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Application Center Microcontroller Hochschule Mittweida

Bedienungsanleitung

Das individuelle Trainingssystem für Mikrocontroller-Anwendungen

Bedienungsanleitung hD2


Impressum Herausgeber: Application Center Microcontroller (ACMC) Hochschule Mittweida Redaktion: Prof. Dr.-Ing. O. Hagenbruch Dipl.-Ing. (FH) H. Polster Dipl.-Ing. (FH) M. Jahn Redaktionsstand: 03/2010 Urheberrecht: Der Inhalt dieses Dokuments ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch Übersetzungen, vorbehalten. Reproduktion, gleich welcher Art, ob Fotokopie, Mikrofilm oder Erfassung in Datenverarbeitungsanlagen nur mit schriftlicher Genehmigung des Herausgebers. Haftungsbeschränkung: Die Nutzung der in diesem Dokument zur Verfügung gestellten Inhalte erfolgt auf alleinige Gefahr des Nutzers. Für mögliche Schäden (insbesondere entgangener Gewinn, Datenverlust bzw. Produktionsausfälle) übernimmt das ACMC, seine Lieferanten bzw. Dritte, die in dem Dokument erwähnt werden, keinerlei Haftung. Dies gilt nicht im Falle des Vorsatzes und für den Fall, dass eine Haftung gesetzlich zwingend vorgeschrieben ist. Falls die Nutzung des Dokuments bzw. der angebotenen Inhalte dazu führt, dass Sie Ihre Geräte oder Ihre Daten warten, reparieren, austauschen oder sonst wie korrigieren müssen, übernimmt das ACMC hierfür keinerlei Kosten. Anschrift des Herausgebers: Application Center Microcontroller Hochschule Mittweida Technikumplatz 17 09648 Mittweida Telefon: +49-(0)3727-62 38 26 Fax: +49-(0)3727-62 38 25 Email: [email protected] Anregungen, Wünsche und Hinweise zur Verbesserung der Bedienungsanleitung sind jeder-zeit willkommen.

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Bedienungsanleitung hD2 2

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Inhaltsverzeichnis 1. Was ist eine hD2? .......................................................................................................... 4

2. Die Komponenten der hD2 ............................................................................................ 5

3. Inbetriebnahme der hD2 ................................................................................................ 8

4. Möglichkeiten der Programmierung .............................................................................. 9

5. Debugging eigener Anwendungsprogramme............................................................... 12

6. Einstellen des Auslieferungszustandes......................................................................... 13

7. Kontaktbelegung für die Interfaces .............................................................................. 13

8. Besondere Hinweise zur Verwendung ausgewählter Komponenten ........................... 15

9. Technische Daten der hD2........................................................................................... 19

10. Haupteigenschaften des AVR ATxmega128A1 .......................................................... 20

11. Support, Literaturhinweise, Anlagen ........................................................................... 23



1. Was ist eine hD2? Die hD2 ist ein individuelles Trainings- und Experimentiersystem für Mikrocontroller-Anwendungen. Es ermöglicht dem Anwender die Gewinnung eigener Erfahrungen bei der Programmierung und Inbetriebnahme typischer Mikrocontroller-Anwendungen und das Trai-ning industrietypischer Programmiersprachen. Dabei kann das System zur Aus- und Weiter-bildung und vorteilhaft zur individuellen Qualifikation im Rahmen des Selbststudiums außer-halb von Präsenzzeiten eingesetzt werden. Neben eher klassischen Funktionskomponenten ist das System mit innovativen Elementen, wie z.B. einem OLED-Farbgrafikdisplay, einer SD-Speicherkartenanbindung sowie einem Ethernet-Interface, ausgestattet, welche die Veranschaulichung zeitgerechter Mikrocontroller-Applikationen ermöglichen. Das Trainingssystem wartet mit der Option des Debuggens auf, welche es dem Anwender gestattet, selbst erstellte Mikrocontroller-Programme schrittweise nach eventuellen Fehlern zu untersuchen sowie die Auswirkungen einzelner Befehle besser nachvollziehen zu können. Aufgrund der umfangreichen Ausstattung lässt sich die hD2 neben der Verwendung als Trai-ningssystem auch für zahlreiche, interessante Endanwendungen einsetzen. Dabei kann die hD2 durch das realisierte Design optisch wirkungsvoll auf einer Arbeitsfläche positioniert werden. Die Hardware des Systems lässt sich dank austauschbarer Steckmodule sowie univer-sell nutzbarer Erweiterungsschnittstellen konfigurieren und um zusätzliche Funktionskompo-nenten ergänzen. Zentrales Element der hD2 ist ein innovativer 8/16-bit Mikrocontroller (MC) des Typs AVR ATxmega128A1 (Atmel Corporation). Dieser MC verfügt über eine ausgesprochen umfang-reiche On-Chip-Peripherie, welche die Grundlage für anspruchsvolle Applikationen bildet. Der integrierte Flash-Programmspeicher des MC kann jederzeit mit Hilfe der verschiedenen Programmiermöglichkeiten, welche die hD2 bietet, neu programmiert werden. Es können jederzeit neue Anwendungen in den Flash übertragen und somit andere Funktionalitäten der hD2 realisiert werden.

