Versuch 3: Programmierung der seriellen Schnittstelle mit LabView

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1 Versuchsanleitung zu Laborversuch Nr. 3 des Labors PC-Messtechnik Versuch 3: Programmierung der seriellen Schnittstelle mit LabView Prof. Dr.-Ing. F. Mohr, Dipl.-Ing. (FH) H. Heininger, Dipl.-Ing.(FH) F. Schadt 1 Einleitung In diesem Versuch lernen Sie exemplarisch anhand der seriellen Schnittstelle die Kommunikationsmöglichkeiten von Labview mit externer Hardware kennen. Sie werden mit einer Heiz-Kühl-Einheit (HKE) per serieller Schnittstelle kommunizieren und programmgesteuert deren Temperatur ändern und abfragen. Da die Befehle und Meldungen der HKE Zeichenketten sind, ist ein weiterer Schwerpunkt dieses Laborversuchs die Arbeit mit Strings in LabView. 2 Grundlagen 2.1 Synchrone und asynchrone serielle Datenübertragung Im Gegensatz zu einer parallelen Schnittstelle werden die Daten bei der seriellen Datenübertragung nicht Datenwortweise von einem Gerät zum anderen übermittelt, sondern Bit für Bit (bitseriell): Sender D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Empfänger Abbildung 1: Prinzip der seriellen Datenübertragung Zwischen dem Sender und dem Empfänger muss erstens der Bittakt und zweitens der Start und das Ende eines Datenpakets (in unserem Fall eines Bytes) vereinbart werden. Diese zusätzlichen Informationen können auf einer oder mehreren zusätzlichen Leitungen übertragen werden (synchrone serielle Datenübertragung), oder sämtlich auf der Datenleitung (asynchrone serielle DÜ). Synchrone Datenübertragung: Neben der Datenleitung wird eine Takt- und möglicherweise mehrere Steuerleitungen zur Verfügung gestellt. Die zu übertragenden Daten werden zu einem Block zusammengefaßt, wobei typischerweise der komplette Block durch Steuerzeichen wie Start-, Stop- und Paritätszeichen eingerahmt wird. Asynchrone Datenübertragung: Seite 1 von 10

2 Versuchsanleitung zu Laborversuch Nr. 3 des Labors PC-Messtechnik Hier existiert keine Taktleitung, sondern Sender und Empfänger stellen jeweils einen eigenen Taktgenerator bereit, dessen Frequenz vereinbart werden muss. Die Synchronisation der beiden Kommunikationsteilnehmer Sender und Empfänger ist keine leichte Aufgabe, insbesondere für den Empfänger. Näheres ist in Büchern zum Thema Kommunikationstechnik oder Digitaltechnik zu finden. Start und Stop eines Datenpakets werden über entsprechende Bitfolgen mitgeteilt. Im Falle der V.24-Übertragung über ein Start und ein bis zwei Stopbits. Zur Fehlererkennung kann ein Paritätsbit P (Quersumme, gerade oder ungerade Parität) zusätzlich mit übertragen werden (Abb. 6). Abbildung 2: Asynchrone serielle Datenübertragung, D = Datenbits ST D D D D D D D P SP t Die asynchrone Datenübertragung setzt ein exakt definiertes Übertragungsformat voraus, welches beim Sender und Empfänger identisch eingestellt sein muß. Die wichtigsten Parameter zur Definition dieses Formats sind: Baudrate (Bit/s):..., 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, ,... Anzahl der Datenbits Paritätsbit: kein Paritätsbit, gerade oder ungerade Anzahl der Stoppbits: 1, 1.5, Die RS232-Schnittstelle Sie ist die am häufigsten verwendete serielle Schnittstelle. Der Datenaustausch kann in der synchronen oder asynchronen Betriebsart erfolgen. Gebräuchlicher ist die asynchrone Datenübertragung, wie sie auch in Personal Computern standardmäßig verwendet wird. Die Bitfolge des Datenstroms hat folgende Struktur (s. Abbildung 2): Das Startbit ST wird dem zu übertragenden Zeichen vorangestellt und ist Low-aktiv (0). Die Dateninformation besteht aus 7 oder 8 Datenbits (ASCII), wobei das LSB zuerst übertragen wird. Als nächstes folgt das Paritätsbit, sofern dies übermittelt wird Das Ende des Zeichens wird meist durch ein oder zwei Stoppbits SP, welche aktiv high (1) sind, gekennzeichnet. Elektrische Signaleigenschaften für RS232 nach Norm EIA-232: Die elektrischen Signalpegel entsprechen nicht dem TTL-Pegel, sondern es werden symmetrische Spannungspegel benutzt (Abb. 4). Dabei gilt als wichtigste Festlegungen: Daten werden in negativer Logik übertragen, d.h. ein hoher Signalpegel >3V korrespondiert mit einer logischen 0, ein niedriger <-3V mit logisch 1. Für Steuersignale gilt dagegen positive Logik; eine positive Spannung >3V entspricht also einer logischen 1 Der Bereich zwischen 3 Volt und +3 Volt ist nicht definiert Spannungsbereich nach Norm: +/-15 Volt Zur Gewährleistung eines ausreichenden Störabstand soll für die Kabellänge L gelten: L < 15m Seite 2 von 10

