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Fakultät I – Elektro- und Informationstechnik Fachgebiet Industrieelektronik & Digitaltechnik Mikroprozessor-Experimentier-System mit einem 8051-Mikrocontroller Handbuch Version 2.0 vom 25.09.2008

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Fakultät I – Elektro- und Informationstechnik Fachgebiet Industrieelektronik & Digitaltechnik

Mikroprozessor-Experimentier-System

mit einem 8051-Mikrocontroller

Handbuch Version 2.0 vom 25.09.2008

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FH Hannover, Fakultät I – Elektro- und Informationstechnik, Fachgebiet Industrieelektronik & Digitaltechnik

Inhalt 1 Einleitung........................................................................................................................... 3 2 Hardware............................................................................................................................ 4

2.1 Übersicht .................................................................................................................... 4 2.2 Lageplan..................................................................................................................... 5 2.3 Schaltplan................................................................................................................... 6 2.4 Mikrocontroller AT89C5131A-M ............................................................................. 7 2.5 Spannungsversorgung ................................................................................................ 8 2.6 USB-Anschluss .......................................................................................................... 8 2.7 SPI – Schnittstelle ...................................................................................................... 9 2.8 Analog-Digital-Wandler TLC549.............................................................................. 9 2.9 Serielle Schnittstelle nach RS-232 (COM-Port) ...................................................... 10 2.10 LC-Display............................................................................................................... 10 2.11 Eingabe-Taster ......................................................................................................... 11 2.12 Erweiterungsstecker ................................................................................................. 11 2.13 Datenblätter.............................................................................................................. 11

3 Software ........................................................................................................................... 12 3.1 Die Entwicklungsumgebung.................................................................................... 12 3.2 Installation des C-Compilers.................................................................................... 12 3.3 Zusätzliche Dateien.................................................................................................. 13 3.4 FLIP-Installation ...................................................................................................... 14

4 Das erste Programm......................................................................................................... 17 4.1 Vorbereitung ............................................................................................................ 17 4.2 Make-Wizard ........................................................................................................... 17 4.3 Editor JFE ................................................................................................................ 21 4.4 Compiler starten....................................................................................................... 23 4.5 Flash-Programmierung starten................................................................................. 24

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Einleitung 3

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1 Einleitung Das an der Fachhochschule Hannover entwickelte Mikroprozessor-Experimentiersystem MExS ist in drei Ausbaustufen verfügbar. Die vorliegende Version MExS-USB ist nur mit wenig externer Hardware ausgestattet. Sie ist zum Einstieg in die Welt der Mikrocontroller gedacht. Die Zielgruppe sind Studierende die praktische Erfahrungen in der Programmierung und der elektrischen Beschaltung von Mikrocontrollern sammeln wollen. Das Entwicklungssystem besteht aus den Komponenten: ► MExS-Board

► Stecker-Netzteil

► USB-Kabel

► Handbuch

► CD

Der eingesetzte Mikrocontroller vom Typ AT89C5131A ist ein Derivat aus der Familie der 8051-kompatiblen Mikrocontroller. Für einfache Ein- und Ausgabeoperationen sind vier Taster und acht Leuchtdioden vorgesehen. Textausgaben sind auf einem LC-Display möglich. Es erlaubt die Ausgabe von bis zu 16 Zeichen pro Zeile auf insgesamt zwei Zeilen. Mit einem Analog-Digital-Umsetzer können analoge Spannungen eingelesen werden. Auf einer Steckleiste sind diverse Anschlüsse des Mikrocontrollers heraus geführt, dadurch kann das System um zusätzliche Hard-ware erweitert werden.

Der Mikrocontroller AT89C5131A besitzt 32 Kibibyte1 Programmspeicher und 256 Byte Datenspeicher, so dass der Anschluss externer Speicherbausteine nicht notwendig aber möglich ist. Der Speicher ist ein so genannter „Flash-Speicher“, der elektrisch gelöscht werden kann und seinen Speicherinhalt auch ohne angelegte Versorgungsspannung behält. Die Programmierung des Speichers erfolgt über die USB-Schnittstelle.

