Inhaltsverzeichnis. Aufgabenstellung 2. Idee der Schaltung 2. Blockschaltbild 3. Schaltplan 4. Stückliste 11. Routen 12. Fertigen 15.

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1 Inhaltsverzeichnis Inhalt Seite Aufgabenstellung 2 Idee der Schaltung 2 Blockschaltbild 3 Schaltplan 4 Stückliste 11 Routen 12 Fertigen 15 Prüfen 16 Steckerbelegung 17 Gehäuse 18 Änderung in letzter Minute 18 Anhang A... 74LS245 B... MM74C922 C... Tastatur D... Display E... Prozessor F... MM535 G... Testprogramme Seite 1 von 18

2 Aufgabenstellung Es soll eine Platine entwickelt werden, mit der man die Fähigkeiten des Micro Moduls 535 der Firma Phytec nutzen kann. Über ein Display und über eine Tastatur soll das Modul gesteuert werden. Die Idee Aus der großen Möglichkeit die das MM 535 bietet, sollte eine geeignete Auswahl getroffen werden, mit der man möglichst viele verschiedene Aufgaben bewältigen kann. Eine große Rolle in der Mikroprozessortechnik sind digitale Ein und Ausgänge. Es wird jeweils ein Port für Eingabe und Ausgabe verwendet, somit stehen 8 digitale Ein Ausgänge zur Verfügung. Zum erfassen regelungstechnischer Messgrößen werden 4 analoge Eingänge bereitgestellt. Die Programmierung des Prozessormoduls erfolgt über die serielle Schnittstelle. Die Möglichkeit den Prozessor zu steuern bzw. Informationen auszugeben erfordert eine Tastatur und ein Display zur Kommunikation mit dem Benutzer. Die Schaltung sollte mit einem handelsüblichen Netzteil zu betreiben sein und die Größe Euro Format (160mmx100mm) nicht überschreiten. Da das Controllermodul nur 3 freie Ports verfügt, muss mindestens ein Schaltungsteil über den Datenbus angesteuert werden. Bei der Tastatur und dem Display besteht die Möglichkeit, diese mit geeignetem Treiber über den Datenbus zusteuern. Der Port 4 wird nicht benutzt, weil mit ihm eine Pulsweitenmodulation realisiert werden kann und dies für eine spätere Erweiterung offen gelassen wird. Seite 2 von 18

3 Blockschaltbild 8 digitale Eingänge 8 digitale Ausgänge 4 analoge Eingänge Spannungsversorgung Phytec MM 535 Serielle Schnittstelle Display Tastatur Logik Seite 3 von 18

4 Gesamtschaltung Die Schaltung besteht aus mehreren Funktionsgruppen. Zur besseren Erläuterung wird die Gesamtschaltung in die einzelnen Funktionsgruppen zerlegt. Alle Schaltpläne sind mit Ariadne erstellt worden. Erläuterung der Funktionsgruppen Spannungsversorgung Über einen zweipoligen Klemmenblock wird ein handelsübliches Netzteil mit einer Spannung zwischen 7V 28V angeschossen. Die Spannung wird über die Z Diode auf 9,1V stabilisiert und anschließend mit einem Elko geglättet. Die Diode V2 dient als Verpolschutz. Über eine LED mit Vorwiderstand zur Strombegrenzung wird die Betriebsbereitschaft signalisiert. Der LM 7805 (Festspannungsregler mit +5V) hält einen konstanten Pegel. Die Dioden V3 und V4 sind Freilaufdioden zum kurzschließen von induktiven Lasten. Anschließend werden HF Störungen über einen Kondensator gefiltert. Der Elko dient der Stabilisierung der Ausgangsspannung. Seite 4 von 18

5 Digitaler Ausgang Als digitaler Ausgang wurde der Port 1 des Moduls verwendet. Die 8 Portleitungen wurden auf einen 74LS245 Baustein ( Datenblatt zum 74LS245 im Anhang A) geführt. Der 74LS245 dient als Leitungstreiber für den Ausgang. Sein enable Eingang liegt fest auf Masse und Pin 1 auf +5V. Das bedeutet, dass der Baustein immer aktiv ist und die Richtung A -> B eingestellt ist. Um eine Anzeige der Schaltzustände zu bekommen, werden die Ausgänge über 8 low current LEDs und ein Wiederstand - Array von 2,2 kω an Masse gelegt. Für die LEDs sollte ein Strom von 2-3mA fließen. U + 5V I = = = 2, 2mA R 2200Ω Die Ausgänge werden dann auf einen SUB D Stecker (X3) auf Pin geführt. Seite 5 von 18

