embedded projects GmbH DATENBLATT AVR Starterkit mit USBprog Einstieg in das USBProg-STK-AVR Montage / Aufbau Entwicklungsumgebung Debian / Ubuntu Windows Beispielanwendung 1/41
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Lieber Kunde, wir versuchen Ihnen mit unseren Datenenblättern einen reibungslosen Einstieg in unsere Produkte zu ermöglichen. Sollte etwas wie im Datenblatt beschrieben nicht funktionieren, können Sie uns gerne eine E-Mail an support@embedded-projects.net schreiben. Wir wünschen Ihnen viel Erfolg und gutes Gelingen! Mit freundlichen Grüßen embedded projects GmbH 3/41
Inhaltsverzeichnis AVR Starterkit mit USBprog... 1 1 Vorkenntnisse... 5 2 Hintergrundwissen... 6 3 Lieferumfang... 7 4 Aufbau der Hardware... 8 5 Installation der Software unter Ubuntu bzw. Debian...11 5.1 Übersetzen + Übertragung der Beispielprogramme...13 5.2 UART-Demo... 15 6 AVR Studio 5 Installation unter Windows... 20 6.1 Übersetzen + Übertragung der Beispielprogramme...24 6.2 UART-Demo... 32 7 Ansteuerung eines Schrittmotors... 35 7.1 Aufbauen der Hardware... 36 7.2 Software (Demo)... 39 8 Weitere Informationen... 40 9 Typische Fragen und Probleme... 40 10 Anhang... 41 4/41
Vorkenntnisse 1 Das USBprog STK ermöglicht einen einfachen Einstieg in die Welt der Mikrocontroller. Als Vorkenntnisse werden vorausgesetzt: Erfahrung in einfachen Lötarbeiten (keine SMD Bauteile, sondern einfache Drahtbauteile, Stecker, etc. ) Grundkenntnisse im Programmieren (Programmfluss, Schleifen, Bedingungen, Funktionen) keine Angst es gibt genug Beispielanwendungen! Interesse und Spaß am Basteln und Ausprobieren PC mit USB Schnittstelle 5/41
2 Hintergrundwissen Mikrocontroller befinden sich heutzutage in fast allen Geräten die im Laden zu kaufen sind. Bereits einfache Mikrocontroller haben mittlerweile Rechengeschwindigkeiten von alten PC-Computern erreicht. Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl an Herstellern und Modellen. Angepasst an die Anwendung, die man mit einem Mikrocontroller erledigen möchte, kann man als Profi den richtigen Prozessor auswählen. Das Starterkit beinhaltet einen ATMega8 von Atmel. Atmel ist eine Firma, die Mikrocontroller herstellt. Der ATMega8 gehört zu der Familie der AVR-Prozessoren. AVRProzessoren kennzeichnen sich primär durch einen 8-Bit Kern, integrierte Flashspeicher für das Programm, das Sie später schreiben, und einen internen Arbeitsspeicher, für die Ablage Ihrer Variablen und für den Programmablauf. Der wesentliche Unterschied bei der Auswahl von Prozessoren, sind oft nicht die Prozessoren selbst, sondern vielmehr die Verfügbarkeit von Software für die Erstellung von Programmen. Viele Prozessorenhersteller bieten kostenlose Software an, jedoch gibt es auch einige, bei denen man schnell größere Summen investieren muss. Für die AVR-Familie von Atmel gibt es bereits sehr lange sehr stabile Open-Source Software. Hier muss kein Geld investiert werden, um zu starten. Aus diesem Grund hat sich die AVR-Familie vor allem im Hobby oder Ausbildungsumfeld etabliert. Wichtigste Software beim Entwickeln von Programmen für AVR-Mikrocontroller: Kompiler, Linker und Assembler: GNU/GCC Toolchain C-Bibliothek für Mikrocontroller: avr-libc Software für die Übertragung der Firmware in den internen Flash-Speicher des AVR-Prozessors: avrdude Dies aber nur als Vorabinformation. Im Bereich Software werden wir diese Anwendungen alle gemeinsam installieren. 6/41
