multiIO - Embedded Hausbus auf Basis RS485 und PIC16F946

Embedded-System für Hausautomatisierung basierend auf RS485-Kommunikation und PIC16F946 Mikrocontroller. Das System ermöglicht die zentrale Steuerung und Überwachung von I/O-Funktionen über ein serielles Busprotokoll.

Hardware-Architektur

Die multiIO-Platine basiert auf dem PIC16F946 Mikrocontroller und bietet eine vollständige I/O-Lösung für Hausautomatisierung:

Hauptkomponenten

Zentraleinheit

• IC1: PIC16F946 - 64-Pin Mikrocontroller
  • 8K words (14-Bit) Flash-Speicher, 368 Bytes RAM, 256B EEPROM
  • Interner Oszillator mit präziser OSCTUNE-Kalibrierung (7.3-8.3 MHz)
  • Unterstützt 38.4k/57.6k/115.2k bps durch Frequenzanpassung
  • Alle 16 Ausgänge und 16 Eingänge voll ausgenutzt

Kommunikation

• IC2: MAX487CSA - RS485 Transceiver
  • Half-Duplex RS485 Kommunikation
  • Differentielle Signalübertragung ±7V
  • Automatic Direction Control über DE/RE-Pins
• IC8: MAX232ACSE - RS232 Interface (optional)
  • Zusätzliche serielle Schnittstelle für Debugging/Konfiguration
  • Spannungswandlung ±12V für RS232-Pegel

Ausgangssektion (16 High-Side-Treiber)

• IC3/IC4: 2× VN808CM-E - 8-Kanal High-Side Schalter
  • Intelligente Power-Switches für 16 Ausgänge (O1.0-O1.7, O2.0-O2.7)
  • Integrierte Schutzfunktionen: Übertemperatur, Kurzschluss, Überstrom
  • Status-Feedback über STATUS1/STATUS2-Pins
  • Bis zu 1A pro Kanal bei 12-48V Betriebsspannung

Eingangssektion (16 optoisolierte Eingänge)

• 16× TLP280-4: Optokoppler für galvanische Trennung
  • 4-Kanal Optokoppler-Arrays (TLP280-4)
  • Eingangsspannungsbereich: 12-24V DC
  • 2,5kV Isolationsspannung
  • Pull-up Widerstände 47kΩ für sichere Schaltschwellen

LED-Matrix Display

• IC6: 74HC4017 - Dezimal-Zähler/Demultiplexer
• IC5: ULN2003AD - 7-Kanal Darlington-Array
• Matrixabtastung der 16 Eingänge über COL0-COL9 Spalten
• Reduziert Pin-Bedarf des Mikrocontrollers

Spannungsversorgung

Primärversorgung

• IC9: MC34063A - Step-Down Switching Regulator
  • Eingangsspannung: 7-35V DC
  • Ausgangsspannung: 5V für Mikrocontroller-Logik
  • Hocheffiziente Schaltregler-Topologie

Schutzbeschaltung

Überstromschutz

• F1-F8: Sicherungen für alle Aus- und Eingänge
• D1-D4: Schutzdioden gegen Verpolung und Überspannung
• Entstörung: 100nF Kondensatoren an allen kritischen Knoten

Galvanische Trennung

• Vollständige Optoisolierung aller 16 Eingänge
• Getrennte Massepotentiale (GNDA für Analogteil)

Anschlusstechnik

Externe Verbindungen

• X1, X8: FK-MPT 10-polige Federkraftklemmen für I/O
• X2: FK-MPT 2-polige Klemme für RS485-Bus
• X3, X4: Zusätzliche I/O-Erweiterungen
• SV1, SV2: ICSP-Programmierschnittstelle

Konfiguration

• JP1-JP10: Jumper für Hardware-Konfiguration
  • Adressierung, Terminierung, Betriebsmodi
  • Pull-up/Pull-down Konfiguration
• LED1: Status-LED für Betriebsanzeige

Hardware-Spezifikationen (Schaltplan-basiert)

• Eingänge: 16× optoisoliert, 12-24V DC, Matrix-gescannt
• Ausgänge: 16× High-Side-Switch, 1A@48V max pro Kanal
• Versorgung: 7-35V DC Eingang, interne 5V/12V/24V Erzeugung
• Isolation: 2,5kV zwischen Ein-/Ausgängen und Logik
• Schutz: Sicherungen, Überstrom-, Übertemperaturschutz
• EMV: Entstörfilter, differentielle RS485-Übertragung
• Platinengröße: Eurocard-Format (ca. 160×100mm)
• Anschlüsse: Federkraftklemmen für industrielle Anwendung

