Mikroprozessortechnik II

Es wird einmalig beim Start des Programms (Reset, Einschalten der Betriebsspannung) aufgerufen und in ihr werden i.a. Setup-Parameter und andere Grundeinstellungen festgelegt

Es ist das eigentliche C-Main-Programm, das in einer Endlosschleife ausgeführt wird.
Hierin wird also das Anwendungsprogramm programmiert (entspricht also der ´main()´-Funktion in C).
Hier ist keine alles umschließende while(1)-Schleife notwendig !

Der korrekte Ablauf bzw. Aufruf der beiden Funktionen wird automatisch vom Compiler gesteuert und darum braucht sich der Anwender nicht weiter zu kümmern.

#inlcude-Anweisungen
Globale Variablen
void setup()
}
{
void loop()
{
}
Selbstgeschriebene Funktionen

• Es gibt den Datentyp ´boolean´ mit zwei Wertezuständen.

• ´byte´ ≡ ´unsigned char´

• ´word´ ≡ ´unsigned int´

• ´double´ ≡ ist bei einigen Boards identisch mit ´float´, bei anderen aber wirklich auch echtes ´double float´.

Umsetzzeit:

Zeit zwischen dem anlegen der Analogspannung bzw. zwischen dem Startimpuls zum Wandekbeginn und der Ausgabe des Datenwortes.
Je nach angewendetem Wandlerverfahren ist

1. die Umsetzzeit unabhängig von der Höhe der gerade anliegenden Analogleingangsspannung oder
2. die Umsetzzeit abhänig von der gerade anliegenden Analogeingangsspannung

Bei diesem C-Compiler können auch Bereiche angegeben werden:

switch (i)
{

case 34 ... 78: k=45;
                          break;

case 145 ... 112: k=78;
                              break;

}

Beachten:

• Vor und nach den drei Punkten muss ein Leerzeichen stehen.
• Die Bereiche dürfen sich nicht überlappen.
• Der erste Wert muss nicht kleiner sein als der zweite Wert.

Umsetzgeschwinigigkeit:

Sie gibt die Zeit der Umsetzung pro Sekunde an.
 

Die Umwandlung einer analogen Einspannungsspannung in einen Zahlenwert durch einen A/D-Wandler geschieht immer näherungsweise, da ein A/D-Wandler nut einzelne Spannungsstufen bzw. Vielfach der Spannungsstufe erkennen und umsetzen kann.

Direkte und indirekte Wandlerverfahren

1. Parallel-Wandlung
2. Wägeverfahren
3. Zählverfahren

Ermittlung des Ergbnisses "sofort", durch direkten Vergleich, in einem Schritt:

• Parallel-Wandler (Flash-Wandler)
• Halb-Parallel-Wandler (Parallel-Seriell-Wandler)

Direkte Ermittlung des Wandelergbnisse durch stufen- bzw. schrittweise Annäherung

• Stufenumsetzer (Kompensationsverfahren)
• Stufenumsetzer mit Zweirichtungszähler
• Serieller A/D-Wandler

• Direkte Programmierung auf SFR-Ebene

Hierbei programmiert man alles selber unter direktem Zugriff auf die SFR des µCs.

Das setzt allerdings ein intensives Studium (und Verständnis) des zugehörigen µC-Datenblattes voraus: Datenblatt der SAM D21erFamilie: 1202 Seiten (!!!).

So lassen sich allerdings super-optimale Programme erstellen, die mit maximaler Geschwindigkeit ablaufen.

Weiterhin können bzw. müssen so Funktionen erstellt werden, die es in der Arduino-IDE bzw. in externen Bibliotheken (noch) nicht gibt.

• Programmerstellung unter Verwendung der vielfältigen Arduino-Bibliotheken

Zu fast allen Problemstellungen gibt es bereits fertige Arduino-Funktionen in der Arduino-IDE bzw. in extern zubindbaren Funktionsbibliotheken.

Diese kann man einfach in seinem ´C´-Programm verwenden und arbeitet so dann „nur“ mit den fertigen komfortablen Bibliotheksfunktionen.
Mit der direkten SFR-Programmierung (auf der unmittelbaren HardwareEbene) hat man dann gar nichts mehr zu tun.

Die so erstellten Programm laufen dann (vielleicht) unwesentlich langsamer ab als bei der direkten Programmierung gem. Punkt 1.

Das ist aber in vielen Fällen absolut vernachlässigbar !

• Programmerstellung durch eine Mischung von 1. und 2.

In diesem Fall erstellt man wesentliche Teile des Programms durch Anwendung der komfortablen fertigen Funktionen und nur äußerst zeitkritische oder neue, (noch) nicht vorhandene, Funktionen werden durch direkte Programmierung auf der SFR-Ebene erstellt.

