إنتبه إلى أنه قد اعتمدنا التسميات التالية خلال هذه السلسلة:

• متحكم (مصغر) عوض Microcontroller

• زوج عوض bit

• ثمن عوض byte بالإنجليزية و octet بالفرنسية

تجد جميع مصطلحات مقالات هذه السلسلة في قاموس المصطلحات التابع لها.

يمكنك تحميل ما يلي للاستفاذة أكثر من المقال:

Session_08_PPTX

Session_08_codes

تتفرع بروتوكولات الاتصال بشكل عام إلى فرعين رئيسيين:

• اتصالات متوازية:يختصر استخدم الاتصالات المتوازية من أجل نقل البيانات بسرعات عالية جداً ولمسافات قصيرة جداً، والسبب في محدودية المسافة هو تشكل السعات الطفيلية والضجيج العالي على مسارات خطوط النقل المتوازية عند ازدياد طول الناقل، كما أن حجم الناقل سيكون كبيرا وبالتالي فإن كلفة الناقل ستكون كبيرة أيضاً.

• اتصالات متتالية:تستخدم الاتصالات المتتالية على نطاق أوسع بكثير من الإتصالات المتوازية وتمتاز بمناعة عالية ضد الضجيج ونقل لمسافات بعيدة، كما أن حجم الناقل سيكون صغيرا وكلفته ضئيلة نسبياً مقارنة مع الناقل المتوازي.

الإتصالات المتوازية
Parallel Communications

الإتصالات المتتالية
Serial Communications

المـتزامن
Synchronous

اللامتزمنة
Asynchronous

LPT

ISA

EISA

VESA

ATA

SCSI

PCI

PCMCIA

IEEE-1284

IEEE-488

I2C

SPI

PS2

Morse codetelegraphy

RS-232 (COM Port)

RS-423

RS-485

Universal Serial Bus (USB)

FireWire

Ethernet

Fiber Channel

InfiniBand

MIDI

DMX512

Serial ATA

SpaceWire

PCI Express

SONET and SDH

T-1, E-1

أولاً: الاتصالات المتواقتة (المتزامنة)

يكون فيها بروتوكول الإرسال مؤلف من خطين على الأقل أحدهما خط التزامن (clock)، وبالتالي فإن سرعة إرسال البيانات تتحدد من خلال تردد إشارة التزامن بحيث يتم إرسال كل زوج من الأزواج متتالياً عند جبهة التزامن (صاعدة أو هابطة).

الشكل 1: إشارة البيانات وإشارة التزامن في بروتوكول إرسال متزامن

ملاحظة: بازدياد المسافة بين الطرفيتين فإنه يحصل انحراف\انزياح بين إشارة التواقت وبين إشارة البيانات مما يؤدي إلى فشل عملية النقل.

ثانياً: اتصالات غير متواقتة (غير متزامنة):

لا تحوي على خط تزامن وإنما يتم بدء عملية الإرسال بإرسال زوج بدء الإرسال (Start Bit) والذي بدوره يعلم المستقبل أن الذي يليه هو ثمن واحد من البيانات، وبعدها يتم إرسال الثمن المطلوب وتنتهي عملية إرسال الثمن بإرسال زوج التوقف (Stop Bit) والذي بدوره يعلم المستقبل أن عملية إرسال الثمن قد انتهت ويجب تخزين الثمن في مسجل نافذة الاستقبال والتحضر لاستقبال الثمن التالي إن وجد.

الشكل2: إشارة البيانات في بروتوكول إرسال غير متزامن

ملاحظة: بخلاف الاتصالات المتواقتة فإن ازدياد المسافة بين الطرفيتين لا يؤدي إلى فشل عملية النقل، كما أن هذه الطريقة أقل كلفة وأبسط بنية وأسهل برمجة.

الإرسال أحادي الاتجاه (Half-Duplex):تتم فيه عملية الاتصال بين الطرفيتين باتجاه واحد فقط في نفس اللحظة الزمنية، فإما أن تكون في حالة إرسال أو استقبال.

الإرسال ثنائي الاتجاه (Full-Duplex):يمكن أن تكون الوحدة الطرفية في حالة إرسال واستقبال في نفس اللحظة الزمنية.

خانة الإيجابية (Parity Bit):خانة يضيفها المرسل ويستخدمها المستقبل لضمان عدم ضياع المعلومات، وتتعلق خانة الإيجابية بعدد الواحدات في الثمن المرسل.

الشكل 3: توضع خانة الإيجابية في إشارة البيانات لبروتوكول إرسال غير متزامن

في حال كون خانة الإيجابية “Even” فإن هذه الخانة تملك القيمة “0” إذا كان عدد الواحدات في الثمن المرسل زوجي وإلا فستصبح “1”. الأمثلة التالية توضح ذلك.

10110010 > Parity Bit = 0 | 10110110 > Parity Bit = 1

في حال كون خانة الإيجابية “Odd” فإن هذه الخانة تملك القيمة “0” إذا كان عدد الواحدات في الثمن المرسل فردي وإلا فستصبح “1”. الأمثلة التالية توضح ذلك.

10110010 > Parity Bit = 1 | 10110110 > Parity Bit = 0

عدد الأزواج لكل محرف (N):يتم فيها التصريح عن عدد الأزواج لبايت البيانات التي سيتم إرسالها، فإما أن تكون 5, 6, 7 or 8bit، ولكن يجب الانتباه مثلاً: في حال إرسال N=7bit فإن قيم العظمى ASCII=127.

