Programmieren der AVR RISC Microcontroller mit BASCOM-AVR: 3. bearbeitete und erweiterte Auflage

444 Pages·2010·44.14 MB·German

by  Claus Kühnel

Claus Kühnel
Programmieren
der AVR RISC Mikrocontroller
mit BASCOM-AVR

Claus Kühnel
Programmieren
der AVR RISC Mikrocontroller
mit BASCOM-AVR
3. bearbeitete und erweiterte Auflage
Eine Einführung
anhand von Programmbeispielen
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhältlich
3. Auflage 2010
© 2010 Skript Verlag Kühnel, CH-8852 Altendorf
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Alle Rechte vorbehalten. All rights reserved.
ISBN 978-3-907857-14-4
5
Inhalt
1 Vorwort..............................................................................................................................9
2 Die AVR-Mikrocontroller von Atmel................................................................................11
3 BASCOM-AVR................................................................................................................16
3.1 BASCOM-AVR Demo...................................................................................................16
3.2 Installation der BASCOM-AVR Vollversion...................................................................17
3.3 Projekte mit BASCOM-AVR..........................................................................................17
3.3.1 Bearbeitung eines Projekts.........................................................................................17
3.3.2 BASCOM-AVR Options..............................................................................................18
3.4 BASCOM-AVR Tools....................................................................................................24
3.4.1 Simulation...................................................................................................................25
3.4.2 Terminal Emulator......................................................................................................26
3.4.3 LCD Designer.............................................................................................................27
3.4.4 Library Manager.........................................................................................................30
3.4.5 Programmierung von Bausteinen...............................................................................34
3.4.6 Stackanalyzer.............................................................................................................36
3.4.7 PDF Updater...............................................................................................................39
3.5 AVR Studio von Atmel..................................................................................................40
3.6 Starterkits für AVR-Mikrocontroller...............................................................................48
3.6.1 STK500.......................................................................................................................49
3.6.2 AVR Butterfly..............................................................................................................51
3.6.3 stAVeR.......................................................................................................................52
3.6.4 Olimex Entwicklungsboards.......................................................................................53
3.6.5 mySmartControl & myAVR.........................................................................................53
3.6.6 Arduino.......................................................................................................................56
3.6.7 Orangutan SV-168......................................................................................................57
4 BASCOM-AVR Intern......................................................................................................59
4.1 BASCOM-AVR Befehlsübersicht .................................................................................59
4.2 Konstante......................................................................................................................72
4.3 Variable.........................................................................................................................73
4.4 Arrays...........................................................................................................................76
4.5 Gleitkommaarithmetik...................................................................................................77
4.6 BASCOM-AVR Hilfesystem..........................................................................................81
4.7 Initialisierung.................................................................................................................83
4.8 Interrupts.......................................................................................................................85
4.9 Takterzeugung..............................................................................................................90
6
4.9.1 Externer Quarz...........................................................................................................90
4.9.2 Interner RC-Oszillator.................................................................................................91
4.9.3 Externer Takt..............................................................................................................92
4.10 Sleep Modes.................................................................................................................92
4.11 Parameterübergabe an Subroutines.............................................................................94
4.12 BASIC & Assembler......................................................................................................95
4.13 Fuse und Lock Bits.......................................................................................................99
4.14 Selbstprogrammierung...............................................................................................102
5 On-Chip Peripherie.......................................................................................................106
5.1 I/O-Ports.....................................................................................................................107
5.1.1 Steuerung von I/O-Ports...........................................................................................107
5.1.2 Beschaltung von I/O-Ports........................................................................................108
5.2 Timer/Counter.............................................................................................................111
5.3 Watchdog....................................................................................................................115
5.4 SPI..............................................................................................................................116
5.4.1 Hardware-SPI...........................................................................................................116
