Ampliación de un simulador de tarjeta de adquisición de datos en C

Escuela Técnica Superior de Ingeniería Informática Universitat Politècnica de València AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C Proyecto Final de Carrera Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas Autora: Rosa Mª Maciá Sempere Tutor: Antonio Martí Campoy Septiembre 2015 AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 2 3 Resumen El proyecto que se presenta tiene como punto de origen el realizado en junio de 2007 por Miguel Carro Pellicer, con título "PFC II-A-DISCA55/06: SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS 'NuDAQ / NuIPC 9112 Series' ". Con la simulación de esta tarjeta, también llamada tarjeta virtual, los alumnos de prácticas de la asignatura "Informatización Industrial" poseen una herramienta software con la cual realizar las prácticas sin necesidad de disponer de la tarjeta física. Este nuevo proyecto pretende ampliar el abanico de funcionalidades de la tarjeta que se simulan actualmente. En la medida de lo posible, se intentará ser mínimamente intrusivo con el software original. De entre las prestaciones de las que dispone la tarjeta emulada, se implementarán dos nuevos grupos de funciones: el Timer 8253 y la adquisición de datos analógicos en modo ráfaga. En el caso del Timer 8253, se intentará realizar una simulación lo más cercana posible a la realidad, sin olvidar que se trata de una simulación software y que la inclusión de esta funcionalidad tiene un fin pedagógico. La incorporación de funciones de adquisición de datos en ráfaga se debe a que actualmente, con la tarjeta virtual original, sólo es posible adquirir muestras de una en una. Se implementarán funciones con las cuales se puedan realizar n lecturas y registrarlas en un buffer de datos para su posterior uso. Con el fin de asegurar la compatibilidad del software de virtualización de la tarjeta con los nuevos sistemas operativos Windows, se realizarán pruebas que verifiquen el correcto funcionamiento del mismo. Dichas pruebas se harán tanto del software ya disponible como del generado durante el desarrollo de este proyecto. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 4 5 Tabla de contenidos 1. Introducción ............................................................................................. .......... 7 2. Objetivos ................................................................................................... ...... ... 9 3. Análisis de requisitos ..................................................................................... ... 11 3.1 Timer virtual ............................................................................... . ........ 11 3.2 Adquisición de datos ........................................................................ ... 12 4. Diseño del proyecto ....................................................................................... ... 15 4.1 Mecanismos de intercomunicación de procesos ............................... . 15 4.2 Capa lógica de la aplicación .............................................................. . 24 4.3 Capa de la interfaz de usuario ............................................................ 28 5. Implementación ................................................................................................ 29 5.1 Mecanismos de intercomunicación de procesos ................................ 29 5.2 Capa lógica de la aplicación ............................................................... 40 5.3 Capa de la interfaz de usuario ....................................................... . .. .. 42 5.4 Historial de versiones…………......................................................... .. . 43 6. Pruebas ............................................................................................................ 45 7. Tests en diferentes plataformas …….............................................................. .. 49 8. Futuras implementaciones ......................................................................... ....... 53 9. Conclusiones .................................................................................................. .. 55 10. Bibliografía ................................................................................................ ...... 57 11. Agradecimientos ......................................................................................... .... 59 Anexo 1: Manual de usuario ............................................................................. .... 61 AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 6 7 1 - Introducción En junio de 2007, Miguel Carro Pellicer presentó su proyecto final de carrera “Simulador de tarjeta de adquisición de Datos ‘NuDAQ / NuIPC 9112 Series’ ”. El objetivo de dicho proyecto era crear un software con el cual no fuera necesario el uso del hardware que se utilizaba hasta el momento en las prácticas de la asignatura "Informatización Industrial" (perteneciente al cuarto curso de la titulación "Ingeniería Industrial" de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII)) de la Universitat Politècnica de València. Dicho hardware constaba de la ya mencionada tarjeta de adquisición de datos, más un emulador hardware de procesos conectado a ésta. Tras la implementación del software, el alumnado ha podido continuar realizando las prácticas que hacían uso de la tarjeta física de forma equivalente (tareas de configuración y obtención de datos, con el uso de la librería de ésta), sin necesidad de disponer del costoso hardware y en cualquier PC: simplemente disponiendo del software y la librería suministrados para la realización de dichas prácticas. Los elementos que conforman el sistema de herramientas virtuales son los siguientes: - Una tarjeta virtual de adquisición de datos. - Un simulador software de procesos (proceso virtual), herramienta con la cual generar entradas para la tarjeta virtual, y obtener las salidas provenientes de la tarjeta virtual. - Librería de la tarjeta, modificada para su uso con la tarjeta virtual. - Programa de prácticas del alumno. Las funciones en la librería de la tarjeta virtual están implementadas de forma que se comuniquen con procesos virtuales en lugar de hacerlo con el hardware. Simulan el comportamiento de las funciones originales de la tarjeta y son utilizadas del mismo modo: el alumno realiza llamadas a funciones de mismo nombre que las reales y los resultados obtenidos son los que se recibirían del proceso hardware, pero en este caso se reciben del proceso virtual. Para poder acceder a dicho proceso, desde la librería se accede a la tarjeta virtual y ésta última es quien se comunica con él. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 8 El esquema del sistema simulador original quedaría de la siguiente forma: Imagen 1 – Simulador original Este nuevo proyecto, que en este informe se describe, tiene como fin la ampliación de la colección de funcionalidades ya implementadas anteriormente en el proyecto origen, y disponer así de nuevas prestaciones de las que posee la original tarjeta ‘NuDAQ / NuIPC 9112 Series’. Dentro de estas nuevas funcionalidades se distinguen dos grupos: - Funciones de Timer 8253: simularán el uso de otro elemento hardware de la tarjeta, como es el chip temporizador 8253, que consta de tres contadores descendentes e independientes de 16 bits y con una frecuencia de 2MHz. - Funciones de captura de datos. Con el fin de no ser muy intrusivo con el software ya existente, se han tomado las decisiones oportunas para no modificarlo, por lo que todas las ampliaciones han sido incluidas, o bien dentro de la librería ya existente, o creando una nueva aplicación (en el caso concreto del Timer 8253). PROGRAMA DE PRÁCTICAS DEL ALUMNO LIBRERÍA TARJETA VIRTUAL TARJETA ADQUISICIÓN VIRTUAL PROCESO VIRTUAL 9 2 - Objetivos Este proyecto tiene como primer objetivo añadir nuevas funcionalidades a las ya existentes en el simulador de la tarjeta de adquisición de datos, con el fin de que el alumnado pueda experimentar con otras prestaciones que el hardware posee. Los cambios a realizar no deberán afectar al funcionamiento ni de la tarjeta virtual ni del simulador y serán compatibles con el programa de prácticas del alumnado, no siendo necesario un cambio del compilador utilizado, ni el uso de un PC concreto. Dado el tiempo transcurrido desde la creación del software original, otro objetivo a llevar a cabo en este proyecto será verificar su compatibilidad con las nuevas versiones de sistemas operativos Windows. Para ello se realizarán pruebas de todo el conjunto de funcionalidades, aportadas tanto por el software original como el nuevo, en máquinas con Windows 7 y con Windows 8. En resumen, los objetivos a abordar en este proyecto son los siguientes: 1 - Implementación de nuevas funcionalidades de la tarjeta NuDAQ / NulPC 9112 Series:  Simulación de Timer hardware: o Creación de una aplicación wxWidget con Code::Blocks que simule el Timer. o Implementación de funciones de librería para el uso del Timer: Start, Status y Stop.  Simulación de captura de datos A/D: o Ampliación de la librería de tarjeta para realizar captura continua de N muestras: Start, Status y Stop. En ninguno de los casos es posible simular por software la frecuencia de reloj con la que trabaja el hardware original (2MHz) y dada la finalidad para la cual será creado este software, tampoco sería de utilidad dicha precisión. Se hará uso del reloj en tiempo real del ordenador y de un divisor de frecuencia para simular el comportamiento del temporizador de la tarjeta. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 16 - TUBERÍAS: Tubería "tubotimer" Esta tubería será el medio de comunicación entre la librería y el timer virtual y será utilizado de modo bidireccional. La librería enviará por este medio las tramas con las órdenes a realizar por el timer, que serán esperadas por el hilo "Servidor de Timer". Tras la decodificación del mensaje recibido, se procederá a realizar la acción indicada en la trama. Tubería "tubolib” Esta tubería, heredada del anterior proyecto, será el medio de comunicación entre la tarjeta virtual y la librería y se utilizará de modo bidireccional. Las tramas serán esperadas por el hilo "Hilo Servidor de Librería" el cual, al recibir la trama, la decodificará y la tarjeta se encargará de realizar la operación que ésta indique. - EVENTOS: Evento "EventoTimer" Este evento se utiliza por motivos de sincronización: cada operación de envío de una trama hacia el timer virtual será previamente notificada por la librería. El hilo "Servidor de Timer", que posteriormente se describirá, será el encargado de esperar este evento, quedando en suspensión mientras no se le notifique que va a recibir una trama a través de la tubería "tubotimer". - HILOS: Hilo de programación "Servidor de Timer" Este hilo será el responsable de esperar continuamente tramas procedentes de la librería, a través de la tubería "tubotimer". El hilo quedará suspendido a la espera del evento "EventoTimer" y se activará cuando se vaya a recibir una trama. Tras recibirla, la aplicación decodificará el mensaje recibido y se procederá a realizar la operación de timer ordenada. 