Zur Programmerstellung wurde der C-Compiler der Firma Wickenhäuser ausgewählt. Hierbei handelt es sich um eine Demo-Version mit der Einschränkung, dass die Größe des erzeugten Programmcode auf 8 Kibibyte beschränkt ist.

1 Kibibyte (KiB) = 1024 Byte. Ein Kilobyte ist gleich 1000 Byte und in diesem Zusammenhang unzutreffend. Siehe auch Norm IEC 60027-2

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4 Hardware

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2 Hardware 2.1 Übersicht

ATMEL AT89C5131A-M

8-bit Analog-Digital-

Wandler

TLC549P

USB-

Schnittstelle

RS232-

Schnittstelle

LC-Display

2x16 Zeichen an Port 2

8 LED

an Port 0

4 Taster an Port 3

5 Volt

Spannungs-versorgung

Erweiterungs-

stecker

Abbildung 1: Blockschaltbild MExS-Board

Die Bestandteile des MExS-USB sind:

► Mikrocontroller AT89C5131A

► SPI-Schnittstelle mit Analog-Digital-Umsetzer

► USB-Port

► Serielle Schnittstelle nach RS-232

► Textausgabe auf einem LC-Display

► 8 Leuchtdioden

► Vier Taster

► Erweiterungsstecker

► Spannungsversorgung

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Hardware 5

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2.2 Lageplan

ATMEL

AT89C5135A-M

USB-Port Serielle Schnittstelle Netzteilanschluß

Potentiometer mit Steckachse

roter Reset-Taster

blauer Programmier-

Taster

4 Eingabetaster

26 poliger Erweiterungs-stecker

8 rote Leuchtdioden

Abbildung 2: Lageplan

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6 Hardware

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2.3 Schaltplan

Abbildung 3: Schaltplan

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Hardware 7

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2.4 Mikrocontroller AT89C5131A-M Der AT89C5131A-M ist eine erweiterte Version eines 8051-Mikrocontrollers: ► 32 KiB Programmspeicher (Flash)

► 256 Byte Datenspeicher (RAM)

► 1 KiB zusätzlicher Datenspeicher (ERAM)

► Interrupt-Controller

► Zeitgeber bzw. Zähler (Timer 0,1 und 2)

► Watchdog Timer

► USB-, RS-232-, I2C- und SPI-Interface

► PCA, Programmable Counter Array

► Tastatur-Anschluss

► Programmable LED, programmierbare Stromquellen für vier LED

► ISP, In-System-Programming

► Quarzfrequenz 16 MHz

Abbildung 4: Blockdiagramm AT89C5131A

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8 Hardware

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2.5 Spannungsversorgung Das mitgelieferte Steckernetzteil erzeugt eine ungeregelte Ausgangsspannung im Bereich von 7 V bis 12 V. Auf dem MExS-Board befindet sich ein Spannungsregler vom Typ 7805, der eine feste Versorgungsspannung von 5 V erzeugt.

Abbildung 5: Spannungsversorgung

2.6 USB-Anschluss Der Mikrocontroller verfügt über eine USB 2.0 konforme Schnittstelle. Der USB-Port wird zum Herunterladen von Programmen in den Mikrocontroller verwendet. Darüber hinaus kann der USB-Port auch von eigenen Anwendungen genutzt werden.

Abbildung 6: USB-Port

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Hardware 9

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2.7 SPI – Schnittstelle Das Serial Peripheral Interface ist eine Schnittstelle zum einfachen Anschluss weiterer Schaltkreise an den Mikrocontroller. Die Kommunikation findet immer zwischen zwei Bausteinen statt. Beim SPI werden die Daten synchron übertragen. Der Mikrocontroller (Master) erzeugt den Sende- Empfangstakt und der Peripheriebaustein (Slave) erhält diesen Takt über die Leitung SCK. An einem SPI können viele Peripheriebausteine angeschlossen werden. Um einzelne Schaltkreise gezielt ansprechen zu können, besitzen sie einen Chip-Select-Pin (CS). Der Datenaustausch erfolgt über die Leitungen MOSI (Master Out Slave In) und MISO (Master In Slave Out).

