AVR-Tutorial: Equipment: Unterschied zwischen den Versionen
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Version vom 9. Dezember 2010, 17:17 Uhr
AVR-Tutorial - Benötigte Ausrüstung
Hardware
Ein Mikrocontroller alleine ist noch zu nichts nützlich. Damit man etwas damit anfangen kann, braucht man eine Schaltung, in die der Controller eingesetzt wird. Dazu werden bei Elektronikhändlern Platinen angeboten, die alles nötige (Taster, LEDs, Steckverbinder...) enthalten. Häufig enthalten diese Platinen nicht nur Platz für den Mikroprozessor, sondern auch einen ISP-Programmierer (Näheres dazu später).
Fertige Evaluations-Boards und Starterkits
AVR Starterkit aus dem Mikrocontroller.net-Shop
Sehr gut für dieses Tutorial geeignet ist das AVR-Starterkit aus dem Mikrocontroller.net-Shop. Das Kit enthält eine Platine mit dem Controller ATmega8, einen USB-ISP-Programmieradapter und ein Steckernetzteil.
STK500
Das STK500 ist das Standard-Board für AVR Entwicklung, direkt von Atmel. Es enthält auch einen ISP-Programmer und ist fertig aufgebaut. Es ist unter Entwicklern sehr beliebt und wird natürlich von Atmel unterstützt. Es gilt allgemein als gute Investition, wenn man ernsthaft in das Thema einsteigen möchte.
Das STK500 kostet bei Reichelt ca. 80 Euro (ein geeignetes Netzteil muss zusätzlich erworben werden).
Pollin ATMEL Evaluations-Board Version 2.x
Bei Pollin Elektronik gibt es für ca. 15 Euro ein Evaluations-Board als Bausatz zum Selbstlöten. Im Bausatz sind die Aufbauanleitung, die Platine und Bauteile enthalten. Der/die Mikrocontroller und eine Stromversorgung müssen seperat beschafft werden. Auf dem Board ist ein einfacher ISP-Programmer (serielles bit-banging) integriert.
Siehe:
Pollin Funk-AVR-Evaluationsboard v1.x
Bei diesem Board besteht die Möglichkeit, Funkmodule wie das RFM12, RFM01 oder RFM02 auf dem Board aufzulöten.
Siehe:
ATmega8-Entwicklungsplatine
Eine weitere Möglichkeit ist die ATmega8-Entwicklungsplatine von shop.mikrocontroller.net. Diese enthält eine Fassung für den Controller, einen Spannungswandler, die Beschaltung für die serielle Schnittstelle und einen Anschluss für den Programmieradapter. Die restliche Hardware wie LEDs und Taster kann man sich selber nach Belieben auf das Lochrasterfeld löten.
Rumpus Board von lochraster.org
Lochraster.org bietet ein Entwicklungsboard namens Rumpus an. Es kommt als Bausatz mit allen Teilen und Microcontroller (Atmega 168), auf dem Microcontroller ist bereits ein USB Bootloader installiert so dass man nach dem Zusammenbau sofort starten kann. Das Board wird direkt über USB mit Strom versorgt und auch über USB programmiert, es kann auch selbst als Programmer für AVR Microcontroller benutzt werden. Das Board ist mit recht umfangreicher Peripherie ausgestattet, so das sich von sehr einfachen Anwendungen wie dem Blinken einer LED bis hin zu komplexen Aufgaben wie senden und empfangen von Infrarot Signalen eine Vielzahl von Anwendungen realisieren lassen. Mit 45 Euro gehört es sicher nicht zu den ganz billigen Einsteigerboards, für den ambitionierten Amateur bietet die reichhaltige Peripherie den Vorteil, das Board während des gesamten Lernprozesses zu nutzen ohne für die Realisierung komplexerer Aufgaben neue Hardware auflöten zu müssen. Auch relativiert sich dieser Preis wieder dadurch, dass kein ISP Programmer benötigt wird. Beim Umstieg auf ein anderes Board, für welches man dann einen ISP Programmer benötigt, kann der Rumpus diese Aufgabe übernehmen anstatt zum alten Eisen geworfen zu werden.
