IOProjekte mit der USBSchnittstelle

Angewandte Informationstechnologie
IOProjekte
mit der USBSchnittstelle
Einführung in die Elektronik
Dr. Leander Brandl 2009
it.brgkepler.at
ANGEWANDTE INFORMATIONSTECHNOLOGIE
IOProjekte mit der USBSchnittstelle
Inhalt
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
Die USBSchnittstelle...............................................................................................................................3
Kommunikation zwischen Computern und USBGeräten................................................................................3
Verbindung zwischen USBGeräten............................................................................................................ 3
Steckverbindungen..................................................................................................................................3
Serielle Übertragung................................................................................................................................4
Selbstbau von Schaltungen mit einer USBSchnittstelle................................................................................ 5
Der IOWarrior........................................................................................................................................6
Funktionsumfang und Eigenschaften.......................................................................................................... 6
Anschlussbelegung.................................................................................................................................. 7
Grundschaltung...................................................................................................................................... 8
Bauplan und Materialliste......................................................................................................................... 8
Erstellung eigener Software für den IOWarrior..........................................................................................10
Anwendung 1  Erste Verbindung mit dem IOWarrior  IOW_Verbindung...................................................... 10
3 Einlesen von Schaltzuständen................................................................................................................. 13
3.1 Prinzip einer Halbleiterdiode....................................................................................................................13
3.2 Grundschaltung zum Schutz der Eingänge................................................................................................ 13
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1 Die USBSchnittstelle
1.1 Kommunikation zwischen Computern und USBGeräten
Der USB (Universal Serial Bus) ist ein Bus mit nur einem Master, von dem alle Aktivitäten ausgehen. Der Master
(Computer) kann Daten zu einem USBGerät senden oder Daten von einem solchen anfordern. Kein USBGerät kann
Daten von sich aus an den Master oder andere USBGeräte absenden!
1.2 Verbindung zwischen USBGeräten
Die Verbindung zwischen dem Master und einem USBGerät erfolgt durch ein 4poliges, geschirmtes Kabel. Darin
befinden sich zwei Leitungen für die Spannungsversorgung (Vcc +5V und GND) und zwei Datenleitungen (Data+ und
Data). Die beiden Datenleitungen sind verdrillt um eingestrahlte Störungen weitestgehend zu eliminieren.
In der folgenden Abbildung ist der Aufbau einer USBKabelverbindung grafisch dargestellt:
Vcc +5V
Data 
Data +
GND
Schirm
Abbildung 1.2.1  Aufbau einer USBKabelverbindung
1.3 Steckverbindungen
Für die Verbindung von USBGeräten kommen genormte Steckverbindungen zum Einsatz. Diese sind verpolungs und
vertauschungssicher gestaltet.
Es wird zwischen zwei unterschiedlichen Bauarten unterschieden: in Richtung eines Hostcontrollers (meist der USB
Anschluss eines Computers) werden Stecker mit der Bezeichnung TypA verwendet, verbundene Geräte werden mit
einem Stecker der Bezeichnung TypB angeschlossen.
4
3
2
1
1
Stecker TypA
1
2
4
3
2 Data  (WEISS)
3
4
Buchse TypA
2
1
3
4
Buchse TypB
Stecker TypB
1 Vcc +5V (ROT)
2
3 Data + (GRÜN)
4 GND (SCHWARZ)
Abbildung 1.3.1  Typen und Anschlussbelegung von USBSteckern und Buchsen
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1.4 Serielle Übertragung
Datenpakete
Daten werden in Paketen zu 8 Bytes oder bis zu 256 Bytes versandt und empfangen. Der gesamte Datenverkehr
erfolgt in einem Rahmen von exakt einer Millisekunde. Innerhalb eines Rahmens können Datenpakete für mehrere
Geräte verarbeitet werden.
Datenpaket
Datenpaket
Datenpaket
1 ms
Abbildung 1.4.1  Datenpakete bei der Datenübertragung über den Universal Serial Bus
Lowspeed und HighspeedÜbertragung
Die übertragenen Datenpakete können als Lowspeed oder FullspeedSignale übertragen werden. Die Datenrate bei
einer LowspeedVerbindung beträgt 1,5 MBit/s  daraus ergibt sich die Länge für ein Bit von 666,7 ns. Bei einer
FullspeedVerbindung erhält man eine Datenrate von 12 MBit/s, woraus sich eine Länge von 83,33 ns für ein Bit ergibt.
Schnittstellen nach dem USB 2.0Standard bieten weiters eine HighspeedVerbindung mit 480 MBit/s an.
Spannung U
Data +
+ 3,3 V
0V
666,7 ns
Zeit t
Data 
Spannung U
Data +
+ 3,3 V
0V
83,33 ns
Zeit t
Data 
Abbildung 1.4.2  Datensignale einer Lowspeed und einer FullspeedVerbindung
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Datenübertragung über das USBProtokoll
Im Gegensatz zu früher verwendeten Schnittstellen werden die Daten nicht mehr direkt über die
Schnittstellenelektronik an das angeschlossene Gerät übermittelt, sondern mit Hilfe eines speziellen Protokolls
übertragen. Dazu wird beim Sender (Computer), wie auch beim Empfänger (z. B. Drucker) ein Mikroprozessor
benötigt, der die zu übertragenden Daten "einpackt" und nach der Übertragung wieder "auspackt".
Dies macht es nicht möglich, entsprechende Baugruppen, wie Relais, Leuchtdioden, ... direkt über eine Steuerleitung
mit einem Computer zu verbinden, wie dies zum Beispiel bei der parallelen Schnittstelle der Fall war.
Auf der Seite eines USBGeräts ist zunächst immer ein Decoder von Nöten, der die übermittelten Daten rückübersetzt
und die daraus resultierenden elektrischen Signale der weiteren Elektronik zur Verfügung stellt.
Data +
Dokument, das
in einem
Programm
erstellt wurde
Daten
0100010101
Daten
0100010101
USBPROTOKOLL
USB Sender
Data 
Steuerelektronik
für Motoren und
Druckdüsen
USB Empfänger
Abbildung 1.4.3  Datenübertragung über das USBProtokoll
1.5 Selbstbau von Schaltungen mit einer USBSchnittstelle
Für den Selbstbau von elektronischen Schaltungen, die man in Verbindung mit einem Computer betreiben möchte,
stellt diese Art der Signalübertragung eine große Hürde dar.
Möchte man eigene Schaltungen realisieren, die man über die USBSchnittstelle an einen Computer anschließen
möchte, könnte man Mikroprozessoren verwenden, die bereits über USBAnschlüsse verfügen  z. B. PIC16C745 oder
PIC16C765 der Firma Microchip.
Neben dem Aufbau der zusätzlich benötigten Elektronik für den EmpfängerTeil ist in diesen Mikrocontrollern auch noch
entsprechende Software zu implementieren, die das USBProtokoll interpretieren kann, die übertragenen Daten aus
diesem ausliest und für die angeschlossene Elektronik aufbereitet.
Der IOWarrior der Firma Code Mercenaries
Eine sehr interessante und kompfortable Lösung stellen die von der Firma Code Mercenaries hergestellten Bauteile mit
der Bezeichnung IOWarrior dar. Bei diesen handelt es sich um Mikrocontroller, die bereits vorprogrammiert sind und
auf denen die Software zur Auswertung des USBProtokolls bereits implementiert ist.
Ein weiteres großes Plus dieser Mikrocontroller ist, das für den Betrieb dieser USBBauteile auf dem jeweiligen
Computer keine Treiber installiert werden müssen und diese direkt von der erstellten Applikation heraus angesprochen
werden können. Ohne über AdministrationsRechte zu verfügen um Treiber installieren zu können, lassen sich selbst
entwickelte Schaltungen umgehend in Betrieb nehmen.
Weiter Informationen zu diesen Mikrocontrollern sind unter folgender Adresse zu finden: www.codemercs.com
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2. Der IOWarrior
Einfache Bauteile wie Relais oder Schalter an einen Computer anschließen? Dies ist seit dem
seriellen und parallelen Schnittstellen alles andere als einfach. Als Standard für die Verbindung zu
hat sich der USB (Universal Serial Bus) durchgesetzt. Diesen für einfache SelbstbauProjekte zu
großen Aufwand dar und setzt umfangreiches Wissen in der Programmierung von Mikrocontrollern
sich der eigentlichen Aufgabe  der selbstgebauten IOSchaltung  zuwenden kann.
Verschwinden von
externer Hardware
nutzen stellt einen
voraus, bevor man
USBzuSeriell oder USBzuParallelAdapter stellen auch keine gute Alternative dar, da diese meist über Treiber in
das System als virtuelle Geräte eingebunden werden und nicht direkt über die entsprechenden HardwareAdressen
angesprochen werden können, wie es bei einer "echten" seriellen oder parallelen Schnittstelle der Fall war.
Vor einigen Jahren hat die Firma Code Mercenaries als Lösung all dieser Probleme vorprogrammierte Mikrocontroller
mit der Bezeichnung IOWarrior auf den Markt gebracht. Diese sind in drei unterschiedlichen Varianten mit
unterschiedlichem Funktionsumfang erhältlich: IOWarrior24, IOWarrior40 und IOWarrior56
Nicht zuletzt stellen diese Bauteile eine gute Variante für den Selbstbau von elektronischen Schaltungen aufgrund der
traditionellen Bauform dar in der diese erhältlich sind. Durch die Miniaturisierung und industrielle Fertigung von
Leiterplatten sind die meisten Mikrocontroller mit USBSchnittstelle nur in SMDBauform erhältlich, was den Einsatz
bei SelbstbauSchaltungen  zum Beispiel auf Lochrasterplatinen  so gut wie unmöglich macht.
Betrieb ohne die Installation von Treibern
Werden die IOWarrior über die USBSchnittstelle an einen Computer angeschlossen, so können diese ohne die
Installation von SoftwareTreibern in Betrieb genommen werden. Diese Mikrocontroller melden sich am Betriebssystem
als HID (Human Interface Device  z. B. Tastatur oder Joystick) an  die entsprechenden Treiber sind bereits
standardmäßig in allen Betriebssystemen vorhanden.
Einfache Implementierung bei der Programmierung eigener Anwendungen
Begleitend zu der Software, die auf den Mikrocontrollern installiert ist, bietet Code Mercenaries eine
Funktionsbibliothek (iowkit.dll) an, die Funktionen für die Ansteuerung der IOWarriorChips zur Verfügung stellt und
in allen gängigen Entwicklungsumgebungen mit den Programmiersprachen C++, Delphi, VisualBasic oder C#
verwendet werden kann. Weiters wurde bei der Entwicklung auf die BetriebssystemUnabhängigkeit geachtet und so
stehen diese Funktionsbibliothek, wie einige Programmierbeispiele auch für MacOS und Linux zur Verfügung.