17 Hilo de programación "AD_INT_Background" Con el fin de simular la captura de datos en ráfaga, y puesto que con el código original sólo se podía registrar una única lectura con la llamada a la función AI_ReadChanel, la librería lanzará este proceso en segundo plano, que será el encargado de realizar periódicamente consultas a la función original y registrando los resultados obtenidos. Con este proceso se simulará la captura de datos. Hilo de programación "Hilo Servidor de Librería" Este hilo, ya existente en el proyecto anterior, tiene como única función esperar tramas procedentes de la librería. Queda suspendido por el evento "EventoLibreria" y se activa cuando va a recibir una trama. Al recibirla, la tarjeta decodificará el mensaje y procederá a realizar las acciones solicitadas. - MENSAJES: Los mensajes de comunicación, como ya se ha explicado con anterioridad, constarán de tres elementos, separados por el carácter ‘#’: [CÓDIGO_OPERACIÓN # DIRECCIÓN o CANAL # VALOR] A continuación se explicará cada uno de estos tres elementos, detallando a su vez los distintos valores que podrán tener: - CÓDIGO_OPERACIÓN: Código que indica cuál de las funciones de la librería ha enviado la trama. Podrán recibirse los siguientes valores de código: Código “DO” Tubería: Tubolib. Origen: Librería virtual. Destino: Tarjeta virtual. Descripción: Trama enviada por la función DO_WritePort indicándole a la tarjeta el nuevo valor de sus salidas digitales. Efecto producido: Al recibir esta trama, la tarjeta actualiza sus registros internos y genera una trama DO con origen en la tarjeta virtual y destino en el proceso virtual, utilizando la tubería de nombre tubotest. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 18 Código “AO” Tubería: Tubolib. Origen: Librería virtual. Destino: Tarjeta virtual. Descripción: Trama enviada por la función AO_WriteChannel indicándole a la tarjeta el nuevo valor de sus salidas analógicas. Efecto producido: Al recibir esta trama, la tarjeta modificará el campo valor contenido en ella, para ajustarlo al formato requerido por el proceso virtual. Generará una trama AO con origen en la tarjeta virtual y destino en el proceso virtual, utilizando la tubería de nombre tubotest. Código “DI” Tubería: Tubolib. Origen: Librería virtual. Destino: Tarjeta virtual. Descripción: Trama enviada por la función DI_ReadPort solicitándole a la tarjeta el valor de sus entradas digitales. Efecto producido: Al recibir esta trama, la tarjeta genera una trama DI de respuesta, adjuntando el valor de las entradas digitales registradas en ese momento. El mensaje de respuesta volverá a la librería por la misma tubería tubolib. 19 Código “AI” Tubería: Tubolib. Origen: Librería virtual. Destino: Tarjeta virtual. Descripción: Trama enviada por la función AI_ReadChannel solicitándole a la tarjeta el valor de sus entradas analógicas. Efecto producido: Al recibir esta trama, la tarjeta genera una trama AI de respuesta, adjuntando el valor de las entradas analógicas registradas en ese momento. La respuesta volverá a la librería por la misma tubería tubolib. Código “XX” Tubería: Tubotest2. Origen: Proceso virtual. Destino: Tarjeta virtual. Descripción: Trama enviada por el proceso virtual con el valor de una entrada digital. Enviada si una entrada digital cambia su valor en el proceso virtual. Efecto producido: La tarjeta virtual almacena el valor del dato recibido. No se genera ninguna trama. Código “XZ” Tubería: Tubotest2. Origen: Proceso virtual. Destino: Tarjeta virtual. Descripción: Trama enviada por el proceso virtual con el valor analógico (número real) de una entrada analógica. Se envía cuando una entrada analógica cambia su valor en el proceso virtual. Efecto producido: La tarjeta virtual convierte el valor analógico a entero simulando el convertidor ADC y lo almacena. No se genera ninguna trama. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 20 Código “TS” Tubería: Tubotimer. Origen: Librería virtual. Destino: Timer virtual. Descripción: Trama enviada por la función _9112_TIMER_Start ordenándole al timer virtual el inicio del temporizador. Efecto producido Al recibir esta trama, se extraerán de ella los valores de inicio de cuenta y se iniciará el temporizador. Código “TR” Tubería: Tubotimer. Origen: Librería virtual. Destino: Timer virtual. Descripción: Trama enviada por la función _9112_TIMER_Read solicitándole al timer virtual el valor de actual de la cuenta. Efecto producido: Al recibir esta trama, se calculará el valor de la cuenta y se generará una trama TR de respuesta, devuelta por la tubería tubotimer. Código “TX” Tubería: Tubotimer. Origen: Librería virtual. Destino: Timer virtual. Descripción: Trama enviada por la función _9112_TIMER_Stop solicitándole al timer virtual la detención de la cuenta. Efecto producido: Al recibir esta trama, se calculará el valor de la cuenta en ese instante, se inicializarán los valores de cuenta, a la espera de una nueva orden de inicio, y se generará una trama TR de respuesta, devuelta por la misma tubería tubotimer. 