الشكل 4: مثال عن عدد أزواج مختلف 7|8 في إشارتي بيانات لبروتوكول إرسال غير متزامن

خانة زوج التوقف (Stop Bit): يعلم المرسل من خلالها المستقبل بانتهاء عملية الإرسال.1, 1.5 أو 2 زوج.

الشكل 5: توضع خانة زوج التوقف في نهاية إشارة البيانات لبروتوكول إرسال غير متزامن

معدل سرعة النقل (Baud Rate):وهو عدد الأزواج المرسلة خلال ثانية واحد على خط اتصال متتالي، وهناك قيم قياسية متعارف عليها لمعدلات النقل وهي:

300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, إلخ…

إن الزمن اللازم لإرسال زوج واحد يعطى بالعلاقة التالية:

BitTime = 1Baud Rate

إن عدد البايتات التي يمكن إرسالها خلال ثانية واحدة يمكن حسابها من العلاقة التالية:

BytesNum / 1sec = Baud Rate8

تعتبر هذه النافذة من أكثر نوافذ الاتصال المتتالي استخداماً في الأنظمة الرقمية ومبدأ عملها وكذلك بروتوكولها متوافق تماماً مع البروتوكول RS232 إلا أن المستويات المنطقية فيها وفق المنطق TTL، وتتميز بسهولة وبساطة استخدامها بالإضافة إلى الكلفة المنخفضة للربط بين متحكمين (MCU-MCU)، أو الربط بين حاسب ومتحكم (MCU-PC).

ملاحظة: الكلمة UART هي اختصار لـ Universal Asynchronous Receiver and Transmitter Interface

الشكل 6:الربط بين متحكمين من خلال النافذة UART

تملك النافذة المتتالية في متحكمات العائلة AVR على ميزات عديدة وهي تعمل في نمطين مستقلين:

• UART: نافذة متتالية عامة للإرسال والاستقبال اللامتزامن عبر القطبين TXD وRXD.

• USART: نافذة متتالية عامة للإرسال والاستقبال المتزامن عبر القطبين TXD وRXD بالإضافة إلى القطب XCK كقطب تزامن.

إن تشكيل إطار البيانات المرسلة أو المستقبلة للنافذة UART مشابه تماماً لبنية إطار البروتوكول RS232 باختلاف وحيد وهو المستوى المنطقي المعكوس.

الشكل 7: بنية إطار البيانات المرسلة أو المستقبلة للنافذة UART

IDLE: لا توجد إرسالات على خط الإتصال (RxD أو TxD)، خـط IDLE مرتفع.

• St: زوج بدء الإرسال، دائما منخفض.

• Databits: من 0 إلى 8.

• Sp: زوج التوقف، دائما مرتفع.

• P: خانة الإيجابية (يمكن أن تكون فردية أو زوجية)

من أجل تحديد معدل سرعة النقل للنافذة المتتالية يتم شحن المسجل UBRR بقيمة تحسب وفقاً للعلاقات في الشكل8.

الشكل 8: معادلات حساب قيمة المسجل UBRR الموافقة لمعدل النقل

حيث أنّ: UBRR هي محتوى المسجل UBRRH و UBRR وتتراوح من 0 إلى 4095.

مثال: أحسب قيمة المسجل UBRR من أجل تردد هزاز كريستالي 1Mhz ومعدل نقل 9600bps ونمط عمل عام غير متواقت.

UBRR_H,L= fOSC / (16 × Baud) - 1= 1000000 / (16 × 9600) - 1= 5.510416 ≈ 6

كما هو ملاحظ فإن القيمة غير دقيقة أي أن هناك خطأ في قيمة معدل النقل ولن تكون القيمة تماماً 9600، وبالتالي إذا كانت دارة المستقبل تعتمد تردد عمل مختلف وكان الخطأ مختلف فإنه ربما يحصل تشوه في البيانات بسبب عدم التزامن الدقيق في معدل النقل.

لذلك يوصى بمعدلات نقل قياسية وترددات هزازات كريستالية قياسية لتفادي الأخطاء الكبيرة في حساب معدلات النقل، بحيث أن الخطأ يجب أن لا يتجاوز 0.5% من أجل الحصول على وثوقية عمل عالية؛ لكن يمكن أن يعمل النظام بدون مشاكل حتى خطأ 5%. يمكن حساب الخطأ من العلاقة التالية:

ERROR_[%] = (BaudRate_CloseMatch / BaudRate_Calculated - 1) × 100%

مثال: من أجل نفس المثال السابق، نعوض في العلاقة السابقة:

ERROR_[%] = (9600 / 8928.571 - 1) × 100%= 7.52%

ملاحظة: من أجل تفادي مشكلة أخطاء معدل النقل قم باختيار تردد الهزاز الكريستالي بحيث يكون من مضاعفات معدل النقل.

هناك بارامترات يجب تحديدها بين المرسل والمستقبل قبل إرسال البيانات في الاتصالات غير المتواقتة وهي:

• تحديد نمط الإرسال: أحادي الاتجاه أو ثنائي الاتجاه.

• تحديد عدد الأزواج لكل محرف: 6 أو 7 أو 8 bit.

• تحديد معدل سرعة الإرسال.

• تحديد استخدام أو عدم استخدام خانة فحص الإيجابية، وفي حال الاستخدام يجب تحديد نمط فحص خانة الإيجابية (زوجية أو فردية).

