8 Kanal Servosteuerung mit dem ATTiny2313

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1 8 Kanal Servosteuerung mit dem ATTiny2313 Features 8 Servos ansteuerbar Jeden Servo manuell oder über USART ansteuerbar USART Baudrate per Tastendruck änderbar Inhalt Prinzip Wie man einen Servo ansteuert Prinzip Wie man 8 Servos mit einem Counter ansteuert Was ist die Todzeit? Warum einen externen Oszillator Baudrate einstellen USART Fernsteuerung Die 7 Segment Anzeige Manuelle Steuerung Die Software Wunschliste Links Kontakt Prinzip wie ein Servo ansteuert wird Ein Servo erwartet alle 20ms einen High Impuls von etwa 1ms bis 2ms Länge. Je nach Servo kann die High Zeit nach Oben oder Unten abweichen. Meistens ist auf der Verpackung angegeben, was der Servo verkraftet. Wird ein 1ms langer Impuls gesendet, dreht sich der Servo nach Links. Bei einem 2ms langen Impuls, dreht sich der Servo nach Rechts. Will man ihn in die Mitte stellen, wird ein 1.5ms langer Impuls benötigt. Nun gibt es zahlreiche Schaltungen, die diese Impulse auf analogen Weg herstellen. Mit einem Mikrocontroller ist das nicht sehr viel schwerer. Die einfachste Variante wäre: 2 Pausen Funktionen verwenden. Die Wartezeit der Ersten beträgt 20ms, die der Zweiten je nach variabler Wert ein bis zwei Millisekunden. Allerdings blockieren die Pausenfunktionen den ganzen Prozessor. Etwas mehr Komfort wird durch die Verwendung von einem Counter erreicht! Der Counter wird mit einer genau berechneten Frequenz gespeist. Bei erreichen eines bestimmten Wertes, schaltet der Servoport um. Danach wird der Counter auf 0 gesetzt, und erneut erhöht. Erreicht der Counter einen anderen Wert, schaltet der Servoport abermals um. Prinzip wie 8 Servos mit einem Counter angesteuert werden Bei 8 Servos bleibt das Prinzip das gleiche. Servopin 1 wird auf High geschaltet und der Counter auf 1-2ms eingestellt. Ist die Zeit abgelaufen, wird Servopin 1 auf Low und Servopin 2 auf High gesetzt. Diese Vorgehensweise wird bei allen 8 Servopins angewendet. Ist dies geschehen, muss noch eine gewisse "Todzeit" abgewartet werden, bevor der Vorgang erneut durchgeführt werden kann. Bild 1 verdeutlicht das Ganze.

2 Was ist die Todzeit? Die Todzeit ist sozusagen ein Lückenfüller für die 20ms Wartezeit zwischen den Impulsen. Angenommen jeder Servo bekommt einen Impuls mit der Länge vom 2.4ms. Also das Maximum was möglich ist. Zusammengerechnet wären das 8 * 2.4ms = 19.2ms. Das sind knapp 20ms. Was passiert aber wenn jeder Servo einen Impuls mit der Länge von 0.6ms bekommt? Das sind erst 4.8ms. Es fehlen 15.2ms damit die 20ms Pause erreicht sind. Und genau diese 15.2ms ist in diesem Fall die Todzeit. Warum einen externen Oszillator? Der Oszillator ist dafür da, den Counter mit einer bestimmen Taktfrequenz zu versorgen. Es war geplant die Servos in 256 verschiedene Positionen fahren zu lassen und einen Bereich von 0.6ms bis 2.4ms abzudecken, damit jeder Servotyp von Anschlag bis Anschlag fahren kann. Eine Oszillatorfrequenz von 146kHz entspricht einer Periodendauer von 6.849µs. Bei der Servoposition 0 ergibt sich folgende Rechnung: (95 + 0) * 6.849*10^-6s = 0.6ms. Die untere Grenze liegt also bei 0.6ms. Die obere Grenze errechnet sich wie folgt: ( ) * 6.849*10^-6s = 2.4ms Die Zahl 95 wurde experimentell bestimmt. Sie ist nötig, damit eine Mindestperiodendauer von 0.6ms entsteht. Einen externer Oszillator ist aber kein Muss. Es ist möglich einen zweiten Counter so zu programmieren, dass er auf 146kHz läuft. Aber aus irgendeinem Grund bekam ich das damals nicht hin, und baute schnell einen Oszillator mit dem NE555 auf. Der Oszillator hat seine eigene 6.2V Z-Diode und ist dadurch nicht anfällig für Spannungsschwankungen auf der 12V Leitung, welche z.b. von Motoren kommen könnten. Auf 5V läuft der Oszillator nicht immer

