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Lernfeld 7 ESY11
Inhalt 1. Zeitplan und Organisation .............................................................................................. 3
2. Zugang Server und WLAN Cisco01 ................................................................................ 3
3. Kennenlernen Beispiel - Plattform .................................................................................. 3
a. Lerninhalte 10 Klasse: STT und ITSEL ....................................................................... 3
b. Ausstattung Lehrmittel der Schüler ............................................................................. 4
4. DIN 19226: Steuern und Regeln ..................................................................................... 5
a. Steuern ....................................................................................................................... 7
b. Regeln ........................................................................................................................ 7
c. Komponenten und Größen im Regelkreis ................................................................... 7
5. Mikrocontroller – Assemblerprogrammierung – „C“ ........................................................ 9
a. AVR – Mikrocontroller Familie Atmega 8 ..................................................................... 9
6. Interne Architektur und Funktionseinheiten....................................................................10
a. Vergleich Neumann - Harvard ....................................................................................10
b. Blockdiagramm Prüfung IHK PIC 16F88 ....................................................................11
c. ATmega48PA/88PA/168PA/328P Block Diagramm ...................................................12
a. Beschreibung der Funktionsblöcke ............................................................................12
b. Übung Information - Internetrecherche – Datenblätter - .............................................13
7. Programmspeicher, Arbeitsspeicher, Register, Stack (Flash, EEPROM, RAM, …) .......14
a. Übung RAM – FLASH - ASCII ...................................................................................15
b. General Purpose Register .........................................................................................16
c. Stack/ SRAM, LIFO, FIFO..........................................................................................18
d. Übung LIFO ...............................................................................................................18
e. Übung FIFO: ..............................................................................................................19
f. Das Statusregister .....................................................................................................19
g. Interrupts ...................................................................................................................21
8. ALU Rechnerkern (ALU, Steuerwerk, Status, FLAGS, Peripheriemöglichkeiten, …) .....21
9. Reset .............................................................................................................................22
a. Übung: Reset Zeitdiagramm. .....................................................................................23
10. E/A-Ports (digital, analog, hochohmig, niederohmig) .................................................24
b. Pull - Up, Pull - Down .................................................................................................26
c. Übung: EVA - Arduino ................................................................................................28
11. Port Lesen/Schreiben ................................................................................................29
d. PIN Zuordnung Atmega Uno – Pin Mapping ..............................................................30
e. Assembler- und C-Code ............................................................................................30
12. Hardware - externe Architektur ..................................................................................30
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a. EVA- Blockschaltbild ..................................................................................................30
b. Pin Belegung Mikrocontroller .....................................................................................31
a. Arduino Board – Komponenten ..................................................................................33
b. Interface – Programmierschnittstelle ..........................................................................33
c. Schaltplan Arduino-Board ..........................................................................................33
d. Schaltplan – Peripherie ..............................................................................................33
e. Stückliste ...................................................................................................................33
13. Entwicklungsumgebung für Arduino Uno ...................................................................34
a. Entwicklungsboards - Arduino und Zubehör ...............................................................34
b. http://fritzing.org/download/ ........................................................................................34
c. Fritzing.exe – Steckplatine - Schaltplan - Leiterplatte .................................................34
d. http://fritzing.org/home/ - z.B. Beispiel - Blink .............................................................34
e. Integrierte Softwareentwicklungsumgebung ...............................................................34
f. http://arduino.cc/en/Main/Software .............................................................................34
g. http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage .....................................................................34
14. Struktogramm - Zustandsdiagramm ...........................................................................34
a. PAP Struktogramm für Assembler und C .................................................................34
b. Lineare Programmierung ...........................................................................................34
c. Schleifen ....................................................................................................................34
d. Verzweigungen ..........................................................................................................34
e. Unterprogrammtechnik ..............................................................................................34
f. Ereignisse - Interrupt..................................................................................................34
15. Language Referenz - siehe Reference Arduino .........................................................34
a. http://arduino.cc/en/Reference/HomePage ................................................................34
16. Handlungsplan - E 4.0 - Ereignisgesteuerte Ampel für die Mitarbeiter .......................34
a. Information .................................................................................................................34
b. Planung .....................................................................................................................35
c. Entscheidung – Auftrag vom Kunden .........................................................................35
d. Realisierung – Hard- und Software ............................................................................35
e. Kontrolle ....................................................................................................................35
f. Bewertung - Kundenübergabe ...................................................................................35
17. Übungen ....................................................................................................................35
g. U1 Erstellen Sie eines Blockschaltbildes mit Word ....................................................35
h. U2 Blink .....................................................................................................................35
i. U3 Ton .......................................................................................................................35
18. Neue mögliche Kundenaufträg3 - siehe Handlungsplan und LF 11-13 .......................36
19. Quellen ......................................................................................................................36
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1. Zeitplan und Organisation Bitte tragen Sie die Termine in den Schulaufgabenkalender ein. Die Schulaufgaben zählen doppelt. Mündliche Noten werden aus praktische Übungen, Exen, Tests und mündlichen Fragen gebildet. In die Benotung kann die Sauberkeit der Arbeit einfließen.
