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Application Center MicrocontrollerHochschule MittweidaOptionales Zubehör:- Debug-Tool AVR JTAG ICE mkII (inkl. Adapter) oder Programmer AVR ISP mkII(jeweils mit USB-Anschlusskabel)- SD-Speicherkarte (i. d. R. im Steckplatz der hD2)- Mini-USB-Kabel, Netzwerkkabel- Datensatz zur hD2 (Programm-Bibliotheken, Software-Tools, .)Didaktisches Material (Versuchshandbuch, Programmiermodell, Kompaktinformation zurProgrammierung in Embedded C, .) und der Datensatz zur hD2 kann auf Anforderung vomACMC zur Verfügung gestellt werden.3. Inbetriebnahme der hD2Zum Aufstellen der hD2 dienen die zwei Standfüße auf der Unterseite, welche dem Trainingssystem einen sicheren Stand verleihen. Nach dem Aufklappen des Systems aus demTransportzustand und Anschließen des Steckernetzteils an der dafür vorgesehenen Buchse ander Rückseite ist das Trainingssystem betriebsbereit. Optional kann die Stromversorgung anstelle des Steckernetzteils auch mit Batterien oder Akkus (4 Stück AAA-Zellen), welche indas Batteriefach auf der Unterseite des Systems eingelegt werden, erfolgen.Im Auslieferungszustand der hD2 befindet sich ein Betriebssystem im Flashspeicher des MC.Hinweise zum BetriebssystemBeim Anschließen der hD2, wird als erstes ein Menü angezeigt. Mittels Joystick kann durchdas Menü navigiert werden. Falls innerhalb von 10 Sekunden keine Tasten gedrückt werden,startet eine Slideshow. Dabei werden zufällig Bilder von der SD Karte geladen und auf demDisplay angezeigt. Durch drücken einer beliebigen Taste wird die Slideshow gestoppt undzum Menü zurückgekehrt.Navigation im MenüDurch bewegen des Joysticks nach oben bzw. nach unten können die einzelnen Menüpunkteangewählt werden. Mit der Joysticktaste nach rechts oder der Joystickmitteltaste wird dienächste Menüebene bzw. die hinterlegte Funktion aufgerufen. Die vorige Menüebene wirddurch bewegen des Joysticks nach links aufgerufen. Eine Funktion kann mit der Taste T2 abgebrochen werden. Nach Abbruch der Funktion wird wieder das aktuelle Menü geladen.SlideshowDie Bilddateien für die Slideshow befinden sich auf der SD Karte im Ordner ’Bilder’. DieBitmap Dateien sind in einem benutzerdefinierten Format kodiert. Um auch benutzerspezifische Bilder anzeigen zu können, müssen die Bilder vorher konvertiert werden. Dazu dient dasSoftware-Tool PicConvert.exe, welches die ausgewählten Bilder automatisch konvertiert. Diegewandelten Bilder müssen danach mit einem geeigneten Kartenleser vom PC auf die SDKarte in den Ordner ’Bilder’ kopiert werden.Bedienungsanleitung hD28

