Fachbereichsarbeit Informatik

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1 Fachbereichsarbeit Informatik Messen, Steuern und Regeln über die USB Schnittstelle. Entwicklung eines Programms zur Ansteuerung des USB mit dem CompuLAB-Interface. Eingereicht von Albert Frisch, 8a BRG Wörgl, 2002 Ort Kirchbichl Unter Betreuung von Prof. Dr. Johann Fellner.

2 Vorwort Meinen ersten Computer bekam ich vor etwa neun Jahren. Es war ein für damalige Zeiten noch leistungsstarker 286er mit Windows 3.1 von Microsoft. Damals hatte ich noch keine Ahnung, wie stark dieser graue Kasten mein späteres Leben und den Alltag vieler Menschen beeinflussen wird. So wuchs mein Interesse an den Programmen aber auch an der Hardware eines Computers sehr stark an. Ich verbrachte immer mehr Zeit vor dem PC, lernte viele Sachen dazu und als ich dann einen schnelleren PC von meinen Eltern bekam, konnte ich auch schon kleine Programme in Visual Basic schreiben. Mein Onkel, der sehr im computertechnischen Bereich versiert ist, gab mir immer wieder hilfreiche Tipps beim Arbeiten mit dem Computer. Mit dem ersten Internet Anschluss vor drei Jahren wurde mir die Welt zur unbegrenzten Informationsbeschaffung geöffnet. Dort fand ich neue Ideen und zahlreiche Ratschläge zum Programmieren. Nach dem Kauf eines Elektronikbaukastens, mit dem man diverse elektronische Schaltungen aufbauen und Messungen über ein Interface direkt am Computer durchführen konnte, war ich fasziniert von der Idee, Dinge mit dem PC zu erfassen und Prozesse damit zu steuern. Bald versuchte ich, mein eigenes Interface zu basteln, wobei mir auch klar wurde, dass ich meine eigene Software dazu entwickeln musste. Als ich mir dann einen neuen selbst zusammengestellten Computer kaufte, kam ich zum ersten Mal mit der USB-Schnittstelle in Kontakt. Später fand ich eine Firma, die verschiedene Interfaces für den PC herstellt. Dort kaufte ich mir das CompuLAB-Interface, mit dem es möglich ist, elektrische Spannungen zu messen. Um damit auch gezielte Messungen durchführen zu können, musste ich ein speziell darauf zugeschnittenes Programm entwickeln. Damit war mir im Frühjahr 2001 das Thema für die Fachbereichsarbeit in Informatik sofort klar. In erster Linie wählte ich eine Fachbereichsarbeit, um zu zeigen, dass ich im Stande bin, selbstständig zu arbeiten. Damit bereite ich mich also auf meine Zukunft vor. Ich nahm die Hürde auf mich und beschloss, ein Programm zur Ansteuerung des CompuLAB- USB-Interface zu entwickeln. Eigentlich wollte ich dazu die Programmiersprache Visual Basic von Microsoft verwenden, doch konnte mich mein betreuender Lehrer überreden, Delphi von Borland, welches dem ersteren sehr ähnelt, als Grundlage zu nehmen. Mit dieser Arbeit bin ich auch zur Überzeugung gekommen, dass ich Delphi für kein weiteres größeres Projekt verwenden werde, denn Visual Basic bereitet nicht so große Probleme bei der Fehlersuche im Quelltext und ist auch einfacher zu handhaben. Besonderer Dank für die Unterstützung bei meiner Arbeit geht an: Meinen Onkel, Walter Pedevilla, der mir bei zahlreichen Fragen zum Thema Computer bei Seite stand. Meinen Eltern, die mir den Kauf vom Interface und auch sonstigen Materialien ermöglichten. Und natürlich den Schulkollegen, die mir mit kleineren Tipps beim Programmieren weiterhalfen. - I -

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Die Ziele von USB Die neue Schnittstelle Größerer Komfort Interfaces am PC Erklärung des Wortes Interface Die Aufgabe eines Interface Einsatzbereiche eines Interface Aufbau und Funktionsweise des USB Allgemeine Merkmale Aktuelle Standards Die Baumstruktur Stecker und Kabel Die vier Übertragungsmodi des USB Allgemeine Datenübertragung beim USB Der Bulk-Transfer Der Isochronous-Transfer Der Interrupt-Transfer Der Control-Transfer Anmeldung eines Gerätes am USB-System Erkennung des Gerätetyps Initialisierung der Datenübertragung Übermitteln der Geräteeigenschaften Ansteuern eines USB-Geräts in Windows Das Treiber-Modell von Microsoft Windows Öffnen und Schließen des Treibers Kommunikation mit dem Treiber Beschreibung des CompuLAB-Interface Funktionen und Eigenschaften des Interface Messeingänge Messausgänge Stromversorgung Installation des Interface Handhabung des Interface Erklärung verwendeter Bauteile Der USB-Controller-Chip CY76C Der AD-Wandler TLC Der Invertierer 74HC Restliche Bauelemente II -

4 3.3 Schaltplan des Interface Das Programm CompuLAB-Reader Verwendete Komponenten Die Graphikkomponente xygraph Die TrayComp Komponente Zentrale Programmteile Ansteuerung des CompuLAB-Interface Speichern und Öffnen einer Diagrammdatei Speichern des Diagramms als Bild-Datei Speichern der Programmeinstellungen in eine INI-Datei Zentrale Verwaltung der Symbol- und Menüleiste Restlicher Quellcode Zusammenfassung Zeitplan zur Entstehung dieser Arbeit Literatur- und Quellenverzeichnis Abbildungsquellenverzeichnis Ehrenwörtliche Erklärung Anhang A - Screenshots Hauptfenster Aufnahmeoptionen Messzentrale Programmoptionen Kopieroptionen Diagrammbeschriftungen Infobox Diagrammbeispiel Anhang B - Quellcode Main.pas Graphop.pas Mess.pas Optionsu.pas Copyop.pas Titlesu.pas About.pas Anmerkung: Auf der letzten Seite dieser Arbeit befindet sich die dazugehörige CD-ROM. - III -

5 1. Einleitung 1 Einleitung Für diese Fachbereichsarbeit habe ich selbstständig ein Computerprogramm entwickelt, mit dem es möglich ist, das USB-Interface CompuLAB von Modul-Bus GmbH über den PC anzusteuern und Daten auszulesen. Das Interface, das fähig ist, zwei verschiedene elektrische Spannungen zu messen, sowie jeweils acht digitale Ein- und Ausgänge zu verwalten, wird mit einem Kabel an der so genannten USB-Schnittstelle des Computers angeschlossen. Das Programm kann eine Messserie der beiden analogen Kanäle, an denen eine Spannung anliegt, durchführen und die erhaltenen Daten grafisch am Bildschirm ausgeben. Das erstellte Diagramm kann anschließend mit dem Programm weiter bearbeitet werden. Speichern (als eine CLC-Datei oder sogar als Bilddatei [JPEG oder BMP]) bzw. Öffnen älterer Diagramme und Ausdrucken sind selbstverständlich möglich. Außerdem kann das Diagramm individuell angepasst werden: Die Beschriftungen der Achsen und deren Schriftarten sind einstellbar, zur besseren Veranschaulichung kann weiters für jeden Graphen eine andere Farbe gewählt werden und eine Legende wird auf Wunsch im Diagramm angezeigt. In einem zusätzlichen Fenster lassen sich die digitalen Ausgänge ein- und ausschalten und alle verfügbaren Eingänge werden in Echtzeit dargestellt. Im ersten Abschnitt werden kurz die Begriffe USB-Schnittstelle und Interface erläutert. In Kapitel 2 wird grob die Funktionsweise des USB erklärt und die Ansteuerung von USB- Geräten über Microsoft Windows besprochen. Das dritte Kapitel ist komplett dem CompuLAB-Interface gewidmet. Es wird dessen Aufbau, Handhabung und Funktionsweise veranschaulicht. Kapitel 4 dokumentiert die wichtigsten Abschnitte des entwickelten Programms CompuLAB- Reader. Darin sind Ausschnitte aus dem Quellcode und Erklärungen zu einigen programmiertechnischen Handgriffen enthalten. Der kurze fünfte Abschnitt bietet eine kleine Zusammenfassung mit Anregungen zum Experimentieren mit dem CompuLAB-Interface. Anhang A beinhaltet Abbildungen von allen Fenstern des Programms und kurze Hinweise zu dessen Verwendung und Handhabung. Anhang B umfasst den gesamten Quellcode des Programms unterteilt in Abschnitte, die zu den jeweiligen Fenstern gehören. 1.1 Die Ziele von USB Die neue Schnittstelle Der Universal Serial Bus (kurz USB) wurde mit dem Ziel entwickelt, alle Peripheriegeräte eines Computers über einen einzigen Datenbus zu verbinden. Es sollten die verschiedenen Schnittstellen wie zum Beispiel PS2-Anschluss, die serielle und parallele Schnittstelle und andere durch eine einheitliche Datenübertragung ersetzt werden. Dadurch ist es möglich, Geräte wie Maus, Tastatur, Drucker, Modem, Scanner, Kamera, Gamecontroller, aber auch - 1 -

6 1. Einleitung portable Festplatten, CD-Laufwerke und Brenner, mit demselben Stecker über USB an den PC anzuschließen. Doch schon bei der Einführung des USB 1.1 Standards war den Entwicklern klar, dass es wegen des geringen Datendurchsatzes Probleme mit künftigen Geräten wie digitale Videokameras, Laufwerke, und Speichermedien geben wird. Deshalb wurde der USB 2.0 entwickelt, um dem bis heute gängigen Standard für größere Datenübertragungen, genannt IEEE 1394a alias FireWire, die Stirn bieten zu können Größerer Komfort Indem man zusätzlich zu den beiden Datenleitungen zwei weitere Adern in das USB-Kabel integrierte, wurde auch eine Spannungsversorgung kleinerer Geräte sichergestellt. Dadurch sollte der Kabelsalat an einem Computer vermindert und der Komfort bei der Nutzung der Geräte erhöht werden. Außerdem wollte man realisieren, dass kein Neustart des Computers beim Anschließen der Peripherie nötig ist. Sobald das Gerät angeschlossen ist, kann es zuverlässig und ohne Probleme verwendet werden. Doch dies verlangt auch das richtige Zusammenspiel zwischen Software, sprich Betriebssystem, und Hardware. 1.2 Interfaces am PC Erklärung des Wortes Interface Wenn man das Wort Interface im Wörterbuch nachschlägt, so findet man die Erklärung als Computerschnittstelle. Es bildet also die Schnittstelle zwischen realer Welt und dem Computer. Vorgänge können mit dem PC gemessen oder registriert werden und es ist auch möglich, den Computer Prozesse steuern zu lassen, in direkter Abhängigkeit von den Messergebnissen oder durch irgendwelche andere Bedingungen Die Aufgabe eines Interface Die bekanntesten Schnittstellen zum Computer sind wohl Maus, Tastatur und Bildschirm. Dadurch kann der Benutzer den PC steuern, ihm Befehle eingeben und gleichzeitig die Vorgänge auf dem Bildschirm beobachten. Ein Drucker bringt die Informationen aus dem Computer für den Menschen leserlich auf das Papier, ein Scanner macht genau das Umgekehrte. Doch welches Interface wird verwendet, wenn man Messungen an elektronischen Schaltungen durchführen möchte oder einen Roboter über den Computer steuern möchte? Dazu benötigt man spezielle Hardware, die für diese Zwecke zugeschnitten ist. Mit dem Wort Interface beziehe ich mich ab sofort nur noch auf solche Geräte und nicht auf Computermäuse oder andere Dinge. Nun muss diese Hardware irgendwie mit dem Computer verbunden werden. In meinem Fall entschied ich mich wegen des Komforts für die USB-Schnittstelle. Es gibt aber auch PC Steckkarten, vergleichbar mit der Soundkarte, mit denen solche Messungen durchführbar sind. 1 vgl.: BÖGEHOLZ, Harald: Schnelle Strippen. 2 vgl.: BURKHARD, Kainka: Messen, Steuern und Regeln mit USB

7 1. Einleitung Einsatzbereiche eines Interface Überall dort, wo Messungen jeglicher Art direkt am Computer nötig sind oder Dinge von ihm gesteuert werden müssen, werden Interfaces unterschiedlicher Bauart eingesetzt. Hauptsächlich wird sich der Einsatzbereich in der Forschung und Entwicklung ansiedeln. Hier werden meist Messungen durchgeführt, vom Computer aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Aber auch in der Industrie und alltäglichen Bereichen werden sie immer öfter verwendet. Zum Beispiel an einer computergesteuerten Fräs- und Bohranlage zur Fertigung von mechanischen Bauteilen ist ein Interface unbedingt notwendig. Dort werden dem Computer die einzelnen Arbeitsschritte einprogrammiert und dann steuert er alle Vorgänge wie die Bewegung der Fräsvorrichtung voll automatisch. Dabei muss er aber auch den korrekten Arbeitsablauf überwachen. Diese Dinge werden per Software über die richtige Peripherie, dem Interface, verwaltet und gesteuert. Aber auch intelligente Ampelanlagen werden von Computern gesteuert. Die richtige Schnittstelle zwischen PC und Ampel bildet wiederum das Interface

