Vorwort

Standardisierte Hardware hat dem PC zu seinem Erfolg verholfen. In der Mikrocontrollertechnik ist dem Arduino ein vergleichbarer Erfolg gelungen. Mit aufsteckbarer Hardware, die als Shield bezeichnet wird, stehen Schaltungen wie Motorbrücken oder EKG, Ethernet oder XBEE-Karten und vieles mehr zur Verfügung. Da ist es naheliegend, diese Hardware auch in C zu programmieren. Aus diesem Blickwinkel ist dieses Buch geschrieben. Es wendet sich an Mikroelektroniker, die bereits »Hello world« hinter sich haben und auch mit einem Steckbrett umgehen können. Es wird gezeigt, dass nicht nur der Arduino infrage kommt, sondern auch mit älteren Prozessoren wie dem ATmega8 und mit verschiedensten Programmiergeräten gearbeitet werden kann. Geordnet nach Preisklassen, wird die Hardware vorgestellt.

Wer Mikrocontroller in C programmieren will, findet in diesem Buch einen entsprechenden Kurs, bei dem zumindest einfache C-Kenntnisse vorausgesetzt werden. Inhalt ist die Grundlage für die Programmierung von Mikroprozessoren.

Auch die serielle Schnittstelle wird besprochen. Die Programme sind so geschrieben, dass sie für den ATmega8 und ATmega328P verwendet werden können. In Kapitel 6.3 wird die Standardein- und -ausgabe, wie scanf und printf, festgelegt. Die Methoden, um die serielle Schnittstelle mit dem Atmel Studio anzusprechen, werden in den Projekten angewandt.

Programmentwicklung mit Zustandsdiagrammen und Automatentabellen wird ebenfalls behandelt. Die damit gelösten Probleme sind vollständig in C-Programme umgesetzt. Lesern, die Zustandsdiagramme noch nicht in der Praxis eingesetzt haben, sei dieser Abschnitt besonders ans Herz gelegt.

Zur Behandlung abgeschlossener und vollständig gelöster Probleme werden Physik, Elektronik, Regelungstechnik und Programmierung besprochen. Die Projektbeschreibungen beschränken sich nicht auf eine Anleitung, um die Projekte nachbauen zu können, sondern behandeln auch die wesentlichen theoretischen Grundlagen zur Problemlösung. Nach der Lektüre dieses Buchs wird der Leser dank der diskutierten Grundlagen neue Probleme lösen können.

Weitere Informationen zu diesem Buch finden Sie im Internet unter www.avr-ploetzeneder.com.