Leistungsnachweis Termin Ergebnis
1. Schulaufgabe
2. Schulaufgabe
1. Mündliche Note
2. Mündliche Note
3. Mündliche Note
4. Mündliche Note
5.
6.
7.
2. Zugang Server und WLAN Cisco01 Extern download der Schulungsinhalte:
it.bszam.de/20150209AmbergArduino.zip
Intern Laufwerk: 1)
http://172.17.21.2/01Schueler/17
Netz Cisco01 WLANKey: 0486133987598039
Netz: Telekom UniFiBSZAM
Zugangscode
User:
schueler
Pw:
cisco
Notebook: Mac:
User: Pw:
Bemerkung:1 ) Anleitung für Netzlaufwerk verbinden https://www.rz.uni-osnabrueck.de/Dienste/Internet/Virtuelle_WWW_Server/Upload/windows7.htm SMB wurde ursprünglich in NetBIOS over TCP/IP (NBT) über die TCP/UDP-Ports 137–139 gekapselt, die Namensauflösung erfolgte häufig mittels WINS bzw. Broadcasts. Neuere Windows-Versionen nutzen SMB direkt auf dem TCP-Port 445
3. Kennenlernen Beispiel - Plattform a. Lerninhalte 10 Klasse: STT und ITSEL
Office: Word, Editor
Zahlensysteme: Dualzahlen umwandeln, addieren und subtrahieren, Multiplikation und Division.
http://www-i1.informatik.rwth-aachen.de/infoki/Mathe5k/StellenwertsystemeErkl.pdf
Hex-, Binär- und BCD-Code Siehe Fachkundebuch und Rechenbuch
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Diode
b. Ausstattung Lehrmittel der Schüler
Bücher Die Bücher können nach Rücksprache mit dem Lehrer ausgeliehen werden.
Arduino Uno /YUN
Eigenes Notebook ist empfehlenswert.
Software Siehe Download…
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4. DIN 19226: Steuern und Regeln
Zeichnen und beschriften Sie den Regelkreis mit den zugehörigen Komponenten, Begriffen und Einheiten.
Solldrehzahl
Sollwert
Ist –Wert, Ist -Drehzahl
Lösungsvorschlag:
YR = Energiestrom f. Frequenzumrichter
Y= variabel Frequenz und damit variablen Strom
X = (Ist=>Soll, dann ideal)-Drehzahl
W= Spanngung Potentiometer entspricht Drehzahl n
r = Rückführungsgröße ist Drehzahl, z.B. Tachospannung
e = w-r (Soll-Drehzahl minus Ist-Drehzahl)
z = Drehzahl sinkt durch Belastung.
Regelstrecke: Motor mit Umsetzer
Motor
mit Umrichter
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a. Steuern
Unter „Steuern“ versteht man …“einen Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen
b. Regeln
Regeln… ist ein Vorgang, bei dem eine Größe, die zu regelnde Größe, Regelgröße, fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, vergleichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße x im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich beeinflusst.
c. Komponenten und Größen im Regelkreis
Beispiel: Motorsteuerung Drehzahl Damit beim Motor unter Last die Drehzahl konstant bleibt, muss das Drehmoment angepasst werden. Dies geschieht durch die Steuerung der Zufuhr des Stromes. Je höher der Strom desto höher das Drehmoment, desto höher die Drehzahl. Die Steuerung geschieht durch ein vorgeschaltetes Stromventil. Das Ventil wird bei Bedarf auf- und zugefahren. Dazu benötigt er Informationen.
Beispiel: Fräsen Der Motor hat für den Fräsvorgang eine vorgegebene Drehzahl. Diese wird voreingestellt und ist die Solldrehzahl ns. An der Motorwelle kann die tatsächliche Drehzahl ni, Ist-Drehzahl gemessen werden. Die erfolgt z.B. mit einem Tachogenerator, der eine Spannung proportional zur Drehzahl erzeugt. Werden nun die Soll-Drehzahl und die Ist-Drehzahl als Spannung abgebildet lassen sich die Spannungen vergleichen, subtrahieren. n = 0 U = 0V; nmax U =10V Die resultierende Spanungsdifferenz steuern das Stromventil und damit die Drehzahl des Motors.
