Anwendung der Prozessdatenverarbeitung SS2008

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1 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung SS2008 FH Wiesbaden Informatik Prof. Dr. Karl Otto Linn Das Inverse Pendel Wolfgang Röttges Peter Großmann 1

2 Einleitung Physikalisch gesehen gibt es in der Natur drei verschiedene Gleichgewichtslagen. Stabiles Gleichgewicht: Der Schwerpunkt des Körpers befindet sich unterhalb des Drehpunktes (z. B. beim Pendel). Labiles Gleichgewicht: Der Schwerpunkt des Körpers befindet sich oberhalb des Drehpunktes (z. B. beim Inversen Pendel). Indifferentes Gleichgewicht: Der Schwerpunkt und der Drehpunkt des Körpers fallen zusammen (z. B. beim Rad). (Quelle: Beim stabilen und indifferenten Gleichgewicht ist keine Reglung notwendig, da sich von Natur aus immer ein Stabiler Zustand einstellt, sofern nur die Schwerkraft auf den Körper wirkt. Interessant wird es beim labilen Gleichgewicht. Sofern es sich nicht im ausbalancierten Zustand befindet strebt der Schwerpunkt aufgrund der Schwerkraft immer die Position unter dem Drehpunkt an. Daher ist es bei diesem Gleichgewicht notwendig so lange zu regeln bis der ausbalancierte Zustand erreicht ist. Das beste Beispiel hierfür ist der Segway, ein Fahrzeug, das stets aufrecht gehalten werden muss, da es nur zwei Räder besitzt. Dies ist ein erster Versuch, eine alltagstaugliche Anwendung des Prinzips des Inversen Pendels zu etablieren. 2

3 Aufgabenstellung Da sich das inverses Pendel als hervorragendes Problem der Prozessdatenverarbeitung darstellt, welches sowohl Hardware als auch Softwarekenntnisse erfordert, kommt man in einer Vertiefungsveranstaltung kaum umhin, sich einmal mit der Materie befasst zu haben. Ziel des Projekts war einen vorhandenen Versuchsaufbau für ein Inverses Pendel zu analysieren und eine Regelsoftware zu entwickeln. Dabei handelte es sich hauptsächlich um einen modifizierten Druckerschlitten mit einem angeschlossenen Mikrocontroller. Es war erforderlich die Schaltpläne der vorhergehenden Gruppen nachzuvollziehen, um die Beschaltung der Platine zu verstehen. Da jede der vorangegangenen Gruppen die Hardware ein wenig erweitert hat, war eine genaue Kenntnis darüber unausweichlich, um in der Software die verschiedenen Hardware Elemente gezielt ansprechen zu können sowie eventuelle Hardwarefehler schnell und genau lokalisieren und beheben zu können. Auf Softwareebene musste man sich mit den vordefinierten Strukturen und Variablen der zugehörigen Entwicklungsumgebung vertraut zu machen, die es vereinfachen die Ports, Timer und andere Hardwarekomponenten anzusprechen. Die Programmiersprache war eine C Version mit eingeschränkten Standartbibliotheken. 3

4 Gegebenheiten Das Pendel bestand aus einem Druckerschlitten mit Motor, an der Stelle des Druckkopfes war hier jedoch ein weiterer Druckermotor montiert, an dessen Achse das Pendel befestigt war. Jeder der beiden Druckermotoren besaß zwei Lichtschranken und sechs Anschlüsse. Zwei für die Spannungsversorgung der Lichtschranken, zwei für die Spannungsversorgung des Motors und zwei um die Zustände der Lichtschranken zu übermitteln. Der Motor, an welchem das Pendel hing(pendelmotor), wurde nicht angesteuert, daher wurden nur vier der Anschlüsse für die Abfrage der Lichtschranken gebraucht. Von dem Druckermotor(Schlittenmotor) wurden alle Anschlüsse bis auf eine Lichtschranke verwendet. Der Mikrocontroller war auf einem Demo Board angebracht, das über verschiedene Komponenten wie ein Potenziometer, ein LCD Display, ein 4MHz Quarz sowie drei Buttons verfügte. Der Controller selbst hatte einen A/D Wandler, 4 8 Bit Ports, 4 Timer, einen PWM Modul, 3 externe Interrupts, sowie einen Sammelinterrupt für 4 Pins. Um die Stromversorgung des Schlittenmotors zu gewährleisten, wurde eine H Brücke zwischen Controller und Motor gesetzt, welche die Signale des Controllers entsprechend verstärkte, indem sie eine gewisse Spannung(hier 12V) an den Motor weiterleitete. Um die exakte Regelung des Schlittenmotors zu bewerkstelligen, wurde die Pulsweitenmodulation des Controllers genutzt. 4

