Versuch Mikrocontroller PraktikumV4 - htwsaar.de · Der Mikrocontroller ist bereits via RS232 an den PC angeschlossen. Der nachfolgenden Tabelle ist die Beschaltung der Ein- und Ausgänge

Versuch Mikrocontroller-Prüfstand

Assemblerprogrammierung

B.Eng. Ralf-Killian Zäh B.Eng. Dominic Burgio B.Eng. Jannick Morsch

30.10.2013

B.Eng. Jannick Morsch 2 Versuch µC-Prüfstand B.Eng. Dominic Burgio B.Eng. Ralf-Killian Zäh

Inhaltsverzeichnis

1. Zielsetzung und Lernziel ........................................................................................................ 3

2. Voraussetzungen zur Durchführung des Praktikums ............................................................. 4

3.Dokumentation der Praktikumsdurchführung ......................................................................... 4

4 Versuchsdurchführung ............................................................................................................ 5

4.1 Versuchsaufbau ................................................................................................................ 5

4.1.1 Ein- und Ausgänge ..................................................................................................... 9

4.2 Aufgabenstellungen ........................................................................................................ 10

4.2.1 Initialisierungsdatei schreiben ................................................................................. 10

4.2.2 Band Links/Rechtslauf ............................................................................................. 11

4.2.3 Bildverarbeitung mit CheckOpti .............................................................................. 12

4.2.4 Schwarz/Weiß Erkennung mit Kamera ................................................................... 25

4.2.5 Qualitätsprüfung ...................................................................................................... 26

5 Allgemeine Hilfe zum Thema Interrupts .............................................................................. 27

6 Anhang .................................................................................................................................. 28


1. Zielsetzung und Lernziel

Wegen dem immer wachsendem Drang nach Perfektion wird die Automatisierung in der heutigen Zeit immer wichtiger. Diese ist für deutsche Lohnverhältnisse unerlässlich. Es werden immer schnellere und bessere Systeme verlangt, die nicht durch die potentielle Gefahr „Mensch“ beeinflusst wird. Eine einfache und kostengünstige Lösung ist die Mikrocontrollertechnik zur Steuerung und Regelung elektrischer Anlagen. Diese finden heutzutage sogar in Wasch- und Kaffeemaschinen Einzug. Um diese Technik im Studium besser zu verinnerlichen wird in diesem Versuchsaufbau eine Teilstrecke einer fiktiven Produktionsstraße verwendet.


2. Voraussetzungen zur Durchführung des Praktikums

Vorbereitung der Versuchsdurchführung

Bevor Sie den Versuchsstand in Betrieb nehmen, vergewissern Sie sich, dass die Druckluft angeschlossen und der Laborkompressor eingeschaltet ist. Ebenso ist zu überprüfen, dass die elektrische Energieversorgung angeschlossen ist. Um die Anlage zu programmieren muss der verwendete Computer mit dem µController über eine RS232 Schnittstelle verbunden sein.

Hilfe bzgl. der Aufgaben

Sie benötigen alle Vorlesungsunterlagen der Mikrocontroller 1 Vorlesung. Als weiter Unterstützung finden Sie im Anhang einige Tabellen und Diagramme, welche Ihnen die Suche in Ihren Unterlagen erleichtert.

Setzen oder Löschen Sie nicht unbedacht die Controllerports, sondern beachten Sie die Tabelle in Kapitel 4.1.1 Ein- und Ausgänge. Es finden sich sowohl Ein- und Ausgänge auf den Ports. Die Ports des Controllers sind direkt mit Aktoren und Sensoren der Teilanlage verbunden.

Verwenden Sie die Befehle „Push“ und „Pop“ in Ihren Unterprogrammen, zur Sicherung des Dateninhalts der Register.

3.Dokumentation der Praktikumsdurchführung

In der anzufertigenden Dokumentation sollte nochmals kurz die Aufgabenstellungen des Praktikums dargestellt werden. Der von Ihnen angefertigte Programmcode sollte mit sinnvollen Kommentaren versehen werden. Die einzelnen Aufgabenstellungen sollten jeweils separat abgegeben werden (Nicht ein Programm für alle Aufgabenstellungen). Desweiteren sollten Sie einen Abschnitt ausarbeiten, in dem Sie den Umgang mit der Bildverarbeitungssoftware (ChekOpti Festo) beschreiben. Ihre Dokumentation sollte ein Kapitel enthalten, in dem Sie Kritik und Vorschläge an den Praktikumsaufgaben, der Praktikumsbeschreibung, Durchführung und Wissensvermittlung ausüben.


