Die Technische Richtlinie FA205 wird in Baden-Württemberg im Unterricht im Beruf Elektroniker/in für Geräte und Systeme eingesetzt, um einheitliche und systemunabhängige Abschlußprüfungen zu ermöglichen. Die Richtlinie enthält:
- Übersicht über die Programmiersprache C
- Blockschaltbild des (Modell-)Mikrocontrollers
- C-Funktionsbibliotheken (delay, in_out, interrupt, lcd, communication)
Implementierungen sind für folgende Plattformen verfügbar:
- ATmega328P-Xplained Mini mit Microchip-Studio: https://github.com/feslehrer/FA205.git
- ArduinoUno/Nano mit ATmega328P und ArduinoIDE: https://github.com/feslehrer/FA205_Library_for_Arduino.git
- Auf GitHub Resource: https://github.com/feslehrer/FA205-ESP32.git
Download der Bibliothek als Zip-Datei (<>Code --> Download Zip) - In der Arduino-IDE auf Sketch --> Bibliothek einbinden --> .Zip-Bibliothek hinzufügen...
- Im Sketch muss controller.h inkludiert werden.
Beispiel: Blink-Sketch mit FA205-Funktionen
#include "controller.h" // FA205-Bibliotheken einbinden
void setup(void)
{
bit_init(PORTx,7,OUT); // PORTx,7 als Ausgang initialisieren
}
void loop(void)
{
bit_write(PORTx,7,0); // PORTx,7 --> 0
delay_ms(500); // 500ms warten
bit_write(PORTx,7,1); // PORTx,7 --> 1
delay_ms(500); // 500ms warten
}Anmerkung: Im Boardmanager muss das ESP32 Boardpackage installiert sein. Als Board wird ESP32 PICO-D4 ausgewählt.
Die Richtlinien-Funktionen mussten für die Verwendung in der Arduino-IDE leicht modifiziert werden. Die Änderungen sind im einzelnen:
- Da der ESP32 keine 8 Bit-Ports mehr besitzt, wurden 8 Pins zum PORTx zusammengefasst, damit die 8 LEDs auf dem ESP32-Carrier-Board mit einem einzigen Byte-Zugriff geschrieben werden können. 8 weitere Pins wurden zum PORTy zusammengefasst. Hier befinden sich u.a. die 4 Taster des ESP32-Carrier-Boards.
- Abweichend von der Definition in der Technischen Richtlinie müssen für die Funktionen lcd_print() und rs232_print() konstante Zeichenketten vom Typ char und nicht uint8_t übergeben werden.
char text[] = "Hallo Welt"; // Definition als char und nicht uint8_t
lcd_print ( text );
rs232_print ( text );alternativ:
lcd_print ( "Hallo Welt" );- Die i2c-Routinen für die Kommunikation auf dem I2C-Bus sind in der Technischen Richtlinie so aufgebaut, dass der Elektroniker das Übertragungsprotokoll aus dem Datenblatt eines IC direkt nachbilden kann. Da die Arduino-Wire-Bibliothek eine solche Vorgehensweise nicht zulässt, wurden die i2c-Funktionen mit der Espressif-IDF realisiert. Die Wire-Bibliothek darf daher nicht verwendet werden. Ebenso wird für das I2C-LCD keine weitere Bibliothek benötigt. Zu beachten ist, dass ein sogenannter Repeated-Start ohne i2c_stop() nur mit der - nicht richtlinienkonformen - Funktion i2c_rstart() funktioniert. Da die Espressif-IDF mit einer Befehlsqueue arbeitet, wird ein mit i2c_start() eingeleiteter Übertragungsrahmen erst mit einem i2c_stop() oder bei i2c_rstart() physikalisch auf dem Bus erscheinen. Problematisch wird dies beim Lesen vom Slave. Hier übergibt die Funktion i2c_read() nicht die gelesenen Daten (weil der Befehl erst in die Befehlsqueue geschrieben wird), sondern nur einen Index auf das Array i2c_data[]. Das Beispiel unten soll die Vorgehensweise verdeutlichen:
i2c_start(); // Startbedingung
i2c_write(ADDR_W); // Schreibwunsch an LM75 senden
i2c_write(0x00); // Pointerbyte auf 0 setzen
//i2c_stop();
i2c_rstart(); // repeated Start oder i2c_start(), wenn vorher i2c_stop()
i2c_write(ADDR_R); // Lesewunsch an LM75 senden
uint8_t msb = i2c_read(ACK); // MSB (index) lesen und weiteren Wert anfordern.
