Inhaltit.bszam.de/18/11esy/18esy11.pdf · Vergleich Neumann - Harvard ... Die Regelgröße x (Ist-Wert) soll dem Sollwert der Solldrehzahl, , entsprechen und daran angepasst werden

Berufliches Schulzentrum Amberg Fachbereich Elektrotechnik Seite 1/36 Datum: _________ Name:___________ ESY 11 LF7

17LF7_SkriptV1,FRD Donnerstag, 16. November 2017 www.bszam.de [email protected]

Lernfeld 7 ESY11

Inhalt 1. Zeitplan und Organisation .............................................................................................. 3

2. Zugang Server und WLAN Cisco01 ................................................................................ 3

3. Kennenlernen Beispiel - Plattform .................................................................................. 3

a. Lerninhalte 10 Klasse: STT und ITSEL ....................................................................... 3

b. Ausstattung Lehrmittel der Schüler ............................................................................. 4

4. DIN 19226: Steuern und Regeln ..................................................................................... 5

a. Steuern ....................................................................................................................... 7

b. Regeln ........................................................................................................................ 7

c. Komponenten und Größen im Regelkreis ................................................................... 7

5. Mikrocontroller – Assemblerprogrammierung – „C“ ........................................................ 9

a. AVR – Mikrocontroller Familie Atmega 8 ..................................................................... 9

6. Interne Architektur und Funktionseinheiten....................................................................10

a. Vergleich Neumann - Harvard ....................................................................................10

b. Blockdiagramm Prüfung IHK PIC 16F88 ....................................................................11

c. ATmega48PA/88PA/168PA/328P Block Diagramm ...................................................12

a. Beschreibung der Funktionsblöcke ............................................................................12

b. Übung Information - Internetrecherche – Datenblätter - .............................................13

7. Programmspeicher, Arbeitsspeicher, Register, Stack (Flash, EEPROM, RAM, …) .......14

a. Übung RAM – FLASH - ASCII ...................................................................................15

b. General Purpose Register .........................................................................................16

c. Stack/ SRAM, LIFO, FIFO..........................................................................................18

d. Übung LIFO ...............................................................................................................18

e. Übung FIFO: ..............................................................................................................19

f. Das Statusregister .....................................................................................................19

g. Interrupts ...................................................................................................................21

8. ALU Rechnerkern (ALU, Steuerwerk, Status, FLAGS, Peripheriemöglichkeiten, …) .....21

9. Reset .............................................................................................................................22

a. Übung: Reset Zeitdiagramm. .....................................................................................23

10. E/A-Ports (digital, analog, hochohmig, niederohmig) .................................................24

b. Pull - Up, Pull - Down .................................................................................................26

c. Übung: EVA - Arduino ................................................................................................28

11. Port Lesen/Schreiben ................................................................................................29

d. PIN Zuordnung Atmega Uno – Pin Mapping ..............................................................30

e. Assembler- und C-Code ............................................................................................30

12. Hardware - externe Architektur ..................................................................................30

http://www.bszam.de/

mailto:[email protected]



a. EVA- Blockschaltbild ..................................................................................................30

b. Pin Belegung Mikrocontroller .....................................................................................31

a. Arduino Board – Komponenten ..................................................................................33

b. Interface – Programmierschnittstelle ..........................................................................33

c. Schaltplan Arduino-Board ..........................................................................................33

d. Schaltplan – Peripherie ..............................................................................................33

e. Stückliste ...................................................................................................................33

13. Entwicklungsumgebung für Arduino Uno ...................................................................34

a. Entwicklungsboards - Arduino und Zubehör ...............................................................34

b. http://fritzing.org/download/ ........................................................................................34

c. Fritzing.exe – Steckplatine - Schaltplan - Leiterplatte .................................................34

d. http://fritzing.org/home/ - z.B. Beispiel - Blink .............................................................34

e. Integrierte Softwareentwicklungsumgebung ...............................................................34

f. http://arduino.cc/en/Main/Software .............................................................................34

g. http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage .....................................................................34

14. Struktogramm - Zustandsdiagramm ...........................................................................34

a. PAP Struktogramm für Assembler und C .................................................................34

b. Lineare Programmierung ...........................................................................................34

c. Schleifen ....................................................................................................................34

d. Verzweigungen ..........................................................................................................34

e. Unterprogrammtechnik ..............................................................................................34

f. Ereignisse - Interrupt..................................................................................................34

15. Language Referenz - siehe Reference Arduino .........................................................34

a. http://arduino.cc/en/Reference/HomePage ................................................................34

16. Handlungsplan - E 4.0 - Ereignisgesteuerte Ampel für die Mitarbeiter .......................34

a. Information .................................................................................................................34

b. Planung .....................................................................................................................35

c. Entscheidung – Auftrag vom Kunden .........................................................................35

d. Realisierung – Hard- und Software ............................................................................35

e. Kontrolle ....................................................................................................................35

f. Bewertung - Kundenübergabe ...................................................................................35

17. Übungen ....................................................................................................................35

g. U1 Erstellen Sie eines Blockschaltbildes mit Word ....................................................35

h. U2 Blink .....................................................................................................................35

i. U3 Ton .......................................................................................................................35

18. Neue mögliche Kundenaufträg3 - siehe Handlungsplan und LF 11-13 .......................36

19. Quellen ......................................................................................................................36





1. Zeitplan und Organisation Bitte tragen Sie die Termine in den Schulaufgabenkalender ein. Die Schulaufgaben zählen doppelt. Mündliche Noten werden aus praktische Übungen, Exen, Tests und mündlichen Fragen gebildet. In die Benotung kann die Sauberkeit der Arbeit einfließen.

