Hochschule München Fakultät für Feinwerk- und Mikrotechnik. Bachelorarbeit

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1 Hochschule München Fakultät für Feinwerk- und Mikrotechnik Bachelorarbeit Mikrokontroller als Kommunikationsschnittstelle für LED-Messagedisplay Microcontroller as interface to LED - message display vorgelegt von Maximilian von Sperl Bearbeitungsbeginn: Abgabetermin: Betreuer: Prof. Jürgen Plate Lfd. Nr.: 01375

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3 Erklärungen des Bearbeiters: Name: von Sperl Vorname: Maximilian 1) Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Bachelorarbeit selbständig verfasst und noch nicht anderweitig zu Prüfungszwecken vorgelegt habe. Sämtliche benutzte Quellen und Hilfsmittel sind angegeben, wörtliche und sinngemäße Zitate sind als solche gekennzeichnet. München, den 20. Dezember 2011 Unterschrift 2) Ich erkläre mein Einverständnis, dass die von mir erstellte Bachelorarbeit in die Bibliothek der Hochschule München eingestellt wird. Ich wurde darauf hingewiesen, dass die Hochschule in keiner Weise für die missbräuchliche Verwendung von Inhalten durch Dritte infolge der Lektüre der Arbeit haftet. Insbesondere ist mir bewusst, dass ich für die Anmeldung von Patenten, Warenzeichen oder Geschmacksmuster selbst verantwortlich bin und daraus resultierende Ansprüche selbst verfolgen muss. München, den 20. Dezember 2011 Unterschrift

4 4 Kurzfassung Ziel der Bachelorarbeit war die Entwicklung und Anfertigung einer Schnittstelle zwischen einem Computer und einem LED-Message-Display. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Schaltplan mit den zur Ansteuerung des Message-Displays benötigten Komponenten entworfen, ein Platinenlayout konzipiert, die Platine aus dem Layout erstellt und bestückt, der verwendete Mikrocontroller in der Programmiersprache C mittels ISP (In-System- Programming) programmiert und eine grafische Benutzeroberfläche zur Ansteuerung des Interfaces über die RS232 Schnittstelle in der Programmiersprache Python mit dem GUI Toolkit TkInter entwickelt. Abstract The goal of this project was to design an interface between a computer and a LED-message display. To achieve this a circuit diagram containing the necessary components to control the display was designed and a board layout created. Based on the layout a circuit board was built and fit with components. After assembly the microcontroller was programmed via ISP in the programming language C and a GUI (Graphical User Interface) to submit messages to the message display over RS232 was devised using Python in conjunction with the GUI Toolkit TkInter.

5 Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung der Hardware Einführung Anforderungen Benötigte Bauteile Entstehung des Schaltplans CADSoft EAGLE Auswahl und Beschaltung der Bauteile Mikrocontroller Spannungswandler Pegelumsetzer Sonstige Peripherie Endgültiger Schaltplan Herstellung der Leiterplatte Vorbereitung des Ätzvorganges Entstehung der Leiterplatte Entwicklung der Software Eigenschaften des Displays Beschreibung der Funktionsweise des Interfaces Zeichensatz und Funktionen des Messagedisplays Programmieren des µc Initialisierung Funktionsbeschreibung der einzelnen Bits im Register UCSR0A [1] Funktionsbeschreibung der einzelnen Bits im Register UCSR0B [1]

6 6 Inhaltsverzeichnis Funktionsbeschreibung der einzelnen Bits im Register UCSR0C [1] Register UBRR Grundlegender Aufbau des Programms Arbeitsweise der Funktionen Die Funktion read Die ISRs (Interrupt Service Routine) Hauptfunktion main() Entwicklung der Benutzeroberfläche unter GNU/Linux Anforderungen an Benutzerfreundlichkeit TkInter PySerial Aufbau und Funktionsweise des Programms Ausgabe von Zeichenfolgen Anhang 39 A.1 Anhang Literaturverzeichnis 61

7 1 Entwicklung der Hardware 1.1 Einführung Es wird eine Lösung zur Ansteuerung eines LED-Message-Displays mittels eines Rechners gesucht. Die im Display verbaute Tastatur soll auch weiterhin benutzbar sein. Um die Bedienung des Displays sowohl über einen Computer als auch über die displayeigene Tastatur zu gewährleisten wird die LED Matrix des Displays nicht direkt angesprochen. Statt dessen wird die neue Schnittstelle parallel zur bestehenden Tastatur geschaltet um Tastendrücke simulieren zu können. Auf Grund weitreichendem Bekanntheitsgrades und fast universeller Verfügbarkeit fällt die Wahl der Datenübertragung zum Mikrokontroller auf die serielle Schnittstelle. Das Format der Übertragung wird auf den RS-232 Standard festgelegt. Warum RS232? Der Übertragungsstandard wurde im Jahr 1962 erstmals von der EIA (Electronic Industries Association) zur Kommunikation zwischen Modems und Fernschreibgeräten entwickelt, später wurde er zur Verbindung von Modems und PCs benutzt. Die heutige Version des RS-232-Standards wurde 1997 eingeführt. Die offizielle Bezeichnung lautet (ANSI EIA) TIA-232- F. [2]

8 8 1 Entwicklung der Hardware Anforderungen Aus der Problemstellung folgen die Anforderungen an die Platine: Datenübertragung über RS232 Spannungsversorgung über das Netzteil des Message-Displays Programmierung des Mikrocontrollers auf der Platine (ISP) Integration in das Display Gehäuse Benötigte Bauteile Aus den Anforderungen ergeben sich einige Grundbauteile die zum Erreichen der gesteckten Ziele nötig sind: Mikrocontroller Spannungswandler Ein externer Quarz 6-poliger ISP Pegelumsetzer: Kommunikation mit µc über RS232 Standard Buchse zum Anschluss der seriellen Schnittstelle 1.2 Entstehung des Schaltplans CADSoft EAGLE Für die Erstellung des Schaltplans und der Leiterplatte wurde die Freeware-Version von EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) verwendet. EAGLE ist ein EDA (Electronic Design Automation) Software- Paket aus dem Hause CADSoft [3] Auswahl und Beschaltung der Bauteile Mikrocontroller Als Herzstück der Platine dient ein ATMega 88 Mikrocontroller aus dem Hause Atmel. Verwendung findet er vor allem aufgrund seiner vielen frei zur Verfügung stehenden Ports. Des Weiteren verfügt er über 8KiB internen Flash-Speicher zur In-System-Programmierung (Abbildung 1.1 auf Seite 9). PB6 und PB7 (XTAL1 und XTAL2) sind mit dem Oszillator-Quarz für den externen Takt belegt. PD0 (RXD, Receive Data USART Input) liegt an

9 1.2 Entstehung des Schaltplans 9 Abbildung 1.1: Pin Belegung des Atmel ATMega 88 [1] Ausgangsspannung des Max232 Pegelumsetzers (R1OUT) an. PD1 (TXD, Transmit Data USART Output) ist mit Kanal 1 Input des Max232 (T1N) verbunden. PB0 sowie PD2:7 werden herausgeführt und mit den Eingängen der Tastaturmatrix verbunden. PB1:2 und PC0:5 werden ebenfalls herausgeführt und dienen als Ausgänge der Tastaturmatrix. Spannungswandler Der Spannungswander ist ein LM2940 im TO-220-Gehäuse. Ein gesonderter Kühlkörper ist bei einer Wandlung der +6V-Versorgungsspannung des Messagedisplays auf die vom Microcontroller und dem Pegelumsetzer benötigten +5V nicht nötig. Pegelumsetzer Als Pegelumsetzer fungiert der Max232 von Maxim (siehe Abbildung 1.2 auf Seite 10). Wie schon der AtMega 88 benötigt dieser Pegelumsetzer ebenfalls eine Betriebsspannung von +5V, sodass beide Bausteine mit einer Spannungsquelle betrieben werden können. Der Pegelumsetzer verfügt über zwei Kanäle, von denen jedoch nur einer in der Schaltung genutzt wird. Er empfängt RS232-Daten über den Port R1IN (Pin 13), setzt diese in für den USART des ATMega88 verarbeitbare Pegel um und gibt diese auf Port R1OUT (Pin 12) aus. Auf ähnliche Weise können die Pegel des US-

