Software ubiquitärer Systeme

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1 Software ubiquitärer Systeme Hardware: Ein-/Ausgabe und Sensorik Michael Engel und Olaf Spinczyk Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund 1

2 Inhalt Grundlegende Ein-/Ausgabeverfahren, digitale E-/A Analogwelt: A/D- und D/A-Wandlung, PWM Grundlagen Sensorik, einfache Sensoren Geopositionierung: GPS 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 2

4 E/A-Grundlagen Ein-/Ausgabe = Kommunikation mit der Umwelt Essentiell für eingebettete Systeme Unterschiedliche Arten der Ein-/Ausgabe Digital: zeit- und wertdiskret - Taster und Schalter, Leuchtdioden, Relais,... Analog: kontinuierliche Werte, kontinuierliche Zeit - Audio, Video, traditionelle Sensorik, Strom-/Spannungsverläufe, Ein-/Ausgabe und Sensorik 4

5 Digitale Ein-/Ausgabe Parallel Gleichzeitige Übertragung der Bits eines Datenworts (8, 16,...) Beispiel: Centronics-Druckerschnittstelle, IEEE-488 Meßgerätebus Seriell Übertragung der Bits eines Datenworts hintereinander Mit separater Taktleitung (synchron) oder ohne (asynchron) Beispiel: RS232/V.24-Schnittstelle, SPI, PS/2-Tastatur Point-to-point vs. Bus Point-to-point-Verbindungen zwischen zwei Endstellen Bussysteme verbinden >= 2 Geräte - Mehr dazu in der nächsten Vorlesung 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 5

6 Parallele Ein-/Ausgabe Portpins Digitale Ein-/Ausgänge eines Mikrocontrollers Einzeln oder in Gruppen (zu Ports zusammengefaßt) schaltbar Digitale Pegel - Üblicherweise positive Logik, z.b. CMOS 5V-Pegel - Bei Eingängen: Log. 0 1,5 V; log. 1 3,5 V - Bei Ausgängen: Log. 0 0,5 V; log. 1 4,44 V Spannungsbereich zwischen den Logikpegeln: Sicherheitsabstand - Analoge Effekte wie Kapazitäten (Ladungstransfer) und Störeinstrahlung verursachen Veränderungen im digitalen Signal - Ein echtes Rechtecksignal: 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 6

7 Parallele Ein-/Ausgabe Probleme durch analoge Effekte bei Komponenten Mechanische Schalter prellen beim Ein- und Ausschalten, schalten schnell aus und ein, verursacht durch mechanische Vibrationen des Schaltkontaktes Damit reagiert Software potentiell falsch Lösung: Entprellen Hardware - Tiefpaß-Filter Software - Warteschleifen, endliche Automaten 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 7

8 Entprellen Hardware: Tiefpaß Filtert hohe Frequenzen bei drücken/loslassen der Taste aus: Software Polling: Warteschleifen - Kontrolle, ob Zustand nach kurzer Zeit unverändert ist Unterbrechungsgesteuert: endliche Automaten zur Statusverwaltung 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 8

9 Parallele E/A: Centronics Centronics-Schnittstelle (IEEE1284) Anschluß von Druckern (und vielen anderen Geräten) Übertragung von 8 Datenbits gleichzeitig ( Parallel-Port ) - Ursprünglich unidirektional: Host (Computer) Gerät Handshake über Kontroll-Leitungen - nstrobe: Daten stehen bereit (Host Gerät) - Busy: Daten werden verarbeitet (Gerät Host) - nack: Daten wurden empfangen (Gerät Host) Ablauf: 1.Host legt Daten an 2.nStrobe zeigt Gültigkeit der Daten 3.Gerät verarbeitet Daten: Busy 4.Gerät hat Daten verarbeitet: nack Übertragungsrate bis zu 1MB/s 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 9

