@Home. Mikroprozessor-Experimentier-System. Fakultät I Elektro- und Informationstechnik Fachgebiet Industrieelektronik & Digitaltechnik

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1 Fakultät I Elektro- und Informationstechnik Fachgebiet Industrieelektronik & Digitaltechnik Mikroprozessor-Experimentier-System mit einem Handbuch Version 1.0 vom

2 Inhalt 1 Einleitung Hardware Übersicht Lageplan Schaltplan Mikrocontroller AT89C5131A-M Spannungsversorgung USB-Anschluss SPI Schnittstelle Analog-Digital-Wandler TLC Serielle Schnittstelle nach RS-232 (COM-Port) LC-Display Eingabe-Taster Datenblätter Software Die Entwicklungsumgebung Installation des C-Compilers Zusätzliche Dateien FLIP-Installation Das erste Programm Vorbereitung Make-Wizard Editor JFE Compiler starten Flash-Programmierung starten...24

3 1 Einleitung Einleitung 3 Das an der Fachhochschule Hannover entwickelte Mikroprozessor-Experimentiersystem MExS ist in drei Ausbaustufen verfügbar. Die vorliegende Version MExS@Home ist nur mit wenig externer Hardware ausgestattet. Sie ist zum Einstieg in die Welt der Mikrocontroller gedacht. Die Zielgruppe sind Studierende die praktische Erfahrungen in der Programmierung und der elektrischen Beschaltung von Mikrocontrollern sammeln wollen. Die Platine kann mit einfachen Mitteln hergestellt werden. Die Platine hat ein einseitiges Layout mit wenigen Drahtbrücken. Zum Betrieb notwendig sind ausserdem: Stecker-Netzteil, 7 V 12 V, 100 ma USB-Kabel Evtl. Kabel für die serielle Schnittstelle PC oder Notebook für die Entwicklungsumgebung Der eingesetzte Mikrocontroller vom Typ AT89C5131A ist ein Derivat aus der Familie der kompatiblen Mikrocontroller. Für einfache Ein- und Ausgabeoperationen sind vier Taster und acht Leuchtdioden vorgesehen. Textausgaben sind auf einem LC-Display möglich. Es erlaubt die Ausgabe von bis zu 16 Zeichen pro Zeile auf insgesamt zwei Zeilen. Mit einem Analog-Digital- Umsetzer können analoge Spannungen eingelesen werden. Alle Ein- Ausgabeleitungen des Mikrocontrollers sind auf Steckleisten heraus geführt, dadurch kann das System um zusätzliche Hardware erweitert werden. Der Mikrocontroller AT89C5131A besitzt 32 Kibibyte 1 Programmspeicher und 256 Byte Datenspeicher, so dass der Anschluss externer Speicherbausteine nicht notwendig aber möglich ist. Der Speicher ist ein so genannter Flash-Speicher, der elektrisch gelöscht werden kann und seinen Speicherinhalt auch ohne angelegte Versorgungsspannung behält. Die Programmierung des Speichers erfolgt über die USB-Schnittstelle. Zur Programmerstellung wurde der C-Compiler der Firma Wickenhäuser ausgewählt. Hierbei handelt es sich um eine Demo-Version mit der Einschränkung, dass die Größe des erzeugten Programmcode auf 8 Kibibyte beschränkt ist. 1 Kibibyte (KiB) = 1024 Byte. Ein Kilobyte ist gleich 1000 Byte und in diesem Zusammenhang unzutreffend. Siehe auch Norm IEC

4 4 Hardware 2 Hardware 2.1 Übersicht 5 Volt Spannungsversorgung Erweiterungsstecker 8-bit Analog-Digital- Wandler TLC549P LC-Display 2x16 Zeichen an Port 2 USB- Schnittstelle ATMEL AT89C5131A-M 8 LED an Port 0 RS232- Schnittstelle 4 Taster an Port 3 Abbildung 1: Blockschaltbild MExS-Board Die Bestandteile des MExS-USB sind: Mikrocontroller AT89C5131A SPI-Schnittstelle mit Analog-Digital-Umsetzer USB-Port Serielle Schnittstelle nach RS-232 Textausgabe auf einem LC-Display 8 Leuchtdioden Vier Taster Erweiterungsstecker Spannungsversorgung

