Praktikumsversuch µC - Lehrveranstaltungen
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Labor für Elektronik und elektrische Antriebe
Praktikum zur Lehrveranstaltung Elektronik/Mikroprozessortechnik
µC.1
Verbundlabor Mechatronik
Labor für Elektronik und elektrische Antriebe
Praktikumsversuch µC
Programmierung von Mikrocontrollern
Tilman Küpper, Nils Beutler
03/2013
Labor für Elektronik und elektrische Antriebe
Praktikum zur Lehrveranstaltung Elektronik/Mikroprozessortechnik
1
µC.2
Einleitung
Im Kapitel „Digitaltechnik“ werden Aufbau und Funktion moderner Mikroprozessoren und Mikrocontroller betrachtet. Folgende Themen sind dabei von besonderer Bedeutung (vergl. Abb. 1):
Logische Verknüpfungen
Logikgatter (AND, OR, NAND, NOR usw.) finden sich an vielen Stellen eines Mikroprozessors.
Beispielsweise analysiert der Befehlsdecoder so die einzelnen Bits eines Maschinenbefehls.
Speicher, Register, Flags
Zwei Transistoren genügen, um ein einzelnes Bit abzuspeichern (sog. Flipflop-Schaltung). Mit
Flipflops können daher Speicherzellen aufgebaut werden, die innerhalb (Arbeitsregister, Flags)
und außerhalb von Prozessoren (Hauptspeicher) benötigt werden.
Zählerschaltungen
Flipflops eignen sich auch zum Aufbau von Zählerschaltungen, die in Mikroprozessoren und Mikrocontrollern an verschiedenen Stellen benötigt werden. Zum Beispiel beim Befehlszähler oder
zum Inkrementieren (Hochzählen) bzw. Dekrementieren (Abwärtszählen) von Registerinhalten.
Rechenwerk, Arithmetisch-logische Einheit (ALU)
Ein vollständiges Rechenwerk zum Addieren und Subtrahieren von 4-Bit-Dualzahlen wird ebenfalls in der Lehrveranstaltung besprochen.
Abb. 1 – Aufbau eines Mikroprozessors
Im Praktikumsversuch „Mikrocontroller (µC)" haben Sie nun die Gelegenheit, eigene Erfahrungen mit
der Programmierung eines typischen Mikrocontrollers zu sammeln. Aber was ist eigentlich ein
„Mikrocontroller“ – was unterscheidet ihn von einem „klassischen Mikroprozessor“?
Tilman Küpper, Nils Beutler
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µC.3
Wird von einem Mikroprozessor gesprochen, ist damit die digitale Recheneinheit auf einem
Chip mit Registern und eventuell Cache und Speichercontroller gemeint. Mikroprozessoren
haben heutzutage eine Wortbreite von 8 bis 64 Bit, in manchen speziellen Systemen sogar bis
zu 128 Bit. Prozessoren für PCs sollen möglichst alle unterschiedlichen Aufgaben, wie zum
Beispiel Textverarbeitung, Spiele oder Multimediananwendungen möglichst gleichzeitig und
gleichmäßig schnell abarbeiten können.
[...]
Oft wird in der Technik von „Embedded System“ gesprochen. Hiermit ist ein komplexeres
Gerät mit Speicher, Mikroprozessor und Kommunikationsschnittstellen gemeint, das auf einer
einzigen Platine integriert ist. Solche Geräte werden für den Massenmarkt produziert.
[...]
Mit zunehmender Integration der Halbleitertechnologie wurde es möglich, die Größe von
Embedded Systems stark zu reduzieren und immer mehr Funktionalität bei gleicher Leistung
auf einem einzigen Chip zu integrieren. Ein Mikrocontroller ist ein Computer auf einem Chip
mit Programm-, Datenspeicher und Kommunikationsschnittstellen. Viele Mikrocontroller
haben selbst einen Oszillator, mehrere Analog-/Digitalwandler, Timer und Zähler auf dem
Chip integriert. Mikrocontroller sind sehr flexibel in ihrem Einsatz. Mikrocontroller werden in
allen erdenklichen Geräten eingesetzt und werden in Massen produziert, was sich positiv auf
die Kosten auswirkt. Einfache Chips sind schon für weniger als 1 Euro auf dem Markt
erhältlich.1
In diesem Praktikumsversuch wird der Mikrocontroller ATmega8515 eingesetzt. Er wird von der
Firma Atmel (www.atmel.com) hergestellt. Sein interner Aufbau ist in Abb. 2 wiedergegeben.
Der Mikrocontroller ATmega8515 ist Teil einer größeren Controllerfamilie, der sog. „AVR-Familie“.