Testanwendung  AllInOne
Zum Testen eigener Schaltungen steht ein frei erhältliches Progamm zur Verfügung, das den vollen Funktionsumfang
aller drei Varianten des IOWarriors unterstützt. Dieses steht unter folgender Adresse zum Donwload bereit:
www.greinertdud.de
Abbildung 2.0.1  Screenshot der Testanwendung AllInOne
2.1 Funktionsumfang und Eigenschaften
Bei den hier vorgestellten Projekten kommt der IOWarrior24 zum Einsatz. Dieser besitzt 16 als Ein oder Ausgang
programmierbare Pins und benötigt in der Grundschaltung nur drei zusätzliche Bauteile um in Betrieb genommen zu
werden.
Hier der Funktionsumfang des IOWarrior24:
 16 Ein oder Ausgänge mit 125Hz Leserate
 Stromversorgung bis 500mA aus dem USB
 vollständig implementiertes USBProtokoll
 keine Treiberinstallation erforderlich
 Funktionsbibliothek für einfache Integration in eigene Software
Detaillierte Informationen, Datenblätter und Programmierbeispiele werden unter folgender Adresse zum Download zur
Verfügung gestellt: www.codemercs.com
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2.2 Anschlussbelegung
Der IOWarrior24 wird in einem 24poligen Gehäuse mit der Bezeichnung DIL24 ausgeliefert. Die Nummerierung der
Pins eines solchen Bausteins beginnt in der Draufsicht links neben der Einkerbung und setzt sich gegen den
Uhrzeigersinn bis zum letzten Pin fort (siehe Darstellung).
Ein und Ausgänge
Deutlich erkennbar sind die 16 Pins, die als Ein oder Ausgang konfiguriert werden können. Diese sind zu zwei Ports
(Port 0 und Port 1) zusammengefasst, von denen jeder 8 Bits umfasst, welche den 8 Pins eines Ports entsprechen
(Port 0.0  Port 0.7).
USBAnschluss
Die vier Leitungen des USB können direkt an den IOWarrior angeschlossen werden: Pin 14  Vcc +5V (rot), Pin 9 
GND (schwarz), Pin 15  Data  (weiß) und Pin 16  Data + (grün).
Pull To GND
Pin 10 wird nur bei der Programmierung des Microcontrollers benötigt und ist im laufenden Betrieb auf GND zu legen 
er ist auf kürzestem Weg mit Pin 9 zu verbinden.
Vreg
Pin 11 stellt eine regulierte Spannung von 3V zur Verfügung. Diese wird benötigt um den PullUpWiderstand der
Datenleitung Data  (weiß) mit Spannung zu versorgen (siehe 2.3 Grundschaltung).
Power
Mit Hilfe von Pin 12 wird festgelegt, ob es sich bei diesem USBGerät um ein LowPower oder um ein HighPowerGerät
handelt. Meldet sich dieses Gerät am USBAnschluss eines Computers an, so wird dabei festgelegt, wie viel Strom
dieses von der USBSchittstelle des Computers maximal entnehmen darf.
Wird dieser Pin mit +5V verbunden (Zustand HIGH), so meldet sich der IOWarrior als HighPowerGerät an und darf
bis zu 500mA an Strom aus der USBSchnittstelle entnehmen. Setzt man diesen Pin auf den Zustand LOW
(Verbindung mit GND), so wird der IOWarrior als LowPowerGerät erkannt, was bedeutet, dass maximal 100mA aus
der USBSchnittstelle entnommen werden dürfen!
Abbildung 2.2.1  Anschlussbelegung und Bauform des IOWarrior24
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2.3 Grundschaltung
Um den IOWarrior24 in Betrieb zu nehmen, muss dieser mit nur drei externen Bauteilen beschaltet werden. Zum
Verhindern undefinierter Zustände wird die Datenleitung Data  (weiß) über einen sogennanten PullUpWiderstand mit
dem Pin Vreg verbunden, der eine Spannung von 3V liefert.
Die Kondensatoren dienen dazu um vom IOWarrior24 erzeugte Störungen abzufangen. Da elektronische Bauteile
dieser Art die unangenehme Eigenschaft haben bei Schaltvorgängen hohe Stromspitzen zu ziehen, muss die
Versorgungsspannung gut entkoppelt werden. Wird dies nicht gemacht, so kann es zur Abstrahlung von Störungen
oder zu Funktionsstörungen des IOWarrior24 kommen.
C1
100nF
14
Vcc
J1
USB
1
+5V
2
D
3
D+
4
GND
IOWARRIOR24
12
Power
11
Vreg
R1
1,3kΩ
15
D
16
D+
13
NC
PullToGND
10
P
P
P
P
P
P
P
P
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
P
P
P
P
P
P
P
P
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
GND
C2
10μF
1
2
3
4
24
23
22
21
5
20
6
19
7
18
8
17
9
Abbildung 2.3.1  Schaltplan für die Grundschaltung des IOWarrior24
2.4 Bauplan und Materialliste
Der Aufbau der hier vorgestellten Schaltungen erfolgt auf einer Lochrasterplatine. Für den Anschluss an einen
Computer kommt eine USBBuchse TypB zum Einsatz. Der IOWarrior24 wird nicht direkt auf der Platine verlötet,
sondern nach Fertigstellung der Lötarbeiten in einen Sockel eingesetzt.
Materialliste:
 1 Lochrasterplatine 10cm x 16cm
 1 ICSockel 24polig
 1 USBBuchse TypB printbar
 1 Steckleiste 3polig
 1 Jumper J1
 1 Widerstand 1,3kΏ R1
 1 Kondensator 100nF C1
 1 ElektrolytKondensator 10μF C2
 1 IOWarrior24
Abbildung 2.4.1  Bestückungs und Leiterbahnansicht der Grundschaltung des IOWarrior24
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C1
100nF
J1
R1
1,3kΩ
C2
10μF
Abbildung 2.4.2  Gesamtansicht der Lochrasterplatine mit der Grundschaltung des IOWarrior24
C1
100nF
J1
R1
1,3kΩ
C2
10μF
Ansicht oben  Bauteilseite
Ansicht unten  Kupferseite
Abbildung 2.4.3  Bauplan Gundschaltung  Bauteilseite und Kupferseite
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2.5 Erstellung eigener Software für den IOWarrior
Entwicklungsumgebung SharpDevelop 3
Die Erstellung der Software für die jeweiligen Schaltungen erfolgt mit der Programmiersprache C#. Diese ist für die
Erstellung von WindowsAnwendungen weit verbreitet und ist nicht zuletzt deshalb interessant, weil es dafür die
kostenfreie Entwicklungsumgebung SharpDevelop gibt. Die hier erstellten BeispielProjekte wurden mit SharpDevelop
Version 3 erstellt. Diese kann unter der folgenden Adresse aus dem Internet bezogen werden: www.icsharpcode.net
.NET framework 3.5
Für die Erstellung von WindowsAnwendungen mit SharpDevelop, wie auch für die spätere Nutzung der fertigen
Programme ist die Installation des .NET framework Version 3.5 Voraussetzung. Dabei handelt es sich um eine
LaufzeitUmgebung für Anwendungen, die mit einer .NETEntwicklungsumgebung programmiert wurden. Diese steht
auf den meisten WindowsPCs zur Verfügung. Sollte dies nicht der Fall sein, so kann das .NET framework von der
MicrosoftWebseite heruntergeladen und nachinstalliert werden: www.mircorosoft.com
iowkit.dll
Für die Kommunikation zwischen dem IOWarrior und einer Anwendung bietet die Herstellerfirma dieser Microcontroller
die fertige DLL iowkit.dll (Dynamic Link Library  Dynamische Laufzeitbibliothek) an, die es sehr einfach macht, die
Funktionen dieses Bauteils in eigene Programme zu implementieren. Die USBKommunikation wird vollständig von
dieser DLL übernommen und man kann sich sofort den eigentlichen Programmieraufgaben widmen. Diese DLL, wie
auch einige Beispielanwendungen für verschiedene Entwicklungsumgebungen und Programmiersprachen stehen auf
der WebSeite von Code Mercenaries zum Download bereit: www.codemercs.com
Zusammengefasset benötigt man:
 .NET framework Version 3.5 (www.microsoft.com)
 SharpDevelop 3 (www.icsharpcode.net)
 iowkit.dll (www.codemercs.com)
2.6 Anwendung 1  Erste Verbindung mit dem IOWarrior  IOW_Verbindung
Das erste Programm soll die Kommunikation mit einem am Computer angeschlossenen IOWarrior testen und die
beiden am IOWarrior gespeicherten Werte ProduktID und Seriennummer auslesen.
Verwendete Komponenten
ProduktIDLabel (Label)
SeriennummerLabel (Label)
IdSnButton (Button)
Abbildung 2.6.1  Screenshot der Anwendung IOW_Verbindung
Speicherort der iowkit.dll
DLLs werden grundsätzlich im Ordner Laufwerk:\Windows\System32 abgelegt. Somit kann ein und dieselbe DLL auch
von verschiedenen Anwendungen genutzt werden, die diese benötigen. Alle Anwendungen, die auf eine DLL zugreifen,
suchen diese automatisch in dem oben angeführten Verzeichnis. Wenn es nicht möglich ist (weil man zum Beispiel
nicht über die notwendigen Rechte verfügt), eine DLL in diesen Ordner zu speichern, so kann eine DLL auch im
gleichen Ordner liegen, in dem sich die lauffähige Anwendung (die .exeDatei) befindet.
Dieser Weg soll hier eingeschlagen werden. Wird eine fertige Anwendung weitergegeben, so ist natürlich auch die
iowkit.dll mitzugeben. Diese muss sich beim Ausführen der Anwenung im selben Ordner wie die Anwendung befinden!
Bei der Entwicklung mit SharpDevelop befindet sich die lauffähige Anwendung während der Entwicklungszeit im
Ordner Laufwerk:\Anwendung\bin\Debug bzw. im Ornder Laufwerk:\Anwendung\bin\Release. In diesen Ordner muss
die iowkit.dll kopiert werden, wenn eine neue Anwendung erstellt wird.
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Einbinden der Funktionen aus der iowkit.dll
Um Funktionen aus einer externen DLL einbinden zu können muss zuerst eine Referenz auf die Klasse
System.Runtime.InteropServices hinzugefügt werden. Das Einbinden der Funktionen aus der iowkit.dll erfolgt in der
Definition der Klasse des Formulars.
Zusätzlich wird noch ein Handle (Englisch für „Griff“ oder „Henkel“) definiert. Über diesen Handle
jeweiligen Funktionen in der Folge auf den IOWarrior zugreiffen.
können die
using System;
using System. Collections. Generic;
using System. Drawing;
using System. Windows. Forms;
using System. Runtime. InteropServices;
namespace IOW_Verbindung
{
/// <summary>
/// Description of MainForm.
/// </summary>
public partial class MainForm : Form
{
// Definition der global verfügbaren Variablen
int IowHandle;
// Import der benötigten Funktionen aus der iowkit. dll
[DllImport("iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitOpenDevice() ;
[DllImport("iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern void IowKitCloseDevice(int iowHandle) ;
[DllImport("iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern short IowKitGetProductId(int iowHandle) ;
[DllImport("iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern bool IowKitGetSerialNumber(int iowHandle, ref short serialNumber) ;
public MainForm( )
{
// The InitializeComponent( ) call is required for Windows Forms designer support.
