9 UART und Terminal

Bei der Programmierung wünscht man sich häufig die Möglichkeit Daten des Mikrocontrollers irgendwo darzustellen.

Wird eine reale Hardware verwendet, kann mit Hilfe des Freeware Programms PuTTY leicht ein Terminal für die Kommunikation mit dem PC geöffnet werden. Zusätzlich wird dann noch ein USB-to-serial Adapter benötigt.
In der Simulation SimulIDE kann ein Terminalfenster direkt im unteren Bereich angezeigt werden.

Nach dieser Lektion sollten Sie:

wissen, wie eine UART Kommunikation hergestellt wird

Abb. 1: Zusammenspiel der UART-Register microcontrollertechnik:uartregister.svg

I. Vorarbeiten

Laden Sie folgende Datei herunter:

Beachten Sie folgendes

Es wird nun ein ATmega328 genutzt, d.h. das Programm ist nicht mehr kompatibel mit dem MiniMEXLE!
Überprüfen Sie die Pins und Ports des Displays.
Überprüfen Sie die Taktfrequenz.

Code mit Polling

Dieses Unterkapitel ist z.Zt. in einem provisorischem Zustand.

Variante mit Polling: 9_uartpolling_temperature.c

/* ----------------------------------------------------------------------------

 Experiment 9:	Temperaturmessung mit UART (Polling) 
 =============    ===============================

 Dateiname: 9_Temperature.c
 
 Autoren 	: Tim Fischer
			  
 Datum   	: 29.10.2020
 
 Version	: 0.1
 
 Hardware:	MEXLE2020 Ver. 1.0 oder hoeher
			AVR-USB-PROGI Ver. 2.0

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

 Funktion : Thermometer mit Anzeige der aktuellen Temperatur und der
			Maximaltemperatur im Betriebszeitraum in °C mit 1/10 Grad.
			Keine Tastenbedienung

 Displayanzeige:	Start (fuer 2s):		Betrieb:
			  	   +----------------+	+----------------+
				   |- Experiment 8 -|	|Temp.     18.5°C|
				   |  Temperature   |	|Maximum   21.6°C|
				   +----------------+	+----------------+

 Tastenfunktion:	keine

 Jumperstellung:	keine

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

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

 Module	1) Taktgenerator
			2) AD-Wandlung (Takt: 100 ms)
			3) Umrechnung fuer Temperatur  (Takt: 100 ms)
			4) Anzeigetreiber (Takt: 1 s)

 1) Das Modul "Taktgenerator" erzeugt den Takt von 100 ms fuer die AD-Wandlung
	  und Umrechnung und einen zusaetzlichen Takt von 1 s fuer die Anzeige.

		Verwendung von Hardware-Timer 0 und T0 Overflow-Interrupt.
		Frequenzen: Quarzfrequenz 				    12,288 MHz.
		Timer-Vorteiler		/  8	=>   1,536 MHz
		Hardware-Timer     	/256	=>   6 kHz / 166 µs
		Software-Vorteiler 	/ 60	=> 100 Hz  /  10 ms 
		Hundertstel-Zaehler	/ 10	=>  10 Hz  / 100 ms
		Zehntel-Zaehler		/ 10	=>   1 Hz  /   1 s

 2) Das Modul "AD-Wandlung" wird durch den Takt 100 ms aufgerufen.
    Der AD-Wandler wird mit einem internen Takt von 96 kHz betrieben.
	  Im Modul wird eine einzelne AD-Wandlung des Kanals ADC0 mit 10 Bit
    Aufloesung gestartet. Dort ist der NTC des Boards mit Vorwiderstand
    als temperaturabhaengiger Spannungsteiler bzw. Potentiometer angeschlossen.
    Als Referenzspannung wird die 5V-Versorgung verwendet.
    Das Ergebnis wird in der globalen Variable ad_wert gespeichert.

 3) Das Modul "Umrechnung" wird nach der AD-Wandlung alle 100 ms gestartet.
    Der Ergebniswert des Moduls "AD_Wandlung" wird mit Hilfe einer Tabelle in
    einen entsprechenden Temperaturwert umgerechnet. In der Tabelle sind 
    Temperaturwerte ueber aequidistante (Abstand = 16) AD-Werte aufgetragen.
	  Die Werte dazwischen werden mit linearer Interpolation ermittelt.
    Weiterhin wird im Modul jede aktuelle Temperatur mit der gespeicherten
	  maximalen Temperatur verglichen und der Maximalwert optional angepasst.

 4) Das Modul "Anzeigetreiber" ist an den 1 s-Takt gekoppelt. Damit wird ein
    zu schnelles Umschalten der Anzeigewerte vermieden. Das Modul gibt die
    Werte der aktuellen und der maximalen Temperatur in 1/10 °C aus.
	  