Inhaltsverzeichnis

1Zahlendarstellung

1.1Zehner- oder Dezimalsystem

1.2Binärsystem

1.2.1Positive Binärzahlen

1.2.2Positive und negative Zahlen im Binärsystem

1.2.3Rechnen im Binärsystem

1.3Oktalsystem

1.4Hexadezimalsystem

2Hardware

2.1Richtlinien zur Auswahl der Hardware

2.2Hardware-Auswahl bei einer Investition von 100 Euro

2.2.1STK500

2.2.2Dragon mit Arduino

2.3Hardware-Auswahl bei einer Investition von 50 Euro

2.3.1STK500-kompatibler Programmieradapter mit Arduino

2.4Hardware-Auswahl bei einer Investition von deutlich unter 50 Euro

2.4.1Arduino mit Bootloader

2.5Alternative Entwicklungs-Boards

2.6Alternative Programmiergeräte

2.7Empfehlung

3Softwaretools zur Programmierung

3.1Entwicklungsumgebung

3.2Blinklicht mit dem Atmel Studio 6

3.3Blinklicht mit CodeVisionAVR

4Perfektionskurs in C

4.1Variablen und Konstanten

4.1.1Character

4.1.2Integer

4.1.3Long

4.1.4Float und Double

4.2Entscheidungsstrukturen

4.2.1If

4.2.2If-else

4.2.3If-else-Kette

4.2.4Kurzform für die Kontrollstruktur mit ternärem Operator

4.2.5Switch

4.3Modulooperator

4.3.1Zerlegen einer Zahl in Einer- und Zehnerstelle

4.3.2Umwandlung einer dreistelligen Zahl in einen String

4.3.3Modulo in einer Schleife mit dem Schleifenindex

4.4Bitweiser Zugriff auf ein Byte

4.4.1Setzen von Bits mit dem Oder-Operator

4.4.2Löschen von Bits mit dem Und-Operator

4.4.3Toggeln von Bits mit dem Exklusiv-Oder-Operator

4.5Unterprogramme

4.5.1Definition, Deklaration und externe Vereinbarung

4.6Zeiger

4.6.1Zeiger auf Integer

4.7Schleifen

4.7.1For-Schleife

4.7.2While-Schleife

4.7.3Do-while-Schleife

4.7.4Schleifen aussetzen

4.8String

4.8.1Aufbau von Strings

4.8.2String-Funktionen mit Format-String

4.9Ausgabe mit Formatangabe

4.10Eingabe mit Formatangabe

4.11Arrays und Zeiger

4.11.1Zeiger und Adressen

4.11.2Funktion String-Länge mit Zeiger

4.11.3Funktion strlen() mit Zeigerarithmetik

4.11.4Zeichenketten und Character-Zeiger

4.11.5Array von Zeigern

5Die serielle Schnittstelle

5.1Die serielle Schnittstelle am PC

5.2Elektrisches Signal der seriellen Schnittstelle

5.3Verdrahtung der RS-232-Schnittstelle

5.4Verfügbares Terminal-Programm

5.4.1Hyperterminal

5.4.2HTerm

5.4.3Terminal der Entwicklungsumgebung CodeVisionAVR

5.5Terminal-Programme im Sourcecode

5.5.1Terminal-Programm mit LabVIEW

5.5.2Terminal-Programm mit C#

5.6Terminal-Programm testen

6Programmierung der seriellen Schnittstelle des AVR

6.1Programmierung mit CodeVisionAVR

6.2Programmierung im Atmel Studio

6.3Programmierung der seriellen Schnittstelle mit formatierter Ein- und Ausgabe

6.4Interruptgesteuerte Programmierung mit verfügbarer Bibliothek

7Grundfunktionen der Timer

7.1Timerinterrupt mit CodeVisionAVR

7.2Timerinterrupt mit Atmel Studio

7.3CTC-Modus des Timers ohne Interrupt

7.4CTC-Modus des Timers mit Interrupt

7.5Pulsweitenmodulation (PWM) mit Timer 1

7.5.1Ein PWM-Signal mit Timer 1 erzeugen

7.5.2PWM-Signal erzeugen und Interrupt auflösen

7.5.3Gleichzeitig zwei PWM-Signale mit dem Timer 1 erzeugen

8Digitale Ein- und Ausgabe ohne externe integrierte Schaltkreise (ICs)

8.1Einlesen von digitalen Signalen

8.1.1Direktes Einlesen eines einzelnen digitalen Signals

8.1.2Einlesen eines Tasters

8.1.3Taster einlesen und entprellen mit nachfolgender Auswertung einer Flanke

8.1.4Einlesen einer 4x4-Tastatur

8.1.5Einlesen einer 3x4-Tastatur mit Diodenlogik

8.2Ausgabe digitaler Signale

8.2.1Ansteuerung einer einzelnen Siebensegmentanzeige

8.2.2Ansteuerung von zwei Siebensegmentanzeigen nach dem Multiplexprinzip

8.2.3Ansteuerung eines Siebensegmentdisplays mit 2½ Stellen nach dem Multiplexprinzip

8.2.4Ansteuerung von Leuchtdiode mit möglichst wenigen Leitungen

9Ein- und Ausgabe mit ICs zur Verminderung der Port-Leitungen

9.1Tastatur mit Demultiplexer und Prioritätsencoder

9.2Siebensegmentanzeige mit Schieberegister

10Endlicher Automat

10.1Allgemeine Einführung

10.2Vor-Rück-Zähler mit endlichen Automaten und Zustandsdiagramm

10.3Codeschloss

10.4Entprellen von Kontakten

10.5Auswertung von Schaltflanken

10.6Auswertung eines Inkrementalgebers (Drehgeber)

