Datenübertragung zwischen PC und dSPACE Karte

Aus HSHL Mechatronik
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Autor: Hagen Heuer und Tim Kruse
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel


Einleitung

Der folgende Artikel beschäftigt sich mit der Kommunikation zwischen dem PC und der dSPACE Karte. Die Kommunikation erfolgt hierbei mittels einer RS232-Schnittstelle. Über diese Schnittstelle wird unteranderem das Spurpolynom sowie Lidar-Daten versendet. Eine genaue Beschreibung, welche Daten übertragen werden, ist in Abbildung X zu sehen. Hier werden zudem die Datentypen genannt.
Für die Bearbeitung der Aufgabe wird zunächst der aktuelle Stand des Fahrzeugs ermittelt, da bereits eine RS232 Kommunikation besteht. Diese wird zunächst getestet. Anschließend wird die Struktur des C-Programm überarbeitet, da Funktionen des C-Programms des Vorsemesters ausgelagert werden. Im letzten Schritt soll die Datenübertragungsrate nach Möglichkeit erhöht werden und fehlende Daten übertragen werden. Diese Teilaufgabe wird durch Funktionstest abgeschlossen.

Anforderungen

Aktuelle Stand des Programms

Im ersten Schritt wurden die beiden bestehenden Ansätze im SVN betrachtet und mit einander verglichen. Ziel war es, den aktuellen Stand zu ermitteln und ein Programm auszuwählen, mit dem die Kommunikation umgesetzt wird. Die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der beiden Programme sind in den nachfolgenden Tabelle aufgelistet.

Vergleich der beiden Programme

OSE_Fusion_Final_Software OSE_Draufsicht_Spurpolynom_RS232 Gemeinsamkeiten
Baudrate von 19200 Baudrate von 115200
Alle Daten werden bereits übertragen Spurparameter a,b und c werden übertragen
Daten werden aufwendig einzeln verschickt Versand der Daten effektiv in for-Schleife gelöst
Übergabe an Funktion zum Senden gut gelöst, da Daten als struct übergeben werden Spurparameter werden einzeln an Funktion zum Senden übergeben
Vertauschen der Byte-Ordnung aufwendig gelöst und teilweise überflüssig Vertauschen der Byte-Ordnung durch den Einsatz von Zeigern sehr gut implementiert
Verschachtelte Funktionsaufrufe zum Übertragen der Daten
Unter Visual Studio 2019 nicht lauffähig Unter Visual Studio 2019 lauffähig
Kamera bereits eingebunden
Einbindung des Lidars vorhanden Einbindung des Lidars nicht vorhanden

Da die Einbindung des Lidars und der Kamera auf neuem Weg erfolgen soll, ist es von Vorteil das Programm vom Wintersemester 19/20 OSE_Draufsicht_Spurpolynom_RS232 zu nehmen. Zudem ist hier ein guter Ansatz für die Übertragung der Daten vorhanden, der lediglich um die weiteren Daten ergänzt werden muss. Die Aufgabe in diesem Semerster wird es sein, die Übertragung auf weitere Daten, welche in der nachfolgenden Tabelle zu sehen sind, auszuweiten. Zudem soll die Kommunikation bezüglich der Geschwindigkeit optimiert werden und eine vollständige Dokumentation der Ergebnisse erfolgen.

PC zu DSPACE

Signalname Datentyp Beschreibung
a float32 (4 Byte) Fahrspurparameter
b float32 (4 Byte) Fahrspurparameter
c float32 (4 Byte) Fahrspurparameter
Spurzuordnung bool (1 Byte) Spurzuordnung: 1 = rechte Fahrspur, 0 = linke Fahrspur
Stopplinie erkannt bool (1 Byte) 1 = Stopplinie erkannt, 0 = keine Stopplinie erkannt
Abstand Stopplinie float32 (4 Byte) Entfernung zur Stopplinie
n Objekte uint8 (1 Byte) Anzahl relevanter Objekte (maximal 5)
Objekt[n Objekte].Nummer uint8 (1 Byte) Objektzähler
Objekt[n Objekte].x0 float32 (4 Byte) x-Koordinate des Objektmittelpunktes (mitte, vorn)
Objekt[n Objekte].y0 float32 (4 Byte) y-Koordinate des Objektmittelpunktes (mitte, vorn)
Objekt[n Objekte].b float32 (4 Byte) Objektbreite
Objekt[n Objekte].t float32 (4 Byte) Objekttiefe
Objekt[n Objekte].alpha float32 (4 Byte) Objektausrichtung
Objekt[n Objekte].v float32 (4 Byte) Betrag des Geschwindigkeitsvektors
Objekt[n Objekte].Plausibel uint8 (1 Byte) Vertrauenswert für das Objekt in Prozent ( 0 = minimale Vertrauen, 100 = maximale Vertrauen)
Gesamtgröße des Datenpakets 149 Byte

Es wird zudem der Lenkwinkel und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs von der DSPACE-Karte an den PC verschickt. Dies muss ebenfalls umgesetzt werden. Eine Auflistung der Daten ist in der nachfolgenden Tabelle zu sehen.