5 Hardware Lageplan Netzteilanschluß USB-Port Serielle Schnittstelle 4 Eingabetaster 8 rote Leuchtdioden ATMEL AT89C5135A-M Eingang des ADU Programmier- Taster Reset-Taster Abbildung 2: Lageplan

6 6 Hardware 2.3 Schaltplan Abbildung 3: Schaltplan

7 Hardware Mikrocontroller AT89C5131A-M Der AT89C5131A-M ist eine erweiterte Version eines 8051-Mikrocontrollers: 32 KiB Programmspeicher (Flash) 256 Byte Datenspeicher (RAM) 1 KiB zusätzlicher Datenspeicher (ERAM) Interrupt-Controller Zeitgeber bzw. Zähler (Timer 0,1 und 2) Watchdog Timer USB-, RS-232-, I 2 C- und SPI-Interface PCA, Programmable Counter Array Tastatur-Anschluss Programmable LED, programmierbare Stromquellen für vier LED ISP, In-System-Programming Quarzfrequenz 16 MHz Abbildung 4: Blockdiagramm AT89C5131A

8 8 Hardware 2.5 Spannungsversorgung Zum Betrieb wird ein Steckernetzteil benötigt. Die Ausgangsspannung sollte im Bereich von 7 V bis 12 V liegen. Die Stromaufnahme der Baugruppe ist weniger als 100 ma. Auf dem MExS-Board befindet sich ein Spannungsregler vom Typ 7805, der eine feste Versorgungsspannung von 5 V erzeugt. 2.6 USB-Anschluss Abbildung 5: Spannungsversorgung Der Mikrocontroller verfügt über eine USB 2.0 konforme Schnittstelle. Der USB-Port wird zum Herunterladen von Programmen in den Mikrocontroller verwendet. Darüber hinaus kann der USB- Port auch von eigenen Anwendungen genutzt werden. Abbildung 6: USB-Port

9 Hardware SPI Schnittstelle Das Serial Peripheral Interface ist eine Schnittstelle zum einfachen Anschluss weiterer Schaltkreise an den Mikrocontroller. Die Kommunikation findet immer zwischen zwei Bausteinen statt. Beim SPI werden die Daten synchron übertragen. Der Mikrocontroller (Master) erzeugt den Sende- Empfangstakt und der Peripheriebaustein (Slave) erhält diesen Takt über die Leitung SCK. An einem SPI können viele Peripheriebausteine angeschlossen werden. Um einzelne Schaltkreise gezielt ansprechen zu können, besitzen sie einen Chip-Select-Pin (CS). Der Datenaustausch erfolgt über die Leitungen MOSI (Master Out Slave In) und MISO (Master In Slave Out). Auf dem SPI finden Schreib- und Leseoperationen immer gleichzeitig statt. Wenn der Master z.b. Daten an den Analog-Digital-Umsetzer schreibt, um eine AD-Umsetzung zu starten, liest er gleichzeitig das Ergebnis der vorherigen AD-Umsetzung ein. Will der Master nur Daten schreiben ignoriert er die Daten im Empfangspuffer. Umgekehrt muss immer ein Dummy-Byte geschrieben werden, wenn ein Byte gelesen werden soll. 2.8 Analog-Digital-Wandler TLC549 Der TLC549 ist ein 8-bit ADC, hergestellt in CMOS-Technologie. Er arbeitet nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation. Der Anschluss an den Mikrocontroller erfolgt über den SPI-Bus. Der Eingangsspannungsbereich erstreckt sich von 0 V bis 5 V. Der Eingang des Analog-Digital- Wandlers ist mit keiner Schutzschaltung versehen! Seien Sie Vorsichtig beim Anschluss externer Spannungsquellen. Der analoge Eingang des AD-Wandlers kann mittels Steckbrücke JP4 mit einer externen Spannungsquelle verbunden werden. Abbildung 7: AD-Umsetzer am SPI Signal Portpin Funktion CS_ADU P1.0 Aktivieren des Analog-Digitalwandlers SPI_MOSI P1.7 Daten von Master an Slave SPI_MISO P1.5 Daten von Slave an Master SPI_SCK P1.6 Sende- / Empfangstakt

