Unterschiede

Hier werden die Unterschiede zwischen zwei Versionen angezeigt.

--- microcontrollertechnik:3_logische_funktionen [2020/05/05 15:10]
tfischer
+++ microcontrollertechnik:3_logische_funktionen [2024/03/11 00:12] (aktuell)
mexleadmin
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-====== 3. Up-Down Counter ======
+====== 3 Logische Funktionen ======
 ===== Tasten einlesen  =====
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 ==== Video ====
+{{youtube>RsyK5vLYXBI?size=700x400}}
+<WRAP hide>
 {{youtube>E9GCkonogcQ?size=700x400}}
+</WRAP>
 </WRAP> </WRAP>
+==== Übung ====
+--> I. Vorarbeiten #
+  - Laden Sie folgende Datei herunter:
+    - {{microcontrollertechnik:3._logische_funktionen.sim1}}
+    - {{microcontrollertechnik:3._logische_funktionen.hex}}
+    - {{microcontrollertechnik:lcd_lib_de.h}}
+<--
+--> II. Analyse des fertigen Programms #
+  - Initialisieren des Programms
+    - Öffnen Sie SimulIDE und öffnen Sie dort mittels {{microcontrollertechnik:simulide_open.jpg?25}} die Datei ''3._logische_funktionen.sim1''
+    - Laden Sie ''3._logische_funktionen.hex'' als firmware auf den atmega 88 Chip
+  - Betrachtung der neuen Komponenten: In der Simulation sind nun neben dem Microcontroller, der LED und dem Display Hd44780 Schalter als neue Komponenten zu sehen, welche mit S1...S2 bezeichnet sind. Diese werden in diesen Beispiel zur Eingabe genutzt.
+  - Betrachtung des Programmablaufs
+    - Zunächst wird eine Startanzeige mit dem Namen des Programms dargestellt.
+    - Als nächstes ist ein Displaybild zu sehen, in dem verschiedene logische Formeln mit Ergebnissen abgebildet sind:
+      - AND-Verknüpfung: $\rm S1\&S2$,
+      - OR-Verknüpfung: $\rm S1+S2$,
+      - NOT-Verknüpfung: $\rm /S1$,
+      - XOR-Verknüpfung: $\rm S1\; xor\; S2$
+    - Werden die Tasten S1 und S2 gedrückt, so werden die Ergebnisse aktualisiert.
+  - Das Programm zu diesem Hexfile soll nun erstellt werden
+<--
+--> III. Eingabe in Microchip Studio #
+\\ \\
+<panel type="info" title="Achtung">
+Beachten Sie, dass die ''lcd_lib_de.h'' in Microchip Studio wieder importiert werden muss.
+</panel>
+<WRAP group><WRAP column 40%><sxh c; first-line: 1>
+/*=============================================================================
+Experiment 3:   Logische Basisfunktionen in Software
+=============   ====================================
+Dateiname:      Logic_Functions.c
+Autoren:        Peter Blinzinger
+                Prof. G. Gruhler (Hochschule Heilbronn)
+                D. Chilachava    (Georgische Technische Universitaet)
+Version:        1.2 vom 27.04.2020
+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 Display werden Ergebnisse von
+                logischen Verknuepfungen (UND, ODER, NOT, XOR) dargestellt.
+                Die logischen Eingangssignale werden von den Tasten S1 und S2
+                eingelesen.
