Praktikumsreferenz Mikroprozessortechnik Platinenversion 3.1

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1 Praktikumsreferenz Mikroprozessortechnik Platinenversion Einleitung... Installation... 3 Die Hardware Stromversorgung Bedienelemente Taster RESET Reset Taster BOOT Bootloader/Universal Leuchtdiode L1 Universal Leuchtdiode L Spannungsanzeige Steckplätze Stecker J1, J und J3 Servomotoren (PWM) Stecker J4 Port D / Serielle Schnittstellen / Timer Stecker J5 Port C / PWM / Zähler Stecker J6 Port A (Port E) / LCD Stecker J7 Port F / Analogeingänge Stecker J8 - Port B/Port E, SPI-Schnittstelle Sonstiges Takterzeugung AD-Wandler Debugging (JTAG) Aufsteckmodule (Auswahl) /10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

2 1 Einleitung Diese Anleitung zeigt Ihnen den Gebrauch der im Praktikum Mikroprozessortechnik verwendeten Werkzeuge zur Erstellung von C-Programmen für die im Praktikumshardware. Diese Programme sind bereits auf den Rechnern im Labor vorinstalliert. Sie können sich aber diese Werkzeuge auch jederzeit auf einem eigenen Rechner unter MS Windows (getestet bis Windows 7, 64 Bit) installieren. Das Kapitel Installation können Sie überspringen, wenn Sie nur im Labor arbeiten wollen. Wenn Sie zuhause etwas vorbereiten wollen, dann empfiehlt sich die Installation trotzdem, da mit dem Programm AVR-Studio 4 auch ganz ohne Hardware simuliert werden kann. Installation Besorgen Sie sich entweder an der HM (im Labor D04) eine CD mit den erforderlichen Werkzeugen oder laden Sie sich die Programme selbst aus dem Internet. Die Benutzung der Programme unterliegt keinen für Sie im Rahmen des Praktikums relevanten Beschränkungen. Die Installation wird ausführlich in der separaten Anleitung "Installation Entwicklungswerkzeuge" beschrieben. 3 Die Hardware Die Experimentierplatine (siehe Abbildung 1) beinhaltet außer dem Mikroprozessor selbst kaum weitere Hardware. Statt dessen sind fast alle Anschlüsse des Prozessors auf verschiedene Stecker herausgeführt, so dass dort die jeweils für einen Versuch benötigten Module angeschlossen werden können. Eine detaillierte Beschreibung der Schaltung finden Sie in dem Dokument "Schaltungsbeschreibung V31". Nachfolgend finden Sie eine Beschreibung aus Sicht des Anwenders, die für die Vorbereitung und Durchführung der Praktikumsversuche ausreicht. J J4 10 J Masse Vext J1 J J3 7 8 Vint J LED: PB BOOT: PE RESET BOOT J J8 J1 J7 J J Abbildung 1: Aufsicht auf die Experimentierplatine V3.1 (blau) - /10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

