 2012-05-01]. AVR-GCC for Windows. Dostupnéz WWW: http://winavr.sourceforge.net/.[21] Robotika.cz [online]. 2005 [cit. 2012-05-01]. Blikáme LEDkou (Robotika.cz >Guide). Dostupné z WWW: , na přil. CD.[22] HONOSEK, Jan. Vzdálené měření elektrických veličin pomocí rozhraní ethernet.Praha, 2010. Bakalářská práce. ČVUT, FEL.[23] Ethersex.de [online]. 2012 [cit. 2012-05-07]. Dostupné z: http://ethersex.de/[24] 6612_OMU_S2_URT_V1_13, Firmware Description Document. Maxim-IC [online].2009 [cit. 2012-05-10]. Dostupné z: http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN4737.pdf[25] STALLINGS, William. SNMP, SNMPv2, and CMIP: the practical guide to networkmanagementstandards. Reading, Mass.: Addison-Wesley Pub. Co., c1993, 625 s.ISBN 02-016-3331-0.54

Seznam obrázkůObr. 1.1 - Elektroměr DHZ 5/63-M-Bus, podle [3]...............................................................7Obr. 1.2 - Elektroměr E1S – PLC, podle [4]..........................................................................8Obr. 1.3 - ZBS-110V2, podle [5]...........................................................................................9Obr. 1.4 - Shark 100, podle [6].............................................................................................10Obr. 1.5 - Modul NetBurner SBL2e-100IR, podle [7].........................................................12Obr. 1.6 - Modul NetBurner SBL2e-200IR, podle [7].........................................................12Obr. 1.7 - Lantronix XPort, podle [8]...................................................................................12Obr. 1.8 - Modul XT-Nano, podle [9]..................................................................................13Obr. 2.1 - Základní blokové schéma, podle [2]....................................................................15Obr. 2.2 - Blokové schéma obvodu Teridian 78M6612, podle [10]....................................17Obr. 2.3 - Měřicí modul AC-PMON....................................................................................18Obr. 2.4 - ATmega32A - pouzdra a rozmístění vývodů, podle [13]....................................20Obr. 2.5 - ATmega32A - blokové schéma vnitřního zapojení, podle [13]...........................21Obr. 2.6 - Spojení obvodu ENC28J60 s řídicím mikroprocesorem a ethernetovou sítí, podle[14].......................................................................................................................................22Obr. 2.7 - Pouzdra obvodu ENC28J60 a rozmístění pinů, podle [14].................................23Obr. 2.8 - Vzhled MagJacku a jeho typické vnitřní zapojení, podle [15]...........................24Obr. 2.9 - Zapojení obvodu pro spínání induktivní zátěže NUD3112, podle [16] ..............25Obr. 2.10 - Zapojení pro ovládání relé mikropočítačem......................................................26Obr. 2.11 - Funkční blokové schéma obvodu ADUM1200, podle [17] ..............................27Obr. 2.12 - Podrobné blokové schéma zapojení...................................................................28Obr. 2.13 - Zapojení napájecí části.......................................................................................29Obr. 2.14 - Zapojení řídícího mirkopočítače ATmega32A..................................................30Obr. 2.15 - Zapojení ethernetového řadiče ENC28J60 a MagJacku....................................32Obr. 2.16 - Zapojení spínacího relé......................................................................................33Obr. 2.17 - Zapojení izolátoru sériové linky ADUM1200...................................................33Obr. 2.18 - Zapojení signalizačních LED diod k řídicímu mikropočítači............................34Obr. 3.1 - Osazovací plán vývojového modulu....................................................................36Obr. 3.2 - Osazený vývojový modul....................................................................................37Obr. 4.1 - Zapojení jednoduchého ISP programátoru, podle [21]........................................40Obr. 4.2 - Programování AVR mikropočítačů řady ATmega, podle [22]............................41Obr. 4.3 - Základní úroveň konfiguračního menu firmwaru ethersex..................................43Obr. 5.1 - Ověření funkčnosti pomocí ARP protokolu........................................................46Obr. 5.2 - Ověření funkčnosti pomocí ICMP dotazu...........................................................47Obr. 5.3 - Ovládání pinů pomocí HTTP serveru..................................................................48Obr. 5.4 - Reakce modulu na SNMP dotaz..........................................................................48Obr. I - Elektrotechnické schéma zapojení modulu.............................................................56Obr. II - Vrstva vodivých cest plošného spoje vývojového modulu....................................57Obr. III - Osazovací plán vývojového modulu.....................................................................57Obr. IV - Úvodní stránka webového rozhraní zařízení.......................................................61Obr. V - Ovládaní výstupů a sledování vstupů mikropočítače webovým rozhraním..........61Obr. VI - Měření kanálů AD převodníku pomocí webového rozhraní................................62Obr. VII - Konfigurace síťového nastavení pomocí webového rozhraní.............................6255

