Bei meinen ersten Schritten mit dem PIC32 habe ich natürlich mit dem „Hello World“ der embedded Welt begonnen: ein Port Bit wird ein- und ausgeschaltet. Das hat auf Anhieb funktioniert.

Als nächstes stellt sich dann die Frage: wie schnell kann man einen Port ein- und ausschalten. Hier bin ich auf ca. 400 nS gekommen, eigentlich zu langsam für so einen schnellen Prozessor. Unglücklicherweise habe ich das Ergebnis einfach so hingenommen, da es schnell genug für meine Aufgaben war.

Hätte ich mich damals um eine Klärung bemüht, wären mir gestern mehrere Stunden Fehlersuche erspart geblieben. Mein Frequenzzählerprojekt kommt nicht so schnell voran wie erhofft (das liegt zum einen an der verfügbaren Zeit aber noch mehr daran, dass ich mehr lernen muss als ich vorher gedacht hätte) – aber es macht Fortschritte. Mittlerweile haben ich das Anzeigemodul und einen einfachen durchlaufenden Zähler. Als ich gestern meinen Referenztakt von 25 MHz auf den Zähler gegeben habe, hat sich gezeigt, dass der Zähltakt unter einem MHz lief. Der Oszillator war unschuldig, das Oszilloskop hat ordentliche 25 MHz angezeigt.

Die Fehlersuche hat sich etwas mühsam gestaltet, da ich gleich zwei Fehler in der Prozessorkonfiguration hatte. Diese hatte ich einfach aus einem Beispiel übernommen, welches offensichtlich für eine andere Prozessorversion war.

Zum einen wurde der Takt für die externen Komponenten durch den Wert 8 geteilt. Wenn man die kryptischen Kurznamen der Konfiguration verinnerlicht hat, ist das offensichtlich. Mir ist es aber vorher nicht aufgefallen.

Der größere Fehler bestand aber darin, dass die Konfiguration für einen externen 8 MHz Quarzoszillator eingestellt war. Ich habe aber keinen Quarz in meiner Schaltung (der Prozessortakt geht nicht in die Messgenauigkeit ein). Irgendwie lief der Prozessor aber trotzdem, vermutlich blieb er auf einem langsamen internen Oszillator für den Start hängen.

Nachdem ich die Konfiguration in Ordnung gebracht hatte (interner schneller RC Oszillator mit 8 MHz, PLL auf 64 MHz), lief mein Zähler problemlos mit den 25 MHZ (da der Zähler intern synchronisiert wird, ist die Zählertaktrate durch den Prozessortakt beschränkt).

#pragma config FPLLIDIV = DIV_2         // PLL Input Divider (2x Divider)
#pragma config FPLLMUL = MUL_16         // PLL Multiplier (16x Multiplier)
#pragma config FPLLODIV = DIV_1         // System PLL Output Clock Divider (PLL Divide by 1)
#pragma config FWDTEN = OFF

#pragma config FNOSC = FRCPLL           // Oscillator Selection Bits (Fast RC Osc with PLL)
#pragma config FSOSCEN = OFF            // Secondary Oscillator Enable (Disabled)
#pragma config IESO = OFF               // Internal/External Switch Over (Disabled)
#pragma config POSCMOD = OFF            // Primary Oscillator Configuration (Primary osc disabled)
#pragma config OSCIOFNC = OFF           // CLKO Output Signal Active on the OSCO Pin (Disabled)
#pragma config FPBDIV = DIV_1           // Peripheral Clock Divisor (Pb_Clk is Sys_Clk/1)
#pragma config FCKSM = CSDCMD           // Clock Switching and Monitor Selection (Clock Switch Disable, FSCM Disabled)

Als nächstes habe ich nun noch mal mein Blinky Programm korrigiert. Jetzt komme ich auf eine Periode von ca. 100 nS für ein Bit Setzen und Zurücksetzen – also ca. 50 nS für eine Portausgabe. Das ist schon viel näher an den erwarteten Werten.

Als nächstes benötige ich die Zähler für das Eingangssignal. Praktischerweise besitzt der PIC32 neben dem Timer1, den ich für die Anzeige verwende, noch vier weitere 16 Bit Zähler, die sich zu zwei 32 Bit Zählern zusammenschalten lassen. Heute habe ich mich darum gekümmert, die Timer 2 und 3 als 32 Bit Zähler zu verwenden.

