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Download USB in der Elektronik - Vorwort USB hat sich in den letzten Jahren zu einer universellen Schnittstelle

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  • FRANZIS PC & ELEKTRONIKFRANZISP C + E L E K T R O N I K

    Hulzebosch

    Dipl.-Ing. Jürgen Hulzebosch

    ISBN 978-3-7723-4089-5

    Euro 29,95 [D]

    Besuchen Sie uns im Internet: www.franzis.de

    Aus dem Inhalt: • Messen, Steuern und Regeln

    mit PC-Schnittstellen

    • Frequenzen erzeugen und anwenden

    • Temperatur mit einem NTC messen

    • 8-Kanal-Logicanalyzer

    • Steuerung von Schrittmotoren

    • EEProm-Daten ändern

    • und vieles mehr

    FRANZIS PC & ELEKTRONIK

    USB hat sich in den letzten Jahren zu einer universellen Schnitt- stelle entwickelt. Keine Elektronik- und Computerbranche bleibt von dieser Schnittstelle verschont.

    Der in diesem Buch verwendete USB-Baustein ohne integrierten Mikrocontroller wird Ihnen zeigen, wie interessante USB- Steuerungen aufgebaut werden können.

    Das Buch startet mit einfachen „LED an/LED aus“-Beispielen. Experimente mit einer Alarmanlage, Wasserstandsüberwachung, LDRs und Fotodioden vertiefen das gelernte Wissen. Anschließend werden die im Buch enthaltenen Beispiele komplexer: Messungen von Helligkeit oder Temperatur mit einem selbst gebauten Analog-/Digital-Wandler vermitteln weitere Grundlagen.

    Manch einer wird sich vielleicht wundern, wie einfach der selbst gebaute A/D-Wandler mit ein paar Zeilen in der Anwendungssoftware über USB behandelt werden kann. Ein Fernbedienungstester mit Fotodiode, ein Voltmeter und Batterietester, ein Kennwortdaten- speicher mit einem EEProm, Schrittmotorsteuerungen und die Verwendung als USB-Dongle sind weitere praktische Beispiele.

    Da der verwendete Baustein auch als USB-Seriell-Konverter für Mikrocontroller-Anwendungen dienen kann, werden auch diese Anwendungsmöglichkeiten aufgeführt.

    Die Umsetzung einer USB-I2C-Schnittstelle wird zum Kinderspiel, da ein Software-Logikanalyzer das Daten- und Taktsignal im tatsächlich erzeugten Timingdiagramm visualisiert. Sie können in fünf einfachen Schritten eine universelle USB-I2C-Schnittstelle entwickeln.

    Die einzelnen Beispiele werden detailliert erläutert und sind umfangreich illustriert, damit die Zusammenhänge von der Visual- Basic-Software zur Hardware und mit dem verwendeten USB- Baustein nachvollzogen und für eigene Ideen genutzt werden können.

    Der Autor verwendet den USB-Baustein in der Praxis als USB- Seriell-Konverter für industrielle Steuerungen, für USB-Schrittmotor- steuerungen und als Programmieradapter für die neue Atmel- AT89LP-8051-Familie.

    USBinderElektronik Die USB-Schnittstelle für praktische Anwendungen am PC einsetzen

    USBinderElektronik Die Schnittstelle für praktische Anwendungen am PC einsetzen

    Dipl.-Ing. Jürgen Hulzebosch

    Auf CD-ROM: • Beispielprogramme • Datenblätter • Manuals

    Von einfach en Lichtspie

    len,

    RS232 Anbi ndungen,

    8 Bit I/O bi s zu I2C und

    SPI

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    4089-5 U1+U4 21.02.2008 16:54 Uhr Seite 1

  • Vorwort

    USB hat sich in den letzten Jahren zu einer universellen Schnittstelle entwickelt. Neben der PC-Industrie bleibt kaum eine Elektronikbranche von USB verschont, sei es das Autoradio mit Anschluss für USB-MP3-Player, der digitale Satellitenemp- fänger für Updates über USB zur Übermittlung von aufgezeichneten Videos oder Bildern auf den PC oder auch jedes etwas modernere Handy mit MP3 und inte- grierter Kamera, das einen USB-Anschluss besitzt.

    USB steht für Universal Serial Bus, Version 1.0 wurde 1995 von einem Konsortium mehrerer großer Elektronik Unternehmen entwickelt.

    Im Vergleich zur seriellen oder parallelen Schnittstelle eines PCs hat USB eine gute Übertragungsgeschwindigkeit. USB-Geräte können während des Betriebes hinzu- gesteckt oder wieder entfernt werden.

    Beschäftigt man sich im Detail mit USB, dann wirkt die Komplexität dieser Technik zunächst ein wenig abschreckend. Konnte man früher noch mit der parallelen oder seriellen Schnittstelle des PCs die eigene Elektronik einfach steuern und regeln, muss man sich heute doch zwangsläufig mit USB auseinandersetzen, da PCs neues- ter Generation nur noch mit USB ausgestattet sind.

    Umfangreiche Literatur findet man im Internet, bei Herstellern von Mikrocontrol- lern und bei den verschiedensten Verlagsgesellschaften. Meistens enthalten die dort beschriebenen USB-Controller einen Mikroprozessor-Kern, wodurch dann das scheinbar „einfache“ USB doch wieder kompliziert wird.