InitializeComponent( ) ;
}
}
}
// TODO: Add constructor code after the InitializeComponent( ) call.
Quellcode 2.6.1  Import der benötigten Funktionen aus der iowkit.dll
Herstellen der Verbindung zum IOWarrior
Die Anwendung soll beim Starten überprüfen, ob ein IOWarrior am Computer angeschlossen wurde. Ist dies der Fall,
so wird der Handle dieses IOWarriors ermittelt und in der Variable IowHandle abgelegt. Wurde kein IOWarrior
gefunden, so soll dies mit einem entsprechenden Hinweis in einer MessageBox angezeigt werden.
Diese Aufgaben sollen als Reaktion auf das Event Load der Klasse MainForm ausgeführt werden.
void MainFormLoad( obj ect sender, EventArgs e)
{
// Verbindung zu IOWarrior herstellen
}
IowHandle = IowKitOpenDevice() ;
if (IowHandle==0) MessageBox. Show("Kein IO-Warrior gefunden! ") ;
Quellcode 2.6.2  Herstellen der Verbindung zu einem IOWarrior beim Start der Anwendung
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Ermitteln der ProduktID und der Seriennummer des angeschlossen IOWarriors
Die iowkit.dll stellt dazu die beiden Funktionen IowKitGetProductId() und IowKitGetSerialNumber() zur Verfügung. Die
ProduktID ist im IOWarrior mit 2 Byte gespeichert, die Seriennummer ist eine Zahl, die aus 4 Byte besteht. Als
ProduktIDs wurden von Code Mercenaries die drei Werte 0x1500 (IOWarrior40), 0x1501 (IOWarrior24) und 0x1503
(IOWarrior56) vergeben. Für die Seriennummer ergeben sich 4256 verschiedene Möglichkeiten, wodurch gewährleistet
ist, dass es nie zwei IOWarrior mit der selben Seriennummer geben wird und auch mehrere IOWarrior gleichzeitig an
einen Computer angeschlossen werden können.
Die Funktion IowKitGetProductId() liefert einen ganzzahligen Wert zurück, der mit der gewünschten ProduktID (hier
0x1501 in hexadezimaler Schreibweise für den IOWarrior24) verglichen werden kann.
Für den Aufruf der Funktion IowKitGetSerialNumber() muss zuvor bereits ein Array definiert werden in das die Werte
beim Auslesen aus dem IOWarrior geschrieben werden. Zur Ausgabe müssen diese Werte aus dem Array noch zu
einem String zusammengefasst werden.
void IdSnButtonClick( obj ect sender, EventArgs e)
{
// Variablendefinition
int ProduktID = 0;
short[] SerienNummer = new short[8] ;
string SerienNummerString = "";
// ProduktID ermitteln und ausgebem
ProduktID = IowKitGetProductId(IowHandle) ;
if (ProduktID==0x1501)
{
ProduktIDLabel. Text = "Produkt ID: IOWarrior24";
}
else
{
ProduktIDLabel. Text = "Produkt ID: unbekannt";
}
// Seriennummer ermitteln und ausgeben
if (IowKitGetSerialNumber(IowHandle, ref SerienNummer[0] ) )
{
foreach (char c in SerienNummer) SerienNummerString = SerienNummerString + c;
SeriennummerLabel. Text = "Seriennummer: " + SerienNummerString;
}
else
{
SeriennummerLabel. Text = "Seriennummer: unbekannt";
}
}
Quellcode 2.6.3  Auslesen und Anzeigen der ProduktID und der Seriennummer eines angeschlossenen IOWarrior24
Trennen der Verbindung zum IOWarrior
Vor dem Schließen einer Anwendung muss die Verbindung zum IOWarrior unbedingt getrennt werden. Dies sollte nicht
dem Benutzer  zum Beispiel durch den Klick auf einen Button  überlassen werden, sondern automatisch durch die
Anwendung selbst geschehen. Dazu ruft man als Reaktion auf das Event FormClosing die Funktion IowKitCloseDevice()
auf und übergibt dieser den Handle des IOWarriors.
void MainFormFormClosing( obj ect sender, FormClosingEventArgs e)
{
// Verbindung zum IOWarrior trennen
}
IowKitCloseDevice(IowHandle) ;
Quellcode 2.6.4  Automatisches Trennen der Verbindung zum IOWarrior beim Beenden der Anwendung
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3. Einlesen von Schaltzuständen
Alle 16 IOPins des IOWarrior24 können als Ein oder Ausgänge dienen. Wenn diese als Eingänge genutzt werden,
kommt die, für Microcontroller übliche, inverse Logik zur Anwendung: ist ein Eingang offen, so liefert der
Microcontroller der Wert 1 zurück, ist ein Eingang geschlossen (zum Beispiel über einen Taster oder Schalter mit GND
verbunden), so wird der Wert 0 zurückgeliefert.
Dieser Zusammenhang muss also bei der Erstellung der Software berücksichtigt werden, wenn die vom IOWarrior24
übermittelten Daten der beiden Ports ausgewertet werden.
3.1 Prinzip einer Halbleiterdiode
Eine Diode besteht im Prinzip aus zwei Halbleiterschichten (meist Silizium), die Strom in nur einer Richtung durchlässt.
Diese können in elektronischen Schaltungen unter anderem dazu verwendet werden um zu verhindern, das Strom in
der falschen Richtung durch den Stromkreis fließt, wodurch zum Beispiel andere Bauteile zerstört werden können.
Das Schaltsymbol veranschaulicht deutlich die beiden Richtungen, die als Durchlassrichtung und als Sperrrichtung
bezeichnet werden. Damit durch eine Diode Strom in Durchlassrichtung fließen kann, muss eine gewisse
Durchlasspannung erreicht werden  bei einer SiliziumDiode beträgt diese 0,7V. Dies bedeutet aber auch, dass diese
0,7V den anderen  in Serie geschalteten  Verbrauchern in diesem Stromkreis nicht mehr zur Verfügung stehen und
sich die Spannung entsprechend um diesen Betrag reduziert.
In dem gezeigten Beispiel liegt an der Glühbirne also nur mehr eine Spannung von 11,3V an, da 0,7V an der
vorgeschalteten Diode abfallen.
Durchlassrichtung
Schaltsymbol und Bauformen
Sperrrichtung
Abbildung 3.1.1  Bauformen  Sperr und Durchlassirchtung einer Diode in einem einfachen Stromkreis
3.2 Grundschaltung zum Schutz der Eingänge
Damit ein Mikrocontroller durch das Anlegen falscher Spannungen oder falscher Polung an den Eingängen nicht
beschädigt wird, können diese durch eine einfache Schaltung mit zwei Dioden geschützt werden.
Diese Dioden verhindern, dass Spannungen kleiner als 0V (negative Spannungen) oder Spannungen größer als 5V an
einem Eingang anliegen.
14
Vcc
IOWARRIOR24
GND
P
P
P
P
P
P
P
P
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
1
2
3
4
24
23
22
21
9
Abbildung 3.2.1  Schutzschaltung für die Eingänge des IOWarrior24
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3.3 Bauplan und Materialliste
Für das Einlesen von Schaltzuständen werden zwei Taster verwendet. Diese beiden Taster werden mit je einem Pin des
IOWarriors24 und dem Ground GND verbunden. Zwei Dioden dienen pro Taster zum Schutz der Eingänge gegen
negative Spannungen und gegen Spannungen, die +5V übersteigen.
Materialliste:
 2 Taster
 4 Dioden N4148
Abbildung 3.3.1  Materialliste und Bauplan Bauteilseite
Abbildung 3.3.2  Bestückungs und Leiterbahnansicht der Schaltung
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3.4 Anwendung 2  Einlesen von Schaltzuständen  IOW_Taster
Die zweite Anwendung soll die Zustände der beiden Taster ermitteln und diese in zwei Panels grafisch darstellen.
Zusätzlich zur Anzeige der Produkt ID und der Seriennummer des angeschlossenen IOWarriors sollen auch noch die
Werte des Arrays Data[] angezeigt werden.
Verwendete Komponenten
ProduktIDLabel (Label)
SeriennummerLabel (Label)
Data0Label, Data1Label, Data2Label (Label)
TasterLinksPanel, TasterRechtsPanel (Panel)
ReadTimer (Timer, Interval 20)
Abbildung 3.4.1  Screenshot der Anwendung IOW_Taster
Einbinden der Funktionen aus der iowkit.dll
Zum Einbinden der Funktionen aus der DLL muss die Klasse System.Runtime.InteropServices mit einer using
Anweisung hinzugefügt werden. Zum Austausch von Daten zwischen der Anwendung und dem IOWarrior werden die
beiden Funktionen IowKitWrite() und IowKitRead() verwendet.
Zusätzlich zum Handle wird noch ein ByteArray definiert. Dieses dient zum Datenaustauch zwischen der Anwendung
und dem IOWarrior.
namespace IOW_Taster
{
/// <summary>
/// Description of MainForm.
/// </summary>
public partial class MainForm : Form
{
int IowHandle;
byte[] Data;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitOpenDevice( ) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern void IowKitCloseDevice( int iowHandle) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern short IowKitGetProductId( int iowHandle) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern bool IowKitGetSerialNumber( int iowHandle, ref short serialNumber) ;
[DllImport("iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitWrite(int iowHandle, int numPipe, ref byte buffer, int length) ;
[DllImport("iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitReadNonBlocking(int iowHandle, int numPipe, ref byte buffer, int length) ;
public MainForm( )
{
// The InitializeComponent( ) call is required for Windows Forms designer support.
InitializeComponent( ) ;
}
}
}
// TODO: Add constructor code after the InitializeComponent( ) call.
Quellcode 3.4.1  Import der benötigten Funktionen aus der iowkit.dll und Definiton der globalen Variablen
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Herstellen der Verbindung zum IOWarrior
Der Aufbau der Verbindung zum IOWarrior soll wie in der Anwendung zuvor als Reaktion auf das Event Load der Klasse
MainForm ausgeführt werden. Ergänzend sollen nun auch an dieser Stelle die ProduktID und die Seriennummer
bestimmt und angezeigt werden.
Das Einlesen der Zustände der beiden Ports des IOWarrior erfolgt alle 50ms. Dazu wird der Anwendung ein Timer
hinzugefügt, der beim Start der Anwendung deaktiviert ist und dessen Zeitintervall auf den Wert 50 gesetzt ist.