4 Versuchsdurchführung

Die Teilanlage in diesem Versuch besteht aus einem Transportband, einem Bildverarbeitungssystem und einem Mikrocontroller. Es wird eine Qualitätsprüfung der Bauteile, welche auf dem Transportband zugeführt werden, durchgeführt.

4.1 Versuchsaufbau

Abbildung 1: Teilanlage Transportband

Auf der Abbildung 1 ist der Versuchsaufbau der Teilstrecke gezeigt.

Das Transportband wird durch einen Gleichstrommotor angetrieben. Die Ansteuerung wird durch die Motorkontrollsteuerung durchgeführt, welche auf Steuersignale, langsam, schnell, rechts und links wartet.

Desweiteren beinhaltet diese Produktionsteilstrecke ein Bedienelement (1), welches ein Start, Stop, Reset und Schlüsselschalter, sowie zwei Leuchten bereitstellt.

Auch ein NOT-AUS-Schalter (2) ist vorhanden der im Programm ebenfalls implementierte werden soll.

Ein Not-Aus-Schalter soll die elektrische Energie des gesamten Systems abschalten, im Gegensatz zu einem Not-Halt, welcher alle Aktoren sofort zum Stillstand bringt.

1 2


Auf Abbildung 2 ist das Bedienelement gekennzeichnet.

Abbildung 2: Bedienelement der Teilstrecke

Das Bedienelement, hat folgende Funktionen:

Die Sortierfunktion der Teilstrecke kann durch den Starttaster eingeschaltet und durch den Stoptaster beendet werden. Desweiteren wird durch den Resettaster eine Fehlermeldung quittiert. Mit dem Schlüsselschalter kann der Einzelzyklus oder Automatikbetrieb angewählt werden. Beim Einzelzyklus wird nur ein einziges Teil überprüft und sortiert. Beim Automatikbetrieb wird die laufende Produktion simuliert und es werden alle Teile, welche in die Anlage eingeschleust werden, kontrolliert und sortiert.


In Abbildung 3 ist die Prüfeinheit, welche die Kamera und eine Lichtschranke beinhaltet.

Abbildung 3: Prüfeinheit

Der Prüfvorgang:

Die zu prüfenden Teile werden über das Transportband (1), zur Prüfstelle (3) befördert.

Die Prüfteile werden durch eine Kamera (2) (Festo SBOI-O-R3C-WB, intelligente Farbkamera siehe Anhang) vermessen und in zwei Gruppen, Gutteile und Schlechtteile, eingeteilt.

Mit Hilfe der Kamera werden auch Livebilder bzw. Videostreams ermöglicht. Diese Funktion wird jedoch in diesem Versuchsaufbau nicht verwendet. Es wird lediglich ein boolescher Rückgabewert erstellt. Dieser Wert ermöglicht es die Prüfung soweit zu vereinfachen, es gibt nur noch Teil in Ordnung (i.O.) oder Teil nicht in Ordnung (n.i.O.).

Der pneumatische Zylinder (4) sortiert alle Teile in zwei Qualitätsgruppen, eine zur Weiterbearbeitung und die andere zur Nachbearbeitung.

Der pneumatische Zylinder wird über ein elektromagnetisches Wegeventil gesteuert.

4

3

1

2


Desweiteren, sind 2 Lichtschranken auf dem Transportband vorhanden, die in Abbildung 4 markiert sind (1, 2).

Abbildung 4: Endlagen

Der Mikrocontroller ist bereits via RS232 an den PC angeschlossen.

Der nachfolgenden Tabelle ist die Beschaltung der Ein- und Ausgänge des Controllers mit den Sensoren und Aktoren des Transportbandes zu entnehmen.