Leistungsnachweis Termin Ergebnis

1. Schulaufgabe

2. Schulaufgabe

1. Mündliche Note

2. Mündliche Note

3. Mündliche Note

4. Mündliche Note

5.

6.

7.

2. Zugang Server und WLAN Cisco01 Extern download der Schulungsinhalte:

it.bszam.de/20150209AmbergArduino.zip

Intern Laufwerk: 1)

http://172.17.21.2/01Schueler/17

Netz Cisco01 WLANKey: 0486133987598039

Netz: Telekom UniFiBSZAM

Zugangscode

User:

schueler

Pw:

cisco

Notebook: Mac:

User: Pw:

Bemerkung:1 ) Anleitung für Netzlaufwerk verbinden https://www.rz.uni-osnabrueck.de/Dienste/Internet/Virtuelle_WWW_Server/Upload/windows7.htm SMB wurde ursprünglich in NetBIOS over TCP/IP (NBT) über die TCP/UDP-Ports 137–139 gekapselt, die Namensauflösung erfolgte häufig mittels WINS bzw. Broadcasts. Neuere Windows-Versionen nutzen SMB direkt auf dem TCP-Port 445

3. Kennenlernen Beispiel - Plattform a. Lerninhalte 10 Klasse: STT und ITSEL

Office: Word, Editor

Zahlensysteme: Dualzahlen umwandeln, addieren und subtrahieren, Multiplikation und Division.

http://www-i1.informatik.rwth-aachen.de/infoki/Mathe5k/StellenwertsystemeErkl.pdf

Hex-, Binär- und BCD-Code Siehe Fachkundebuch und Rechenbuch



https://www.rz.uni-osnabrueck.de/Dienste/Internet/Virtuelle_WWW_Server/Upload/windows7.htm

https://www.rz.uni-osnabrueck.de/Dienste/Internet/Virtuelle_WWW_Server/Upload/windows7.htm

https://de.wikipedia.org/wiki/NetBIOS_over_TCP/IP

https://de.wikipedia.org/wiki/Port_(Protokoll)

https://de.wikipedia.org/wiki/Datenkapselung_(Netzwerktechnik)

https://de.wikipedia.org/wiki/Namensaufl%C3%B6sung

https://de.wikipedia.org/wiki/Windows_Internet_Naming_Service

https://de.wikipedia.org/wiki/Broadcast





Diode

b. Ausstattung Lehrmittel der Schüler

Bücher Die Bücher können nach Rücksprache mit dem Lehrer ausgeliehen werden.

Arduino Uno /YUN

Eigenes Notebook ist empfehlenswert.

Software Siehe Download…





4. DIN 19226: Steuern und Regeln

Zeichnen und beschriften Sie den Regelkreis mit den zugehörigen Komponenten, Begriffen und Einheiten.

Solldrehzahl

Sollwert

Ist –Wert, Ist -Drehzahl

Lösungsvorschlag:

YR = Energiestrom f. Frequenzumrichter

Y= variabel Frequenz und damit variablen Strom

X = (Ist=>Soll, dann ideal)-Drehzahl

W= Spanngung Potentiometer entspricht Drehzahl n

r = Rückführungsgröße ist Drehzahl, z.B. Tachospannung

e = w-r (Soll-Drehzahl minus Ist-Drehzahl)

z = Drehzahl sinkt durch Belastung.

Regelstrecke: Motor mit Umsetzer

Motor

mit Umrichter









a. Steuern

Unter „Steuern“ versteht man …“einen Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen

b. Regeln

Regeln… ist ein Vorgang, bei dem eine Größe, die zu regelnde Größe, Regelgröße, fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, vergleichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße x im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich beeinflusst.

c. Komponenten und Größen im Regelkreis

Beispiel: Motorsteuerung Drehzahl Damit beim Motor unter Last die Drehzahl konstant bleibt, muss das Drehmoment angepasst werden. Dies geschieht durch die Steuerung der Zufuhr des Stromes. Je höher der Strom desto höher das Drehmoment, desto höher die Drehzahl. Die Steuerung geschieht durch ein vorgeschaltetes Stromventil. Das Ventil wird bei Bedarf auf- und zugefahren. Dazu benötigt er Informationen.

