DPM Serial Protocol

Protocollo di comunicazione seriale DPM
(Dilbertian Protocol Modified)

Nota sul nome del protocollo
Il nome “Dilbertiano” proviene dalla prima versione di questo protocollo, che chiamammo “IDP Inverted Dilbertian Protocol” (2010), nella quale gli zeri erano rappresentati con una cella “stretta” e gli uni con una cella “larga” (“0” magro e “1” grasso – come da vignetta seguente tratta da “Dilbert” di Scott Adams – www.dilbert.com).

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Perché un nuovo protocollo ?

Il sistema Theremino si propone di fornire un sistema di Input-Output per PC semplice, poco costoso e facile da usare. Per renderlo facile da usare sono necessari l’auto-numerazione dei dispositivi e il riconoscimento dei loro tipi, per semplificare e ridurre al minimo il costo dei collegamenti è necessaria la comunicazione su un filo solo.

Non esistendo un protocollo simile abbiamo dovuto scriverlo. La versione attuale raccoglie il meglio di molti anni di sperimentazioni e ricerche.

Download di questa documentazione in formato PDF:
   DPM_Protocol_2015_ENG.pdf
   DPM_Protocol_2015_ITA.pdf

Caratteristiche

• Comunicazione seriale bidirezionale su un solo filo.
• Auto-configurazione.
• Auto-riconoscimento dei dispositivi collegati.
• Numero di dispositivi variabile da 1 a 200.
• Numero di byte trasmessi e ricevuti variabile a seconda del tipo di dispositivo.
• Velocità di trasmissione fino a 4 MegaBit/sec per trasmettere molti dati con cavi corti.
• Velocità di trasmissione fino a 100 KiloBit/sec per cavi molto lunghi (fino a 10 Km).
• Alta efficienza di comunicazione (da 10 a 20 volte maggiore rispetto al CAN).

Aspetti elettrici

La trasmissione avviene su un solo filo, ma è necessaria una massa di riferimento e una tensione di alimentazione, per cui i fili sono normalmente tre.

Ogni dispositivo che supporta il protocollo DPM deve avere un connettore di ingresso (verso il Master) e uno di uscita verso i dispositivi a valle (Slaves)

I connettori normalmente usati sono da 3 poli, con spaziatura di 2.54 mm.

Sulla catena di comunicazione deve essere presente un Master (che fornisce sincronismo e alimentazione) e un certo numero di dispositivi collegati in cascata (chiamati Slave).

La tensione che il Master fornisce sulla linea è di 5 V, con la stessa tolleranza e con la stessa corrente massima dei 5 V che si prelevano dal connettore USB.

La corrente massima che il Master può fornire rappresenta un limite al numero e al tipo di dispositivi collegabili. Questa corrente, è normalmente 250 mA, e potrebbe essere aumentata fino a 500 mA. Andando oltre si supererebbe la capacità dell’USB e si imporrebbero caratteristiche inusuali ai connettori.

Il numero massimo di dispositivi collegabili è limitato dai fattori seguenti:
– La corrente massima che il “Master” può fornire.
– Il numero massimo di byte che la linea sopporta in tempo di ciclo di rice-trasmissione.

Sia il “Master” che gli “Slave” sono collegati alla linea con un resistore di smorzamento, che agisce anche come passa basso, contro i disturbi radio e come protezione contro le sovratensioni. Il valore di questo resistore è normalmente da 33 a 330 ohm

Formato di trasmissione

Si usa un formato Non-Return-to-Zero (NRZ) standard.

Default format =  8, N, 1
– 1 start bit
– 8 data bits
– no-parity
– 1 stop bit

Livelli della linea dati “Com.Line”

La linea a riposo è a livello alto (3.3 V)
Il segnale “1” è indicato con 3.3 V
Il segnale “0” è indicato con 0 V

Tempi di ripetizione e velocità di trasmissione

Velocità di trasmissione
Si usano velocità basse quando la lunghezza, e quindi la capacità dei cavi di collegamento, sono alte. Quando invece le distanze sono brevi si possono usare velocità alte e comunicare con un gran numero di dispositivi (o comunicare con dispositivi che richiedono un gran numero di byte) Sono stabilite le velocità denominate da “1” (1 k bit/Sec) fino a “12” (4 mega bit/Sec)

Numero massimo di byte
A seconda della velocità di trasmissione il numero massimo di byte che si possono trasmettere è elencato nella tabella seguente.

