Ein digitales Thermometer oder rede I2C mit deinem Microcontroller
ArticleCategory: [Choose a category, do not translate
this]
Hardware
AuthorImage:[Here we need a little image from
you]
![[Photo of the Author]](../../common/images/Guido-S.gif)
TranslationInfo:[Author + translation history. mailto: or
http://homepage]
original in en Guido Socher
en to de Guido Socher
AboutTheAuthor:[A small biography about the author]
Guido mag Linux weil es ein wirklich gutes System ist um eigene Hardware
zu entwickeln
Abstract:[Here you write a little summary]
Der Atmega8 Microcontroller von Atmel hat jede Menge digitale und analoge
Ein-/Ausg�nge. Es ist das ideale Bauteil um Me�elektronik zu entwickeln.
In diesem Artikel werden wir sehen wie man einen Microcontroller mit einem
Linux PC �ber eine physikalische RS232 Schnittstelle verbinden kann, ohne
aufwendige Adapterschaltungen wie den MAX232 Chip zu benutzen.
ArticleIllustration:[This is the title picture for your
article]
![[Illustration]](../../common/images2/article365/title_365.jpg)
ArticleBody:[The article body]
Einf�hrung
Eine Voraussetzung f�r diesen Artikel ist,
da� du die GCC AVR Programmierumgebung, wie in den dem Artikel
"Programmieren eines
AVR Microcontrollers mit GCC, libc 1.0.4" beschrieben,
installiert hast. Nat�rlich kannst du, um �rger bei der
Installation zu vermeiden, auch die "AVR programming CD" von
http://shop.tuxgraphics.org/
benutzen. 
Wenn man so ein enorm m�chtiges Bauteil wie einen Microcontroller
benutzt, um analoge oder digitale Signale zu messen, dann m�chte
man nat�rlich Schnittstellen zum Auswerten haben und Befehle an
den Microcontroller schicken k�nnen. In allen vorangegangenen
Artikeln haben wir immer die RS232 Schnittstelle mit einem UART
zur Kommunikation benutzt. Der Nachteil ist hierbei, da� man
einen zus�tzlichen MAX232 Chip und 4 Kondensatoren braucht. Atmel
schl�gt sogar vor, da� man einen externen Quarz f�r den
Oszillator benutzen soll damit die UART Kommunikation zuverl�ssig
funktioniert. In jeden Fall sind das eine Menge extra
Bauteile.... und diese kann man vermeiden!
Die Menge an Daten, die zwischen PC und Microcontroller
�bertragen werden m�ssen ist normalerweise klein (nur einige
Bytes). Die �bertragungsgeschwindigkeit spielt daher praktisch
keine Rolle. Das macht den I2C Bus attraktiv f�r diese
Aufgabe.
I2C (ausgesprochen "ei-squ�r-sie") ist ein bidirektionales
Kommunikationssystem mit nur zwei Dr�hten. Es wurden von Philips
entwickelt und sie haben sich den Namen sch�tzen lassen. Daher
nennen es andere Hersteller nicht I2C. Bei Atmel hei�t es TWI ("two
wire interface").
Viele von euch benutzen m�glicherweise I2C in ihrem PC ohne es zu
wissen. Alle modernen Motherboards haben einen I2C-Bus um
Temperatursensoren, L�ftergeschwingigkeit, verf�gbaren
Speicher... und alle m�glichen anderen Daten zu lesen. Dieser
I2C-Bus ist leider am normalen PC nicht nach au�en gef�hrt (es
gibt au�en keine physikalischen Anschlu� daf�r). Wir m�ssen uns
deshalb etwas neues �berlegen.
Erst wollen wir aber sehen, wie das "two wire interface" (=TWI =
anderer Name f�r I2C) funktioniert.
Wie I2C/TWI funktioniert
Das Datenblatt des Atmega8 (siehe
unten) hat eine sehr detaillierte Beschreibung, die auf Seite 160
beginnt. Ich werde deshalb hier nur einen �berblick geben. Danach
solltest du in der Lage sein, das Datenblatt zu verstehen.
An einem I2C-Bus hat man immer einen "Master" und verschiedene
"Slaves". Die Kommunikation findet zu einem Zeitpunkt immer
zwischen dem Master und genau einem Slave statt. Der Master ist
das Ger�t, das die Kommunikation beginnt und und den Bit-Takt
(clock) kontrolliert. Die zwei Dr�hte des I2C-Bus nennen sich SDA
(Datenleitung) und SCL (Clock line, Taktleitung). Jedes der
Ger�te mu� von einer separaten Stromversorgung (genau wie bei
normaler rs232 Kommunikation) gespeist werden. Die zwei Dr�hte des
Busses sind normalerweise �ber 4.7K Widerst�nde mit der logischen
Eins (+5V f�r 5V ICs) verbunden. Das ergibt eine elektrische
Veroderung zwischen den Ger�ten. Ein Ger�t braucht dann nur die
Leitung auf GND ziehen, wenn es eine 0 �bertragen will oder nichts
machen, wenn es eine 1 senden will.
