USB I/O Interface mit ATmega168

Projekt Status

Die Firmware läuft sehr stabil und hat alle Features, die ich bislang implementieren wollte. Neue Funktionen sind daher in absehbarer Zeit nicht zu erwarten.

Changelog

1.4.4 19.02.2015
Update documentation.

1.4.3 28.10.2014
Fix for wrong output on Port Y after oPY command with bit number 15-31. The problem did not occur on all gcc versions.

1.4.2 20.09.2014
Changed fuse settings to enable brown-out detection at 2,7V.

1.4.1 23.04.2013
Fixes compiler warnings introduced by new avr-gcc version.

1.4.0 17.03.2014
Added support for more serial ports.

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I/O Schnittstellen Module, seriell mit USB oder Bluetooth

Mit I/O Schnittstellen Modulen kann man elektrische Einrichtungen üerwachen und steuern. Da PC's keine herkömmlichen Parallel-Ports mehr haben, stelle ich hier einen Ersatz mit USB oder Bluetooth vor. Je nach Mikrocontroller erhält man 18 bis 84 steuerbare Anschlüsse. Und mit Hilfe von ein paar billigen Schieberegistern sind noch mehr Leitungen machbar.

Die Bluetooth Variante empfiehlt sich ganz besonders für Hobby-Elektroniker, die nicht riskieren wollen, ihren PC zu beschädigen. Allerdings ist Bluetooth etwas schwieriger zu programmieren, da die drahtose Verbindung weniger zuverlässig arbeitet.

Der Zugriff auf die I/O Ports erfolgt über einfache Textbefehle, so daß keine speziellen Treiber oder Libraries erforderlich sind. Es funktioniert daher mit nahezu jeder beliebigen Programmiersprache und jedem Betriebsystem, wie PC, Smartphones, Tablets, Raspberry Pi, usw.

Der C Compiler zum Programmieren des Mikrocontrollers ist kostenlos für Windows, Linux und Mac OS erhältlich. Die Beispiel App "ioModule" für PC und Smartphones kannst du mit Qt Creator compilieren. Schaue dir auch die Alarmanlage als konkretes Anwendungsbeispiel an.

Download source code, compiled binaries (hex files).

So funktioniert es

Baue eine Verbindung zum I/O Modul auf. Dann sende Befehle in Text-Form und empfangen Antworten auf dieser Verbindung. Zum Testen empfehle ich das Hammer Terminalprogramm oder Cutecom.

Zum Beispiel setzt man so den Pin PC3 auf High:

Sende: oPC3,1
Antwort: Ok

So fraget man den Port D als Hexadezimalzahl ab:

Sende: iPD
Antwort: PD=60

Den vollständigen Befehlssatz findest du weiter unten. Du kannst mehr als 100 Befehle pro Sekunde ausführen.

Voraussetzungen

Alternativ zu "nackten" Mikrocontrollern empfehle ich Arduino Nano sowie AVR Module von Chip45. Sie alle gibt es mit vorinstalliertem Bootloader, damit man keinen extra Programmieradapter benötigt.

Ich habe bei nachgemachten Arduino Nano mit CH340 Chip festgestellt, dass der AVR manchmal Probleme hat, Daten vom USB Anschluss zu empfangen. Diesen Designfehler kann man umgehen, indem man die "Rx" LED entfernt.

Mobile Geräte von Apple unterstützen das Bluetooth SPP Protokoll nicht! Weiche ggf. auf WLAN oder Ethernet aus.

Bildschirmfotos

Test mit einem Terminalprogramm:


Die Beispiel App "ioModule" steuert zwei LEDs an:

Befehlssatz

Digitale I/O

Das Modul wird mit vier Basis-Befehlen gesteuert, nämlich d, p, o und i.

Diese Befehle können sich wahlweise auf eine einzelne I/O Leitung (PB7), einen ganzen Port (PB) oder alle Ports auf einmal beziehen:

PB7 und PB sind hier nur als Beispiel genannt, es funktioniert mit allen Ports genau so. Wenn man alle Ports auf einmal anspricht, muss man je nach AVR Größe mit 8 oder 16-Stelligen Hexadezimal-Zahlen arbeiten, entsprechend den Ports: DDCCBBAA oder HHGGFFEEDDCCBBAA.

Bei Befehlen für einzelne Pins kann man anstelle von 0 und 1 auch Buchstaben verwenden:

Die Befehle d, p und o antworten immer mit "Ok". Der Befehl i antwortet so:

Analoge Eingänge

Je nach Fähigkeiten des Mikrocontrollers stehen folgende Referenzen zur Verfügung:

Beispiel für den r Befehl:

Beim a Befehl gibt man die Nummer des analogen Eingangs (Kanals) an, zum Beispiel:

Erweiterte Eingänge

Mit Hilfe eines Schieberegisters kann man die Anzahl der Eingänge erweitern. Diese zusätzlichen Eingänge nenne ich "Port X". Sie können mit dem i Befehl abgefragt werden:

Je nach Größe des Schieberegisters antwortet der iPX Befehl mit unterschiedlich großen Hexadezimal-Zahlen (8-32 Bits).