Abbildung 1: Mikrocontroller-Trainingssystem hD2



Besonderheiten der hD2

kompaktes Komplettsystem (keine externen Komponenten notwendig, aber möglich!) innovative Funktionskomponenten Debugging-Möglichkeit Hardware erweiterbar kostenlose Software für Programmentwicklung, Debugging, Speicherprogrammierung als formschönes und autonom funktionsfähiges Accessoire nutzbar

Mögliche MC-Applikationsmodule (Beispiele)

Abfrage digitaler und analoger Eingänge Programmierung von digitalen und analogen Signalausgaben Ansteuerung von Komponenten über verschiedene Kommunikationsinterfaces (I²C,

SPI, UART) Programmierung von Zeit- und Kalenderfunktionen Abfrage von Sensorwerten Programmierung von Tonausgaben Ansteuerung von Farbgrafik-Anzeigen Ansteuerung von Flash-Speicherkarten (SD, MMC) Programmierung von Ethernet-Anwendungen

Realisierbare Endanwendungen (Auswahl)

Anzeige von Uhrzeit und Datum Messung und Anzeigen von Umgebungstemperatur und Beleuchtungsstärke Messen und Anzeigen von Gleichspannungen Auslesen und Beschreiben von SD- bzw. MMC-Speicherkarten Anzeige von Menüstrukturen und Navigation mittels Joystick Anzeige von Farbbildern auf dem Display (Diashow) Datenaustausch mit PC über USB-Anschluss Ethernet-Applikationen:

- Abfrage von Sensorwerten und Ansteuerung von Aktoren über Ethernet - Vernetzung mehrerer hD2 - einfacher Webserver

Steuerungs- und Überwachungsfunktionen im Haushalt 2. Die Komponenten der hD2 Hauptkomponente des Systems ist der Mikrocontroller AVR ATxmega128A1, welcher mit 16 MHz getaktet wird. Das OLED-Farbgrafikdisplay wird über eine SPI-Schnittstelle angesteu-ert. Ebenso eine SD-Speicherkarte, welche in den dafür vorgesehenen Einschub auf der Rück-seite der hD2 eingesteckt werden kann. Der Speicherkarteneinschub ist mit Schaltkontakten zur Kartenerkennung sowie zur Abfrage des Schreibschutzes ausgestattet. Mit entsprechender Software ist es auch möglich MMC-Speicherkarten zu verwenden. Über den I²C-Bus können ein Temperatursensor sowie eine Real-Time-Clock (RTC) mit Batteriestützung angesteuert



werden. Zwei Funktionstaster sowie ein Miniatur-Joystick sind für manuelle Bedienvorgänge einsetzbar. Weitere Funktionselemente sind ein Lautsprecher zur akustischen Ausgabe auf der Rückseite der hD2, ein Fotowiderstand als Helligkeitssensor sowie eine individuell verwend-bare LED. Als Kommunikationsinterfaces bietet die hD2 einen USB-Anschluss zum einfachen Daten-austausch mit einem PC sowie eine Ethernet-Schnittstelle. Der Datentransfer über den USB-Anschluss ist mit einem USB-UART-Umsetzer realisiert, der Datenaustausch erfolgt zwi-schen MC und Umsetzer über eine UART-Schnittstelle. Auf dem PC wird die USB-Kommunikation über einen virtuellen COM-Port realisiert (entsprechender Treiber vorausge-setzt). Die Ethernet-Anbindung erfolgt mit Hilfe eines Ethernet-Controllers, welcher per SPI-Bus angesteuert wird.

Abbildung 2: Funktionselemente auf der Frontseite

Zur Ergänzung von zusätzlichen Funktionskomponenten, können verschiedene Austauschmo-dule auf den dafür vorgesehenen Steckplatz aufgesetzt werden. Zur Grundausstattung der hD2 gehört ein Modul mit einem Lochrasterfeld, welches zum Aufbau eigener Schaltungen ge-nutzt werden kann. Weitere Module sind in Vorbereitung. Um externe Komponenten an das



System anzuschließen, dienen zwei universell verwendbare Buchsenleisten (X1 und X2). An einer der Buchsenleisten (X1) befinden sich ein Optokopplerein- sowie ein -ausgang. Sowohl an dem Modulsteckplatz als auch an den Buchsenleisten sind digitale I/O-Pins und analoge Schnittstellen des MC’s sowie die Kommunikationsinterfaces I²C, SPI und UART verfügbar. Zur Programmierung des Flash-Speichers des MC’s kann am PDI-Anschluss auf der Rücksei-te der hD2 der In-System-Programmer AVR ISP mkII angesteckt werden. Der JTAG-Anschluss dient zur Verbindung mit dem Debug-Tool AVR JTAGICE mkII, welcher sowohl zum Programmieren als auch zum Debuggen genutzt werden kann. Ist eine entsprechende Bootloader-Firmware im MC implementiert, kann auch der USB-Anschluss zur Programm-übertragung verwendet werden.