Tempi, distanze e numero di byte

Speed	bit time	bit per second	Bytes every 15mS	Bytes every 30mS	Max distance	Max capacity	Slaves max number
1	1 mS	1K	1	3	10 Km	1 uF	3
2	500 uS	2K	3	6	5 Km	500 nF	6
3	200 uS	5K	4	8	2 Km	200 nF	15
4	100 uS	10K	15	30	1 Km	100 nF	30
5	50 uS	20K	30	60	500 m	50 nF	60
6	20 uS	50K	40	80	200 m	20 nF	150
7	10 uS	100K	150	300	100 m	10 nF	160
8	5 uS	200K	300	600	50 m	5 nF	80
9	2 uS	500K	400	800	20 m	2 nF	32
10	1 uS	1M	1500	3000	10 m	1 nF	16
11	500 nS	2M	3000	6000	5 m	500 pF	8
12	250_nS	4M	6000	12000	2.5 m	250 pF	4

Tutti i dispositivi devono implementare per lo meno la velocità “7” che è considerata la velocità di default.  Se si desidera impostare una velocità diversa dalla “7” tutti i dispositivi della catena devono supportarla.

La “massima distanza” dipende dalle caratteristiche dei cavi, i valori della tabella sono calcolati per un cavo schermato RG58 da 50 ohm con capacità di 100pF per metro.

Alle velocità basse il numero di “slaves” è limitato dal numero massimo di byte che si possono trasmettere in 30 millisecondi. (ogni slave usa almeno un byte e si pretende una ripetizione abbastanza veloce da rendere i movimenti fluidi)

Alle velocità alte il numero di “slaves” è limitato dalla capacità massima, ogni “slave” aggiunge una capacità di circa 40..60 pF e riduce la massima distanza di circa 50 cm.

La capacità è stata calcolata sulla base di 30pF per ogni “slave” cui si aggiungono altri 20pF per un cavo di collegamento da 20 centimetri e altri 10pF per tenere conto della resistenza aggiuntiva provocata dal “bilateral switch” (totale: 60pF)

Massima lunghezza del cavo di comunicazione rispetto alla corrente di alimentazione e alla resistenza per metro

Cable type —>   Maximum current ( peak current )	H1500/H1000/ H500/H155/RG11 20 milli ohm  or less per meter	RG58/RG59U/ H155/ net cables about  50 milli ohm per meter	RG59/RG6/phone twisted wire/ net cables about  100 milli ohm per meter
10 mA	1 Km	400 m	200 m
20 mA	500 m	200 m	100 m
50 mA	200 m	80 m	40 m
80 mA	125 m	50 m	25 m
100 mA	100 m	40 m	20 m
200 mA	50 m	20 m	10 m
400 mA	25 m	10 m	5 m
500 mA	20 m	8 m	4 m
800 mA	12.5 m	5 m	2.5 m
1 A	10 m	4 m	2 m

Nel calcolo della distanza si tiene conto che la caduta di tensione sul polo di massa, non superi i 200 mV. La caduta di tensione sul filo di alimentazione, non provocando errori di trasmissione, può essere anche molto maggiore (i 5 V possono scendere fino a 3.3 V senza creare problemi) In caso di cavi schermati il polo di massa è lo schermo, che normalmente ha una resistenza minore di quella dichiarata, quindi la distanza sarà maggiore.

Capacità dei cavi di collegamento

I valori di “massima lunghezza” indicati nella tabella precedente sono validi solo per cavi di collegamento con capacità di circa 100 pF per metro. La tabella seguente mostra le correzioni da applicare per i cavi di uso più comune.

Cable	External diameter ( mm )	Impedance ( ohm )	Capacity (pF/mt.)	Resistance (milliohm / meter)	Max length corrector
H1500	15	50	80	4	x 1.25
H1000	10.3	50	80	11	x 1.25
RG213	10.3	50	100		–
H500	9.8	50	82	15	x 1.22
H155	5.8	50	82	32	x 1.22
RG8	10	52	90		–
RG11 (TV)	10.3	75	60	21	x 1.7
RG59 (TV)	6.15	75	67	159	x 1.5
RG6_(TVsat)	6.8	75	51	100	x 2.0
RG56/U_(TV)	6.9	75	53		x 2.0
RG59/U_(TV)	4.5	75	53	45	x 2.0
RG58	5.2	50	100	53	–
RG142	4.95	50	96		–
RG174	2.8	50	100		–
RG178	1.85	50	95		–
RG179	2.55	75	64		x 1.5
RG187	2.7	75	65		x 1.5
RG188	2.7	50	95		–
RG196	1.9	50	93		–
RG316	2.5	50	95		–
Net cable			min 50 max 130	min 60 max 200	x 2.0 x 0.7
PC Audio cable			min 120 max 300	min 500 max 3000	x 0.8 x 0.5
Microphonic cable			min 60 max 300		x 1.7 x 0.3
Telephone twisted wire			50	100	x 2.0