11Schrittmotor

11.1Allgemeine Informationen

11.2Prinzipielle Arbeitsweise

11.3Aufbau und Ansteuerung von Elektromagneten

11.4Endstufe für bipolare und unipolare Schrittmotoren

11.5Wicklungsarten

11.6Programme zur Ansteuerung

11.6.1Einfaches Programm

11.6.2Schrittmotoransteuerung im Interrupt

11.6.3Schrittmotoransteuerung über die RS-232-Schnittstelle

11.7Mikroschrittansteuerung

12Distanzmessungen mit Ultraschallsensoren

12.1Funktionsweise

12.2Ultraschallsensor SRF02

12.3Ultraschall-Eigenbausensor

13Transistorkennlinie aufnehmen und grafisch darstellen

13.1Arbeitsweise des Kennlinienschreibers

13.2Darstellung der Daten in Excel

13.3Darstellung der Daten mit einem grafischen LCD

14Schwebende Kugel

14.1Prinzip und Versuchsaufbau

14.2Regelungstechnisches Modell

14.3Schaltplan

14.4Programm für die schwebende Kugel

14.5Aufbau und Inbetriebnahme

15EKG

15.1Grundlegendes zum Elektrokardiogramm

15.2Sicherheitshinweis

15.3Einfache EKG-Schaltung

15.4EKG-Shield von Olimex

15.5Darstellung der Daten in Excel

15.6Darstellung der Daten in einem grafischen LC-Display

Anhang

Stichwortverzeichnis

1Zahlendarstellung

1.1Zehner- oder Dezimalsystem

Das Zahlensystem mit der Basis zehn ist uns aus dem Alltag bekannt. Jede Stelle einer Zahl hat eine bestimmte Wertigkeit, so unterscheiden wir die Einer-, Zehner- und Hunderterstelle.

Um Verwechslungen auszuschließen, schreiben wir die Zahl mitunter so: 165_D.

Zahlensysteme, deren Stellen eine Wertigkeit haben, die um Potenzen ansteigen, bezeichnet man als polyadisch. (Eine Uhrzeit mit Stunden, Minuten und Sekunden ist nicht polyadisch.) In der Computertechnik sind neben dem Dezimalsystem noch zweier-(binär), achter-(oktal) und 16er-Systeme (hexadezimal) verbreitet.

1.2Binärsystem

1.2.1Positive Binärzahlen

Im Binärsystem gibt es nur zwei Ziffern mit den Werten Null und Eins. Diese werden üblicherweise mit »0« und »1« dargestellt. Die Wertigkeit der Stellen ist in Zweierpotenzen ansteigend.

Damit wir die Binärzahl 1011 von der Dezimalzahl Eintausendelf unterscheiden können, schreiben wir im Text »1011_B«. In einem C-Programm, das von einem Compiler einen Maschinencode erzeugt, schreibt man »0b1011«. (Die im Buch verwendeten C-Compiler können diese Schreibweise verarbeiten, obwohl sie nicht dem ANSI-Standard für C entspricht.)

Bei einem 8-Bit-Mikrocontroller werden nicht einzelne Bits abgespeichert, sondern 8 Bits als kleinste Einheit. Einen Block von 8 Bit bezeichnet man auch als Byte. Ein Byte, das nur positive Zahlen darstellt, hat als größten Wert 1 * 128 + 1 * 64 + 1 * 32 + 1 * 16 + 1 * 8 + 1 * 4 + 1 * 2 + 1 * 1 = 255.

1.2.2Positive und negative Zahlen im Binärsystem

Der erste Gedanke, eine negative Zahl darzustellen, ist ein Bit für das Vorzeichen zu reservieren. Diese Methode hat aber zwei Nachteile. Der Wert Null kommt als +0 und -0 vor. Noch schwerwiegender ist, dass die arithmetischen Operationen Fallunterscheidungen benötigen. Werden z. B. eine positive und eine negative Zahl addiert, muss statt der Addition eine Subtraktion ausgeführt werden. Diesen Aufwand will man vermeiden. Gesucht ist ein Zahlensystem, das bei einer Addition, unabhängig davon, ob die Zahlen positiv oder negativ sind, den richtigen Wert ermittelt. Gelöst wird das Problem, indem man die negativen und positiven Zahlen im Zweierkomplement darstellt. Eine 4 Bit lange Zahl kann in der Zweierkomplementdarstellung Werte von -8 bis +7 annehmen.

Das Bit-Muster für die positiven Zahlen entspricht unseren Erwartungen. Wie man von einer positiven Zahl zu einer negativen Zahl kommt, ist nicht sofort ersichtlich. Deshalb werden zuerst noch die Rechenregeln und Beispiele für Zahlen im Binärsystem erläutert.