Die unterschiedlichen Mikrocontroller dieser Familie unterscheiden sich zum Beispiel in der Größe
des eingebauten RAM-Speichers, der Anzahl der digitalen Ein- und Ausgangsleitungen oder der
Anzahl der seriellen Schnittstellen. Einige AVR-Mikrocontroller besitzen einen integrierten AnalogDigital-Wandler, andere können direkt in ein CAN-Bus-Bordnetz integriert werden usw. Zudem
existiert eine große Auswahl hinsichtlich der verfügbaren Bauformen, vom kleinen SMD-Gehäuse mit
8 Kontakten bis zu größeren QFP-Gehäusen („Quad Flat Package“) mit 64 Kontakten.
Alle Mikrocontroller der AVR-Familie besitzen denselben 8-Bit-Prozessorkern mit denselben Maschinenbefehlen und einer ähnlichen Anzahl von Registern.
Zur Programmierung des ATmega8515 stellt die Firma Atmel eine kostenlose Programmierumgebung2 zur Verfügung. Dieses „AVR Studio“ wird auf einem handelsüblichen Windows-PC installiert. Außerdem wird ein für AVR-Mikrocontroller geeignetes Programmiergerät benötigt. Solche Programmiergeräte können als fertige Bausteine für wenig Geld beschafft 3 oder mit geringem Aufwand
selbst aufgebaut4 werden.
Das Atmel Studio ermöglicht die Programmierung von Mikrocontrollern entweder direkt in Assembler
(Maschinensprache) oder in der Programmiersprache C. In den folgenden Praktikumsversuchen wird
ausschließlich die Programmiersprache C verwendet, die bereits durch die Lehrveranstaltung Ingenieurinformatik bekannt ist.
1
Thomas Ruschival, Untersuchung von Angriffsmöglichkeiten auf Feldgeräte von Automatisierungssystemen,
Studienarbeit am Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik der Universität Stuttgart (2006), S. 14f.
2
Download über die Atmel-Homepage: http://www.atmel.com/tools/atmelstudio.aspx
3
Zum Beispiel das Programmiergerät STK500 der Firma Atmel: http://www.atmel.com/tools/STK500.aspx
4
Entsprechende Bauanleitungen finden sich im Internet, zum Beispiel im ersten Kapitel des „AVR-Tutorials“
auf der Seite http://www.mikrocontroller.net
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µC.4
Abb. 2 – Interner Aufbau des Mikrocontrollers ATmega85155
5
Aus dem Datenblatt des Mikrocontrollers ATmega8515, http://www.atmel.com/Images/doc2512.pdf, Firma
Atmel (Stand: 28. Januar 2013)
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µC.5
Beschreibung des Versuchsaufbaus
Programmiergerät STK500
Experimentierbox
Abb. 3 – Programmiergerät STK500 mit Experimentierbox
(1) Die acht digitalen Ein-/Ausgänge PB0, PB1, …, PB7 des Mikrocontrollers (der sog. „Port B“)
sind direkt mit den entsprechenden Buchsen auf der Frontplatte der Experimentierbox verbunden
(siehe Abb. 4 auf der folgenden Seite). So können auf einfache Weise Taster, Leuchtdioden oder
andere Komponenten an den Mikrocontroller angeschlossen werden.
(2) Bei den vier Tastschaltern ist zu beachten, dass diese „active low“ geschaltet sind. Dies bedeutet,
dass jeder Schalter im gedrückten Zustand ein Low-Signal (= 0) an den Mikrocontroller sendet
bzw. ein High-Signal (= 1) im nicht gedrückten Zustand.
(3) Die Leuchtdioden sind bereits mit passenden Vorwiderständen ausgestattet, so dass sie direkt mit
den Ausgängen des Mikrocontrollers verbunden werden können. Die Leuchtdioden leuchten, falls
am jeweiligen Ausgang ein High-Signal (= 1) anliegt.
(4) Der Lüfter am unteren rechten Rand der Experimentierbox kann nicht direkt mit einem Ausgang
des Mikrocontrollers verbunden werden, da sein Strombedarf groß ist. Aus diesem Grund wird er
über eine Transistorverstärkerstufe mit Strom versorgt.
(5) Der Temperatursensor SMT 160-30 gibt an seinem Ausgang ein Rechtecksignal aus. Aus dem
Tastgrad D, also dem Verhältnis von Impuls- zu Periodendauer (engl. „duty cycle“), kann die
Temperatur berechnet werden. Es gilt:
D = 0,32 + 0,0047 ∙ T
wobei T die Temperatur in °C ist.6
Das in Abb. 5 gezeigte Sensorsignal zeigt einen Tastgrad von D = 0,4192. Die gemessene Temperatur ist also:
T = [(0,4192 – 0,32) / 0,0047] °C = 21,1 °C
Zur Auswertung des Temperatursensors durch den Mikrocontroller muss ein Programm geschrieben werden, welches den Tastgrad des Sensorsignals ermittelt. Die Frequenz des Sensorsignals
(hier ca. 3 kHz) ist dagegen nicht von Bedeutung.