10 10 Hardware 2.9 Serielle Schnittstelle nach RS-232 (COM-Port) Die serielle Schnittstelle auch UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) genannt ist Teil des Mikrocontrollers. Die Versorgungsspannung des Mikrocontrollers beträgt 5 V. Die Schnittstelle nach RS-232-Norm verwendet jedoch höhere Spannungen. Eine logische 1 entspricht einer Spannung von -12 V und eine logische 0 entspricht einer Spannung von +12 V auf den Leitungen. Deswegen ist zum Anschluss an den Mikrocontroller ein Pegelwandler erforderlich. Diese Aufgabe erfüllt der Integrierte Schaltkreis MAX232. Wird die serielle Schnittstelle nicht genutzt und sollen die Portpin P3.0 und P3.1 anderweitig genutzt werden, kann der MAX232 vom Mikrocontroller abgetrennt werden. Dazu müssen die Steckbrücken JP7 und JP8 geöffnet werden LC-Display Abbildung 8: RS-232 Schnittstelle Das LCD ist eine Punkt-Matrix-Anzeige mit zwei Zeilen und je 16 Zeichen pro Zeile. Der Controller der Anzeige ist kompatibel zum bekannten HD44780 von Hitachi. Das LC-Display ist an Port 2 des Mikrocontrollers angeschlossen. Das Display wird im 4-bit- Modus betrieben. Dabei werden für den Datenbus nur vier Leitungen verwendet. LC-Display RS RW E LCD4 bis LCD7 µcontroller P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 bis P2.7 Abbildung 9: LC-Display (P2.0 unbeschaltet)

11 Hardware Eingabe-Taster An Port 3 sind vier Taster angeschlossen. Die Kontakte der Taster schließen bei Betätigung nicht sofort, sie öffnen und schließen mehrmals bis es zum permanenten Kontakt kommt. Dieses Verhalten wird Prellen genannt. Das Prellen kann bei schlechten bzw. alten Schaltern bis zu 20 ms dauern. Das Prellen der Kontakte muss unter Umständen bei der Programmierung berücksichtigt werden. Taster Portpin S 1 P3.2 S 2 P3.3 S 3 P3.4 S 4 P3.5 Abbildung 10: Zuordnung Taster Portpin 2.12 Datenblätter Die Datenblätter aller Schaltkreise sowie des LC-Displays befinden sich im Verzeichnis Datenblätter.

12 12 Software 3 Software 3.1 Die Entwicklungsumgebung Die Entwicklungsumgebung besteht aus: Editor, JFE Compiler, uc51 Make-Wizard Flip, Flash-Programmierung Mit dem Editor JFE werden die Quelldateien erstellt. Die anderen Programme werden aus dem Editor heraus aufgerufen. Zum Starten des Compilers und seiner Hilfsprogramme wird ein so genanntes Make-Tool verwendet. Dazu muss eine Steuerdatei mit Hilfe des Make-Wizard erstellt werden. Flip überträgt das Programm in den Mikrocontroller. Diese Dokumentation soll und will die Original-Handbücher des Compilers und der anderen Programme nicht ersetzen, sondern lediglich eine kleine Hilfestellung leisten bei den ersten Schritten im Umgang mit der Entwicklungsumgebung. Bitte lesen Sie die Handbücher die sich auf der CD befinden. 3.2 Installation des C-Compilers Um den Compiler zu installieren, muss die Datei uc51inst.exe gestartet werden. Sie befindet sich auf der CD im Verzeichnis Compiler. Abbildung 11: Installation des Compilers

13 Software 13 Bitte ändern Sie nicht den angegebenen Pfad. Abbildung 12: Abschluss der Compiler-Installation 3.3 Zusätzliche Dateien Auf der CD finden Sie im Compiler-Verzeichnis außerdem eine Header-Datei, die die Namen und Adresszuweisungen der Special Function Register des AT89C5131 enthält. Kopieren Sie die Datei AT89C5131.h nach C:\uC51\include.

