Aufgabe A5: Anleitung. Einführung in die Programmierung des Sensor-/ Aktorknotens

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1 1 Seminar zum Programmierprojekt (TI) Sommersemester 2007 (Lehrstuhl für Technische Informatik) Ausgabe: 24. Mai 2007 Aufgabe A5: Anleitung Einführung in die Programmierung des Sensor-/ Aktorknotens BTnode Allgemeines Die BTNode System-Software wurde in Rahmen der Aufgabe A2 bereits eingeführt. Jetzt, ist es Zeit, etwas tiefer auf die BTNode-Hardware sowie auf die BTNut/OS einzugehen, um die Implementierung unserer Software zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Aufgaben werden Funktionen zum Steuern der LEDs (Ein- und Ausgabe über GPIO Pins), der I/O Pins, sowie zur Überwachung des Analog/Digital Wandlers bearbeitet. Es sind dies die hardwarenahen Funktionen, beispielsweise die Aktorfunktionen in die einigen Sequenzdiagrammen aufgeführt sind. AVR Hardware Ein-/Ausgabe Ports Die BTNode Hardware basiert auf einem AVR ATMega128L Mikroprozessor, dessen allgemeine Charakteristiken schon in Rahmen der Aufgabe A2 diskutiert worden sind. Die AT- Mega128L enthält 6 bidirektionalen Ein-/Ausgabe Ports jeweils mit 8 Bits. Da diese Ports unterschiedlichen Funktionalitäten, wie z.b. Seriellschnittstelle, Interrupteingänge und A/D Wandlerschnittstelle, übernehmen können, soll eine Einstellung der vorliegenden Schaltung für die Nutzung programmiert werden. Mehr Informationen können in [2] gefunden werden. Die Schaltung des Ein-Ausgabeports des AVR Controllers, dargestellt in der Abbildung 1, haben true Read-Modify-Write Funktionalität. Das bedeutet, dass es möglich ist, die Richtung eines einzelnen Pins (Ein- oder Ausgabe) zu ändern, ohne versehentlich die Richtung eines anderen Pins mit zu verändern. Dies gilt ebenfalls, wenn der Wert des Treibers eines Output-Pins geändert wird, oder Pull-Up-Transistoren ein-ausgeschaltet werden. Das Betriebssystem des AVR Controllers stellt dazu zwei Funktionen zur Verfügung: cbi(port, Pin-Nr.) - Löscht Pin (Pin-Nr.) an Port (PORT) sbi(port, Pin-NR.) - Setzt Pin (Pin-Nr.) an Port (PORT)

2 2 Abbildung 1: Schaltbild der General Purpose I/O-Pins von Atmega128L AVR Hardware Analog/Digital Wandler In der Natur vorkommende Signale sind analog, d.h. sie sind kontinuierlich in der Zeit und der Amplitude (Abbildung 2a). Möchte man analoge Signale aus der realen Welt mit der digitalen Welt der Computer in Verbindung bringen, so muss eine Umwandlung der Information von analoger in digitale Form und umgekehrt durchgeführt werden. Ein Analog-Digital-Wandler (auch: Analog-Digital-Umsetzer, A/D-Wandler oder englisch ADC f. Analog-to-Digital-Converter) wandelt nach unterschiedlichen Methoden analoge Eingangssignale in digitale Daten bzw. einen Datenstrom um, der dann weiterverarbeitet oder gespeichert werden kann. In der ersten Stufe einer signalverarbeitenden Maschine, der Sample-and-Hold-Stufe werden nach einer Filterung des Signals in gleichem zeitlichen Abstand 'Proben' des Signals gezogen, die nun zeitdiskret sind, aber immer noch jeden beliebigen Wert der Amplitude aufweisen können (Abbildung 2b). Man nennt dieses Signal im Englischen auch 'sampled signal'.

3 3 Abbildung 2: Signaltypen Nach dem Sample-and-Hold-Baustein wird das Signal nun vom AD-Wandler in digitale Form gebracht. Dabei weist der AD-Wandler jedem kontinuierlichen Wertebereich der Amplitude einen bestimmten Wert zu. So erhält man ein sowohl zeit- als auch amplitudendiskretes Signal, das in einem Signalprozessor verarbeitet werden kann. Das Gegenstück ist der Digital-Analog-Wandler oder DAC. Nach der Bearbeitung im Signalprozessor kann das Signal durch einen D/A-Wandler wieder in analoge Form transformiert werden. Es liegt dann wieder in zeitkontinuierlicher, aber amplitudendiskreter Form vor. Man sieht also, dass das ursprüngliche analoge Signal nicht wieder gänzlich rekonstruiert werden kann. Bei genügend hoher Auflösung der beteiligten Komponenten (A/D-Wandler, Signalprozessor, D/A-Wandler) kann das Ausgangssignal aber als analog angesehen werden. Der ATmega128 CPU verfügt über einen A/D-Wandler mit einer 10-bit Auflösung. Der A/D- Wandler ist an einen 8-Kanal Multiplexer angeschlossen, der die 8 Pins des Ports F als Eingänge hat. Der A/D-Wandler wird konfiguriert, indem die Special Purpose Register geschrieben werden. Der Status und das Ergebnis der Konvertierung kann wiederum aus den Special Purpose Registern ausgelesen werden.

