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1 7. TAG DER LEHRE 22. NOVEMBER 2007 HOCHSCHULE BIBERACH MiniMEXLE ein studentengerechtes µc-system Thomas Pospiech / Gerhard Gruhler Das µc-entwicklungsboard MiniMEXLE (Mikrocontroller in EXperiment und LEhre) besitzt als Kernstück einen Atmel-Mikrocontroller und ist für den lehrenden und experimentellen Einsatz an Schulen und Universitäten gedacht. Die zahlreichen Anschlussmöglichkeiten ermöglichen es, die Verbindung zwischen der Informatik, Elektronik und Physik herzustellen. Auf einer dazugehörigen Internetplattform, dem MexleWiki, können Anfänger und auch fortgeschrittene Anwender ihre Erfahrungen austauschen. Einleitung Ziel dieses LARS-geförderten Projekts war es, eine Basis für Studenten/ Schüler zu entwickeln, mit der sie in der Lage sind, die Mikrocontrollertechnik praktisch zu erlernen und zu verstehen. Hierbei wird nicht nur eine Programmiersprache als solche zu lernen sein, vielmehr stehen die verschiedenen Themenbereiche wie Timer- und Interrupt-Handling, PWM-Modulation, AD- Wandlung u. v. a. m. im Vordergrund. Damit diese Bereiche auch von außen zugänglich sind, bedarf es einer Vielfalt von Schnittstellen bzw. Anschlussmöglichkeiten auf dem Entwicklungsboard. Ein weiterer wichtiger und nicht zu unterschätzender Punkt ist das Preis- Leistungsverhältnis. Die Herausforderung besteht darin, dass jeder Student oder Schüler in der Lage sein soll, sich die gesamte Entwicklungsumgebung leisten zu können. Das Entwicklungsboard Die nachfolgende Abbildung (Abb. 1) zeigt das Entwicklungsboard Mini- MEXLE mit seinen entsprechenden Schnittstellen und Hardware-Einheiten. Abb. 1: Übersicht MiniMEXLE 129

2 Dieses Entwicklungsboard kann mit den Mikrocontrollern ATmega8, ATmega48, ATmega88, ATmega168 der Firma ATMEL bestückt werden. Dabei handelt es sich um 8-bit Mikrocontroller mit RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer), wobei sich die genannten Mikrocontroller hauptsächlich in der Speichergröße unterscheiden. Für eine detaillierte Beschreibung des jeweiligen Mikrocontrollers sei auf [1] verwiesen. Das MiniMEXLE-Board besitzt folgende Eigenschaften und Anschlussmöglichkeiten: ISP-Schnittstelle (In-System-Programmierung) Programmierung Analoge Spannungsmessung (zwei Kanäle mit 10-bit Auflösung) Zwei unabhängige PWM-Ausgänge (mit Tiefpassfilter 1. Ordnung) Messen von Lichtstärke mittels einer LED als Photosensor Temperaturmessung mit einem NTC Soundausgabe mit integriertem Buzzer Bedienerschnittstelle mit einem Display (1x16 Zeichen oder 2x16 Zeichen) Eingabemöglichkeit über vier Funktionstasten Serielle Kommunikationsschnittstellen (UART, SPI, IIC). Für die In-System-Programmierung eines Mikrocontrollers von ATMEL benötigt man einen so genannten ISP-Programmer. Auf Grund des angestrebten Preis-Leistungsverhältnisses wurde auf den original ISP-Programmer von ATMEL verzichtet und eine entsprechend kostengünstige Alternative entwickelt. Die einzelnen Komponenten der Programmierumgebung zeigt Abb. 2. Abb. 2: Programmierumgebung für das MiniMEXLE 130

