Technisch ontwerp positiebepaling Smart Blocks

Transcriptie

1 Technisch ontwerp positiebepaling Smart Blocks

2 Inhoudsopgave 1 Inleiding Hardware Blok....4 Contactpunten Voeding Datapinnen Basisplaat Positiebepaling Communicatie Stapsgewijs voorbeeld Opmerkingen betreffende de communicatie: Protocol Flowchart van blok Software

3 1 Inleiding Bij het Smart Blocks product wordt een Duplo-basisplaat voor een monitor gezet. Zowel de monitor als de basisplaat staan in verbinding met een computer. De monitor zal interactie geven als een blok op de basisplaat gezet wordt. Dit document bevat het technisch ontwerp voor de positiebepaling van de blokken. De volgende onderwerpen zullen worden uitgelegd: Hardware-ontwerp Communicatie tussen blokken Volledige communicatie protocol Flowchart voor een blok

4 2 Hardware 2.1 Blok Contactpunten Elk Duplo-blok bevat zestien Duplo-noppen. Op elke Duplo-nop worden twee contactpunten zodanig geplaatst dat de contactpunten van op elkaar geplaatste blokken contact maken. Het binnenste contactpunt is bestemt voor dataverkeer. Het buitenste contactpunt is ringvormig, en is bestemd voor de voeding. Aan de onderkant wordt contact gemaakt met het ringvormige contactpunt van het onderliggende blok of basisplaat, met behulp van een metalen spiraalveer. De datapin wordt uitgelezen door een eventueel verende pin. Figuur 1: Bovenaanzicht van een blok. De cirkelvormige voedings-contactpunten van dezelfde kleur zijn met elkaar verbonden. Dezwarte stippen zijn de data-contactpunten. Voeding In elk blok wordt een PIC- microcontroller geplaatst. Deze wordt gevoed door de basisplaat, tussenliggende blokken geven de voeding door. Om contactpunten te besparen wordt om en om een spanning en aarde aangesloten, zoals aangegeven is in figuur 1. Alle contactpunten die een spanning danwel aarde doorgeven, worden met elkaar verbonden zoals aangegeven in figuur 1. De spanning wordt direct doorgestuurd naar de bovenliggende blokken. Vanaf de basisplaat krijgen naast elkaar liggende voeding-contactpunten een tegenovergesteld voedingssignaal. Dus het contactpunt links, rechts, voor of acher een spanningssignaal is altijd een aarde en visa versa. Figuur 2: Dwarsdoorsnede blok met schema voor de voeding, in werkelijkheid zijn er tweemaal zoveel contactpunten. Rood staat voor de spanning, en blauw voor de aarde. Of omgekeerd!

5 Met deze constructie, krijgt een blok dat verbinding maakt met een ander blok op minimaal 2 contactpunten, altijd een spanning en ground. Omdat niet zeker is op welk contactpunt de spanning zit en op welke de ground, wordt de spanning gelijkgericht met diodes zoals aangegeven in figuur 2. Datapinnen De data-contactpunten staan met een pulldown-weerstand in verbinding met een I/O-pin van de microcontroller. Zie figuur 3. Figuur 3: Dwarsdoorsnede van een blok. De datacontactpunten zijn met pulldown-weerstand verbonden met de microcontroller. 2.2 Basisplaat Op de basisplaat worden net als de DUPLO-blokken contactpunten gemaakt. Deze worden elk via een weerstand verbonden met de I/O-pinnen van een of meerdere PIC-microcontrollers. De basisplaat staat in verbinding met een PC via een RS232of USB-kabel.

6 3 Positiebepaling 3.1 Communicatie Elk blokje heeft de I/O-pinnen standaard op input staan. Een ander blok of de basisplaat kan data versturen naar een blok. Dit blok kan als de data ontvangen is vervolgens data sturen naar aangesloten blokken door de I/O pinnen op output te zetten. Na het versturen van het bericht worden de I/O-pinnen weer op input gezet. Op deze manier kan tussen de blokken en de basisplaat gecommuniceerd worden. Er kunnen als data 2 verschillende soorten berichten worden verstuurd: 1. Relay-verzoek Bij een relay-verzoek wordt aan het blok gevraagd een identificatie-verzoek door te sturen naar een bepaald blok. Dit verzoek komt van oorsprong altijd bij de basisplaat vandaan. Als het blok waarvoor het bericht is bedoeld dit verzoek heeft ontvangen, zal het een identificatie-verzoek uitsturen. 2. Identificatie-verzoek Dit bericht is uitsluitend bestemd voor de blokken die direct aangesloten zitten op het blok dat dit bericht verstuurd. Hierbij wordt gevraagd om het identificatienummer van de aangesloten blokken en de pinnen waarop het bericht wordt ontvangen.