8 2. Aufbau und Funktionsweise des USB 2 Aufbau und Funktionsweise des USB 2.1 Allgemeine Merkmale Der USB (Universal Serial Bus) ist ein serieller Bus. Das bedeutet, dass alle Daten bitweise hintereinander übertragen werden. Doch im Gegensatz zur seriellen Schnittstelle (auch RS232 genannt) sind für beide Richtungen, vom Interface zum Computer und umgekehrt, Leitungen reserviert. Beim USB existiert hingegen nur ein Datenkanal. Jedoch wird dabei eine Spannung von 5 V und 100 ma für kleinere Geräte zur Verfügung gestellt, wodurch ein zusätzliches Kabel zur Stromversorgung entfällt. Der USB mag zwar einigen Komfort im Vergleich zur RS232 Schnittstelle bringen, doch ist es für Entwickler schwieriger, elektronische Schaltungen dafür zu entwerfen. Die komplizierte Datenübertragungstechnik benötigt einen Mikrocontroller zur Steuerung des USB. Außerdem muss das System einen bestimmten Treiber laden, um Daten senden oder empfangen zu können. Diese beiden Sachen entfallen bei der seriellen Schnittstelle, mit der eine kleine Testschaltung in kürzester Zeit aufgebaut ist. Das schlagkräftigste Argument, das für USB spricht, ist wohl die Geschwindigkeit der Datenübertragung. Bei herkömmlichen Geräten sind bis zu 12 Megabit pro Sekunde (Mbps) möglich. Mit dem neuen Standard 2.0 stehen sogar hoch leistungsfähige 480 Mbps zur Verfügung. Aber auch die Plug-and-Play Fähigkeit der Geräte am laufenden Computer spricht dafür. Dies bedeutet, dass die Geräte bei laufendem System angeschlossen werden können und sofort verwendbar sind, ohne einen Neustart durchführen zu müssen. Das Betriebssystem lädt einfach den dazu passenden Treiber und das USB-Gerät kann sofort genutzt werden Aktuelle Standards Der allererste USB-Standard in der Version 1.1 wurde bereits 1993 von Intel in Zusammenarbeit mit Microsoft und anderen wichtigen Computerfirmen verabschiedet. Dieser erfüllte die strengen Richtlinien, an die man sich halten wollte: Die Datenübertragung erfolgt über nur zwei Adern, Spannungsversorgung soll inkludiert sein und die Geräte müssen Plugand-Play fähig sein. In diesem Standard wurden folgende zwei Gerätetypen definiert: o Low-Speed Geräte: mit bis zu 1,5 Mbps o Full-Speed Geräte: bis 12 Mbps USB brauchte lange Zeit, um Einzug in die modernen Computer zu erhalten. Und als es dazu kam, war es für die alleinige Marktherrschaft schon zu spät. Für digitales Video oder Massenspeicher in Form von Festplatten oder CD-Brenner war der Standard 1.1 längst veraltet. Eine Ausweichmöglichkeit bat FireWire alias IEEE 1394a, der von Apple entwickelt wurde und mit dem bis zu 400 Mbps möglich sind. Erst einige Zeit später holte Intel zum Gegenschlag aus, indem der neue USB-Standard 2.0 eingeführt wurde. Im Wesentlichen funktioniert er wie der 1.1 Standard, diesmal jedoch mit einer Übertragungsrate von 480 Mbps für die Zukunft gerüstet: o High-Speed Geräte, bis maximal 480 Mbps 3 Quellen: BURKHARD, Kainka: Messen, Steuern und Regeln mit USB. BÖGEHOLZ, Harald: Schnelle Strippen. KLINKENBERG, Frank: USB-Grundlagen

9 2. Aufbau und Funktionsweise des USB Es sind bereits Geräte wie portable Festplatten und CD-Brenner, die diesen Standard unterstützen, verbreitet, doch solange USB 2.0 nicht in jeden Computer serienmäßig eingebaut wird, ist auch keine größere Produktpalette in Aussicht. Am Rande sei noch angemerkt, dass Apple diesen Standard wiederum übertreffen wird: IEEE 1395b soll mit 3200 Mbps (!) bald verfügbar sein! Die Baumstruktur Die so genannte Baumstruktur (siehe Abbiltung 1) der USB-Geräte bietet dem Benutzer einfache Erweiterungsmöglichkeiten. Prinzipiell sind an einem modernen Computer zwei USB- Steckplätze angebracht. Je nach System können es aber auch mehr sein. Zurzeit unterstützt ein gewöhnlicher PC von Haus aus nur Version 1.1. Für 2.0 Geräte sind zurzeit noch spezielle Steckkarten nötig, die auch verwendet werden können, um einen alten PC USB-tauglich zu machen. In Zukunft sollte jedoch jeder PC den Standard 2.0 unterstützen. Der Computer wird als Root-Hub bezeichnet, denn Geräte, die dort angeschlossen werden, sind direkt mit dem Mikrocontroller des PCs (dem Host oder Root) verbunden. Um nun weitere Hardware anschließen zu können, benötigt man einen Hub. Dieser USB-Hub teilt einen USB- Steckplatz (Port) auf meistens vier oder sieben weitere auf. Dabei muss er das Signal vom Gerät an den Computer weiterleiten, ohne dass Fehler in der Kommunikation auftreten. Außerdem werden die Datensignale von ihm aufbereitet und verstärkt, um eine längere Übertragungsdistanz zu erreichen. In Version 2.0 muss er auch erkennen, ob ein Gerät gerade an- oder abgesteckt wurde und muss dies dem Host mitteilen. Mit den Hubs kann man die USB-Anschlüsse eines PCs aufteilen und erweitern. Doch wegen der begrenzten Signallaufzeit der Daten ist dieser Baum auf insgesamt sieben Ebenen begrenzt, wobei der Host die erste Ebene bildet. Außerdem sind nur maximal 127 Geräte an einem Computer zulässig, da die Adressierung mit nur 16 Byte gehandhabt wird (16*8=128; Die erste Adresse wird jedoch vom Host verwendet!). Außerdem zählen hier die Hubs als Geräte mit. Es ist auch zu bedenken, dass die verfügbare Datenrate des USB auf diese 127 Geräte aufgeteilt werden muss. Und jeder einzelne Hub kostet Geld, sodass diese Anzahl selten ausgenutzt wird. Mit dem Standard 2.0 ist nun auch ein Baum mit gemischten Übertragungsraten möglich. Jeder 2.0 Hub unterstützt 1.1 Geräte und erkennt diese auch automatisch. Aber ein 2.0 Gerät oder Hub kann nicht an einen 1.1 Hub oder Host angeschlossen werden. Abbildung 1: Baum- oder Pyramidenstruktur des USB (Zur Verfügung gestellt von tecchannel.de) Stecker und Kabel Der Einfachheit halber wird nur ein Kabel-Typ verwendet. Ein USB-Kabel kann in der Länge in einem gewissen Bereich variieren und die Farbe kann unterschiedlich sein. Jedoch müssen viele strenge Bestimmungen des USB-Standards erfüllen werden. Zum einen müssen die beiden Datenleitungen (Leitungen werden auch als Adern bezeichnet) verdrillt sein, um - 5 -

10 2. Aufbau und Funktionsweise des USB minimal gegen Störungen durch elektromagnetische Felder anfällig zu sein. Weiters müssen noch zwei Adern vorhanden sein, die die Betriebsspannung von 5 V übertragen. Da insgesamt nur vier Leitungen benötigt werden, können die Kabel extrem dünn konzipiert werden, wodurch die Verwendung von USB-Geräten erleichtert und der lästige Kabelsalat am Computer gemindert wird Prinzipiell gibt es zwei verschiedene Steckertypen: o Stecker A: ein sehr flacher Stecker, mit vier Kontakten im Innern. o Stecker B: mit fast quadratischem Umriss, leicht von Stecker A zu unterscheiden. Die Rückseite des Computers oder die Eingänge eines Hubs sind mit einer Buchse (Gegenstück zum Stecker) des Typs A ausgestattet. Stecker B werden an die Geräte angeschlossen, außer das Kabel ist dort schon fix montiert. Somit wird verhindert, dass man mit einem Kabel eine Schleife in der Datenübertragung herstellen kann und dadurch den USB gewissermaßen kurzschließt. Außerdem gibt es Verbindungskabel nur vom Typ A/B zu kaufen. Dies macht den Anschluss eines Gerätes kinderleicht und es können keine Verwechslungen auftreten. Im Handel sind auch Verlängerungskabel erhältlich. Am Anfang besitzen sie wie jedes andere Kabel einen Stecker vom Typ A. Am Ende ist eine A Buchse angebracht, um dort das Gerät oder ein weiteres Kabel Abbildung 2: Steckertypen A und B (Zur Verfügung gestellt von tecchannel.de) anschließen zu können. Allerdings sind wegen den längeren Signallaufzeiten Grenzen gesetzt. Es dürfen zwischen zwei Geräten niemals mehr als fünf Meter liegen, sonst kommt es zu Komplikationen mit der Datenübertragung. Aufgrund der sieben Ebenen des Baumes sind also insgesamt 30 Meter möglich, wobei nach allen fünf Metern ein Hub sein muss, der die Signale wieder aufbereitet. Es wurde noch zusätzlich ein dritter Steckertyp definiert. Dieser wurde speziell für digitale Video- und Fotokameras sowie MP3-Player entworfen. Er ist nur ein Sechstel des Steckertyps B groß und findet dadurch auf kleinen Geräten leicht Platz. Das dafür benötigte Kabel muss mit den Geräten mitgeliefert werden, da es im Handel nicht erhältlich ist. 2.2 Die vier Übertragungsmodi des USB Das Wichtigste bei jeglichen Schnittstellen am Computer ist die Datenübertragung zur Peripherie. Generell gibt es zwei verschiedene Arten von Übertragungsmöglichkeiten: o Parallele Datenübertragung: Die Bits mit denen der Computer arbeitet (elektronische Schaltzustände, entweder 1 oder 0) werden parallel auf insgesamt acht Datenleitungen übertragen. Diese wird für Drucker oder SCSI-Geräte (Festplatten oder Scanner) verwendet. o Serielle Datenübertragung: Die Bits fließen hintereinander durch die Leitung. Dadurch ist mindestens nur eine Leitung zur Datenübertragung nötig. Die bekannteste ist wohl die serielle Schnittstelle für ältere Computermäuse oder Modems. Aber auch der PS/2 Anschluss (Tastatur und Maus) und Netzwerke beruhen darauf. Nicht zuletzt zählt auch der USB dazu. Oftmals werden zu diesen Datenleitungen noch zusätzliche Steuersignale geführt, die die Übertragung synchronisieren, verwalten, oder anzeigen, ob ein Sendefehler vorliegt. Beim USB entfallen diese, da sie durch die vier verschiedenen Übertragungsmodi ersetzt werden

11 2. Aufbau und Funktionsweise des USB Beim USB wurde zum ersten Mal die Betriebsspannung (5 Volt, max. 500 ma) für kleinere Geräte gleich integriert Allgemeine Datenübertragung beim USB Wie erwähnt, erfolgt die Datenübertragung beim USB seriell. Jedoch ist hier nur ein Kanal für die Kommunikation vorgesehen. Anders ist es bei der seriellen Schnittstelle: Dort ist ein Kanal für die Übertragung von PC zu Interface und ein anderer für die umgekehrte Richtung vorhanden. Dadurch ist ein USB-Gerät niemals im Stande, von sich aus alleine Daten zu versenden. Es benötigt ein Signal vom Host, welches ermöglicht, die freie Bandbreite des Systems für eine Datenübertragung zu nutzen. Das USB-System wird dadurch leichter steuerbar, weil der Host vorausplanen kann, wann er mit welchem Gerät kommunizieren wird. Der USB basiert also auf dem Request-Prinzip (engl. anfordern ). Der Host sendet ein Signal, wenn er von einem Gerät bestimmte Daten erhalten möchte. Um die Verzerrung der Signale durch elektromagnetische Felder möglichst gering zu halten, werden zwei Leitungen verwendet. Die eine führt das ursprüngliche Signal (bezeichnet mit D+) und die andere den umgekehrten Signalpegel davon (D-). Der Empfänger bildet dann die Differenz daraus und erhält den logischen Zustand des Signals (1 oder 0, High oder Low). Diese Adern werden noch zusätzlich verdrillt, damit sich eventuelle Störungen auf beide Leitungen gleichermaßen auswirken. Durch die Differenzbildung fallen dann mögliche Fehler einfach weg. Im Folgenden werden die vier verschiedenen Datenübertragungsmodi kurz beschrieben. Jeder hat eine andere Funktion und wird für bestimmte Zwecke verwendet Der Bulk-Transfer Der Bulk-Transfer (engl. Masse ) wird verwendet, wenn größere Datenmengen ohne bestimmte zeitliche Begrenzung übertragen werden sollen. Es wird dabei viel Wert auf eine Fehlerkorrektur gelegt und im Ernstfall, das verlorene Paket ein zweites Mal angefordert. Bei größerer Auslastung des USB wird der Bulk-Transfer eingeschränkt. Er hat also eine sehr niedere Priorität. Darunter fallen Geräte wie Drucker, Scanner oder Laufwerke Der Isochronous-Transfer Beim Isochronous-Transfer handelt sich das Gerät mit dem Host eine bestimmte Datenrate aus, mit der kontinuierlich gesendet werden kann. Es wird nach jedem Intervall ein Datenpaket versendet. Hier wird auf eine Fehlerkorrektur verzichtet, da es wichtiger ist, die Daten nach einer bestimmten Zeit zu übermitteln und einzelne Übertragungsfehler nicht weiters schlimm sind. (Iso gleich, chronous Zeit) Etwaige Beispiele sind Soundkarten über USB, Mikrofone oder WebCams, bei denen die Daten immer zeitgleich übermittelt werden müssen. 4 siehe: BURKHARD, Kainka: Messen, Steuern und Regeln mit USB, Seite 20f