In einem ersten Schritt habe ich mich auf die Zusammenschaltung konzentriert und mit dem internen Takt wie beim Timer1 gearbeitet. Das geht relativ einfach und ist nach einem kurzen Blick in das Datenbuch leicht zu erledigen.

    OpenTimer23(T23_ON | T23_SOURCE_INT | T23_PS_1_1, 0xffffffff);

Statt Timer1 wird nun die Kombination aus Timer2 und Timer3 verwendet. Die vordefinierten Hilfsfunktionen und Konstanten sind erfreulicherweise dafür vorbereitet. Der Prescaler wird auf 1 gesetzt, der maximale Timerwert auf volle 32 Bit (die aber nicht komplett benötigen werde).

In der Hauptschleife warte ich nun immer rund eine halbe Sekunde, lese den Timer23 aus und übertrage den aktuellen Wert in den Bildspeicher.

    while(1) {
        int del;
        // wait for 500 milliseconds
        for (del = 0; del < 80000; del++);

        setInt(ReadTimer23());
    };

Das war der einfache Teil, da es im Internet eine Vielzahl von Beispielen gibt, wie man einen Timer mit einem internen Takt verwendet. Für einen Frequenzzähler benötige aber einen Zähler für einen externen Takt. An dieser Stelle habe ich erst mal einen Schreck bekommen, da mir klar wurde, dass ich die Pins für die Ausgangssignale ohne Rücksicht darauf verteilt habe, ob sie eventuell auch von den Timern benötigt werden. Aber ich hatte Glück – das Timer2 Clock Signal, welches auch Eingang für den kombinierten Timer 2 + 3 ist, hat als Eingang einen programmierbaren Pin (PPS). Da ich auf Anhieb kein Beispiel dafür im Internet gefunden habe, musste ich mich jetzt also erst mal mit der Programmierung der Pinbelegung auseinandersetzen. Erfreulicherweise ist es dann aber doch recht einfach. Es gibt zu jedem Eingang eines Funktionsbausteins eine Liste mit den möglichen Pins. Aus dieser Liste muss man einen passenden Pin auswählen, den Mapping-Wert auslesen und in ein Register eintragen. Das war alles – wenn man es erst mal verstanden hat ist es ganz simpel: T3CKRbits.T3CKR = 0;.

void startCounter() {
    OpenTimer23(T23_ON | T23_SOURCE_EXT | T23_PS_1_1, 0xffffffff);
    T3CKRbits.T3CKR = 0; // RA0
}

Wie man im Video sieht, habe ich mittlerweile auch das im Teil 3 beschriebene Übersprechen zwischen den Anzeigestellen in Griff. Das Flackern kommt durch eine Überlagerung der Kamerafrequenz mit der Anzeigefrequenz, es ist im Original nicht sichtbar. Die Wiederholfrequenz liegt bei ca. 90 Hertz.

Aktueller Software Stand:

/* 
 * File:   main.c
 * Author: Matthias Thiele
 *
 * Created on 23. Januar 2015, 21:08
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <plib.h>

// Configuration Bit settings
// SYSCLK = 80 MHz (8MHz Crystal/ FPLLIDIV * FPLLMUL / FPLLODIV)
// PBCLK = 40 MHz
// Primary Osc w/PLL (XT+,HS+,EC+PLL)
// WDT OFF
// Other options are don't care
//
#pragma config FPLLMUL = MUL_20, FPLLIDIV = DIV_2, FPLLODIV = DIV_1, FWDTEN = OFF
#pragma config POSCMOD = HS, FNOSC = PRIPLL, FPBDIV = DIV_8
#pragma config OSCIOFNC = OFF // CLKO Output Signal Active on the OSCO disabled
#pragma config JTAGEN = OFF // JTAG Enable (JTAG Disabled)

#define SYS_FREQ             (80000000L)

static int digits[9];
static int dark[9];

// Ermittelt das Port B Bitmuster für einen Wert
// an einer Position im Bildspeicher
int calcPattern(int pos, int value) {
  int hexDigit = (value & 0xf) << 7;
  int position = ((pos & 1) << 11) | ((pos & 0xe) << 12);
  int comma = (pos == 1) ? 0x20 : 0;

  return hexDigit | position | comma;
}

// Schreibt eine Ziffer an eine Position im Bildspeicher
void setDigit(int pos, int value) {
  int pattern = calcPattern(pos, value);
  digits[pos] = pattern;
}