Auswertung einer Zwischengröße

• Ermittlung des Wandelergbnisses durch eine Spannungs-Frequenz-Umsetzung
  • U/f-Wandler (VFC)
• Ermittlung des Wandelergbnisses durch eine Spannungs-Zeit-Umsetzung:
  • Ein-Rampen-Verfahren (Sägezahn-Verfahren)
  • Zwei-Rampen-Verfahren (Dual-Slope-Verfahren)
  • Vier-Rampen-Verfahren

1. Grundlage: der analoge Spannungskomperator
2. Schnellstes A/D-Wandler-Konzept
   • z.B AD 9002: 8Bit, 150MSamples/sec -> 6,7ns/Wandlung
3. Die Umsetzzeit ist unabhänig von der Höhe der Eingangsspannung
4. Dieses verfahren ist das aufwendigsten Wandlerverfahren: Für jeden möglichen binären Ausgangscode ist ein eigener Spannungskmparator notwendig!
   • Also insgesamt immer:
     • (2ⁿ-1) Komperatoren
     • 2ⁿ hochpräzise Widerstände

n=8      255 Mal
n=10 1023 Mal   Komparator und Widerstand
n=12 4095 Mal

die heutige Integrationstechnik läßt bisher jedoch nur n=8...12 zu.

5. Es ist das teuerste Wandlerverfahren

6. Anwendungen: Systeme mit hohe Anforderungen wie Radarsysteme, Digital Radio und Digitale Signalverarbeitung

1. Die Bits des Datenwortes werden nacheinander gesetzt, vom MSB angefangen und dann verglichen, ob die Eingangsspannung größer oder kleiner ist. Wenn die Spannung kleiner ist, wird das Bit wieder zurückgesetzt und das nächste Bit wird gesetzt (MSB-1, MSB-2, etc)
2. Der Umsetzvorgang ist somit genau nach n Schritten abgeschlossen (n = Auflösung des AD-Wandlers)
   Die Wandlungszeit ist also immer gleich und nicht abhängig von der Größe der Eingangsspannung.
3. Das Wägeverfahren ist daher besonders gut geeignet für den Einsatz mit Eingangs-MUX-Schalter (Meßsysteme), da hierbei dann für jeden einzelnen Kanal die Umsetzzeit gleich groß ist.
4. Dieses Verfahren ist ein sehr schnelles Verfahren:
   • Umsetzzeit = n * t_TAKT = n * 1/f_TAKT
5. Das Wandlungsergebnis kann auch, ohne großen Aufwand, sehr gut seriell ausgegeben (übertragen) werden, da ja die einzelnen Bits, vom MSB beginnend, nacheinander ermittelt werden und somit schon während der Wandlung zur Verfügung stehen.

Funktion

Zunächst wird eine zeitlinear ansteigende Sägezahnspannung Us erzeugt. Erreicht die Sägezahnspannung Us zum Zeitpunkt t1 die Spannung 0 V so gibt die Komparatorschaltung 2 ein High-Signal U2 an die nachgeschaltete EXOR-Schaltung. Dieses Signal U2 bleibt solange auf High, wie die Sägezahnspannung >0 V ist. Da U1 zu diesem Zeitpunkt noch auf Low liegt, wird das nachfolgende Tor (ANDGatter) durch die Spannung U3 geöffnet und die vom Impulsgeber permanent erzeugten (konstanten) Zeitimpulse gelangen auf den Zähler und werden dort gezählt.

Steigt die Sägezahnspannung nun weiter an, so wird zum Zeitpunkt t2 Spannungsgleichheit zwischen der Sägezahnspannung Us und der zu messenden Spannung Uein erreicht. Der Komparator 1 liefert dann ebenfalls ein High-Spannungssignal U1 an die EXORSchaltung. Dieses Signal schließt dann das Tor, der Zähler erhält keine Zählimpulse mehr und der Messvorgang ist abgeschlossen.

Genauigkeit

Die Genauigkeit des Ergebnisses hängt von der Linearität des Sägezahngenerators und der Konstanz des Taktgenerators ab: je höher man z.B. die Taktfrequenz macht, desto genauer ist die Zeitmessung und desto genauer ist die Spannungsmessung

Problem:

die Linearität der Sägezahnspannung hängt demnach von der zeitlichen Konstanz der Gleichspannung U0 und der Konstanz der Bauelementwerte für R und C ab
---> Solche Wandlersysteme weisen hohe Temperatur- und Langzeitdriften auf.
Verbesserung dieses Verhaltens durch das so genannte Dual Slope-Verfahren.

Maximal erreichbare Auflösung: 12 Bit

Wandlungszeit:

Es kann keine konstante Wandlungszeit angegeben werden: je höher die zu messende Eingangsspannung ist, desto größer ist die benötigte Zeit für eine Wandlung.

Die Datenübertragungsrate dieser seriellen Schnittstelle (über die USB-Buchse zum Monitor) ist zwar fest auf 1.200 Bd. eingestellt und kann NICHT geändert werden, auch nicht durch Aufruf der entsprechenden Schnittstellen-Parametrierungsfunktion.

Allerdings MUSS aus Kompatibilitätsgründen im setup-Teil des Sketches immer die Baudrate auf 9.600 Bd. eingestellt werden, ebenso beim Seriellen Monitor selber.

• \n

• \t

   

So gibt es dann auch keinen Befehl zu LÖSCHEN des Bildschirms.
Einziger Trick: man schreibt sich eine Funktion, die eine gewisse Anzahl von Leerzeilen hintereinander ausgibt und so für einen „leeren“ Bildschirm sorgt.

3,3V

pinMode(6, OUTPUT); => Pin 6 ist ein Ausgang

pinMode(4, OUTPUT); => Pin 4 ist ein Eingang

digitalWrite(6, HIGH); => Ausgang 6 wird eingeschaltet

digitalWrite(4, LOW); => Ausgang 4 wird ausgeschaltet