5 Schaltpläne Die Beschaltung sah demnach wie folgt aus: Die Interrupts der Lichtschranken des Pendelmotors sind an die Ports RB1 und RB0 angeschlossen, diese Ports werden vom Controller als Interrupts behandelt und reagieren auf ansteigende und abfallende Flanken. Man braucht zwei Lichtschranken hierfür um die Drehrichtung festzustellen. Für den Schlittenmotor wird nur eine Lichtschranke an den Port RB2 angeschlossen, da in den Interrupts nur gemessen wird wie weit er sich dreht. Die Richtung geht daraus hervor, wie man den Motor gerade ansteuert. Die Ports RC0, RC1 und RC2 waren mit der H Brücke verbunden. RC0 war mit dem Brake Anschluss verbunden, wenn das Bit gesetzt war wurde der Motor festgestellt. Der Port RC1 war mit dem Direction Anschluss verbunden, wenn das Bit gesetzt ist fährt der Schlitten nach links ansonsten nach rechts. Der PWM Anschluss der H Brücke war mit dem Port RC2 verbunden, wenn das Bit gesetzt ist wird der Motor mit den vollen 12V angesteuert. Jedoch ist es durch die Pulsweitenmodulation des Mikrocontrollers möglich die Geschwindigkeit zu regulieren. 5

6 Entwicklungsumgebung Um die Programme auf den Mikrocontroller zu laden wird der Programmer MPLAB ICD 2 verwendet. Er wird via USB mit dem PC verbunden. Über ihn können Programme in den Speicher des Mikrocontrollers geschrieben werden. Gleichzeitig kann man durch ihn die Programme während der Laufzeit debuggen. Vom Hersteller des PIC Controllers gibt es eine die Entwicklungsumgebung MPLAB IDE, mit der man den Code einfach kompilieren, debuggen und ausführen kann. Die Oberfläche der Entwicklungsumgebung für die Software hat in etwa folgendes Erscheinungsbild: 6

7 Nachdem man den Quelltext eingegeben hat muss man folgende Schritte ausführen, um das Programm auf dem Controller zu starten. Kompilieren Hochladen Ausführen 7

8 Erweiterung der Platine Nach Berichten über voran gegangenen Gruppen stellte es oft ein Problem dar, dass sich das Programm während der Entwicklung aufhängte, der Motor unbemerkt weiter angesteuert wurde und heißlief. Daher wurde uns geraten eine Anzeige einzubauen an der man sieht ob der Motor angesteuert wird. Zudem wurde noch ein Schalter angebracht mit dem man die Stromzuführ manuell unterbrechen kann. Zudem wurde noch ein Erdungskabel angebracht um die Erdungen der zwei Netzteile zu verbinden. Dadurch läuft der Motor viel ruhiger. Vorher Nachher Je nach dem ob das rote oder grüne LED leuchtet wird der Motor links oder rechts angesteuert. Falls sich das Programm nun aufhängt sieht man dass eine LED leuchtet und kann die Spannung mit dem Schalter nun schnell ausschalten. 8

