Разработка и исследование архитектуры встраиваемого аппаратно-программного комплекса

Министерство образования и науки  Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение 

высшего образования

«Уральский  федеральный университет 

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Институт фундаментального образования

Кафедра информационных систем и технологий





ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ



И.о. зав. кафедрой ______________ Н.А.Хлебников

«____»____________________2017 г.











Разработка и исследование архитектуры 

встраиваемого аппаратно-программного комплекса 

для подключения к сети Wi-Fi

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Пояснительная записка

090302 620000 133 ПЗ











	Руководитель, доцент, доцент, к.т.н.	Э.П. Макаров



	Нормоконтроль, аспирант.	И.М. Гайнияров



	Студент гр. ФО-430501	Р.И. Ахьямов









г. Екатеринбург

2017


Министерство образования и науки  Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение 

высшего образования

«Уральский  федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»





Институт фундаментального образования

Кафедра «Информационных систем и технологий»

Направление (09.03.02) Информационные системы и технологии







УТВЕРЖДАЮ



И.о. зав. кафедрой ___________ Н.А.Хлебников

«25» апреля 2017 г.





ЗАДАНИЕ

на выполнение выпускной квалификационной работы



			студента __Ахьямова Рината Ильгизаровича	группы ФО-430501	.                 

			(фамилия, имя, отчество)



		1. Тема ВКР 	__Разработка и исследование архитектуры встраиваемого аппаратно-программного комплекса для подключения к сети Wi-Fi	

Утверждена распоряжением по институту от   «30» декабря 2016 № 63



	2. Руководитель _Макаров_Эдуард_Петрович, доцент, доцент,к.т.н.	

			(Ф.И.О., должность, ученое звание, ученая степень)



3. Исходные данные к работе  ______________________________________________________

_____Государственные стандарты. Стандарты предприятия_____________________________ _____ГОСТ-2-105-95,  ГОСТ 19.201-78, ГОСТ 7.82-2001._______________________________ ________________________________________________________________________________



4. Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов) 

_____Выбор аппаратного обеспечения АПК,_____________________________________ _____разработка программного обеспечения для взаимодействия_________________________ _____работы сетевой и основной частей АПК,______________________________________ _____написание примеров для экспериментального исследования________________________ _____доступа к сети через Wi-FI.                                                                                                        

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



5. Перечень демонстрационных материалов __________________________________________

____________________________________________________________________________________Презентация в MS POWER POINT с использованием проектора_____________________ ________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________




6. Консультанты по проекту (работе) с указанием относящихся к ним разделов проекта

Раздел

Консультант

Подпись, дата





Задание выдал

Задание принял











































































7. Календарный план

Наименование этапов выполнения работы

Срок выполнения

этапов работы

Отметка о выполнении

Разработка архитектуры встраиваемого АПК основанного на базе отладочной платы MSP430F5529 и сетевого процессора CC3100

23.03-15.04    



Организация канала связи ПК с АПК

10.04-10.05



Реализация доступа к Wi-Fi каналу в системе клиент-сервер

10.04-10.05



Разработка комплекса управления для лабораторного экспериментального исследования доступа к Wi-Fi каналу

30.04-01.06



Написание пояснительной записки

01.06-15.06





Руководитель __________________________ 		______Макаров Э. П._________

			(подпись)							Ф.И.О.



Задание принял к исполнению _____________________________________

						(подпись)



8. Выпускная работа закончена «____» ________________________ 2017 г.



Пояснительная записка и все материалы просмотрены

	Оценка консультантов:* а) ________________________ б) ________________________

				      в) ________________________  г) ________________________

	Считаю возможным допустить __ Ахьямова Рината Ильгизаровича	

к защите его выпускной квалификационной работы в  экзаменационной комиссии.

Руководитель _____________________



	9. Допустить  Ахьямова Рината Ильгизаровича ________________ к защите выпускной квалификационной работы в экзаменационной комиссии (протокол заседания кафедры 
№ _____ от «_____» ________________ 2017 г.)





Зав. кафедрой ________________




РЕФЕРАТ

Темой разработанного ВКР является «Разработка и исследование архитектуры встраиваемого аппаратно-программного комплекса для подключения к сети Wi-Fi». В разработке системы используются такие программные средства, как CCS, Energia, Uniflash.

Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, беспроводное соединение, микроконтроллеры, удалённое управление.

В первом разделе описана выбор архитектуры встраиваемого АПК, а именно аппаратного обеспечения и программного обеспечения. Описаны методы обмена информацией с периферийными устройствами.

Во втором разделе описаны методы организации связи ПК с АПК: описан выбранный для исследования стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi), методы быстрого подключения устройств лишённых визуального интерфейса. Так же описываются методы реализации удалённого доступа к АПК

В третьем разделе описана возможность исследования параметров соединения к сети по Wi-Fi с использованием API программного обеспечения контроллера CC3100.

Результатом выпускной квалификационной работы является образец энергосберегающего АПК предназначенного для подключения к сети Wi-Fi с возможностью удалённого управления. Исследуемый АПК, может применяться в проектах, основанных на технологии «Интернета вещей». Например, для управления системами «Умный дом» или контроля производственных процессов.

Аппаратно-программный комплекс собран, для него разработано программное обеспечение, внедрение не планировалось. 

Пояснительная записка содержит 56 страниц, рисунков – 28, список литературы – 21 наименование. Приложения занимают 15 страниц.



Содержание

Обозначения и сокращения	6

Введение	7

1   Анализ предметной области	9

	1.1   Область применения	9

	1.2   Аппаратное обеспечение	10

	1.3   Программное обеспечение	19

2   Выбор Архитектуры АПК	22

	2.1   Модель взаимодействия микроконтроллеров в апк	22

	2.2   Обмен информацией с переферией и внешними устройствами	24

3   Методы организациИ канала связи пк с апк	29

	3.1   Стандарты и протоколы беспроводного обмена информацией	29

	3.2   Аппаратно-программная поддержка обмена информацией стандартными средствами	35

	3.3   Реализация доступа к апк	40

4   ИССЛЕДОВАНИЕ АПК С ДОСТУПОМ ПО WI-FI КАНАЛУ К ПК	46

	4.1   Разработка примеров для экспериментальных исследований доступа к wi-fi каналу	46

Заключение	52

Список используемых источников	55

ПРИЛОЖЕНИЕ А . характеристики Аппаратного обеспечения	57

ПРИЛОЖЕНИЕ Б . Протоколы обмена данными	64



Обозначения и сокращения

АПК – аппаратно-программный комплекс.

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) – универсальный асинхронный приёмопередатчик.

SPI (SCSI-3 Parallel Interface) – параллельный интерфейс SCSI-3.

USB (Universal Serial Bus) – универсальная последовательная шина, является промышленным стандартом расширения архитектуры PC.

РСМ (Pulse-Code Modulation) - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

I2S (Inter I2C Sound) - интерфейс, предназначенный для передачи двухканального (стерео) PCM-потока (ИКМ-потока) между микросхемами цифровых аудиосистем.

GCC – GNU Compiler Collection – это пакет объединяющий в себе компиляторы различных языков программирования.

Введение

В выпускной квалификационной работе рассматривается тема «Разработка и исследование архитектуры встраиваемого аппаратно-программного комплекса для подключения к сети Wi-Fi».

Объектом исследования является соединение аппаратно-программного комплекса с сетью по Wi-Fi.

Предметом исследования является архитектура аппаратно-программного комплекса.

Целью выпускной квалификационной работы является выбор аппаратного обеспечения АПК, разработка программного обеспечения для совместной работы частей сетевой и основной частей АПК, написание комплекса примеров для экспериментального исследования доступа к сети через Wi-Fi.

Актуальность проекта состоит в том, что данный АПК является средством для изучения особенностей работы АПК подключенного к сети через Wi-Fi.

Для достижения поставленных целей и задач необходимо выполнить следующие этапы работы:

	подбор литературы и изучение материалов по данной тематике;

	изучение базовых протоколов беспроводных сетей;

	подбор аппаратного обеспечения для АПК;

	настройка АПК для подключения к сети через Wi-Fi и реализация доступа к управлению подключенными к нему устройствами.

	исследование влияния настроек микроконтроллера на соединение по Wi-Fi с сетью;

	написание комплекта примеров;

	написание методических материалов.