• تحديد عدد أزواج التوقف (1, 1.5 أو 2).

عموماً، فإنه من أجل تحقيق اتصال بين طرفيتين بدون مصافحة يكفي توصيل قطب الإرسال “TxD” والاستقبال “RxD” على التوازي المتعاكس كما في الشكل التالي:

الشكل 9: تحقيق اتصال بين طرفيتين من خلال النافذة UART

1- نمط الآسكي (Ascii Mode): يتم تمثيل كل خانة على أنها محرف مستقل ويتم إرسال قيمة الآسكي لهذا المحرف. مثال: التعليمة “Print 123” ستقوم بإرسال الأرقام (1,2,3) على أنها محارف، وبالتالي سترسل الآسكي لكل منها [49][50][51] – بالنتيجة سترسل ثلاث بايتات.

2- النمط الثنائي (BIN Mode): يتم تمثيل البيانات على أنها قيمة عديدة وليس محرفية ويتم إرسال القيمة الثنائية لهذا العدد. مثال: التعليمة “Printbin 123” ستقوم بإرسال القيمة (123) على أنها ثمن واحد، وبالتالي سترسل [1111011] – بالنتيجة سترسل ثمن واحد فقط.

1. 1. تعليمات التهيئة (Configuration).

   2. تعليمات الإرسال (Sending over TXD).

   3. تعليمات الاستقبال (Receiving over RXD).

شرح التعليمة

التعليمة البرمجية

تحديد معدل النقل العام للنافذة المتتالية UART0.

$baud= Var

إرسال البيانات عبر النافذة المتتالية UART0.

Print Var ;"const"

إرسال البيانات بصيغة ثنائية عبر النافذة المتتالية UARTx.

[; Varn]: خيار من أجل تحديد عدد البايتات المراد إرسالها (مصفوفة).

Printbin Var [; Varn]

قراءة البيانات الواردة على النافذة المتتالية UART0.

["prompt"]: خيار يقوم بإرسال رسالة نصية قبل قراءة محتوى النافذة.

Var: المتحول الذي سيتم إدخاله (رقمي، محرفي).

[,Varn]: خيار من أجل إدخال أكثر من متحول بنفس التعليمة (n=1,2…).

Input["prompt"], Var [,Varn]

قراءة البيانات الواردة على النافذة UART0 بصيغة ثنائية.

[,Var2]: خيار من أجل تحديد عدد البايتات المراد إدخالها (مصفوفة).

Inputbin Var1 [,Var2]

قراءة البيانات الواردة على النافذة UART0 بالصيغة HEX.

Inputhex["prompt"],Var[,Varn]

تعود بقيمة الـ Ascii لأول محرف في مسجل buffer النافذة UART0.

var =INKEY()

ينتظر وصول أول محرف إلى مسجل buffer النافذة المتتالية UART0 ويعود بقيمة الـ Ascii له.

var =WAITKEY()

يفحص محتوى buffer مسجل النافذة UART0 ويعود بالقيمة “1” إذا كان هناك أي محرف، وإلا فسوف يعود بالقيمة “0“، مع العلم أن هذه التعليمة تفحص محتوى المسجل ولا تؤثر على محتواه!

Var =Ischarwaiting()

ملاحظة 1: من أجل إرسال أكثر من متحول على نفس السطر يمكن استخدام (;) للفصل بين المتحولات

(Print A ; B ; C)

ملاحظة 2: إن التعليمة Printbin مكافئة تماماً للتعليمة

Print Chr (var);

ملاحظة 3: يمكن استخدام التعليمة Printbin من أجل إرسال عدة متحولات مخزنة في مصفوفة؛ كما في المثال التالي سوف يتم إرسال عشر بايتات موجودة في المتحول (مصفوفة) Arr.

Printbin Arr(1) ; 10

ملاحظة 4: يمكن استخدام التعليمة Inputbin من أجل إدخال عدة متحولات وإسنادها إلى مصفوفة؛ كما في المثال التالي سوف يتم استلام عشر بايتات ووضعها في المصفوفة Arr.

Inputbin Arr(1) , 10

ملاحظة 5: إن التعليمة Inputbin سوف تنتظر حتى تستلم جميع البايتات المحددة في متحولاتها!

المطلوب وصل متحكمي AVR من خلال النافذة المتتالية UART بحيث يتم إرسال أوامر تحكم بينهما على الشكل التالي:

عند الضغط على المفتاح الموصول مع المتحكم MCU-A سيتم إرسال المحرف “A” من MCU-A إلى MCU-B، وعندما يستلم المتحكم MCU-B المحرف “A” سيقوم بتغيير حالة الثنائي D2. وبالمثل تماماً: عند الضغط على المفتاح الموصول مع المتحكم MCU-B سيتم إرسال المحرف “B” من MCU-B إلى MCU-A، وعندما يستلم المتحكم MCU-A المحرف “B” سيقوم بتغيير حالة الثنائي D1.

