Technikerarbeit 2005/06

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1 Technikerarbeit 2005/06 Entwicklung eines neuen Microcontrollerboards für den Unterricht an der Elektronikschule Technikerarbeit Seite 1 von 77

2 Technikerarbeit 2005/06 Automatisierungstechnik / Mechatronik Thema der Technikerarbeit Entwicklung eines neuen Microcontrollerboards für den Unterricht an der Elektronikschule Verfasser: Betreuer: Gunthard Kraus, Oberstudienrat an der Elektronikschule Tettnang Elektronikschule Oberhofer Straße Tettnang Technikerarbeit Seite 2 von 77

3 Ich versichere, dass die Technikerarbeit von mir selbstständig angefertigt und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt wurden. Alle Stellen, die dem Wortlaut oder dem Sinne nach anderen Werken entnommen sind, habe ich durch Angabe der Quellen kenntlich gemacht. Datum Unterschrift Technikerarbeit Seite 3 von 77

4 Danksagung Danke allen, die mich bei der Durchführung meiner Technikerarbeit unterstützt haben: Durch ihr Verständnis, durch aufmunternde Worte oder fachliche Ratschläge. Besonderen Dank gilt dem Betreuer meiner Technikerarbeit, Herr Gunthard Kraus, der mich mit seiner Begeisterung für das Thema Microcontroller angesteckt hat und Herr Martin Merkel, der mir ganz selbstverständlich die benötigten Platinen in hervorragender Qualität geätzt hat. Und zu guter letzt meinen netten Nachbarn, die mich mit Eis, Kaffee und kühlen Getränken bei Laune gehalten haben. Technikerarbeit Seite 4 von 77

5 Inhaltsverzeichnis 1 Projektentwicklung 1.1 Ausgangslage Thema der Technikerarbeit Meine Vorerfahrungen Meine Motivation Gliederung der Technikerarbeit Auftraggeber der Technikerarbeit Aufgabenstellung und die Betreuung des Projekts Vorstellung Auftraggeber Zweck des Microcontrollerboards Anwendung im Unterricht Ideale Vorraussetzungen für den Unterricht Aufgabenstellung Herr Kraus Ergänzende mündliche Vereinbarungen Eigene Vorstellungen Besonderheiten im Schulbetrieb Beschreibung des alten Boards Beschreibung der Zusatzplatinen Beschreibung der Keil Entwicklungsumgebung Entwicklungen bei den Mikrocontrollern in den letzten 15 Jahren Entwicklung Auswahl des Controllertyps Vorschlag Atmel-Controller Vorschlag Renesas-Controller Entscheidung Grobstruktur der Lösung Entwicklung der Platine Inbetriebnahme Erfahrungen im Umgang mit dem Controller und der Entwicklungsumgebung Anfängerproblem Erfahrungen Zeitlicher Ablauf Entstandene Kosten 24 Technikerarbeit Seite 5 von 77

6 2 Fertigungsunterlagen 2.1 Fertigungsunterlagen Alternativcarrier Beschreibung Alternativcarrier Bestückungsplan Altenativcarrier Schaltplan Alternativcarrier Stückliste Alternativcarrier Fertigungsunterlagen Microcontrollerboard Konzept Spannungsversorgung: Kurzschlussschutz: Funktionsgruppen der Schaltung Bestückung Schaltplan Funktionsbeschreibung der Schaltung Bestückungsplan Bohrplan Stückliste Aufbau Inbetriebnahme 43 3 Anleitung zum Arbeiten mit dem R8C/13 Microcontrollerboard 3.1 Übertragen des Programms vom PC (Host) in den Flash- Speicher des Microcontrollers (Target) Anleitung für das Renesas-Mikrocontrollerboard Vorstellung des ELEKTOR- Projekts Komponenten, die man zum Arbeiten benötigt Installationsreihenfolge Vorstellung des R8C/13 Microcontrollerboards Vorstellung des Renesas-Controllers Blockschaltbild Leistungsdaten Speicheraufteilung Ein-Ausgangsports Taktgenerator Erstellen eigener Projekte Inhalte der CD-Technikerarbeit Quellenangaben 77 Technikerarbeit Seite 6 von 77

7 1 Projektentwicklung Entwicklung eines neuen Microcontrollerboards für den Unterricht an der Elektronikschule Tettnang Technikerarbeit Seite 7 von 77

