USB und Java. MSR mit FRANZIS PC & ELEKTRONIK. Jochen Ferger

Transkript

1 FRANZIS PC & ELEKTRONIK Jochen Ferger MSR mit USB und Java Auf CD-ROM: MSR-Anwenderprogramme mit allen Quelltexten für Windows Vista Java SDK Tools zur Messwertaufbereitung Entwicklungsumgebung

2 Inhaltsverzeichnis 1 Java-Grundlagen Warum Java? Benötigte Software Installation Erste Programmierversuche Variablen und Grundstrukturen Variablen Schleifen und Entscheidungen Die bedingte Entscheidung (if else) Die kopfgesteuerte Schleife (while-schleife) Die fußgesteuerte Schleife (do-while-schleife) Die Zählschleife (for-schleife) Berechnungen Mathematische Standardoperationen Vergleiche und logische Standardoperationen Klammersetzung Arrays/Felder Bits und Bytes Operationen am offenen System UND Bitweise UND-Verknüpfung ODER-Verknüpfung Nicht-Verknüpfung Bytes verschieben Clear Screen ein erster Kontakt mit DLLs Objektorientierung Modellierung einer Klasse Zugriff auf die parallele Schnittstelle Dateien Fehler abfangen Tools Gnuplot Webserver Internet Information Server und Apache mit XAMPP Speichern von Messdaten in einer MySQL-Datenbank MySQL Datenbankzugriff mit Java Anmerkung: Die parallele Schnittstelle wird hier nicht weiter theoretisch behandelt. Informationen finden Sie im Internet sowie in der MSR-Reihe des Franzis Verlags.

3 Inhaltsverzeichnis 3 USB seriell Die serielle Schnittstelle Der Adapter Die Programmierhilfen (Communication API) Steuern und Messen mithilfe des CompuLAB-Interfaces Auslesen eines Multimeters Verwendung eines programmierbaren Netzteils PSP Ansteuern von Geräten mit USB-Schnittstelle Aufbau und Eigenschaften der Schnittstelle Nativ, nicht naiv programmieren oder ohne C++ geht s dann doch nicht Programmierung einer nativen DLL am Beispiel des Vehnelt- USB-Interfaces Testen, testen, testen JNI-Programmierung mit Visual Studio Variante 2 eine JNI-DLL mit einer Universalbibliothek erstellen Beispielprojekte Das USB-Interface von Velleman Beispielprogramm Lauflicht mit Richtungswahl, Ausgabe von digitalen Signalen Beispielprojekt Einlesen des Zustandes einer Gabellichtschranke Zählerauswertung Die IO-Warrior-Serie IO-Warrior 24 testen Ein einfacher Fernbedienungstest Word mit einer Fernbedienung starten der RC5-Code Mit dem IOW24 ein LCD-Display ansteuern IO-Warrior 40 testen Mit dem IOW40 ein universales IO-Interface realisieren Der I²C-Bus Temperaturmessung mit dem LM PCF Das komplette Analogboard Das digitale Ausgangsboard Das digitale Eingangsboard Eine Java-Klasse für das Universalinterface Das CompuLAB-USB-Interface Einen Gleichstrommotor ansteuern Einen Schrittmotor ansteuern Motoransteuerung mit dem L293D

4 Inhaltsverzeichnis Geschwindigkeitsregelung über die Pulsweitenmodulation RedLab 1008 der Firma Meilhaus Electronic Java-Zugriff auf das RedLab Frequenzmessung mithilfe des Counters Aufnahme einer Transistorkennlinie Erweiterte Programmierung, Threads und Netzwerkkommunikation Threads Polling versus Threads Programm mit Threads Beispielprojekt mit dem Velleman-Interface Listener und die Verwendung eines Interfaces Zeitgesteuerte parallele Abläufe verwirklichen die Klassen TimerTask und Timer Prozessorlast entschärfen mit Microsleep Programmieren im Netzwerk oder ich weiß, was mein Haus macht! Grundlagen der Netzwerkprogrammierung TCP/IP Serversockets und Sockets Well Known Ports Serverprogrammierung Ein Beispielprojekt in drei Versionen Variante 1: ein einfacher Server Variante 2: ein einfacher Webserver Variante 3: ein Webserver mit Formularauswertung Mails versenden Grundlagen der objektorientierten Theorie Begriffe und Programmierung grafischer Oberflächen Grundbegriffe Klassen Konstruktoren Objekte Überladen von Methoden Vererbung Überschreiben von Methoden Erstellen eigener Exceptions durch Vererbung Schnittstellen/Interface Erstellen von Programmen mit grafischen Oberflächen Ein Beispiel zum CompuLAB-Interface