Wurde ein IOWarrior gefunden, dann soll dieser Timer aktiviert und das Array Data[] mit entsprechenden Werten
initialisiert werden:
Data[0]
dient
zur
Übergabe
von
Werten
an
den
IOWarrior
Data[1] beinhaltet den Zustand des Ports 0, wenn der IOWarrior Daten an die Anwendung sendet oder empfängt
Data[2] beinhaltet den Zustand des Ports 1, wenn der IOWarrior Daten an die Anwendung sendet oder empfängt
Data[0] = 0x00 ... der IOWarrior liefert in den Werten Data[1] und Data[2] die Zustände der beiden Ports zurück
Data[1]
=
0x00
...
alle
Pins
dieses
Ports
sind
Ausgänge
und
erhalten
den
Wert
Data[2] = 0xA0 ... die Pins P1.6 und P1.8 werden als Eingänge verwendet und auf 1 gesetzt (10100000)
0
void MainFormLoad( obj ect sender, EventArgs e)
{
// Variablendefinition
int ProduktID = 0;
short[ ] SerienNummer = new short[ 8] ;
string SerienNummerString = "";
// Verbindung zu IOWarrior herstellen
IowHandle = IowKitOpenDevice( ) ;
if ( IowHandle==0)
{
MessageBox. Show( "Kein IO-Warrior gefunden! ") ;
}
else
{
// ProduktID ermitteln und anzeigen
ProduktID = IowKitGetProductId( IowHandle) ;
if ( ProduktID==0x1501)
{
ProduktIDLabel. Text = "Produkt ID: IOWarrior24";
}
else
{
ProduktIDLabel. Text = "Produkt ID: unbekannt";
}
// Seriennummer ermitteln und anzeigen
if ( IowKitGetSerialNumber( IowHandle, ref SerienNummer[ 0] ) )
{
foreach( char c in SerienNummer) SerienNummerString = SerienNummerString + c;
SeriennummerLabel. Text = "Seriennummer: " + SerienNummerString;
}
else
{
SeriennummerLabel. Text = "Seriennummer: unbekannt";
}
// Byte-Array für den Datenaustausch initialisieren
Data = new byte[3] ;
Data[0] = 0x00;
Data[1] = 0x00;
Data[2] = 0xA0;
IowKitWrite(IowHandle, 0, ref Data[0] , 3) ;
Quellcode 3.4.2  Herstellen der Verbindung zum IOWarrior24 und Initialisieren der Anwendung
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}
// Timer zum Einlesen der Pinzustände aktivieren
ReadTimer. Enabled = true;
}
Quellcode 3.4.2 Fortsetzung  Herstellen der Verbindung zum IOWarrior24 und Initialisieren der Anwendung
Auslesen der Zustände der Ports aus dem IOWarrior
Mit der Funktion IowKitReadNonBlocking() können die Zustände der einzelnen Pins der beiden Ports bestimmt werden.
Dieser Funktion werden der Handle des IOWarriors, ein BufferArray und die Anzahl der übertragenen Bytes (hier 3)
übergeben. Nach dem Aufruf dieser Funktion können die Zustände der Pins aus den Werten von Data[1] und Data[2]
bestimmt werden.
Die Überprüfung, ob ein Bit auf 0 oder 1 gesetzt ist, kann nur über einen "Umweg" der entsprechenden Dezimal bzw.
Hexadezimalzahlen erfolgen, da ein direkter Zugriff auf die einzelnen Bits in diesen ByteWerten nicht möglich ist.
Aufgrund der inversen Logik der Eingänge eines Mikroprozessors liefert der IOWarrior den Wert 1, wenn ein Eingang
geöffnet ist, bzw. der jeweilige Pin nicht mit GND verbunden ist. Wird ein Eingang geschlossen, so ist die logische
Entsprechung dieses Pins der Wert 0. Die tabellarische Darstellung Seite soll diesen Zusammenhang verdeutlichen.
Möchte man überprüfen, ob ein Taster geschlossen ist, muss man bei den vom IOWarrior gelieferten Werten der
beiden Ports herausfinden, ob an der Stelle des entsprechenden Bits eine 0 steht. Dies geschieht mit dem Operator &
für logische Verknüpfungen zweier Bytes. Dabei werden die einzelnen Bits mit einander nach der Vorschrift für das
logische UND miteinander verglichen.
Um zu ermitteln, ob der Zustand des Pins 1 geschlossen ist, wird die logische Verknüpfung 0xFD & 0x02 durchgeführt
und überprüft, ob das Ergebnis 0x00 ist. Ist dies der Fall, dann ist der Eingang Pin 1 am IOWarrior geschlossen.
P 0. 1
1 1 1 1 1 1 0 1 ( 0xFD)
&
0 0 0 0 0 0 1 0 ( 0x02)
--------------------------------------Ergebnis
0 0 0 0 0 0 0 0 ( 0x00)
( der vom IOWarrior zurückgeliferte Wert)
Pin
Binär
Hexadezimal
Dezimal
P 0.1
11111101
FD
253
P 0.0
P 0.2
P 0.3
P 0.4
P 0.5
P 0.6
P 0.7
P 0.0 und P 0.3
P 0.2 und P 0.6
11111110
11111011
11110111
11101111
11011111
10111111
01111111
11110110
10111011
FE
FB
F7
EF
DF
BF
7F
F6
BB
254
251
247
239
223
191
127
246
187
Abbildung 3.4.2  Werteübersicht für Eingangspins des IOWarrior in binärer, hexadezimaler und dezimaler Schreibweise
Sind alle Eingangspins offen, so wird für diesen Port der Wert 25510 bzw. 0xFF16 (alle Bits auf 1 gesetzt)
zurückgeliefert. Zusammenfassend kann man festhalten: Will man überprüfen, welche Eingänge geschlossen sind, so
ist der entsprechende Wert darauf zu überprüfen, an welchen Stellen (Bits) eine 0 gesetzt ist.
Das Auslesen der PortZustände aus dem IOWarrior, die Ausgabe der Werte und das Setzen der Farben der beiden
Panels erfolgt in der Behandlung des vom Timer ausgelösten Events Tick. Dieses wird basierend auf der Einstellung für
den Timer alle 50 Millisekunden ausgelöst  somit wird die Anzeige der Anwendung 20 mal pro Sekunde mit den
aktuellen Werten des IOWarrior aktualisiert.
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void ReadTimerTick( obj ect sender, EventArgs e)
{
int TasterLinksStatus;
int TasterRechtsStatus;
IowKitReadNonBlocking(IowHandle, 0, ref Data[0] , 3) ;
Data0Label. Text = "Data[ 0] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 0] ) + " ( " + Data[ 0] . ToString( ) + ") ";
Data1Label. Text = "Data[ 1] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 1] ) + " ( " + Data[ 1] . ToString( ) + ") ";
Data2Label. Text = "Data[ 2] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 2] ) + " ( " + Data[ 2] . ToString( ) + ") ";
TasterLinksStatus = Data[2] & 0x20;
TasterRechtsStatus = Data[2] & 0x80;
if ( TasterLinksStatus==0x00 )
{
TasterLinksPanel. BackColor = Color. Red;
}
else
{
TasterLinksPanel. BackColor = Color. Black;
}
if ( TasterRechtsStatus==0x00 )
{
TasterRechtsPanel. BackColor = Color. Red;
}
else
{
TasterRechtsPanel. BackColor = Color. Black;
}
}
Quellcode 3.4.3  Ermitteln der Zustände der Pins
Beenden der Anwendung
Wird die Anwendung geschlossen, muss zuerst der Timer deaktiviert und dann die Verbindung zum IOWarrior getrennt
werden. Dies geschieht wie im ersten Beispiel als Reaktion auf das Event FormClosing des Formulars.
void MainFormFormClosing( obj ect sender, FormClosingEventArgs e)
{
// Timer zum Einlesen der Pinzustände deaktivieren
ReadTimer. Enabled = false;
}
// Verbindung zum IOWarrior trennen
IowKitCloseDevice( IowHandle) ;
Quellcode 3.4.4  Trennen der Verbindung zum IOWarrior beim Schließen der Anwendung
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4. Setzen von PinZuständen  Ansteuerung von Leuchtdioden
Die 16 IOPins des IOWarriors können als Ein oder Ausgänge genutzt werden. Wenn diese als Ausgänge verwendet
werden, kann jeder Pin den Schaltzustand +5V oder 0V annehmen. Der maximale Strom, der einem Ausgangspin
entnommen werden darf ist aber so gering (max 2mA), dass Verbraucher nicht direkt an einen Pin angeschlossen
werden dürfen. Die Entnahme eines zu hohen Stroms führt zur Zerstörung des IOWarrior.
Zum Steuern oder Schalten von Verbrauchen kommt ein Transistor zum Einsatz. Dieser fungiert dabei als eine Art
Schalter, der aufgrund eines geringen Stoms (Ausgangspin des IOWarriors) eine höheren Strom schaltet.
Mit Hilfe eines Transistors kann man somit eine Leuchtdiode ein und ausschalten. Die Betriebsspannung von
Leuchtdioden liegt  je nach Bauart  bei ca. 2V. Da die Spannung, die die USBSchnittstelle zur Verfügung stellt 5V
beträgt, muss vor die Leuchtdiode noch ein entsprechender Vorwiderstand geschaltet werden.
4.1 Prinzip eines Transistors
Ein Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten (meist Silizium). Die drei Anschlüsse werden als Basis, Kollektor
und Emitter bezeichnet. Daraus ergeben sich zwei Stromkreise, zwischen denen der Transistor als eine Art "Bindeglied"
darstellt.
Der Strom im Basisstromkreis (Basis  Emitter) entscheidet über das Verhalten eines Transistors. Der Strom im
Kollektorstromkreis (Kollektor  Emitter) ist abhängig von der Größe des Stroms im Basisstromkreis.
Vereinfacht kann man sagen: Fließt bei einem Transistor Strom von der Basis zum Emitter, dann gibt der Transistor
den Weg KollektorEmitter frei und es kann Strom vom Kollektor zum Emitter fließen.
Bei der Planung von elektronischen Schaltungen mit einem Transistor ist im Basis und Kollektorstromkreis zu
berücksichtigen, dass es  wie bei der Diode  einen Spannungsabfall an den Halbleiterschichten gibt. Für die
Berechnung der Spannungsverteilung auf die einzelnen Verbraucher im Kollektorstromkreis ist somit auch der Typen
spezifische Spannungsabfall am Transistor zu berücksichtigen!
Bauformen
TO92
TO126
KEIN Strom Basis  Emitter > Transistor "sperrt" > KEIN Strom Kollektor  Emitter
TO220
TO3
Strom Basis  Emitter > Strom Kollektor  Emitter
Abbildung 4.1.1  Bauformen  Verhalten eines Transistors bezogen auf den Basisstrom
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4.2 Elektrische Widerstände  das Ohm´sche Gesetz
Elektrische Widerstände werden eingesetzt um die Spannung zu reduzieren oder den Strom in einem Stromkreis zu
begrenzen. Da die überschüssige elektrische Energie dabei von einem Widerstand in Wärme umgesetzt wird, müssen
diese je nach Anforderung entsprechend groß dimensioniert sein.
Der Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung, Strom und Widerstand wird durch das Ohm´sche Gesetz
beschrieben. Sind zwei der drei Größen bekannt, so lässt sich rechnerisch die dritte Größe bestimmen.
U
R =
= = = =
R ... Widerstand [Ohm]
U ... Spannung [Volt]
I ... Strom [Ampere]
150 Ω
Hier wird an einen Widerstand mit 150Ω eine Spannung von 12V angelegt. Mit Hilfe des Ohm´schen
Gesetzes lässt sich der Strom (roter Pfeil) berechnen, der über diesen Widerstand fließt:
I = U / R = 12V / 150Ω = 0,08A
Abbildung 4.2.1  Ohm´ sches Gesetz  Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand in einem einfachen Stromkreis
Für die Angabe von Widerstandswerten wurde eine international gültige Farbkodierung eingeführt. Diese kann aus vier
oder fünf Farbringen bestehen. Zu den Zahlenwerten der ersten Ringe kommt ein Multiplikator und ein Ring für die
mögliche Toleranz der Abweichung des tatsächlichen vom angegebenen Wert dazu.
