Projekt 43: LED-Würfel 2.0

Autoren: Valentina Merkel, Julia Müller
Betreuer: Prof. Göbel

Aufgabe

Erstellen Sie eine Steuerungssoftware für den bestehenden LED-Würfel. Lesen Sie die Daten in einem geeigneten Format (erstellt in Matlab) ein und erzeugen Sie damit beliebige Lichtmuster.

Erwartungen an Ihre Projektlösung

• Darstellung der Theorie
• Entwurf einer Steuerung.
• Recherche zu bestehenden Lösungen
• Programmierung in Matlab und C
• Erstellung eines Benutzerleitfadens für die Anwendung der Software
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Anspruchsvoll (***)

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Einleitung

Ein LED-Würfel (engl.: LED-Cube) ist aktuell ein beliebtes Projekt. Dieses Projekt wurde bereits öfters realisiert und so findet man im Internet auch einige Beispiele für LED-Würfel. Die Komplexität des LED-Würfels kann dabei stark variieren. Sie hängt hauptsächlich von der Anzahl der LEDs und der Wahl der LED (einfarbig oder RGB) ab. Ein Beispiel für ein sehr komplexen LED-Würfel ist in dem Bild Beispiel für ein LED-Würfel zu sehen.

Beispiel für ein LED-Würfel

Ziel aller LED-Würfel ist es dreidimensionale Symbole, Figuren und Texte. Dies sollen sich dann im dreidimensionalen LED-Würfel bewegen, d.h. durchlaufen oder drehen. Durch die Komplexität der Muster und Bewegungen wird die Komplexität des Projektes weiter beeinflusst. Für die Realisierung eines LED-Würfels benötigt man Erfahrungen, bzw. Interesse im Bereich Elektrotechnik und Informatik. Die elektrotechnische Komponente befasst sich mit dem Aufbau des LED-Würfels und der Realisierung der Steuerungsschaltung. Man muss sich Gedanken darüber machen, wie die LEDs miteinander verbunden werden und wie man sie anschließend elektrisch ansteuern will. Die elektrische Ansteuerung erfolgt dann über die Steuerungsschaltung. Diese muss programmiert werden, dies führt einen zu dem Bereich der Informatik. Man benötigt je nach gewähltem Mikrocontroller entsprechende Programmierkenntisse. Weiterer Faktor für die Komplexität ist somit die Wahl der Programmierung (Sprache, Oberfläche, etc.). Dieses Projekt lässt sich in der Komplexität durch viele Komponenten steuern. Es ist somit ein Projekt, das sowohl für Einsteiger als auch für Erfahrene geeignet ist. Jeder kann dieses Projekt so gestalten, dass es seinem Können entspricht.

Aufgabenstellung

In diesem Projekt ist die Komplexität bereits bestimmt. Der LED-Würfel ist bereits elektrotechnisch aufgebaut. Es handelt sich um einen LED-Würfel aus 512 einfarbigen LEDs. Herzstück der Steuerungsschaltung ist der Mikrocontroller ATmega32 von der Firma Atmel. Das Ziel dieses Projekts "LED-Würfel" 2.0 besteht darin eine Steuerungssoftware für den vorhandenen LED-Würfel zu erstellen, um beliebige Lichtmuster realisieren zu können. Die Muster sollen in die Software MATLAB der Firma The MathWorks generiert und an den Mikrocontroller übergeben werden. Der Mikrocontroller soll die empfangenen Befehle interpretieren können und die entsprechenden Muster mittels der LEDs erzeugen.

Benötigte Komponenten

Unser LED-Würfel

Die Hauptkomponente ist der LED-Würfel. Er besteht aus einem Gehäuse, in dem die Platine mit der benötigten Hardware verbaut ist, und dem eigentlichen LED-Würfel, der aus 512 grünen Leuchtdioden aufgebaut ist (siehe Bild Unser LED-Würfel). Der LED-Würfel besteht aus einer Matrix von 8 x 8 x 8 grünen 3mm-Leuchtdioden. Es besitzt somit 8 Ebenen und eine Ebene besteht aus 64 LEDs. Diese lassen sich unabhängig voneinander steuern. Der LED-Würfel ist auf dem Gehäuse der Schaltung aufgebaut worden. Das Gehäuse besteht aus vier Holzplatten mit einer Dicke von 1,5 cm, die mit weißer Klebefolie überzogen wurden. Die Maße betragen 30 cm x 13 cm x 30 cm (B x H x T). Das Gehäuse für die Schaltung dient somit gleichzeitig als Sockel für den Würfel. Die Kabel des LED-Würfels werden direkt ins Gehäuse geführt und mit der Schaltung verkabelt. Weitere benötigte Komponenten sind ein Computer mit der Software Atmel-Studio 6.2 zur Programmierung des Mikrocontrollers und der Software Matlab zur Generierung der Muster. Das Programm für den Mikrocontroller muss auf den Mikrocontroller geflasht werden. Daher wird zusätzlich ein Flash-Gerät benötigt. Die Kommunikation von Matlab zum Mikrocontroller muss noch festgelegt werden, dafür wird dann eine zusätzliche Kommunikationsschnittstelle aufgebaut werden müssen.