+Displayanzeige: Start (fuer 2s):        Betrieb:
+                +----------------+      +----------------+
+                |- Experiment 3 -|      |S1&S2=0  S1+S2=0|
+                |Logic Functions |      |/S1=1  S1xorS2=0|
+                +----------------+      +----------------+
+Tastenfunktion: S1 und S2 sind die Logikeingaenge. Betrieb ohne Entprellung
+Jumperstellung: keine Auswirkung
+Fuses im uC:    CKDIV8: Aus (keine generelle Vorteilung des Takts)
+Header-Files:   lcd_lib_de.h    (Library zur Ansteuerung LCD-Display Ver. 1.3)
+=============================================================================*/
+// Deklarationen ==============================================================
+// Festlegung der Quarzfrequenz
+#ifndef F_CPU						// optional definieren
+#define F_CPU 18432000UL				// ATmega 88 mit 18.432 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 <stdbool.h>				// Bibliothek fuer Bit-Variable
+#include "lcd_lib_de.h"				// Funktionsbibliothek zum LCD-Display
+// Konstanten
+#define ASC_ZERO    0x30			// ASCII-Zeichen '0'
+#define ASC_ONE     0x31			// ASCII-Zeichen '1'
+// Variable
+bool sw1 = 0;						// Bitspeicher fuer Taste 1
+bool sw2 = 0;						// Bitspeicher fuer Taste 2
+// Makros
+#define SET_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) |=  (1 << (BIT))) // Bit Zustand in Byte setzen
+#define CLR_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) &= ~(1 << (BIT))) // Bit Zustand in Byte loeschen
+// Funktionsprototypen
+void initDisplay(void);				// Initialisierung Display und Startanzeige
+void initTaster(void);				// Initialisierung der Taster
+void readButtons(void);				// Einlesen der Tastenwerte
+// Hauptprogramm ==============================================================
+int main()							// Start des Hauptprogramms
+{
+    initDisplay();					// Initialisierung Display
+    unsigned char temp;				// temporaere Variable definieren
+    while(1)						// unendliche Schleife
+    {
+        readButtons();				// aktuelle Tastenwerte einlesen
+        if (sw1&&sw2) temp=ASC_ONE; // Ergebnis der UND-Verknuepfung
+        else          temp=ASC_ZERO;
+        lcd_gotoxy(0,6);
+        lcd_putc(temp);				// auf LCD als Zeichen 0 oder 1 ausgeben
+        if (sw1||sw2) temp=ASC_ONE;	// Ergebnis der ODER-Verknuepfung
+        else          temp=ASC_ZERO;
+        lcd_gotoxy(0,15);
+        lcd_putc(temp);				// auf LCD als Zeichen 0 oder 1 ausgeben
+        if (!sw1)	  temp=ASC_ONE;	// Ergebnis der Negation
+        else		  temp=ASC_ZERO;
+        lcd_gotoxy(1,4);
+        lcd_putc(temp);				// auf LCD als Zeichen 0 oder 1 ausgeben
+        if (sw1^sw2)  temp=ASC_ONE; // Ergebnis der XOR-Verknuepfung
+        else          temp=ASC_ZERO;
+        lcd_gotoxy(1,15);
+        lcd_putc(temp);				// auf LCD als Zeichen 0 oder 1 ausgeben
+        _delay_ms(100);				// Wartezeit 100 ms
+    }								// Ende der unendlichen Schleife
+}									// Ende des Hauptprogramms
+// Funktionen =================================================================
+// Initialisierung Display-Anzeige
+void initDisplay(void)
+{
+    lcd_init();						// Initialisierungsroutine aus der lcd_lib
+    lcd_gotoxy(0,0);				// Cursor auf 1. Zeile, 1. Zeichen
+    lcd_putstr("- Experiment 3 -"); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
+    lcd_gotoxy(1,0);				// Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
+    lcd_putstr("Logic Functions "); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
+    _delay_ms(2000);				// Wartezeit 2 s
+    lcd_gotoxy(0,0);				// Cursor auf 1. Zeile, 1. Zeichen
+    lcd_putstr("S1&S2=0  S1+S2=0"); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
+    lcd_gotoxy(1,0);				// Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
+    lcd_putstr("/S1=1  S1xorS2=0"); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
+}
+// Tastenwerte S1 und S2 (ohne Entprellen) einlesen
+void readButtons(void)
+ //   Bitposition im Register:
+ {//              __76543210
+    DDRC = DDRC & 0b11111100;		// Port B auf Eingabe schalten
+    PORTC =       0b00000011;		// Pullup-Rs eingeschaltet
+    _delay_us(1);					// Umschalten der Hardware-Signale abwarten
+    sw1 = !(PINC & (1 << PC0));		// Tasten invertiert in Bitspeicher einlesen
+    sw2 = !(PINC & (1 << PC1));		// somit gedrueckte Taste ="1"
+    DDRC = DDRC | 0b00000011;		// Port B auf Eingabe schalten
+}
+</sxh>
+</WRAP><WRAP column 55%>
+''/*=============================================================================''
+Ändern Sie auch hier wieder die Beschreibung am Anfang des C-Files, je nachdem was Sie entwickeln  \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\
+''Deklarationen ===================================''
+  - Hier wird wieder nach dem Quarz geprüft und ggf. dessen Frequenz eingestellt
+  - Bei den Header-Dateien wird nun die ''stdbool.h'' Datei inkludiert. Mit dieser wird der Datentyp bool definiert.