Funktionen

• RS485-Kommunikation: Serielle Busverbindung für Multi-Device-Netzwerk
• Multi-Device-Unterstützung: 19 verschiedene Device-IDs für verschiedene Geräte
• I/O-Steuerung: Ein-/Ausgänge für Sensoren und Aktoren
• Zeitfunktionen: RTC-Funktionen für zeitgesteuerte Aktionen
• Konfigurationsspeicher: EEPROM-basierte Parameterspeicherung
• Interrupt-gesteuert: Effiziente serielle Datenverarbeitung

Protokollbeschreibung

Nachrichtenformat

[STARTBYTE] [COMMAND] [DEVICE_ID] [DATA...] [CHECKSUM]

• STARTBYTE (0x00): Markiert Nachrichtenbeginn
• COMMAND: 8-Bit Kommandocode
• DEVICE_ID: Zielgerät (0x01-0xFF)
• DATA: Variable Nutzlast (0-254 Bytes)
• CHECKSUM: XOR-Prüfsumme aller Bytes

Kommando-Kategorien

Systemkommandos

• CMDOFF (0x01): Alle Ausgänge eines Geräts ausschalten
  • Format: 00 01 ID
  • Schaltet alle Relais/Ausgänge des Zielgeräts aus (Notaus-Funktion)
• CMDRESET (0x02): Gerät-Reset
  • Format: 00 02 ID
  • Führt Soft-Reset des Mikrocontrollers durch
• CMDID (0x04): Device-Poll
  • Format: 00 04 ID
  • Prüft Erreichbarkeit eines Geräts, Antwort: CMDACK
• CMDACK (0x03): Bestätigung
  • Format: 00 03 ID
  • Standardantwort für erfolgreich verarbeitete Kommandos

I/O-Steuerung (Multi-Channel)

• CMDOWR (0x05): Ausgänge setzen (16-Bit)
  • Format: 00 05 ID LO_BYTE HI_BYTE
  • Setzt alle 16 Ausgänge gleichzeitig (Bit 0 = Ausgang 0, etc.)
• CMDIRD (0x06): Eingänge lesen
  • Format: 00 06 ID
  • Antwort: 00 08 ID LO_BYTE HI_BYTE (16-Bit Eingangsstatus)
• CMDORD (0x07): Ausgänge lesen
  • Format: 00 07 ID
  • Antwort: 00 08 ID LO_BYTE HI_BYTE (16-Bit Ausgangsstatus)

Einzelkanal-Steuerung

• CMDOC (0x8Y): Einzelausgang löschen
  • Format: 00 8Y ID (Y = Kanal 0-F)
  • Schaltet spezifischen Ausgang aus
• CMDOS (0x9Y): Einzelausgang setzen
  • Format: 00 9Y ID (Y = Kanal 0-F)
  • Schaltet spezifischen Ausgang ein
• CMDO (0xAY): Einzelausgang lesen
  • Format: 00 AY ID (Y = Kanal 0-F)
  • Antwort: 00 08 ID 00/01 00 (Ausgangszustand)
• CMDI (0xBY): Einzeleingang lesen
  • Format: 00 BY ID (Y = Kanal 0-F)
  • Antwort: 00 08 ID 00/01 00 (Eingangszustand)

Event-System (Edge-Detection)

• CMDPEDGE (0x1Y): Positive Flanke
  • Format: 00 1Y ID (Y = Kanal 0-F)
  • Wird automatisch gesendet bei steigender Flanke an Eingang Y
• CMDNEDGE (0x2Y): Negative Flanke
  • Format: 00 2Y ID (Y = Kanal 0-F)
  • Wird automatisch gesendet bei fallender Flanke an Eingang Y

Hausautomatisierung

• CMDSOFF (0x4Y): Komfort-Aus
  • Format: 00 4Y ID (Y = Kanal 0-F)
  • Kontext-abhängig: Jalousien↗️/Fenster🔒/Licht💡⬇️
• CMDSON (0x6Y): Komfort-Ein
  • Format: 00 6Y ID (Y = Kanal 0-F)
  • Kontext-abhängig: Jalousien⬇️/Fenster🔓/Licht💡⬆️
• CMDGOFF (0x5G): Gruppensteuerung Aus
  • Format: 00 5G GG (G = Gruppencode)
  • Schaltet alle Geräte einer Gruppe aus
• CMDGON (0x7G): Gruppensteuerung Ein
  • Format: 00 7G GG (G = Gruppencode)
  • Schaltet alle Geräte einer Gruppe ein
• CMDAOFF (0x5F): Globaler Licht-Aus
  • Format: 00 5F 01
  • Schaltet alle Lichter im System aus
• CMDAON (0x7F): Globaler Licht-Ein
  • Format: 00 7F 01
  • Schaltet alle Lichter im System ein

