Raspberry_Pi_15.pdf

(1063 KB) Pobierz

Na warsztacie

SZKOŁA

Poziom tekstu: średnio trudny

To już 15-ty odcinek kursu Raspberry Pi. Numery archiwalne MT

z poprzednimi odcinkami można kupić na www.ulubionykiosk.pl

Raspberry Pi (15)

GPS jako zegar czasu rzeczywistego

W poprzednim odcinku rozważaliśmy konfigurację zegara dla Raspberry Pi

odłączonego od Sieci. Pokazałem, jak działa domyślny pakiet

fake-hwclock,

jak konstruować własne układy zawierające zegar sprzętowy i używać wersji

gotowych. Tym razem przedyskutujemy jedno z najdokładniejszych źródeł czasu

rzeczywistego: GPS.

W obliczu braku innego źródła czasu, odłączony

od Sieci RPi ratuje się, zapisując czas systemowy

na karcie SD. Robi to w określonych odstępach czasu

lub przy wystąpieniu pewnych wydarzeń, np. za-

trzymaniu systemu za pomocą komendy

halt.

Potem,

przy ponownym starcie, czas ten jest odczytywany

z pliku i ustawiany jako systemowy. Oczywiście,

przy takiej operacji, Raspberry traci okresy, kiedy był

wyłączony. Tak działa pakiet

fake-hwclock.

W po-

przednim odcinku dokładnie prześledziliśmy ten

mechanizm.

Umiecie już skonstruować własny zegar czasu rze-

czywistego RTC (ang.

real-time clock),

podłączyć go

do Raspberry i odpowiednio skonfigurować. Przy wy-

łączeniu RPi czas systemowy zapisuje się w pamięci

RTC (polecenie

hwclock --systohc).

Przy włączeniu

– jest odczytywany z niego i ustawiany jako obowią-

zujący (polecenie

hwclock --hctosys).

Układy z RTC

mają własne, niezależne od Raspberry zasilanie.

Może to być bateria (jak w pokazanym rozszerzeniu

PiClock) lub kondensator, jak w układzie, który sami

skonstruowaliśmy. Nawet gdy wyłączycie Raspberry,

RTC dalej działa i odmierza czas. Robi to całkiem

dokładnie – zwłaszcza, gdy dołoży się obwody

1. Moduł GPS oparty na ukła-

dzie u-blox neo 6m

kompensujące dryft oscylatorów oraz uwzględni

warunki środowiskowe (np. wpływ temperatury).

Tego typu zegary wymagają jednak pewnych

zabiegów. Działają tak długo, jak ich bateria. Nie jest

to zazwyczaj problemem, gdyż jedna najczęściej wy-

starcza nawet na kilka lat. Największym mankamen-

tem jest jednak to, że najpierw... musimy im ustawić

aktualny czas. Bez tego będą tylko tykać, odmierzając

sekundy od pewnego momentu ustawionego im

w fabryce. To Wy musicie zrobić ten pierwszy krok

i zainicjować RTC odpowiednim momentem starto-

wym. Później dadzą sobie już radę same (jak długo

działa zasilanie).

Dobrze jednak wiecie, że istnieją źródła czasu, któ-

re nie wymagają „ręcznej ingerencji”. Jednym z nich

jest znany wszystkim GPS.

Uwaga!

Podłączcie Raspberry do Internetu.

Będziemy musieli doinstalować kilka pakietów. Bez

dostępu do Sieci byłoby to zbyt skomplikowane.

Gdy już wszystko skonfigurujemy, przetestujemy

działanie na konfiguracji

off-line.

Do doświadczeń

użyjemy dystrybucji Raspbiana z maja 2015 r.

na Raspberry B+.

GPS (ang.

Global Positioning System)

GPS to system, który pozwala na określenie poło-

żenia oraz czasu. Jego głównym elementem są sa-

telity krążące wokół Ziemi (kontrolowane przez

stacje naziemne). Znając położenie tych satelitów,

na podstawie pomiaru czasu dotarcia sygnału

od nich, odbiorniki GPS są w stanie obliczyć swoją

pozycję geograficzną. Odpowiednio dokładny czas

jest tu więc wartością krytyczną. Dlatego też, obok

zegarów atomowych, GPS jest systemem określanym

mianem wzorcowego (lub pierwotnego) źródła czasu.