14 14 Software 3.4 FLIP-Installation Auf der CD finden Sie im Verzeichnis Flash-Programmer die Installationdateien der Flash- Programmiersoftware FLIP. Starten Sie das Programm SETUP.EXE und bestätigen Sie die folgenden Abfragen mit YES bzw. Next. Abbildung 13: Installation Flip Teil 1

15 Software 15 Abbildung 14: Installation Flip Teil 2

16 16 Software Schließen Sie nun die Spannungsversorgung an das MExS-Board an. Schalten Sie das MExS-Board in den Programmier-Modus. Dazu drücken Sie die Taste RESET und die Taste PGM. Lassen Sie zuerst die Taste RESET los und erst danach die Taste PGM. Verbinden Sie MExS-Board und PC mit Hilfe des USB-Kabels. Beim erstmaligen Anschluss wird Windows erkennen, dass neue Hardware angeschlossen wurde und den Treiber anfordern.!! Klicken Sie auf Durchsuchen und stellen Sie den Dateipfad auf C:\Programme\ATMEL\FLIP 2.4.6\usb ein. Abbildung 15: USB-Treiber installieren

17 Das erste Programm 17 4 Das erste Programm 4.1 Vorbereitung Abbildung 16: Fertigstellen der USB-Treiberinstallation Den Ordner uc51 auf dem Desktop öffnen und den Editor JFE starten. Das erste Programm soll den Namen LED1 bekommen. Compiler und Hilfsprogramme erzeugen eine ganze Menge Dateien. Es ist daher sinnvoll für jedes Programm einen eigenen Ordner zu erstellen: Erzeugen Sie unter C:\uc51\src einen Ordner LED1. Erstellen Sie ein neues Dokument und speichern Sie es unter dem Namen LED1.C im Ordner LED1. Immer, wenn ein neues Programm begonnen wird, müssen Make-Datei und Workspace erstellt werden. Diese Dateien können auf einfache Weise mit dem Make-Wizard erzeugt werden. 4.2 Make-Wizard Starten Sie nun den Make-Wizard, indem Sie im Ordner uc51 auf dem Desktop auf MakeWiz klicken. Es öffnet sich ein Fenster wie in Abbildung 17. Klicken Sie auf die markierte Schaltfläche, um ein neues Make-File zu erzeugen. Erstellen Sie diese Datei ebenfalls im Ordner LED1 und nennen Sie sie LED1.

18 18 Das erste Programm Abbildung 17: Make-Wizard New Klicken Sie nun auf den Reiter Components. Mit der Schaltfläche Add Source File wird unsere Quelldatei LED1.C in das Projekt aufgenommen. Unter Target File wird LED1 ausgewählt. Abbildung 18: Make-Wizard Components

19 Das erste Programm 19 Die Einstellungen für C-Compiler, Assembler und Linker lassen Sie unverändert. Sie sollten folgendes Aussehen haben: Abbildung 19: Make-Wizard C-Compiler In das Feld CPU-Speed in nsec/instr. muss bei einer Quarzfrequenz von f = 16 MHz der Wert 750 eingetragen werden. Abbildung 20: Make-Wizard Assembler

20 20 Das erste Programm Abbildung 21: Make-Wizard Linker Wechseln Sie nun zum letzten Reiter Misc. Die Punkte Write JFE-Workspace File und Gen. HEX-File müssen angekreuzt sein. Ein Klick auf Save Changes speichert die Änderungen. Der Wizard kann jetzt mit dem Knopf Cancel/Exit beendet werden. Abbildung 22: Make-Wizard Abschluss! Bitte achten Sie darauf, dass die Punkte Write JFE-Workspace File und Gen. HEX-File wirklich angekreuzt sind, wenn Sie den Knopf Save Changes betätigen. Das Programm verhält sich manchmal recht merkwürdig und löscht dabei die Kreuze wieder. Beachten Sie die vorgegebene Reihenfolge.

21 Das erste Programm Editor JFE Nach dem Beenden des Make-Wizard kehren wir zurück zum Editor JFE und laden die Workspace-Datei LED1.WSP, die der Wizard zusätzlich erzeugt hat. Abbildung 23:Workspace laden Eventuell erscheint vor dem Laden des Workspace folgender Dialog, der mit Ja bestätigt werden sollte. Abbildung 24: Abfrage! In dieser Entwicklungsumgebung besteht jedes Programm aus vielen speziellen Dateien. Beim erneuten Laden eines Programms in den Editor reicht es nicht aus, nur die C-Datei zu laden. Verwenden Sie stets die Option Open Workspace und laden Sie die entsprechende WSP-Datei.