Merke: Regeln
Regeln geschieht in einem ständigen Kreisprozess:
Messen der Drehzahl
Vergleich der Soll- und Ist-Drehzahl
Verstellen des Stromventils zum Angleichen der Ist-Drehzahl an die Soll-Drehzahl.
Messen der Ist-Drehzahl usw.
Erklärung der Komponenten und Größen eines Regelkreises. Bespiel: Regelstrecke: Der Umsetzer mit Antriebsmotor ist die Regelstrecke, die Drehzahl die Regelgröße.
Regelgröße x – Ist-Wert Die Regelgröße x (Ist-Wert) soll dem Sollwert der Solldrehzahl, auch bei Störungen, entsprechen und daran angepasst werden.
Führungsgröße w Die Führungsgröße w, die Soll-Drehzahl entspricht einem bestimmten Spannungswert (0-10V). Dieser wird z.B. mit einem Potentiometer eingestellt. Daraus resultiert die Drehzahl (0-3000 1/min) Die Führungsgröße bestimmt den Sollwert.
Rückführungsgröße r Sie resultiert durch Messung der Regelgröße am Ausgang der Regelstrecke, dem Ist-Wert. Dieser mit dem Tachogenerator ermittelte Wert, die Drehzahl muss an die Spannung der Führungsgröße (0-10V) für den Vergleich angepasst werden.
Stellglied Ist der Regelstrecke x (Solldrehzahl) vorgeschaltet und verstellt in Abhängigkeit der Stellgröße YR, (Frequenzumrichter) den Energiefluß (Frequenz/Strom) der Regelstrecke.
Stellgröße y Ist der Energiestrom, der dosiert vom Stellglied der Regelstrecke zugeführt wird.
Regeldifferenz e Ergibt sich aus der Differenz Führungsgroße w und Rückführungsgröße r: e = w-r Der Wert sollte im abgestimmten Kreis 0 sein.
Regler Er hat 2 Funktionen die Bildung und Verstärkung der Regeldifferenz e. Der Verstärker kann aus verschieden Kombinationen bestehen (I, PD-Glied, siehe OP. Er liefert das Ausgangssignal, Stellgröße YR, (Frequenzumrichter) für das Stellglied.
Störgröße z Sie kann auf alle Komponenten einwirken, hauptsächlich sind es Belastungsschwankungen, Leerlauf Bearbeitung.
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In unseren Beispielen beschränken wir uns auf den Begriff Steuerung!
Zeichnen und beschriften Sie den Regelkreis mit den zugehörigen Komponenten, Begriffen und Einheiten.
Lösungshilfe: YR = Energiestrom f. Frequenzumrichter
Y= variabel Frequenz und damit variablen Strom
X = (Ist=>Soll, dann ideal)-Drehzahl
W= Spanngung Potentiometer entspricht Drehzahl n
r = Rückführungsgröße ist Drehzahl, z.B.
Tachospannung
e = w-r (Soll-Drehzahl minus Ist-Drehzahl)
z = Drehzahl sinkt durch Belastung.
Regelstrecke: Motor mit Umsetzer
Nennen Sie 4 Beispiele für Regelstrecken, Regelgrößen und Stellglieder.
Zeichnen Sie den vollständigen Regelkreis für ein Beispiel. FK. 15.5,1, S.569
Nennen Sie wichtige regeltechnische Größen.
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Ausgangssituation – Projekt – Steuerkomponenten – E4.0 Ampel
5. Mikrocontroller – Assemblerprogrammierung – „C“ Was ist ein Mikrocontroller - Mikroprozessor http://www.arduino-tutorial.de/grundlagen/ http://www.mikrocontroller.net/part/ATMEGA328 http://www.mouser.de/ProductDetail/Atmel/ATMEGA328-PU/?qs=lwdSMh1%2FoYJT8tfItQpQtA%3D%3D https://de.wikipedia.org/wiki/Atmel_AVR
a. AVR – Mikrocontroller Familie Atmega 8
Atmel Corporation ist ein US-amerikanischer Hersteller von Integrierten Schaltungen mit Sitz in San Jose, Kalifornien. Bei der AVR-Mikrocontroller Familie von Atmel handelt es sich um ein 8 Bit Mikrocontroller mit RISC-Architektur für die unterschiedlichsten Anwendungen. Schon bei der Entwicklung der AVR Mikrocontroller hat Atmel sehr eng mit den Herstellern von Hochsprachen zusammengearbeitet, um die Architektur und den Befehlssatz für den kompilierten C-Code so effizient wie möglich zu machen. Die verschiedenen Typen der AVR –Familie unterscheiden sich in
der Größe des Programmspeichers (Flash),
Größe des EEPROM Datenspeichers,
Größe des internen SRAM Datenspeichers,
der Anzahl der Ports und der implementierten Peripherie, wie Analog / Digital – Wandler, UART usw.
