Modbus - Sudelbuch

RS-485 Kommunikationssoftware

Hier soll nun kurz die Software beschrieben werden, über die ein Windows PC mit den Busteilnehmern über RS-485 kommuniziert. Es wurde das freie und weit verbreitete Modbus-RTU-Protokoll verwendet. Es ist gut dokumentiert, wegen Parity und 16-bit CRC hinreichend fehlerresistent und es gibt mit QModMaster ein freies Windows-Programm, das bei der Implementierung und Fehlersuche sehr hilfreich ist. Sowohl für den Windows-PC wie auch für das Arduino Biotop gibt es fertige Software.

Vorbemerkungen

Mit Arduino habe ich selbst nichts zu tun, einfach weil es das noch nicht gab, als ich zum erstenmal mit Atmel Bausteinen gearbeitet habe. Gelegentlich werde ich mir das mal anschauen. Die Modbus-Bibliothek für Windows habe ich mir einen halben Tag lang angeschaut und sie nicht zum Laufen bekommen. Sie ist sicher gut und kann alles, aber die paar Funktionen die ich brauche, habe ich dann doch selber geschrieben. Das schien mir schneller zu gehen, zumal die Funktionen auf der Gegenseite, dem Atmel Baustein, schon fertig war und sich nicht grundsätzlich unterscheidet. Damit ist nun die komplette Software sowohl auf der Host- wie auf der Device-Seite selbstgeschrieben und kann hier ohne Einschränkungen im Quelltext veröffentlicht werden:

Quelltext der Host-Software

Quelltext der Device-Software für den ATMEGA644PU

Wer will, kann beides gerne uneingeschränkt weiterbenutzen, eine Garantie für die fehlerfreie Funktion gibt’s natürlich nicht. Es sind sicherlich hier und da noch Fehler eingebaut. Außerdem ist nur ein Subset des Modbus-Protokolls implementiert, auch die eine oder andere Funktion, die in der Spec als „mandatory“ bezeichnet wird, ist nicht vorhanden (z.T. implementiert, aber auskommentiert da ungetestet).

Als Entwicklungsumgebung für Atmel verwende ich „Atmel Studio 7.0“, für Windows „VS Express 2013“. Beide Versionen sind etwas älter, Atmel gehört inzwischen zu Microchip, und von VS Express gibt es neuere Versionen, die aber nicht mehr mit Windows 7 laufen, sondern Windows 10 benötigen. Sollte ich jemals auf Win 10 umsteigen, werde ich mir eine neuere Version besorgen. Es gibt im Moment für mich keinen Grund zum Umsteigen.

Beide Programme sind sehr spezifisch für meinen Anwendungsfall geschrieben, daher habe ich auch keine ausführbare Datei beigefügt. Die Quelltexte sollen als Muster dienen, wie man es machen kann, aber nicht muß. Das Windows Programm mag gleichzeitig als Beispiel dienen, wie man die serielle Schnittstelle mit Windows-Funktionen bedient.

Alle Programme sind in ANSI‑C geschrieben, der ATMEGA nutzt ein paar winzige Assembler-Funktionen. Für Windows wird lediglich das Win32-API verwendet und ResEdit als Ressourcen Editor, weil die kostenlose Version von VS Express zumindest bis 2013 keinen Ressourcen Editor dabei hatte.

Host-Software

Ganz phantasielos habe ich die Host-Software SerCom genannt. Da zur Zeit nur der Antennenumschalter angeschlossen ist, ist dies der erste Tab, der nach dem Start angezeigt wird:

Tab Antennenumschalter — Die Bedienung des Antennenumschalters

Hier wird lediglich eine der bis zu sechs Antennen ausgewählt. Die Namen sind in der Registry konfigurierbar und oben nur Beispiel ohne reale Bedeutung. Die momentan aktive Antenne wird mit dem Icon angezeigt, nur eine kann zu einem Zeitpunkt aktiv sein. Port Status ist eigentlich eine verzichtbare Diagnosemeldung. Hier wird der physikalische Status des Ports A angezeigt, der die Relais ansteuert. Die beiden Tabs „Rotor“ und „Antennentuner“ sind leer und hier nur Platzhalter für zukünftige Steuerungen, die am selben Bus hängen sollen.