10 Parallele Ein-/Ausgabe: AVR Beispiel: Port-Ansteuerung bei AVR Ports sind jeweils 8 Bit breit Jedes Bit einzeln als Ein- oder Ausgang schaltbar Ports sind memory mapped In C über Pointer erreichbar, keine E/A-Spezialoperationen benötigt Drei Register pro Port (C-Makros): Ausgabedaten: Data Register PORTx Pin-Richtung: Data Direction Register DDRx Eingabedaten: Port Input Pins PINx Je ein Bit pro Port-Pin Pins können aber auch auf Sonderfunktionen konfiguriert werden, z.b.: - UART (RXD/TXD) auf PD0/PD1 - SPI (MISO/MOSI/UCSK) auf PB5...7 Ports des Atmel AVR Attiny 2313 [4] 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 10

11 Parallele Ein-/Ausgabe: AVR Programmierung: Datenrichtung der verwendeten Pins im DDR festlegen - '0' = Eingang, '1' = Ausgang Beispiel: Port B Pins = Ausgang, Pins = Eingang - DDRB = // in io.h wird u.a. DDRB definiert: #include <avr/io.h> // Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4 // Binär = Hexadezimal 1F DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */ /* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit aber übersichtlicher und selbsterklärend: */ DDRB = (1 << DDB0) (1 << DDB1) (1 << DDB2) (1 << DDB3) (1 << DDB4); Setzen der entsprechenden Bits im Portregister: - Ausgangspins PB2 und PB4 (DDRx-Bits = 1) auf logisch 1: PORTB = 0x14; PORTB = (1<<PB4) (1<<PB2) /* übersichtlicher */ 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 11

12 Serielle Ein-/Ausgabe Übertragung nur eines Bits gleichzeitig Serialisierung der zu übertragenden Daten Wandlung Parallel Seriell über Schieberegister: Übertragungsmodi Asynchron: impliziter Takt bei Sender und Empfänger Synchron: explizite Angabe eines Takts Beispiele: UART (asynchron), PS/2 (synchron) SPI in Übung 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 12

13 Asynchrone serielle E/A Beispiel: UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter - klassische serielle Schnittstelle nach RS-232/V.24 Serialisierung zu übertragender Daten - Variation der Wortlänge: meist Bit möglich Aufteilung in Zeitschlitze - Konstante Länge, vorgegeben durch Taktgeber Synchronisation - Startbit synchronisiert Sender- und Empfänger- Uhr Übertragungssicherung - Parität als Extra-Bit - Frame-Ende durch Stopbit markiert 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 13

14 Asynchrone serielle Ein-/Ausgabe UART-Protokoll Keine Daten: Leitung auf Ruhepegel (log. 1 ) Start der Übertragung durch Startbit angezeit (log. 0 ) Danach Übertragung der Nutzdaten Ende des Zeichens (Frames) durch Stoppbit (log. 1 ) angezeigt Timing Bitdauer durch Übertragungsrate bestimmt, z.b.: 9600bps: 0,1042 ms bps:0,8681 µs Spannungspegel 0 = V, 1 = V Wandlerbaustein zur Pegelanpassung erforderlich - z.b. MAX Ein-/Ausgabe und Sensorik 14

15 UART im AVR Ansteuerung im AVR über 4 Register: UART Control Register (UCR) - (De)Aktivierung von Sender und Empfänger, Interrupt-Steuerung, Länge der übertragenen Datenworte UART Status Register (USR) - Zustand Sender/Empfänger (bereit/beschäftigt), Übertragungsfehler UART Data Register (UDR) - Sende/Empfangsdaten UART Baud Rate Register (UBRR) - Einstellung der Übertragungsgeschwindigkeit Neuere AVRs (z.b. ATmega 128L der BTnodes): erweiterter USART - Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter - Mehr Kontrollregister, auch synchrone Transfers möglich - UART Control Register UCSR{A,B,C} - 16 Bit Baud Rate Register UBRRL (low byte), UBRRH (high byte) 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 15