DSPACe zu PC

Signalname Datentyp Beschreibung
alpha float32 (4 Byte) Lenkwinkel des Fahrzeigs
b float32 (4 Byte) Fahrspurparameter
Gesamtgröße des Datenpakets 8 Byte


Im nächsten Schritt soll nun das bestehende C-Programm getestet werden, um dem Team ein funktionsfähiges Fahrzeug bereitzustellen. Der Test der Software wurde wie in Fahrzeugkommunikation via RS232 beschrieben erfolgreich durchgeführt. Daher kann dem Team nun eine funktionierende Kommunikation mit Übertragung der Spurparameter a, b und c zur Verfügung gestellt werden.

Konzept für die Übertragung an die DSPACE-Karte

Für die Übertragung der Daten wurden zwei Konzepte ausgearbeitet. Das erste Konzept arbeitet mit einer statischen Übertragung, bei der immer alle 149 Byte übertragen werden. Außerdem muss die Byte-Ordnung der Variablen im Speicher getauscht werden. Der PC auf dem das C-Programm arbeitet mit little-endian, wohingegen die DSPACE-Karte big-endian verwendend. Die Rotation erfolgt letztlich durch einen Zugriff auf die Speicherzelle mittels Zeiger und einem Versand in verkehrter Reigenfolge.

Das zweite Konzept vergleicht zunächst den alten Wert der Variable mit dem neuen Wert. Wird hierbei ein Grenzwert überschritten oder kommt es zu einem Flankenwechsel, so werden die Daten übertragen. Sonst wird auf die Übertragung dieser Daten verzichtet und das nächste Datenpaket überprüft. Die Daten werden hierbei in drei Gruppen eingeteilt: Spurdaten, Stopplinie und Lidar-Objekte. Durch diese Methode kann letztlich die Menge der versendeten Daten stark verringert werden.

Für eine erfolgreiche Kommunikation muss zudem ein Handshake durchgeführt werden. Mit diesem wird die Verbindung zwischen PC und DSPACE-Karte getestet. Der Handshake ist hierbei in beiden Programmen gleich umgesetzt.

Aufgrund des fehlenden Zugriffs auf Matlab/Simulink wird nun das Konzept für die statische Übertragung umgesetzt. Hierbei muss das Matlab-Programm nicht verändert werden. Zudem ist die Implementierung der dynamischen Übertragung zeitaufwendig und schwierig, da am Ende die Regelparameter der Längs- und Querregelung angepasst werden müssen. Dies liegt daran, dass je nach Grenzwert, ab dem Daten übertragen werden, die Störgröße stark abweicht und größere Sprünge macht. Dies muss durch die Regelparameter berücksichtigt und abgefedert werden. Da das Fahrzeug derzeit noch nicht fährt, wird hierfür zwangsläufig die Zeit fehlen. Es ist jedoch ein Ansatz, der von dem nachfolgenden Semester umgesetzt werden kann.

Konzept für die Übertragung an den PC

Für das Versenden der beiden Daten an den PC wurde ebenfalls ein Konzept erarbeitet. Um ein effizientes Programm zu ermöglichen, sollte bei Empfang von Daten im Eingangspuffer ein Interrupt oder Event ausgelöst werden. Nach einiger Recherche sind wir auf die fileapi von Microsoft gestoßen, welcher bereits beim Senden und Empfangen von Daten eingesetzt wird. Innerhalb der fileapi gibt es die Funktion WaitCommEvent, mit dessen Hilfe auf ein Event am Eingangspuffer gewartet werden kann. Jedoch ist hierbei das Problem, dass die Funktion solange wartet, bis Daten empfangen wurden. Hierdurch stoppt das gesamte Programm an dieser Stelle. Um diese Problematik zu umgehen, wird der Empfang der Daten in einem zweiten Thread umgesetzt. Hierdurch kann der Hauptthread weiterarbeiten und auf empfangene Daten im zweiten Thread reagieren.

Das Konzept hierfür ist der nachfolgenden Abbildung zu sehen.

Programmierung

Die Programmierung der Kommunikation via RS232 wurde in Visual Studio umgesetzt. Wie bereits erwähnt, wird der Empfang von Daten am PC mit Hilfe eines zweiten Thread umgesetzt. Hierdurch kann das Hauptprogramm weiter arbeiten, während auf Daten gewartet wird. Durch den zweiten Thread wird jedoch die Möglichkeit des Debuggen eingeschränkt, da zwischen zwei Threads gewechselt wird. Zudem muss die Lebenszeit des zweiten Thread durch den Hauptthread verwaltet werden. Da derzeit die empfangenen Daten noch nicht weiter verwendet werden, wird die Erstellung des zweiten Threads per define aus kommentiert. Hierdurch kann es zu keinen unerwartete Problemen bei Ausführung des Programms kommen. Das Einbinden des zweiten Thread kann in der allneeded.h eingestellt werden.

Komponententest

Zusammenfassung

Link zum Quelltext in SVN


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