https://de.wikipedia.org/wiki/Atmel
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6. Interne Architektur und Funktionseinheiten
a. Vergleich Neumann - Harvard
Während 95% aller Rechenanlagen (PCs) nach dem Neumann-Prinzip arbeiten, sind Mikrocontroller oft nach dem Harvard-Prinzip aufgebaut: Daten- und Programmspeicher werden getrennt und über voneinander unabhängige Bussysteme miteinander verbunden. Diese beiden Bussysteme sind beim PIC in unterschiedlichen Breiten ausgeführt.
Der Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass die CPU auf Daten- und Programmspeicher gleichzeitig zugreifen kann.
Erörtern Sie die beiden Prinzipien in der Gruppe und beschreiben Sie anschließend die beiden Konzepte. Markieren sie im Datenblatt Atmega, Blockdiagramm die CPU und die Speicher.
Neumann-Prinzip:
Programm- und Datenspeicher sind kombiniert.(PC)
Harvard-Prinzip: (PIC) Programm- und Datenspeicher sind getrennt mit der CPU verbunden, Busbandbreite unterschiedlich Daraus resultieren kürzere Zugriffszeiten bei der Abarbeitung von Befehlen. (11.10.2011)
http://www.sprut.de/electronic/pic/grund/grund.htm#programmspeicher
Beschreiben Sie mögliche Vorteile des Harvard-Prinzips. Die CPU kann gleichzeitig auf den Daten- und den Programmspeicher zugreifen.
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b. Blockdiagramm Prüfung IHK PIC 16F88
Beschreibung, siehe Tabellenbuch Westermann!
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c. ATmega48PA/88PA/168PA/328P Block Diagramm
https://en.wikipedia.org/wiki/ATmega328
Fast alle Ports des AVR Controller Atmega 32 verfügen über mehrere Funktionen. Die Funktionen werden über verschiedene Register gesteuert. Es gibt im Prinzip 5 verschieden Funktionstypen. Diese sind im Blockschaltbild und im Gehäuse farblich gekennzeichnet.
Funktionsbeschreibung
Jeder Port oder Pin kann bei der Atmega-Familie unterschiedlich genutzt werden. Alle Ports können Inputs oder Outputs sein. Wie beim Gehäuse zu sehen ist, werden immer 8 Pins (Anschlüsse) zu einem Port zusammengefasst. Somit verfügt der Atmega 32 über 4 Ports (PB, PD, PA, PC) mit 32 Pins (Anschlüsse). Die Funktionsbeschreibung ist nur ein kleiner Überblick. Die detaillierte Beschreibung der Funktionen ist in einem 350 seitigen Datenblatt zu finden.
a. Beschreibung der Funktionsblöcke Gehäuse:
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Ordnen Sie die PINs den Funktionsblöcken zu.
1.0 AVR 8 Bit CPU Harvard Architektur 2.0 I/0 Ports 3.0 Timing 4.0 A/D Wandler 5.0 Schnittstellen
Atmega 328
b. Übung Information - Internetrecherche – Datenblätter -
Suchen Sie im Internet nach dem Hersteller und dem zugehörigen Datenblatt (PIC 16F88x) Atmega 328P.
Nennen Sie die internen Speicherarten und die zugehörige Verwendung.
Nennen Sie alle Arten von Busverbindungen und die zugehörige Verwendung.
Nennen Sie alle Komponenten die mit dem Datenbus verbunden sind.
Markieren Sie im Blockdiagram die zugehörigen Komponenten mit den entsprechenden Farben.
Lösungsvorschlag: www1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30487b.pdf
http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010243
Server
Siehe auch Tabellenbuch Westermann, S. 122, S. 444, Binäre Elemente, Kippglieder, FlipFlop
Europa Tabellenbuch, S.86
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7. Programmspeicher, Arbeitsspeicher, Register, Stack (Flash, EEPROM, RAM, …)
Der Mikrocontroller verfügt über eine sogenannte Harvard-Architektur. Das bedeutet, dass der Speicher für den Programmcode und der Arbeitsspeicher getrennt sind. Dadurch entstehen Vorteile, wie die Tatsache, dass ein Programm sich nicht selber verändern kann und Programmcode und Daten gleichzeitig gelesen werden können.