الشكل 10: المخطط التمثيلي لربط المتحكمين من خلال النافذة UART

الشكل 11: يبين طريقة الوصل للنافذة المتتالية بين المتحكمين

البرنامج “Exp.18-A.bas” للمتحكم MCU-A في بيئة BASCOM-AVR:

'-----------------------[Definitions]
$regfile="m8def.dat"
$crystal= 8000000
$baud= 9600

'-----------------------[GPIO Configuration]
ConfigPinb.0 =Input: Switch AliasPinb.0 :Portb.0 = 1
ConfigPinb.1 =Output: Led AliasPortb.1
'
'-----------------------[Variables]
Dim Var AsByte

'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

'--->[Main Program]
Do
IfIscharwaiting()= 1 Then
Var =Inkey()
If Var ="B"ThenToggle Led
EndIf

If Switch = 0 Then
Print"A":Waitms 200
EndIf
Loop
End
'---<[End Main]
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

البرنامج “Exp.18-B.bas” للمتحكم MCU-B في بيئة BASCOM-AVR:

'-----------------------[Definitions]
$regfile="m8def.dat"
$crystal= 8000000
$baud= 9600

'-----------------------[GPIO Configuration]
ConfigPinb.0 =Input: Switch AliasPinb.0 :Portb.0 = 1
ConfigPinb.1 =Output: Led AliasPortb.1

'-----------------------[Variables]
Dim Var AsByte
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

'--->[Main Program]
Do
IfIscharwaiting()= 1 Then
Var =Inkey()
If Var ="A"ThenToggle Led
EndIf

If Switch = 0 Then
Print"B":Waitms 200
EndIf
Loop
End
'---<[End Main]
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

تعتبر تقنية USB في الوقت الحالي من التقنيات المعقدة حيث أن تضمين منفذ USB في النظام الإلكتروني وكتابة برنامج القيادة الخاص به على الحاسب أمر شديدة التعقيد، وذلك لأنه يتوجب على المصمم تحقيق أمرين:

1. تصميم عتاد الكتروني (Hardware) يحقق معايير البروتوكول USB.

2. كتابة برنامج التعريف الخاص بقيادة هذا العتاد.

لذلك وبسبب الطلب المتزايد على هذه التقنية واقتحامها للسوق العالمية فإن هنالك الكثير من الشركات التي وفرت على المصممين عناء تصميم العتاد الالكتروني لينصّب اهتمامهم على كتابة برامج القيادة، لذلك كل ما يتوجب على المصمم هو الاطلاع على معايير USB بغرض فهم كيفية التعامل مع هذا العتاد الالكتروني. تقدم بعض الشركات حلولاً للتعامل مع المنفذ USB باستخدام شرائح متكاملة تقوم على تحويل البروتوكول USB إلى نافذة متتالية UART تمكن المستخدم من توصيل المتحكم المصغر بشكل مباشرة مع هذه النافذة، بالإضافة إلى ذلك توفر هذه الشرائح حلولاً برمجية من خلال مكتبات ربط ديناميكية من أجل ربط نظام مع الحاسب عن طريق البروتوكول USB ومعالجة بارامترات النظام أو إرسال أوامر التحكم إلى النظام. من أشهر وأكثر الشرائح انتشاراً واستخداماً هي الدارة المتكاملة FT232 التي هي عبارة عن دارة تحويل USB<>UART التي تنتجها شركة FTDI.

الشكل 12: واجهتي الربط (نمطي العمل) للشريحة FT232R المخصصة للتحويل UART<>USB

حيث أن عملية تحويل البروتوكول USBتم بنائها في داخل هذه الشريحة ككيان صلب (Hardware) دون الحاجة إلى برمجة الشريحة، حيث تؤمن هذه الشريحة واجهتي ربط ديناميكي للتعامل برمجياً مع المنفذ باستخدام توابع خاصة وجاهزة موجودة في مكتبات الربط الديناميكي للشريحة دون الحاجة إلى بناء البروتوكول USB بشكل برمجي من البداية أو حتى فهم مبدأ عمله. إن واجتهي الربط (D2XX driver و VCP driver) التي تؤمنها هذه الشريحة موضحة على الشكل 12.

فيما يلي جدول مقارنة بين واجتهي الربط (D2XX driver و VCP driver) للشريحة FT232R:

VCP Driver

D2XX.DLL Driver

بساطة البرنامج

برنامج بسيط

برنامج معقد

السرعة

سرعة ثابتة لا يمكن تغيرها 300KB/s

سرعة قابلة للتغيير تصل إلى 3MB

التحكم بالشريحة

لا يمكن التحكم بالشريحة

تحكم كامل ومباشر بالشريحة

• VCP (Virtual Com Port)i: يعرف منفذ USB كمنفذ COM متتالي إضافي، مما يسمح لنا بالتخاطب مع منفذ USB كمنفذ Com معياري.

• D2XX.DLL: يسمح هذا التعريف بالوصول المباشر إلى كامل مميزات هذه الشريحة عن طريق أوامر موجودة ضمن مكتبة ربط ديناميكية DLL.

• توفر الشركة الصانعة برنامج القيادة لهذه الشريحة بشكل مجاني متوافق مع معظم أنظمة التشغيل

• تقدم شركة FTDIبرنامجي قيادة لشرائحها (&D2XX.DLLVCP).

• متوافقة مع المعيارين USB1.1 و USB2.0.

• تدعم هذه الشريحة ملائمة كاملة لنظم الاتصالات المتتالية.

• سرعة اتصال من 300Kb إلى3Mbبحسب نوع برنامج القيادة.

• ذاكرة استقبال وسيطية من نوعFIFO بطول 256 ثمن.

• ذاكرة إرسال وسيطية من نوعFIFO بطول 128 ثمن.

• رقمي VID, PIDورقم متتالي للمنتج ووصف لهذا الجهاز.

