FBE- Mekatronik Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/163
Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı altında bir lisansüstü programı olup, yüksek lisans ve doktora düzeyinde eğitim vermektedir. Araştırma Konuları: -İnsansız Kara Taşıtları Projesi -Hibrit Araçları Projesi -İnsansız Hava Araçları Projesi (Helikopter, Uçak Ve Zeplin) -Elektrikli Minibüs Projesi -Otomotiv Mekatroniği -İnsansı Robot Projesi -Futbol Oynayan Robot Projesi -Görüntü İşleme -Hareket Denetimi ve Uygulamaları -Hızlı Kontrolcü Prototiplendirme vb.

Gözat

Yazar "Akkaya, Şirin" ile FBE- Mekatronik Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    FPGA Tabanlı Modbus Ağ Geçidi Tasarımı
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015-01-29) Akkaya, Şirin ; Ergenç, Ali Fuat ; 10063780 ; Mekatronik Mühendisliği ; Mechatronics Engineering
    Protokol lisanları aynı iki olgu arasında, belirli bir düzeyde iletişimi sağlamak amacı ile gerekli kuralları ortaya koyan bir sistemdir. Endüstriyel haberleşme protokolleri endüstriyel sistemler arasında veri alış verişini sağlayan standart dillerdir. İki cihaz arasında veri iletimi olabilmesi için cihazların aynı endüstriyel protokol ile haberleşmeleri ya da arada dönüştürücü bir cihaz kullanmaları kullanılmalıdır. Günümüzde en çok kullanılan endüstriyel haberleşme protokolleri Fieldbus, Profibus, Modbus, Canbus, Devicenet ve Controlnet olarak sıralanabilir. Modbus protokolü 1970'li yıllarda geliştirilmiş ve zamanla yeni sürümleri oluşturulmuştur.  Kolay, hızlı ve açık kaynaklı bir protokol olması günümüzde elektronik cihazlarda çok yaygın olarak kullanılmasının en büyük etkenlerindendir. Modbus protokolü ilk defa seri hat üzerinden gerçeklenmiştir. Modbus seri hat protokolü Modbus RTU ve Modbus ASCII olmak üzere iki alt protokolden oluşur. Ethernet teknolojinin gelişmesi ve yaygınlaşması ile beraber Modbus protokolünü Ethernet ağına uygun hale getirme ihtiyacı duyulmuş ve Modbus TCP protokolü geliştirilmiştir.  Bu tez çalışmasında Modbus RTU ve TCP protokolleri incelenmiş ve bu iki protokolü destekleyen bir ağ geçidi (gateway) cihaz tasarlanmış ve tasarlanan cihaz kurulan bir endüstriyel sistem üzerinde test edilmiştir. Modbus RTU protokolü OSI modelinin veri bağlantı katmanında (ikinci katman) çalışır. Bu protokol kullanıldığı zaman fiziksel katmanda veri iletimi EIA/TIA 485 (RS-485) ya da EIA/TIA 232 (RS-232) veri iletim modları kullanılabilir. Tez çalışmada fiziksel katmanda veri iletimi için EIA/TIA 485 (RS-485) standardı kullanılmıştır. OSI modelinin üçüncü, dördüncü, beşinci ve altıncı katmanları boştur ve uygulama katmanı olan yedinci katmanda Modbus uygulama protokolü çalışır. Modbus RTU protokolü bir çeşit master/slave protokolüdür ve seri ağ üzerinde bir ana cihaz (master cihaz) ve buna bağlı çalışan bir ya da birden fazla bağımlı cihaz (slave cihaz) bulunur. Ana cihaz istediği bağımlı cihaza belirlenmiş protokol formatında veri gönderir ve bağımlı cihaz veriyi alır, istenilen işlevi yerine getirdikten sonra ana cihaza cevap gönderir. Bağımlı cihazlar kendi aralarında haberleşemezler ve ağ üzerinde tek bir paket akışı olur. Verinin kontrolü protokol içersinde CRC hata kontrol yöntemi ile denetlenir.  Modbus TCP protokolü Ethernet TCP/IP ağı üzerindeki cihazlar ile client/server (istemci/sunucu) haberleşmesi sağlar. İstemci cihaz haberleşmek istediği sunucu cihaza talep gönderir ve sunucu cihaz talebi alır, istenilen fonksiyonu yerine getirdikten sonra istemciye cevap gönderir. Modbus TCP protokolünde ağ üzerinde birden fazla paket alışverişi olabilir. Modbus TCP protokolü OSI modeline göre incelendiği zaman fiziksel katmanın ve veri bağlantı katmanının iç içe çalıştığı görülür ve bu iki katmana ağ ulaşım katmanı adı verilir. Ağ ulaşım katmanında (birinci ve ikinci katman) Ethernet / MAC protokolü, ağ katmanında IP protokolü, taşıma katmanında TCP protokolü ve beşinci, altıncı ve yedinci katmanında Modbus uygulama protokolünü çalıştırılır. TCP'nin görevi bütün veri paketlerinin doğru bir şekilde alınmasını sağlamaktır. IP ise paketin doğru bir şekilde adreslenmesini ve yönlendirilmesini sağlar. TCP/IP protokolü sadece bir taşıma protokolüdür ve mesajın içeriği hakkında bir bilgi vermez. Modbus protokolü uygulama katmanında standart olan ve değişmeyen bir protokol veri birimi oluşturur. Protokol veri birimi yapılacak işlemi tanımlayan Modbus fonksiyon kodu bilgisini ve veri bilgisini taşır. Alt