12 2. Aufbau und Funktionsweise des USB Der Interrupt-Transfer Anders als der Name Interrupt (engl. unterbrechen ) vermuten lässt, fragt der Host periodisch nach Daten, die übertragen werden müssen. Das Gerät bestimmt eine fixe Aktualisierungszeit und diese Bandbreite wird dann vom Host reserviert. Zum Beispiel wird nach allen 5 ms nachgefragt, ob neue Daten übertragen werden müssen. Anwendungen findet dieser Übertragungsmodus bei Mäusen oder Tastaturen Der Control-Transfer Der wichtigste Modus, der hauptsächlich zur Verwaltung und Steuerung der Hardware dient, ist der Control-Transfer (engl. kontrollieren ). Dabei wird automatisch die Fehlerkorrektur eingeschaltet, um höchste Sicherheit beim Übertragen von Daten zu gewährleisten. Außerdem läuft die Kommunikation auf höchster Prioritätsstufe, sie steht also vor allen anderen Transfer- Typen. Dieser Modus wird eingesetzt, um Geräte, die gerade angeschlossen wurden, zu initialisieren oder um kleinere Datenmengen sicher zu übermitteln. Daher basieren auch die meisten Messund Steuer-Interfaces darauf. 2.3 Anmeldung eines Gerätes am USB-System Der wohl größte Vorteil des USB ist seine Plug-and-Play Fähigkeit. Diese Funktion macht es möglich, dass Geräte, die an das System angeschlossen werden, voll automatisch erkannt werden und vom Betriebssystem der passende Treiber in den Arbeitsspeicher geladen wird. Für den komplizierten Anmeldungsprozess ist in jedem Gerät mindestens ein programmierbarer Mikrochip eingebaut, der alle erforderlichen Daten an den Host sendet und in weiterer Folge die Datenübertragung steuert und regelt. Dieses Anmeldungsverfahren soll nun kurz erläutert werden, doch ist eine detaillierte Ausführung nicht so wichtig Erkennung des Gerätetyps Da die drei verschiedenen Gerätetypen (Low-, Full- oder Highspeed) auf unterschiedlichen Frequenzen mit dem Hub kommunizieren, muss zu Beginn der Datenübertragung der Typ eindeutig erkennbar sein. Dazu werden die beiden Datenleitungen D+ und D- verwendet. Bei Lowspeed-Geräten wird die D- Leitung über einen 1,5 kohm Widerstand und bei einem Fullspeed-Gerät die D+ Leitung auf +5 Volt gelegt. Der Hub misst also die Widerstände an den Leitungen und weiß dadurch, mit welcher Sendefrequenz er die Kommunikation aufnehmen muss. Beim dritten Gerätetyp, dem Highspeed-Gerät, wird ebenfalls D+ über einen Widerstand auf die Versorgungsspannung von +5 Volt gelegt (es wird also ein Fullspeed Gerät simuliert). Jedoch ist dieser Widerstand abschaltbar, sodass nach erfolgreichem Initialisieren die volle Bandbreite des USB-2.0-Standards zur Verfügung steht. Dafür werden an beide Datenleitungen jeweils 45 Ohm Widerstände gegen Masse (0 Volt) geschalten, um den Datenfluss aufrecht zu erhalten. Diese oben genannten Vorgänge nennt man auch Terminierung der Signale. Sie dient dazu, dass Nachrichten im USB-System nicht im Kreis laufen und die Kommunikation stören

13 2. Aufbau und Funktionsweise des USB Initialisierung der Datenübertragung Sobald irgendein Gerät angeschlossen wird, bemerkt der Hub eine anliegende Spannung an den Datenleitungen. Daraufhin sendet er dem Host eine kurze Nachricht, der anschließend den Port, an den das neue Gerät angeschlossen wurde, neu initialisiert. Das bedeutet, dass dann alle Informationen des Geräts übermittelt und die Art der Datenübertragung zwischen Gerät und Computer ausgehandelt werden. Zuvor wird dem Gerät noch maximal 100 ma Versorgungsstrom zur Verfügung gestellt. Der PC kommuniziert mit den USB-Geräten über eine bestimmte Bus-Adresse, die für jedes Gerät einzeln vergeben wird, vergleichbar mit der IP-Adresse in Computer-Netzwerken. Am Anfang hat das Gerät die standardmäßige Adresse 0, die aber später abgeändert wird. Nun sind alle Voraussetzungen für die erste Kommunikation gegeben Übermitteln der Geräteeigenschaften Nach dem Initialisierungssignal auf Adresse 0 schickt das Gerät den so genannten Device- Descriptor (engl.: Device Gerät, Descriptor Beschreiber). Darin sind Informationen über die USB-Version, den Hersteller, die Produktklasse (zum Beispiel: Joystick oder Tastatur), die Seriennummer des Gerätes und vieles mehr enthalten. Aus dieser Beschreibung kann das Betriebssystem des Computers bereits die notwendigen Treiber suchen, das Gerät installieren und es später in Betrieb nehmen. Nun gibt es allerdings noch weitere Descriptor-Pakete, die genauere Informationen über das Gerät preisgeben. So hat ein Gerät einen einzigen Device-Descriptor, jedoch kann dieser mehrere Konfigurationen beinhalten (über den Configuration-Descriptor abrufbar). Darin wird unter anderem die gebrauchte Strommenge in Milliampere angegeben, die dann, sofern sie verfügbar ist, frei gegeben wird. Jede dieser Konfigurationen kann nun einige Interfaces umfassen (Interface-Descriptor). So kann man zum Beispiel mit nur einem USB-Kabel eine Tastatur, eine Maus und einen Joystick an einen Port anschließen. Dabei ist den jeweiligen Geräten je ein Interface-Descriptor zugewiesen. Auch WebCam und Mikrofon oder Drucker und Scanner können dadurch in einem Gerät untergebracht werden. 5 Somit erfährt der PC immer mehr über das angeschlossene Gerät und kann den Anforderungen in punkto Daten- und Stromversorgung, sowie Datenübertragungsmodus gerecht werden, um es anschließend in Betrieb nehmen zu können. 2.4 Ansteuern eines USB-Geräts in Windows Die für diese Fachbereichsarbeit verwendete Programmiersprache Delphi, die auf Pascal basiert, dient zur Entwicklung von 32-bit Windows Anwendungen (Diese werden ab sofort mit Programme oder Anwendungen bezeichnet und sind auch als Software bekannt.). Jedes Betriebssystem (in diesem Fall Microsoft Windows) verwaltet den gesamten Computer und stellt eine Ausführoberfläche für alle Programme dar. Damit eine Anwendung auch auf jedem PC funktioniert, wurden so genannte Treiber eingeführt, die die Kommunikation zur individuellen Hardware eines Computers ermöglichen. In den Treibern steht, in welchem Format das Betriebssystem die Daten an die Hardware senden muss, damit ein einwandfreier Betrieb möglich ist. Da sich nun der Aufbau und die 5 Eine sehr ausführliche Beschreibung aller Deskriptoren ist in BURKHARD, Kainka: Messen, Steuern und Regeln mit USB auf Seite 21ff enthalten

14 2. Aufbau und Funktionsweise des USB Struktur eines Betriebssystems von denen anderer Computern unterscheiden, wird hier kurz das Treiber-Modell von Windows besprochen Das Treiber-Modell von Microsoft Windows In diesem Abschnitt werden folgende Betriebssysteme von Microsoft mit dem Begriff Windows zusammengefasst: Windows 98, Windows ME, Windows 2000 und Windows XP. 6 Allgemein kann gesagt werden, dass kein Programm in Windows direkt auf die Hardware eines Computers zugreifen darf. Um diese nun doch ansteuern zu können, müssen Treiber verwendet werden. Am Besten stellt man sich das Betriebssystem in mehreren Schichten mit verschiedenen Zugriffsrechten vor. Programme arbeiten in der obersten Schicht (User-Mode), die keine Zugriffsrechte auf die Hardware hat. Sie greifen auf die Treiber, die in einer unteren Schicht (Kernel-Mode) arbeiten, zu und können über diesen Umweg mit der Hardware kommunizieren. Dieses Modell ist so aufgebaut, dass ein Programm auf den Treiber zugreift, als ob es direkt mit dem Gerät Daten austauschen würde. Jede Komponente des PCs benötigt seinen individuellen Treiber, ohne den die Hardware gar nicht erst funktionieren würde. Das Treiber-Modell von Windows (Win32-Driver-Model) besteht grundsätzlich aus dem I/O-Manager (Input/Output-Manager Eingabe/Ausgabe- Manager) und den Treibern. Alle Anwenderprogramme senden nun Pakete an den I/O- Manager, der sie dann auf die verschiedenen Treiber aufteilt und verwaltet. Nun besteht das Modell wiederum aus verschiedenen Schichten. Wenn man zum Beispiel ein USB-Gerät ansteuert, übergibt man die Daten an den Treiber für das eine Gerät. Dieser bereitet die Informationen auf und sendet sie an den Treiber für den USB-Controller-Chip (Host) im Computer, der schlussendlich die Kommunikation mit dem Gerät über USB ermöglicht. Umgekehrt funktioniert es, wenn die Anwendung Daten empfängt. In der obersten Treiberschicht, auf die die Anwendungen zugreifen können, gibt es nur fünf Windows-IO-Funktionen. Diese ermöglichen bereits die gesamte Kommunikation mit den verschiedenen Geräten. Die fünf Befehle sind vergleichsweise einfach handhabbar und erinnern an Zugriffe auf Dateien: o CreateFile() Öffnen eines Gerätes (über den Treiber) o CloseHandle() Schließen des Gerätes o ReadFile() Daten vom Gerät empfangen o WriteFile() Daten senden o DeviceIOControl() Spezielle Treiberfunktionen mit diversen Einstellungen Für einen Bulk-Transfer zu einem USB-Gerät werden meist die Befehle ReadFile() und WriteFile() verwendet. Das in dieser Arbeit verwendete CompuLAB-Interface muss nur geringe Datenmengen möglichst ohne Fehler übermitteln. Dazu eignet sich der Control- Transfer am Besten. Dafür muss allerdings der Befehl DeviceIOControl() verwendet werden, der komplizierter aufgebaut ist als die anderen beiden Öffnen und Schließen des Treibers Bevor ein Programm nun mit der Hardware Daten austauschen kann, muss der dazugehörige Treiber zuerst geöffnet und initialisiert werden. Dies geschieht in Borland Delphi mit dem Befehl CreateFile(). (Die weiter oben aufgelisteten fünf Windows-Befehle sind in der Datei WINDOWS.PAS deklariert und müssen beim Programmieren in Delphi nicht weiters definiert werden.) Die einzelnen Parameter, die mit dem Befehl in Klammern angegeben werden müssen, sind sehr komplex aufgebaut und können in dieser Arbeit nicht genauer 6 Windows 95 zählt nicht dazu, weil es ursprünglich keine USB-Geräte unterstützen konnte

15 2. Aufbau und Funktionsweise des USB beschrieben werden. Der Befehl liefert einen Handle (einen Zeiger auf den geöffneten Treiber) zurück, der bei weiteren Treiberbefehlen angegeben werden muss. Nach erfolgreichem Datenaustausch muss der Treiber wieder geschlossen werden, damit auch andere Programme darauf zugreifen können und das System nicht zu sehr ausgelastet wird. Der Befehl lautet einfach CloseHandle(). In den Klammern muss der zuvor erhaltene Handle angeführt werden Kommunikation mit dem Treiber Standardmäßig werden die Befehle WriteFile() und ReadFile() zum Datenaustausch mit dem Treiber verwendet, doch bietet DeviceIOControl() sehr viel mehr Funktionen in der Ansteuerung und Verwaltung des Zugriffs auf den Treiber. Außerdem können Daten gleichzeitig empfangen und gesendet werden (IO = Input/Output = Eingabe/Ausgabe). Das Programm muss diesem Befehl eine spezielle Funktionsnummer (DwIOControlCode) übergeben und erhält die Daten vom Treiber zurück. Der Aufruf dieses Befehls ist sehr komplex und erfordert eine große Anzahl an Parametern, die im Folgenden kurz erklärt werden: 7 DeviceIOControl(hDevice,dwIOControlCode,lpInBuffer,nInBufferSize,lpOutBuffer, - noutbuffersize,lpbytesreturned,lpoverlapped) Alle Variablen in der Klammer müssen wie folgt belegt werden: hdevice Handle auf das geöffnete File oder Gerät dwiocontrolcode Control-Code für die Gerätefunktion lpinbuffer Zeiger auf einen Input-Datenpuffer ninbuffersize Größe des Input-Datenpuffers lpoutbuffer Zeiger auf einen Output-Datenpuffer noutbuffersize Größe des Output-Datenpuffers lpbytesreturned Zeiger auf eine Variable mit der Anzahl der tatsächlich zurück gelieferten Bytes lpoverlapped Zeiger auf eine Overlapped-Struktur oder NIL für Nonoverlapped Als Datenpuffer ist eine Variable im Programm gemeint, die die Daten kurzzeitig zwischenspeichert, bevor sie gesendet oder weiterverarbeiten werden. Dem Treiber muss zusätzlich die Größe des Puffers übergeben werden, damit er überprüfen kann, ob tatsächlich alle Daten gesendet oder empfangen wurden. Die Variable lpbytesreturned enthält noch zusätzlich einen Wert mit der Anzahl der empfangenen Daten. Damit kann das Programm kontrollieren, ob nicht ein Fehler in der Datenübertragung aufgetreten ist und kann notfalls die Prozedur ein zweites Mal aufrufen. Mit dem Parameter lpoverlapped wird das Verhalten des Programms während des Treiberaufrufs eingestellt. Wird NIL (= Nichts; NIL ist nicht dasselbe wie 0!) eingesetzt, dann wird der Prozess des Programms so lange angehalten, bis die Datenübertragung mit dem Treiber beendet wurde. Bei einem Übertragungsfehler kann das Programm dadurch unter Umständen hängen bleiben, weil nicht alle Daten empfangen wurden. Dies muss durch einen weiteren Prozess im Programm abgefangen werden. Wird für lpoverlapped ein Zeiger auf eine Overlapped-Struktur eingesetzt, läuft das Programm beim Senden und Empfangen ungestört weiter. Dies kann jedoch zur Folge haben, dass der Prozess bereits weiterarbeitet ohne alle Daten erhalten zu haben. 7 direkt übernommen aus: BURKHARD, Kainka: Messen, Steuern und Regeln mit USB, Seite