8 1.1 Ausgangslage Thema der Technikerarbeit Entwicklung eines neuen Mikrocontrollerboards für den Unterricht an der Elektronikschule Tettnang Meine Vorerfahrungen Als Industrieelektroniker war ich einige Jahre in der Entwicklung einer mittelständischen Firma beschäftigt, die Steuerungen für Haushaltsgeräte entwickelt und gefertigt hat. In dieser Zeit ( ) haben Mikrocontroller nach und nach die Aufgaben von analogen Schaltungskreisen und mechanischen Schaltwerken übernommen. Mein Aufgabengebiet war damals Aufbau und Messungen der externen Beschaltungen von mikrocontrollerbasierten Steuerungen. Ich konnte mir in dieser Zeit einige Erfahrungen im Bereich Hardwareentwicklung aneignen. In dem Bereich Softwareentwicklung und Programmierung hatte ich zu diesem Zeitpunkt noch keinen Zugang, da dies zu meiner Ausbildungszeit noch keine allzu große Rolle gespielt hat. Programmierkenntisse in C habe ich mir in den letzten beiden Jahren bei der Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker angeeignet Meine Motivation Als Elektroniker habe ich für mich den Anspruch, selbst elektronische Steuerungen entwickeln zu können. Ich kann mir auch sehr gut vorstellen, als Techniker im Bereich Hardwareentwicklung zu arbeiten. Es gibt heute kaum noch elektronische Schaltungen in denen kein Mikrocontroller eingesetzt wird. Die Erfahrungen im Bereich Hardwaredesign mit Mikrocontrollern und entsprechender Programmierung bieten mir sowohl beruflich als auch privat viele Möglichkeiten Gliederung der Technikerarbeit Der Inhalt dieser Technikerarbeit besteht aus drei wesentlichen Teilen: Beschreibung der Projektentwicklung Bereitstellung der erforderlichen Informationen zum Nachbau des Mikrocontrollerboards Anleitung zum Arbeiten mit dem Mikrocontrollerboard Ich habe versucht, diese drei Teile inhaltlich zu trennen, damit sowohl die Fertigungsunterlagen als auch die Anleitung zum Arbeiten mit dem Board separat ausgedruckt, bzw. für den Unterricht oder für Projektarbeit verwendet werden können. Technikerarbeit Seite 8 von 77

9 1.1.5 Auftraggeber der Technikerarbeit Elektronikschule Tettnang Oberhofer Straße Tettnang Tel: 07542/ Fax: 07542/ Aufgabenstellung und die Betreuung des Projekts : Herr Gunthard Kraus Oberstudienrat an der Elektronikschule Tettnang Vorstellung Auftraggeber Die Elektronikschule Tettnang ist eine öffentliche berufliche Schule. Die Schule bietet folgende Aus- und Weiterbildungsmöglichkeiten an: Berufsfachschule: Elektrotechnik, Informationselektronik Berufsschule: Informationselektronik, Kommunikationselektronik, Prozeßleitelektronik IT-System-Elektroniker/in, IT-System-Kaufmann/frau, Fachinformatiker/in Informatikkaufmann/frau Berufskolleg 1 jährig: Technik und Medien, Technische Kommunikation Berufskolleg 2 jährig: Elektrotechnik / Automatisierungstechnik, Informations- und Kommunikationstechnik, Industrietechnologie Fachschule: Automatisierungstechnik/Mechatronik, Elektrotechnik, Informationstechnik Zweck des Microcontrollerboards Verschiedene Klassen der Elektronikschule Tettnang müssen im Fach Informatik die Programmierung in den Programmiersprachen C bzw. Assembler lernen. Bei der hardwarenahen Programmierung ist es sinnvoll die Programme mit einem realen Controller auszutesten, aber auch Kenntnisse vom Hardwareaufbau einer mikrocontrollerbasierten Steuerung zu vermitteln. Des weiteren könnte das Mikrocontrollerboard als Plattform für eine Steuerungsaufgabe als Technikerarbeit verwendet werden. Technikerarbeit Seite 9 von 77