3 3.1 Stromversorgung Die Platine kann sowohl über die Buchse Power als auch den USB-Anschluss mit Strom versorgt werden. Maximal sind 5.4 V als Eingangsspannung erlaubt, die Mindestspannung ist von der Betriebsfrequenz des Prozessor abhängig. Die Versorgung über den USB-Bus ist für kleine Lasten bis ca. 00 ma Gesamtstromaufnahme gedacht. Über den USB-Anschluss werden prinzipiell alle Elemente außer J1-J3 versorgt. Über die Buchse Power werden alle Elemente inklusive J1-J3 versorgt. Dieser Anschluss ist also dann zu verwenden, wenn an J1-J3 etwas angeschlossen wird oder wenn insgesamt eine Stromaufnahme von mehr als 00 ma zu erwarten steht. Wenn beide Stecker belegt werden, dann sollte die Spannung an Power etwas höher als am USB-Bus liegen, damit die gesamte Stromversorgung über den Power-Stecker erfolgt. Die Netzteile im Praktikum liefern zu diesem Zweck 5.1 V, das ist 0.1 V höher als die Spannung am USB-Bus. Die Spannungen am Mikroprozessor sowie an den Steckern J4-J8 liegen etwa 0.3 V unter der höheren der beiden Eingangsspannungen, da die Stromversorgung über Schottky-Dioden erfolgt. Das ist für die meisten Peripheriegeräte, auch wenn sie nominal 5 V erwarten, noch genug. Dem Prozessor genügen sogar noch.7 V bei einer Taktfrequenz von 8 MHz das ist die auf der Experimentierplatine maximal vorgesehene Taktfrequenz. Der einpolige Stecker J13 ist als bequemer Anschluss für das Massekabel eines Messgerätes (Oszilloskop, Logicanalyzer) oder zusammen mit J11 für einen externen Resettaster gedacht. 3. Bedienelemente 3..1 Taster RESET Reset Die Taste RESET bewirkt einen Reset des Mikroprozessors. Der Prozessor bleibt im Reset- Zustand, solange die Taste gedrückt ist. Dabei sind alle Anschlüsse inaktiv, d.h. der Prozessor gibt keine Spannungspegel vor und es fließt auch kein Strom aus oder in die Anschlüsse. 3.. Taster BOOT Bootloader/Universal Die Taste BOOT ist mit dem Prozessoranschluss PE/ALE/HWB verbunden. Sie hat zwei Aufgaben. Wenn mittels RESET ein Reset ausgelöst wird, dann entscheidet der Prozessor unmittelbar nach dem Reset (wenn also RESET ausgelassen wird), ob der eingebaute Bootloader aktiviert wird oder ob das geladene Anwenderprogramm gestartet wird. Bei gedrückter Taste BOOT wird der Bootloader gestartet, sonst das Anwenderprogramm. Im Bootloader hat BOOT keine Funktion. Im Anwenderprogramm kann die Taste abgefragt werden, indem Port PE als Eingang definiert wird Leuchtdiode L1 Universal Die LED zwischen J5 und J6 ist mit dem Prozessoranschluss PB4 verbunden. Sie kann beliebig an- bzw. ausgeschaltet werden, indem Port PB4 als Ausgang definiert wird und dort 0 bzw. 1 ausgegeben wird Leuchtdiode L Spannungsanzeige Die zweite LED zeigt nur an, ob die Experimentierplatine mit Spannung versorgt wird. Leuchtet sie nicht, dann ist mit der Versorgung etwas nicht in Ordnung. Sie kann vom Prozessor nicht beeinflusst werden. - 3/10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

4 3.3 Steckplätze Für die Stecker J1-J8 werden die Anschlussbelegungen jeweils in Tabellenform angegeben. Dabei enthält die obere Reihe die Pinnummern, wie sie in Abbildung 1 zu sehen sind. In den unteren Reihen ist der zugehörige Prozessoranschluss angegeben. Die meisten Prozessoranschlüsse können mehrere Funktionen haben, in dem Fall finden sich in einer Spalte untereinander die verschiedenen möglichen Funktionen des Anschlusses. Wie eine Funktion ausgewählt wird muss dem Datenblatt entnommen werden und dann vom Anwenderprogramm entsprechend eingestellt werden Stecker J1, J und J3 Servomotoren (PWM) Die Stecker J1-J3 sind primär für den Anschluss von Servomotoren aus dem Modellbaubereich gedacht. Da Motoren kurzfristig erheblichen Strom benötigen können, werden diese Stecker nicht vom USB-Bus mit Spannung versorgt, sondern direkt vom Power-Anschluss. Natürlich können statt der Motoren auch andere Elemente (Taster, LED) angeschlossen werden. Pin 1 3 µc PB5 VPower GND OC.1A Abbildung : J1, Pinbelegung Pin 1 3 µc PB6 VPower GND OC.1B Abbildung 3: J, Pinbelegung Pin 1 3 µc PB7 VPower GND OC.1C Abbildung 4: J3, Pinbelegung 3.3. Stecker J4 Port D / Serielle Schnittstellen / Timer Der Stecker J4 ist als Universalstecker für die Module des Praktikums gedacht. Damit führt er auf den ersten acht Pins Signale vom/zum Prozessor und auf den beiden letzten Pins die Spannungsversorgung sowie Masse. Die alternativen Funktionen beinhalten zwei unterschiedliche serielle Schnittstellen (I²C-Bus, RS3) sowie weitere Timerfunktionen. Pin µc PD0 PD1 PD PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 Vint GND SCL SDA RXD1 TXD1 ICP1 XCK1 T.1 T.0 OC.0B OC.B Abbildung 5: Stecker J4, Pinbelegung Stecker J5 Port C / PWM / Zähler Der Stecker J5 ist als Universalstecker für die Module des Praktikums gedacht. Damit führt er auf den ersten acht Pins Signale vom/zum Prozessor und auf den beiden letzten Pins die Spannungsversorgung sowie Masse. Die zweite interessante Funktion sind Timersignale des Timers 3. Damit könnten weitere 3 PWM-Kanäle bedient werden (z.b. noch drei - 4/10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