Beispiel: Fräsen Der Motor hat für den Fräsvorgang eine vorgegebene Drehzahl. Diese wird voreingestellt und ist die Solldrehzahl ns. An der Motorwelle kann die tatsächliche Drehzahl ni, Ist-Drehzahl gemessen werden. Die erfolgt z.B. mit einem Tachogenerator, der eine Spannung proportional zur Drehzahl erzeugt. Werden nun die Soll-Drehzahl und die Ist-Drehzahl als Spannung abgebildet lassen sich die Spannungen vergleichen, subtrahieren. n = 0 U = 0V; nmax U =10V Die resultierende Spanungsdifferenz steuern das Stromventil und damit die Drehzahl des Motors.

Merke: Regeln

Regeln geschieht in einem ständigen Kreisprozess:

Messen der Drehzahl

Vergleich der Soll- und Ist-Drehzahl

Verstellen des Stromventils zum Angleichen der Ist-Drehzahl an die Soll-Drehzahl.

Messen der Ist-Drehzahl usw.

Erklärung der Komponenten und Größen eines Regelkreises. Bespiel: Regelstrecke: Der Umsetzer mit Antriebsmotor ist die Regelstrecke, die Drehzahl die Regelgröße.

Regelgröße x – Ist-Wert Die Regelgröße x (Ist-Wert) soll dem Sollwert der Solldrehzahl, auch bei Störungen, entsprechen und daran angepasst werden.

Führungsgröße w Die Führungsgröße w, die Soll-Drehzahl entspricht einem bestimmten Spannungswert (0-10V). Dieser wird z.B. mit einem Potentiometer eingestellt. Daraus resultiert die Drehzahl (0-3000 1/min) Die Führungsgröße bestimmt den Sollwert.

Rückführungsgröße r Sie resultiert durch Messung der Regelgröße am Ausgang der Regelstrecke, dem Ist-Wert. Dieser mit dem Tachogenerator ermittelte Wert, die Drehzahl muss an die Spannung der Führungsgröße (0-10V) für den Vergleich angepasst werden.

Stellglied Ist der Regelstrecke x (Solldrehzahl) vorgeschaltet und verstellt in Abhängigkeit der Stellgröße YR, (Frequenzumrichter) den Energiefluß (Frequenz/Strom) der Regelstrecke.

Stellgröße y Ist der Energiestrom, der dosiert vom Stellglied der Regelstrecke zugeführt wird.

Regeldifferenz e Ergibt sich aus der Differenz Führungsgroße w und Rückführungsgröße r: e = w-r Der Wert sollte im abgestimmten Kreis 0 sein.

Regler Er hat 2 Funktionen die Bildung und Verstärkung der Regeldifferenz e. Der Verstärker kann aus verschieden Kombinationen bestehen (I, PD-Glied, siehe OP. Er liefert das Ausgangssignal, Stellgröße YR, (Frequenzumrichter) für das Stellglied.

Störgröße z Sie kann auf alle Komponenten einwirken, hauptsächlich sind es Belastungsschwankungen, Leerlauf Bearbeitung.





In unseren Beispielen beschränken wir uns auf den Begriff Steuerung!

Zeichnen und beschriften Sie den Regelkreis mit den zugehörigen Komponenten, Begriffen und Einheiten.

Lösungshilfe: YR = Energiestrom f. Frequenzumrichter

Y= variabel Frequenz und damit variablen Strom

X = (Ist=>Soll, dann ideal)-Drehzahl

W= Spanngung Potentiometer entspricht Drehzahl n

r = Rückführungsgröße ist Drehzahl, z.B.

Tachospannung

e = w-r (Soll-Drehzahl minus Ist-Drehzahl)

z = Drehzahl sinkt durch Belastung.

Regelstrecke: Motor mit Umsetzer

Nennen Sie 4 Beispiele für Regelstrecken, Regelgrößen und Stellglieder.

Zeichnen Sie den vollständigen Regelkreis für ein Beispiel. FK. 15.5,1, S.569

Nennen Sie wichtige regeltechnische Größen.





Ausgangssituation – Projekt – Steuerkomponenten – E4.0 Ampel

5. Mikrocontroller – Assemblerprogrammierung – „C“ Was ist ein Mikrocontroller - Mikroprozessor http://www.arduino-tutorial.de/grundlagen/ http://www.mikrocontroller.net/part/ATMEGA328 http://www.mouser.de/ProductDetail/Atmel/ATMEGA328-PU/?qs=lwdSMh1%2FoYJT8tfItQpQtA%3D%3D https://de.wikipedia.org/wiki/Atmel_AVR

a. AVR – Mikrocontroller Familie Atmega 8

Atmel Corporation ist ein US-amerikanischer Hersteller von Integrierten Schaltungen mit Sitz in San Jose, Kalifornien. Bei der AVR-Mikrocontroller Familie von Atmel handelt es sich um ein 8 Bit Mikrocontroller mit RISC-Architektur für die unterschiedlichsten Anwendungen. Schon bei der Entwicklung der AVR Mikrocontroller hat Atmel sehr eng mit den Herstellern von Hochsprachen zusammengearbeitet, um die Architektur und den Befehlssatz für den kompilierten C-Code so effizient wie möglich zu machen. Die verschiedenen Typen der AVR –Familie unterscheiden sich in

der Größe des Programmspeichers (Flash),

Größe des EEPROM Datenspeichers,

Größe des internen SRAM Datenspeichers,

der Anzahl der Ports und der implementierten Peripherie, wie Analog / Digital – Wandler, UART usw.