	  Zwischen AD-Wandlung / Umrechnung und Anzeige kann spaeter noch eine
 	  Mittelwertsbildung mit 10 Werten eingefuegt werden.
 
 Die Kopplung der Module wird ueber global definierte Variable realisiert:

 	  1-Bit-Variable:	Takt 100 ms:	Taktgenerator => AD-Wandlung
													  => Umrechnung
						Takt   1  s:    Taktgenerator => Anzeigetreiber

	  16-Bit-Variable:	ad-wert			AD-Wandlung => Umrechnung
						t-wert			Umrechnung => Anzeige
						tmax-wert		Umrechnung => Anzeige

// ----------------------------------------------------------------------------*/

// Deklarationen ==============================================================

// Festlegung der Quarzfrequenz
#ifndef F_CPU					// optional definieren
#define F_CPU 8000000L 				// Simulation mit 8 MHz Quarz
#endif							

// Include von Header-Dateien
#include <avr/io.h>				// Header-Dateien zum ATmega88
#include <avr/interrupt.h>		// Header-Datei fuer Interrupts
#include <util/delay.h>			// Header-Datei fuer Wartezeit
#include "lcd_lib_de.h"			// Header-Datei fuer LCD-Anzeige
#include <string.h>

// Konstanten
#define VORTEILER_WERT 		60
#define HUNDERTSTEL_WERT	10
#define ZEHNTEL_WERT		10

#define ASC_NULL            0x30        // Das Zeichen '0' in ASCII
#define ASC_FULL_STOP       0x2E        // Das Zeichen ':' in ASCII

#define UART_BUFFER_SIZE 10				// Buffersize für übertrgene Daten
#define BAUD_RATE 9600L

// Berechnungen für die Baudrate
#define UBRR_VAL  ((F_CPU+BAUD_RATE*8)/(BAUD_RATE*16)-1)	// clever runden
#define BAUD_REAL (F_CPU/(16*(UBRR_VAL+1)))					// Reale Baudrate
#define BAUD_ERROR ((BAUD_REAL*1000)/BAUD_RATE-1000)		// Fehler in Promille

// Überprüfung der Baudrate und ob Fehler zu groß ist
#if ((BAUD_ERROR>10) || (BAUD_ERROR<-10))
#error Systematischer Fehler der Baudrate zu hoch!
#endif


const int	TEMP[45] 	=  {521,499,479,459,440,422,404,388,371,354,
							338,323,308,293,279,264,250,236,221,207,
							193,179,165,151,137,122,108,93,78,63,
							48,32,15,-1,-19,-38,-56,-77,-97,-121,
							-145,-173,-202,-237,-278};

							// Die Tabellenwerte sind in 1/10 °C angegeben
							// Der erste Tabellenwert entspricht einem AD-Wert
							// von 256. Die Abstaende der AD-Werte sind 16

// Variable
unsigned char	vorteiler 	= VORTEILER_WERT;		// Zaehlvariable Vorteiler
unsigned char 	hundertstel	= HUNDERTSTEL_WERT;
unsigned char	zehntel = 	  ZEHNTEL_WERT;

unsigned int	adcValue	= 0;	// Variable fuer den AD-Wandlungswert
int				tValue		= 0;	// Variable fuer die Temperatur (in 1/10 °C)
int				tValueMax	=-300;	// Variable fuer maximale Temperatur (1/10 °C)

bool 			takt10ms;		// Bit-Botschaft alle 10 ms
bool 			takt100ms;		// Bit-Botschaft alle 100 ms
bool			takt1s;			// Bit-Botschaft alle 1s

char wort[UART_BUFFER_SIZE];	// Variable für die Ein- und Ausgabe von Wörtern und Zahlen


//Funktionsprototypen
void initTimer0 (void);
void initAdc (void);
void initDisplay (void);
void doAdc (void);
void calculateTemp (void);
void refreshDisplayTemp(int tempValue, char line, char pos);
void refreshDisplay (void);

void initUart(void);			// Initialisierung der UART-Register
void putData(char *daten);		// Daten senden
uint8_t getData(void);				// Daten empfangen

// Hauptprogramm ==============================================================
int main ()
{
	uint8_t bufferFilled = 0;	// Flag für vollen Puffer

	initDisplay();				// Initialisierung LCD-Anzeige
	initTimer0();				// Initialisierung von Timer0
	initAdc();					// Initialisierung des AD-Wandlers

	initUart();					// UART initialisieren
	sei();						// generell Interrupts einschalten
	