3 Versuchsanleitung zu Laborversuch Nr. 3 des Labors PC-Messtechnik Abbildung 3: Signalpegel bei RS232 Hardware der RS-232-Schnittstelle Für die Schnittstelle ist sowohl ein 25-poliger (wird immer seltener verwendet), wie auch ein 9-poliger Sub-D-Cannon-Stecker üblich (Abb. 8). Dabei ist am Rechnergehäuse der männliche" Steckerteil mit Stiften angebracht, der weibliche mit Buchsen am Messgerät. Tabelle 2 gibt die Pinbelegung an. Abbildung 4:Die 2 Steckerausführungen der RS-232-Schnittstelle Tabelle 1: Pinbelegung der wichtigsten Leitungen der RS-232-Stecker 25-pol. 9 pol TD: Transmit Data (Sendedaten) 2 3 RD: Receive Data (Empfangsdaten) 3 2 RTS: Request to Send (Sendeteil einschalten!) 4 7 CTS: Clear to send (Sendebereitschaft) 5 8 DTR: Data Terminal Ready (Terminalbereitschaft) 20 4 DSR: Data Set Ready (Betriebsbereitschaft) 6 6 DCD: Data Channel Received Line Signal Detector 8 1 (Empfangssignalpegel) SG: Signal Ground (Masse) 7 5 Die DIN-Norm legt zwar die Belegung von 25 Pins fest, es werden in der Praxis aber meist nur einige wenige Leitungen verwendet. So besteht im einfachsten Fall die Verbindung zwischen zwei Geräten lediglich aus 3 Leitungen: Einer Empfangsleitung RD (auch RxD), einer Sendeleitung TD (auch TxD) und der Masseleitung SG (signal ground). Dazu kommt ggf. die Schutzerde. 2.3 RS232 zu Zeiten von USB In den letzten Jahren (Stand 2009) wurde die serielle Schnittstelle von der USB-Schnittstelle mehr und mehr verdrängt. Softwareseitig besteht die serielle Schnittstelle jedoch weiterhin, und zwar in Form von virtuellen Com-Ports. Die Basis zu diesen sind Hardwaretreiber, die eine serielle Schnittstelle simulieren, tatsächlich die Daten jedoch über per USB übermitteln. Für den (Labview-) Programmierer ändert sich daher was die Kommunikation mit solchen Geräten angeht - nur wenig. Zudem erlauben diese virtuellen Com-Ports meist höhere Datenübertragungsraten als die früher üblichen maximalen bps. Seite 3 von 10

4 3 Heiz-/Kühl-Hardware S4 3.1 Architektur der Heiz-Kühl-Einheit Die Heiz-Kühl-Einheit erlaubt das Einlesen der Messwerte eines an einem Aluminiumblock angebrachten Temperatursensors sowie die Steuerung eines ebenfalls am Aluminiumblock montierten Thermoelektrischen Kühlelements (sog. Peltierelement) über die RS232 Schnittstelle. Über die Ansteuerung des Peltierelements kann neben der Intensität auch die Richtung des Wärmetransfers bestimmt werden, so dass der Aluminiumblock sowohl gekühlt als auch geheizt werden kann. 3.2 Inbetriebnahme Versorgen Sie die Heiz-Kühl-Platine mit 9 Volt aus dem regelbaren Netzteil an Ihrem Laborarbeitsplatz. Die Anschlussbelegung der Leiterplatte können Sie aus der Abbildung unter 2.3. entnehmen. Die Schaltung benötigt für den Betrieb des Peltierelements Ströme um 2 A. Stellen Sie dazu die Strombegrenzung des Labornetzteils entsprechend ein (rechtsanschlag). Verbinden Sie die serielle Schnittstelle der Leiterplatte mit dem PC. Nach dem Einschalten muss die kleine grüne Leuchtdiode in der Nähe des Kühlkörpers leuchten (= Versorgungsspannung liegt an). Die RGB-Leuchtdiode in der Nähe des Mikrokontrollers muss weiss leuchten. Komponenten auf der Leiterplatte Die folgende Abbildung zeigt die Anordnung der einzelnen Komponenten auf der Leiterplatte:

5 S5 Bevor Sie Bauteile auf der Leiterplatte berühren, beseitigen Sie bitte eventuelle statische Aufladung indem Sie zuerst den Kühlkörper der Leiterplatte berühren. Die elektrostatische Ladung kann dadurch ohne Gefahr für die Halbleiter auf der Platine nach Masse abfließen. Status-LED Auf der Leiterplatte befindet sich eine RBG-Leuchtdiode, die den aktuellen Status des Peltierelements anzeigt: rot: heizen blau: kühlen grün: kein Wärmetransfer weiss: Zustand direkt nach dem Einschalten/Reset Reset-Taster Sollte ein Reset des Mikrokontrollers nötig sein, können Sie diesen über den Reset Taster neben der Status-LED auslösen. 3.3 Steuerbefehle Der Mikrokontroller auf der Leiterplatte ist über ein Terminalprogramm ansprechbar und arbeitet die folgenden Befehle:? zeigt eine Übersicht über alle möglichen Befehle an t zeigt die aktuelle Temperatur am Aluminiumblock in 1/100 C an.

6 s### setzt den Steuerwert für das Peltierelement. Für ### werden Integerwerte zwischen 0 und 255 akzeptiert. Der Wert 0 bedeutet maximale Heizleistung, der Wert 255 maximale Kühlleistung. Bei einem Wert von 128 findet kein Wärmetransfer statt. Alle Werte zwischen den genannten Werten ergeben entsprechende Zwischenwerte der Kühl- bzw. Heizleistung. S6 3.4 Kommunikation per HyperTerminal HyperTerminal ist ein mit Windows mitgeliefertes und (meist) mitinstalliertes Programm, das die Kommunikation über die serielle Schnittstelle oder auch Modemverbindungen ermöglicht. Rufen Sie es bitte unter Start Zubehör Kommunikation Hyperterminal auf. Sie werden nun von dem Programm aufgefordert, eine neue Verbindung einzurichten (s. nächste Abb.) Abbildung 5: Dialog zum Einrichten einer neuen (seriellen) Verbindung Abbildung 6: Sie erstellen eine Verbindung über COM1 Zur Kommunikation mit der HKE sind folgende Einstellungen der seriellen Schnittstelle nötig:

7 S7 Abbildung 7: Schnittstelleneinstellungen der HKE Sie müssten nun das Kommunikationsfenster von HyperTerminal (s. nä. Abb.). Dieses zeigt sämtliche Daten an, die der PC über COM1 empfängt. Ihre Tastatureingaben sind nur dann sichtbar, wenn die Zielhardware sie als Echo über die serielle Schnittstelle zurücksendet. Abbildung 8: Kommunikationsfenster von HyperTerminal Geben Sie nun bitte folgende Befehle ein: o? + Return ( Liste gültiger Befehle) o t + Return ( Temperatur100, d.h. die letzten beiden Ziffern sind die Nachkommastellen der Temperatur) o s0 + Return (schaltet die HKE in den Heizmodus. Beobachten Sie bitte die Farbe der Zustands-LED) o s255 + Return (schaltet die HKE in den Kühlmodus. Beobachten Sie wieder die Farbe der Zustands-LED)