https://de.wikipedia.org/wiki/Atmel



http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial#Was_ist_ein_Mikrocontroller.3F

http://www.arduino-tutorial.de/grundlagen/

http://www.mikrocontroller.net/part/ATMEGA328

http://www.mouser.de/ProductDetail/Atmel/ATMEGA328-PU/?qs=lwdSMh1%2FoYJT8tfItQpQtA%3D%3D

http://www.mouser.de/ProductDetail/Atmel/ATMEGA328-PU/?qs=lwdSMh1%2FoYJT8tfItQpQtA%3D%3D

https://de.wikipedia.org/wiki/Atmel_AVR

https://de.wikipedia.org/wiki/Atmel



6. Interne Architektur und Funktionseinheiten

a. Vergleich Neumann - Harvard

Während 95% aller Rechenanlagen (PCs) nach dem Neumann-Prinzip arbeiten, sind Mikrocontroller oft nach dem Harvard-Prinzip aufgebaut: Daten- und Programmspeicher werden getrennt und über voneinander unabhängige Bussysteme miteinander verbunden. Diese beiden Bussysteme sind beim PIC in unterschiedlichen Breiten ausgeführt.

Der Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass die CPU auf Daten- und Programmspeicher gleichzeitig zugreifen kann.

Erörtern Sie die beiden Prinzipien in der Gruppe und beschreiben Sie anschließend die beiden Konzepte. Markieren sie im Datenblatt Atmega, Blockdiagramm die CPU und die Speicher.

Neumann-Prinzip:

Programm- und Datenspeicher sind kombiniert.(PC)

Harvard-Prinzip: (PIC) Programm- und Datenspeicher sind getrennt mit der CPU verbunden, Busbandbreite unterschiedlich Daraus resultieren kürzere Zugriffszeiten bei der Abarbeitung von Befehlen. (11.10.2011)

http://www.sprut.de/electronic/pic/grund/grund.htm#programmspeicher

Beschreiben Sie mögliche Vorteile des Harvard-Prinzips. Die CPU kann gleichzeitig auf den Daten- und den Programmspeicher zugreifen.





b. Blockdiagramm Prüfung IHK PIC 16F88

Beschreibung, siehe Tabellenbuch Westermann!





c. ATmega48PA/88PA/168PA/328P Block Diagramm

https://en.wikipedia.org/wiki/ATmega328

Fast alle Ports des AVR Controller Atmega 32 verfügen über mehrere Funktionen. Die Funktionen werden über verschiedene Register gesteuert. Es gibt im Prinzip 5 verschieden Funktionstypen. Diese sind im Blockschaltbild und im Gehäuse farblich gekennzeichnet.

Funktionsbeschreibung

Jeder Port oder Pin kann bei der Atmega-Familie unterschiedlich genutzt werden. Alle Ports können Inputs oder Outputs sein. Wie beim Gehäuse zu sehen ist, werden immer 8 Pins (Anschlüsse) zu einem Port zusammengefasst. Somit verfügt der Atmega 32 über 4 Ports (PB, PD, PA, PC) mit 32 Pins (Anschlüsse). Die Funktionsbeschreibung ist nur ein kleiner Überblick. Die detaillierte Beschreibung der Funktionen ist in einem 350 seitigen Datenblatt zu finden.

a. Beschreibung der Funktionsblöcke Gehäuse:



https://en.wikipedia.org/wiki/ATmega328



Ordnen Sie die PINs den Funktionsblöcken zu.

1.0 AVR 8 Bit CPU Harvard Architektur 2.0 I/0 Ports 3.0 Timing 4.0 A/D Wandler 5.0 Schnittstellen

Atmega 328

b. Übung Information - Internetrecherche – Datenblätter -

Suchen Sie im Internet nach dem Hersteller und dem zugehörigen Datenblatt (PIC 16F88x) Atmega 328P.

Nennen Sie die internen Speicherarten und die zugehörige Verwendung.

Nennen Sie alle Arten von Busverbindungen und die zugehörige Verwendung.

Nennen Sie alle Komponenten die mit dem Datenbus verbunden sind.

Markieren Sie im Blockdiagram die zugehörigen Komponenten mit den entsprechenden Farben.

