Конструктор для сборки устройств автоматизации Tibbo Project System

Прежде чем выяснить что же за зверь платформа Tibbo Project System (а это всего лишь конструктор «Лего», только для людей постарше и с уклоном в электронику), давайте определимся что мы будем называть устройством автоматизации.

Устройства автоматизации

В первом приближении, окружающий нас мир состоит из протекающих во времени процессах: день сменяется ночью, происходят колебания температуры и давления, объекты перемещаются в пространстве, изменяется нагрузка на вале двигателя и многие другие природные или техногенные процессы. В нашей деятельности, часто возникает потребность учитывать эти изменения, а иногда влиять на них. Например, при понижении температуры в комнате нам хочется одеться потеплее, а в доме включить обогреватель. Здесь человек самостоятельно производит наблюдение за климатом и реагирует на его изменение. Но такой прямой подход далеко не всегда обеспечивает достаточную точность, оптимальную обработку информации и скорость реагирования.

На помощь приходят технические средства. Датчики производят более точные измерения физических величин, передавая информацию в визуальном, аналоговом или цифровом виде. Наверное, самый распространенный тип датчика — это термометр в вашей комнате. Изменять состояние объекта управления (наблюдения) помогают исполнительные механизмы. В нашем примере эту роль выполняет обогреватель. Но не хватает еще одного элемента — прибора, который смог бы получить информацию с датчика, обработать ее, выработать сигнал управления на исполнительный механизм и, при необходимости, передать информацию в системы верхнего уровня. Именно такой прибор мы и будем называть устройством автоматизации. В нашей прохладной комнате такой прибор мог бы работать так: получить сигнал с датчика температуры и сравнить его с заданным значением. При наличии рассогласования обработать его с помощью ПИД-алгоритма и выдать корректирующее воздействие в виде мощности на обогреватель. В таком режиме работы в комнате всегда будет поддерживаться комфортная температура. Именно по такому принципу работают современные кондиционеры и промышленные печи.

Теперь, мы можем выделить неформальные требования к устройствам автоматизации:

• умение работать с различными датчиками, для получения информации об окружающем мире;

• возможность программирования, для обработки данных и реализации логики;

• возможность работы с исполнительными механизмами;

• наличие интерфейсов связи, для телеметрии и интеграции прибора с другими подсистемами.

Существует множество подобных устройств, от простых термостатов до промышленных ПЛК. Но они обладают рядом недостатков:

• Высокая стоимость ограничивает применение в бюджетных проектах и любителями электроники;

• Отсутствие «свободного программирования» затрудняет реализацию нестандартных задач;

• Возможно отсутствие контроллеров с уникальными комбинациями линий ввода/вывода. Например, сложно найти устройство с 4 каналами АЦП, 6 входами, 2 релейными выходами, интерфейсом Wiegand и ШИМ модулятором;

• Часто отсутствуют современные интерфейсы связи, такие как Ethernet, Wi-Fi, GPRS, что приводит к необходимости приобретения дополнительных устройств коммуникации;

• Разработка собственных устройств автоматизации – это дорогой, длительный, ресурсоемкий процесс;

• Ставшие популярными электронные платформы, такие как Arduino или Raspberry, могут обеспечить достаточную гибкость проекта. Но бескорпусное, построенное на «шилдах» решение вряд ли можно назвать полноценным устройством. А ведь любителям электроники хочется видеть свой продукт эстетичным. Для коммерческих низко-бюджетных проектов такой подход вообще выглядит сомнительно: стоимость производства штучных или мелко-серийных корпусов перекроет видимые преимущества;

• Применение профессиональных решений и концепции электронных платформ, часто требует глубоких знаний в электронике и теории автоматического управления. Начинающие любители могут потратить месяцы, прежде чем научаться создавать полезные функциональные устройства.

Чтобы избежать подобных недостатков, инженеры компании Tibbo Technology предложили новую концепцию в создании устройств автоматики, которая предоставляет гибкость электронных платформ, корпуса для реализации готовых устройств, а разработку сможет осуществить даже новичок в электронике и программировании контроллеров.