16 UART im AVR: Frequenzen UART Baud Rate Register (UBRR) Oversampling zur Übertragungssicherheit 16-fache Abtastung des Signals pro Bitzeit (daher Faktor 16) Typische serielle Übertragungsraten 9600, 19200, 38400, bit/s Bei glatten CPU-Taktfrequenzen nicht erreichbar: z.b. 4 MHz, bit/s: Hz / ( Hz * 16 ) = 13, Mit UBRR = 13-1 ergibt sich die wirkliche Übertragungsrate: 19230,769 Hz - Fehler = 1,0016% (Fehler bis ca. 2% sind tolerabel) Lösung: Baudratenquarz als CPU-Taktgeber Vielfaches der Baudrate - verhindert Fehler in Taktfrequenz - z.b. 1, MHz; 7, MHz; 9, MHz; 14, MHz Hz / (19200 Hz * 16) = 6 => UBRR auf 5 setzen 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 16

17 UART im AVR: Programmierung Übertragung aktivieren, Format setzen: UCSRB = (1<<TXEN); // UART TX einschalten UCSRC = (1<<URSEL) (1 << UCSZ1) (1 << UCSZ0); // Asynchron 8N1 Baudrate setzen: #define F_CPU UL #define BAUD 9600UL // Systemtakt in Hz (unsigned long) // Baudrate #define UBRR_VAL ((F_CPU+BAUD*8)/(BAUD*16)-1) // clever runden #define BAUD_REAL (F_CPU/(16*(UBRR_VAL+1))) // Reale Baudrate #define BAUD_ERROR ((BAUD_REAL*1000)/BAUD) // Fehler in Promille, 1000 = kein Fehler. #if ((BAUD_ERROR<980) (BAUD_ERROR>1020)) #error Systematischer Fehler der Baudrate größer 2% und damit zu hoch! #endif UBRRH = UBRR_VAL >> 8; UBRRL = UBRR_VAL & 0xFF; Daten senden (Polling): // höherwertige Bits und... // niederwertige Bits setzen. Reihenfolge ist wichtig! // bei neueren AVRs steht der Status in UCSRA/UCSR0A/UCSR1A, z.b. ATmega16: while (!(UCSRA & (1<<UDRE))) /* warten bis Senden möglich */ ; UDR = 'x'; /* schreibt Zeichen x auf die Schnittstelle */ 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 17

18 Synchrone serielle Ein-/Ausgabe Beispiel: PS/2-Maus Host = PC, Gerät (Device) = Maus Übertragung von Daten- und Taktsignal 8 Bit Nutzdaten, 1 Bit Parität (ungerade) Takt typisch ca. 10 khz bis 17 khz Taktsignal wird immer vom Gerät erzeugt - Host kann Taktsignal auf 0 ziehen, um Start der Übertragung anzuzeigen Gültigkeit der Daten Sender: fallende Flanke Empfänger: steigende Flanke von CLK 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 18

19 Synchrone serielle E/A: Protokoll Protokollebene über der Datenübertragungsebene PS/2-Maus sendet Statusinformationen über Relative Bewegung in X/Y-Richtung (je 9 Bit + Vorzeichen) Status der Maustasten (gedrückt/nicht gedrückt) Statuspaket beinhaltet 3 Bytes Relative Bewegung in X/Y-Richtung Maustasten-Status + höherwertige Bits der Bewegungswerte Zusätzlich: Steuerbefehle Host Device: Identifikation und Selbsttest Modusumschaltung: permanentes Senden vs. Polling 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 19

21 Analoge E/A Problem: Mikroprozessoren verarbeiten nur digitale Werte Sensoren liefern aber oft analoge Werte Geräte werden mit analogen Werten angesteuert Wandlung erforderlich Digital Analog (D/A) Analog Digital (A/D) Approximation von analogen Werten Pulsweitenmodulierung 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 21

22 Digital-/Analog-Wandlung Umsetzung quantisierter digitaler Signale oder einzelner Werte in analoge Signale Grundprinzip: Summierung von binär gewichteten Strömen U out = (8U 3 + 4U 2 + 2U 1 + U 0 ) * R f / 8R 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 22

