KOM: RS232-Kommunikation DS1104-Karte mit PC

Betreuer: Prof. Dr.-Ing Ulrich Schneider
Autor: David Weigt, Louis Holtaple(WiSe 23/24)

Einleitung

Der Artikel behandelt die Kommunikation zwischen der DS1104-Karte und den PC via RS232-Schnittstelle. Dabei versendet der PC die Aufgenommenen Kameradaten an die dSPACE-Karte. Diese wiederum sendet einen Lenkwinkel und eine Längsgeschwindigkeit zurück. Eine C++ Software sowie ein entsprechendes Simulink Modell für den Test der RS232-Kommunikation sind bereits vorhanden. Der Test ergab, dass eine Fehlerfreie Kommunikation nur unter Nutztung einer sehr geringen Übertragungsrate oder unter Nutztung eines für den Anwendungszweck überdimensionierten Pufferspeichers möglich ist (siehe Abschnitt „Ist-Analyse“). Das gesetzte Ziel liegt darin eine Fehlerfreie Kommunikation unter Verwendung eines passenden Puffers von 256 Bytes und der angestrebten Übertragungsrate von 115200 Baut zu erreichen. Zwecks der Genauigkeit sollen dabei auch die Datentypen der Übertragenen Signale bestehen bleiben.

Ist-Stand 23/24 RS232-Kommunkikation

Der Aktuelle Zustand zum Begin des Praktikum ist es, dass die Kommunikation nicht fehlerfrei lauffähig ist. Diese Problematik ist daher ein Knackpunkt für die Lauffähigkeit des Fahrzeugs. Aus diesem Grund ist, wie in Sprint 1 ausführlich analysiert und beschrieben, die Lauffähigkeit Prio eins dieses Teams.

Aufbau der Kommunikation

Abb. 1: Schema des Kommunikations-Konzepts nach Schnittstellen Dokumentation (Regelkreis mit dSPACE-Karte stark vereinfacht)

Der Aufbau der Kommunikation ist in Abbildung 1 dargestellt. Zunächst werden die aufgenommenen Daten vom LiDaR und der Kamera an den PC weitergeleitet. Durch eine Software, in C und C++ geschrieben, wird die Objekt- und Spurerkennung (OSE), sowie das Versenden der OSE-Daten, über die RS232 Schnittstelle realisiert. Über ein 9 poliges Sub-D Kabel werden die Daten der OSE an die dSPACE-Karte übermittelt. Die Daten der OSE werden dann in die Berechnung der Bahn- und Spurführung einbezogen. Zur Berechnung der OSE-Daten soll in Zukunft die dSPACE-Karte den Lenkwinkel und die Geschwindigkeit an den PC zurück senden. Eine genauere Beschreibung des Kommunikationskonzeptes und der seriellen Schnittstelle findet sich unter folgendem Artikel: Kommunikation Wintersemester 2022/23 Durch ein Testprogramm können Dummy-Parameter der OSE über die RS232 Schnittstelle an eine baugleiche dSPACE-Karte gesendet werden. Auf der dSPACE-Karte ist ein Simulink-Testmodell des Datenaustauschs der dSPACE-Karte geladen, worüber das Empfangen der OSE-Daten im ControlDesk sichtbar gemacht werden kann. In den fogleden zwei Abschnitten soll nun die etwas detaillierter auf die Kommunikation beider Seiten eingegangen werden, damit das Grundkonzept und der grobe Aufbau der Software klar ist.

Code Aufbau auf PC

Der eigentliche Code für die Übertragung auf die dSPACE Karte beinhaltet einen Aufbau über mehrere Bibliotheken. So sind im Testmodell des Trunks im Ordner der Spurpolynom Software folgende Einbindungen zu finden.

//RS232 Kommunikation
#include "parameter.h"  //Zuvor all_needed.h
#include "RS232Comm.h"

#include "rs232.h"
#include "Connect.h"

Diese sollen einen einfachen Umgang mit der RS232 Schnittstelle gewährleisten. So sind Objekte mit den entsprechenden Membern und Variablen im Vorfeld programmiert. Einen einfache Initialisierung der Schnittstellen Datentypen und die Nutzung der Member für die Definition der RS232 Kommunikationseigenschaften, ist im folgenden Code Ausschnitt einmal dargestellt.