+  - Als Konstanten werden ''NULL'' und ''EINS'' definiert. Dieser hexadezimalen Zahlencode 0x30 und 0x31 entsprechen ausgebbare Zeichen nach dem [[https://de.wikipedia.org/wiki/American_Standard_Code_for_Information_Interchange#Zusammensetzung|ASCII]] Standard. Der ASCII Standard gibt für jedes darstellbare Zeichen einen Code vor. In <imgref pic1> ist die ASCII Tabelle gezeigt. Dort ist **<fc #CCCC00>horizontal</fc>** die erste Zahl (z.B. 0x**<fc #CCCC00>3</fc>**0) und **<fc #0000FF>vertikal</fc>** die zweite Zahl (0x3**<fc #0000FF>0</fc>**) aufgetragen. Diese führen zu den darstellbaren Zahlen '**<fc #00CC88>0</fc>**' und '**<fc #00CC88>1</fc>**'.
+  - Die Variablen ''sw1'' und ''sw2'' sollen im Folgenden den Zustand des Schalters anzeigen.
+  - Die Makros wurden bereits erklärt
+  - Die Funktionsprototypen zeigen wieder die kommenden Unterprogramme an
+<WRAP right><panel type="default">
+<imgcaption pic1|ASCII Tabelle>
+</imgcaption>
+{{drawio>ASCII_Tabelle}}
+</panel></WRAP>
+''Hauptprogramm =========================''
+  - Zunächst werden zwei Initialisierungsroutinen aufgerufen (siehe weiter unten)
+  - Dann wird eine temporäre Variable deklariert, welche im Folgenden die das ASCII-Zeichen der Ergebnisse enthält
+  - In der Endlosschleife wird zunächst die Unterfunktion ''readButtons()'' aufgerufen (siehe weiter unten)
+  - die Zeilen 84...102 scheinen sich sehr zu ähneln:
+    - Hier steht jeweils zuerst eine ''if''-Anweisung. In Abhängigkeit von der jeweiligen booleschen Funktion wird die temporäre Variable gleich ''NULL'' (also das Zeichen '0') oder ''EINS'' ('1') gesetzt.
+    - Die Funktion ''lcd_gotoxy(0,6)'' versetzt wieder die Position am Display und ''lcd_putc(temp)'' gibt die temporäre Variable aus. \\ \\
+  - Für die verschiedenen booleschen Funktionen steht jeweils eine ''if''-Anweisung bereit. Auch die Position am Display ist abhängig von der booleschen Funktion. \\ \\ \\ \\ \\ \\
+  - In Zeile ''104'' wird dann eine gewisse Zeit gewartet. Dies vermeidet das "[[https://de.wikipedia.org/wiki/Prellen#Gegenma%C3%9Fnahmen|Prellen]]" des realen Schalters: In Realität wird bei Tastendruck nicht nur einmal der Kontakt geschlossen, sondern häufig mehrmals. Dies kann aber zu fehlerhaften Zuständen führen.
+\\ \\ \\ \\ \\ \\
+''Funktionen =========================''
+\\ \\
+  - In ''initDisplay'' wird wieder zunächst das Display initialisiert und die Startanzeige mit dem Namen des Programms angezeigt. Nach 2 Sekunden werden dann die booleschen Funktionen auf dem Display dargestellt. Dort sind die Ergebnisse für nicht gedrückte Schalter vorgegeben. \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\
+  - Funktion ''readButtons'' liest die Schalterstellung aus.
+    - Durch die Änderung des Datenrichtungs-Register (DDR) wird die Richtung der Anschlüsse vorgegeben. Es sollen dabei die Schalter S1 und S2 einlesbar gestellt werden (in Simulide durch die Tasten ''a'' und ''s'' schaltbar). Durch die UND-Verknüpfung mit der Maske ''0b11111100'' werden die Anschlüsse C2..C7 nicht geändert, sondern nur die Anschlüsse C0 und C1 auf Eingang gesetzt.
+    - Die Verzögerung ''_delay_us(1)'' ist im realen Aufbau notwendig, um keine Störungen über die zuvor anliegenden Spannungen zu sehen. Eingangskapazitäten des Displays werden so entladen.
+    - Mit der Zuweisung von ''0b00000011'' an ''PORTC'' wäre bei Ausgängen der Ausgabewert vorgegeben worden. Bei Eingängen wird über diese Zuweisung jeweils [[https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial:_IO-Grundlagen#Pullup-Widerstand|Pullup-Widerstände]] dazu geschalten. Damit ergibt sich aus dem äußeren Schalter und dem internen Widerstand ein Spannungsteiler. Bei leitfähigem Schalter gibt der Spannungsteiler $0~\rm V$ (=logisch $0$) zum Microcontroller aus, bei offenem Schalter $5~\rm V$ (=logisch $1$).