10 10 1 Entwicklung der Hardware ART auf Pin 11 (T1IN) als RS232-Signal über T1OUT an das angeschlossene Gerät, in diesem Fall ein Computer, zurückgegeben werden. Abbildung 1.2: Max232 Pin Belegung [4] Sonstige Peripherie Die Beschaltung des externen Taktgeberquarzes geschieht in der im Datenblatt des Atmega88 auf den Seiten 31 und 32 dafür vorgesehenen Weise [1]. Die Verwendung des externen Quarzes bedingt das Setzen der zugehörigen Fuse Bits auf die jeweils in Klamern vermerkten Werte CKSEL0 (1) und SUT1..0 (1;1). Fuse Bits aus Table 9-6 [1]. MISO (Master In Slave Out), MOSI (Master Out Slave In), RESET, SCK, +5V sowie Masse vom µc werden über einen 6-poligen Pin-Header mit Verpolschutz zum ISP (In-System-Programming) -Anschluss zusammengelegt. Für einen Neustart der Schnittstelle ist ein Reset-Taster in die Schaltung eingearbeitet. Siehe Abbildung 1.3 auf Seite 11 Die Datenübertragung vom PC zum Interface erfolgt über D-SUB-9 Stecker. Hierzu liegt Pin 13 des Pegelumsetzers (RXD) an Pin 2 der D-SUB-Buchse, Pin 14 (TXD) an Pin 3 der Buchse und Pin 5 der Buchse liegt auf Masse. Auf Seiten des PCs ergibt sich eine ähnliche Belegung, jedoch sind natürlich Pin 2 und Pin 3 (RXD/TXD) vertauscht. Betrachtet man rein prinzipiell die zur Kommunikation benötigte Pinbelegung, ergibt sich die in Abbildung 1.4 auf Seite 12 dargestellte Prinzipschaltung. Diese Schaltung ist in diesem Zustand natürlich nicht funktionsfähig, sondern soll nur die Belegung verdeutlichen.

11 1.3 Herstellung der Leiterplatte 11 Abbildung 1.3: Reset Taster Endgültiger Schaltplan Wie erwähnt, wurde der Schaltplan mit Hilfe der PCB-Design-Software EAGLE der Firma CadSoft erstellt. Die Freeware version von EAGLE (EA- GLE light Edition) für nicht kommerzielle Anwendung, unterliegt folgenden Einschränkungen: [3] Die nutzbare Platinenfläche ist auf 100 x 80 mm (4 x 3.2 Zoll) beschränkt. Es können nur zwei Signal-Lagen (Top und Bottom) verwendet werden. Der Schaltplan-Editor kann nur eine Seite erzeugen. Diese Beschränkungen wirken sich jedoch nicht auf das Projekt aus. Der Schaltplan wurde nach den vorhergehenden Ausführungen aufgebaut und ist in Abbildung 1.5 auf Seite 13 dargestellt. Für eine größere Abbildung des Schaltplans siehe Anhang, Abbildung A.3, Seite Herstellung der Leiterplatte Da das Herstellen einer einseitig belichteten Platine um einiges leichter ist und sich die Anzahl der Bauteile und folglich die Zahl der Leiterbahnen in Grenzen hält, wird nur der Bottom Layer der Platine bei der Erstellung des Layouts verwendet. Das Legen der Leiterbahnen, das so genannte Routing, erfolgt fast vollständig von Hand. Die Bauteile müssen platzsparend, aber auch sinnvoll auf der zur Verfügung stehenden Fläche untergebracht werden.

12 12 1 Entwicklung der Hardware Abbildung 1.4: Prinzip-Schaltung zur Pin Belegung der RS232 Verbindung Idealerweise werden die zu dem jeweiligen Bauteil gehörenden Stützkondensatoren möglichst ortsnah angebracht und lange Leitungsführungen möglichst vermieden. Damit im späteren Ätz-Vorgang weniger Kupfer abgetragen werden muss, wird eine Massenfläche verwendet, die automatisch alle auf Masse liegenden Anschlüsse miteinander verbindet. Eagle verfügt über einen Autorouter zum automatischen Legen der Leiterbahnen. Da das Platzieren der Bauteile und die Einsicht in die Funktion der Schaltung jedoch wichtig sind um ein gutes Layout zu erhalten, ist dieser bei komplexeren Projekten weitestgehend nicht zu gebrauchen. Bei diesem Projekt wurde jedoch vor allem aus ästhetischen Gründen auf die Verwendung des Autorouters verzichtet.

13 1.3 Herstellung der Leiterplatte 13 Abbildung 1.5: Endgültiger Schaltplan Zur späteren Montage im Displaygehäuse wurden drei Fixationslöcher vorgesehen, da sich so ein hinreichender Halt mit gleichzeitig geringer Spannung im Material realisieren lässt. Durch die selbst auferlegte Begrenzung auf einen Layer bleiben auch nach zeitintensiven Bemühungen zwei Lötbrücken bestehen. Das endgültige Layout ist auf Seite 14 in der Abbildung 1.6 zu sehen Vorbereitung des Ätzvorganges Um die Platine ätzen zu können, wird das in EAGLE erstellte Board-Layout nun zur Belichtung vorbereitet. Zu diesem Zweck müssen für den Druckvorgang als erstes die Bauteile auf den Leiterbahnen ausgeblendet werden. Siehe Abbildung 1.7 auf Seite 15. Das auf diese Weise entstandene Bild wird wie in Abbildung 1.8 auf Seite 16 ersichtlich, mittels Laserdrucker monochrom auf eine Klarsichtfolie aufgebracht. Um die Deckung des Laserdruckers zu verbessern und somit eine qualitativ hochwertigere Belichtung des Platinenmaterials zu erreichen, werden zwei Exemplare des Foliendrucks deckungsgleich adhäsiv verbunden.

14 14 1 Entwicklung der Hardware Abbildung 1.6: Endgültiges Layout Entstehung der Leiterplatte Zur Belichtung der Leiterplatte wird eine portable UV Lampe verwendet. Der Abstand zur Lampe sowie die Belichtungszeit sind Erfahrungswerte und werden deshalb nicht näher analysiert. Des Weiteren variiert die nötige Belichtungszeit stark, da die dem Verfasser zur Verfügung stehenden Platinen Rohlinge unbekannten Alters und teilweise nicht optimal gelagert waren. Nach angemessener Belichtungszeit von ca. 63 Sekunden wird die UV Lampe abgeschaltet. Vor der Belichtung wurden ca. 13g Natriumhydroxid bei Raumtemperatur in einem halben Liter Wasser in Lösung gebracht. In der Natronlauge wird die Platine unter ständiger Bewegung entwickelt. Die Entwicklungszeit variiert je nach Konzentration der Natronlauge und Temperatur zwischen Sekunden und Minuten. Bei zu hoher Konzentration der Natronlauge oder zu hoher Temperatur der Lösung können auch unbelichtete Bereiche des Platinenmaterials angegriffen werden, was beim Ätzvorgang zur Zerstörung der Leiterbahnen führt. Gerade bei schlechten oder variierenden Herstellungsbedingungen

15 1.3 Herstellung der Leiterplatte 15 Abbildung 1.7: Layout mit ausgeblendeten Bauteilen sollte also schon bei der Entwicklung des Layouts möglichst auf hinreichend große Abstände zwischen den Leiterbahnen sowie auf eine Mindestbreite geachtet werden. Der Ätzvorgang erfolgt in einer Glaswanne. In einem halben Liter Wasser werden 125g Natriumpersulfat gelöst und durch einen stromdurchflossenen Leiter auf ca. 40 C erhitzt. Die Temperatur sollte soweit möglich während des Ätzvorgangs zwischen 45 und 50 C gehalten werden. Erfahrungsgemäß sollten mindestens 30 eingestellt werden da sich sonst die benötigte Ätzzeit stark verlängert. Beim Ätzvorgang entsteht sowohl Natrium- als auch Kupfersulfat in folgender Reaktion Na 2 S 2 O 8 + Cu Na 2 SO 4 + CuSO 4 welches als Umweltgift unter Strafe nie dem Abfluss zugeführt werden darf, sondern in einer dedizierten Sammelstelle zur sachgerechten Entsorgung abgegeben werden muss.

