Digitaluhr mit Funkempfän ger

Fachhochschule Wiesbaden Anwendung der Prozessdatenverarbeitung WS07/08 vorgelegt von: Dominique Hassel Thorsten Lehnhoff Betreuer: Prof. Dr. K. O. Linn

Gliederung

       

Projektauswahl Grundlagen Software Architektur Probleme Ausblick Fazit Quellen

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Projektauswahl

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Projekt auswahl

 Schwerpunkte  Mikrocontroller  Auseinandersetzung mit der Architektur und deren Ressourcen    Echtzeitsystem  Entwicklung eines Systems, das ein Ergebnis innerhalb eines vorher fest definierten Zeitintervalls garantiert berechnet, also bevor eine bestimmte Zeitschranke erreicht ist Visuelle Ausgabe  Bestimmte Prozesse, wie Zustände und zur Laufzeit berechnete Werte, visuell darstellen Anwendung der PDV  Messen, Steuern und Regeln FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 4

Grundlagen

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Grundlagen

 Platine FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 6

Grundlagen

 Platinenaufbau ISP LDR Mikro taster Piezo Speaker LCD LED Statusanzeige ATmega 8 Spannungs versorgung FH Wiesbaden WS07/08 DCF77 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 7

Grundlagen

 Funktionalität    Anzeige  Zeitdaten (synchronisiert mit „DCF77“)    Interne Einstellungen (z. B.: Weckdaten) Interne Prozessdaten (z. B.: LDR, DCF77, PWM) DCF77 Statistik erstellen (Stabilität des Signals protokollieren) Einstellungen  Weckdaten Zeitmessungen  Stoppuhr (Tastendruck / Lichtschranke) FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 8

Grundlagen

 Mikrocontroller ATmega8  AVR Mikrocontroller von der Firma Atmel     8Bit-RISC-Prozessor Harvard-Architektur: getrennter Speicher für Programmcode (Flash ROM) und Daten (RAM) Programmierbar über eine ISP-Schnittstelle 8 kB großer Flash-ROM (Programmspeicher) 512 Byte EEPROM und 1 kByte RAM FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 9

Grundlagen

 Mikrocontroller ATmega8  Ext. Interrupts      Analog-Komparator Timer (Int. Interrupts) I2C-Schnittstelle (TWI) Analog-Digital-Wandler Serielle Schnittstelle (USART) FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 10

Grundlagen

 ISP (In-System-Programmer) FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 11

Grundlagen

 LCD Display  Shift Register   HD44780 Controller 36 Ohm Vorwiderstand (Beleuchtung) Schematische Darstellung R/W auf Masse 1 Enable-Pin Command-Pin 1 Datenleitung 1 Clock-Pin FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 12

Grundlagen

 DCF77 (Funkempfänger)    Das Zeitsignal wird auf der Normalfrequenz von 77,5 kHz in kodierter Form, als Bodenwelle und auch als Raumwelle, ausgestrahlt. Im DCF77 Signal ist die vollständige Zeitinformation (Minute, Stunde, Datum) der nächsten Minute kodiert.

Die Reichweite dieses Signals beträgt ca. 2000 Kilometer mit dem zentralen Sendepunkt Frankfurt/Main.

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Grundlagen



Reichweite des DCF77 Signals

FH Wiesbaden WS07/08 Quelle: www.dcf77.com

Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 14

Grundlagen

 Vom Rohsignal zum digitalen Signal FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 15

Grundlagen

 DCF77 – Signalflanken  Rohsignal 1000 ms 100 ms 200 ms  Absenkung der Trägeramplitude 0 1 100 200 1000 ms 100 200 1000 ms FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 16

Grundlagen

 Die Sekundenmarken  Neue Minute Bit 58 Neue Min.

1 s 1 s 1 s FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 17

Grundlagen

 LDR  Liefert Spannungswerte zwischen 0 - 5 Volt    Angeschlossen an den A/D-Wandler Digitaler Wertebereich von 0 - 255 Erzeugen eines PWM mit einem Timer Baustein Licht LDR 0 – 5V AD-Wandler 0 - 255 Timer PWM LCD Beleuchtung FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 18

Grundlagen

 Timerkonfiguration  Prescalar 64  Rechnung: 8.000.000Hz ≙ 0,125µs (Systemtakt) 0,125µs * 64 = 0,008ms (Timertakt) 0,008ms * 256 = ca. 2ms (Interrupt) FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 19

Grundlagen

 PWM Beispiele Timer PWM AD-Wandler 128 Timer PWM Timer PWM HI-Pege l LO-Pege l HI-Pege l LO-Pege l 2 ms 128 2 ms HI-Pege l LO-Pege l 2 ms FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 20

Grundlagen

 Piezo-Speaker  Generieren von Frequenzen mit dem Timer Baustein  Timerkonfiguration  Prescalar 8  Rechnung: 8.000.000Hz / 8 = 1.000.000Hz

Toggle Modus : 500.000Hz (1 Periode) FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 21