Abbildung 3: Funktionselemente auf der Rückseite

Die Stromversorgung der hD2 erfolgt standardmäßig über das beiliegende Steckernetzteil. Bei Bedarf kann die Stromversorgung über Batterien oder Akkus (4x AAA-Zellen) erfolgen, wobei deren Standzeit unmittelbar von der Applikation abhängt. Weitere Einzelheiten zu den Komponenten können dem beiliegenden Stromlaufplan entnom-men werden. Die Auslieferung der hD2 geschieht in einem praktischen Aluminium-Koffer, der sowohl das Trainingssystem als auch alle Zubehör-Komponenten optimal schützt. Zum Lieferumfang gehören standardmäßig: - Trainingssystem hD2 - Austauschmodul ‚Extension Board’ - Steckernetzteil - Bedienungsanleitung mit Stromlaufplan - Stützbatterie CR2032 für die RTC



Optionales Zubehör: - Debug-Tool AVR JTAG ICE mkII (inkl. Adapter) oder Programmer AVR ISP mkII (jeweils mit USB-Anschlusskabel) - SD-Speicherkarte (i. d. R. im Steckplatz der hD2) - Mini-USB-Kabel, Netzwerkkabel - Datensatz zur hD2 (Programm-Bibliotheken, Software-Tools, ...) Didaktisches Material (Versuchshandbuch, Programmiermodell, Kompaktinformation zur Programmierung in Embedded C, ...) und der Datensatz zur hD2 kann auf Anforderung vom ACMC zur Verfügung gestellt werden. 3. Inbetriebnahme der hD2 Zum Aufstellen der hD2 dienen die zwei Standfüße auf der Unterseite, welche dem Trai-ningssystem einen sicheren Stand verleihen. Nach dem Aufklappen des Systems aus dem Transportzustand und Anschließen des Steckernetzteils an der dafür vorgesehenen Buchse an der Rückseite ist das Trainingssystem betriebsbereit. Optional kann die Stromversorgung an-stelle des Steckernetzteils auch mit Batterien oder Akkus (4 Stück AAA-Zellen), welche in das Batteriefach auf der Unterseite des Systems eingelegt werden, erfolgen. Im Auslieferungszustand der hD2 befindet sich ein Betriebssystem im Flashspeicher des MC. Hinweise zum Betriebssystem Beim Anschließen der hD2, wird als erstes ein Menü angezeigt. Mittels Joystick kann durch das Menü navigiert werden. Falls innerhalb von 10 Sekunden keine Tasten gedrückt werden, startet eine Slideshow. Dabei werden zufällig Bilder von der SD Karte geladen und auf dem Display angezeigt. Durch drücken einer beliebigen Taste wird die Slideshow gestoppt und zum Menü zurückgekehrt. Navigation im Menü Durch bewegen des Joysticks nach oben bzw. nach unten können die einzelnen Menüpunkte angewählt werden. Mit der Joysticktaste nach rechts oder der Joystickmitteltaste wird die nächste Menüebene bzw. die hinterlegte Funktion aufgerufen. Die vorige Menüebene wird durch bewegen des Joysticks nach links aufgerufen. Eine Funktion kann mit der Taste T2 ab-gebrochen werden. Nach Abbruch der Funktion wird wieder das aktuelle Menü geladen. Slideshow Die Bilddateien für die Slideshow befinden sich auf der SD Karte im Ordner ’Bilder’. Die Bitmap Dateien sind in einem benutzerdefinierten Format kodiert. Um auch benutzerspezifi-sche Bilder anzeigen zu können, müssen die Bilder vorher konvertiert werden. Dazu dient das Software-Tool PicConvert.exe, welches die ausgewählten Bilder automatisch konvertiert. Die gewandelten Bilder müssen danach mit einem geeigneten Kartenleser vom PC auf die SD-Karte in den Ordner ’Bilder’ kopiert werden.