RS232Comm OSE_comPort_st(COMPORT, BAUDRATE, "8N1", 0); //Festlegen des Comports, der Bautrate und weiteren Einstellungen 
msg_to_pc OSE_msg_p(); //Datenstruktur für Daten die von der dSpace Karte an den PC gesendet werden
msg_to_dspace OSE_msg_d(); //Datenstruktur für Daten die vom PC an die dSpace Karte gesendet werden
// OSE_comPort_st.RS232_SetComPort(0, 115200, "8N1", 0); wird in dem neuen Code über den Konstruktor eingerichtet
OSE_comPort_st.RS232_OpenComPort(); //Startet eine Verbindung ohne Handshake

Nachdem sowohl die Strukturen angelegt sind, als auch die COM-Schnittstelle. Sollte bei dem Aufbau zu der Seriellen Schnittstelle etwas fehlgeschlagen sein, wird der Anwender direkt dazu informiert. Im späteren Verlauf der Anwendung kommt es dann zu dem Punkt, dass Daten empfangen oder versendet werden sollen. Dazu werden die hier folgenden Member (Funktionen einer Klasse) verwendet.

OSE_comPort_st.RS232_SendDataBigEndianFirst(OSE_msg_d);//Senden von Daten
OSE_comPort_st.RS232_PollFunction(OSE_msg_p);//Empfangen von Daten

Wichtig ist, sollten Änderungen an den zu versendeten Datentypen gemacht werden, so müssen auch die Member der Klasse angepasst werden, damit es nicht zu undefinierten Verhalten kommt. Damit der COM-Treiber am Ende der Ausführung für andere Programme wieder freigeben wird, kann am Ende folgende Funktion aufgerufen werden bzw. wird bei dem Destruktor ein Verbindungsabbruch erzwingt.

OSE_comPort_st.RS232_CloseComPort(); //Schließen der COM-Port Verbindung

Sprint 1

Zielsetzung

Ziel soll es sein, mit der Bautrate von 115200 und dem für den Anwendungsfall ausreichendem Pufferspeicher, eine lückenlose Kommunikation herzustellen. Dazu sollen beide Kommunikation Teilnehmer eine sichere Datenübertragung gewährleisten, sodass unabhängig von Datenrate und -menge, keine Daten verloren gehen oder willkürliche Werte annehmen. Dazu muss eine schnelle und ausführliche Erprobung erfolgen, damit kausale Zusammenhänge genau verstanden werden können. Eine detailliertes Verständnis ermöglicht häufig die Vermeidung weiterer Fehler und kann das volle Potenzial der seriellen Übermittlung ausnutzen.

Problembeschreibung

Abb. 2: Darstellung des Datenempfangs in ControlDesk (Regelkreis mit dSPACE-Karte stark vereinfacht)

Beim Test der Kommunikation mit dem Testmodell ergaben sich bei gegebener Übertragungsrate von 115200 Baut Unterbrechungen bei der Übertragung der Dummy-Parameter. Abbildung 2 zeigt die Darstellung der übertragenen Spurparameter A, B und C im ControlDesk. Dabei ist festzustellen, dass jeweils alle drei Werte zu bestimmten Zeiten auf andere Werte springen. Das bedeutet, dass bei der Übertragung der Spurparameter fehlerhafte Werte ankommen oder falsch interpretiert werden. Im vorherigen Semester wurde bereits ein Test mit erhöhtem Pufferspeicher der dSPACE-Karte durchgeführt. Bei vierfacher Puffergröße konnte bis auf wenige Ausreißer eine Lückenlose Übertragung realisiert werden. Die Maximierung der Puffergröße ist jedoch für den Anwendungsfall zu groß dimensioniert. Desweiteren wurde bereits mit einer kleineren Bautrate experimentiert. Die Bautraten für eine Lückenlose Übertragung waren jedoch zu gering, um eine Echtzeitreaktion des Systems zu gewährleisten.