9 Initialisierung der Hardware Für sämtliche Hardware Elemente existiert eine Abbildung in Form von C Strukturen, über welche man Einfluss auf den Hardwarezustand nehmen kann. Ansteuerung der H Brücke Es werden verschiedene Arten von Ports unterschieden. Über die Tris Struktur, welche in der Headerdatei( PIC18F452.h ) definiert ist, wird eingestellt, ob ein Pin ein Ein oder Ausgang ist. 0 heißt Ausgang, 1 logischerweise Eingang. Zunächst werden die drei Tris Bits(0 2) am Port C auf 0 gesetzt TRISCbits.TRISC0 = 0; TRISCbits.TRISC1 = 0; TRISCbits.TRISC2 = 0; //BRAKE, mit diesem Bit wird gebremst //DIRECTION, mit diesem Bit wird die Richtung geändert //PWM, mit diesem Bit wird die Geschwindigkeit gesteuert Das bedeutet, dass diese Ports als Ausgänge benutzt werden um die H Brücke anzusteuern. Diese Ausgänge lassen sich nun über folgende Bits ansprechen. PORTCbits.RC0 PORTCbits.CCP2 PORTCbits.CCP1 //Brake, bei 0 ist sie deaktiviert bei 1 aktiviert //Direction, bei 0 fährt der schlitten nach rechts, bei 1 nach links //PWM, ist dieses Bit auf 0 ist der Motor aus, ist es auf 1 wird der Motor mit der vollen Spannung der H Brücke versorgt. Um den Motor auch mit anderen Geschwindigkeiten fahren zu lassen wird an diesem Bit eine PWM angelegt. Der Knopf, welcher die Bezeichnung A0 auf dem Bord hat, wird als Eingang genutzt. TRISAbits.TRISA0 = 1; Sein Zustand spiegelt sich im Bit PORTAbits.RA4 wieder. Ist es auf 0 bedeutet es, dass er herunter gedrückt ist, bei 1 ist er losgelassen. PWM Die Pulsweitenmodulation liegt standartmäßig auf dem Pin C2, daher wurde hier auch logischerweise der PWM Pin der H Brücke angeschlossen. Man aktiviert sie mit der Funktion OpenPWM1(int periode). Periode ist hierbei die Gesamtlänge der PWM Periode. #define pwm_period 0x3fe OpenPWM1 (pwm_period); Nachdem sie geöffnet ist kann man sie über SetDCPWM1(int Stellgröße) ansteuern. Die Stellgröße muss sich im Beriech von befinden. 9

10 SetDCPWM1(0); SetDCPWM1(512); SetDCPWM1(1023); //Motor ausschalten //Motor auf halbe Kraft //Motor voll ansteuern Interrupts Die INTCON Strukturen sind zuständig für die Konfiguration der Interrupts. Hierbei entsprechen INT0 2 den Pins B0 B2, wie man dem Schaubild entnehmen kann. Indem man die IE Variablen auf 1 setzt werden die Ports als Interrupts registriert. INTCONbits.INT0IE = 1; INTCON3bits.INT1IE = 1; INTCON3bits.INT2IE = 1; //Externen Interrupt INT0 aktivieren (B0) //Externen Interrupt INT1 aktivieren (B1) //Externen Interrupt INT2 aktivieren (B2) Damit die Interrupts einen definierten Anfangszustand haben werden ihre Flags zunächst alle auf 0 gesetzt, dies geschieht über die IF Bits. INTCONbits.INT0IF = 0; INTCON3bits.INT1IF = 0; INTCON3bits.INT2IF = 0; //INT0 Flag zurücksetzen //INT1 Flag zurücksetzen //INT2 Flag zurücksetzen Zusätzlich kann man für die Interrupts einstellen, ob sie bei ansteigender oder abfallender Flanke auslösen sollen. Dies geschieht über die INTCON2bits Struktur. G0 G2 sind für die Interrupts an B0 B2 zuständig, setzt man sie auf 1 lösen sie bei ansteigender Flanke aus. Innerhalb der Interruptserviceroutinen kann man diese Bits immer hin und her schalten um eine doppelte Genauigkeit zu erreichen. INTCON2bits.INTEDG0 = 1; INTCON2bits.INTEDG1 = 1; INTCON2bits.INTEDG2 = 1; //INT0 bei ansteigender Flanke //INT1 bei ansteigender Flanke //INT2 bei ansteigender Flanke Falls diese drei Externen Interrupts nicht ausreichen kann man noch einen Sammelinterrupt für die Pins B3 B7 einstellen. Er löst aus egal bei welchem der fünf Pins sich etwas geändert hat. INTCON3bits.INT1IE = 1; INTCON3bits.INT1IP = 1; INTCON3bits.INT1IF = 0; INTCON2bits.INTEDG1 = 1; //Sammelinterrupt aktivieren //Dem Interrupt hohe Priorität zuweisen //Flag zurücksetzten //Auf ansteigende Flanke reagieren Desweiteren müssen die drei Ports als Eingänge eingestellt werden, da die Interrupts eingehende Signale darstellen TRISBbits.TRISB0 = 1; TRISBbits.TRISB1 = 1; TRISBbits.TRISB2 = 1; //INT0 (Input) //INT1 (Input) //INT2 (Input) Der Einfachheit halber kann man die Priorisierung ausschalten, dadurch springt das Programm bei allen Interrupts an die selbe stelle. Dies geschieht über das Bit RCONbits.IPEN = 0; 10