Jeszcze kilka lat temu moduły GPS były zbyt

drogie do zastosowań hobbystycznych. Obecnie

ceny ich spadły na tyle, że nie jest problemem

m.technik – www.mt.com.pl – nr 10/2015

e-suplement

zakup takiego rozszerzenia grubo poniżej 100 zł

(1). Rozszerzenia takie komunikują się z jednostką

główną poprzez USB lub UART. Tutaj opiszę ten

drugi przypadek, chociaż (poza instalacją) większość

operacji jest identyczna również dla GPS podłącza-

nych przez USB.

więcej na www.mt.com.pl/e-suplement

do uszkodzenia Raspberry. Podłączcie GPS jak powy-

żej. Uruchomcie Raspberry, zalogujcie się i podejrzyj-

cie, co się dzieje na urządzeniu

/dev/ttyAMA0:

$ cat /dev/ttyAMA0

$GPRMC,175527.00,V,,,,,,,030715,,,N*7E

$GPVTG,,,,,,,,,N*30

$GPGGA,175527.00,,,,,0,00,99.99,,,,,,*65

$GPGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,99.99,99.99,99.99*30

$GPGSV,1,1,03,18,,,29,19,,,26,23,,,25*72

Podłączenie do Raspberry

Żeby podłączyć GPS do UART Raspberry, wystarczą

cztery kabelki:

1. zasilanie: najczęściej 3,3 V (fizyczny pin 1

Raspberry);

2. masa (np. pin 6);

3. TX GPS do pinu RX Raspberry (pin 8);

4. RX GPS do pinu TX Raspberry (pin 6).

Zwróćcie uwagę na krzyżowe podłączenie TX GPS

do RX Raspberry. Upewnijcie się, jakiego napię-

cia zasilania wymaga Wasz moduł GPS. To raczej

delikatne urządzenia. Jeżeli Wasz GPS działa z logiką

5 V, będziecie potrzebowali przekonwertować sygnał

na 3,3 V, akceptowalny przez GPIO Raspberry (więcej

na ten temat znajdziecie w [1]).

I tutaj pojawia się wytłumaczenie, dlaczego

połączyliśmy Raspberry do komputera za pomocą

kabla ethernetowego, a nie przejściówki UART-USB.

Po prostu: to GPS będzie wykorzystywał UART,

blokując w ten sposób dostęp do Raspberry przez

konsolę szeregową.

Żeby otworzyć dla GPS komunikację po porcie

UART, uniemożliwimy jego wykorzystywanie przez

system. W tym celu odetniemy konsolę systemową.

W pliku

/boot/cmdline.txt

usuńcie wpisy podobne

do „console=” (dwa wpisy) oraz „kgdboc” (edycja

po wywołaniu:

$sudo nano /boot/cmdline.txt).

Linia

komend powinna wyglądać wtedy podobnie do:

dwc_otg.lpm_enable=0 root=/dev/mmcblk0p2

rootfstype=ext4 elevator=deadline rootwait

Wasz GPS działa i już szuka satelitów.

Wiadomości, które widzicie, sformatowano zgodnie

ze standardem NMEA.

NMEA

Protokołu komunikacyjnego NMEA używa wiele

różnych urządzeń, głównie związanych z zastosowa-

niami morskimi i nawigacyjnymi. Standard określa

m.in. format danych zwracanych przez urządzenia

GPS. Możecie spotkać jego dwie wersje: NMEA 0183

(w skrócie NMEA) oraz NMEA 2000. Różnice polega-

ją na szybkości transmisji danych, NMEA 2000 jest

też protokołem binarnym, a NMEA 0183 – teksto-

wym. Mój moduł porozumiewa się za pomocą NMEA

0183.

Dane w tym standardzie transmitowane są jako

sekwencje. Każda zaczyna się symbolem „$”, a koń-

czy znakiem końca linii „<cr><lf>” (0x10, 0x13).