10 1.1.9 Anwendung im Unterricht Der Unterricht besteht in der Regel aus einem Theorieteil in dem einzelne Funktionen erklärt werden und einem Praxisteil in dem die Programme erstellt werden und in den Controller geladen werden. Am Controller kann dann die Funktion getestet werden und gegebenenfalls Messungen mit dem Multimeter bzw. dem Oszilloskop gemacht werden. Oft werden die Programme dann noch erweitert und abgeändert, um die verschiedenen Möglichkeiten der einzelnen Funktionen genauer kennen zu lernen. Im Verlauf einer Unterrichtsstunde werden somit oft 5-10 verschiedene Programmvarianten getestet Ideale Vorraussetzungen für den Unterricht Idealerweise hat jeder Schüler sowohl eine Entwicklungsumgebung und ein Zielsystem (Microcontrollerboard) zur Verfügung. Das Übertragen des Programms in das Zielsystem sollte ohne großen Zeitaufwand möglich sein, wenn möglich ohne Programmieradapter Aufgabenstellung Herr Kraus Technikerarbeit von H. Weber / FTA04: Neues Mikrocontrollerboard für die EST Problem: Das in unserer Schule eingesetzte und hier auch als Bausatz erhältliche Compuboard 80C535 ist in Zwischenzeit vom Konzept her 15 Jahre alt. In dieser Zeit gab es viele Technische Weiterentwicklungen und deshalb soll ein neues Board als Nachfolger entwickelt werden. Folgende Anforderungen werden gestellt: 8 Bit-Controller mit genügend Ports, einem integrierten A-D-Wandler und einer seriellen Schnittstelle. Die Programmierung (speziell in C) sollte weiterhin mit der KEIL- Software möglich sein. Der Controller sollte ein Flash -EPROM enthalten, das über eine passende Schnittstelle vom PC aus mit dem aktuellen Programm geladen werden kann Das Board sollte wieder preisgünstig zu fertigen sein und vom Schüler selber bestückt bzw. repariert werden können. Falls für den Controller eine SMD -Version eingesetzt wird, sollte er auf eine getrennte kleine Leiterplatte ( z.b. mit einer IC-Fassung als Steckverbinder ) aufgelötet sein. So kann er im Schadensfall ausgetauscht werden, ohne gleich die komplette Platine wegwerfen zu müssen. Technikerarbeit Seite 10 von 77

11 Umfang der Arbeit: Auswahl des passenden Controllers Entwicklung der Schaltung und einer lauffähigen Musterplatine Entwurf der passenden Platinenkonfiguration zum leichten Wechsel des Controllers und zur einfachen Flash-Möglichkeit. ( siehe Oben) Erstellung der Unterlagen für die Serienfertigung der Platine (Schaltbild, Layout, Lageplan, Stückliste ) Erstellen einer Anleitung zum Umgang mit dem Controller Ergänzende mündliche Vereinbarungen Platine sollte die gleichen Abmessungen haben wie das alte Compuboard (113mm x 69mm) Board soll Pinkompatibel zu den bereits bestehenden Zusatzplatinen Sein Wenn möglich keine Jumper verwenden ( gehen gerne verloren) Eigene Vorstellungen Wenn möglich sollte die Platine einseitig sein, damit sie auch in der Schule geätzt werden kann. Dies reduziert die Entwicklungs- und die Herstellungskosten enorm. Viele Desktops und Notebooks haben keine RS232-Schnittstelle mehr. Das Board sollte auch über einen USB- Anschluss geflasht werden können Besonderheiten im Schulbetrieb Programmieradapter Um allen Schülern ein effizientes Arbeiten zu ermöglichen ist es notwendig, dass ausreichend Mikrocontrollerboards zur Verfügung stehen und die Programme auch dann in den Controller geladen werden können, wenn die Programmerstellung abgeschlossen wurde. Oftmals ist es notwendig ein Programm mehrmals zu verändern bis es die gewünschte Funktion zeigt. Bei viele Mikrocontrollerfamilien sind spezielle Programmieradapter erforderlich, die das übertragen des Programms vom PC in den Speicher des Controllers erst möglich machen. Im industriellen Entwicklungsbereich stellt dies kein so großes Problem dar, da die Kosten für ein Programmieradapter gemessen an den sonstigen Kosten nicht ins Gewicht fallen. Die Frage des Programmieradapters ist daher für die Industrie kein Auswahlkriterium für einen Mikrocontroller. Für den Schulalltag ist es aber sehr wohl ein Auswahlkriterium, da ein kompletter Satz an entsprechenden Technikerarbeit Seite 11 von 77