11 Nun springen alle Interrupts an den High Verctor 0x8, an dem man später noch die entsprechende Funktion einfügen muss. Zuletzt werden die Interrupts noch aktiviert. INTCONbits.GIE = 1; INTCONbits.PEIE = 1; //Alle internen IRs aktivieren //Alle externen IRs aktivieren Um nun den Interrupts auch Funktionen zuzuordnen wird folgende Funktion angelegt und durch den Präprozessor Befehl am Vektor 0x8 abgelegt. Hier springt das Programm jetzt immer hin sobald ein Interrupt ausgelöst hat. #pragma code high_vector = 0x void interrupt_at_high_vector(void) { _asm GOTO high_interrupt _endasm Diese Funktion macht nichts anderes als wiederum zu einer anderen Funktion mit der Bezeichnung high_interrupt zu springen. Diese überprüft anhand der Flags welcher der Ports den Interrupt ausgelöst hat und ruft die entsprechende Funktion auf void high_interrupt(void) { if (INTCONbits.INT0IF) elseif (INTCON3bits.INT1IF) elseif (INTCON3bits.INT2IF ) _asm GOTO pendel_l1 _endasm _asm GOTO pendel_l2 _endasm _asm GOTO schlitten_l1 _endasm Die Funktionen müssen jeweils als Interrupt markiert sein und am Ende ihrer Ausführung das entsprechende Flag zurücksetzten. #pragma interrupt pendel_l1 void schlitten_l1(void) { INTCONbits.INT0IF = 0; #pragma interrupt pendel_l2 void schlitten_l1(void) { INTCON3bits.INT1IF = 0; #pragma interrupt schlitten_l1 void schlitten_l1(void) { INTCON3bits.INT2IF = 0; 11

12 Timer Die einfachste Möglichkeit mit Timern zu arbeiten ist eine Programmschleife, die nachdem alles initialisiert wird immer wieder durchläuft und überprüft wie weit der Timer gelaufen ist. Hat er den gewünschten Wert erreicht wird die entsprechende Funktion ausgeführt und der Timer wieder zurück auf 0 gesetzt. OpenTimer1(TIMER_INT_OFF & T1_16BIT_RW & T1_SOURCE_INT & T1_OSC1EN_OFF & T1_SYNC_EXT_OFF); //Timer1 aktivieren while (1){ //Schleife endlos durchlaufen if(readtimer1() >= 100){ //Prüfen ob der Timer gewünschten wert erreicht hat WriteTimer1(0x0000); //Timer wieder auf 0 setzen timer3(); //Funktion ausführen (in unserem Fall die Regelfunktion) Dies belastet den Prozessor zwar stark, das ist jedoch nicht schlimm da die Interrupts immer Vorrang haben im Gegensatz zu einem Timer der mit weiteren Interrupts arbeitet. Der einzige Nachteil im Gegensatz zu einem Interrupt gesteuerten Timer ist, dass er etwas ungenauer ist, da immer wieder geprüft wird und nicht direkt beim Erreichen der Zeit ein Interrupt ausgeführt wird. Grundgerüst Da jetzt alle wichtigen Programmstrukturen vorhanden sind ergibt sich ein Grundgerüst für das Programm, welches auf den folgenden zwei Seiten ausgeführt ist. Man muss bei ihm nur noch die Funktionen der Interrupts und der Regel Funktion ausfüllen. 12