Auf dem SPI finden Schreib- und Leseoperationen immer gleichzeitig statt. Wenn der Master z.B. Daten an den Analog-Digital-Umsetzer schreibt, um eine AD-Umsetzung zu starten, liest er gleichzeitig das Ergebnis der vorherigen AD-Umsetzung ein.

Will der Master nur Daten schreiben ignoriert er die Daten im Empfangspuffer. Umgekehrt muss immer ein Dummy-Byte geschrieben werden, wenn ein Byte gelesen werden soll.

2.8 Analog-Digital-Wandler TLC549 Der TLC549 ist ein 8-bit ADC, hergestellt in CMOS-Technologie. Er arbeitet nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation. Der Anschluss an den Mikrocontroller erfolgt über den SPI-Bus. Der Eingangsspannungsbereich erstreckt sich von 0 V bis 5 V. Der Eingang des Analog-Digital-Wandlers ist mit keiner Schutzschaltung versehen! Seien Sie Vorsichtig beim Anschluss externer Spannungsquellen. Der analoge Eingang des AD-Wandlers kann mittels Steckbrücke JP1 wahlweise mit der internen Spannungsquelle (Potentiometer) oder mit einer externen Spannungsquelle (via Steckerleiste) verbunden werden (Abbildung 8).

rechte Position, Poti

linke Position, Steckleiste

Abbildung 7: AD-Umsetzer am SPI Abbildung 8: Auswahl der Signalquelle Signal Portpin Funktion CS_ADU P1.0 Aktivieren des Analog-Digitalwandlers SPI_MOSI P1.7 Daten von Master an Slave SPI_MISO P1.5 Daten von Slave an Master SPI_SCK P1.6 Sende- / Empfangstakt

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10 Hardware

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2.9 Serielle Schnittstelle nach RS-232 (COM-Port) Die serielle Schnittstelle – auch UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) genannt – ist Teil des Mikrocontrollers. Die Versorgungsspannung des Mikrocontrollers beträgt 5 V. Die Schnittstelle nach RS-232-Norm verwendet jedoch höhere Spannungen. Eine logische 1 entspricht einer Spannung von -12 V und eine logische 0 entspricht einer Spannung von +12 V auf den Leitungen. Deswegen ist zum Anschluss an den Mikrocontroller ein Pegelwandler erforderlich. Diese Aufgabe erfüllt der Integrierte Schaltkreis MAX232. Wird die serielle Schnittstelle nicht genutzt und sollen die Portpin P3.0 und P3.1 anderweitig genutzt werden, kann der MAX232 vom Mikrocontroller abgetrennt werden. Dazu müssen die Steckbrücken JP2 und JP3 auf die linke Position (Abbildung 10: Steckbrücken) gesteckt werden.

JP2 und JP3

Abbildung 9: RS-232 Schnittstelle Abbildung 10: Steckbrücken

2.10 LC-Display Das LCD ist eine Punkt-Matrix-Anzeige mit zwei Zeilen und je 16 Zeichen pro Zeile. Der Controller der Anzeige ist kompatibel zum bekannten HD44780 von Hitachi. Das LC-Display ist an Port 2 des Mikrocontrollers angeschlossen. Außerdem werden drei Leitungen von Port 1 verwendet.

Abbildung 11: LC-Display

LC-Display RS RW E LCD0 bis LCD7

µController P1.3 P1.4 P1.2 P2.0 bis P2.7

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Hardware 11

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2.11 Eingabe-Taster An Port 3 sind vier Taster angeschlossen. Die Kontakte der Taster schließen bei Betätigung nicht sofort, sie öffnen und schließen mehrmals bis es zum permanenten Kontakt kommt. Dieses Verhalten wird Prellen genannt. Das Prellen kann bei schlechten bzw. alten Schaltern bis zu 20 ms dauern. Das Prellen der Kontakte muss unter Umständen bei der Programmierung berücksichtigt werden.