Abbildung 4.2.2  Farbkodierung von Widerständen
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4.3 Die Leuchtdiode LED
Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um. Sie funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung
Licht emittieren. Die Kurzbezeichnung LED steht für "Light Emitting Diode".
Es gibt Leuchtdioden in verschiedenen Farben, Größen und Bauformen  die gebräuchlichsten Bauformen haben einen
Durchmesser von 5 mm.
Leuchtdioden müssen je nach Farbe exakt mit der vorgegebenen Spannung betrieben werden. Ist die Spannung zu
niedrig, emittiert die LED kein Licht, wird eine zu hohe Spannung angelegt, so wird die Halbleiterschicht und somit die
Leuchtdiode zerstört.
Weiters ist beim Anschluss einer Leuchtdiode auf die richtige Polung zu achten: Kathode (abgeflachte Seite)  Minus,
Anode  Plus
Schaltsymbol und Bauform
Abbildung 4.3.1  Leuchtdiode  Schaltsymbol und Bauform
Wenn man eine Leuchtdiode in einem Stromkreis mit einer höheren als der für den jeweiligen Typ vorgesehenen
Spannung betreiben will, so muss ein Vorwiderstand verwendet werden, an dem die Differenzspannung abfällt.
StandardLEDs werden mit einem Strom von 10mA betrieben.
Möchte man eine rote Leuchtdiode in einem Stromkreis mit einer Spannung von 12V verwenden, so muss am
Vorwiderstand eine Spannung von 9,9V (12V  2,1V) abfallen. Mit Hilfe des Ohm´schen Gesetzes lässt sich die Größe
des benötigten Vorwiderstandes berechnen.
2,9V
ROT
2,1V / 10mA
GRÜN
2,5V / 10mA
GELB
2,5V / 10mA
5V
UWiderstand = Uges  ULED
LED rot:
LED gelb:
UWiderstand = 5V  2,1V = 2,9V
UWiderstand = 5V  2,5V = 2,5V
2,1V
Betriebsspannung / Stom
R = UWiderstand / I
R = 2,9V / 0,01A = 290Ω
R = 2,5V / 0,01A = 250Ω
Abbildung 4.3.2  Berechnung des Vorwiderstands für Leuchtdioden
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4.4 Schaltplan
Möchte man mit einem Ausgang des IOWarriors eine LED ein und ausschalten, so kommen ein Transistor und ein
Vorwiderstand zum Einsatz. Der Ausgang des IOWarriors wird mit der Basis des Transistors verbunden. Die LED und
der Vorwiderstand befinden sich im KollektorStromkreis.
Zwischen einem Pin des IOWarriors und GND liegt  je nach Zustand  eine Spannung von 0V oder 5V an. Bei 0V fließt
kein Strom über die Basis des Transistors und somit auch kein Strom vom Kollektor zum Emitter. Die LED bleibt
dunkel.
Beträgt die Spannung am entsprechenden Pin 5V, so fließt Strom über die Basis des Transistors. Dieser schaltet nun
den Weg "Kollektor  Emitter" durch und es fließt Strom über den Vorwiderstand und die Leuchtdiode.
Durch den Vorwiderstand ist gewährleistet, dass an der Leuchtdiode exakt die Spannung anliegt, die für den jeweiligen
Typ vorgegeben ist.
14
Vcc
IOWARRIOR24
GND
P
P
P
P
P
P
P
P
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
1
2
3
4
24
23
22
21
9
Abbildung 4.4.1  Schaltplan zum Schalten einer LED mit dem IOWarrior
4.5 Materialliste und Bauplan
Beim Aufbau dieser Schaltung kommen StandardLeuchtdioden in den Farben rot, gelb und grün zum Einsatz. Diese
kann dann zum Beispiel bei der Programmierung einer Ampelsteuerung verwendet werden. Zum Schalten der
Leuchtdioden wird ein Transistor vom Typ BC548 verwendet. Der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter
beträgt bei diesem Typ 0,2V.
Zum Berechnen der Vorwiderstände muss von der Betriebsspannung der Schaltung (5V) der Spannungsabfall am
Transistor (0,2V) und die Spannung der Leuchtdiode (2,1V bei rot bzw. 2,5V bei gelb und grün) abgezogen werden,
bevor diese mit dem Ohm´schen Gesetz bestimmt werden können.
Berechnung der Vorwiderstände für die Leuchtdioden:
LED rot:
LED gelb:
UWiderstand = Uges  UKollektorEmitter  ULED
R = UWiderstand / I
UWiderstand = 5V  0,2V  2,1V = 2,7V
R = 2,7V / 0,01A = 270Ω
UWiderstand = 5V  0,2V  2,5V = 2,3V
R = 2,3V / 0,01A = 230Ω
Abbildung 4.5.1  Berechnung der Vorwiderstände für die LEDs
Materialliste:
 3 Leuchtdioden (rot, gelb, grün) 5mm
Anschlussbelegung BC548
 3 Transistoren BC548
 2 Widerstände 220Ω (LED gelb, grün)
 1 Widerstand 270Ω (LED rot)
EBC
Abbildung 4.5.2  Materialliste und Anschlussbelegung des BC548
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Abbildung 4.5.3  Bauplan Bauteilseite
Abbildung 4.5.4  Bestückungs und Leiterbahnseite
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4.6 Anwendung 3  Schalten von LEDs  IOW_Leds
Aufbauend auf dem Programm zum Einlesen der Zustände von Tastern sollen mit dieser Anwendung die drei
Leuchtdioden ein und ausgeschaltet werden können. Das Herstellen der Verbindung zum IOWarrior und die Anzeige
der Inhalte der drei Werte im Array Data werden aus dem Projekt IOW_Taster übernommen.
Das Ein und Ausschalten der LEDs soll mit drei Checkboxen auf der Programmoberfläche umgesetzt werden. Dieses
Programm könnte dann in der Folge noch zu einer automatisch ablaufenden, Zeitgesteuerten Ampelsteuerung
erweitert werden.
Verwendete Komponenten
ProduktIDLabel (Label)
SeriennummerLabel (Label)
Data0Label, Data1Label, Data2Label (Label)
WertBar (TrackBar, Minimum 40, Maximum 40)
RotCheckBox (CheckBox)
GelbCheckBox (CheckBox)
GruenCheckBox (CheckBox)
RotPanel, GelbPanel, GruenPanel (Panel)
Abbildung 4.6.1  Screenshot der Anwendung IOW_Leds
Einbinden der Funktionen aus der iowkit.dll
Zum Einbinden der Funktionen aus der DLL und der Definiton der globalen Variablen kommt Quellcode 3.4.1 zur
Anwendung.
Herstellen der Verbindung zum IOWarrior
Wenn die Pins des IOWarriors als Ausgänge genutzt werden, setzt man diese auf den Zustand 0 oder 1, um eine
Ausgangsspannung von 0V (LO) oder 5V (HI) zwischen dem jeweiligen Pin und GND zu erhalten.
Nach dem Herstellen der Verbindung und dem Einlesen der ProduktID und der Seriennummer wird das DataArray
initialisiert. Das Byte Data[0] erhält den Wert 0x00.
Data[1] und Data[2] beschreiben die Zustände der 8 Bits der beiden Ports. Damit die LEDs beim Starten der
Anwendung ausgeschaltet sind, werden alle Bits auf 0 und beide Ports somit auf 0x00 (00000000) gesetzt.
Nach dem Setzen der Werte im DataArray werden diese mit der Funktion IowKitWrite() an den IOWarrior übermittelt.
void MainFormLoad( obj ect sender, EventArgs e)
{
// Variablendefinition
int ProduktID = 0;
short[ ] SerienNummer = new short[ 8] ;
string SerienNummerString = "";
// Verbindung zu IOWarrior herstellen
IowHandle = IowKitOpenDevice( ) ;
if ( IowHandle==0)
{
MessageBox. Show( "Kein IO-Warrior gefunden! ") ;
}
else
{
// ProduktID ermitteln und anzeigen
ProduktID = IowKitGetProductId( IowHandle) ;
Quellcode 4.6.1  Initialisieren des DataArrays und des IOWarrior
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Seite 24
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if ( ProduktID==0x1501)
{
ProduktIDLabel. Text = "Produkt ID: IOWarrior24";
}
else
{
ProduktIDLabel. Text = "Produkt ID: unbekannt";
}
// Seriennummer ermitteln und anzeigen
if ( IowKitGetSerialNumber( IowHandle, ref SerienNummer[ 0] ) )
{
foreach( char c in SerienNummer) SerienNummerString = SerienNummerString + c;
SeriennummerLabel. Text = "Seriennummer: " + SerienNummerString;
}
else
{
SeriennummerLabel. Text = "Seriennummer: unbekannt";
}
// Byte-Array für den Datenaustausch initialisieren
Data = new byte[ 3] ;
Data[ 0] = 0x00;
}
}
Data[1] = 0x00;
Data[2] = 0x00;
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Quellcode 4.6.1 Fortsetzung  Initialisieren des DataArrays und des IOWarrior
Übertragen der Zustände an die Ausgangspins
Klickt man auf eine Checkbox, so wird deren Eigenschaft Checked entweder auf true oder false gesetzt. Als Reaktion
auf das Event CheckedChanged soll der entsprechende Pin des IOWarriors auf HI bzw. LO gesetzt werden.
Da bei der Übertragung der PinZustände zum IOWarrior immer die Zustände aller 8 Pins beider Ports gesendet
werden, müssen auch die zuvor gültigen Werte für alle anderen Pins berücksichtigt werden.
Möchte man ein Bit auf 1 setzen, so muss der ursprüngliche Zustand der Bits mit Hilfe einer logischen ODER
Verknüpfung erweitert werden.
0 1
( 0x41)
ursprünglicher Zustand
Port
|
Ergebnis
ursprünglicher Zustand und zweites Bit auf 1
0 0 0 0 0 0 1 0
0 1 0 0 0 0
( 0x02) zweites Bit auf 1
--------------------------------------0 1 0 0 0 0 1 1 ( 0x43)
Soll ein Bit auf 0 gesetzt werden, so muss der ursprüngliche Zustand der Bits mit Hilfe einer logischen UND
Verknüpfung und des inversen Wertes des gewünschten Bits berechnet werden.