Esistono anche cavi a bassa capacità (poco usati e difficilmente reperibili):

• RG62 – 93 ohm – 44 pF/mt
• RG71 – 93 ohm – 44 pF/mt
• RG210 – 93 ohm – 44 pF/mt
• RG63 – 125 ohm – 33pF/mt
• RG114 – 185 ohm – 27pF/mt

Misurare la capacità di un cavo sconosciuto:

• Preparare il cavo schermato spellandolo e mantenendo isolato il filo centrale.
• Misurare tra centrale e schermatura esterna con un tester o capacimetro.
• Per migliorare la precisione di misura, usare cinque o dieci metri di cavo.
• Dividere il valore di PicoFarad misurato per il numero di metri di cavo.

Tipi di dispositivi

I dispositivi sono identificati con un numero da 0 a 199 che identifica il suo “Type”.
Nella fase di riconoscimento e numerazione ogni dispositivo si identifica con questo “Type”.

Attualmente sono definiti i dispositivi seguenti:

Device Type	Speed min	Speed max	In out Pins	Power	Name
0					Special “custom” type
1	1	12	1	12 mA	Capacitive Sensor Hi Quality
2	1	12	10		InOut Servo
3	1	12	12		InOut Generic
4	1	12	12		InOut
5			6		Virtual Master Pins (first version)
8			10		Virtual Master Pins – V2
9			12		Virtual Master Pins – V4
255					Unknown

Numero massimo di dispositivi
Il numero massimo di dispositivi collegabili è limitato da:
– il numero massimo di byte che possono essere trasmessi a seconda della velocità selezionata.
– la corrente massima che il “master” può fornire (normalmente 500 mA)
– il massimo numero di dispositivi supportato dal protocollo che è 200 (da 0 a 199)

Tipi di pin

I pin sono identificati con un numero da 0 a 255 che identifica il suo “PinType”.

OUTPUT Pin Types

Output Pin Type	Name	Master to Slave bytes	Slave to Master bytes
0	UNUSED	0	0
1	DIG_OUT	1	0
2	PWM_8	1	0
3	PWM_16	2	0
4	SERVO_8	1	0
5	SERVO_16	2	0
6	STEPPER	4	0
7	PWM_FAST	5	0

INPUT Pin Types

Input Pin Type	Name	Master to Slave bytes	Slave to Master bytes
129	DIG_IN	0	1
130	DIG_IN_PU	0	1
131	ADC_8	0	1
132	ADC_16	0	2
133	CAP_8	0	1
134	CAP_16	0	2
135	RES_8	0	1
136	RES_16	0	2
140	COUNTER	0	2
141	COUNTER_PU	0	2
142	FAST_COUNTER	0	2
143	FAST_COUNTER_PU	0	2
144	PERIOD	0	4
145	PERIOD_PU	0	4
146	SLOW_PERIOD	0	4
147	SLOW_PERIOD_PU	0	4
150	USOUND_SENSOR	0	2
160	CAP_SENSOR	0	3
165	STEPPER_DIR	0	4
180	ENCODER_A	0	2
181	ENCODER_A_PU	0	2
182	ENCODER_B	0	0
183	ENCODER_B_PU	0	0
175	ADC_24	0	1
176	ADC_24_DIN	0	0
177	ADC_24_DOUT	0	0

Comunicazioni tra Master e Slaves  (linea seriale)