21 - DIRECCIÓN o CANAL: En las operaciones digitales servirá para indicar el número de puerto y en las operaciones analógicas el número de canal. Debido a que sólo existe un timer virtual, en las tramas pertenecientes a funciones de timer este valor siempre será 0. Si en el futuro se simulara más de un timer, en ese caso tendría sentido la modificación de este valor. - VALOR: Determina el campo de datos de la trama, asociado a la operación especificada por el código de operación. En todos los casos se tratará de valores de 4 bytes de tamaño. Dependiendo del tipo de datos que se manejen, se representarán o como un número entero, en las tramas de actualización de datos digitales y de simulación de timer, o bien como un número en formato decimal para la actualización de datos analógicos (también será un número entero en el caso de las tramas de código "AI" (lectura de canal), donde el valor será convertido posteriormente a decimal). Este tipo de tramas son sencillas de codificar y decodificar, debido a que el separador determina cada uno de los datos que viajan en ellas. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 22 El esquema de la situación, tras la incorporación de la nueva aplicación de Timer añadida, quedaría de la siguiente forma: Imagen 3 – Incorporación de nuevo Timer Virtual PROCESO VIRTUAL TARJETA ADQUISICIÓN VIRTUAL tubolib PROGRAMA PRÁCTICAS DEL ALUMNO LIBRERÍA TARJETA VIRTUAL AMPLIADA TIMER VIRTUAL tubotimer tubotest tubotest2 23 La estructura final, añadiendo los hilos de programación y los eventos quedará de la siguiente forma: Imagen 4 – Estructura final con hilos y eventos TARJETA DE ADQUISICIÓN VIRTUAL tubolib PROGRAMA PRÁCTICAS DEL ALUMNO PROCESO PRÁCTICAS ALUMNO PROCESO VIRTUAL PROGRAMA TARJETA VIRTUAL Hilo Servidor Librería Esperando EventoLibrería TIMER VIRTUAL tubotimer Hilo Servidor Timer PROGRAMA TIMER VIRTUAL Esperando Evento Timer AD_INT _Background LIBRERÍA TARJETA VIRTUAL AMPLIADA tubotest tubotest2 AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 24 4.2 CAPA LÓGICA DE LA APLICACIÓN Dentro de este apartado se detallará el planteamiento empleado en la lógica del programa, de su estructura y de los algoritmos de los protocolos utilizados. También se especificarán las variables necesarias para el almacenamiento de datos. A continuación se mostrará en pseudocódigo el detalle de los programas implementados: - LIBRERÍA DE TARJETA: En primer lugar, se han utilizado las variables necesarias para la gestión de los recursos empleados: manejadores de tuberías e identificadores de eventos. Otro grupo de variables definidas son las empleadas para conservar los datos utilizados en las diferentes funciones: en el caso del timer, el buffer que se usa para el envío de información a éste y el estado de la cuenta en curso. Y en el caso de las funciones relativas a la captura de datos, el buffer donde registrar los resultados de las lecturas y las variables que indican el estado en el que se encuentra dicho proceso. A la librería original se le agregarán las siguientes funciones: - _9112_TIMER_Start Construir la trama = "TS#canal#valor". Comunicar evento de envío de datos al timer. Enviar trama al timer a través de "tubotimer". - _9112_TIMER_Read Construir la trama = "TR#canal#valor". Comunicar evento de envío de datos al timer. Enviar trama al timer a través de "tubotimer". Recibir datos de timer. Retornar los datos al programa de prácticas. 25 - _9112_TIMER_Stop Construir la trama = "TX#canal#valor". Comunicar evento de envío de datos al timer. Envío de trama al timer a través de "tubotimer". Recibir datos de timer. Retornar los datos al programa de prácticas. - _9112_AD_INT_Start Llamar función "inicializaRegistros". Lanzar proceso de lecturas "_AD_INT_Background". - _AD_INT_Background Mientras esté la lectura activada y no se haya llenado el buffer de registros: Llamar a la función de librería AI_ReadChannel. Recibir el dato requerido. Registrar la medida obtenida en el buffer de datos. Repetir toda la operación en caso favorable. - _9112_AD_INT_Status Comprobar si ha finalizado el proceso de adquisición de datos. Obtener resultado de la consulta y el buffer datos registrados. Retornar estado del proceso y buffer de datos al programa de prácticas. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 32 · La función utilizada para finalizar un proceso (y todos sus hilos): BOOL WINAPI TerminateProcess( HANDLE hProcess, UINT uExitCode); Será usado por la librería para ordenar la detención de la aplicación timer virtual. Los argumentos indicados en la llamada a la función serán: - hProcess: el manejador del proceso a terminar. - uExitCode: código de salida, que será usado por el proceso. 33 - Funciones de creación de tuberías, lectura y escritura: · En la aplicación de timer, utilizaremos la siguiente función para la creación de la tubería con nombre "tubotimer": HANDLE CreateNamedPipe( LPCTSTR lpName, DWORD dwOpenMode, DWORD dwPipeMode, DWORD nMaxInstances, DWORD nOutBufferSize, DWORD nInBufferSize, DWORD nDefaultTimeOut, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes); Con esta llamada se crea una tubería con nombre, con la cual se comunicarán los procesos que hagan uso de ella. La función devolverá el identificador, que se utilizará posteriormente para el envío y la recepción de datos. En este proyecto se comunicarán mediante "tubotimer" la librería y el timer virtual. A los argumentos indicados en la llamada a la función, se les asignará los siguientes valores: - lpName: nombre de la tubería. - dwOpenMode: Modo de apertura de la pipe, en este caso será PIPE_ACCESS_DUPLEX: bidireccional. - dwPipeMode: Tipo de tubería. Será una pipe orientada a bytes, con modo de lectura orientado a bytes y con espera de lectura y escritura bloqueante. Para ello se enviará como argumento los flags: PIPE_TYPE_BYTE | PIPE_READMODE_BYTE | PIPE_WAIT - nMaxInstances: Número máximo de instancias posibles, en este caso se le dará el valor PIPE_UNLIMITED_INSTANCES (255). - nOutBufferSize: Bytes a reservar para el