	// Hauptprogrammschleife __________________________________________________

	while(1)					// unendliche Warteschleife mit Aufruf der
								// Funktionen abhaengig von Taktbotschaften
	{
		if(takt10ms)
		{
			takt10ms = 0;		// Taktbotschaft zuruecksetzen	

			if(getData()=='r') tValueMax = tValue;	// wenn r eingegeben, dann ValueMax zurücksetzen

			if (bufferFilled==1) // Bei verfügbarer Zeichenkette
			{
				putData(wort);	// Wort zurück senden
				bufferFilled=0;	// Puffer leeren
			}

		}
		if(takt100ms)			// Durchfuehrung der Funktion einmal pro 100ms
		{
			takt100ms = 0;		// Taktbotschaft zuruecksetzen
			doAdc();			// Ausfuehrung des Modules der A/D-Wandlung 
			calculateTemp();	// Ausfuehrung des Modules der Umrechnung
		}

		if(takt1s)				// Durchfuehrung der Anzeige einmal pro 1s
		{
			takt1s = 0;			// Taktbotschaft zuruecksetzen

			refreshDisplay();	// Ausfuehrung des Modules der Anzeige
			wort[5] = '°';
			wort[6] = 'C';
			wort[7] = '\n';		// ...New Line und...
			wort[8] = '\r';		// ...Carriage Return.
			wort[9] = 0;		// Endzeichen
			bufferFilled=1;
		}
	}
}


// Timer-Initialisierung ==============================================================
//
// Initialisierung des Timer0 zur Erzeugung eines getakteten Interrupts.
// Er dient dazu, die benoetigten Taktbotschaften zu erzeugen.
void initTimer0()
{
	TCCR0A	|= (0<<WGM00) 
			|  (0<<WGM01);			// Timer 0 auf "Normal Mode" schalten
	TCCR0B	|= (0<<WGM02) 
			|  (1<<CS01 );			// mit Prescaler /8 betreiben
	TIMSK0	|= (1<<TOIE0);			// Overflow-Interrupt aktivieren
}

// Timer-Initialisierung ==============================================================
// 
// Initialisierung des A/D-Wandlers: 
// Vorteiler = 128 => interner Takt = 96 kHz
// Abfrage des ADC0 (NTC-Spannungsteiler)
// Referenzspannung = analoge Versorgung Avcc
void initAdc ()
{
	ADMUX   |= (1<<REFS0)
			|  (1<<MUX0)
			|  (1<<MUX2);		// Vref =AVCC; ADC5

	ADCSRA	|= (1<<ADPS0)
			|  (1<<ADPS1)
			|  (1<<ADPS2)
			|  (1<<ADEN);		// Teiler 128; ADC ON
}


// Timer-Initialisierung ==============================================================
// 
// In der Interrupt-Routine sind die Softwareteiler realisiert, die die Takt-
// botschaften (10ms, 100ms, 1s) fuer die Module erzeugen. Die Interrupts
// werden von Timer 0 ausgeloest (Interrupt Nr. 1)
//
// Veraenderte Variable:	vorteiler
//						hunderstel
//						zehntel
//
// Ausgangsvariable:	takt10ms
//						takt100ms
//						takt1s

ISR (TIMER0_OVF_vect)
{
	--vorteiler;						// Vorteiler dekrementieren
	if (vorteiler==0)					// wenn 0 erreicht: 10ms abgelaufen
	{
		vorteiler = VORTEILER_WERT;		// Vorteiler auf Startwert
		takt10ms = true;				// Botschaft 10ms senden
		--hundertstel;					// Hundertstelzaehler dekrementieren

		if (hundertstel==0)				// wenn 0 erreicht: 100ms abgelaufen
		{
			hundertstel = HUNDERTSTEL_WERT; // Teiler auf Startwert
			takt100ms = true;			// Botschaft 100ms senden
			--zehntel;

			if (zehntel==0)				// Zehntelzaehler dekrementieren
			{
				zehntel = ZEHNTEL_WERT;	// Teiler auf Startwert
				takt1s = true;			// Botschaft 1s senden
			}
		}
	}
}

// ADWandlung ==============================================================
// 
// Durchfuehrung einer Einzelwandlung der am NTC-Spannungsteiler anstehenden 
// Spannung in einen digitalen 10-bit-Wert (einmal pro 100 ms).
void doAdc()
{
	ADCSRA |= (1<<ADSC);				// Wandlung starten
	while (ADCSRA & (1<<ADSC));			// Ende der Wandlung abwarten

	adcValue = ADCL + (ADCH<<8);		// 10-Bit-Wert berechnen
										// ADCL muss vor ADCH stehen!!
										// siehe Datenblatt des ATmega 328
}