4. Möglichkeiten der Programmierung Programmieren fertiger Anwendungsprogramme in den Flash Eine Anwendungssoftware für das Target muss als Intel-Hex-File vorliegen. Diese entsteht beim Assemblieren bzw. Compilieren eigener Programme. Hex-Files fertiger Anwendungs-programme werden im Webbereich der hD2 zum Download bereitgestellt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten fertige Anwendungsprogramme (Hex-Files) in den Pro-grammspeicher (Flash) des Mikrocontrollers zu laden. Mit Hilfe des Betriebssystems, welches bei Auslieferung der hD2 in einem Teil des Flash-Speichers abgelegt ist, können Programme zum einen per USB und zum anderen von einer SD-Karte in den MC geladen werden. Es ist auch möglich, Programme mit externen Hardware-Tools (Programmer, Debugger) in den Flash zu laden. Programmierung mit Hilfe des Betriebssystems a) Verwendung der USB Schnittstelle Bevor ein Programm über USB geladen werden kann, muss die hD2 mit dem PC über ein USB Kabel verbunden werden. Durch Auswahl der Menüpunkte Anwendung laden und an-schießend USB wird die Funktion zum Laden von Programmen über USB gestartet. Es er-scheint eine Meldung auf dem Display der hD2. Nach Bestätigung der Meldung mit der Taste T1, kann die Programmier-Software hD2 Programmer, welche sich im Datensatz zur hD2 befindet, auf dem PC gestartet werden. Nachdem das gewünschte Hex-File ausgewählt wurde, wird die Anwendung vom PC in den Flash des Mikrocontrollers geladen. Wenn der Ladevor-gang abgeschlossen ist, kann entweder die Anwendung mit der Taste T1 ausgeführt oder mit der Taste T2 zum Menü zurückgekehrt werden. Falls die Anwendung gestartet wurde, kann das Menü nur durch Betätigen der Reset-Taste wieder geladen werden. b) Verwendung der SD-Karte Durch Auswahl der Menüpunkte Anwendung laden und anschließend SD-Karte wird die Funktion zum Laden von Programmen über SD-Karte gestartet. Die Anwendungen befinden sich auf der SD-Karte im Ordner ’Programme’. Diese werden auf dem Display der hD2 ange-zeigt. Mit dem Joystick nach oben bzw. nach unten können die einzelnen Anwendungen aus-gewählt werden. Durch Betätigung der Mitteltaste des Joysticks wird das ausgewählte Pro-gramm von der SD-Karte in den Flash geladen. Nachdem das Programm geladen wurde, kann entweder die Anwendung durch Betätigen der Taste T1 gestartet oder mit der Taste T2 zum Menü zurückgekehrt werden. Falls die Anwendung gestartet wurde, kann das Menü nur durch Betätigen der Reset-Taste wieder geladen werden. Um eigene Anwendungen von der SD-Karte zu laden, müssen die Anwendungen vorher kon-vertiert werden. Dazu dient das Programm Hex2BinConvert.exe, welches sich auf der mitge-lieferten CD befindet. Das Programm konvertiert die ausgewählte Datei im Intel Hex Format (Endung .hex) in das Binary Format (Endung .bin). Die neu erstellte Datei muss anschließend



mit einem geeigneten Kartenleser auf die SD-Karte in den Ordner ’Programme’ kopiert wer-den. Programmierung mit externen Hardware-Tools Anwendungsprogramme können auch über mitgelieferte Hardware-Tools unter Zuhilfenahme der in der kostenlosen Entwicklungsumgebung AVR Studio integrierten Programmiersoftware in den Flash geladen werden (AVR Studio ist im Datensatz zur hD2 enthalten oder über einen Download bei Atmel verfügbar). Verwendet werden kann der In-System-Programmer AVR ISP mkII oder das Debug-Tool AVR JTAG ICE mkII. Mit letzterem besteht neben einer reinen Programmübertragung auch die Möglichkeit des Debuggens (Hinweise dazu im nächsten Ab-schnitt). a) Verwendung des AVR ISP mkII Der In-System-Programmer AVR ISP mkII (Atmel) wird am PDI-Anschluss mit der hD2 ver-bunden. Die Verbindung zwischen Programmer und PC erfolgt mit dem mitgelieferten USB-Kabel. Zur Programmübertragung muss die Stromversorgung der hD2 aktiv sein. Bevor ein Programm übertragen werden kann, muss eine Verbindung zwischen Programmier-software und Programmer hergestellt werden. Dazu im AVR Studio den ‚Connect’-Button in der Toolbar betätigen (alternativ: Menü Tools / Program AVR / Connect…), im sich öffnen-den Fenster den AVRISP mkII auswählen und Connect… betätigen. Es öffnet sich nun das Fenster der Programmiersoftware. Unter dem Reiter Main ist darauf zu achten, dass der kor-rekte Mikrocontroller (ATxmega128A1) als Device ausgewählt ist. Unter dem Reiter Pro-gram ist nun im Feld Flash das gewünschte Hex-File auszuwählen. Mit einem Klick auf Pro-gram wird die Anwendung in den Flash übertragen.

Abbildung 4: Anordnung zum Neuprogrammieren der hD2 mit dem AVR ISP mkII



b) Verwendung des AVR JTAG ICE mkII Das Debug-Tool AVR JTAG ICE mkII (Atmel) kann bequem mit Hilfe des mitgelieferten XMEGA PDI Adapters am PDI-Anschluss der hD2 angesteckt werden. Die Verbindung zwi-schen Debug-Tool und PC erfolgt mit dem mitgelieferten USB-Kabel. Zur Programmübertra-gung muss die Stromversorgung der hD2 aktiv sein.

