Florian Schäffer AVR. Hardware und Programmierung in C. Elektor-Verlag, Aachen

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1 Florian Schäffer AVR Hardware und Programmierung in C Elektor-Verlag, Aachen

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 1. Einführung in die Mikrocontrollertechnik 1.1' Einsatzgebiete für Mikrocontroller 1.2 Was ist ein Mikrocontroller? Mikrocontroller-Speicher RISC-Architektur Der passende Mikrocontroller-Typ Entscheidungshilfe Atmel AVR 2. Die Entwicklungsumgebung Funktionsumfang Befehlssatz Geschwindigkeit Funktionsumfang integrierter Hardware Preis und Beschaffbarkeit Bauform Speichergröße Qualität der Dokumentation Akzeptanz bei anderen Nutzern Verfügbarkeit an Entwicklungstools 2.1 Spannungsversorgung Standard-Spannungsversorgung Spannungsversorgung im Fahrzeug Brownout-Erkennung 2.2 Serielle und parallele Schnittstelle 2.3 Programmieradapter ISP-Anschluss Low-Cost Programmieradapter Minimalistischer serieller RS232-Adapter STK200-kompatibler Parallelportrogrammier USB-Programmieradapter 2.4 C-Compiler WinAVR WinAVR installieren Der Editor Programmers Notepad 2.5 Programmiersoftware PonyProg avrdude

3 2.5.3 AVR8 Burn-O-Mat Brennen und Debugging per JTAG JTAG-Interface AVR Studio JTAG-Interface programmieren JTAG-Testprojekt Die Experimentierplatine Aufbau des Evaluations-Board Einfach und vielseitig Alles an Bord Standard Fuse Bits Erste Schritte mit dem JJC uc Minimalistisch Exkurs: Abblockkondensator Exkurs: Taktgenerator Das erste Programm compilieren Exkurs: Compiler und makefile Den Mikrocontroller programmieren ISP-Adapter AVR8 Burn-O-Mat avrdude aus dem Editor heraus aufrufen Konfiguration des AVRs mittels Fuse Bits und Security Bits Die wichtigsten Fuse Bits Der Fuse Bit Notfallplan Mit Lock Bits den Prozessorinhalt schützen Fuse und Lock Bits mit avrdude I/O-Grundlagen Standardbibliotheken kennen lernen und LEDs ansteuern LEDs am Mikrocontroller anschließen Register-Konstanten aus der I/O-Standardbibliothek Lesbarkeit und Anpassung des Codes erhöhen " Ein (zweiter) Blick auf die AVR übe Die Programmausführung verzögern Ganzzahlige (Integer) Datentypen Bitmanipulation und Datenausgabe Segmentanzeigen und alphanumerische LEDs Gemeinsame Anode oder Kathode Segmentanzeige ansteuern Alphanumerische LEDs Größere Lasten betreiben Der Transistor für kleine Lasten Power-MOSFETs für hohe Belastungen Alt aber noch immer praktisch: Relais Galvanische Trennung mit Optokopplern 118 6

4 5.4 Signaleingänge Pull-Up oder Pull-Down Eingangsstatus im Programm abfragen Tasten entprellen Ressourcenschonung mit Multiplexbetrieb Segmentdisplay multiplexen Zahlenzerlegung Multiplexen mit Timer Exkurs: Schieberegister 5x7 Matrix mit Schieberegister Textausgabe auf der Punktmatrix Flüssigkristalldisplays HD44780-I compatibel LCDs elektrisch anschließen Speicherabbild Befehlsatz HD LC-Displaybetrieb Initialisierung 4-Bit-Modus Displaykonfiguration Ausgabe von Zeichen durch Speicheradressierung Zahlen ausgeben Eigene Zeichen definieren Zeichendefinition Extra große Zahlen Serielle Datenübertragung RS232-Schnittstelle Register zur Konfiguration des USART Software-UART Daten senden und empfangen Hände schütteln für eine bessere Verständigung Analoge Ein-und Ausgabe Auflösung und Eingangsbeschaltung des ADC Spannungsteiler Wertberechnung Referenzspannung A/D-Wandlung durchführen Konfiguration des ADC Tipps für die Praxis Temperaturmessung Zufallszahlengenerator Digital-Analog-Wandler Digitaler Funktionsgenerator 168