Mit dem Config-Tab wird einer der Busteilnehmer konfiguriert:

Beim Start ohne Parameter werden hier die Konfigurationsdaten des PCs und des ausgewählten Devices angezeigt, also Baudrate, Device ID und verwendeter COM-Port. Wird SerComm mit dem Paramter „-c“ gestartet, läuft es im Konfigurationsmodus und die hier dunkel geschalteten Felder werden weiß und können geändert werden. In diesem Tab wird ein Zähler gezeigt, der angibt, wie oft das EEPROM programmiert wurde, denn die Anzahl der Programmierzyklen ist endlich (allerdings werden mindestens 100k-Zyklen garantiert).

Auch eine Uhr ist implementiert, deren Datum und Uhrzeit hier gesetzt und ausgelesen werden können. Mit dem Wert bei „RTC correction“ kann im Config-Modus ein Korrekturwert eingegeben werden, mit dem eine Frequenzabweichung des Quarzes für die Uhrzeit kompensiert wird. Mit „Restart Device“ wird auf dem Device ein Watchdog Reset provoziert, also ein echter Hardware-Reset. „Refresh“ liest die angezeigten Daten erneut aus dem Device aus.

Der Diagnose-Tab zeigt einige Daten an, die etwas über den Gesundheitszustand des Devices aussagen:

Zunächst wird der Typ des Moduls, seine Taktfrequenz und die Version der implementierten Software angezeigt. Verschiedene Zähler zeigen dann die Anzahl der unterschiedlichen Resets, die Anzahl fehlerfrei empfangener eigener und fremder Nachrichten und die Anzahl von Kommunikationsfehlern an. Auch die Versorgungsspannung und die Temperatur auf der Device-Seite werden angezeigt. Trotz des nur etwa 30mA großen Versorgungsstroms erwärmt sich das Board merklich. Nunja, bei 12V sind es ja auch immerhin 360 mW. Der Temperatursensor (TMP275) hat übrigens eine Genauigkeit von 0.5 K und ¹⁄₁₆ K Auflösung. Daß drei Stellen hinter dem Komma angezeigt werden, deutet eine höhere Genauigkeit an.

Außerdem werden die Namen und Zeitstempel der Quelldateien und der Zeitpunkt des Compilerlaufs angezeigt. Auch hier lässt sich mit der Refresh-Taste der angezeigte Inhalt erneuern. Durch Anklicken der „Continuous“ Checkbox wird der Refresh dauerhaft ausgeführt. Das ist für Dauertests hilfreich. Ein über Nacht ausgeführter Dauertest brachte keinen einzigen Fehler hervor. Daß die Fehlerzähler funktionieren, zeigte allerdings ein erster Test mit 100 W HF auf dem Antennenumschalter.

Seit einigen Tagen und Nächten ist die Software im Einsatz und hat sich bewährt. Für das Interface zwischen dem USB-RS485-Wandler und dem Bus habe ich auch zum Einkoppeln der 12V Versorgungsspannung eine kleine Box gebaut:

Sie fügt nochmal kleine Tiefpässe in die Kommunikationsleitung ein und entstört die Versorgungsspannung eines externen Steckernetzteils. Das Gehäuse ist übrigens ein sehr preiswertes Eurobox-Gehäuse, das ich auch für andere Dinge gerne verwende.