Abbildung 5: XMEGA PDI Adapter Abbildung 6: Verbindung AVR JTAG ICE mkII

mittels XMEGA PDI Adapter Es ist ebenfalls möglich den AVR JTAG ICE mkII direkt mit der Flachbandleitung am JTAG-Anschluss der hD2 anzuschließen. Dazu ist der Adapter für den 10-poligen Anschluss (vor-sichtig!) abzunehmen und mit dem JTAG-Anschluss der hD2 so zu verbinden, dass die Kon-taktflächen der Leitung nach oben (von der Leiterplatte weg) zeigen. Die Anschlussmöglich-keit mit Hilfe des XMEGA PDI Adapters ist aufgrund der einfacheren Handhabung sowie der Empfindlichkeit des Verbinders des JTAG-Anschlusses der direkten Verbindung per Flach-bandleitung vorzuziehen. Die Programmübertragung erfolgt nach dem gleichen Ablauf wie bei Verwendung des AVR ISP mkII, mit dem Unterschied, dass in diesem Fall als Tool das JTAGICE mkII gewählt wer-den muss. Es ist darauf zu achten, dass im Fenster der Programmiersoftware unter dem Reiter Main im Feld Programming Mode and Target Settings bei Verwendung des XMEGA PDI Adapters die Einstellung PDI mode vorgenommen wird. Bei Verbindung des AVR JTAG ICE mkII am JTAG-Anschluss der hD2 ist JTAG mode auszuwählen.



Achtung! Durch Verwendung von externen Programmier- und Debug-Tools wird das Betriebssystem der hD2 gelöscht. Um das Betriebssystem wiederherzustellen, muss die Hex-Datei mit einem externen Tool, wie in Punkt 4 beschrieben, wieder in den Flash programmiert werden. Die Hex-Datei des Betriebssystems befindet sich im Datensatz für die hD2. Generierung eigener Anwendungsprogramme Für die Erstellung eigener Programme stehen kostenlose bzw. preisgünstige Tools zur Verfü-gung. So können z.B. mit Hilfe der kostenlosen Entwicklungsumgebung AVR Studio (Atmel) relativ schnell Anwendungen in Assemblersyntax erstellt und mit Hilfe des integrierten Simu-lators oder dem Debug-Tool AVR JTAG ICE mkII getestet werden. Dabei können die auf der Webseite der hD2 publizierten Funktionen und Programmbeispiele eine große Hilfe beim Einstieg in die Anwendungsprogrammierung sein. Zur Programmerstellung in C sind mehrere C-Compiler verfügbar. Gut geeignet ist z.B. die Open Source Entwicklungsumgebung WinAVR mit integriertem GNU-Compiler GCC, wel-che kostenlos als Freeware genutzt werden kann. Dieser Compiler lässt sich problemlos in das AVR Studio einbinden, sodass zum Editieren, Compilieren, Debuggen und zur Speicher-Programmierung nur eine Entwicklungsumgebung erforderlich ist. Auf den Webseiten www.hs-mittweida.de/acmc und www.avrfreaks.net sind dazu weitere In-formationen verfügbar. 5. Debugging eigener Anwendungsprogramme Simulation Die Entwicklungsumgebung AVR Studio enthält einen Simulator, mit dem der Programmab-lauf sowie die Auswirkung einzelner Programmabschnitte auf Speicherinhalte oder die On-Chip Peripherie des MC getestet werden kann. Es handelt sich dabei um eine Software-Simulation, eine ‚echte’ Verbindung zur reellen Hardware besteht dabei nicht. Zur Kontrolle oder zum Auffinden von Fehlern im Anwendungsprogramm ist der Simulator sehr hilfreich. Zur Verwendung des Simulators sei auf die Hilfe im AVR Studio sowie die Atmel-Webseite (www.atmel.com) verwiesen. On-Chip Debugging Beim On-Chip Debugging besteht im Gegensatz zur Simulation eine Verbindung zur reellen Hardware (MC), d.h. es wird genau das dargestellt, was momentan im Mikrocontroller ge-schieht. Um eigene Anwendungsprogramme debuggen zu können, ist das Debug-Tool AVR JTAG ICE mkII an die hD2, wie im Abschnitt 4 beschrieben, anzuschließen. Im AVR Studio ist als Debug-Plattform in diesem Fall das JTAGICE mkII zu wählen, dies erfolgt entweder



bei der Erstellung eines neuen Projektes oder später unter Menü Debug / Select Platform and Device. Zum Vorgehen beim Debugging mit dem AVR Studio sei auf die Hilfe im AVR Studio sowie die Atmel-Webseite (www.atmel.com) verwiesen. 6. Einstellen des Auslieferungszustandes Um den Auslieferungszustand wiederherzustellen, muss die Hex-Datei des Betriebssystems mit einem externen Tool, wie in Punkt 4 beschrieben in den Flash des Mikrocontrollers gela-den werden. Falls Dateien auf der SD-Karte modifiziert wurden, müssen die Originaldateien wieder auf die SD-Karte geladen werden. 7. Kontaktbelegung für die Interfaces Buchsenleisten X1, X2

Prinzip der Nummerierung der Buchsenleisten X1, X2

Abbildung 7: Nummerierung der Kontakte von X1, X2

Kontaktbelegung X1 und X2

Kontakt Signal an X1 Signal an X2

1 ADC2 / DAC0 ADC3 / DAC1 2 AGND AGND 3 GND GND 4 GND GND 5 SPI: SCK (SPIC) SPI: SCK (SPIC) 6 I²C: SCL (TWIC) I²C: SCL (TWIC) 7 SPI: MISO SPI: MISO 8 I²C: SDA I²C: SDA 9 SPI: MOSI SPI: MOSI