Taster Portpin S1 P3.2 S2 P3.3 S3 P3.4 S4 P3.5

Abbildung 12: Zuordnung Taster–Portpin

2.12 Erweiterungsstecker Auf dem Erweiterungsstecker sind mehrere Prozessorleitungen herausgeführt, so dass auf einfache Weise zusätzliche Hardware an das MExS-Board angeschlossen werden kann. Die Belegung des Steckers ist nachfolgend aufgeführt.

Funktion Pin Pin Funktion

nc. 1 2 Gnd

nc. 3 4 UExt.

P3.1 5 6 P3.0

nc. 7 8 SCK

MOSI 9 10 MISO

P3.3 11 12 P3.2

P3.5 13 14 P3.4

P3.7 15 16 P3.6

P0.7 17 18 P0.6

P0.5 19 20 P0.4

P0.3 21 22 P0.2

P0.1 23 24 P0.0

nc. 25 26 +5 V Abbildung 13: Pinbelegung Erweiterungsstecker

nc. = not connected

2.13 Datenblätter Die Datenblätter aller Schaltkreise sowie des LC-Displays befinden sich auf der CD im Verzeichnis „Datenblätter“.

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12 Software

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3 Software 3.1 Die Entwicklungsumgebung Die Entwicklungsumgebung besteht aus: ► Editor, JFE

► Compiler, uc51

► Make-Wizard

► Flip, Flash-Programmierung

Mit dem Editor JFE werden die Quelldateien erstellt. Die anderen Programme werden aus dem Editor heraus aufgerufen. Zum Starten des Compilers und seiner Hilfsprogramme wird ein so genanntes „Make-Tool“ verwendet. Dazu muss eine Steuerdatei mit Hilfe des „Make-Wizard“ erstellt werden. Flip überträgt das Programm in den Mikrocontroller. Diese Dokumentation soll und will die Original-Handbücher des Compilers und der anderen Programme nicht ersetzen, sondern lediglich eine kleine Hilfestellung leisten bei den ersten Schritten im Umgang mit der Entwicklungsumgebung. Bitte lesen Sie die Handbücher die sich auf der CD befinden.

3.2 Installation des C-Compilers Um den Compiler zu installieren, muss die Datei „uc51inst.exe“ gestartet werden. Sie befindet sich auf der CD im Verzeichnis „Compiler“.

Abbildung 14: Installation des Compilers

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Software 13

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Bitte ändern Sie nicht den angegebenen Pfad.

Abbildung 15: Abschluss der Compiler-Installation

3.3 Zusätzliche Dateien Auf der CD finden Sie im Compiler-Verzeichnis außerdem eine Header-Datei, die die Namen und Adresszuweisungen der Special Function Register des AT89C5131 enthält. Kopieren Sie die Datei „AT89C5131.h“ nach „C:\uC51\include“.

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14 Software

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3.4 FLIP-Installation Auf der CD finden Sie im Verzeichnis „Flash-Programmer“ die Installationdateien der Flash-Programmiersoftware FLIP. Starten Sie das Programm „SETUP.EXE“ und bestätigen Sie die folgenden Abfragen mit „YES“ bzw. „Next“.

Abbildung 16: Installation Flip Teil 1

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Software 15

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Abbildung 17: Installation Flip Teil 2

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16 Software

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Schließen Sie nun die Spannungsversorgung an das MExS-Board an. Schalten Sie das MExS-Board in den Programmier-Modus. Dazu drücken Sie die rote und die blaue Taste. Lassen Sie die rote Taste los und erst danach die blaue. Verbinden Sie MExS-Board und PC mit Hilfe des USB-Kabels. Beim erstmaligen Anschluss wird Windows erkennen, dass neue Hardware angeschlossen wurde und den Treiber anfordern.

!

!

Klicken Sie auf „Durchsuchen“ und stellen Sie den Dateipfad auf „C:\Programme\ATMEL\FLIP 2.4.6\usb“ ein.