16 16 1 Entwicklung der Hardware Abbildung 1.8: Monochrome Druckvorlage für Foliendruck Die Platine wurde anschliessend mit den im Schaltplan festgelegten Bauteilen bestückt. Im Folgenden eine Liste der zur Bestückung benötigten Bauteile: 1x LM2940 1x ELCO-0,47µF 1x ELCO-22µF 5x ELCO-1µF 2x C-100nF 2x C-22pF 1x CRYSTALHC49S (Quartz 18Mhz) 1x 10-XX - Package B3F-10XX (Reset Taster) 1x R-10kOhm

17 1.3 Herstellung der Leiterplatte 17 2x R-330Ohm 1x PINHD-2X3 (ISP Pinheader mit Verpolungsschutz) 1x Atmega88-20PU 1x MAX232 1x PINHD-2X2 Die fertig geätzte und bestückte Platine ist auf Seite 18 in der Abbildung 1.9 dargestellt. Nach Fertigstellung der Platine wurde diese im ehemaligen Batteriefach des Displays untergebracht. Das Fach bietet nicht nur ausreichend Platz, sondern ermöglicht auch einen schnellen und einfachen Zugang zum Ein-, beziehungweise Ausbau des Interfaces. Siehe Seiten 19 und 20, Abbildungen

18 18 1 Entwicklung der Hardware Abbildung 1.9: Fertig geätzte Platine

19 1.3 Herstellung der Leiterplatte 19 Abbildung 1.10: Im Display angebrachtes Interface

20 20 1 Entwicklung der Hardware Abbildung 1.11: Innenleben des Displays mit montiertem Interface

21 2 Entwicklung der Software 2.1 Eigenschaften des Displays Die LED Matrix des Displays besteht aus einem 72x7-Array roter LEDs. Tastendrücke auf dem Keyboard werden registriert, indem die Zeilen der Matrix mit einer Frequenz von 50Hz der Reihe nach durchgeschaltet werden. Wird nun eine Taste gedrückt, werden die jeweilige Zeile und Spalte der Matrix leitend verbunden und der Controller des Displays gibt ein entsprechendes Zeichen auf der LED-Matrix aus Beschreibung der Funktionsweise des Interfaces Um durch den Mikrocontroller eine Ausgabe auf dem Display zu veranlassen, wird nach Empfang eines Zeichens über RS232 eine ISR aktiviert, die bei einem Interrupt-Ereignis des Pin-Change-Interrupt-Vektors, hervorgerufen durch einen Pegelwechsel auf dem für die Ausgabe benötigten Eingangsport, den zu dieser Zeit anliegenden Pegel ausliest. Bei niedrigem Pegel am Eingang wird der jeweilige Ausgangsport für die Dauer bis zum nächsten Interrupt-Ereignis, also einem weiteren Pegelwechsel am Eingang, auf Masse gezogen (Pulldown). Somit wird die Funktion der Tastatur emuliert, indem Ein- und Ausgang der Tastatur nun über Masse verbunden sind. Liegt ein hoher Pegel am Einang an wird der Ausgang wieder geschlossen, das heisst er liegt nicht mehr aus Masse. Dieses Vorgehen wird in den folgenden sechzehn Pegelwechseln wiederholt um sicherzustellen, dass die Entprellung der Displaytastatur nicht zu einer Unterdrückung des Zeichens führt.

22 22 2 Entwicklung der Software Zeichensatz und Funktionen des Messagedisplays Das Display verfügt über einen Satz von 55 Zeichen und Funktionen. Tabelle 2.1 auf Seite 22 zeigt die Zuordnung der Eingänge der Tastaturmatrix zu den Ausgängen die bei der Ausgabe von Zeichen auf das Display angesteuert werden. Die Tabelle wurde ermittelt indem zwischen jedem Ein- und Ausgang der Tastaturmatrix, bei Benutzung der Display-internen Tastatur, mit einem Oszilloskop auf zeitgleiche Pegelwechsel zu einem L-Pegel untersucht wurde. Hinter den jeweiligen Zeichen befinden sich in Klammern die Hex- Codes die zur Ausgabe des zugehörigen Zeichens über RS-232 an den Mikrocontroller übergeben werden müssen. Der Codesatz orientiert sich dabei weitgehend an der Standard-ASCII-Tabelle. Buchstaben können jeweils in Groß- und Kleinschreibung an das Display übertragen werden, sie können jedoch auf Grund der technischen Voraussetzungen des Displays nur als Großbuchstaben ausgegeben werden. Ausgänge Eingänge PB1 PB2 PC0 PC1 PB0 X (0x78;0x58) 7 (0x37) Symbol: Herz (0xFE) P (0x50;0x70) PD7 Y (0x59;0X79) 8 (0x38) Symbol: Fisch (0xFF) Q (0x51;0x71) PD6 Z (0x5A;0x7A) 9 (0x39) Cursor rechts (0x3E) R (0x52;0x72) PD5 W (0x57;0x77), (0x2C) Symbol: Stern (0x2A) O (0x4F;0x6F) PD4 V (0x56;0x76), (0x2E) Symbol: Gesicht (0xFD) N (0x4E;0x6E) PD3 U (0x55;0x75) Symbol:? (0x3F) Symbol: $ (0x24) M (0x4D;0x6D) PD2 T (0x54;0x74)! (0x21) 0 (0x30) L (0x4C;0x6C) Eingänge PC2 PC3 PC4 PC5 PB0 4 (0x34) Scroll (0x2B) 1 (0x31) E (0x45;0x65) PD7 5 (0x35) - 2 (0x32) F (0x46;0x66) PD6 6 (0x36) recall (0x23) 3 (0x33) G (0x47;0x67) PD5 Cursor links (0x3C) clear (0x2D) K (0x4B;0x6B) D (0x44;0x64) PD4 Space (0x20) Sec. (0xAA) J (0x4A;0x6A) C (0x43;0x63) PD3 Min. (0xAB) Hour (0xAC) I (0x49;0x69) B (0x42;0x62) PD2 S (0x53;0x73) Clock (0xAD) H (0x48;0x68) A (0x41;0x61) Tabelle 2.1: Zeichensatz mit Zuordnung der Ein- und Ausgänge der Schnittstelle 2.2 Programmieren des µc Wie schon beim Design der Schaltung angedeutet, geschieht das Programmieren des Mikrocontrollers per IS, also auf der Platine. Die Entwicklungsumgebung wird unter dem Namen AVR Studio von Atmel kostenfrei zur Verfügung gestellt. Als Compiler dient die GNU (GNU is Not Unix) Compiler Collection, GCC, welche frei unter GNU GPL (General Public License) vertrieben wird. Zur Programmierung wird das Programmiergerät AVRISP mkii verwendet. [5] Siehe Abbildung 2.1 auf Seite 23 Merkmale des Programiergerätes sind: Programmiert sowohl Flash als auch EEPROM Kann fuses und lock bits setzen