23 Digital-/Analog-Wandlung Problem: Ungenaue Werte der einzelnen Widerstände Lösung: R-2R Widerstandsleiter benötigt nur zwei verschiedene Widerstandswerte - wesentlich leichter zu verwirklichen Ausgänge eines Registers sind mit Widerstandsleiter verbunden - "Sprossen" = doppelt so hohe Werte wie Widerstände des "Holmes" in den meisten kommerziell verfügbaren DA- Wandlern eingesetzt - Widerstandsleiter leicht durch Abgleich mit Lasern herstellbar - Absolutwert der Widerstände unwichtig, solange Verhältnis genau 2: Ein-/Ausgabe und Sensorik 23

24 Analog-/Digital-Wandlung Umsetzung von analogen Signalen in digitale Informatioen Zwei Arbeitsschritte: 1. Zeitliche Quantisierung und Aliasing: - A/D-Umsetzer braucht zur Konvertierung Zeit. Je kürzer diese ist, desto höher kann die Umsetzgeschwindigkeit oder Abtastfrequenz sein - Zur korrekten Rekonstruktion des Signales (Alias-Effekt) muss die Abtastfrequenz mindestens das Doppelte der maximal möglichen Eingangsfrequenz betragen (Nyquist-Frequenz) - Im Idealfall findet A/D-Umsetzung in exakt gleichen Zeitabständen statt - In der Realität schwierig zu erreichen - Durch kleine Variationen der Abstände tritt ein sog. Jitter-Effekt auf - Tiefpass-Filter (Anti-Aliasing) unterdrückt unerwünschte Frequenzbereiche - Während der Signalumsetzung darf sich Eingangssignal nicht ändern - Vorschaltung einer Sample-and-Hold-Schaltung vor den eigentlichen A/D-Umsetzer speichert den Signalwert analog so zwischen, dass er während der Digitalisierung konstant ist 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 24

25 Analog-/Digital-Wandlung...und... 2.Wertmäßige Quantisierung - Quantisierung in eine endliche Anzahl von Wertestufen (Bits) - Folge: reduzierte Auflösung und Quantisierungsfehler - Idealer Analog-Digital-Wandler: offset-freier, linearer Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße - Analogsignal wird in einen größenlosen Digitalwert umgesetzt - Signal muss vorgegebenen elektrischen Wert oder Signal (Referenz) bewertet werden - Dieses bestimmt den Eingangsspannungsbereich - Im allgemeinen feststehender Bezugswert verwendet - z. B. intern erzeugte Referenzspannung - Das analoge Eingangssignal wird digital abgebildet, die Referenz legt die maximale Amplitude des Eingangssignals fest Ein-/Ausgabe und Sensorik 25

26 A/D-Wandlung im AVR Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut Die Genauigkeit, mit der analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC in Anzahl Bits angegeben - ADCs in AVRs haben eine maximale Auflösung von 10 Bit (1024 Stufen) Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden - Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ) ADC kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden: - Einfache Wandlung (Single Conversion) - Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung - Frei laufend (Free Running) - Wandler erfaßt permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das ADC Data Register 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 26

27 A/D-Wandlung: Programmierung Register des ADC ADC Control and Status Register A Bit Name ADEN ADSC ADFR ADIF ADIE ADPS2 ADPS1 ADPS0 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W Initialwert ADEN (ADC Enable): 1 = aktiv, 0 = Pin ist digit. Port-Pin ADSC (ADC Start Conversion): 1 startet Meßvorgang - Im kontinuierlichen Modus muss Bit stets gesetzt sein ADFR (ADC Free Run select): 1 = freilaufend, 0 = einf. Wandlg. ADIF (ADC Interrupt Flag): 1 = Daten verfügbar ADIE (ADC Interrupt Enable): 1 = A/D-Unterbrechungen erlaubt ADPS2...ADPS0 (ADC Prescaler Select Bits): bestimmen Teilungsfaktor zwischen Taktfrequenz und Eingangstakt des ADC - Vorteiler muss so eingestellt werden, dass die CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert zwischen kHz ergibt 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 27

