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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 1

Mikrocontroller

Computer ohneMaus, Tastatur und

Bildschirm

Göttingen, am 23.07.14

----- http://natec.hawk-hhg.de -----

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 2

Hardware(universell)

Was ist ein Computer?

Software(anwendungsspezifisch)

Computer-Arten?

Personal-Computer Mobile Computer (Tablet, Handy)

Server Spezial-Computer

Technisches System besteht aus:

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 3

Hardware + Software in einem Silizium-Chip

Was ist ein Mikrocomputer?

CPU (Prozessor)

Speicher

Ein- und Ausgabe-Schnittstellen

Digitales Elektronik-System aus Hard- und Software

= Mikrocontroller

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 4

Einsatzgebiete für Mikrocontroller

Konsumgüter-Elektronik (Fernseher, CD/DVD-Player, MP3-Player, Kühl-schrank, Waschmaschine), Heizungssteuerung, Solarwechselrichter

Kommunikationstechnik (Telefon, Fax, Internet, Handy), PC-Technik (Drucker, Scanner, Monitor, Maus, Tastatur), Kopierer

KFZ-Elektronik (Motor-Steuerung, Antiblockier-System - ABS, Automatik-Getriebe, Airbag, Klimaanlage, Autoradio, Wegfahrsperre)

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 5

Einsatzgebiete für Mikrocontroller Automatisierungstechnik für industrielle Produktionsmittel (Sensorik,

Steuerungstechnik, Regler, Antriebstechnik)

Labor-Messtechnik

Medizintechnik (Computer-Tomographie, Laser-Behandlung)

Sicherheitstechnik (Zutrittskontroll-Systeme, Krankenkassen-Karte)

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Aufbau eines Mikrocontroller-Systems

CPU

Programm-Speicher

Daten-Speicher

Eingangssignale(z.B. Tasten)

Ausgangssignale(z.B. Leuchtdiode)

Takt

CPU: Central Processing Unit (Zentrale Verarbeitungseinheit)Memory: Speicher für Programme und DatenI/O: Input/Output (Ein-/Ausgangssignale)Takt: Geschwindigkeit der Befehlsabarbeitung

Systembus

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 7

Arbeitsweise eines Mikrocontroller-Systems

Programm-Counter = 0

Increment Program-Counter

Befehl holen

Befehl dekodieren

Befehl ausführen

Ablaufsteuerungder CPU

Adress-Bus

Steuer-Bus(RD, WR, CS)

Wort

Daten-Bus

Adresse 1Adresse 0

Aufbau von Speicher- undInput-/Output-Komponenten

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 8

Begriffe der Informatik

Software: Befehle für den Computer

- Befehle zum Laden und Speichern von Daten- Arithmetikbefehle (Grundrechenarten: + - * /)- Logik-Operationen (z. B. UND-Verknüpfung, Negation)- Sprung-Befehle, mit und ohne Bedingungen- Befehle für Unterprogramme- ...

Softwareentwicklung mit Hochsprachen z.B. C, C++, Java oder in As-sembler (Maschinensprache)

Compiler: übersetzt Hochsprachen-Code in Maschinensprache des Prozessors

Editor: Texteingabe oder graphische Programmierung

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 9

Digitaltechnik

Ein Mikrocomputer arbeitet mit digitalen Zahlen. Jede Ziffer kann nur zwei verschiedene Werte haben und wird als Bit bezeichnet.

1 Bit = Low/High (0/1)1 Byte = 8 Bit

z.B.: 1111.0011B = 243D (1111.0011 im binären = 243 im dezimalen Zahlensystem)

Hexadezimales Zahlensystem: Zusammenfassung von vier Ziffern einer Binärzahl zur einer Ziffer mit dem Wertebereich 0;1;2;..9;A;B;C;D;E;F

1111.0011B = 0F3H (auch 0xF3)

Wertebereich von Computer-Variablen: 1 Byte: 0 .. 255 oder -128 .. 127 2 Byte: 0 .. 65535 oder -32768 .. 32767

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 10

Das Mikrocontroller-Software-Entwicklungs-System

Leiterplatte mit PIC-Mikro-controller (Firma: MicrochipTechnology Inc.)