1.2.3Rechnen im Binärsystem

Rechenregel:

0_B + 0_B = 0_B

0_B + 1_B = 1_B

1_B + 0_B = 1_B

1_B + 1_B = 10_B

1_B + 1_B + 1_B = 11_B

Beispiel 1

Addition von zwei positiven mehrstelligen Zahlen

3_D 0011_B

2_D 0010_B

----------------

5_D 0101_B

Es erfolgt einmal ein Übertrag.

Beispiel 2

Addition mit negativer Zahl

3_D 0011_B

-2_D 1110_B

----------------

1_D 0001_B

Es werden nur vier Stellen berücksichtigt!

Beispiel 3

Addition von zwei positiven Zahlen

4_D 0100_B

4_D 0100_B

----------------

8_D 1000_B (ist aber laut Tabelle 1.1 der Wert -8)

Die Addition von 4_D + 4_D überschreitet den Wertebereich einer mit 4 Bit vorzeichenbehafteten Zahl (-8_D bis 7_D) und führt daher zu einem falschen Ergebnis.

Wie kommt man zu dem Bit-Muster für negative Zahlen? Eine positive Zahl wird in zwei Schritten in eine negative umgewandelt. Zuerst sind die Bits einer positiven Zahl zu invertieren und danach ist zu dieser Zahl 1 dazuzuzählen.

Beispiel 4

Umwandlung von 5_D nach -5_D

1. Schritt

5_D = 0101_B

nach Inversion der Bits 1010_B

2. Schritt

1010_B + 1_B = 1011_B

Mit der gleichen Methode kann man von einer negativen Zahl den entsprechenden positiven Zahlenwert ermitteln.

Beispiel 5

Umwandlung von -5_D nach 5_D

1. Schritt

-5_D = 1011_B nach Inversion der Bits 0100_B

2. Schritt

0100_B + 1_B = 0101_B

Beispiel 6

Multiplikation einer Binärzahl mit 2

3_D * 2_D = 6_D

0011_B * 0010_B = 0110_B

Eine Multiplikation mit 2 erfolgt im Binärsystem durch das Verschieben der Bits einer Zahl um eine Stelle nach links.

In der Programmiersprache C kann eine Linksverschiebung um eine Stelle wie folgt geschrieben werden:

i = 3 << 1;

Danach hat i den Wert 6;

1.3Oktalsystem

Das Oktalsystem wird in der Sprache C unterstützt. In diesem Zahlensystem gibt es 8 verschiedene Ziffern (0 bis 7), und die Stellen einer Zahl werden mit Potenzen der Basis 8 bewertet.

Die oktale Zahl 123 hat den Wert 1 * 8² + 2 * 8¹ +3 * 8⁰ = 1 * 64 + 2 * 8 +3 * 1 = 83_D.

In der Programmiersprache C werden Zahlen mit führenden Nullen als Oktalzahlen interpretiert.

Beispiel

i = 0123;

ist gleichwertig zu:

i = 83;

1.4Hexadezimalsystem

Das Hexadezimalsystem arbeitet mit der Basis 16. Der Ziffernvorrat sind 0123456789ABCDEF. Dabei hat A den Wert 10_D usw.

Jede hexadezimale Ziffer hat einen Wert im Bereich von 0_D bis 15_D. Das entspricht einer Binärzahl mit 4 Bits. Das macht die Umrechnung zwischen Hex- und Binärsystem sehr einfach.

Um eine Hexadezimalzahl von einer Dezimalzahl sicher unterscheiden zu können, schreiben wir z. B. »123_H« oder »FFF_H« . Bei einer Eingabe im C-Compiler ist 0x vor die Zahl zu schreiben, z. B. »0x1FFF.«

Beispiel 1

Welchen Wert hat 2A_H?

2 * 16 + 10 * 1 = 42_D

Beispiel 2

Umwandlung von 2A_H ins Binärsystem

2_H entspricht 0010_B

A_H entspricht 1010_B

Zusammengefügt, ergibt es die Binärzahl von 00101010_B.

Beispiel 3

Umwandlung der Binärzahl 11000101_B ins Hexadezimalsystem

1. Schritt ist die Einteilung der Binärzahl in Gruppen mit vier Stellen

(1100)(0101)

1100_B entspricht C_H

0101_B entspricht 5_H

Zusammengefügt, ergibt das das Ergebnis C5_H.

Für den C-Compiler GCC, der im Atmel Studio eingesetzt ist, und CodeVisionAVR bewirkt i = 0b11000101; das Gleiche wie i = 0xC5;.

