Seminar für Physik. Machbarkeitsstudie - EinChipComputer

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1 Institut für integrierte Naturwissenschaften Abteilung Physik Universität Koblenz-Landau Universitätsstraße Koblenz Seminar für Physik Machbarkeitsstudie - EinChipComputer Betreuer: Dr. Merten Joost Seminarthema: Eine Einführung zu Projekten mit AT s Möglichkeiten und Grenzen eines AT s Autor: Norman Böttcher ( )

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3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Die Vielfältigkeit des ATMega Daten des ATMega Pinbelegung Grafik und Display Beispiele grafischer Entwicklungen Interpreter Der MicroSPS-Interpreter Sound Emulation des Sound Chips SID vom C Sammlung verschiedener Projekte Spielekonsolen Mini-Kamera Akku Ladegerät Weitere Projekte ohne Erläuterung 10 7 Quellen 11 iii

4 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis 1 Belegung mit 40 Pins, davon 32 auf 4 Ports programmierbar Schwarz-Weiß Programmierung mit 16 Graustufen YUV-Modell Beispielrealisierung 8 Farben + Text Beispielrealisierung 8 Farben + Text - 2.Beispiel Handydisplay mit Farbauflösung Farben Display mit Platine - ATMega Grafikbeispiel Farben, 1,5 Zoll ATMega128-2,1 Zoll; 176x132Pixel Rolladenansteuerung mit EAGLE Versuchsaufbau Soundgenerieren Einblicke in die Spielekonsole Einblicke in die Spielekonsole Spiele der Spielekonsole Spiele der Spielekonsole Mini-Kamera Displayanzeige Akkulader iv

5 1 Die Vielfältigkeit des ATMega 1.1 Daten des ATMega16 Zur Einführung des ATmega gebe ich erstmal eine Übersicht über den Aufbau eines ATMega16. Folgendes ist mit einem ATmega 16 realisierbar bzw in diesem Chip integriert: 1 16kb programmierbarer Flash (übersteht Schreibzyklen) 1KB interner SRAM 512 Bytes EEPROM( Schreibzyklen) Takt 0-16 MHZ aufgebaut in RISC architektur 40 PINS, davon 32 programmierbar TWI Schnittstelle, zb für I2C Programmierung USART Master/Slave SPI Schnittstelle 4 PWM Kanäle 8 AD Wandler Kanäle 1.2 Pinbelegung Abbildung 1: Belegung mit 40 Pins, davon 32 auf 4 Ports programmierbar 1 Die Liste ist nicht vollständig, beinhaltet jedoch alles, was man über einen AT wissen sollte. Weitere Infos sind dem Datenblatt zu entnehmen 1

6 2 Grafik und Display 2 Grafik und Display Generell muss sich der Programmierer entscheiden, ob er sich für ein LCD Display entscheidet oder sein Projekt an einen handelsüblichen Fernseher anschließen möchte. Anschließend entscheidet man sich für eine Farbauflösung. Monochrom, d.h. man unterscheidet nur in Graustufen (maximal 16 verschiedene Graustufen), Farbbildschirm (meist ca 256 Farben, einfachste Variante ist hier jedoch 8 Farben)oder hochauflösender Farbbildschirm (bis zu Farben). Letzteres kann man nur auf einem Display (besonders geeignet Handydisplay) entwickeln. 2.1 Beispiele grafischer Entwicklungen Die mit sicherheit einfachste Implementierung ist die Nachahmung von Farbe durch verschiedene Graustufen. Hier benötigen wir lediglich differierende Helligkeitswerte, um stufenweise zwischen Schwarz und Weiß zu unterscheiden. Abbildung 2: Schwarz-Weiß Programmierung mit 16 Graustufen Möchte man mehr wie nur 16 Graustufen implementieren, so macht man sich das YUV-Modell zu nutze. In diesem Modell entspricht Y der Lichtstärke. U und V hingegen bestimmen den Farbanteil des Bildes. Hier unterscheiden wir in 6 Farben. Den RGB- Farben (Rot,Grün,Blau)und den CMY-Farben (Cyan,Magenta,Yellow). Beispielsweise kann man die Farbe Weiß gewinnen aus einer bestimmten Mischung der RGB Farben, also Rot-Grün-Blau. Das Mischverhältnis beträgt: 0,3 Rot + 0,59 Grün + 0,11 Blau = Weiß Abbildung 3: YUV-Modell 2

7 2.1 Beispiele grafischer Entwicklungen Außerdem ist es möglich einen beliebigen Text mit verschiedenen Sonderzeichen darzustellen. Die Grenzen liegen hier bei 23 Zeilen a 30 Zeichen. Abbildung 4: Beispielrealisierung 8 Farben + Text Folgendes Beispiel zeigt, dass man einen kompletten Videotext-Dekoder generieren könnte. Abbildung 5: Beispielrealisierung 8 Farben + Text - 2.Beispiel Wesentlich mehr läßt sich mit Hilfe eines Handydisplays zeigen. Hier sind bisher beispielsweise Handydisplays programmiert worden mit ca Farben. Abbildung 6: Handydisplay mit Farbauflösung Farben 3

8 2 Grafik und Display Ein Handydisplay mit 132x132 Pixel und Farben wurde auf einem ATMega8 programmiert. Die Displaygröße von 1,5 Zoll (38mm) führt zu einer geringen Gesamtgröße von 40x35mm für das Display. Abbildung 7: Display mit Platine - ATMega8 Abbildung 8: Grafikbeispiel Farben, 1,5 Zoll Abbildung 9: ATMega128-2,1 Zoll; 176x132Pixel 4