Vorgehensweise

Zu Beginn wird die Funktionsweise des LED-Würfels analysiert. Hierzu werden der Aufbau des Würfels, d.h. die Schaltung,die verwendete Hardware und das vorhandene Beispielprogramm näher betrachtet. Es folgt die Planung des weiteren Vorgehens und die Beschreibung des angestrebten Lösungsweges. Auf Basis des Lösungskonzeptes wird eine Steuerung entworfen, wobei bestehende Lösungen analysiert und eingebunden werden. Die Programmierung erfolgt dabei in Atmel-Studio 6.2 und Matlab. Nach der erfolgreichen Programmierung wird ein Benutzerleitfaden für die Anwendung der Software erstellt. Anschließend wird die Vorgehensweise zur Ansteuerung des LED-Würfels dokumentiert und das Ergebnis im Rahmen der Abschlusspräsentation vorgeführt.

Aufbau

Dieser Abschnitt beschreibt den vorgefundenen Aufbau der gesamten Hardware und wie das Funktionsprinzip der Schaltung konzipiert wurde. Die Informationen über den Aufbau des LED-Würfels stammen aus der Dokumentation der Vorgängergruppe. Die Beschreibung der Hardware und des Schaltungsaufbaus sind notwendig, um den Würfel korrekt programmieren zu können.

Der LED-Würfel

Kathodenebenen und Anodenreihen

Der LED-Würfel besteht wie bereits erwähnt aus 512 grünen LEDs, die um eine dreidimensionale Matrix zu erhalten miteinander verbunden werden mussten. Jede LED besitzt zwei Beinchen, eine Anode und eine Kathode. Die erste grundlegende Entscheidung, die die Vorgängergruppe getroffen hat, war zu bestimmen, wo die Anode, bzw. die Kathode anschlossen werden. Sie entschieden sich dazu alle Kathoden einer Ebene miteinander zu verbinden. Um nun jede LED einer Ebene einzeln ansteuern zu können, darf zwischen den Anoden keine Verbindung entstehen. Es gibt daher 64 Anodenanschlüsse. Um nun nicht jede Anode einzeln anschließen zu müssen, wurden die 8 übereinanderliegenden LEDs zu einer Reihe zusammengefasst. Die 512 Leuchtdioden unterteilen sich somit in acht Kathoden-Ebenen und 64 Anoden-Reihen. Zur Verdeutlichung siehe Bild Kathodenebenen und Anodenreihen. Durch dieses Konzept ist es nun möglich jede LED einzeln anzusteuern. Man muss für die entsprechende LED dann die passende Anodenreihe bestromen und die Kathodenebene auf Ground setzen. Wie dies schaltungstechnisch geregelt wird, wird im Anschnitt Projekt 43: LED-Würfel 2.0#Die Platine.

Vorbereitung einer LED

Schablone für LED-Ebene

Der Aufbau der Ebenen wurde wie folgt realisiert. Zunächst wurde das Kathoden-Beinchen, wie in Bild Vorbereitung einer LED zu sehen, um 90° abgewinkelt. Grundsätzlich sollte man sich überlegen die Dichte der LED’s, d.h. die Anzahl der LED’s in einem LED-Würfel, auf die Größe des Würfels abzustimmen. Daraus ergibt sich ein bestimmter Abstand zwischen den LED’s, der eine günstige Darstellung der 3D-Muster ermöglicht. Wird der Abstand zu klein gewählt, werden die hinteren Lichtquellen nicht wahrgenommen. Andererseits wird bei zu großem Abstand die Darstellung zu sehr gedehnt und kann somit schwierig als ein Muster erkannt werden. Bei dem vorliegenden Projekt wurde eine Schablone aus Holz angefertigt, sodass die LED’s sowohl in der Ebene als auch in der Höhe in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet werden konnten. Die Schablone wurde mit 64 Sacklochbohrungen (Durchmesser: 3,2 mm) versehen, wobei die Länge der Kathoden, die etwa 23 mm beträgt, den Abstand zwischen den Bohrlöchern und damit auch zwischen den einzelnen Leuchtdioden, vorgegeben hat (Bild Schablone für LED-Ebene).

eine verlötete Ebene

fertiger LED-Würfel

Die LED’s wurden mit dem Kopf in die Löcher gesteckt und jeweils an der Kathode miteinander verlötet. Beim Verlöten der Kathoden entstehen acht Reihen. Um den Kontakt zwischen den acht Reihen herzustellen, wurde ein Silberdraht mit dem Durchmesser von 8 mm an drei Stellen der Ebene angebracht. Dieser Draht trägt zusätzlich zur Stabilität der Konstruktion bei. Eine Ebene sieht dabei wie auf Bild eine verlötete Ebene zu sehen aus. Dieser Vorgang wurde für alle acht Ebenen wiederholt. Im Anschluss wurden die Anoden der Leuchtdioden miteinander verlötet. Es wurde eine Schicht nach der anderen auf den Würfel aufgesetzt und die 64 Anoden jeweils mit der Reihe verbunden. Das Bild fertiger LED-Würfel zeigt den vollständig aufgebauten Würfel.

