AVR- ADC Okuma ve RS485 ile Aktarma

Uzun zaman önce başladığım projemin yazılım kısmını nihayet sonlandırdım. Biçerdöverlerin hasat ettiği ürünü kesen tablanın yerden yüksekliğini kontrol edip buna göre ayarlama yapıyorum. Bunun için 15m  bir kabloyla tabla altında bulunan sensörlerden veri almam gerekiyor. Bu işi yaparken profesyonellerin yönlendirmesi ve araştırmalarım sonucunda öğrendiklerimi ve daha önceki yazılarımın güncellenmiş halini paylaşmak istedim. Bir hatırlatma ben bir amatörüm ve yazdıklarım amatörler içindir. Profesyonellere anlatım basit gelebilir. Hatalarım konusunda uyarıları her zaman bekliyorum. Öncelikle ADC konusuyla başlayalım.

ADC

ADC (Analog to Digital Converter) Analog dijital çevirici demektir. MCU (Mikrodenetleyici) “1” ve “0” lar ile işlem yapar. MCU gibi bakarsak olaya bir musluktan su ya akıyor ya da akmıyordur. Musluğu az veya çok açmanız önemsiz. Bir alt ve üst limit geçerli buna göre akıyor veya akmıyor olarak algılar. Ama gerçek hayatta bu şekilde değil suyun akış miktarı ölçülebilir ve “1-0” kadar keskin değildir. Su örneği verdim ama elektrik  için de aynı şey geçerlidir. Kullandığım MCU 10bit (0B11 1111 1111=1023) çözünürlükte ADC birimine sahiptir. Bu ölçüm için referans alınan gerilim değerinin en alt değerinin “0” üst değerinin “1023” olması demektir. ADC ile okunmak istenen gerilim, bu değere (1024) bölünen referans gerilim ile karşılaştırılır. Bu şekilde referansa göre analog değerin dijitale çevrilmiş halini öğrenebiliriz.

Giriş değerinin dijitale çevrilmiş haliyle girişteki değeri bulmak istersek  (ADC*VRef=Vin*1024) formülünü kullanmamız gerekir. Farklı MCU’ların çözünürlük değerine göre 1024 rakamı değişir. Buna göre örnek olarak referans voltajı 4 volt ve okunan ADC değeri 512 olduğunda formül 512*4=1024*Vin olur, sonuç Vin=2 volt bulunur.
Atmega328p’nin ADC birimini uzun uzun anlatmayacağım burada gerekli açıklama var. ADC birimi blok şeması bu şekilde ve ilgili registerler görünmektedir.

ADMUX

ADC okuma için gerekli ayarlamaları yapmamız gerekiyor, öncelikle ölçüm için referans kaynağını seçiyoruz. Bunun için ADMUX registerinin ilgili pinlerini ayarlıyoruz. REFS1,0 Bitleri ile bu seçimi alttaki tabloya göre yapılır. Bu arada AVcc pini ADc biriminin besleme ayağıdır. Buraya enerji verilmezse birim çalışmaz. Datashette bazı bağlantı şemaları var göz atmak isteyebilirsiniz. Tabloda görüldüğü gibi ilk seçenek AREF pinine verilecek olan voltaja göre ölçüm yapılmasıdır. İkinci AVcc pini ve son olarak iç 1,1 volt referansıdır. AVcc pini yani ADC beslemesinin referans olmasını istersek ADMUX =(1<<REFS0) yapmamız gerekir.

MUX 3,0 bitleri ADC biriminin bağlı olduğu pinleri seçmemizi sağlar. Alttaki tabloya göre bu bitleri 1-0 yaparak seçim yapılır. Örnek olarak ADC2 (Arduino A2) seçmek istersek ADMUX |=(1<<MUX1) yapmamız gerekir. Bunu bir fonksiyonda tanımladığımızda her seçim için ayrı girmek veya maskelemek gerekir. Analog okuma için 8 adet pin olduğundan seçmek istediğimiz pin ikilik sayı sistemine göre  0b000 (0) ile 0b111 (7) arasında olabilir. Bu durumda 0b111 (0x07) ile “AND” işlemi uygular ve sonucu MUX bitlerine yazarsak kullanışlı bir fonksiyon oluşturabiliriz. Fonksiyon için altta kodlara bakabilirsiniz.

ADCSRA

ADCSRA diğer ayarlamaları yaptığımız ve ADC işlemini başlattığımız kontrol registeridir.  ADEN “1” olursa ADC birimini çalışır. ADCSRA|=(1<<ADEN) şeklinde yapılır. ADATE okuma çevrimini sürekli veya başka bir kesme vb. kaynakla başlaması için “1” yapmamız gerekir ADCSRA|=(1<<ADATE). Başlatma seçenekleri ADCSRB registerinde ayarlanır. ADSC biti “1” yapıldığında okuma başlar. ADCSRA|=(1<<ADSC) şeklinde “1” yapılır okuma başlar ve bitene kadar “1” olarak kalır. Bu sayede (ADCSRA&(1<<ADSC)) şeklinde çevrimin tamamlandığını öğrenebiliriz. ADIE  Kesmeyi aktifleştiren bit, çevrim sonunda kesme oluşması için “1” yapılır. ADCSRA|=(1<<ADIE)

ADPS2,0 bitleri ADC ölçümü için kullanılan saat sinyalini ayarlayan bitlerdir. Datasheet’e göre 50kHz ile 200khz arası olması uygundur. 16MHz  saat frekansını bu aralığa getirmek için 16.000.000/128=125kHz yapmamız gerekir. Böylede ADC saat çevrimi MCU saat sinyalinin 128 de biri olarak çalışır.