Der Schiebko – ein elektromechanisch einstellbarer Schiebekondensator

Für einen Antennentuner der mehrere Frequenzbänder abdecken soll, benötigt man einstellbare Induktivitäten und Kapazitäten. Manuell einstellbare Tuner verwenden dafür Drehkondensatoren und Rollspulen. Diese Tuner sind normalerweise nur im Haus an der Funkstation zu verwenden, denn selbst wenn sie wetterfest sind, wird man nicht nach draußen gehen wollen, um sie neu abzustimmen.

Für den Außeneinsatz gibt es daher elektrisch einstellbare Antennentuner, die aber meist nur per Relais einige Festkondensatoren und Spulen umschalten. Dadurch wird der Abstimmbereich eingeschränkt und jedes Relais bedeutet zusätzliche Verluste und induktive und kapazitive Störungen. Daher wären stufenlos elektromechanisch einstellbare Bauteile von Vorteil.

Zum Einstellen der Kapazität bieten sich Schrittmotoren an. Sie sind sehr preisgünstig in vielen Varianten erhältlich. Damit kann man zum Beispiel einen Drehkondensator einstellen, allerdings benötigt man ein passendes Untersetzungsgetriebe möglichst ohne Spiel. Es gibt auch Schrittmotoren, die schon eine Spindel eingebaut haben und damit die Drehbewegung auf eine Translationsbewegung umsetzen, wie z.B. der hier abgebildete:

Schrittmotor mit Spindel zum Erzeugen einer linearen Bewegung.

Dieser Schrittmotor ist bei den bekannten Verkaufsstellen in China im Zehnerpack für weniger als 2 Euro pro Stück zu beziehen. Mit einem solchen Motor kann man recht einfach einen Plattenkondensator aus einer oder mehreren Platten verstellen, der als Schiebekondensator („Schiebko“) ausgeführt ist. Gesagt getan!

Die wesentlichen Randbedingungen für den Kondensator sind sein Einstellbereich und die Spannungsfestigkeit. Die Anwendung in einem Antennentuner bei einer moderaten Ausgangsleistung von 100 Watt erfordert weniger als 1 kV Spannungsfestigkeit. Bei 50 Ω hat man zwar nur unter 100 V anliegen, aber da auch hochohmige endgespeiste Antennen mit einigen wenigen kΩ angepasst werden sollen, ist man erst mit 1 kV auf der sicheren Seite. Bei der Wahl des Einstellbereichs fällt die Festlegung etwas schwerer. Einerseits kann man nach oben nie genug haben, besonders für die langwelligen Bänder, andererseits steigt aber fast unvermeidlich auch die minimale Kapazität mit der maximalen. Nun gut, für den Prototypen habe ich einfach einen Bereich von 20 pF bis 100 pF angestrebt. Durch Hinzufügen weiterer Platten lässt sich dieser Bereich anpassen.

Bleibt die Frage des verwendeten Materials und seine Dimensionen. Der Hub des oben gezeigten Schrittmotors beträgt gut 35 mm. Auf eine Führung für den Plattenstapel soll möglichst verzichtet werden, d.h. der Schieber soll einfach in den Stator gleiten und dabei der Plattenabstand gewahrt bleiben. Um die leitende Kondensatorplatte muß also ein Isolator angebracht sein, der einen Kurzschluß verhindert. Ein Luft-Drehko bzw. ‑Schiebko wäre wegen der notwendigen Führung mechanisch aufwendiger.

Der Aufbau

Als einfachste und billigste Lösung bieten sich auf Maß gefräste FR-4-Leiterplatten an.

Kondensatorplatten aus FR4 — Kondensatorplatten aus FR‑4

Links sind die drei Platten des Stators zu sehen und rechts die beiden Platten des Schiebers. Außerdem gibt es Abstandshalter und einige M2er Schrauben. Die Statorplatten sind 40 mm x 50 mm groß und auf der Unterseite etwa 0,25 mm eingefräst, so daß die Schieber leicht hin- und hergleiten können. Zusammengebaut sieht das ganze dann so aus:

Schiebekondensator zusammengebaut — Der fertigmontierte Schiebekondensator.