Die Platine

Das Herzstück der Platine ist der 8-Bit-Mikrocontroller der Firma Atmel (ATMEGA 32-16 DIP). Über den Mikrocontroller werden die 8 Kathodenebenen und 64 Anodenreihen gesteuert. Der Mikrocontroller verfügt über 40 Pins. Es ist somit nicht möglich gewesen, alle Ebenen und Reihen direkt an den Mikrocontroller anzuschließen. Die Anschlüsse der Ebenen und der Reihen werden durch das Gehäuse zur Platine geführt.

N-Kanal MOSFET, normal sperrend

Die 8 Kathodenebenen sollen die Verbindung zu Ground realisieren, um den Stromkreis zu schließen und die LED zum Leuchten zu bringen. Die 8 Ebenen können nicht direkt mit Ground verbunden werden, da ansonsten bei Bestromen einer LED-Reihe die ganze Reihe leuchten würde. Es muss somit geregelt werden, das man die Verbindungen der Ebenen zu Ground einzeln schließen oder öffnen kann. Dies wird durch acht MOSFETs (IRF 630) realisiert. Bei den MOSFETS handelt es sich um N-Kanal, normal sperrende MOSFETs (siehe Bild Schaltzeichen N-Kanal MOSFET, normal sperrend ), d.h. im Ausgangszustand ist keine Verbindung / kein Stromfluss zwischen Drain und Source. An Drain wird jeweils das Kabel der Ebene angeschlossen und Source wird auf Ground gelegt. An 8 Pins (PD0 - PD7) des Mikrocontrollers werden die jeweilige Steuerleitung, d.h. das Gate, des MOSFETs gelegt. Liegt an dem jeweiligen Pin, also am Gate, eine 1 an, so wird ein Stromfluss von Drain nach Source freigegeben. Der Stromkreis wird geschlossen und die LED kann leuchten.

Schaltbild Schieberegister

Die 64 Kabel der Reihen werden über acht Schieberegister (74HC 595) mit dem Mikrocontroller verbunden. Das Schaltbild eines Schieberegisters sieht wie in Abbildung Schaltbild Schieberegister dargestellt aus. Die Ansteuerung der Schieberegister erfolgt über den Mikrocontroller. Die Ausgänge QA bis QH sind mit den Kabeln der Reihen verbunden. Jeweils 8 Reihen hängen somit an einem Schieberegister. Ein Schieberegister bildet somit eine Spalte der Matrix ab. Jedes Schieberegister besitzt 5 Eingangspins, einen Seriellen Eingang (SER, Pin 14), einen Schiebetakt (SCK, Pin 11), ein Reset für das Schieberegister (SCL, Pin 10), einen Speichertakt (RCK, Pin 12) und eine Ausgangssteuerung (G, Pin 13). Die Schiebetakte der 8 Schieberegister sind miteinander verbunden und auf den Pin 23 ((SDA)PC1) des Mikrocontrollers gelegt worden. Das Gleiche gilt für die Speichertakte. Sie liegen auf Pin 24 ((TCK)PC2) des Mikrocontrollers. Der Reset wurde auf die 5V-Versorgung gelegt und kann somit nicht ausgelöst werden. Die Ausgangssteuerung G ist auf Ground gelegt. Dies bedeutet, das an den Ausgängen der entsprechend über den seriellen Dateneingang eingegebene Pegel anliegt. Die Eingangspegel werden durch den Mikrocontroller bestimmt. Die seriellen Dateneingänge liegen nicht auf demselben Pin und sind nicht miteinander verbunden. Jeder serielle Dateneingang liegt an einem Pin des Mikrocontrollers. Details zur Pinbelegung sind unter Projekt 43: LED-Würfel 2.0#Pinbelegung des Mikrocontrollers zu finden. Die Funktionsweise eines Schieberegisters wird im Zusammenhang mit der Programmierung des Schieberegisters im Kapitel Projekt 43: LED-Würfel 2.0#Schieberegister. Des Weiteren sind an den Mikrocontroller ein externer Quarz zur Takterzeugung und eine ISP-Schnittstelle zum Flashen des Mikrocontrollers angeschlossen. Zu den wesentlichen Komponenten, die für die Ansteuerung der LEDs verantwortlich sind, kommen Vorwiderstände, Dioden und Kondensatoren, die zum Schutz der anderen Bauteile benötigt werden. Von uns wurde eine UART-Schnittstelle zur seriellen Kommunikation ergänzt. Die Datenleitungen mussten an die entsprechenden Pins des Mikrocontrollers angeschlossen werden. Da die Pins bereits durch zwei Ebenen belegt werden, mussten die Anschlüsse der Ebenen auf zwei andere Pins umgelegt werden. Die aktuelle Pinbelegung befindet sich unter Projekt 43: LED-Würfel 2.0#Pinbelegung des Mikrocontrollers .

Auflistung der Komponenten für die Platine

Eine detaillierte Auflistung aller Komponenten ist in den folgenden Tabellen enthalten.

