2Hardware
2.1Richtlinien zur Auswahl der Hardware
Beim Auswählen einer optimalen Hardware sind der finanzielle Rahmen und das Ziel der Anwendung zu berücksichtigen. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass ein Anfänger mit AVRs selbstständig kleine Projekte realisieren will. Die folgenden Vorschläge sind nach dem Investitionsaufwand geordnet. Die Einteilung nach Investitionskosten sollte nicht mit dem Nutzen gleichgesetzt werden.
2.2Hardware-Auswahl bei einer Investition von 100 Euro
2.2.1STK500
Dieses Board ist von Atmel. Auf der PC-Seite gibt es dazu eine gute Software-Unterstützung. Alle Funktionen des STK500 können mit dem Atmel Studio angesprochen werden. Auch in CodeVison werden die Funktionen des STK500 gut unterstützt.
Abb. 2.1: Entwicklungs-Board STK500
1.Spannungsversorgung: Es ist noch ein Brückengleichrichter und Spannungsregler am Board. Daher ist bei der Spannungsversorgung nicht einmal eine Verpolung problematisch.
2.RS-232-Schnittstelle: Über diese Schnittstelle kann das selbst erstellte Programm in den Mikrocontroller geladen werden (Programm-Download). Es besteht auch die Möglichkeit, ein Programm vom Mikrocontroller zum PC hochzuladen oder auch Fuses zu setzen.
3.RS-232-Schnittstelle für die Kommunikation mit dem Mikrocontroller am STK500
4.Steckplatz für Quarz
5.Jumper für Clock und Referenzspannung (ADU)
6.Steckplätze für verschiedene Prozessoren
7.Stiftleiste zu den Ports des Prozessors
8.Stiftleiste für LEDs und Taster: Diese können mithilfe eines Flachbandkabels mit einem Port verbunden werden.
9.Signale zur Programmierung: Je nachdem, welcher Prozessor programmiert werden soll, wird das Signal über ein Flachbandkabel mit einer Stiftleiste (x) verbunden.
Eigenschaften des STK500
Mit dem STK500 kann man den AVR-Mikrocontroller im ISP(In System Programming)-Modus oder HV(High Vage)-Modus programmieren. Der oft verwendete ISP-Modus benötigt eine Ansteuerung mit den Signalen MOSI, MISO, SCK, Reset und GND. Diese Signale werden von der Stiftleiste (9) abgegeben und mit einem Fachbandkabel zur Stiftleiste (x) geführt. Der Prozessor, der programmiert werden soll, ist in die richtige Fassung im Bereich (6) zu stecken.
Ist an einem Mikrocontroller noch eine Hardware angeschlossen und soll das Programm zum Prozessor heruntergeladen werden, darf die Last an den Pins nicht niederohmig sein. Mit einer Last größer 4 kΩ funktioniert die Programmierung erfahrungsgemäß aber immer. Arbeitet man mit einem Laptop, der in der Regel keine serielle Schnittstelle besitzt, ist ein Schnittstellenwandler zweifach-USB-zu-RS-232 zu empfehlen.
Abb. 2.2: Programmierung eines ATtiny45 mit dem STK500
Mit dem Jumper 2 (im Bild oben) wird an Vtarget 5 V angelegt. Der Mikrocontroller erhält dadurch die Versorgungsspannung. Am Stecker 1 ist ein Verbindungskabel mit sechs Leitungen angeschlossen. Es ist zur Programmierung mit einem ATtiny verbunden. Leider ist es nicht möglich, einen ATtiny in einem Sockel des STK500 zu programmieren (man muss zusätzliche Verbindungsleitungen legen).
In der IDE von Atmel Studio kann man für den Prozessor ATmega328P, also den Arduino, ein C-Programm erstellen. Dieses Programm ist leider aus der Entwicklungsumgebung im Atmel Studio mit dem STK500 nicht zu flashen. Das STK 500 hat den Vorteil, dass damit viele verschiedene Prozessoren programmiert werden können. Zusätzlich hat das Board acht LEDs und acht Taster, die an verschiedene Ports angeschlossen werden können. Ein großer Nachteil am STK500 ist, dass man eine serielle Schnittstelle zur Programmierung und eine weitere zur Kommunikation benötigt.
2.2.2Dragon mit Arduino
Der Dragon ist ein Programmiergerät von Atmel, das gegenüber dem STK500 zwar keine Steckplätze für Prozessoren hat, jedoch zusätzliche Möglichkeiten bietet.
Mit dem Dragon ist es möglich, mit dem Atmel Studio den ATmega328P zu programmieren. Zusammen mit einem Arduino hat man eine Hardware, bei der man keine Netzgeräte und keine USB/RS-232-Wandler benötigt (siehe Bild unten).
Abb. 2.3: Arduino (links) ist mit dem Dragon (rechts) verbunden. Dabei programmiert der Dragon den Arduino.
Mit der oben gezeigten Verbindung kann man den Arduino über ISP (SPI-Schnittstelle) vom Dragon aus programmieren. Dabei überschreibt man unter Umständen unabsichtlich den Bootloader im ATmega328P. Die positive Seite ist, dass man auf diese Art auch den Bootloader von Arduino (aus der Entwicklungsumgebung des Atmel Studios) in den ATmega328P laden kann. Die genaue Anleitung, wie Sie in einen neuen ATmega328P den Bootloader in den Flash-Speicher schreiben können, finden Sie im Anhang. Der Dragon bietet unterschiedliche Programmiermethoden an.
Abb. 2.4: Auswahl verschiedener Programmiermethoden beim Dragon im Atmel Studio
Dabei bedeutet:
| ISP: | In-System Programming |
| HVPP: | High Vage Parallel Programming (12 V an Reset) |
| JTAG: | Joint Test Action Group (nur für große AVR verfügbar) |
Der Dragon kann auch die neuen Xmega-Prozessoren aus dem Atmel Studio ansprechen. Der populäre Klassiker ATmega8 wird leider vom Dragon nicht mehr unterstützt.
2.3Hardware-Auswahl bei einer Investition von 50 Euro
2.3.1STK500-kompatibler Programmieradapter mit Arduino
Die Arduino-Hardware besteht aus einer Platine mit einem RS-232/USB-Umsetzer, einer LED an PB5, einem Reset-Taster und einem standardisierten Stecker (6-pol) zum Programm-Download. In Verbindung mit einem Programmieradapter ist das eine für Experimente geeignete Hardware. Ein Programmieradapter mit STK500v1- oder STK500v2-Protokoll kann im Atmel Studio wie ein STK500 angesprochen werden.
Abb. 2.5: Programmieradapter AVR-ISP/500 von Olimex
Der Arduino ist mit einem ATmega8-Prozessor bestückt. Der Adapter AVR-ISP/500 ist bei http://elmicro.com/ erhältlich.
Abb. 2.6: Arduino mit bezeichneten Anschlüssen für den ATmega8/runde Klammern und ATmega328/eckige Klammern
In den Arduino kann man auch den Prozessor ATmega8 stecken und über eine sechspolige Flachbandleitung mit dem Programmiergerät verbinden (siehe Bild 2.5). Aus der IDE des Atmel Studios kann das Programm in den Prozessor geschrieben werden.
Ein ATmega328P, der Originalprozessor am Arduino, kann nicht direkt aus der IDE des Atmel Studios im STK500-Modus beschrieben werden. Eine Lösung bietet das Programm avrdude, dessen Einsatz im nächsten Kapitel beschrieben wird. Dabei wird der Programmieradapter mit avrdude angesprochen. (Das Lesen des Flash-Speichers mit einem Olimex Programmieradapter und einem ATmega328P wurde mit dem Befehl avrdude -F -v -pm328p -c stk500v2 -P COM4 -b115200 -D -Uflash:r:x.hex:i erfolgreich getestet.)
2.4Hardware-Auswahl bei einer Investition von deutlich unter 50 Euro
2.4.1Arduino mit Bootloader
Der Arduino verwendet den ATmega328P als Prozessor. Auf höheren Speicheradressen im Flash befindet sich ein Ladeprogramm, das auch als Bootloader bezeichnet wird. Mit dem Bootloader kann man über die serielle Schnittstelle den Prozessor programmieren und danach sogar über die Schnittelle kommunizieren. Dabei muss der Arduino nur an der USB-Schnittstelle angeschlossen werden, da ein RS-232/USB-Umsetzer auf dem Arduino bereits vorhanden ist. Auf der PC-Seite wird die USB-Schnittstelle wie eine serielle Schnittstelle angesprochen. Da am Computer keine physikalische serielle Schnittstelle vorhanden ist, die USB-Schnittstelle wie eine serielle Schnittstelle angesprochen wird, bezeichnet man das auch als virtuelle serielle Schnittstelle. Die Umsetzung auf USB erfolgt bei älteren Arduinos mit einem FDTI-Chip, neuere verwenden den ATmega8u2-Chip. Wird ein Programm in den Flash-Speicher geschrieben, steht es auch nach Abschalten der Versorgungsspannung später wieder zur Verfügung. Der Prozessor kann auf diese Weise mindestens 10.000-mal mit einem neuen Programm überschrieben werden. Ein weiteres Argument für den Arduino ist sein einfacher Einsatz. Für diese standardisierte Hardware sind fertige Zusatzplatinen verfügbar. Diese werden als Shield bezeichnet und können auf den Arduino gesteckt werden. Später werden eine Motorendstufe, ein EKG und ein selbst aufgebauter Ultraschallsensor in Form von Shields vorgestellt. Es existieren auch Prototyp-Shields, mit denen man auf einfache Weise eine beliebige Schaltung aufbauen kann (siehe Ultraschallsensor).
Abb. 2.7: Arduino am Laptop
Abb. 2.8 Links Prototyp-Shield für Arduino; rechts Prototyp-Shield auf Arduino gesteckt
Auf diese Lochrasterplatine...