Lieferumfang 3 Abbildung 1: Lieferumfang AVR Starterkit Evaluationsboard von Olimex ( AVR-P28-8MH8 ) Netzteil ATMega8 zum Einstecken in das Evaluationsboard USBprog Bausatz ( USBProg AVR Klon ) USB-Kabel Flachbandkabel 10 Polig 7/41
4 Aufbau der Hardware Zusammenbau des Programmieradapters: Abbildung 2: USBprog Aufbau Der USBprog ist bereits vorprogrammiert. Er muss nur noch fertig gelötet werden. Auf dem Vorher-NachherBild (Abbildung 2 mit blauem Pfeil) sieht man, von welcher Seite aus die Bauteile montiert werden müssen. Die mitgelieferten Jumper werden für die folgenden Beispiele nicht benötigt und deshalb nicht gesteckt. 8/41
Einstecken des Mikrocontrollers in das Evaluationsboard: Abbildung 3: AVR-Starterboard Der ATMega8 muss nun vorsichtig in den Sockel gedrückt werden. Wichtig dabei ist, dass er richtig herum eingesteckt wird. Der ATMega8 hat an einer Stelle eine Markierung (Siehe Abbildung 3). Die gleiche Markierung findet man auch auf dem AVR-Starterboard von Olimex. Es kann sein, dass die Beinchen des 28-poligen ATMega8 leicht nach innen gedrückt werden müssen, bevor der Baustein in den IC-Sockel passt. 9/41
Anstecken des Netzteils und des Programmieradapters: Abbildung 4: Verbindung von Board und USBprog Im letzten Schritt müssen nur noch der USBprog und das AVR-Starterkit verbunden werden. Bevor der USBprog an den PC angeschlossen wird, sollte unter Windows zuvor WinAVR und das AVR-Studio installiert werden (unter Linux ist die Reihenfolge hinfällig). So kann man vermeiden, dass Windows nach Treibern für den USBprog sucht, obwohl noch keine vorhanden sind. Das Netzteil und der USBprog können später während der Programmierung bedenkenlos längere Zeit durchgehend am Starterboard angeschlossen sein. 10/41
5 Installation der Software unter Ubuntu bzw. Debian Entweder haben Sie bereits einen Linux PC installiert. Falls nicht ist dies keine Problem. Laden Sie sich hierfür eine Ubuntu Installations (Ubuntu Desktop Edition) CD von: http://www.ubuntulinux.org/ brennen Sie diese auf CD. Nach dem Booten der CD kann man dem Installationsassistent folgen. Ist Linux jetzt installiert kann die notwendige Software für die AVR-Programmierung. Öffnen Sie das Terminal (Strg-Alt-T) oder Anwendungen->Zubehör->Terminal: sudo apt-get update sudo apt-get install gcc-avr avrdude avr-libc usbprog usbprog-gui libusbprog0 Nach der Installation befinden sich alle notwendigen Programme auf dem Computer. Jetzt können Sie zum ersten Mal eine Verbindung zum Atmega8 auf dem Evalboard aufbauen. Hierfür kann einfach die interne Kennung des Prozessor abgefragt werden. Funktioniert dies ohne Probleme, so kann später auch das selbst geschrieben Programm ebenfalls übertragen werden. sudo avrdude -c avrisp2 -p m8 -B 10 -P usb Als Ergebnis sollte erscheinen: avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions Reading ################################################## 100% 0.01s 11/41
avrdude: Device signature = 0x1e9307 avrdude: safemode: Fuses OK avrdude done. Thank you. Es kann sein, dass Sie noch einmal aufgefordert werden, das Passwort des Computers bzw. Ihres Benutzers einzugeben. Dies hat folgenden Hintergrund: Wenn Sie unter Linux auf Geräte zugreifen, benötigen Sie die entsprechenden Rechte. Für das USB Programmiergerät sind, anders als für Drucker und ähnliche Geräte, jedoch meist keine Standardrechte angelegt. Der vorangestellte Befehlt sudo ermöglicht eine Ausführung des nachfolgenden Befehls mit Administrationsrecht (Benutzer root). Falls es zu Problemen kommt, überprüfen Sie noch einmal ob: Die Verbindungen tatsächlich wie beschrieben gesteckt wurden. Alle Jumper richtig gesteckt wurden Das Netzteil auf die korrekte Spannung eingestellt und auch wirklich mit einer Stromführenden Steckdose verbunden ist (bzw. ob 5 V an den VCC Pins des ATMega8 anliegen). 12/41