12 Programmieradaptern zur Verfügung gestellt werden müsste bzw. die entsprechende Hardware mit auf dem Board integriert werden müsste. Technischer Support Im industriellen Umfeld steht dem Entwickler in der Regel Support durch den Halbleiterhersteller oder durch eine Vertriebsfirma zur Verfügung, mit denen spezielle technische Probleme geklärt werden können. Im schulischen Umfeld steht dieser Support nicht oder nur sehr eingeschränkt zur Verfügung, da nicht der entsprechende Absatz zu erwarten ist. Es ist deshalb empfehlenswert, einen Controller auszuwählen, der eine entsprechend große Fangemeinde hat, so dass man sich in den entsprechenden Internetforen Unterstützung und Ratschläge oder auch Programmbeispiele holen kann. Dies ist vor allem auch eine sehr große Hilfe für diejenigen, die mit englischen Datenblättern nicht zurechtkommen bzw. so grundsätzliche Fragen haben, die in diesen Datenblättern gar nicht beantwortet werden. Für die Schule ist es sicher auch wünschenswert, dass diejenigen, die besonderen Spaß an dem Thema Mikrocontrollerprogrammierung haben, dies zuhause weiterverfolgen können und sich die entsprechenden Informationen aus den Foren selber holen Beschreibung des alten Boards Das alte Mikrocontrollerboard der Elektronikschule besteht aus dem Mikrocontroller 80C535 der Firma Infineon, einem externen EPROM und einem externen RAM. Es besitzt außerdem eine RS232 Schnittstelle mit einem Max232 Schnittstellenwandler über die das Programm direkt von der RS232- Schnittstelle vom Hostrechner aus in den Speicher des Controllerboards geladen werden kann. Der verwendete Controller hat einen 8051 Kern. Der 8 Bit Datenbus hat 8 Bit, der Adressbus 16 Bit Breite. Port 1, 5 und 4 sind als 8 Bit Ports voll verfügbar, bei Port 3 stehen nur 4 Bits zur freien Verfügung. Der Controller verfügt außerdem über 8 Analogeingänge mit 8 Bit Wandler Beschreibung der Zusatzplatinen Folgende Zusatzplatinen sind derzeit im Umlauf: LED und Tastenplatine Digital- Analog- Wandlerplatine Triac -Phasenanschnitts-Steuerung LCD-Display Zusatzplatine Relaisplatine (neu) Technikerarbeit Seite 12 von 77

13 Gemeinsame Standards der Zusatzplatinen mechanische Daten: Außenmasse: 113,4 mm x 69 mm Befestigungsbohrungen: 4 x 4 mm von Ecke entfernt Bohrungsdurchmesser: 3,5 mm Stecker für Verbindung zu den Ports: Pfostenwanne 2 x 5 polig z.b. Reichelt WSL 10G Abmessungen außen: 20,5 x 9 mm Raster der Stifte: 2,54 mm Steckerwanne von oben betrachtet elektrische Daten: Pegel: TTL (< 0,8 V = low, 2,0 V-5V = high) Pinbelegung: Pin 1: +5V Pin 2: Masse Pin 3: Controllerport x.0 Pin 4: Controllerport x.1 Pin 5: Controllerport x.2 Pin 6: Controllerport x.3 Pin 7: Controllerport x.4 Pin 8: Controllerport x.5 Pin 9: Controllerport x.6 Pin10: Controllerport x Beschreibung der Keil Entwicklungsumgebung Die Keil Entwicklungsumgebung ist eine in der Industrie weit verbreitete Entwicklungsumgebung. Die in der Schule benützte Version unterstützt alle Controller mit Kern. Das Laden des Programms in den Controller kann direkt von der Entwicklungsumgebung aus erfolgen. Die Entwicklungsumgebung zeichnet sich durch verlässliche Funktion und gute Bedienbarkeit aus. Technikerarbeit Seite 13 von 77

