Aufgabe 3 Grafik-Thermometer

Transkript

1 Aufgabe 3 Grafik-Thermometer Labor Mikrocontroller mit NUC130 Prof. Dr.-Ing. F. Kesel Dipl.-Ing. (FH) J. Hampel Dipl.-Ing. (FH) A. Reber

2 Inhalt 1 Einführung und Grundlagen Messwertermittlung und Verarbeitung Kalibrierung mittels Gerade durch 2 Punkte Verfahren für die Applikation Datenspeicher Starten der AD-Wandlung Mittelung der Daten Komma-Faktor oder die Vermeidung von Gleitkomma-Zahlen Zyklische Ausgabe auf das LCD Zoomen des Grafikbereichs Abschneiden: Zoomen Aufgabe Aufgabe 3.1 Zeitkontinuierliches Messsystem Aufgabenpunkte für Vorbereitung für Abnahmepunkte für Ermittlung der Kalibrierwerte Aufgabe 3.2 Messsystem mit Kalibrierung Aufgabenpunkte für Vorbereitung für Abnahmepunkte für Aufgabe 3.3 Zoomen des interessanten Datenbereiches Aufgabenpunkte für Vorbereitung für Abnahmepunkte für Tipps zum Erweitern... 7 Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 1 -

3 1 Einführung und Grundlagen Den Abschluss der Laborversuche soll eine Applikation zur Temperaturmessung bilden, die neben einer digitalen Anzeige auch noch den Verlauf der letzten Messungen enthält. Da die Genauigkeit des ADCs nicht ausreicht, um präzise Messwerte zu erhalten, wird ein Verfahren gezeigt, welches dieses Problem löst. Die Erfassung von Temperaturen ist recht einfach, da sie sich normalerweise nicht schnell ändern. Damit ist genug Zeit vorhanden, um die Ungenauigkeit des ADCs durch Mittelung von vielen Werten zu beseitigen. Ein weiterer Punkt für eine genaue Messung ist die Kalibrierung. Da sehr kleine Spannungsunterschiede erfasst werden müssen, ist es notwendig, die physikalischen Eigenschaften des gesamten Systems zu kennen bzw. seine Werte mit in die Berechnung einfließen zu lassen. Da für diesen Versuch externe Sensoren verwendet werden, müssen die Eigenschaften der gesamten Messstrecke bekannt sein. Diese Parameter könnten für jeden Teil der Messstrecke bestimmt werden, was jedoch zu kompliziert wäre. Die Lösung des Problems stellt die Kalibrierung dar. Es werden in unserem Fall 2 bekannte Temperaturen gemessen mit deren Hilfe alle anderen Temperaturen berechnet werden können. Wird ein Teil der Messstrecke verändert, muss dieser Vorgang wiederholt werden. 1.1 Messwertermittlung und Verarbeitung Das System beruht darauf, dass die Spannung am Temperaturfühler kontinuierlich erfasst und das Ergebnis abgespeichert wird. Soll eine Aktualisierung der LCD-Anzeige erfolgen, wird ein Mittelwert über eine Anzahl Messwerte aus dem Speicher berechnet. ADC-Werte sind stark verrauscht, also mit Fehlern behaftet. Durch die Mittelwertbildung wird das statistisch zufällige Rauschen eliminiert und das Ergebnis ist ein sehr genauer Temperaturwert, der für die weiteren Berechnungen verwendet werden kann. Für die weitere Verarbeitung werden uint32 genutzt. Für korrekte Werte wird deshalb mit 10 bzw 100 multipliziert, je nach Anzahl der Nachkommastellen (Digits eine, Temperatur zwei). 1.2 Kalibrierung mittels Gerade durch 2 Punkte Es gibt in der Messtechnik eine Vielzahl von Verfahren, wie Systeme kalibriert werden können. Das zu erstellende System verwendet eine Gerade, die durch zwei gemessene Wertepaare bestimmt wird. Der verwendete Sensor hat keinen linearen Verlauf, doch der für die Applikation wichtige Temperaturbereich ist fast linear, so dass angewendete Methode nutzbar ist. Es wird an der unteren und oberen Grenze des Messbereiches der Wert des ADC bestimmt und gleichzeitig die dazugehörige Referenztemperatur. Mit diesen beiden Wertepaaren kann nun die für das System geltende Gerade ermittelt werden. Damit lässt sich der AD-Wert für 0 ermitteln und es ermöglicht, für jeden AD-Wert innerhalb der beiden Referenzpunkt, eine Temperaturberechnung mit hoher Genauigkeit. Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 2 -