6 Digitaler Eingang Der digitale Eingang ist in der Funktionsweise gleich dem digitalen Ausgang, nur hier beginnen wir mit der Betrachtung vom Stecker X3 aus. Die Pins 1 8 vom SUB D Stecker werden auf einen Leitungstreiber 74LS245 geführt. Dieser ist immer aktiv und die Richtung B -> A ist festgelegt. Von diesem geht es zum Port 5 des Mikrocontrollers. Zur Signalanzeige dienen auch hier 8 LEDs. Analoger Eingang Das Modul besitzt 8 analoge Eingänge. Die analogen Eingänge AN1 AN4 werden verwendet und auf einen 9 poligen SUB D Stecker (X2) geführt. 4 analoge Masseleitungen und die analoge Referenzspannung +5V werden ebenfalls auf den Stecker (X2) geführt. Alle analogen Eingänge werden mit 2 Dioden gegen Masse und VCC geschaltet. Dies bewirkt, dass der Pegel der Eingänge nie größer der Referenzspannung und nie kleiner der Masse werden kann. Die Analogen Masseleitungen sind auf dem Modul miteinander verbunden. Seite 6 von 18

7 Serielle Schnittstelle Für die Verbindung vom Controller und PC stellt das Modul die Leitungen TxD und RxD bereit. Diese werden nur noch mit einer 9 poligen SUB D Buchse (X4) verbunden. Zur Entstörung werden 22pF Kondensatoren zwischen Leitungen und Masse gelegt. Datenbus Zur Steuerung des Tastatur und des Display wird der Datenbus, 2 Chip Select Leitungen und zwei Adressleitungen verwendet. Der Datenbus des Moduls wird mit einem Leitungstreiber 74HC245 verbunden. Es wird hier ein CMOS IC verwendet um stabilere Pegel zu erhalten. Mit der Adressleitung A0 wird die Richtung des 74HC245 bestimmt. Bei einer 0 wird vom Datenbus gelesen bei einer 1 wird auf den Bus geschrieben. Sobald man auf eine externe Speicheradresse zugreift wird ein Chip Select Signal auf low gesetzt, somit werden die Chip Select Signale zum aktiv schalten des Treibers benutzt. Die CS Leitungen werden über ein UND (74HC11) mit dem enable Pin des Treibers verbunden. Auf der Sekundärseite des Treibers werden die Datenleitungen auf eine Stiftleiste geführt, die zur Verbindung der zweiten Platine dient. Die Adressleitung A0 und A1 sowie die Read Write Signale und die CS Leitungen werden ebenfalls auf die Stiftleiste geführt, da sie zur Steuerung des Display und der Tastatur auf der zweiten Platine noch benötigt werden. Die Datenleitung D0 wird über einen Taster und 4,7 kω an VCC angeschlossen. Diese Verbindung ist zum Neuprogrammierung des Flash Speichers nötig. Siehe Anhang F Seite 7 von 18

8 Tastatur Es wird eine 3x4 Tastatur verwendet. Um diese über den Datenbus auslesen zu können, wird der MM74C922 als Tastaturtreiber verwendet. Dieses IC setzt den Data av Ausgang auf 1 wenn ein Tastendruck erfolgt ist. Wird nun sein DE Eingang vom Prozessor auf Null gesetzt, so gibt das IC die Information (4 Bit ) auf den Bus. Folgendes Bitmuster wird auf dem Datenbus ausgegeben: Taste D3 D2 D1 D * # Seite 8 von 18