14 Entwicklungen bei den Mikrocontrollern in den letzten 15 Jahren Vor 15 Jahren gab es noch keine Flashspeicher auf Microcontroller. Die permanente Speicherung erfolgte entweder auf EPROMs, die über UV Licht löschbar waren oder über maskenprogrammierbares ROM. Zur Programmentwicklung gab es von einigen Microcontrollern auch Varianten mit integriertem EPROM auf der Chipfläche. Mittlerweile besitzen viele Microcontroller integrierte Flash-Speicher in die das Programm geladen wird. Flash Speicher von 1 MB auf dem Controllerchip sind nicht ungewöhnlich. Die Auswahl an verschiedenen Controller Schnittstellen hat sich stark vergrößert. Es gibt mittlerweile Controller mit allen erdenklichen Schnittstellen: Ethernet, CAN, USB, I 2 C, ISP, Jtag usw. Es gibt eine Riesenauswahl an Spezial Controllern, die für bestimmte Aufgaben entwickelt wurden, z.b. für Tastaturen oder zur Ansteuerung von LCD-Displays. Die Controller sind viel sparsamer im Umgang mit der Energie bzw. haben sehr komfortable Stromsparmodi. Die meisten Controller sind nur noch in SMD -Version verfügbar Während vor 15 Jahren Controller mit einem Datenbus mit 8 Bit schon recht komfortabel waren, sind mittlerweile 32 Bit -Controller keine Seltenheit mehr und in entsprechenden Stückzahlen auch schon sehr günstig. Die Anzahl der Microcontroller pro Person ist drastisch gestiegen, es gibt kaum einen Haushalt in dem weniger als 10 Microcontroller ihre Dienste verrichten. In den meisten Haushalten sind es weit mehr. Es gibt kaum noch Steuerungen im Konsumerbereich, die nicht mit einem Microcontroller realisiert wurden. 1.2 Entwicklung Auswahl des Controllertyps Die Auswahl an verschiedenen Microcontroller ist schier unerschöpflich; die Suche nach vergleichenden Tabellen, die eine Übersicht ermöglichen, aussichtslos. Der Betreuer meiner Technikerarbeit, Herr Kraus hat von Anfang an Controller der Firma Atmel favorisiert, da viele dieser Controller mit der Keil-Entwicklungsumgebung programmiert werden können. Ein weiterer Vorteil der Atmel Controller ist der Beliebtheitsgrad unter den Hobby - Programmierern. Es gibt zahlreiche Links und Diskussionsforen zu verschiedenen Controllern von Atmel. Der Hersteller Atmel bietet außerdem noch recht viele Controller in bedrahteter Ausführung an, was das Austauschen defekter Controller erheblich erleichtert. Ein großer Nachteil vieler Atmel- Controller ist die Notwendigkeit von speziellen Programmieradaptern, ohne die das Programmieren des Flash-Speichers nicht möglich ist. Technikerarbeit Seite 14 von 77

15 1.2.2 Vorschlag Atmel-Controller Folgender Atmel Controller schien mir für unsere Anwendungen geeignet: AT89C bit Flash Microcontroller with Full Speed USB Device Features 80C52X2 Core (6 Clocks per Instruction) Maximum Core Frequency 48 MHz in X1 Mode, 24MHz in X2 Mode Dual Data Pointer Full-duplex Enhanced UART (EUART) Three 16-bit Timer/Counters: T0, T1 and T2 256 Bytes of Scratchpad RAM 32-Kbyte On-chip Flash In-System Programming through USB or UART 4-Kbyte EEPROM for Boot (3-Kbyte) and Data (1-Kbyte) On-chip Expanded RAM (ERAM): 1024 Bytes USB 1.1 and 2.0 Full Speed Compliant Module with Interrupt on Transfer Completion Endpoint 0 for Control Transfers: 32-byte FIFO 6 Programmable Endpoints with In or Out Directions and with Bulk, Interrupt or Isochronous Transfers Endpoint 1, 2, 3: 32-byte FIFO Endpoint 4, 5: 2 x 64-byte FIFO with Double Buffering (Ping-pong Mode) Endpoint 6: 2 x 512-byte FIFO with Double Buffering (Ping-pong Mode) Suspend/Resume Interrupts Power-on Reset and USB Bus Reset 48 MHz DPLL for Full-speed Bus Operation USB Bus Disconnection on Microcontroller Request 5 Channels Programmable Counter Array (PCA) with 16-bit Counter, High-speed Output, Compare/Capture, PWM and Watchdog Timer Capabilities Programmable Hardware Watchdog Timer (One-time Enabled with Reset-out): 50 ms to 6s at 4 MHz Keyboard Interrupt Interface on Port P1 (8 Bits) TWI (Two Wire Interface) 400Kbit/s SPI Interface (Master/Slave Mode) 34 I/O Pins 4 Direct-drive LED Outputs with Programmable Current Sources: ma Typical 4-level Priority Interrupt System (11 sources) Idle and Power-down Modes 0 to 32 MHz On-chip Oscillator with Analog PLL for 48 MHz Synthesis Low Power Voltage Range 3.0V to 3.6V 30 ma Max Operating Current (at 40 MHz) 100 µa Max Power-down Current Industrial Temperature Range Packages: PLCC52, VQFP64, MLF48, SO28 Technikerarbeit Seite 15 von 77