// Umrechnung ==============================================================
// 
// (wird alle 100 ms aufgerufen)
void calculateTemp ()
{
	unsigned char index;				// Tabellenindex fuer Temperaturtabelle
	unsigned char steps;				// Abstand zum naechstkleineren Wert
										// der AD-Werte der Temperaturtabelle
	
	index	= (adcValue-256)/16;		// Indexberechnung (Zeiger in Tabelle)	
	steps	= (adcValue-256)%16;		// Rest fuer Tabellen-Interpolation		
	
	tValue = steps * (TEMP[index+1] - TEMP[index])/16 + TEMP[index];	
										// Temperaturwert berechnen

	if(tValue>=tValueMax)				// aktueller Wert mit Maximalwert
	{
		tValueMax = tValue;				// vergleichen und ggf. ersetzen
	}
}

// Anzeigetreiber fuer Temperaturanzeige ==============================================================
//
// Beschreiben der Anzeige mit dem erstellten Temperaturwert 
// und mit dem maximalen Wert (wird alle 1 s aufgerufen).
//
// Umrechnung der Zahlenwerte (1/10 °C) in Anzeigewerte wie folgt: 
// Hunderter: einfache Integer-Teilung (/100).
// Zehner: Modulo-Ermittlung (%100), d.h. Rest bei der Teilung durch 100
//		   dann nochmals Integer-Teilung (/10) dieses Restes.
// Einer:  Modulo-Ermittlung (%10), d.h. Rest bei der Teilung durch 10.
//
// Umrechnung in ASCII-Werte fuer die Anzeige durch Addition von 0x30.
void refreshDisplayTemp(int tempValue, char line, char pos)
{
	lcd_gotoxy(line, pos);					// Startposition fuer Temperatur-Wert
	if (tempValue>=0) 						// zuerst Vorzeichen: ' ' oder '-'
	{
		wort[0] = ' ';		
	}
	else
	{
		wort[0] = '-';
		tempValue = -tempValue;				// Vorzeichenumkehr bei negativer Zahl
	}
	wort[1] = tempValue/100 + ASC_NULL;
	tempValue = tempValue%100;
	wort[2] = tempValue/10 + ASC_NULL;
	wort[3] = ASC_FULL_STOP;
	wort[4] = tempValue%10 + ASC_NULL;
	wort[5] = 0;
	lcd_putstr   (wort);	// Hunderter ausgeben (°C Zehner)
}

// Anzeigefunktion ==============================================================
//
// Der aktuelle Temperatur und die maximale Temperatur werden ausgegeben
 void refreshDisplay()
{
	refreshDisplayTemp(tValueMax,	1, 9);		// maximale Temperatur ab Position 1,9
	refreshDisplayTemp(tValue,		0, 9); 		// aktuelle Temperatur ab Position 0,9
}

// Initialisierung Display-Anzeige ==============================================================
//
void initDisplay()					// Start der Funktion
{
	lcd_init();						// Initialisierungsroutine aus der lcd_lib
					
	lcd_displayMessage("- Experiment 9b-",0,0); // Ausgabe in erster Zeile
	lcd_displayMessage("UART-Temperature",1,0);	// Ausgabe in zweiter Zeile

	_delay_ms(2000);				// Wartezeit nach Initialisierung

	lcd_displayMessage("Temp.         ßC",0,0); // Ausgabe in erster Zeile
	lcd_displayMessage("Maximum       ßC",1,0); // Ausgabe in zweiter Zeile
												// "ßC" wird als °C dargestellt 
}									// Ende der Funktion

void initUart (void)	// Initialisierung der UART-Register
{
	UBRR0H = UBRR_VAL >> 8;		// High-Baudraten-Register beschreiben
	UBRR0L = UBRR_VAL & 0xFF;	// Low-Baudraten-Register beschreiben
	UCSR0B = (1<<RXEN0 ) | (1<<TXEN0 );				// Senden und Empfangen ermoeglichen
	UCSR0C = (1<<UCSZ00) | (1<<UCSZ01);				// Setzen der Datenbits auf 8-Bit
}


/* puts ist unabhaengig vom Controllertyp */
void putData (char *data)
{
	while (*data)
	{   /* so lange *s != '\0' also ungleich dem "String-Endezeichen(Terminator)" */
		while (!(UCSR0A & (1<<UDRE0))){}  /* warten bis Senden moeglich */
		UDR0 = *data;                      /* sende Zeichen */
		data++;
	}
}

uint8_t getData(void)	// Daten empfangen
{
    if  (UCSR0A & (1<<RXC0))   // wenn Zeichen verfuegbar
	{
		return UDR0;           // Zeichen aus UDR an Aufrufer zurueckgeben
	}else{
		return 0;
	};
}

Code mit Interrupt

Variante mit Interrupt: 9_uart_temperature.c

/* ----------------------------------------------------------------------------

 Experiment 9:	   Temperaturmessung und UART
 =============    ===============================