Grundlagen

 Kammerton A (440Hz)  500.000Hz / 440Hz = 1136  OCR1A = 1136  Ton gis / as (Up)  440Hz / 2 1/12 = ca. 415Hz  Ton ais / b (Down)  440Hz * 2 1/12 = ca. 466Hz FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 22

Software

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Software

 AVR Studio (Entwicklungsplattform)  Version: 4.13 Service Pack 1 FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 24

Software

  AVR GCC Compiler  Version: WinAVR-20070525 Schaltplaneditor sPlan  Version: 6.0

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Software

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Architektur

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Architektur

 Interruptsteuerung

Ereignis

Timer0

ISR TCNT0 = 177; dcfReceiver(); pwmSignal(); soundPlayer(); second(); ISR End

INT0

ISR taster() ISR End

INT1

ISR dcf77() ISR End FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung

main

Begin Init() mainloop loopend 28

Architektur

 Interruptsteuerung  Vorteil     Kein regelmäßiges Prüfen von Zuständen in kurzen Abständen µController kann Ressourcen für wichtige Prozesse frei einsetzen Führt Routinen erst dann aus, wenn Ereignis eintritt Verpasst keine Zustandsänderungen  Nachteil    Behandlung von Interrupts ist komplexer (da Kontrollstrukturen notwendig sind) Interrupts dürfen sich nicht gegenseitig stören Zügige Abarbeitung der ISR ist erforderlich FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 29

Architektur

 Document-View-Architektur  Klare saubere Trennung   Vereinfacht das Implementieren Spart Programmspeicher Controller View Document Ausgabe LCD FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung Eingabe Taster DCF77 LDR 30

Architektur

 Code-Wiederverwendbarkeit FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 31

Probleme

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Probleme

 Unsaubere Signalquellen  ATmega8 Eingänge  Problematik: Bei den Eingängen des AVR-Mikrocontrollers handelt es sich um CMOS Schaltungen. Diese sind hochohmig und arbeiten mit geringen Strömen. Jeder elektrische Leiter ist auch immer eine Antenne. Magnetische Wechselfelder erzeugen in jedem elektrischen Leiter eine Spannung (Induktion).

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Probleme

 Unsaubere Signalquellen  ATmega8 Eingänge  Lösungsmöglichkeit: Pull-Up Widerstand anbringen Um diese Störungen auszuschließen, muss verhindert werden, dass ein benutzter Eingang als Antenne sozusagen frei in der Luft hängt. Der Eingang darf nie offen sein, sondern muss immer definiert auf logisch 0 (Masse) oder logisch 1 (Betriebspannung) gebracht werden. Dies nennt man pull-up (logisch 1) und pull-down (logisch 0).

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Probleme

 Unsaubere Signalquellen  Mikrotaster  Problematik: Prellen Idealer Signalverlauf Signalverlauf mit Prellen FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 35

Probleme

 Unsaubere Signalquellen  Mikrotaster  Lösungsmöglichkeiten: 1. Sleep() von ca. 50 – 100ns 2. Interrupt kurzfristig deaktivieren FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 36

Probleme

 DCF77 Störanfällig  Sensible Elektronik in der Nähe von starken Feldstärken werden in ihrer Funktionsweise beeinträchtigt.

    LCD-Ansteuerung alle 10ms LCD-Beleuchtung (PWM) Piezo-Speaker Stromleitung 37 FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung

Kostenaufwand

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Kostenaufwand

      ATmega8 Netzteil DCF77 LCD Kosten: ISP Der Rest  Ges. Summe ca. 2 € ca. 5 € ca. 10 € ca. 15 € ca. 25 € ca. 15 € ca. 70 € FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 39

Ausblick

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Ausblick

 Statistikauswertung DCF77 Empfang  Ausgewertete Informationen in EEPROM speichern  Achtung!!! (max ca. 100.000 Schreibzyklen)   Fehler:    Kein Signal Empfangene Signallänge nicht eindeutig (Soll: 100ms, 200ms) Von Beginn einer neuen Minute bis zur nächsten Minute werden mehr oder weniger als 59 Bit zur Verarbeitung empfangen.

Fehlerhäufigkeit:  Welcher Fehlertyp am häufigsten auftrat 41 FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung

Ausblick

 Starten und Stoppen der Stoppuhr mit einer Lichtschranke Lichtschranke FH Wiesbaden WS07/08 Rechner

00:01:24:13

Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 42

Ausblick

 Bau eines Universellen Test- und Entwicklungsboards mit Steckmodulen für AVR-Mikrocontroller von Atmel FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 43

Fazit

 Pro  Eine gute Einführung und eine interessante Erfahrung in die Welt der Mikrocontroller.

 Gesetzte Ziele konnten umgesetzt werden.

 Contra  Schlechte Debug Möglichkeit  Keine Ausgangshardware 44 FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung

Quellen

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Quellen

    www.atmel.com

www.dcf77.com

www.wikipedia.org

www.lcd-module.de

- AVR 8-Bit RISC - Datasheets Funkempfänger Töne und Frequenzen - LCD FH Wiesbaden WS07/08 Anwendung der Prozessdatenverarbeitung 46

ENDE

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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