6
Vergl. Datenblatt des Temperatursensors SMT 160-30, http://www.smartec.nl/pdf/DSSMT16030.PDF, Firma
Smartec (Stand: 26. Februar 2013)
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(1) Ein-/Ausgänge
PB0, …, PB7
(2) Tastschalter
µC.6
(3) Leuchtdioden
(4) Lüfter
(5) Temperatursensor
Abb. 4 – Frontplatte der Experimentierbox
B
A
Tastgrad A/B = 0,4192
B
Abb. 5 – Ausgangssignal des Temperatursensors SMT 160-30
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µC.7
Vorbereitung auf den Versuchstermin
Im Rahmen dieses Praktikumstermins erstellen Sie eine Reihe von C-Programmen. Es ist daher
wichtig, dass Sie sich vor Beginn dieses Praktikums (!!) nochmals mit der Programmiersprache C
beschäftigen und einige Grundlagen aus der Lehrveranstaltung Ingenieurinformatik wiederholen.
Sie können die folgenden Übungsaufgaben in einem Rechnerraum der FK03 oder an Ihrem privaten
PC durchführen. Als Programmierumgebung eignet sich zum Beispiel das kostenlos erhältliche
„Visual Studio Express“ der Firma Microsoft. 7
3.1
Programmierung von Schleifen
Schreiben Sie ein Programm, welches in Zweierschritten von -10 bis +10 zählt!
Schreiben Sie ein Programm, welches in einer Endlosschleife immer wieder den Text „Schleife“
auf dem Bildschirm ausgibt!
Tipp: Es gibt in der Programmiersprache C drei Arten von Schleifen, nämlich while-Schleifen, dowhile-Schleifen und for-Schleifen. Machen Sie sich nochmals den Unterschied zwischen diesen
Schleifenarten klar. Welche Anweisungen dienen zur Programmierung von abweisenden, welche zur
Programmierung von nicht-abweisenden Schleifen? Wie können diese Schleifen in Struktogrammen
grafisch dargestellt werden?
3.2
Programmierung von Verzweigungen
Das abgebildete C-Programm erwartet vom Anwender eine Eingabe, ob zwei Zahlen addiert oder subtrahiert werden sollen. Anschließend wird die gewünschte Berechnung ausgeführt und das Ergebnis
auf dem Bildschirm ausgegeben. Vervollständigen Sie den abgebildeten C-Quelltext!
Tipp: Sie können die Anweisungen if-else oder switch-case benutzen.
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int wahl, a, b, ergeb;
printf("(1) Addition oder (2) Subtraktion: ");
scanf("%d", &wahl);
printf("Zahl A: "); scanf("%d", &a);
printf("Zahl B: "); scanf("%d", &b);
/* Verzweigung, Berechnung, Ausgabe... */
return 0;
}
7
Kostenloser Download über die Seite http://www.microsoft.com
Tilman Küpper, Nils Beutler
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µC.8
Versuchsdurchführung
Um die Programmierung der folgenden Beispiele zu erleichtern, sind auf den Laborrechnern vorbereitete Projektverzeichnisse abgelegt. Oft sind die Programme schon (teilweise) implementiert; Sie
müssen die C-Quelltexte dann nur noch vervollständigen oder – je nach Aufgabenstellung – geeignet
verändern.
4.1
Digitale Ein- und Ausgänge
Im ersten Versuch lernen Sie die digitalen Ein- und Ausgänge des Mikrocontrollers kennen. Die
Anschlüsse des ATmega8515 können entweder als Ein- oder als Ausgänge verwendet werden. Zu
Beginn des Mikrocontroller-Programms muss daher festgelegt werden, welche Anschlüsse welche
Funktion übernehmen sollen. Dazu dienen die sog. „Data Direction Register“ des Mikrocontrollers. Im
Praktikum wird mit den Anschlüssen PB0, PB1, …, PB7 gearbeitet, dem sog. „Port B“. Daher muss
hier das Data Direction Register des Ports B (kurz: DDRB) entsprechend eingestellt werden.
Das DDRB-Register hat eine Größe von 8 Bit. Jedes einzelne Bit bezieht sich auf einen einzelnen
Anschluss: das nullte Bit auf den Anschluss PB0, das erste Bit auf PB1, das zweite Bit auf PB2 usw.
Um einen Anschluss des Mikrocontrollers als Ausgang zu verwenden, muss „sein“ Bit im DDRBRegister auf 1 gesetzt werden. Für Eingänge ist es auf 0 zu setzen.
Die Zuweisung DDRB = 0b00001111; macht beispielsweise die Anschlüsse PB0…PB3 zu Ausgängen und die Anschlüsse PB4…PB7 zu Eingängen. (Wer mag, kann diese Zuweisung statt im Binärformat auch im Dezimal- oder Hexadezimalformat schreiben: DDRB = 15; und DDRB = 0x0F;
haben dieselbe Bedeutung, weil 00001111bin = 15dez = 0Fhex ist.)