5.1 Übersetzen + Übertragung der Beispielprogramme Nach dem der Zugriff auf den Mikrocontroller jetzt funktioniert, kann das erste Programm am PC übersetzt, und mittels Programmiergerät in den Flash-Speicher des Mikrocontrollers übertragen werden. Laden Sie sich hierfür das Beispielpaket herunter: http://embeddedprojects.googlecode.com/files/700098_avrstarterkit.zip Gerne können Sie dies über die grafische Oberfläche machen, oder Sie folgen der Anleitung welche es über den klassischen Linux weg macht. Öffnen Sie das Terminal (Strg-Alt-T) oder Anwendungen->Zubehör->Terminal: sudo apt-get install wget cd mkdir AVR cd AVR wget http://embeddedprojects.googlecode.com/files/700098_avrstarterkit.zip unzip 700098_AVRSTARTERKIT.zip cd blink/blink 13/41
In dem neuen Ordner blink finden Sie folgende Dateien: main.c Makefile blink.c: #include <avr/io.h> #define F_CPU 1000000 #include <util/delay.h> int main(void) { DDRC = (1<<PC5); while(1) { PORTC =(1<<PC5); _delay_ms(1000); PORTC &=~(1<<PC5); _delay_ms(1000); } } Die Datei blink.c beinhaltet das Programm für den Mikrocontroller. Die Datei Makefile ist eine Steuerdatei, welche bei der Kompilierung und Übertragung der Firmware in den Mikrocontroller hilft. Die anderen Dateien können bedenkenlos gelöscht werden. Übersetzen und programmieren in den Flash-Speicher: make 14/41
make program Und schon Blinkt die LED auf unserem Board. Diese Befehle sind übrigens für alle drei Beispielprogramme gültig. Die ButtonDemo sollte also auch ohne Probleme in den Flash-Speicher übertragen werden können. 5.2 UART-Demo Mit dem UART Demo können über eine RS232-Schnittstelle bzw. einem USB-RS232 Wandler Daten zwischen Mikrocontroller und Computer ausgetauscht werden. Für das Demo wird ein einfacher USB-RS232 Wandler verwendet, welcher direkt an den PC und Mikrocontroller angeschlossen werden kann. Als Vorbereitung muss ein 4 poliger Sockel entsprechend montiert werden, nachfolgend der Gesammtaufbau. Das blaue und das rote Kabel in Abbildung 7, sind für den Direktabgriff mit USB-UART Brücke nicht von Bedeutung. 15/41
Abbildung 5: UART, Direktabgriff 16/41
Abbildung 6: Verbindung UART Sockel zu Controller Um die UART-Verbindung zu gewährleisten muss natürlich zuerst eine Physikalische Verbindung mit einem Empfänger (bzw. Sockel) hergestellt werden. Dazu wird, bei Verwendung des Direktanschlusses(Abbildung 5: UART, Direktabgriff), der RX Pin(2) des Atmega8 mit dem RX Ausgang, und der TX Pin(3) des Atmega8 mit dem TX Eingang der USB-UART Brücke verbunden. Bei Verwendung des onboard Chips, zum Verbinden mit RS232 Kabel, muss der RX Pin(2) des Atmega8 mit dem TX Ausgang, und der TX Pin(3) mit dem RX Eingangs des RS232 Interfaces verbunden werden. 17/41
Nun lässt sich das Programm mit den bereits bekannten Befehlen Compilieren und in den Flash-Speicher übertragen: make make program Die Ausgabe kann man dann zum Beispiel über einen RS232 zu USB Adapter anzeigen lassen indem man indem man Picocom Aufruft. picocom -b 2400 /dev/ttyusb0 Falls es zu Problemen kommt, überprüfen Sie noch einmal ob: Die UART (RX, TX) tatsächlich richtig verbunden ist. Die Fuse-Bits wie beschrieben gesetzt wurden. Der RS232 Adapter funktioniert und richtig angesprochen wird (/dev/ttyusbx) 18/41