16 3. Beschreibung des CompuLAB-Interface 3 Beschreibung des CompuLAB-Interface Die wichtigsten Aufgaben eines jeden Interface sind, Dinge zu messen und Vorgänge zu steuern. So ist es auch beim CompuLAB-Interface 8, das aus Komfortgründen über die USB- Schnittstelle agiert. Das ursprüngliche Ziel der Entwickler der Firma Modul-Bus GmbH war, ein bereits bestehendes Interface, das an die serielle Schnittstelle des PCs angeschlossen wurde, USB-tauglich zu machen. Das neue Interface soll dabei über die gleichen Mess- und Steuerfunktion des alten verfügen. Dies war aber keineswegs ein leichtes Unterfangen, denn aufgrund der Komplexität des USB ist ein sehr aufwendiger Mikrocontroller im Interface notwendig, der auch extra programmiert werden muss Funktionen und Eigenschaften des Interface Obwohl das CompuLAB-Interface insgesamt nur 11 Messeingänge und 8 Messausgänge besitzt, kann es universell eingesetzt werden. Man muss dafür ein wenig herumbasteln und das Interface durch eine kleine elektronische Schaltung, die auf das gewünschte Vorhaben zugeschnitten ist, erweitern Messeingänge Um allgemeine Messungen wie zum Beispiel elektrische Spannung, Temperatur oder Lichtstärke durchführen zu können, wurden dafür in das Interface zwei analoge Messkanäle eingebaut, die jeweils eine Spannung von 0 bis 5 Volt messen können. Die maximale Genauigkeit wird dabei durch die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers bestimmt (AD- Wandler). Dieser bietet eine Messgenauigkeit von zehn Bit, was einer Unterteilung der 5 Volt in 1024 Schritten (=2^10) entspricht, also eine Genauigkeit von ungefähr 0,005 Volt für jeden Eingang. Zusätzlich wurden beide über einen Widerstand von 1 MΩ auf Masse gelegt, was einen geringeren Fehler bei der Messung zur Folge hat. Weiters wurde noch ein dritter analoger Kanal ohne Eingangswiderstand implementiert, der nur für spezielle Messzwecke geeignet ist und daher im Programm CompuLAB-Rader gar nicht angeführt wird. Natürlich sollen Schaltzustände von Relais oder anderen Bauteilen in den Computer übertragen werden können. Deshalb besitzt das Interface auch noch acht digitale Eingänge. Im Leerlauf übertragen sie eine logische Null (= nicht eingeschaltet oder aus bzw. Low). Diese Eingänge schalten auf High ( ein, logische Eins) sobald der standardisierte TTL-Pegel überschritten wird: Low-Spannung von 0 bis +0,8 Volt und High-Spannung ab +2,0 Volt. Man könnte an diesen digitalen Eingängen etwaige Relais-Schaltungen anschließen. Eine Lichtschranke eignet sich sehr gut als Beispiel: Sobald jemand den Raum betritt und die Lichtschranke unterbricht, schaltet sich das Relais der Schranke ein und legt 5 Volt auf einen digitalen Eingang. Dieses Signal wird dem Computer übermittelt, der es im Programm anzeigt und weitere Prozesse steuern kann. (Es könnte somit beim Betreten des Raums automatisch das Licht eingeschaltet werden.) 8 Erhältlich bei der Firma AK Modul-Bus GmbH. 9 vgl. BURKHARD, Kainka: Messen, Steuern und Regeln mit USB

17 3. Beschreibung des CompuLAB-Interface Messausgänge Die bereits erwähnten insgesamt acht digitalen Ausgänge haben die genau umgekehrte Funktion der Eingänge. Über den Computer lassen sich diese acht Signalleitungen auf die Betriebsspannung des Interface (High) setzen. Dadurch kann zum Beispiel eine angeschlossene LED zum Aufleuchten gebracht werden. Zur besseren Kontrolle sind die Ausgänge bereits mit roten LEDs versehen, die den aktuellen Schaltzustand anzeigen. Da die Betriebsspannung des USB, mit der das Interface im Normalfall versorgt wird, mit maximal 100 ma belastet werden darf und das Interface selbst schon ein wenig davon beansprucht, können keine leistungsstarken Geräte mit den Ausgängen angesteuert werden. Sollte beispielsweise ein Elektromotor oder eine Glühbirne eingeschaltet werden, empfiehlt es sich, ein Relais dazwischen zu schalten. Mit passender Stromversorgung können damit alle erdenklichen Geräte und Maschinen gesteuert werden Stromversorgung Um das Problem, dass Geräte am USB normalerweise nur 100 ma beanspruchen dürfen, zu beheben aber auch um eine genauere Messung zu erzielen, wurde ein Anschluss für ein 12 Volt Netzteil in das Interface eingebaut. Weil die Betriebsspannung, auf die die Messung bezogen wird, bei erhöhter Belastung der Ausgänge damit nicht mehr abfällt, können dadurch genauere Messungen durchgeführt werden. Ein weiter Vorteil besteht darin, dass dann auch Geräte mit geringerer Leistungsaufnahme (zum Beispiel kleine Elektromotoren) mit den digitalen Ausgängen direkt geschaltet werden können Installation des Interface Aufgrund der USB-Fähigkeit muss das Interface nur mit einem einfachen USB-Kabel (Verbindung von Stecker A auf Stecker B) an den PC angeschlossen werden. Die Systemvoraussetzungen des Computers für einen problemlosen Betrieb sind folgende: o PC mit einem freiem USB-Port (USB-Version: mindestens 1.1). Bei älteren Computern, die kein USB-System integriert haben, kann eine PCI USB-Steckkarte gekauft werden. Sollte kein USB-Port frei sein, empfiehlt sich der Kauf eines USB-Hubs. o Mindestens ein 486er-System mit 100 Mhz, 16 MB RAM und 20 MB freien Festplattenspeicher. o Installiertes Betriebssystem: Windows 98, Windows ME, Windows 2000 oder Windows XP. Bei laufendem System (oder ansonsten beim nächsten Hochfahren) erscheint wenige Momente nach dem Anschließen des Interface das Dialogfenster von Windows zur Treiberinstallation. Dabei muss der Treiber für das Interface, der auf der beiliegenden CD-ROM gespeichert ist, installiert werden. Auf eine genauere Beschreibung des Installationsvorganges wird hier verzichtet. Nach abgeschlossener Installation ist zu kontrollieren, ob die grüne LED auf dem Interface neben der USB-Buchse aufleuchtet. Wenn ja, bedeutet dies, dass das CompuLAB- Interface bereits einsatzbereit ist. Sollte sie nicht aufleuchten, was aber bei dieser einfachen Installation sehr selten der Fall sein wird, empfiehlt sich ein Neustart des Systems. Sobald diese Installationsroutine einmal vollzogen worden ist, kann das Interface nach Belieben (auch bei laufendem System) ab- und angesteckt werden. Der Treiber wird dabei immer binnen weniger Sekunden automatisch geladen

18 3. Beschreibung des CompuLAB-Interface Handhabung des Interface Das Wichtigste zum Betrieb des Interface (siehe Abbildung 3) ist der richtige Anschluss an den USB, wobei allerdings aufgrund der einfachen Strukturierung des USB nichts falsch gemacht werden kann. Ist der Computer gestartet und der Treiber installiert, kann das Interface dann Abbildung 3: Das CompuLAB-USB Interface; (1) USB-Buchse, (2) 12 Volt Spannungsversorgung, (3) 5 Volt Spannungsanschlüsse, (4) analogen Kanäle, (5) digitalen Ausgänge, (6) digitalen Eingänge, (7) Sammelstecker, (8) USB-Controller CY76C63000, (9) AD-Wandler TLC1543, (10) Invertierer 74HC540. sofort verwendet werden, da der USB bereits die Betriebsspannung mitliefert. Werden an den Ausgängen noch zusätzliche Verbraucher angeschlossen, ist die Verwendung eines 12 Volt Netzteils von Vorteil. Dieses wird an der mit +12 V beschrifteten Buchse angesteckt, woraufhin eine rote LED auf die externe Stromversorgung hinweist. Für den Aufbau von kleinen und einfachen Versuchen wurden alle Ein- und Ausgänge sowie die Spannungsanschlüsse (5 Volt und Masse) über Klemmen und 2 mm Buchsen herausgeführt. Damit können die Bestandteile einer Schaltung direkt angeschlossen werden. Bei komplizierten Messungen, die auch öfters wiederholt werden, ist ein 25-poliger Sammelstecker an den alle Leitungen angeschlossen sind, verfügbar. Über diesen Stecker ist auch der hochohmige, analoge Eingang C ansteuerbar. Die Pinbelegung wurde in Abbildung 4 aufgezeichnet. Obwohl die verfügbare Betriebsspannung des Interface kurzschlussfest ist, sollten die beiden Kontakte 0 V und +5 V nicht direkt verbunden werden, weil möglicherweise das Interface und sogar der Computer dauerhaften Schaden nehmen könnten. Die Eingänge sind zur Sicherheit auch bis 24 Volt überspannungsfest. Bei einer Spannungsmessung mit den analogen Kanälen an einem zweiten Schaltkreis muss die Abbildung 4: Pinbelegung des Sammelsteckers (Zur Verfügung gestellt von Modul-Bus GmbH) Masse des Interface auf eine Referenzspannung gelegt werden, damit die korrekte, zu messende Spannung angezeigt wird. Meistens ist dies dann

19 3. Beschreibung des CompuLAB-Interface auch der Masseanschluss der anderen Schaltung. Bei den digitalen Eingängen muss auch die Verbindung mit Masse sichergestellt werden. Ist eine komplexere Mess- und Steuerschaltung notwendig, empfiehlt sich der Aufbau dieser Schaltung auf einer separaten Leiterplatte. Die Signale können über einzelne Kabel oder gemeinsam über den Sammelstecker an das Interface geführt werden. Bei der Firma Modul- Bus sind bereits solche Schaltungen, die direkt an den 25-poligen Stecker angeschlossen werden erhältlich: Die spezielle PowerBox dient zur Verstärkung der digitalen Ausgänge des CompuLAB-Interface, wodurch leistungsstärkere Geräte gesteuert werden können. Aber auch Ampelschaltungen oder Codekartenleser sind für das Interface verfügbar Erklärung verwendeter Bauteile Die elektronische Schaltung des Interface besteht aus mehreren Bauteilen. Die wichtigsten sind die kleinen schwarzen Kästchen, so genannte ICs (= Integrated Circuits = Integrierte Schaltungen), die aus mehreren winzigen Transistoren, Widerständen und Kondensatoren aufgebaut sind. In ihnen ist bereits eine hochkomplexe, elektronische Schaltung integriert und sie müssen nur noch über ein paar wenige externe Bauteile richtig angesteuert werden, um das Interface funktionstüchtig zu machen. Aufgrund dieser ICs ist es möglich, eine komplizierte Schaltung wie die des CompuLAB-Interface auf geringem Raum zu realisieren. Alle Bauteile wurden auf einer Leiterplatine, die die elektrische Verbindung zwischen ihnen herstellt, aufgelötet. Das Layout dieser Platine wird in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt: Abbildung 5: Schematische Darstellung des Platinenlayouts (Zur Verfügung gestellt von Modul-Bus GmbH) Die Aufgabenbereiche und die Funktionsweisen der verwendeten ICs werden im folgenden Abschnitt kurz erläutert. 10 Die meisten Schaltungen sind bei der Firma Modul-Bus GmbH erhältlich