8 4 Labview-Aufgaben S8 4.1 Arbeiten mit Strings Für die Kommunikation mit externer Hardware ist es häufig erforderlich, Zeichenketten (Strings) zu generieren und aus den von der Hardware empfangenen Daten die benötigten Informationen zu extrahieren. Viele String-VIs und Leitungen, über die Strings in Labview transportiert werden, sind im Blockdiagramm an ihrer Pinkfärbung zu erkennen. String-Ein- und Ausgabeelemente für das Panel sind in der Unterpalette String&Path der Palette Controls zu finden (s.u.; In der aktuellen Labview-Version können die Menüs allerdings etwas von der Darstellung unten abweichen). Zur Stringverarbeitung gibt es in der Functions-Palette die Unterpalette String (Abb.9 re.) Abbildung 9: String Controls- (links) und Functions-Palette (rechts) Stringverarbeitung bedeutet, um dies an nur einigen Elementen der ersten Zeilen in der Functions \ String-Palette deutlich zu machen, z.b.: die Ermittlung der Länge eines Strings, das Aneinanderfügen (Concatenate) mehrerer Strings oder das Ermitteln, Ersetzen oder Suchen eines Substrings. Folgende VIs sind für den Laborversuch von besonderer Wichtigkeit: Abbildung 10: Verschiedene VIs und Elemente Manipulation von Strings

9 S9 Abbildung 11: Ausgesuchte String-Zahl-Konversionsroutinen (Zu finden im Ordner String String/Number Conversion ). Diese werden benötigt, um aus Zeichenketten Zahlen zu extrahieren. Aufgaben: o Erstellen Sie einen String der Form PWM: 20% mit abschließendem Carriage Return, wobei die Zahl vor dem Prozentzeichen über ein numerisches Eingabeelement auf der Bedienoberfläche einstellbar ist. Achtung: o Wandeln Sie einen String der Form 1234 mit dem VI Decimal String To Number so in eine Zahl um, dass die letzten beiden Ziffern die Nachkommastellen der Zahl sind o Wandeln Sie einen String der Form T12.34 mit dem VI Fract/Exp String To Number in eine Gleitkommazahl um (s. nächste Abb.). Den Eingang offset benutzen Sie dazu,den Buchstaben T am Stringanfang auszublenden. Der Eingang use system decimal point bestimmt, ob ein Punkt oder ein Komma als Dezimalpunkt fungieren soll. Fehlen am Ergebnis die Nachkommastellen, invertieren Sie die an diesem Eingang angeschlossene Konstante Abbildung 12: Extraktion einer Gleitkommazahl aus einem String 4.2 Kommunikation per RS232-Schnittstelle Zur Vereinfachung der Programmerstellung stellt Labview einige VIs für die Kommunikation über die serielle Schnittstelle bereit. Sie basieren - wie auch die Kommunikation über den später zu behandelnden IEEE-Bus (auch HPIB, PCIB, GPIB) - auf dem sog. VISA-Standard und sind im Functions-Menü an der in der Abbildung dargestellten Position zu finden. In der Palette Functions \ Instrument I/O \ Serial findet man die VISA Funktionen (v.l.n.r.): VISA configure port, VISA write, VISA read, VISA close.

10 S10 Abbildung 13: Im Ordner Instrument I/O befinden sich Routinen zur Kommunikation mit ext. Hardware Aufgaben: o Erstellen Sie ein VI, das den Befehl? mit abschließendem CR zur HKE sendet und die Rückantwort von dieser auf dem Panel anzeigt. Das Gerüst dieses Programms ist in der nächsten Abb. zu sehen. Erstellen Sie die Labview-Konstanten durch Bewegen der Maus zum entsprechenden VI-Eingang, Öffnen des Kontextmenüs mit der rechten Maustaste und Auswahl des Menübefehls Create Constant. Dadurch erstellt Labview automatisch Konstanten des richtigen Datentyps. Abbildung 14: Programmgerüst zur Initialisierung der seriellen Schnittstelle. Beim Rahmen handelt es sich um eine Flat Sequence, zu finden im Funktionenmenü Structures o Fügen Sie in jeden Sequenzschritt eine Pause von 100ms ein (Funktionenmenü Timing Wait(ms) ). Pausen werden benötigt, um der Hardware genügend Zeit zum Verarbeiten von Befehlen und Senden von Daten zu geben o Erstellen Sie ein Unterprogramm, welches die Pulsweite der HKE einstellt. Das VI soll zu Anfang die serielle Schnittstelle initialisieren und am Ende wieder freigeben, so wie es auch das oben abgebildete Programmgerüst macht. o Erstellen Sie ein Unterprogramm, das die aktuelle Temperatur der HKE einliest und als Fließkommawert doppelter Genauigkeit ( dbl ) an seinem Ausgang bereitstellt.