Jak zaprojektować i debugować niestandardowy system master-slave I2C?

10

Jak postępować, gdy potrzebujesz niestandardowego systemu master-slave I2C?

Jakie kryteria projektowe należy zastosować?

Jakich narzędzi do debugowania można użyć do rozwiązywania problemów?

motor i2c rotary-encoder drone debug Igor Stoppa
źródło
To jest pytanie referencyjne. Usunąłem kilka komentarzy, które uczyniły to mniej oczywistym. (Na pytanie pytający odpowiada).
Nick Gammon

Odpowiedzi:

10

W tym samouczku, który prowadziłem na konferencji Embedded Linux Conference, próbowano odpowiedzieć na pytania, podając linki do bardziej szczegółowego opisu poruszanych tematów i wykorzystując praktyczny przykład prowadzenia drona 4WD, w którym Arduino Mini Pro działa jako niewolnik i kontroluje 4 niezależne koła . Oryginalny dokument można znaleźć tutaj .

Uwaga: Ta odpowiedź jest obecnie w toku, ponieważ dostosowuję podświetlenia z linku.

Typowe zastosowania magistrali I2C

  • Współpraca ze stosunkowo wolnymi urządzeniami peryferyjnymi. Np .: czujniki, siłowniki mechaniczne.

  • Kontrolowanie „szybkich” urządzeń peryferyjnych, które wykorzystują inne kanały do ​​wymiany danych. Np .: kodeki.

    W komputerze system operacyjny zwykle współpracuje przez I2C z:

    • mierniki temperatury i napięcia akumulatora;
    • sterowniki prędkości wentylatora;
    • kodeki audio.

W przypadku, gdy dostępnych jest wiele kontrolerów magistrali, urządzenia peryferyjne są pogrupowane według prędkości, dzięki czemu szybkie nie są karane przez wolniejsze.

Szybkie wprowadzenie do magistrali I2C - najważniejsze cechy

  • Autobus szeregowy.
  • Tylko 2 linie: Serial CLock i Serial DAta (plus masa).
  • 4 prędkości: 100 kHz, 400 kHz, 1 MHz, 3,2 MHz.
  • Zazwyczaj 1 urządzenie nadrzędne i 1 lub więcej urządzeń podrzędnych.
  • Komunikacja jest zawsze inicjowana przez urządzenie nadrzędne.
  • Wielu masterów może współistnieć na tej samej magistrali (multi-master).
  • Otwarty odpływ: zarówno SDA, jak i SCL wymagają rezystorów podciągających.
  • „Rozciąganie zegara”
    • Master kontroluje SCL, ale niewolnik może go przytrzymać (ponieważ otwarty odpływ), jeśli musi wyregulować prędkość.
    • Kapitan musi sprawdzić ten scenariusz.
    • Niewolnik może utknąć i zablokować magistralę: potrzeba zresetowania linii z mastera do slave.
  • Zazwyczaj obsługiwane jest adresowanie 7-bitowe, ale także 10-bitowe.
  • Protokół logiczny: rzeczywiste poziomy napięcia nie są określone i zależą od poszczególnych implementacji. Np .: 1,8 V / 3,3 V / 5,0 V.

Referencyjne adresy URL:

Przykład konfiguracji magistrali

Przykład konfiguracji magistrali

Charakterystyka protokołu (uproszczony)

  • 2 typy wiadomości: odczyt i zapis
  • Bit Start / Stop - reprezentowany jako „[” i „]” w pozostałej części odpowiedzi
  • Adres: 7 lub 10 bitów
  • R / W bit: R = 1 / W = 0 Służy do rozróżnienia typu wysyłanej wiadomości.
  • Dane w autobusie: (Adres << 1 | R / W)
  • Rejestruje się jako moduły obsługi informacji w wybranym urządzeniu.

Przykład ruchu autobusowego

Przykład ruchu autobusowego Przykład cyklu zapisu magistrali Przykład cyklu odczytu magistrali Część 1 Przykład cyklu odczytu magistrali Część 2

Custom Slaves

Po co tworzyć niestandardowe urządzenia podrzędne I2C?