Programmiergerät/Debugger MPLAB PICkit3

PC mit Entwicklungsumgebung Flowcode (Firma: MatrixMultimedia Limited)

Spannungsversorgungüber Steckernetzteil

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 11

Mikrocontroller-System

PIC

18F4

431

Spannungsversorgung

Port B

Port D

Port E

Port A

Port C

8

8

8

8

4

4

Leuchdioden

Taster

Leuchdioden

Taster

Drehpoti

Beeper

Drehpoti

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 12

Software - Programmfluss

Signale einlesen

Befehle im Codespeicher

Berechnungen

Entscheidung

Signale ausgeben

Aktionen

Programmverzweigungen

Sprünge

Schleife = Programmverzweigung + Sprung zurück

ja

nein

Darstellung als Programmfluss-Diagramm

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 13

Software-Darstellung in Flowcode

Unterprogramm (Makro): Blinken

Hauptprogramm

Endlos-Schleife

Verzweigung

Aktionen

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 14

Software-Entwicklung - Schritte

1.Entwicklungsumgebung starten2.Ein neues Projekt anlegen:

Create a new Flowcode flowchart...3.Mikrocontroller auswählen: 18F44314.File/Save as... ---> Festplatte D:

5.Programmfluss bearbeiten,I/O-Komponenten in Panel einfügen

6.Programm übersetzen: Compile to C7.Simulieren: Run oder F58.Download in Mikrocontroller und Test: Compile to chip

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 15

Programmier-Übungen 1

LEDs (Port C) Ein-/Ausschalten per Tastendruck (RB0)

Blinkende LEDs (Delay 200ms) (Beachte: Die Delay-Funktion benötigt einen Parameter > 1)

Lauflicht mit LEDs

Tonausgabe mit Beeper (RB4)(Delay 500μs)

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 16

Software – Einfache Rechenoperationen

Zuweisung: Variable1 = Variable2

Arithmetische Operationen: Grundrechenarten +, -, *, /

Beispiel: Variable1 = 2 * Variable2 + Variable3

Logische Operationen: UND, ODER, NICHT

Beispiel: Verzweige wenn Bedingung1 UND Bedingung2 erfüllt sind

Vergleiche: >, <, == (gleich), != (ungleich)

Beispiel: Verzweige wenn Variable1 = Variable2

Verschiebeoperationen: << (links schieben), >> (rechts schieben)

Beispiel: Variable1 = Variable1 >> 2(Verschiebe alle Bits in Variable1 um zwei Stellen nach rechts)

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© Heiko Böhmer, Dipl.-Ing. 17

Software - Datenfluss

Signale einlesen

Berechnungen

Entscheidung

Signale ausgeben

ja

nein

Taster = Eingangspegel Pin RB0

Variablen im DatenspeicherBefehle im Codespeicher

Blinkdauer = 50 * Taster + 50

Led_Zeile = Led_Zeile * 2

Port RC = Led_Zeile

Beachte: durch begrenzten Wertebereich von Variablen könnenBerechnungen zu falschen Ergebnissen führen

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Software – Unterprogramme

Zusammenfassung von aufeinanderfolgenden Programmfluss-Ele-menten zu einem Block (Subroutine, Funktion, Prozedur)

Bedingung: nur eine Eintrittsstelle und eine Austrittsstelle

Motivationen:

1. Verbesserung der Übersichtlichkeit wenn der Programmfluss zu lang wird

2. mehrfache Verwendung gleichartiger Programmteile an unter-schiedlichen Stellen im Programmfluss

Definition sinnvoller Schnittstellen möglich (Übergabe- und Rückga-be-Variablen)

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Verarbeitung analoger Signale

Physikalische Größen: Temperatur, Helligkeit, Lautstärke, ...

- Wertebereich: 0°C .. 50°C (Analog-Signal)- Sensoren: 0 Volt .. 5 Volt- Analog-Digital-Wandler: 0x00 ... 0xFF

ADC-Takt

AN0AN1AN2AN3AN4

AN12

CHS3:CHS0

CHOLD

Sampling Switch

VDD

VSS

VCFG1:VCFG0

ADCS2:ADCS0 GO/DONE

ADON

ein/aus

Start/Ende

VREF+

VREF-

10 Bit ADC

Takt

ADCRESH / ADCRESLVAIN Ergebnis

Ende ADIF

10

ADFM : :

TACQACQT2:ACQT0

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Programmier-Übungen 2

Drehpoti-Abfrage und Ausgabe auf LEDs

Veränderung LED-Blinkfrequenz über Drehpoti(Delay 100ms – 355ms)

Veränderung Tonausgabe über Drehpoti(Delay 500μs – 755μs)

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Mikrocontroller - Vielfalt

viele Anwendungen = viele Anbieter = viele Architekturen

Microchip:PIC12/PIC16/PIC18/PIC24/dsPIC/PIC32 Atmel:

AVR8/AVR32/8051

Infineon:8051/C166/TriCore

Renesas:RL78/78K0/78K0R/R8C/SuperH/V850/RX

NXP Semiconductors:8051/ARM7/ARM9/Cortex-M0/Cortex-M3

Texas Instruments:MSP430/C2000/Cortex-M3

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Weitergehende Informationen

www.microchip.com

www.matrixmultimedia.com

www.sprut.de

www.elektor.de

www.reichelt.de

www.conrad.de

www.elv.de

www.pollin.de

www.tigal.com

www.embedded-projects.net

www.myavr.de