13 Main.c #include "p18f452.h" //Headerdatei für den Mikrocontroller #include "pwm.h" //Headerdatei für die Pulsweitenmodulation #include "timers.h" //Headerdatei für die Timer //Die anderen Headerdateien werden für das Grundgerüst nicht benötigt #include "usart.h" #include "delay.h" #include "xlcd.h" #include "stddef.h" void main(void) { TRISCbits.TRISC0 = 0; TRISCbits.TRISC1 = 0; TRISCbits.TRISC2 = 0; PORTCbits.RC0 = 1; // BRAKE, mit diesem bit wird gebremst // DIRECTION, mit diesem bit wird die Richtung geändert // PWM, mit diesem bit wird die Geschwindikeit gesteuert //Bremse aktivieren, sonst kann es passieren das der Motor beim initialisieren der PWM ruckelt // Aktivieren der externen Interrupts in Register INTCON(INT0) und INTCON3(INT1, INT2) INTCONbits.INT0IE = 1; // Externen Interrupt INT0 aktivieren INTCON3bits.INT1IE = 1; // Externen Interrupt INT1 aktivieren INTCON3bits.INT2IE = 1; // Externen Interrupt INT2 aktivieren // Ruecksetzen aller externen Interrupts INTCONbits.INT0IF = 0; // INT0 Flag zuruecksetzen INTCON3bits.INT1IF = 0; // INT1 Flag zuruecksetzen INTCON3bits.INT2IF = 0; // INT2 Flag zuruecksetzen // Einstellen der Taktflankensteuerung in INTCON2 Register INTCON2bits.INTEDG0 = 1; // INT0 bei ansteigender Flanke INTCON2bits.INTEDG1 = 1; // INT1 bei ansteigender Flanke INTCON2bits.INTEDG2 = 1; // INT2 bei ansteigender Flanke // Pins am Port B initialisieren TRISBbits.TRISB0 = 1; TRISBbits.TRISB1 = 1; TRISBbits.TRISB2 = 1; // INT0 (Input) // INT1 (Input) // INT2 (Input) // IR Priorisierung ausschalten > alle IRs springen in high vector 0x8 RCONbits.IPEN = 0; // Hier werden sämtliche Interrupts aktiviert bzw mit 0 Maskiert INTCONbits.GIE = 1; // Alle IRs aktivieren INTCONbits.PEIE = 1; // Alle periphaeren IRs aktivieren //PWM initialisieren SetDCPWM1(0); OpenPWM1(pwm_period); //Geschwindigkeit auf 0 setzen //Öffnet an PortC Pin 2 die PWM 13

14 PORTCbits.RC0 = 0; //Bremse deaktivieren //Timer1 aktivieren OpenTimer1(TIMER_INT_OFF & T1_16BIT_RW & T1_SOURCE_INT & T1_OSC1EN_OFF & T1_SYNC_EXT_OFF); while (1){ //Schleife endlos durchlaufen if(readtimer1() >= 100){ //Prüfen ob der Timer gewünschten wert erreicht hat WriteTimer1(0x0000); //Timer wieder auf 0 setzen regeln(); //Funktion ausführen (in unserem Fall die Regelfunktion) void regeln(void){ //Hier kommt der Regelalgorithmus #pragma interrupt pendel_l1 void schlitten_l1(void) { //Wird ausgeführt wenn die erste Lichtschranke vom Pendel einen Interrupt auslöst INTCONbits.INT0IF = 0; #pragma interrupt pendel_l2 void schlitten_l1(void) { //Wird ausgeführt wenn die zweite Lichtschranke vom Pendel einen Interrupt auslöst INTCON3bits.INT1IF = 0; #pragma interrupt schlitten_l1 void schlitten_l1(void) { //Wird ausgeführt die Lichtschranke vom Schlittenmotor auslöst INTCON3bits.INT2IF = 0; void high_interrupt(void) { if (INTCONbits.INT0IF) elseif (INTCON3bits.INT1IF) elseif (INTCON3bits.INT2IF ) _asm GOTO pendel_l1 _endasm _asm GOTO pendel_l2 _endasm _asm GOTO schlitten_l1 _endasm #pragma code high_vector = 0x _asm GOTO high_interrupt _endasm 14