Lösungsvorschlag: www1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30487b.pdf

http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010243

Server

Siehe auch Tabellenbuch Westermann, S. 122, S. 444, Binäre Elemente, Kippglieder, FlipFlop

Europa Tabellenbuch, S.86



http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010243



7. Programmspeicher, Arbeitsspeicher, Register, Stack (Flash, EEPROM, RAM, …)

Der Mikrocontroller verfügt über eine sogenannte Harvard-Architektur. Das bedeutet, dass der Speicher für den Programmcode und der Arbeitsspeicher getrennt sind. Dadurch entstehen Vorteile, wie die Tatsache, dass ein Programm sich nicht selber verändern kann und Programmcode und Daten gleichzeitig gelesen werden können.

Blockschaltbild Arduino Atmega Speicher Flash

Der Atmega32 verfügt über einen 32 KByte großen Flashspeicher, in dem die Programme abgelegt werden. Um die Sicherheit der Software zu erhöhen, ist der Speicher in eine Boot Section und eine Application Section aufgeteilt. Dieser Speicher hat eine Lebensdauer von mindestens 10000 Schreib-und Löschzyklen.

Programmspeicher Flash: Programmcode ist permanent!





SRAM Der SRAM des Atmega32ist sozusagen sein Arbeitsspeicher, sollte man den Mikrocontroller mit einem Personal Computer vergleichen wollen. EEPROM Der EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read Only Memory) befindet sich in einem separaten Datenbereich. Siehe Data Memory!

Der EEPROM kann von Programmen genutzt werden, um Daten auch über den Neustart des Controllers hinaus zu speichern.

a. Übung RAM – FLASH - ASCII

Zeichnen Sie den RAM-Ausschnitt von Adresse 100 Hex bis 110 Hex. Berechnen Sie die Anzahl der Register und schreiben Sie an die Adresse 101Hex das ASCII- Zeichen „A“. https://en.wikipedia.org/wiki/ASCII Beschreiben Sie den Arbeitsspeicher ab der Adresse 102 mit dem ASCII – Zeichen für „Hallo“. Hinweis: In C werden die Daten den Datentyp „char“ zugewiesen. LSB = D0, MSB = D7. „A“ ASCII , 0100 0001, 41 hex b) Huhu ab Adr 107hex

Adresse Do D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Zeichen

100 1 0 0 0 0 0 1 x „A“ 41h

101 x x x x x x x x

102 0 0 0 1 0 0 1 x „H“

48hex

103 1 0 0 0 0 1 1 x „a“ 61h

104 0 0 1 1 0 1 1 x „l“ 6Ch

105 0 0 1 1 0 1 1 x „l“

106 1 1 1 1 0 1 1 „o“ 6Fh

107 0 0 0 1 0 0 1 x „H“ 48h

108 1 0 1 0 1 1 1 x „u“ 75h

109 0 0 0 1 0 1 1 x „h“ 68h

10A 1 0 1 0 1 1 1 x „u“ 75h

10B 1 0 0 0 1 1 0 x „1“ 31h

Schülerlösung:


100 0 1 1 0 0 0 1 x „F“ 46 Hex

101 1 0 0 0 0 0 1 x „A“ 41 Hex

102 0 1 0 0 0 0 1 x „B“ 42 Hex

103 1 0 0 1 0 0 1 x „I“ 49 Hex

104 0 1 1 0 0 0 1 x „A“ 41 Hex

105 0 1 1 1 0 0 1 x „N“ 4E Hex


100 1 1 0 0 1 0 1 x „S“



https://en.wikipedia.org/wiki/ASCII



b. General Purpose Register

Der AVR-Mikrocontroller verfügt über 32 8-Bit Arbeitsregister, wobei die oberen 6 nochmal seine gesonderte Rolle spielen. Diese Arbeitsregister zeichnen sich durch einen Taktzyklus Zugriffszeit aus und sind nicht nur über ihren jeweiligen Namen ansprechbar, sondern zudem noch als die ersten 32 Adressen im SRAM verfügbar

53 Hex

101 1 1 0 0 0 0 1 x „U“

55 Hex

102 0 0 0 1 0 0 1 x „C“

43 Hex

103 1 1 0 1 0 0 1 x „K“

4B Hex

104 1 0 1 0 0 0 1 x „E“

45 Hex

105 0 1 0 0 1 0 1 x „R“

52 Hex

106 0 0 1 0 1 0 1 x „T“

54 Hex









c. Stack/ SRAM, LIFO, FIFO

Der Stapelspeicher, Stack wird über den SP (Stack-Pointer) im SRAM initialisiert. Er wird genutzt um Daten zwischen zu speichern und beim Aufruf von Subroutinen die Übergabeparameter sowie die Rücksprungadresse zu speichern. Für die Arbeit mit dem Stack gibt es grundsätzlich zwei Operationen: PUSH und POP. Push schiebt den Inhalt eines Registers auf dem Stack, der SP wird dabei um 1 verringert. Pop holt einen Wert vom Stack und speichert ihn in einem Register, der SP wird dabei um 1 vergrößert. Das Stack wächst also während des Speicherns nach unten. https://de.wikipedia.org/wiki/Stapelspeicher Nennen Sie die Art des Speichers! LIFO oder FIFO. Zeichen Sie einen LIFO Speicher und erklären Sie die Darstellung. LIFO.