2Hardware

2.1Richtlinien zur Auswahl der Hardware

Beim Auswählen einer optimalen Hardware sind der finanzielle Rahmen und das Ziel der Anwendung zu berücksichtigen. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass ein Anfänger mit AVRs selbstständig kleine Projekte realisieren will. Die folgenden Vorschläge sind nach dem Investitionsaufwand geordnet. Die Einteilung nach Investitionskosten sollte nicht mit dem Nutzen gleichgesetzt werden.

2.2Hardware-Auswahl bei einer Investition von 100 Euro

2.2.1STK500

Dieses Board ist von Atmel. Auf der PC-Seite gibt es dazu eine gute Software-Unterstützung. Alle Funktionen des STK500 können mit dem Atmel Studio angesprochen werden. Auch in CodeVison werden die Funktionen des STK500 gut unterstützt.

1.Spannungsversorgung: Es ist noch ein Brückengleichrichter und Spannungsregler am Board. Daher ist bei der Spannungsversorgung nicht einmal eine Verpolung problematisch.

2.RS-232-Schnittstelle: Über diese Schnittstelle kann das selbst erstellte Programm in den Mikrocontroller geladen werden (Programm-Download). Es besteht auch die Möglichkeit, ein Programm vom Mikrocontroller zum PC hochzuladen oder auch Fuses zu setzen.

3.RS-232-Schnittstelle für die Kommunikation mit dem Mikrocontroller am STK500

4.Steckplatz für Quarz

5.Jumper für Clock und Referenzspannung (ADU)

6.Steckplätze für verschiedene Prozessoren

7.Stiftleiste zu den Ports des Prozessors

8.Stiftleiste für LEDs und Taster: Diese können mithilfe eines Flachbandkabels mit einem Port verbunden werden.

9.Signale zur Programmierung: Je nachdem, welcher Prozessor programmiert werden soll, wird das Signal über ein Flachbandkabel mit einer Stiftleiste (x) verbunden.

Eigenschaften des STK500

Mit dem STK500 kann man den AVR-Mikrocontroller im ISP(In System Programming)-Modus oder HV(High Vage)-Modus programmieren. Der oft verwendete ISP-Modus benötigt eine Ansteuerung mit den Signalen MOSI, MISO, SCK, Reset und GND. Diese Signale werden von der Stiftleiste (9) abgegeben und mit einem Fachbandkabel zur Stiftleiste (x) geführt. Der Prozessor, der programmiert werden soll, ist in die richtige Fassung im Bereich (6) zu stecken.

Ist an einem Mikrocontroller noch eine Hardware angeschlossen und soll das Programm zum Prozessor heruntergeladen werden, darf die Last an den Pins nicht niederohmig sein. Mit einer Last größer 4 kΩ funktioniert die Programmierung erfahrungsgemäß aber immer. Arbeitet man mit einem Laptop, der in der Regel keine serielle Schnittstelle besitzt, ist ein Schnittstellenwandler zweifach-USB-zu-RS-232 zu empfehlen.

Mit dem Jumper 2 (im Bild oben) wird an Vtarget 5 V angelegt. Der Mikrocontroller erhält dadurch die Versorgungsspannung. Am Stecker 1 ist ein Verbindungskabel mit sechs Leitungen angeschlossen. Es ist zur Programmierung mit einem ATtiny verbunden. Leider ist es nicht möglich, einen ATtiny in einem Sockel des STK500 zu programmieren (man muss zusätzliche Verbindungsleitungen legen).

In der IDE von Atmel Studio kann man für den Prozessor ATmega328P, also den Arduino, ein C-Programm erstellen. Dieses Programm ist leider aus der Entwicklungsumgebung im Atmel Studio mit dem STK500 nicht zu flashen. Das STK 500 hat den Vorteil, dass damit viele verschiedene Prozessoren programmiert werden können. Zusätzlich hat das Board acht LEDs und acht Taster, die an verschiedene Ports angeschlossen werden können. Ein großer Nachteil am STK500 ist, dass man eine serielle Schnittstelle zur Programmierung und eine weitere zur Kommunikation benötigt.

2.2.2Dragon mit Arduino

Der Dragon ist ein Programmiergerät von Atmel, das gegenüber dem STK500 zwar keine Steckplätze für Prozessoren hat, jedoch zusätzliche Möglichkeiten bietet.

Mit dem Dragon ist es möglich, mit dem Atmel Studio den ATmega328P zu programmieren. Zusammen mit einem Arduino hat man eine Hardware, bei der man keine Netzgeräte und keine USB/RS-232-Wandler benötigt (siehe Bild unten).