uint8_t lsb = i2c_read(NACK); // LSB (index) lesen und kein weiters Byte anfordern.
i2c_stop(); // Stoppbedingung
// Zugriff auf gelesene Daten über i2c_data[index]
msb = i2c_data[msb];
lsb = i2c_data[lsb];Das dekodierte Signal auf dem I2C-Bus stimmt mit dem Übertragungsprotokoll im Datenblatt überein:
Das ESP32-Carrier-Board ist mit den GPIO-Nummern bedruckt.
Für die Technische Richtlinie müssen daher die GPIO-Nummern entsprechend dem abgebildeten Schema ersetzt werden:
- delay.h
void delay_100us ( uint16_t mikrosec);
void delay_ms ( uint16_t millisec);- in_out.h
void bit_init ( uint8_t port, uint8_t bitnr, uint8_t direction );
uint8_t bit_read ( uint8_t port, uint8_t bitnr );
void bit_write ( uint8_t port, uint8_t bitnr, uint8_t value );
void byte_init ( uint8_t port, uint8_t direction );
uint8_t byte_read ( uint8_t port );
void byte_write ( uint8_t port, uint8_t value );
void pwm_init ( void ); // Standard-PWM Pin ist GPIO 2
void pwm_start ( void );
void pwm_stop ( void );
void pwm_duty_cycle ( uint8_t value);
void adc_init ( void ); // 8-Bit
uint8_t adc_in1 ( void );
uint8_t adc_in2 ( void );- interrupt.h
//externer Interrupt
void ext_interrupt_init ( void (*ip) (void)); // ip = ext_interrupt_isr (Standard)
// _INTERRUPT_PIN0_ GPIO 14 (Standard)
void ext_interrupt_enable ( void );
void ext_interrupt_disable ( void );
void ext_interrupt_isr ( void ); // Muss im Sketch definiert werden.
void timer1ms_init ( void (*ti) (void) ); // ti = timer1ms_isr (Standard)
// _FALLING_EDGE_TRIGGER_ (Standard)
void timer1ms_enable ( void );
void timer1ms_disable ( void );
void timer1ms_isr ( void ); // Muss im Sketch definiert werden. - lcd.h
void lcd_init ( void ); // Initialisierung des Displays
void lcd_clear ( void ); // Displayanzeige löschen
void lcd_setcursor ( uint8_t row, uint8_t column ); // Setzen der Cursorposition
// row (Zeile) = 1,2, ...
// column (Spalte) = 1,2,3, ...
void lcd_print ( const char text[] ); // Textausgabe ab Cursorposition, bis '\0'
// text[] = /0-terminierte Zeichenkette
void lcd_char ( uint8_t value ); // Ausgabe eines Zeichens an der aktuellen Cursorposition
// value = ASCII-Code (8(7)-Bit)
void lcd_byte ( uint8_t value ); // Rechtsbündige Ausgabe einer Dezimalzahl ohne führende 0
// value = Byte (8 Bit) 0 ... 255
void lcd_int ( uint16_t value ); // dito.
// value = Word (16 bit) 0 ... 65535- communication.h
// I2C-Schnittstelle
void i2c_init ( void ); // Initialisierung
void i2c_start ( void ); // Startbedingung
void i2c_rstart ( void ); // Repeatet-Start. Vorherige Befehlsqueue wird ohne
// Stoppbedingung gesendet und eine erneute Startbedingung erzeugt.
void i2c_stop ( void ); // Befehlsqueue wird gesendet.