Kolejne rekordy w sekwencji oddzielane są prze-

cinkami. Przykładowa ramka wygląda następująco

(na podstawie [2]):

$GPRMC,205622.00,A,4916.45,N,012311.12, W,0.

336,,140715,,,A*71

Będąc w edytorze

nano,

wciśnijcie [CTRL]+[X],

[Y], [Enter], żeby zapisać plik i wyjść. Następnie

w pliku

/etc/inittab

zakomentujcie linię (znajduje się

na końcu pliku):

#Spawn a getty on Raspberry Pi serial line

T0:23:respawn:/sbin/getty -L ttyAMA0 115200

vt100

Ma wyglądać następująco:

#Spawn a getty on Raspberry Pi serial line

#T0:23:respawn:/sbin/getty -L ttyAMA0 115200

vt100

Teraz zastopujcie Raspbiana ($

sudo halt)

i odłącz-

cie Raspberry z zasilania.

Uwaga! Nigdy nie podłączajcie niczego do GPIO

przy włączonym zasilaniu!

Może to doprowadzić

gdzie:

205622.00:

czas pobrania namiaru, w czasie uniwer-

salnym (UTC) – 20:56.22;

ostrzeżenia odbiornika (tu OK, V: ostrzeżenie);

4916.45:

szerokość geograficzna 49 stopni i 16,45

minut;

szerokość północna;

012311.12:

długość geograficzna 123 stopnie, 11,12

minuty;

długość zachodnia;

0.336:

szybkość, w węzłach;

140715:

data namiaru: 14 lipca 2015 r.;

*71:

suma kontrolna

Standard definiuje wiele różnych typów wiado-

mości. Mogą one nie tylko nieść dane, ale i służyć

do konfiguracji samego odbiornika.

GPSD

W następnym kroku zainstalujemy w systemie usłu-

gę GPS:

gpsd.

Zaczniemy od dodania kilku narzędzi

do obsługi GPS (jak zwykle najpierw uzupełnimy

informacje o dostępnych pakietach):

$ sudo apt-get update

$ sudo apt-get -y install gpsd gpsd-clients

2. Wiadomości GPS na konsoli ($ cat /dev/ttyAMA0)

Następnie skonfigurujemy usługę (demona) GPS

(gpsd). W tym celu uruchomcie:

$ sudo dpkg-reconfigure gpsd

Na warsztacie

Podajcie kolejno:

• „Start gpsd automatically?”: automatyczne

uruchomienie usługi GPS przy starcie systemu:

wybierzcie „Yes”;

• „Should gpsd handle attached USB GPS receivers

automatically?”– jeżeli macie GPS na USB: „Yes”;

• „Device the GPS receiver is attached to:” – wpisz-

cie:

/dev/ttyAMA0;

• „Options to gpsd:”, wpiszcie: ‘-n’ (więcej

o opcjach

gpsd

znajdziecie w [3]);

• „gpsd control socket path:”

– gniazdo

danych

GPS dla aplikacji; powinno być: „/var/run/gpsd.

sock” (domyślne).

Teraz zrestartujcie usługę

gpsd:

$ sudo service gpsd restart

Poziom tekstu: średnio trudny

Zauważcie, że gpsd zainstalowała się w systemie

i będzie uruchomiana przy każdym starcie:

$ ls /etc/rc*/*gps*

/etc/rc0.d/K01gpsd /etc/rc2.d/S03gpsd

rc4.d/S03gpsd /etc/rc6.d/K01gpsd

/etc/rc1.d/K01gpsd /etc/rc3.d/S03gpsd

rc5.d/S03gpsd

/etc/

znaczenie, gdyż protokół NTP opiera się na oblicza-

niu opóźnień między serwerem a klientem. Dzięki

takim informacjom klienci czasu mogą skalibrować

swój zegar. Zależnie od różnicy, system płynnie

nadrabia różnice czasowe – przyspieszając lub opóź-

niając swój czas. Dla niewielkich odchyleń po prostu

ustawia się na nowy NTP. Jeżeli jednak różnica mię-

dzy czasem klienta i serwera ntp (ang.

offset)

będzie

zbyt duża (>1000 s), usługa NTP uzna, że dane

źródło czasu nie jest wiarygodne i takiej korekty nie

wykona. Niedogodność rozwiązuje się poprzez do-

danie parametru „-g” przy starcie demona ntp (ntpd,

plik

/etc/default/ntp),

który wymusza synchronizację,

nawet jeżeli

offset

jest znaczny.