    Hier soll nicht auf jedes Detail aller möglichen Funktionalitäten von USB eingegan- gen werden. Der hier verwendete FTDI-USB-Baustein besitzt keinen integrierten Mikrocontroller. Das vorliegende Buch wird Ihnen zeigen, wie interessante USB- Steuerungen oder USB-Datenerfassungssysteme zum Teil auch gänzlich ohne Mi- krocontroller aufgebaut werden können.

    Das ursprüngliche Motiv des Bausteinherstellers FTDI war es, Konverter von USB zur seriellen und parallelen Schnittstelle zu entwickeln, um moderne PCs für diese Schnittstellen über USB nachzurüsten zu können.

    Das war auch der erste Ansatz des Autors, sich persönlich mit USB und FTDI-Bau- steinen auseinanderzusetzen, da der neue PC keine serielle Schnittstelle mehr hatte und

  • ein Mikrocontroller über eine serielle Schnittstelle programmiert werden musste. Schnell wurde festgestellt, dass zwar die einfache serielle Übertragung funktionierte, doch das Schalten einzelner Signale der seriellen Schnittstelle war extrem langsam im Vergleich zur normalen seriellen (RS232)-Schnittstelle eines alten PCs. Die Frage „Ist das angeblich so schnelle USB doch langsam?“ interessierte den Autor, und aus dieser Fragestellung her- aus ist letztendlich dieses Buch mit vielen praktischen Beispielen entstanden.

    Im täglichen Leben gibt es viele Situationen, die sich lohnen, elektronisch mit Hilfe eines Computers gemeistert zu werden. Das Buch startet mit einfachen „LED An – LED Aus“ – und Ampel-Versuchen über USB. Das Beispiel einer Alarmanlage und wie man den Was- serstand in einem Aquarium überwachen kann, vertiefen das gelernte Wissen. Auch etwas Spaß soll nicht zu kurz kommen. Haben Sie noch irgendwo ein Quarzuhrwerk, das nach einem kleinen Umbau über USB zum Flaschendrehspiel mutieren kann?

    Anschließend werden die vorgestellten Beispiele komplexer. Helligkeits- oder Tempera- turmessungen mit einem selbstgebauten A/D-Wandler vermitteln weitere Grundlagen, die sowohl für die Software und für USB als auch für die Hardware notwendig sind. Manch einer wird sich danach vielleicht wundern, wie problemlos ein selbstgebauter A/D-Wandler mit ein paar Zeilen in der Anwendungssoftware behandelt werden kann. Ein kleiner Fernbedienungstester mit Fotodiode, ein Voltmeter, einKennwort-Datenspei- cher und die Verwendung als USB-Dongle sind weitere Anwendungsbeispiele.

    Da der USB-Adapter auch als USB-Seriell-Konverter für Mikrocontroller-Anwendungen dienen kann, werden zusätzliche Softwarebeispiele für die Verwendung mit serieller Kommunikation aufgeführt.

    Der geübte Elektroniker wird lernen, wie man die Ein- und Ausgabeleitungen auch für komplexe Schnittstellen wie I2C oder SPI verwenden kann. Die Umsetzung einer USB- I2C-Schnittstelle wird zum Kinderspiel, da ein Software-Logikanalyzer das Daten- und Taktsignal im tatsächlich erzeugten Timing-Diagramm visualisiert. Sie können somit in fünf einfachen Schritten eine universelle I2C-Schnittstelle entwickeln.

    Das letzte Softwarebeispiel in diesem Buch zeigt Ihnen die Ansätze, wie man komplexe Aufgaben, beispielsweise eine Flash-Programmierung des AT89LP Mikrocontrollers über die SPI/ISP-Schnittstelle, bewerkstelligen kann.

    Diejenigen, die bereits Mikrocontrollerelektronik entwickelt, aufgebaut und program- miert haben, können den in diesem Buch beschriebenen Adapter auch direkt als USB- Seriell-Konverter oder SPI/RS232-Programmieradapter einsetzen.

    Die einzelnen Beispiele werden detailliert erläutert und sind umfangreich illustriert, da- mit die Zusammenhänge von der Visual Basic-Software zur Hardware und in Zusam- menhang mit dem verwendeten USB-Baustein FT232R nachvollzogen und für eigene Ideen verwendet werden können.

    Wer nun experimentierfreudig ist und Lust hat, einige weitere Schaltungsbeispiele in die Praxis umzusetzen, sollte einen Lötkolben besitzen.

    Aktuelle Informationen finden Sie auf www.minimikro.de

    �Vorwort

  • Inhalt

    1 Messen, Steuern oder Regeln mit PC-Schnittstellen. . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1 Informationseinheiten: Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2 Binär zählen (logische 0 und 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3 „Russisches Bauernrechnen“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4 Bits und Bytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    2 USB-Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1 USB 1.0, 1.1, 2.0, On-The-Go . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Strom-, Spannungs-, Geräteidentifikation der USB-Schnittstelle . . . . . 18 2.3 Serielle Datenübertragungen USB-RS232-SPI-I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4 NRZI-Kodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5 USB – unbekannter serieller Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6 USB-Transfertypen. . .

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