 Dateiname  : 9_UART_Temperature.c
 
 Autoren 	: Tim Fischer
			  
 Datum   	: 01.05.2020
 
 Version	: 0.1
 
 Hardware:	MEXLE2020 Ver. 1.0 oder hoeher
			AVR-USB-PROGI Ver. 2.0

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

 Funktion : Thermometer mit Anzeige der aktuellen Temperatur und der
			Maximaltemperatur im Betriebszeitraum in °C mit 1/10 Grad.
			Keine Tastenbedienung

 Displayanzeige:	Start (fuer 2s):		Betrieb:
			  	   +----------------+	+----------------+
				   |- Experiment 8 -|	|Temp.     18.5°C|
				   |  Temperature   |	|Maximum   21.6°C|
				   +----------------+	+----------------+

 Tastenfunktion:	keine

 Jumperstellung:	keine

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

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

 Module	1) Taktgenerator
			2) AD-Wandlung (Takt: 100 ms)
			3) Umrechnung fuer Temperatur  (Takt: 100 ms)
			4) Anzeigetreiber (Takt: 1 s)

 1) Das Modul "Taktgenerator" erzeugt den Takt von 100 ms fuer die AD-Wandlung
	  und Umrechnung und einen zusaetzlichen Takt von 1 s fuer die Anzeige.

		Verwendung von Hardware-Timer 0 und T0 Overflow-Interrupt.
		Frequenzen: Quarzfrequenz 				    12,288 MHz.
		Timer-Vorteiler		/  8	=>   1,536 MHz
		Hardware-Timer     	/256	=>   6 kHz / 166 µs
		Software-Vorteiler 	/ 60	=> 100 Hz  /  10 ms 
		Hundertstel-Zaehler	/ 10	=>  10 Hz  / 100 ms
		Zehntel-Zaehler		/ 10	=>   1 Hz  /   1 s

 2) Das Modul "AD-Wandlung" wird durch den Takt 100 ms aufgerufen.
    Der AD-Wandler wird mit einem internen Takt von 96 kHz betrieben.
	  Im Modul wird eine einzelne AD-Wandlung des Kanals ADC0 mit 10 Bit
    Aufloesung gestartet. Dort ist der NTC des Boards mit Vorwiderstand
    als temperaturabhaengiger Spannungsteiler bzw. Potentiometer angeschlossen.
    Als Referenzspannung wird die 5V-Versorgung verwendet.
    Das Ergebnis wird in der globalen Variable ad_wert gespeichert.

 3) Das Modul "Umrechnung" wird nach der AD-Wandlung alle 100 ms gestartet.
    Der Ergebniswert des Moduls "AD_Wandlung" wird mit Hilfe einer Tabelle in
    einen entsprechenden Temperaturwert umgerechnet. In der Tabelle sind 
    Temperaturwerte ueber aequidistante (Abstand = 16) AD-Werte aufgetragen.
	  Die Werte dazwischen werden mit linearer Interpolation ermittelt.
    Weiterhin wird im Modul jede aktuelle Temperatur mit der gespeicherten
	  maximalen Temperatur verglichen und der Maximalwert optional angepasst.

 4) Das Modul "Anzeigetreiber" ist an den 1 s-Takt gekoppelt. Damit wird ein
    zu schnelles Umschalten der Anzeigewerte vermieden. Das Modul gibt die
    Werte der aktuellen und der maximalen Temperatur in 1/10 °C aus.
	  
	  Zwischen AD-Wandlung / Umrechnung und Anzeige kann spaeter noch eine
 	  Mittelwertsbildung mit 10 Werten eingefuegt werden.
 
 Die Kopplung der Module wird ueber global definierte Variable realisiert:

 	  1-Bit-Variable:	Takt 100 ms:	Taktgenerator => AD-Wandlung
													  => Umrechnung
						Takt   1  s:    Taktgenerator => Anzeigetreiber

	  16-Bit-Variable:	ad-wert			AD-Wandlung => Umrechnung
						t-wert			Umrechnung => Anzeige
						tmax-wert		Umrechnung => Anzeige

// ----------------------------------------------------------------------------*/

// Deklarationen ==============================================================

// Festlegung der Quarzfrequenz
#ifndef F_CPU					// optional definieren
#define F_CPU 8000000L //12288000UL		// MiniMEXLE mit 12,288 MHz Quarz
#endif							

// Include von Header-Dateien
#include <avr/io.h>				// Header-Dateien zum ATmega88
#include <avr/interrupt.h>		// Header-Datei fuer Interrupts
#include <util/delay.h>			// Header-Datei fuer Wartezeit
#include "lcd_lib_de.h"			// Header-Datei fuer LCD-Anzeige
#include <string.h>