// Schreibt einen Integer Wert in den Bildspeicher
void setInt(int value) {
    int i, j;

    for (i = 8; i >= 0; i--) {
        int part = value % 10;
        setDigit(i, part);

        value = value / 10;
        if (value == 0) {
            // clear leading digits
            for (j = i - 1; j >= 0; j--) {
                setDigit(j, 0xf);
            }
            break;
        }
    }
}

// Zeigt in einer Schleife die 9 Stellen des
// Displays an. Wird aus dem Heartbeat Interrupt
// ca. 1000 mal pro Sekunde aufgerufen.
void displayTick() {
    static int pos = 0;

    // dunkel schalten
    mPORTBWrite(dark[pos]);
    int delay;
    for (delay = 0; delay < 3; delay++);

    // neuen Wert eintragen
    mPORTBWrite(digits[pos]);

    // nächste Stelle ermitteln (round robin)
    pos++;
    if (pos > 8) {
        pos = 0;
    }
}

// Interrupt Service Routine für Timer1
void __ISR(_TIMER_1_VECTOR, ipl2) Timer1Handler(void) {
    displayTick();
    mT1ClearIntFlag();
}

// Initialisert das Display
void initDisplay() {
    int i;
    for (i = 0; i < 9; i++) {
        dark[i] = calcPattern(i, 0xf);
    }
}

// Initialisiert und startet den Heartbeat Timer
void startHeartbeat() {
    OpenTimer1(T1_ON | T1_SOURCE_INT | T1_PS_1_256, 4);
    INTEnableSystemMultiVectoredInt();
    ConfigIntTimer1(T1_INT_ON | T1_INT_PRIOR_2);
    mT1ClearIntFlag();
}

// Initialisiert und startet die Zähler Timer
void startCounter() {
    OpenTimer23(T23_ON | T23_SOURCE_EXT | T23_PS_1_1, 0xffffffff);
    T3CKRbits.T3CKR = 0; // RA0
}

int main(void)
{
    SYSTEMConfig(SYS_FREQ, SYS_CFG_WAIT_STATES | SYS_CFG_PCACHE);
    mJTAGPortEnable(DEBUG_JTAGPORT_OFF);

    ANSELA = 0;
    ANSELB = 0;
    CM1CON = 0;
    CM2CON = 0;
    CM3CON = 0;
    
    mPORTBSetPinsDigitalOut( 0xfffc );
    mPORTASetPinsDigitalIn( 0x3 );

    initDisplay();
    startHeartbeat();
    startCounter();

    while(1) {
        int del;
        // wait for 500 milliseconds
        for (del = 0; del < 80000; del++);

        setInt(ReadTimer23());
    };
    
}

Weiter zum Teil 5

An diesem Wochenende hatte ich ein paar Stunden Zeit um mich um die Anzeigeroutine zu kümmern. Ziel war es, dass die Anzeige Interruptgesteuert aus einem Bildspeicher heraus erfolgt.

Da die Anzeige 9-stellig ist und ich über eine 10. Stelle noch ein paar externe LEDs ansteuern möchte, brauche ich für eine Wiederholrate von 100 Hertz eine Interruptrate von 1 kHz. Diese Frequenz wird intern über den Timer1 erzeugt.

OpenTimer1(T1_ON | T1_SOURCE_INT | T1_PS_1_256, 4);

Die Teilerfaktoren habe ich experimentell ermittelt, sie unterscheiden sich fast um den Faktor 10 von den theoretisch notwendigen Werten. Ich habe den Verdacht, dass mein PIC im Augenblick nicht mit der vollen Taktrate läuft. Das muss ich bei Gelegenheit mal genauer untersuchen, im Augenblick stört es mich aber nicht.