9 3 Interpreter 3.1 Der MicroSPS-Interpreter Der MicroSPS-Interpreter ermöglicht das Programmieren ohne Programmierkentnisse. Bei diesem Interpreter benutzt man eine grafische Oberfläche, um mit hilfe von grafischen Symbolen Steuerungen zu entwerfen. Als Editor für die SPS wird das Schaltplan-Modul von EAGLE verwendet. Dazu werden lediglich grafisch Funktionsblöcke platziert und mit Netzen verbunden. Man zeichnet also seine Steuerung. Abbildung 10: Rolladenansteuerung mit EAGLE 5

10 4 Sound 4 Sound 4.1 Emulation des Sound Chips SID vom C64 Mit dem in Abbildung 11 gezeigten Versuchaufbau läßt sich so einiges Realisieren. Zum einen 3 Tongeneratoren mit Sägezahn, Rechteck und Dreiecksignal, 3 Hüllkurven Generatoren mit variablem Attack, Decay, Sustain und Release. Des Weiteren Rauschen mit programmierbaren Frequenzen und Ringmodulation. Der Soundgenerator versucht also den SID(SoundInterfaceDevice) des C64 zu emulieren. Abbildung 11: Versuchsaufbau Soundgenerieren Im Versuchsaufbau ist ein ATMega8 auf der einen Seite an eine Batterie und auf der anderen Seite an herkömmliche PC Boxen angeschlossen. Hierzu sind ebenfalls noch 2 Soundbeispiele im anhängenden Vortrag (Seminar.pdf) zu finden. 6

11 5 Sammlung verschiedener Projekte Im Folgenden habe ich eine Auflistung einzelner Projekte mit AT Prozessoren erstellt, die mir bei meiner Recherche im Netz über den Weg gelaufen sind. 5.1 Spielekonsolen Mit bereits zwei AT s kann man schon viel erreichen. Das Zeigt das Projekt einer Spielekonsole. Die Bilder des Innenlebens zeigen den Hauptcontroller. Ein weiterer wurde als grafikcontroller benötigt. Abbildung 12: Einblicke in die Spielekonsole Abbildung 13: Einblicke in die Spielekonsole 7

12 5 Sammlung verschiedener Projekte Hier noch ein paar Bilder der Spiele, die auf der Konsole realisiert wurden. Alles auf Basis monochromer Grafik und auf einem herkömmlichen Fernseher ausgegeben. Abbildung 14: Spiele der Spielekonsole Abbildung 15: Spiele der Spielekonsole Zur Realisation des Projektes benötigte man 2 Atmel AVR ATMega32 (Hauptcontroller, Grafikcontroller) mit 16 MHz Taktfrequenz und zusammen 4 kb RAM, einen Bildschirm mit monochromer Auflösung von 128x84 Pixel, 2 Rechteckgeneraror-Soundkanäle und ein playstation ähnliches Gamepad. In dem anhängenden Vortrag (Seminar.pdf) sind zum Thema Spielekonsolen noch zwei Videos zu sehen. Super Mario und frogger werden hier in jeweils kleinen Beispielfilmen vorgeführt. Beides erinnert grafisch an die erste Generation der Handyspiele. Hauptrechner ist hier ein ATMega 64, der mit 20 MHz übertaktet wird. Zusätzlich wurde noch ein 128k Speicher angeschlossen um ausreichend Speicherplatz zu haben. 8

13 5.2 Mini-Kamera 5.2 Mini-Kamera Dieses Projekt wird von einem ATmega16 mit einem internen Takt von 8 MHz gesteuert. Eine Ansteuerung über I2C ermöglicht die beliebige Veränderung aller Kamerafunktionen (Gamma,balance,Belichtung...). 5.3 Akku Ladegerät Abbildung 16: Mini-Kamera Dieses Projekt wird ebenfalls von einem ATmega16 mit einem internen Takt von 8 MHz gesteuert. Das Akku-Ladegerät lädt maximal vier kleine Akkus einzeln mit wählbaren Strömen auf. Abbildung 17: Displayanzeige Akkulader 9

14 6 Weitere Projekte ohne Erläuterung 6 Weitere Projekte ohne Erläuterung Hier findet ihr eine Auflistung weiterer Projekte. Bei Interesse kann man sich über den link weiter über die Projekte informieren. Java mit AVR Eine abgespackte Javaumgebung realisiert auf einem ATMega8 Hier der Link GPS-Tracker realisiert auf einem ATMega8 Hier der Link AVR Webserver mit einem ATMega128 realisiert, alle Funktionen eines herkömmlichen Servers Hier der Link Blinkenarea Alles rund um blinkende Projekte mit einem AT Hier der Link Maussteuerung nachgebaut Drucksensor interpretiert Bewegungen wie eine Maus Hier der Link Touchpad LED Steuerung durch Druck auf ein Touchpad Hier der Link Temperatursensor Mit einem AT gesteuerter Sensor für ein Laminiergerät Hier der Link 10

15 7 Quellen Literatur [1] MicroSPS-Interpreter [2] Akkulader [3] Kamera [4] Gamekonsole (Mario, Frogger) [5] Gamekonsole (Snake, Moon) [6] PAL mit AVR looser/avr/index2.php [7] Diverse AVR Projekte (Maus, GPS, Lüfter,...) [8] Pong und Laser Projector [9] Displays mit Farben [10] Basic programmierbarer EinChip-Computer [11] Komplette Mikrocontroller.net Linksammlung (Links zu Projekten aller Art) [12] Sound über einen ATMega8 11