4 2 Verfahren für die Applikation 2.1 Datenspeicher Für die Speicherung der Daten wird ein Array mit 255 Plätzen zu uint32_t genutzt. Die Daten des ADC werden fortlaufend in das Array geschrieben, dessen Index mit einer Zählvariablen vom Typ uint8_t realisiert wird. Wenn der Index den Wert 255 erreicht, wird automatisch mit Index 0 weiter gearbeitet. Eine zweite Variable wird genutzt, wenn Daten aus dem Speicher ausgelesen werden sollen. Der so entstandene Speicher wird als Ringspeicher bezeichnet. const uint16_t MWSize = 256; uint32_t ui32dataarray[mwsize]; uint8_t ui8indexwrite = 0; // Anzahl Elemente Bevor das Datenfeld genutzt werden kann, sollte es mit definierten und der Aufgabe angepassten Werten initialisiert werden. Für die aktuelle Aufgabe wird 1900 als Wert gewählt. for(ui16loop = 0; ui16loop < MWSize; ui16loop++) ui32dataarray[ui16loop] = 1900; Damit ist das Datenfeld nutzbar und ein neuer Wert kann nach Beendigung der AD-Wandlung eingetragen werden: if(m_adc_convert_done == 1) M_ADC_ADF_CLR; ui32aktadcwert = M_ADC_DATA_READ(CHANNEL_7); ui32dataarray[ui8indexwrite] = ui32aktadcwert; ui8indexwrite ++; Es ist Absicht, dass der Speicherwert eine 32 Bit Zahl ist. Da der Sensor an einem anderen Pin liegt, muss der ADC von Kanal 7 einlesen. 2.2 Starten der AD-Wandlung Der ADC wird vom SysTick-Timer gestartet wie in Aufgabe 2: void SysTick_Handler(void) if(badc_run == 1) M_ADC_CONVERT_START; gu8lcdausgabe--; Neben dieser Aufgabe soll er noch einen Zähler dekrementieren, der es ermöglicht, dass das LCD alle 250 ms aktualisiert wird. Damit die Zeitvorgaben eingehalten werden, ist der SysTick auf 10 ms zu initialisieren. Der ADC muss in der Initialisierung auf Kanal 7 umgestellt werden (CHANNEL_7_SELECT). Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 3 -