Port
0 1 0 0 0 0 1 1 ( 0x43)
&
1 1 1 1 1 1 0 1 ( 0xFD)
---------------------------------------
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ursprünglicher Zustand
zweites Bit auf 0
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Anschluss der LEDs an den IOWarrior in der augebauten Schaltung
LED rot
Port 1
Bit 3
0x08
00001000
Data[2]
LED grün
Port 0
Bit 7
0x80
10000000
Data[1]
LED gelb
Port 1
Bit 1
0x02
00000010
Data[2]
Abbildung 4.6.2  Anschluss der LEDs an den IOWarrior und entsprechende Bits der jeweiligen Ports
void RotCheckBoxCheckedChanged( obj ect sender, EventArgs e)
{
int WertNeu;
if ( RotCheckBox. Checked==true)
{
RotPanel. BackColor = Color. Red;
WertNeu = Data[2] | 0x08;
Data[ 2] = ( byte) WertNeu;
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
}
else
{
RotPanel. BackColor = Color. Black;
}
WertNeu = Data[2] & 0xF7;
Data[ 2] = ( byte) WertNeu;
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data0Label. Text = "Data[ 0] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 0] ) + " ( " + Data[ 0] . ToString( ) + ") ";
Data1Label. Text = "Data[ 1] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 1] ) + " ( " + Data[ 1] . ToString( ) + ") ";
Data2Label. Text = "Data[ 2] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 2] ) + " ( " + Data[ 2] . ToString( ) + ") ";
}
void GelbCheckBoxCheckedChanged( obj ect sender, EventArgs e)
{
int WertNeu;
if ( GelbCheckBox. Checked==true)
{
GelbPanel. BackColor = Color. Yellow;
WertNeu = Data[2] | 0x02;
Data[ 2] = ( byte) WertNeu;
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
}
else
{
GelbPanel. BackColor = Color. Black;
}
}
WertNeu = Data[2] & 0xFD;
Data[ 2] = ( byte) WertNeu;
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data0Label. Text = "Data[ 0] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 0] ) + " ( " + Data[ 0] . ToString( ) + ") ";
Data1Label. Text = "Data[ 1] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 1] ) + " ( " + Data[ 1] . ToString( ) + ") ";
Data2Label. Text = "Data[ 2] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 2] ) + " ( " + Data[ 2] . ToString( ) + ") ";
Quellcode 4.6.3  Senden der Zustände der Ausgangspins an den IOWarrior als Reaktion auf die Änderung einer Checkbox
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void GruenCheckBoxCheckedChanged( obj ect sender, EventArgs e)
{
int WertNeu;
if ( GruenCheckBox. Checked==true)
{
GruenPanel. BackColor = Color. Green;
WertNeu = Data[1] | 0x80;
Data[ 1] = ( byte) WertNeu;
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
}
else
{
GruenPanel. BackColor = Color. Black;
}
WertNeu = Data[1] & 0x7F;
Data[ 1] = ( byte) WertNeu;
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data0Label. Text = "Data[ 0] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 0] ) + " ( " + Data[ 0] . ToString( ) + ") ";
Data1Label. Text = "Data[ 1] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 1] ) + " ( " + Data[ 1] . ToString( ) + ") ";
Data2Label. Text = "Data[ 2] = " + String. Format( "{ 0: X2} ", Data[ 2] ) + " ( " + Data[ 2] . ToString( ) + ") ";
}
Quellcode 4.6.3 Fortsetzung  Senden der Zustände der Ausgangspins an den IOWarrior als Reaktion auf die Änderung einer Checkbox
Beenden der Anwendung
Beim Schließen der Anwendung wird die Verbindung zum IOWarrior getrennt. Dies geschieht wie in den beiden
vorangegangenen Beispielen als Reaktion auf das Event FormClosing des Formulars.
void MainFormFormClosing( obj ect sender, FormClosingEventArgs e)
{
// Verbindung zum IOWarrior trennen
IowKitCloseDevice( IowHandle) ;
}
Quellcode 4.6.4  Trennen der Verbindung zum IOWarrior beim Schließen der Anwendung
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5. Erweiterung der Ausgänge mit einem Schieberegister
Der IOWarrior24 stellt 16 Ausgänge zur Verfügung. Benötigt man eine größere Anzahl von Ausgängen um zum Beispiel
eine LEDAnzeigetafel anzusteuern, so kommen spezielle Bauteile zur Porterweiterung  sogenannte Schieberegister 
zum Einsatz. Zur Übertragung von Daten an ein Schieberegister werden nur drei Datenleitungen benötigt.
Die meisten Schieberegister verfügen über ein Auffangregister. Damit wird erreicht, dass Daten in das Register
eingegeben werden können ohne, dass sich die tatsächlichen Ausgangszustände ändern. Erst wenn alle Zustände in
das Auffangregister geschrieben wurden, werden diese an die einzelnen Ausgänge durch einen Impuls am Pin mit der
Bezeichnung STROBE weitergegeben.
5.1 Der IC 4094
Der am häufigsten eingesetzte SchieberegisterBauteil trägt die Bezeichnung 4094. Dieser verfügt über drei Eingänge
(DATA, CLOCK und STROBE) und über 8 Ausgänge. Diese müssen je nach Anwendung (zum Beispiel beim Anschluss
von LEDs) mit Widerständen versehen werden und sollten pro Ausgang mit maximal 25mA belastet werden.
16
1
Strobe
Data
Clock
A0
Vcc +5V
Vcc +5V
A4
A5
A6
A1
A2
A7
A3
GND
9
8
Data OUT
Abbildung 5.1.1  Anschlussbelegung des 4094
Zusätzlich verfügt dieser integrierte Schaltkreis über einen DatenAusgang. Über diesen können weitere Bauteile
angeschlossen und mit Daten befüllt werden. Somit lassen sich mehrere Bauteile vom Typ 4094 hintereinander
schalten wodurch man die Anzahl der Ausgänge beliebig erweitern kann.
3
Clock
2
Data
1
3
Strobe
Data OUT
4094
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
9
4
5
6
7
14
13
12
11
Clock
2
Data
1
Strobe
Data OUT
4094
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
9
4
5
6
7
14
13
12
11
Abbildung 5.1.2  Schaltplan und Umsetzung der Kaskadierung mehrerer SchieberegisterBauteile
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Das Setzen der Zustände der Ausgänge geschieht in zwei Schritten:
Zuerst werden die gewünschten Zustände der 8 Ausgänge als 8 Bits nacheinander in das Auffangregister geschoben.
Der Zustand des Eingangs DATA entspricht dabei dem Zustand den der jeweilige Ausgang haben soll. Mit einem
Impuls am Eingang CLOCK werden alle Bits im Auffangregister um eine Stelle weitergeschoben.
Sind alle 8 Bits im Auffangregister, werden diese mit einem Impuls am Eingang STROBE an die Ausgänge übergeben.
Auffangregister
Ausgänge
CLOCK
DATA
1
0
0
1
0
0
1
Auffangregister
0
Ausgänge
1
0
0
1
0
0
1
0
Auffangregister
Ausgänge
STROBE
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
0
Auffangregister
Ausgänge
Abbildung 5.1.3  Schematische Darstellung des Befüllen des Schieberegisters 4094
Um das Schieberegister 4094 einmal vollständig zu befüllen, müssen die Eingänge wie folgt gesetzt werden:
Data HI oder LO (1. Bit)
Clock HI  LO
Data HI oder LO (2. Bit)
Clock HI  LO
Data HI oder LO (3. Bit)
Clock HI  LO
Data HI oder LO (4. Bit)
Clock HI  LO
Data HI oder LO (5. Bit)
Clock HI  LO
Data HI oder LO (6. Bit)
Clock HI  LO
Data HI oder LO (7. Bit)
Clock HI  LO
Data HI oder LO (8. Bit)
Clock HI  LO
Strobe HI  LO (Auffangregister  Ausgänge)
Abbildung 5.1.4  Abfolge der Zustände von DATA, CLOCK und STROBE beim Befüllen des Schieberegisters 4094
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5.2 Schaltplan
Der IOWarrior24 bietet sich optimal für die Ansteuerung von SchieberegisterBauteilen mit einem Computer an. Dabei
werden nur drei Ausgänge des IOWarrior24 benötigt, die als Datenleitungen für das Schieberegister dienen.
Da die Ausgänge des IOWarrior entweder +5V (HI) oder 0V (LO) liefern, können diese direkt mit dem Schieberegister
4094 verbunden werden, da dieses an den Eingängen DATA, CLOCK und STROBE genau diese Pegel erwartet.
Werden an den Ausgängen des Schieberegisters Leuchtdioden angeschlossen, müssen entsprechende Vorwiderstände
zum Einsatz kommen, da die Spannung an den Ausgängen beim Zustand HI +5V beträgt.
14
Vcc
IOWARRIOR24
GND
P
P
P
P
P
P
P
P
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
1
2
3
4
24
23
22
21
3
Clock
2
Data
1
Strobe
15
4094
9
GND
16
Vcc
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
4
5
6
7
14
13
12
11
8
Abbildung 5.2.1  Schaltplan zur Ansteuerung eines Schieberegisters 4094 mit dem IOWarrior
Anschluss der Datenleitungen des Schieberegisters 4094 an den IOWarrior
Clock
Port 0
Bit 0
0x01
00000001
Data[1]
Strobe
Port 0
Bit 2
0x04
00000100
Data[1]
Data
Port 0
Bit 1
0x02
00000010
Data[1]
Abbildung 5.2.2  Anschlussbelegung und entsprechende Bits am Port 0 des IOWarrior24
5.3 Materialliste und Bauplan
Beim Anschluss der Leuchtdioden ist besonders auf die PinBelegung des Schieberegisters zu achten damit diese in
derselben Reihenfolge der Bits im Schieberegister richtig auf der Platine platziert werden (siehe Abbildung 5.1.1).
Materialliste:
 8 Leuchtdioden rot 5mm
 8 Widerstände 270Ω
 1 IC Sockel 16polig
 1 Schieberegister 4094
Abbildung 5.3.1  Materialliste
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Abbildung 5.3.2  Bauplan
5.4 Anwendung 4  Ansteuern von LEDs mit einem Schieberegister  IOW_Schieberegister
Bei dieser Anwendung werden die LEDs nicht direkt mit dem IOWarrior ein und ausgeschaltet. Das Schalten der LEDs
übernimmt das Schieberegister 4094. Der IOWarrior stellt das Bindeglied zwischen der Anwendung und dem
Schieberegister dar.
Mit Hilfe von 8 Checkboxen soll der gewünschte Zustand der LEDs festgelegt werden. Beim Klick auf den SendButton
erfolgt die Übertragung des gewählten BitMusters an das Schieberegister.
In der Folge könnte an Stelle eines Buttons zum Senden auch ein Timer zum Einsatz kommen, der in regelmäßigen
Abständen den mit den Checkboxen festgelegten Zustand der LEDs automatisch überträgt.
Verwendete Komponenten
ProduktIDLabel (Label)
SeriennummerLabel (Label)
SendButton (Button)
A0Box ... A7Box (CheckBox)
Abbildung 5.4.1  Screenshot der Anwendung IOW_Schieberegister
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Definition globaler Variablen und Import der benötigten Funktionen aus der iowkit.dll
Zu Beginn werden die globale Variable IowHandle und das Array Data[] definiert. Zum Import der benötigten
Funktionen aus der iowkit.dll muss die Klasse System.Runtime.InteropServices mit einer usingAnweisung
eingebunden werden.
public partial class MainForm : Form
{
// Definition der global benötigten Variablen
int IowHandle;
byte[ ] Data;
// Import der benötigten Funktionen aus der iowkit. dll
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitOpenDevice( ) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern void IowKitCloseDevice( int iowHandle) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitWrite( int iowHandle, int numPipe, ref byte buffer, int length) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitReadNonBlocking( int iowHandle, int numPipe, ref byte buffer, int length) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern short IowKitGetProductId( int iowHandle) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern bool IowKitGetSerialNumber( int iowHandle, ref short serialNumber) ;
...
