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 23.04.2014
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 überwachen und steuern. Da PC's keine herkömmlichen Parallel-Ports mehr haben, stelle ich hier einen Ersatz mit USB oder Bluetooth Schnittstelle 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 ihren PC nicht beschädigen wollen.

Der Zugriff auf die I/O Ports erfolgt über einfache Textbefehle, die seriell übermittelt werden. Es funktioniert daher mit jeder beliebigen Programmiersprache und jedem Betriebssystem, 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=3F

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. Diese gibt es mit vorinstalliertem Bootloader, damit man keinen extra Programmieradapter benötigt.

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

Die Firmware wird vom PC aus mit Befehlen in textueller Form gesteuert. Die Befehle bestehen jeweils aus einem Buchstaben, gefolgt von spezifischen Parametern: Jeder Befehl wird mit einem Zeilenumbruch (\n oder \r\n) beendet.

Die Befehle d, p, o und i können sich wahlweise auf einen einzelnen Pin, einen ganzen Port oder alle Ports gleichzeitig beziehen. Pin-Nummern werden immer als Dezimal-Zahl angegeben, und die Daten sind entweder binär (0/1) oder Hexadezimal.

Digitale Eingänge

Standardmäßig sind alle I/O Pins als Eingang konfiguriert. Die folgenden Beispiele zeigen, wie man Eingänge liest:

Befehl:   iPB7
Antwort: PB7=1

Befehl:   iPA
Antwort: PA=FF

Befehl:   i
Antwort: i=000001FF

Die Hexadezimalzahl bezieht sich auf die Ports DD CC BB AA. Bei größeren Mikrocontrollern ist sie doppelt so lang und bezieht sich auf die Ports HH GG FF EE DD CC BB AA.

Bei den Eingängen kann man optional interne Pull-Up Widerstände einschalten, welche offene I/O Pins auf High ziehen:

Befehl:   pPC0,1
Antwort: Ok

Befehl:   pPC,FF
Antwort: Ok

Befehl:   p,FFFFFFFF
Antwort: Ok

Für jedes gesetzte Bit wird der entsprechende Pull-Up Widerstand eingeschaltet. Für die anderen wird er ausgeschaltet.

Digitale Ausgänge

Zuerst muss man die gewünschten I/O Pins als Ausgang konfigurieren, danach kann man den Pin steuern. Beispiel für einen einzelnen I/O Pin:

Befehl:   dPB4,1
Antwort: Ok
Befehl:   oPB4,1
Antwort: Ok
Befehl:   oPB4,0
Antwort: Ok

Beispiel für einen ganzen Port am Stück (8 Pins):

Befehl:   dPB,FF
Antwort: Ok
Befehl:   oPB,FF
Antwort: Ok
Befehl:   oPB,00
Antwort: Ok

Beispiel für alle Ports auf einmal:

Befehl:   d,FFFFFFFF
Antwort: Ok
Befehl:   o,FFFFFFFF
Antwort: Ok
Befehl:   o,00000000
Antwort: Ok

Beim direction Befehl bewirkt jedes gesetzte Bit, dass der entsprechende Pin als Ausgang konfiguriert wird. Die anderen Pins sind Eingänge. Beim output Befehl bewirkt jedes gesetzte Bit, dass der entsprechende Pin auf High geht, die anderen Pins gehen auf Low.

Die größeren Mikrocontroller mit mehr Ports erwarten längere Hexadezimalzahlen für die Ports HH GG FF EE DD CC BB AA, aber ohne Leerzeichen dazwischen.

Analoge Eingänge

Analoge Eingänge vergleichen die Spannung an einem Pin mit einer einstellbaren Referenzspannung. Das ist zugleich die höchste messbare Spannung. Je nach Mikrocontroller stehen dazu folgende Referenzen zur Verfügung: Das folgende Beispiel wählt VCC als Referenz und liest dann den analogen Eingang 3 ein:

Befehl:   rVCC
Antwort: Ok
Befehl:   a3
Antwort: ADC3=01A3

Das Ergebnis ist eine hexadezimale Zahl, entsprechend dem Messwert der analogen Spannung.

Erweiterte Eingänge

Mit Hilfe von Schieberegistern kann man die Anzahl der Eingänge erweitern. Diese zusätzlichen Eingänge nenne ich "Port X". Sie können mit dem i Befehl abgefragt werden. Je nach Anzahl der Schieberegister antwortet der input Befehl mit unterschiedlich großen Hexadezimal-Zahlen (8-32 Bits). Zum Beispiel:

Befehl:   iPX
Antwort: PX=FFFF

Beispiel zur Abfrage eines einzelnen Pins:

Befehl:   iPX9
Antwort: PX9=1

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

Erweiterte Ausgänge

Mit Hilfe von Schieberegistern kann man die Anzahl der Ausgänge erweitern. Diese zusätzlichen Ausgänge nenne ich "Port Y". Sie können mit dem o Befehl beschrieben werden. Je nach Anzahl der Schieberegister erwartet der output Befehl unterschiedlich große Hexadezimal-Zahlen (8-32 Bits). Zum Beispiel:

Befehl:   oPY,FFFF
Antwort: Ok

Beispiel zum Ändern eines einzelnen Pins:

Befehl:   oPY12,1
Antwort: Ok

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

15 Minuten Programmier-Beispiel

Ich möchte dir 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:

Füge ganz oben in die Datei mainwindow.cpp eine Zeile für die QSerialPort Klasse ein:

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"
#include <QSerialPort>

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 klickst. 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 das Signal clicked() aus. Dadurch wird in der Datei mainwindow.cpp eine leere Funktion mit Namen on_pushButton_clicked() erzeugt, die beim Klick auf den Knopf ausgeführt wird. Fülle die leere Funktion wie folgt aus:

void MainWindow::on_pushButton_clicked()
{
    // Seriellen Port öffnen
    QSerialPort port("COM3");
    port.setBaudRate(QSerialPort::Baud115200);    
    port.open(QIODevice::ReadWrite);

    // Konfiguriere PD2 als Ausgang
    port.write("dPD2,o\n");  
    port.flush();
    
    // Setze PD2 auf High Pegel
    port.write("oPD2,h\n");  
    port.flush();
    
    // Schließe den seriellen Port
    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 deinem Mikrocontroller.

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();

Hier wird maximal eine Sekunde lang auf die Antwort gewartet, 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.