Теоретическая значимость: данный АПК проектируется с целью написания комплекса примеров для экспериментального исследования доступа к сети через Wi-Fi и написания методического пособия по лабораторному практикуму.

Практическая значимость состоит в сборке АПК, а также его настройке для обеспечения доступа к общим ресурсам АПК, таким как аппаратные кнопки, лампочки и прочие периферийные и внутренние ресурсы, а также в исследовании параметров, используемых в протоколах передачи данных, таких как частота и длина запросов, выбор методов подключения, выбор роли в Wi-Fi сети, работа с правилами сетевого фильтра.

Анализ предметной области

Область применения

Использование беспроводной передачи данных даёт множество преимуществ. Основное преимущество – это снятие ограничения на мобильность и наличие большого количества движущихся деталей в системе, в которой применяется передача данных. Микроконтроллер с поддержкой беспроводной передачи данных, позволяет модифицировать систему управления без механических вмешательств и изменений схемы системы управления только за счёт изменения программы. Однако, отказавшись от проводных соединений, мы уменьшаем срок автономности системы управления и увеличиваем расходы на обслуживание. Затраты можно сократить за счёт применения микроконтроллеров со сверхнизким энергопотреблением.

Альтернативные средства беспроводной передачи данных.

Для беспроводной передачи данных особо важную роль в построении «интернета вещей» играют такие качества, как эффективность в условиях низких скоростей, отказоустойчивость, адаптивность, возможность самоорганизации. Стандарт IEEE 802.15.4, определяет физический слой и управление доступом для организации энергоэффективных персональных сетей, и являющийся основой для следующих протоколов: 

-	WirelessHart или IEC 62591, с апреля 2010 года, – первый международный беспроводной стандарт для встроенных устройств.

-	ZigBee, являющийся Mesh-сетью низкого потреблении, применяется в домашней автоматизации, а именно в счётчиках и освещении.

-	MiWi, единственным условием использования протокола MiWi в разработках является применение микроконтроллеров и приёмопередатчиков производства Microchip, он является сходным с ZigBee протоколом.

-	6LoWPAN, реализует слой IPv6 над IEEE 802.15.4.

-	LPWAN.

Wi-Fi – является в настоящее время наиболее вездесущей технологией беспроводной связи. А так как это протокол, построенный в соответствии со стандартом IEEE 802.11, то он поддерживает все основные функции сети Интернет, и с избытком может заменить упрощённые протоколы построенные на основе стандарта IEEE 802.15.4. Упрощённые протоколы беспроводной связи нужны для работы с простыми устройствами, имеющими очень маленькие вычислительные возможности. Однако сейчас существуют микроконтроллеры, отлично работающие со связью, построенной протоколу 802.11. Поэтому после становления стандартных функций во всех ноутбуках, смартфонах и планшетах, Wi-Fi добавляется к простым вещам для домашнего применения, термостатам и многим другим продуктам автоматизации дома и зданий, поддерживающих технологии, применяемые в Internet of Things (IoT). Однако, выделение ресурсов IoT продуктам, которые не имеют клавиатуры и дисплея как интерфейса пользователя, простым и надёжным способом является серьёзной проблемой.

Аппаратное обеспечение

Объект исследования – аппаратно-программный комплекс он состоит из двух микроконтроллеров, один из которых управляет устройствами, а второй управляет Wi-Fi-модулем. А также программная часть этих устройств, обеспечивающая работу с протоколом сети WI-Fi и управляющая периферийными устройствами.

Аппаратно-программный комплекс будет включать следующие комплектующие:

-	Сетевой процессор CC3100 на плате BoosterPack™ с устройством беспроводной связи PG1.33. 

-	Отладочный комплект MSP-EXP430F5529LP (LaunchPad) со встроенным микроконтроллером MSP430F5529.

-	Управление будет осуществляться посредством визуального интерфейса на ПК (персонального компьютера) мобильном телефоне или планшете, из специального приложения или HTML-страницы, или с использованием облачного сервиса, сохраняющего и передающего параметры.

Технические параметры СС3100

Сетевой процессор СС3100 отличается высоким качеством радиотакта – чувствительность приёмника достигает 95,7 дБм, а выходная мощность +18 дБм (при 1 Мбайт/с). Радиомодуль поддерживает функцию автокалибровки и имеет несимметричный пятидесяти-омный интерфейс, что обеспечивает простое подключение дополнительной антенны.