Als nächstes benötige ich eine Interrupt Service Routine (ISR), welche bei jedem Timer-Überlauf aufgerufen wird. Dazu muss die Routine definiert werden und der Timer-Interrupt aktiviert werden.

void __ISR(_TIMER_1_VECTOR, ipl2) Timer1Handler(void) {
    displayTick();
    mT1ClearIntFlag();
}

Die Funktion meldet sich als ISR für den Timer1 an. Bei jedem Aufruf wird die nächste Stelle angezeigt, das ganze immer im Kreis. Am Ende der Routine wird das Interrupt Flag zurückgesetzt damit sie im nächsten Intervall wieder aufgerufen wird. Später wird diese Routine auch noch die Abfrage der Eingabetaster durchführen.

void startHeartbeat() {
    OpenTimer1(T1_ON | T1_SOURCE_INT | T1_PS_1_256, 4);
    INTEnableSystemMultiVectoredInt();
    ConfigIntTimer1(T1_INT_ON | T1_INT_PRIOR_2);
    mT1ClearIntFlag();
}

Hier nun die komplette Timer-Initialisierung. Nach der Programmierung der Teilerfaktoren wird der Interrupt eingeschaltet und konfiguriert. Das war schon alles. Jetzt wird die Funktion Timer1Handler rund 1000 mal pro Sekunde aufgerufen.

Als nächstes kommt dann die eigentliche Anzeige in der Funktion displayTick(). Sie müsste eigentlich die aktuelle Ziffer aus dem Bildspeicher auslesen, das dafür benötigte Bitmuster für den Ausgabeport ermitteln (jeweils 4 Bit für die Siebensegmentanzeige und den Multiplexer für die Stellenauswahl) und dieses Muster auf den Port B ausgeben. Es ist aber verschenkte Zeit, das Bitmuster 1000 mal pro Sekunde ständig neu zu errechnen, deshalb wird es beim Füllen des Bildspeichers errechnet und statt einfach nur der Ziffer wird das Bitmuster dort abgelegt. Die Ausgaberoutine muss also immer nur die nächste Stelle aus dem Bildspeicher auslesen und auf den Port ausgeben. Die Position des Ausgabecursors wird in der lokalen Variablen pos gespeichert.

static int digits[9];

void displayTick() {
    static int pos = 0;

    mPORTBWrite(digits[pos]);

    pos++;
    if (pos > 8) {
        pos = 0;
    }
}

Nun fehlt noch eine Möglichkeit, den Bildspeicher zu füllen. Als low level Funktion gibt es einen Aufruf, der die Position und einen Wert enthält. Diese Funktion errechnet daraus das Bitmuster für den Port B.

void setDigit(int pos, int value) {
  int hexDigit = (value & 0xf) << 7;
  int position = ((pos & 1) << 11) | ((pos & 0xe) << 12);
  int pattern = hexDigit | position;
  digits[pos] = pattern;
}

Darauf aufbauend gibt es nun eine Funktion, die einen 32 Bit Integer Wert in den Bildspeicher einträgt.

void setInt(int value) {
    int i, j;

    for (i = 8; i >= 0; i–) {
        int part = value % 10;
        setDigit(i, part);

        value = value / 10;
        if (value == 0) {
            // clear leading digits
            for (j = i – 1; j >= 0; j–) {
                setDigit(j, 0xf);
            }
            break;
        }
    }
}

Beim Betrachten der Bilder ist mir aufgefallen, dass es ein sichtbares Übersprechen zwischen den einzelnen Stellen gibt. Ich vermute, dass die Abschaltung der Stelle nicht schnell genug ist und jede Stelle deshalb ein paar Mikrosekunden lang noch aktiv ist, während bereits die nächste Stelle angezeigt wird.

[Edit] Das habe ich mir mittlerweile mal genauer angesehen. Man bekommt den Effekt leicht per Software weg, indem man vor dem Wechsel der Stelle den Wert 0xf (alles dunkel) ausgibt und ein paar Mikrosekunden wartet. Ich vermute, dass der PNP Darlington Transistor nicht besonders schnell schaltet. Da er einen großen Vorwiderstand hat, dauert es vermutlich mehrere Mikrosekunden bis er abschaltet.

 
Weiter zum Teil 4

Gestern ist die neue Hardware gekommen. Auch hier habe ich als erstes mal Blinky ausprobiert.

Die erste Hürde lag in den Projekteinstellungen. Dort kann man den Microstick direkt auswählen. Dann wird er aber nicht erkannt. Statt dessen muss man „Starter Kits (PKOB)“ auswählen. Zum Glück wird man durch den grünen Punkt in die richtige Richtung geleitet.