5 2.3 Mittelung der Daten Der Rechenaufwand der Mittelung ist nur dann nötig, wenn die Werte auf dem LCD aktualisiert werden sollen. Dazu werden alle Werte im Speicher addiert, mit einem Komma-Faktor multipliziert und durch die Anzahl Werte geteilt. uint32_t u32adcmittelwert = 0; for(ui16loop = 0; ui16loop < ianzahlwerte; ui16loop++) u32adcmittelwert += ui32datafeld[ui16loop]; u32adcmittelwert = u32adcmittelwert * u8komma / ianzahlwerte; Komma-Faktor oder die Vermeidung von Gleitkomma-Zahlen Dieser Multiplikator ist abhängig von der Anzahl der Nachkomastellen. Für eine Stelle ist es die 10, für zwei Stellen wäre es die 100. Mit diesem Trick wird die Verwendung von Gleitkommazahlen vermieden, die sehr rechenintensiv sind. Für einen Wert von 10 ergibt der Rückgabewert der obigen Berechnung dann Vielfache von Dezi, also Zehntel der Zahl, was bei der Ausgabe berücksichtigt werden muss. 2.4 Zyklische Ausgabe auf das LCD Wie schon in erwähnt, wird das LCD nur alle 250 ms aktualisiert. Dies wird deshalb gemacht, da das LCD nicht in der Lage ist, Zyklen von 10 ms zu realisieren. Für den Verlauf der Temperatur sind eigentlich noch viel größere Zeitabstände ausreichend. if(gu8lcdausgabe == 0) // 250 ms abgelaufen? gu8lcdausgabe = LCDINTERVALL; // Zähler auf 25 setzen ui32mittelwert = xxxxx(ui32dataarray, MWSize, 10); // Eigene Funktion aufrufen SetPixelinDiagramm(ui32Mittelwert / 10); GLCD_ui32_to_BCD(5, ui32mittelwert,carray); GLCD_SetTextCursor(7,3); EigeneAusgabefunktion(????); // Pixel auf LCD ausgeben // Mittelwert in ASCII umwandeln // Ausgeben mit eigener Funktion 2.5 Zoomen des Grafikbereichs Die Aufgabe 3.2 zeigt deutlich, dass es notwendig ist, den Grafikbereich auf einen sinnvollen Bereich zu zoomen. Es wird unterschieden zwischen dem Abschneiden des ungenutzten Bereiches (unser Fall) oder dem Vergrößern eines bestimmten Ausschnittes Abschneiden: Dazu wird einfach vom aktuellen Wert der Wert für die Untergrenze abgezogen Anpassen des Skalierungsfaktors der Pixelausgabe Zoomen Aktuellen Wert nur dann akzeptieren, wenn er kleiner als die Obergrenze ist Den Wert für die Untergrenze vom aktuellen Wert abziehen Anpassen des Skalierungsfaktors der Pixelausgabe Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 4 -

6 3 Aufgabe Aufgabe 3.1 Zeitkontinuierliches Messsystem Aufgabenpunkte für 3.1 Kopieren Sie die Source-Dateien von 2.2 in ein neues Projekt Kopieren Sie die Blöcke aus Kap. 2 an die richtigen Stellen im C-File Verschieben Sie die Deklarationen und ergänzen fehlende SysTick auf 10 ms umstellen Geben Sie in der untersten Zeile den Mittelwert von iadcmittelwert in Digits aus, ändern Sie dazu die Umrechnungs- und Ausgabefunktion aus Labor 2 um (Anzahl der Stellen, Komma) Programmieren Sie eine Funktion, die den Mittelwert über eine Datenfeld berechnet Übergabeparameter sind Anzahl der Werte und eine Zeiger auf das Datenfeld Das LCD zeigt nach dem Start folgende Ansicht: ADC Mittelwert // Zeile 0 LCD // Zeile 1 frei lassen // Zeile 2 frei lassen // Zeile 3 frei lassen // Zeile 4 frei lassen // Zeile 5 frei lassen // Zeile 6 frei lassen D: // Zeile 7 LCD Vorbereitung für 3.1 Drucken Sie die Main-Funktion von 2.2 aus und markieren die Einfügepunkte von Kap. 2 Zeichnen Sie ein PAP für die Mittelwert-Funktion Abnahmepunkte für 3.1 Das funktionierende Programm wurde vorgeführt Struktogramm für die Mittelwertfunktion Korrekte Main-Loop und LCD-Ansicht Mittelwertfunktion, SysTick korrekt Code korrekt formatiert (Allman Style) Unterschrift: Ermittlung der Kalibrierwerte Mit dem funktionierenden System nehmen Sie bitte die beiden Datenpaare für die nächste Aufgabe auf (Vorgehen wird im Labor besprochen), wobei die Zahlen ohne Komma eingetragen werden. Wertepaar 1: Temperatur: Digits: Wertepaar 2: Temperatur: Digits: Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 5 -