23 2.2 Programmieren des µc 23 Arbeitet mit Zielspannungen von 1.8V bis 5.5V Einstellbare ISP-Programmiergeschwindigkeit (50Hz bis 8MHz SCK Frequenz) USB-2.0-konform (volle Geschwindikeit, 12Mbps) Stromversorgung über USB, braucht keine externe Versorgung Kurzschlussschutz Abbildung 2.1: Programmiergerät AVRISP mkii [5] Initialisierung 1 void s y s t e m _ i n i t ( void ) { 3 / / den Watchdog a b s c h a l t e n MCUSR=0; 5 wdt_disable ( ) ; 7 / / Eingaenge DDRB &= ~0 x01 ; / / 0 9 DDRD &= 0x03 ; / / / / s p a e t e r e Ausgaenge DDRB &=~0x06 ; / / DDRC &=~0x3F ; / / }

24 24 2 Entwicklung der Software In Zeile 8 und 9 werden über die Data Direction Register Port B0 und Port D2 bis Port D7 auf Eingang geschaltet um die eingehenden Pegel der Tastaturmatrix auslesen zu können. In den Zeilen 12 und 13 werden die späteren Ausgänge auf Port B1, Port B2 sowie Port C0 bis Port C5 vorerst als Eingang festgelegt um sicher zu stellen, dass keine ungewollten Ausgaben an das Display stattfinden. Nun folgt die Initialisierung des USART, also des Universal Synchronous and Asynchronous Serial Receiver and Transmitters, über den die am Display darzustellenden Zeichen über RS232 vom PC empfangen werden. void u s a r t _ i n i t ( void ) 2 { v o l a t i l e u i n t 8 _ t t ; 4 UCSR0A=0x60 ; 6 UCSR0B=0x10 ; UCSR0C=0x06 ; / / USART e i n s t e l l e n 8 UBRR0=119; / / 9600 baud b e i Mhz t =UDR0; 10 } Um den USART für den Empfang vorzubereiten, müssen zuerst die US- ART Control and Status Register 0A/B/C mit den benötigten Optionen beschrieben werden. Funktionsbeschreibung der einzelnen Bits im Register UCSR0A [1] Bit 7 - RXC0: USART receive complete - Flag bit, das gesetzt wird, wenn sich ungelesene Daten im Eingangspuffer befinden und gelöscht wird, wenn der Empfangspuffer geleert ist. Sollte der Empfang deaktiviert werden leert sich der Empfangspuffer und das RXC0 bit wird 0. Die RXC0 Flag kann ausserdem verwendet werden um einen Empfangsbestätigungs Interrupt zu generieren. Bit 6 - TXC0: USART transmit complete - Flag bit, welches gesetzt ist, wenn das gesamte Übertragungs Schieberegister geleert wurde und sich keine Daten im Puffer (UDR0) befinden. Die TXC0 Flag wird automatisch geleert, wenn ein Transmit-Complete-Interrupt ausgelöst wird, gleichsam kann sie gelöscht werden, indem man eine 1 auf ihre Bit Position schreibt. Bit 5 - UDRE0: USART data register empty - Diese Flag zeigt an, ob der Übertragungspuffer (UDR0) bereit ist neue Daten zu empfangen. Ist UDRE0 gesetzt, so ist der Puffer leer und somit bereit zum Beschreiben.

25 2.2 Programmieren des µc 25 Bit 4 - FE0: Frame error - Dieses Bit ist gesetzt wenn der nächste Buchstabe im Empfangspuffer im Zuge des Empfangs einen Datenübertragungsfehler hatte, also wenn das erste Stop Bit des nächsten Zeichens im Empfangspuffer Null ist. Bit 3 - DOR0: Data OverRun - Dieses Bit wird gesetzt falls der Empfangspuffer voll ist (Zwei Zeichen), ein weiteres Zeichen im Schieberegister wartet und ein neues Start Bit festgestellt wird. Bit 2 - UPE0: USART parity error - Dieses Bit ist gesetzt falls im Empfangspuffer ein Paritätsfehler auftritt und bleibt gesetzt bis der Empfangspuffer (UDR0) ausgelesen wird. Bit 1 - U2X0: Double the USART transmission speed - Dies betrifft nur asynchronen Betrieb. Wird eine 1 auf dieses Bit geschrieben so wird der Divisor der Baud Rate von 16 auf 8 halbiert und verdoppelt somit bei asynchronem Betrieb die Übertragungsrate. Bit 0 - MPCM0: Multi-processor communication mode - Dieses Bit aktiviert einen Betriebsmodus für mehrere Prozessoren und sollte im normalen Betrieb auf Null belassen werden. Bit UCSR0A RXC0 TXC0 UDRE0 FE0 R/W R R/W R R Ausgangswert Initialisierung Bit UCSR0A DOR0 UPE0 U2X0 MPCM0 R/W R R R/W R/W Ausgangswert Initialisierung Tabelle 2.2: Initialisierung des USART: Register UCSR0A Das Register wird wie in Tabelle 2.2 auf Seite 25 dargestellt durch die Zuweisung UCSR0A=0x60 ; initialisiert. Die beiden Bits der Flags TXC0 und UDRE0 werden mit 1 beschrieben, um sie zu löschen und sicherzustellen, dass der Übertragungspuffer vom µc als leer gesehen wird. Die restlichen Bits im Register werden 0 gesetzt. Dies deaktiviert die doppelte Übertragungsrate und den Multi- Prozessor-Kommunikationsmodus.

26 26 2 Entwicklung der Software Funktionsbeschreibung der einzelnen Bits im Register UCSR0B [1] Bit 7 - RXCIE0: RX complete interrupt enable 0 - Wird dieses Bit mit 1 beschrieben, so aktiviert man den Interrupt auf der RXC0 Flag. Ein USART Receive Complete Interrupt wird nur generiert, falls das RXCIE0 Bit, die Globale Interrupt Flag im SREG Register und das RXC0 Bit im UCSR0A Register gesetzt sind. Bit 6 - TXCIE0: TX complete Interrupt enable 0 - Dieses Bit mit 1 zu beschreiben, aktiviert den Interrupt an der TXC0 Flag. Ein USART Transmit Complete Interrupt wird nur generiert, falls das TXCIE0 Bit, die Globale Interrupt Flag in SREG und das TXC0 Bit im UCSR0A Register gesetzt sind. Bit 5 - UDRIE0: USART data register empty interrupt enable 0 - Dieses Bit mit 1 zu beschreiben, aktiviert den Interrupt an der UDRE0 Flag. Ein Data Register Empty Interrupt wird nur generiert, falls das UDRIE0 Bit, die Globale Interrupt Flag in SREG und das UDRE0 Bit im UCSR0A Register gesetzt sind. Bit 4 - RXEN0: Receiver enable 0 - Dieses Bit aktiviert den USART Empfänger, wenn es mit 1 beschrieben wird. Deaktivieren des Empfängers leert den Empfangspuffer und setzt die FE0, DOR0 und UPE0 Flags außer Kraft. Bit 3 - TXEN0: Transmitter enable 0 - Dieses Bit aktiviert den USART Sender. Der Sender hat Vorrang vor den normalen Port-Operationen des TxD0-Pin, falls er aktiviert ist. Abschalten des Senders (durch Setzen von TXEN0 auf 0) erfolgt, sobald alle anstehenden Übertragungen abgeschlossen sind, also wenn das Übertragungs- Schieberegister und der Übertragungspuffer keine Daten zur Übertragung beinhalten. Falls deaktiviert, wird der Sender nicht mehr den TxD0 Port blockieren. Bit 2 - UCSZ02: Character size 0 - Zusammen mit dem UCSZ01:0 Bit im UCSR0C register setzt dieses Bit die Anzahl der Datenbits in den Frames die vom Sender und Empfänger genutzt werden. Bit 1 - RXB80: Receive data bit RXB80 ist das neunte Datenbit eines empfangenen Zeichens, wenn mit seriellen Frames mit 9 Datenbits gearbeitet wird. Muss gelesen werden, bevor die niedrigen Bits nach UDR0 geschrieben werden. Bit 0 - TXB80: Transmit data bit TXB80 ist das neunte Datenbit eines zu sendenden Zeichens, wenn mit seriellen Frames mit 9 Datenbits gearbeitet wird. Muss beschrieben werden, bevor die niedrigen Bits in UDR0 beschrieben werden.