FIFO, z.B. Förderband

Skizzieren Sie den Aufbau des Stapelspeichers für folgende Befehle. -PUSH (H), PUSH (e), PUSH (l), PUSH (o) -POP(), POP() -PUSH (W), -POP(), POP()

LIFO, z. B. Bücherstapel

d. Übung LIFO

Erstellen Sie folgende Befehle grafisch als LIFO und FIFO dar. Push(b),push(s), push(z), push(z), pop(), push(a), push(m).

1. Push (B) Push(): Bedeutet das Zeichen in der Klammer wird auf der 2. Push (s) unterst möglichen Stufe im Register gesetzt. 3. Push (Z) Pop(): Bedeutet das zuletzt gesetzte Zeichen im Register wird 4. Pop () aus dem Register gelöscht. 5. Push (z) 6. Push (a) 7. Push (n) 8. Pop () 9. Push (m)

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

n Pop m

a a a a

Z Pop z z z z z

s s s s s s s s

B B B B B B B B B

Bei diesem Speicherprinzip werdern die Daten seriell gespeichert. Das Bedeutet sie werden auf der einen Seite z.B. auf das Förderband gelegt und auf der anderes Seite ausgelesen.



https://de.wikipedia.org/wiki/Stapelspeicher



e. Übung FIFO:

f. Das Statusregister

Das Statusregister ist ein 8-Bit Register, das Informationen zu vorhergegangen arithmetischen Operationen enthält. Anhand dieser Informationen ist es möglich, bedingte Sprünge abhängig von diesen Operationen durchzuführen. https://de.wikipedia.org/wiki/Statusregister

ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss

1 0 1 0 0 1



https://de.wikipedia.org/wiki/Statusregister







g. Interrupts

Interrupts sind Unterbrechungen des normalen Programmflusses, ausgelöst beispielsweise durch einen Benutzer, der eine Tastatur betätigt. Das Hauptprogramm wird in diesem Falle unterbrochen und die Interrupt-Routine abgearbeitet. Interrupts werden generell über das Global Interrupt- Enable -Bit an-und abgeschaltet. Nachdem die Routine abgearbeitet wurde und das Hauptprogramm weiterläuft, wird zunächst mindestens ein Befehl des Hauptprogramms abgearbeitet, bevor wieder in eine Interrupt-Routine gesprungen wird.

8. ALU Rechnerkern (ALU, Steuerwerk, Status, FLAGS, Peripheriemöglichkeiten, …)

ALU Die ALU des Mikrocontrollers bietet 3 verschiedene Arten von Operationen: arithmetische, logische und Bit -Funktionen. Sie verfügt über eine direkte Verbindung zu allen 32 Arbeitsregistern der CPU. Arithmetische Operationen zwischen Registern oder zwischen einem Register und einem Absolutwert werden innerhalb eines Taktzyklus ausgeführt.





9. Reset





a. Übung: Reset Zeitdiagramm.

Zeichnen Sie für VCC, RESET, TIME-OUT INTERNAL RESET ein gemeinsames Zeitdiagramm.

Erklären Sie die Funktion und die Unterschiede der Diagramme 10-2 und 10-3 des POR.

Hardware VCC und Reset starten sofort bei 10-2

Hardware µC startet verzögert gegenüber externer Hardware bei 10-3





10. E/A-Ports (digital, analog, hochohmig, niederohmig)

Anschlüsse Port I/0

Alle Ports/Pins der AVR Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet. DDRx Datenrichtungsregister (Ein / Ausgang), PORT Ausgangsregister, PIN Eingangsadressen

0/1 über Software









b. Pull - Up, Pull - Down





Einige mögliche Ein-/ Ausgangsbeschaltungen für den Port-Pin könnten wie folgt aussehen:

Die Pins von Port B verfügen über integrierte Pull-up-Widerstände, die über das Programm freigegeben bzw. gesperrt werden können. Im Options-Register erfolgt die Freigabe bzw. Sperrung der 8 Pull-up- Widerstände über das RBPU-Bit. Werden die Port-Pins einzeln als Ausgänge (TRISA –Bit =0) programmiert, so werden die Pull-up-Widerstände einzeln automatisch ausgeschaltet. Beim Power-On-Reset sind die Pull-up-Widerstände gesperrt. Wenn die internen Pull-up-Widerstände nicht genutzt werden können - weil z. B. Anschlüsse von Port A genutzt werden-, so sind folgende Beschaltungen für die Eingänge empfehlenswert.

Erklären und zeichnen Sie Eingangs- und Ausgangs Schaltbilder möglicher Portbeschaltungen.

Eingang: Bild1

z.B. Reset extern

Eingang: z.B. optischer

Schalter

Ausgang: z.B. LED

Trisx=0

Die Funktionsweise Bild 1 ist wie folgt:

Wenn der Schalter offen ist, ,,sieht" der PIC-Eingang über den Pull-up-Widerstand, R 5 V. Diesen Zustand erkennt der Contoller PIC oder Atmega als High- Potenzial.