20 3. Beschreibung des CompuLAB-Interface Der USB-Controller-Chip CY76C63000 Hergestellt von der Firma Cypress Inc. war dieser IC einer der ersten Mikrocontroller für Lowspeed-USB-Geräte. Er war vorrangig für kleine, kompakte Geräte bestimmt, beispielsweise Joystick oder Maus, ist jedoch für das CompuLAB-Interface bestens geeignet. Dieser Chip steuert und regelt die komplette Kommunikation mit dem Computer über den USB. Er verwaltet automatisch die Anmeldung des USB-Interface beim Anstecken an den PC und antwortet völlig selbstständig auf die Datenanforderungen des Computers. Aufgrund der universellen Einsatzbereiche dieses USB-Controllers ist es nötig, ihm ein individuell zugeschnittenes Programm in Assembler einzuspeichern. Der Mikroprozessor arbeitet dann dieses Programm ab und verwaltet dementsprechend die anliegenden Daten. Die empfangenen Daten können damit aufbereitet und korrekt ausgegeben werden. Die eingelesenen Informationen werden umgerechnet und als kompakte Einheit an den PC gesendet. (Dieses Programm in Assembler kann, sobald es in den Chip eingespeichert ist, nicht wieder gelöscht werden) Die wichtigsten Daten dieses Mikrocontrollers sind kurz zusammengefasst: 11 o RISC Prozessor mit einem 8-bit Kern, der mit 12 MHz arbeitet, o 128 Byte RAM, o 2 oder 4 KByte EPROM (Speicherplatz) für das Programm und o 12 oder 16 Ports für Ein- oder Ausgänge. In diesem Interface wird der Controller-Typ mit 12 Ports und 2 KByte EPROM verwendet, der im 20-pin DIP-Gehäuse (siehe Abbildung 6) untergebracht ist. Es müssen extern nur noch die Stromversorgung, die beiden Datenleitungen des USB (D+ und D-) sowie ein Keramik- Resonator als Taktgenerator von 6 MHz angeschlossen werden, um den Mikrochip in Betrieb zu nehmen. Abbildung 6: Funktionsweise und Pinbelegung des CY76C63000 (Zur Verfügung gestellt von Cypress, Inc.) Eine detaillierte Beschreibung der internen Arbeitsweise dieses Mikrocontrollers (siehe Abbildung 6) und dessen genaue Programmierung in Assembler ist nicht weiters wichtig. Die gesamten Informationen zum Chip sind auf der Website von Cypress Inc. (http://www.cypress.com/usb/lowspeed/index.htm) abrufbar. Alle verfügbaren Ports sind bidirektional. Das heißt, dass an demselben Port des Chips Daten empfangen oder gesendet werden können. Dadurch kann der Controller an individuelle 11 Aus: BURKHARD, Kainka: Messen, Steuern und Regeln mit USB, Seite

21 3. Beschreibung des CompuLAB-Interface Anforderungen optimal angepasst werden. Es muss dazu nur das Programm, das in den EPROM gespeichert wird, dementsprechend abgeändert werden und schon hat man je nach Bedarf einen Ein- oder Ausgang mehr oder weniger. Eine sehr praktische Eigenheit dieses USB-Controllers, das jedoch im CompuLAB-Interface nicht verwendet wird, ist die Steuerung der Ausgangsspannung an den verfügbaren Ports. Es kann damit über den Computer und mit Hilfe einer kleinen elektronischen Schaltung an den Ausgängen irgendeine Spannung in 16 Schritten gesteuert werden, zum Beispiel eine Spannung von 0 bis 5 Volt in Schritten von etwa 0,31 Volt Der AD-Wandler TLC1543 Um analoge Werte (eine Spannung) über den USB messen zu können, benötigt man einen Analog/Digital-Wandler (AD-Wandler), der eine bestimmte Spannung in einen Datenfluss aus Nullen und Einsen umwandelt (Bits). Aufgrund der Aufgabe von Modul-Bus, ein bestehendes Interface für den USB umzubauen, mussten einige Werte für die analogen Kanäle eingehalten werden: o 2 analoge Eingänge o Auflösung von mindestens 8 Bit o Messbereich von 0 bis 5 Volt Die Entwickler von Modul-Bus wählten dazu den AD-Wandler TLC1534 von Texas Instruments. Dieser Chip besitzt eine Auflösung von 10 Bit (bei einem Messbereich von 5 Volt entspricht dies etwa 0,005 Volt). Aufgrund seiner seriellen Datenausgabe kann er leicht an einen Mikrocontroller wie den CY7C63000 angeschlossen werden. Ein weiterer Vorteil, der für diesen Chip spricht, ist seine interne Takterzeugung für den Messvorgang, sodass ein externer Quarz, der die Messung negativ beeinflussen könnte, wegfällt. Abbildung 7: Funktionsweise und Pinbelegung des TLC1534 (Zur Verfügung gestellt von Texas Instruments, Inc. Dieser Wandler arbeitet nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation (siehe Abbildung 8). Das bedeutet, dass das Eingangssignal durch ein Netzwerk aus Kondensatoren zuerst mit der halben Betriebsspannung (2,5 Volt) verglichen wird. Liegt der zu messende Wert darüber, setzt der Wandler Bit 9 auf Eins. Der nächste Vergleich wird dann mit einem oder drei Viertel der Betriebsspannung (je nach dem Ergebnis der ersten Messung: nein oder ja) durchgeführt und Bit 8 ermittelt. Nach insgesamt zehn Messungen ist das analoge Signal in zehn Bits (Bit 9 bis Bit 0) umgewandelt und kann an den USB-Controller geschickt werden

22 3. Beschreibung des CompuLAB-Interface Der AD-Wandler wird durch ein High-Signal an dem CS- Pin aktiviert (siehe Abbildung 7) und nt sogleich mit den Messungen. Die gewandelten Daten werden seriell auf einer einzigen Leitung gesendet. Dafür muss der USB-Controller zuerst die Adresse des Eingangs, der gemessen werden soll, an den Adress-Pin des Wandlers schicken, der daraufhin mit den Daten auf dem DataOut- Pin antwortet. Der gesamte Sendevorgang wird mit einem Systemtakt, der vom Controller generiert wird und am I/O-Clock-Pin (Takt) anliegt, gesteuert. Abbildung 8: Sukzessive Approximation Für die Kommunikation zwischen AD-Wandler und USB-Controller sind also insgesamt vier Leitungen notwendig. Weil die digitalen Ausgänge des Interface direkt an den Controllerchip anliegen und dieser mit seinen 12 Ports damit voll ausgenutzt ist, muss man als digitale Messleitungen die restlichen acht analogen Eingänge des Wandlers verwenden. Dabei wird die Spannung gemessen und im USB-Controller mit Hilfe einer Erweiterung des dort eingespeicherten Programms mit den TTL-Pegeln verglichen und in ein digitales Signal (Null oder Eins) umgewandelt. Ein weiterer Eingang des AD-Wandlers wird zusätzlich für einen dritten analogen Kanal, der einen extrem hohen Eingangswiderstand hat, genutzt, wodurch dann alle vorhandenen Mess- und Steuermöglichkeiten des Interfaces ausgenützt werden Der Invertierer 74HC540 Der 74HC540 ist ein weiterer Baustein mit integrierter, elektronischer Schaltung (IC), der von diversen Firmen hergestellt wird. Dieser hat im Vergleich zum USB-Controller CY7C63000 eine sehr simple Aufgabe und ist auch nicht kompliziert aufgebaut. Sobald seine beiden Stromversorgungs-Pins mit +5 und 0 Volt verbunden sind, invertiert er den Pegel eines Signals, das an einem seiner acht Eingänge anliegt. Das bedeutet, dass er bei einer Signal-Spannung von 0 Volt den dazugehörigen Ausgang auf Betriebsspannung also 5 Volt setzt und umgekehrt. Dieser Baustein wird nur dazu verwendet, dass die LED-Anzeige der acht digitalen Ausgänge des Interface möglichst elegant realisiert werden kann und auch ein wenig höhere Lasten an das CompuLAB-Interface angeschlossen werden können: Die Ausgänge des USB-Controllers sind im Ruhezustand alle auf +5 Volt gesetzt. Wird ein Ausgang per PC eingeschaltet, so sinkt die Spannung auf 0 Volt. Die LEDs sind alle an +5 Volt angeschlossen und über einen Schutzwiderstand mit dem Mikrochip direkt verbunden. Sinkt die Spannung an einem Ausgang des Controllers auf Null ab, fließt Strom durch die LED und bringt sie zum Leuchten. Der Benutzer des Interface erwartet jedoch, dass die Spannung von 0 Volt (ausgeschaltet) auf +5 Volt (eingeschaltet) an den Ausgängen ansteigt. Und weil der USB-Controller die Spannungen genau verkehrt schaltet, wird einfach ein Baustein der Serie 74HC540 verwendet, um die Signale wieder umzukehren. Somit schalten die digitalen Ausgänge wieder so wie erwartet Restliche Bauelemente Da die gesamte Schaltung aus diesen drei komplexen ICs aufgebaut ist, sind nur noch sehr wenige externe Bauteile notwendig (diese werden auch als passive Bauteile bezeichnet). Dabei ist noch die zusätzliche Spannungsversorgung mit einem 12 Volt Steckernetzteil zu erwähnen. Mit einem Spannungsstabilisator, der die Spannung von 12 Volt auf 5 Volt reduziert und stabilisiert, zwei Kondensatoren, einer Diode und LED mit Schutzwiderstand ist diese Versorgung auch schon realisiert und voll funktionsfähig. Weiters sind auf dem Interface noch eine Statusanzeige des USB mit einer grünen LED, zwei Kondensatoren zur Stabilisierung der

23 3. Beschreibung des CompuLAB-Interface Spannungsversorgung der ICs und ein paar Widerstände zur Spannungsteilung für den Messprozess untergebracht. Zusammen mit den diversen Steckermaterialien, die zur bessern Handhabung des Interface sorgen, besteht es aus nicht einmal einer handvoll Bauteilen. 3.3 Schaltplan des Interface Um dem Leser die Möglichkeit zu bieten, das USB-Interface nachzubauen, soll an dieser Stelle kurz der Schaltplan skizziert werden. Auf eine genauere Beschreibung der Funktionsweise des Interface und eine Zusammenfassung des Aufbaus wird aber verzichtet. Abbildung 9: Schaltplan des CompuLAB-USB-Interface (Zur Verfügung gestellt von Modul-Bus GmbH

24 4. Das Programm CompuLAB-Reader 4 Das Programm CompuLAB-Reader Die Entwicklung eines Programms nt mit den Überlegungen, welchen Funktionsumfang es umfassen soll. Damit ist natürlich die Komplexität und Größe des Programms direkt verbunden. Je mehr Funktionen enthalten sein sollen, desto komplizierter werden der Programmaufbau und somit auch dessen Entwicklung. 12 Weiters soll darauf geachtet werden, dass es für den Benutzer leicht bedienbar und überschaubar bleibt. Bei einem Umfang eines Programms vergleichbar mit dieser Arbeit sollte der Benutzer nicht lange herumprobieren müssen, damit er endlich weiß, wie das Programm zu bedienen ist. Ein gutes Programm sollte gewissermaßen selbsterklärend sein. Durch verschiedene Tipps und Anmerkungen wird dem Benutzer die Arbeit mit dem Programm erleichtert. Doch das Wichtigste eines Programms, das den Informatiker auch am Meisten interessiert, ist der Quellcode. Er stellt sozusagen den Aufbau und die Struktur des Programms in Form von gewöhnlichem Text dar und ist, wenn er genauer ausgewertet wird, ein Maß für die Qualität des Programms. Alle programmiertechnischen Meistergriffe und Lösungen verschiedener Probleme können mit ihm mehr oder weniger leicht nachvollzogen werden. Darum soll auch der vierte Teil dieser Arbeit mehr der Erklärung des Quellcodes als der Bedienung des Programms CompuLAB-Reader gewidmet werden. Das fertige Programm ist auf der beiliegenden CD-ROM als CompuLAB-Reader.exe zu finden. Außerdem wurde das Programm als Delphi Projekt, komplett mit den benötigten Komponenten, Formen und Quellcodedateien, auf diese CD-ROM hinzugefügt. Im Anhang A dieser Arbeit finden Sie die Screenshots (Abbildungen) aller Fenster des Programms inklusive einer kurzen Erklärung, die beschreibt, wie sie aufgerufen werden können und was man mit ihnen machen kann. Anhang B beinhaltet den gesamten Quellcode des Programms unterteilt in Abschnitte, die zu den Screenshots gehören. 4.1 Verwendete Komponenten Bereits ein simples Programm erfordert schon strukturiertes Denken. Und je komplexer das Programm nun wird, desto schwieriger wird es, sich als einziger Programmierer alles zusammen zu denken. Dabei ist oftmals die graphische Ausgabe von Daten eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Doch zum Glück kann man in Delphi so genannte Komponenten verwenden. Diese sind fertige Programmteile, die spezielle Aufgaben bewältigen. Der Programmierer muss sie nur noch mit den richtigen Daten füttern und schon verwalten sie ihre Aufgabenbereiche. Neben den Standard-Komponenten (Buttons, Textfelder, Menüleisten usw.), die Delphi bereits integriert hat, kann man noch spezielle Komponenten über das Internet beziehen und ins Programm einbinden. Dabei muss man auch wieder zwischen kostenpflichtigen und frei verfügbaren Komponenten unterscheiden. Die ersten können nur gegen ein gewisses Entgelt verwendet werden, doch die anderen sind gratis einsetzbar, so genannte Freeware. Für dieses Programm wurden insgesamt zusätzlich zwei Gratis- Komponenten verwendet. Beide können uneingeschränkt und für jeden Zweck verwendet werden. 12 Bei den Programmierarbeiten wurde teilweise die Delphi-Hilfe als Nachschlagewerk verwendet