27 2.2 Programmieren des µc 27 Bit UCSR0B RXCIE0 TXCIE0 UDRIE0 RXEN0 R/W R/W R/W R/W R/W Ausgangswert Initialisierung Bit UCSR0B TXEN0 UCSZ02 RXB80 TXB80 R/W R/W R/W R R/W Ausgangswert Initialisierung Tabelle 2.3: Initialisierung des USART: Register UCSR0B In diesem Register (UCSR0B) wird, wie in Tabelle 2.3 auf Seite 27 dargestellt, nur Bit 4 (RXEN0) mit 1 beschrieben, um den Empfänger zu aktivieren, alle anderen Bits werden 0 gesetzt. Funktionsbeschreibung der einzelnen Bits im Register UCSR0C [1] Bits 7:6 - UMSEL01:0 USART mode select - Diese Bits wählen den Arbeitsmodus des USART0 Bits 5:4 UPM01:0: Parity mode - Diese Bits legen die Art der Paritätskontrolle fest. Wenn gesetzt, wird der Sender Paritätsdaten zu den gesendeten Datenframes, generieren und der Empfänger wird Paritätswerte zu eingehenden Daten generieren und sie mit den Einstellungen der UMP0 Bits vergleichen. Sollte eine Diskrepanz festgestellt werden, wird die UPE0 Flag im UCSR0A Register gesetzt. Bit 3 - USBS0: Stop bit select - Dieses Bit legt die Anzahl der Stop Bits die vom Sender eingefügt werden fest. Der Empfänger ignoriert diese Festlegung. Bits 2:1 - UCSZ01:0: Character Size - Legen zusammen mit dem UCSZ02 im UCSR0B Register die Anzahl der Daten-Bits in einem Frame zur Verwendung im Empfänger und im Sender fest. Bit 0 - UCPOL0: Clock polarity - Dieses Bit wird nur im synchronen US- ART Betriebsmodus genutzt, und legt fest ob sich Empfang und Sendung an der steigenden oder fallenden Flanke des synchronen USART Taktes orientieren. Wie in Tabelle 2.4 auf Seite 28 zu sehen, werden im Register UCSR0C nur die Anfangswerte bestätigt, also keine Paritätskontrolle, asynchroner US- ART Betrieb, 1 Stop Bit und 8-Bit Zeichengröße.

28 28 2 Entwicklung der Software Bit UCSR0C UMSEL01 UMSEL00 UPM01 UPM00 R/W R/W R/W R/W R/W Ausgangswerte Initialisierung Bit UCSR0C USBS0 UCSZ01 UCSZ00 UCPOL0 R/W R/W R/W R/W R/W Ausgangswerte Initialisierung Tabelle 2.4: Initialisierung des USART: Register UCSR0C Register UBRR0 Im Register UBBR0, dem USART Baud Rate Register, wird die gewünschte Übertragungsrate des USART in Bits pro Sekunde eingestellt. Der Wert von UBBR0 errechnet sich zu: UBBRn = F osc 16BAUD 1 [1] Um eine möglichst geringe Abweichung der eingestellten Baud-Rate von den angestrebten 9600 Baud zu erreichen, wird der µc über einen externen Quarz mit 18,432MHz Taktrate betrieben. UBRR0 ergibt sich somit zu: UBRR0 = 18,432MHz = 119 Einige Werte von UBRR0 für die gängigsten Baudraten bei einem externen Quarz mit 18,432MHz sind in Tabelle 2.5 aus dem Datenblatt [1] auf Seite 29 aufgeführt. Zusätzlich ist die Abweichung von der angestrebten Baud-Rate in % angegeben. Diese ist auch der Grund für die Auswahl des verwendeten Quarzes. Bei einem Takt von 18,432MHz ist laut Tabelle 2.5 bei den meisten der üblichen Baud-Raten kein wesentlicher Fehler zu erwarten. Als letzter Schritt wird mit der Anweisung 1 t =UDR0; sichergestellt, dass der Empfangspuffer geleert ist, was dazu führt, dass die RXC0 Flag gelöscht und der USART empfangsbereit ist Grundlegender Aufbau des Programms Das Programm besteht aus drei Funktionen. Eine Funktion zum Auslesen des Empfangspuffers UDR0, genannt read232, zwei Interrupt Service Routinen zur Ausgabe, und der Hauptfunktion main in dem die zur Ausgabe des jeweiligen Zeichens benötigte ISR eingestellt und aktiviert wird.

29 2.2 Programmieren des µc 29 Baudrate(bps) f osc = 18, 432MHz U2Xn=0 U2Xn=1 UBRRn Error UBRRn Error ,0 % 959 0,0 % ,0 % 479 0,0 % ,0 % 239 0,0 % 14,4k 79 0,0 % 159 0,0 % 19,2k 59 0,0 % 119 0,0 % 28,8k 39 0,0 % 79 0,0 % 38,4k 29 0,0 % 59 0,0 % 57,6k 19 0,0 % 39 0,0 % 76,8k 14 0,0 % 29 0,0 % 115,2k 9 0,0 % 19 0,0 % 230,4k 4 0,0 % 9 0,0 % 250k 4-7,8 % 8 2,4 % 0,5M ,8 % 1M Max. 1,152Mbps 2,304Mbps Tabelle 2.5: Register UBRR Arbeitsweise der Funktionen Die Funktion read232 Die Funktion read232() besitzt einen Rückgabewert des Datentyps uint8_t, einen unsigned integer der Länge 8-Bit. Wird der Empfangspuffer erfolgreich ausgelesen, so werden die Daten des Puffers als Funktionswert zurückgegeben. Inhalt der Funktion uint8_t read232(): 1 u i n t 8 _ t read_232 ( ) { 3 while (! ( UCSR0A & (1<<RXC0) ) ) ; 5 return UDR0; } Das Kriterium der while Schleife:! ( UCSR0A & (1<<RXC0) ) ist dann nicht erfüllt wenn die Flag RXC0 im Bit 7 des Registers UCSR0A, siehe Seite 24, gesetzt ist, also der Empfangspuffer UDR0 Daten enthält. Dies hat zur Folge, dass der Befehl 1 return UDR0;