3 Wie aus Abb. 2 zu ersehen ist, wird das MiniMEXLE über den USB-Port und ISP-Programmer mit dem PC oder Laptop verbunden. Der ISP-Programmer enthält als Bausteine einen USB-zu-Seriell-Converter der Firma FTDI ( und einen ATmega8, der die Firmware zur Umsetzung des AVRISP mkii-protokolls beinhaltet (Beschreibung des Protokolls siehe unter [2]). Als Entwicklungs- und Programmierumgebung (auf PC-Seite) kann das AVRStudio der Firma ATMEL verwendet werden. Diese Software ist als Freeware im Internet unter verfügbar und verursacht somit keine weiteren Kosten. Ebenso ist ein integrierbarer GNU-C-Compiler (WinAVR) kostenlos verfügbar. Anwendungsgebiete Wie schon einleitend erwähnt wurde, soll das MiniMEXLE die Bereiche der Informatik, Elektronik und Physik vereinen. Die dabei auftretenden Anwendungsgebiete sind nahezu unzählbar und reichen von der einfachen normalen Messwerterfassung, deren Auswertung und Darstellung, bis zu kompletten Regelkreisen. Dem Anwender wird es dabei ermöglicht, über die Informatik und Elektronik mit physikalischen Größen zu arbeiten bzw. zu experimentieren und damit das theoretisch Erlernte praktisch umzusetzen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, über die serielle Schnittstelle einfache Protokolle nachzubilden bzw. zu realisieren und somit im Bereich der Datenübertragung erste Erfahrungen zu sammeln. Aus den zuvor genannten Punkten geht hervor, dass beim Arbeiten mit dem MiniMEXLE die reine Informatik nicht hauptsächlich im Vordergrund stehen muss. Vielmehr soll mit diesem Entwicklungsboard ein Einstieg in die Realisierung von Aufgaben gegeben werden, bei denen die Kombination aus Informatik, Elektronik und Physik die Herausforderung darstellt. Unter Umständen wird sich ein reiner Informatiker (ohne grundlegende Kenntnisse von Sensorik und Physik) mit der Realisierung des/der nachfolgenden Beispiels/Aufgabe sogar schwer tun. Beispiel: Als Beispiel soll an dieser Stelle ein Magnetschweber-Modell [3] herangezogen werden. Bei diesem klassischen Hardeware-in-the-loop -Beispiel arbeitet das MiniMEXLE als digitaler Regler mit entsprechender Messwerterfassung und Stellgrößenausgabe. Die Funktionsweise soll kurz erläutert werden: Über die Lichtschranke (Sendediode und Fototransistor) wird die Position des Schwebekörpers (hier Fußball) erfasst. Durch die Spule, welche im Querbalken integriert ist, fließt ein Strom. Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt und somit der Körper mit integriertem Permanentmagnet angezogen. Das MiniMEXLE regelt nun die Anziehungskraft über die Stärke des Stroms durch die Spule, wobei die Gewichtskraft des Schwebekörpers der magnetischen Anziehung entgegenwirkt. Ist die Anziehungskraft gleich der Gewichtskraft, so heben sich diese auf und der Körper schwebt in der Luft, wie im nachfolgenden Bild zu sehen ist. 131

4 Abb. 3: Beispiel: Hardware-in-the-loop Magnetschweber-Modell Aktueller Entwicklungsstand / Ausblick An der Hochschule Heilbronn wird seit dem Wintersemester 06/07 in den fünf Bachelor-Studiengängen der Fakultät für Mechanik und Elektronik das MiniMEXLE in der Lehre eingesetzt. Es stellt die Hardwarebasis für die Fächer Technische Informatik und Praktische Informatik dar. Insgesamt sind bislang über 300 MiniMEXLE im Umlauf. Ausfälle waren bisher nur durch Fehlbehandlung zu verzeichnen, was für ein entsprechend ausgereiftes Gesamtkonzept spricht. Die Kosten für die gesamte Hardware, für das Entwicklungsboard und den für die Programmierung notwendigen ISP-Programmer, belaufen sich nach aktuellen Bauteilpreisen auf 66. Dieser Preis liegt für jeden Schüler und Studenten im Bereich des Erschwinglichen, da er etwa einem entsprechenden Fachbuch entspricht. Das MiniMEXLE und der Programmieradapter AVR-USB-PROGI sind als Bausatz käuflich erhältlich (Webshop: Basisinformationen zum Projekt finden sich auf der Webseite Als Austauschplattform für studentische Projektarbeiten wurde ein spezielles Wiki-System ( aufgesetzt. Diese Plattform bietet Studierenden die Möglichkeit, durch aktive Mitarbeit relevante, nützliche und interessante Informationen anderen Interessierten zur Verfügung zu stellen. Durch das Wiki-Prinzip können vorhandene Einträge von allen teilnehmenden Studenten ergänzt und verbessert werden. Neben Grundlagen, Informationen zu Hard- und Software, Literaturempfehlungen und weiterführenden Links gibt es für Studierende die Möglichkeit, eigene realisierte Projekte einzuspielen. Diese Inhalte bieten eine wertvolle Wissensbasis für nationale sowie internationale Studenten, da die Hauptsprache des Wiki-Systems Englisch ist. Durch entsprechende strukturelle Vorlagen und durch inhaltliche Schablonen wird ein einheitliches Gesamtbild der Community ermöglicht. Anhand der Analyse der konstanten Aktivitäten im Wiki-System werden die Stärken des MEXLE-Projekts deutlich. 132

5 Quellen / References [1] ATMEL ATmega48/88/168 Preliminary Complete [2] ATMEL AVR069: AVRISP mkii Communication Protocol [3] Magnetschweber-Modell Hochschule Heilbronn, Studiengang Mechatronik und Mikrosystemtechnik Labor Antriebs- und Regelungstechnik, Prof. Dr. Rudolf KERN Dipl.-Ing. (FH) Thomas Pospiech / Prof. Dipl.-Phys. Gerhard Gruhler Hochschule Heilbronn Kontakt 133

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