Primo byte	Tipo di trasmissione	Trasmissione	Ricezione
255 (*4)	Comando speciale esteso (per future espansioni)	1 byte (estensione) >>>>> vedere la tabella dei comandi estesi <<<<<	—
254 (*1)	RecogStart Inizio riconoscimento e numerazione	1 byte (numero byte dati = 0) 1 byte (CRC di Cmd / 0)	—
253 (*2)	Recog Invio numero progressivo e richiesta del tipo	1 byte (numero byte dati = 1) 1 byte (da 0 a 199) 1 byte (CRC di Cmd/Nbytes/Type)	1 byte ( tipo ) 1 byte ( CRC )
251 (*3)	FastDataExchange Scambio di dati veloce.	1 byte (numero byte dati = 0) 1 byte (CRC di Cmd/0) da 0 a 60 byte di dati	Da 0 a 63 byte di dati
249 (*4)	SetupSlavePins Invio delle impostazioni per i pin di uno “slave”	1 byte (slave index) 1 byte (numero di byte dati) nn byte (PinTypes: 1 byte per pin) 1 byte (CRC di Cmd/SlaveId/ etc..)	1 byte (slave index) 1 byte (CRC sul byte precedente)
248 (*4)	SetMasterName Invio del nome del “master”	nn byte (caratteri del nome terminati con zero)	—
247 (*4)	GetMasterName Lettura del nome del “master”	—	nn byte (caratteri del nome terminati con zero)
246 (*4)	SendValuesToSlave Invio di “n” bytes a slave “m” (max 56 byte)	1 byte (slave index) 1 byte (numero di byte) byte 1 . . . byte n 1 byte (CRC di Cmd/SlaveId/nBytes/n)	1 byte (slave index) 1 byte (CRC sul byte precedente)
245 (*4)	GetValuesFromSlave Richiesta di “n” bytes da slave “m” (max 56 byte)	1 byte (slave index) 1 byte (numero di byte) 1 byte (CRC di Cmd/SlaveId/nBytes)	byte1 . . byte n 1 byte (slave index) 1 byte (CRC sugli n + 1 byte precedenti)
244 (*4)	SendBytesToSlave Invio di “n” bytes a slave “m” (max 56 byte)	1 byte (slave index) 1 byte (numero di byte) byte 1 . . . byte n 1 byte (CRC di Cmd/SlaveId/nBytes/n)	1 byte ( slave index ) 1 byte ( CRC ) sul byte precedente
243 (*4)	GetBytesFromSlave Richiesta di “n” bytes da slave “m” (max 56 byte)	1 byte (slave index) 1 byte (numero di byte) 1 byte (CRC di Cmd/SlaveId/nBytes)	byte 1 . . . byte n 1 byte (slave index) 1 byte ( CRC ) sugli n + 1 byte precedenti
199 (*5)	SetSpeed	1 byte (Comm. Speed) 1 byte (CRC su Cmd/Comm.Speed)	—
0	Nessuna azione

(*1) Comandi di servizio.
(*2) Il comando Recog viene usato solo dal master e dagli slaves durante il riconoscimento.
(*3) Comunicazione veloce – il master scambia i valori con tutti gli slaves usando un solo scambio USB
(*4) Comandi di comunicazione sicura verso il singolo slave
(*5) Comandi speciali

SendValuesToSlave invia i valori ai Pin di Output di uno slave (virtuale sul Master o Fisico nei moduli Slaves)

GetValuesFromSlave legge i valori dai Pin di Input di uno slave (virtuale sul Master o Fisico nei moduli Slaves)

SendBytesToSlave invia byte generici (ad esempio di configurazione), verso uno slave (virtuale sul Master o Fisico nei moduli Slaves)

GetBytesFromSlave legge byte generici  (ad esempio di stato), da uno slave (virtuale sul Master o Fisico nei moduli Slaves)

Tutti i comandi hanno codici da 200 a 255, per evitare che, in caso di errori, gli ID e i tipi degli slave (da 0 a 199) possano venir interpretati come comando. (SetSpeed non conta perché non viene mai inviato lungo la linea seriale ma solo dall’HAL, verso il Master, via USB)

Comunicazioni tra Host computer e Master  (USB)

Comandi da “Host” verso “Master”

Command name	ID USB_TxData[0]	PARAMETERS USB_TxData[1 to n]
RecogStart	CommandID,	Nbytes
FastDataExchange	CommandID,	From 0 to 60 data bytes
SetupSlavePins	CommandID,	SlaveId, Nbytes
SetMasterName	CommandID,	MasterName (zero terminated)
GetMasterName	CommandID,	–
SendValuesToSlave	CommandID,	SlaveId, Nbytes, Byte1….ByteN
GetValuesFromSlave	CommandID,	SlaveId, Nbytes
SendBytesToSlave	CommandID,	SlaveId, Nbytes, Byte1….ByteN
GetBytesFromSlave	CommandID,	SlaveId, Nbytes
SetSpeed	CommandID,	CommSpeed

Risposte da “Master” verso “Host”

Command name	RESPONSE USB_RxData[0]	RETURN VALUES USB_RxData[1 to n]
RecogStart	0 = OK	Nslaves, Slave Type1 … Slave Type N
FastDataExchange	0 = OK	From 0 to 63 data bytes
SetupSlavePins	0 = OK	–
SetMasterName	0 = OK	–
GetMasterName	0 = OK	Master Name (zero terminated)
SendValuesToSlave	0 = OK	–
GetValuesFromSlave	0 = OK	Byte 1 … Byte N
SendBytesToSlave	0 = OK	–
GetBytesFromSlave	0 = OK	Byte 1 … Byte N
SetSpeed	0 = OK	–

La posizione zero del Buffer USB indica se il comando è stato eseguito dal “Master” con successo.