16 Der Controller ist sehr leistungsfähig, kann über USB direkt geflasht werden Er kann in einen Sockel gesteckt werden Preis ca. 10,- bei Reichelt Er hat einen 8051-Kern und ist mit der Keil µ-vision Entwicklungsumgebung programmierbar Er benötigt keinen Programmieradapter, kann über USB oder über RS232 programmiert werden Er hat ausreichend Ein- und Ausgänge Blockschaltbild des AT89C5131 Technikerarbeit Seite 16 von 77

17 1.2.3 Vorschlag Renesas- Controller Die Elektronikzeitschrift Elektor hat in Zusammenarbeit mit dem Halbleiterdistributor GLYN im Dezember 2005 ein 16 Bit- Microcontroller samt Entwicklungsumgebung als Beigabe zur Zeitschrift herausgegeben. Die Ausgabe enthielt außer ein paar wenigen externen Standardbauteilen, die zum Anschließen der Schnittstelle notwendig sind praktisch alles, um sofort mit dem Programmieren beginnen zu können. Der Microcontroller ist auf einem Carrierboard aufgelötet. Mit 2 Stiftleisten kann das Board auf einen DIL 32 Sockel gesteckt werden. Das Board stellt eine 1:1 Verbindung zwischen dem Controller im TQFP32 Gehäuse und den Pins in DIL-Anordnung her. Außerdem sind noch einige Bauteile zur Takterzeugung und Entstörung aufgelötet, die möglichst nahe am Controller sein sollten. Auf der beiliegenden CD wurde die komplette Software mitgeliefert: Editor, Compiler, Debugger, Flash-Programm Datenblätter, Anwendungsbeispiele Headerdateien Der Microcontroller stammt von dem Hersteller Renesas Renesas Technology Corporation entstand am 1. April 2003 durch die Ausgliederung und Fusion der Halbleiterbereiche von Hitachi und Mitsubishi Electric. Der Name Renesas steht für Renaissance Semiconductor for Advanced Solutions. Renesas ist ein weltweit agierender Halbleiterkonzern der Entwicklung, Produktion und Vertrieb in sich vereint. Renesas gehört zu den größten Halbleiterherstellern weltweit (Rang 4 im Jahr 2004). Das Produktspektrum umfasst Mikrocontroller, Logikund Analog- ICs, diskrete Halbleiter, sowie Flash- und SRAM -Speicher. Die Muttergesellschaft Renesas Technology Corporation hat ihren Hauptsitz in Tokio und ist durch Tochtergesellschaften mit zahlreichen Niederlassungen in Europa präsent. Die deutsche Vertretung Renesas Technology Europe GmbH mit Hauptsitz in Ratingen ist eine 100%ige Tochtergesellschaft der Renesas Technology Europe Ltd. mit Sitz in Bourne End/England. 1) entnommen aus : Technikerarbeit Seite 17 von 77

18 Beschreibung des Controllers: Der Controller hat die genaue Bezeichnung R5F21134FP#U0 und gehört zur Familie R8C Merkmale: 20 MHz Taktfrequenz 16kByte Flash-ROM 16 Bit ALU+ Register 22 Ein- Ausgänge Bit A/D-Wandler 2 Ringoszillatoren 2 serielle Schnittstellen 3 8-BitTtimer, 1 16-Bit Timer 15-bit Watchdogtimer Blockschaltbild der R8C/13 Controllerfamilie Technikerarbeit Seite 18 von 77