30 30 2 Entwicklung der Software zur Rückgabe des Pufferinhaltes an die aufrufende Funktion erst ausgeführt wird, wenn der Empfangspuffer gefüllt ist. Ist der Empfangspuffer leer, so ist RXC0=0 und es wird das Schleifenkriterium erneut bezüglich eines weiteren Durchlaufes der Schleife überprüft. Die ISRs (Interrupt Service Routine) Zur Ausgabe der Zeichen auf das Display stehen zwei verschiedene Interrupt Service Routinen zur Verfügung. Wie auf Seite 9 in Abbildung 1.1, gezeigt, verfügt jeder Eingangspin über eine PCINTXX Quelle, eine Pin Change Interrupt Quelle. Dies bedeutet, dass bei Änderungen der an den Eingangspins anliegenden Spannungen durch den zugehörigen Interrupt Vektor eine Interrupt Service Routine ausgelöst werden kann. Um nur den Interrupt des für die Ausgabe des empfangenen Zeichens relevanten Eingangspins zuzulassen, werden, in der Hauptfunktion main(), in den Registern PCMSKn (Pin Change Mask Register) die einzelnen I/O Pins für den jeweiligen Interrupt Vektor und im PCICR Register (Pin Change Interrupt Control Register) der korrespondierende Vektor selbst, aktiviert beziehungsweise deaktiviert. In Tabelle 2.6 auf Seite 30 sind die Eingangspins mit den zugehörigen Interrupt Vektoren und den entsprechenden Werten der Kontrollregister aufgeführt. Pin Interrupt Quelle Interrupt Vektor PCICR PCMSKn n=0 n=2 PB0 PCINT0 PCINT0_vector 0x01 0x01 - PD7 PCINT23 PCINT2_vector 0x04-0x80 PD6 PCINT22 PCINT2_vector 0x04-0x40 PD5 PCINT21 PCINT2_vector 0x04-0x20 PD4 PCINT20 PCINT2_vector 0x04-0x10 PD3 PCINT19 PCINT2_vector 0x04-0x08 PD2 PCINT18 PCINT2_vector 0x04-0x04 Tabelle 2.6: Die Eingangspins mit zugehörigen Interrupt Vektoren und Kontrollregistern ISR zu den Eingängen PD2:7: 1 ISR ( PCINT2_vect ) { 3 u i n t 8 _ t puffer =(PIND & PCMSK2) ; Der Variable puffer wird in Zeile 3 des Quellcodes ein Maß zur Beurteilung des Pegels am Eingangspin zur Zeit des Interrupt-Ereignisses zugewiesen.

31 2.2 Programmieren des µc 31 Dies geschieht durch ein bitweises UND zwischen dem in der Hauptfunktion eingestellten Pin Change Mask Register und dem entsprechenden, der PCINT Quelle korrespondierenden, Pegel an PIND2:7. Der dadurch zugewiesene Wert ist dann nicht Null wenn ein H-Pegel am jeweiligen Eingangspin anliegt und ist gleich Null wenn ein L-Pegel anliegt. 4 s t a t i c u i n t 8 _ t i =0; i f ( i <8) 6 { i f ( puffer ) 8 { i f ( gport == b ) 10 DDRB &= ~gdata ; else 12 DDRC &= ~gdata ; i ++; 14 } In Zeile 7 wird geprüft, welcher Pegel beim Aufrufen der ISR an dem für das auszugebende Zeichen relevanten Pin anliegt. Sollte ein hoher Pegel anliegen wird in Zeile 9 mit der globalen Variable gport geprüft, welches Port Data Direction Register benötigt wird. Die entsprechenden Pins des Data Direction Register werden über die globale Variable gdata als Eingang festgelegt, was dazu führt, dass sich der relevante Pin im hochohmigen Zustand (Z) befindet. Anschliessend wird der Zähler i erhöht. Der Zähler wird nur bei Umschaltung auf Eingang erhöht, um sicherzustellen, dass dieser keinesfalls dauerhaft auf Masse liegt. Handelt es sich am Eingang um einen L-Pegel, so tritt der folgende Teil des Quellcodes in Kraft: 16 else { 18 i f ( gport == b ) DDRB = gdata ; 20 else DDRC = gdata ; 22 } } Da alle benötigten Bits in den Port Data Registern den Ausgangswert 0 haben, bedarf es nur einer Änderung im Data Direction Register um einen bestimmten Port als Ausgang festzulegen und somit den entsprechenden Pin auf Masse zu legen. Wieder wird über die globale Variable gport geprüft

32 32 2 Entwicklung der Software ob DDRB oder DDRC eingestellt werden muss, danach wird der korrekte Pin durch eine ODER Verknüpfung mit gdata auf Masse gezogen. Durch diese Vorgehensweise ist garantiert, dass beim Durchlauf der Tastaturmatrix der für die Ausgabe des gewünschten Buchstabens verantwortliche Tastatur Ein- und Ausgang zum richtigen Zeitpunkt verbunden ist, und somit das Message-Display zur Ausgabe eines Zeichens veranlasst wird. Nachdem der jeweilige Ausgang zum achten Mal auf Masse gezogen wurde, wird in den Zeilen 26 bis 28 der ISR der Zähler zurück auf den Wert 0 gesetzt, alle Interrupt-Quellen des PCINT2-Vektors deaktiviert und der Pin-Change-Interrupt im Pin Change Interrupt Control Register deaktiviert. 24 e lse { 26 i =0; PCMSK2 =0; 28 PCICR = 0 ; } 30 } ISR für den Eingang PB0: Die grundlegende Struktur der ISR für den PCINT0_vect Vektor ist analog zur Vorhergehenden. Es ergeben sich lediglich Unterschiede daraus, dass mit dem entsprechenden Pin Change Mask Register (PCMSK0) für den Eingang PB0 gearbeitet wird. Hauptfunktion main() Die Hauptfunktion beginnt mit dem Aufruf der Mikrocontroller-, der USART-Initialisierung und dem globalen Aktivieren von Interrupts, respektive system_init(), usart_init() und sei(). Die Funktion system_init() ist auf Seite 23 und die Funktion usart_init() auf Seite 24 erklärt. Die Hauptaufgabe der Hauptfunktion ist das Ausführen einer Endlosschleife, welche zuerst die read232() Funktion aufruft um Daten zu empfangen und danach über eine switch - case Anweisung einen Auswahlvorgang startet. Im Zuge des Auswahlverfahrens wird zu dem über RS232 eingelesenen Zeichen der Ausgabe-Port und -Pin ausgewählt und in den globalen Variablen gport und gdata zur Verwendung in den Interrupt Service Routinen abgelegt. Des Weiteren wird die für die jeweilige ISR benötigte Interrupt-Quelle im PCMSKn Register eingestellt, und der korrekte Pin Change Interrupt über das Pin Change Interrupt Control Register (PCICR) aktiviert.

33 2.3 Entwicklung der Benutzeroberfläche unter GNU/Linux 33 Im Folgenden ist ein Teil der switch-case Anweisung aufgeführt. Wird beispielsweise der Buchstabe X als Groß- oder Kleinbuchstabe (ASCII 0x58 oder 0x78) über RS-232 empfangen, wird nach Tabelle 2.1 auf Seite 22 der Port B1 als Ausgang gewählt (daraus folgt gport= b und gdata=0x02) und, nach Tabelle 2.6 auf Seite 30, PCMSK0 der Wert 0x01 und PCICR ebenfalls der Wert 0x01 zugewiesen. Dies aktiviert die Interrupt-Quelle PCINT0 und den Interrupt-Vektor PCINT0_vector b u f f e r =read_232 ( ) ; 5 switch ( b u f f e r ) { 7 / / PB0 case 0x58 : 9 case 0x78 : gdata= 0x02 ; / / x /X 11 gport= b ; PCMSK0 =(1<<PCINT0 ) ; 13 PCICR =(1<<PCIE0 ) ; break ; Der gesamte Quellcode befindet sich im Anhang auf Seite Entwicklung der Benutzeroberfläche unter GNU/Linux Anforderungen an Benutzerfreundlichkeit Die grafische Benutzeroberfläche zur Ansteuerung des Message-Displays sollte folgende Anforderungen bezüglich der Benutzerfreundlichkeit erfüllen: Steuerung von Sonderfunktionen des Message-Displays mit einzelnen Tasten Ausgabe von Zeichenfolgen wie Wörtern und Sätzen Löschen aller auf dem Display angezeigter Zeichen in einem Vorgang Logische Anordung der Bedienelemente