• توفر العديد من المقالات التقنية من الشركة المصنعة تقدم معلومات مفصلة عن طرق استخدام هذه الشريحة.

تلعب هذه الشريحة دور الملائم بين منفذ USB وبين النظام حيث تقوم باستقبال بيانات منفذ USB وتستخلص منها البيانات المطلوبة، كما تقوم بإرسال البيانات من المتحكم بشكلها المتتالي إلى منفذ USB بعد إضافة الحقول اللازمة لتحقيق بروتوكول USB.

الشكل 13: المخطط التمثيلي لربط متحكم AVR مع منفذ USB من خلال الشريحة FT232R

الشكل 14: مخطط التوصيل (Schematic) لربط متحكم AVR مع منفذ USB من خلال الشريحة FT232R

إن التعامل فيزيائياً مع الشريحة FT232R يعتبر أمراً صعباً لعدم توفرها في غلاف فيزيائي من النوع DIP وهي فقط متوفرة كعنصر SMD، لذلك يمكن استخدام موديول التحويل UART<>USB الجاهز “Nawatt neXus” أو أي موديول آخر مشابه.

الشكل 15: موديول “Nawatt neXus”

يمتلك الموديول العديد من الأقطاب، ولكن يلزمنا فقط الأقطاب التالية:

• TXD: قطب الإرسال من الحاسب.

• RXD: قطب الاستقبال من الحاسب.

• GND:قطب الأرضي 0V من الحاسب.

• 5V+: قطب التغذية 5V+ من الحاسب (يستخدم فقط عندما يراد الحصول على تغذية من USB من أجل تغذية المتحكم).

إن عملية إرسال البيانات بين متحكم AVR من خلال النافذة UART (TTL)i والحاسب عبر منفذ USB (Differential)i ستتم في هذا التطبيق باستخدام الأشعة تحت الحمراء، وبالتالي سيتضمن التصميم دارتين:

الشكل 16: مخطط التوصيل (Schematic) لدارة الإرسال بالأشعة تحت الحمراء ووصلها مع القطب TXD للمتحكم

وهي عبارة عن مرسل أشعة تحت الحمراء (IR LED) متحكم به عن طريق مفتاح إلكتروني ترانزستوري (Q1). إن التيار الاسمي للثنائي LED يترواح بين 25 و100 ميليأمبير وكلما ازدادت قيمة التيار ازدادت استطاعة الإرسال وجهد العمل للثنائي 2V (R2 = 30Ω)i.

تم توصيل مدخل دارة الإرسال إلى قطب الإرسال للنافذة المتتالية UART للمتحكم. وبالتالي فإن جميع البيانات الصادرة من النافذة على القطب TXD سوف ترسل على شكل ثنائي (0,1) على المرسل IR-LED.

الشكل 17: مميزة عمل المتصل الضوئي Photodiode

وهي عبارة عن متصل ضوئي (Photodiode) محيز عكسياً بحيث أنه عندما يتم تسليط ضوء على نافذة الثنائي التي تمثل المنطقة الفاصلة بين المتصل P/N يقوم على تمرير كمية أكبر من التيار كما هو مبين على مميزة العمل في الشكل17. عندما يكون الثنائي في الظلام فإن مقاومة الثنائي تكون كبيرة جداً (بالميغا أوم)، وعندما يتم تسليط الضوء على الثنائي تصبح مقاومته بضع كيلو أوم، كما أن تغير شدة الضوء الساقط على الثنائي سيؤدي إلى تغير مطال الخرج على طرفي المقاومة R3، وبالتالي سنستخدم قادح شميث 74HC14 لتثبيت المطال بحيث تتأرجح إشارة الخرج بين القيمة “0” (عندما يرسل المرسل القيمة المنطقية “0”) والقيمة “1” (عندما يرسل المرسل القيمة المنطقية “1”).

يبين الشكل18 مخطط دارة الاستقبال وتوصيلها مع القطب RXD لموديول الوصل مع الحاسب neXus.

الشكل 18: مخطط التوصيل لدارة الاستقبال بالأشعة تحت الحمراء ووصلها مع القطب RXD للموديول neXus

البرنامج “Exp.19.bas” في بيئة BASCOM-AVR:

'-----------------------[Definitions]
$regfile="m32def.dat"
$crystal= 8000000
$baud= 4800
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
'--->[Main Program]
Do
Print"Hello World":Waitms 50
Loop
End
'---<[End Main]
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

سيقوم البرنامج بإرسال (TXD) العبارة “Hello World” كل 50 ميلي ثانية على النافذة المتتالية (UART) بشكل مستمر. على الطرف الآخر سيكون المستقبل (Photodiode) موصل مع منفذ USB من خلال الموديول neXus وبالتالي يمكن عرض القيم المستقبلة من خلال النافذة Terminal – الشكل19.