uint8_t i2c_write ( uint8_t value); // value = Byte (8-Bit). Rückgabe: ACK/NACK
uint8_t i2c_read ( uint8_t ack ); // ack = ACK/NACK. Rückgabe: Index auf i2c_data[]
// RS232-Schnittstelle
void rs232_init ( void ); // In communication.h:
// _BAUD_ 9600 (Standard) //19200 //115200
// _SERIAL0_ (USB-Virtueller ComPort)
// _SERIAL1_ (Rx1 (GPIO 9), Tx1 (GPIO 10))
// _SERIALBT_ (SerialBluetooth) Gerätename: _DEVICENAME_
uint8_t rs232_get ( void ); // Rückgabe ASCII-Code (8(7) Bit)
void rs232_put ( uint8_t value ); // value = ASCII-Code (8(7)-Bit)
void rs232_print ( const char text[] ); // text[] = /0-terminierte ZeichenkatteAnmerkung: In den Bibliotheken sind einige ergänzende Funktionen enthalten. Informationen dazu finden sich im jeweiligen Header-Files.
Prinzipiell ist die FA205_ESP32-Bibliothek auf allen ESP32-Controllern lauffähig. Die Anpassung für die am Controller angeschlossene Hardware erfolgt über die Header(*.h)- und/oder *.cpp-Bibliotheksdateien. Diese befindet sich nach der Installation der Bibliothek normalerweise im Ordner libraries/FA205_ESP32 des eingestellten Arduino-Sketchordners. Eine Anpassung an das häufig eingesetzte Frematics/Esprit-Board ist bereits implementiert und wird im folgenden als Vorlage für eigene Implementierungen beschrieben. Dabei kommt das in vielen Schulen bereits verwendete Arduino-Carrier-Board (https://www.ase-schlierbach.de) zum Einsatz, womit sich folgendes Pinout des Esprit-Boards ergibt:
Das Esprit-Controllermodul wird auf der Unterseite auf das Arduino-Carrier-Board aufgesteckt.
www.ase-schlierbach.de
- Anpassungen in controller.h
Für die Kombination Esprit-Board/Arduino-Carrier-Board muss lediglich der Schalter_ESP32_ESPRIT_BOARD_entkommentiert werden und der Schalter_ESP32_CARRIER_BOARD_auskommentiert werden. Sind beide Schalter auskommentiert, gelten die Default-Einstellungen.
Als erweiterte Einstellungen kann hier der Trigger für die beiden externen Interrupts gesetzt werden. Ebenso wird die Serielle Schnittstelle für die rs232-Richtlinienfunktionen hier gewählt. Bei der Wahl der seriellen Bluetooth-Verbindung_SERIALBT_ist zu beachten, dass ein eindeutiger Gerätenamen_DEVICENAME_vergeben wird. Dies ist insbesondere bei bei vielen Teilnehmern im Klassenzimmer/Labor wichtig. Weiterhin kann auch die Baudrate für die Serielle Schnittstelle geändert werden, sowie die Ausgabe von Debug-Meldungen für PWM-, ADC- und Externer Interrupt aktiviert werden.
/*********************************
// Board-Typ
//---------------------------------
#define _ESP32_CARRIER_BOARD_
//#define _ESP32_ESPRIT_BOARD_
//*********************************
// externer Interrupt Trigger
//---------------------------------
#define _FALLING_EDGE_TRIGGER_
//#define _RISING_EDGE_TRIGGER_
//#define _ANY_EDGE_TRIGGER_
//**********************************
// RS232/Serial
//----------------------------------
#define BAUD 9600 //9600 //19200 //115200 //Baudraten können beliebig eingestellt werden.
#define _SERIAL0_ // Alternativ
//#define _SERIAL1_
//#define _SERIALBT_
#ifdef _SERIALBT_
// Hier eindeutigen Bluetooth-Geätenamen definieren
#define _DEVICENAME_ "myESP32" // Wichtig: Name in Gänsefüßchen (Anführungszeichen) setzen
#endif
//**********************************
//Ausgabe von Debugmeldungen über RS232
// Entsprechenden Debug-Schalter auskommentieren
// Hinweis: zum Debuggen muss jeweils die zugehörige init-Funktion
// im Programm (Sketch) aufgerufen werden.