5.4.2 Software-SPI............................................................................................................117
5.5 U(S)ART.....................................................................................................................118
5.5.1 Hardware-U(S)ART..................................................................................................118
5.5.2 Software-UART........................................................................................................122
5.6 I2C-Bus (TWI).............................................................................................................124
5.6.1 Hardware-TWI..........................................................................................................125
5.6.2 I2C in Software.........................................................................................................126
5.7 Analogkomparator......................................................................................................127
5.8 Analog-/Digital-Umsetzer............................................................................................128
5.8.1 Funktionsbeschreibung............................................................................................128
5.8.2 Kennwerte des AD-Umsetzers.................................................................................132
6 Statt "Hello World".........................................................................................................136
7 Applikationen................................................................................................................145
7.1 Basisbeschaltung eines AVR-Mikrocontrollers...........................................................145
7.2 Programmierbare Logik..............................................................................................145
7.3 Splitting von Ports.......................................................................................................149
7.4 Timer und Counter......................................................................................................152
7.4.1 Timer........................................................................................................................152
7.4.2 Counter.....................................................................................................................159
7.4.3 Puls-Weiten-Modulation...........................................................................................162
7.4.4 Erfassen einer Pulslänge..........................................................................................167
7.5 Ansteuerung von LEDs...............................................................................................171
7.5.1 Einzelne LED............................................................................................................171
7.5.2 Sieben-Segment-Anzeigen.......................................................................................172
7
7.5.3 Dot-Matrix-Anzeigen.................................................................................................174
7.6 Ansteuerung von Text-LCDs......................................................................................177
7.6.1 Direkte Ansteuerung HD44780-kompatibler Text-LCD............................................178
7.6.2 Text-LCD mit seriellem Interface..............................................................................183
7.7 Ansteuerung grafischer LCDs (TFT)...........................................................................189
7.7.1 2.1” Farbdisplay-Modul mit Eingabeeinheit..............................................................190
7.7.2 Initialisierung und Ausgabe......................................................................................191
7.7.3 Aufbereitung von Bitmap-Grafiken...........................................................................193
7.7.4 D072 Programmbeispiele.........................................................................................194
7.7.5 GoldenGate..............................................................................................................197
7.7.6 Anzeige von Werten in einem Liniendiagramm........................................................200
7.8 Anschluss von Tasten und Tastaturen.......................................................................203
7.8.1 Einzelne Tasten........................................................................................................204
7.8.2 Matrix-Tastatur.........................................................................................................205
7.8.3 PC-AT-Tastatur........................................................................................................208
7.9 Dateneingabe mit IR-Fernbedienung..........................................................................212
7.9.1 Abfrage der IR-Fernbedienung.................................................................................213
7.9.2 Gerätesteuerung mit IR-Fernbedienung...................................................................216
7.10 Asynchrone serielle Kommunikation...........................................................................220
7.11 1-WIRE Interface........................................................................................................226
7.11.1 Einige Grundlagen....................................................................................................226
7.11.2 1-Wire Devices.........................................................................................................228
7.11.3 Zugriff auf iButtons...................................................................................................233
7.11.4 Identifikation von iButtons.........................................................................................234
7.11.5 Zutrittskontrolle mit iButtons.....................................................................................236
7.11.6 Temperaturmessung mit DS1920.............................................................................240
7.11.7 Externer Speicher mit DS1994.................................................................................244
7.11.8 Timer mit DS1994.....................................................................................................248
7.11.9 Messung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit........................................................253
7.12 Synchrone serielle Kommunikation............................................................................268
7.12.1 SPI-Interface.............................................................................................................268
7.12.2 Schieberegister.........................................................................................................273
7.13 I2C-Bus.......................................................................................................................276
7.13.1 I2C-Bus Datenaustausch über Software..................................................................278