Weitere Infos unter http://www.lochraster.org/ und http://wiki.lochraster.org/
RN-Control =
Die Forengemeinde von Roboternetz hat ebenfalls ein Evaluierungsboard entwickelt, das mittlerweile sehr ausgereift ist und viele Erweiterungsmöglichkeiten bietet.
Siehe:
Arduino
Die Boards der Arduino-Familie bieten einen ATmega328p mit 16MHz und lassen sich über einen integrierten USB-seriell-Wandler und Bootloader programmieren. Die Ports sind auf Buchsenleisten herausgeführt. Sie können auch unabhängig von der Arduino-Entwicklungsumgebung als AVR-Entwicklungsboard genutzt werden.
Andere
Das Angebot an AVR-Evaluationboards, -Experimentierplatinen, -Entwicklerplatinen oder wie die jeweiligen Hersteller ihre Produkte auch immer bezeichnen, ist mittlerweile recht groß geworden. Sie alle zu bewerten ist unmöglich geworden.
Selbstbau
Ein fertiges Board ist gar nicht nötig, man kann die benötigte Schaltung auch selbst auf einem kleinen Steckbrett oder einer Lochrasterplatine aufbauen. So kompliziert wie das STK500 wird es nicht, es reichen eine Handvoll Bauteile. Wie man das macht, wird im Folgenden beschrieben. Steckbretter (Breadboards) gibt's z. B. bei Reichelt, ConeleK, ELV oder Conrad.
Auf einem Steckbrett könnte eine Schaltung etwa so aussehen:
Hier ist die im Folgenden beschriebene Grundschaltung zu sehen (Spannungsversorgung links, 6-poliger ISP-Anschluß rechts hinter dem Prozessor, Quarz mit 2 Kondensatoren statt Oszillator), erweitert um eine LED mit Vorwiderstand an PB0 (rechts vor dem Prozessor), einem Resettaster (links vor Prozessor) und einem Stützkondensator zwischen +5V und GND (rechts unten).
ACHTUNG: Die Pinbelegung der 6-poligen ISP-Verbindung weicht von den ATMEL Angaben ab! Wenn ATMEL oder ATMEL-kompatible ISP-Adapter benutzt werden, diese Pinbelegung gemäß AVR042 (PDF) benutzen: http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR_In_System_Programmer#Pinbelegung
Über den Takteingang XTAL1 ist der Mikrocontroller mit dem Quarzoszillator verbunden, der den benötigten Takt von 4 MHz liefert (siehe unten). Achtung: die Pins werden, wenn man den Oszillator mit der Schrift nach oben vor sich liegen hat, von unten links aus abgezählt. Unten links ist Pin 1, unten rechts Pin 7, oben rechts Pin 8 und oben links Pin 14 (natürlich hat der Oszillator nur 4 Pins. Die Nummerierung kommt daher, dass bei einem normalen IC dieser Größe an den gleichen Positionen die Pins Nr. 1, 7, 8 und 14 wären).
PD0-PD7 und PB0-PB5 sind die IO-Ports des Mikrocontrollers. Hier können Bauteile wie LEDs, Taster oder LCDs angeschlossen werden. Der Port C (PC0-PC5) spielt beim Atmega8/AT90S4433 eine Sonderrolle: mit diesem Port können Analog-Spannungen gemessen werden. Aber dazu später mehr! An Pin 17-19 ist die Stiftleiste zur Verbindung mit dem ISP-Programmer angeschlossen, über den der AVR vom PC programmiert wird (Achtung: Pins in Abbildung entsprechen nicht der Belegung des AVRISP mkII. Die korrekte Pin-Belegung kann im Handbuch des AVRISP mkII eingesehen werden). Die Resetschaltung, bestehend aus R1 und C1, sorgt dafür, dass der Reseteingang des Controllers standardmäßig auf Vcc=5V liegt. Zum Programmieren zieht der ISP-Adapter die Resetleitung auf Masse (GND), die Programmausführung wird dadurch unterbrochen und der interne Speicher des Controllers kann neu programmiert werden. Zwischen Vcc und GND kommen noch jeweils ein 100nF Keramik- oder Folienkondensator C3 und C4, um Störungen in der Versorgungsspannung zu unterdrücken. Diese Abblockkondensatoren sollten so nah wie möglich am Controller plaziert werden. An den Ausgang ARef wird ebenfalls ein 100nF Kondensator angeschlossen. Dieser wird allerdings erst benötigt, wenn der Analog/Digital Konverter des µC in Betrieb genommen wird.