3 an. Wie sich später herausstellte, müssen es nicht ganz genau 146kHz sein. Die Einhaltung von exakt 20ms Wartezeit ist nicht zwingend. Allerdings sollte man davon nicht all zu viel abweichen, da sonst der Servo durch Überhitzung Schaden nimmt. Baudrate einstellen Per Default ist eine Baudrate von eingestellt. Geändert wird sie, indem man die SelectServo Taste gedrückt hält und den Controller zurücksetzt. Die Anzeige blinkt 4 mal, um zu signalisieren, dass man jetzt im Setup Modus ist. Danach kann mittels der Rechtstaste und der Links taste die neue Geschwindigkeit auswählen werden. Jeder Zahl ist eine Geschwindigkeit zugeordnet. 0 = 2400 Baud 1 = = = = = = = Nach erneutem Drücken auf die SelectServo Taste, wird die Einstellung bis zum nächsten Neustart übernommen. Nachdem die Anzeige 3 mal blinkte, wurde der normale Betriebsmodus erreicht. USART Fernsteuerung Jeder einzelne Servo ist auch über die USART Schnittstelle fern steuerbar. Das Programm erwartet einen 4 Byte langen String, der aus zwei Kontrollzeichen (;;), ein Zeichen für die Servonummer und ein weiteres Byte für die Servoposition erwartet. Ein Typischer String sähe so aus: ;;1A. Eine Besonderheit ergibt sich dabei für das Byte, dass für die Servoposition verantwortlich ist. Um alle 256 Positionen anzufahren, müssen nicht druckbare Zeichen verwendet werden. Um den Servo in Position 0 fahren zu lassen, darf nicht das Zeichen 0, sondern der Wert Null übertragen werden. Das Zeichen A entspricht dabei einem Wert von 65. Ein Blick in eine ASCII Tabelle [1] hilft da oft weiter. Hier ein Beispiel, wie der Servocontroller unter Linux mit dem Terminal gesteuert wird: Das Programm stty setzt die Baudrate der seriellen Schnittstelle /dev/ttys0 auf Das ist auch die Standardeinstellung des Servocontrollers. Mit echo wird ein String ausgegeben der mittels dem Umleitungsoperator > auf die serielle Schnittstelle gelenkt wird. Die Option -n bewirkt, dass kein Zeilenumbruch mit gesendet wird. Mit der Option -e wird die Interpretation

4 von Backslash escapes eingeschaltet. Diese wird benötigt, um den Servo auch bis an den Anschlag fahren zu lassen. Die neue Position muss dann Hexadezimal angegeben werden. Im Bild 2 wird das durch die Zeilen vier und fünf verdeutlicht. Unter Windows steht das Programm Hyperterminal zur Verfügung. Die 7 Segment Anzeige Eine 7 Segmentanzeige ist über einen 74LS47 mit dem Mikrocontroller verbunden. Dabei wird der 74LS47 wie folgt angeschlossen: Leitung A an PA0, B an PA1, C an PD6 und D an Masse. Es wurden zwei unterschiedliche Ports benutzt, da alle anderen Pins schon belegt waren. In der Software wird es berücksichtigt. (Ich habe mir noch einen kleinen Jumper eingebaut, der die Anzeige und den IC von der Spannung trennt, da die Anzeige nicht immer benötigt wird. Außerdem hält so der Akku länger.) Manuelle Steuerung Mit den Tasten Rechts/Links und SelectServo, werden die Servos manuell gesteuert. Mit der SelectServo Taste wird der Servo ausgewählt und mit der Rechts/Links Taste in der Position verändert. Der erste Servo wird aus technischen Gründen auf der Anzeige mit einer 0 dargestellt. Die Software Das Programm wurde in der Sprache C geschrieben und lässt sich problemlos mit dem avr-gcc compilieren (gcc-4.0.2, avrlibc-1.2.5, binutils ). Installationsanleitungen für den avr-gcc gibt es unter anderem [2]. Es besteht aus drei Teilen. Die 16bit Timer Interruptroutine für die Takterzeugung des Servo Signals, die USART Empfangsroutine und Verarbeitung für die Steuerkommandos. Der Übersichtlichkeit wegen wurde das Programm in drei Hauptdateien getrennt, die einzeln compiliert werden können. Die Datei servo5.c ist die Hauptdatei. Sie beinhaltet Initialisierungs- und die Timer Interruptroutinen. Die Datei usart.c ist für Kommunikation über die serielle Schnittstelle (USART) verantwortlich. Die letzte Datei stuff.c wertet die empfangenen Steuerkommandos aus. Jede Datei besitzt noch eine gleichnamige Header-Datei, die Variablen und Funktionen deklariert. Die Timer Interruptroutine: Ich werde die Funktionsweise der Timer Routine anhand eines Quellcodeausschnittes erklären: 1. switch (whichservo) 2. { 3. case 1: 4. PORTB = (1 << SERVO1); 5. TCNT1 = 0; 6. OCR1A = sollpos[1] + MINIMAL; 7. whichservo = 2; 8. break; case 2: 11. PORTB &=~ (1 << SERVO1); 12. PORTB = (1 << SERVO2); 13. TCNT1 = 0; 14. OCR1A = sollpos[2] + MINIMAL; 15. whichservo = 3;