Tibbo Project System.

Tibbo Project System (в дальнейшем TPS) - это программируемый электронный конструктор, который позволяет быстро собирать собственные устройства автоматики. Давайте запишем формулу этой платформы и рассмотрим каждую ее составляющую.

Тиббиты

Проектирование любого устройства (или выбор ПЛК) начинается с определения его будущего функционала. Помимо прочего, на данном этапе определяются требования по каналам ввода/вывода. В системе TPS за эти функции отвечают Тиббиты (англ. Tibbits) – это простые электронные схемы, выполненные в виде небольших корпусных блоков. Внешне они напоминают кубики конструктора «Лего» для установки на печатной плате (именно установки, а не пайки).

Тиббит состоит из небольшой печатной платы с необходимыми микросхемами и электронной обвязкой для обеспечения их работы. Нужен АЦП или дискретный вход? Может быть ШИМ или интерфейс RS232? Просто выбираем соответствующие тиббиты. Описание, внутренняя схема и программная библиотека каждого модуля размещены на сайте производителя. Номенклатура постоянно расширяется для наиболее полного охвата возможностей ввода/вывода.

Тиббиты делятся на модули ввода (сухой контакт, опто-вход, АЦП и т.д.), модули вывода (реле, ШИМ, ЦАП и т.д.), модули ввода/вывода (RS232, Wiegand, GPRS, PIC-сопроцессор и т.д.), модули питания (стабилизатор 12В—5В, PoE и т.д.), датчики (температуры, давления, акселерометр и т. д.) и модули-разъемы (DB9, клеммы и т.д.). Для удобства восприятия каждая группа выделена своим цветом.

По форм-фактору тиббиты бывают одинарные (4 вывода), двойные (8 выводов) и гибридные, где функциональный модуль и разъем объединены в общий корпус.

Принцип действия очень прост. С одной стороны модуль имеет контакты для цифровой связи с микроконтроллером по КМОП (CMOS) логике. С другой стороны, вывод для коммуникации с внешними устройствами (например, линии Rx, Tx интерфейса RS232). Для удобства монтажа используются специальные разъемы.

Резюмируя, тиббиты — это простые электронные блоки, выполненные в виде корпусных кубиков, с фиксированным функционалом, которые можно использовать с любым микроконтроллером.

Платы

В классическом подходе следующий этап является достаточно сложным: разработчик определяется с необходимой производительностью устройства, выбирает микроконтроллер, проектирует электрическую принципиальную схему, собирает прототип на макетной плате, пишется тестовая прошивка и, если не заработало, начинается поиск ошибок. Человеку не искушенному в электронике довольно сложно разобраться во всех тонкостях подобной работы.

В случае работы с готовыми ПЛК, приходится выбирать такую модель, которая максимально приближена к требованиям ввода/вывода и производительности. Но это не всегда возможно и приходится приобретать несколько дорогих устройств для покрытия области решения.

В концепции Tibbo Project System эта процедура предельно упрощена: нужно выбрать плату Tibbo Project PCB (в дальнейшем TPP), подходящую под выбранное количество тиббитов.

TPP представляет собой печатную плату, с установленным микроконтроллером, выводы которого реализованы в виде посадочных площадок для модулей ввода/вывода. Чтобы получить готовый прототип контроллера – достаточно установить тиббиты и разъемы на соответствующие сокеты. При необходимости можно установить пластину виброзащиты. В условиях повышенной тряски (например, при установке контроллера на погрузчиках или других подвижных объектах) пластина гарантирует надежность контактов между платой и тиббитами.

Отладка приложений производится прямо через Ethernet, поэтому для начала работы нужно проделать несколько простых шагов:

1. Подать питание на плату.

2. Подключить ее к локальной сети, в которой находится ваш компьютер.

3. Запустить бесплатную среду разработчика Tibbo IDE (Tide), которая автоматически найдет подключенные к сети устройства Tibbo и выбрать необходимое для начала работы с ним.