19 Vorteile des R8C/13 Controllers: sehr günstig kostenlose Entwicklungsumgebung Programmierung über RS232 Schnittstelle möglich Schnelle Verarbeitung auch von Float Zahlen durch 16 Bit Rechenleistung interessante deutschsprachige Foren im Internet seit Werbeaktion im Elektor mit vielen Programmbeispielen und Tipps Entscheidung Wir haben uns für den Einsatz des Renesas- Controllers R8C/13 entschieden. Ob er sich als Controller für den Schulunterricht tatsächlich eignet, muss sich noch herausstellen. Es ist in jeder Hinsicht ein interessantes Projekt: Grobstruktur der Lösung In der Elektorausgabe Januar 2006 wurde für das kleine R8C/13 Board noch eine Applikationsplatine vorgestellt. Sie enthält neben einer Netzteilschaltung eine USB - Schnittstelle und einen Pegelwandler für die RS232-Schnittstelle. Sicher ist ein großer Teil der Schaltung damit schon vorgegeben, dies macht die Schaltungstechnik jedoch nicht weniger interessant: Während die Netzteilschaltung und die Pegelwandlung mit dem Max232 quasi Standardschaltungen sind, stellt der USB doch eine einfache Lösung dar, alte Schnittstellen an neue anzupassen. Die Technologie der USB- Schnittstellen unterscheidet sich schon sehr stark von den herkömmlichen seriellen Schnittstellen. Während das Elektor- Applikationsboard vor allem eine Testmöglichkeit für Programmierer bietet, soll das selber entwickelte Board der Modulbauweise des alten 80535Compuboards mit seiner Standardschnittstelle entsprechen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, mit den entsprechenden Zusatzplatinen komplette Steuerungsaufgaben zu realisieren. Technikerarbeit Seite 19 von 77

20 Die Schaltung des Elektor-Applikationboards Entwicklung der Platine Die Schaltung wurde so abgeändert, dass sie zu den Zusatzplatinen kompatibel ist. Das Display, die LED`s und das Potentiometer für den Analogeingang werden nicht benötigt, da diese Funktionen alle auf den Zusatzplatinen verfügbar sind. Sämtliche Ports außer Port 4.6 und 4.7 wurden auf Pfostenwannen geführt. Die Jumper wurden durch Schiebeschalter ersetzt. Der Jumper für die Spannungsversorgung wurde durch 2 Schottkydioden ersetzt. Die Entwicklung des Schaltplanes und des Layouts erfolgte mit Target, einem Programm, das speziell für Leiterplattendesign konzipiert ist. Nach Einarbeitung durch kleinere Projekte erfolgte erst das Zeichnen des Schaltplans und danach das Erstellen des Layouts. Ich habe am Anfang nicht geglaubt, dass ich diese Schaltung auf einer einseitigen Leiterplatte unterbringen kann, doch beim zweiten Entwurf ist es Technikerarbeit Seite 20 von 77

21 mir gelungen, die Schaltung auf eine einseitige Leiterplatte mit nur einer Drahtbrücke unterzubringen Inbetriebnahme Bei meiner Arbeit in einer Hardwareentwicklungsabteilung habe ich die Vorzüge einer schrittweisen Inbetriebnahme kennen gelernt. Ich habe die einzelnen Komponenten, wie unter Kapitel Fertigungsunterlagen /Inbetriebnahme beschrieben, geprüft. Bei den einzelnen Schaltungsgruppen sind, bis auf eine fehlende Leiterbahn und eine Lötbrücke, keine Probleme aufgetreten. Beim Versuch ein Programm in den Controller zu laden, gab es am Anfang Schwierigkeiten: Zuerst konnte das Flashprogramm keine Verbindung zum Controller herstellen. Ursache: Die COM - Schnittstelle war nicht richtig ausgewählt. Nachdem ich herausgefunden hatte, wo man in der Systemsteuerung die Nummer der COM- Schnittstelle einsehen kann, konnte ich dort auch schon sehen, dass der USB Wandler auf dem Controllerboard vom PC erkannt wurde. Nachdem das Flashprogramm keinen Verbindungsfehler mehr angezeigt hat, kam die Fehlermeldung: Error Nr : ID Code Check failure Nach langem herumstöbern in den Foren habe ich den passenden Beitrag gefunden. Nach Eingabe von FFFFFFFFFF als ID hat es dann endlich funktioniert. Das Flash wurde programmiert. Ich habe das Beispielprogramm Port Toggle von den NC30 Samples in den Controller geladen. Das Programm bringt die ersten 4 Bits von Port 1 zum Blinken. Ich habe die Tasterplatine angeschlossen und mit Erstaunen festgestellt, dass die Bits 4-7 ebenfalls mitblinken. Ich habe vermutet, dass es an fehlenden Pull -Up-Widerständen liegt. Bei näherem Betrachten des Programms fiel mir auf, dass nur die ersten 4 Bits des Ports im Spezialfunktionsregister für die Portrichtung als Ausgänge gesetzt waren. Nachdem ich einen anderen Wert in das Register für die Port-Richtung geschrieben habe, war das Flackern weg Erfahrungen im Umgang mit dem Controller und der Entwicklungsumgebung: Die Entwicklungsumgebung ist schwieriger zu bedienen als die Keil- Entwicklungsumgebung. Vor allem für Anfänger hat sie einige Tücken parat, z.b. in der Dateiverwaltung: Sind die entsprechenden Administratorenrechte nicht vorhanden, kann der Compiler die temporären Dateien nicht anlegen und erzeugt auch keine Datei, die in das Flash übertragen werden kann. störend ist auch der ID-Check-Fehler beim Flashen des Controllers: tritt dieser Fehler auf, ist keine Programmierung möglich. Der Controller muss eine Weile Spannungslos sein, damit ein Programmieren wieder möglich ist. Technikerarbeit Seite 21 von 77