Blockschaltbild Arduino Atmega Speicher Flash
Der Atmega32 verfügt über einen 32 KByte großen Flashspeicher, in dem die Programme abgelegt werden. Um die Sicherheit der Software zu erhöhen, ist der Speicher in eine Boot Section und eine Application Section aufgeteilt. Dieser Speicher hat eine Lebensdauer von mindestens 10000 Schreib-und Löschzyklen.
Programmspeicher Flash: Programmcode ist permanent!
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SRAM Der SRAM des Atmega32ist sozusagen sein Arbeitsspeicher, sollte man den Mikrocontroller mit einem Personal Computer vergleichen wollen. EEPROM Der EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read Only Memory) befindet sich in einem separaten Datenbereich. Siehe Data Memory!
Der EEPROM kann von Programmen genutzt werden, um Daten auch über den Neustart des Controllers hinaus zu speichern.
a. Übung RAM – FLASH - ASCII
Zeichnen Sie den RAM-Ausschnitt von Adresse 100 Hex bis 110 Hex. Berechnen Sie die Anzahl der Register und schreiben Sie an die Adresse 101Hex das ASCII- Zeichen „A“. https://en.wikipedia.org/wiki/ASCII Beschreiben Sie den Arbeitsspeicher ab der Adresse 102 mit dem ASCII – Zeichen für „Hallo“. Hinweis: In C werden die Daten den Datentyp „char“ zugewiesen. LSB = D0, MSB = D7. „A“ ASCII , 0100 0001, 41 hex b) Huhu ab Adr 107hex
Adresse Do D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Zeichen
100 1 0 0 0 0 0 1 x „A“ 41h
101 x x x x x x x x
102 0 0 0 1 0 0 1 x „H“
48hex
103 1 0 0 0 0 1 1 x „a“ 61h
104 0 0 1 1 0 1 1 x „l“ 6Ch
105 0 0 1 1 0 1 1 x „l“
106 1 1 1 1 0 1 1 „o“ 6Fh
107 0 0 0 1 0 0 1 x „H“ 48h
108 1 0 1 0 1 1 1 x „u“ 75h
109 0 0 0 1 0 1 1 x „h“ 68h
10A 1 0 1 0 1 1 1 x „u“ 75h
10B 1 0 0 0 1 1 0 x „1“ 31h
Schülerlösung:
Adresse Do D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Zeichen
100 0 1 1 0 0 0 1 x „F“ 46 Hex
101 1 0 0 0 0 0 1 x „A“ 41 Hex
102 0 1 0 0 0 0 1 x „B“ 42 Hex
103 1 0 0 1 0 0 1 x „I“ 49 Hex
104 0 1 1 0 0 0 1 x „A“ 41 Hex
105 0 1 1 1 0 0 1 x „N“ 4E Hex
Adresse Do D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Zeichen
100 1 1 0 0 1 0 1 x „S“
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b. General Purpose Register
Der AVR-Mikrocontroller verfügt über 32 8-Bit Arbeitsregister, wobei die oberen 6 nochmal seine gesonderte Rolle spielen. Diese Arbeitsregister zeichnen sich durch einen Taktzyklus Zugriffszeit aus und sind nicht nur über ihren jeweiligen Namen ansprechbar, sondern zudem noch als die ersten 32 Adressen im SRAM verfügbar
53 Hex
101 1 1 0 0 0 0 1 x „U“
55 Hex
102 0 0 0 1 0 0 1 x „C“
43 Hex
103 1 1 0 1 0 0 1 x „K“
4B Hex
104 1 0 1 0 0 0 1 x „E“
45 Hex
105 0 1 0 0 1 0 1 x „R“
52 Hex
106 0 0 1 0 1 0 1 x „T“
54 Hex
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c. Stack/ SRAM, LIFO, FIFO
Der Stapelspeicher, Stack wird über den SP (Stack-Pointer) im SRAM initialisiert. Er wird genutzt um Daten zwischen zu speichern und beim Aufruf von Subroutinen die Übergabeparameter sowie die Rücksprungadresse zu speichern. Für die Arbeit mit dem Stack gibt es grundsätzlich zwei Operationen: PUSH und POP. Push schiebt den Inhalt eines Registers auf dem Stack, der SP wird dabei um 1 verringert. Pop holt einen Wert vom Stack und speichert ihn in einem Register, der SP wird dabei um 1 vergrößert. Das Stack wächst also während des Speicherns nach unten. https://de.wikipedia.org/wiki/Stapelspeicher Nennen Sie die Art des Speichers! LIFO oder FIFO. Zeichen Sie einen LIFO Speicher und erklären Sie die Darstellung. LIFO.