28 A/D-Wandlung: Programmierung Weitere Register ADC Data Register (ADCL, ADCH) - Bits 0..7 (ADCL) und 8..9 (ADCH) des gewandelten Wertes ADC Multiplexer Select Register (ADMUX) - Selektiert einen von maximal 8 gemultiplexten A/D-Eingängen (MUXn) - Selektiert die Referenzspannung mit REFS{0,1} Bit Name REFS1 REFS0 ADLAR MUX4 MUX3 MUX2 MUX1 MUX0 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W REFS1 REFS Referenzspanung Externes AREF AVCC als Referenz Reserviert Interne 2,56 Volt 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 28

29 A/D-Wandlung: Codebeispiel uint16_t ReadChannel(uint8_t mux) { uint8_t i; uint16_t result; ADMUX = mux; // Kanal waehlen ADMUX = (1<<REFS1) (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen ADCSRA = (1<<ADEN) (1<<ADPS1) (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler = 8, ADC an /* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen */ ADCSRA = (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung while ( ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten result = ADCW; // ADCW muss einmal gelesen werden, // sonst wird Ergebnis der nächsten Wandlung nicht übernommen. /* Eigentliche Messung - Mittelwert aus 4 aufeinanderfolgenden Wandlungen */ result = 0; for( i=0; i<4; i++ ) { ADCSRA = (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion" while ( ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten result += ADCW; // Wandlungsergebnisse aufaddieren } ADCSRA &= ~(1<<ADEN); // ADC deaktivieren } result /= 4; return result; // Summe durch vier teilen = arithm. Mittelwert 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 29

30 Pulsweitenmodulation Problem: analoge Komponenten auf Chips sind teuer Idee: Integration von digitalen Signalen über Zeit Tiefpaß-Schaltung filtert hohe PWM Basisfrequenz Läßt Analogsignal durch: Variierung von Pulsweiten eines digitalen Signals Verhältnis der Dauer von high-/low-pegeln bestimmt die sich ergebende analoge Spannung Quelle: [3] 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 30

31 Pulsweitenmodulation Durchschnitt des Digitalsignals über eine Periode erzeugt das analoge Signal mit Hilfe eines analogen Tiefpaß-Filters Eine Periode mit n% high -Pegel ergibt ein analoges Signal mit der n% der Versorgungsspannung Quelle: [3] 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 31

32 Beispiel Pulsweitenmodulation PWM-Hardware in AVR-Mikrocontrollern: OCx-Pins Timer/Counter zur Generierung von PWM-Signalen Einstellung der PWN-Basisfrequenz über Taktfrequenz des Timers und Vergleichswert für Timer-Überlauf - Höherer Takt und/oder niedrigerer Vergleichswert erhöhen die PWM Grundfrequenz oder die Timer Überlauf-Frequenz - Bei voller Auflösung (Vergleichswert 255) beträgt die maximale PWM Grundfrequenz 250 khz Weitere Erhöhung der Basisfrequenz senkt die Auflösung - Weniger Schritte verfügbar zwischen 0 und 100% - Duty cycle = Verhältnis zwischen high - und low -Dauer des Signals Änderung des Output Compare Registers (OCR) ändert duty cycle - Höherer OCR-Wert = größerer duty cycle - PWM-Ausgang ist high, bis der OCR-Wert erreicht ist und low, bis der Timer den Vergleichswert erreicht und wieder zu 0 zurückkehrt (schneller PWM-Modus) 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 32

33 AVR PWM-Programmierung PWM-Modus aktivieren Im Timer/Counter1 Control Register A (TCCR1A) die Pulsweiten- Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 setzen: PWM11 PWM10 Bedeutung 0 0 PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv Bit PWM Bit PWM Bit PWM Timer/Counter zählt permanent von 0 Obergrenze und zurück - Sogenannter Auf-/Ab Zähler - Obergrenze hängt von Auflösung der PWM ab (8, 9 oder 10-Bit PWM): Auflösung Obergrenze Frequenz f TC1 / 510 f TC1 / 1022 f TC1 / Ein-/Ausgabe und Sensorik 33