Mit der oben gezeigten Verbindung kann man den Arduino über ISP (SPI-Schnittstelle) vom Dragon aus programmieren. Dabei überschreibt man unter Umständen unabsichtlich den Bootloader im ATmega328P. Die positive Seite ist, dass man auf diese Art auch den Bootloader von Arduino (aus der Entwicklungsumgebung des Atmel Studios) in den ATmega328P laden kann. Die genaue Anleitung, wie Sie in einen neuen ATmega328P den Bootloader in den Flash-Speicher schreiben können, finden Sie im Anhang. Der Dragon bietet unterschiedliche Programmiermethoden an.

Dabei bedeutet:

ISP:	In-System Programming
HVPP:	High Vage Parallel Programming (12 V an Reset)
JTAG:	Joint Test Action Group (nur für große AVR verfügbar)

Der Dragon kann auch die neuen Xmega-Prozessoren aus dem Atmel Studio ansprechen. Der populäre Klassiker ATmega8 wird leider vom Dragon nicht mehr unterstützt.

2.3Hardware-Auswahl bei einer Investition von 50 Euro

2.3.1STK500-kompatibler Programmieradapter mit Arduino

Die Arduino-Hardware besteht aus einer Platine mit einem RS-232/USB-Umsetzer, einer LED an PB5, einem Reset-Taster und einem standardisierten Stecker (6-pol) zum Programm-Download. In Verbindung mit einem Programmieradapter ist das eine für Experimente geeignete Hardware. Ein Programmieradapter mit STK500v1- oder STK500v2-Protokoll kann im Atmel Studio wie ein STK500 angesprochen werden.

Der Arduino ist mit einem ATmega8-Prozessor bestückt. Der Adapter AVR-ISP/500 ist bei http://elmicro.com/ erhältlich.

In den Arduino kann man auch den Prozessor ATmega8 stecken und über eine sechspolige Flachbandleitung mit dem Programmiergerät verbinden (siehe Bild 2.5). Aus der IDE des Atmel Studios kann das Programm in den Prozessor geschrieben werden.

Ein ATmega328P, der Originalprozessor am Arduino, kann nicht direkt aus der IDE des Atmel Studios im STK500-Modus beschrieben werden. Eine Lösung bietet das Programm avrdude, dessen Einsatz im nächsten Kapitel beschrieben wird. Dabei wird der Programmieradapter mit avrdude angesprochen. (Das Lesen des Flash-Speichers mit einem Olimex Programmieradapter und einem ATmega328P wurde mit dem Befehl avrdude -F -v -pm328p -c stk500v2 -P COM4 -b115200 -D -Uflash:r:x.hex:i erfolgreich getestet.)

2.4Hardware-Auswahl bei einer Investition von deutlich unter 50 Euro

2.4.1Arduino mit Bootloader

Der Arduino verwendet den ATmega328P als Prozessor. Auf höheren Speicheradressen im Flash befindet sich ein Ladeprogramm, das auch als Bootloader bezeichnet wird. Mit dem Bootloader kann man über die serielle Schnittstelle den Prozessor programmieren und danach sogar über die Schnittelle kommunizieren. Dabei muss der Arduino nur an der USB-Schnittstelle angeschlossen werden, da ein RS-232/USB-Umsetzer auf dem Arduino bereits vorhanden ist. Auf der PC-Seite wird die USB-Schnittstelle wie eine serielle Schnittstelle angesprochen. Da am Computer keine physikalische serielle Schnittstelle vorhanden ist, die USB-Schnittstelle wie eine serielle Schnittstelle angesprochen wird, bezeichnet man das auch als virtuelle serielle Schnittstelle. Die Umsetzung auf USB erfolgt bei älteren Arduinos mit einem FDTI-Chip, neuere verwenden den ATmega8u2-Chip. Wird ein Programm in den Flash-Speicher geschrieben, steht es auch nach Abschalten der Versorgungsspannung später wieder zur Verfügung. Der Prozessor kann auf diese Weise mindestens 10.000-mal mit einem neuen Programm überschrieben werden. Ein weiteres Argument für den Arduino ist sein einfacher Einsatz. Für diese standardisierte Hardware sind fertige Zusatzplatinen verfügbar. Diese werden als Shield bezeichnet und können auf den Arduino gesteckt werden. Später werden eine Motorendstufe, ein EKG und ein selbst aufgebauter Ultraschallsensor in Form von Shields vorgestellt. Es existieren auch Prototyp-Shields, mit denen man auf einfache Weise eine beliebige Schaltung aufbauen kann (siehe Ultraschallsensor).

