USB in der Elektronik : die USB-Schnittstelle für praktische Anwendungen am PC einsetzen : [von einfachen Lichtspielen, RS232 Anbindungen, 8 Bit I/0 bis zu I2C und SPI]

206 Pages·2008·5.36 MB·German

by  Jürgen Hulzebosch

4089-5 U1+U4 21.02.2008 16:54 Uhr Seite 1
FRANZIS FRANZIS
PC & ELEKTRONIK FRANZIS PC & ELEKTRONIK
PC+ELEKTRONIK
Dipl.-Ing. Jürgen Hulzebosch Dipl.-Ing. Jürgen Hulzebosch
USB
inderElektronik VR8oS nB2 ie3t i2In/ AfOanc bbhiiesnn dz uuLni Icg2heCtns up, niedl SenP,I
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Die Schnittstelle für praktische Anwendungen am PC einsetzen
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USB hat sich in den letzten Jahren zu einer universellen Schnitt- o
Aus dem Inhalt:
stelle entwickelt. Keine Elektronik- und Computerbranche bleibt
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von dieser Schnittstelle verschont.
• Messen, Steuern und Regeln t
Der in diesem Buch verwendete USB-Baustein ohne integrierten mit PC-Schnittstellen k
Mikrocontroller wird Ihnen zeigen, wie interessante USB- • Frequenzen erzeugen und anwenden
e
Steuerungen aufgebaut werden können.
• Temperatur mit einem NTC messen
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Das Buch startet mit einfachen „LED an/LED aus“-Beispielen. • 8-Kanal-Logicanalyzer
E
Experimente mit einer Alarmanlage, Wasserstandsüberwachung,
• Steuerung von Schrittmotoren
LDRs und Fotodioden vertiefen das gelernte Wissen. Anschließend
• EEProm-Daten ändern r
werden die im Buch enthaltenen Beispiele komplexer: Messungen
von Helligkeit oder Temperatur mit einem selbst gebauten • und vieles mehr e
Analog-/Digital-Wandler vermitteln weitere Grundlagen. d
Manch einer wird sich vielleicht wundern, wie einfach der selbst
gebaute A/D-Wandler mit ein paar Zeilen in der Anwendungssoftware n
über USB behandelt werden kann. Ein Fernbedienungstester mit
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Fotodiode, ein Voltmeter und Batterietester, ein Kennwortdaten-

speicher mit einem EEProm, Schrittmotorsteuerungen und die B
Verwendung als USB-Dongle sind weitere praktische Beispiele. USB
Da der verwendete Baustein auch als USB-Seriell-Konverter für
S
Mikrocontroller-Anwendungen dienen kann, werden auch diese
Anwendungsmöglichkeiten aufgeführt.
Die Umsetzung einer USB-I2C-Schnittstelle wird zum Kinderspiel, U in der Elektronik
da ein Software-Logikanalyzer das Daten- und Taktsignal im
tatsächlich erzeugten Timingdiagramm visualisiert. Sie können in
fünf einfachen Schritten eine universelle USB-I2C-Schnittstelle
Die USB-Schnittstelle für praktische Anwendungen am PC einsetzen
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
ISBN 978-3-7723-4089-5
können. Auf CD-ROM:
Der Autor verwendet den USB-Baustein in der Praxis als USB-
Beispielprogramme
•
Seriell-Konverter für industrielle Steuerungen, für USB-Schrittmotor-
Euro 29,95 [D] Datenblätter
steuerungen und als Programmieradapter für die neue Atmel- •
AT89LP-8051-Familie. Besuchen Sie uns im Internet: www.franzis.de Hulzebosch Manuals
•
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USB in der Elektronik
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art & design:www.ideehoch2.de
Druck:Bercker, 47623 Kevelaer
Printed in Germany
ISBN 978-3-7723-4089-5
 
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
 Vorwort
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