Zeit- und Konfiguration

• CMDTSET (0x09): RTC Zeit setzen
  • Format: 00 09 ID SS MM HH DD MM (5 Bytes: Sek/Min/Std/Tag/Monat)
• CMDTGET (0x0A): RTC Zeit lesen
  • Format: 00 0A ID
  • Antwort: 00 0B ID SS MM HH DD MM (aktuelle Zeit)
• CMDCGET (0x0C): Konfiguration lesen
  • Format: 00 0C ID
  • Antwort: 00 0D ID [255 Config-Bytes] (komplette EEPROM-Konfiguration)
• CMDCSET (0x0E): Konfiguration schreiben
  • Format: 00 0E ID [256 Config-Bytes] (vollständige EEPROM-Programmierung)

Konfigurierbare Betriebsmodi

Jeder Ausgang kann individuell in verschiedenen Modi betrieben werden. Die Konfiguration erfolgt über EEPROM-Parameter:

Grundmodi

• Mode 0 - Exit (1 Ausgang)

  • Einfacher Taster-Ausgang für Türöffner
  • Kurzer Impuls bei Aktivierung

• Mode 1 - Passthrough (4 Ausgänge)

  • Direkte 1:1 Weiterleitung von Eingängen zu Ausgängen
  • Ohne Verzögerung oder Logik

• Mode 2 - Force Off (2 Ausgänge)

  • Ausgänge werden permanent auf "Aus" gehalten
  • Für Sicherheitsschaltungen

• Mode 3 - Force On (2 Ausgänge)

  • Ausgänge werden permanent auf "Ein" gehalten
  • Für Always-On Geräte

Lichtsteuerung

• Mode 4 - Toggle Light (4 Ausgänge)

  • Klassische Lichtschaltung mit Toggle-Funktion
  • Eingang schaltet Licht ein/aus

• Mode 5 - Dual Toggle (4 Ausgänge)

  • Zwei Ausgänge mit unabhängiger Toggle-Steuerung
  • Für Zwei-Kreis-Beleuchtung

• Mode 6 - Dimmed Light (5 Ausgänge)

  • Zweistufiges Licht (Output 1: Stufe 1, Output 1+2: Stufe 2)
  • Verschiedene Helligkeitsstufen

Timer-Modi

• Mode 8 - Retriggerable Timer (5 Ausgänge)

  • Ausgang für konfigurierbare Zeit eingeschaltet
  • Bei erneutem Trigger wird Zeit zurückgesetzt
  • Ideal für Treppenhauslicht

• Mode 9 - Blinker (5 Ausgänge)

  • Kontinuierliches Blinken mit konfigurierbarer Frequenz
  • Für Signalgebung oder Warnleuchten

Rollladen/Markisen-Steuerung

• Mode D - Awning Control (6 Ausgänge)

  • Output 1: Ein/Aus (Hauptschalter)
  • Output 2: Auf/Zu (Richtungssteuerung)
  • Endlagenerkennung über Eingänge
  • Automatische Zeitüberwachung

• Mode E - Blind Control (6 Ausgänge)

  • Output 1: Ein/Aus (Motorsteuerung)
  • Output 2: Hoch/Runter (Richtung)
  • Endschalter-Überwachung
  • Zwischenpositionen möglich

• Mode F - Window Control (6 Ausgänge)

  • Output 1: Auf (Fenster öffnen)
  • Output 2: Zu (Fenster schließen)
  • Für automatische Fensterlüftung
  • Wettersensor-Integration

Konfigurationsparameter

Jeder Modus kann über EEPROM-Parameter angepasst werden:

Parameter-Layout (5-6 Bytes pro Ausgang):
[PrescaleMode] [OutputPin] [InputPin] [DeviceID1] [Delay] [DeviceID2]

• PrescaleMode: Modus + Zeitbasis (4 Bit Modus + 4 Bit Prescaler)
• OutputPin: Zugeordneter Ausgangspin (0x00-0x0F)
• InputPin: Zugeordneter Eingangspin (0x00-0x0F)
• DeviceID1: Primäre verknüpfte Geräte-ID
• Delay: Zeitwerte für Timer-Modi (optional)
• DeviceID2: Sekundäre verknüpfte Geräte-ID (optional)

EEPROM-Konfigurationssystem (src/parameter.asm)

