2. Sound und Timer

Dies ist eine alte Version des Dokuments!

Nach dieser Lektion sollten Sie:

wissen, wie man im Atmel Studio eine Puls-Signal ausgibt

I. Vorarbeiten

Laden Sie folgende Datei herunter:

II. Analyse des fertigen Programms

Initialisieren des Programms
1. Öffnen Sie SimulIDE und öffnen Sie dort mittels die Datei 2_sound.simu
2. Laden Sie 2_sound.hex als firmware auf den 328 Chip
Betrachtung der neuen Komponenten
1. In der Simulation sind nun neben der LED weitere Komponenten zu sehen, die im Folgenden erklärt werden sollen
  1. ein Display Hd44780
  2. zwei Frequenzmesser, mit der Anzeige 0Hz
  3. ein Lautsprecher mit Schalter
  4. ein Oszilloskop
2. Starten Sie die Simulation
  1. Wenn Sie die Lautsprecher des PCs aktiv haben, werden Sie ein Knacken (und ggf. Brummen) vernehmen. Dies rührt von der unvollständigen Simulation her. Wenn Sie den den Schalter vor dem Lautsprecher schließen, so sollten Sie - zusätzlich zum Knacken - einen aufsteigenden und abfallenden Ton hören. Es ist möglich, dass dieser nach wenigen Sekunden aufhört, auch das ist eine Eigenschaft der unvollständigen Simulation.
  2. Am Frequenzmesser ist dennoch zu sehen, dass ein Signal mit Frequenzen zwischen $375...1600Hz$ ausgegeben wird.
  3. Im Gegensatz dazu scheint das Oszilloskopbild still zu stehen und keine variierende Frequenz anzuzeigen. Um dies zu beheben, sollte am Oszilloskop der Haken bei Aut bzw. Auto entfernt werden. Nun ist eine Einstellung der x- und y-Werte über die Drehregler möglich.
  4. Die LED zeigt nun an, ob es sich um einen Aufsteigenden oder abfallenden Ton handelt
  5. Das Display zeigt zusätzlich an, welches Experiment geladen ist
3. Das Programm zu diesem Hexfile soll nun erstellt werden