FIFO, z.B. Förderband
Skizzieren Sie den Aufbau des Stapelspeichers für folgende Befehle. -PUSH (H), PUSH (e), PUSH (l), PUSH (o) -POP(), POP() -PUSH (W), -POP(), POP()
LIFO, z. B. Bücherstapel
d. Übung LIFO
Erstellen Sie folgende Befehle grafisch als LIFO und FIFO dar. Push(b),push(s), push(z), push(z), pop(), push(a), push(m).
1. Push (B) Push(): Bedeutet das Zeichen in der Klammer wird auf der 2. Push (s) unterst möglichen Stufe im Register gesetzt. 3. Push (Z) Pop(): Bedeutet das zuletzt gesetzte Zeichen im Register wird 4. Pop () aus dem Register gelöscht. 5. Push (z) 6. Push (a) 7. Push (n) 8. Pop () 9. Push (m)
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
n Pop m
a a a a
Z Pop z z z z z
s s s s s s s s
B B B B B B B B B
Bei diesem Speicherprinzip werdern die Daten seriell gespeichert. Das Bedeutet sie werden auf der einen Seite z.B. auf das Förderband gelegt und auf der anderes Seite ausgelesen.
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e. Übung FIFO:
f. Das Statusregister
Das Statusregister ist ein 8-Bit Register, das Informationen zu vorhergegangen arithmetischen Operationen enthält. Anhand dieser Informationen ist es möglich, bedingte Sprünge abhängig von diesen Operationen durchzuführen. https://de.wikipedia.org/wiki/Statusregister
ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss
1 0 1 0 0 1
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g. Interrupts
Interrupts sind Unterbrechungen des normalen Programmflusses, ausgelöst beispielsweise durch einen Benutzer, der eine Tastatur betätigt. Das Hauptprogramm wird in diesem Falle unterbrochen und die Interrupt-Routine abgearbeitet. Interrupts werden generell über das Global Interrupt- Enable -Bit an-und abgeschaltet. Nachdem die Routine abgearbeitet wurde und das Hauptprogramm weiterläuft, wird zunächst mindestens ein Befehl des Hauptprogramms abgearbeitet, bevor wieder in eine Interrupt-Routine gesprungen wird.
8. ALU Rechnerkern (ALU, Steuerwerk, Status, FLAGS, Peripheriemöglichkeiten, …)
ALU Die ALU des Mikrocontrollers bietet 3 verschiedene Arten von Operationen: arithmetische, logische und Bit -Funktionen. Sie verfügt über eine direkte Verbindung zu allen 32 Arbeitsregistern der CPU. Arithmetische Operationen zwischen Registern oder zwischen einem Register und einem Absolutwert werden innerhalb eines Taktzyklus ausgeführt.
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9. Reset
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a. Übung: Reset Zeitdiagramm.
Zeichnen Sie für VCC, RESET, TIME-OUT INTERNAL RESET ein gemeinsames Zeitdiagramm.
Erklären Sie die Funktion und die Unterschiede der Diagramme 10-2 und 10-3 des POR.
Hardware VCC und Reset starten sofort bei 10-2
Hardware µC startet verzögert gegenüber externer Hardware bei 10-3
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10. E/A-Ports (digital, analog, hochohmig, niederohmig)
Anschlüsse Port I/0
Alle Ports/Pins der AVR Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet. DDRx Datenrichtungsregister (Ein / Ausgang), PORT Ausgangsregister, PIN Eingangsadressen
0/1 über Software
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b. Pull - Up, Pull - Down
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Einige mögliche Ein-/ Ausgangsbeschaltungen für den Port-Pin könnten wie folgt aussehen:
Die Pins von Port B verfügen über integrierte Pull-up-Widerstände, die über das Programm freigegeben bzw. gesperrt werden können. Im Options-Register erfolgt die Freigabe bzw. Sperrung der 8 Pull-up- Widerstände über das RBPU-Bit. Werden die Port-Pins einzeln als Ausgänge (TRISA –Bit =0) programmiert, so werden die Pull-up-Widerstände einzeln automatisch ausgeschaltet. Beim Power-On-Reset sind die Pull-up-Widerstände gesperrt. Wenn die internen Pull-up-Widerstände nicht genutzt werden können - weil z. B. Anschlüsse von Port A genutzt werden-, so sind folgende Beschaltungen für die Eingänge empfehlenswert.