Application Center MicrocontrollerHochschule Mittweida4. Möglichkeiten der ProgrammierungProgrammieren fertiger Anwendungsprogramme in den FlashEine Anwendungssoftware für das Target muss als Intel-Hex-File vorliegen. Diese entstehtbeim Assemblieren bzw. Compilieren eigener Programme. Hex-Files fertiger Anwendungsprogramme werden im Webbereich der hD2 zum Download bereitgestellt.Es gibt verschiedene Möglichkeiten fertige Anwendungsprogramme (Hex-Files) in den Programmspeicher (Flash) des Mikrocontrollers zu laden. Mit Hilfe des Betriebssystems, welchesbei Auslieferung der hD2 in einem Teil des Flash-Speichers abgelegt ist, können Programmezum einen per USB und zum anderen von einer SD-Karte in den MC geladen werden. Es istauch möglich, Programme mit externen Hardware-Tools (Programmer, Debugger) in denFlash zu laden.Programmierung mit Hilfe des Betriebssystemsa) Verwendung der USB SchnittstelleBevor ein Programm über USB geladen werden kann, muss die hD2 mit dem PC über einUSB Kabel verbunden werden. Durch Auswahl der Menüpunkte Anwendung laden und anschießend USB wird die Funktion zum Laden von Programmen über USB gestartet. Es erscheint eine Meldung auf dem Display der hD2. Nach Bestätigung der Meldung mit der TasteT1, kann die Programmier-Software hD2 Programmer, welche sich im Datensatz zur hD2befindet, auf dem PC gestartet werden. Nachdem das gewünschte Hex-File ausgewählt wurde,wird die Anwendung vom PC in den Flash des Mikrocontrollers geladen. Wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist, kann entweder die Anwendung mit der Taste T1 ausgeführt oder mitder Taste T2 zum Menü zurückgekehrt werden. Falls die Anwendung gestartet wurde, kanndas Menü nur durch Betätigen der Reset-Taste wieder geladen werden.b) Verwendung der SD-KarteDurch Auswahl der Menüpunkte Anwendung laden und anschließend SD-Karte wird dieFunktion zum Laden von Programmen über SD-Karte gestartet. Die Anwendungen befindensich auf der SD-Karte im Ordner ’Programme’. Diese werden auf dem Display der hD2 angezeigt. Mit dem Joystick nach oben bzw. nach unten können die einzelnen Anwendungen ausgewählt werden. Durch Betätigung der Mitteltaste des Joysticks wird das ausgewählte Programm von der SD-Karte in den Flash geladen. Nachdem das Programm geladen wurde, kannentweder die Anwendung durch Betätigen der Taste T1 gestartet oder mit der Taste T2 zumMenü zurückgekehrt werden. Falls die Anwendung gestartet wurde, kann das Menü nur durchBetätigen der Reset-Taste wieder geladen werden.Um eigene Anwendungen von der SD-Karte zu laden, müssen die Anwendungen vorher konvertiert werden. Dazu dient das Programm Hex2BinConvert.exe, welches sich auf der mitgelieferten CD befindet. Das Programm konvertiert die ausgewählte Datei im Intel Hex Format(Endung .hex) in das Binary Format (Endung .bin). Die neu erstellte Datei muss anschließendBedienungsanleitung hD29

Application Center MicrocontrollerHochschule Mittweidamit einem geeigneten Kartenleser auf die SD-Karte in den Ordner ’Programme’ kopiert werden.Programmierung mit externen Hardware-ToolsAnwendungsprogramme können auch über mitgelieferte Hardware-Tools unter Zuhilfenahmeder in der kostenlosen Entwicklungsumgebung AVR Studio integrierten Programmiersoftwarein den Flash geladen werden (AVR Studio ist im Datensatz zur hD2 enthalten oder über einenDownload bei Atmel verfügbar). Verwendet werden kann der In-System-Programmer AVRISP mkII oder das Debug-Tool AVR JTAG ICE mkII. Mit letzterem besteht neben einer reinenProgrammübertragung auch die Möglichkeit des Debuggens (Hinweise dazu im nächsten Abschnitt).a) Verwendung des AVR ISP mkIIDer In-System-Programmer AVR ISP mkII (Atmel) wird am PDI-Anschluss mit der hD2 verbunden. Die Verbindung zwischen Programmer und PC erfolgt mit dem mitgelieferten USBKabel. Zur Programmübertragung muss die Stromversorgung der hD2 aktiv sein.Bevor ein Programm übertragen werden kann, muss eine Verbindung zwischen Programmiersoftware und Programmer hergestellt werden. Dazu im AVR Studio den ‚Connect’-Button inder Toolbar betätigen (alternativ: Menü Tools / Program AVR / Connect ), im sich öffnenden Fenster den AVRISP mkII auswählen und Connect betätigen. Es öffnet sich nun dasFenster der Programmiersoftware. Unter dem Reiter Main ist darauf zu achten, dass der korrekte Mikrocontroller (ATxmega128A1) als Device ausgewählt ist. Unter dem Reiter Program ist nun im Feld Flash das gewünschte Hex-File auszuwählen. Mit einem Klick auf Program wird die Anwendung in den Flash übertragen.Abbildung 4: Anordnung zum Neuprogrammieren der hD2 mit dem AVR ISP mkIIBedienungsanleitung hD210