Hier ist der Schiebekondensator auf einem betriebsbereiten Prototypen mit dem Schrittmotor verbunden.

Die Ansteuerung erfolgt hier mit einem I/O Board mit RS485 Schnittstelle, das an anderer Stelle schonmal beschrieben wurde. Es ist über eine ModBus-Schnittstelle mit dem PC verbunden. Als Treiber dient ein kleines Board mit „A4988 stepper motor driver“, die es auch als Schüttgut bei chinesischen Händlern zu kaufen gibt. Es ist zweifellos überdimensioniert, aber hier die einfachste, billigste und schnellste Lösung. Die jeweilige Zielposition wird hier am PC mit dem ModBus-Utility QModMaster eingegeben. Das Video oben zeigt die Originalgeschwindigkeit, also weder Zeitraffer noch Zeitlupe. Zwischen den Endpositionen liegen hier etwa 250 Schritte. Der Einfachheit halber werden die Schrittimpulse in einem 10 ms-Interrupt-Handler erzeugt. Microstepping ist möglich, aber hier wird für jeden Schrittimpuls ein voller Schritt ausgeführt. Mit Microstepping fährt der Motor wesentlich sanfter und geräuschloser, braucht aber doppelt oder viermal so lange. Für eine „Release-Version“ wäre die Software noch etwas zu überarbeiten, aber hier soll es ja nur um ein „proof-of-concept“ gehen.

Die Meßergebnisse

Die Parameter des Kondensators können mit einem Netzwerkanalysator an der SMA-Buchse gemessen werden. Hier zunächst mal die Meßergebnisse zwischen 0 und 100 MHz für verschiedene Einstellungen des Kondensators:

Schiebekondensator, voll ausgefahren — Schiebekondensator voll ausgefahren.

Schiebekondensator, 50% eingefahren — Schiebekondensator 50% eingefahren.

Schiebekondensator, 75% eingefahren — Schiebekondensator 75% eingefahren

Schiebekondensator, voll eingefahren — Schiebekondensator voll eingefahren

Im voll ausgefahrenen Zustand hat der Kondensator also ungefähr 20 pF, im voll eingefahrenen Zustand gut 100 pF. Das sind ungefähr die Zielwerte für die Entwicklung des Prototypen. Dementsprechend wurde die Größe des Schiebers und die Anzahl der Platten gewählt. In einer überarbeiteten Version würde ich versuchen, die untere Kapazität auf 10 pF bis 15 pF herunterzubekommen. Das sollte durch Umdimensionieren des Schiebers möglich sein. Die Kapazität ist linear einstellbar und jeder Schritt ändert sie um etwa 0,3 pF ((100pF-20pF)/250 Schritte). Die Wiederholgenauigkeit liegt etwas höher, weil der Schieber lose eingehängt ist und etwas wackelt, aber dennoch bei unter 1 pF.

Die Messungen bei 75% und 100% zeigen Serienresonanzen bei 89,8 MHz und 82,2 MHz. Das ist nicht weiter verwunderlich und war zu erwarten. Die Zuleitungen zum Stator und zum Schieber bilden eine Induktivität in der Größenordnung von 40 nH. Sie ändert sich auch etwas mit der Stellung des Schiebers. Da der Einsatzbereich des Kondensators bis zum 10 m Band geplant ist, stört diese Induktivität hier nicht. Auch das 6 m Band und das 4 m Band wären noch abzudecken.

Gute Güte…

Ist also alles gut? Nein, die Crux ist die Güte des Kondensators. Sie ist in rot dargestellt und liegt je nach Frequenz und Kapazität zwischen 50 und 100. Das ist nicht gut, Kondensatoren haben normalerweise Güten über 1000, aber vielleicht kann man das hier tolerieren oder verbessern.