5 10 Inhaltsverzeichnis 8 Anhang Stücklisten und Bestellmöglichkeiten Quellen Software Sachverzeichnis

6 11 1 Java-Grundlagen Java hat den Ruf, zu langsam und hardwarefern zu sein. Letzteres stimmt durchaus. Ersteres ist ein Fall von Was will ich für eine Antwort und wen frage ich deshalb? In aktuellen Benchmarks spielt Java eine ähnliche Rolle wie hardwarenahe Sprachen. 1.1 Warum Java? Die Geschwindigkeit ist für die ausgewählten Projekte ausreichend, um auch messtechnische Aufgaben im Millisekundenbereich zu lösen. 3 Es gibt für fast jede Hardware aus dem Bereich Messen Steuern und Regeln eine entsprechende Programmbibliothek entweder in Codeform oder in Form einer DLL, die man mit JNI (dazu später mehr) ansteuern kann. Java ist (wie ich finde) sehr unkompliziert und außerdem völlig kostenfrei. Dass Java plattformunabhängig ist, ist sicher ein riesiger Vorteil, spielt für dieses Buch aber kaum eine Rolle, da der Zugriff auf USB-Hardware tatsächlich über in C/C++ programmierte Bibliotheken vorgenommen wird. 4 Diese sind wiederum an ein Betriebssystem gebunden. Haben die Hardwareentwickler auch andere Betriebssysteme unterstützt, so lassen sich Hardwarezugriffe plattformunabhängig gestalten. Beispielsweise wird der später behandelte IO-Warrior ebenso mit Linux- und Mac-Unterstützung geliefert. In Java wird objektorientiertes Programmieren sehr sauber umgesetzt, was die Sprache gerade für Schulen, Weiterbildung und ambitionierte Profis interessant macht. Außerdem findet man unzählige Bücher (ja, auch in Deutsch!), Foren und Programmbeispiele im Internet, sodass sich für fast jedes Problem eine Lösung online recherchieren lässt. Mit Java lässt sich recht leicht im Netzwerk programmieren. Das Erstellen von Servern und Clients ist verglichen mit anderen Sprachen ein Kinderspiel. Gerade dieser Punkt spielt in der Mess- und Steuerungstechnik eine große Rolle, da die zu messenden Größen selten an dem Punkt aufgenommen werden, wo der eigentliche Arbeits-PC steht. Dateien mit Messdaten können ebenso leicht erstellt werden, wie es möglich ist, auf Datenbanken zuzugreifen, um dort Messdaten einzuschreiben. Auch Vergleiche in gängigen PC-Zeitschriften zeigen sogar, dass der Geschwindigkeitsvorteil anderer Sprachen auf null gesunken ist. Die Programme und Bibliotheken in diesem Buch sind alle für Microsoft Windows Vista geschrieben worden, was wohl hauptsächlich daran liegt, dass ich mich mit der Erstellung von Programmbibliotheken unter Linux noch nicht beschäftigt habe. Vielleicht kommt das ja noch ;-).