Application Center MicrocontrollerHochschule Mittweidab) Verwendung des AVR JTAG ICE mkIIDas Debug-Tool AVR JTAG ICE mkII (Atmel) kann bequem mit Hilfe des mitgeliefertenXMEGA PDI Adapters am PDI-Anschluss der hD2 angesteckt werden. Die Verbindung zwischen Debug-Tool und PC erfolgt mit dem mitgelieferten USB-Kabel. Zur Programmübertragung muss die Stromversorgung der hD2 aktiv sein.Abbildung 5: XMEGA PDI AdapterAbbildung 6: Verbindung AVR JTAG ICE mkIImittels XMEGA PDI AdapterEs ist ebenfalls möglich den AVR JTAG ICE mkII direkt mit der Flachbandleitung am JTAGAnschluss der hD2 anzuschließen. Dazu ist der Adapter für den 10-poligen Anschluss (vorsichtig!) abzunehmen und mit dem JTAG-Anschluss der hD2 so zu verbinden, dass die Kontaktflächen der Leitung nach oben (von der Leiterplatte weg) zeigen. Die Anschlussmöglichkeit mit Hilfe des XMEGA PDI Adapters ist aufgrund der einfacheren Handhabung sowie derEmpfindlichkeit des Verbinders des JTAG-Anschlusses der direkten Verbindung per Flachbandleitung vorzuziehen.Die Programmübertragung erfolgt nach dem gleichen Ablauf wie bei Verwendung des AVRISP mkII, mit dem Unterschied, dass in diesem Fall als Tool das JTAGICE mkII gewählt werden muss. Es ist darauf zu achten, dass im Fenster der Programmiersoftware unter dem ReiterMain im Feld Programming Mode and Target Settings bei Verwendung des XMEGA PDIAdapters die Einstellung PDI mode vorgenommen wird. Bei Verbindung des AVR JTAG ICEmkII am JTAG-Anschluss der hD2 ist JTAG mode auszuwählen.Bedienungsanleitung hD211

Application Center MicrocontrollerHochschule MittweidaAchtung!Durch Verwendung von externen Programmier- und Debug-Tools wird das Betriebssystemder hD2 gelöscht. Um das Betriebssystem wiederherzustellen, muss die Hex-Datei mit einemexternen Tool, wie in Punkt 4 beschrieben, wieder in den Flash programmiert werden. DieHex-Datei des Betriebssystems befindet sich im Datensatz für die hD2.Generierung eigener AnwendungsprogrammeFür die Erstellung eigener Programme stehen kostenlose bzw. preisgünstige Tools zur Verfügung. So können z.B. mit Hilfe der kostenlosen Entwicklungsumgebung AVR Studio (Atmel)relativ schnell Anwendungen in Assemblersyntax erstellt und mit Hilfe des integrierten Simulators oder dem Debug-Tool AVR JTAG ICE mkII getestet werden. Dabei können die auf derWebseite der hD2 publizierten Funktionen und Programmbeispiele eine große Hilfe beimEinstieg in die Anwendungsprogrammierung sein.Zur Programmerstellung in C sind mehrere C-Compiler verfügbar. Gut geeignet ist z.B. dieOpen Source Entwicklungsumgebung WinAVR mit integriertem GNU-Compiler GCC, welche kostenlos als Freeware genutzt werden kann. Dieser Compiler lässt sich problemlos in dasAVR Studio einbinden, sodass zum Editieren, Compilieren, Debuggen und zur SpeicherProgrammierung nur eine Entwicklungsumgebung erforderlich ist.Auf den Webseiten www.hs-mittweida.de/acmc und www.avrfreaks.net sind dazu weitere Informationen verfügbar.5. Debugging eigener AnwendungsprogrammeSimulationDie Entwicklungsumgebung AVR Studio enthält einen Simulator, mit dem der Programmablauf sowie die Auswirkung einzelner Programmabschnitte auf Speicherinhalte oder die OnChip Peripherie des MC getestet werden kann. Es handelt sich dabei um eine SoftwareSimulation, eine ‚echte’ Verbindung zur reellen Hardware besteht dabei nicht. Zur Kontrolleoder zum Auffinden von Fehlern im Anwendungsprogramm ist der Simulator sehr hilfreich.Zur Verwendung des Simulators sei auf die Hilfe im AVR Studio sowie die Atmel-Webseite(www.atmel.com) verwiesen.On-Chip DebuggingBeim On-Chip Debugging besteht im Gegensatz zur Simulation eine Verbindung zur reellenHardware (MC), d.h. es wird genau das dargestellt, was momentan im Mikrocontroller geschieht. Um eigene Anwendungsprogramme debuggen zu können, ist das Debug-Tool AVRJTAG ICE mkII an die hD2, wie im Abschnitt 4 beschrieben, anzuschließen. Im AVR Studioist als Debug-Plattform in diesem Fall das JTAGICE mkII zu wählen, dies erfolgt entwederBedienungsanleitung hD212

Application Center MicrocontrollerHochschule Mittweidabei der Erstellung eines neuen Projektes oder später unter Menü Debug / Select Platform andDevice.Zum Vorgehen beim Debugging mit dem AVR Studio sei auf die Hilfe im AVR Studio sowiedie Atmel-Webseite (www.atmel.com) verwiesen.6. Einstellen des AuslieferungszustandesUm den Auslieferungszustand wiederherzustellen, muss die Hex-Datei des Betriebssystemsmit einem externen Tool, wie in Punkt 4 beschrieben in den Flash des Mikrocontrollers geladen werden. Falls Dateien auf der SD-Karte modifiziert wurden, müssen die Originaldateienwieder auf die SD-Karte geladen werden.7. Kontaktbelegung für die InterfacesBuchsenleisten X1, X2 Prinzip der Nummerierung der Buchsenleisten X1, X2Abbildung 7: Nummerierung der Kontakte von X1, X2 Kontaktbelegung X1 und X2Kontakt123456789Bedienungsanleitung hD2Signal an X1ADC2 / DAC0AGNDGNDGNDSPI: SCK (SPIC)I²C: SCL (TWIC)SPI: MISOI²C: SDASPI: MOSISignal an X2ADC3 / DAC1AGNDGNDGNDSPI: SCK (SPIC)I²C: SCL (TWIC)SPI: MISOI²C: SDASPI: MOSI13

Application Center MicrocontrollerHochschule Mittweida1011121314151617181920UART: TX (UARTE0)SPI: CS (PJ6)UART: RXOK-Eingang (Kathode)OK-Ausgang (Emitter)OK-Eingang (Anode)OK-Ausgang (Kollektor)GNDGNDVCCVCCUART: TX (UARTF1)SPI: CS (PJ7)UART: RXn.c.n.c.dig. I/O 2 (PF5)dig. I/O 1 (PF4)GNDGNDVCCVCCExtension BoardDas Austauschmodul Extension Board kann zum Aufbau eigener Erweiterungsschaltungenverwendet werden. Es stehen verschiedene On-Chip Kommunikationsinterfaces, digitale sowie analoge Schnittstellen des MC zur Verfügung. Das Lochrasterfeld (Rastermaß 2,54 mm)kann frei zum Auflöten von Bauelementen oder Leitungsverbindungen genutzt werden.Abbildung 8: Extension BoardPDI-AnschlussAbbildung 9: Kontaktbelegung PDI-AnschlussBedienungsanleitung hD214

Application Center MicrocontrollerHochschule Mittweida8. Hinweise zur Verwendung ausgewählter KomponentenTasten, JoystickDie Tasten T1 (S2) und T2 (S3) sowie die Tastkontakte des Joysticks (S4) sind low-aktiv beschaltet, d.h. im betätigten Zustand liegt am entsprechenden MC-Eingangspin ein logischerLow-Pegel an, im unbetätigten Zustand ein logischer High-Pegel. Der Joystick besitzt insgesamt 5 Schaltkontakte, 4 für die Richtungen oben, unten, rechts und links und 1 Kontakt alsMitteltastfunktion (Centerpush). Die Tasten und der Joystick sind mit den Eingangspins vonPORTH des MC, wie in nachfolgender Tabelle zusammengefasst, verbunden.PortpinbelegungPORTHTaste T1PH0Taste T2PH1Joystick ’oben’PH2Joystick ’rechts’PH3Joystick ’links’PH4Joystick ’unten’PH5Joystick ’mitte’PH6FotowiderstandDer Fotowiderstand (R9) ist mit dem Portpin PA1 des MC’s verbunden, welcher als Eingangdes On-Chip Analog-Digital-Wandlers ADCA genutzt werden kann. Bei Verwendung desFotowiderstandes ist als Referenzspannung für den Analogwandler die an Portpin PA0 anliegende Referenzspannung in Höhe von 2,048 Volt bei der Initialisierung des Analogwandlerszu wählen. Der Fotowiderstand wird ebenfalls von dieser Spannung gespeist.Temperatursensor, Real-Time-ClockDer Temperatursensor und die Real-Time-Clock werden über einen I²C-Bus angesteuert. Dazu kann das On-Chip TWI-Interface TWIC des MC’s, welches zu I²C kompatibel ist, genutztwerden. Die Real-Time-Clock wird von einer Stützbatterie (CR2032) versorgt, sodass die Uhrwährend der Zeit, in der keine Versorgungsspannung an der hD2 anliegt, weiter läuft. DieZeit- und Datumsinformationen bleiben somit bestehen und können jederzeit wieder abgefragtwerden ohne eine Neukonfiguration vornehmen zu müssen.Bedienungsanleitung hD215

Application Center MicrocontrollerHochschule MittweidaDie I²C-Komponenten haben folgende Slaveadressen:Temperatursensor:Real Time Clock:0x4F0x68Lautsprecher, LEDDer Lautsprecher und die frei programmierbare LED (D1) befinden sich an den Portpins PF0bzw. PF1. Diese Ausgangspins können intern mit dem On-Chip Timer/Counter TCF0 desMC’s verbunden werden, sodass über diesen auf einfache Weise generierte Frequenzen ausgegeben werden können (z.B. Ton-Frequenzen für Lautsprecher oder PWM-Signale zumDimmen der LED). Die LED ist low-aktiv beschaltet, d.h. um die LED einzuschalten mussein logischer Low-Pegel am betreffenden MC-Ausgangspin anliegen, bei einem logischenHigh-Pegel ist die LED ausgeschaltet.SpeicherkarteMit dem Speicherkarteneinschub können sowohl SD- als auch MMC-Speicherkarten kontaktiert werden. Der Einschub verfügt über eine sog. Push-Funktion, beim Einschieben der Speicherkarte entsteht ein hörbares Klickgeräusch, zum Herausnehmen der Karte einfach dieSpeicherkarte ein kurzes Stück bis zum Klickgeräusch in den Einschub drücken und die Kartewird automatisch ausgeworfen.Der Karteneinschub besitzt 2 Schaltkontakte zur Kartenerkennung und zur Abfrage desScheibschutzschalters von SD-Speicherkarten. Diese sind mit den Portpins PJ1 und PJ2 desMC verbunden. Die logischen Zustände dieser Eingangspins können nachfolgender Tabelleentnommen werden.Card DetectionWrite Protection(PJ1)(PJ2)Keine Karte eingesteckt’1’’1’Karte eingesteckt, : „UNLOCK“Karte eingesteckt, Schreibschutzschalter: „LOCK“SD- und MMC-Speicherkarten können über eine SPI-Schnittstelle angesteuert werden. Dazukann das On-Chip SPI-Interface SPIC des MC genutzt werden. Die Chipselect-Leitung zurAnsteuerung der Speicherkarte befindet sich am Ausgangspin PC4 des MC.Bedienungsanleitung hD216

Application Center MicrocontrollerHochschule MittweidaAchtung!Auf der verwendeten Speicherkarte sollten sich keine wichtigen Daten befinden. Die hD2 istein Trainingssystem, die Anwendungsprogramme im Mikrocontroller können Fehler enthalten, welche zum Verlust der Daten führen können!DisplayDas OLED-Display mit einer Anzeigegröße von 2,4“ besitzt eine Auflösung von 320 x 240Pixel. Es können insgesamt 262k Farben dargestellt werden. Durch die hier verwendete SPIAnsteuerung werden die darstellbaren Farben auf 65k begrenzt.Der im Display integrierte Treiber-IC (Samsung S6E63D6) wird über eine SPI-Schnittstelleangesteuert, dazu ist das On-Chip SPI-Interface SPIE des MC zu verwenden. Die zugehörigeChipselect-Leitung ist mit dem Portpin PE4 verbunden. Die RESET-Leitung für den TreiberIC befindet sich an Portpin PE1, um einen RESET auszulösen, ist ein logischer Low-Pegel andiesem Portpin anzulegen.Um Grafiken auf der Anzeige darzustellen, ist vorher der Spannungswandler, welcher dieOLED-Anzeige versorgt, einzuschalten. Dazu ist am Ausgangspin PE0 des MC’s ein logischer High-Pegel anzulegen, mit einem logischen Low-Pegel wird diese Spannungsversorgung abgeschaltet. Der Treiber-IC kann auch ohne eingeschalteten Spannungswandler angesteuert werden.Um eine stromsparende Verwendung des Displays zu realisieren, was vor allem im Batteriebetrieb wichtig ist, sollten bei der Erstellung von Applikationen einige Punkte beachtet werden. Zum einen sollte die Anzeige bei Nichtbenutzung abgeschaltet werden (entsprechendesControl-Register), optimalerweise auch der Spannungswandler (Portpin PE0). Zum anderenentscheidet die angezeigte Grafik über die Stromaufnahme der Anzeige. Je mehr Pixel farbigaktiv sind, desto höher der Strombedarf. Für stromsparende Applikationen sollte sich daherauf einfache Grafiken (z.B. Schriftzeichen, simple Symbole) auf schwarzen Hintergrund beschränkt werden. Auch die Farbe der Pixel spielt eine Rolle, rote und grüne Farbtöne benötigen deutlich weniger Strom als blaue und weiße.USBDie USB-Kommunikation wird mit Hilfe eines USB-UART-Umsetzers realisiert. Der Datenaustausch zwischen MC und Umsetzer geschieht über UART, dazu ist die On-Chip UARTSchnittstelle USARTD0 zu verwenden.Der Anschluss an einen PC oder Notebook erfolgt über die Mini-B-USB-Buchse an derRückseite der hD2. Der Datenaustausch wird auf dem PC als virtuelle COM-Schnittstelleumgesetzt (entsprechender Treiber vorausgesetzt, Download unter www.ftdichip.com). Dadurch können Programme verwendet werden, welche eine COM-Schnittstelle zum Datenaustausch nutzen (z.B. Terminalprogramm).Bedienungsanleitung hD217

Application Center MicrocontrollerHochschule MittweidaEthernet-InterfaceFür die Realisierung des Ethernet-Interface wird der Ethernet-Controllers Wiznet W5100 eingesetzt. Dieser ist per SPI unter Verwendung der On-Chip SPI-Schnittstelle SPID an den MCangekoppelt. Die entsprechende Chipselect-Leitung befindet sich an Portpin PD4. WeitereLeitungen zur Ansteuerung sind die RESET-Leitung (MC-Ausgangspin PD1) und die Interrupt-Leitung (MC-Eingangspin PJ0). Um die Versorgungsspannung des Ethernet-Controllerszu aktivieren, ist an Portpin PD0 des MC’s ein logischer Low-Pegel anzulegen, zum Abschalten der Spannung ein logischer High-Pegel.Zum Anschluss an ein Netzwerk kann ein Patchkabel (1:1)

Anschluss dient zur Verbindung mit dem Debug-Tool AVR JTAGICE mkII, welcher sowohl zum Programmieren als auch zum Debuggen genutzt werden kann. Ist eine entsprechende Bootloader-Firmware im MC implementiert, kann auch der USB-Anschluss zur Programm- übertragung verwendet werden. Abbildung 3: Funktionselemente auf der Rückseite . Die Stromversorgung der hD2 erfolgt standardmäßig über das .