Nachtrag: wer lesen kann, ist im Vorteil. Die Selektion heißt MICROSTICK – ich habe aber einen Microstick II, das Nachfolgemodell.

Ein erster Test mit dem Oszilloskop zeigt nur mittelprächtige Werte. Knapp 400 nS für ein Bit setzen oder zurücksetzen, das ist nicht toll für 12,5 nS Taktrate. Ich komme auf 30 Takte. Vermutlich ist das dem Compiler geschuldet, der in der kostenlosen Version keine Optimierungen bietet. Falls ich damit Probleme bekomme, werde ich es mal mit Assembler versuchen. Im Augenblick werde ich erst mal die Hardware erforschen.

Der Neugierde halber habe ich mir doch mal den erzeugten Assembler Code angesehen. In den Projekteigenschaften kann man einstellen, dass die temporären Dateien nicht gelöscht werden. So ganz klar ist mir noch nicht, wo da die 30 Takte bleiben, das werde ich in den nächsten Tagen mal genauer untersuchen.

Nachtrag vom 22. Februar 2015

Ich habe dem Prozessor unrecht getan. Durch eine Konfigurationsfehler lief er nur mit etwa einem Achtel des möglichen Takts. In der verbesserten Konfiguration komme ich auf etwa 50 nS.

Link zum neuen Test

Wenn ich das zu diesem Zeitpunkt genauer untersucht hätte, wären mir einige Probleme in dem Folgeprojekt erspart geblieben.

Nachdem ich mich über die Feiertage etwas intensiver mit der mbed Umgebung beschäftigt habe, ist meine erste Begeisterung etwas gedämpft worden. Solange man sich innerhalb des mbed Frameworks bewegt, ist alles prima. Mit wenigen C Statements kann man sich schöne Sachen programmieren.

Hässlich wird es, sobald man etwas braucht, was nicht für das Framework abgedeckt wird und man sich in Tiefen der ARM Hardware begeben muss. Auslöser bei mir war eine Anleitung im Internet zum Bau eines Frequenzzählers. Mein nucleo Board hat fast alles, um diesen Vorschlag, der auf AVR Microcontrollern basiert, mit minimalen Hardware Aufwand zu realisieren. Da das mbed Framework von Haus aus keine Counter mit externen Quellen unterstützt, habe ich erforscht, wie das funktioniert. Und da bin ich als Hobby Bastler dann doch etwas überfordert. Damit sich kein ARM Fan auf die Füße getreten fühlt: die Möglichkeiten sind gigantisch. Aber das ist auch genau das Problem: die Dokumentation ist schlecht. Und jeder Chip Hersteller macht es anders. Deshalb ist auch das Internet keine Hilfe. Eine Lösung, die jemand für einen anderen Chip gefunden hat, hilft mir nicht weiter.

Als nächsten Anlaufpunkt habe ich mir dann das mbed Framework angesehen. Eine typische Entwickler-Strategie: Lernen durch forschen, wie es andere machen. Sobald man auf die HAL Ebene kommt (Hardware Abstraction Layer), beginnt das Elend. Die Funktionen sind für jeden Hersteller anders implementiert (was noch nachvollziehbar wäre – aber nicht schön) und noch schlimmer – innerhalb der ST Familie ist auch noch jeder Chip individuell implementiert.

Da ich noch andere Hobbies habe, bin ich nicht bereit, jetzt wochenlang in die Niederungen der Hardwareprogrammierung für den F401 Chip einzusteigen. Nur um es beim Umstieg auf einen anderen Chip wieder neu anzufangen. Hier verrennt man sich in Nischen. Für professionelle Entwickler ist es sicher schön, für jedes Problem eine Lösung zu haben. Für mich als Bastler ist es leider eine Sackgasse.

Da für mich das Entdecken und Ausprobieren ohnehin eher im Vordergrund steht als das Realisieren, habe ich überlegt, welche anderen Möglichkeiten zur Verfügung stehen. Es sollten günstige Entwicklungsboards zur Verfügung stehen und zumindest theoretisch die Möglichkeit bestehen, auch eigene Boards zu entwickeln. Und das wichtigste: es sollte eine vernünftige Entwicklungsumgebung verfügbar sein.

