Aufgabe 2 -Grafische Messwertdarstellung. Labor Mikrocontroller mit NUC130. Prof. Dr.-Ing. F. Kesel Dipl.-Ing. (FH) J.Hampel Dipl.-Ing. (FH) A.

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1 Aufgabe 2 -Grafische Messwertdarstellung 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 Grundlagen zur Pixeldarstellung auf dem LCD Anordnung der Muster im Speicher und auf dem LCD Grundlagen Skalierung Skalierung auf 8 Pixel Umrechnung in Pixelpositionen Sinnvolle Pixelauflösung für die Grafik Rechenbeispiel mit ADC-Wert Aufgaben Aufgabe Aufgabenpunkte für Vorbereitung für 2.1 und Hinweise Abnahmepunkte für Aufgabe Aufgabenpunkte für Vorbereitung für Abnahmepunkte für Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 1 -

3 1 Einführung und Grundlagen Die in Aufgabe 1 programmierte Erfassung von Analogwerten hat bei der Darstellung das Problem, dass die vergangenen Werte nicht sichtbar sind. In der Medizintechnik sind diese Werte jedoch in vielen Monitoring-Geräten (EKG, EEG, usw.) von Bedeutung. Die aktuelle Aufgabe soll nun eine Einführung in die Darstellung von Messwerten in Grafikform geben. Ein Hauptaugenmerk wird dabei auf der Skalierung und Umrechnung der Messwerte liegen, damit sie auf grafikfähigen LCDs dargestellt werden können. Dabei werden zunächst nur die reinen Registerwerte des AD-Wandlers betrachtet, ohne dass sie in eine Spannung umgerechnet werden. 1.1 Grundlagen zur Pixeldarstellung auf dem LCD Bei dem verwendeten LCD handelt es sich um ein Grafik-LCD, d.h. es ist in der Lage, beliebige Pixelmuster darstellen zu können. Der Nachteil ist jedoch, das Elemente wie Buchstaben und Zahlen als Pixelmuster verfügbar sein müssen oder die Elemente sind als Muster zu erzeugen, wie die heute benötigten einzelnen Pixel. Jedes LCD hat einen Koordinatenursprung, der in Regel oben links liegt und mit 0,0 beginnt. Pixel können nicht einzeln gesetzt werden können, sondern immer nur eine ganze Spalte Anordnung der Muster im Speicher und auf dem LCD Eine sinnvolle Anordnung der Muster im Speicher des Mikrocontrollers sorgt für eine schnelle und effektive Ausgabe auf das LCD. Woraus besteht ein Muster? Als Grundlage soll der Buchstabe H aus 6 x 8 Pixel dienen: Pixelmuster PixelcodierungSpeicherablage 1 Speicherablage 2 Bei monochromen LCDs steht eine 1 für ein aktives Pixel, eine 0 für ein inaktives Pixel. Als nächstes muss das Muster nun im Speicher abgelegt werden. In unserem Fall geschieht das nicht zeilenweise (Speicherablage1), sondern in Spalten (Speicherablage2). Der Grund ist die Speicherorganisation des LCDs. So erzeugt nun jedes Byte genau eine Spalte eines Zeichens. Zu beachten ist, das Bit 2^0 oben ist und 2^7 unten. Alle ASCII-Zeichen von 0 bis 127 sind in einem Header-File hinterlegt, welches das Modul GLCD automatisch verwendet. Sollen Buchstaben und Zahlen auf das LCD geschrieben werden, holen sich die Funktionen die notwendigen Daten aus dieser Datei. Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 2 -