//----------------------------------
//#define PWM_DEBUG
//#define ADC_DEBUG
//#define INT_DEBUG
//**********************************- Anpassungen in in_out.cpp
Hier wird die Zuordnung der IO-Pins, der beiden ADC-Pins sowie des PWM-Pin zu den GPIO's des Controllers vorgenommen. Für das ESP32-Carrier-Board und das ESP32-Esprit-Board sind die Pins über die beschriebenen Schalter einstellbar. Für eigene Hardware bietet es sich an, die Pinzuordnungen im default-Abschnitt anzupassen. Zur Aktivierung der default-Einstellungen müssen dann beide Schalter (_ESP32_CARRIER_BOARD_,_ESP32_ESPRIT_BOARD_) auskommentiert werden. Die Einstellungen im Einzelnen sind:
- portx[],porty[]: Im Array sind die Pins in aufsteigender Reihenfolge geordnet. Z.B.: PORTx,0 = GPIO9; PORTy,5 = GPIO18; usw.
- pwm_channel[]: In diesem Array können bis zu 14 GPIO's des ESP32 als PWM-Ausgänge eingetragen werden. Die Reihenfolge ist dabei beliebig und entspricht der verwendeten internen Kanalnummer (0...16) des ESP32. Es muss nur beachtet werden, dass der GPIO des Standard-PWM_PINhier aufgelistet ist.
-ADC1_PINundADC2_PINsind die ADC-Eingänge für die beiden Standard-Funktionen adc_in1()` und adc_in2(). Für weitere ADC-Kanäle gibt es die Funktionen:
uint8_t adc_in(uint8_t pin_nr); // 8-Bit ADC-Wert vom angegebenen GPIO
uint16_t adc_in12(uint8_t pin_nr); // 12-Bit ADC-Werte vom angegebenen GPIO (Vorsicht: Die internen ADC des ESP32 sind sehr ungenau!!)#else //default
const int portx[] = {9,10,14,4,33,15,13,32};
const int porty[] = {2,27,5,23,19,18,36,39};
const int pwm_channel[] = {2,27,5,23,19,18,9,10,14,4,33,15,13,32};
#define PWM_PIN 2
#define ADC1_PIN 34
#define ADC2_PIN 38
#endifIn den Bibliotheken sind erweiterte pwmx-Funktionen implementiert, mit denen sehr einfach auch mehrere PWM-Ausgänge verwendet werden können. Als Parameter muss dabei zusätzlich die Nummer des GPIO's übergeben werden.
Bsp.: 3 RGB-Kanäle
void setup (void)
{
pwmx_init(10); pwmx_start(10); pwmx_duty_cycle(10,100); // Farbkanal rot an GPIO 10
pwmx_init(14); pwmx_start(14); pwmx_duty_cycle(14,243); // Farbkanal grün an GPIO 14
pwmx_init(4); pwmx_start(4); pwmx_duty_cycle(4,59); // Farbkanal blau an GPIO 4
}- Anpassungen in interrupt.h
Viele GPIO's des ESP32 können als externer Interrupt verwendet werden. Die Technische Richtlinie FA205 sieht jedoch nur einen Interrupt vor. Diese Bibliothek definiert trotzdem 2 verschiedene externe Interrupts, die mit (fast) beliebigen GPIO's verknüpft werden können. Die Einstellungen für ESP32-Carrier-Board und Esprit-Board sind durch die entsprechenden Schalter vorgegeben. Eigene Einstellungen sollte wieder über den default-Zweig und das Deaktivieren der Schalter_ESP32_CARRIER_BOARD_und_ESP32_ESPRIT_BOARD_in controller.h vorgenommen werden.
#if defined(_ESP32_CARRIER_BOARD_)
#define _INTERRUPT_PIN0_ 14 // ESP32-Carrier-Board
#define _INTERRUPT_PIN1_ 4
#elif defined(_ESP32_ESPRIT_BOARD_)
#define _INTERRUPT_PIN0_ 2 // ESP32-Esprit-Board
#define _INTERRUPT_PIN1_ 27
#else // default
#define _INTERRUPT_PIN0_ 14
#define _INTERRUPT_PIN1_ 4
#endifZusätzlich zum Standard-Interrupt ext_interrupt ist ein zweiter Interrupt ext_interrupt1 implementiert. Beide haben die gleiche Funktionalität und Aufrufmethodik.