7 3.2 Stapsgewijs voorbeeld Met de hierboven behandelde hardware en communicatie-berichten kan de positie van elk blok worden bepaald. Hoe dit in zijn werk gaat word hieronder in stappen uitgelegd: De basisplaat gaat alle pinnen 1-voor-1 langs waarop een identificatieverzoek wordt verstuurd, totdat er een reactie komt van een blok. Dit blok zal zijn identificatienummer en het pinnummer terugsturen. De basisplaat stuurt op de pin waar het blok uit stap 1 zit aangesloten een relay-verzoek uit. Het blok ontvangt dit bericht, en zal vervolgens 1-voor-1 op alle pinnen een Identificatie-verzoek versturen. Figuur 4: Voorbeeld opstelling Figuur 5: Stap 1 Figuur 6: Stap 2 Figuur 7: Stap 3 Alle aangesloten blokken sturen hun identificatienummer en pinnummer naar de basisplaat, via dezelfde route als het verzoek is gekomen. Figuur 8: Stap 4

8 5. Het blok van stap 3 stuurt een bericht dat alle I/O-pinnen zijn afgehandeld. 6. De ontvangen data word doorgestuurd naar de PC. 7. Een van de nieuwe blokken wordt uitgekozen, waarna een relay-verzoek wordt verstuurd naar dit blok. Dit gebeurd door elk blokje op alle I/O-pinnen het relay-bericht te laten doorsturen Stappen 2 t/m 7 worden herhaald totdat een relay-verzoek is verstuurt naar alle aangesloten blokken. De overgebleven pinnen uit stap 1 worden gecontroleerd op de methode beschreven in stap Nadat alle data is ontvangen begint het process weer van voor af aan. Figuur 9: Stap 5 Figuur 10: Stap 7 Figuur 11: Stap 8 Figuur 12: Stap 9

9 3.3 Opmerkingen betreffende de communicatie: 1. Timeout Op het moment dat de basisplaat een bericht verstuurd zal een timer worden gestart. Als een bepaalde tijd is verstreken wordt het onwaarschijnlijk geacht dat er nog een reactie komt en treedt er een timeout op. Dit kan gebeuren als een blok verwijderd wordt terwijl een bericht onderweg was. Het hele proces van uitlezen zal dan overnieuw beginnen bij stap Van blok naar basisplaat Als een bericht teruggestuurd wordt, zat dit altijd via dezelfde route verlopen als het is ontvangen. Op deze methode is het zeker dat het bericht een route zal nemen waarmee het de basisplaat kan bereiken. De tussenliggende blokken zullen bij het doorsturen van een relay-bericht dus ook het pinnummer moeten onthouden waarop het bericht werd ontvangen, zodat het blok weet via welke pin een bericht moet worden teruggestuurd. 3. Loop Bij het doorsturen van een relay-bericht zal er voor moeten worden gewaakt dat als hetzelfde bericht van een ander blok wordt ontvangen dit niet doorgestuurd wordt. Dit kan er namelijk voor zorgen dat het bericht in een eindeloze lus word doorgestuurd. Dit probleem kan worden opgelost door een flag-bit mee te sturen, dat bij elk relay-verzoek wordt gewijzigd. Zo kan een nieuw relay-verzoek worden onderscheiden van het vorige relay-verzoek, voor het geval er een timeout optreedt. 4. Wachttijd identificatieverzoek Voor dat er met stap 3 uit het stapsgewijze voorbeeld begonnen kan worden, zal eerst moeten worden gewacht totdat het zeker is dat alle direct aangesloten blokken het relay-verzoek hebben doorgestuurd, omdat anders zowel het identificatieverzoek als het relay-verzoek gelijktijdig bij een blok zouden kunnen aankomen. Dit zou dan communicatieproblemen opleveren. Om te zorgen dat alle direct aangesloten blokken het relay-verzoek zo snel mogelijk ontvangen, zal ook het blok waarvoor het relayverzoek bedoeld is dit verzoek doorsturen naar de andere blokken.

