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AVR-Tutorial: 7-Segment-AnzeigeDie Ausgabe von Zahlenwerten auf ein Text-LCD ist sicherlich das Nonplusultra, aber manchmal liegen die Dinge sehr viel einfacher. Um beispielsweise eine Temperatur anzuzeigen ist ein LCD etwas Overkill. In solchen Fällen kann die Ausgabe auf ein paar 7-Segmentanzeigen gemacht werden. Ausserdem haben 7-Segmentanzeigen einen ganz besonderen Charme :-)
[Bearbeiten] Typen von 7-Segment AnzeigenEine einzelne 7-Segmentanzeige besteht aus sieben (mit Dezimalpunkt acht) einzelnen LEDs in einem gemeinsamen Gehäuse. Aus praktischen Gründen wird einer der beiden Anschlüsse jeder LED mit den gleichen Anschlüssen der anderen LED verbunden und gemeinsam aus dem Gehäuse herausgeführt. Das spart Pins am Gehäuse und später bei der Ansteuerung. Dementsprechend spricht man von Anzeigen mit gemeinsamer Anode (engl. common anode) bzw. gemeinsamer Kathode (engl. common cathode).  Interne Verschaltung der 7-Segmentanzeigen
[Bearbeiten] Eine einzelne 7-Segment Anzeige[Bearbeiten] Schaltung belegung einer 7-Segment- anzeige  Eine einzelne 7-Segmentanzeige wird nach dem folgenden Schema am Port D des Mega8 angeschlossen. Port D wurde deshalb gewählt, da er am Mega8 als einziger Port aus den vollen 8 Bit besteht. Die 7-Segmentanzeige hat neben den Segmenten a bis g eine gemeinsame Anode CA sowie einen Dezimalpunkt dp (siehe Bild). Welcher Pin an der Anzeige welchem Segment (a-g) bzw. dem Dezimalpunkt entspricht wird am besten dem Datenblatt zur Anzeige entnommen. Im Folgenden wird von dieser Segmentbelegung ausgegangen: Wird eine andere Belegung genutzt dann ist das prinzipiell möglich, jedoch müsste das in der Programmierung berücksichtigt werden. Da eine 7-Segmentanzeige konzeptionell sieben einzelnen LEDs entspricht, ergibt sich im Prinzip keine Änderung in der Ansteuerung einer derartigen Anzeige im Vergleich zur LED Ansteuerung wie sie im AVR-Tutorial: IO-Grundlagen gezeigt wird. Genau wie bei den einzelnen LEDs wird eine davon eingeschaltet, indem der zugehörige Port Pin auf 0 gesetzt wird. Aber anders als bei einzelnen LED möchte man mit einer derartigen Anzeige eine Ziffernanzeige erhalten. Dazu ist es lediglich notwendig, für eine bestimmte Ziffer die richtigen LEDs einzuschalten.
[Bearbeiten] Codetabelle Die Umkodierung von einzelnen Ziffern in ein bestimmtes Ausgabemuster kann über eine sog. Codetabelle geschehen: Die auszugebende Ziffer wird als Offset zum Anfang dieser Tabelle aufgefasst und aus der Tabelle erhält man ein Byte (Code), welches direkt auf den Port ausgegeben werden kann und das entsprechende Bitmuster enthält, sodass die für diese Ziffer notwendigen LED ein- bzw. ausgeschaltet sind.
Aus dem Anschlußschema ergibt sich, dass die dazu notwendige Ausgabe am Port binär 10110000 lauten muss. Untersucht man dies für alle Ziffern, so ergibt sich folgende Tabelle:
[Bearbeiten] ProgrammDas Testprogramm stellt nacheinander die Ziffern 0 bis 9 auf der 7-Segmentanzeige dar. Die jeweils auszugebende Zahl steht im Register count und wird innerhalb der Schleife um jeweils 1 erhöht. Hat das Register den Wert 10 erreicht, so wird es wieder auf 0 zurückgesetzt. Nach der Erhöhung folgt eine Warteschleife, welche dafür sorgt, dass bis zur nächsten Ausgabe eine gewisse Zeit vergeht. Normalerweise macht man keine derartigen langen Warteschleifen, aber hier geht es ja nicht ums Warten sondern um die Ansteuerung einer 7-Segmentanzeige. Einen Timer dafür zu benutzen wäre zunächst zuviel Aufwand. Die eigentliche Ausgabe und damit der in diesem Artikel interessante Teil findet jedoch direkt nach dem Label loop statt. Die bereits bekannte Codetabelle wird mittels .db Direktive (define byte) in den Flash-Speicher gelegt. Der Zugriff darauf erfolgt über den Z-Pointer und dem Befehl lpm. Zusätzlich wird vor dem Zugriff noch der Wert des Registers count und damit der aktuelle Zählerwert zum Z-Pointer addiert. Beachtet werden muss nur, dass der Zählerwert verdoppelt werden muss. Dies hat folgenden Grund: Wird die Tabelle so wie hier gezeigt mittels einzelnen .db Anweisungen aufgebaut, so fügt der Assembler sog. Padding Bytes zwischen die einzelnen Bytes ein, damit jede .db Anweisung auf einer geraden Speicheradresse liegt. Dies ist eine direkte Folge der Tatsache, dass der Flash-Speicher wortweise (16 Bit) und nicht byteweise (8 Bit) organisiert ist. Da aber von einem .db in der Tabelle zum nächsten .db eine Differenz von 2 Bytes vorliegt, muss dies in der Berechnung berücksichtigt werden. Im zweiten Beispiel auf dieser Seite wird dies anders gemacht. Dort wird gezeigt wie man durch eine andere Schreibweise der Tabelle das Erzeugen der Padding Bytes durch den Assembler verhindern kann. Aus dem gleichen Grund wird auch der Z-Pointer mit dem 2-fachen der Startadresse der Tabelle geladen. Die Startadresse wird vom Assembler in wortweiser Adressierung eingesetzt, lpm möchte die Zugriffsadresse als Byteadresse angegeben haben. Interessant ist auch, dass in der Berechnung ein Register benötigt wird, welches den Wert 0 enthält. Dies deshalb, da es im AVR keinen Befehl gibt der eine Konstante mit gleichzeitiger Berücksichtigung des Carry-Bits addieren kann. Daher muss diese Konstante zunächst in ein Register geladen werden und erst dann kann die Addition mithilfe dieses Registers vorgenommen werden. Das Interessante daran ist nun, dass dieser Umstand in sehr vielen Programmen vorkommt und es sich bei der Konstanten in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle um die Konstante 0 handelt. Viele Programmierer reservieren daher von vorne herein ein Register für diesen Zweck und nennen es das Zero-Register. Sinnvollerweise legt man dieses Register in den Bereich r0..r15, da diese Register etwas zweitklassig sind (ldi, cpi etc. funktionieren nicht damit).
[Bearbeiten] Mehrere 7-Segment Anzeigen (Multiplexen)Mit dem bisherigen Vorwissen könnte man sich jetzt daran machen, auch einmal drei oder vier Anzeigen mit dem Mega8 anzusteuern. Leider gibt es da ein Problem, denn für eine Anzeige sind acht Portpins notwendig - vier Anzeigen würden demnach 32 Portpins benötigen. Die hat der Mega8 aber nicht. Dafür gibt es aber mehrere Auswege. Schieberegister sind bereits in einem anderen Tutorial beschrieben. Damit könnte man sich ganz leicht die benötigten 32 Ausgangsleitungen mit nur 3 Portpins erzeugen. Das Prinzip der Ansteuerung unterscheidet sich in nichts von der Ansteurung einer einzelnen 7-Segment Anzeige, lediglich die Art und Weise, wie die 'Ausgangspins' zu ihren Werten kommen ist anders und durch die Verwendung von Schieberegistern vorgegeben. An dieser Stelle soll aber eine andere Variante der Ansteuerung gezeigt werden. Im Folgenden werden wir uns daher das Multiplexen einmal näher ansehen. Multiplexen bedeutet, dass nicht alle vier Anzeigen gleichzeitig eingeschaltet sind, sondern immer nur Eine für eine kurze Zeit. Geschieht der Wechsel zwischen den Anzeigen schneller als wir Menschen das wahrnehmen können, so erscheinen uns alle vier Anzeigen gleichzeitig in Betrieb zu sein obwohl immer nur Eine für eine kurze Zeit aufleuchtet. Dabei handelt es sich praktisch um einen Sonderfall einer LED-Matrix mit nur einer Zeile. Die vier Anzeigen können sich dadurch die einzelnen Segmentleitungen teilen und alles was benötigt wird sind 4 zusätzliche Steuerleitungen für die 4 Anzeigen, mit denen jeweils eine Anzeige eingeschaltet wird. Dieses Ein/Ausschalten wird mit einem pnp-Transistor in der Versorgungsspannung jeder Anzeige realisiert, die vom Mega8 am PortC angesteuert werden. Ein Aspekt dieser Ansteuerungsart ist die Multiplexfrequenz, also ein kompletter Zyklus das Weiterschaltens von einer Anzeige zur nächsten . Sie muss hoch genug sein, um ein Flimmern der Anzeige zu vermeiden. Das menschliche Auge ist träge, im Kino reichen 24 Bilder pro Sekunde, beim Fernseher sind es 50. Um auf der sicheren Seite zu sein, dass auch Standbilder ruhig wirken, sollen jedes Segment mit mindestens 100 Hz angesteuert werden, es also mindestens alle 10ms angeschaltet ist. In Ausnahmefällen können aber selbst 100 Hz noch flimmern, z. B. wenn die Anzeige schnell bewegt wird oder wenn es zu Interferenzerscheinungen mit künstlichen Lichtquellen kommt, die mit Wechselstrom betrieben werden.  