7 12 1 Java-Grundlagen kann man mit Java sehr leicht parallele Prozesse (Threads) programmieren, was gerade in der Messtechnik wichtig ist. Vergleicht man den Quelltext eines Java-Programms mit einem C- oder C++-Programm, lässt sich leicht feststellen, dass Java-Quelltext sehr problemlos zu lesen ist. Quelltext aus anderen Sprachen, insbesondere C/C++, sieht oft eher kryptisch aus. In Java sparen Sie sich den Umgang mit Zeigern (zumindest mit der Syntax). Somit ist Java auch für den Programmierneuling geeignet. Für dieses Buch wurde der Editor TextPad verwendet. Mit einer anderen Entwicklungsumgebung lassen sich auch Programme mit grafischer Oberfläche realisieren. Das im JDK mitgelieferte Programm javadoc.exe ist bestens für übersichtliche Dokumentationen geeignet, die anschließend mit einem Webbrowser angeschaut werden können. 1.2 Benötigte Software Installation Um Java-Programme zu schreiben, brauchen Sie nicht wirklich viel zu installieren. Vor allem gibt es die gesamte Software völlig kostenlos. Das Java Development Kit (JDK) können Sie auf der Webseite der Firma Sun herunterladen. Beachten Sie hierbei, dass Sie auch das JDK herunterladen (auf der Webseite unter dem Punkt Developpers als Java SE bezeichnet), der offensichtlichste Link führt zum Download der Laufzeitumgebung (Java Runtime Enviroment JRE). Mit dieser können Sie Java-Programme laufen lassen, aber selbst keine erstellen. Wenn Sie sich den Download sparen wollen, finden Sie das JDK auch auf der beiliegenden CD. Beachten Sie aber bitte, dass Sie durch Aktivieren der Updates auf dem neuesten Stand bleiben. Gerade mit einem recht neuen Betriebssystem wie Vista sind Updates unumgänglich. 5 Installation des JDK Durch einen Doppelklick auf die Datei jdk-6u5-windows-i586-p.exe im Verzeichnis /Software/JDK starten Sie die Installation. Es wird zunächst das JDK und anschließend die Laufzeitumgebung installiert. Im Prinzip brauchen Sie nur die Lizenzbedingungen zu akzeptieren und die Installationen durch Klicken auf die entsprechende OK-Schaltfläche abzuschließen. Beispielsweise gab es bei der Umsetzung des Zugriffs mit Java auf das später beschriebene CompuLAB beim Einlesen von Eingängen ein interessantes Problem: Nach genau 180 Einlesevorgängen ist das Java-Programm abgestürzt. Die Problemstellung verschlang einen halben Tag, bis letztlich ein Java-Update den Fehler kompensierte.

8 1.2 Benötigte Software Installation 13 Installationsverlauf: Abb. 1.1: Annahme der Lizenzvereinbarung Abb. 1.2: Auswahl der Installationsoptionen

9 14 1 Java-Grundlagen Abb. 1.3: Installationsverlauf Nach dem JDK wird automatisch auch die Laufzeitumgebung installiert: Abb. 1.4: Auswahl der Installationsoptionen der Laufzeitumgebung

10 1.2 Benötigte Software Installation 15 Abb. 1.5: Abschluss der Java-Installation Nach erfolgreicher Installation benötigt man nun noch einen geeigneten Editor. Ich weiß, dass mich erfahrene Programmierer jetzt am liebsten lynchen 6 würden, aber ich verwende zur Erstellung von Java-Programmen ohne grafische Oberfläche gerne den Editor TextPad, den Sie als Shareware unter aus dem Internet herunterladen können oder aber auf der Buch-CD finden. Dieser Editor ist klein, schnell und bietet Shortcuts (Tastenkombinationen), um Java-Programme zu kompilieren und zu starten. Eigene Shortcuts können leicht erstellt werden. Wichtig ist, dass Sie das JDK vor TextPad installieren. In diesem Fall werden die Java-Shortcuts automatisch angelegt. Andernfalls müssen Sie die Shortcuts selbst aktivieren und gegebenenfalls auch noch einrichten. Klicken Sie im Verzeichnis/Programme/TextPad doppelt auf die Datei txpdeu510.exe und lassen Sie die Installation durchlaufen. Natürlich bieten Entwicklungsumgebungen wie Netbeans oder Eclipse, die beide auch kostenlos sind, wesentlich mehr Möglichkeiten (Debuggen, GUI etc.), Java-Programme zu erstellen. Jedoch müsste man sich dann auch noch mit diesen Umgebungen beschäftigen, was dieses Buch sprengen würde.