10 5. Timeout identificatie-verzoek Bij stap 3 zelf is ook een timer nodig, als er na een bepaalde tijd nog niet gereageerd is op een I/O-pin, kan er van worden uitgegaan dat daar gaan blok zit aangesloten. 6. Onderscheid blok en basisplaat Voor een blok is er geen onderscheid tussen de basisplaat en een ander blok. 7. Communicatie-snelheid De communicatiesnelheid is gelimiteerd aan de snelheid van de PIC-microcontroller. Op een snelheid van 4Mhz kan de microcontroller 1 miljoen instructies per seconde verwerken, doordat de van Neuman cyclus bestaat uit 4 stappen. Om een stabiel signaal over te sturen moeten er meerdere instructies per bit worden besteed. Omdat de pinnen waarschijnlijk verpreid zitten over 2 poorten van de microcontroller, zullen deze omstebeurd uitgelezen worden. Hiedoor is meer tijd nodig om vast te stellen dat er een signaal op een van de pinnen staat. Onze inschatting is dat rond de 16 instructies per bit data een redelijke schatting is. Als de verbindingen tussen de blokken storingsgevoelig blijken te zijn, kan de datasnelheid lager worden gezet. 8. Startbits Na het vaststellen dat er op een poort data word ontvangen moet nog worden uitgezocht op welke pin deze data word ontvangen. Dit kost ongeveer 16 instructies. Dus 2 startbits van 16 instructies zou genoeg tijd overlaten om te bepalen op welke poort en welke pin data wordt ontvangen. Als dit later niet genoeg blijkt kan dit worden bijgesteld naar 3 startbits. 9. Stopbit Als een stopbit niet wordt ontvangen, kan het bericht genegeerd worden. De verbinding kan dan namelijk verbroken zijn en de data corrupt.

11 10.TTL Bij het verplaatsen van een blok valt de spanning weg waardoor de PIC reset. Hierdoor kan een blok niet op verkeerde plekken data versturen. Er zouden dus geen situaties moeten kunnen ontstaan waardoor de berichten in een loop worden doorgestuurd door het verplaatsen van een blok. Het flag-bit zorgt ervoor dat berichten niet in een loop raken bij het doorsturen van een relay-verzoek. Een time-to-live veld in het protocol, waarbij elk blokje bij het getal dat hierin staat 1 aftelt, en bij de waarde 0 het bericht weggooit, zou dus niet nodig moeten zijn. 11.Bericht terugsturen onder voorbehoud Er zijn situaties denkbaar, waarbij een nieuw geplaatst blok een bericht krijgt om terug te sturen naar de basisplaat. Dit bericht mag niet worden doorgestuurd als het blok sinds de laatste keer dat het spanning heeft gekregen nog geen relay-verzoek heeft doorgestuurd. Deze situatie zou anders kunnen resulteren in een loop.

12 3.4 Protocol Het aantal bits is vast. Niet alle bits worden altijd gebruikt. aantal bits beschrijving 2 Startbits. 1 Soort bericht: 0 = Relay-verzoek 1 = Identificatie-verzoek 1 Richting van dataverkeer 0 = Heenweg 1 = Terugweg (naar basisplaat) 1 Flag-bit Om en om 1 en 0 ingesteld door de basisplaat, om opvolgende verzoeken te kunnen onderscheiden van lopende verzoeken. 8 Identificatienummer van het blok. Er zijn 256 mogelijkheden. 4 Pinnummer van de bron. 4 Pinnummer van het blok dat identificatieverzoek uitstuurt. 1 Stopbit. Tabel 1: Protocol

13 3.5 Flowchart van blok De flowchart is het software-ontwerp voor de PIC-microcontroller van een blok. Het behandeld metname metname wat er met inkomende data moet worden gedaan, en verduidelijkt het protocol. De technische details en uitzonderingen zijn er zo veel mogelijk uitgelaten; hoe de data word verstuurd, wanneer de pinnen op input of uitput worden gezet en wat er gebeurd als er geen stopbit is staat er bijvoorbeeld niet in. Zie volgende pagina voor de flowchart.

14

15 4 Software De data die die basisplaat ontvangt, word doorgestuurd naar de PC dmv. een RS232- of USB-verbinding. De software die dit uitleest krijgt doorgegeven van de basisplaat wat er op elk pinnetje van elk blokje aangesloten zit. Dit kan in een array met drie dimensies worden gezet.als voor de applicatie 3Dfunctionaliteit niet nodig is, kan de drie-dimensionale array worden omgezet naar een array met twee dimensies. De software beschikt ook een tabel, waarin met het identificatienummer van elk blok de bijbehorende kleur kan worden opgezocht.