Příloha A – Elektrotechnické schéma moduluObr. I - Elektrotechnické schéma zapojení modulu56

Příloha B – Výkresy desky plošných spojůObr. II - Vrstva vodivých cest plošného spoje vývojového moduluObr. III - Osazovací plán vývojového modulu57

Příloha C – Rozpis součástekSoučástka Hodnota PouzdroC1 100nF C5B3C10 10uF C-EL_5C11 10nF C5B3C12 10nF C5B3C13 0,33uF E1,8-4C14 1uF E2-5C15 100nF C5B3C16 100nF C5B3C2 100nF C5B3C3 2,2uF C-EL_2,5C4 22pF C5B3C5 22pF C5B3C6 100nF C5B3C7 100nF C5B3C8 22pF C5B3C9 22pF C5B3D1 LED LED_3D2 LED LED_3D3 1N4148 D-7,5D5 LED LED_3IC1 AT24CP DIL08IC1 precizní patice DIL08IC2 MEGA32-P DIL40IC2 precizní patice DIL40IC3 ADUM1200-SOIC8 SOIC08IC4 7805TV TO220VJP1 ISP konektor na plochý kabelJP1 ISP JP5QJUM1 AREF S1G3_JUMJUM2 I2C S1G3_JUMJUM3 TX/RX S1G2_JUMTab. A - Rozpiska součástek58

Součástka Hodnota PouzdroJUM3 TX/RX S1G2_JUMJUM4 AD S1G3_JUMJUM5 RX/TX IZOLJUM6 5 V S1G4_JUMJUM7 GND S1G4_JUMK1 OUT ARK500/2K2 IN ARK500/4K3 NAP ARK500/2L1 10uH 0207/10L2 10uH 0207/10PW1 3,3V 05PPW2 GND 05PQ1 7.3728MHz QSQ2 25MHz QSR1 10k 0207/10R10 4k7 0207/10R11 4k7 0207/10R12 220R 0207/10R13 220R 0207/10R14 220R 0207/10R15 10k 0207/10R16 10k 0207/10R17 10k 0207/10R18 4k7 0207/10R2 3k3 0207/10R3 2k 0207/10R4 51R 0207/10R5 51R 0207/10R6 51R 0207/10R7 51R 0207/10R8 220R 0207/10Tab. B - Rozpiska součástek59

Součástka Hodnota PouzdroR9 220R 0207/10REL1REL_G5V2#PaJa_92T1 BC547 TO92T2 BC547 TO92T3 BC547 TO92U$1 LF33CV TO220SU1 precizní patice DIL28-3 úzkáU1 ENC28J60-DIL DIL28-3X2 SI-50170 SI-50170Tab. C - Rozpiska součástek60

Příloha D – Další možnosti webserveru zařízení – obrazová dokumentaceObr. IV - Úvodní stránka webového rozhraní zařízeníObr. V - Ovládaní výstupů a sledování vstupů mikropočítače webovým rozhraním61

Obr. VI - Měření kanálů AD převodníku pomocí webového rozhraníObr. VII - Konfigurace síťového nastavení pomocí webového rozhraní62

Příloha E – Obsah přiloženého CDdp_2012_honosek_jan.pdftext diplomové práce ve formátu PDF/firmware/obr/overeni/plosny_spoj/foto/osazovaci_plany/projekt/vzorzdrojový kód firmwarupoužité obrázkyobrazová dokumentace vytvořená pro ověřenífunkčnosti zařízenífotografie osazeného moduluosazovací plány DPSnavržené schéma a DPS v programu Eaglevzor pro výrobu DPS ve formátu PNG/projekty texty prací Projekt 1 a Projekt 2/zdroje_datasheetykatalogové a produktové listy modulů a obvodů63