9 Das Chip select 2 Signal des Prozessors wird als Freischaltsignal des Tastaturtreibers verwendet. Port 4.1 sowie INT 0 dient als Signaleingang, dass ein Zeichen verfügbar ist. Mit den beiden Kondensatoren C1 und C2 wird die interne Oszillatorfrequenz des 74C922 eingestellt, mit der er die Tastatur abprüft. Im Anhang C ist die Pinbelegung der Tastatur beschrieben. Display Das Display hat einen eigenen Prozessor mit 16 Anschlusspins. 8 der 16 Leitungen sind Datenleitungen und dienen zum einschreiben von Informationen und zum auslesen solcher. Es werden 3 Steuerleitungen benötigt. R/W dient zu Umschaltung zwischen Lese und Schreibzugriff auf das Display. Der Anschluss RS ist für die Auswahl zwischen Steuersignalen und Ausgabedaten. E Signal stellt das Steuersignal für die Übernahme des anliegenden Signals an den Displayprozessor. Die übrigen Anschlüsse dienen zur Spannungsversorgung und Kontrasteinstellung über ein 10k Potentiometer. Zur Steuerung von R/W und RS Signal werden vom Controllermodul die Adressleitung A0 und A1 verwendet. Die Steuerinformationen und die dazugehörigen Adresskombinationen sind in der folgenden Tabelle aufgelistet. Das enable Signal wird über eine Logik die im nächsten Abschnitt beschrieben wird angesteuert. Anhang D beschreibt ausführlich die Programmierung des Display sowie die Ansteuerung der Steuerleitungen. A1 A0 Steuerinformation 0 0 Steuersignal lesen 0 1 Steuersignal schreiben 1 0 Daten lesen 1 1 Daten schreiben Seite 9 von 18

10 Logik Das Signal vom Datenbus wird bei einer fallenden Flanke des enable Signals von high auf low vom Displayprozessor übernommen. Dieses Signal ist folgendermaßen definiert: Enable cycle time min: 666 ns Enable pulse width min: 280 ns Enable rise/fall time max: 25 ns Das Signal darf erst dann anliegen, wenn das Datum schon auf dem Datenbus steht und die Adressleitung für Steuersignale anliegen. Das Enable Signal muss mindestens 280 ns anliegen und anschließend abfallen, bevor die Daten vom Datenbus und die Steuersignale vom Adressbus genommen werden. Die Logik besteht aus zwei NAND und einem AND Gatter. Ausführliche Timing Datenblätter sind von Display Anhang D und vom Prozessor Anhang E. Taster Rot = Programmierung des FlashROM Grün = Reset Seite 10 von 18

11 Stückliste Anzahl Bezeichnung Stiftleisten und Sockel 3 IC Sockel 20 pol. gedreht 3 IC Sockel 14 pol. gedreht 1 IC Sockel 18 pol. gedreht 3 32 pol. gedreht Stiftleiste für Mikroprozessor ;1 Reihe 1 Stiftleisten 20 pol. 30mm lang ; 2 Reihen 1 20 pol Buchsen ; 2 Reihen 1 16 pol Stiftleisten Display : 1 Reihe 1 16 pol Buchsen Display ; 1 Reihe 1 Phytec MM535 1 Display 2x16 1 Matrixtastatur 3x4 1 SUB D Stecker 25 pol. + Befestigungshalter 1 SUB D Stecker 9 pol. + Befestigungshalter 1 SUB D Buchse 9 pol. + Befestigungshalter 2 74LS HC HC C922 1 LM Elko 10 µf/ 25 V 1 Elko 4,7 µf/ 6V 2 Tantal 10 µf 10 Kondensator 100 nf 2 Kondensator 22 pf 1 Kondensator 22 nf 1 Kondensator 220 nf Seite 11 von 18

12 1 BZT3C9V1 Z Diode 3 Dioden 1N Dioden 1N Widerstand 330 Ohm 1 Widerstand 4,7 k Ohm 2 Widerstand Array 2,2 k Ohm 8 fach 1 Poti 10 k Ohm 1 LED grün 3mm 16 LED rot 3mm low current 2 Taster 1 Kühlkörper SK13 1 Klemmenblock 2 pol. 4 Abstandsbolzen 30 mm 2 Abstandsbolzen 10 mm 2 Europlatinen doppelseitig 160x100 2 Plexiglas 180x120 Routen Um alle geforderten Teile im Format 160mm x 100mm unter zubringen, wurde eine Basisplatine mit den elektrischen Anschlüssen und darauf aufsitzend eine Bedienplatine entworfen. Beide Platinen sind doppelseitig mit dem Programm Ariadne geroutet worden. Beim Routen wird zunächst das Format der Platine bestimmt, anschließend werden die Bauteile auf der Platine platziert. Es werden Bohrungen für Befestigungen und Cut Out oder Kupferflächen an der richtigen Stelle eingefügt. Auf der Oberseite der Bedienplatine ist eine Kupferfläche eingeführt. Diese soll Störsignale vom Prozessor auf das Display und umgekehrt verhindern. Nun werden die einzelnen Bauteile miteinander Verbunden. Diese Verbindungen stellen dann später die Leiterbahnen dar. Wichtig ist es, dass Verbindungen,wie Stiftleisten, welche auf beiden Platinen vorhanden sind, auch an der gleichen Stelle positioniert werden. Seite 12 von 18