الشكل 19: خرج دارة الاستقبال في نافذة Terminal في الحاسب

في حال طلب استقبال البيانات من خلال متحكم آخر بدل الحاسب وعرضها على شاشة إظهار LCD فيتم ذلك بتوصيل خرج دارة الاستقبال إلى القطب RXD للمتحكم الآخر وسيكون البرنامج على الشكل التالي:

البرنامج “Exp.20.bas” في بيئة BASCOM-AVR:

'-----------------------[Definitions]
$regfile="m8def.dat"
$crystal= 8000000
$baud= 4800

'-----------------------[LCD Configuration]
Config Lcdpin = Pin , Db4 =Portc.2 , Db5 =Portc.3 , Db6 =Portc.4 , Db7 =Portc.5 , E =Portd.3 , Rs =Portd.4
ConfigLcd= 16 * 2

'-----------------------[Variables]
Dim Var AsByte
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
'--->[Main Program]
Do
IfIscharwaiting()= 1 Then
Var =Inkey() :LCD Var
EndIf
Loop
End
'---<[End Main]
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

سوف تقوم الدالة “Ischarwaiting()i” بفحص محتوى مسجل الدخل للنافذة المتتالية UART وفي حال ورود بيانات سيتحقق الشرط (Ischarwaiting()= 1) ويتم قراءة البيانات الواردة (Var =Inkey()i) وعرضها على شاشة LCD.

إن عملية إرسال البيانات بين متحكم AVR من خلال النافذة UART (TTL)i والحاسب عبر منفذ USB (Differential)i ستتم في هذا التطبيق باستخدام أشعة الليزر، وبالتالي سيتضمن التصميم دارتي الإرسال والإستقبال.

وهي عبارة عن مرسل ليزري (Laser LED) متحكم به عن طريق مفتاح إلكتروني ترانزستوري (Q1). إن التيار الاسمي للثنائي LED يترواح بين 25 و100 ميليأمبير وكلما ازدادت قيمة التيار ازدادت استطاعة الإرسال وجهد العمل للثنائي 2V (R2 = 30Ω)i. تم توصيل مدخل دارة الإرسال إلى قطب الإرسال للنافذة المتتالية UART للمتحكم. وبالتالي فإن جميع البيانات الصادرة من النافذة على القطب TXD سوف ترسل على شكل ثنائي (0,1) على المرسل Laser-LED.

الشكل 20: مخطط التوصيل (Schematic) لدارة الإرسال بأشعة الليزر ووصلها مع القطب TXD للمتحكم

وهي عبارة عن ترانزستور ضوئي (Phototransistor) محيز أمامياً بحيث أنه عندما يتم تسليط ضوء على نافذة الترانزستور التي تمثل القاعدة فسوف يقوم الترانزستور بتمرير كمية أكبر من التيار كما هو مبين على مميزة العمل في الشكل21.

الشكل 21: مميزة عمل الترانزستور الضوئي

عندما يكون الترانزستور في الظلام فإن مقاومة الترانزستور تكون كبيرة جداً (بالميغا أوم) وسيكون في حالة القطع، وعندما يتم تسليط الضوء سوف يفتح الترانزستور، كما أن تغير شدة الضوء الساقط على الترانزستور سيؤدي إلى تغير مطال الخرج على طرفي الترانزستور، وبالتالي سنستخدم قادح شميث 74HC14 لتثبيت المطال بحيث تتأرجح إشارة الخرج بين القيمة “0” (عندما يرسل المرسل القيمة المنطقية “0”) والقيمة “1” (عندما يرسل المرسل القيمة المنطقية “1”). الشكل22 يبين مخطط دارة الاستقبال وتوصيلها مع القطب RXD لموديول الوصل مع الحاسب neXus.

الشكل 22: مخطط التوصيل لدارة الاستقبال بالأشعة تحت الحمراء ووصلها مع القطب RXD للموديول neXus

البرنامج “Exp.19.bas” في بيئة BASCOM-AVR:

'-----------------------[Definitions]
$regfile="m32def.dat"
$crystal= 8000000
$baud= 4800
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
'--->[Main Program]
Do
Print"Hello World":Waitms 50
Loop
End
'---<[End Main]
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

سيقوم البرنامج بإرسال (TXD) العبارة “Hello World” كل 50 ميلي ثانية على النافذة المتتالية (UART) بشكل مستمر. على الطرف الآخر سيكون المستقبل (Phototransistor) موصل مع منفذ USB من خلال الموديول neXus وبالتالي يمكن عرض القيم المستقبلة من خلال النافذة Terminal – الشكل 23.

الشكل 23: خرج دارة الاستقبال في نافذة Terminal في الحاسب

في حال طلب استقبال البيانات من خلال متحكم آخر بدل الحاسب وعرضها على شاشة إظهار LCD فيتم ذلك بتوصيل خرج دارة الاستقبال إلى القطب RXD للمتحكم الآخر وسيكون البرنامج هو نفسه البرنامج “Exp.20.bas”.

بالنتيجة فإن مشروع إرسال واستقبال البيانات باستخدام الأشعة تحت الحمراء مشابه تماماً لمشروع إرسال واستقبال البيانات باستخدام الليزر والاختلاف الوحيد هو باستبدال مرسل الأشعة تحت الحمراء بمرسل ليزري واستبدال الثنائي الضوئي بترانزستور ضوئي.

إن عملية إرسال البيانات بين متحكم AVR من خلال النافذة UART (TTL)i والحاسب عبر منفذ USB (Differential)i ستتم في هذا التطبيق باستخدام الأمواج المذياعية RF، وبالتالي سيتضمن التطبيق دارتي الإرسال والإستقبال.

وهي عبارة عن مرسل مذياعي (RF Transmitter) على شكل موديول جاهز يعمل بجهد 5V ويملك أربعة اقطاب (+5V, GND, ANT, DI). تم توصيل مدخل البيانات لموديول الإرسال (DI) إلى قطب الإرسال للنافذة المتتالية UART للمتحكم. وبالتالي فإن جميع البيانات الصادرة من النافذة على القطب TXD سوف ترسل على شكل ثنائي (0,1) على قطب إرسال البيانات للموديول RF.