Für den Anschluss des ISP-Programmiergerätes kann man im Grunde jede beliebige Pin-Belegung des ISP Steckers benutzen, solange nur alle benötigten Leitungen mit dem Programmiergerät verbunden sind. In der Praxis haben sich allerdings bestimmte Belegungen durchgesetzt. Im Schaltbild ist eine eigene Belegung des 6-poligen Steckers gezeigt. Die alternative Pinbelegung eines 2-reihigen/10-poligen Steckers ist eine übliche Belegung. Benutzt man so eine übliche Belegung, so reicht normalerweise ein 10-poliges Flachbandkabel, um den vorhandenen ISP-Programmer so mit der Schaltung zu verbinden, dass alle Signale am richtigen Prozessorpin ankommen. Siehe auch AVR_In_System_Programmer.
Hier die Liste der benötigten Bauteile:
- R1 Widerstand 10 kOhm
- C1 Keramikkondensator 47 nF
- C2, C3, C4 Keramik- oder Folienkondensator 100 nF
- Stiftleiste 6-polig
- Mikrocontroller ATmega8 (kann auf http://shop.mikrocontroller.net/ bestellt werden)
- Quarzoszillator 4 MHz
Beim Steckbrett ist darauf zu achten, dass man die parallellaufenden Schienen für GND (blau) und Vcc (rot) jeweils mit Drähten verbindet (nicht Vcc und GND miteinander!).
Eine Zusammenstellung der benötigten Bauteile befindet sich in der Bestellliste.
Ergänzende Hinweise zur Taktversorgung (kann übersprungen werden)
Ein Mikrocontroller benötigt, wie jeder Computer, eine Taktversorgung. Der Takt ist notwendig, um die internen Abläufe im Prozessor in einer geordneten Reihenfolge ausführen zu können. Die Frequenz des Taktes bestimmt im Wesentlichen, wie schnell ein Computer arbeitet.
Bei einem ATMega8 gibt es 2 Möglichkeiten zur Taktversorgung
- interner Takt
- externer Takt
interner Takt
Dies ist der Auslieferungszustand bei einem Mega8. Dabei wird der Takt von einem internen RC-Glied geliefert.
Vorteil: Keine externe Beschaltung notwendig. Die Pins, an denen ansonsten ein Quarz oder ein Quarzoszillator angeschlossen wird, sind daher als normale Portpins für Ein/Ausgaben verwendbar.
Nachteil: Das RC-Glied ist nicht sehr genau. Bei Temperaturänderungen verändert es seine Frequenz. Nur 4 Frequenzen (1MHz, 2MHz, 4MHz und 8MHz) sind bei einem Mega8 realisierbar. Es gibt zwar die Möglichkeit, die interne Frequenz in Grenzen noch zu verändern, dies ist aber aufwändig und erfordert mindestens einen Frequenzzähler, wenn man eine bestimmte Frequenz erreichen will.
externer Takt
Hier gibt es diesmal drei Möglichkeiten:
- Quarz
- Quarzoszillator
- Keramikschwinger/Resonator
Vorteil: Die Taktfrequenz ist so stabil, wie es der Quarz, Oszillator oder Keramikschwinger vorgibt. Und das ist wesentlich genauer als der interne Oszillator. Kein Abgleich notwendig, wenn eine bestimmte Frequenz erreicht werden soll, solange es einen Quarz bzw. Oszillator oder Keramikschwinger in dieser Frequenz gibt. Ein spezieller Vorteil des Keramikschwingers ist, dass dieser keine Kondensatoren nach Masse braucht, weil er die schon eingebaut hat. Es muss lediglich ein dritter Pin mit Masse verbunden werden.