Um einen Ausgang ein- oder auszuschalten, muss das entsprechende Bit im PORTB-Register gesetzt
oder gelöscht werden. Dazu werden die Funktionen sbi(PORTB, <Bitnummer>); zum Einschalten
oder cbi(PORTB, <Bitnummer>); zum Ausschalten aufgerufen. Zur Überprüfung, ob an einem
Eingang ein Signal anliegt oder nicht, dient die Funktion bit_is_set(PINB, <Bitnummer>).
Vorbereitung:
Verbinden Sie die Anschlüsse PB0, …, PB3 mit den Leuchtdioden und die Anschlüsse PB4, …, PB7
mit den Tastschaltern auf der Experimentierbox. Wechseln Sie am Laborrechner in das vorbereitete
Projektverzeichnis „Digital_IO“ und öffnen Sie die Datei „Digital_IO.atsln“. Dadurch wird das AVR
Studio gestartet und das vorbereitete C-Programm geladen.
Wählen Sie den Hauptmenüpunkt „Build Rebuild Solution“, um den C-Quelltext in Maschinensprache zu übersetzen. Öffnen Sie anschließend mittels „Tools AVR Programming Apply“ das
Modul zur Datenübertragung an den Mikrocontroller. Es erscheint das in Abb. 6 gezeigte Dialogfenster. Über die obere Schaltfläche „Program“ kann das gerade erstellte Maschinenspracheprogramm
an den Mikrocontroller übertragen und automatisch gestartet werden.
Betätigen Sie die Tastschalter auf der Experimentierbox. Was macht das gerade erstellte Programm?
Programmieraufgabe:
Die Tastschalter auf der Experimentierbox sind „active low“ geschaltet. Ein gedrückter Tastschalter
sendet also ein Low-Signal (= 0) an den Eingang des Mikrocontrollers. Aus diesem Grund sind alle
Leuchtdioden zunächst eingeschaltet und werden durch Druck auf die Tastschalter ausgeschaltet.
Ändern Sie das Programm, so dass die Leuchtdioden bei Betätigung der Tastschalter nicht aussondern eingeschaltet werden! Wenn kein Tastschalter gedrückt ist, sollen die Leuchtdioden nicht
leuchten.
Tilman Küpper, Nils Beutler
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µC.9
/* Taktfrequenz des Controllers muss angegeben werden */
#define F_CPU 1843200UL
/* Include-Dateien mit AVR-spezifischen Funktionen */
#include <compat/deprecated.h>
#include <avr/sfr_defs.h>
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
/* Hauptprogramm */
int main(void)
{
/* PB0...PB3 sind Ausgänge, PB4...PB7 sind Eingänge */
DDRB = 15;
while(1 == 1) /* Endlosschleife */
{
if(bit_is_set(PINB, 4))
sbi(PORTB, 0); /* Bit setzen */
else
cbi(PORTB, 0); /* Bit löschen */
if(bit_is_set(PINB, 5))
sbi(PORTB, 1);
else
cbi(PORTB, 1);
if(bit_is_set(PINB, 6))
sbi(PORTB, 2);
else
cbi(PORTB, 2);
if(bit_is_set(PINB, 7))
sbi(PORTB, 3);
else
cbi(PORTB, 3);
}
return 0;
/* Diese Anweisung wird nie erreicht */
}
Versuchsergebnis:
Beschreiben Sie kurz (mit Stichworten oder einigen Zeilen C-Quelltext), welche Änderungen Sie am
Programm vorgenommen haben!
Tilman Küpper, Nils Beutler
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Korrekten Mikrocontroller auswählen
ISP-Modus wählen
Verzeichnis, Dateiname
überprüfen
Menüpunkt „Memories“
auswählen
Maschinenspracheprogramm
zum Controller senden und
automatisch starten
Abb. 6 – Datenübertragung zum Mikrocontroller
4.2
Eine Verkehrsampel
In diesem Versuch soll eine einfache Verkehrsampel programmiert werden. Die Ampel zeigt zunächst
dauerhaft Rot. Erst wenn ein Tastschalter gedrückt wird, wechselt die Ampel auf Rot-Gelb und dann
auf Grün. Nach einiger Zeit wechselt die Ampel zurück auf Gelb und schließlich wieder auf Rot.
Vorbereitung:
Die Anschlüsse der Leuchtdioden und Tastschalter bleiben unverändert.
In diesem Versuch werden die Leuchtdioden an PB0 (grün), PB1 (gelb) und PB2 (rot) und der
Tastschalter an PB4 verwendet.
Schließen Sie zunächst das AVR Studio, falls es noch geöffnet ist. Wechseln Sie am Laborrechner in
das vorbereitete Projektverzeichnis „Ampel“ und öffnen Sie die Datei „Ampel.atsln“. Nun wird das
AVR Studio mit dem vorbereiteten Ampelprogramm geladen.