Der Master beginnt einen Dialog indem er ein Bitmuster, das als
"start condition" gefolgt von der Adresse des Ger�tes das er
ansprechen m�chte, schickt. Jedes Ger�t an dem Bus hat eine
eindeutige 7 Bit Adresse. Danach schickt der Master ein Bit das
anzeigt ob er lesen oder schreiben m�chte. Der Slave (das
angesprochene Ger�t) wird nun best�tigen, da� es den Master
verstanden hat und schickt ein ack-bit (ack wie acknowledge). Mit
anderen Worten wir haben jetzt 9 Datenbits auf dem Bus gesehen (7
Adressbits + read_bit + ack-bit):
| start | 7-bit slave adr | read_data bit | wait for ack | ... data comes here
Was kommt danach?
Als n�chstes k�nnen wir Daten senden oder empfangen. Die Daten
sind immer ein Vielfaches von 8 Bit (1 Byte) und m�ssen durch ein
Ack-Bit best�tigt werden. Es werden also immer 9 Bit �ber den Bus
geschickt. Wenn die Kommunikation zu ende ist, schickt der Master
ein Bitmuster namens "stop condition". Mit anderen Worten der
Master mu� wissen, wie viele Daten der Slave schicken m�chte. Das
ist aber kein Problem, denn man kann diese Information immer in
den Dialog zwischen Master und Slave mit den Daten �bertragen. In
unserem Fall werden wir z.B. das Null-Byte am Ende eines Strings
benutzen um anzuzeigen, da� der �bertragene String zu ende
ist.
Die Daten auf dem SDA Draht sind immer solange g�ltig wie SCL 1
ist. SDA darf sich also nicht �ndern w�hrend SCL 1 ist:
SDA H -\ /---\ /---\ /---\
L \-----/ \---/ \--------/ \------....
SCL H ----\ /-\ /-\ /-\ /-\ /-\
L \---/ \-----/ \---/ \--/ \--/ \-....
| START | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
Das Beste an diesem Protokoll ist, da� man kein genaues
synchrones Taktsignal braucht. Das Protokoll wird immer noch
funktionieren wenn der Takt etwas wackelt (Jitter).
Genau diese Eigenschaft macht es m�glich, I2C in einer ganz
normalen Benutzerapplikation zu implementieren. Man braucht kein
Kernelmodul oder spezielle Hardware (wie UART). Genial oder?
Die Idee
Wie schon gesagt k�nnen wir den PC internen I2C
Bus nicht benutzen. Stattdessen benutzen wir einfach einige
Leitungen der RS232 Schnittstelle. Unsere
Kommunikationsschnittstelle ist also immer noch RS232 aber wir
brauchen keine MAX232 Hardware, keine Kondensatoren, .... etc
Der schwierige Teil ist nun das I2C Protokoll neu in einer
Linuxapplikation zu implementieren und zu testen. Ich habe daf�r
5 Wochen gebraucht bis es 100%ig funktionierte und du kannst es
einfach kopieren :-). Ich hoffe du erkennst den Wert dieses
Programms, wenn du es benutzt.
Als Anwendung f�r unser neues I2C Protokoll werden wir ein
Thermometer bauen. Du kannst nat�rlich auch irgend etwas anderes
messen oder einfach Lichter ein/aus-schalten. Es ist deine
Entscheidung.
In einem zweiten Artikel werden wir ein LCD-Display hinzuf�gen.
Mit anderen Worten es wird ein Thermometer bei dem man die
Temperatur �ber den Linux PC oder direkt �ber eine Anzeige
ablesen kann. Das Display kommt in einem zweiten Artikel um
diesen hier nicht zu �berladen.
NTCs sind klein, billig und ausreichend genau |
Der Temperatursensor
Es gibt schon fertig kalibrierte
Temperatursensoren (einige von ihnen reden sogar I2C ;-) aber
diese sind recht teuer. NTCs sind viel billiger und fast genauso
gut selbst ohne Kalibrierung. Wenn man sie kalibriert kann man
Genauigkeiten bis hinter dem Dezimalpunkt erreichen.
Ein Problem von NTCs ist ihre Nichtlinearit�t. Es ist aber
eigentlich nur eine Frage der Halbleiterphysik hier die richtige
Formel zu finden und diese nicht lineare Kurve zu korrigieren.