15 Pendelinterrupts Um zu wissen in welcher Lage sich das Pendel im Moment befindet geht man davon aus, dass es sich zu Beginn des Programms in Ruhelage befindet, also nach unten hängt. In den Variablen pendel1 und pendel2 wird immer gespeichert ob der letzte Interrupt an dieser Lichtschranke eine ansteigende oder eine abfallende Flanke war. Dadurch kann man immer feststellen in welche Richtung sich das Pendel bewegt hat. Die aktuelle Position des Pendels wird in der globalen Variable phi festgehalten. Bei 0 hängt es herunter, wenn es sich im Uhrzeigersinn bewegt wird die Variable hoch und gegen den Uhrzeigersinn herunter gezählt. Bei 2015 ist jedoch Schluss und es wird wieder von Vorne gezählt, um keinen Überlauf der Variable zu bekommen. Diese Zahl wurde gewählt, da sich das Pendel bei 2016 wieder auf dem 0 Punkt befindet. #pragma interrupt pendel_l1 void pendel_l1(void){ if (pendel1 == 1) { pendel1 = 0; if (pendel2 == 0) {phi++; else {phi ; INTCON2bits.INTEDG0 = 1; else { if (pendel2 == 0) {phi ; else {phi++; pendel1 = 1; INTCON2bits.INTEDG0 = 0; //Wieder auf ansteigende Flanken reagieren //Wieder auf absteigende Flanken reagieren INTCONbits.INT0IF = 0; if (phi > 2015) {phi = 0; else if (phi < 0) {phi = 2015; Die Interruptserviceroutine void pendel_l2(void) für die zweite Lichtschranke verläuft genauso, nur dass die Variablen pendel1 und pendel2 stets vertauscht sind. Schlitteninterrupt Da man immer weis in welche Richtung der Motor angesteuert wird braucht man zunächst nur einen Interrupt um in die entsprechende Richtung zu zählen. #pragma interrupt schlitten_l1 void schlitten_l1(void){ if (PORTCbits.CCP2 == links) else if (PORTCbits.CCP2 == rechts) INTCON3bits.INT2IF = 0; schlitten_pos ; schlitten_pos++; 15

16 Regelalgorithmen Die Regelalgorithmen werden jeweils immer in der Funktion void regeln(void) realisiert. Da sie in gleichen Zeitabständen aufgerufen wird, lassen sich auch Geschwindigkeiten und Beschleunigungen messen. Als Hilfe ist noch die Funktion SetSpeed() entstanden. void setspeed(int sp){ if(sp < 0){ richtung = links; sp =300; if (sp < 1000) sp = 1000; SetDCPWM1(sp * 1); else { richtung = rechts; sp+=300; if (sp > 1000) sp = 1000; SetDCPWM1(sp); PORTCbits.CCP2 = richtung; Bei negativen Geschwindigkeiten läuft der Motor nach links, sonst nach Rechts. Dabei wird ein wert von 1000 nicht überschritten, da sonst die Variable überlaufen kann und der Motor trotz hohem Wert ganz langsam fährt. Desweiteren wird immer ein Wert von 300 addiert, da diese Kraft mindestens gebraucht wird, dass der Motor losfährt. Desweiteren wurde noch Ircounthalb definiert. Dieses define steht für die Zahl 1007 und stellt die Mitte der Pendel Interrupts dar, also wenn es senkrecht nach Oben steht. 2 Punkt Regler Zu aller erst haben wir den 2 Punkt Regler realisiert, welcher überraschend gute Ergebnisse beim stabilen Halten des Pendels brachte. Dabei wurde nur geprüft, in welche Richtung das Pendel geneigt ist und mit voller Kraft gegen diese Richtung gesteuert. if(phi < Ircounthalb) richtung = links; else richtung = rechts; 16