Programmieraufgabe:
Vervollständigen Sie das Ampelprogramm, so dass es dem Struktogramm in Abb. 7 entspricht! (Tipp:
Die while-Schleife zum Warten auf den Tastschalter am Anschluss PB4 ist bereits implementiert.)
Tilman Küpper, Nils Beutler
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Abb. 7 – Struktogramm des Ampelprogramms
Versuchsergebnis:
Ergänzen Sie den abgebildeten Quelltext!
#define F_CPU 1843200UL
#include <stdio.h>
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <avr/sfr_defs.h>
#include <compat/deprecated.h>
int main(void)
{
DDRB = 15;
/* PB0...PB3 sind Ausgänge, PB4...PB7 sind Eingänge */
while(1 == 1)
{
cbi(PORTB, 0); cbi(PORTB, 1); sbi(PORTB, 2); /* Ampel auf Rot schalten */
_delay_ms(1000);
while(bit_is_set(PINB, 4)) _delay_ms(50);
/* Auf Tastendruck warten */
}
return 0;
}
Tilman Küpper, Nils Beutler
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4.3
µC.12
Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors
In diesem Versuch soll der auf der Experimentierbox angebrachte Lüfter (Gleichstrommotor) mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden.
Die Drehzahl eines Gleichstrommotors kann dadurch verändert werden, dass man ihn mit einer anderen Versorgungsspannung betreibt. Zur stufenlosen Einstellung der Versorgungsspannung kann im
einfachsten Fall ein veränderlicher Vorwiderstand eingebaut werden. Insbesondere bei größeren
Motorleistungen hat dies allerdings immense ohmsche Verluste im Widerstand zur Folge, weswegen
dieses Verfahren kaum zum Einsatz kommt.
Häufig angewendet wird in der Praxis die Motoransteuerung mittels Pulsweitenmodulation (PWM).
Der Motor wird dabei mit einem Rechtecksignal versorgt. Dieses Rechtecksignal hat eine konstante
Amplitude, der Tastgrad ist hingegen variabel. Solche Rechtecksignale können mit modernen Leistungsschaltern (Schalttransistoren, MOSFETs) mit sehr geringen Verlusten bereitgestellt werden.
Vorbereitung:
Der Ausgang PB0 wird an die Ansteuerschaltung des Lüfters angeschlossen. Die vier Tastschalter
bleiben weiterhin mit den Anschlüssen PB4…PB7 verbunden.
Schließen Sie zunächst das AVR Studio, falls es noch geöffnet ist. Wechseln Sie am Laborrechner in
das vorbereitete Projektverzeichnis „Luefter“ und öffnen Sie die Datei „Luefter.atsln“. Es öffnet sich
das AVR Studio mit dem vorbereiteten C-Programm.
Programmieraufgabe:
Das Beispielprogramm ist so implementiert, dass der Lüfter direkt nach dem Programmstart mit
geringer Geschwindigkeit läuft. Anschließend kann durch Druck auf die vier Tastschalter eine neue
Geschwindigkeit eingestellt werden.
Wie muss das Programm geändert werden, damit der Lüfter direkt nach dem Programmstart zunächst
gar nicht läuft? Ändern Sie das Programm und testen Sie die Änderungen, indem Sie den Stromversorgungsstecker vom Programmiergerät kurz abziehen und wieder einstecken: Der Lüfter sollte
nun nach dem Einstecken zunächst stehen bleiben.
Versuchsergebnis (a):
Beschreiben Sie kurz (entweder Stichworte oder einige Zeilen C-Quelltext), welche Änderungen Sie
im Programm vorgenommen haben!
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/* Ansteuerung eines Lüfters mittels PWM-Signal
#define F_CPU 1843200UL
#include <stdio.h>
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <avr/sfr_defs.h>
#include <compat/deprecated.h>
µC.13
*/
/* PWM-Signal an PB0 aktivieren, vergl. Datenblatt des ATmega8515.
/* Der Tastgrad des PWM-Signals wird über das OCR0-Register in 256
/* Stufen eingestellt (minimal 0, maximal 255).
void init_pwm(void)
{
/* Register TCCR0 ist das "Timer/Counter Control Register 0"
TCCR0 = (1 << WGM00) | (1 << COM01) | (1 << CS01);
OCR0 = 100;
/* Zunächst mittleren Tastgrad einstellen
}
*/
*/
*/
*/
*/
int main(void)
{
DDRB = 15;
/* PB0...PB3 Ausgänge, PB4...PB7 Eingänge */
init_pwm();
/* PWM-Signal an PB0 aktivieren
*/
while(1 == 1)
/* Drehzahl je nach Tastendruck einstellen */
{
if(!bit_is_set(PINB, 4))
OCR0 = 0;
else if(!bit_is_set(PINB, 5))
OCR0 = 100;
else if(!bit_is_set(PINB, 6))
OCR0 = 200;
else if(!bit_is_set(PINB, 7))
OCR0 = 255;
}
return 0;
}
Versuchsergebnis (b):
Überprüfen Sie mit dem Oszilloskop den Spannungsverlauf am Ausgang PB0, womit der Lüfter angesteuert wird. Skizzieren Sie die drei Spannungsverläufe, die sich nach Druck auf die Tastschalter PB4,
PB6 und PB7 ergeben!