Dodatkowo NTP potrafi korzystać z wielu źródeł

czasu jednocześnie. Dzięki temu można uzyskiwać

jeszcze większe dokładności. Synchronizacje (ang.

poll)

mają miejsce co cztery sekundy do siedemnastu

minut. Żeby dowiedzieć się, skąd pobieracie czas,

możecie wydać komendę:

$ ntpq -p

SZKOŁA

Wywołajcie program czytający pozycję z usługi

gpsd

([CTRL]+[C] żeby wyjść):

$ cgps -s

Jeżeli aplikacja pokaże „3D FIX” – Wasz GPS działa

i potrafi zwrócić poprawny namiar (ilustracja

3).

Pamiętajcie, że złapanie pełnego namiaru GPS

nigdy nie jest natychmiastowe. Zależy to od samego

modułu (układu, obecności podtrzymywania bateryj-

nego, rodzaju anteny itp.), warunków pogodowych,

miejsca, w którym urządzenie jest zlokalizowane

(w pomieszczeniu, na zewnątrz) i czasu, który upły-

nął od uzyskania ostatniego namiaru. Dla przykładu,

zimny start (więcej niż sześć godzin nieaktywności)

może zająć nawet sześć minut. Gorący start (do kil-

kunastu minut od ostatniego namiaru): pojedyncze

sekundy. Do monitorowania zachowania GPS może-

cie też użyć programu

gpsmon.

Przykładowy wydruk znajdziecie na ilustracji

Oczywiście poszczególne źródła mogą być różne

– dodatkowo zmieniają się dynamicznie, w zależno-

ści od dostępności.

Zwróćcie uwagę na oznaczenia na ilustracji 4

(na podstawie [4]): „*” to aktualne wykorzystywane

źródło czasu (tu: 194.29.130.252), a „+” – źródło

wykorzystywane w obliczeniach. Kolumna „st” oznacza

numer stratum. Pozostałe kolumny zawierają (zob. [5]):

typ źródła – l: lokalny,

u: unicast

(jeden-do-je-

den),

m: multicast

(jeden-do-wielu),

rozgłoszenio-

wy (broadcast);

when:

czas, który upłynął od ostatniego kontaktu

z tym źródłem;

poll:

częstotliwości synchronizacji (w sekundach);

delay:

czas od zapytania do odpowiedzi z serwera;

NTP

Jeżeli podłączycie Raspberry do Internetu, zauważy-

cie, że czas systemu operacyjnego zostanie wkrótce

zsynchronizowany z czasem rzeczywistym. RPi sam

się do niego dostroi. Powodem takiego zachowa-

nia jest domyślnie uruchamiana usługa NTP (ang.

Network Time Protocol).

NTP to protokół, który pozwala urządzeniom

na odczytanie aktualnego czasu z serwerów czasu

dostępnych w Internecie. Wzorcowy czas po-

chodzi np. z zegarów atomowych. NTP określa

takie źródło jako STRATUM 0. Czas STRATUM

0 rozpowszechnia kolejna warstwa STARTUM 1.

Ta z kolei stanowi odniesienie dla STRATUM 2.

Każda warstwa STRATUM jest źródłem (serwerem)

czasu dla następnej. Warstwa STARTUM 16 oznacza

urządzenia, których czas nie jest synchronizowany.

Im większy numer STARTUM, tym urządzenie jest

„dalej” od wzorca czasu. Ma to jednak ograniczone

3. Wyjście programu cgps

4. Rezultat polecenia ntpq -p

m.technik – www.mt.com.pl – nr 10/2015

Więcej o Raspberry Pi w miesięczniku

Elektronika Praktyczna.