5 Servomotoren), hier könnte aber auch eine Impulszählung oder Frequenzmessung erfolgen. Die dritte Funktion wäre der Anschluss eines externen Speichers (RAM), dies wird im Praktikum aber nicht benutzt. Pin µc PC0 PC1 PC PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 Vint GND T.3 OC.3C OC.3B OC.3A IC.3 CLKO Abbildung 6: J5, Pinbelegung Stecker J6 Port A (Port E) / LCD Dieser Stecker ist primär für den Anschluss einer LCD-Anzeige gedacht. Bei einfachen Text- LCDs (also keine Grafik) mit bis zu 40x4 Zeichen hat sich eine Art Industriestandard herausgebildet. Die große Mehrheit aller dieser Anzeigen benutzt dasselbe Ansteuer-IC, das ursprünglich von Hitachi unter der Bezeichnung HD44780 entwickelt worden ist, aber inzwischen auch funktionsgleich von anderen Herstellern nachgebaut wird. Zunächst hat das den Effekt, dass alle diese Anzeigen mit demselben Programm bedient werden können. Darüber hinaus hat sich aber auch noch eine Standardhardwareanschluss durchgesetzt, so dass nahezu alle diese Anzeigen denselben Stecker verwenden. Für genau diesen Quasistandard ist die Belegung des Steckers J6 gedacht. Natürlich können die Signale auch anderweitig verwendet werden GND Vint PB4 PE3 PE0 PE1 PA0 PA1 PA PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 NC 1 NC V0 PE7 PE4 Abbildung 7: Stecker J6, Pinbelegung Die alternativen Funktionen der Prozessoranschlüsse sind hier nicht eingetragen, sie können bei Bedarf dem Datenblatt entnommen werden, bringen aber hier nicht viel. Die Pins 15 und 16 sind bei Anzeigen mit weniger als 80 Zeichen nicht benutzt oder dienen der Hintergrundbeleuchtung. Der Pin 3 soll eine Analogspannung, mit der der Kontrast eingestellt wird, führen. Sie kann mit einem Spannungsteiler (Potentiometer) oder über ein PWM-Signal am Anschluss PB4/OC.A erzeugt werden. Für die Ansteuerung der LCD-Anzeige allgemein muss das Datenblatt des HD44780 konsultiert werden Stecker J7 Port F / Analogeingänge Der Stecker J7 ist als Universalstecker für die Module des Praktikums gedacht. Damit führt er auf den ersten acht Pins Signale vom/zum Prozessor und auf den beiden letzten Pins die Spannungsversorgung sowie Masse. Als Sonderfunktion können dort auch Analogsignale eingelesen werden. Jeder Anschluss kann individuell so eingestellt werden, dass die dort anliegende Spannung (sie muss unterhalb der Prozessorspannung liegen!) in eine Dualzahl gewandelt werden kann (Analog-Digitalwandler). Damit können bis zu acht Analogsignale erfasst werden. Nominal beträgt die Auflösung 10 Bit, d.h. die anliegende Spannung wird in 104 Schritte aufgelöst. Die absolute Genauigkeit liegt darunter, für die verschiedenen Fehlerquellen und ihre Kompensation, soweit sinnvoll möglich, sei auf die Vorlesung verwiesen. Zudem sind an diesem Stecker die Signale für die JTAG-Schnittstelle zu finden, diese werden im normalen Betrieb nicht verwendet. 1 NC: Not Connected (offen) - 5/10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