Komponente	Bezeichnung/Größe	Datenblatt
LED	LED 3mm ST GN
Silberdraht	Silber 0,8mm
ATMEGA32	ATMEGA 32-16 DIP
N-MOSFET	IRF 630
Kondensator	22 pF
Tantal-Chip-Kondensator	10uF
Kondensator	1nF
Vorwiderstände	150 Ohm
Spannungsregler, Low Drop, TO-220	LM 1085 IT5,0
8-Bit Schieberegister	74HC 595
IC-Sockel 20-polig	GS 20
IC-Sockel 40-polig	GS 40
Treiber/Empfänger	MAX 232 CPE
Standardquarz	14,7456-HC49U-S
Rippen-Kühlkörper	V 4330N

Pinbelegung des Mikrocontrollers

Die Pins des Mikrocontrollers sind jeweils für bestimmt Aufgaben bestimmt. Die Bestimmung findet sich in der Bezeichnung wieder. Bei mehreren Pins liegt eine Doppelbelegung für mehrere Funktionen vor. Außerdem kann man die Pins zwischen Eingang und Ausgang umschalten. Die Konfiguration der Pins erfolgt über die Software, die auf den Mikrocontroller geflasht wird.

In der nachfolgenden Tabelle ist die aktuelle Pinbelegung des Mikrocontrollers dargestellt:

Pin	Pin-Bezeichnung	angeschlossen an
1	PB0 (XCK/T0)	frei
2	PB1 (T1)	frei
3	PB2 (INT2/AIN0)	Gain MOSFET für Ebene 2
4	PB3 (OC0/AIN1)	Gain MOSFET für Ebene 1
5	PB4 (SS)	frei
6	PB5 (MOSI)	ISP-Schnittstelle zum Flashen
7	PB6 (MISO)	ISP-Schnittstelle zum Flashen
8	PB7 (SCK)	ISP-Schnittstelle zum Flashen
9	RESET	+5V Versorgung, d.h. kein Reset möglich
10	VCC	+5V Versorgung
11	GND	Ground
12	XTAL2	externer Quarz
13	XTAL1	externer Quarz
14	PD0 (RXD)	UART-Schnittstelle für Kommunikation
15	PD1 (TXD)	UART-Schnittstelle für Kommunikation
16	PD2 (INT0)	Gain MOSFET für Ebene 3
17	PD3 (INT1)	Gain MOSFET für Ebene 4
18	PD4 (OC1B)	Gain MOSFET für Ebene 5
19	PD5 (OC1A)	Gain MOSFET für Ebene 6
20	PD6 (ICP1)	Gain MOSFET für Ebene 7
21	PD7 (OC2)	Gain MOSFET für Ebene 8
22	PC0 (SCL)	frei
23	PC1 (SDA)	Schiebetakt SCK aller Schieberegister
24	PC2 (TCK)	Speichertakt RCK aller Schieberegister
25	PC3 (TMS)	frei
26	PC4 (TDO)	frei
27	PC5 (TDI)	frei
28	PC6 (TOSC1)	frei
29	PC7 (TOSC2)	frei
30	AVCC	+5V-Versorgung
31	GND	Ground
32	AREF	frei
33	PA7 (ADC7)	Serieller Dateneingang Schieberegister 8 für LED 57 - 64
34	PA6 (ADC6)	Serieller Dateneingang Schieberegister 7 für LED 49 - 56
35	PA5 (ADC5)	Serieller Dateneingang Schieberegister 6 für LED 41 - 48
36	PA4 (ADC4)	Serieller Dateneingang Schieberegister 5 für LED 33 - 40
37	PA3 (ADC3)	Serieller Dateneingang Schieberegister 4 für LED 25 - 32
38	PA2 (ADC2)	Serieller Dateneingang Schieberegister 3 für LED 17 - 24
39	PA1 (ADC1)	Serieller Dateneingang Schieberegister 2 für LED 9 - 16
40	PA0 (ADC0)	Serieller Dateneingang Schieberegister 1 für LED 1 - 8

Schaltplan

Der aktuelle Schaltplan ist hier hinterlegt:

Software

Grundlagen Programmierung

In diesem Abschnitt wird zunächst grundlegend erklärt, wie man einen Mikrocontroller und die für uns relevanten Komponenten programmieren kann. Es werden nur die Teile erklärt, die für die Programmierung unseres LED-Würfels interessant sind. So soll der Einstieg in das entstandene Programm erleichtert werden. Dadurch soll ein schnelleres Arbeiten an der Software ermöglicht werden.

Grundlegende Einstellungen Atmel Studio 6.2

Einstellung F_CPU

Das Programm für den ATmega32 wird über die Software Atmel Studio 6.2 programmiert. Es handelt sich dabei um eine spezielle Oberfläche für die Atmel Mikrocontroller. Sollte mit dem vorhandenen Programm weiter gearbeitet werden, so müssen die grundlegenden Einstellungen nicht mehr vorgenommen werden. Möchte man ein neues Projekt erstellen, so muss man wie folgt vorgehen:

1. Atmel Studio starten und "New Project" wählen
2. Man wird nach der Verwendung eine Templates gefragt und wählt "GCC C++ Executable Project". Etwas weiter unten muss man noch den Namen für das Projekt angeben.
3. Im nächsten Schritt "Device Selection" muss man angeben, welchen Mikrocontroller man verwendet.
4. Das Projekt wird erstellt. Es wird zusätzlich das erste C-File erstellt in dem bereits die Bibliothek "avr/io.h" eingebunden und die main-Funktion angelegt ist.