Abbildung 18: USB-Treiber installieren

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Das erste Programm 17

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Abbildung 19: Fertigstellen der USB-Treiberinstallation

4 Das erste Programm 4.1 Vorbereitung Den Ordner „uC51“ auf dem Desktop öffnen und den Editor JFE starten. Das erste Programm soll den Namen LED1 bekommen. Compiler und Hilfsprogramme erzeugen eine ganze Menge Dateien. Es ist daher sinnvoll für jedes Programm einen eigenen Ordner zu erstellen: Erzeugen Sie unter „C:\uc51\src“ einen Ordner „LED1“. Erstellen Sie ein neues Dokument und speichern Sie es unter dem Namen „LED1.C“ im Ordner „LED1“. Immer, wenn ein neues Programm begonnen wird, müssen „Make-Datei“ und „Workspace“ erstellt werden. Diese Dateien können auf einfache Weise mit dem „Make-Wizard“ erzeugt werden.

4.2 Make-Wizard Starten Sie nun den Make-Wizard, indem Sie im Ordner „uc51“ auf dem Desktop auf „MakeWiz“ klicken. Es öffnet sich ein Fenster wie in Abbildung 20. Klicken Sie auf die markierte Schaltfläche, um ein neues „Make-File“ zu erzeugen. Erstellen Sie diese Datei ebenfalls im Ordner „LED1“ und nennen Sie sie „LED1“.

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18 Das erste Programm

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Abbildung 20: Make-Wizard New

Klicken Sie nun auf den Reiter „Components“. Mit der Schaltfläche „Add Source File“ wird unsere Quelldatei „LED1.C“ in das Projekt aufgenommen. Unter „Target File“ wird „LED1“ ausgewählt.

Abbildung 21: Make-Wizard Components

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Das erste Programm 19

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Die Einstellungen für C-Compiler, Assembler und Linker lassen Sie unverändert. Sie sollten folgendes Aussehen haben:

Abbildung 22: Make-Wizard C-Compiler

In das Feld „CPU-Speed in nsec/Instr.“ muss bei einer Quarzfrequenz von f = 16 MHz der Wert 750 eingetragen werden.

Abbildung 23: Make-Wizard Assembler

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20 Das erste Programm

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Abbildung 24: Make-Wizard Linker

Wechseln Sie nun zum letzten Reiter „Misc“. Die Punkte „Write JFE-Workspace File“ und „Gen. HEX-File“ müssen angekreuzt sein. Ein Klick auf „Save Changes“ speichert die Änderungen. Der „Wizard“ kann jetzt mit dem Knopf „Cancel/Exit“ beendet werden.

Abbildung 25: Make-Wizard Abschluss

! Bitte achten Sie darauf, dass die Punkte „Write JFE-Workspace File“ und „Gen. HEX-File“ wirklich angekreuzt sind, wenn Sie den Knopf „Save Changes“ betätigen. Das Programm verhält sich manchmal recht merkwürdig und löscht dabei die Kreuze wieder. Beachten Sie die vorgegebene Reihenfolge.

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Das erste Programm 21

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4.3 Editor JFE Nach dem Beenden des „Make-Wizard“ kehren wir zurück zum Editor JFE und laden die Workspace-Datei „LED1.WSP“, die der Wizard zusätzlich erzeugt hat.

Abbildung 26:Workspace laden

Eventuell erscheint vor dem Laden des „Workspace“ folgender Dialog, der mit Ja bestätigt werden sollte.

Abbildung 27: Abfrage

! In dieser Entwicklungsumgebung besteht jedes Programm aus vielen speziellen Dateien. Beim erneuten Laden eines Programms in den Editor reicht es nicht aus, nur die C-Datei zu laden. Verwenden Sie stets die Option „Open Workspace“ und laden Sie die entsprechende WSP-Datei.