10 UART: TX (UARTE0) UART: TX (UARTF1) 11 SPI: CS (PJ6) SPI: CS (PJ7) 12 UART: RX UART: RX 13 OK-Eingang (Kathode) n.c. 14 OK-Ausgang (Emitter) n.c. 15 OK-Eingang (Anode) dig. I/O 2 (PF5) 16 OK-Ausgang (Kollektor) dig. I/O 1 (PF4) 17 GND GND 18 GND GND 19 VCC VCC 20 VCC VCC

Extension Board Das Austauschmodul Extension Board kann zum Aufbau eigener Erweiterungsschaltungen verwendet werden. Es stehen verschiedene On-Chip Kommunikationsinterfaces, digitale so-wie analoge Schnittstellen des MC zur Verfügung. Das Lochrasterfeld (Rastermaß 2,54 mm) kann frei zum Auflöten von Bauelementen oder Leitungsverbindungen genutzt werden.

Abbildung 8: Extension Board

PDI-Anschluss

Abbildung 9: Kontaktbelegung PDI-Anschluss



8. Hinweise zur Verwendung ausgewählter Komponenten Tasten, Joystick Die Tasten T1 (S2) und T2 (S3) sowie die Tastkontakte des Joysticks (S4) sind low-aktiv be-schaltet, d.h. im betätigten Zustand liegt am entsprechenden MC-Eingangspin ein logischer Low-Pegel an, im unbetätigten Zustand ein logischer High-Pegel. Der Joystick besitzt insge-samt 5 Schaltkontakte, 4 für die Richtungen oben, unten, rechts und links und 1 Kontakt als Mitteltastfunktion (Centerpush). Die Tasten und der Joystick sind mit den Eingangspins von PORTH des MC, wie in nachfolgender Tabelle zusammengefasst, verbunden.

Portpinbelegung

PORTH

Taste T1 PH0

Taste T2 PH1

Joystick ’oben’ PH2

Joystick ’rechts’ PH3

Joystick ’links’ PH4

Joystick ’unten’ PH5

Joystick ’mitte’ PH6

Fotowiderstand Der Fotowiderstand (R9) ist mit dem Portpin PA1 des MC’s verbunden, welcher als Eingang des On-Chip Analog-Digital-Wandlers ADCA genutzt werden kann. Bei Verwendung des Fotowiderstandes ist als Referenzspannung für den Analogwandler die an Portpin PA0 anlie-gende Referenzspannung in Höhe von 2,048 Volt bei der Initialisierung des Analogwandlers zu wählen. Der Fotowiderstand wird ebenfalls von dieser Spannung gespeist. Temperatursensor, Real-Time-Clock Der Temperatursensor und die Real-Time-Clock werden über einen I²C-Bus angesteuert. Da-zu kann das On-Chip TWI-Interface TWIC des MC’s, welches zu I²C kompatibel ist, genutzt werden. Die Real-Time-Clock wird von einer Stützbatterie (CR2032) versorgt, sodass die Uhr während der Zeit, in der keine Versorgungsspannung an der hD2 anliegt, weiter läuft. Die Zeit- und Datumsinformationen bleiben somit bestehen und können jederzeit wieder abgefragt werden ohne eine Neukonfiguration vornehmen zu müssen.



Die I²C-Komponenten haben folgende Slaveadressen: Temperatursensor: 0x4F Real Time Clock: 0x68 Lautsprecher, LED Der Lautsprecher und die frei programmierbare LED (D1) befinden sich an den Portpins PF0 bzw. PF1. Diese Ausgangspins können intern mit dem On-Chip Timer/Counter TCF0 des MC’s verbunden werden, sodass über diesen auf einfache Weise generierte Frequenzen aus-gegeben werden können (z.B. Ton-Frequenzen für Lautsprecher oder PWM-Signale zum Dimmen der LED). Die LED ist low-aktiv beschaltet, d.h. um die LED einzuschalten muss ein logischer Low-Pegel am betreffenden MC-Ausgangspin anliegen, bei einem logischen High-Pegel ist die LED ausgeschaltet. Speicherkarte Mit dem Speicherkarteneinschub können sowohl SD- als auch MMC-Speicherkarten kontak-tiert werden. Der Einschub verfügt über eine sog. Push-Funktion, beim Einschieben der Spei-cherkarte entsteht ein hörbares Klickgeräusch, zum Herausnehmen der Karte einfach die Speicherkarte ein kurzes Stück bis zum Klickgeräusch in den Einschub drücken und die Karte wird automatisch ausgeworfen. Der Karteneinschub besitzt 2 Schaltkontakte zur Kartenerkennung und zur Abfrage des Scheibschutzschalters von SD-Speicherkarten. Diese sind mit den Portpins PJ1 und PJ2 des MC verbunden. Die logischen Zustände dieser Eingangspins können nachfolgender Tabelle entnommen werden.