Die Datei parameter.asm implementiert ein cleveres bedingte Kompilierungs-System für EEPROM-Konfiguration:

🔧 Technische Funktionsweise

Bedingte EEPROM-Programmierung

; In main.asm - Device-ID Definition:
#ifndef device
#define device 0x01         ; Standard-Device falls nicht definiert
#endif

; In parameter.asm - Bedingte Kompilierung:
org     0x2100              ; EEPROM-Startadresse (256 Bytes)
de      device              ; Byte 0: Aktuelle Device-ID

if device == 0x01           ; Nur für Device 0x01 kompiliert
    de  0x04,0x0d,0x0b,0x01 ; Konfigurationsdaten für 0x01
    de  0x56,0x10,0x00,0x01
    ...
endif

if device == 0x02           ; Nur für Device 0x02 kompiliert
    de  0x04,0x00,0x01,0x02 ; Andere Konfiguration für 0x02
    ...
endif

Build-Prozess Mechanismus

# build-all.sh kompiliert 19× die gleiche Firmware:
gpasm -D device=0x01 -o build/multiIO src/main.asm  # → multiIO.device0x01.hex
gpasm -D device=0x02 -o build/multiIO src/main.asm  # → multiIO.device0x02.hex
gpasm -D device=0x03 -o build/multiIO src/main.asm  # → multiIO.device0x03.hex
# ... für alle 19 Device-IDs

Ergebnis: Ein Source-Code → 19 verschiedene Firmwares mit jeweils optimierter EEPROM-Konfiguration

🎯 Vorteile dieses Systems

Memory-Effizienz

• Ohne parameter.asm: Firmware mit allen Konfigurationen + Runtime-Konditionierung
• Mit parameter.asm: Firmware enthält nur relevante EEPROM-Daten für eine Device-ID

Performance-Optimierung

• Keine Runtime-Entscheidungen: Kein if (deviceID == 0x01) zur Laufzeit
• Direkte EEPROM-Zugriffe: Konfiguration zur Compile-Time fest verdrahtet
• Kleinere EEPROM-Images: Nur benötigte Konfigurationsdaten pro Device

Wartbarkeit

• Ein Source-Code für alle Geräte-Varianten
• Zentrale Konfiguration in einer Datei
• Bedingte Kompilierung verhindert Konfigurationsfehler

📊 EEPROM-Memory-Layout

EEPROM-Adresse 0x2100-0x21FF (256 Bytes):
┌─────────────────┬─────────────────┬─────────────────┐
│ Byte 0: DeviceID│ Byte 1: OutLo   │ Byte 2: OutHi   │
├─────────────────┼─────────────────┼─────────────────┤
│ Byte 3: Action 0│ Byte 4: Action 0│ Byte 5: Action 0│
│ [Mode+Prescale] │ [Output Pin]    │ [Input Pin]     │
├─────────────────┼─────────────────┼─────────────────┤
│ Byte 6: DevID1  │ Byte 7: Delay   │ Byte 8: DevID2  │
├─────────────────┼─────────────────┼─────────────────┤
│ Byte 9: Action 1│ Byte 10:Action 1│ Byte 11:Action 1│
│ ...             │ ...             │ ...             │
└─────────────────┴─────────────────┴─────────────────┘

🏗️ Assemblierung-Prozess

org     0x2100              ; Startet bei EEPROM-Adresse
PARAMBASE equ $             ; Merkt sich aktuelle Position (Base-Pointer)

eeDeviceID equ $-PARAMBASE  ; Offset 0 vom Base
de      device              ; Schreibt aktuelle Device-ID ins EEPROM

; Bedingte EEPROM-Programmierung:
if device == 0x01
    ; Diese Daten werden nur in multiIO.device0x01.hex geschrieben:
    de  0x56,0x10,0x00,0x01,0x28    ; Technik Decke 1&2
    de  0xa4,0x02,0x01,0x01,0xe1    ; Treppe UG Downlights (Timer)
    de  0x04,0x0d,0x0b,0x01         ; Werkstatt Decke 3 (Toggle)
endif

if device == 0x02
    ; Diese Daten werden nur in multiIO.device0x02.hex geschrieben:
    de  0x04,0x00,0x01,0x02         ; Andere Konfiguration
endif

⚡ Laufzeit-EEPROM-Zugriff

; In der Firmware (eeprom.asm):
startup:
    call    readEEPROM      ; Liest Device-ID aus EEPROM Byte 0
    movwf   deviceID        ; Speichert gelesene Device-ID

    call    loadParameters  ; Lädt alle Action-Konfigurationen
    ; Firmware weiß jetzt sofort ihre Identität und Konfiguration