  • Żądany czujnik / aktuator niedostępny z interfejsem I2C.
  • Dostępnych jest mniej unikalnych adresów niż potrzebne urządzenia slave.
  • Pożądana niestandardowa funkcjonalność w slave:
    • Półautonomiczne reakcje na bodźce.
    • Filtrowanie / wstępne przetwarzanie danych wejściowych.
  • Optymalizacja mocy: niestandardowe „centrum czujników” wykonuje prace porządkowe, gdy główny procesor jest bezczynny.
  • Reakcja w czasie rzeczywistym na dane wejściowe.
  • [twoja wyobraźnia tutaj]

Jak zaprojektować niestandardowy slave I2C?

  • Zdefiniuj wymagania (patrz poprzedni slajd).
  • Wybierz mikrokontroler lub mikroprocesor.
  • Wybierz program planujący lub system operacyjny (jeśli istnieje).
  • Zdefiniuj pod-protokół komunikacji:
    • Zdefiniuj parametry i polecenia do wymiany.
    • Uporządkuj je w „rejestrach” i wybierz bezpłatny adres.

Projekt I2C Master

Kluczowe kryteria projektowe:

  • Waga / wymiary
  • Wymagana moc obliczeniowa i średnie opóźnienie.
  • Urządzenie typu PC
    • Wbudowane urządzenie, zwykle bezgłowe.
    • Preferowany język programowania: interpretowany a skompilowany.
  • Dostępność autobusów / GPIO do kierowania niewolnikami:
    • Tylko GPIO: protokół bitbang
    • I2C: aplikacja w przestrzeni użytkownika a sterownik jądra.
    • Brak dostępnych interfejsów GPIO / I2C: adapter USB na I2C.

Debugowanie: Dziel i rządź

Przejmij bezpośrednią kontrolę nad autobusem za pomocą urządzenia ad-hoc. Przykłady:

  • Bus Pirate (przydatny również w innych autobusach)
  • Adapter USB na I2C Master, również oparty na układzie FTDI FT232R.
  • Urządzenie niestandardowe (może być osobnym projektem).

  • Szpieguj magistralę za pomocą analizatora logicznego lub miernika zakresu / zaawansowanego. Przykłady:

    • sigrok / pulsview z kompatybilnym analizatorem logicznym
    • 2-kanałowy samodzielny zakres / miernik

    • Użyj specyficznego dla urządzenia podrzędnego debugera / emulatora obwodu.

      Przykład: AVR Dragon dla układów AVR (Arduino UNO, Nano, Mini, MiniPro)

BUS Pirate

Bus Pirate

  • Głównie do celów programistycznych.
  • Może zarówno wąchać autobus, jak i jeździć nim.
  • Interfejs konsoli przez port szeregowy (ttyACM), w tym makra lub programowy dostęp dla kilku języków programowania.
  • Wbudowane rezystory pullup i źródła napięcia (5 V / 3,3 V)
  • Obsługuje wiele innych protokołów.
  • Odniesienia: Wikipedia , strona główna

Adapter USB na I2C

usbtoi2c

  • Mały ślad.
  • Nadaje się do stałych instalacji.
  • Nie ma potrzeby specjalnych połączeń na hoście: można go użyć do połączenia z typowym komputerem PC.
  • Dostępny wariant, który obsługuje również SPI.
  • Brak interfejsu konsoli, tylko szeregowy protokół binarny.
  • Wymaga opakowania protokołu .
  • Odniesienie: protokół

Sigrok i pulsview

logo sigrok (komponent bakend)

sigrok

przykład impulsu (wizualizatora)

pulsview

Przykład analizatora logiki niskiej klasy

saleae

  • De facto standard dla pomiarów opartych na PC na Linuksie (ale dostępny również w innych systemach operacyjnych).
  • Obsługa szerokiej gamy analizatorów logicznych, zakresów i mierników.
  • Różne dekodery protokołów, w tym I2C.
  • Przydatne do wizualizacji sygnałów logicznych i błędów protokołu debugowania.
  • Nawet bardzo niski poziom, niedrogi sprzęt może zapewnić zupełnie nowy wymiar debugowania.
  • Odniesienia: sigrok , pulsview , obsługiwany sprzęt

Przykład: sterowanie dronem 4WD

Prototyp zbudowany przy użyciu 2 Arduino Mini Pro. Warkot

Co niewolnik robi w tym przykładzie?