7.13.2 Hardwareunterstützter I2C-Bus Datenaustausch.....................................................280
7.14 Analoge Ein-/Ausgabe................................................................................................284
7.14.1 Analogkomparator....................................................................................................284
7.14.2 Analog-Digitalumsetzer............................................................................................287
7.14.3 Initialisierung für stAVeR-24M32 Entwicklungsboard...............................................288
7.14.4 Programmbeispiele zu AD-Umsetzung....................................................................289
7.14.5 Digital-Analogumsetzer............................................................................................299
7.15 AVR Butterfly..............................................................................................................305
7.15.1 „Hello Butterfly“.........................................................................................................305
7.15.2 Kalibrierung des internen RC-Oszillators.................................................................308
8
7.15.3 Temperaturmessung................................................................................................311
7.16 LilyPad Arduino...........................................................................................................315
7.16.1 Umgebungslichtgesteuerte Blinkschaltung..............................................................315
7.16.2 Ansteuerung RGB-LED............................................................................................319
7.17 Temperaturmessung mit LM75 und myAVR...............................................................322
7.17.1 Temperatursensor LM75..........................................................................................322
7.17.2 Temperaturanzeige..................................................................................................324
7.18 AVR-Mikrocontroller im Netz......................................................................................327
7.18.1 MicroWebServ(er) ...................................................................................................327
7.18.2 Gobetwino................................................................................................................338
7.18.3 WebCat & WebTiger.................................................................................................344
7.18.4 Ethernet-Modul WIZ810MJ.......................................................................................345
7.19 Kommunikation über Modems....................................................................................345
7.19.1 Grundlagen zu Modems...........................................................................................345
7.19.2 Festnetz-Modem.......................................................................................................347
7.19.3 GSM-Modem............................................................................................................355
7.20 Auswertung von GPS-Informationen..........................................................................364
7.21 CANDIP - Interface zum CAN-Bus.............................................................................370
7.22 Berechnung von Checksummen.................................................................................380
7.23 Zufallszahlen...............................................................................................................382
7.24 Gleitender Mittelwert...................................................................................................387
7.25 Motorsteuerung...........................................................................................................390
7.25.1 Ansteuerung von Servos..........................................................................................390
7.25.2 Ansteuerung von DC-Motoren..................................................................................396
7.25.3 Ansteuerung von Schrittmotoren..............................................................................401
8 Anhang..........................................................................................................................406
8.1 AVR-Mikrocontroller für den Einsatz mit BASCOM-AVR............................................406
8.2 MCS Electronics Application Notes............................................................................408
8.3 Decimal-Hex-ASCII Converter....................................................................................410
8.4 Zeichenvorrat Sieben-Segment-Anzeige....................................................................413
8.5 Übersicht AT-Befehle..................................................................................................414
8.6 GSM-Erweiterungen...................................................................................................416
8.7 Literatur.......................................................................................................................417
8.8 Links...........................................................................................................................418
8.8.1 Informationen zu Atmel’s AVR Mikrocontrollern.......................................................418
8.8.2 Informationen zu BASCOM-AVR..............................................................................418
8.8.3 Informationen zu eingesetzten Bausteinen..............................................................418
8.8.4 AVR Evaluationboards.............................................................................................420
8.8.5 Roboterbausätze......................................................................................................420
8.9 Infomationen über Suchmaschinen............................................................................420
9 Index.............................................................................................................................421
9
1 Vorwort
Atmel, ursprünglich bekannt als Hersteller nichtflüchtiger Speicher, wie EPROMs, EEPROMs
und Flash-Speicher, ergänzte schon vor vielen Jahren seine Flash-Mikrocontroller auf der Ba­
sis von Intels 8051-Familie durch die Familie der AVR-Mikrocontroller, die äußerst populär ge­
worden sind.
Die 8-Bit-RISC-Architektur wurde vom norwegischen Designhaus Nordic VLSI in Trondheim in
enger Zusammenarbeit mit dem schwedischen Compilerhersteller IAR entwickelt.
Später kaufte Atmel dieses europäische Design, um ergänzt durch selbst entwickelte On-Chip
Peripherie eine eigene Mikrocontroller-Familie auf den Markt zu bringen. Die Familie der AVR-
Mikrocontroller konkurriert mit einigen gut eingeführten Familien auf dem Markt, wie Intels 8051
mit seinen vielen Derivaten unterschiedlicher Hersteller, Motorolas 6805 und 68HC11 und Mi­
crochips PICmicros.