Производительное внутреннее процессорное ядро способно обеспечить высокие скорости передачи полезных данных в режиме UDP до 16 Мбит/с, а при использовании TCP – до 12 Мбит/с. Скорость в радиоканале существенно выше – до 150 Мбит/с, однако это влияет лишь на тот факт, что СС3100 не будет снижать общей производительности WiFi-сети.

Микросхема СС3100BOOST работает в индустриальном температурном диапазоне (40...85°С) и поддерживает большое количество протоколов шифрования (WPA2; SSL 3.0/TLS 1.2), что позволяет с успехом использовать её в различных промышленных приложениях. Встроенный TCP/IPP стек протоколов IPv4 (BSD socket APIs, Web server, UDP, TCP) и различные сервисы (ARP, ICMP, DHCP, DNS) существенно упрощают создание сетевых приложений различной конфигурации. При этом приложение TCP Client требует меньше 7 Кбайт кодовой памяти и 700 байт ОЗУ. Одновременно можно открывать до восьми сокетов TCP/UDP/RAW или до двух защищённых сокетов TLS/SSL. В таблице А.1 в приложениях приведён основной сетевой функционал СС3100.

СС3100 работает в широком диапазоне напряжения питания 2,1…3,6 В. Низкий потребляемый ток (33 мА в режиме прослушивания, 55 мА в режиме приема, 85 мкА в режиме сна) и быстрый переход в рабочее состояние (95 мс) позволяют с успехом применять CC3100 во встраиваемых Wi-FI-устройствах, которые могут год и более работать от комплекта из двух батарей формата AA. А значит он может применяться в проектах, использующихся в труднодоступных местах и в местах где сложно проводить ежемесячное техобслуживание.



Рисунок 1 – Структура платы CC3100BOOST

Характеристики микроконтроллера CC3100:

	основной функционал составляют функции Wi-Fi 802.11b/g/n, STA, AP & Wi-Fi Direct Mode, SmartConfig;

	внешние интерфейсы SPI, UART;

	потребление Wi-Fi RX, мА: 53 (54 в режиме OFDM);

	потребление Wi-Fi TX, мА: 223 (54 OFDM, 14.5 дБм);

	потребление Wi-Fi Idle Connect, мА	0,69 (DTIM = 1);

	потребление в режимах сна, мкА: Hibernate with RTC: 4, Low-Power Deep Sleep (LPDS): 115;

	корпус, мм	VQFN (64-pin QFN); 9?9; шаг 0,5.

На рисунке А.1 в приложении приведена схема этой платы с указанными портами ввода/вывода. [20]





Так же на рисунке ниже показано расположение на плате её функциональных элементов.



Рисунок 2 – Внешний вид платы CC3100BoosterPack

CC3100 является энергосберегающим микроконтроллером, который отлично впишется в концепцию нашего АПК и позволит проработать дольше без технического обслуживания.

Технические параметры MSP430F5529

MSP-EXP430F5529LaunchPad позволяет новичкам и опытным разработчикам осуществлять быстрое создание макетов, отладку и программирование измерительных, охранных, промышленных систем и других, требовательных к энергопотреблению проектов.



Рисунок 3 – Архитектура MSP-EXP430F5529LP без программатора

Можно было бы использовать плату MSP-EXP430F5529LP как программатор, а контроллеры покупать отдельно, но так как микроконтроллер MSP430F5529 не выпускается в DIP корпусе, комплект не позволяет снимать его с платы, поэтому встроенный программатор не может быть использован для настройки других микроконтроллеров. Поэтому такую плату следует покупать только в ознакомительных учебных целях, либо если ваш проект полностью состоит из модулей, включающих в себя интерфейс BoosterPack. В противном случае следует купить специальный программатор.













MSP-EXP430F5529LP содержит:

	Микроконтроллер MSP430F5528 с прошивкой eZ-FET lite, эмулирующий работу универсального программатора FET фирмы TI для микроконтроллеров с архитектурой MSP430 (рисунок 4).

	USB Hub обеспечивающий подключение платы к компьютеру (рисунок 4).