Card Detection

(PJ1)

Write Protection

(PJ2)

Keine Karte eingesteckt ’1’ ’1’

Karte eingesteckt, Schreib-

schutzschalter: „UNLOCK“

’0’ ’0’

Karte eingesteckt, Schreib-

schutzschalter: „LOCK“

’0’ ’1’

SD- und MMC-Speicherkarten können über eine SPI-Schnittstelle angesteuert werden. Dazu kann das On-Chip SPI-Interface SPIC des MC genutzt werden. Die Chipselect-Leitung zur Ansteuerung der Speicherkarte befindet sich am Ausgangspin PC4 des MC.



Achtung! Auf der verwendeten Speicherkarte sollten sich keine wichtigen Daten befinden. Die hD2 ist ein Trainingssystem, die Anwendungsprogramme im Mikrocontroller können Fehler enthal-ten, welche zum Verlust der Daten führen können! Display Das OLED-Display mit einer Anzeigegröße von 2,4“ besitzt eine Auflösung von 320 x 240 Pixel. Es können insgesamt 262k Farben dargestellt werden. Durch die hier verwendete SPI-Ansteuerung werden die darstellbaren Farben auf 65k begrenzt. Der im Display integrierte Treiber-IC (Samsung S6E63D6) wird über eine SPI-Schnittstelle angesteuert, dazu ist das On-Chip SPI-Interface SPIE des MC zu verwenden. Die zugehörige Chipselect-Leitung ist mit dem Portpin PE4 verbunden. Die RESET-Leitung für den Treiber-IC befindet sich an Portpin PE1, um einen RESET auszulösen, ist ein logischer Low-Pegel an diesem Portpin anzulegen. Um Grafiken auf der Anzeige darzustellen, ist vorher der Spannungswandler, welcher die OLED-Anzeige versorgt, einzuschalten. Dazu ist am Ausgangspin PE0 des MC’s ein logi-scher High-Pegel anzulegen, mit einem logischen Low-Pegel wird diese Spannungsversor-gung abgeschaltet. Der Treiber-IC kann auch ohne eingeschalteten Spannungswandler ange-steuert werden. Um eine stromsparende Verwendung des Displays zu realisieren, was vor allem im Batterie-betrieb wichtig ist, sollten bei der Erstellung von Applikationen einige Punkte beachtet wer-den. Zum einen sollte die Anzeige bei Nichtbenutzung abgeschaltet werden (entsprechendes Control-Register), optimalerweise auch der Spannungswandler (Portpin PE0). Zum anderen entscheidet die angezeigte Grafik über die Stromaufnahme der Anzeige. Je mehr Pixel farbig aktiv sind, desto höher der Strombedarf. Für stromsparende Applikationen sollte sich daher auf einfache Grafiken (z.B. Schriftzeichen, simple Symbole) auf schwarzen Hintergrund be-schränkt werden. Auch die Farbe der Pixel spielt eine Rolle, rote und grüne Farbtöne benöti-gen deutlich weniger Strom als blaue und weiße. USB Die USB-Kommunikation wird mit Hilfe eines USB-UART-Umsetzers realisiert. Der Daten-austausch zwischen MC und Umsetzer geschieht über UART, dazu ist die On-Chip UART-Schnittstelle USARTD0 zu verwenden. Der Anschluss an einen PC oder Notebook erfolgt über die Mini-B-USB-Buchse an der Rückseite der hD2. Der Datenaustausch wird auf dem PC als virtuelle COM-Schnittstelle umgesetzt (entsprechender Treiber vorausgesetzt, Download unter www.ftdichip.com). Da-durch können Programme verwendet werden, welche eine COM-Schnittstelle zum Datenaus-tausch nutzen (z.B. Terminalprogramm).



Ethernet-Interface Für die Realisierung des Ethernet-Interface wird der Ethernet-Controllers Wiznet W5100 ein-gesetzt. Dieser ist per SPI unter Verwendung der On-Chip SPI-Schnittstelle SPID an den MC angekoppelt. Die entsprechende Chipselect-Leitung befindet sich an Portpin PD4. Weitere Leitungen zur Ansteuerung sind die RESET-Leitung (MC-Ausgangspin PD1) und die Inter-rupt-Leitung (MC-Eingangspin PJ0). Um die Versorgungsspannung des Ethernet-Controllers zu aktivieren, ist an Portpin PD0 des MC’s ein logischer Low-Pegel anzulegen, zum Abschal-ten der Spannung ein logischer High-Pegel. Zum Anschluss an ein Netzwerk kann ein Patchkabel (1:1) oder Crossover-Kabel (wird auto-matisch erkannt) mit RJ45-Stecker verwendet werden. Ethernet-Anwendungen sind sehr stromintensiv, daher ist die Benutzung im Batteriebetrieb nicht zu empfehlen. Achtung! Der Ethernet-Controller wird bei Verwendung heiß. Das ist normal und kein technischer De-fekt. Austauschmodule Bei der Verwendung von austauschbaren Modulen ist darauf zu achten, dass darauf befindli-che Bauelemente mit größeren Bauhöhen beim Zusammenklappen der hD2 nicht mit dem Display in Berührung kommen. Dies kann zu Beschädigung des empfindlichen Displays füh-ren. Daher ist ein solches Modul vorher abzunehmen!