Atmel AVR

Die 8 Bit Atmel-AVR Familie ist in Maker-Kreisen sehr stark verbreitet. Besonders die Arduino Entwicklung hat völlig neue Anwender Kreise erschlossen. Vor 15 Jahren habe ich schon  mal damit experimentiert. Auch das Frequenzzähler Projekt ist mit einem AVR Prozessor realisiert. Allerdings wollte ich es nicht einfach nachbauen sondern auch erweitern. Dafür habe ich in der Prozessorliste auch ein geeignetes Exemplar gefunden – kann es aber nicht in Einzelstückzahlen kaufen. Bei den 8 Bit Prozessoren stößt man Allgemein schnell an Grenzen, vor allem der RAM Bereich ist bei den meisten (allen?) Exemplaren sehr begrenzt.

Es gibt auch eine 32 Bit Variante – die wird aber scheinbar von Bastlern nur wenig verwendet. In Folge gibt es auch nicht so viel Hilfe und Tutorials. Und man kann auch nur begrenzt viele Modelle kaufen.

TI MSP 430

Dieser 16 Bit Prozessor war von Anfang an auf niedrigen Energieverbrauch optimiert. Mir gefällt die Architektur (einfach und überschaubar) und es gibt auch eine brauchbare Entwicklungsumgebung. Auch damit hatte ich vor 10 Jahren schon mal experimentiert und auch hier gibt das Datenblatt für mein geplantes Projekt geeignete Modell her. Aber auch hier hapert es mit dem Kaufen. Es gibt viele Varianten, aber gerade die interessanten Modelle sind nicht für den Bastler erhältlich.

Microchip PIC

Eigentlich gefällt mir dieser Prozessor von der Architektur her nicht. Aber er hat ein große Verbreitung und für den Bastler gibt es viele Modelle zu kaufen. Deshalb habe ich mir diese Modellreihe mal angesehen.

Die PIC Familie besteht nicht nur aus den (hässlichen) 8 Bit Varianten. Es gibt auch 16 Bit und 32 Bit Prozessoren. Beim Studium der Datenblätter ist mir aufgefallen, dass die 32 Bit Varianten PIC32 auf dem MIPS Prozessor basieren. Damit war mein Interesse geweckt. Als Bastler kann ich viele verschiedene Modelle kaufen und es gibt sie auch im DIL Gehäuse, ideal für einen Steckbrett-Aufbau. Eine eigene Platine kann mit minimaler externer Beschaltung realisiert werden (das war auch beim AVR toll).

Die Entwicklungsumgebung kann man sich bei Microchip herunterladen und sie kam mir gleich bekannt vor – sie basiert auf Netbeans (eine Java und C++ Entwicklungsumgebung). Praktischerweise gibt es sie auch für Linux. Auch wenn ich im Augenblick mit Windows 8.1 arbeite, wechsele ich hin und wieder zwischen Ubuntu und Windows. Dann ist es schön, wenn die Entwicklungsumgebung in beiden Systemen verfügbar ist.

Die Installation ist einfach und ohne Überraschungen. Es kommt auch ein Simulator mit, also habe ich gleich mal „Blinky“ – das HelloWorld der Embedded Welt ausprobiert und erweitert. Alles hat auf anhieb funktioniert und man mussten sich nicht mit unerwarteten Problemen rumschlagen. Die Hardware ist bestellt, kommt aber erst in ein paar Tagen. Dann werde ich weiter berichten. Ich wollte mich schon lange mal mit der MIPS Welt auseinandersetzen.

Im klassischen Schreinerbetrieb werden Verbindungen über Eck oft als Fingerzinken ausgeführt. Man kann sie mühsam von Hand sägen, mit einer Schablone und einer Oberfräse ausfräsen oder aber auf auf der Kreissäge erzeugen. Im amerikanischen Umfeld werden dafür gerne dado blades (Nutsägeblätter) verwendet. Das sind mehrere Sägeblätter im Stapel, die in einem Durchlauf gleich einen ganzen Zentimeter Breite raussägen können.

Dado Blade auf Wikipedia

In Deutschland sind die dado blades meines Wissens nach nicht zulässig. Aber man kann es mit etwas mehr Mühe auch mit einem normalen Kreissägeblatt hinbekommen. Es sind dann eben mehrere Durchläufe notwendig, die jeweils um die Breite des Sägeblatts versetzt vorgenommen werden. Die Schwierigkeit liegt dabei in dem korrekten Versatz, denn die Fingerzinken müssen relativ genau gearbeitet werden.