Analyse der Ursachen

Damit, wie im in der Zielsetzung beschrieben, eine genaue Kausalität entsteht, wurden für die Test eine schnelle " Trail-and-Error" Methode verwendet. Dazu wurden der Branch: 2023_OSE_Spurerkennung_Sprint_3 verwendet. Dieser beinhaltet wie auch der Trunk, einen Test Ordner (ComTest) welcher ein einfaches Testmodell beinhaltet. Dieses kann für die Übertragung von Dummy-Werten genutzt werden.

Fehlerbehebung

Fehlender Handshake bei der Datenübertragung

Für die Kommunikation zwischen zwei RS232 Teilnehmern können spezielle Flags verwendet werden, welche die Gegenseite die Empfangs- und Sendebereitschaft symbolisieren. Eine genauere Beschreibung bietet hierbei folgender Artikel Link. In diesem ist zu sehen, dass sogenannte CTS Flags der Gegenseite die Empfangsbereitschaft signalisieren. So kann sichergestellt werden, dass die Empfangsseite auch wirklich die Daten verarbeiten kann. Eine solche Abfrage kann leicht über die DSpace Karte eingestellt werden. Die Senderseite, also der C++ Code, muss dafür sorgen, dass diese Flags erkannt und nur bei Bestätigung die Daten gesendet werden. Dazu wurden die Folgenden Befehle dem Code hinzugefügt.

// Dient der Abfrage der Empfangsbereitschaft 
while (!RS232_IsCTSEnabled(comPortNumber_u16)) {}

Fehlerfafte Löschung des FIFO Speichers

Abb 4: Beispiel Animation wie der Speicher fehlerhaft ausgelesen und gelöscht wird

Bei Überlauf des FIFO-Puffers der dSPACE-Karte müssen die alten Daten aus dem Puffer gelöscht werden. Bei der Löschung ist es essentiell, dass die gelöschte Datenmenge der Größe des Datenpakets, welches mit einem Übertragungszyklus gesendet werden entspricht. Andernfalls werden Datenpakete teilweise gelöscht und somit unvollständig am Ausgang des FIFO-Puffers angelegt. In Abbildung 4 ist dazu eine Animation zu sehen, welche diese Problematik darstellen soll.

Sprint 2

Zielsetzung

Für diesen Sprint war es das Ziel eine Rücksendung via dSPACE Karte zu schaffen (Rücksendung) und Performance- sowie Sicherheitsaspekte genauer zu untersuchen. So ist es wichtig bei einer C/C++ Applikation richtige Schritte einzuleiten, um unverzeihbare Fehler oder Ausfälle zu vermeiden. Außerdem ist die erste Aufgabe, dass gesamte Modell auf dem Fahrzeug zum Laufen zu bringen. Dies ist erst der Fall, wenn der oben beschriebene Fehler beseitigt wurde. Dies unterliegt der höchsten Priorität, da sonst weitere Team keine Messungen am Fahrzeug durchführen können. (Com-Port Verbindung scheitert)

Com-Port Verbindung scheitert

Problembeschreibung

Abb 4: Terminal hängt sich beim Start der Kommunikation auf

Bei dem Übergang auf von Sprint 1 zu Sprint 2 sind weitere Punkte aus dem vorherigen Sprint übernommen worden. Dazu zählte die Paarung mit dem Programm des OSE Teams, welches für die Bildverarbeitung zuständig ist. Dabei ist es zu einem Ausfall der Exe Seitens der Kommunikation gekommen. Ein Beispiel hierfür ist auf Abbildung 4 zu sehen. Der Code wird in diesem Fall bei dem Verbindungsaufbau unterbrochen, sodass sich das Programm nicht mehr ausführen lässt.

Analyse der Ursachen

Für die erste Beurteilung möglicher Ursachen wurde der A3 Report Com-Port Verbindung scheitert zur Hilfe genommen. Bei dieser sind für die drei Hauptursache folgende Gründe eingetragen worden:

Com-Port in der Exe falsch gesetz für Verwendung am Fahrzeug	Programmablauf der Exe fehlerhaft	Com-Port defekt
OSE-Spurparemeter.exe gibt Fehler bei Verindungsaufbau aus	Programmablauf bleibt im Acknowledgement hängen	Verbindung zum Mainboard unterbrochen
Com-Port im Programm auf 0 als Standardwert gesetzt	Dauerschleife beim Abfragen des Acknowledgement	Kalte Lötstelle
Com-Port 0 existiert am PC des Fahrzeuges nicht, Kamera auf Com-Port 1 oder 2 angeschlossen	Abfrage der Falgs ist Fehlerhaft	Interne Kabelbrüche
		Abgebrochne Pins