// Konstanten
#define VORTEILER_WERT 		60
#define HUNDERTSTEL_WERT	10
#define ZEHNTEL_WERT		10

#define ASC_NULL            0x30        // Das Zeichen '0' in ASCII
#define ASC_FULL_STOP       0x2E        // Das Zeichen ':' in ASCII

#define UART_BUFFER_SIZE 10				// Buffersize fuer uebertragene Daten
#define BAUD_RATE 9600L

// Berechnungen für die Baudrate
#define UBRR_VAL  ((F_CPU+BAUD_RATE*8)/(BAUD_RATE*16)-1)	// clever runden
#define BAUD_REAL (F_CPU/(16*(UBRR_VAL+1)))					// Reale Baudrate
#define BAUD_ERROR ((BAUD_REAL*1000)/BAUD_RATE-1000)		// Fehler in Promille

// Überprüfung der Baudrate und ob Fehler zu groß ist
#if ((BAUD_ERROR>10) || (BAUD_ERROR<-10))
#error Systematischer Fehler der Baudrate zu hoch!
#endif


const int	TEMP[45] 	=  {521,499,479,459,440,422,404,388,371,354,
							338,323,308,293,279,264,250,236,221,207,
							193,179,165,151,137,122,108,93,78,63,
							48,32,15,-1,-19,-38,-56,-77,-97,-121,
							-145,-173,-202,-237,-278};

							// Die Tabellenwerte sind in 1/10 °C angegeben
							// Der erste Tabellenwert entspricht einem AD-Wert
							// von 256. Die Abstaende der AD-Werte sind 16

// Variable
unsigned char	vorteiler 	= VORTEILER_WERT;		// Zaehlvariable Vorteiler
unsigned char 	hundertstel	= HUNDERTSTEL_WERT;
unsigned char	zehntel = 	  ZEHNTEL_WERT;

unsigned int	adcValue	= 0;	// Variable fuer den AD-Wandlungswert
int				tValue		= 0;	// Variable fuer die Temperatur (in 1/10 °C)
int				tValueMax	=-300;	// Variable fuer maximale Temperatur (1/10 °C)

bool 			takt10ms;		// Bit-Botschaft alle 10 ms
bool 			takt100ms;		// Bit-Botschaft alle 100 ms
bool			takt1s;			// Bit-Botschaft alle 1s

volatile uint8_t uart_rx_flag = 0;          // Flag für vollständig empfangene Daten
volatile uint8_t DataTransferFinished = 1;          // Flag für vollständig gesendete Daten
char uart_rx_buffer[UART_BUFFER_SIZE];      // Empfangspuffer
char uart_tx_buffer[UART_BUFFER_SIZE];      // Sendepuffer
char wort[UART_BUFFER_SIZE];				// Variable für die Ein- und Ausgabe von Wörtern und Zahlen


//Funktionsprototypen
void initTimer0 (void);
void initAdc (void);
void initDisplay (void);
void doAdc (void);
void calculateTemp (void);
void refreshDisplayTemp(int tempValue, char line, char pos);
void refreshDisplay (void);

void initUart (void);			// Initialisierung der UART-Register
void putData(char *data);		// Daten senden

// Hauptprogramm ==============================================================
int main ()
{
	uint8_t bufferFilled = 0;	// Flag für vollen Puffer

	initDisplay();				// Initialisierung LCD-Anzeige
	initTimer0();				// Initialisierung von Timer0
	initAdc();					// Initialisierung des AD-Wandlers

	initUart();					// UART initialisieren
	sei();						// generell Interrupts einschalten
	UDR0 = 0;					// Work around für Probleme bei Simulide <= R941 : ohne diese Zeile is kein Senden möglich
	
	// Hauptprogrammschleife __________________________________________________

	while(1)					// unendliche Warteschleife mit Aufruf der
								// Funktionen abhaengig von Taktbotschaften
	{
		if(takt10ms)
		{			
			takt10ms = 0;
			if (DataTransferFinished==1 && bufferFilled==1) // Bei abgeschlossener Sendung und verfügbarer Zeichenkette
			{
				bufferFilled=0;		// Puffer leeren
				putData(wort);		// Wort zurück senden
			}

		}
		if(takt100ms)			// Durchfuehrung der Funktion einmal pro 100ms
		{
			takt100ms = 0;		// Taktbotschaft zuruecksetzen
			doAdc();			// Ausfuehrung des Modules der A/D-Wandlung 
			calculateTemp();	// Ausfuehrung des Modules der Umrechnung
		}

		if(takt1s)				// Durchfuehrung der Anzeige einmal pro 1s
		{
			takt1s = 0;			// Taktbotschaft zuruecksetzen
			refreshDisplay();	// Ausfuehrung des Modules der Anzeige
			wort[5] = '°';
			wort[6] = 'C';
			wort[7] = '\n';		// ...New Line und...
			wort[8] = '\r';		// ...Carriage Return.
			wort[9] = 0;		// Endzeichen
			bufferFilled=1;
		}
	}
}