Quelltext 5.4.1  Definition globaler Variablen und Import der benötigten Funktionen aus der iowkit.dll
Herstellen der Verbindung zum IOWarrior
Das Herstellen der Verbindung, das Initialisieren der Anwendung und des IOWarrior erfolgt beim Öffnen der
Anwendung in der Ereignisbehanldung des Events Load der Klasse MainForm.
Nach dem Herstellen der Verbindung
angeschlossenen IOWarriors eingelesen.
zum
IOWarrior
werden
die
ProduktID
und
die
Seriennummer
des
Die verwendeten Pins P0.0, P0.1 und P0.2 werden als Ausgänge eingesetzt. Das Byte Data[0] ist auf 0x00 zu setzen
und alle Bits beider Ports werden auf 0 gesetzt  Data[1] und Data[2] bekommen den Wert 0x00 (00000000).
void MainFormLoad( obj ect sender, EventArgs e)
{
// Variablendefinition
int ProduktID = 0;
short[ ] SerienNummer = new short[ 8] ;
string SerienNummerString = " " ;
// Verbindung zu IOWarrior herstellen
IowHandle = IowKitOpenDevice( ) ;
if ( IowHandle==0)
{
MessageBox. Show( " Kein IO-Warrior gefunden! " ) ;
}
else
{
// ProduktID ermitteln und anzeigen
ProduktID = IowKitGetProductId( IowHandle) ;
Quelltext 5.4.2  Herstellen der Verbindung zum IOWarrior und Initialisieren des DataArrays
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}
if ( ProduktID==0x1501)
{
ProduktIDLabel. Text = " Produkt ID: IOWarrior2 4 " ;
}
else
{
ProduktIDLabel. Text = " Produkt ID: unbekannt" ;
// Seriennummer ermitteln und anzeigen
if ( IowKitGetSerialNumber( IowHandle, ref SerienNummer[ 0] ) )
{
foreach( char c in SerienNummer)
SerienNummerString = SerienNummerString + c;
SeriennummerLabel. Text = " Seriennummer: " + SerienNummerString;
}
else
{
SeriennummerLabel. Text = " Seriennummer: unbekannt" ;
}
}
}
// Byte-Array für den Datenaustausch initialisieren
Data = new byte[ 3] ;
Data[ 0] = 0x00;
Data[ 1] = 0x00;
Data[ 2 ] = 0x00;
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Quelltext 5.4.2 Fortsetzung  Herstellen der Verbindung zum IOWarrior und Initialisieren des DataArrays
Übertragen der Information aus den Checkboxen an das Schieberegister
Soll die Information  bestehend aus 8 Bit  an das Schieberegister übertragen werden, so ist das in 5.1.3 und 5.1.4
dargestellte Verfahren anzuwenden.
Die drei Datenleitungen DATA, CLOCK und STROBE können nicht direkt geschaltet werden, deren Zustand entspricht je
einem Bit des Ports 0 des IOWarrior. Bei jedem Aufruf der Funktion IowKitWrite() werden die Zustände aller drei
Datenleitungen neu übergeben und müssen deshalb sinngemäß richtig gesetzt sein.
Bei der programmiertechnischen Umsetzung ist somit besonders darauf zu achten, dass das Setzen des Zustands des
DATAEingangs am Schieberegister zu erfolgen hat, bevor der CLOCKEingang auf HI und wieder auf LO gesetzt wird.
void SendButtonClick( obj ect sender, System. EventArgs e)
{
if ( A7Box. Checked==true)
{
Data[ 1] = 0x02;
// Data HI
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data[ 1] = 0x03;
// Clock HI ( Data bleibt HI)
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data[ 1] = 0x02;
// Clock LO ( Data bleibt HI)
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
}
else
{
Data[ 1] = 0x00;
// Data LO
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data[ 1] = 0x01;
// Clock HI ( Data blcibt LO)
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data[ 1] = 0x00;
// Clock LO ( Data bleibt LO)
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
}
Quelltext 5.4.3  Übertragen der Information aus den Checkboxen an das Schieberegister
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void SendButtonClick( obj ect sender, System. EventArgs e)
{
if ( A6Box. Checked==true)
{
Data[ 1] = 0x02;
// Data HI
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data[ 1] = 0x03;
// Clock HI ( Data bleibt HI)
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data[ 1] = 0x02;
// Clock LO ( Data bleibt HI)
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
}
else
{
Data[ 1] = 0x00;
// Data LO
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data[ 1] = 0x01;
// Clock HI ( Data blcibt LO)
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data[ 1] = 0x00;
// Clock LO ( Data bleibt LO)
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
}
// . . . . . . . . . dieselbe IF-Abfrage sinngemäß für die Checkboxen A5Box - A1Box
if ( A0Box. Checked==true)
{
Data[ 1] = 0x02;
//
IowKitWrite( IowHandle,
Data[ 1] = 0x03;
//
IowKitWrite( IowHandle,
Data[ 1] = 0x02;
//
IowKitWrite( IowHandle,
}
else
{
Data[ 1] = 0x00;
//
IowKitWrite( IowHandle,
Data[ 1] = 0x01;
//
IowKitWrite( IowHandle,
Data[ 1] = 0x00;
//
IowKitWrite( IowHandle,
}
}
Data[ 1] = 0x04; // Strobe
IowKitWrite( IowHandle, 0,
Data[ 1] = 0x00; // Strobe
IowKitWrite( IowHandle, 0,
Data HI
0, ref Data[ 0] , 3) ;
Clock HI ( Data bleibt HI)
0, ref Data[ 0] , 3) ;
Clock LO ( Data bleibt HI)
0, ref Data[ 0] , 3) ;
Data LO
0, ref Data[ 0] , 3) ;
Clock HI ( Data blcibt LO)
0, ref Data[ 0] , 3) ;
Clock LO ( Data bleibt LO)
0, ref Data[ 0] , 3) ;
HI
ref Data[ 0] , 3) ;
LO
ref Data[ 0] , 3) ;
Quelltext 5.4.3 Fortsetzung  Übertragen der Information aus den Checkboxen an das Schieberegister
Beenden der Anwendung
Beim Schließen der Anwendung wird die Verbindung zum IOWarrior getrennt. Dies geschieht wie in den
vorangegangenen Anwendungen als Reaktion auf das Event FormClosing des Formulars.
void MainFormFormClosing( obj ect sender, FormClosingEventArgs e)
{
// Verbindung zum IOWarrior trennen
IowKitCloseDevice( IowHandle) ;
}
Quelltext 5.4.4  Trennen der Verbindung zum IOWarrior beim Beenden der Anwendung
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IOProjekte mit der USBSchnittstelle
6. Eingabe variabler Werte mit einem Drehimpulsgeber
Immer mehr ersetzen Drehimpulsgeber herkömmliche Potentiometer und Stufenschalter. Diese arbeiten gegenüber
mechanischen Potentiometern nahezu verschleißfrei und sind auch gegenüber der Störung durch hochfrequente
Signale unempfindlich.
Ein Drehimpulsgeber ist ein Bauteil, der beim Drehen Impulse erzeugt. Diese Impulse sind von der Drehrichtung
abhängig und können mit einer entsprechenden, zusätzlich benötigten Elektronik ausgewertet werden. Oft sind
Drehimpulsgeber noch mit einer zusätzlichen DruckTasterFunktion ausgerüstet.
Mit einem Drehimpulsgeber kann daher eine einfache Werteingabe oder Menüauswahl erfolgen. Durch Drehen kann
ein Wert geändert oder ein Menüpunkt ausgewählt werden und mit einem Druck auf die Achse erfolgt die Bestätigung
dieses Werts oder des Menüpunkts.
6.1 Aufbau und Signalschema eines Drehimpulsgebers
Der hier dargestellte Drehimpulsgeber besitzt 5 Pins: 3 Pins für die Drehimpulse (A, B und GND) und 2 Pins für die
TasterFunktion. Dreht man die Achse, so entsteht an den Pins A und B ein Taktmuster. Diese beiden Pins dienen dabei
als Schalter, welche je nach Stellung der Achse entweder geöffnet oder geschlossen sind.
B
GND
Taster
A
Abbildung 6.1.1  Aufbau eines Drehimpulsgebers
Die Drehachse besitzt bei den in elektronischen Geräten zur Eingabe von Werten verwendeten Drehimpulsgebern pro
Umdrehung meist 30 leichte Rastpositionen. Pro Umdrehung erzeugen beide "Schalter" 15 Rechteckimpulse, welche
um etwa 6ms zueinander verschoben sind.
Bei einer Drehung im Uhrzeigersinn ergibt sich für AB die folgende Bitabfolge: 01 00 10 11 01 00 10 11 ... ... ...
Bei einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn ergeben sich für AB die Bitzustände: 10 00 01 11 10 00 01 11 ... ... ...
Daraus lässt sich die Richtung bestimmen in welche die Achse des Drehimpulsgebers bewegt wurde. Zu beachten ist
dabei, dass die Frequenz der Bestimmung der Schaltzustände von A und B hoch genug sein muss um die Verschiebung
von 6 ms auflösen zu können.
Rasterpositionen
Drehung im Uhrzeigersinn
Drehung gegen den Uhrzeigersinn
A
B
A
B
1
0
1
0
1
0
1
0
Abbildung 6.1.2  Signalschema an den beiden Pins A und B bei unterschiedlicher Drehrichtung
Analyse der Signale
Eine Software zur Auswertung der Signale muss die Zustände der beiden Schalter in einem entsprechend kleinen
Zeitintervall abfragen und auf eine Änderung der Schaltzustände reagieren. Eine solche Änderung kann entweder das
Erreichen einer Rastposition oder das Wechseln in eine Position zwischen den Rasten sein. Eine Analyse der
Drehrichtung wird nur bei Erreichen einer Rastposition durchgeführt.
An den Rastpositionen sind beide Schalter geschlossen (AB = 11) oder beide Schalter geöffnet (AB = 00). Aufgrund
des Zustands vor Erreichen einer dieser Rastpositionen kann die Richtung der Drehung bestimmt werden, die zu
diesem Zustand geführt hat. Die Software muss die Werte vor einer Änderung zwischenspeichern, da diese zur
Bestimmung der Drehrichtung bei Erreichen einer Rastposition benötigt werden. Aus dem Taktmuster ergibt sich:
Rastposition 00: zuvor 01  Drehung im Uhrzeigersinn, zuvor 10  Drehung gegen den Uhrzeigersinn
Rastposition 11: zuvor 10  Drehung im Uhrzeigersinn, zuvor 01  Drehung gegen den Uhrzeigersinn
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IOProjekte mit der USBSchnittstelle
6.2 Schaltplan
Der Anschluss eines Drehimpulsgebers an den IOWarrior ist verhältnismäßig einfach. Die beiden Pins A und B können
direkt mit je einem Pin des IOWarrior verbunden werden. Der mittlere Anschluss des Drehimpulsgebers GND wird mit
der Masse des IOWarrior verbunden. Ein Pin des DruckTasters wird mit einem Pin des IOWarrior verbunden, der
zweite mit GND.