	сам микроконтроллер MSP430F5529;

	2 пользовательские кнопки;

	кнопку сброса;

	пользовательские светодиоды;

	блок перемычек для включения энергосберегающего режима работы и для изоляции программатора и модуля USB Hub при работе от батареи;

	интерфейс BoosterPack на 40 штырьков (20x20 выводов), предназначенный для подключения плат, несущих дополнительный функционал, например, дополнительные датчики;



Рисунок 4 – Функциональная  программатора и модуля USB Hub

Микроконтроллеры MSP430F552x имеют 16-ти битное RISC ядро MSP430, 12-разрядный АЦП, осуществляющий до 200 тысяч преобразований в секунду, 128КБ флэш-память и 8 КБ оперативной памяти (в дополнение к 2 КБ общей с USB-модулем оперативной памяти). Так же контроллер включает пять 16-ти битных таймеров с 3-мя регистрами захвата/сравнения и системные часы (сторожевой таймер) с частотой до 25 МГц и имеет встроенный аналоговый компаратор.

Такие микроконтроллеры могут работать в индустриальном температурном диапазоне (40...85°С) и имеют датчик температуры.

MSP430F552x работают в при напряжениях питания от 1,8 до 3,6 В. Сверхнизкий потребляемый ток (Active 230 мкА на 1 МГц; Standby 0.5 мкА;), гибкое энергопотребление (5 режимов) и сверхбыстрое время выхода из спящего режима – менее 1 мкс, позволяют с успехом их применять в энергосберегающих встраиваемых устройствах.



Рисунок 5 – Структура платы MSP-EXP430F5529

Для связи с внешними устройствами используется USB с 14 конечными точками и модуль последовательного интерфейса USСI (UART/SPI/I2C).

Функциональную схему контроллера MSP430F5529 можно увидеть в приложениях рисунок А.2.

В модуле АЦП (MSP430F5529) реализована технология прямого доступа к памяти – DTC (Data Transfer Controller).

Благодаря технологии DTC, АЦП может помещать результаты преобразования в память системы без участия CPU. Использование АЦП данного типа даёт следующие преимущества:

	меньшая активность CPU снижает энергопотребление;

	автономная работа АЦП;

	CPU может выполнять дополнительные задачи, не отвлекаясь на обработку данных АЦП;

Основные особенности и преимущества комплекта MSP-EXP430F5529LaunchPad:

	Разработчики могут пользоваться выводами для подключения внешних компонентов, а также встроенными кнопками и светодиодами.

	Встроенный эмулятор с питанием через USB позволяет программировать флэш-память, отлаживать микропрограммное обеспечение и поддерживать последовательный коммуникационный интерфейс, делая ненужным внешний эмулятор.

	Бесплатно предоставляются компиляторы и отладчики без ограничения функциональности, в том числе IDE Code Composer Studio и IDE IAR Embedded Workbench, поддерживающие комплексную среду разработки программного обеспечения, так же существует отладчик Energia, созданный на основе проекта Arduino/Genuino.

	2 кварцевых резонатора 32 кГц и 4МГц повышают точность встроенных в микроконтроллер MSP430 генераторов частоты с цифровым управлением, обеспечивая необходимую для различных периферийных устройств и таймеров точность режима реального времени.

	Открытый исходный код позволяет разработчикам создавать собственные аппаратные средства на базе комплекта MSP-EXP430F5529LP.

Учитывая все приведённые выше особенности контроллер MSP430F5529 со сверхнизким потреблением энергии отлично подойдёт для применения в нашем АПК.



Рисунок 6 – Подключение CC3100BOOST к MSP430F5529LP

Вывод:

Компания Texas Instruments выпускает микроконтроллеры с низким энергопотреблением. Эти устройства хорошо подходят для реализации на них приложений так называемого «Интернета вещей». А значит используя их мы можем получить пример рабочего устройства, параметры подключения, которого к сети Wi-Fi мы в дальнейшем будем учиться изменять.





Программное обеспечение

Программное обеспечение, устанавливаемое на ПК:

	SDK CC3100/

	CC3100 ServicePack™/

	CCS v7.

	Программное обеспечение микроконтроллеров.

	Предустановленное ПО на микроконтроллере CC3100.