Der Microcontroller ist ein kleiner Computer und mathematische
Operationen sind �berhaupt kein Problem. NTCs sind
temperaturabh�ngige Widerst�nde. Der Widerstandswert R eines NTCs
bei einer gegebenen Temperatur ist:
T oder Tc ist die Temperatur, die wir suchen. Rn ist der
Widerstandswert bei 25'C. Man kann NTCs mit 4.7K, 10K, ...
kaufen. Rn ist dieser Wert.
Die Schaltung
Schaltplan. Klick auf den Plan um eine genauere Ansicht
zu erhalten.
|
Nun haben wir alles um das digitale Thermometer zu bauen.
Wir nehmen zwei NTCs. Einen f�r innen und einen f�r die
Au�entemperatur. Du kannst noch mehr Sensoren anschlie�en.
(conn3, Pin PC2 ist z.B frei). In dem Schaltbild sieht man schon
das LCD-Display. Ich wollte vermeiden, da� f�r den n�chsten
Artikel wieder eine neue Schaltung gebaut werden mu�.
In der Schaltung findet sich eine ein LED. Das kostet nicht viel
und ist sehr n�tzlich zum debuggen. Ich habe es oft benutzt als
ich die I2C State-machine f�r die Kommunikation zwischen PC und
Microcontroller entwickelt habe. Im normalen Betrieb lassen wir
die LED einfach blinken um zu zeigen, da� Messwerte genommen
werden.
Die Schaltung ist ansonsten ganz einfach. Der
Analogdigitalwandler in dem Microcontroller wird benutzt um den
Spannungsabfall an einem NTC zu messen. Dieser wird dann in einen
Temperaturwert �bersetzt.
Der Atmega8 hat verschiedene M�glichkeiten die Referenzspannung
des Analogdigitalwandlers zu w�hlen. Man kann entweder
5V (AVcc) oder einen interen 2.56V Referenz benutzen. F�r die
Innentemperatur brauchen wir einen viel kleineren Bereich. +10'C
bis +40'C sollten ausreichen. Wir nehmen daher hier die 2.56V
Referenz und erhalten die doppelte Genauigkeit, da jetzt 1024
m�gliche digitale Werte auf 0-2.56V verteilt sind. Das ergibt
eine Genauigkeit von 2.5mV (genauer als die meisten digitalen
Voltmeter!).
Der CD Anschlu� an der RS232 Schnittstelle ist ein Eingang und
wir schlie�en ihn daher an die SDA Leitung des I2C Bus an. DTR
und RTS sind Ausg�nge. Wenn der PC Daten-bits auf den Bus gibt,
dann �ndert er einfach DTR. Der I2C Master, hier der Linux PC,
kontrolliert die SCL (Takt) Leitung. Mit anderen Worten SCL ist
ein Ausgang an dem RS232 Anschlu�.
Der 78L05 wird benutzt um eine stabile Stromversorgung und eine
Referenzspannung zu erhalten. Du kannst daher fast jede Art von
Stromversorgung benutzen. DC oder AC zwischen 7.5V ond 12V. 9V
ist eine gute Wahl.
Die Platine erstellen
tuxgraphics.org verkauft alle n�tigen Bauteile zusammen mir
einer ge�tzten Platine. |
Man kann nat�rlich auch die Lochrasterplatine aus dem
vorangegangenen Artikel benutzen. Dazu mu� man die LED auf Pin
11 uml�ten und die neuen Bauteile hinzuf�gen.
Wenn du jedoch eine Schaltung bauen m�chtest, die auch gut
aussieht, dann macht es mehr Sinn eine neue Platine zu �tzen,
denn diese Schaltung ist einfach viel komplexer als die
Testschaltung aus dem ersten Artikel. Nachdem ich Iznogood's
Linuxfocus Artikel �ber gEDA gelesen hatte, beschloss ich dieses
Mal gEDA anstelle von Eagel zu benutzen. gschem, das
Schaltplanzeichenprogramm von gEDA ist sehr gut. Die Bibliothek
der vorhandenen Symbole ist wesentlich kleiner als bei Eagle und
so mu�te ich mein eigenes Symbol f�r den Atmega8 entwerfen, aber
ging erstaunlich einfach. Viel problematischer ist pcb, das
Programm zum Zeichnen der Platine. Wenn man vorher Eagle benutzt
hat wird man zun�chst irritiert sein, da� sich die
Gummibandverbindungen von den Bauteilen entfernen lassen. Um
sicher zu sein, da� das richtige Gummiband an dem richtigen
Bauteil h�ngt mu� man sie von Zeit zu Zeit neu erzeugen
(Connects->Optimize rats-nest). Man sollte sich auch sehr
sicher sein, da� der Schaltplan komplett ist, denn nachtr�glich
�nderungen werden nur halb manuell �bertragen und es einfach
dabei Fehler zu machen. 
