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
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
Simulink Model auf dSPACE Karte
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
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
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 3 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
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. Ein Nachweis der Wirksamkeit wurde im Anschluss an die behobene Fehlerquelle erzielt, indem die Empfangs- und Sendeseite aufgezeichnet und gegenüber gestellt wurden. Dies ist auf Abbildung 5 genauer zu erkennen.
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.
Simulink Model auf 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 6 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.
Code Aufbau auf PC
Bei dem C++ Code wurde zu Begin die schon vorhandene Funktion ausgeführt, welche ein Rücksenden ermöglichen sollte. Allerdings war diese Fehlerbehaftet; diese sollen im nächsten Abschnitt beschrieben. Im Folgenden ist nun der C++ Code zu sehen, welcher finalisiert funktioniert und nach der Fehlerbehandlung umgesetzt wurde. Die hierbei angefügten Kommentare beschreiben dabei den gesamten Programmablauf, weshalb darauf nicht genauer eingegangen wird.
// Auf Daten im Empfangsbuffer warten
int RS232Comm::RS232_PollFunction(msg_to_pc& msg)
{
static std::array<unsigned char, RX_BYTES> receiveByte_u8; //Speichersicheres C++ Array
static int requestResponse_16{ 0 }; //Anzahl der Empfangenen Daten in Byte
// Wenn der Debug-Modus läuft wird der Infotext ausgegeben
//Abfrage nach dem Startbyte
if(requestResponse_16 < 1){
for (size_t i{ 0 }; i < RX_BYTES; i++) {
RS232_PollComport(COMPORT, &*(receiveByte_u8.begin()), 1);
if (receiveByte_u8.at(0) == DS_START_BYTE)
break;
if (i == 15)
return -1;
}
}
RS232_disableDTR(COMPORT);
//Dynamisches Lesen des Pufferspeichers falls nicht alle 16 Byte enthalten
requestResponse_16 += RS232_PollComport(COMPORT, &*(receiveByte_u8.begin()+requestResponse_16), 16-requestResponse_16);
//Ausnahmebedingungen schaffen
if(!requestResponse_16){
cerr << "Keine Werte Lesbar\n";
return -1;
}
else if (requestResponse_16<0) {
cerr << "Keinen Speicherzugriff\n";
return -1;
}
else if (requestResponse_16 < RX_BYTES) {
return 0;
}
#ifdef _DEBUG
cout << "Empfangene Daten\n";
#endif
//Setzt Bytezähler und Buffer zurück
requestResponse_16 = 0;
RS232_flushRX(COMPORT);
//Empfangsbereit
RS232_enableDTR(COMPORT);
// Kehre Endian-Folge um
HF_SwitchEndianness(receiveByte_u8, RX_BYTES);
//Erstelle Struktur aus den Datenx
HF_UcharArrayToStruct(receiveByte_u8.data(), (void*)&msg, sizeof(msg_to_pc));
#ifdef _DEBUG
cout << "alpha: " << msg.alpha << "\n";
cout << "V: " << msg.V_x_ego << endl;
#endif
// Thread schließen. Wird noch nicht ausgeführt.
return 0;
}
Problembeschreibung
Bei der ersten Ausführung des Code sind Fehler aufgetreten, die zu einem undefinierten Verhalten geführt haben. Dabei wurden Daten aus dem Puffer aufgelesen, die den gesendeten Konstanten nicht entsprechen. So ist auf Abbildung 7 zu erkennen, dass die Kostanten 12 und 13 zeitweise abweichen.
Analyse der Ursachen
Zu den Uhrsachen konnten nur wenige Punkte benannt werden, diese relativ eindeutig war. Trotzdem wurde hierzu ein A3 Report erstellt der bei den drei Hauptuhrsachen zu folgenden Ergebnis gekommen ist.
| Fehlendes Startbyte für korrektes Auslesen des Pufferspeichers |
Empfangsprogramm liest falsche Datenmenge aus dem Puffer |
Auslesealgorithmus der Rücksendedaten fehlerhaft |
|---|---|---|
| Startbyte makiert den Anfang des Datenpakets |
dSpace-Karte sendet zusätzliche Daten | Fehlerhaftes wechseln von Big- zu Little-Endian |
| Empfangsseite muss wissen wann ein vollständiges Datenpaket im Puffer anliegt |
Gesendete Datenmenge stimmt nicht mit der Datenmenge überein die aus dem Puffer ausgelesen wird |
Datentypen werden in der falschen Reihenfolge aufgelöst |
| Startbyte könnte von Datentypen ausgelöst werden |
Datenstrom wird nicht am Anfang und Ende sondern mittendrin zerlegt |
Übergabe auf den Struct ist fehlerhaft |
| Startbyte wird nicht richtig interpretiert | Andere Programme nutzten den COM Speicher |
Daten werden nicht konstant gespeichert |
| Löschen des Pufferspeichers ist zu früh |
Fehlerbehebung
Erste Erfolge wurden bei kleineren Test erzielt. Allerdings sind diese Ergebnisse noch nicht zu manifestieren, da es sich hierbei nicht um einen kontrollierten Test gehandelt hat. Trotzdem sind die Ergebnisse vielversprechenden. So ist auf Abbildung 8 eine eindeutig konstante Übertragung der Werte zu erkennen.
Sprint 3
Zielsetzung
Während der Praxisphasen wurden nun also einige der essenziellen Probleme gelöst. So läuft jetzt der Übertragung einwandfrei. Des Weiteren ist es nun möglich Daten seitens der dSpace Karte zurück zu senden. Diese Implementierung soll nun am Fahrzeug intrigiert werden.
Ausblick
Inbetriebnahme
Nützliche Links
Mögliche Software
→ zurück zum Hauptartikel: Praktikum SDE | SDE-Team 2023/24