Der Kehrwert der Güte ist der Verlustfaktor, hier also 0,01 bis 0,02. Das bedeutet, wenn der Kondensator mit 100 Watt beaufschlagt wird, erzeugt er eine Verlustleistung von 1 bis 2 Watt. Die fehlen dann bei der abgestrahlten Leistung, aber bekanntlich gilt „ein bisschen Schwund ist immer“. Da Energie aber zum Glück nicht verloren geht, wird sie in Wärme umgewandelt. Nun hat der Kondensator eine recht große Oberfläche und wird 2 Watt auf Dauer ableiten können. Außerdem ist FR‑4 ja recht hitzebeständig, aber über das Problem sollte man sich im Klaren sein, zumal weitere Komponenten auch erhebliche Verluste haben. Eine Endstufe mit 1 oder 2 kW würde sicherlich die Belastungsgrenze dieses Schiebekondensators überschreiten.

Zum Vergleich habe ich einen 10 pF Glimmer-Kondensator und einen 100 pF Keramik-Hochvolt-Kondensator (3 kV) mit demselben Testaufbau ausgemessen:

10pF Mica — 10pF/100V Glimmerkondensator.

100pF KerKo, 3kV — 100pF/3kV Keramikkondensator

Beide Kondensatoren haben deutlich höhere Güten zwischen einigen 100 und einigen 1000. Das zeigt, daß der Meßaufbau im wesentlichen korrekt ist.

Was ist denn nun die Ursache für die geringe Güte des Eigenbau-Kondensators und wie kann man sie verbessern? Nun, die Ursache sind die dielektrischen Verluste von FR‑4. Wikipedia dokumentiert einen Dielektrischer Verlustfaktor von 0,012 bis 0,035 für FR‑4 Standardmaterial. Das deckt sich gut mit den oben gezeigten eigenen Messungen, die zwischen 0,01 und 0,02 ergaben. Da muß man nicht weitergrübeln, mit FR‑4 wird das nicht besser.

Zukünftige Versuche

Die Ergebnisse dieses ersten Versuchs sind vielversprechend. Im Prinzip hat es funktioniert. Wie geht es nun weiter?

Soll das Konzept beibehalten werden, dann muß man nach besserem Leiterplattenmaterial suchen und eventuell doch auf Luft als Dielektrikum umsteigen. Eine schöne und nützliche Tabelle mit den Verlustfaktoren verschiedener Materialien gibt es bei Microwaves101. Außer den für Bastler schwer erhältlichen Materialien von Rogers (hin und wieder bietet die jemand auf der Ham-Radio an) bieten sich Eigenbaulösungen auf PTFE-Basis („Teflon“) an. Dessen Dielektrizitätskonstante ist nur halb so groß, wie die von FR‑4 und damit wird für dieselbe Kapazität die doppelte Fläche benötigt. Dafür liegt der Verlustfaktor in der Größenordnung von 0,0002 und ist damit hundertmal besser als FR‑4. Die Durchschlagsfestigkeit von PTFE ist etwas höher als FR‑4, 18kV/mm gegenüber 14 kV/mm. Damit können die Platten etwas dichter aneinander positioniert werden.

Ein Schiebekondensator nach dem hier beschriebenen Muster mit PTFE Dielektrikum ist ein heißer Kandidat für weitere Versuche.

Stay tuned!

I/O Board mit RS485 Schnittstelle

Es hat mich mal wieder in den Fingern gekribbelt. Nachdem wir die vergangenen zwei Jahre nur mit unserem neuen Haus beschäftigt waren, musste ich mal wieder ein kleines Board entwickeln.

Ich habe ja wieder mit dem Amateurfunk angefangen und zwei Transceiver von Icom gekauft. Die Antennenanlage lässt allerdings sehr zu wünschen übrig. Ich will verschiedene Antennen aufbauen, für Kurzwelle vorläufig nur Mono- und Dipole. Da nicht jede Antenne ein eigenes Kabel bekommen kann, werde ich also einen Antennenumschalter installieren müssen, der von der Station aus elektrisch schaltbar sein soll. Sowas kann man fertig kaufen oder auch selberbauen, aber auch die gekauften brauchen eine Steuerung.