Erweiterte Ausgänge

Mit Hilfe eines Schieberegisters kann man die Anzahl der Ausgänge erweitern. Diese zusätzlichen Ausgänge nenne ich "Port Y". Sie können mit dem o Befehl beschrieben werden:

Je nach Größe des Schieberegisters erwartet der oPY Befehl unterschiedlich große Hexadezimal-Zahlen (8-32 Bits). Der aktuelle Zustand von Port Y kann mit dem i Befehl eingelesen werden.

Die Befehle d und p stehen bei erweiterten Eingängen und Ausgängen nicht zur Verfügung!

15 Minuten Programmier-Beispiel

Ich möchte Ihnen zeigen, wie einfach das Modul mit einem selbst geschriebenen PC Programm gesteuert werden kann. Es erfordert nur wenige Minuten.

Vorbereitung der Hardware

Baue dir ein I/O Modul mit USB auf Basis eines Arduino oder Crumb Moduls auf. Am Anschluss PD2 (bzw. D2) soll eine LED mit Vorwiderstand hängen:

               470 Ohm   LED
      D2 o-----[===]-----|>|----| GND

Lade die Firmware mit einem ISP Programmieradapter (oder dem vorinstallierten Bootloader) in den Mikrocontroller, und schließe das Modul an den PC an. Der USB Treiber wird automatisch installiert. Schaue im Gerätemanager von Windows nach, welcher COM-Port dem Gerät zugewiesen wurde. Benutze bei Linux den dmesg Befehl. In meinem Fall ist es "COM3".

Installiere die Qt Creator Entwicklungsumgebung. Damit kannst du schicke Programme für Windows, Linux und Mac in der Sprache C++ entwickeln.

Programmierung

Lege in Qt Creator ein neues Projekt an, wobe du die Vorlage "Anwendung/Qt-Widgets-Anwendung" wählen. Gebe der Anwendung den Namen "test" und klicken dann ein paar mal auf "Weiter", um den Assistenten abzuschließen. Du erhältst folgende Ansicht:

Öffne die Projektdatei test.pro durch Doppelklick und ergänze die folgende Zeile um das Wort "serialport":

    QT += core gui serialport
Öffne das Formular, indem du doppelt auf die Datei mainwindow.ui klicken. Ziehe aus dem Widget Katalog (links) einen "Push Button" in das Formular, etwa so:

Klicke doppelt auf die Beschriftung "PushButton", um den Knopf "Start" zu nennen.

Nun wollen wir festlegen, was beim Klick auf den Knopf passieren soll. Klicke dazu mit der rechten Maustaste auf den Knopf, und dann auf "Slot anzeigen...".

Wähle den Slot clicked() aus. Dadurch wird die Datei mainwindow.cpp im Texteditor angezeigt. Füge ganz oben die Zeile für die QSerialPort Klasse ein:

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"
#include <QSerialPort>
Weiter unten hat Qt Creator automatisch eine leere Funktion mit Namen on_pushButton_clicked() erzeugt. Dort musst du nun Code einfügen, der beim Klick auf den Knopf aufgeführt werden soll. Kopiere von der folgenden Vorlage:
void MainWindow::on_pushButton_clicked()
{
    QSerialPort port("COM3");
    port.setBaudRate(QSerialPort::Baud115200);    
    port.setDataBits(QSerialPort::Data8);
    port.setParity(QSerialPort::NoParity);
    port.setStopBits(QSerialPort::OneStop);
    port.setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl);
    port.open(QIODevice::ReadWrite);

    port.write("dPD2,o\n");  // configure PD2 as output
    port.flush();
    
    port.write("oPD2,h\n");  // set PD2 to high (=5V)
    port.flush();
    
    port.close();
}
Anstelle von "COM3" sollst du den Port angeben, den Windows deinem Modul zugewiesen hat. Darunter muss die richtige Baudrate angegeben werden, entsprechend der Firmware auf ihrer Hardware.

Probiere das Programm aus, indem du Strg-R drückst.

Wenn du auf den Start Knopf klickst, geht die LED am Port D2 an. Zur Übung könntest du noch einen zweiten Knopf hinzufügen, der die LED wieder aus schaltet.

Um die Antwort des Moduls zu lesen, kannst du nach dem flush() dies einfügen:

    QTime time;
    time.start();
    while (!serialPort.canReadLine())
    {
        if (time.elapsed()>1000) {
            break;
        }
        QThread::msleep(10);
        QCoreApplication::processEvents();
    }
    QByteArray response=serialPort.readAll().trimmed();

Die Zeitmessung sorgt dafür, daß maximal eine Sekunde auf Antwort gewartet wird, damit sich das Programm im Fall eines technischen Defektes nicht aufhängt.

Schaue dir die Dokumentation von QSerialPort, sowie ganz allgemein die Einsteiger-Hilfen von Qt an.