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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7 USB-Treiber ................................................ 22
2.8 USB-Anbieteridentifizierung ................................... 23
3 Hardware: USB-/Zusatzplatine und Bezugsquellen ............... 24
3.1 Hardware: USB-Flash-Adapter und Beschreibung .................. 25
3.2 Hardware: Zusatzplatine ...................................... 28
3.3 UM232R-Module von FTDI .................................... 30
3.4 Der interne Aufbau des FT232R von FTDI ......................... 32
3.5 Funktionen des FT232R von FTDI ............................... 33
3.6 Beispiel für seriellen Anschluss eines Mikrocontrollers an USB ...... 34
3.7 RS232/485-Pegelanpassung .................................. 35
3.8 Baudratengenerator ......................................... 37
4 Installation des FTDI-Treibers Version 2.X ........................ 39
4.1 USB View Utility ............................................. 42
4.2 FTDI-USB-Treiber entfernen .................................... 43
 Inhalt
 Kontaktaufnahme ............................................. 45
5.1 Das erste VB-Beispielprogramm aufrufen ........................ 46
5.2 Die ersten Programmaufrufe in der FTD2XX.DLL-Bibliothek .......... 47
5.3 Das Programmbeispiel 1 in Visual Basic ......................... 47
5.4 FTD2XX-Funktionen für VB deklarieren .......................... 48
5.5 Quellcode mit FT_ListDevices und FT_OpenEx .................... 49
5.6 Die weiteren Funktionsaufrufe mit FT_ListDevices ................. 52
5.7 Die Funktionsaufrufe FT_OpenEx und FT_Close. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
 Lichtspiele (serielle Ausgänge DTS/RTS/TxD nutzen) ............. 55
6.1 LED an – LED aus (Aufrufe FT_ClrDtr, FT_SetDtr) ................... 56
6.2 LED aus – LED an ............................................ 59
6.3 LED an – LED aus (Aufrufe FT_ClrRts, FT_SetRts) ................... 59
6.4 LED-Blitz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.5 LED PWM, die Helligkeit einer LED steuern ....................... 62
6.6 Eine 2-Farben-(Duo)-LED steuern ............................... 64
6.7 Wechselblinker mit Duo-LED .................................. 67
6.8 TxD-Ausgang schalten (FT_SetBreakOn, FT_SetBreakOff) ........... 68
6.9 Beispiel einer Ampelschaltung mit drei LEDs ..................... 69
6.10 Schaltungsbeispiel USB-Leselampe ........................... 71
6.11 Schaltungsbeispiel LED als Solarzelle .......................... 71
 Eingänge abfragen (Funktion FT_GetModemStatus) ................73
7.1 Eine Alarmanlage ........................................... 76
7.2 Alarm-Impulszähler .......................................... 77
7.3 Schaltungsbeispiel Alarmanlage ............................... 78
7.4 Ist die Katze da? ............................................ 80
7.5 Vorsicht Wasser ............................................. 81
7.6 LDR – Ist es hell oder dunkel? ................................. 82
7.7 Alarmanlage mit einer Lichtschranke erweitern ................... 83
7.8 LDR-Widerstand genauer ermitteln ............................. 84
 Ein Quarzuhrwerk steuern (Flaschendrehspiel) ................... 89
8.1 Die Spule anschließen ....................................... 89
8.2 Software für ein Flaschendrehspiel ............................. 91
9 Bit Bang – USB gibt Gas (FT_SetBitMode, FT_Write, FT_Read) ...... 92
9.1 Der synchrone Bit Bang Mode ................................. 93
9.2 Eingangssignale D0 bis D7 mit Bit Bang abfragen (FT_GetBitMode) ... 99
Inhalt 9
9.3 Der Quellcode für Bit Bang Mode ............................ 100
9.4 Bit Bang und die Emulation anderer Schnittstellen .............. 102
10 Ein einfacher A/D-Wandler mit Bit Bang ....................... 105
10.1 A/D-Wandler-Konzept .................................... 105
10.2 Schaltbild A/D-Wandler mit einem Komparator. . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.3 Der erste Softwaretest für A/D-Wandler ...................... 108
10.4 Das Zusammenspiel zwischen Software und USB-Hardware ..... 110
10.5 Der Quellcode zum A/D-Wandler ........................... 114
10.6 Der vorgeschaltete Operationsverstärker ..................... 117
10.7 Voltmeter-Spannungen am analogen Eingang E2 messen ....... 118
10.8 Batterietester ........................................... 122
11 Temperatur mit einem NTC messen ........................... 123
11.1 Softwarebeispiel Temperaturmessung ....................... 124
11.2 Quellcode Temperaturmessung ............................ 125
12 Frequenzen erzeugen und Anwendungen ..................... 127
12.1 Frequenzgenerator mit seriellen Schnittstellen-Signalen ........ 127
12.2 Frequenzgenerator mit Bit Bang ............................ 127
12.3 D/A-Wandler mit PWM .................................... 129
13 Kennwort Datenspeicher – FTDI Bit Bang mit I2C-EEProm ....... 133
13.1 Grundlagen des EEProm-Datenspeichers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
13.2 Grundlagen der I2C-Schnittstelle ........................... 133
13.3 Der Datenspeicher sucht Anschluss ......................... 135
13.4 Vorüberlegungen ........................................ 135
13.5 In fünf Schritten zum Erfolg ............................... 137
13.6 Daten-„Fishing“ ......................................... 144
13.7 Bedienung der Kennwortspeicher-Software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
13.8 Kennwortspeicher-Software – Auszüge aus dem Quellcode ..... 148
13.9 Softwarebeispiel I2C-Zweidrahtverbindung ................... 150
14 IR-Fernbedienung testen, Fotodiode im Einsatz ................ 153
14.1 Infrarot-Datenübertragung im RC5-Code ..................... 154
14.2 Beispielsoftware IR-Fernbedienungstest ..................... 155
14.3 Quellcode IR-Fernbedienungstest .......................... 158
14.4 Tochterblitz mit Fotodiode ................................ 159
14.5 Auswertungen in einem Timing-Diagramm ................... 160