🎯 Das Geniale an diesem System

Bedingte Kompilierung auf EEPROM-Ebene:

• Gleicher Code wird 19× mit verschiedenen -D device=0xXX Parameters kompiliert
• Jede Firmware enthält nur ihre spezifischen Konfigurationsdaten
• Zur Laufzeit keine Device-ID-Prüfungen notwendig
• EEPROM zur Compile-Time gefüllt, nicht zur Runtime

Beispiel-Installation:

🏠 Device 0x01 - Untergeschoss: Technik, Werkstatt, Hobby
🏠 Device 0x02 - Erdgeschoss:   Küche, Wohnen, Essen
🏠 Device 0x03 - Obergeschoss:  Schlafzimmer, Bad
🏠 Device 0x4D - Sondergeräte:  Garage, Außenbeleuchtung

Dieses System ermöglicht eine skalierbare Hausautomatisierung mit optimaler Speichernutzung und maximaler Performance.

Verzeichnisstruktur

multiIO/
  src/           # Assembly-Quelldateien (.asm)
  inc/           # Include-Dateien (.inc)
  build/         # Build-Artefakte (wird automatisch erstellt)
  Makefile       # Build-Konfiguration
  build-all.sh   # Skript zum Erstellen aller Device-Varianten

Build-System

Einzelnes Device bauen

make                    # Baut Device-ID 0x01 (Standard)
make DEVICE_ID=0x05     # Baut spezifische Device-ID

Alle Device-Varianten bauen

./build-all.sh

Erstellt automatisch .hex-Dateien für alle in src/parameter.asm definierten Device-IDs im build/ Verzeichnis.

Aufräumen

make clean              # Löscht build/ Verzeichnis und temporäre Dateien

Abhängigkeiten

• gputils: gpasm und gplink für PIC Assembly
• PIC16F946: Target-Mikrocontroller

Build-Ausgaben

• build/multiIO.hex - Standard-Firmware (Device-ID 0x01)
• build/multiIO.device0xXX.hex - Spezifische Device-Varianten
• build/multiIO.cod - Code-Datei für Debugging
• build/multiIO.lst - Listing-Datei

Technische Details

• Mikrocontroller: PIC16F946
• Kommunikation: RS485 bei 38.400 bps
• Oszillator: Intern mit OSCTUNE-Anpassung für präzise Baudrate
• Firmware-Revision: 4

Firmware-Konfiguration

Build-Varianten

• Debug-Modus: Mit ICSP-Debugging-Unterstützung (__DEBUG)
• Release-Modus: Optimiert für Produktionseinsatz
• Baudrate-Optionen: 38.4k (Standard), 57.6k, 115.2k bps

OSCTUNE-Kalibrierung

• Präzision: ±0.16% Genauigkeit durch OSCTUNE-Register
• Frequenzbereiche:
  • 7.352 MHz für 115.2k bps
  • 8.000 MHz für 38.4k/57.6k bps
  • 8.293 MHz für erweiterte Modi

Erweiterte Spezifikationen

Hardware-Details

• Flash-Speicher: 8K words (14-Bit) Programmspeicher
• RAM: 368 Bytes Datenspeicher + Register
• EEPROM: 256 Byte für persistente Konfiguration
• I/O-Pins: 16 konfigurierbare digitale Ein-/Ausgänge
• Timer: Timer0, Timer1, Timer2 für Zeitfunktionen
• ADC: 10-Bit A/D-Wandler für Analogeingänge
• Interrupts: UART, Timer, I/O-Change, LVD, ADC

Software-Architektur

• Real-Time OS: Interrupt-gesteuerte Verarbeitung (<1ms Response)
• Message-Buffers:
  • RX: 32-Byte Ringpuffer (BUFSIZE=0x20)
  • TX: 32-Byte Ringpuffer
  • Message-Queue: 16-Byte (MSGBUFSIZE=0x10)
• Error-Handling: Watchdog, XOR-Checksumme, 100ms Timeout, 3× Retry
• Konfiguration: 256-Byte EEPROM-basierte Parameterspeicherung
• Debugging: .cod/.lst Dateien für MPLAB/GPutils
• Compiler: gputils (gpasm/gplink) - Open Source PIC Toolchain

Protokoll-Eigenschaften

• Busart: Master-Slave
• Startbyte: 0x00 für Synchronisation
• Adressraum: 1-255 Geräte (0x01-0xFF)
• Nachrichtenlänge: 3-258 Bytes
• Checksumme: XOR aller Bytes
• Timeout: 100ms Antwortzeit
• Retry: 3x automatische Wiederholung