Nachteil: Die Pins an denen der Quarz bzw. Oszillator oder Keramikschwinger angeschlossen wird, sind nicht mehr als I/O Pins nutzbar.
Spätestens dann, wenn eine RS232-Verbindung zu einem anderen Computer aufgebaut werden soll, ist eine exakte Taktversorgung einer der Schlüssel, um diese Verbindung auch stabil halten zu können. Aus diesem Grund wird in diesem Tutorial von vornherein mit einem externen Takt gearbeitet. Es spielt dabei keine Rolle, ob dafür ein Quarzoszillator, ein Quarz oder ein Keramikschwinger benutzt wird.
Achtung: Ein ATMega8 wird mit aktiviertem internen Takt ausgeliefert. Um einen Quarzoszillator oder einen Quarz zu aktivieren, müssen die Fuse-Bits des Prozessors verändert werden. Details dazu finden sich im Artikel AVR Fuses.
Quarz statt Quarzoszillator
Wird anstelle eines Quarzoszillators ein Quarz eingesetzt, sieht die Anbindung des Quarzes so aus:
Die beiden Kondensatoren C3 und C4 sind zum Betrieb des Quarzes notwendig. Ihre Größe ist abhängig von den Daten des Quarzes. 22pF sind ein Wert, der bei den meisten Quarzen funktionieren sollte.
Keramikschwinger/Resonator- statt Quarz/Oszillator
Wird anstelle eines Quarz/Oszillators ein Keramikschwinger eingesetzt, so sieht die Anbindung des Keramikschwingers so aus:
Es werden keine Kondensatoren benötigt, daher ist der Anschluss eines Keramikschwingers kinderleicht. Zu beachten ist, dass ein Keramikschwinger eine höhere Toleranz als ein Quarz aufweist, die aufgedruckte Frequenz also nicht so genau liefert wie ein Quarz.
Stromversorgung
Die Versorgungsspannung Vcc beträgt 5V und kann z. B. mit folgender Schaltung erzeugt werden:
Bauteile:
- IC1: 5V-Spannungsregler 7805
- C1: Elko 10µF (Polung beachten!)
- C2,C3: 2x Kondensator 100nF (kein Elektrolyt)
- D1: Diode 1N4001
Hauptelement der Schaltung ist das IC 7805. Seine Aufgabe ist es aus der Versorgungsspannung stabile 5V zu erzeugen. Dieses IC gibt es seit vielen Jahren und wird von vielen Chipherstellern produziert. Er stellt die einfachste und simpelste Möglichkeit dar, aus einer vorhandenen Gleichspannung definierte 5V zu erzeugen. Den 7805 gibt es in verschiedenen Ausführungen, was seine maximale Strombelastung angeht. Für die Zwecke dieses Tutorials ist die Standard-Variante, welche maximal 1A abgeben kann, völlig ausreichend. Der 7805 enthält eine Übertemperatursicherung, so dass er abschaltet, wenn es ihm zu heiß wird.
Die beiden 100nF Kondensatoren haben die Aufgabe, eine mögliche Schwingneigung des 7805 zu unterdrücken. Sie müssen so nahe wie möglich an den Anschlusspins des 7805 angeschlossen werden, um ihre Wirkung zu entfalten.
An den Eingang (+ und - im Schaltplan) wird ein Steckernetzteil mit einer Spannung von 9 - 12V angeschlossen. Der 7805 benötigt an seinem Eingang eine Gleichspannung, die mindestens 8V beträgt. Mit einem 6V oder 7V Netzteil wird der 7805 keine stabilen 5V erzeugen können. Auf der anderen Seite macht es auch keinen Sinn, wesentlich über 12V Eingangsspannung hinauszugehen. Der 7805 ist ein Linearregler. Salopp gesagt, wird die überschüssige Spannung in Form von Wärme vernichtet. Liegt die Eingangsspannung weit über 12V, so wird schon wesentlich mehr Energie in Form von Wärme umgesetzt, als am Ausgang entnommen werden kann. Mal ganz davon abgesehen, dass der 7805 davon brennheiß werden wird.