17 P Regler Als nächstes folge ein P Regler, welcher nicht mehr mit voller Kraft, sondern entsprechend der Differenz der Pendelposition zum Mittelpunkt in die entsprechende Richtung steuerte. SetSpeed((phi Ircounthalb) * P_Anteil); Bei kleinem P_Anteil regelt er viel zu langsam nach, bei größeren verhält er sich fast wie der 2 Punkt Regler. Rückstellwinkel Egal wie gut ein Regler funktioniert, er wird irgendwann immer am Rand des Schlittens anschlagen und das Pendel wird umfallen. Um dies zu Verhindern darf der Algorithmus nicht immer Versuchen das Pendel senkrecht zu halten, sondern am Rand geneigt. Das heißt je weiter sich der Schlitten am linken Rand befindet desto mehr muss das Pendel nach Rechts geneigt werden, damit es nach rechts fällt und der Schlitten wieder zu Mitte hin bewegt wird. Dafür haben wir sowohl eine Formel aufgestellt, die je nach Strecke, die das Pendel von der Mitte entfernt war, einen spitzeren Winkel einschlug, je größer die Strecke wurde, als euch eine einfachere Lösung, welche ab einem bestimmten Punkt das Pendel um einen festen Wert zur Mitte hin kippte. Die aufgestellte Formel sah folgender Maßen aus: Sollwinkel = Ircounthalb + (Schlittenmitte Schlittenpos)*Verstärkung Des sollwinkel der zuvor immer Ircounthalb war, also ein senkrecht stehendes Pendel hängt nun von der Schlittenposition ab. Die Schlittenmitte wird bei jedem Start des Programms neu ausgemessen und die Aktuelle Position in den Interrupts festgestellt. Mit der Verstärkung ist es noch möglich den Grad des Winkels zu verstärken und abzuschwächen. Die simple Lösung kam auf, nachdem die komplexe Formel keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern konnte. Nach mehrmaligem Nachprüfen, lies sich die Ursache nicht nachvollziehen, da die Formel mathematisch korrekt war. Mit der simplen Lösung stellte sich schließlich das Problem dar. Es verschob sich nämlich der angenommene Mittelpunkt auf dem Druckerschlitten in sehr kurzer Zeit extrem. Denn der Prozessor nimmt den Richtungswechsel nämlich deutlich schneller an, als dieser eigentlich aufgrund der Trägheit vonstatten geht, daher zählen die Interrupts die Aktuelle Position zum Beispiel schon nach links, obwohl der Schlitten noch seine Fahrt nach Rechts abbremst. Dieses 17

18 Problem lässt sich beseitigen, indem man die Bewegung des Schlittens auf die Selbe weise registriert wie die des Pendels. Dies ist aber wiederum ein Problem da es auf der Platine nur drei Externe Interrupts gibt die sich einzeln ansprechen lassen. Wie am Anfang beschrieben gibt es noch einen Sammelinterrupt für den restlichen Port B. Als wir und daran machen diesen zu benutzen Funktionierte er jedoch nicht wie erwartet. Nachdem der Interrupt durch eine Bewegung das erste mal ausgelöst wurde, fing er an immer weiter auszulösen. Den Grund dafür fanden wir nicht heraus, auch das zurücksetzen der Flag wurde nicht vergessen, aber das Problem bestand weiter.# Probleme Es stellten sich im Verlauf des Projektes eine Reihe technischer Probleme ein, auf welche hier kurz eingegangen werden soll. Hierbei werden nur die häufigsten und prägendsten Probleme beschrieben. Zuerst einmal kam es gerade gegen Ende gehäuft vor, dass sich die Kabel der Lichtschranke des Druckerkopfes überlappten und dabei einen Kurzschluss bildeten. Dies äußerte sich in einem völlig irrationalen Verhaltens des Druckers beim Testen der Regler. Suchten wir am Anfang des Projekts bei derartigen Symptomen noch verstärkt nach Fehlern im Code, so verschob sich unsere Priorität zunehmen mit fortschreitendem Projektstand zuerst auf die Hardware, bzw. direkt auf die Lichtschrankenkabel. Ebenfalls ist deren Stecker stark gelockert, was zu überhaupt keiner Reaktion führen kann seitens des Druckers, wenn ein Programm läuft. Eher um ein Phänomen als ein Problem handelte es sich bei der Tatsache, dass man neuen Code teilweise mehrmals kompilieren und hochladen musste, bevor der Microcontroller diesen annahm. Als guter Wert hat sich 3 maliges Hochladen erwiesen. Ob dies eine gewollte Sicherheitsmaßnahme seitens des Herstellers war, lies sich aus den vorhandenen Unterlagen nicht entnehmen. Allerdings trat dieses Problem auch nicht immer auf. Eine weitere interessante Auffälligkeit zeigte sich, als die Timer mit einem Oszillographen gemessen wurden. Der für die Regelung genutzte Timer änderte bei einem sehr kleinen Wert (Mikrosekundenbereich) auffällig seine Taktlänge nach einer Weile. Bei größeren Werten viel dies nicht allzu sehr ins Gewicht. Ursache dieses Verhaltens konnte bisher nicht geklärt werden. Nun das Problem des sich verschiebenden Mittelpunktes. Der Druckerschlitten wird zur Mitte der Druckerschiene hin gehalten. Allerdings hat sich wie oben beschrieben herausgestellt, dass sich der gedachte Schienen Mittelpunkt drastisch verschiebt. Die Ursache ist die ungenaue Interruptbehandlung des Motors. Bisher wird die Richtung per Variable gemerkt und die Interrupts entsprechend der eingestellten Richtung gezählt. Lösung, welche nicht mehr erreicht wurde, wäre wahrscheinlich die genaue Abfrage der Interruptflanken zur Richtungsermittlung. Es kam ab und an vor, dass der Motor nicht mit voller Kraft zu fahren schien, bzw. stotterte. Das Stottern trat zuerst in Augenschein und lies sich durch ein neue, dickes Erdungskabel beseitigen. Zwischenzeitlich passierte es ab und an, dass sich das Kabel löste und der Motor wieder an Kraft verlor. Allerdings war dies inzwischen eine uns geläufige Fehlerquelle und wurde meist direkt lokalisiert. 18