Hinweis schnellere Baudrate: Für das Beispielprogramm kann man eine höhrer Baudrate nutzen wenn man die FUSE Bits umstellt. Die Einstellungen lassen wir das vorgefertigte Makefile erledigen, indem wir folgendes eingeben: avrdude -p m8 -P usb -c avrispv2 -U lfuse:w:0xe4:m -U hfuse:w:0xd9:m Danach ist unser Atmega8 dauerhaft über den internen 8MHz Oszillator getaktet. Die Standardeinstellung bekommt man wieder wie folgt her: avrdude -p m8 -P usb -c avrispv2 -U lfuse:w:0xe1:m -U hfuse:w:0xd9:m 19/41
6 AVR Studio 5 Installation unter Windows Wenn der Mikrocontroller in C programmiert werden soll, muss als nächstes erst das Paket WinAVR und dann das AVR Studio inkl. USB-Treiber installiert werden. WinAVR kann von der Internetseite http://winavr.sourceforge.net heruntergeladen und installiert werden. WinAVR ist keine grafische Entwicklungsumgebung. Es beinhaltet ausschließlich kommandozeilenbasierende Programme wie den C-Compiler oder Software die es ermöglicht, Programme in den Flashspeicher der AVR-Controller zu übertragen. Nach dem WinAVR installiert worden ist, kann mit dem AVR-Studio fortgefahren werden. Das AVR-Studio kann man von der Internetseite von Atmel herunterladen: http://www.atmel.com/avrstudio. 20/41
Abbildung 7: Schritt 1 Installation AVR Studio 5 21/41
Abbildung 8: "Next" anklicken Ist jetzt WinAVR, das AVR-Studio, kann als nächstes USBprog das erste mal angesteckt werden. Windows sollte jetzt automatisch die Treiber finden und aktivieren. (Es kann auch das AVR-Studio geöffnet werden, ein C-Projekt eröffnet und das Programmiergerät AVR ISP mkii für die Embedded-Projects Starterkit Plattform gewählt werden. Wir werden aber im späteren Verlauf der Anleitung noch genauer darauf eingehen.) 22/41
Jetzt kann einem erfolgreichen Einstieg in die Programmierwelt der AVR-Controller nichts mehr im Wege stehen. 23/41
6.1 Übersetzen + Übertragung der Beispielprogramme Nach dem der Zugriff auf den Mikrocontroller jetzt funktioniert, kann das erste Programm am PC übersetzt, und mittels Programmiergerät in den Flash-Speicher des Mikrocontrollers übertragen werden. Laden Sie sich hierfür das Beispielpaket herunter: http://embeddedprojects.googlecode.com/files/700512_usbprogstk_avr.zip Entpacken Sie das Archiv lokal in Ihr Dateisystem. Öffnen Sie AVR-Studio und klicken Sie auf Öffnen Projekt/Solution. Wählen Sie anschließend das zu öffnende Projekt bzw. die Solution. 24/41
Abbildung 9: Solution öffnen Dann die Quelltextdatei öffnen: 25/41
Anschließend das Projekt übersetzen: Und dann in den Flash des Mikrocontrollers übertragen: 26/41
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Entsprechend den Programmieradapter und Mikroprozessor Type auswählen: Erfolgreich verbunden: 28/41
Auswahl Memories: 29/41
Dann die Datei (.hex) auswählen aus dem Ordner blink/blink/debug Und schließlich Program drücken: 30/41
Die Boards sollten (sofern die Jumper stecken) blinken. Auch die anderen Beispielprogramme können so benutzt werden. 31/41
6.2 UART-Demo Das UART Program dient zur Demonstration der RS232-Schnittstelle. Das Programm kann genauso wie Blink übersetzt und in den Flash des Mikrocontrollers übertragen werden. Zusätzlich benötigt noch ein Terminal Programm. Unter Windows XP &Co. gab es immer das Hyperterminal. Unter Windows gibt es dieses Standardprogramm nicht mehr. In diesem Demo wurde Tera Term verwendet. http://ttssh2.sourceforge.jp/manual/en/ Dies ist ein freies Terminal Programm. Wichtig ist, dass man das zweite USB-Kabel ansteckt um per RS232 sich mit dem PC zum Mikrocontroller verbinden zu können (Windows 7 installiert die Treiber automatisch nach dem Anstecken). 32/41