25 4. Das Programm CompuLAB-Reader Die Graphikkomponente xygraph Die wohl leistungsfähigste Komponente, die auch den Mittelpunkt des Programms darstellt, ist eine Graphikkomponente zum leichten Zeichnen von Diagrammen, genannt xygraph. 13 Nachdem ich die bei Delphi mitgeführte Komponente, genannt Chartfx, gründlich untersucht hatte, war mir klar, dass diese zwar viele Funktionen hat, jedoch für die Ausgabe von Messwerten kaum geeignet ist. Nach längerem Suchen im Internet wurde ich schließlich fündig. Die Firma Kestral Computing Inc. entwickelte für eines ihrer Programme die Komponente xygraph. Zusammen mit einem sehr ausführlichen Hilfepaket 14 kann sie frei verwendet werden. Ein erstes großes Kopfzerbrechen bereitete mir die Einstellung der Eigenschaften dieser Komponente. Über spezielle Eingabeformulare kann in Delphi bereits alles, was später im Programm von dieser Komponente angezeigt wird, eingestellt werden: Vom kompletten Aussehen über die später vorhandenen Achsen bis hin zu einer möglichen Anpassung der Kurven zum Beispiel durch die Spline-Methode berechnet. Obwohl ich nur einen kleinen Teil der Eigenschaften durchgesehen hatte, war ich sofort davon begeistert und entschloss, die Komponente in das werdende Programm einzubauen. Nach genauerem Studieren der Hilfedateien und Programmieren von ein paar kleineren Testprogrammen, waren die Einstellungen optimal konfiguriert und ich konnte mit der Einbindung in das Hauptprogramm nen. Das allererste Ziel war, eine kurze Messserie zu realisieren und diese als Graphen auszugeben. Da ich schon Erfahrung in der Ansteuerung des USB-Interface durch vorhergehende Programme gesammelt hatte, musste ich mich nicht lange damit herumplagen. Den Graphen mit den Messdaten zu füttern, war wohl die einfachste Aufgabe: (Chart ist in den Quellcodeauszügen die xygraph-komponente!) if RecordA then Chart.Series[1][x]:=AnA*(5/1023); if RecordB then Chart.Series[2][x]:=AnB*(5/1023); Je nachdem, welcher Graph aufgezeichnet werden soll, sind die Variablen RecordA und/oder RecordB auf True oder False gesetzt. Dadurch bedingt wird ein Punkt auf dem Diagramm gezeichnet. Die erste Klammer gibt die Serie des Graphen an (1 für Kanal A und 2 für Kanal B) und die zweite Klammer den x-wert, an dem der Punkt gesetzt werden soll. Diesem wird der Messwert in Volt zugewiesen. Die Prozedur hinter dem Gleichzeichen dient zur Umrechnung des vom Interface erhaltenen Wertes. Werden diese beiden Anweisung öfters wiederholt, bildet sich ein einfacher Graph aus den Messwerten. Alle Punkte werden automatisch in den Arbeitsspeicher geschrieben, damit sie für spätere Weiterverarbeitungen abrufbar bleiben. Somit war mein erster Graph bereits gezeichnet und ich konnte mich über weitere Programmfunktionen hermachen. Natürlich sollte der Graph auch ausgedruckt werden können. Mit folgender einfacher Funktion übernimmt die Komponente alle weiteren Schritte, um den Graph auf das Blatt Papier zu bekommen: if PrintDialog.Execute then Chart.Print; Der Befehl PrintDialog.Execute öffnet das standardmäßige Windows-Druckfenster, in dem alle Optionen zum Druck eingestellt werden können. Wird dieser Dialog mit OK bestätigt, ruft Chart.Print die Druckroutine der Komponente auf und das Diagramm wird auf dem ausgewählten Drucker ausgegeben. Genauso einfach konnte die Funktion zum Ändern der Farbe des Graphen oder die Benennung der Achsen realisiert werden: 13 Entwickelt von Kestral Computing, Inc. 14 Aus dem xygraph Tutorial, das auf beiliegender CD-ROM enthalten ist

26 4. Das Programm CompuLAB-Reader procedure TTitles.Button2Click(Sender: TObject); MainForm.Chart.Appearance.GraphTitle:=GraphTitle; MainForm.Chart.XAxis.Title:=xTitle; MainForm.Chart.YAxis.Title:=yTitle; Titles.Close; In der Form Titles, die über den Menüpunkt Bearbeiten > Beschriftungen ändern aufgerufen werden kann, sind die Titel der Achsen und die Schriftarten editierbar. Mit Chart.YAxis.Title wird der Y-Achse der neue Titel zugewiesen. Mit folgender kurzen Prozedur kann die Schriftart der Diagrammüberschrift geändert werden: procedure TTitles.Button4Click(Sender: TObject); FontDialog.Font:=MainForm.Chart.Appearance.TitleFont; if FontDialog.Execute then - MainForm.Chart.Appearance.TitleFont:=FontDialog.Font; FontDialog ist die Standard-Schriftarten-Box, über die alle verfügbaren Schriftarten angezeigt und ausgewählt werden können. Wiederum wird hier nur die Schriftart zugewiesen, wenn auf OK gedrückt wird, wobei Chart.Appearance.TitleFont die Schriftart des Diagrammtitels ist und die obige Prozedur nur diesen ändert. Für die Achsen ist eine weitere ähnliche Prozedur notwendig. Die Änderung der Farbe des Graphen ist vergleichbar mit der Auswahl einer anderen Schriftart: procedure TMainForm.Button1Click(Sender: TObject); ColorDialog.Color:=Chart.Series[1].LineColor; ColorDialog.Execute; Chart.Series[1].LineColor:=ColorDialog.Color; Chart.Series[1].PointColor:=ColorDialog.Color; FileChanged:=True; FileSaved:=False; Diesmal ist ColorDialog das Windows-Dialogfenster zur Auswahl einer neuen Farbe. Wie aus anderen Programmen gewohnt kann der Benutzer damit jede beliebige Farbe auswählen oder selbst aus den Grundfarben Rot, Grün und Blau zusammenmischen. Diese wird dann der Linie des Graphen (LineColor) und den Punkten (PointColor), sofern sie angezeigt werden, zugewiesen. FileChanged und FileSaved sind Variablen, die zur Verwaltung der Speichern- Prozeduren dienen. Weitere wichtige Funktionen, die größtenteils in die xygraph Komponente eingebunden sind, werden zu einem späteren Zeitpunkt in dieser Arbeit noch genauer beschrieben. Obwohl diese Komponente, wie an den obigen Beispielen ersichtlich, bereits viel fertige Prozeduren beinhaltet und somit dem Programmierer einiges an Arbeit abnimmt, sollte jedoch nicht der Eindruck entstehen, dass das entwickelte Programm CompuLAB-Reader nicht kompliziert zu programmieren war. Trotz dieser Komponente hat der Quellcode des Programms einen Umfang von fast 2100 Zeilen, die auch einige komplexe Schleifen beinhalten Die TrayComp Komponente Diese Komponente TrayComp 15 ist zwar für die grundlegende Funktion des Programms nicht unbedingt notwendig, doch bietet sie dem User die Möglichkeit, das Programmfenster in den 15 Entwickelt von RODIGIN, Alexander

27 4. Das Programm CompuLAB-Reader SystemTray von Windows (die kleinen Symbole in der Taskleiste neben der Uhr) zu platzieren. Das bietet folgenden Vorteil: Wenn nun bestimmte Langzeitmessungen mit dem Programm durchgeführt werden (bis maximal 24 Stunden möglich), darf der Computer natürlich nicht ausgeschaltet werden. In dieser Zeit kann er jedoch für alltägliche Arbeiten verwendet werden und das offene Programmfenster würde nur stören. Dabei ist es sehr komfortabel, wenn das Fenster nur ein kleines Symbol in der Taskleiste ist und das Programm trotzdem weiterhin die Messungen durchführt. Die Ansteuerung dieser Komponente ist kein großes Hexenwerk. Zunächst muss in den Eigenschaften der Komponente eine Popup-Liste hinzugefügt werden, die erscheinen soll, wenn der Benutzer mit der rechten Maustaste auf das Symbol klickt. Auch ein geeignetes Icon (Symbol) muss erstellt und zugewiesen werden. Schließlich kann die Komponente das Programm mit ein paar einfachen Befehlen verstecken und das Symbol neben der Uhr platzieren (Die Komponente wird mit SystemTray bezeichnet): procedure TMainForm.TrayIcon1Click(Sender: TObject); TrayIcon1.Enabled:=False; ToolButton9.Enabled:=False; if not SystemTray.ShowIcon then SystemTray.ShowIcon:=True; SystemTray.ShowForm:=Optionen.HideApp; SystemTray.ShowInTaskBar:=False; if not SystemTray.ShowInTaskBar then Messz.Hide; Wird ShowIcon auf True gesetz, ist das Symbol im SystemTray sichtbar, ansonsten nicht. Mit ShowForm auf False wird das Programmfenster versteckt. Und mit ShowInTaskBar auf False wird schließlich der Eintrag in der Taskleiste entfernt. Somit kann das Programm nur durch einen Doppelklick oder Rechtsklick > Fenster öffnen auf das Symbol wieder sichtbar gemacht werden. Die Hauptfunktionen dieser Komponente sind somit schon alle beschrieben und erfordern keine weitere Erklärung. Obwohl im Internet unzählige solcher SystemTray-Komponenten auffindbar sind, habe ich mich für die von Alexander Rodigin entschieden, weil sie sehr übersichtlich und leicht verwendbar ist. 4.2 Zentrale Programmteile Neben den beiden Komponenten, die ich für das Programm verwendet habe, besteht ein Großteil des Quellcodes aus größeren, zentralen Programmteilen, die etwas komplexer aufgebaut sind. Der folgende Abschnitt kommentiert nur die wichtigsten Teile. Die Funktionen der restlichen Programmteile sind im Quellcode (siehe Anhang B) enthalten Ansteuerung des CompuLAB-Interface Der folgende Auszug aus dem Quellcode beinhaltet die zentrale Prozedur des Programms. Damit wird die gesamte Kommunikation des Computers mit dem Interface gesteuert und verwaltet. Die anstehenden Daten der digitalen Ausgänge werden verschickt und zur gleichen Zeit die Messeingänge und die Zustände der digitalen Eingänge empfangen: procedure TMainForm.SendenEmpfangen(Dout: Integer); var DeviceHandle: THandle; TempHandle: THandle; nbytes: DWord; bresult: Boolean; lin: _lin;

28 4. Das Programm CompuLAB-Reader lout: _lout; lin.bfunction:=6; lin.bvalue1:=dout; DeviceHandle:=CreateFile('\\.\CompuLABusb_0',Generic_write,File_Share_- write,nil,open_existing,0,temphandle); - sizeof(lout),nbytes,nil); CloseHandle(DeviceHandle); Connected:=bResult; Din:=lOut.bValue1; AnA:=4*lOut.bValue2 + (lout.bvalue4 and 15); AnB:=4*lOut.bValue3 + (lout.bvalue4 div 15); if Connected then StatusBar.Panels.Items[1].Text:='CompuLAB-USB ist betriebsbereit!'; if not ChartTimer.Enabled then ButtonEnabler(128,True); end else StatusBar.Panels.Items[1].Text:='Kein Interface angeschlossen!'; Din:=0;AnA:=0;AnB:=0; if not ChartTimer.Enabled then ButtonEnabler(128,False) else ChartTimer.Enabled:=False; MessageDlg('CompuLAB-USB wurde vom PC getrennt. Messvorgang wird - abgebrochen!',mterror,[mbok],0); StopClick(Main.MainForm); Wie bereits in Kommunikation mit dem Treiber beschrieben, verwalten die Befehle CreateFile, DeviceIOControl und CloseHandle den Datenaustausch mit dem Windows-Treiber für das CompuLAB USB-Interface. Die Variable DeviceHandle ist hierbei ein Zeiger auf den geöffneten Treiber. Mit diesen Befehlen wird also eine Art Datenaustausch mit einer Datei durchgeführt. In Wirklichkeit wird auf den Treiber geschrieben, der die Daten an das Interface weiterleitet. CreateFile öffnet einen Datenstrom, der über DeviceIOControl die Daten in lin sendet und empfangene Daten in lout schreibt. Der Befehl liefert in bresult einen Wert zurück, der angibt, ob der Zugriff auf den Treiber erfolgreich durchgeführt werden konnte. CloseHandle schließt den Treiber wieder, damit auch andere Programme auf das Interface zugreifen können. lin und lout sind eigens definierte Variablen, die wiederum weitere Variablen enthalten. So stehen in lout.bvalue1 die Daten der digitalen Eingänge des Interface. Das Umrechnen der analogen Werte ist um einiges komplizierter als vielleicht angenommen: lout.bvalue2 enthält das so genannte Highbyte des Kanals A. Es ist ein Wert zwischen 0 und 256 also eine Auflösung von 8 Bit. Da das Interface aber eine Auflösung von 10 Bit unterstützt, muss das Highbyte mit 4 multipliziert werden, um maximal auf 1024 (=256*4) zu kommen. lout.bvalue4 enthält das Lowbyte der Kanäle A und B verbunden durch eine logische UND- Operation. lout.bvalue4 and 15 errechnet also das Lowbyte für Kanal A, das von 0 bis 4 reicht. Addiert mit dem Highbyte ergibt sich also eine Auflösung von insgesamt 10 Bit. Das Lowbyte für Kanal B erhält man durch eine Ganzzahlendivision mit 15. Schlussendlich enthält AnA einen Wert für die Spannung zwischen 0 und 5 Volt am Kanal A als einen Wert zwischen 0 und 1024; AnB den entsprechenden Wert für Kanal B. Die Variablen AnA und AnB sind global definiert und können überall im Programm verwendet werden. Um auf eine Zahl für die Spannung zu kommen, muss der Wert durch 1024 dividiert und mit 5 multipliziert werden. Also eine Umrechnung in einen Bereich von 0 bis