Wenn der Schalter geschlossen ist, ,,sieht" der Eingang 0 V, Low-Potential.

Der Widerstand R verhindert einen Kurzschluss zwischen den 5 V und den 0 V während der Schalter geschlossen wird.

Der Eingang zieht nur wenige μA. Praktische Hilfe: Eingangswiderstand unendlich, „Hochohmig“.

Während des „Schaltens“ entstehen Störungen/Wechselstrom, die durch einen parallel zum Schalter geschalteten Kondensator kompensiert werden, 0V.





c. Übung: EVA - Arduino Zeichnen Sie ein EVA Schaltbild. Verwenden Sie den Arduino, einen Schalter mit Widerstand am Eingang und eine LED mit Vorwiderstand als Ausgang. https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Button

Eingabe Schalter Verarbeitung Ausgabe

S1

LED

1. Schulaufgabe



https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Button



11. Port Lesen/Schreiben





d. PIN Zuordnung Atmega Uno – Pin Mapping

https://www.arduino.cc/en/Hacking/PinMapping168

e. Assembler- und C-Code

12. Hardware - externe Architektur a. EVA- Blockschaltbild

Mikrocontroller zeichnen sich dadurch aus, dass in einem einzigen integrierten Schaltkreis („IC") ein ganzes Computersystem integriert ist. Der Baustein beinhaltet somit die ähnliche Komponente wie ein Computer. Der PIC ist ein programmierbares Ein-Ausgabesystem. Die internen Programme des PIC lesen die Eingänge und steuern die Ausgänge entsprechend der programmierten Anwendung.

Der PIC arbeitet genauso wie ein Computersystem nach dem EVA-Prinzip.





Dies bedeutet:

E - Einlesen von analogen bzw. digitalen Daten über die Eingänge

V - Verarbeiten dieser eingelesenen Daten entsprechend des, vom Anwender, geschriebenen

Programms.

A - Ausgabe von analogen bzw. digitalen Signalen über die entsprechenden Ausgänge, Port

gesteuert durch den PIC.

Betrachten Sie das Blockschaltbild. Ordnen Sie den drei Phasen des EVA-Prinzips Komponenten eines Controllers zu.

E: Eingabe: Port A und B mit Sonderfunktionen Interrupts für z.B. Taster, Sensoren,

V:Verarbeitung: CPU mit Registern (W, Status, FSR), Timer;

Programmspeicher (Flash, Datenspeicher (RAM) und Bus )

A: Ausgabe-Ports. Port A/B zur Ansteuerung von LED, Relais, Treiberbausteine (2803)…)

Beschreiben Sie das EVA-Prinzip?

Verwenden Sie dazu folgende Begriffe (Daten, Signale, Ports, ALU, W-Register)

Daten und Signale werden an den Ports eingelesen. In der ALU z.B. im W-Register mit den für die Aufgabe

notwendigen Befehlen verarbeitet und anschließend die generierten Daten Signale an den entsprechenden PORT Pins

ausgegeben.

Zeichnen Sie ein passendes EVA-Blockschaltbild.

b. Pin Belegung Mikrocontroller

Zeichnen Sie das PDIP 40 Gehäuse des PIC 16F887! ATmega48PA/88PA/168PA/328P

Verwenden Sie zur Suche MSN oder Google: - Suchbegriff : Gehäuse für IC http://www.bing.com/images/search?q=Geh%C3%A4use+f%C3%BCr+IC+dip&qs=n&form=QBIR&scope=images&pq=geh%C3%A4use+f%C3%BCr+ic+dip&sc=0-15&sp=-1&sk=#a http://de.wikipedia.org/wiki/Chipgeh%C3%A4use#Bauformen_f.C3.BCr_Surface_Mounted_Device_.28SMD.29

Beschriften Sie alle PINs mit allen möglichen Bezeichnungen. Achten Sie auf die Gehäusemarkierungen.

Erstellen Sie eine Tabelle mit EXCEL Spaltenüberschriften: PinNr, Kurzbezeichnung, Bedeutung (deutsch), Bedeutung (englisch)



http://www.bing.com/images/search?q=Geh%C3%A4use+f%C3%BCr+IC+dip&qs=n&form=QBIR&scope=images&pq=geh%C3%A4use+f%C3%BCr+ic+dip&sc=0-15&sp=-1&sk=#a

http://www.bing.com/images/search?q=Geh%C3%A4use+f%C3%BCr+IC+dip&qs=n&form=QBIR&scope=images&pq=geh%C3%A4use+f%C3%BCr+ic+dip&sc=0-15&sp=-1&sk=#a

http://de.wikipedia.org/wiki/Chipgeh%C3%A4use#Bauformen_f.C3.BCr_Surface_Mounted_Device_.28SMD.29

http://de.wikipedia.org/wiki/Chipgeh%C3%A4use#Bauformen_f.C3.BCr_Surface_Mounted_Device_.28SMD.29




P (PDIP) (korrekt wäre SP) ist das normale 18-polige DIL-Gehäuse

SO (SOIC) ist ein 18-poliges SMD-Gehäuse zur Oberflächenmontage

SS (SSOP) ist ein 20-poliges besonders schmales SMD-Gehäuse.