9. Technische Daten der hD2

Abmessungen (H x B x T) - Betriebszustand: 95 x 160 x 100 mm Transportzustand: 45 x 160 x 100 mm zwei Halbscheiben mit ∅ = 160mm

Mikrocontroller (MC) - AVR ATxmega128A1 (128 kByte Flash, 8 kByte SRAM, 2 kByte EEPROM)

MC-Taktfrequenz - flexibel konfigurierbar bis 32 MHz, externer Quarz 16 MHz

externe Referenzspannung - 2,048 Volt für den ADU

Display - AMOLED CMEL C0240QGLA-T (SPI) (2,4“, 320x240 pxl, Colors: 262k (SPI-Mode 65k) integrierter Treiber-IC: Samsung S6E63D6

Real-Time-Clock - DS1339U (I²C) mit Stützbatterie CR2032

Temperatursensor - MCP9801 (I²C)

Fotowiderstand - Perkin Elmer A905014

Lautsprecher - Ekulit LSF-15SMD

LED-Anzeigen - LED rot (D1, Funktion frei programmierbar) LED gelb (D12, Ethernet-Controller ein) LED gelb (D6, externes Netzteil angesteckt) LED grün (D8, LINK LED Ethernet) LED grün (D2, RX & TX-LED USB)

Ethernet-Controller - Wiznet W5100 (SPI) (Versorgungspannung mit T3 schaltbar)

USB-UART-Umsetzer - FTDI FT232RL (UART) (Versorgungsspannung per USB)

Bedienelemente - 2 Funktionstasten (T1=S2, T2=S3) Miniatur-Joystick (4 Richtungen + Center Push) RESET-Taste (S1)

Optokoppler - 2x PC357 (1x Eingang, 1x Ausgang)

Anschlussmöglichkeiten - X1/X2: universelle Buchsenleisten (2mm-Steckverbindersystem (molex)) X1: 1x Optokopplereingang, 1x -ausgang

Modulstecksockel (X3/X4)

Karteneinschub (X6) für SD- und MMC- Speicherkarten

PDI-Anschluss (X7) (Wannenstecker 6-polig)

JTAG-Anschluss (X8) (FFC-Verbinder)

Kommunikationsinterfaces - USB: Mini-B-USB-Buchse Ethernet: RJ45-Buchse



Stromversorgung - Steckernetzteil 12 Volt = oder 4x AAA-Batterien/Akkus

On-Board Betriebsspannung - 3,3 Volt

Stromaufnahme - je nach Anwendung 10. Haupteigenschaften des AVR ATxmega128A1

AVR RISC Core

0-32 MHz Systemtaktfrequenz

128 kB Programmspeicher (Flash)

Datenspeicher: 8 kB SRAM und 2 kB EEPROM

8 kB Boot Section (für Bootloader)

2x ADC (12 Bit, bis 2 MS/s) mit je 8 Input-Pins und 4 internen Inputs

2x DAC (12 Bit, bis 1 MS/s) mit je 2 Output-Pins

2x2 Analogkomparatoren mit 8 Input-Pins je Gruppe

8x 16-bit-Timer mit je 4 bzw. 2 Capture-/Compare-Kanälen

4x SPI-, 4x I²C-, 8x USART-Interfaces

Infrarot Kommunikationsmodul (IRCOM) zur Nutzung mittels USART

Eventsystem (Interperiphere Kommunikation ohne CPU-Beanspruchung)

Programmierbarer Multi-Level Interrupt Controller

45 Interrupt-Quellen

Watchdog-Timer

Überwachung der Betriebsspannung (Power-On, Brown-Out, Spike Detektor)

integrierter 16-bit Real Time Counter

Crypto Engines (zur Daten Ver- und Entschlüsselung)

External Bus Interface (EBI) (für SDRAM Support)

Direct Memory Access Controller (DMA)

Advanced Waveform Extension und High Resolution Extension (erweiterte Unterstüt-zung der Timer/Counter im Waveform Generation Modus)

5 Sleep Modes

Power Reduction Register (zur Abschaltung ungenutzter Peripherie)

In-System programmierbar

On-Chip Debugging-Interface

78 konfigurierbare I/O-Pins

Betriebsspannung 1,6-3,6 V



Blockschaltbilder

Abbildung 10: Blockschaltbild des AVR ATxmega128A1



Abbildung 11: Grundstruktur der AVR Architektur




11. Support, Literatur, Anlagen Downloadadressen für Softwaretools

AVR Studio: www.atmel.com WinAVR (avr gcc): www.winavr.sourceforge.net FTDI Treiber: www.ftdichip.com

Support

Datensatz zur hD2, Application Center Microcontroller, Hochschule Mittweida 03/2010

www.hs-mittweida.de/acmc bzw. [email protected] www.atmel.com www.avrfreaks.net www.mikrocontroller.net

Anlagen

Stromlaufplan der hD2

http://www.atmel.com/

http://www.winavr.sourceforge.net/

http://www.ftdichip.com/

http://www.hs-mittweida.de/acmc

http://www.atmel.com/

http://www.avrfreaks.net/

http://www.mikrocontroller.net/

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