6 Pin µc PF0 PF1 PF PF3 PF4 PF5 PF6 PF7 Vint GND ADC0 ADC1 ADC ADC3 ADC4 ADC5 ADC6 ADC7 Abbildung 8: J7, Pinbelegung Stecker J8 - Port B/Port E, SPI-Schnittstelle Dieser Stecker enthält gemischt die restlichen Signale der Ports B und E. Interessant sind die Zweitfunktionen der Signale PB0-PB3. Sie ergeben zusammen eine zweite serielle Schnittstelle für das SPI-Protokoll. Pin µc PB0 PB1 PB PB3 PE4 PE5 PE6 PE7 Vint GND SS SCLK MOSI MISO PB4 NC Abbildung 9: J8, Pinbelegung 3.4 Sonstiges Takterzeugung Auf der Experimentierplatine befindet sich ein Quarz zur Erzeugung eines ausreichend genauen Referenztaktes von 16 MHz. Der Mikroprozessor kann zur Stromersparnis und für den Betrieb mit geringen Versorgungsspannungen den Referenztakt intern teilen, so dass er entsprechend langsamer läuft. Voreingestellt ist hier ein Teiler durch 8, so dass der Prozessor unmittelbar nach einem Reset mit MHz arbeitet. Das Anwenderprogramm kann durch eine entsprechende Programmierung der Peripherie diesen Teiler ändern, und damit die Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors im Betrieb anpassen. Details dazu entnehmen Sie dem Datenblatt AD-Wandler Der AD-Wandler hat einen eigenen Anschluss für die Referenzspannung (AREF). Der Messbereich des AD-Wandlers ist immer das Intervall [0V, AREF], wobei AREF nie größer als die Betriebsspannung sein darf. Auf der Platine kann optional eine externe Referenzspannungsquelle installiert werden, man kann aber auch eine interne Referenzspannung für den AD-Wandler wählen. Auch hier entnehmen Sie Details dem Datenblatt. Als dritte Möglichkeit kann die Referenzspannung auch über J1 zugeführt werden Debugging (JTAG) Der Prozessor verfügt über einen Standardanschluss (JTAG), mit dem vor allem Debugging im System möglich ist. Die notwendigen Signale sind als Alternativfunktionen am Stecker J7 herausgeführt, im Praktikum wird aber davon kein Gebrauch gemacht. Allerdings sind diese Signale unmittelbar beim Programmstart aktiv, so dass die eigentliche Funktion der Signal PF4 bis PF7 erst zur Verfügung steht, wenn JTAG im Programm abgeschaltet wird. - 6/10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

7 4 Aufsteckmodule (Auswahl) T1UL Einsatzgebiete Taktimpulse Taster, 1fach, Umschalter mit (oder ohne) LED 1 Schaltplan Aufsicht Durchsicht S1 Schließer S1 Öffner VCC - GND Anschlussbelegung Kurzbeschreibung Im Ruhezustand liegt Pin 6 auf Masse (0.5V) und Pin 3 wird über 10kΩ nach VCC gezogen. Wird S1 gedrückt, dann geht Pin 3 auf Masse (0.5V) und die Leuchtdiode im Taster leuchtet. Pin 6 wird über 10kΩ nach VCC gezogen. - 7/10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

8 LED8 Einsatzgebiete Zustandsanzeige 8fach LED-Anzeige Aufsicht Schaltplan Durchsicht Anschlussbelegung 1 LED 1 LED 3 LED 3 4 LED 4 5 LED 5 6 LED 6 7 LED 7 8 LED 8 + VCC - GND Kurzbeschreibung Jede LED zeigt den Pegel am zugeordneten Anschluss an. H-Pegel: LED leuchtet L-Pegel: LED dunkel - 8/10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

9 DIP5 Einsatzgebiete Allgemeine Eingabe 5fach DIP-Schalter Aufsicht ON Schaltplan Durchsicht Anschlussbelegung 1 DIP-Schalter 1 DIP-Schalter 3 DIP-Schalter 3 4 DIP-Schalter 4 5 DIP-Schalter VCC - GND Kurzbeschreibung Jeder Schalter ist einem Anschluss zugeordnet. Ist der Schalter in der Position on (oben), dann wird der zugeordnete Anschluss über 1kΩ nach Masse gezogen (L-Pegel). Ist der Schalter in der Position off (unten), dann bleibt der zugeordnete Anschluss hochohmig. Damit in diesem Fall einen H-Pegel entsteht, muss im Mikroprozessor für die Eingänge ein Pull-Up programmiert werden! - 9/10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

10 SSEG1 Einsatzgebiete Zahlenanzeige Siebensegmentanzeige Aufsicht Durchsicht Anschlussbelegung 1 Segment g Segment e 3 Segment f f 4 Segment d 5 Segment a g 6 Segment c 7 Segment b e 8 Dezimalpunkt + VCC d - GND a c b Schaltplan Kurzbeschreibung Das zum Anschluss zugehörige Segment der Anzeige leuchtet, wenn am Anschluss H-Pegel anliegt. - 10/10 - Prof. Dr.-Ing. Hermann

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