Suche: SSOP PIC




http://www.sprut.de/electronic/pic/typen.htm#sp

http://www.sprut.de/electronic/pic/16f84a.jpg

http://www.sprut.de/electronic/pic/typen.htm#so

http://www.sprut.de/electronic/pic/typen.htm#ss



a. Arduino Board – Komponenten

Erklären Sie die Komponenten des Arduino Boards. b. Interface – Programmierschnittstelle

Zeichnen Sie ein Blockschatlbild der Programmierschnittstelle. c. Schaltplan Arduino-Board d. Schaltplan – Peripherie

Zeichnen Sie den Schaltplan. e. Stückliste

Erstellen Sie die zugehörige Stückliste





13. Entwicklungsumgebung für Arduino Uno a. Entwicklungsboards - Arduino und Zubehör

b. http://fritzing.org/download/

c. Fritzing.exe – Steckplatine - Schaltplan - Leiterplatte

d. http://fritzing.org/home/ - z.B. Beispiel - Blink

e. Integrierte Softwareentwicklungsumgebung

f. http://arduino.cc/en/Main/Software

g. http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage

14. Struktogramm - Zustandsdiagramm a. PAP Struktogramm für Assembler und C

b. Lineare Programmierung

c. Schleifen

d. Verzweigungen

e. Unterprogrammtechnik

f. Ereignisse - Interrupt

15. Language Referenz - siehe Reference Arduino a. http://arduino.cc/en/Reference/HomePage

Variables

Constants

Data Types

Strukturen

Arithmetische und logische Operatoren

Funktionen

Bit und Bytes

Interrupts

…siehe 6.a

16. Handlungsplan - E 4.0 - Ereignisgesteuerte Ampel für die Mitarbeiter Beispiel: MySql https://www.youtube.com/watch?v=olUCX1EGIIU

a. Information

Ausgangssituation zum Kundenwunsch

Kundeninformationen – Kundenwunsch

Ziel: Lastenheft - Auftrag formulieren, z.B. Sensorgesteuerte Ampel für die Mitarbeiter



http://fritzing.org/download/

http://fritzing.org/home/

http://arduino.cc/en/Main/Software

http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage

http://arduino.cc/en/Reference/HomePage

https://www.youtube.com/watch?v=olUCX1EGIIU



b. Planung

Werkzeuge für Hardware und Software festlegen

Konkrete zu realisierende Komponenten festlegen(Dokumentation, Schaltplan, Software usw.)

Zeit- und Arbeitsplan

Gruppen

Lernschritte innerhalb des Projektauftrages

Ziel: Pflichten- Inhaltsangabe für die Projektmappe

c. Entscheidung – Auftrag vom Kunden

Ziel: Pflichten- Inhaltsangabe wird durch den Kunden - Lehrer freigegeben!

d. Realisierung – Hard- und Software

Umsetzung des Projektauftrages mithilfe der Entwicklungsumgebungen

Office

Arduino

Fritzing

Dokumentation für den Entwickler – Software und Hardware

Schaltplan. - fritzing

Stückliste. - xls

Programm - c

Dokumentation für den Kunden

Blockschaltbild - docx

Bedienungsanleitung - pdf

Präsentation - ppt

e. Kontrolle

Programmieren und flashen

Funktionsüberprüfung

Debugging, Fehlersuche

f. Bewertung - Kundenübergabe

Inbetriebnahme und Übergabe

Präsentation

Bedienungsanleitung

Kunden - Feedback – Bewertung

17. Übungen g. U1 Erstellen Sie eines Blockschaltbildes mit Word

h. U2 Blink

i. U3 Ton

…





18. Neue mögliche Kundenaufträg3 - siehe Handlungsplan und LF 11-13 Komplexe Lernsituation, z. B. Ampelsteuerung als Projektauftrag mit Lasten-

und Pflichtenheft

Ansteuerung komplexer Peripherie (Aktoren, Sensoren, Displays, Schnittstellen (I2C, seriell, parallel, Schrittmotoren, …)

Geschachtelte (Zeit-)Schleifen (kopf- und fußgesteuert)

Unterprogrammtechnik

Bitbefehle (Bytevergleich)

Adressierungsarten

Erweiterung mit Shields

Kommunikation Arduino - Arduino

Anschluss der Hardware -Simatic???

Anschluss der Hardware -Netzwerktechnik???

19. Quellen Datenblatt http://www.atmel.com/Images/doc8161.pdf



http://www.atmel.com/Images/doc8161.pdf

Documents

Inhaltit.bszam.de/18/11esy/18esy11.pdf · Vergleich Neumann - Harvard ... Die Regelgröße x (Ist-Wert) soll dem Sollwert der Solldrehzahl, , entsprechen und daran angepasst werden