22 störend ist auch die relativ lange Zeit, die zum Flashen benötigt wird: Es dauert ca. 30 s bis der Flashvorgang abgeschlossen ist! es sind wesentlich mehr Einstellungen an den Spezialfunktionsregistern notwendig als z.b. beim alten Board notwendig war. für Programmierübungen ist der Controller nicht optimal geeignet. Auch deshalb, weil der Hersteller nur 1000 Flashzyklen garantiert. Vermutlich sind weit mehr Flashzyklen möglich, der Flashvorgang benötigt dann aber immer mehr Zeit. für Projektarbeiten ist der Controller weit besser geeignet: Der integrierte Flash-Speicher ermöglicht es, mit wenig Aufwand eine autarke Steuerung zu realisieren ohne ein spezielles Eprom brennen zu müssen. Hat das übertragen des Programms in den Flash-Speicher des Controllers einmal richtig funktioniert, gibt es bei weiteren Flashvorgängen in der Regel keine Probleme, vorausgesetzt, die Verbindung zum PC ist korrekt und die Schalter auf dem Board sind richtig eingestellt Anfängerproblem Wir haben im Unterricht die Arbeitsweise mit dem Controller von Intel gelernt. Bis zur Durchführung von meiner Technikerarbeit war meine Vorstellung, dass alle Controller in einer ähnlichen Art und Weise funktionieren, und dass auch Vorgänge wie das Übertragen des Programms in den Flash Speicher, das Debuggen und Simulieren und die ganzen Voreinstellungen bei allen Controllern standardisiert und ähnlich ablaufen. Ich habe nach entsprechender Literatur und nach entsprechenden Links gesucht, habe aber immer nur controllerspezifische Erläuterungen gefunden, die dann meist nur in Englisch verfügbar waren. Meine Hoffnung, die Vorgänge so zu verstehen, dass ich auch bei Problemen systematisch nach Fehlern und Ursachen suchen kann (dies ist meine Auffassung von professionellem Arbeiten), habe ich mittlerweile aufgegeben. Recherchiert man in den Foren, hat man den Eindruck, dass viel nach der Methode Versuch und Irrtum herausgefunden wird. Die Beiträge in den verschiedenen Foren erzeugen für einen Anfänger eher das Gefühl, dass es sich bei der Materie um so was wie Alchemie handelt, und nicht um eine rein naturwissenschaftliche Angelegenheit die auch Anfängern vermittelbar ist. Möglicherweise bedarf es einfach einer Menge Ausdauer und Frustrationstoleranz bis die Zusammenhänge von selber klar werden. Der Wunsch nach standardisierten und durchschaubaren Strukturen und Vorgängen wird nicht so schnell in Erfüllung gehen. Schließlich sind die Unterschiede ja auch Alleinstellungsmerkmale, die entsprechende Wettbewerbsvorteile verschaffen sollen und zum Teil patentrechtlich geschützt sind. Microcontroller, wie der hier verwendete R8C/13, werden nicht für den Hobbyentwickler entwickelt und hergestellt, sondern für einen Massenmarkt, bei dem Stückzahlen von hunderttausend bis mehrere Millionen keine Seltenheit sind. Da fällt der Aufwand für die Einarbeitung nicht mehr so ins Gewicht. Ein Hardwareentwickler hat mir erzählt, dass das Einarbeiten in eine andere Mikrocontrollerfamilie und das Einrichten der Entwicklungsumgebung und der Technikerarbeit Seite 22 von 77

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