34 AVR PWM-Programmierung Weitere Schritte: Mit den Bits COM1A1 und COM1A0 desselben Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definieren: COM1A1 COM1A Bedeutung Beispiel: Timer/Counter als nicht invertierender 10-Bit PWM: TCCR1A = (1<<WGM11) (1<<WGM10) (1<<COM1A1); Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet Nicht invertierende PWM. Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim Herunterzählen Invertierende PWM. Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim Hochzählen 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 34

35 AVR PWM-Programmierung Schliesslich... Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, im Control Register B (TCCR1B) den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen - Bestimmt die Frequenz des PWM-Signals CS12 CS11 CS CK CK / CK / CK / CK / Bedeutung Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt Externer Pin 1, negative Flanke Externer Pin 1, positive Flanke - Takt von CK (= CPU-Takt) / 1024 generieren: TCCR1B = (1<<CS12) (1<<CS10); - Vergleichswert ins 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register (OCR1A) OCR1A = xxx; 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 35

36 AVR PWM-Programmierung Zusammenhang der Parameter mit erzeugtem PWM-Signal: 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 36

38 Sensorik Umwandlung physikalischer Größen in analoge Spannungswerte oder digitale Informationen Druck, Temperatur, Lichtstärke, Geoposition,... Spezialisierte Bausteine zur Umwandlung Sensoren versorgen das eingebettete System mit Kontext Physikalische Eigenschaften der Umgebung Position (global oder lokal) 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 38

39 Lichtstärke Beispiel: Phototransistor Alle Dioden und Transistoren sind licht-(photo-)empfindlich - Deshalb meist in lichtdichtem Gehäuse Phototransistoren nutzen diesen Effekt gezielt aus - Häufigste Variante: bipolarer NPN-Transistor mit beleuchtbarer Basis - Auf die Basis einfallendes Licht ist Ersatz für die Basisspannung - Ein Phototransistor verstärkt also Veränderungen des einfallenden Lichts - Ausgangssignal: verstärkte analoge Spannung - Aber auch rein digital eingesetzt, z.b. in (mechanischen) Mäusen als Lichtschranke 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 39

40 Druckmessung Beispiel: MPX4100A Ein Fluoro-Silikon-Gel isoliert die Chip-Oberfläche und Bond-Drähte von der Umgebung und überträgt das Drucksignal an die Sensor- Membran Ausgabe des gemessenen Drucks als analoge Spannung MPX4100A ausgelegt für Luftdruckmessungen bei anderen Umgebungen (andere Gase, Flüssigkeiten) sind Meßwertverfälschungen möglich Quelle: [1] 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 40

41 Druckmessung Verhältnis Spannungswerte gemessener Druck: Vs = Versorgungsspannung (bei uns: 5,0V) Pressure Error und Temp. Factor sind für normale Anwendungen = 1,0 Quelle: [1] 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 41

42 Temperaturmessung Halbleiter-basierte Temperaturmessung Temperaturmessung mittels eines Bandlücken-basierten Temperatur-Sensors. Ein delta-sigma ADC wandelt die gemessene Temperatur in einen digitalen Wert, der in C kalibriert ist Der Silizium Bandücken-Temperatur-Sensor ist ein häufig vorkommender Temperatursensor-Typ - Kostengünstig direkt in elektronische Schaltungen integrierbar Sensor mißt den temperaturabhängigen Spannungsabfall an einer Silizium-Diode. Diese Spannung verhält sich wie folgt: Durch Vergleich der Bandlücken-Spannungen bei verschiedenen Stromstärken vereinfacht sich die Formel: (K=Boltzmann-Konstante, T=Temperatur, q=elektronenladung) Gut, dass es den Sensor fertig in einem IC gibt 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 42

43 Temperaturmessung Beispiel: DS1621 Temperaturmessung von -55 C to +125 C in 0.5 C-Schritten Ausgabe als 9-Bit-Wert Wandlung in unter einer Sekunde Serielles Zweidraht-Interface (I²C) Quelle: [2] 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 43