وهي عبارة عن مستقبل مذياعي (RF Receiver) على شكل موديول جاهز يعمل بجهد 5V ويملك أربعة اقطاب (+5V, GND, ANT, DO).. تم توصيل مخرج البيانات المستقبلة (DO) لموديول الاستقبال إلى قطب الاستقبال للنافذة المتتالية UART للموديول neXus. الشكل22 يبين مخطط دارة الاستقبال وتوصيلها مع القطب RXD لموديول الوصل مع الحاسب neXus.

الشكل 24: مخطط التوصيل (Schematic) لدارة الإرسال والاستقبال بالأمواج المذياعية
الـDatasheet مرفقة في مجلد المشروع

البرنامج هو نفسه البرنامج “Exp19.bas”، وبالنتيجة فإن مشروع إرسال واستقبال البيانات باستخدام الأمواج المذياعية مشابه تماماً لمشروع إرسال واستقبال البيانات باستخدام الأشعة تحت الحمراء والاختلاف الوحيد هو باستبدال مرسل الأشعة تحت الحمراء بمرسل مذياعي واستبدال الثنائي الضوئي بمستقبل مذياعي.وفي حال طلب استقبال البيانات من خلال متحكم آخر بدل الحاسب وعرضها على شاشة إظهار LCD فيتم ذلك بتوصيل خرج دارة الاستقبال إلى القطب RXD للمتحكم الآخر وسيكون البرنامج هو نفسه البرنامج “Exp.20.bas”.

يستخدم هذا الجهاز لتحديد موقع أي نقطة على الأرض من حلال مجموعة من الحسابات على البيانات المستقبلة من الأقمار الصناعية وقد تقدم أثناء عرض المحاضرة الثامنة (Session_08_CE_2012.wmv) مبدأ عمل نظام الـGPS وكذلك حزم البيانات التي يتم بثها من الأقمار الصناعية المخصصة لنظام الملاحة العالمي وكيف يتم استقبالها من خلال موديول استقبال “GPS Receiver Module”.

$GPGGA,092750.000,5321.6802,N,00630.3372,W,1,8,1.03,61.7,M,55.2,M,,*76

$GPGSA,A,3,10,07,05,02,29,04,08,13,,,,,1.72,1.03,1.38*0A

$GPGSV,3,1,11,10,63,137,17,07,61,098,15,05,59,290,20,08,54,157,30*70

$GPGSV,3,2,11,02,39,223,19,13,28,070,17,26,23,252,,04,14,186,14*79

$GPGSV,3,3,11,29,09,301,24,16,09,020,,36,,,*76

$GPRMC,092750.000,A,5321.6802,N,00630.3372,W,0.02,31.66,280511,,,A*43

$GPGGA,092751.000,5321.6802,N,00630.3371,W,1,8,1.03,61.7,M,55.3,M,,*75

$GPGSA,A,3,10,07,05,02,29,04,08,13,,,,,1.72,1.03,1.38*0A

$GPGSV,3,1,11,10,63,137,17,07,61,098,15,05,59,290,20,08,54,157,30*70

$GPGSV,3,2,11,02,39,223,16,13,28,070,17,26,23,252,,04,14,186,15*77

$GPGSV,3,3,11,29,09,301,24,16,09,020,,36,,,*76

$GPRMC,092751.000,A,5321.6802,N,00630.3371,W,0.06,31.66,280511,,,A*45

(reference: http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm)

الشكل 25: مثال عن الحزم المستقبلة على خرج موديول GPS.

في هذا التطبيق سوف نتعامل مع إحدى حزم البيانات المستقبلة من خلال الموديول وهي الحزمة $GPZDA وهي تحوي على الوقت والتاريخ فقط؛ وبالتالي من أجل استخلاص البيانات من الحزمة فإنه يجب معرفة نوع وشكل البيانات التي يستقبلها موديول الـــG.P.S والتي تعتمد البروتوكول NMEA الذي يعد أشهر برتوكولات هذا النظام.

ملاحظة: كلمة NMEA هي اختصار National Marine Electronics Association.

شكل الحزمة هو:

$GPZDA,hhmmss.ss,DD,MM,YYYY,ltzh,ltzn*cs<CR><LF>

الإسم

ASCII String

الوحدة

الشرح

الشكل

مثال

$GPZDA

string

$GPZDA

Message ID

hhmmss.ss

hhmmss.ss

082710.00

UTC time

day

dd

16

day

UTC time: day

month

mm

09

month

UTC time: month

year

yyyy

2002

year

UTC time: year

ltzh

xx or -xx

00

Local zone hours

ltzn

zz

00

Local zone minutes

cs

hexadecimal

*64

Checksum

<CR> <LF>

مثال:

$GPZDA,071802.00,29,10,2008,00,00*6A

الحزمة في هذا المثال تشير إلى أن التاريخ هو: 29/10/2008 والوقت هو: 07:18:02 بتوقيت غرينتش.

يتوفر تجارياً العديد من موديولات GPS وجميع موديولات الــGPS تملك نافذة متتالية UART.
بشكل عام يمتلك الموديول من 4 إلى 6 أقطاب لها الوظائف التالية:

• القطب GND: قطب النقطة الأرضية للتغذية.

• القطب VCC: قطب التغذية الرقمية للموديول (3V+ إلى 5V+).