Bevor man beginnt zu Programmieren sollte man noch die Frequenz, mit der die CPU des Mikrocontrollers arbeitet, einstellen. Die Einstellung erfolgt unter dem Projekt in "Toolchaian", dort unter "AVR/GNU C Compiler" weiter zu Symbols. Dort kann man Symbols definieren und fügt als neuen item "F_CPU=14745600UL" ein. Der Wert hinter dem Gleichheitszeichen entspricht der gewählten Frequenz. Wichtig dabei ist es den Ausdruck ohne Leerzeichen zu schreiben.

Mikrocontroller ATmega32 - Einstellungen

Bei einem Mikrocontroller können sehr viele Einstellungen vorgenommen werden. Diese beziehen sich auf die Verwendung der Pins, auf die Aktivierung und Deaktivierung von Funktionen, etc. Wie die Einstellungen der einzelnen Funktionen vorzunehmen sind, findet man im Datenblatt des ATmega32. Ebenso findet man dort die Informationen über die Standardeinstellungen. Der Vorteil bei der Verwendung des Atmel Studios ist, dass für die einzustellenden Parameter bereits vorgefertige Bezeichner, um die Einstellungen zu erleichtern. Die Einstellungen, die wir vorgenommen haben, sollen im Folgenden beschrieben werden.

Die Einstellung der Pins

Der Mikrocontroller besitzt 4 Ports (A, B, C, D)mit jeweils 8 Pins. Für die Ports kann bestimmen, welcher Pin als Ausgang und welcher Pin als Eingang verwendet werden soll. Die Festlegung der Pins muss zu Beginn der main-Funktion erfolgen. Für das Setzen der Ports gibt es ebenfalls vorgefertigte Bezeichner. Die Ports werden mit DDRA, DDRB, DDRC und DDRD bezeichnet. Möchte man einen einzelnen Pin als Ausgang setzten, wo muss man DD+Port+Pinnummer aufrufen.

Sollen alle Pins des Ports als Ausgänge verwendet werden, so kann man dies definieren durch

DDRA = 0xFF;

Hier wird der gesamte Port A als Ausgänge gesetzt.

Einen einzelnen Pin setzt man als Ausgang indem man

DDRA |=(1<<DDA2);

programmiert. In diesem Fall würde nur Pin 2 des Port A als Ausgang gesetzt werden.

Mehrere zu setzenden Pins programmiert man durch:

DDRB |=(1<<DDB2) | (1<<DDB4) (1<<DDB7);

( Pin 2,4 und 7 des Port B werden als Ausgang gesetzt)

Aktivierung Funktionen

Funktionen wie Interrupts, serielle Kommunikation, Timer und vieles mehr (siehe dafür in das Datenblatt) verfügen über spezielle Funktionsregister in denen die Einstellungen getroffen werden. Die Namen der Funktionsregisters und die Namen ihrer einzelnen Bits sind als Bezeichner hinterlegt und können bei der Programmierung verwendet werden. Möchte man eine Funktion aktivieren ließt man am besten im Datenblatt des Mikrocontrollers nach wie dies funktioniert und welche Einstellungen getroffen werden müssen. Die Bits in den Registers setzt man, indem man den

Bezeichner Register = (Wert für das Bit << Bezeichner Bit)

setzt.

Möchte man beispielsweise die serielle Kommunikation einrichten und das Senden und Empfangen freischalten, so muss man im Register UCSRB die Bits RXEN und TXEN auf 1 gesetzt werden und sieht als Quellcode wie folgt aus:

UCSRB = (1<<RXEN)|(1<<TXEN);

Mikrocontroller ATmega32 - Pins setzen

Nachdem man die Pins der Ports als Ausgang eingestellt hat, kann man den Ausgang auf High (=1) oder auf Low (=0) setzen. Die Ports werden als PORTA, PORTB, PORTC und PORTD bezeichnet. Die Bezeichnung der einzelnen Pins entspricht der Bezeichnung im Datenblatt, z.B. für Pin 3 des Ports C PC3. Möchte man alle Pins eines Ports gleichzeitig setzen, so ist dies möglich, indem man den Port gleich dem Hexadezimal-Wert der gesetzten Pins setzt. Möchte man beispielsweise alle Pins von Port A setzen, so lautet die Programmcodezeile:

PORTA = 0xFF;

Entsprechend setzt man eine 0x00, wenn man alle Pins auf 0 setzen will.