45 Geopositionierung Ort des Empfängers genauer der Ort der Empfangsantenne wird mit Hilfe der Entfernung zu mehreren Satelliten bestimmt Ein Satellit reicht nicht, denn bei einer gegebenen Entfernung zu einem Satelliten kann sich der Empfänger irgendwo auf einer Kugeloberfläche mit dem Radius der Entfernung befinden, in deren Mittelpunkt der Satellit ist. Verschiedene Systeme existieren bzw. in Entwicklung: GPS (NAVSTAR) US-DoD GLONASS Russische Föderation Galileo EU 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 45

46 Geopositionierung Beispiel: NAVSTAR-GPS-System Weltweites, satellitengestütztes Navigationssystem Ende der 1980er-Jahre zur weltweiten Positionsbestimmung und Zeitmessung vom US-Verteidigungsministeriums entwickelt Ortungsgenauigkeit aktuell Meter Lässt sich durch Differenzmethoden (dgps) auf Zentimeter steigern Messung über Laufzeitinformationen von Funksignalen Frequenzbereich von 1,2-1,6 GHz (je nach Satellit) Geringe Datenrate, hohe Fehlerquote: 30 Sek. für 1500 bits 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 46

47 Geopositionierung 4 Satelliten zur Bestimmung der Position erforderlich Bahninformationen zum schnelleren Auffinden der Sat's Vergleichsweise hohe Rechenleistung erforderlich 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 47

48 GPS-Interfacing GPS-Empfänger sind hochintegrierte eingebettete Systeme Anschluss an serielle Schnittstelle mit 5V-Pegeln 4800 Baud, 8 Datenbits, keine Parität, 1 Stopbit, kein Handshake Serielles Protokoll: Standard NMEA 0183 Jede Nachricht beginnt mit dem Dollarzeichen '$' Zeichen geben Sender (2 Zeichen) und Nachrichtentyp (3Z) an Alle folgenden Datenfelder sind mit Kommata getrennt Auf die Daten folgt direkt ein Asterisk '*'......gefolgt von einer (meist optionalen) Prüfsumme - Zweistellige Hexadezimalzahl - Exklusives OR aller Zeichen zwischen '$' and '*' <CR><LF> kennzeichnet das Ende der Nachricht 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 48

49 GPS-Interfacing Beispiel: Information eines GPS-Empfängers, an einem programmierten Wegpunkt angekommen zu sein: $GPAAM,A,A,0.10,N,WPTNME*32 mit: GP: Sender-ID («GP» = GPS, «GL» = GLONASS) AAM: Ankunftsalarm (arrival alarm) A: Betreten des Ankunftskreises (arrival circle entered) A: Tangente passiert (perpendicular passed) 0.10: Kreisradius (circle radius) N: Einheit: Nautische Meilen (nautical miles) WPTNME: Name des Wegpunktes (waypoint name) *32 Checksume 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 49

50 Zusammenfassung Vielfalt Möglichkeiten zur Ein-/Ausgabe Insbesondere bei eingebetteten Systemen wichtig Digitale und analoge Werte, Protokolle Sensoren schaffen Kontext für ubiquitäre Anwendungen Schnittstelle zur physikalischen Welt Vielfältige Schnittstellen zur Außenwelt...direkt oder über Sensoren Schnittstellen zu Sensoren können digital oder analog sein - Portpins und Schnittstellen-Bausteine - Analog/Digital-Wandler 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 50

51 Literatur [1] Freescale Semiconductors: Integrated Silicon Pressure Sensor for Manifold Absolute Pressure Applications On-Chip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated [2] Maxim: DS1621 Digital Thermometer and Thermostat [3] Atmel: AVR131: Using the AVR s High-speed PWM [4] Atmel: ATtiny 2313 Data Sheet [5] mikrocontroller.net: AVR GCC Tutorial (Programmbeispiele) 02.2 Ein-/Ausgabe und Sensorik 51