+    - Im Register ''PINC'' liegen die dem Schalter entsprechende Bits. Als Eselsbrücke: ''P__I__N'' steht für Input, ''P__O__RT'' für Output.
+    - Zum Schluss müssen die Anschlüsse wieder auf Output geschaltet werden, damit danach die Daten für das Display sinnvoll übertragen werden können. \\ \\ \\ \\
+</WRAP></WRAP>
+<--
+--> IV. Ausführung in Simulide #
+  - Geben Sie die oben dargestellten Codezeilen nacheinander ein und kompilieren Sie den Code.
+  - Öffnen Sie Ihre hex-Datei in SimulIDE und testen Sie, ob diese die gleiche Ausgabe erzeugt
+<--
+\\
+Bitte arbeiten Sie folgende Aufgaben durch:
+--> Aufgaben#
+  - Berechnungen zum ''_delay_us(1)'' in der Funktion ''initTaster''\\ Die Zeitverzögerung von $1~\rm \mu s$ dient dazu, eine gewisse Zeit abzuwarten bis der Ausgangspin auf der positiven Spannung liegt. Diese Verzögerung ist wichtig, da der interne Pull-up Widerstand und die parasitäre Kapazität des Pins ein RC-Glied erzeugen.
+    - Suchen Sie den Wert des Pull-up Widerstands an einem I/O-Pin im Datenblatt des atmega 88 unter ''Electrical Characteristics''.
+    - Bestimmen Sie $\tau$ aus der Streukapazität von $C_{\rm s} \approx 10~\rm pF$.
+    - die meisten Befehle des AVR-Microcontrollers benötigen 2 Takte. Bei $10~\rm MHz$ benötigt ein Befehl etwa $\rm 2 \cdot {{1}\over{10~ MHz}} = 2 \cdot 10^{-7}~ s = 0,2~ \mu s$. \\ Wie weit ist nach einem Befehl der Streukondensator aufgeladen?
+    - Ab wann kann davon ausgegangen werden, dass die parasitäre Kapazität voll aufgeladen ist?
+    - Wie viele Takte entsprechen $1~\rm \mu s$ bei einer Taktfrequenz von $8~\rm MHz$?
+    - Wann wäre die Kapazität aufgeladen, wenn diese sich durch einen externen IC um ein 10faches erhöht?
+  - Die Situation bei einem Eingangspin ist etwas anders: Hier existiert die parasitäre Kapazität auch. Diese wird aber mit ca. $20~\rm mA$ geladen. \\ Nehmen Sie eine High Spannung von $5~\rm V$ an.
+    - Wie lange dauert es nun bis die parasitäre Kapazität aufgeladen ist?
+    - Wie viele Takte entspricht das bei $10~\rm  MHz$?
+    - Generell müssen intern im Microcontroller in jedem Takt die Kapazitäten von MOSFETs geladen werden. \\ Wieso werden bei schnelleren Anwendungen (z.B. Mobilgeräten) geringere Versorgungsspannungen (z.B. $1,8~\rm V$) verwendet?
+  - ASCII Code: Warum können nicht einfach die Zahlen $0...9$ übertragen werden? Stattdessen müssen diese in ein ASCII Format gewandelt werden. \\ Was würde ausgegeben werden, wenn tatsächlich die Zahlen $0...9$ gesendet werden würden?
+  - Erweiterung der Schalteranzahl
+    - Fügen Sie zwei weitere Tasten mit Verbindung zu Masse und jeweils den Eingängen ''C2'' und ''C3'' ein - analog zu den vorhandenen Schaltern. Nutzen Sie dazu die auch schon in der Schaltung vorhandenen Komponente ''Bus'' (grüne Verbindung mit schwarzen Stummeln) und korrigieren Sie die das Bit, welches aus dem Bus genutzt wird.
+    - Klicken Sie bei den neu eingefügten Schaltern mit Rechtsklick an und wählen Sie im Kontextmenu ''Properties''. Links sollten nun die Eigenschaften des Schalters sichtbar sein. Geben Sie als ''Label'' ''S3'' bzw. ''S4'' ein und wählen Sie rechts neben der Labeleingabe ''Show'' mit einem Punkt aus. Der Name des Schalters sollte nun sichtbar sein. Übernehmen Sie ansonsten die Schaltung wie bei ''S0'' und ''S1''.
+    - Ändern Sie den Code so, dass diese Schalter eingelesen werden können. Dazu sollten die Funktionen ''initTaster'', ''readButton'' und ''main'' angepasst werden.