Einzelne Pins kann man über folgende Befehle beeinflussen:

• Setzen: PORTA |= (1<<PA3); (Setzt Pin 3 von Port A auf 1)
• Zurücksetzen: PORTA &= ~(1<<PA3); (Setzt Pin 3 von Port A auf 0)

Einbinden von Funktionen

Um Funktionen verwenden zu können, muss zu Beginn des Programms die Bibliotheken einbinden, in denen die bekannt gemacht werden. Man muss dabei zwischen vorgefertigen und selbstgeschriebenen Funktionen unterscheiden. Für vorgefertigte Funktion bindet man die Bibliothek über den Quellcode

#include <Bibliothek.h>

ein.

Für die selbstgeschriebenen Funktionen sollte man eine *.h-Datei erstellen, in der man die Funktionen bekannt macht. Die Einbindung dieser Bibliothek erfolgt über

#include "Bibliothek.h"

Mikrocontroller ATmega32 flashen

Es gibt mehrere Möglichkeiten den Mikrocontroller zu flashen. Dafür muss man beim Aufbau der Schaltung darauf achten, dass eine Schnittstelle zum Flashen an den entsprechenden Pins angeschlossen wird. Für den korrekten Aufbau der Schnittstelle hält man sich am besten an das Datenblatt. In der Software muss man dann in dem Projekt unter Tool wählen, welche Schnittstelle und welches Flash-Gerät vorhanden sind. Zusätzlich muss man dort die Frequenz einstellen. Zwischen den Schnittstellen gibt es dabei Unterschiede. Verwendet man eine ISP-Schnittstelle (=In-System-Programmierung) so kann man das geschriebenen Programm auf den Mikrocontroller flashen, aber nicht debuggen. Bei der Verbindung einer JTAG-Schnittstelle (JTAG = Joint Test Action Group, Name der Gruppe, die das Protokoll entwickelte) kann man dagegen das Programm auf den Mikrocontroller flashen und dann das Programm auf dem Mikrocontroller debuggen.

Schieberegister

Schaltbild Schieberegister

Das Schieberegister besteht intern aus zwei Registern, einem internen Register und einem Ausgangsregister. Um die 8 Ausgangspins des Schieberegisters (QA bis QH zu beschreiben muss man wie folgt vorgehen:

1. Auf serielle Eingangsdatenleitung SER Wert anlegen
2. Auf Schiebetakt SCK eine steigende Flanke geben. Dies führt dazu, dass alle Werte des internen Schieberegister um eine Stelle verschoben werden. Der Wert am seriellen Dateneingang wird auf die Stelle 0 des internen Registers verschoben, der Wert der Stelle 1 auf Stelle 2,..., der Wert der Stelle 6 auf Stelle 7 und der Wert der Stelle 7 fällt raus)
3. Solange noch nicht alle Stellen beschrieben sind, gehe wieder zu Schritt 1 und setzt nächsten Wert
4. Sind im internen Schieberegister alle Bits nach Wunsch gesetzt, muss man eine steigende Flanke auf den Speichertakt RCK geben. Dies führt dazu, dass die Werte aus dem internen Schieberegister in das Ausgangsregister übertragen werden und somit auf den Ausgängen die Werte anliegen.

Eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise eines Schieberegisters findet man unter auf Mikrocontroller.net [[1]].

C-Programm LED-Würfel

In diesem Kapitel wird das erstellte C-Programm für den Würfel vorgestellt. Der Quellcode wird nicht schrittweise erklärt werden. Die Einzelschritte sind im Quellcode mittels Kommentaren detailliert beschrieben worden. Der gesamte Quellcode wurde im entsprechenden SVN-Projekt-Ordner hinterlegt. Im Folgenden wird grundsätzlich erklärt, welche Aufgabe die Funktion erfüllen soll und wie sie grob funktioniert.

Gewählte Einstellungen ATmega32

Beim Anlegen des Projektes wurde als verwendeter Mikrocontroller der ATmega32 gewählt. Als nächsten Schritt haben wir die Taktfrequenz wie unter Projekt 43: LED-Würfel 2.0#Grundlegende Einstellungen Atmel Studio 6.2 beschreiben, eingefügt. In unserem Fall ist ein externer Quarz mit 14,7456MHz zur Generierung der Taktfrequenz angeschlossen. Der gesamte Programmcode befindet sich in led_cube.c und unsere Funktionen sind in der Bibliothek led_cube.h bekannt gemacht. Im Quellcode led_cube.c haben wir vor Beginn der main-Funktion die Bibliotheken eingebunden, die Konstanten und Variablen definiert und die Funktionen implementiert. Zu den verwendeten Bibliotheken gehören neben der eigenen Bibliothek, die AVR-Studio Basis Bibliothek, die die Nutzung der Bezeichner ermöglicht und die Bibliothek, die die Nutzung der delay-Funktion ermöglicht. Für welche Funktion die Konstanten und Variablen benötigt werden, wird im Quelltext in den Kommentaren erklärt. Die Erklärung der Funktionen folgt in den nächsten Abschnitten.

main-Funktion

Zu Beginn der main-Funktion wird die Einstellung der Pins als Ausgänge, wie in Projekt 43: LED-Würfel 2.0#Die Einstellung der Pins beschrieben, vorgenommen. Für den LED-Würfel müssen alle Pins des Port A, Pin 3 und Pin 4 des Port B, Pin 1 und Pin 2 des Port C und Pin 2 bis Pin 7 von Port D als Ausgang festgelegt werden. An diesen Pins hängen die Schieberegister und die MOSFETS der Ebenen. Nach der Einstellung muss des Weiteren die UART-Schnittstelle initialisiert werden. Für die Initialisierung gibt es eine spezielle Funktion UART_Init(baud) die in der main-Funktion aufgerufen wird. Diese Initialisierungsfunktion benötigt als Eingabewert die zu verwendende Baudrate. Welcher Wert dabei einzusetzen ist, kann man im Datenblatt des ATmega32 nachlesen oder selber ausrechnen.