Ich habe mir dabei gedacht, dass sich um den Versatz ein Microcontroller kümmern kann. Man stellt die Breite der Zinken ein und der Controller verschiebt bei jedem Durchgang den Anschlag um den benötigten Betrag. Dieser Versatz ist nicht immer gleich. Bei meiner Säge beträgt die Breite des Sägeblatts 3 Millimeter. Ein 8 Millimeter breiter Spalt wird also durch einen Sägeschnitt erzeugt, gefolgt von zweimal einem Versatz von jeweils 2,5 Millimeter. Danach müssen 8 Millimeter stehen bleiben, der nächste Versatz beträgt also 11 Millimeter. Der Anschlag muss also immer um die Beträge 2,5 – 2,5 – 11 – 2,5 – 2,5 – 11 … Millimeter verschoben werden.

In der Bastelkiste habe ich einen alten Schrittmotor aus einem 5 1/4 Zoll Floppy Disk Laufwerk gefunden. Er hat fünf Anschlüsse, ein gemeinsamer Plus Pol und dann vier versetzte Spulen. Obwohl ich kein Datenblatt dafür habe, konnte ich die Anschlüsse relativ schnell mit einem Ohmmeter ermitteln.

Der Anschluss an einen Microcontroller ist recht einfach. Für solche Fälle hat man immer ein paar ULN 2003 rumfliegen. Das sind 8 Darlingtontransistoren mit Vorwiderständen in einem DIL Gehäuse. Da der Schrittmotor aus einem Floppy Laufwerk stammt, gehe ich von einer Betriebsspannung von 12 Volt aus. Tests haben gezeigt, dass ab etwa 8 Volt eine ausreichende Kraft zur Verfügung steht und auch 16 Volt nach längerer Arbeit nicht zu einem heißen Motor führt.

Der Microcontroller wird über die USB Leitung mit Spannung versorgt, kann aber auch eine externe Spannungsquelle haben. Der Schrittmotor bezieht seine Versorgung aus einem Labornetzteil (über die grün/ weiße Leitung). Man sieht, dass die komplette Schaltung im Prinzip nur aus einem IC besteht.

Nachdem ich einen laufenden Motor hatte, habe ich zuerst die Schrittzahl für eine volle Umdrehung ermittelt. Das muss nicht übermäßig genau sein, da Schrittmotoren typischerweise eine Schrittzahl von 24, 200 oder 400 besitzen. Ich habe noch keinen Motor gesehen, der 197 Schritte pro Umdrehung im Datenblatt angegeben hat. Ein kleiner Test mit einer Markierung auf der Achse zeigt, dass ich ein Modell mit 200 Schritten habe.

Als nächstes musste ich die Geschwindigkeit des Motors ermitteln. Ein Schrittmotor dreht sich exakt so schnell, wie es über die Schrittfolge vorgegeben ist – zumindest im Normalbetrieb. Wenn man den Motor mechanisch zu stark belastet, verliert er Schritte, d.h. er dreht sich nicht weiter. Wenn man eine langsame Schrittfolge wählt, wird der Vorschub sehr langsam. Die verwendete M6 Gewindestange hat eine Steigung von einem Millimeter pro Umdrehung. Wenn ich 10 cm vorrücken will, sind also 100 Umdrehungen notwendig. Zur Ermittlung der maximalen Schrittrate habe ich die Geschwindigkeit beginnend von 50 Schritten pro Sekunde nach und nach auf 1000 Schritte pro Sekunde erhöht. Wenn die maximale Geschwindigkeit erreicht ist, kann der Motor einen Schritt nicht mehr vollständig ausführen bevor der nächste Schritt kommt. Das führt dazu, dass der Motor mit einem heftigen Brummen stehen bleibt. Von der Maximalgeschwindigkeit habe ich dann noch mal eine ordentliche Portion abgeschnitten. Als Sicherheitsmarge, denn bei dieser Geschwindigkeit ist die Kraft gerade noch ausreichend, um die Gewindestange zu drehen. Aktuell verwende ich maximal 500 Schritte pro Sekunde. Das ergibt 2,5 Umdrehungen pro Sekunde und somit einen Vorschub von nur 2,5 Millimeter pro Sekunde. Da ich jeweils nur kurze Strecken zurücklegen muss, ist das für den Einsatzzweck akzeptabel.