– http://goo.gl/WSU4H6

Wydanie bieżące i numery archiwalne można przejrzeć i kupić na www.ulubionykiosk.pl

offset:

różnica czasu między klientem i serwerem

(milisekundy);

jitter:

rozrzut wartości między dwoma próbami

(milisekundy).

Możecie zignorować kolumnę „remote”. Zazwyczaj

nie podaje rzeczywistych nazw domen.

wyprowadzono go z czipa. Tak właśnie jest w przy-

padku mojego modułu.

Modyfikacja okazała się niespecjalnie trudna

– wystarczyło w odpowiednie miejsce przylutować

dodatkowy kabelek (ilustracja

5).

Zamiast bezpo-

średnio do nóżki układu GPS wybrałem styk przed

rezystorem ograniczającym prąd dla diody sygnalizu-

jącej impuls PPS.

Dzięki tej modyfikacji uzyskałem sygnał PPS

(ilustracja

6).

Pozostało podłączyć sygnał PPS do GPIO18

Raspberry (fizyczny pin 12), pobrać odpowiednie

narzędzia i skonfigurować system w plikach

/boot/

config.txt

i /etc/modules:

$ sudo apt-get install pps-tools

$ sudo nano /boot/config.txt

dtoverlay=pps-gpio,gpiopin=18

$ sudo nano /etc/modules

pps-gpio

PPS

Wracając do GPS: zapewne zauważyliście, że dane

wysyłane są przez port szeregowy UART mniej

więcej co sekundę. Użyjemy ich, pamiętając,

że sam UART nie jest w stanie dostarczać namia-

rów w dostatecznie regularnych odstępach czasu.

Potrzebujemy więc dodatkowego mechanizmu, który

będzie precyzyjnie podawał sekundy. System dosto-

suje do nich dane z GPS i na tej podstawie uzyska

bardzo dokładne namiary czasu.

Funkcja generowania impulsów w ścisłych, sekun-

dowych odstępach nazywa się

(One) Pulse Per Second

– PPS. Takie impulsy dostarcza sam odbiornik GPS,

jako osobne wyjście. Niestety, w wielu modelach nie

5. Moduł GPS z dolutowanym

wyjściem dla PPS

W /boot/config.txt dodajcie linię

dtoverlay:

W /etc/modules dodajcie moduł

pps-gpio:

6. Sygnał PPS z GPS śledzony na oscyloskopie

Na warsztacie

Pomimo że system automatycznie zainstaluje urzą-

dzenie

/dev/pps0,

zmiany w /boot/config.txt i /etc/mo-

dules

są konieczne. Bez nich, przy próbie wywołania

aplikacji

ppstest

zobaczycie:

$ sudo ppstest /dev/pps0

trying PPS source “/dev/pps0”

found PPS source “/dev/pps0”

ok, found 1 source(s), now start fetching

data...

time_pps_fetch() error -1 (Connection timed

out)

time_pps_fetch() error -1 (Connection timed

out)

SZKOŁA

7. Wydruk ntpq -p: jest już GPS, brakuje PPS (po-

równajcie z ilustracją 4)

uzupełnia wszystkie zainstalowane na Raspberry

pakiety do ich najnowszych wersji. Żadne pakiety

nie są usuwane, ani żadne nowe dodawane. Jeżeli

nowsza wersja jakiegoś pakietu wymaga dodania

elementów, które nie były wcześniej zainstalowane

w systemie – pakiet ten nie zostanie uwzględniony

w zmianach.

Inaczej jest z dist-upgrade. Spełnia ona te same

funkcje co upgrade, ale nie zawaha się dodać/usunąć

pakietów tak, aby system miał wszystko co najnow-

sze w repozytorium. Trzecia z instrukcji tego typu

(tu nie użyta),

rpi-update,

koncentruje się na uzupeł-

nieniu jądra systemu i firmware. Firmware i kernel

zapisują się na pierwszej partycji karty SD (widocz-

nej pod Windows).

Wykonanie powyższych komend może trochę

potrwać. Proces jest automatyczny. Po zakończeniu

nie restartujcie jeszcze systemu.