34 34 2 Entwicklung der Software Geringer Platzbedarf TkInter TkInter ist der GUI-Standard in Python und ermöglicht die Entwicklung grafischer Oberflächen in Tcl/Tk. Es existieren neben TkInter weitere GUI- Schnittstellen für Python. TkInter kann sowohl auf Windows und *nix Betriebssystemen verwendet werden und verfügt über eine weitreichende Online-Dokumentation. [6] PySerial PySerial erlaubt unter Windows, Linux und BSD einfachen Zugriff auf den seriellen Port. Die Homepage der Erweiterung enthält ausführliche Dokumentation [7] Um im Programm auf PySerial zugreifen zu können muss die Erweiterung zuerst eingebunden werden. 1 import s e r i a l Danach wird PySerial initialisiert 1 # I n i t i a l i s i e r e n von P y S e r i a l se = s e r i a l. S e r i a l ( port =0, 3 baudrate =9600, b y t e s i z e = s e r i a l. EIGHTBITS, 5 p a r i t y = s e r i a l. PARITY_NONE, # Keine P a r i t a e t s t o p b i t s = s e r i a l. STOPBITS_ONE, 7 timeout =20, xonxoff=false, 9 r t s c t s =False, writetimeout =20, 11 dsrdtr=false, interchartimeout=none) Die Einstellungen erfolgen analog zur Initialisierung des Mikrocontroller USART auf Seite 24 mit 9600 Baud, 8-bit Datenlänge, einem Stop Bit und ohne Parität. Der Parameter xonxoff steuert die Software-, rtscts und dsrdtr die Hardware-Ablaufsteuerung. Alle drei werden deaktiviert Aufbau und Funktionsweise des Programms Das Programm besteht aus einer Application Klasse in der ein Rahmen erzeugt und dann mit sogenannten Widgets, den Bedienelementen, ausge-

35 2.3 Entwicklung der Benutzeroberfläche unter GNU/Linux 35 stattet wird. Es folgt ein Minimalbeispiel an einem Programm welches nur ein Bedienelement enthält und nur eine Ausgabe veranlassen kann: # Import von TKinter dem Python i n t e r f a c e zu T c l / Tk 2 from Tkinter import * 4 # Import von time f u e r s l e e p f u n k t i o n import time 6 # i mport von p y S e r i a l um a u f S e r i a l Port auszugeben import s e r i a l 8 global globnum 10 globnum = 0 12 # I n i t i a l i s i e r e n von P y S e r i a l se = s e r i a l. S e r i a l ( port =0, 14 baudrate =9600, b y t e s i z e = s e r i a l. EIGHTBITS, 16 p a r i t y = s e r i a l. PARITY_NONE, s t o p b i t s = s e r i a l. STOPBITS_ONE, 18 timeout =20, xonxoff=false, 20 r t s c t s =False, writetimeout =20, 22 dsrdtr=false, interchartimeout=none) Nun folgt die Funktion writehex zur Ausgabe von Hex-Werten an das Display. In Zeile 26 wird der serielle Port mit den in der Initialisierung festgelegten Parametern geöffnet. In Zeile 28 erfolgt eine Rückmeldung an das Terminal, dass ein Schreibvorgang auf den seriellen Port vorgenommen wird. Die darauf folgende Zeile enthält den eigentlichen Schreibvorgang bevor in Zeile 30 der serielle Port wieder geschlossen wird. Um die Zahl der derzeit am Message-Display angezeigten Zeichen für einen späteren Löschvorgang zu behalten wird die globale Variable globnum erhöht. 24 def writehex ( c ) : global globnum 26 se. open ( ) # S e r i e l l e n Port o e f f n e n time. sleep ( 0. 3 )

36 36 2 Entwicklung der Software 28 print " Writing hex to : " + se. p o r t s t r # B e s t a e t i g u n g d e r S e r i e l l e n Ausgabe u e b e r den Terminal se. write ( chr ( c ) ) # Senden 30 se. c l o s e ( ) # S e r i e l l e n Port s c h l i e s s e n globnum = globnum + 1 Zeilen 34 und 35 beinhalten die vom Bedienelement aufgerufene Ausgabefunktion für das Symbol Herz mit dem passenden Hex-Wert aus Tabelle 2.1 auf Seite c l a s s Application ( Frame ) : 34 def hertz ( s e l f ) : # Aufruf d e r A u s g a b e f u n k t i o n writehex (0 xfe ) Es folgt die Erstellung des Bedienelements. Zeile 38 legt fest, dass es sich um eine Taste (Button) handelt, in Zeile 39 folgt die Beschriftung Herz. In Zeile 42 wird die Position der Taste im Raster des zu Grunde liegenden Rahmens festgelegt. 36 def createwidgets ( s e l f ) : 38 s e l f. herz = Button ( s e l f ) # E r s t e l l e n e i n e s B e d i e n e l e m e n t s f u e r das Herz Symbol s e l f. herz [ " t e x t " ] = " Herz ", 40 s e l f. herz [ "command" ] = s e l f. hertz 42 s e l f. herz. grid ( row=0,column =1) # P o s i t i o n d e s B e d i e n e l e m e n t s im R a s t e r Im letzten Abschnitt des Programms entsteht der Hauptrahmen bevor die Erzeugung des vorher definierten Widgets in Zeile 49 veranlasst wird. # E r s t e l l e n d e s Haupt A p p l i k a t i o n s r a h m e n s 44 def i n i t ( s e l f, master=none ) : Frame. i n i t ( s e l f, master ) 46 Frame. i n i t ( s e l f, master ) s e l f. grid ( row=0, column=0, columnspan =5) s e l f. createwidgets ( ) root = Tk ( ) 52 app = Application ( master=root )

37 2.3 Entwicklung der Benutzeroberfläche unter GNU/Linux 37 app. mainloop ( ) 54 root. destroy ( ) In den Zeilen wird eine Instanz von Application gestartet und Tk, nach Beenden des Programms durch den Anwender, geschlossen. Die Ausgabe der Befehle, wie Scroll, Recall und Cursor Links/Rechts geschieht analog. Ausgabe von Zeichenfolgen Die Ausgabe von Zeichenfolgen und Sätzen erfolgt durch Eingabe in ein Texteingabefeld, genannt entrywidget. # E i n g a b e f e l d im Text Rahmen 2 s e l f. entrywidget = Entry ( root ) s e l f. entrywidget [ " width " ] = 50 4 s e l f. entrywidget. grid ( row=1,column=1, columnspan =3) Durch Betätigen des Bedienelements Submit wird die hier aufgeführte Funktion entry aufgerufen. def entry ( s e l f ) : # S c h r e i b t Woerter und S a e t z e d e r T e x t e i n g a b e a u f das Message D i s p l a y 2 global globnum v = parse ( s e l f. entrywidget. get ( ). s t r i p ( ) ) # u e b e r g a b e von s t r i n g an p a r s e r und r u e c k g a b e von s t r i n g l a e n g e 4 globnum = v + globnum Die Funktion entry übergibt den Inhalt des Texteingabefeldes an den Parser der die Zeichenfolge zu einer Liste aus Einzelzeichen wandelt def parse ( t e x t ) : 2 l i s t e = l i s t ( t e x t ) #Wandlung e i n e r Z e i c h e n f o l g e in L i s t e von Z e i c h e n for item in l i s t e : # Gibt d e r R e i h e nach Z e i c h e n in d e r L i s t e a u f das D i s p l a y aus 4 write ( item ) return len ( l i s t e ) und diese als einzelne Zeichen mittels einer Schleife an die Ausgabefunktion write übergibt: 1 # S c h r e i b e n e i n e s d e r s t a n d a r d ASCII Z e i c h e n u e b e r rs232 ( aa zz /!? /.. )

38 38 2 Entwicklung der Software def write ( c ) : 3 se. open ( ) # S e r i e l l e n Port o e f f n e n time. sleep ( 0. 3 ) 5 print " Writing to : " + se. p o r t s t r se. write ( s t r ( c ) ) # Senden 7 se. c l o s e ( ) # S e r i e l l e n Port s c h l i e s s e n Der Quellcode zur grafischen Benutzeroberfläche befindet sich im Anhang auf Seite 53. Ein Bild der Benutzeroberfläche ist in Abbildung 2.2 auf Seite 38 dargestellt. Abbildung 2.2: Benutzeroberfläche bei Ausführung in MacOSX Lion über ssh von einem Ubuntu LTS system.