// Timer-Initialisierung ==============================================================
//
// Initialisierung des Timer0 zur Erzeugung eines getakteten Interrupts.
// Er dient dazu, die benoetigten Taktbotschaften zu erzeugen.
void initTimer0()
{
	TCCR0A	|= (0<<WGM00) 
			|  (0<<WGM01);			// Timer 0 auf "Normal Mode" schalten
	TCCR0B	|= (0<<WGM02) 
			|  (1<<CS01 );			// mit Prescaler /8 betreiben
	TIMSK0	|= (1<<TOIE0);			// Overflow-Interrupt aktivieren
}

// Timer-Initialisierung ==============================================================
// 
// Initialisierung des A/D-Wandlers: 
// Vorteiler = 128 => interner Takt = 96 kHz
// Abfrage des ADC0 (NTC-Spannungsteiler)
// Referenzspannung = analoge Versorgung Avcc
void initAdc ()
{
	ADMUX   |= (1<<REFS0)
			|  (1<<MUX0)
			|  (1<<MUX2);		// Vref =AVCC; ADC5

	ADCSRA	|= (1<<ADPS0)
			|  (1<<ADPS1)
			|  (1<<ADPS2)
			|  (1<<ADEN);		// Teiler 128; ADC ON
}


// Timer-Initialisierung ==============================================================
// 
// In der Interrupt-Routine sind die Softwareteiler realisiert, die die Takt-
// botschaften (10ms, 100ms, 1s) fuer die Module erzeugen. Die Interrupts
// werden von Timer 0 ausgeloest (Interrupt Nr. 1)
//
// Veraenderte Variable:	vorteiler
//						hunderstel
//						zehntel
//
// Ausgangsvariable:	takt10ms
//						takt100ms
//						takt1s

ISR (TIMER0_OVF_vect)
{
	--vorteiler;						// Vorteiler dekrementieren
	if (vorteiler==0)					// wenn 0 erreicht: 10ms abgelaufen
	{
		vorteiler = VORTEILER_WERT;		// Vorteiler auf Startwert
		takt10ms = true;				// Botschaft 10ms senden
		--hundertstel;					// Hundertstelzaehler dekrementieren

		if (hundertstel==0)				// wenn 0 erreicht: 100ms abgelaufen
		{
			hundertstel = HUNDERTSTEL_WERT; // Teiler auf Startwert
			takt100ms = true;			// Botschaft 100ms senden
			--zehntel;

			if (zehntel==0)				// Zehntelzaehler dekrementieren
			{
				zehntel = ZEHNTEL_WERT;	// Teiler auf Startwert
				takt1s = true;			// Botschaft 1s senden
			}
		}
	}
}

// ADWandlung ==============================================================
// 
// Durchfuehrung einer Einzelwandlung der am NTC-Spannungsteiler anstehenden 
// Spannung in einen digitalen 10-bit-Wert (einmal pro 100 ms).
void doAdc()
{
	ADCSRA |= (1<<ADSC);				// Wandlung starten
	while (ADCSRA & (1<<ADSC));			// Ende der Wandlung abwarten

	adcValue = ADCL + (ADCH<<8);		// 10-Bit-Wert berechnen
										// ADCL muss vor ADCH stehen!!
										// siehe Datenblatt des ATmega 328
}

// Umrechnung ==============================================================
// 
// (wird alle 100 ms aufgerufen)
void calculateTemp ()
{
	unsigned char index;				// Tabellenindex fuer Temperaturtabelle
	unsigned char steps;				// Abstand zum naechstkleineren Wert
										// der AD-Werte der Temperaturtabelle
	
	index	= (adcValue-256)/16;		// Indexberechnung (Zeiger in Tabelle)	
	steps	= (adcValue-256)%16;		// Rest fuer Tabellen-Interpolation		
	
	tValue = steps * (TEMP[index+1] - TEMP[index])/16 + TEMP[index];	
										// Temperaturwert berechnen

	if(tValue>=tValueMax)				// aktueller Wert mit Maximalwert
	{
		tValueMax = tValue;				// vergleichen und ggf. ersetzen
	}
}