U
Spannung
an PB0
t
Zeit
Tilman Küpper, Nils Beutler
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4.4
µC.14
Daten über die serielle Schnittstelle senden
Viele Mikrocontroller sind mit einer seriellen Schnittstelle ausgestattet, so auch der hier verwendete
ATmega8515. Vor der Verwendung muss diese Schnittstelle per Software initialisiert werden (Funktion com_init() – zu Details vergl. Datenblatt des Mikrocontrollers ATmega8515).
Zum Senden eines Zeichens können Sie die Funktion com_send(<Zeichen>) verwenden. 8 Das zu
sendende Zeichen wird entweder mit einfachen Anführungszeichen oder als ASCII-Code übergeben:
com_send('X'); bzw. com_send(88);
Vorbereitung:
Schließen Sie zunächst das AVR Studio, falls es noch geöffnet ist. Wechseln Sie am Laborrechner in
das vorbereitete Projektverzeichnis „Seriell“ und öffnen Sie die Datei „Seriell.atsln“. Es öffnet sich
das AVR Studio mit dem vorbereiteten C-Programm.
Übersetzen Sie das C-Programm in Maschinensprache und übertragen Sie es auf den Mikrocontroller!
Starten Sie am Laborrechner (zusätzlich zum AVR Studio) das Programm „Tera Term“, mit dem die
über die serielle Schnittstelle eintreffenden Daten auf dem Bildschirm angezeigt werden können. Nach
dem Programmstart muss zunächst die korrekte Schnittstelle eingestellt werden: Wählen Sie den zweiten „USB Serial Port“ in der Liste.
Abb. 8 – Schnittstelle in Tera Term einstellen
Programmieraufgabe:
Ergänzen Sie das C-Programm, so dass die Zeichenfolge „Hallo“ nicht mehr ohne Leerzeichen hintereinander ausgegeben wird! Stattdessen soll nach jeder Ausgabe zum Anfang der folgenden Zeile
gesprungen werden.
Tipp: Eine ASCII-Tabelle ist auf der letzten Seite abgedruckt.
Versuchsergebnis:
Welche Zeichen bzw. ASCII-Codes müssen für einen Zeilenumbruch (englisch „Carriage Return“)
und für einen Zeilenvorschub (englisch „Line Feed“) ausgegeben werden?
Zeilenumbruch:
(Carriage Return, CR)
Zeilenvorschub:
(Line Feed, LF)
8
Soll ein Zeichen über die serielle Schnittstelle nach „außen“ (zum Beispiel zu einem angeschlossenen PC)
gesendet werden, muss zunächst abgewartet werden, bis eine evtl. gerade laufende Datenübertragung beendet
ist. Der Mikrocontroller zeigt die Bereitschaft zum Senden dadurch an, dass im Register UCSRA das Bit Nr. 5
gesetzt ist. Das zu sendende Zeichen kann dann in das „Senderegister“ UDR geschrieben werden. Die bereits
fertig programmierte Funktion com_send(<Zeichen>) führt diese Schritte der Reihe nach aus.
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µC.15
/* Daten über die serielle Schnittstelle zum PC senden */
#define F_CPU 1843200UL
#include
#include
#include
#include
#include
<stdio.h>
<avr/io.h>
<util/delay.h>
<avr/sfr_defs.h>
<compat/deprecated.h>
#define BAUD 9600UL
#define UBRR_VAL ((F_CPU + BAUD * 8) / (BAUD * 16) - 1)
/* Schnittstelle zum Senden mit
void com_init(void)
{
UBRRH = UBRR_VAL / 256; /*
UBRRL = UBRR_VAL & 255; /*
UCSRB |= (1 << TXEN), UCSRC
}
9600 baud aktivieren */
Details zur Initialisierung der seriellen */
Schnittstelle: siehe Datenblatt ATmega8515 */
= (1 << UCSZ1) | (1 << URSEL) | (1 << UCSZ0);
/* Ein Zeichen über die serielle Schnittstelle senden - vergl. Fußnote (8) */
void com_send(char ch)
{
while(!bit_is_set(UCSRA, 5)) { /* warten */ }
UDR = (unsigned char)ch;
}
int main(void)
{
com_init();
while(1 == 1)
{
_delay_ms(500);
com_send('H'); com_send('a'); com_send('l');
com_send('l'); com_send('o');
}
return 0;
}
4.5
Der Temperatursensor SMT 160-30
Am unteren linken Rand der Experimentierbox ist ein Temperatursensor des Typs SMT 160-30 angebracht. In diesem Versuch soll dieser Sensor abgefragt und die gemessene Temperatur über die serielle
Schnittstelle zum PC gesendet werden. In Abschnitt 2 wurde gezeigt, dass der Sensor an seinem Ausgang ein Rechtecksignal mit einem von der aktuellen Temperatur abhängigen Tastgrad ausgibt.