buffer de salida (0). AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 34 - nInBufferSize: Bytes a reservar para el buffer de entrada (0). - nDefaultTimeOut: Time-out por defecto, en este caso INFINITE. - lpSecurityAttributes: Para que la tubería obtenga un descriptor de seguridad predeterminado y el manejador no pueda ser heredado, el valor asignado será NULL. · La llamada que espera la conexión en el otro extremo de la tubería es: BOOL ConnectNamedPipe( HANDLE nNamedPipe, LPOVERLAPPED lpo); Será invocada por el timer virtual y, de manera bloqueante, esperará la conexión de la librería. Se les asignará los siguientes valores a los argumentos de la función: - nNamedPipe: manejador asociado a la tubería. - lpo: sólo para E/S asíncronas (en nuestro caso valor NULL). · Función utilizada para conectarse a una tubería, creada desde otro extremo: BOOL WaitNamedPipe( LPCTSTR lpNamedPipeName, DWORD nTimeOut); En este proyecto, será la librería quien se intente conectar a la tubería "tubotimer", que previamente deberá haber sido creada en el timer virtual. 35 Los valores de los argumentos de la llamada a la función serán: - lpNamedPipeName: nombre de la tubería. - nTimeOut: tiempo máximo de espera. Para usar el valor de tiempo de espera igual al que ya se indicó en la creación de la tubería, se usará como valor del argumento NMPWAIT_USE_DEFAULT_WAIT. · Llamada para la desconexión de la tubería: BOOL DisconnectNamedPipe( HANDLE nNamedPipe); Esta función será invocada desde el timer virtual, cuando vaya a desconectarse de la tubería, eliminando también la instancia asociada a ella. En la llamada a la función sólo se envía el nombre del manejador asociado. · Llamada para abrir la tubería, como si de un fichero se tratara: HANDLE CreateFile( LPCTSTR lpFileName, DWORD dwDesiredAccess, DWORD dwShareMode, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, DWORD dwCreationDistribution, DWORD dwFlagsAndAttributes, HANDLE hTemplateFile); La función será llamada, desde la librería, tras la ejecución de la función WaitNamedPipe. Con ello se abrirá el descriptor de fichero asociado a la tubería, para poder escribir y leer en él. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 36 Los valores de los parámetros pasados en la función son los siguientes: - lpFileName: nombre de la tubería. - dwDesiredAccess: tipo de acceso, en nuestro caso será para lectura y escritura: GENERIC_READ | GENERIC_WRITE. - dwShareMode: si la tubería será de tipo compartido o no. En este caso no podrá ser compartida y, por tanto, su valor 0. - lpSecurityAttributes: Para que el manejador devuelto por esta función no pueda ser heredado y el fichero asociado con este identificador obtenga un descriptor de seguridad predeterminado, el valor será NULL. - dwCreationDisposition: Acción a tomar si la tubería existe o no. En este caso determinaremos la opción OPEN_EXISTING (abrir sólo si existe). - dwFlagsAndAttributes: flags y atributos que se le asignarán al descriptor, en este caso FILE_ATTRIBUTE_NORMAL (sin atributos seleccionados). - hTemplateFile: especifica un manipulador con tipo de acceso lectura a un fichero que se utilizará como plantilla. No se requiere y su valor será 0. · Para leer los datos de la tubería se utilizará la siguiente función: BOOL ReadFile( HANDLE hFile, LPVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToRead, LPDWORD lpNumberOfBytesRead, LPOVERLAPPED lpOverlapped); Esta llamada se realizará, en el caso del timer, para recibir las tramas con las órdenes a ejecutar y, en la parte de la librería, para obtener los datos retornados tras algunas de esas órdenes. 37 Los valores asignados a los parámetros en la llamada son: - hFile: manejador de fichero de la tubería (obtenido en CreateFile). - lpBuffer: buffer donde se recibirán los datos de la trama. - nNumberOfBytesToRead: número de bytes a leer. - lpNumberOfBytesRead: número de bytes leídos. - lpOverlapped: dirección de la estructura para datos para E/S asíncronas. En este caso no lo son y, por tanto, el valor es NULL. · Para escribir datos en la tubería se utilizará la siguiente función: BOOL WriteFile( HANDLE hFile, LPCVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToWrite, LPDWORD lpNumberOfBytesWritten, LPOVERLAPPED lpOverlapped); Esta llamada será utilizada por la librería para enviar las tramas con las órdenes a ejecutar y, en caso de ser necesario, por parte del timer virtual para enviar los datos de retorno, requeridos por la librería. Los valores asignados a los parámetros en la llamada serán: - hFile: manejador de fichero de la tubería (obtenido en CreateFile). - lpBuffer: buffer con la trama a escribir. - nNumberOfBytesToWrite: número de bytes a escribir. - lpNumberOfBytesWritten: número de bytes escritos. - lpOverlapped: para E/S asíncronas, en nuestro caso NULL. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 38 - Funciones de creación de eventos y activación: Se utilizarán eventos para sincronizar procesos, que permanecerán a la espera mientras otro proceso no active dicho evento. · La función con la que se crearán los eventos es: HANDLE CreateEvent( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, BOOL bManualReset, BOOL bInitialState, LPCTSTR lpName); Se utilizará el evento "EventoTimer" para que la librería avise al timer virtual del envío de tramas. Mientras tanto, el timer permanecerá a la espera de este evento. Los valores asignados a las variables en la llamada a la función CreateEvent son: - lpEventAttributes: especifica los atributos de seguridad para el objeto evento. El valor será NULL, para que éste sea creado con un descriptor de seguridad por defecto y el manipulador resultante no sea heredable. - bManualReset: si el evento es de reset manual o no. En este caso será FALSE, será el sistema operativo quien inicie su estado a "no señalizado". - bInitialState: indica el estado inicial del evento. En este caso será FALSE, "no señalizado". - lpName: nombre que se le dará al evento ("EventoTimer"). · Tras la creación del evento, para conectarse a éste utilizaremos la función: HANDLE OpenEvent( DWORD dwDesiredAccess, BOOL bInheritHandle, LPCTSTR lpName); 39 El evento "EventoTimer" será creado en el timer virtual y la librería ejecutará esta función para poder hacer uso del evento a la hora de avisar de envío de tramas. Los valores tomados por los argumentos de la función son: - dwDesiredAccess: tipo de acceso al evento, en este caso se seleccionará la opción todos: EVENT_ALL_ACESS - bInheritHandle: si el manejador será heredable, FALSE en nuestro caso. - lpName: nombre que se le dará al evento ("EventoTimer"). · Para activar el evento creado anteriormente se usará la función: BOOL SetEvent( HANDLE hEvent); El evento "EventoTimer" será activado por la librería, para que el timer (que permanecerá a la espera del evento, ejecutando la función WaitForSingleObjet) reciba la señal de leer de la tubería lo que se ha escrito. En la llamada a la función sólo se envía el nombre del manejador asociado al evento, obtenido tras la llamada a CreateEvent. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 40 5.2 CAPA LÓGICA DE LA APLICACIÓN En el apartado referido a la capa lógica, de la sección de diseño de la aplicación, ya ha sido explicado con bastante detalle el funcionamiento de la misma, no creyendo necesario concretar más sobre este respecto. A nivel de implementación, comentar que se han utilizado funciones del lenguaje de programación C, dentro del entorno de desarrollo Code::Blocks, por lo que tampoco será necesario una explicación completa de cómo está estructurado. Se podría destacar, como detalle de la implementación, el método elegido para la simulación del Timer 8253: El timer 8253, incluido en la tarjeta, es un dispositivo hardware que consiste en 3 contadores descendentes de 16 bits cada uno. Funciona de forma permanente, decrementando su cuenta en cada flanco activo de reloj. Este temporizador posee 6 modos programables de contador, en este proyecto se simulará el Modo 0 o de “Interrupción al final de la cuenta”. En este modo se realiza una cuenta descendente, desde el valor indicado por el usuario hasta llegar a cero, finalizando así la cuenta. A la hora de decidir cómo abarcar la implementación de Timer 8253 se ha tenido en cuenta que los ordenadores personales ya disponen de varios temporizadores hardware, que permiten realizar tareas de administración o simplemente mantener la hora y fecha (como, por ejemplo; el High Precision Event Timer (HPET)), que emplearemos para nuestra simulación. Otro detalle a considerar es que el hecho de tener un proceso realizando una cuenta constantemente consumiría muchos recursos, de manera que no sería viable su uso. Este es el motivo por el cual se ha tomado como solución realizar un cálculo del estado de la cuenta en el momento de la consulta, sin necesidad de haber ido realizando una cuenta como tal. Para ello se llamará a la función clock() en el momento de la llamada a _9112_TIMER_Start, de este modo quedará registrado el dato del tiempo inicial en la variable “tiempoInicial”. Cuando se solicite el valor del estado de la cuenta (con las llamadas a las funciones _9112_TIMER_Read y _9112_TIMER_Stop) se llamará nuevamente a clock() y, usando el dato anterior, se realizarán los cálculos necesarios para obtener el valor del contador en ese instante. 41 Como ya se ha comentado con anterioridad, no es necesario ni posible simular los 2MHz del timer real, por lo que se ha decidido considerar una frecuencia de reloj inferior, configurable por el usuario (para ello se utilizará el fichero de configuración timerVirtual.cfg). Los valores de frecuencia que se estiman razonables para percibir visualmente los cambios en la cuenta se encuentran en el intervalo comprendido entre 1 y 100Hz. En resumen, con esta virtualización se dispondrá de un timer de 16 bits descendente (igual que el Timer 8253 original), pero que se limitará a emular el modo de cuenta TIMER_MODE0 y cuya frecuencia de reloj será configurable por el usuario. Otro detalle de la implementación a destacar es el método elegido para la simulación de la adquisición de múltiples muestras: La función original de la tarjeta realiza un número N de conversiones A/D solicitadas, con interrupción de transferencia de datos al finalizar las conversiones. Las conversiones se pueden detener en cualquier instante mediante otra función que da la correspondiente orden a la tarjeta, estando disponibles las muestras tomadas hasta entonces. Para simular esta adquisición de múltiples muestras se ha decidido utilizar un proceso, lanzado desde la llamada de inicio (_9112_AD_INT_Start), que permanecerá ejecutándose en segundo plano. Este proceso, llamado AD_INT_Background, se dedicará a realizar tantas llamadas a la función AI_ReadChannel como número de lecturas se haya ordenado al comienzo del muestreo. La función AI_ReadChannel sólo realiza una lectura por llamada. Cada una de las lecturas se irá registrando en un buffer de datos (bufferAD) para su posterior uso. El tiempo de espera entre muestras será controlado por la función Sleep(nseg), donde nseg será el número de segundos calculado a partir de los valores de los dos divisores de frecuencia indicados en la llamada a la función de inicio de muestreo. Dependiendo del valor de dichos parámetros, se conseguirán frecuencias de reloj menores y, por tanto, el muestreo será más lento y perceptible por el usuario. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 48 Al inicio del programa se mostrará el siguiente menú: Imagen 6 – Menú de programa de pruebas Con cada opción se podrá elegir qué grupo de funciones examinar. Dentro de cada apartado se realizan pruebas de todas las funciones dedicadas a esa simulación en particular. Los resultados de las diferentes pruebas han sido satisfactorios, y con ello se puede afirmar que, tanto el nuevo desarrollo implementado en este proyecto como el antiguo simulador, son totalmente funcionales. 49 7 – Tests en diferentes plataformas La finalidad del software desarrollado es que el alumnado pueda realizar las prácticas sin necesidad de disponer del hardware de la tarjeta y se pueda trabajar en cualquier PC. Debido a que el software original ya data del año 2007, surge la necesidad de verificar si existirán problemas de compatibilidad entre los nuevos sistemas operativos Windows y el antiguo software de virtualización. Por extensión, también será necesario probar el software desarrollado en este proyecto. La idea final de estas pruebas es adelantarse a los problemas que puedan surgirle a los alumnos y buscar las posibles soluciones en cada caso, para así conocer de primera mano si el software de virtualización está o no disponible para trabajar en alguna plataforma Windows concreta. Pasamos a detallar los resultados obtenidos en las tres distribuciones más utilizadas de Windows en el momento de la realización de este proyecto: - WINDOWS 8: Al ser el sistema operativo más actual de los tres probados, se decidió elegir este entorno para realizar el desarrollo de las nuevas funcionalidades, no sin antes asegurar que el simulador virtual anterior no sufría ninguna incompatibilidad. Esta fue en realidad la primera fase que se abordó del proyecto: Para tener una idea clara del funcionamiento de la tarjeta virtual y para verificar que se podía trabajar sin problemas en Windows 8, se optó por realizar las sesiones de prácticas de la asignatura “Informatización industrial”, para la cual se creó la aplicación. Las pruebas fueron satisfactorias y, a su vez se tuvo claro el funcionamiento del software de virtualización original, para así poder comenzar a implementar las soluciones decididas. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 50 Imagen 7 – Pruebas en Windows 8 - WINDOWS 7: Partiendo del conocimiento de que el software original era funcional en el sistema operativo sucesor (Windows 8), se estimó preferente implementar todo el desarrollo y proceder más tarde a realizar las pruebas globales, de todo el conjunto de software final. Los resultados en este caso también fueron satisfactorios, siendo completamente operativo el software original tras la incorporación del nuevo. Imagen 8 – Pruebas en Windows 7 51 - WINDOWS XP: A pesar de ser un sistema operativo sin soporte técnico desde el año 2014, todavía se pueden encontrar ordenadores con esta plataforma. Otro motivo por el cual realizar pruebas en este sistema operativo es que ha sido el utilizado en las prácticas los años anteriores, confirmándose con ello que el software de virtualización original era totalmente funcional. En esta plataforma lo que se ha verificado es que el nuevo software añadido funciona sin problemas y no se ha visto afectada ninguna funcionalidad existente en el anterior software. Para ello se ha ejecutado el programa de pruebas expuesto en el apartado 6, confirmando que los resultados eran los esperados. Imagen 9 – Pruebas en Windows XP AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 52 - MEJORAS PLANTEADAS TRAS LAS PRUEBAS: Aunque no se encontraron problemas de compatibilidad con el software, sí se detectaron algunos conflictos durante el proceso de testeo. 1 - Al ejecutar la tarjeta virtual no se comprueba antes si ya existe una aplicación lanzada. En este caso quedan inoperativas tanto la primera tarjeta virtual como la segunda, teniendo que cerrarlas para poder comenzar a trabajar con una. Esto también ocurre si, por ejemplo, el proceso virtual falla y queda una tarjeta “huérfana”. Tras detectarse este problema, se realizaron pruebas también en el lanzamiento de la aplicación timer virtual, confirmándose que, si no se llamaba a timerStop para cerrar una aplicación ya en ejecución, se podían lanzar más timers virtuales, quedando inoperativos todos. 2 - Problemas para la creación de tuberías al lanzar la aplicación en máquinas virtuales lentas. El tiempo que tarda en lanzarse una aplicación difiere de un ordenador a otro y en el caso de entornos virtualizados este proceso se lentifica aún más. Por este motivo, si una máquina es lo bastante lenta, podrá ocurrir que no se termine de lanzar una aplicación cuando ya el programa principal intente conectarse a ésta mediante una tubería, no pudiéndose realizar la conexión. Para intentar sortear el problema, se ha añadido tiempos de espera algo mayores entre la orden de lanzamiento de las aplicaciones y el intento de conexión mediante tuberías. Dicho tiempo tampoco se ha fijado a un valor muy alto, para no ralentizar demasiado el inicio de la aplicación. 