// Anzeigetreiber fuer Temperaturanzeige ==============================================================
//
// Beschreiben der Anzeige mit dem erstellten Temperaturwert 
// und mit dem maximalen Wert (wird alle 1 s aufgerufen).
//
// Umrechnung der Zahlenwerte (1/10 °C) in Anzeigewerte wie folgt: 
// Hunderter: einfache Integer-Teilung (/100).
// Zehner: Modulo-Ermittlung (%100), d.h. Rest bei der Teilung durch 100
//		   dann nochmals Integer-Teilung (/10) dieses Restes.
// Einer:  Modulo-Ermittlung (%10), d.h. Rest bei der Teilung durch 10.
//
// Umrechnung in ASCII-Werte fuer die Anzeige durch Addition von 0x30.
void refreshDisplayTemp(int tempValue, char line, char pos)
{
	lcd_gotoxy(line, pos);					// Startposition fuer Temperatur-Wert
	if (tempValue>=0) 						// zuerst Vorzeichen: ' ' oder '-'
	{
		wort[0] = ' ';		
	}
	else
	{
		wort[0] = '-';
		tempValue = -tempValue;				// Vorzeichenumkehr bei negativer Zahl
	}
	wort[1] = tempValue/100 + ASC_NULL;
	tempValue = tempValue%100;
	wort[2] = tempValue/10 + ASC_NULL;
	wort[3] = ASC_FULL_STOP;
	wort[4] = tempValue%10 + ASC_NULL;
	wort[5] = 0;
	lcd_putstr   (wort);	// Hunderter ausgeben (°C Zehner)
}

// Anzeigefunktion ==============================================================
//
// Der aktuelle Temperatur und die maximale Temperatur werden ausgegeben
 void refreshDisplay()
{
	refreshDisplayTemp(tValueMax,	1, 9);		// maximale Temperatur ab Position 1,9
	refreshDisplayTemp(tValue,		0, 9); 		// aktuelle Temperatur ab Position 0,9
}

// Initialisierung Display-Anzeige ==============================================================
//
void initDisplay()					// Start der Funktion
{
	lcd_init();						// Initialisierungsroutine aus der lcd_lib
					
	lcd_displayMessage("- Experiment 9 -",0,0); // Ausgabe in erster Zeile
	lcd_displayMessage("UART-Temperature",1,0);	// Ausgabe in zweiter Zeile

	_delay_ms(2000);				// Wartezeit nach Initialisierung

	lcd_displayMessage("Temp.         ßC",0,0); // Ausgabe in erster Zeile
	lcd_displayMessage("Maximum       ßC",1,0); // Ausgabe in zweiter Zeile
												// "ßC" wird als °C dargestellt 
}									// Ende der Funktion

void initUart (void)	// Initialisierung der UART-Register
{
	UBRR0H = UBRR_VAL >> 8;		// High-Baudraten-Register beschreiben
	UBRR0L = UBRR_VAL & 0xFF;	// Low-Baudraten-Register beschreiben
	
	UCSR0B = (1<<TXEN0) | (1<<RXEN0) | (1<<RXCIE0);	// Aktivierung des UART Senders, Empfaengers und der Interrupts
	UCSR0C = (1<<UCSZ00) | (1<<UCSZ01);				// Setzen der Datenbits auf 8-Bit
}


ISR(USART_RX_vect) // Interrupt Routine für das Empfangen
{
	char data = UDR0;		// Daten auslesen, um Interruptflag zu loeschen
	if (data=='r') tValueMax = tValue;
}
 
ISR(USART_UDRE_vect) // Interrupt Routine für das Senden
{
	static char* uart_tx_p = uart_tx_buffer;	// Zeiger auf Sendepuffer
	char data = *uart_tx_p++;				// Daten einlesen und Pointer erhöhen
	
	if (data==0 )						// Am Ende der Eingabe
	{
		UCSR0B &= ~(1<<UDRIE0);			// UDRE Interrupt ausschalten
		uart_tx_p = uart_tx_buffer;		// Pointer zurücksetzen
		DataTransferFinished = 1;		// Flag für Senden setzen
	}
	else UDR0 = data;					// Daten senden
}

void putData(char *data)	// Daten senden
{
	if (DataTransferFinished==1)		// Wenn Daten vollstaendig gesendet
	{
		DataTransferFinished = 0;		// Flag für Senden löschen
		strcpy(uart_tx_buffer, data);	// Daten in Sendepuffer kopieren
		UCSR0B |= (1<<UDRIE0);			// UDRE Interrupt einschalten
	}
}

Unvollständige Falstad Simulation

Bitte arbeiten Sie folgende Aufgaben durch:

Aufgabe: Versuchen Sie die folgenden Zeitverlauf des UART Signals zu entschlüsseln - es kam vom vorliegenden Programm.
Welche neun Zeichen wurden gesendet?

9 UART und Terminal

die einfache Art der Kommunikation

Ziele

Video

Code mit Polling

Code mit Interrupt