Bir ADC çevrimi ilk okumada 25 sonraki tek okumalarda 13 ADC saat döngüsü zaman alıyor. Bu ayarlamayla 104us bir okuma süresidir. Bu ayarla bundan daha hızlı okuma yapamayacaktır.  Alttaki tablo frekans bölücü değerlerini göstermektedir. 16MHz den farklı frekans ile çalışıyorsanız farklı bölme değeri seçebilirsiniz. Benim seçimime göre ADCSRA|=(1<<ADPS0)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS2) yapmamız gerekir.

ADCSRB

ADCSRB bir diğer kontrol registeridir. Bu register içinde otomatik veya sürekli çevrim ayarları yapılır. ADTS2,0 bitleri aşağıdaki tabloya göre “1”- “0” yapılarak ayarlanır. Bir zamanlayıcı veya dış kesme ile okuma işlemini başlatabiliriz. Benim seçimime göre 6. seçenek olan ADCSRB|=(1<<ADPS0)|(1<<ADPS2) yapmamız gerekir.

Bütün bu ayarlamaları yapmak için bir ADC başlatma fonksiyonu ve program içinde çağırıp istenen pinden okuma yapmak için adc okuma fonksiyonu tanımlıyoruz.

Ben okumayı fonksiyon çağırma şeklinde yapmayacağım. Bir while ile beklemek yerine çevrim bitince kesme oluşsun istiyorum. Bunun için Timer1 zamanlayıcısını CTC modunda ayarladım ve OCR1B kesmesini açtım. “TIMER1_COMPB_vect” kesme rutini içine pin seçimi yapılabilir ama ADC0 ile okuma yapacağımdan bunu da yapmama gerek yok. Okuma ve sonrası yapılan işlemleri “ADC_vect” kesme rutini içinde yapıyorum. Zamanlayıcı konularını daha önce yazdığım için burada tekrar etmeyeceğim.

ADC Veri Ortalaması

Ben ve eminim birçok amatör peş peşe ölçüm yapıp aldığı sonuçları bölerek ortalama alma yöntemini uyguluyor. Bunun yerine burada Şenol Beyin bir paylaşımını denedim. Mantık yapılan ölçümü belirlediğimiz oranla çarparak toplama eklemek. Böylece sanki oran kadar sayıyı toplayıp bölmüşüz gibi oluyor. Örneğin 0,1 ile çarptığımızda değerin toplama etkisi onda biri kadar olduğundan on adet veriyi toplayıp bölmek veya hareketli bir ortalama alarak ilk veriyi atıp son veriyi okumakla aynı işi daha hızlı yapıyoruz.

ADC konusu bu kadar, artık bu aldığımız veriyi nasıl aktaracağız şimdi buna bakalım.

RS485 ile Haberleşme

TX Kesmesi

RS485 daha önce bahsettiğim bir konu fakat orada UART kullanırken kesmeleri kullanmamıştım. Şimdi kesmelerle daha sağlıklı bir iletişim için gerekli güncellemeleri aktaracağım.  UART gönderim sırasında 485 sürücüsünün tekrar veri alma pozisyonuna geçmemesi için bekleme koymuş ve Baudrate düştükçe bekleme süresi uzar demiştim. İletim hızımıza bağlı olarak giden her bir bit için gereken süre değişir. Biz her Baud değeri için bir hesaplama yapmak zorunda kalmamalıyız.

Örneğin baud 9600 olduğunda yaklaşık bir bit 104us de giderken 115200 olduğunda 9us de gider. Start,8 bit veri ve stop biti eklersek bir veri için birinde 1ms gerekirken diğerinde 87us gerekir. Bu süreleri hesaplayıp bekleme koyabiliriz. Güvenli taraf için daha fazla koyup boş yere de bekleyebiliriz. MCU içinde bu iş için yapılmış kesmeler varken bunlara hiç gerek yok. Daha önce UART gelen ve gönderim kesmelerini kullanmıştım ama giden kesmesini kullanmamıştım. Bu aralar takıntı haline gelen Delay kullanmama hastalığım nedeniyle ve değiştirilen baud değerlerinde uğraşmamak için “USART_TX_vect” kesmesini kullanarak RS485 konusu ve Uart fonksiyonlarımı güncellemiş olayım.  İşte bu kadar basit bir ekleme ile işlem tamam.