11 Sachverzeichnis 211 Sachverzeichnis A AD-Wandler 128 Adressraum 160 Analogboard 131 Arbeitsgerade 156 arithmetisch 30 Attribute 38, 189 Ausgangsboard 132 D DA-Wandler 128 Datenbank.java 57 Datenbankserver 55 DEV-C++ 89 Digitalmultimeter 69 double 23 B BatToExe 51 bedingte Entscheidung 24 bipolar 141 bitweise UND-Verknüpfung 33 bitweise verschieben 34 boolean 23 Bytecode 21 C case sensitive 18 catch 45 clearscreen 36 Client-Server-Prinzip 174 Clients 169 comm.jar 63 Communication API 62 CompuLAB 68 CompuLAB-Interface 65 CompuLABGUI.java 200 CompuLAB USB 140 Counters 112 Cursor 36 E Eingangsboard 135 Eingangskennlinie 156 Enablepin 145 EventObject 164 Exception 47 Expresscard 43 Express Edition 94 F Felder 29 Fernbedienungstester 116 FileWriter 43 finally 45 float 23 Freilaufdiode 140 Frequenzmessung 153 Frontpanel 138 fußgesteuerte Schleife 26

12 212 Sachverzeichnis G Gabellichtschranke 107 getinput() 42 Gleichstrommotor 140 Gnuplot 49 GUI-Programmierung 198 H Headerdatei 85 Hello World 18 HIBS-Interface 41 Hintergrundbeleuchtung 121 I I²C-Bus 125 Index 30 Infrarot-Receiver 116 InstaCal 153 instanziiert 38 int 23 Interface 197 invertieren 34 IO-Warrior IOW is a-beziehung 194 J JavaBeans Activation Framework 186 javah.exe 85 Java ist auch eine Insel 93 javax.comm.properties 63 JDK 12 JNI 36 jnpout32.dll 40 JRedLab.java 151 JVelleman.dll 85 JVelleman.h 88 K Kapselung 190 Klassen 18, 189 Klassendiagramm 191 Kompilieren 20, 21 Konstruktor 190 kopfgesteuerte Schleife 25 L L293D 145 Lauflicht 106 Laufzeitfehler 45 LCD-Displays 120 LCD-Module 114.lib-Datei 100 Linkeroptionen 100 Listener 164 LM LM logische Standardoperationen 28 LTV M Mail-API 186 Mail.java 186 Mathematische Standardoperationen 28 Mehrfachvererbung 197 MeinServerSocket.java 176 MeinSocket.java 176 Methoden 38, 39, 189 Microsleep 167 Multimeter.java 71 mysql-connector-java bin.jar 56 N Nachricht 40 native DLLs 83 new 39 Nicht 34

13 Sachverzeichnis 213 O Objekt 189, 192 ODER 33 ODER-Verknüpfung 33 P PCF Peer-to-Peer 174 PE Explorer 83 pgnuplot.exe 50 Plattformunabhängigkeit 21 Polling-Verfahren 159 Port 172, 175 PSP PSP PSP public class 21 Pulsweitenmodulation 145 Punkt-operator 39 R RC5 114 RC5-Code 117 RedLab RFC 175 RS232-Schnittstelle 60 Rückgabeparameter 40 run() 165 S Schmitt-Trigger 110 Schrittmotoren 141 Serial.java 63 Server 169 Servospannung 153 setoutput(int data) 42 Sockets 171 Standardkonstruktor 190 Starterkits 113 Stromübertragungskennlinie 156 super 194 Syntax Highlighting 18 T Tastverhältnis 146 Textdatei 44 TextPad 15 Textskript 49 Thread 160 Timer 166 TimerTask 166 Tor 175 Treiber 145 try 45 Typecasting 41 Typumwandlung 41 U Übergabeparameter 40 überschreiben 195 UND 31 unipolar 141 Universalbibliothek 100 USB-Hub 82 V Variablen 22 Vererbung 193 Visual Studio W Wahrheitstabelle 32 Well Known Ports 172 win32com.dll 63 winrar 49

14 214 Sachverzeichnis Z Z-Cron 54 Zähler 112 Zählschleife 27