SDK CC3100

Комплект средств разработки включает в себя базовые примеры, реализуемые на контроллере MSP430F5529 и, показывающие реализацию различных сетевых технологий с использованием API предустановленного ПО (прошивки) контроллера СС3100.



Рисунок 7 – Структура реализации проекта.

Устройства SimpleLink Wi-Fi, обеспечивают полную поддержку сетевой функциональности. Которая может упростить интеграцию и разработку сетевых приложений с их использованием.

TI предоставляет простой и удобный SimpleLink-драйвер на хост-микроконтроллере, его структура показана на рисунке 8.



Рисунок 8 – Структура драйвера Simple Link для Host-контроллера

CC3100 ServicePack™

ServicePack включает в себя прошивку микроконтроллера и требуется для её обновления через технологию SmartConfig или c помощью программатора CC31xxEMUBOOST. Для работы с программатором CC31xxEMUBOOST требуется ПО Uniflash.

Технология SmartConfig реализована фирмой TI для использования только на ОС Android, поэтому чтобы её применить придётся создавать своё приложение, благо приложения ОС Android всегда выпускаются с открытым кодом, как и все Linux приложения.

CCS v7

Code Composer Studio – это интегрированная среда разработки (IDE) микропрограммного обеспечения, поддерживающая микроконтроллеры и встроенные процессоры Texas Instruments. Code Composer Studio содержит набор инструментов, используемых для разработки и отладки встроенных приложений. Он включает оптимизирующий компилятор C/C++, редактор исходного кода, среду сборки проекта, отладчик, профайлер и многие другие функции. Интуитивно понятная среда IDE обеспечивает единый пользовательский интерфейс, проходящий через каждый этап разработки приложения. Code Composer Studio сочетает в себе преимущества среды разработки Eclipse с расширенными встроенными возможностями отладки от TI, что приводит к привлекательной многофункциональной среде разработки для встроенных разработчиков. Знакомые инструменты и интерфейсы позволяют пользователям начать работу быстрее, чем когда-либо прежде.

Предустановленное ПО на контроллере CC3100

Это программное обеспечение включает в себя SPI или UART интерфейс для связи с Host-микроконтроллером, серверные приложения (http, DNS, DHCP), драйвер TCP/IP, WLAN.



Рисунок 9 – Структура предустановленного ПО на контроллере CC3100

Есть возможность удалённой настройки сетевого микроконтроллера по технологии SmartConfig, но оно реализовано только на ОС Android.

Вывод: 

Представленные наборы ПО дают возможности довольно широкого применения выбранных микроконтроллеров в различных проектах.

Выбор Архитектуры АПК

Модель взаимодействия микроконтроллеров в АПК

Микроконтроллер CC3100 SimpleLink поддерживает протоколы UART и SPI для передачи данных.



Рисунок 10 – Модель взаимодействия по UART

Конфигурация UART устройства SimpleLink имеет следующую конфигурацию:

	Скорость передачи 115200 бит;

	отсутствие автоматического определения скорости передачи, 

	скорость передачи может быть изменена хостом до 3 Мбит, с помощью специальной команды;

	биты данных 8 бит;

	управление потоком CTS / RTS;

	чётность;

	стоповый бит – единица;

	бит-порядок LSBit первый;

	полярность прерывания хоста Активный высокий;

	данные передаются только в порядке LSB-first, так как устройство SimpleLink не поддерживает автоматическое определение длины хоста при использовании интерфейса UART.

Для взаимодействия контроллеров в АПК может применяться UART интерфейс, но для более плотного взаимодействия применяется SPI.



Рисунок 11 – Модель взаимодействия по SPI

Устройство взаимодействует с внешним хостом с использованием интерфейса SPI. Может прервать передачу по интерфейсу SPI, используя линию HOST_INTR. Интерфейс хоста SPI может работать со скоростью 20 МГц.



Рисунок 12 – Общая модель взаимодействия

Микроконтроллеры, входящие в АПК, могут взаимодействовать по двум интерфейсам SPI и UART для переключения, между которыми используется линия HOST_INTR.

Обмен информацией с переферией и внешними устройствами

Внешние устройства к выбранным платам фирмы Texas Instruments подключаются через интерфейс BoosterPack (20x2), отличающийся большей упорядоченностью от привычного для многих на платах Arduino. Как и на платах Arduino на выводы передаётся GPIO-интерфейс микроконтроллера.