• القطب PPS: قطب توليد نبضة تزامن بدور ثانية واحدة (1sec).

• القطب RXD: قطب دخل من أجل ضبط بارامترات الموديول.

• القطب TXD: قطب خرج البيانات المستقبلة من قبل الموديول ( يجب أن يوصل مع القطب RXD للمتحكم المصغر).

الشكل 26:بعض موديولات الـGPS التجارية

من أجل هذا التطبيق فإنه يكفي تغذية الموديول (VCC و GND) ووصل القطب TXD من الموديول مع القطب RXD للنافذة المتتالية UART للمتحكم المصغر كما في الشكل27.

الشكل 27

البرنامج “GPS_ZDA.bas” في بيئة BASCOM-AVR:

'*****************************************************************************
' * Title : GPS_ZDA.bas *
' * Target Board : Mini-Phoenix - REV 1.00 *
' * Target MCU : ATMega32A *
' * Author : Walid Balid *
' * IDE : BASCOM AVR 2.0.7.3 *
' * Peripherals : LCD - GPS - LED - Buzzer *
' * Description : Acquiring Time/Date/Coordinates from GPS Module *
'*****************************************************************************
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
'-----------------------[Definitions]
$regfile="m32def.dat"
$crystal= 8000000
$baud= 4800
'-----------------------
'-----------------------[LCD Configurations]
Config Lcdpin = Pin , Db4 =Portc.2 , Db5 =Portc.3 , Db6 =Portc.4 , Db7 =Portc.5 , E =Portd.3 , Rs =Portd.4
ConfigLcd= 16 * 2
'-----------------------
'-----------------------[Variables]
Dim Uart_var AsByte, Pps_f AsBit
Dim Temp_str AsString* 2, Identifier AsString* 6, Data_stream AsString* 27
Dim Hour_val AsString* 2 , Min_val AsString* 2 , Sec_val AsString* 2
Dim Day_val AsString* 2 , Month_val AsString* 2 , Year_val AsString* 2
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
'--->[Main Program]
Do
IfIscharwaiting()= 1 ThenGosub Gps_isr

If Pps_f = 1 Then
Reset Pps_f :Cls
Locate 1 , 1 :Lcd"Time: "; Hour_val ;":"; Min_val ;":"; Sec_val
Locate 2 , 1 :Lcd"Date: "; Day_val ;"/"; Month_val ;"/20"; Year_val
EndIf
Loop
End
'---<[End Main]
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
'--->[UART]
Gps_isr:
Uart_var =Inkey()
If Uart_var ="$"Then
$timeout= 100000 :Input Data_stream
Identifier =Mid(data_stream , 1 , 6)
If Identifier ="GPZDA,"Then
'->[Time]
Hour_val =Mid(data_stream , 07 , 2)
Min_val =Mid(data_stream , 09 , 2)
Sec_val =Mid(data_stream , 11 , 2)
'->[Date]
Day_val =Mid(data_stream , 17 , 2)
Month_val =Mid(data_stream , 20 , 2)
Year_val =Mid(data_stream , 25 , 2)
Set Pps_f
EndIf
EndIf
Return
'~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

إن جميع حزم البيانات الرواردة على خرج موديول GPS تبدأ بالمحرف “$” وبالتالي فإن البرنامج “GPS_ZDA.bas”سيقوم بما يلي:

1. أولاً بانتظار ورود بيانات على النافذة المتتالية UART حتى يتحقق الشرط (IfIscharwaiting()=1).

2. سوف يقوم بقراءة المحرف الوارد على النافذة (Uart_var =Inkey()i) والتأكد فيما إذا كان المحرف هو “$” (If Uart_var ="$"Then) إشارة إلى بداية حزمة بيانات.

3. في حال كانت بداية حزمة بيانات ("$") فسيتم قراءة كامل الحزمة (Input Data_stream) إلى سلسلة محرفية بـ27 محرف ممثلة بالمتحول “Data_stream” والذي تم تعريفه على الشكل:
   “Data_stream AsString* 27”

4. سنحتاج الآن إلى التأكد من أن الحزمة التي تم وضعها في المتحول “Data_stream” هي حزمة البيانات “GPZDA” المطلوبة. لذلك سيتم استخدام تعليمة الاقتطاع من سلسلة محرفية (Mid) من أجل اقتطاع المحارف الستة الأولى وفحصها للتأكد فيما إذا كانت هي للحزمة “GPZDA”.
   شكل التعليمة هو:String_var =Mid(String , Start , Num_of_char)i
   حيث أن المتحول “String_var” هو الذي سيتم فيه وضع المحارف المقتطعة من السلسلة ويجب أن يكون حجمه معرفاً بحيث يتسع للمحارف المطلوب اقتطاعها.
   المتحول “String” هو السلسة المحرفية الأصلية المطلوب أن يتم الاقتطاع منها.
   المتحول “Start” هو نقطة بداية الاقتطاع.
   المتحول “Num_of_char” هو عدد المحارف المطلوب اقتطاعها.

5. في حال كانت المحارف الستة الأولى المقتطعة من السلسلة المحرفية هي للحزمة المطلوبة (GPZDA,)، فعندها يتم إكمال عملية تجزيئ السلسة المحرفية من أجل الحصول على البيانات المطلوبة وهي الوقت والتاريخ حيث أن لكل قيمة موضع محدد في السلسة المحرفية كما هو مبين أدناه بين الأقواس...