katmanlarda çalışan protokollere göre protokol veri biriminin başına ve sonuna ek birimler eklenerek Modbus uygulama veri birimi oluşturulur. Tez çalışmasında ağ geçidi tasarımı için Türkçeye “Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri” şeklinde çevrilen FPGA kullanılmıştır. FPGA, üretimden sonra istenilen uygulamaya göre donanım yapısı kullanıcı tarafından değiştirilebilen bütünleşik devre şeklinde tanımlanabilir. FPGA içerinde VHDL veya Verilog dilleri kullanılarak donanım tasarımı yapılabileceği gibi içersinde yazılımsal bir işlemci oluşturularak gömülü bir sistem de kurulabilir. Tez çalışmasında Altera firmasının DE0 Nano FPGA Geliştirme ve Eğitim kartı kullanılmıştır ve firmanın üretmiş olduğu FPGA'ler için geliştirdiği Nios II/e işlemcisi kullanılarak gömülü bir sistem oluşturulmuştur. TCP/IP yönetimini sağlaması için sisteme Wiznet firmasının ürünü olan Wiznet W5500 modülü eklenmiştir. Bu modül OSI modeline TCP/IP işlemlerini ve fiziksel katmanda veriyi fiziksel ağa gönderme işlemlerini yerine getirmektedir. Wiznet modülü kendine özgü 32 bitlik SPI protokolünü kullanarak haberleşir ve sistemde FPGA ile haberleşmesi için FPGA içersinde VHDL dili kullanılarak bir SPI  modülü tasarlanmıştır. Ayrıca RTU ağı üzerinde bulunan cihazların FPGA ile haberleşmesi için MAX 485 entegresi kullanılarak tasarlanan RS485 dönüştürücü devresi tasarlanmıştır. Bu devre Modbus RTU protokolünün fiziksel katmanda veriyi RTU ağına iletmesi sağlamaktadır.  Altera firmasının FPGA programlamak için ücretsiz olarak kullanıcılara sunduğu Quartus II programlama platformu ile sistemin yazılımı hazırlanmıştır. Quartus platformu donanım tasarlamak, FPGA içersinde işlemci ve çevresel birimleri oluşturmak ve işlemcinin programlanmasını sağlamak için alt araçlar içeren kapsamlı bir yazılım paketidir. Programın sunduğu Qsys sistem tasarlama aracı kullanılarak NiosII/e işlemcisi ve çevresel birimleri oluşturulmuştur. Oluşturulan çevresel birimlerin birbirleri ile bağlantısı yapılmış ve adres ayarları program tarafından otomatik olarak ayarlanmıştır. İşlemcinin programlanması yine Quartus programı içersinde yer alan Nios II Software Build Tools for Eclipse aracı kullanılarak C dilinde yapılmıştır. Programlama sırasında Qsys aracının oluşturduğu adres bölgelerinden faydalanılır. Sistemin tasarımı ve programlanması tamamlandıktan sonra FPGA içersine kalıcı olarak gömülmüştür. Sistem bir tane Modbus TCP istemci cihaz, altı tane Modbus TCP sunucu cihazı ve altı tane Modbus RTU bağımlı cihazı destekleyecek şekilde oluşturulmuştur. Bu sayı uygulamaya göre artırılabilir. TCP cihazlar birden altıya kadar numaralandırılmış (adreslendirilmiş) ve RTU cihazlar da yediden on ikiye kadar numaralandırılmıştır. Sistemde istemci cihaz olarak Modbus TCP ağı üzerinde çalışan bir PLC bulunmaktadır. Sunucu ve bağımlı cihazlar Modbus giriş/çıkış modülleridir. İstemci cihaz TCP ağı üzerinden Wiznet modülü ve FPGA içersinde tasarlanmış olan SPI modülü aracılığı ile Nios işlemciye talebini bildirir. İşlemci gelen talep paketini inceler ve paketi yeniden düzenler. Paket TCP cihaza gönderilecekse SPI modülü ve Wiznet üzerinden paketi TCP cihaza gönderir ve cevap da aynı yol ile önce işlemciye sonra da istemci cihaza gönderilir. Eğer paket RTU cihaza gönderilecekse işlemci paketi TCP formatından RTU formatına çevirir ve RS485 dönüştürücü devresi ile RTU cihaza talebi iletir. RTU cihazın cevabı işlemci ile TCP formatına dönüştürülür ve istemci cihaza gönderilir. Böylece TCP ve RTU ağları arasında veri alışverişi tamamlanmış olur. Sistemde bulunan cihazların konfigürasyon bilgileri DE0 Nano kartı üzerinde bulunan EEPROM modülüne yüklenmiştir İşlemcinin EEPROM ile haberleşmesi için FPGA içerisinde tasarlanmış olan I2C modülü kullanılır. Bu tez çalışmasında ile seri hat üzerinde haberleşen Modbus RTU cihazları ile Ethernet teknolojisi kullanarak haberleşen Modbus TCP cihazların FPGA tabalı bir ağ geçidi tasarlanarak birbirleri ile veri alış verişi yapmaları sağlanmıştır. Tasarlanan ağ geçidi cihaz protokol dönüştürme işlemi yapmaktadır. Çalışma içersinde Modbus protokolleri detaylı olarak incelenmiş, FPGA ve gömülü sistem oluşturma, Wiznet modülü, RS 485 dönüştürücü devre tasarımı ve ek birimler tanıtılmıştır. Bunlara ek olarak FPGA içersinde donanım tasarımı (SPI modülü ve I2C modülü) ve işlemcinin programlanması anlatılmış ve son bölümde tasarlanan cihazın test sonuçlarına yer verilmiştir.