Eine Stromversorgung mit Batterien ist grundsätzlich auch möglich, wenn die elektrischen Grenzdaten des µC eingehalten werden (max. Spannung, min. Spannung). Bei der geregelten Stromversorgung oben sollte die Batteriespannung ca. 1.5 - 2.5V (Dropout-Spannung des Linearreglers) größer sein als die Versorgungsspannung des µC. Die Versorgung aus einer Zelle ist ein Thema für Fortgeschrittene.
Der ISP-Programmierer (In-System-Programmer)
Dann braucht man nur noch den ISP-Programmieradapter, über den man die Programme vom PC in den Controller übertragen kann. Eine Übersicht über mögliche ISP-Programmer Varianten findet sich im Artikel AVR_In_System_Programmer.
Fertige ISP-Programmer zum Anschluss an den Parallelport oder USB gibt es z. B. auf http://shop.mikrocontroller.net/.
Eine Bauanleitung gibt es u.a. auf http://www.rn-wissen.de/index.php/AVR-ISP_Programmierkabel oder http://rumil.de/hardware/avrisp.html.
Den ISP-Adapter schließt man an den Parallelport an und verbindet ihn mit der Stiftleiste SV1 über ein 6-adriges Kabel (siehe Schaltplan).
Sonstiges
Wer vorausschauend kauft, kauft mehr als einen Mikrocontroller. Bis der erste Controller defekt ist oder man durch Austauschen sicher gehen möchte, ob der Fehler im Programm oder im Controller ist, vergeht nur wenig Zeit.
Für die anderen Teile des Tutorials sollte man sich noch die folgenden Bauteile besorgen:
Teil 2 (I/O-Grundlagen)
- 5 LEDs 5mm
- 5 Taster
- 5 Widerstände 1k
- 5 Widerstände 10k
Teil 6 (LC-Display)
- 1 Potentiometer 10k
- 1 HD44780-kompatibles LCD, z. B. 4x20 oder 2x16 Zeichen
- besitzt das LCD eine Hintergrundbeleuchtung, dann noch einen Vorwiderstand dafür. Details dazu stehen im Datenblatt des LCD. Ein Wert von 50 Ohm sollte aber in jedem Fall passen. Schlimmstenfalls ist die Hintergrundbeleuchtung dann etwas zu dunkel.
Teil 10 (Der UART)
- 1 Pegelwandler MAX232, MAX232A oder MAX202
- 5 Kondensatoren
- Bei einem MAX232: je 1µF Elektrolytkondensator
- Bei einem MAX202 oder MAX232A: je 100nF Keramik- oder Elektrolytkondensator
- Die Kondensatoren dürfen auch größer sein. Ist man sich nicht sicher, welchen MAX232 man hat (A oder nicht A), dann die größeren Kondensatoren 1µF nehmen, die funktionieren auch beim MAX232A oder MAX202.