Slave I2C:

  • Kontroluje wielkość momentu obrotowego przykładanego do każdego koła.
  • Kontroluje kierunek obrotów każdego koła.
  • Mierzy prędkość obrotową każdego koła za pomocą enkodera optycznego (licznik przebiegu).
  • Udostępnia powyższe parametry w I2C Master.

Rola niewolników

Schemat blokowy wysokiego poziomu urządzenia I2C Slave.

Wybór Slave: Arduino Mini Pro

MiniPro

  • Wystarczająca liczba pinów / funkcji dla każdego koła:
    • 1 wyjście PWM z niezależną konfiguracją cyklu pracy.
    • 1 GPIO do rejestracji wejścia licznika kilometrów jako IRQ.
    • 2 GPIO do wyboru:
      • Naprzód
      • Odwrócić
      • Bezczynny
      • Zamek
  • Blok I2C HW do sterowanych przerwaniami wymian i2c.
  • Dedykowane piny do programowania opartego na SPI.
  • Mały ślad.
  • Niska cena.
  • Układ płytki klonu przedstawionego na zdjęciu jest zoptymalizowany do montażu na gnieździe DIL.

ICD specyficzne dla slave'a: AVR Dragon

AVR Dragon

Wybór systemu operacyjnego: ChibiOS

ChibiOS

  • RTOS: pierwszeństwo, zadania, semafory, dynamiczny tik systemowy itp.
  • Mały ślad: link wykorzystuje tylko kod / dane.
  • Rozróżnienie między RTOS i BSP przez HAL.
  • GPLv3 do użytku niekomercyjnego.
  • Aktywnie rozwinięty, ale już dojrzały.
  • Obsługuje 8-bitowy AVR.

Jednak miał ograniczoną obsługę BSP dla AVR, brak: - przerywa sterownik dla AVR GPIO (dodano). - Obsługa I2C dla trybu podrzędnego AVR (niestandardowe). Które musiały zostać opracowane osobno jako część oprogramowania Drone SW dla AVR .

Definiowanie parametrów komunikacji

Dla każdego koła:

  • Cykl roboczy sygnału PWM użytego do jego sterowania - 1 bajt. 0xFF = maksymalny moment obrotowy / 0x00 = brak momentu obrotowego.

  • Kierunek obrotu - 1 bajt.

    • 0x00 = bezczynny
    • 0x01 = wstecz
    • 0x02 = naprzód
    • 0x03 = zablokowany

  • Średni okres między szczelinami enkodera optycznego - 2 bajty.

    • Pisanie czegokolwiek resetuje pomiar.

  • Indeks parametrów - 1 kęs:

    • 0 = cykl pracy
    • 1 = Kierunek
    • 2 = średni okres

  • Indeksy kół - 1 ostry:

    • 0 = lewy tył
    • 1 = prawy tył
    • 2 = prawy przód
    • 3 = lewy przód
    • 4 = wszystkie

Sub protokół: Definiowanie rejestrów

Format rejestru: 0xαβ - α = indeks parametru - β = indeks koła

Adres (wybrany dowolnie): 0x10

Format Bus Pirate: - [= bit początkowy -] = bit końcowy - r = bajt odczytu - czasy adresowe 2 (lewy Shift 1), dla bitu R / W

Przykład - w formacie Bus Pirate

[i2c_addr reg_addr = (parm, wheel) reg_value]

[0x20 0x20 0x02]  Left Rear Forward
[0x20 0x21 0x01]  Right Rear Backward
[0x20 0x22 0x01]  Right Front Backward
[0x20 0x23 0x02]  Left Front Forward
[0x20 0x14 0xFF]  Wheels set to max torque

Samochód obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Igor Stoppa
źródło