Zur Kommunikation zwischen Antennenumschalter und Shack bietet sich die RS485 Schnittstelle an. Sie setzt auf einer asynchronen seriellen Schnittstelle auf und unterstützt Leitungslängen von vielen hundert Metern (bis 1,2 km nach der Norm) bei Baudraten bis 12 MBd. Durch die Verwendung eines Leitungspaars im Gegentakt wird eine hohe Störsicherheit erreicht. Ein Leitungspaar gestattet die Kommunikation im Halbduplex-Mode, für Vollduplex sind zwei Leitungspaare nötig. RS485 ermöglicht auch den Aufbau eines Bussystems, bei dem bis zu 32 Teilnehmer angeschlossen werden können. Bei der hier geplanten Antennenumschaltung könnten also mehrere Antennenumschalter über ein einziges Leitungspaar angeschlossen werden.

Weil ich gerade noch einige Exemplare des Mikrocontrollers in der Kiste liegen hatte, habe ich ein kleines Board mit dem ATtin y 1634 und einem RS485-Transceiver gebaut. Hier die KiCad 3D-Vorschau:

Da die Umschaltrelais des Antennenschalters typischerweise mit 12V arbeiten, ist auf der Oberseite ein einfacher Linearregler implementiert. Es passen 3V- und 5V-Typen. Da der 1634 bei 3V nur bis 8 MHz getaktet werden kann, habe ich auf dem Prototypen 5V-Regler eingelötet. Damit läuft der Controller mit bis zu 12 MHz. Hier ist der Schaltplan, es gibt keinerlei erwähnenswerte Besonderheiten.

In der Wahl des Kommunikationsprotokolls ist man ziemlich frei, aber warum etwas eigenes erfinden, wenn es schon weitverbreitete Standards gibt. Ich habe mich für den Modbus entschieden, der auch beispielsweise bei der Kommunikation mit PV-Wechselrichtern verwendet wird. Es gibt ein schönes Utility für Windows, QModMaster, das Modbus-Nachrichten senden und empfangen kann. Das war sehr hilfreich bei der Implementierung des Modbus Protokolls in den ATtiny1634. Ich bin noch nicht komplett mit der Implementierung fertig, daher will ich die Software im Moment noch nicht hier veröffentlichen. Das hole ich nach, wenn’s fertig ist. Da die wesentlichen Dinge aber bereits funktionieren, hier mal nur kurz der Ressourcenverbrauch:

Program Memory Usage : 2892 bytes 17,7 % Full
Data Memory Usage : 85 bytes 8,3 % Full
EEPROM Memory Usage : 2 bytes 0,8 % Full

Daran wird sich im Endausbau nicht mehr viel ändern. Vielleicht braucht er mit weiteren Funktionen 25 – 30% Flash Speicher, aber die vorhandenen 16 kB werden auf jeden Fall ausreichen. Wenn genügend Platz bleibt, werde ich die Sende- und Empfangspuffer etwas vergrößern, was dann den Datenspeicher Verbrauch um ein paar Prozent ansteigen lassen wird. Auch hier wird das 1 kB SRAM allemal ausreichen.

Über ein 25m Kabel lief die Kommunikation bei 38 kBd wie erwartet mehrere Stunden fehlerfrei, allerdings kann QModMaster auch leider nur eine Nachricht pro Sekunde absetzen. Das ist also nicht wirklich ein hoher Durchsatz. Auf der PC-Seite verwende ich übrigens einen „WaveShare USB TO RS232 RS485 TTL Industrial Isolated Converter“, der bisher zuverlässig funktioniert.

Vor­be­mer­kun­gen

Host-Soft­ware

Der Auf­bau

Die Meß­er­geb­nis­se