53 8 – Futuras implementaciones Como en este proyecto se han añadido nuevas funcionalidades a la tarjeta virtual, un trabajo futuro sería continuar por esta vía y, de entre las funciones de la librería del fabricante, seleccionar otras y ampliar la colección de funciones de la tarjeta real que se desee simular. Otra evolución que se podría plantear en la virtualización sería la inclusión de interrupciones entre distintas aplicaciones (para avisar de la finalización de un proceso, por ejemplo). Con esta mejora se podrían abarcar nuevos proyectos que requieran del uso de interrupciones para que su funcionamiento sea lo más cercano a la realidad. Dentro de la aplicación de timer virtual, y en el caso en el que se pudiera trabajar con interrupciones, se podrían añadir nuevos modos de contador, que sí requieren de interrupciones en su ejecución. Otra futura ampliación del timer virtual sería el que se pudiera trabajar con más de una aplicación. Ya en el diseño de la trama de comunicación del timer se ha dejado abierta esta posibilidad, teniéndose que enviar el código de la aplicación timer con la que se desea comunicar. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 54 55 9 – Conclusiones Tras finalizar la implementación acordada para este proyecto, la herramienta de la que disponían los alumnos de la asignatura “Informatización industrial” queda ampliada y, por tanto se podrán añadir las nuevas funcionalidades en la programación de las prácticas de dicha asignatura. Con la revisión exhaustiva que se ha realizado del funcionamiento del software de virtualización en diferentes máquinas, es posible asegurar que esta herramienta podrá ser utilizada en cualquiera de las tres distribuciones Windows en las que ha sido probada, no siendo el sistema operativo causante de ninguna disfunción de la herramienta. En el inicio del proyecto se acordaron los hitos a alcanzar, revisándose y/o modificándose las versiones de éste en las sucesivas reuniones con el director del proyecto. Tanto para el desarrollo del software como para el plan de pruebas ya comentados ha habido una comunicación fluida, quedando claras las tareas a realizar. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 56 57 10Bibliografía - Miguel Carro Pellicer. Simulador de tarjeta de adquisición de datos Nudaq/Nuipc 9112 Series [Proyecto final de carrera] ETSINF-UPV, 2007 - Wikipedia for Code::Blocks [Wiki en Internet]. The Code::Blocks team. Disponible en: http://wiki.codeblocks.org - wxWidgets: Cross-Platform GUI Library [biblioteca online]. The wxWidgets team. Disponible en: https://www.wxwidgets.org/ - MSDN Library - Microsoft [biblioteca online]. Microsoft Corporation Disponible en: https://msdn.microsoft.com/es-es/library/ms123401.aspx - ADLINK. NuDAQ / NuIPC 9112 Series Multi-function DAS Cards for PCI / 3U CompactPCI User’s Guide [Manual de usuario]. Disponible en: http://www.adlinktech.com/publications/manual/NuIPC3UIO/CP9112_50-11111-201.pdf - INTEL. 8254 Programmable Interval Timer [Hoja de datos del fabricante] Disponible en: http://www.scs.stanford.edu/10wi-cs140/pintos/specs/8254.pdf - Timer 8253 En: Wikipedia: the free enciclopedia [Wiki en Internet]. St. Petersburg (FL): Wikimedia Foundation, Inc. 2001. Disponible en: https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8253 AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 64 Ir a la pestaña “Linker settings” y añadir la ruta donde se encuentra la librería: Imagen 16 – Ir a la pestaña “Linker settings” MUY IMPORTANTE: Cuando seleccionemos la ruta donde se ubica la librería, nos consultará si la queremos guardar como una ruta relativa, para no tener problemas futuros, seleccionar NO. Imagen 17 – No guardar la ruta de la librería como relativa 65 A la hora de utilizar las funciones de Timer o las capturas de datos en ráfaga, existe la posibilidad trabajar con una frecuencia de reloj configurable por el usuario. En caso de querer trabajar con un valor de frecuencia diferente al asignado por defecto (que será de 10Hz), se le asignará el valor en Hz al parámetro fclk del fichero de configuración de nombre “param.cfg”. Por ejemplo, para una frecuencia de reloj de 100Hz debe quedar así: Imagen 18 – Frecuencia de reloj configurable El fichero debe estar ubicado en la misma ruta que el ejecutable y su nombre será el indicado en este documento. En el caso en el que no se cumplan estas premisas o no se pueda obtener un dato coherente de este fichero, se aplicará la frecuencia de reloj por defecto (10 Hz). El valor del parámetro fclk se cargará al registrar la tarjeta virtual desde el programa del usuario y será necesario reiniciar dicho programa si se desea modificar su valor. AMPLIACIÓN DE UN SIMULADOR DE TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN C 66 Ya se estará en disposición de ejecutar el programa, en este caso se muestra un programa de ejemplo en el que parpadearán las salidas digitales impares cada segundo (simulando unos leds intermitentes): Imagen 19 – Programa de pruebas Ejecutando este programa se observa que las salidas digitales indicadas en el programa parpadean, como se ha ordenado: Imagen 20 – Salidas digitales impares activadas 67 Imagen 21 – Salidas digitales impares desactivadas Cuando en el programa del usuario se llama a la función que desconecta la tarjeta (Disconnect_Card), no se cierran las aplicaciones software lanzadas. Se podría conectar de nuevo la tarjeta ejecutando otra vez el programa de pruebas y estaría totalmente funcional (siempre y cuando la anterior se haya desconectado correctamente) Para finalizar su utilización basta con cerrar la aplicación Proceso Virtual, con ello se cerrarán a su vez la Tarjeta virtual y el Timer Virtual, lanzados al comienzo de la sesión.