Abbildung 5: Mikrocontrollersystem

1

2


4.1.1 Ein- und Ausgänge

Portbelegung

Ausgänge Eingänge

Pin Beschreibung Pin Beschreibung Defaultwert

PORT1 0 Zylinder ausfahren

1 Zylinder einfahren

2 Lichtschranke Lager voll 1

3 Lichtschranke Kamera 1

4 Reedkontakt Zylinder 0

5 Kamera Trigger

6 Kamera Gutteil -

7 Kamera Schlechtteil -

PORT4 0 Schlüsselschalter 0

1 Leuchte Q1

2 Leuchte Q2

3 Band rechtslauf

4 Band linkslauf

5 Band langsam

6 Band stop

PORT5 0 Kamera Ready -

1 Kamera Error quittieren

2 Lichtschranke Bandende rechts 1

3 Lichtschranke Bandende links 1

4 NotAus

5 Start Taster 0

6 Stop Taster 1

7 Reset Taster 0


4.2 Aufgabenstellungen

4.2.1 Initialisierungsdatei schreiben

Aufgabenbeschreibung:

Schreiben Sie Ihre eigene Initialisierungsdatei, damit Sie eine Übersicht der verwendeten Ein- und Ausgänge haben. Speichern Sie diese Datei in Ihrem Projektpfad und konfigurieren Sie Ihr Programm soweit, dass Sie diese Datei in Ihrem Programm verwenden können.

Verifizieren Sie Ihre Initialisierungsdatei mit Hilfe der Portsignale im „Keil µVision 4“. Aktivieren Sie die Sensoren nacheinander per Hand und überprüfen Sie dabei den Portstatus. Kontrollieren Sie danach die Funktionalität der Aktoren, indem Sie die Ausgänge des µControllers nacheinander setzen, um die Bewegung zu erkennen. Achten Sie darauf KEINE Eingänge zu setzten.

Beantworten Sie in Ihrer Dokumentation die Frage: Warum dürfen keine Eingänge am µController gesetzt werden, an denen Sensoren angeschlossen sind?

Bitte beachten Sie folgende Vorgehensweise zur Erstellung der Initialisierungsdatei:

- Kopieren Sie die Datei „Reg515C.inc“ im Ordner „IniDatei“ auf dem Desktop in Ihr eigenes Verzeichnis und benennen Sie diese Datei in „festo_kamera_projekt.inc“ um.

- Bearbeiten Sie in der Initialisierungsdatei die Ports 1, 4 und 5. Vergeben Sie passende Namen, orientieren Sie sich dabei an der Tabelle 4.1.1 Ein- und Ausgänge.

- Sie können mit den folgenden Befehlen Ihre eigene Initialisierungsdatei in Ihre Quelldatei einbinden:

$NOMOD51 //Registerbelegung des C8051 deaktivieren

$include (festo_kamera_projekt.inc)


4.2.2 Band Links/Rechtslauf

Softwareentwicklung:

Aufgabe 2.1

Entwerfen Sie ein Hauptprogramm das bei Auflegen eines Prüfteils an einer beliebigen Lichtschranke das Band in Richtung der zweiten Lichtschranke laufen lässt. Sobald das Prüfteil die zweite Lichtschranke aktiviert, soll dieses in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden.

Aufgabe 2.2

Erweitern Sie ihr Programm mit den Bedienfeldern (Start, Stopp, Schlüsselschalter).

- Das Transportband soll erst gestartet werden, wenn der Start Taster betätigt wird.

- Das Transportband soll sofort angehalten werden, wenn der Stopp Taster betätigt wird.

- Die Schnelligkeit des Transportbands soll mit dem Schlüsselschalter eingestellt werden. Man (Schnell) Auto (Langsam).


4.2.3 Bildverarbeitung mit CheckOpti

Mit diesem Programm werden Bilder von Musterteilen aufgenommen und die Kamera wird eingelernt. Desweiteren können Prüfteile aufgenommen werden um zu überprüfen, ob der Lernvorgang erfolgreich war.

Starten Sie das CheckOpti-Programm von Festo, es erscheint die Startmaske (Abbildung 6):

Abbildung 6: Startmaske von CheckOpti


Im nächsten Schritt werden die Projekteigenschaften festgelegt (Abbildung 7). Drücken Sie dazu auf die Schaltfläche „Identifiziere SBQ..-Q“:

Abbildung 7: Projekteigenschaften


Klicken Sie auf den „Suchen“ Button um die Kamera im Netzwerk zu finden (Abbildung 8):

Abbildung 8:Suchen der Netzwerkkamera


Wählen Sie die gefundene Kamera aus dem Netzwerk aus, wie in Abbildung 9 gezeigt:

Abbildung 9: Gerätesuche


Es folgt die Eingabe und Bearbeitungsmaske (Abbildung 10):

Abbildung 10: Hauptmaske des CheckOpti Programms


Wählen Sie unter Ansicht den Kommunikations-Manager aus (Abbildung 11):

Abbildung 11: Auswahl des Kommunikationsmanager


Wählen Sie die Option „Musterteile aufzeichnen“ (Abbildung 12). Diese Musterbilder dienen als Referenz der Gutteile bei der Qualitätsprüfung.