4. Написать приложение и запустить в режиме отладки или релиза.

На данный момент существует две версии плат: средняя TPP2 и большая TPP3. Их отличие только в количестве посадочных сокетов.

Перечислим основные характеристики плат TPP:

• Основана на чипе T1000 с частотой 88МГц

• Порт 10/100BaseT Ethernet с функцией авто-определния подключенного кабеля.

• Разъем для подключения Wi-Fi модема GA1000

• Разъем для подключения LCD и 4-х сенсорных клавиш (только для модели TPP2)

• Flash память 1MБ – используется для приложения и хранения данных

• 2КБ EEPROM

• Часы реального времени (RTC) с конденсатором (1Ф) для бэкап питания

• Звуковой и светодиодные индикаторы

• 4 порта UART

• Возможность использования функции PoE (при подключении соответствующего тиббита)

• До 8 линий прерывания

• TPP2: 6 посадочных площадок

• TPP3: 14 посадочных площадок.

Питание платы осуществляется от 5В постоянного тока. При этом, если использовать тиббиты питания, можно дополнительно установить стабилизаторы с 12В, 24В, 48В, а также использовать технологию PoE.

Корпуса

Итак, электронная начинка в сборе, остался последний штрих. Чтобы наша интеллектуальная разработка приобрела эстетичный вид и стала более практичной, необходим корпус. В предлагаемой концепции реализовано 3 типа универсальных корпусов TPB (Tibbo Project Box):

• TPB3 – корпус для большой платы

• TPB2 – корпус для средней платы

• TPB2L – корпус с LCD для средней платы

В них можно разместить любую сборку из соответствующих плат и тиббитов.

Корпус состоит из нижней и верхней крышек и боковых стенок. В случае, если на плате остались свободные площадки, предусмотрены заглушки. Также имеется наборы для монтажа (настенного или на DIN-рейку).

Центральная часть верхней крышки корпуса выполнена в виде тонированного прозрачного пластика. Красиво… Это позволяет визуально наблюдать за светодиодами тиббитов, оценивая текущее состояние контроллера.

Для обозначения выводов, предусмотрены углубления под бумажные стикеры, которые прикрываются гибкой пластиковой пластиной (как на стационарных телефонах).

Модификация корпуса TPB2L – имеет в комплекте графический LCD дисплей и 4 сенсорные кнопки. Их использование позволяет реализовывать панель оператора и предоставлять пользователю графический интерфейс управления.

Программирование

Аппаратная часть готова. Но без логики – это не контроллер, а куски пластика и железа. Пришло время заставить все это работать так, как мы планировали. Пора написать прошивку.

Программистам предлагается на выбор два варианта: Tibbo Basic и Tibbo C – это языки с соответствующим синтаксисом, но адаптированные под железо Tibbo. В качестве среды разработки используется бесплатная оболочка Tibbo IDE – удобная, полнофункциональная и легкая в изучении. Даже новички смогут освоить ее за несколько часов. TIDE позволяет производить отладку приложений и перепрошивку прямо черзе сеть Ethernet.

Вне зависимости от выбора языка, после компиляции программа преобразуется в мнемокод, который загружается на плату и обрабатывается операционной системой микроконтроллера (TiOS) в режиме интерпретации.

TiOS следит за всеми важными процессами, происходящими на кристалле и дает в распоряжение разработчика события и объекты. Такой подход облегчает работу программиста, позволяя концентрироваться на логике, а не на низкоуровневых типовых задачах. Например, чтобы воспользоваться сокетом, мы обращаемся к свойствами объекта sock, настраивая его работу:

void on_sys_init(){
...
	net.ip="192.168.1.10" ;				'задаем ip-адрес контроллера 
	sock.num = 0;  		 			'выбор номера сокета
	sock.targetip="192.168.1.11";    		'задаем ip-адресс внешнего устройства 
	sock.localportlist="100";  			'задаем TCP/IP порт для входящих соединений
	sock.targetport="120";          			'задаем удаленный TCP/IP порт
	sock.protocol=PL_SOCK_PROTOCOL_TCP;   		'выбираем протокол (tcp)                                  
	sock.inconmode=PL_SOCK_INCONMODE_ANY_IP_ANY_PORT; 'задаем настройки для получаемых пакетов (принимать с любых адресов)
	sock.reconmode=PL_SOCK_RECONMODE_3;		'задаем режим для повторных подключений на заданный сокет
	sock.targetinterface=PL_SOCK_INTERFACE_NET;	'выбираем тип физического подключения (возможные варианты WiFi, GPRS);
	sock.httpmode=NO;				'указываем, что данный сокет не может использоваться с http (с веб-интерфейсом)
	sock.rxbuffrq(1); 				'задаем объем памяти буферу приема
	sock.txbuffrq(1); 				'задаем объем памяти буферу отправки
	sys.buffalloc;					'выделяем память под буферы
...
}

После такой инициализации сокета, мы можем в любом месте программы отправить данные в сеть следующей конструкцией:

void my_procedure(){
...
string s="Hello World";				'объявление переменной
sock.num=0;					'выбор сокета
sock.connect();					'устанавливаем соединение
sock.setdata(s);				'помещаем данные в буфер отправки
sock.send();					'отправляем данные из буфера в сеть
....
}

А за прием данных, отвечает событие on_sock_data_arrival(), которое генерируется, как только в буфере приема Ethernet появляются данные. Обработчик этого события мы пишем самостоятельно. Например, если на площадку S9 платы TPP2 разместить реле (тиббит 003), то мы можем включать и выключать его сетевыми командами:

void on_sock_data_arrival(){			'Событие срабатывает, если на один из сокетов пришли данные
...
if (sock.num==0){				'Если данные пришли на нужный нам сокет
	io.num=PL_IO_NUM_32;			'Выбираем линию ввода/вывода контроллера, на которую подключено реле
	io.enabled=YES;				'Устанавливаем линию I/O как выход
	string s=sock.getdata(sock.rxlen);	'Считываем данные из буфера приема
	switch(s){
	case "0":
		io.state=HIGH;			'Если пришла команда "0", устанавливаем высокий уровень. Это деактивирует реле
		break;
	case "1":
		io.state=LOW;			'Если пришла команда "1", устанавливаем низкий уровень линии. Это активирует реле
		break;
	default:
		sock.setdata("unknow command");	'Если получили другую команду, отправляем сообщение об ошибке
		sock.send();
		break;
	}
...
}

Таким образом, программирование является таким же простым, как и сборка аппаратной части, позволяя быстро написать рабочее приложение.

Применение

Резюмируя, написанное выше, мы можем дать определение. Tibbo Project System – это конструктор, позволяющий быстро и без пайки проектировать и создавать корпусные электронные устройства автоматики. Сферы применения платформы очень широки: от «домашнего» применения любителями электроники, до коммерческих профессиональных продуктов. Вот лишь некоторые области возможного применения:

Преимущества

• Не требует глубоких знаний электроники.

• Максимально быстрый цикл «от концепции к решению»

• Гибкость и масштабируемость решения

• Современные интерфейсы связи, такие как Ethernet, Wi-Fi, GPRS.

• Свободная логика программирования

• Мощные возможности интеграции с другими подсистемами

• Возможности «плотной» коммуникации с физическим миром (датчиками, исполнительными механизмами)

• Бесплатные русскоязычная и англоязычная службы технической поддержки

• Консультации от вендора при проектировании решений.

• Лояльные цены

• Снижает совокупные расходы проекта.

• И многие другие.

В следующих статьях мы расскажем о некоторых практических реализациях платформы Tibbo Project System.

В сервисе ЖелеZona выставлена заявка на применение платформы Tibbo Project System. Тот, кто предложит и реализует наиболее интересную идею, получит любую конфигурацию платформы Tibbo Project System абсолютно бесплатно!

Теги:

• Автоматика
• Ethernet
• Умный дом
• ПЛК