5 16. break; In der Timer Routine gibt es eine Array (sollpos), das alle 8 Servopositionen beinhaltet. Außerdem eine Variable, die die Nummer des nächsten zu benutzenden Servos besitzt (whichservo). Des weiteren gibt es verschiedene Register. TCNT1 beinhaltet den aktuellen Wert des Timers. OCR1A ist ein Vergleichsregister. In Zeile 1 und 3 wird ausgewählt, welcher Servo als nächstes behandelt wird. In diesem Fall ist es der erste Servo. In Zeile 4 wird der Servopin auf High gesetzt, wie es im vorangegangen Kaptiel Prinzip wie 8 Servos mit einem Counter angesteuert werden besprochen wurde. In der nächsten Zeile wird der Timer auf 0 gesetzt, welcher durch den externen Oszillator getaktet wird. In der 6. Zeile wird die Zeit für den Timer berechnet, welche angibt, wie lange die High Phase des Servopins sein soll. Als nächstes wird in Zeile 7 der zweite Servo ausgewählt. Mit break in Zeile 8 wird die switch Anweisung verlassen. Die Timer Routine wird erst wieder aufgerufen, wenn der Wert in TCNT0 gleich dem in Register OCR1A ist. Da in der Variable whichservo jetzt eine zwei steht, geht das Programm in Zeile 11 weiter. Hier wird Servopin 1 auf Low geschaltet und Servopin2 auf High. Dannach wiederholt sich der Prozess bis alle Servos behandelt worden sind. Die benötigten Servoimpulse entstehen nun dadurch, dass der entsprechende Servopin auf High bleibt, bis das Programm wieder aufgerufen wird. Nachdem die Highimpulse für alle acht Servos erzeugt wurden, wird als nächstes die Todzeit berechnet. Die Todzeit: 1. case 9: 2. PORTB &=~ (1 << SERVO8); 3. TCNT1 = 0; 4. resttime = 0; 5. for (i = 0; i <= 7; i++) 6. { 7. resttime += MINIMAL; 8. resttime += sollpos[i]; 9. } 10. OCR1A = 2922 resttime; 11. whichservo = 1; 12. break; Die Variable resttime gibt den Gesamtzeitverbrauch der Servos an. MINIMAL ist ein vordefinierter Wert, der die minimale Impulslänge erzeugt. In Zeile 2 wird der achte Servopin auf LOW gesetzt. Danach wird in Zeile 3 und 4 der Timer und die Restzeit auf 0 gesetzt. Nun werden in einer Schleife alle minimalen Impulslängen und die derzeitigen Servoimpulslängen in die Variable resttime aufaddiert. In resttime steht nun ein Wert, der besagt, wieviel Zeit schon durch die 8 Servos in Ansprucht genommen wurde. Um eine Pause von 20 Millisekunden zu erreichen, müssen noch noch 20 Millisekunden in ein für den Microprozessor verständlichen Wert umgerechnet und von dem derzeitigen Gesamtzeitverbrauch der Servos abgezogen werden. Das ergibt dann die Todzeit, die in das Vergleichsregister OCR1A geschrieben wird. Nochmal zusammenfassend: Todzeit = Beispielrechnung: Länge der Pause resttime 1 Frequenz des Oszillator

6 Todzeit= 0.02s resttime 1 entspricht Hz Todzeit=2922 resttime welches letztendlich Zeile 10 entspricht. Wunschliste Die geänderte Baudrateneinstellung im EEPROM abspeichern damit die Einstellung nach einem Stromausfall nicht verloren geht. Bei der Fernsteuerung über USART wird für die Servoposition nur ein Byte benutzt. Das ist etwas gewöhnungsbedürftig. Besser ist es, drei Byte für die Servoposition zu übertragen, damit nur druckbare Zeichen verwendet werden. Links ASCII Tabelle [1] Avr-gcc Installationsanleitung [2] Homepage des Roboterprojekts Kontakt thomas.huxhorn@web.de Erreichbar im euircnet #roboter