Teraz skonfigurujemy usługę

ntp

i pps. Otwórzcie

do edycji plik

/etc/ntp.conf

sudo nano /etc/ntp.conf)

i dopiszcie na jego końcu nowe źródła czasu oraz ich

parametry (na podstawie [7]):

# PPS

server 127.127.22.0 minpoll 4 maxpoll 4

fudge 127.127.22.0 refid PPS

fudge 127.127.22.0 flag3 1

# GPS

server 127.127.28.0 minpoll 4 maxpoll 4 mode

1 prefer

fudge 127.127.28.0 flag1 1 refid GPS

Poziom tekstu: średnio trudny

Po wykonaniu zmian i restarcie ($sudo

reboot)

możecie sprawdzić, czy PPS jest prawidłowo zainsta-

lowane w systemie:

$ dmesg | grep pps

[

4.709208] pps_core: LinuxPPS API ver. 1

registered

…[

4.829103] pps pps0: Registered IRQ 412

as PPS source

[

28.424317] pps_ldisc: PPS line discipline

registered

[

28.428538] pps pps1: new PPS source

ttyAMA0

[

28.428844] pps pps1: source “/dev/tty-

AMA0” added

$ lsmod | grep pps

pps_ldisc

pps_gpio

pps_core

pps_ldisc,pps_gpio

System powinien załadować odpowiednie moduły:

2285

2897

8752

Teraz sprawdzimy, czy działa już

ppstest:

$ sudo ppstest /dev/pps0

trying PPS source “/dev/pps0”

found PPS source “/dev/pps0”

ok, found 1 source(s), now start fetching

data...

source 0 - assert 400.922965675, sequence:

381 - clear 0.000000000, sequence: 0

source 0 - assert 401.922978675, sequence:

382 - clear 0.000000000, sequence: 0

GPS i PPS dla NTP

Niestety, wersja pakietu

ntp

dostarczana

z Raspbianem (stan na lipiec 2015 r.) nie wspiera

PPS. Trzeba do systemu dodać kilka rzeczy i odświe-

żyć samo

ntp.

Szczegółowe instrukcje znajdziecie

w doskonałym opracowaniu [6] – tutaj zamieszczam

je w skrócie.

Najpierw uzupełnimy system:

$ sudo apt-get update

$ sudo apt-get -y dist-upgrade

Polecenie

apt-get update

jest Wam na pewno

znane. Uzupełnia ono listę pakietów, sprawdza

zależności między nimi – ale samo nic nie instaluje.

Przygotowuje „grunt” pod

apt-get upgrade.

Zamiast

upgrade

użyjemy jednak

dist-upgrade.

Samo

upgrade

Zauważcie, że (szczegóły [8], [9]):

• usługi („server”) GPS/PPS dostępne są pod lokal-

nym adresem 127.127.x;

• adres 127.127.22.0 odnosi się do usługi PPS

a 127.127.28.0 do generycznego GPS;

• „refid” określa nazwę, pod jaką źródła będą

identyfikowane w systemie (widoczne na wy-

druku komendy

ntpq -p);

• „flag1 1” i „flag3 1” pozwalają jądru i GPS

na używanie PPS;

• „mode 1” przetwarza komunikaty NMEA

GPRMC;

• „prefer” zaznacza źródło jako preferowane;

• „minpoll/maxpoll” oznacza minimalny/maksy-

malny odstęp czasu między kolejnymi zapyta-

niami serwera, w sekundach jako potęgi 2 (tu: 4

– > 2^4 = 16 sekund)

Teraz przerestartujcie Raspberry komendą

$ sudo

reboot.

Odczekajcie chwilę po starcie i sprawdźcie:

m.technik – www.mt.com.pl – nr 10/2015

Plik z chomika:

KresPas

Inne pliki z tego folderu:

Punnet_net_Alpha3.pdf (25 KB)
BCM2835 ARM Peripherals.pdf (1454 KB)
Quick Start Guide RoseberyPI.pdf (379 KB)
Raspberry_Pi_1.pdf (1369 KB)
Raspberry_Pi_2.pdf (334 KB)

Raspberry_Pi_15.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: