Реализация обмена информацией по USART

[kalaider]

Данные

Программно-управляемый обмен информацией необходим в целях:

1. Отладки (ATmega8A не имеет встроенных механизмов отладки)
2. Передачи команд на микроконтроллер, в частности команд установки коэффициентов ПИД-регулятора

Следует помнить, что USART -- низкоуровневый небуферизированный протокол, основанный на прерываниях. Поэтому необходима реализация входного и выходного буферов. Предлагается использовать циклические буферы.

Задача

• Инициализировать USART
  • Установить стандартные параметры: Baud Rate - 9600; Frame Format - S+8+1+St
• Реализовать циклические буферы ввода-вывода
  • Размер буфера должен задаваться
  • Необходима проверка на переполнение буфера
  • Размеры буферов на вход и на выход могут существенно разниться и зависят от объема и скорости передачи данных
  • Работа с буфером в прерываниях должна задействовать возможный минимум процессорного времени
• Определить бинарный протокол приема-передачи данных (команд)
  • Обеспечить ввод параметров регулятора
  • Обеспечить вывод входных и выходных параметров регулятора, сигнальный вывод

[kalaider]

Программная реализация

См. #14.

Рекомендуемый протокол приема-передачи

Прием

В силу редкости приема информации и наличия вероятности пропустить командное слово рекомендуется применить следующий протокол для передачи данных с компьютера на процессор.

K K A1 A2 ... An ~K ~K

Здесь K -- слово начала команды (1 байт), A1 - An -- аргументы (по 1 байту каждый), ~K -- слово завершения команды (1 байт).

Слова K и ~K повторяются дважды. И процессору, и компьютеру известно количество аргументов, необходимое для выполнения команды. Потому данные о количестве аргументов не передаются.

При получении процессором двух одинаковых командных слов он ждет получения всех аргументов и двух слов завершения команды. В случае успеха команда выполняется. В случае неудачи все прочитанные данные игнорируются. Следующий полученный байт интерпретируется как команда. Процесс повторяется.

Поскольку на практике не требуется наличие более чем двух-восьми команд, разумно отвести младшие один-три бита командного слова под тип команды, а первые семь-пять бит под маркер команды (префикс). Тогда вероятность интерпретировать случайное слово как команду падает. Пусть команда имеет префикс из шести бит (например, 101111) и последние два бита отводятся для идентификации команды. Тогда вероятность принять произвольное слово за команду равна 1 / 2^6 = 1.5%. Вероятность принять два последовательных одинаковых слова составляет (1 / 2^8) = 0.4%. А, как следствие, вероятность принять два последовательных слова за командные составляет лишь (1 / 2^6) * (1 / 2^8) = 0.006%.

Завершающее слово может как повторять командное слово, так и быть произвольной функцией он него. Например, все или некоторые биты префикса или целого слова могут быть инвертированы. К реализации предлагается использовать инверсию целого слова.

Возможена реализация более сложных схем передачи информации, в т.ч. с изменением настроек USART Frame Format для передачи не восьми, а девяти бит. В последнем случае девятый бит мог бы однозначно указать на то, что передаваемое слово -- команда, а не аргументы (данные). В первом случае можно передавать не 8 значащих бит, а, например, 4. Остальные отвести под метаданные. Однако это сильно усложняет алгоритм обработки команд и работы с USART.

Поскольку размер пакета примерно равен 8 (четыре управляющих слова и четыре аргумента), целесообразно выбрать формат входного буфера равным примерно 16.

Передача

Для передачи данных (отсчетов АЦП и подтверждения исполнения команд) рекомендуется использовать тот же формат, что и для приема, однако отправлять данные не каждый программный цикл, а каждые a/b * M циклов, где M -- длина памяти, a, b -- некоторые коэффициенты (вообще говоря, задаваемые).

В общем случае размер выходного буфера должен быть порядка 32, поскольку кроме данных с АЦП будут передаваться еще и подтверждения исполнения команд.

Команды и данные

Целесообразно предусмотреть следующие команды:

1. Приостановка работы и ее возобновление
2. Включение / отключение остановки при переполнении выходного буфера (ожидание вывода)
3. Передача коэффициентов ПИД-регулятора и частоты передачи отсчетов

Ответными данными можно отправлять:

1. Входные значения с каналов АЦП и значение регулирующего сигнала
2. Подтверждение исполнения команды

[kalaider]

Для реализации указанного требуется также и проверка переполнения выходного буфера.

Вердикт: к реализации.

[kalaider]

Реализована проверка статуса записи в выходной буфер. Можно закрывать до поры до времени.