Die Familie der AVR-Mikrocontroller besteht heute aus einer Vielzahl unterschiedlich ausge­
statteter Bausteine. Mittlerweile gibt es zehn Produktgruppen – Automotive AVR, AVR Z-Link,
CAN AVR, LCD AVR, Lighting AVR megaAVR, Smart Battery AVR, tinyAVR, USB AVR und
XMEGA. Nicht alle können hier in die Betrachtungen einbezogen werden.
Die Webseite www.atmel.com/dyn/products/devices.asp?family_id=607 liefert eine Übersicht,
über die aktuell von Atmel angebotenen AVR-Mikrocontroller.
Atmel stellt eine Reihe der zur Programmentwicklung für diese Mikrocontroller erforderlichen
Tools gratis zur Verfügung. Programmieren in Assembler und Simulieren der Programme sind
nach einem Gratis-Download von der Atmel Website sofort möglich. Verschiedene Starterkits
werden zu sehr günstigen Preisen angeboten und durch die Möglichkeit der In-System Pro­
grammierung kann ein solches Kit auch schon mal als Programmer verwendet werden.
Will man nicht den mitunter steinigen Weg der Programmierung in Assembler gehen, dann
sucht man nach einer Möglichkeit, die AVR-Mikrocontroller in einer komfortableren Hochspra­
che programmieren zu können.
Neben Programmierumgebungen, wie sie beispielsweise durch IAR, oder E-LAB Computers
für den eher professionellen Einsatz angeboten werden, können sich auch kostengünstigere
und in vielen Belangen völlig ausreichend ausgestattete Entwicklungsumgebungen behaupten.
BASCOM-AVR - eine BASIC Entwicklungsumgebung für die AVR-Mikrocontroller - ist ein sol­
ches Beispiel. BASCOM-AVR ist mittlerweile breit eingeführt, vom Hersteller bestens unter­
stützt und soll in diesem Buch anhand von Anwendungen vorgestellt werden.
Mit BASCOM-AVR ist die Programmierung der AVR-Mikrocontroller nicht mehr den Software­
spezialisten überlassen. Nach kurzer Einarbeitungszeit kann auch der Hardwarespezialist,
Messtechniker oder Roboterfreak eigene Programme erstellen.
BASCOM-AVR erzeugt compilierten Code. Der bei Interpretern übliche Overhead fällt weg. Die
erzeugten Programme erfüllen damit die meisten Echtzeitanforderungen, ohne Assembler ein­
setzen zu müssen.
In dieser dritten, im Herbst 2010 fertiggestellten Auflage kommt BASCOM-AVR in der Version
1.12.0.0 zum Einsatz. Das Evaluationsboard STK500 von Atmel bildet zusammen mit dem
10
AVR Studio Atmels Integrierte Entwicklungsumgebung (Integrated Development Environment -
IDE) für die Codeentwicklung und das Debugging. Auch der mit BASOM-AVR erzeugte Code
kann auf dem STK500 getestet werden. Erweiterungskarten zum STK500 dienen als Interface
zu verschiedenen AVR Sub-Familien oder größeren Bausteinen. Es gibt aber zahlreiche einfa­
che und preiswerte Boards, die nach der Entscheidung für einen bestimmten AVR Mikrocon­
troller ebenso eingesetzt werden können.
Es ist mir wichtig, einigen Personen an dieser Stelle Dank zu sagen:
 An erster Stelle Mark Alberts von MCS Electronics, der die BASCOM Programmierumge­
bung mit einem herausragenden Preis-Leistungs-Verhältnis entwickelt hat und ständig wei­
terentwickelt,
 Atmel für die Entwicklung und ständige Weiterentwicklung der AVR-Mikrocontroller, die
neue Leistungsmerkmale in die Familie der Mikrocontroller eingebracht haben und
 Lars Wictorsson von LAWICEL für die Entwicklung der CANDIP Mikrocontrollermodule mit
CAN Interface auf der Basis des AT90S8515 bzw. ATmega162 und der Mikrocontrollermo­
dule stAVeR-24 bzw. stAVeR-40.