29 4. Das Programm CompuLAB-Reader Ein Freund meinte beim Durchlesen dieses Abschnitts, dass bei der Umrechnung eine Scheingenauigkeit durch die Multiplikation mit 5 auftrete. Doch durch die Addition des Lowbytes wird die Auflösung von tatsächlichen 10 Bit sichergestellt. Die beiden if-schleifen zum Schluss dieses Auszugs verwalten das Programmverhalten bei einer plötzlichen Trennung des Interface, indem sie die Variable Connected, die den Status des Treiberaufrufes enthält, überprüfen. Bei einer unerwarteten Trennung gibt das Programm eine Meldung an den Benutzer über den Befehl MessageDlg aus und stoppt einen eventuellen Messvorgang. Diese gesamte Prozedur, betitelt mit SendenEmpfangen, wird im Programm immer dann aufgerufen, wenn gerade Werte gesendet und empfangen werden sollen. Dieser Prozedur muss noch zusätzlich ein Wert, der den Zustand der digitalen Ausgänge des Interface als ein gesamtes Byte (von 0 bis 256) beinhaltet, in Klammern übergeben werden Speichern und Öffnen einer Diagrammdatei Über Datei > Öffnen oder Datei > Speichern werden standardmäßige Dialoge zum Öffnen oder Speichern einer Diagrammdatei geöffnet. Mit ihnen können die CLC-Dateien (CompuLAB- Chart-Dateien) verwaltet werden. Aufgrund einer weiteren Funktion der xygraph-komponente ist es ein Leichtes, die Datei zu speichern: Chart.savetofile(ChartFile,True); ChartFile ist der Dateiname inklusive Pfad und der zweite Wert in der Klammer besagt, dass alle Daten und Informationen des Graphen mitgespeichert werden (Punkte, Linienfarbe, usw.). Doch alleine die Abfrage, ob bereits eine bestehende Datei mit einer neu zu speichernden Datei überschrieben werden soll, bereitete mir einen größeren Stolperstein. Auch das Problem, dass wenn der Graph schon einmal gespeichert wurde und es wird auf Speichern (nicht zu verwechseln mit Speichern unter!) geklickt, der Graph ohne zu fragen gespeichert wird, erforderte einen kleinen Trick. Es wurden dazu drei globale Variablen des Typs Boolean eingeführt: FileChanged, FileSaved und FileOpened. Sobald eine Datei geöffnet, geändert oder gespeichert wird, werden diese Variablen verändert und somit das Verhalten des Programms beim Speichern oder Öffnen gesteuert. Ein weiteres Problem war die Abfrage, ob ein Diagramm gespeichert werden soll, wenn eine bestehende Datei geöffnet wird. Aber auch eine Abfrage beim Schließen des Programms war kein Kinderspiel. Jedoch mit den drei Variablen und einigen if-schleifen konnten diese Probleme mehr oder weniger elegant gelöst werden. Das folgende Beispiel ist die Prozedur, die zum Speichern nötig ist. Zwei weitere solche Schleifen waren für das Öffnen und Speichern unter zuständig: procedure TMainForm.SaveDataClick(Sender: TObject); var TempFile:String; if (not FileSaved) and (not FileOpened) then //wenn schon - einmal gespeichert, dann ohne fragen speichern if ChartFile='' then - SaveDialog.InitialDir:=ExtractFilePath(Application.Exename) else SaveDialog.InitialDir:=ExtractFilePath(ChartFile); SaveDialog.Title:='CompuLAB Chart Datei speichern'; if SaveDialog.Execute then Chartfile:=SaveDialog.FileName; if FileExists(ChartFile) then //wenn Datei besteht, fragen, - ob überschreiben TempFile:=ExtractFileName(ChartFile); if MessageDlg('Die vorhandene Datei "'+TempFile+'" wird - überschrieben!',mtwarning,[mbcancel,mbok],0)=mrcancel then Exit; Chart.savetofile(ChartFile,True); FileSaved:=True; //Datei gespeichert

30 4. Das Programm CompuLAB-Reader end else Chart.savetofile(ChartFile,True); Beim Schließen des Programms war eine Abfrage zum Speichern nötig und außerdem mussten die digitalen Ausgänge des Interface noch auf 0 gesetzt werden. procedure TMainForm.CloseProgram(); if not FormClosed then if (not FileSaved) and FileChanged then if MessageDlg('Möchten Sie vor - dem Beenden speichern?',mtconfirmation,[mbyes,mbno],0)=mryes then - MainForm.SaveDataClick(Main.MainForm); FormClosed:=True; MainForm.SendenEmpfangen(0); Die Möglichkeit, das Beenden des Programms bei der Abfrage, ob die Datei gespeichert werden soll, abbrechen zu können, hätte den Komfort des Programms noch weiter gesteigert. Dies ist aber nur durch sehr komplizierte Befehle, die das Programm im letzten Augenblick doch nicht beenden, realisierbar und hätte zu viel Zeit zur Entwicklung des Programms benötigt Speichern des Diagramms als Bild-Datei Das Speichern als eine Bild-Datei läuft zu Beginn wie das gewöhnliche Speichern einer CLC- Datei ab. Dabei kann allerdings zwischen JPEG-Datei und BMP-Datei gewählt werden. JPEG bietet eine Kompression des Bildes, damit die Dateigröße minimiert werden kann. BMP hingegen speichert die Daten ohne Kompression also 1 zu 1 ab. Über Datei > Als Bild speichern wird ein Dialog zum Auswählen der Datei und des Pfads geöffnet. Anschließend wird eine eigene Prozedur aufgerufen, der der Dateipfad und die Art der Datei übergeben werden: SavePicture(PictureFile, ExtractFileExt(PictureFile)); PictureFile ist der Dateipfad mit Dateinamen. Mithilfe von ExtractFileExt(PictureFile) wird der Dateityp ermittelt (jpeg oder bmp). Mit diesen Daten wird die Prozedur SavePicture aufgerufen, die die Daten bei Auswahl einer JPEG-Datei komprimiert und abspeichert. procedure TMainForm.SavePicture(PictureFileName: String; Id: String); var TempPicture:String; Bmp:TBitmap; Jpeg:TJPEGImage; Path:String; Path:=ExtractFilePath(Application.ExeName)+'temp.bmp'; if Id='.jpg' then //JPEG oder BMP Bmp:=TBitmap.Create; Jpeg:=TJpegImage.Create; Chart.SaveToBitmap(Path); //Chart muss zwischengespeichert - werden, da Chart.Assign(Bmp) nicht - richtig funktioniert Bmp.LoadFromFile(Path); //Bmp aus Temp-Datei laden Jpeg.Assign(Bmp); Jpeg.CompressionQuality:=100; //100% Qualität Jpeg.SaveToFile(PictureFileName); //JPEG-Datei speichern Bmp.Free; Jpeg.Free; DeleteFile(Path); //Temp-Datei wieder löschen end else Chart.SaveToBitmap(PictureFileName); //Bmp speichern

31 4. Das Programm CompuLAB-Reader Die Komponente xygraph speichert eine BMP-Datei einfach mit dem Befehl SaveToBitmap(). Beim Speichern einer JPEG-Datei musste ein Umweg gefunden werden, weil der Befehl Chart.Assign(), mit dem die Bilddaten des Diagramms einer Variable zugewiesen werden können, nicht korrekt funktioniert. Stattdessen muss das Bild temporär als temp.bmp zwischengespeichert werden. Anschließend wird es wieder geöffnet, in eine JPEG-Datei umgewandelt und unter den angegebenen Namen gespeichert. Die BMP-Datei für das Zwischenspeichern wird zum Schluss mit DeleteFile() wieder gelöscht. Die Befehle zum Speichern einer JPEG-Datei wurden in der Hilfe von Delphi gefunden. Bei beinahe gleichbleibender Qualität kann mithilfe der JPEG-Kompression aus einer 2 MB großen Datei eine JPEG-Datei mit cirka 0,2 MB gemacht werden Speichern der Programmeinstellungen in eine INI-Datei Für eine bessere Konfiguration des Programms nach den Wünschen des Benutzers sind unter Optionen > Programmeinstellungen ein paar Optionen konfigurierbar. Hier kann zum Beispiel die Statusleiste oder die Symbolleiste ein- oder ausgeblendet werden. Aber auch Optionen zum Minimieren des Programmfensters in den SystemTray sind einstellbar. Alle diese Optionen sollten beim erneuten Start des Programms wieder geladen werden, sodass der Benutzer es wieder so vorfindet, wie er es verlassen hat. Eine Möglichkeit ein paar Einstellungen zu speichern, kann über die Registrierung von Windows realisiert werden. Ich entschied mich jedoch zur Speicherung in einer INI-Datei. Diese hat den Vorteil, dass sie leicht überschaubar ist und die Registrierung nicht mit Datenmüll verschmutzt, wenn das Programm eines Tages gelöscht werden sollte. Für die Einstellungen wurde ein eigener Variablentyp definiert, der alle Optionen umfasst. So ist Optionen.StatusBar die Variable, die angibt, ob die StatusBar des Programms zu sehen ist oder nicht. Beim Schließen des Dialogs zu den Programmeinstellungen wird die INI-Datei auf die Festplatte geschrieben. Dazu ist eine Prozedur notwendig, die die so genannten Values einer INI-Datei ändert und speichert: procedure TMainForm.OptionenSpeichern(); var OptionenString: TStrings; OptionenString:=TStringList.Create; if FileExists(Filename) then OptionenString.LoadFromFile(Filename); with OptionenString do Values['HideApp']:=IntToStr(Integer(Optionen.HideApp)); Values['AutoTray']:=IntToStr(Integer(Optionen.AutoTray)); Values['ShowIcon']:=IntToStr(Integer(Optionen.ShowIcon)); Values['ToolBar']:=IntToStr(Integer(Optionen.ToolBar)); Values['StatusBar']:=IntToStr(Integer(Optionen.StatusBar)); Values['UseSens']:=IntToStr(Integer(Optionen.UseSens)); Values['UseModule']:=IntToStr(Integer(Optionen.UseModule)); try OptionenString.SaveToFile(Filename) except Die Variable OptionenString, der die Optionen aus einer bereits bestehenden Datei zugewiesen werden, verwaltet alle Einträge mit der Erweiterung Values. Filename ist der Pfad zur INI- Datei, die im Programmordner als reader.ini abgelegt wird. In der Variable Optionen sind alle Einstellungen gespeichert, die in der obigen Schleife der Variable OptionenString zugewiesen werden. Zum Schluss wird die INI-Datei wieder gespeichert. Beim Starten des Programms wird nun überprüft, ob die INI-Datei bereits vorhanden ist oder nicht. Wenn nicht, dann werden die Standardoptionen automatisch geladen. Falls nun doch die Datei vorhanden ist, so wird wieder ein OptionenString eingelesen. Diesmal wird allerdings der Variable Optionen die Einstellungen aus dem OptionenString zugewiesen. Natürlich müssen