Da die Port-Pins des Microcontrollers nicht in einer Reihe liegen, habe ich sie so verdrahtet, wie es am einfachsten ist. Um zur Schrittgenerierung eine 1 durchzuschieben habe ich ein Array der Länge 4 angelegt, welches dann das jeweilige Port Bit enthält. Es müssen also im Kreis alle vier Werte vorwärts oder rückwärts ausgegeben werden.

Wenn man bei einem Schrittmotor im Ruhezustand direkt auf volle Geschwindigkeit geht, führt das zu Schrittverlusten, da der Motor nicht so schnell reagieren kann. Im schlimmsten Fall läuft er gar nicht an. Deshalb wird die Geschwindigkeit langsam hochgefahren. Der Abstand vom ersten zum zweiten Schritt beträgt 13 Millisekunden. Er wird bei jedem Schritt um eine Millisekunde verkürzt, bis zur maximalen Geschwindigkeit mit einem Abstand von 2 Millisekunden. Beim Abbremsen passiert das gleiche umgekehrt, die Abstände werden über 10 Stufen langsam verlängert. Wenn weniger als 20 Schritte ausgeführt werden sollen, besteht die Sequenz nur aus einer Teilrampe zum Beschleunigen und Abbremsen.

Die Funktion für den schrittweiten Vorschub wartet auf das nächste Kommando. Wenn es zum nächsten Anschlag weitergehen soll, holt sie sich die nächste Schrittzahl aus dem Feld stepValues über den hochgezählten Index globalStep und führt diese Anzahl von Schritten aus. Die Anzahl wird auch in einem Summenspeicher gemerkt, damit der Linearvorschub über ein zweites Kommando wieder zum Startpunkt zurückfahren kann.

Eine weitere Funktion dient zur Einstellung des Nullpunkts. In diesem Fall fährt der Schrittmotor in eine Richtung, bis diese über einen Tastendruck gewechselt wird.

Erstaunlicherweise gibt es in meiner Bastelkiste einen auffälligen Mangel an Drucktastern. Also musste ich das „User Interface“ auf ein Minimum begrenzen. Auf der Microcontroller Platine gibt es einen User Button – das war alles, was mir zur Verfügung stand.

Der Zustand des User Buttons wird alle 10 Millisekunden geprüft. Zur Entprellung wird ein kurzer Tastendruck gewertet, wenn der Zustand mindestens 50 Millisekunden auf 1 stand.

Wenn er eine Sekunde lang gedrückt wurde, dann wird das als langer Tastendruck gewertet.

Wenn beim Start des Programms der User Button gedrückt ist, geht das Programm in den Null-Einstellungsmodus. In diesem Fall läuft der Schrittmotor in eine Richtung bis der User Button gedrückt wird. Dann wird die Drehrichtung umgeschaltet.

Ist er beim Start nicht gedrückt, geht das Programm in den normalen Vorschubmodus. Bei jedem kurzen Button Klick wandert der Vorschub bis zum nächsten Stopp weiter. Bei einem langen Button Klick geht es zur Startposition zurück.

Was würde ich jetzt anders machen?

Da es sich nur um ein Bastelprojekt handelt, habe ich für den Linearvorschub keine Trapezgewindespindel gekauft sondern einfach eine Gewindestange aus dem Bestand verwendet. Diese hat leider einen deutlichen Schlag, was zu störenden Bewegungen seitlich und nach oben und unten führt. Für den geplanten Einsatzzweck ist das zwar egal, es sieht aber einfach nicht gut aus. Zudem könnte man die Trapezgewindespindel mit einer höheren Steigung kaufen und somit einen schnelleren Vorschub erreichen. Die aktuelle Positionierungsgenauigkeit, von rechnerisch 5 Mikrometer, kann ich ohnehin nicht ausnutzen.

Nachtrag vom 27.12.

Ein kurzer Test zeigt: Prinzipiell funktioniert das System – aber leider nicht mit der Präzision, die ich erhofft hatte. Es ist schwierig, die zu sägenden Teile exakt Senkrecht am Anschlag zu halten. Schon ein kleiner Winkelfehler führt zu unterschiedlich breiten Zinken.