Auf diese Lochrasterplatine können beliebige Schaltungen aufgebaut werden.

Fertig aufgebaute Shields gibt es außerdem für GPS, Bluetooth, Zigbee oder Ethernet, SD-Karten, RFID und vieles mehr. Die Verwendung eines Arduinos mit verfügbaren Shields führt in der Regel zu einer preiswerten Lösung.

Anleitung zum Auslesen des Flash-Speichers aus dem Arduino aus der DOS-Ebene

Sie finden das notwendige Programm in der Software für den Arduino. Dazu müssen Sie sich die Entwicklungsumgebung von Arduino herunterladen. Diese finden Sie unter http://www.arduino.cc. Dabei ist nichts zu installieren, sondern es ist nur eine Zip-Datei zu entpacken.

Verbinden Sie den Arduino mit einem USB-Kabel mit dem Computer. Es wird dabei ein Fenster geöffnet und ein Treiber angefordert. Sie finden den Treiber unter D:\arduino-0023\arduino-0023\drivers (D: ist das Laufwerk und 0023 die Version der Software). Öffnen Sie in der Systemsteuerung den Geräte-Manager und klicken Sie auf Anschlüsse. Sie können dann die COM-Schnittstelle auslesen (z. B. COM8). Alternativ kann man im DOS-Fenster den Befehl Mode eingeben. In einem Ordner (im Beispiel wurde c:\temp verwendet) sind drei Dateien zu speichern: avrdude.exe, avrdude.conf und libusb0.dll. Diese Dateien finden Sie in der entpackten Arduino-Software unter Arduino\arduino-0023\arduino-0023\hardware\tools\avr\bin\avrdude.exe, Arduino\arduino-0023\arduino-0023\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf und Arduino\arduino-0023\arduino-0023\hardware\tools\avr\utils\libusb\bin\ libusb0.dll.

Aufruf des Programms

Methode 1:

Gehen Sie in die DOS.Ebene und geben Sie Folgendes ein:

Flash-Speicher mit Avrdude auslesen; die Daten des Flash-Speichers werden in die Datei ccc.hex geschrieben.

Die Bedeutung der Schalter –F –v –p –c –P –b –D –U wird weiter unten erläutert. Die genaue Erklärung ist im Manual von Avrdude zu finden. Dieses Manual finden Sie unter Arduino\arduino-0023\arduino-0023\hardware\tools\avr\doc\avrdude\avrdude.pdf.

Methode 2:

Erstellen Sie eine Batch-Datei.

Öffnen Sie dafür Wordpad und schreiben Sie »avrdude -F -v -pm328p -c stk500v1 -P\\.\COM5 -b115200 -D -Uflash:r:D:\ccc.hex:i«.

Da der Dateiname in Anführungszeichen angegeben ist, wird die Datei unter x.bat und keinesfalls unter .bat.txt abgelegt. Gehen Sie ins DOS (mit Ausführen) und wechseln Sie ins Verzeichnis c:\temp (mit cd \temp).

Die erfolgreiche Ausführung des Programms (nach Methode 1 oder Methode 2) erkennen Sie in den letzten Zeilen, die von avrdude ausgegeben werden.

Falls das Programm einen Fehler meldet, drücken Sie am Arduino die Reset-Taste und starten Avrdude erneut. Nach ca. einer Sekunde geben Sie die Reset-Taste wieder frei. Es kann auch ein mehrmaliges Ausführen von Avrdude nötig sein.

Erläuterung der Schalter in der Kommandozeile beim Aufruf von avrdude:

-F:	Die Signatur des Controllers wird ignoriert.
-v:	Verbose; das bedeutet, dass ein ausführlicher Text über Aktionen oder Fehler ausgegeben wird.
-p:	PART; welche CPU verwendet wird
-c:	Programmer Type (Protokoll)
-P:	PORT; auf welchem Port der Arduino anzusprechen ist; Sie finden den Port unter Systemsteuerung • Geräte-Manager • Anschlüsse (bei höheren Port-Nummern als com9 ist die Schreibweise »\\.\com10« erforderlich)
-b:	Baudrate; 115.200 Baud für Arduino, 57.600 für Mega und Duemilanove
-D:	Disable; verhindert prinzipiell automatisches Löschen vor dem Programmieren
-U:	Speicheroperationen

Beachten Sie bei diesen Kommandos unbedingt Groß- und Kleinschreibung.