Модули универсального последовательного интерфейса (USCI) поддерживают несколько режимов последовательной связи. Различные модули USCI поддерживают разные режимы. Название каждый следующего модуля USCI начинается с другой буквы. Например, USCI_A отличается от USCI_B. Если на одном устройстве реализовано более одного идентичного модуля USCI, к названию этих модулей добавляются числа. Например, если одно устройство имеет два модуля USCI_A, они называются USCI_A0 и USCI_A1.

Модули USCI_Ax поддерживают: 

	режим UART;

	формирование импульсов для IrDA-коммуникаций;

	автоматическое индикация скорости передачи данных для связи LIN;

	режим SPI.

Модули USCI_Bx поддерживают: 

	режим I2C;

	режим SPI.

В старых микроконтроллерах первой серии от компании Texas Instruments MSP430 (MSP430x1xx) используется универсальный синхронно/асинхронный приёмопередающий (USART) периферийный интерфейс, поддерживающий два последовательных режима в одном аппаратном модуле.

Модули USART поддерживают: 

	режим I2C;

	режим SPI;

	режим UART. [8]

USART интерфейс не используется в следующих сериях, вместо него используется USCI, с более сложной структурой, и возможностью дублирования.

В настоящее время многие БИС (включая микроконтроллеры) заключают в себе функциональность UART интерфейса.

Стандартный фрейм UART содержит бит START, 8 бит данных и бит STOP. Другие варианты также возможны в приложениях RS-232. Например, пакет данных может иметь длину 5, 6 или 7 бит, может быть два бита STOP, или бит чётности может быть вставлен между пакетом данных и бит STOP для элементарного обнаружения ошибок. На выводах передачи данных UART (TXD) или приёма данных (RXD) драйверы шины RS-232 инвертируются, а также сдвигаются по уровню, поэтому логическая единица является отрицательным напряжением на шине, а логический ноль - положительным напряжением. [10]

В асинхронном режиме (UART) модули USCI_Ax подключают устройство к внешней системе через два внешних контакта UCAxRXD и UCAxTXD. Режим UART выбирается, когда бит UCSYNC очищается.

Функции режима UART включают в себя:

	7- или 8-битные данные с нечётным, чётным или числами без чётности;

	независимые регистры сдвига передачи и приёма;

	отдельные регистры буфера передачи и приёма;

	данные передающиеся в порядке LSB-first и MSB-first;

	встроенные - протоколы связи в режиме ожидания и битовые адреса для многопроцессорных систем;

	обнаружение начального бита приёмником для автоматического пробуждения из режимов LPMx (пробуждение из LPMx.5 не поддерживается);

	программируемая скорость передачи данных с модуляцией для поддержания дробной скорости передачи;

	флаги состояния для обнаружения и подавления ошибок;

	флаги состояния для обнаружения адресов;

	возможность независимого прерывания для приёма и передачи

В режиме UART USCI передаёт и принимает символы с битовой скоростью асинхронно с другим устройством. Сроки для каждого символа основаны на выбранной скорости передачи данных USCI. Функции передачи и приёма используют одну и ту же скорость передачи.

Периферийный последовательный интерфейс SPI/Microwire применяется как для сопряжения микроконтроллеров между собой, так и микроконтроллеров с периферийными устройствами. В одном сеансе связи участвуют только 2 устройства, из которых одно обязательно микроконтроллер, а другое или микроконтроллер, или периферийное устройство с интерфейсом SPI (АЦП, датчик, память, исполнительное устройство и т. д.).



Рисунок 13 – Шина SPI

В периферийном последовательном интерфейсе SPI используются цифровые сигналы «такты» (clock), «выбор кристалла (микросхемы)» (chip select), «вход данных» (data input) и «выход данных» (data output), но нет адресных сигналов. Данные считываются с выхода последовательного АЦП по биту за такт (Рис. 2.14). Каждое из устройств, подключенных к шине SPI требует наличия отдельного сигнала CS, которым оно выбирается. [9]

В синхронном режиме (SPI) USCI подключает устройство к внешней системе через три или четыре контакта: UCxSIMO, UCxSOMI, UCxCLK и UCxSTE. Режим SPI выбирается, когда бит UCSYNC установлен, а режим SPI (3-контактный или 4-контактный) выбирается с битами UCMODEx.