Erklären und zeichnen Sie Eingangs- und Ausgangs Schaltbilder möglicher Portbeschaltungen.
Eingang: Bild1
z.B. Reset extern
Eingang: z.B. optischer
Schalter
Ausgang: z.B. LED
Trisx=0
Die Funktionsweise Bild 1 ist wie folgt:
Wenn der Schalter offen ist, ,,sieht" der PIC-Eingang über den Pull-up-Widerstand, R 5 V. Diesen Zustand erkennt der Contoller PIC oder Atmega als High- Potenzial.
Wenn der Schalter geschlossen ist, ,,sieht" der Eingang 0 V, Low-Potential.
Der Widerstand R verhindert einen Kurzschluss zwischen den 5 V und den 0 V während der Schalter geschlossen wird.
Der Eingang zieht nur wenige μA. Praktische Hilfe: Eingangswiderstand unendlich, „Hochohmig“.
Während des „Schaltens“ entstehen Störungen/Wechselstrom, die durch einen parallel zum Schalter geschalteten Kondensator kompensiert werden, 0V.
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c. Übung: EVA - Arduino Zeichnen Sie ein EVA Schaltbild. Verwenden Sie den Arduino, einen Schalter mit Widerstand am Eingang und eine LED mit Vorwiderstand als Ausgang. https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Button
Eingabe Schalter Verarbeitung Ausgabe
S1
LED
1. Schulaufgabe
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11. Port Lesen/Schreiben
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d. PIN Zuordnung Atmega Uno – Pin Mapping
https://www.arduino.cc/en/Hacking/PinMapping168
e. Assembler- und C-Code
12. Hardware - externe Architektur a. EVA- Blockschaltbild
Mikrocontroller zeichnen sich dadurch aus, dass in einem einzigen integrierten Schaltkreis („IC") ein ganzes Computersystem integriert ist. Der Baustein beinhaltet somit die ähnliche Komponente wie ein Computer. Der PIC ist ein programmierbares Ein-Ausgabesystem. Die internen Programme des PIC lesen die Eingänge und steuern die Ausgänge entsprechend der programmierten Anwendung.
Der PIC arbeitet genauso wie ein Computersystem nach dem EVA-Prinzip.
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Dies bedeutet:
E - Einlesen von analogen bzw. digitalen Daten über die Eingänge
V - Verarbeiten dieser eingelesenen Daten entsprechend des, vom Anwender, geschriebenen
Programms.
A - Ausgabe von analogen bzw. digitalen Signalen über die entsprechenden Ausgänge, Port
gesteuert durch den PIC.
Betrachten Sie das Blockschaltbild. Ordnen Sie den drei Phasen des EVA-Prinzips Komponenten eines Controllers zu.
E: Eingabe: Port A und B mit Sonderfunktionen Interrupts für z.B. Taster, Sensoren,
V:Verarbeitung: CPU mit Registern (W, Status, FSR), Timer;
Programmspeicher (Flash, Datenspeicher (RAM) und Bus )
A: Ausgabe-Ports. Port A/B zur Ansteuerung von LED, Relais, Treiberbausteine (2803)…)
Beschreiben Sie das EVA-Prinzip?
Verwenden Sie dazu folgende Begriffe (Daten, Signale, Ports, ALU, W-Register)
Daten und Signale werden an den Ports eingelesen. In der ALU z.B. im W-Register mit den für die Aufgabe
notwendigen Befehlen verarbeitet und anschließend die generierten Daten Signale an den entsprechenden PORT Pins
ausgegeben.
Zeichnen Sie ein passendes EVA-Blockschaltbild.
b. Pin Belegung Mikrocontroller
Zeichnen Sie das PDIP 40 Gehäuse des PIC 16F887! ATmega48PA/88PA/168PA/328P
Verwenden Sie zur Suche MSN oder Google: - Suchbegriff : Gehäuse für IC http://www.bing.com/images/search?q=Geh%C3%A4use+f%C3%BCr+IC+dip&qs=n&form=QBIR&scope=images&pq=geh%C3%A4use+f%C3%BCr+ic+dip&sc=0-15&sp=-1&sk=#a http://de.wikipedia.org/wiki/Chipgeh%C3%A4use#Bauformen_f.C3.BCr_Surface_Mounted_Device_.28SMD.29
Beschriften Sie alle PINs mit allen möglichen Bezeichnungen. Achten Sie auf die Gehäusemarkierungen.