Falls Sie ein Programm im Mikrocontroller schreiben wollen, müssen Sie den Ausdruck -Uflash:r:ccc.hex:i ändern. Wir nehmen an, Sie wollen ein Blinkprogramm, wie es im nächsten Kapitel beschrieben wird, in den Flash-Speicher schreiben. Mit dem Explorer suchen Sie die Datei Blink1.hex unter C:\Dokumente und Einstellungen\fp\Eigene Dateien\AVRStudio\Blink1\Blink1\Debug\Blink1.hex. Dann ist der neue Ausdruck, der im DOS-Fenster einzugeben oder in eine Batch-Datei zu schreiben ist »avrdude –F –v –pm328p –cstk500v1 –P\\.\COM5 –b115200 –D –Uflash:w:C:\Dokumente und Einstellungen\fp\Eigene Dateien\AVRStudio\Blink1\Blink1\Debug\Blink1.hex:i«.

Mit Avrdude kann ein Programm also ohne Programmiergerät, falls im Prozessor ein Bootloader ist, in die Hardware geladen werden. Avrdude kann aber auch alle anderen Bits (Fuses) des Prozessors verändern. Das geht sogar so weit, dass man durch ungeschickte Programmierung den Prozessor nicht weiter mit Avrdude bearbeiten kann und man sich selbst »aussperrt«. Daher sind beim Setzen der Bits große Sorgfalt und ein sicheres Wissen nötig. Keinesfalls sollte man ohne ausreichendes Wissen experimentell verschiedene Bits setzen oder löschen. Sie können mit avrdude sowohl den Prozessor ATmega328P von Arduino programmieren, der den Bootloader enthält, als auch STK500- und STK500-kompatible Programmiergeräte (Olimex) ansprechen.

Sollten Sie das Arbeiten mit DOS-Befehlen nicht schätzen, kann das Beschreiben oder Lesen des Flash-Speichers auch mit einem Windows Programm durchgeführt werden.

Anleitung zum Auslesen oder Beschreiben des Flash-Speichers vom Arduino unter Windows

Das erforderliche Programm ist leicht anzuwenden und steht unter http://www.ngcoders.com/downloads/arduino-hex-uploader-and-programmer/ zum Download bereit.

Die Dateien avrdude.exe, avrdude.conf und libusb0.dll sind in der heruntergeladenen Zipdatei enthalten. Für die meisten Anwender ist dieses Programm die richtige Wahl. Sollten Sie das Arduino-System aus dem Franzis Verlag (Lernpaket) verwenden, sind im ArduinoUploader für Mikrocontroller »m168« und für die Baudrate »19200« einzugeben.

2.5Alternative Entwicklungs-Boards

Infrage kommt das ATMEL-Evaluations-Board von Polin (www.polin.de, Version 2.0.1, Bausatz 810 038), das für ca. 15 Euro erhältlich ist. Zur Programmierung verwendet man das frei erhältliche Programm Ponyprog (http://www.lancos.com/prog.html). Der Bausatz von Polin ist gut beschrieben und kann leicht aufgebaut werden. Für Einsteiger, die noch nie einen Lötkolben in der Hand gehabt haben, ist auf jeden Fall ein fertig aufgebautes Board vorzuziehen. Für das Polin-Board spricht, dass im Internet dazu Informationen vorhanden sind und es auch Zusatzplatinen gibt.

2.6Alternative Programmiergeräte

Ein Nachfolger des STK500 ist das von ATMEL favorisierte STK600. Das Board ist auch für AVR32-Prozessoren geeignet und kostet ca. 200 Euro. Es erfordert noch Zusatzplatinen für unterschiedliche Prozessoren. Einsteiger, die mit den kleinen AVRs arbeiten wollten, haben von der Universalität des STK600 keinen Nutzen.

2.7Empfehlung

Für den Einstieg in die Mikrocontrollertechnik mit Programmierung in C ist ein Arduino völlig ausreichend. Diese Hardware wird deshalb empfohlen. Die Programmierung des Chips (Download) erfolgt am einfachsten mit http://www.ngcoders.com/downloads/arduino-hex-uploader-and-programmer/.