4 2 Grundlagen Skalierung Skalierung bedeutet immer Anpassung. Im vorliegenden Fall müssen die Daten des ADCs an die Größe im LCD angepasst werden. Da diese Skalierung beliebig kompliziert werden kann (Zoomen, Verschieben, Verkleinern), wird mit einem einfachen Beispiel begonnen. 2.1 Skalierung auf 8 Pixel Als erstes sollen die ADC-Digits von 0 bis 4095 innerhalb einer normalen Textzeile mit 8 Pixel Höhe dargestellt werden: 2^0 Pixelposition 7 bis 4095 Digits Pixelposition 6 bis 3583 Digits Pixelposition 5 bis 3071 Digits Pixelposition 4 bis 2559 Digits Pixelposition 3 bis 2047 Digits Pixelposition 2 bis 1535 Digits Pixelposition 1 bis 1023 Digits 2^7 Pixelposition 0 bis 511 Digits Der Skalierungsfaktor für obige Tabelle wird per Dreisatz ermittelt: Max. Digits / Pixel = Skalierungsfaktor, also 4096 / 8 Pixel = 512 Digits pro Pixel. 2.2 Umrechnung in Pixelpositionen Die Umrechnung in Pixelpositionen ist hier sehr einfach: Pixelposition = Digits / 512 (Digits pro Pixel) Wie aus 1.1 bekannt, kann bei dem genutzten LCD immer nur eine komplette Pixelspalte verändert werden, aber kein einzelnes Pixel. Eine einfache Lösung ist eine Tabelle (Lookup-Table), die 8 Elemente bekommt. Das Ergebnis der obigen Formel stellt den Zeiger für den Zugriff auf das jeweilige Pixelmuster dar. 2.3 Sinnvolle Pixelauflösung für die Grafik Sie werden nach der Realisierung feststellen, dass die Skalierung aus dem Beispiel wenig Sinn macht, da sie sehr grob ist. Deshalb wird nicht eine normale Textzeile mit der Höhe 8 Pixel verwendet, sondern mehrere Zeilen zu einem Darstellungsfenster zusammengefasst. Damit wird der Skalierungsfaktor kleiner und die angezeigte Grafik größer und damit auch genauer. Allerdings vergrößert sich damit der Rechenaufwand, da jetzt pro Datenwert mehr Pixelspalten verwendet werden. Neben der Berechnung des Pixelmusters muss auch noch die Spalte bestimmt werden, in der das Muster angezeigt werden soll. Im aktuellen Beispiel wird kein Speicher für die Daten verwendet, d.h. die Daten des ADC werden umgerechnet und direkt auf das LCD geschrieben. Daraus ergibt sich das Problem, dass bei der Ausgabe immer alle Zeilen der aktuellen Spalte gelöscht werden müssen, da nicht bekannt ist, wo das letzte Pixel in dieser Spalte gesetzt wurde. Dies wird dadurch erreicht, dass alle fünf Datenbyte auf das LCD übertragen und somit die alten Pixelinformationen überschrieben werden. Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 3 -

5 2.3.1 Rechenbeispiel mit ADC-Registerwert 2048 Würde der Bereich auf 5 Zeilen vergrößert werden, so ergibt sich ein Skalierungsfaktor von 4096 / (5*8 Pixel) = 102,4 Digits pro Pixel Berechnung der aktuellen Pixelnummer: Diese Pixelnummer gibt die Position für das zu aktivierende Pixel an. Da der Skalierungsfaktor ein Komma besitzt, wird dies mit einem Trick umgangen, um nicht mit Kommazahlen rechnen zu müssen: PixelNummer = ADC * 10 / = 2048 * 10 / 1024 // Skalierung auf 102,4 Digits pro Pixel Berechnung der PixelTextZeile: Da das LCD Textzeilenorientiert arbeitet, ist es sinnvoll, dass Grafikfenster an den Textzeilen zu orientieren. Die benötigte Textzeile für ein Pixel wird mit folgendem Schritt ermittelt: PixelTextZeile = PixelNummer/ 8 (Pixel pro Textzeile) // Berechnung der Textzeile 2 = 20 / 8 // die 0.5 fällt weg Berechnung der Pixelposition: Als letztes wird die Position innerhalb der PixelTextZeile für das aktive Pixel ermittelt und per Lookup- Tabelle in ein Muster umgesetzt: PixelPosition = PixelNummer% 8 (Pixel pro Textzeile) 5 = 20 % 8 // Ermittlung des Pixels in der Zeile Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 4 -