4 4 Abbildung 3: A/D-Wandler im ATmega128 Wie alle anderen Ressourcen des Mikrokontrollers, wird auch der A/D-Wandler durch das Schreiben von Special Purpose Registern konfiguriert. Auf den Status und das Ergebnis der Konvertierung kann dadurch zugegriffen werden, dass die Special Purpose Register gelesen werden. Im Falle des A/D-Wandlers werden zwei 8-bit Register namens ADMUX und ADCSRA für die Konfiguration und die Statusinformationen verwendet. Die 8-bit Register ADCH und ADCL werden für das Ergebnis der Konvertierung verwendet. Wir wollen jetzt die Spannung der Batterie messen und das Ergebnis mit Hilfe der LEDs anzeigen. Die Lösung sollte folgendermaßen aussehen: #include <hardware/btn-hardware.h> int main(void){ int battery_power; DDRB = 1<<DDB5; while (1){ battery_power = get_battery_voltage(); // if battery_power below 1000 mv, switch on red LED // if battery_power between 1000 mv and 2000 mv, switch on // yellow LED // if battery_power above 2000 mv, switch on green LED // wait a second // switch on blue LED // wait a second } return 0; } Der Lückencode der get_battery_voltage Funktion sieht wie folgt aus:

5 5 int get_battery_volatage(void) { // configure ADMUX ADMUX = 1<<MUX0; ADMUX = 1<<MUX1; // configure ADCSRA register such that the conversion // is as slow as possible and the ADC is enabled // start conversion and wait for result // read (and convert?) result return 0; } Im ersten Schritt wird das Register ADMUX konfiguriert. Wie in dem Manual der BTnode auf der Seite 244 zu sehen ist, ist das BAT SENSE Signal mit dem Pin 3 des Ports F verbunden. Dem Manual entnehmen wir ebenfalls (Seite 239), dass dieser Pin der dritte Kanal des A/D-Wandlers ist. Die Tabelle 98 auf der Seite 244 zeigt, dass die Bits MUX1 und MUX0 vom ADMUX Register gesetzt sein müssen, damit die Spannung am Kanal 3 des A/D- Wandlers gemessen werden kann. Das ADLAR Bit bleibt auf Null gesetzt. Die Bits REFS1 und REFS0 bleiben ebenfalls auf Null gesetzt, weil wir die externe Spannungsreferenz benutzen, die an den AREF Pin des ATmega128 angeschlossen ist. ACHTUNG: BENUTZEN SIE KEINE ANDEREN EINSTELLUNGEN FÜR DIE REFSx BITS, WEIL DADURCH DER MIKROKONTROLLER BESCHÄDIGT WERDEN KÖNNTE! Aufgaben 1. Vorbereitung und Aufgaben für den Suchassistenten Der Suchassistent, der beim Start jeder Bluetooth-Verbindung stattfinden muss, wurde in Aufgabe A2 vorgestellt. Die BTNodes in unserem Projekt spielen die Rolle eines Servers und starten deswegen keine Verbindung. Sie müssen aber bereit sein, auf die Geräte-Anfrage (Inquiry) des Suchassistenten im Mobiltelefon (MT) zu antworten. Das heißt, sie müssen eingestellt werden, um den Inquiry-Befehl des Clients (das MT) korrekt zu antworten. Dafür legen wir einen Namen für den BTNode fest und programmieren ihn in den BTnode ein. Dieser Name wird als Identificator (ID) benutzt, um diesen BTNode zu erkennen. 1. Alle BTnodes in unserem Projekt sollen fähig sein, einen Inquiry Befehl mit einem vom Benutzer gegebenen Namen zu beantworten. Der BT-Stack des BTnut Betriebssystems stellt Methoden zur Verfügung, welche diese Funktionalität implementieren. a) Welche Schicht des BT-Stacks implementiert diese Funktionalität? b) Schreiben Sie ein Programm das den Namen einer BTnode ändert! Kapseln Sie dieses Programm in eine Funktion ein, da diese Ergebnisse in Zukunft nötig sein werden, um die Systemintegration auszuführen. c) Schreiben Sie ein Programm, das bei einer Anfrage eines Suchassistenten den Namen der BTnode zurückgibt. Der Name des BTNodes wird im BT-Stack bei der Initialisierung einstellt.