Die Baudrate muss noch auf 2400 heruntergestellt werden, denn mit dem internen Quarz in der Grundeinstellung kann man keine höheren Baudraten erreichen: Nach einem Druck auf Reset am USBprog STK AVR Board (neben Taster 2) sollte folgende Ausgabe erscheinen: 33/41
Falls es zu Problemen kommt, überprüfen Sie noch einmal ob: Die UART (RX, TX) tatsächlich richtig verbunden ist. Die Fuse-Bits wie beschrieben gesetzt wurden. Der RS232 Adapter funktioniert und richtig angesprochen wird (COMx) Hallo Welt wurde vom Benutzer eingeben. Diese sieht man wieder, da das Programm auf dem Mikrocontroller die Eingabe 1:1 wieder ausgibt: while(1){ c=uartreceive(); if (c){ UARTTransmit(c); } } 34/41
Hinweis schnellere Übertragung: Möchte man das Programm mit einer höheren Baudrate nutzen kann man den internen Quarz von 1 Mhz auf 8 Mhz stellen. Anschließend muss man noch in Quelltext die 2400 in z.b. 9600 ändern. Das Program neu übersetzen. In den Projekteinstellungen sollte man ebenfalls die Einstellung auf 8 MHz einstellen, sonst gibt es bei Funktionen die mit Zeiten arbeiten (wie z.b. delay_ms) zu falschen Verhalten. 7 Ansteuerung eines Schrittmotors 35/41
Hier soll kurz demonstriert werden, wie man einen Schrittmotor mit dem Starterkit ansteuert. Allerdings wird der Schrittmotor mit einem Schrittmotortreiber (TMC222) über den I2C- Bus verbunden. So übernimmt der Treiber-IC die eigentliche physikalische Ansteuerung des Schrittmotors und der Atmega8 die logische. Aufbauen der Hardware 7.1 Der Aufbau kann der nachfolgenden Abbildung entnommen werden. Dabei wurden folgende Komponenten verwendet: Grundaufbau des USBProg-STK Schrittmotor (QSH 4218-35-10-027) TMC222 Controller-Platine von http://www.ulrichradig.de/ Der oben bereits erwähnte USB zu TTL(UART)-Adapter 36/41
Abbildung 10: Verkabelung der Komponenten Die Abbildung 10 zeigt ein anderes Starterkit von oben mit der Anbindung des I2C-Bus Kabel und dem TTL(UART) Kabel. 37/41
Abbildung 11: I2c - und TTL (Uart) Kabel Auch die Verkabelung der TMC222 Controller-Platine wird in der folgende Abbildung gezeigt. 38/41
Abbildung 12: Verkabelung der Controller-Platine Um das Demo zu nutzen muss auf den internen 8 Mhz Quarz umgestellt werden! Siehe Beschreibung im UART Demo! 7.2 Software (Demo) Der verwendete Quellcode von http://www.ulrichradig.de/ wurde für das USBProg-STK angepasst. Das Demo-Programm sollte deshalb Out of the box auf dem Bord funktionieren. Der angepasste Quellcode sollte soweit selbsterklärend sein. Um den Motor an eine bestimme Position zu navigieren, muss lediglich der Parameter (POSTION) der Funktion SetPosition(POSITION) verändert werden. Weiter Funktionen mit Erklärungen sind im Datenblatt zu finden. 39/41
8 Weitere Informationen Projekthomepage: http://www.embedded-projects.net/index.php?page_id=148 Offline Handbuch USBprog: http://www.bwalle.de/programme/usbprog/usbprog.pdf Weitere Informatonen USBprog: http://www.bwalle.de/website/usbprog.html Zubehör + Links: http://www.eproo.de/index.php?module=artikel&action=gruppe&id=22 http://www.ulrichradig.de/ 9 Typische Fragen und Probleme 40/41
10 Anhang Abbildung 13: Schaltplan 41/41