IOWARRIOR24
GND
P
P
P
P
P
P
P
P
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
1
2
3
4
24
23
22
21
B
GND
A
9
Abbildung 6.2.1  Schaltplan Anschluss eines Drehimpulsgebers an den IOWarrior
6.3 Bauplan
Abbildung 6.3.1  Bauplan Anschluss eines Drehimpulsgebers an den IOWarrior
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6.4 Anwendung 5  Auswertung der Daten eines Drehimpulsgebers  IOW_Drehimpulsgeber
Diese Anwendung soll die Drehbewegung und den Zustand des DruckTasters des Drehimpulsgebers auswerten und
grafisch darstellen. Der einzustellende Wert soll im Bereich zwischen 40 und +40 liegen, in einem Label angezeigt
werden und zusätzlich einen Schieberegler bewegen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass auch eine Änderung des
Schiebereglers mit der Maus den Wert verändern kann. Ein Panel soll den gedrückten Zustand des DruckTasters
signalisieren.
Verwendete Komponenten
ProduktIDLabel (Label)
SeriennummerLabel (Label)
WertLabel (Label)
WertBar (TrackBar, Minimum 40, Maximum 40)
TasterPanel (Panel)
ReadTimer (Timer, Interval 20)
Abbildung 6.4.1  Screenshot der Anwendung IOW_Drehimpulsgeber
Definition globaler Variablen und Import der benötigten Funktionen aus der iowkit.dll
Zu Beginn werden die globale Variable IowHandle und das Array Data[] definiert. Zusätzlich werden in dieser
Anwendung noch die globalen Variablen A, B, Aold und Bold (Zustand der Schalter im Drehimpulsgeber) und die
Variable Wert (der mit dem Drehimpulsgeber veränderbare Zahlenwert) verwendet.
Zum Import der benötigten Funktionen aus der iowkit.dll muss die Klasse System.Runtime.InteropServices mit einer
usingAnweisung eingebunden werden.
public partial class MainForm : Form
{
// Definition der global benötigten Variablen
int IowHandle;
byte[ ] Data;
int A, Aold;
int B, Bold;
int Wert;
// Import der benötigten Funktionen aus der iowkit. dll
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitOpenDevice( ) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern void IowKitCloseDevice( int iowHandle) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitWrite( int iowHandle, int numPipe, ref byte buffer, int length) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern int IowKitReadNonBlocking( int iowHandle, int numPipe, ref byte buffer, int length) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern short IowKitGetProductId( int iowHandle) ;
[ DllImport( "iowkit", SetLastError=true) ]
public static extern bool IowKitGetSerialNumber( int iowHandle, ref short serialNumber) ;
...
Quelltext 6.4.1  Definition globaler Variablen und Import der benötigten Funktionen aus der iowkit.dll
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Herstellen der Verbindung zum IOWarrior
Beim Start der Anwendung werden in der Ereignisbehandlung des Events Load die ProduktID und die Seriennummer
des angeschlossenen IOWarriors eingelesen. Bei der Initialisierung des DataArrays und des IOWarriors ist das Byte
Data[0] auf 0x00 zu setzen.
Da die drei Pins P0.4, P0.5 und P0.6 als Eingänge genutzt werden, sind diese auf 1 zu setzen  das Byte Data[1]
bekommt den Wert 0x70 (01110000). Die Pins am Port 1 werden nicht benötigt und auf 0 gesetzt  Data[2] erhält den
Wert 0x00 (00000000).
Weiters müssen noch die globalen Variablen initialisiert werden. Die Variablen A und B (aktueller Zustand der Schalter
im Drehimpulsgeber), Aold und Bold (Zustand der Schalter im Drehimpulsgeber vor der letzten Änderung) und Wert
(der vom Drehimpulsgeber veränderbare Zahlenwert der Anwendung) erhalten den Wert 0.
Abschließend muss noch der Timer gestartet werden, der in einem Intervall von 20ms den Zustand der Pins des
IOWarriors und somit auch des Drehimpulsgebers einliest.
void MainFormLoad( obj ect sender, EventArgs e)
{
// Variablendefinition
int ProduktID = 0;
short[ ] SerienNummer = new short[ 8] ;
string SerienNummerString = " " ;
// Verbindung zu IOWarrior herstellen
IowHandle = IowKitOpenDevice( ) ;
if ( IowHandle==0)
{
MessageBox. Show( " Kein IO-Warrior gefunden! " ) ;
}
else
{
// ProduktID ermitteln und anzeigen
ProduktID = IowKitGetProductId( IowHandle) ;
if ( ProduktID==0x1501)
{
ProduktIDLabel. Text = " Produkt ID: IOWarrior2 4 " ;
}
else
{
ProduktIDLabel. Text = " Produkt ID: unbekannt" ;
}
// Seriennummer ermitteln und anzeigen
if ( IowKitGetSerialNumber( IowHandle, ref SerienNummer[ 0] ) )
{
foreach( char c in SerienNummer)
SerienNummerString = SerienNummerString + c;
SeriennummerLabel. Text = " Seriennummer: " + SerienNummerString;
}
else
{
SeriennummerLabel. Text = " Seriennummer: unbekannt" ;
}
// Byte-Array für den Datenaustausch initialisieren
Data = new byte[ 3] ;
Data[ 0] = 0x00;
Data[1] = 0x70; // P0. 4, P0. 5 und P0. 6 auf HI
Data[ 2 ] = 0x00;
IowKitWrite( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
Quelltext 6.4.2  Initialisieren der Anwendung
Dr. Leander Brandl 2009  it.brgkepler.at  Stand: 24.05.2009
Seite 38
ANGEWANDTE INFORMATIONSTECHNOLOGIE
IOProjekte mit der USBSchnittstelle
// Variablen für die Schalterzustände des Drehimpulsgebers initialisieren
A = 0;
Aold = 0;
B = 0;
Bold = 0;
Wert = 0;
}
}
// Timer zum Einlesen der Pinzustände aktivieren
ReadTimer. Enabled = true;
Quelltext 6.4.2 Fortsetzung  Initialisieren der Anwendung
Auswertung der Pinzustände
In der Ereignisbehandlung des TimerEvents werden die Pinzustände eingelesen und analysiert. Basierend auf der in
6.1 beschriebenen Bitfolge wird die Drehrichtung bestimmt.
Pin A des Drehimpulsgebers ist mit P0.6 der IOWarrior verbunden, es muss der Zustand des siebenten Bits von Port 0
ermittelt werden (0x40 bzw. 01000000). Der Schaltzustand von Pin B entspricht Pin P0.5 und somit dem sechsten Bit
von Port 0 (0x20 bzw. 00100000).
Der DruckTaster ist mit Pin P0.4 verbunden  dessen Zustand entspricht also dem fünften Bit des Port 0 des IOWarrior
(0x10 bzw. 00010000).
Mit zwei ifAbfragen kann die Drehrichtung bestimmt werden  in den jeweiligen Bedingungen ist das Schema der
Abfolge der Schaltzustände der Pins A und B des Drehimpulsgebers umgesetzt (siehe 6.1).
Nach der Anzeige der geänderten Werte wird der aktuelle Zustand der Pins A und B in den Variablen Aold und Bold für
den nächsten Vergleich abgelegt.
void ReadTimerTick( obj ect sender, EventArgs e)
{
int AStatus = 0;
int BStatus = 0;
int TasterStatus = 0;
IowKitReadNonBlocking( IowHandle, 0, ref Data[ 0] , 3) ;
AStatus = Data[ 1] & 0x4 0;
if ( AStatus==0x00) A=1;
else A=0;
BStatus = Data[ 1] & 0x2 0;
if ( BStatus==0x00) B=1;
else B=0;
TasterStatus = Data[ 1] & 0x10;
if ( TasterStatus==0x00) TasterPanel. BackColor = Color. Green;
else TasterPanel. BackColor = Color. Black;
if ((A==1) &&(B==1) &&(Aold==0) &&(Bold==1) | | (A==0) &&(B==0) &&(Aold==1) &&(Bold==0) )
{
if ( Wert < 4 0) Wert++; // Drehung im Uhrzeigersinn
}
if ((A==1) &&(B==1) &&(Aold==1) &&(Bold==0) | | (A==0) &&(B==0) &&(Aold==0) &&(Bold==1) )
{
if ( Wert > -4 0) Wert--; // Drehung gegen den Uhrzeigersinn
}
WertLabel. Text = "Wert: " + Wert. ToString( ) ; // Aktualisieren der Anzeige
WertBar. Value = Wert; // Aktualisieren der Anzeige
}
Aold = A;
Bold = B;
Quelltext 6.4.3  Analyse und Auswertung der Drehbewegung
Dr. Leander Brandl 2009  it.brgkepler.at  Stand: 24.05.2009
Seite 39
ANGEWANDTE INFORMATIONSTECHNOLOGIE
IOProjekte mit der USBSchnittstelle
Änderung des Schiebereglers im Programmfenster mit der Maus
Bewegt ein Anwender den Schieberegler mit der Maus, so muss diese Änderung auch die globale Variable Wert
betreffen. Damit ist gewährleistet, dass der Drehimpulsgeber bei der nächsten Drehung den aktuellen Wert der
Variable weiter verändert.
void WertBarScroll( obj ect sender, EventArgs e)
{
// Bewegen des Schiebereglers mit der Maus im Programmfenster
Wert = WertBar. Value;
}
Quelltext 6.4.4  Reaktion auf die Änderung des Schiebereglers mit der Maus
Beenden der Anwendung
Wird die Anwendung geschlossen, so muss die Verbindung zum IOWarrior getrennt werden. Zuvor ist noch der Timer
zu deaktivieren.
void MainFormFormClosing( obj ect sender, FormClosingEventArgs e)
{
// Timer zum Einlesen der Pinzustände deaktivieren
ReadTimer. Enabled = false;
}
// Verbindung zum IOWarrior trennen
IowKitCloseDevice( IowHandle) ;
Quelltext 6.4.5  Trennen der Verbindung zum IOWarrior beim Schließen der Anwendung
Dr. Leander Brandl 2009  it.brgkepler.at  Stand: 24.05.2009
Seite 40
ANGEWANDTE INFORMATIONSTECHNOLOGIE
IOProjekte mit der USBScnittstelle
Anghang A  Zahlensysteme
Möchte man 256 verschiedene Zustände darstellen, so sind dazu im binären Zahlensystem 8 Bit nötig. Eine
Zusammenfassung von 8 Bit wird als 1 Byte bezeichntet und kann in den angeführten Zahlensystemen Werte aus den
folgenden Bereichen annehmen:
Binär
00000000  11111111
Dr. Leander Brandl 2009  www.anderslernen.com
Dezimal
0  255
Hexadezimal
00  FF
Anhang