5 9. Programmablaufsteuerung mit Interrupts Quellen für Interrupts Interruptbehandlung Interrupts aktivieren Externe Unterbrechungsanforderungen verarbeiten Exkurs: volatile Atomare Datenzugriffe Ein Wachhund gegen Programmfehler Den Watchdog nutzen Batteriebetrieb und Strom sparen im Sleep Modus Batteriebetrieb Pufferbatterie Sleep Modi: vom Nickerchen bis zum Tiefschlaf Sleep Mode Beispiel Timer/Counter Arbeitsweise eines Timers Bitbreite und Interrupt des Timers Taktquellen und Vorteiler Die Timer des ATmegal Überlauf mit 8-Bit-Timer Timer 0 mit Voreinstellung Timer 0 mit Vergleichswert Der CTC-Modus des Timer Timer 0 als Signalgenerator Externe Impulse mit Timer 0 zählen Tonausgabe mit dem 8-Bit-Timer Stopuhr mit dem 16-Bit-Timer Pulsweitenmodulation PWM per Software Fast PWM mit Timer Timer 1: Fast PWM mit beliebiger Frequenz Speicherzugriffe Zugriff auf den Programmspeicher (Flash) String-Array im Flash ablegen Zugriff aufs EEPROM EEPROM-Abbilddatei Für Fließkommazahlen auf Speicherbereiche zugreifen Bootloader MC für die Massenfertigung programmieren Der Speicher für den Bootloader Softwareupdate per Bootloader Resetvektor und Interruptvektor Das erste Programm im Bootloader Eine Applikation und ein Bootloader Zwischen Applikation und Bootloader wechseln 238 8

6 iwmmmm INHALTSVERZEICHNIS Ein Bootloader für Programmupdates Serieller Datenbus l 2 C (TWI) und SPI Two-Wire Interface (TWI) I 2 C Funktionsprinzip des I 2 C-Bus Adressierung der Slaves I 2 C-Busprotokoll EEPROM per TWI ansteuern Standard-Speichertyp 24Cxx TWI am ATmega Das Serial Peripheral Interface (SPI) SPI zwischen ATmegalö und ATmega Beispielprojekte Funkuhr mit DCF77-Signal Aufbau des Zeitsignals Signalform des Zeitsignals Empfangsmodul Beispielapplikation Datum und Zeit ganz genau: Real Time Clock Ein IC kontrolliert alle Datums-und Uhrzeitfunktionen Maxim DS1302 RTC Der BCD-Code Ein Blick auf die Anwendung Globale Navigationssatellitensysteme GPS-Empfänger GPS-Empfänger anschließen NMEA-Daten auswerten GPS bekommt Konkurrenz: GLONASS GLONASS und GPS empfangen und auswerten Software-UART für den Datenempfang VTIOO-Terminalcodes für formatierte Ausgaben PC-Tastatur als Eingabegerät Protokoll der Tastatur Tastatur Beispielanwendung Datenübermittlung und Fernwirken per Handy Kostenlos Schalten Datenverbindung zum Mobiltelefon GSM AT-Kommandos Kurznachrichten per PDU absetzen Datenaustausch via Bluetooth Der BTM-220/BTM Mit Bluetooth in der Ferne steuern (Fast) Unendlich viele-i/o Ports mit I 2 C Der Port-Expander PCF Open Collector/Open Drain Ausgänge Ohne Datenrichtungsregister: Ausgänge werden Eingänge 301 9

7 13.8 Ein-Draht-Temperaturmessung l-wire-protokoll und parasitäre Versorgung Aufbau des LCD Thermometers Assembler für genaues Timing Temperaturwert vom DS18S20 auslesen 13.9 Entfernungsmessung mit Ultraschall Kurze Laufzeiten messen USB und virtuelle COM-Ports USB-Host oder-slave USB-Controller FT USB im Handumdrehen nachrüsten Farbgrafik-LCD Probleme und Lösungen beim Einsatz von GLCDs ,8 Zoll Beispieldisplay mit 160 x 128 Pixel Betrieb des Displays Ein kurzer Blick auf die Software Richtig viel Speicherplatz auf SD-Karten Einfacher Anschluss dank SPI Das3,3-V-Problem: Level-Shifter Eine einfache Library für Speicherkarten 14. Anhang: Überblick Register ATmegal6 Stichwortverzeichnis 10