Nach einer genaueren Beurteilung wurde dann für das Problem die Dauerschleife bei der Abfrage des CTS Flags als Fehlerursache festgestellt. Weitere Versuchen ergaben zudem, dass die dSPACE Karte für die erste Verwendung der C++ Software gestartet werden muss bzw. Control Desk diese in den Zustand online versetzten sollte. Damit ist sichergestellt, dass das aktuelle und richtige Modell geladen ist, zudem wird die Karte erst in diesem Schritt einsatzbereit. Seitens der C++ Software ist zu erkennen, dass wie der folgende Code auschnitt zeigt, es einer Verbesserung des Codes bedarf, damit es zu keinem Deadlock kommt.

// Dient der Abfrage der Empfangsbereitschaft 
while (!RS232_IsCTSEnabled(comPortNumber_u16)) {} //Erzeugt bei dem nicht Empfangen des CTS Flags einen Deadlock

Fehlerbehebung

Die Maßnahmen der Fehlerbehebungen waren in diesem Fall teilweise komplexer umzusetzen. Aus diesem Grund sollte die elegantere Lösung einer Fehlerausnahmebehandlung zu einem späteren Zeitpunkt eingebunden werden. Die letztlich temporäre leichtere Lösung ist es, zu kontrollieren, dass die dSPACE Karte vor jeder Verwendung aktiviert und mit dem richtigen Modell geladen wurde. Nach diesen Prinzip ergibt sich kein Fehlerbild bei der Ausführung. Trotzdem sollte eine Ausnahmebehandlung in den bestehenden Code eingebaut werden, damit auch Simulationen ohne dSPACE Karte erfolgen können.

Rücksendung

Damit Daten seitens des PCs in das bestehende Open CV Modell zur Berechnung mit einbezogen werden können, ist es notwendig, gemessene Daten von der dSPACE-Karte zurück zu den PC zu senden. Diese sind auch unter dem Artikel Kom - Kommunikation zu finden. Dabei handelt sich um die Ego-Längsgeschwindigkeit und den Lenkwinkel des Fahrzeugs. Eingebunden wird diese Struktur über #include <parameter.h> .

typedef struct
{
	double V_x_ego;
	double alpha;
}msg_to_pc;

Umsetzung

Bei der Umsetzung wurde der schon vorhandene Member OSE_comPort_st.RS232_PollFunction(OSE_msg_p); verwendet. Dazu wurde der Funktionsrumpf so angepasst, dass er den Anforderungen der RS232 Übertragung entspricht. Die dabei aufgetretenen Fehler sind in einem weiteren A3 Report aufgefasst worden und sollen anschließend erläutert werden.

dSPACE Karte

Damit eine Übertagung möglich gemacht werden kann benötigt man eine Funktion, welche die Datentypen in einen unsigned char zerlegt. Die in dem Empfangsblock verwendete S-Funktion eignet sich hierbei weniger, da die Performance und Modularität darunter leiden. Aus diesem Grund wurde eine sogenannte Bytepack Funktion verwendet, welche extra von Simulink für diese Übertragungen bereitgestellt wurde. Folgende Abbildung 5 zeigt diesen Übertragungsblock. Send_Data beinhaltet die zuvor gemuxten double Werte, welche übertragen werden sollen. Über den Block Unpack werden dann die Datentypen in einen unsigned char array verpackt, welches über den Muxer das Startzeichen 89 an den Anfang gestellt bekommt. Über die Konstante 17 wird zudem die versendete Byte Menge angeben.

Abb 5: Übertragungsblock der dSPACE-Karte

Inbetriebnahme

• Sensor-/Aktortest KOM

Nützliche Links

• Wiki Syntax
• Vorarbeiten
• Kom_-_Kommunikation
• OSE_-_Objekt_-_und_Spurerkennung
• RS232_Bibliothek

Mögliche Software

• RS232 Sniffer
• Serial Port Monitor
• Free Serial Analyzer
• Free Serial Port Monitor

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