6 3 Aufgaben 3.1 Aufgabe Aufgabenpunkte für 2.1 Ändern Sie die Aufgabe 1.3 so ab, dass die Ausgabe der Digits und der Spannung in Volt in Textzeile 7 gemacht wird. Nutzen Sie die Textzeile 3 als Bereich für die Pixelausgabe des Analogwertes. Zugehörige LCD-Ansicht nach dem Start: ADC-Aufgabe // Zeile 0 LCD // Zeile 1 frei lassen // Zeile 2 frei lassen // Zeile 3 für Grafik nutzen // Zeile 4 frei lassen // Zeile 5 frei lassen // Zeile 6 frei lassen D: 0000 U: V // Zeile 7 LCD Vorbereitung für 2.1 und Hinweise Erstellen Sie eine Lookup-Tabelle für die Pixelmuster Erstellen Sie eine Funktion, die ein Zahlenarray ausgibt, dabei aber beachtet, ob ein Dezimaltrenner eingefügt werden muss oder nicht. Als Parameter wird 0 oder 1 übergeben und der Zeiger auf das Zahlenarray (ASCII-Array). Die Position im LCD wird nicht durch die Funktion gesetzt. Bedenken Sie immer, dass die Koordinaten für LCDs in der linken, oberen Ecke mit 0,0 beginnen Mit der Funktion GLCD_SetColumn(uint8_t u8spalte); aus dem Modul GLCD kann eine beliebige Pixelspalte gesetzt werden. Mittels GLCD_SetRow(uint8_t u8zeile); wird eine Zeile gesetzt. Um Pixel an der gewählte Position zu setzen, wird die Funktion GLCD_PrintColumn(uint8_t u8data); verwendet. Sie beschreibt die senkrechte Spalte im LCD, die vorher durch die beiden GLCD_Setxxx- Funktionen definiert wurden. Die Funktion GLCD_SetTextCursor kann nicht verwendet werden, um Pixelpositionen zu setzen Abnahmepunkte für 2.1 Das funktionierende Programm wurde vorgeführt Struktogramm / PAP für das Hauptprogramm Struktogramm / PAP für die Ausgaberoutine Ausgaberoutine als Funktion korrekt realisiert Korrekte Main-Loop und LCD-Ansicht Code korrekt formatiert (Allman Style) Unterschrift: Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 5 -

7 3.2 Aufgabe Aufgabenpunkte für 2.2 Erweitern Sie ihr Programm um die Möglichkeit, Pixel in einem Darstellungsraum von 5 Textzeilen zu setzen. Dazu müssen folgende Funktion oberhalb der main eingefügt werden: Void SetPixelinDiagramm(uint16_t u16value) { static uint8_t u8colcount=pixelmin; uint8_t u8columns[6], u8pixelnummer, u8pixelposition, u8pixeltextzeile; u8columns[0] = 0; u8columns[1] = 0; u8columns[2] = 0; u8columns[3] = 0; u8columns[4] = 0; u8columns[5] = 0x80; u8pixelnummer = u16value * 10 /ui32scale; // skalieren u8pixeltextzeile = u8pixelnummer / 8; // Zeile ermitteln u8pixelposition = gu8singlepixel[u8pixelnummer % 8]; // Pixel in Spalte festlegen if(u8pixeltextzeile == 0) u8pixelposition = 0x80; u8columns[5-u8pixeltextzeile] = u8pixelposition; GLCD_PrintMulColumn(1,u8ColCount,6,u8Columns); u8colcount++; } if(u8colcount == PIXELMAX) { GLCD_SetColumn(PIXELMIN); u8colcount = PIXELMIN; } Damit die Ausgabe funktioniert, muss in den Initialisierungsteil von main folgender Code kopiert werden: GLCD_SetColumn(PIXELMIN-4); GLCD_SetRow(5); for(i=0;i<pixelmax-pixelmin+4;i++) GLCD_PrintColumn(0x80); for(i=1;i<6;i++) { GLCD_SetColumn(PIXELMIN-1); GLCD_SetRow(i); GLCD_PrintColumn(0xFF); } Damit der Code fehlerfrei compiliert wird, muss folgendes vor der ersten Funktion eingefügt werden: #define PIXELMIN 14 #define PIXELMAX 124 const uint32_t ui32scale = 1024; Ersetzen Sie in der Ausgabe den Bereich für die Grafik in einer Textzeile aus 2.1 durch die Funktion SetPixelinDiagramm(); Fügen Sie in der Ausgabe einen Bereich hinzu, indem der bis jetzt gemessene Maximalwert angezeigt wird. Dieser kann mit dem Joystick-Taster gelöscht werden. Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 6 -

8 Zugehörige LCD-Ansicht nach dem Start: ADC-Aufgabe // Zeile 0 LCD // Zeile 1 für Grafik nutzen // Zeile 2 für Grafik nutzen // Zeile 3 für Grafik nutzen // Zeile 4 für Grafik nutzen // Zeile 5 für Grafik nutzen // Zeile 6 frei lassen A: V M:0.000 V // Zeile 7 LCD Vorbereitung für 2.2 Erstellen eines PAPs für die Funktion SetPixelinDiagramm() Was wird mit u8pixelnummer = u16adcvalue * 10 / ui32scale; berechnet? Abnahmepunkte für 2.2 Das funktionierende Programm wurde vorgeführt Struktogramm / PAP für SetPixelinDiagramm Korrekte Main-Loop und LCD-Ansicht Maximalwert-Implementierung Code korrekt formatiert (Allman Style) Unterschrift: Mikrocontroller Labor Medizintechnik - 7 -