Veri Paketi

ADC ile okunan veriyi göndermek gürültüden korunmak için yapılan tüm emeklerden daha önemli. Siz ne kadar ortalama alsanız filtre uygulasanız da veri hatalı giderse bir anlamı kalmaz. Bunun için öncelikle paket oluşturuyoruz. Bu konuda Şenol Eker’e teşekkür ederim. Bu paketin başında iletişimin başladığını belirten bir önsöz (preamble) seçiyoruz. Bu 0x55,0xAA,0xCC ve 0x33 gibi birçok şey olabilir. Ben 0x55 ve 0XAA seçip ilk olarak gönderiyorum. Sonra hangi sensörden geldiğini bilmem gerek bunun için sensörlere özel bir adres tanımlıyorum. Mesela 0x01 gibi bir sayı seçiyorum. Her sensör farklı olsun yeterlidir. Adreste gittikten sonra ADC ile okuduğum değeri 8 bit iki sayıya ayırmam gerekiyor. Çünkü UART ile 8 bitlik olarak yollayabiliyoruz. Bunun için gidecek veriyi “(adc_giden>>8)&0xFF” şeklinde kaydırma yapıyoruz. Yön önemli değil yeter ki diğer tarafta tersi yönde yapılsın. “adc_giden&0xFF” bu şekilde 10 bit ADC verisini ikiye böldük. Karşı tarafta hata denetimi için bu iki veriyi topluyoruz. “veri_toplam=((adc_giden>>8)&0xFF)+(adc_giden&0xFF)” Bu şekilde karşı tarafta aynı işlemi yaparak karşılaştırma yapacağız. Sonucun eşit çıkması net doğru demek değil ama hatayı tespit için hızlı bir yöntemdir. CRC16-8 gibi başka hesaplamalara hiç girmek istemedim. Tüm bunları bir araya getirince bir paket oluşturmuş olduk. Bu paketi ne zaman göndereceğiz?

 

Aynı hatta birden fazla sensör varken sensörler sürekli veri yollarsa herkesin kafasına göre konuştuğu bir sınıf gibi gürültü olacaktır. Bu paketi sadece istendiği zaman göndereceğiz. Bu istek içinde yine önsöz ve sensör adresi olmalı ki iletişimin başladığı ve muhatabın kim olduğu belli olsun. Gelen veriyi kesme içinde kontrol edeceğiz. Paketin sırası ve verinin doğruluğunu denetleyeceğiz. Bir hata durumunda iletişimi devam ettirmeyeceğiz.

RX Kesmesi

UART ile veri geldiğinde kesme oluşacaktır. Bu her bir veri gelişinde tekrarlanır. Her kesme oluşumunda veriyi kontrol eden bir switch case yapısı kullanacağım. İlk durumda (case 0:) önsöz kontrol edilecek 0x55 ise durum değeri  bir artırıp sıradaki kesme oluşumunda 0xAA kontrol edilecek. Bu işlem pakette yer alan veriler kadar tekrar edilecek. Eğer bir hata varsa durum tekrar en başa alınarak hatalı iletişimin önüne geçilmiş olacak. Gelen veride bir hata olmadığında göndereceğimiz veri paketini göndereceğiz. Tüm bu işlemler aşağıdaki gibi olacaktır.

Sensöre istek yapıldı ve sensör istenen veriyi bu şekilde gönderdi. Sensör tarafının yapacağı tüm iş bu kadar. Veriyi alan işleyen veya sadece bir ekrana yazan tarafta benzer işlemler var. Rx kesmesinde fazladan checksum ve ADC verisini tekrar 16 bit olarak birleştirme işlemi var. Bu kısmı en altta görebilirsiniz.

Timer Kesmesi

Veri için istek yapıldıkça sensörler veriyi gönderecektir. Bu isteğin zamanlanması için de kesme kullanıyorum. Sensörler 2ms de bir ölçüm yaparken 10ms bir veri istenmesi burada yeterlidir. Benim projemde farklı hesaplar bulunmakta bunları da eklediğimde 60ms de bir sorgulama yapıyorum. Bu da ortalama hızı 5km/s olan bir biçerdöverin 3mm de bir okuma yapması ve 8 cm de bir bu veriyi analiz etmem demek oluyor. Bu arazinin yüzeyini düşündüğümde oldukça yeterli bir ölçüdür. Kesme oluşunca önsöz ve kesme adresini gönderiyoruz.

Sensöre istek yaptık veriyi aldık bir değişkene yazdık. Bunu istediğimiz şekilde kullanabiliriz. Ben burada hem LCD ekrana hem UART ile seri ekrana yazacak şekilde paylaşıyorum. Artık bu paylaşım için yazacağım şeyler öncekilerin tekrarı olacağından burada bitiriyorum. Ana modül ve sensör tarafını ayrı ayrı altta paylaşıyorum. Umarım faydalı olacaktır.

Bu yazı Haluk ŞİMŞEK tarafından yazılmıştır.

 

 

 

You may also like...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.