39 Anhang A.1 Anhang 1. Quellcode Programm der Schnittstelle in C Schnittstelle 1 / * * f i l e 3 * / 5 / * *\ 7 Ausgabe von Text an das Message D i s p l a y No.947 Goldmen E l e c t r o n i c Co. Hong Kong Ueber d i e rs232 S c h n i t t s t e l l e. 9 \* * / 11 / * * Message D i s p l a y 13 * Die a n g e f e r t i g t e P l a t i n e s o l l n i c h t d i e T a s t a t u r d e s u r s p r u e n g l i c h e n G e r a e t e s e r s e t z e n sondern *< br > p a r a l l e l dazu a r b e i t e n. *< br >Das a u s z u g e b e n d e Z e i c h e n wird m i t t e l s RS232 von einem PC an den C o n t r o l l e r u e b e r m i t t e l t. 15 *< br >Die Eingaenge d e r T a s t a t u r m a t r i x s i n d mit den P o r t s PB0 s o w i e PD2 PD7 verbunden um das P o l l i n g d e s g e r a e t e s a b z u t a s t e n. *< br >Um e i n Z e i c h e n ausgeben zu koennen, muss d e r e n t s p r e c h e n d e Ausgangsport zum *< br > Z e i t p u n k t d e s p o l l i n g s a u f Ground gezogen werden.

40 40 Anhang 17 *< br >Das D i s p l a y kann s o m i t u e b e r d i e RS232 S c h n i t t s t e l l e a n g e s t e u e r t werden. *< br > 19 *< br >Der Z e i c h e n s a t z d e s D i s p l a y s f o l g t w e i t g e h e n d dem ASCII s t a n d a r d. *< br ><br >Das G e r a e t b e n o e t i g t e i n e 6V G l eichspannungsversorgung, w e l c h e f u e r den C o n t r o l l e r a u f 5V g e r e g e l t wird. 21 * * 23 M. v. S p e r l Oktober * / 27 # include " avr/io. h" # include " avr/ i n t e r r u p t. h" 29 # include " avr/wdt. h" # include " s t d i o. h" 31 v o l a t i l e char gport ; 33 v o l a t i l e u i n t 8 _ t gdata ; 35 / /! System E i n s t e l l u n g e n 37 / *! *\ b r i e f I n i t i a l i s i e r u n g d e r P o r t s 39 *< br > *\ b Eingaenge d e r T a s t a t u r m a t r i x : < br > 41 * PB0 : Eingang <br >PD2 : Eingang <br >PD3 : Eingang <br >PD4 : Eingang <br >PD5 : Eingang <br >PD6 : Eingang <br >PD7 : Eingang <br > <br > *\ b S p a e t e r e Ausgaenge d e r T a s t a t u r m a t r i x : < br > PB1 : Eingang <br >PB2 : Eingang <br > <br > PC0 : Eingang <br >PC1 : Eingang <br >PC2 : Eingang <br >PC3 : Eingang <br >PC4 : Eingang <br >PC5 : Eingang <br >PC6 : Eingang <br >PC7 : Eingang <br > 43 *< br ><br > Programmierung d e s C o n t r o l l e r s e r f o l g t u e b e r onbard ISP S c h n i t t s t e l l e. * 45 * / 47 void s y s t e m _ i n i t ( void )

41 A.1 Anhang 41 { 49 / / den Watchdog a b s c h a l t e n MCUSR=0; 51 wdt_disable ( ) ; 53 / / Eingaenge DDRB &= ~0 x01 ; / / 0 55 DDRD &= 0x03 ; / / / / s p a e t e r e Ausgaenge DDRB &=~0x06 ; / / DDRC &=~0x3F ; / / } / *! * \fn v o i d u s a r t _ i n i t ( v o i d ) 65 * * \ b r i e f in d e r Funktion u s a r t _ i n i t wird d i e RS232 S c h n i t t s t e l l e f u e r den Empfang von Daten k o n f i g u r i e r t 67 * * I n i t i a l i s i e r u n g d e r s e r i e l l e n S c h n i t t s t e l l e : <br > 69 * Asynchronous O p e r a t i o n <br > * B a u d r a t e 9600 <br > 71 * Data S i z e 8 b i t <br > * S t o p b i t s 1 <br > 73 * P a r i t y d i s a b l e d * / 75 void u s a r t _ i n i t ( void ) 77 { v o l a t i l e u i n t 8 _ t t ; 79 UCSR0A=0x60 ; 81 UCSR0B=0x10 ; UCSR0C=0x06 ; / / USART e i n s t e l l e n 83 UBRR0=119; / / 9600 baud b e i Mhz t =UDR0; / / l e s e n e i n e s Z e i c h e n s ( l o e s c h t a l t e F e h l e r und RX I n t e r r u p t ) }

42 42 Anhang / /! E i n l e s e n e i n e s Z e i c h e n s u e b e r RS / *! * \ b r i e f w a r t e t b i s Z e i c h e n u e b e r RS232 e i n g e h t und l i e s t dann den P u f f e r aus. 91 * \ r e t v a l u i n t 8 _ t Gibt e i n u e b e r rs232 empfangenes Z e i c h e n z u r u e c k * / 93 u i n t 8 _ t read_232 ( ) { 95 while (! ( UCSR0A & (1<<RXC0) ) ) ; 97 return UDR0; } 99 / *! 101 * B e i n h a l t e t e i n e E n d l o s s c h l e i f e zum Aufruf von read232 ( ) und den Auswahlzyklus. * / 103 i n t main ( void ) 105 { u i n t 8 _ t b u f f e r ; 107 s y s t e m _ i n i t ( ) ; / / P o r t s i n i t i a l i s i e r e n 109 u s a r t _ i n i t ( ) ; / / USART i n i t i a l i s i e r e n s e i ( ) ; 111 while ( 1 ) 113 { b u f f e r =read_232 ( ) ; 115 switch ( b u f f e r ) { 117 / / Eingang PB0 119 case 0x58 : case 0x78 : 121 gdata= 0x02 ; / / x gport= b ; / / X 123 PCMSK0 =(1<<PCINT0 ) ; / / a k t i v i e r e n d e r r i c h t i g e n ISR PCICR =(1<<PCIE0 ) ; 125 break ; case 0x37 : / / 7

43 A.1 Anhang gdata = 0x04 ; gport = b ; 129 PCMSK0 =(1<<PCINT0 ) ; PCICR =(1<<PCIE0 ) ; 131 break ; case 0xFE : / / h e r z 133 gdata = 0x01 ; gport = c ; 135 PCMSK0 =(1<<PCINT0 ) ; PCICR =(1<<PCIE0 ) ; 137 break ; case 0x50 : / / p 139 case 0x70 : / / P gdata = 0x02 ; 141 gport = c ; PCMSK0 =(1<<PCINT0 ) ; 143 PCICR =(1<<PCIE0 ) ; break ; 145 case 0x34 : / / 4 gdata = 0x04 ; 147 gport = c ; PCMSK0 =(1<<PCINT0 ) ; 149 PCICR =(1<<PCIE0 ) ; break ; 151 case 0x2B : / / s c r o l l gdata = 0x08 ; 153 gport = c ; PCMSK0 =(1<<PCINT0 ) ; 155 PCICR =(1<<PCIE0 ) ; break ; 157 case 0x31 : / / 1 gdata = 0x10 ; 159 gport = c ; PCMSK0 =(1<<PCINT0 ) ; 161 PCICR =(1<<PCIE0 ) ; break ; 163 case 0x45 : / / e case 0x65 : / / E 165 gdata = 0x20 ; gport = c ; 167 PCMSK0 =(1<<PCINT0 ) ; PCICR =(1<<PCIE0 ) ; 169 break ;