22 22 Das erste Programm Nun sind die Vorbereitungen abgeschlossen und das Programmieren kann beginnen. Geben Sie das Programm LED1 nach Abbildung 25 ein und speichern Sie die Datei. Gehen Sie weiter zu Abschnitt 4.4 Compiler starten. #include <at89c5131.h> #include <reg52.h> #include <stdio.h> void main(void) { // detach USB-Port PLLCON = 0x02; USBCON = 0x80; USBCON = 0x10; } while (1) { P0_B0 = 1; _wait_ms(500); P0_B0 = 0; _wait_ms(500); } Abbildung 25: Testprogramm // LED einschalten // ca. 500 ms warten // LED ausschalten // ca. 500 ms warten Das kurze Programm schaltet Bit 0 an Port 0 ein und wieder aus. Dieser Anschluss ist mit einer LED verbunden. Die ersten drei Befehle schalten den USB-Port ab. Dies verhindert, dass sie beim nächsten Programmieren den USB-Stecker vom PC abziehen müssen. Sollten Sie dennoch beim Umgang mit dem Programm FLIP die Meldung Cannot open port erhalten, trennen Sie die USB-Verbindung zwischen PC und MExS-Board. Nach dem Wiederherstellen der USB-Verbindung sollte es keine Probleme beim Verbindungsaufbau geben (siehe 4.5 Flash-Programmierung starten). Alternativ können Sie auch kurz die Versorgungsspannung des MExS-Board unterbrechen, um den PC zu veranlassen die Geräteerkennung am USB-Port zu starten.

23 Das erste Programm Compiler starten Starten Sie einen Compiler-Lauf, indem Sie die Schaltfläche Make anklicken. Im unteren Bereich des Editors öffnet sich ein Fenster mit den Meldungen des Make-Programms. Am Ende der Meldungen sollte *** OK *** stehen. Im oberen Bereich des Fensters stehen die Fehlermeldungen und Warnungen, falls welche aufgetreten sind. Der Compiler erzeugt eine Programm-Datei im Intel-Hex-Format. Dies ist ein übliches Format zur Übertragung von Binärdateien. Anders als eine reine Binärdatei enthält die Hex-Datei jedoch zusätzliche Informationen (CRC-Prüfsumme) die eine sichere Datenübertragung ermöglichen sollen. Nach dem erfolgreichen Compiler-Lauf muss das Programm in den Mikrocontroller geladen werden. Dazu muss der Mikrocontroller in den Programmier-Modus versetzt werden. Dies wird erreicht durch gleichzeitiges Drücken der Taste RESET und der Taste PGM auf dem MExS-Board (siehe Abbildung 2: Lageplan), und jetzt zuerst die Taste RESET loslassen und dann die Taste PGM. Compiler starten Abbildung 26: Workspace

24 24 Das erste Programm 4.5 Flash-Programmierung starten Starten Sie nun das Programm FLIP. Abbildung 27: FLIP starten Zuerst muss der Mikrocontroller ausgewählt werden. Klicken Sie auf das Chip-Symbol und wählen sie aus der Liste den AT89C5131. Abbildung 28: Prozessor auswählen Für die weiteren Schritte ist es notwendig, dass sich der Mikrocontroller im Programmier-Modus befindet. Dies erreichen Sie durch gleichzeitiges Drücken der Taste RESETund der Taste PGM. Beim loslassen halten Sie die Taste PGM etwas länger gedrückt als die Taste RESET.

25 Das erste Programm 25 Öffnen Sie nun den USB-Kanal durch einen Klick auf das Stecker-Symbol und wählen sie aus der Liste USB. 1. HEX-Datei laden 2. Mikrocontroller programmieren 3. Programm starten Abbildung 29: Prozessor programmieren Wenn Sie sich genau an diese Anleitung gehalten haben, finden Sie die Hex-Datei unter C:\uc51\src\LED1\LED1.hex. Starten Sie den Programmiervorgang und starten Sie danach das Programm. Nun sollte eine LED blinken.

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28 Kritik, Korrekturen und Konstruktives an Fachhochschule Hannover Fakultät I Elektro- und Informationstechnik Dipl.-Ing. Bernd Kuhs Postfach Hannover bernd.kuhs@fh-hannover.de