Abbildung 12: Musterteile aufzeichnen (Kommunikationsmanager)


Legen Sie nun ein Musterteil unter die Kamera und lösen Sie das Triggersignal aus (Abbildung 13):

Abbildung 13: Kamera ansteuern


Das Konturbild kann zum Kamerabild umgeschaltet werden (Abbildung 14):

Abbildung 14: Umschaltung Kamera-/ Konturbild


Nehmen Sie mehrere Musterteile (1) mit der Kamera auf und fügen Sie beispielsweise einen Helligkeitsfilter (2) ein. Passen Sie nun Schwellwerte zum Unterscheiden von hellen und dunklen Prüfteilen an:

Abbildung 15: Musterteile aufnehmen

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Nachdem die Musterteile aufgenommen wurden, stellen Sie die Option „Prüfteile aufzeichnen“ im Kommunikationsmanager ein (Abbildung 16).

Wenn wiederum Triggersignale an die Kamera gesendet werden, so speichert das Programm alle aufgenommen Teile unter der Kategorie Prüfteile.

Anhand der angewandten Werkzeuge bzw. Filter auf die Musterteile, kann die Kamera zwischen Gutteilen und Schlechtteilen unterscheiden.

Abbildung 16: Prüfteile aufnehmen


Es können beispielsweise auch Kantenfilter auf das Musterbild angewandt werden (Abbildung 17). Dies wird durch die Schaltfläche „neue Kantenfilter einfügen“ (1) ermöglicht.

Die Parameter des Kantenfilter können mit Doppelklick auf den Filter (2) eingestellt werden.

Die Position und Größe (3) des Filters kann bestimmt werden, indem dieser mit Hilfe der Maus verschoben, bzw. aufgezogen wird.

Abbildung 17:Kantenfilter

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Zuletzt müssen Sie Ihr fertiges Prüfprogramm auf die Kamera überspielen. Öffnen Sie dazu den Prüfprogramm Manager (Abbildung 18). Wählen Sie nun die erste Datei im Gerätebildschirm aus, danach Ihr Prüfprogramm im CheckOpti Fenster und klicken auf den Button „Zum Gerät kopieren“ (1).

Abbildung 18: Prüfprogramm auf Kamera hochladen

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4.2.4 Schwarz/Weiß Erkennung mit Kamera

Das Transportband wird durch die Materialzuführung (Lichtschranke) gestartet. Das Band verfährt das zu prüfende Objekt in Richtung Kamera. Bei Erreichen der Prüfstelle wird das Band mittels Signal der Prüflichtschranke gestoppt. An dieser Position wird die Kameraaufnahme mit integrierter Auswertesoftware durch das Triggersignal gestartet. Als Folge der Kameraauswertung können mehrere Szenarien entstehen. Wenn das Bauteil in Ordnung ist läuft das Transportband weiter und befördert das Bauteil zur nächsten Station. Falls das Bauteil nicht in Ordnung ist, wird das Aussortier-Programm ausgeführt.

In dieser Aufgabe soll ein Modul entwickelt werden, mit dessen Hilfe Bauteile in Gut- und Schlechtteile eingeteilt werden. Mit diesem Algorithmus wird entschieden ob das geprüfte Bauteil aussortiert wird oder nicht.

Falls das Bauteil keine Fehler aufweist wird es auf dem Band weiter befördert. Wenn das Bauteil fehlerbehaftet ist wird es durch den Zylinder aussortiert. Dabei muss das Ventil angesteuert werden bis der Reed-Kontakt des Zylinders auslöst. Dieser signalisiert den eingefahrenen Zustand des Zylinders, d.h. das Bauteil wurde soeben aussortiert. Danach wird das Einfahrsignal gelöscht und der Befehl zum Ausfahren gegeben (Grundstellung).

Die Sortierfunktion darf jedoch nur bei schlechten Teilen ausgeführt werden, ebenso muss das Lager der aussortierten Teile auf Füllstand überprüft werden. Die Lichtschranke sendet ein dauerhaftes Nullsignal, wenn das Lager voll ist.