Ich benutzte den orangen Layer zum zeichnen. Irgendwie
erzeugten die anderen verf�gbaren Farben einfach keine Ausgabe
beim Drucken. Das Problem ist jedoch, das dieser orange Layer
offenbar auf der Seite liegt, wo die Bauteile sind. Man mu� das
Ergebnis also spiegeln. Letztendlich entschloss ich mich, die
wesentlichen Teile des Layout mit pcb und den Rest mit gimp zu
zeichnen.
Dank shop.tuxgraphics.org brauchst
du nicht mit gef�hrlichen Chemikalien zu hantieren oder in
verschiedenen Gesch�ften nach den richtigen Komponenten suchen.
tuxgraphics verkauft alle Teile, die man f�r diesen Artikel
braucht.
Der Aufbau
Beim Zusammenbau sollte man auf die Teile
achten, bei denen die Polarit�t wichtig ist:
Elektrolytkoindenstoren, Dioden, Z-Dioden, 78L05, LED und
Microcontroller.
Bevor man den Microcontroller in den Sockel steckt sollte man die
Stromversorgung mit einem Me�ger�t testen. Falls diese nicht
funktioniert bekommt man nicht nur falsche Werte, sondern zerst�rt
m�glicherweise auch den Microcontroller. Als n�chstes kann man
die Schaltung an den RS232 Anschlu� des Linux PCs anschlie�en un
mit dem i2c_rs232_pintest Programm die verschiedenen
Signalkombinationen auf den SDA und SCL Anschl�ssen zu testen.
i2c_rs232_pintest -d 1 -c 1
i2c_rs232_pintest -d 0 -c 1
i2c_rs232_pintest -d 1 -c 0
Dieses Programm setzt die Spannungspegel auf den RTS (als SCL
genutzt, Option -c) und DTR (als SDA genutzt, Optio -d) an der
RS232 Schnittstelle. RS232 hat Spannungen von +/- 10V. Hinter den
Z-Dioden sollte man jedoch nur -0.7 f�r eine logische Null und
+4-5V f�r eine logische Eins messen.
Erst wenn diese Tests bestanden sind, sollte man den
Microcontroller in den Sockel setzen.
I2C Kommunikation nutzen.
Lade das linuxI2Ctemp tar.gz
File herunter (siehe Referenzen) und entpacke es. Die I2C
Kommunikation ist in 2 Dateien implementiert:
i2c_avr.c -- die i2c Zustandsmaschine f�r den atmega8
i2c_m.c -- das komplette i2c Protokoll f�r die Linuxseite.
Ich habe dem atmega8 die Slave Adresse "3" gegeben. Um den
String "hello" and den atmega8 zu senden w�rde man folgende C
Funktionen ausf�hren:
address_slave(3,0); // tell the slave that we will send something
i2c_tx_string("hello");
i2cstop(); // release the i2c bus
Auf der Microcontrollerseite w�rde man den String mit
der folgenden Funktion empfangen:
i2c_get_received_data(rec_buf);
Ganz einfach. Das lesen von Daten aus dem Microcontroller
geht �hnlich.
Wie warm ist es?
Um den Code f�r den Microcontroller zu
kompilieren und zu laden, sind die folgenden Befehle n�tig:
make
make load
Um die Programme i2c_rs232_pintest und i2ctemp_linux zu
compilieren tippt man:
make i2c_rs232_pintest
make i2ctemp_linux
... oder man kann die vorkompilierten Versionen aus dem "bin"
Verzeichnis benutzen.
Um Temperaturwerte zu lesen nimmt man einfach:
i2ctemp_linux
... und die Werte f�r Innen- und Au�entemperatur werden auf
den Bildschirm gedruckt. Um diese Daten �ber einen Webserver zur
Verf�gung zu stellen empfehle ich nicht das i2ctemp_linux Programm
direkt vom Webserver aus laufen zu lassen, da es recht langsam ist.
Besser ist es einen cron-Job zu schreiben, der regelm��ig eine
html-Datei erzeugt. Ein Beispiel daf�r findet sich in der README
Datei des linuxI2Ctemp Paketes.
Zusammenfassung
Das I2C Protokoll braucht sehr wenig extra
Hardware und ist optimiert f�r kleine Datenmengen. Das ist genau
das, was wir brauchen, wenn wir Me�daten von dem Microcontroller
lesen. Eine elegante L�sung.
In diesem Artikel lag der Schwerpunkt auf der Hardware. Wenn dir
dieser Artikel gefallen hat, dann schreibe ich noch einen zweiten
Artikel, in dem die Software beschrieben wird. Speziell wie die
Analogdigitalwandlung und die Implementation des I2C Protokolls
funktionieren. In diesem zweiten Artikel kommen auch das LCD
Display und Celsius nach Fahrenheit Konvertierung hinzu.
Referenzen