Calcolo dei CRC

Tutti i CRC usati sono calcolati su un certo numero di byte consecutivi e il CRC risultante è un byte. Per il calcolo del CRC si usa un algoritmo basato sul “Longitudinal redundancy check”.

Longitudinal redundancy check

Dim CRC as Byte  CRC = 0  For each byte b      CRC = CRC Xor b  Next

Per evitare “collisioni” tra sequenze banali ( ad esempio 0000 = 1111 o 123 = 321 ) e  sequenze semplici che producono CRC validi ( ad esempio 0000 con CRC = 0 ) il metodo precedente viene modificato con una permutazione.

Il calcolo del CRC risultante è efficiente ed estremamente semplice.

Calcolo del CRC usato in questo protocollo

Dim CRC as Byte  CRC = 0  For each byte b      CRC = CRC Xor b      CRC = CRC + 1  Next 

Impostazione della velocità di trasmissione

Se si decide di usare una velocità di trasmissione diversa da quella di default, allora il “master” deve comunicare a tutti i dispositivi della catena la nuova velocità da usare.

Questa impostazione deve essere possibile anche prima di aver effettuato un ciclo di riconoscimento dei dispositivi e deve essere possibile anche con linee di trasmissione molto lunghe. Pertanto esiste il comando speciale che viene ora illustrato.

1 – Il Master mantiene la linea alta per 50 mS
2 – Tutti gli Slave sono sicuramente posizionati in attesa di un carattere
3 – Il Master genera un BREAK (linea a livello basso per 12 bit alla minima velocità
4 – Il Master emette un carattere 55h (01010101) al baud rate desiderato
5 – Tutti gli Slave deducono il baud rate da questo byte (auto-baud)
6 – Il Master invia un byte che specifica la “Speed” (da 1 a 12)
7 – Il Master invia un byte di CRC calcolato su due byte (cmd/speed)
8 – Se lo Slave riscontra un errore non cambia la sua velocità

Verifica della velocità di trasmissione

Se imposta una velocità troppo alta per la linea di trasmissione in uso è possibile che alcuni dispositivi della catena non siano in grado di sostenere la velocità impostata e che si verifichino errori durante la trasmissione dei dati.

Se gli errori di trasmissione sono pari a zero o minori dello 0.1% allora la velocità impostata è valida.

Riconoscimento e numerazione

1 – Il Master emette verso gli Slave tutta la sequenza di impostazione “Speed” per assicurarsi che tutti comunichino alla stessa velocità.
2 – Il Master non trasmette comandi per 50 millisecondi.
3 – A questo punto tutti gli Slave dovrebbero essere in attesa di un comando.
4 – Il Master emette un codice “254″ (RecogStart).
5 – Tutti gli Slave mettono il weak-pull-up (100-400 uA) sul filo di input-output e aprono il collegamento di uscita verso i dispositivi a valle. Inoltre essi non rispondono più a nessun comando tranne il “253″ (Recog).
6 – Il Master” emette un codice “253″ (richiesta del tipo) e poi un byte con il numero “0″, il primo dispositivo della catena risponde un byte con il suo tipo, toglie il pull-up, collega l’uscita verso gli Slave a valle e non risponde più a nessun comando.
7 – Il Master emette un codice “253″ (richiesta del tipo) e poi un byte con il numero “1″, il secondo dispositivo della catena risponde un byte con il suo tipo, toglie il pull-up, collega l’uscita verso gli Slave a valle e non risponde più a nessun comando.
8 – Il Master emette un codice “253″ (richiesta del tipo) e poi un byte con il numero “2″,

           …. il “253” (richiesta del tipo) viene ripetuto fino ad un massimo di 200 volte

 

Quando nessun dispositivo risponde più per una durata maggiore di 10 bit alla velocità di trasmissione attuale, significa che la catena è finita. Per evitare questo calcolo, si può usare un time-out di 12 mS che funziona sempre, anche alla velocità più bassa.

 

9 – Il Master emette verso gli Slave tutta la sequenza di impostazione “Speed”, che riporta tutti gli Slave nella modalità di normale comunicazione.
10 – Il Master comunica all’Host (PC) tramite USB il numero di Slave riconosciuti e il tipo di ciascuno di essi.

 Roberto_Cena & Livio_Cicala (2010 – 2016)