+    - Als ersten Test sollten die booleschen Funktionen statt den Schaltern ''S1'' und ''S2'' die Schalter ''S3'' und ''S4'' als Eingangswerte haben. Testen Sie diese Änderung.
+    - Im nächsten Programm sollen alle Schalter ''S1''...''S4'' die Eingangswerte darstellen. Es sollen nun alle alle Eingänge per Schalter ''S1''...''S4''in die verschiedenen booleschen Funktionen eingehen. Also bei z.B. aus $\rm S1\&S2$ wird $\rm S1\&S2\&S3\&S4$. Überlegen Sie sich wie bei XOR vorzugehen ist.
+<--
+  * Diese [[https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgzCAMB0l3BGK0BMBOArAFgwhGUB2SNFBSQkDSKkLCDAUwFo8AoAdyoJBRSxAA2BIN78obAE7cUYgRh4oAHEqh1ikNgGcZ4HgtnLVNJABdJAV0ZsA5rrD6eYQcYlcwSgX3mLxmgA5CInJBog6yECa2oXqywmEuapoAsrreugikvLzQGGwoFCAqIIQIsoTlBXQl+YXkAqWyxRU0AoK1lAjOJWUgZTQt1VgdfVWNfZANVfIjCJ49siKqgwIIIwUDvXNTrRIFnYnj+JW7KLM8R90r4Gypxwt9F92Gubd9h1uHzzl5qRsP-0I3xQrzu8yO4OBoNGm0WYyhvz6Vy2VwRb3qDwxQNELzyABkQMx0KJxkS0CTvjQAGYAQwANlpGLRNPtCcSHswwL1rgAdLRgEZEpSwtnkkrTEB8s4EoUi2UlSkgWkMpkYCQy-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-DMlVoniIRUpiQRVJoAIYgIVRcpSsI1DWR8AtkehFkCuAkjoGgwGgSIkleaQ8FkMq6roe02uoOBol6qhuwGjAsmKtgAGMpsDcaMEmkwWEC6A0C2uNMDAc8sHQBBKE0LgiD6wMPHkQNNDsdL8vSoqJBEPr9CydLxFkAATRhaQsOlTGYOlGE+voWpgSA1mkaL+uhmahFGrhocDXL+pO3hmv6wFejRhDFnmdIcfxj7VIJtg5hoZh7X6giYtcGAkHIeAmeaxnmbRrS+s7DmHnZ-pabZfzUc4AXgsDHUtWg4XlsDf4ha4R0gpFuh-PZ01FfF-neaqamqeutgsEgCBiCumgVHKx7BDAAB9BArcgK2ZyUcgRCtjA7egW3WBt73WARwlVNSimDaoTt2Zk5hihQfLVfdRD7VJrgI9UKPRGYYOU7cXiqnSSmvD8YW7VWMtC5CNHHQQYvPT6Mscd6dJwITrOaBzqvG5p+u6-z8nCXj8R28y+mJjZ+Ah7Z+aBo7wxHoQdbFmgC18Ai8JFw8ANJZ6zvVk+Yq9HgNhavGspVHGsUd+D9rOuK14fPLstD7LEKwvBs4DaNuT0jN8BVqob37cd53BCu3dp7W2oCra+15mlJavQhZ2HGmdCexRZqJ3TsHNOzdo4F2DoHQk2Ca4jEuiEQh-Bdibn3MpQohD+pULLFufcmgABGfRiC8TQFQGgGU2GaDnMIaujw2GlH-FuP6dJmAAFV-B8h5DyAAdjSGRn1pEyM3AASxkXyfcNJ-A0jYEwtUrB6x4DVJbJA3DZKrAoq0eqvABAARpKYGkSiAIqMkIwOapgVEAHsZFHn9BXXiqd8CGPXDYkAyQVFzUkJ4ua3jzCeLpEDSQwtiHE0MPnEGCD0gIIbiAb6v1-psAySTYpaSvC5J+jSP6phoiZJKbwJBEharZPxqpEQO9Wg0GLF1PI7h5gw30HrJpqldTJ2GUNNQ2CwavDsAglaOIA5w00EUvqk1Zky3Kfk6pyz+YIJGdkPJlSCmnQxjLAOes5xkAaOAPgIBzxCJAPeAAbowSQzAAD0SixEKJeUox58SHE2EYFI2Rm4ommDcR47xujrn1mzoUDKxhoXOHwtNf0Sg4gYEiL4rAXReC4uoEgMgohbyqPUVoMhaw5w4oYGQdhSACA3lCaSvkZDNBAA|Falstad Schaltung]] skizziert die Struktur der Register PINn, PORTn, DDRn