- 1 9-polige SUBD-Buchse (female)
- 1 dazu passendes Modem(nicht Nullmodem!)-Kabel
Teil 14 (ADC)
- 1 Kondensator 100n
- 1 Potentiometer 10k
- nach Lust und Laune temperatur- oder lichtabhängige Widerstände und jeweils einen Widerstand in der gleichen Größenordnung wie der Sensor
Teil 17 (Schieberegister)
- 2 Schieberegister 74HC595
- einige LED, damit man an die Schieberegister auch etwas anschliessen kann, samt passenden Vorwiderständen
Teil 19 (7-Segmentanzeige)
- 4 7-Segmentanzeigen mit gemeinsamer Anode
- 4 PNP Transistoren BC328
- 4 Widerstände 1k
- 7 Widerstände 100Ohm
Für weitere Bauteile, die man als angehender µC Bastler auch des Öfteren mal benötigt, empfiehlt sich ein Blick in die Liste der Standardbauelemente bzw. in die Grundausstattung. Wenn ihr Händler Großpackungen (zb. 100 Stück) von 100n Kondensatoren, 10k, 1k oder 100Ohm Widerständen anbietet, sollten sie deren Erwerb in Erwägung ziehen. Diese Bauteile benötigt man oft und derartige Großpackungen sind oft nicht teurer, als wennn man einige wenige Exemplare einzeln kauft. Dies hängt damit zusammen, daß das Herauszählen von 9 Bauteilen für den Verkäufer teurer kommt, als 100 Bauteile abgepackt aus dem Regal zu nehmen.
Software
In diesem Tutorial wird nur auf die Programmierung in Assembler eingegangen, da Assembler für das Verständnis der Hardware am besten geeignet ist.
Assembler
Zuerst braucht man einen Assembler, der in Assemblersprache geschriebene Programme in Maschinencode übersetzt. Windows-User können das AVR-Studio von Atmel verwenden, das neben dem Assembler auch einen Simulator enthält, mit dem sich die Programme vor der Übertragung in den Controller testen lassen; für Linux gibt es tavrasm, avra und gavrasm.
Um die vom Assembler erzeugte ".hex"-Datei über den ISP-Adapter in den Mikrocontroller zu programmieren, kann man unter Windows z. B. das Programm yaap verwenden, für Linux gibt es uisp, für beide avrdude.
C
Wer in C programmieren möchte, kann den kostenlosen GNU-C-Compiler AVR-GCC (unter Windows "WinAVR") ausprobieren. Dieser C-Compiler kann auch in das für Assembler-Programmierung notwendige AVR-Studio integriert werden. In der Artikelsammlung gibt es ein umfangreiches Tutorial zu diesem Compiler;
Wer unter Windows und Linux gleichermassen kostenlos entwickeln will, der sollte sich die IDE Eclipse for C/C++ Developers und das AVR-Eclipse Plugin ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier wird auch der AVR-GCC benutzt. In der Artikelsammlung gibt es ein umfangreiches AVR Eclipse Tutorial zu dieser IDE. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung Code::Blocks (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im Forum verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden.
Fragen dazu stellt man am besten hier im GCC-Forum.
Pascal
Wer in Pascal programmieren muss, kann AVRPascal ausprobieren.
Dieser Pascalcompiler ist kostenfrei bis 4kb Code und bietet viele ausgereifte Bibliotheken für Servoansteuerung, Serielle Schnittstellen (COM, TWI, SPI), PWM, Timernutzung, LC-Displays usw.
Außerdem gibt es eine kostenfreie Version für den Mega8 und den Mega88.
E-LAB.
Basic
Auch Basic-Fans kommen nicht zu kurz, für die gibt es z. B. Bascom AVR ($69, Demo verfügbar).
Forth
Wer einen direkten und interaktiven Zugang zum Controller haben will, sollte sich Forth anschauen. Voraussetzung ist ein serieller Anschluß (Max232), also etwas mehr als die Minimalbeschaltung.
Literatur
Bevor man anfängt, sollte man sich die folgenden PDF-Dateien runterladen und zumindest mal reinschauen:
- Datenblatt des ATmega8 (4,54 MB)
- Befehlssatz der AVRs (1,27 MB)
- oder Befehlssatz in deutscher Übersetzung online
- oder Datenblatt des ATmega8 in deutscher Übersetzung online
Das Datenblatt eines Controllers ist das wichtigste Dokument für einen Entwickler. Es enthält Informationen über die Pinbelegung, Versorgungsspannung, Beschaltung, Speicher, die Verwendung der IO-Komponenten und vieles mehr.
Im Befehlssatz sind alle Assemblerbefehle der AVR-Controllerfamilie aufgelistet und erklärt.