Der Mikrocontroller muss diesen Tastgrad ermitteln. Dazu liest der Mikrocontroller über einen längeren Zeitraum hinweg das Sensorsignal regelmäßig ein. Immer, wenn der Sensor ein 5V-Signal (logische „1“) liefert, wird eine Zählervariable z1 hochgezählt. Bei einem 0V-Signal (logische „0“) wird
eine zweite Zählervariable z2 hochgezählt. Für den Tastgrad gilt dann:
D = z1 / (z1 + z2)
Es ist wichtig, dass das Sensorsignal tatsächlich in exakt regelmäßigen Zeitintervallen eingelesen wird,
andernfalls wird der Tastgrad nicht korrekt berechnet. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, einen sog.
„Timer-Interrupt“ des Mikrocontrollers zu aktivieren. Dieser sorgt dann automatisch für den
regelmäßigen Aufruf der Einlesefunktion.
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µC.16
Vorbereitung:
Verbinden Sie den Ausgang des Temperatursensors mit dem Eingang PB4 des Mikrocontrollers.
Schließen Sie zunächst das AVR Studio, falls es noch geöffnet ist. Wechseln Sie am Laborrechner in
das vorbereitete Projektverzeichnis „SMT16030“ und öffnen Sie die Datei „SMT16030.atsln“. Es
öffnet sich das AVR Studio mit dem vorbereiteten C-Programm.
Starten Sie am Laborrechner (zusätzlich zum AVR Studio) das Programm „Tera Term“, mit dem die
über die serielle Schnittstelle eintreffenden Daten auf dem Bildschirm angezeigt werden können.
/* ------------------------------------------------------------/* Temperatursensor SMT 160-30 abfragen und gemessene Temperatur
/* über die serielle Schnittstelle zum PC senden
/* ------------------------------------------------------------#define F_CPU 1843200UL
#include
#include
#include
#include
#include
#include
*/
*/
*/
*/
<stdio.h>
<avr/io.h>
<util/delay.h>
<avr/sfr_defs.h>
<compat/deprecated.h>
<avr/interrupt.h>
#define BAUD 9600UL
#define UBRR_VAL ((F_CPU + BAUD * 8) / (BAUD * 16) - 1)
/* Globale Zählervariablen für den Ausgang des Temperatursensors */
volatile long z1, z2;
/* Diese sog. "Timer-Interruptfunktion" wird vom Mikrocontroller */
/* regelmäßig aufgerufen, vergl. Datenblatt ATmega8515.
*/
ISR (TIMER0_OVF_vect)
{
if(bit_is_set(PINB, 4))
++z1;
else
++z2;
}
/* Serielle Schnittstelle zum Senden mit 9600 baud aktivieren.
*/
void com_init(void)
{
UBRRH = UBRR_VAL / 256; /* Details zur Initialisierung der seriellen */
UBRRL = UBRR_VAL & 255; /* Schnittstelle: siehe Datenblatt ATmega8515 */
UCSRB |= (1 << TXEN), UCSRC = (1 << UCSZ1) | (1 << URSEL) | (1 << UCSZ0);
}
/* Ein Zeichen über die serielle Schnittstelle senden - vergl. Fußnote (8) */
void com_send(char ch)
{
while(!bit_is_set(UCSRA, 5)) { /* warten */ }
UDR = (unsigned char)ch;
}
/* Wie printf, Ausgabe erfolgt aber über die ser. Schnittstelle. */
void com_printf(const char* pformat, ...)
{
static char buf[100]; size_t i = 0; va_list arg;
va_start(arg, pformat); vsnprintf(buf, 100, pformat, arg); va_end(arg);
while(buf[i] != 0 && i < 100) com_send(buf[i++]);
}
/* Hauptprogramm */
Tilman Küpper, Nils Beutler
03/2013
Labor für Elektronik und elektrische Antriebe
Praktikum zur Lehrveranstaltung Elektronik/Mikroprozessortechnik
µC.17
int main(void)
{
double d, t;
com_init();
DDRB = 15; /* PB0...PB3 Ausgänge, PB4...PB7 Eingänge */
/* Timer-Interrupt initialisieren, vergl. Datenblatt ATmega8515 */
TCCR0 = (1 << CS00), TIMSK |= (1 << TOIE0);
while(1 == 1)
{
z1 = 0, z2 = 0;
/* Timer-Interrupt einschalten, 1 Sekunde warten, wieder ausschalten */
sei(); _delay_ms(1000); cli();
/* Aus den Zählerständen z1 und z2 wird der Tastgrad berechnet */
d = 1.0 * z1 / (z1 + z2);
com_printf("z1 = %ld, z2 = %ld, D = %f \r\n", z1, z2, d);
}
}
Programmieraufgabe:
Das C-Programm ermittelt den aktuellen (von der Temperatur abhängigen) Tastgrad des Sensorsignals
und sendet diesen über die serielle Schnittstelle an den PC.