32 4. Das Programm CompuLAB-Reader die Einstellungen übertragen werden und zum Beispiel die Symbolleiste aus- oder eingeblendet werden Zentrale Verwaltung der Symbol- und Menüleiste Sehr wichtig für die Bedienung des Programms sind Menü- und Symbolleisten, die oben im Hauptfenster zu finden sind. Dort sollen alle Programmfunktionen abrufbar sein, um dem Benutzer einen besseren Überblick zu verschaffen. Allerdings zieht dies ein kleines Problem mit sich: Die Symbole in der Symbolleise und die Einträge der Menüleiste müssen zu bestimmten Zeiten deaktiviert werden, damit es nicht zu einem Programmabsturz kommen kann. So muss bei einer laufenden Messung der Start-Button für das Aufzeichnen eines Diagramms deaktiviert sein, damit nicht eine zweite Messung gestartet werden kann und das Programm abstürzt. Ich löste dieses Problem durch eine eigene Prozedur, die je nach übermittelten Wert gewisse Buttons (Schaltflächen) ein- oder ausschaltet: procedure TMainForm.ButtonEnabler(Id:Integer; State:Boolean); if (Id and 1)>0 then OpenData.Enabled:=State; ToolButton1.Enabled:=State; if (Id and 2)>0 then Wird also für Id die Zahl 1 und für State True übermittelt, so werden nur die Buttons für das Öffnen eingeschaltet. Ist State False, so werden sie ausgeschaltet. Id ist ein Wert, der die einzelnen Zahlen, denen bestimmte Buttons zugeordnet sind, enthält. Durch logische UND- Operationen können diese wieder herausgefiltert werden. Mit einer kurzen Liste, auf der steht, für welche Buttons welche Id zu setzen ist, können die Schaltflächen bequem ein- und ausgeschaltet werden. Ein Aufruf dieser Prozedur könnte zum Beispiel so aussehen: ButtonEnabler( ,False); ButtonEnabler() ist die weiter oben angeführte Prozedur zum Verwalten der Buttons. Dieser Befehl wird beim Starten des Programms ausgeführt. Er schaltet alle Buttons, die mit der Zahl 2, 4, 8, 16, 32, 64 und 256 zusammenhängen, aus. 4.3 Restlicher Quellcode Die wichtigsten, zentralen Programmfunktionen wurden im vorigen Abschnitt zusammengefasst und erklärt. Doch ein Programm besteht aus sehr viel mehr Quellcode, denn alle möglichen Prozeduraufrufe, die durch den Benutzer gestartet werden können, oder zusätzliche kleine Programmoptionen müssen im Quellcode eingebaut sein. Außerdem bietet ein Computerprogramm viele Möglichkeiten sich selbst oder den gesamten Computer zum Absturz zu bringen, es funktioniert gar nicht wie gewollt oder verarbeitet Daten falsch. Ein guter Programmierer muss diese Bugs (engl. Käfer ) entdecken und sie möglichst elegant ausschalten oder vernichten. Dies beansprucht die meiste Zeit beim Entwickeln eines Programms und der Quellcode wächst dabei immer wieder um ein paar kleine Befehle weiter. Ist das Programm dann fertig, hat man eine Unmenge an Quellcode, von dem aber kein einziger Befehl fehlen darf, damit die Anwendung weiterhin zuverlässig arbeitet

33 5. Zusammenfassung 5 Zusammenfassung Das Programm CompuLAB-Reader bietet einen eleganten und einfachen Weg, mit dem CompuLAB-Interface Messdiagramme zu erstellen und Prozesse zu steuern. Der einzige Nachteil dabei ist, dass das Interface notwendig ist, um alle Funktionen des Programms nutzen zu können. Ohne angeschlossenes Interface können nur bestehende Diagramme geöffnet und weiterbearbeitet werden. Der ideale Einsatzbereich für ein Paket aus CompuLAB-Interface und dem Programm ist der Physikunterricht an Schulen. Zur Veranschaulichung des Theorieteils können in vielen Bereichen der Physik leicht verständliche Experimente eingebracht werden. Und mit dem Interface, dem Programm und geeignetem Steckermaterial ist es sogar für einen jungen Schüler ein Leichtes, eine kleine Messschaltung für Temperatur, Lichteinstrahlung, Lautstärke oder ähnliche Experimente aufzubauen. Mit der einfachen Bedienung des Programms können die Messdaten sofort auf dem Computer betrachtet und ausgewertet werden. Aber auch für den jungen Hobby-Elektronikbastler bietet das Interface eine Basis für unzählige weitere Experimente mit elektronischen Schaltungen. So kann mit einem Temperaturfühler das Abkühlen einer Tasse Kaffe beobachtet werden. Oder mit Hilfe eines Licht- Spannungswandlers die Lichteinstrahlung an der Hausmauer (und gleichzeitig auch die Temperatur) über einen ganzen Tag gemessen werden. Es könnte sogar eine Alarmanlage mit Lichtschranken und Unterbrechungsschaltern aufgebaut werden, die bei einem Einbruchsversuch die Zimmerbeleuchtung an- und ausschaltet und sogar bei entsprechender Programmierung eines Programms und Ausbau der Elektronik die Türen verriegelt und eine E- Mail an das örtliche Polizeirevier schickt. Mit dem CompuLAB-Interface stehen also ungeahnte Experimentiermöglichkeiten offen, die nur darauf warten, von einem Elektronikbastler ausgenutzt zu werden. Dabei bietet das Programm CompuLAB-Reader eine optimale Ausgangsbasis zum einfachen Diagrammzeichnen und Steuern einiger Prozesse. Allerdings sollte es besonders zum Entwickeln eigener Schaltungen und Programme anregen

34 6. Zeitplan zur Entstehung dieser Arbeit 6 Zeitplan zur Entstehung dieser Arbeit Sommerferien Basiskommunikation zwischen Computer und USB-Interface (vgl ) - Graphische Darstellung der digitalen Ein- und Ausgänge und die analogen Eingänge mit Hilfe einer Gauge-Control - Allgemeine Programmoptionen - Problem: Speichern der Programmeinstellungen, die ein Benutzer vornimmt Lösung: Einstellungen werden in einer *.INI-Datei gespeichert und beim Start wieder geladen (vgl ) - Mit Hilfe der Komponente TrayComp kann das Programmfenster in den SystemTray neben der Uhr platziert werden (vgl ) - Problem: möglichst elegante Art, die Schaltflächen in der TaskBar und MenuBar ausund einzuschalten Lösung: einer Prozedur wird eine 16bit-große Zahl und eine Boolean-Variable übergeben, diese schaltet dann die Buttons aus oder ein (vgl ) 12. September Die Komponente xygraph kann die Messdaten als Diagramm darstellen; diese ausdrucken, bearbeiten und speichern (vgl ) - Druck-Dialog und Druckeinstellungen-Dialog hinzugefügt, Drucken des Diagramms möglich 14. September Splitterfunktion im Hauptfenster - Diagrammoptionen - GraphTimer - SystemTray verbessert 15. September Diagramm zeichnen - Diagrammoptionen möglich: für Kanal A und B, Farbe und Punkte auswählen - Problem: Komponente flimmert beim Hinzufügen eines Datenpunktes Lösung: Chart.Appearance.PreventFlicker:=True - Problem: max alle 20 ms einen Messpunkt hinzufügen, sonst wird System ausgebremst Lösung: für verschiedene Zeiträume verschiedene Aufnahmefrequenz bestimmt - Problem: Splineoption für Graphen nicht möglich, undefinierbare Fehlermeldung 16. September Bearbeitung des Problems: Splineoption; teilweise Lösung: try, except Schleife zeichnet, aber am Ende des Zeichenvorgangs erscheint wieder ein Fehler - Komplette Öffnen und Speicher Routine, inkl. Überschreibschutz - Versuch das Diagramm als Bild zu speichern; Problem: xygraph speichert aber nicht in richtigem Format - Problem: Komponente gibt Bilddaten nicht richtig aus, JPEG kann nicht geöffnet werden

35 6. Zeitplan zur Entstehung dieser Arbeit 01. Oktober Die Beschriftungen und Schriftarten des Diagrammtitels und der Achsenbeschriftungen können geändert werden 06. Oktober Speicheroption beim Beenden des Programms - Verbesserungen bei der Aufzeichnung der Messdaten 16. Oktober Probleme, wenn Interface abgeschlossen wird (Aufzeichnung abbrechen) - Status des Interface wird angezeigt, kann auch getrennt werden -> Aufzeichnung abgebrochen 17. Oktober Grober Entwurf des Deckblattes (Suchen der Bilder) - Beginn der Einteilung der FBA in Kapitel - Funktion im Word für Inhalts- und Abbildungsverzeichnis erlernen 22. Oktober Der Graph kann wahlweise als JPEG- oder BMP-Bild gespeichert werden, anfängliche Probleme lagen an der Chart-Komponente und wurden durch Zwischenspeichern in eine BMP-Datei umgangen - Die aktuelle Position des Mauszeigers über dem Graphen wird in den Einheiten Volt und Sekunden angezeigt - Der zum Mauszeiger nächste Messpunkt wird für Kanal A und Kanal B in dessen Einheiten angezeigt November Schreibarbeiten: USB-Grundlagen 10. November Kopieren der Datensätze in die Zwischenablage möglich, verschiedene Trennzeichen (Strichpunkt, Leerzeichen, Tab) Dezember Schreibarbeiten: CompuLAB-Interface Inzwischen wurde das Programm fertig geschrieben 09. Jänner Nachfrage bei Autor von MSR über USB, modul-bus GmbH, Cypress, Texas Instruments zur Verwendung von Bildmaterialien Jänner Schreibarbeiten: Das Programm CompuLAB-Reader Februar Schreibarbeiten: Anhang (hpts. Quellcode) - Korrekturarbeiten - Arbeiten am Layout

36 7. Literatur- und Quellenverzeichnis 7 Literatur- und Quellenverzeichnis BÖGEHOLZ, Harald: Schnelle Strippen. Die Technik von USB 2.0 im Vergleich mit FireWire. in: c t. Magazin für Computer und Technik. hrsg. von HEISE, Christian. 2001, Heft von bis , Nummer 15, S Hannover: Verlag Heinz Heise, BURKHARD, Kainka: Messen, Steuern und Regeln mit USB. Hard- und Software- Entwicklung für die Praxis. Poing: Franzis Verlag, CYPRESS, Inc.: Bezugsquelle der schematischen Darstellung des CY76C Quelle: DELPHI HILFE: Autor unbekannt. aufrufbar im Programm Borland Delphi über den Menüpunkt Hilfe > Delphi-Hilfe. EHMER, Christian, und MASIERO, Manuel: USB 2.0: Highspeed mit 480 MBit/s. München: IDG Interactive KESTRAL COMPUTING, Inc.: Bezugsquelle der Komponente xygraph. Quelle: KLINKENBERG, Frank: USB-Grundlagen. München: IDG Interactive MODUL-BUS GmbH: Hersteller des CompuLAB-Interface. Bezugsquelle des Schaltplans. RODIGIN, Alexander: Autor der Komponente TrayComp. Quelle: TEXAS INSTRUMENTS, Inc.: Bezugsquelle der schematischen Darstellung des TLC1543. Quelle: XYGRAPH TUTORIAL: Kestral Computing, Inc. Autor unbekannt. oder auf beiliegender CD-ROM im Ordner xygraph Tutorial > xygraph.htm

37 7. Literatur- und Quellenverzeichnis Abbildungsquellenverzeichnis Abbildung 1: Abbildung 2: Abbildung 3: selbst gemachtes Foto Abbildung 4: Abbildung 5: per von Modul-Bus GmbH zugesandt Abbildung 6: sowie Abbildung 7: (Teile wurden aus der PDF-Datei herauskopiert) Abbildung 8: selbst erstellte Skizze Abbildung 9: per von Modul-Bus GmbH zugesandt Die Verwendung von Bildmaterial anderer wurde vom jeweiligen Urheber ausdrücklich erlaubt. Ehrenwörtliche Erklärung Hiermit erkläre ich, die vorliegende Fachbereichsarbeit mit dem Titel Messen, Steuern und Regeln über USB selbst und nur mit Hilfe der angegebenen Quellen verfasst zu haben. Die Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen

38 Anhang A - Screenshots Anhang A - Screenshots Hauptfenster Dazugehörender Quellcode: Main.pas (siehe -38-) In der Mitte ist die Komponente xygraph zu sehen, die einen Graphen eines analogen Kanals darstellt. Am oberen Rand befinden sich die Menüleiste, über die alle Funktionen des Programms zugänglich sind, und darunter die Symbolleiste, die die wichtigsten Befehle enthält. Am linken Rand sieht man die Werte der Punkte, die dem Mauszeiger im Diagramm am nächsten sind für jeden Kanal einzeln angezeigt. Darunter die Werte über denen sich der Mauszeiger gerade befindet. Weiters können die Optionen für das Diagramm dort festgelegt werden. Am unteren Ende befindet sich die Statusleiste, die Informationen zu den verschiedenen Befehlen und dem Interface anzeigt. Aufnahmeoptionen Dazugehörender Quellcode: Graphop.pas (siehe -49-) Wird eine Messung gestartet, können in diesem Fenster die wichtigsten Optionen für die Aufnahme festgelegt werden

39 Anhang A - Screenshots Messzentrale Dazugehörender Quellcode: Mess.pas (siehe -51-) Die Messzentrale dient zur Echtzeitanzeige der Messeingänge und Steuerausgänge. Dieses Fenster bietet die einzige Möglichkeit, die digitalen Kanäle zu verwalten. Die acht Ausgänge müssen per Hand ein- oder ausgeschaltet werden. Die Eingänge werden graphisch dargestellt. Programmoptionen Dazugehörender Quellcode: Optionsu.pas (siehe -55-) In diesem Fenster werden allgemeine Programmoptionen eingestellt, die beim Klicken auf den OK-Button in eine INI-Datei im Ordner des Programms gespeichert werden. Beim Starten des Programms werden diese Einstellungen automatisch wieder geladen

40 Anhang A - Screenshots Kopieroptionen Dazugehörender Quellcode: Copyop.pas (siehe -57-) Beim Kopieren der Diagrammdaten in die Zwischenablage kann eingestellt werden, mit welchem Zeichen die Datensätze getrennt werden. Für den Export nach Excel empfiehlt sich der Tabulator als Trennzeichen. Die Trennung der Zeilen erfolgt mit Zeilenumbrüchen. Diagrammbeschriftungen Dazugehörender Quellcode: Titlesu.pas (siehe -58-) Hier kann ein individueller Text zur Beschriftung des Diagramms eingegeben werden. Zusätzlich kann auch eine eigene Schriftart ausgewählt werden. Infobox Dazugehörender Quellcode: About.pas (siehe -60-) Dieses Fenster enthält alle nötigen Informationen zum Programm in Hinblick auf den Autor und den Urheberrechten

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