6 6 2. Aufgaben zu den Ein-/Ausgabeports 1. Auf der BTnode befinden sich 4 LEDs. Schreiben Sie ein Programm, das mit Hilfe der BTNut/OS API LED 1 einschaltet. 2. Erweitern Sie das in Aufgabe 1 entwickelte Programm, um die folgende Punkte zu vervollständigen: a) Die Funktionalität für das Einschalten der LED 1 soll in eine Funktion gekapselt sein. Diese Funktion ist Teil des Aktorfunktionen -Moduls, das im Pflichtenheft beschrieben ist. Achtung: Nennen Sie die Funktionen/Funktionsaufrufe (Befehle) entsprechend der Beschreibung im Pflichtenheft: Beispiel: Der Funktionsaufruf lampe(1) in Abbildung 9: Sequenzdiagramm. soll im Modul Aktorfunktionen die Lampe einschalten. b) Schreiben Sie ähnlich wie unter 2a eine zweite Funktion, die das Ausschalten des LEDs bewirkt. c) Die LEDs sind geeignet für Tests, da sie schon korrekt am Mikrokontroller angeschlossen sind. Um die Funktionalität des Ein-/Ausschaltens der Lampe zu implementieren, soll der richtige I/O Port verwendet werden. Ändern Sie die Funktionen, um den Pin 3 auf Port E zu steuern. 3. Der Pin 6 von Port E (PE6) der Atmega128 CPU ist mit dem Notfallsensor verbunden. Schreiben Sie ein Programm mit Hilfe des BTNut/OS API, das diesen Pin als Eingang einstellt. Wird der Notfallsensor aktiviert, soll auf der BTNode die LED 1 eingeschaltet werden. Kapseln Sie diese Funktionalität in eine Funktion. Diese Funktion ist Teil des Notfall- Sensor -Moduls, das im Pflichtenheft beschrieben ist und wird beim Notfall Status Polling benutzt. 4. Der Pin 3 von Port E (PE3) der Atmega128 CPU ist mit der Lampe verbunden. Schreiben Sie ein Programm mit Hilfe von BTNut/OS API, das den Status dieses Pins überprüft (Achtung, hier soll der Pin immer als Output bleiben!). Kapseln Sie diese Funktionalität in einer Funktion. Diese Funktion ist Teil des Aktorfunktionen -Moduls, das im Pflichtenheft beschrieben ist, und wird bei der Beleuchtung als Status Polling benutzt. 3. Aufgaben zum A/D-Wandler 5. Jetzt sind Sie an der Reihe, das ADCSRA Register zu konfigurieren. Für maximale Präzision wollen wir die langsamste Konvertierungsgeschwindigkeit benutzen. Wir benutzen keinen Interrupt und führen eine einzige Konvertierung durch. Nachdem der A/D-Wandler eingestellt worden ist, kann mit der Konvertierung begonnen werden. Dies geschieht, sobald das ADSC Bit des ADCSRA Registers gesetzt wird. Wenn die Konvertierung durchgeführt ist, wird dieses Bit automatisch zurückgesetzt. Warten Sie darauf und lesen sie dann das Ergebnis aus den Registern ADCL und ADCH aus. Berechnen Sie die Konvertierungsergebnisse, die Sie für die Batteriespannung von 1 V und 2 V erwarten. Bekanntenrmaßen beträgt die Referenzspannung 3300 Millivolt, der A/D- Wandler liefert 10-Bit Werte und das BAT SENSE Signal ist die Hälfte der Batteriespannung (siehe Schaltkreise Schematics ). TIPP1: Falls das Konvertierungsergebnis immer Null ist, stellen Sie sicher, dass Sie (i) Batterien in die BTnode eingebaut haben oder die Batterien-Kontakte an die externe Spannungsversorgung angeschlossen haben und (ii) die Stromversorgung (power switch) angeschaltet

7 7 ist (wenn die BTnode an das USB-Kabel angeschlossen ist, wird die BTnode mit Strom versorgt auch wenn der power switch ausgeschaltet ist. Dann ist aber das BAT SENSE Signal immer Null). TIPP2: Verwenden Sie die Programmstruktur, die in dem Lückencode vorgegeben ist 6. Integrieren Sie den in der Anleitung gegebenen Lückencode in ein BTNode Programm. Vervollständigen Sie dieses Programm, so dass Sie die Batteriespannung messen können. 7. Erweitern Sie das in Aufgabe 1 entwickelte Programm, um die folgende Punkte zu vervollständigen: a) Die Funktionalität für die Überwachung der Batterie soll in eine Funktion gekapselt sein. Diese Funktion ist Teil des Batterie-Sensor -Moduls, das im Pflichtenheft beschrieben ist. Achtung: Nennen Sie die Funktionsaufrufe bzw. Befehle, entsprechend der Beschreibung im Pflichtenheft: Beispiel: Der Funktionsaufruf asknotstate() in Abbildung 14: Sequenzdiagramm soll im Modul NotfallSensor den Notfallsensor abfragen. Achtung: Nennen Sie diese Funktion nach der Beschreibung des Pflichtenhefts. TIPP: Sie finden mehr Informationen dazu in den Beispielen die in [1] veröffentlicht sind. Anhang Literatur und Quellen [1] [2] AVR Spezifikationsblatt. Atmega128L-Spec.pdf [3]