7 3.2 Aufgabe 3.2 Messsystem mit Kalibrierung Das funktionierende Programm wird um die Kalibrierung erweitert. Dazu fügen Sie bitte folgende Zeilen im Initialisierungsbereich der Main-Funktion ein: // Zuerst werden zwei Temperaturwerte aus 3.1 eingetragen const uint32_t ui32tmind = 19365, ui32tmaxd = 20344; const uint32_t ui32tmint = 225, ui32tmaxt =354; // Beispielwerte // Beispielwerte // aus diesen Werten werden die Differenzen ausgerechnet const uint32_t ui32tdeltad = ui32tmaxd - ui32tmind; const uint32_t ui32tdeltat = ui32tmaxt - ui32tmint; // und auch der Wert des ADC für 0 Grad const uint32_t ui32t0grad = ui32tmind - ui32tmint * ui32tdeltad / ui32tdeltat; Mit diesen Daten kann nun jeder ADC-Wert in eine Temperatur umgerechnet werden. ui32tempakt = (ui32adcmittelwert - ui32t0grad) * ui32tdeltat / ui32tdeltad; Aufgabenpunkte für 3.2 Ergänzen Sie die zyklische Ausgabe um den Temperaturwert in Zeile 7, Position 13 Fügen Sie obigen Code an der richtigen Stelle ein Geben Sie den Mittelwert für die Temperatur auf dem LCD aus Das LCD zeigt nach dem Start folgende Ansicht: Thermometer // Zeile 0 LCD // Zeile 1 frei lassen // Zeile 2 frei lassen // Zeile 3 frei lassen // Zeile 4 frei lassen // Zeile 5 frei lassen // Zeile 6 frei lassen D: T: GC // Zeile 7 LCD Vorbereitung für 3.2 Weshalb werden obige Datentypen als const deklariert? Abnahmepunkte für 3.2 Das funktionierende Programm wurde vorgeführt Korrekte Main-Loop und LCD-Ansicht Code korrekt formatiert (Allman Style) Unterschrift: Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 6 -

8 3.3 Aufgabe 3.3 Zoomen des interessanten Datenbereiches Die grafische Temperaturausgabe soll auf den Bereich ab 30 eingeschränkt werden, um eine größere Auflösung zu erhalten, die Temperaturen bis 43 darstellen kann. Dazu muss für die Pixelausgabe der Mittelwert vom ADC um den Betrag reduziert werden, der für das eigene System für 30 gilt. Außerdem muss der Skalierungsfaktor neu ermittelt werden. Nach diesen beiden Änderungen sollte die Pixelausgabe korrekt funktionieren Aufgabenpunkte für 3.3 Bestimmen Sie den neuen Wert für ui32scale Das LCD zeigt nach dem Start folgende Ansicht: Thermometer // Zeile 0 LCD // Zeile 1 frei lassen // Zeile 2 frei lassen // Zeile 3 frei lassen // Zeile 4 frei lassen // Zeile 5 frei lassen // Zeile 6 frei lassen D: T: GC // Zeile 7 LCD Vorbereitung für 3.3 Durch welche Formel muss der Wert der Konstanten ui32scale ersetzt werden, damit der Rechenweg aus Laboraufgabe 2, Kapitel für den für Skalierungsfaktor das richtige Ergebnis liefert? const ui32scale = Abnahmepunkte für 3.2 Das funktionierende Programm wurde vorgeführt Korrekte Main-Loop und LCD-Ansicht Formel für Konstante ui32scale korrekt Code korrekt formatiert (Allman Style) Unterschrift: Tipps zum Erweitern Um den Bereich ab 30 darstellen zu können, muss vom Mittelwert der Digitwert von 30 abgezogen werden. Dazu wird die Formel für ui32tempakt nach ui32adcmittelwert umgestellt und für ui32tempakt 300 eingesetzt. Für den neuen Skalierungsfaktor wird der Bereich in Grad ermittelt, der dargestellt werden soll. Dieses Ergebnis wird dann in den Skalierungsfaktor umgerechnet (Ergebnis * deltadigit / deltatemperatur / Darstellungsbereich). deltadigit und deltatemperatur kommen aus der Kalibrierung Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 7 -