Функции режима SPI включают в себя:

	7-битную или 8-битную длину данных;

	данные передающиеся в порядке LSB-first и MSB-first;

	3-контактные и 4-контактные SPI-операции;

	режимы ведущего или ведомого;

	независимые регистры сдвига передачи и приёма;

	отдельные регистры буфера передачи и приёма;

	непрерывная передача и приём;

	возможность выбора полярности синхронизации часов и управления фазой;

	программируемая тактовая частота в режиме мастера;

	возможность независимого прерывания для приёма и передачи;

	работа ведомого устройства в LPM4.

В двунаправленной шине I2С используется только 2 линии: последовательная линия синхронизации SCL (SCLock) и последовательная линия данных SDA (SDAta). Сигнал на линии SCL формируется процессором для синхронизации данных периферийного устройства.



Рисунок 14 – Временные диаграммы шины I2C

Несколько устройств могут одновременно использовать шины SCL и SDA.

При передаче данных сигнал SDA можно менять, только тогда пока на SCL установлен НИЗКИЙ уровень. Когда на SCL ВЫСОКИЙ уровень, перепады на линии SDA из одного уровня в другой интерпретируются как условия «СТАРТ» и «СТОП». [9]

В режиме I2C модуль USCI обеспечивает интерфейс между устройством и устройствами, совместимыми с I2C, подключенными к двухпроводной последовательной шине I2C. Внешние компоненты, подключенные к шине I2C, последовательно передают и/или принимают последовательные данные в/из модуля USCI через 2-проводный интерфейс I2C. 

Функции режима I2C включают в себя:

	соответствие спецификации Philips Semiconductor I2C v2.1;

	режимы адресации устройств 7-бит и 10-бит;

	общий вызов;

	старт/рестарт/стоп-биты;

	режим передатчик/master с несколькими ведущими устройствами;

	режим передачи/приёма slave-устройств;

	стандартный режим до 100 кбит/с и быстрый режим до 400 Кбит/с;

	программируемая частота UCxCLK в режиме мастера;

	предназначена для работы с малой мощностью;

	ведомый (slave) приёмник детектирует стартовый бит для автоматического пробуждения из режимов LPMx (пробуждение от LPMx.5 не поддерживается);

	работа ведомого устройства в LPM4;

В микроконтроллере MSP430F5529, являющемся управляющим в нашем АПК реализованы протоколы UART. SPI и I2C для связи с периферией и сетевым процессором CC3100.

Методы организациИ канала связи пк с апк

Стандарты и протоколы беспроводного обмена информацией

На современном этапе развития сетевых технологий, технология беспроводных сетей Wi-Fi является наиболее удобной в условиях, требующих мобильность, простоту установки и использования. Wi-Fi (от англ. wireless fidelity – беспроводная связь) – стандарт широкополосной беспроводной связи семейства 802.11. Как правило, технология Wi-Fi используется для организации беспроводных локальных компьютерных сетей, а также создания точек высокоскоростного доступа в Интернет. 

802.11 – первый промышленный стандарт для беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Networks), или WLAN. Стандарт был разработан Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) в 1997г, 802.11 может быть сравнен со стандартом 802.3 для обычных проводных Ethernet сетей.

Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 определяет порядок организации беспроводных сетей на уровне управления доступом к среде и физическом (PHY) уровне. В стандарте определён один вариант MAC (Medium Access Control) уровня и три типа физических каналов.

Подобно проводному Ethernet, IEEE 802.11 определяет протокол использования единой среды передачи, получивший название carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA/CA). Вероятность коллизий беспроводных узлов минимизируется путём предварительной посылки короткого сообщения, называемого ready to send (RTS), оно информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приёмная станция должна ответить на RTS посылкой clear to send (CTS). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приёмный узел к приёму. После получения пакета данных приёмный узел должен передать подтверждение (ACK) факта безошибочного приёма. Если ACK не получено, попытка передачи пакета данных будет повторена.

В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, которое включает аутентификацию для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней, а также ши.......................