13 Basisplatine Oberseite Basisplatine Unterseite Seite 13 von 18

14 Bedienplatine Oberseite Bedienplatine Unterseite Fertigung der Platine Seite 14 von 18

15 Das Programm Ariadne kann aus der fertig gerouteten Platine einen Bestückungsplan und einen Bohrplan erstellen. Der Bohrplan enthält alle Informationen über die Lage und Größe der Bohrungen auf der Platine. Diese Daten werden von einer CNC gesteuerten Bohr/Frässtation dazu verwendet um die erforderlichen Löcher in die Platine zu bohren. Nach dem Bohren werden die mit Fotolack beschichteten Platinen in einem Belichtungsgerät mit den einzelnen Layern belichtet. Die belichteten Platinen kommen nun in die Entwicklerlösung, dort löst sich der Fotolack von den belichteten Stellen auf der Platine ab und es bleibt nur das Kupfer übrig. Nach dem Entwickeln werden die Platinen in eine Ätzlösung gehängt. Kupfer das nicht vom Fotolack geschützt ist wird entfernt. Die fertige Platine wird abgespült und von Lackresten befreit. Es kann jetzt mit der Bestückung der Platinen begonnen werden. Bestückungsplan Basisplatine Seite 15 von 18

16 Bestückungsplan Bedienerplatine Prüfen Nach dem die Platinen fertig bestückt sind kann mit der Prüfung dieser begonnen werden. Es wird ein Monitorprogramm auf den Mikrocontroller gespielt mit dem es möglich ist das Modul zu programmieren und die Funktion zu testen. Zum programmieren des Flash muss beim Einschalten oder Reset der Rote Taster gedrückt werden. Zum überprüfen der einzelnen Funktionen wurden kleine Testprogramme geschrieben, die im Anhang G aufgelistet sind. Zum Testen des Analogen Ports wurde ein Teststecker angefertigt, der über ein Potentiometer eine Spannung zwischen der analoger Masse und analoger Referenzspannung auf einen der Eingänge gibt. Steckerbelegung Seite 16 von 18

17 SUB D 25 pol. Stecker (digitale Ein Ausgänge) Pin Signal Pin Signal 1 DA0 14 VCC 2 DA1 15 VCC 3 DA2 16 VCC 4 DA3 17 VCC 5 DA4 18 DB7 6 DA5 19 DB6 7 DA6 20 DB5 8 DA7 21 DB4 9 GND 22 DB3 10 GND 23 DB2 11 GND 24 DB1 12 GND 25 DB0 13 GND Zeichenerläuterung : DA = Digitale Eingänge Port 5 DB = Digitale Ausgänge Port 1 GND = Masse VCC = + 5V SUB D 9 pol. Stecker ( Analoge Eingange ) Pin Signal Pin Signal 1 AN3 6 AGND 2 AN1 7 AGND 3 AN2 8 AGND 4 AN4 9 AGND 5 AREF Zeichenerklärung : AN = Analoger Port des Mikrocontroller AGND = analoge Masse AREF = analoge Referenzspannung +5V SUB D 9pol. Buchse ( Serielle Schnittstelle ) Seite 17 von 18

18 Pin Signal 2 TxD 3 RxD 5 GND Gehäuse Es ist für die Schaltung kein Gehäuse vorgesehen. Lediglich wird über die Bedienplatine eine Plexiglasplatte zur Abdeckung montiert. Diese dient vor allem als Halter für die Taster, den Kontrastregler und die Tastatur. Die Kontur der Aussparrungen wird mit AutoCAD erstellt, anschließend wird eine Fräskante im Abstand von 1mm an der Kontur vorbeigelegt. Die CNC Fräsmaschine fräst mit dem Mittelpunkt des Fräsers entlang der Fräskante. Bedenkt man noch die dicke des Fräsers, so wird die Kontur ausgefräst. Änderungen in letzter Minute Das Read/Write Signal das Display entspricht den invertierten Steuersignal A0 für dem Datenbustreiber. Die Adressleitung wurde vor dem Anschluss an das Display invertiert. Das CS 3 Signal des Prozessors ist beim Einschalten oder Reset mit Störung behaftet. Am Pin 13 des Baustein D5 wird das CS 3 Signal durch VCC ersetzt. Seite 18 von 18