Softwareentwicklung

Schreiben Sie ein Programm, welches ein Prüfteil am Kontrollpunkt auf die Farbe des Bauteils (schwarz und weiß) überprüft. Schwarz soll hierbei als Schlechtteil gelten. Verwenden Sie das Festo Programm „CheckOpti“.

- Lassen Sie anschließend über den Zylinder diese Teile in zwei Gruppen sortieren, eine zur Weiterbearbeitung und die andere zur Nachbearbeitung (Ablage).

- Verwenden Sie für die Lichtschranke unter der Kamera einen Interrupt.

- Lassen Sie alle Teile zum Prüfplatz mit Hilfe des Transportbands fahren.

- Implementieren Sie beide Lichtschranken an den Enden des Transportbands und das Bedienfeld (Start, Stop, Reset). Überlegen Sie sich wofür man den Resetschalter verwenden könnte.


4.2.5 Qualitätsprüfung

Die zu prüfende Bauteile sollen speziell für diesen Aufbau neu in die Kamera eingelernt werden.

Teile in Ordnung (i.O.) Teile nicht in Ordnung (n.i.O.)

Abbildung 19: Zu prüfende Teile

Die Bauteile werden nicht auf Farben kontrolliert, sondern auf den Hülseneinsatz. Dieser muss enthalten und die passende Form haben. D. h. er darf nicht verdreht eingesetzt werden, siehe Bauteil drei der Abbildung 19.

Softwareentwicklung:

Schreiben Sie ein Programm das prüft, ob ein Teil den richtigen Hülseneinsatz enthält. Verwenden Sie für die Bildverarbeitung das Festo Programm „CheckOpti“.

Anforderung an das Assemblerprogramm:

- Lassen Sie alle Teile zum Prüfplatz mit Hilfe des Transportbands fahren.

- Allen Bedienelementen soll eine Funktion im Programm zugewiesen werden (Start, Stopp, Reset, NOT-AUS).

- Verwenden Sie für die Lichtschranke unter der Kamera einen Interrupt.

- Lassen Sie über den Zylinder diese Teile in zwei Gruppen sortieren eine zur Weiterbearbeitung und die andere zur Nachbearbeitung (Ablage).

- Es soll die Möglichkeit der Umschaltung von Manuell (Man) und Automatik (Auto), mittels Schlüsselschalter bestehen. Der manuelle Modus benötigt pro Zyklus ein neues Startsignal, wobei der Automatikmodus ein Teil nach dem anderen überprüft.

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5 Allgemeine Hilfe zum Thema Interrupts Interrupts

Interrupts sind asynchrone Unterbrechungen im Programmablauf. Diese werden beispielsweise durch Timer oder Signaländerungen an Pins ausgelöst.

Interrupt Enable Register / Interrupt Freigabe-Register

Jeder Interrupt kann individuell freigegeben oder gesperrt werden. Bewerkstelligt wird das Freigeben und Sperren über entsprechende Bits in den „Interrupt Enable Register“ IEN0, IEN1, IEN2 oder SCIEN. Das SFR IEN0 beinhaltet darüberhinaus ein Bit (EAL) zum globalen Sperren und Freigeben aller Interruptquellen (EAL = null bedeutet Sperren, EAL = eins bedeutet Freigeben). Das Special Function Register (SFR) IEN0 beinhaltet desweiteren die Bits zum Sperren und Freigeben der externen Interrupteingänge. Die Register INT0 und INT1 , enthalten die Bits zum Sperren und Freigeben der Timerinterrupts und ein Bit für den Interrupt der seriellen Schnittstelle (USART). Nach einem Reset des Kontrollers sind alle Interruptregister wieder auf Defaultstatus, was bedeutet alle Bits die vor dem Reset gesetzt wurden sind wieder null. Das heißt alle Interrupts sind wieder gesperrt und müssen durch einen Initialisierungsvorgang aktiviert werden.


6 Anhang

Abbildung 20: Pinbelegung des C515C


Abbildung 21: Speicherstruktur des Mikrocontrollers C515C


Abbildung 22: Special Function Register (SFR) des C515C Teil1












Interrupt

Abbildung 28: Schematische Darstellung der Interruptmasken (1)






Abbildung 31: Ausschnitt aus dem Specialfunction Register

Weitere Hinweise im Skript ab Seite 71

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