Erstellen Sie eine Tabelle mit EXCEL Spaltenüberschriften: PinNr, Kurzbezeichnung, Bedeutung (deutsch), Bedeutung (englisch)
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https://www.arduino.cc/en/Hacking/PinMapping168
P (PDIP) (korrekt wäre SP) ist das normale 18-polige DIL-Gehäuse
SO (SOIC) ist ein 18-poliges SMD-Gehäuse zur Oberflächenmontage
SS (SSOP) ist ein 20-poliges besonders schmales SMD-Gehäuse.
Suche: SSOP PIC
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a. Arduino Board – Komponenten
Erklären Sie die Komponenten des Arduino Boards. b. Interface – Programmierschnittstelle
Zeichnen Sie ein Blockschatlbild der Programmierschnittstelle. c. Schaltplan Arduino-Board d. Schaltplan – Peripherie
Zeichnen Sie den Schaltplan. e. Stückliste
Erstellen Sie die zugehörige Stückliste
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13. Entwicklungsumgebung für Arduino Uno a. Entwicklungsboards - Arduino und Zubehör
b. http://fritzing.org/download/
c. Fritzing.exe – Steckplatine - Schaltplan - Leiterplatte
d. http://fritzing.org/home/ - z.B. Beispiel - Blink
e. Integrierte Softwareentwicklungsumgebung
f. http://arduino.cc/en/Main/Software
g. http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage
14. Struktogramm - Zustandsdiagramm a. PAP Struktogramm für Assembler und C
b. Lineare Programmierung
c. Schleifen
d. Verzweigungen
e. Unterprogrammtechnik
f. Ereignisse - Interrupt
15. Language Referenz - siehe Reference Arduino a. http://arduino.cc/en/Reference/HomePage
Variables
Constants
Data Types
Strukturen
Arithmetische und logische Operatoren
Funktionen
Bit und Bytes
Interrupts
…siehe 6.a
16. Handlungsplan - E 4.0 - Ereignisgesteuerte Ampel für die Mitarbeiter Beispiel: MySql https://www.youtube.com/watch?v=olUCX1EGIIU
a. Information
Ausgangssituation zum Kundenwunsch
Kundeninformationen – Kundenwunsch
Ziel: Lastenheft - Auftrag formulieren, z.B. Sensorgesteuerte Ampel für die Mitarbeiter
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b. Planung
Werkzeuge für Hardware und Software festlegen
Konkrete zu realisierende Komponenten festlegen(Dokumentation, Schaltplan, Software usw.)
Zeit- und Arbeitsplan
Gruppen
Lernschritte innerhalb des Projektauftrages
Ziel: Pflichten- Inhaltsangabe für die Projektmappe
c. Entscheidung – Auftrag vom Kunden
Ziel: Pflichten- Inhaltsangabe wird durch den Kunden - Lehrer freigegeben!
d. Realisierung – Hard- und Software
Umsetzung des Projektauftrages mithilfe der Entwicklungsumgebungen
Office
Arduino
Fritzing
Dokumentation für den Entwickler – Software und Hardware
Schaltplan. - fritzing
Stückliste. - xls
Programm - c
Dokumentation für den Kunden
Blockschaltbild - docx
Bedienungsanleitung - pdf
Präsentation - ppt
e. Kontrolle
Programmieren und flashen
Funktionsüberprüfung
Debugging, Fehlersuche
f. Bewertung - Kundenübergabe
Inbetriebnahme und Übergabe
Präsentation
Bedienungsanleitung
Kunden - Feedback – Bewertung
17. Übungen g. U1 Erstellen Sie eines Blockschaltbildes mit Word
h. U2 Blink
i. U3 Ton
…
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18. Neue mögliche Kundenaufträg3 - siehe Handlungsplan und LF 11-13 Komplexe Lernsituation, z. B. Ampelsteuerung als Projektauftrag mit Lasten-
und Pflichtenheft
Ansteuerung komplexer Peripherie (Aktoren, Sensoren, Displays, Schnittstellen (I2C, seriell, parallel, Schrittmotoren, …)
Geschachtelte (Zeit-)Schleifen (kopf- und fußgesteuert)
Unterprogrammtechnik
Bitbefehle (Bytevergleich)
Adressierungsarten
Erweiterung mit Shields
Kommunikation Arduino - Arduino
Anschluss der Hardware -Simatic???
Anschluss der Hardware -Netzwerktechnik???
19. Quellen Datenblatt http://www.atmel.com/Images/doc8161.pdf