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22 Das erste Programm

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Nun sind die Vorbereitungen abgeschlossen und das Programmieren kann beginnen. Geben Sie das Programm LED1 nach Abbildung 28 ein und speichern Sie die Datei. Gehen Sie weiter zu Abschnitt „4.4 Compiler starten“. #include <at89c5131.h> #include <reg52.h> #include <stdio.h> void main(void) { // detach USB-Port PLLCON = 0x02; USBCON = 0x80; USBCON |= 0x10; while (1) { P0_B0 = 1; // LED einschalten _wait_ms(500); // ca. 500 ms warten P0_B0 = 0; // LED ausschalten _wait_ms(500); // ca. 500 ms warten } }

Abbildung 28: Testprogramm Das kurze Programm schaltet Bit 0 an Port 0 ein und wieder aus. Dieser Anschluss ist mit einer LED verbunden. Die ersten drei Befehle schalten den USB-Port ab. Dies verhindert, dass sie beim nächsten Programmieren den USB-Stecker vom PC abziehen müssen. Sollten Sie dennoch beim Umgang mit dem Programm FLIP die Meldung „Cannot open port“ erhalten, trennen Sie die USB-Verbindung zwischen PC und MExS-Board. Nach dem Wiederherstellen der USB-Verbindung sollte es keine Probleme beim Verbindungsaufbau geben (siehe 4.5 Flash-Programmierung starten). Alternativ können Sie auch kurz die Versorgungsspannung des MExS-Board unterbrechen, um den PC zu veranlassen die Geräteerkennung am USB-Port zu starten.

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Das erste Programm 23

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4.4 Compiler starten Starten Sie einen Compiler-Lauf, indem Sie die Schaltfläche „Make“ anklicken. Im unteren Bereich des Editors öffnet sich ein Fenster mit den Meldungen des Make-Programms. Am Ende der Meldungen sollte „*** OK ***“ stehen. Im oberen Bereich des Fensters stehen die Fehlermeldungen und Warnungen, falls welche aufgetreten sind. Der Compiler erzeugt eine Programm-Datei im Intel-Hex-Format. Dies ist ein übliches Format zur Übertragung von Binärdateien. Anders als eine reine Binärdatei enthält die Hex-Datei jedoch zusätzliche Informationen (CRC-Prüfsumme) die eine sichere Datenübertragung ermöglichen sollen. Nach dem erfolgreichen Compiler-Lauf muss das Programm in den Mikrocontroller geladen werden. Dazu muss der Mikrocontroller in den Programmier-Modus versetzt werden. Dies wird erreicht durch gleichzeitiges Drücken der roten Taste (RESET) und der blauen Taste (PGM) auf dem MExS-Board, und jetzt zuerst die rote Taste loslassen und dann die blaue Taste.

Compiler starten

Abbildung 29: Workspace

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24 Das erste Programm

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4.5 Flash-Programmierung starten Starten Sie nun das Programm FLIP.

Abbildung 30: FLIP starten

Zuerst muss der Mikrocontroller ausgewählt werden. Klicken Sie auf das „Chip-Symbol“ und wählen sie aus der Liste den AT89C5131.

Abbildung 31: Prozessor auswählen

Für die weiteren Schritte ist es notwendig, dass sich der Mikrocontroller im Programmier-Modus befindet. Dies erreichen Sie durch gleichzeitiges Drücken der roten und der blauen Taste. Beim loslassen halten Sie die blaue Taste etwas länger gedrückt als die rote.

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Das erste Programm 25

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Öffnen Sie nun den USB-Kanal durch einen „Klick“ auf das „Stecker-Symbol“ und wählen sie aus der Liste „USB“.

1. HEX-Datei laden

2. Mikrocontroller programmieren

3. Programm starten

Abbildung 32: Prozessor programmieren

Wenn Sie sich genau an diese Anleitung gehalten haben, finden Sie die Hex-Datei unter „C:\uc51\src\LED1\LED1.hex“. Starten Sie den Programmiervorgang und starten Sie danach das Programm. Nun sollte eine LED blinken.

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Kritik, Korrekturen und Konstruktives an

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Dipl.-Ing. Bernd Kuhs Postfach 920261 30441 Hannover

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