II. Eingabe in Atmel Studio

öffnen Sie Atmel Studio
legen Sie ein neues „GCC C Executable Project“ mit dem Namen 2_sound für einen ATmega328 an
Bevor das eigentliche Coding beginnt sollte immer eine Beschreibung dem Code vorangestellt werden. Hierzu kann folgende Vorlage verwendet werden:
```
/*=============================================================================

Experiment 2:	Sound-Generator
=============	===============

Dateiname:		2_Sound.c

Autoren 	:	Peter Blinzinger
				Prof. G. Gruhler 	(Hochschule Heilbronn, Fakultät T1)
				D. Chilachava		(Georgische Technische Universität)

Version:		1.2 vom 01.05.2020

Hardware:		MEXLE2020 Ver. 1.0 oder höher
				AVR-USB-PROGI Ver. 2.0

Software:		Entwicklungsumgebung: AtmelStudio 7.0
				C-Compiler: AVR/GNU C Compiler 5.4.0

Funktion:		Auf dem kleinen Lautsprecher des MiniMEXLE-Boards (Buzzer) 
				wird ein sirenenartiger Sound ausgegeben. Zwischen den auf-
				und absteigenden Tönen bleibt die Frequenz kurz stabil.
				Die Frequenz wird mit dem Timer 0 (im CTC-Mode) erzeugt und 
				direkt über den Output-Compare-Pin im Toggle-Mode ausgegeben.

Displayanzeige:	+----------------+
				|- Experiment 2 -|
				| Creating Sound |
				+----------------+

Tastenfunktion:	keine

Jumperstellung:	Schalter muss fuer den Buzzer betätigt sein

Fuses im uC:	CKDIV8: Aus		(keine generelle Vorteilung des Takts)

Header-Files:	lcd_lib_de.h	(Library zur Ansteuerung LCD-Display Ver. 1.3)

=============================================================================*/ 
```
Ändern Sie die folgenden Informationen, je nach Programm:
1. Autor: Der folgende Code basiert auf eine Version verschiedener Autoren, diese sind hier angegeben. Wenn Sie einen eigenen Code generieren sollte hier Ihr Name stehen. Dies ermöglicht eine Nachvollziehbarkeit bei Unklarheiten
2. Version: Um die Aktualität der Software zu erkennen sollte mindestens das Datum angegeben und bei Änderung immer aktualisiert werden
3. Hardware: Die getestete bzw. verwendete Hardware sollte angegeben werden, um nachvollziehen zu können, wie der Code getestet werden kann. Bei Simulationen sollte hier mindestens der verwendete Chipsatz (z.B. ATmega328) angegeben werden.
4. Software: Zum weiterverwenden des Codes ist die Angabe der Entwicklungsumgebung (engl. integated Development environment IDE) wichtig. Nicht selten gibt es bei größeren Projekten Schwierigkeiten, wenn IDE und Compiler geändert werden.
5. Funktion: Die Funktion des Programms sollte kurz erklärt werden. Damit wird dem Leser bereits vor dem Code schon Hinweise gegeben
6. Display-Anzeige: Ähnlich der Funktion ist auch eine Darstellung der (erwartbaren) Anzeige sinnvoll.
7. Tastenfunktion: Bei zukünftigen Anwendungen kann eine Eingabe von Tastenstellungen sinnvoll sein. Dies sollte hier angegeben werden
8. Jumperstellungen: Jumper bieten die Möglichkeit unterschiedliche Schaltungsteile der Hardware zu verbinden oder zu trennen. Damit können Hardwarefunktionalitäten aktiviert oder deaktiviert werden. Wenn verschiedene Jumperstellungen für ein Programm wichtig sind, so sollten diese angegeben werden.
9. Fuses im uC: Beim Microcontroller (auch μC oder uC abgekürzt) bieten die Möglichkeit interne Konfigurationen anzupassen. Diese werden über Fuses eingestellt werden. Sind hier Funktionen für das Programm notwendig, so sollten diese angegeben werden
10. Header-Files: Werden weitere Softwareteile genutzt, so sollten diese über Header-Dateien eingebunden. Diese sollten bereits schon vor dem eigentlichen Codeteil kurz erklärt werden
Nach der Beschreibung steht im Code der Deklarationsbereich:
```
// Deklarationen ==============================================================

// Festlegung der Quarzfrequenz
#ifndef F_CPU					// optional definieren
#define F_CPU 12288000UL		// MiniMEXLE mit 12,288 MHz Quarz
#endif

// Include von Header-Dateien
#include <avr/io.h>				// I/O Konfiguration (intern weitere Dateien)
#include <util/delay.h>			// Definition von Delays (Wartezeiten)
#include "lcd_lib_de.h"			// Funktionsbibliothek zum LCD-Display

// Konstanten
#define MIN_PER		59			// minimale Periodendauer in "Timerticks"
#define MAX_PER		255			// maximale Periodendauer in "Timerticks"
#define WAIT_TIME	2000		// Wartezeit zwischen Flanken in ms

// Makros
#define	SET_BIT(PORT, BIT)	((PORT) |=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Setzen
#define CLR_BIT(PORT, BIT)	((PORT) &= ~(1 << (BIT))) // Port-Bit Loeschen
#define TGL_BIT(PORT, BIT) 	((PORT) ^=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Toggeln

// Funktionsprototypen
void initDisplay(void);			// Initialisierung Display und Startanzeige
void initPorts(void);			// Initialisierung der I/O-Ports
void initTimer(void);			// Timer 0 initialisieren (Soundgenerierung)
void init(void);				// generelle Initialisierungsfunktion
```
Bei den Deklarationen werden Vorgaben gemacht, welche wichtig sind, bevor der Code vor dem eigentlichen Prozessor oder Controller ausgeführt werden. Die Deklarationen weisen den Präprozessor an, bestimmte Vorgaben zu nutzen (Details zu Präprozessor und Compiler-Direktiven sind hier zu finden). Folgende Punkte sollten mindestens angegeben werden:
1. Quarzfrequenz: Die Taktfrequenz des Microcontrollers kann entweder intern oder extern definiert werden. Diese Frequenz sollte immer angegeben werden. Wird dies nicht vorgenommen, kann es Probleme bei der Handhabung von Wartezeiten („Delays“) geben. In Simulide kann die Frequenz des externen Quarz eingegeben werden - diese sollte zum in der Software angegebenen Frequenz passen. Die Angabe #ifndef ist hier eine Compiler-Direktive und keine C-Code. Wie alle anderen Deklarationen sind alle Zeilen nach der einem # vor der Ausführung des Codes im Controller zur Zeit der hexfile-Erstellung im Compiler wichtig. #ifndef prüft hierbei, ob ein Symbol bereits in einem anderen File definiert wurde.
2. Header includes: Header-Dateien sollten bereits aus der Informatik 2 bekannt sein. Bei IDEs wird häufig zwischen Dateien unterschieden, welche in den Ordnern der IDE und Dateien, welche im Projektordner liegen. Hier sollen folgende Header-Dateien genutzt werden:
  1. <avr/io.h>: Header-Datei, welche Input/Output Bezeichner für Pins und Ports definiert. Da im Folgenden bestimmte Ports angesprochen werden sollen, ist diese Header-Datei wichtig. Die Header-Datei liegt im Unterordner avr in den Ordnern der IDE. Diese wurde bereits schon im Bespiel 1._hello_blinking_world verwendet.
  2. <util/delay.h>: Header-Datei, welche einen einfachen Umgang mit Wartezeiten ermöglicht. Diese wurde bereits schon im Bespiel 1._hello_blinking_world verwendet.
  3. „lcd_lib_de.h“: Diese Header-Datei sollte im Projektordner eingefügt sein. Bei einem neuen Projekt ist sie dies noch nicht.
    
    To Do: notwendige header-Dateien
    
    Bitte fügen Sie die Datei lcd_lib_de.h in den Projektordner ein
    Dazu sollten Sie im Solution Explorer auf das Projekt rechts-klicken (hier 2_Sound) » Add » Existing Item… (siehe Bild rechts).
    Die gewünschte Datei (hier: die heruntergeladene lcd_lib_de.h) auswählen und mit Add hinzufügen. Die Datei sollte nun im Solution Explorer angezeigt werden.
3. #defines: Über #defines kann vorgegeben werden, welcher Text durch den Präprozessor im Code ersetzt werden soll. Damit können Konstanten oder kurze Codeersetzungen (Makros) vorgegeben werden. In diesem Programm soll ein maximale und minimale Periodendauer, sowie eine Haltedauer für den höchsten und niedrigsten Ton vorgegeben werden. Zusätzlich sind drei Standardmakros vorgegeben, um
  1. ein Bit in einem Port zu setzen (SET_BIT(PORT, BIT)),
  2. ein Bit in einem Port zu löschen (CLR_BIT(PORT, BIT)), oder
  3. ein Bit in einem Port zu invertieren ¹⁾.

Eingabe und Kompilieren des Code
1. Ersetzen Sie den vorhandenen Code, durch den rechts stehenden Code
2. Kompilieren Sie den Code durch Build » Build solution
3. Im unteren Teil des Fensters sollte nun die Ausgabe des Kompilers sichtbar werden. Diese sollte ========== Build: 1 succeeded or up-to-date, 0 failed, 0 skipped ========== lauten
Auswählen der hex-Datei
1. im Atmel Studio finden Sie rechts im Fenster den „Solution Explorer“
2. gehen Sie dort im Solution Explorer zu Solution » Einfuehrung_v01 » Output Files
3. klicken Sie mit rechter Maustaste auf Einfuehrung_v01.hex und wählen Sie Pfad und Name aus

III. Ausführung in Simulide

Öffnen Sie SimulIDE (unter …\bin\simulide.exe)
1. links in SimulIDE sollten Sie den Komponenten Browser finden. Wählen Sie dort Micro»AVR»atmega»atmega328
2. Ziehen Sie den Eintrag atmega328 per Drag and Drop in den Arbeitsbereich (rechter, beiger Teil des Fensters)
3. Es sollte nun ein Chip names atmega328-1 dargestellt sein
Erstellen der Ausgangsschaltung
1. Im Programm wurde im auf PortD das 6bit angesprochen. Entsprechend soll auch hier am Port D der Ausgang 6 genutzt werden. Am Chip ist dieser mit D6 gekennzeichnet
2. Fügen Sie eine LED (im Komponenten Browser über Output LED) und ein Massepotential ein (Sources Ground)
3. Die Komponenten können mit dem Kontextmenu (Rechtsklick) gedreht und gespiegelt werden. Außerdem ist mit der Auswahl von Properties im Kontextmenu die Änderung von
4. Verbinden Sie die LED mit Masse und mit Port D6. Achten Sie auf die richtige Richtung der LED. Die Verbindungen lassen sich dadurch erstellen, dass auf ein Komponenten-Pin geklickt wird und die Linie zu einem nächsten Komponenten-Pin gezogen wird.
Flashen der Software
1. Klicken Sie rechts auf den Microcontroller und wählen Sie Load firmware
2. Fügen Sie hier den Pfad und Name des oben erstellten Einfuehrung_v01.hex ein und öffnen Sie dieses
Starten der Simulation
1. klicken Sie im Menu den Power-on Button
2. Die Simulation startet
Bugfixing
1. vermutlich ist bei Ihnen zu sehen, dass die Diode nicht gleichmäßig an und aus dargestellt wird. Dies ist kein Fehler des Simulationsprogramms. Es wurde noch eine wichtige Komponente vergessen, welche immer bei der Verwendung von diskreten LEDs verwendet werden muss. Fügen Sie diese ein und Testen Sie die Schaltung nochmal

Sie sollten sich nach der Übung die ersten Kenntnisse mit dem Umgang der Umgebung angeeignet haben. Zum Festigen des der Fähigkeiten bieten sich folgende Aufgaben an:

Aufgaben

Welche Vorgaben für die Softwareentwicklung wurden verletzt, trotzdem das Programm lauffähig ist? (Interrupts werden erst in späteren Übungen erklärt)
Wie könnte ein Ampel-Licht-Abfolge oder Lauflicht aus 4 Dioden erstellt und programmiert werden? Welche Optimierungen könnten im Code vorgenommen werden? Welche Komponente in SimulIDE kann genutzt werden? Wie kann die Farbe der LEDs geändert werden?
Lesen Sie auf Mikrocontroller.net im Kapitel Warteschleifen die „erste Seite“, also bis:

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

¹⁾

TGL_BIT(PORT, BIT)

2. Sound und Timer

schnelles Takten für Anfänger

Ziele

Video

Übung

To Do: notwendige header-Dateien