Ergänzen Sie das C-Programm, so dass zusätzlich zum Tastgrad auch die (daraus berechnete) Temperatur an den PC gesendet wird! Hinweis: Zum Zusammenhang zwischen Tastgrad und Temperatur
vergl. die Beschreibung des Temperatursensors in Abschnitt 2.
Versuchsergebnis:
Stellen Sie mit dem Oszilloskop das vom Temperatursensor ausgegebene Rechtecksignal dar. Ermitteln Sie am Oszilloskop den Tastgrad D und daraus die Temperatur T. Vergleichen Sie diese am
Oszilloskop gemessenen Werte mit denjenigen, die vom Mikrocontroller gesendet werden!
Tastgrad D
(Oszilloskop)
Temperatur T
(Oszilloskop)
Tastgrad D
(Mikrocontroller)
Temperatur T
(Mikrocontroller)
Tilman Küpper, Nils Beutler
03/2013
Labor für Elektronik und elektrische Antriebe
Praktikum zur Lehrveranstaltung Elektronik/Mikroprozessortechnik
4.6
µC.18
Ein elektronischer Würfel
Im letzten Versuch soll ein elektronischer Würfel programmiert werden: Wenn der Tastschalter an
PB4 betätigt wird, berechnet der Mikrocontroller eine Zufallszahl zwischen 1 und 6 und sendet die
Zufallszahl über die serielle Schnittstelle an den PC.
Tipp: z = 1 + rand() % 6;
Vorbereitung:
Verbinden Sie einen Tastschalter mit dem Eingang PB4 des Mikrocontrollers.
Schließen Sie zunächst das AVR Studio, falls es noch geöffnet ist. Wechseln Sie am Laborrechner in
das vorbereitete Projektverzeichnis „Wuerfel“ und öffnen Sie die Datei „Wuerfel.atsln“. Es öffnet sich
das AVR Studio mit dem vorbereiteten C-Programm.
Programmieraufgabe (a):
Das Hauptprogramm (Funktion main) ist noch gar nicht vorhanden – es muss vollständig von Ihnen
programmiert werden!
Programmieraufgabe (b):
Wenn Sie noch etwas Zeit haben, erweitern Sie Ihr C-Programm: Lassen Sie die Zufallszahl (zusätzlich zur Übertragung an den PC) auch durch die Leuchtdioden auf der Experimentierbox anzeigen!
Sie können dazu drei Leuchtdioden mit den Ausgängen PB0, PB1 und PB2 verbinden. Die Ausgabe
der „gewürfelten“ Zahl erfolgt dann im Binärformat (001, 010, 011, 100, 101 bzw. 110).
5
Anhang
5.1
Webseiten zur AVR-Mikrocontrollerprogrammierung
http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial
Dieses AVR-Tutorial führt auf einfache Weise in die Arbeit mit AVR-Mikrocontrollern ein.
Zunächst wird die minimal erforderliche Hardwareausstattung beschrieben. Die Programmierung
geschieht in Assembler (Maschinensprache), also deutlich „hardwarenaher“ im Vergleich zur
Programmiersprache C.
http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-GCC-Tutorial
Das AVR-GCC-Tutorial zeigt die Programmierung von AVR-Mikrocontrollern in der Programmiersprache C. Die Beschreibung der benötigten Hardware ist allerdings nicht so ausführlich wie
im zuerst genannten AVR-Tutorial. (Tipp: Mit dem AVR-Tutorial beginnen. Wenn die ersten
Programme laufen, mit dem AVR-GCC-Tutorial fortsetzen…)
http://www.avrfreaks.net/
Ein umfangreiches Internetangebot in englischer Sprache zu allen Aspekten der AVR-Programmierung. Auch ein Forum mit vielen Unterforen zu Hard- und Softwarefragen oder auch zu „Anfängerproblemen“ ist vorhanden.
http://www.atmel.com/
Die Firma Atmel ist der Hersteller der AVR-Mikrocontrollerfamilie. Auf der Firmen-Webseite befinden sich Datenblätter zu allen AVR-Mikrocontrollern und umfangreiche „Application Notes“.
Tilman Küpper, Nils Beutler
03/2013
Labor für Elektronik und elektrische Antriebe
Praktikum zur Lehrveranstaltung Elektronik/Mikroprozessortechnik
5.2
µC.19
American Standard Code for Information Interchange (ASCII)
Abb. 9 – ASCII-Tabelle9
9
Aus Wikipedia, Die freie Enzyklopädie, http://de.wikipedia.org/wiki/American_Standard_Code_for_Information_Interchange (Stand: 10. März 2013)
Tilman Küpper, Nils Beutler
03/2013