Möchte man den Wert im Datenblatt nachlesen, muss man im Kapitel "USART" unter "Examples of Baud Rate Setting" suchen. Dort findet man eine Tabelle aus der man den Wert ablesen kann, der in die Funktion eingetragen wird. Zuerst muss man die Spalte mit der passenden Taktfrequenz, d.h. Oszillatorfrequenz suchen. In unserem Fall muss man in der Spalte "f_OSC=14.7456MHz" schauen. Die Spalte teilt sich nochmals auf in "U2X=0" und "U2X=1". U2X ist die Bezeichnung für ein Bit im Register UCSRA (= UART Control and Status Register A). Ist dieses Bit gesetzt, bedeutet dies, dass die Transferrate verdoppelt ist. In unserem Fall ist U2X gleich 0 gesetzt. Anschließend kann man die gewünschte Baudrate aus der ersten Spalte wählen. In der Tabelle kann man den Sendefehler bei der Baudrate in der Spalte Error ablesen. Dies kann die Wahl der Baudrate beeinflussen, da man einen möglichst geringen Sendefehler wählen sollte. Der Wert den man aus der Spalte UBRR ablesen kann muss man in der Initialisierungsfunktion UART_Init(baud) als Wert für Baud eintragen. Für den LED-Würfel haben wir eine Übertragungsrate von 9600bps gewählt. Der Error liegt dort bei 0% und in die Funktion wird der Wert 95 eingetragen. Der Wert kann Alternativ auch über die Formel

UBRR = ((Taktfrequenz in Herz)/(Baudrate*16))-0.5

berechnet. Der Wert sollte mit dem Wert aus der Tabelle nahezu übereinstimmen. Berechnet man den Wert, so erhält man einen Wert von 95.5 und muss diesen dann auf oder abrunden auf den nächsten ganzzahligen Wert.

Nach der Initialisierung der UART-Schnittstelle werden im main-Programm die Funktionen LEDaus() und Ebeneaus() einmalig aufgerufen. Beim Start des Mikrocontrollers werden dadurch alle LEDs am LED-Würfel ausgeschaltet und es sind immer dieselbe Startbedingungen (alles Aus) gegeben. In der main-Funktion wird als Nächstes eine while-Schleife programmiert. Die while-Schleife ist gleich 1 gesetzt und wird somit niemals beendet, sie wirkt somit als Endlosschleife. Das eigentliche Programm muss nun in der Schleife programmiert werden. In unserem Fall besteht das Programm aus einer if-Bedingung, die abfragt, ob über UART ein Wert empfangen wurde. Ist dies der Fall, wird über die Funktion UART_get() das empfangene Datenbyte abgeholt und in einer Variable zwischengespeichert. Anschließend erfolgt der Aufruf der Funktion LEDControlStateMachine(Datenbyte), welche als Eingabewert das aktuell empfangene Datenbyte erhält. Mehr Programm enthält die main-Funktion nicht. Alle anderen Funktionen werden über die LEDControlStateMachine -Funktion aufgrufen.

Funktionen

In diesem Abschnitt wird die Funktionsweise der einzelnen Funktionen beschrieben. Der Quellcode wird dabei nicht schrittweise durchgegangen. Die schrittweise Erklärung des Quellcodes ist direkt im Quellcode durch Kommentare erfolgt. Neben der Erklärung der Funktionen wird auch immer ein Hinweis gegeben, was in Matlab eingegeben werden muss.

Es muss darauf geachtet werden, das man bei den verwendeten Eingabewerten zwischen Zeichen der ASCII-Tabelle, Hexdezimal- und Dezimalzahlen unterscheiden muss. Über Matlab werden die Befehls- und Datenbytes versendet. Die Eingabe in Matlab erfolgt über die Tastatur, d.h. man gibt ein Zeichen ein. Versendet wird die zugehörige Bitfolge. Der versendete Wert und die entsprechende Bitfolge können über die ASCII-Tabelle in Dezimal- oder Hexadezimal-Zahlen umgesetzt werden. Erhält man nun über die UART-Schnittstelle ein Byte, so muss für die Interpretation im C-Programm der Dezimal oder Hexadezimal-Wert verwendet werden. Will man beispielsweise die Funktion Test starten. So gibt man in Matlab ein kleines e ein und versendet dies. Der C-Code empfängt den Dezimalwert 101, bzw. den Hexadezimalwert 65. Die Interpretation des empfangenen Byte, d.h. Funktionsaufruf oder Wert als Datenbyte verwenden, muss auf Grundlage der Dezimal-/Hexadezimalwerte erfolgen.