19 Als wir die beiden LEDs installierten, welche die Ansteuerung des Druckers signalisieren sollten, taten sie dies anfänglich sogar, als der Motor aus war und der Druckerschlitten manuell bewegt wurde. Dies leuchtete ein, da der Motor dadurch dennoch in Bewegung kam und einen Stromfluss erzeugte. Nach einer gewissen Zeit, trat aber genau dieser Mechanismus nicht mehr auf. Am Ende und bisher nicht gelöst, ist es so, dass der Motor trotz festem Erdungskabel nicht annähernd die volle Leistung erreicht. Die Ursache ist schleierhaft und aufgrund mangelnder Zeit wurde diesem Problem nicht ausreichend nachgegangen. Der Fehler muss sich irgendwo auf der Platine befinden. Fazit Durch die Einarbeitung in dieses Projekt bekam man einen tieferen Einblick und ein größeres Verständnis für die Programmierung eines Mikrocontrollers. Das Besondere an diesem Projekt war, dass man die Ergebnisse nicht nur am Bildschirm betrachten konnte, sondern sich wirklich etwas getan hat. Es gab auch viele überraschende und witzige Momente, wenn die Hardware sich ab und zu selbstständig machte und überraschende Effekte verursachte. Am schönsten war es jedoch zu sehen, als das Pendel das erste Mal mit dem 2 Punkt Regler aufrecht stand und man es auf der Schiene hin und her schubsen konnte ohne, dass es umfiel. Ohne das letzte Problem bei dem sich der Mittelpunkt verschob und der Motor, der aufgrund der Platine auf einmal nicht mehr seine volle Kraft hatte, wäre das Pendel wahrscheinlich fertig geworden. Jedoch hätte es ewig dauern können den Fehler zu finden, zumal man keinen Anhaltspunkt hatte woran es liegen könne. Auch der fehlende Interrupt der durch den Sammelinterrupt nicht ersetzt werden konnte war eine unüberwindbare Hürde. Insgesamt war es interessantes Projekt bei dem man viele Sachen tun konnte, von denen man im restlichen Studium keinen Einblick bekommt. Man bekommt es erstmals mit den Umständen zu tun, dass nicht nahezu unbegrenzt Prozessorleisung und Speicher vorhanden sind, wobei wir nur an die Prozessor Grenzen gestoßen sind, der Speicher hat ausgereicht. Es war aus Standpunkt eines Informatikers interessant zu sehen, dass durch Veränderung einer Variable nicht nur im Speicher etwas verändert wird, sondern zum Beispiel der Motor in Gang gesetzt wird. Jedoch ist das Weiterarbeiten mit diesem Versuchsaufbau aus bereits bekannten Gründen nicht zu empfehlen. 19