Funktion "LEDan"

Die Funktion LEDan erhält als Eingabewerte insgesamt neun Werte und ihr Aufruf sieht wie folgt aus

LEDan(Schieberegister, QA, QB, QC, QD, QE, QF, QG, QH)

Mithilfe dieser Funktion kann man die 64 LEDs einer Ebene, d.h. die 64 LED-Reihen ansteuern. Man muss dafür zunächst bestimmen, welches Register für die 8 anzusteuernden LEDs zu verwenden ist. Für den Eingabewert Schieberegister setzt man in Matlab das ASCII-Zeichen 1 - 8 ein. Das Schieberegister, welches hinter dem Eingabewert 1 steckt, steuert die ersten 8 LEDs an. Durch den Eingabewert 2 werden die LEDs 9 - 16 ansteuert, usw. Die folgenden 8 Eingabewerte werden über die Funktion LEDan_Matlab ermittelt. Die Eingabewerte QA - QH stehen für die 8 Ausgänge des Schieberegisters, welche die einzelnen LEDs ansteuern. QA - QH sind entweder 0 oder 1, also AN oder AUS.

In der Funktion LEDan werden im gewählte Schieberegister die Ausgänge nach entsprechender Auswahl gesetzt.

Beispiel: Es soll die LED 22 und 23 angesteuert werden.

Die LEDs werden durch das dritte Schieberegister angesteuert und Pin 22 ist mit dem Ausgangspin QF, Pin 23 mit QG verbunden. Man kann die Werte einfach direkt in die Funktion eingeben:

LEDan(0x33, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0)

Ausführlicher kann man die Variablen vorher beschreiben und den Funktionsaufruf unverändert lassen.

Schieberegister = 0x33 // entspricht dem ASCII-Zeichen 3
QA = 0;
QB = 0;
QC = 0;
QD = 0;
QE = 0;
QF = 1;
QG = 1;
QH = 0;


LEDan(Schieberegister, QA, QB, QC, QD, QE, QF, QG, QH)

In unserem Fall erfolgt der Aufruf in der Funktion LEDan_Matlab und dort werden die Eingabewerte gesetzt.

Funktion "LEDan_Matlab"

Über Matlab erhält man zunächst das Byte, welches die Funktion aufruft. Anschließend müssen zwei Byte, das Erste mit der Information welches Schieberegister verwendet werden soll und das Zweite mit der Information welche LEDs angeschaltet werden sollen, gesendet werden. Der Funktionsaufruf sieht dabei wie folgt aus:

LEDan_Matlab (Reg, ledByte)

Den Eingabewert Reg, welcher für das zu wählende Register benötigt wird, gibt man in Matlab durch das ASCII-Zeichen 1 - 8 ein. Der Eingabewert ledByte wird in der Funktion in die 8 Eingabewerte QA - QH für die Funktion LEDan umgewandelt. Es wird dabei betrachtet, welche Bits des empfangenen Zeichens gesetzt sind. Ist das nullte Bit gesetzt, so wird QA gleich AN gesetzt. Ansonsten wird QA gleich AUS gesetzt. Dieselbe Bestimmung erfolgt für Bit 1 bis Bit 7. Anschließend wird die Funktion LEDan durch die Funktion LEDan_Matlab aufgerufen. In Matlab muss man das Byte entsprechend zunächst, je nachdem welche LEDs gesetzt werden sollen, berechnen. Anschließend muss man den zu der Bitfolge, bzw. zu dem Dezimal-/Hexadezimalwert, gehörende ASCII-Zeichen versenden. Matlab muss dementsprechend zuerst das Befehlsbyte zum Aufruf der Funktion senden, anschließend das Datenbyte mit der Information über das Register und abschließend das Datenbyte mit den Informationen welche LEDs angeschaltet werden sollen.

Die Funktion wird über die LEDControlStateMachine aufgerufen, wenn man über Matlab ein kleines "a" sendet.

Funktion "LEDaus"

Der Funktionsaufruf dieser Funktion benötigt keine Eingabewerte.

LEDaus()

Ruft man diese Funktion auf, so werden alle Ausgänge aller 8 Schieberegister auf 0 gesetzt. D.h. alle LEDs werden ausgeschaltet. Will man nur einzelne LEDs ausschalten so muss man dies über die Funktion LEDan lösen.

Die Funktion wird über die LEDControlStateMachine aufgerufen, wenn man über Matlab ein kleines "b" sendet.

Funktion "Ebenean"

Ebenean(Ebene)

Die Funktion wird über die LEDControlStateMachine aufgerufen, wenn man über Matlab ein kleines "c" sendet.

Funktion "Ebeneaus"

Ebeneaus()

Die Funktion wird über die LEDControlStateMachine aufgerufen, wenn man über Matlab ein kleines "d" sendet.

Funktion "Test"

Test()

Die Funktion wird über die LEDControlStateMachine aufgerufen, wenn man über Matlab ein kleines "e" sendet.