Bei genauerer Betrachtung fällt auch auf, dass die vier Anzeigen nicht mehr ganz so hell leuchten wie die eine einzelne Anzeige ohne Multiplexen. Bei wenigen Anzeigen ist dies praktisch kaum sichtbar, erst bei mehreren Anzeigen wird es deutlich. Um dem entgegen zu wirken lässt man pro Segment einfach mehr Strom fließen, bei LEDs dürfen dann 20mA überschritten werden. Als Faustregel gilt, dass der n-fache Strom für die (1/n)-fache Zeit fließen darf. Details finden sich im Datenblatt unter dem Punkt Peak-Current (Spitzenstrom) und Duty-Cycle (Tastverhältnis). Allerdings gibt es noch ein anderes Problem wenn insgesamt zu viele Anzeigen gemultiplext werden. Die Pulsströme durch die LEDs werden einfach zu hoch. Die meisten LEDs kann man bis 8:1 multiplexen, manchmal auch bis 16:1. Hier fliesst aber schon ein Pulsstrom von 320mA (16 x 20mA), was nicht mehr ganz ungefährlich ist. Strom lässt sich durch Multiplexen nicht sparen, denn die verbrauchte Leistung ändert sich beim n-fachen Strom für 1/n der Zeit nicht. Kritisch wird es aber, wenn das Multiplexen deaktiviert wird (Ausfall der Ansteuerung durch Hardware- oder Softwarefehler) und der n-fache Strom dauerhaft durch eine Segment-LED fließt. Bei 320mA werden die meisten LEDs innerhalb von Sekunden zerstört. Hier muss sichergestellt werden, dass sowohl Programm (Breakpoint im Debugger) als auch Schaltung (Reset, Power-On, [1]) diesen Fall verhindern. Prinzipiell sollte man immer den Pulsstrom und die Multiplexfrequenz einmal überschlagen, bevor der Lötkolben angeworfen wird. Sollten die Anzeigen zu schwach leuchten so können, wie bereits beschrieben, die Ströme durch die Anzeigen erhöht werden. Dazu werden die 330Ω Widerstände kleiner gemacht. Da hier 4 Anzeigen gemultiplext werden, würden sich Widerstände in der Größenordnung von 100Ω anbieten. Auch muss dann der Basiswiderstand der Transistoren verkleinert werden. Auch muss berücksichtigt werden, dass der Mega8 in Summe an seinen Portpins und an den Versorgungsleitungen nicht beliebig viel Strom liefern oder abführen kann. Auch hier ist daher wieder ein Blick ins Datenblatt angebracht und gegebenenfalls muss wieder ein Transistor als Verstärker eingesetzt werden (oder eben fertige Treiberstufen in IC-Form). [Bearbeiten] ProgrammDas folgende Programm zeigt eine Möglichkeit zum Multiplexen. Dazu wird ein Timer benutzt, der in regelmässigen Zeitabständen einen Overflow Interrupt auslöst. Innerhalb der Overflow Interrupt Routine wird
Da Interruptfunktionen kurz sein sollten, holt die Interrupt Routine das auszugebende Muster für jede Stelle direkt aus dem SRAM, wo sie die Ausgabefunktion hinterlassen hat. Dies hat 2 Vorteile:
Die Funktion out_number ist in einer ähnlichen Form auch schon an anderer Stelle vorgekommen: Sie verwendet die Technik der fortgesetzten Subtraktionen um eine Zahl in einzelne Ziffern zu zerlegen. Sobald jede Stelle feststeht, wird über die Codetabelle das Bitmuster aufgesucht, welches für die Interrupt Funktion an der entsprechenden Stelle im SRAM abgelegt wird. Achtung: Anders als bei der weiter oben gezeigten Variante wurde die Codetabelle ohne Padding Bytes angelegt. Dadurch ist es auch nicht notwendig derartige Padding Bytes in der Programmierung zu berücksichtigen. Der Rest ist wieder die übliche Portinitialisierung, Timerinitialisierung und eine einfache Anwendung, indem ein 16 Bit Zähler laufend erhöht und über die Funktion out_number ausgegeben wird. Wie schon im ersten Beispiel, wurde auch hier kein Aufwand getrieben: Zähler um 1 erhöhen und mit Warteschleifen eine gewisse Verzögerungszeit einhalten. In einer realen Applikation wird man das natürlich nicht so machen, sondern ebenfalls einen Timer für diesen Teilaspekt der Aufgabenstellung einsetzen. Weiterhin ist auch noch interessant. Die Overflow Interrupt Funktion ist wieder so ausgelegt, dass sie völlig transparent zum restlichen Programm ablaufen kann. Dies bedeutet, dass alle verwendeten Register beim Aufruf der Interrupt Funktion gesichert und beim Verlassen wiederhergestellt werden. Dadurch ist man auf der absolut sicheren Seite, hat aber den Nachteil etwas Rechenzeit für manchmal unnötige Sicherungs- und Aufräumarbeiten zu 'verschwenden'. Stehen genug freie Register zur Verfügung, dann wird man natürlich diesen Aufwand nicht treiben, sondern ein paar Register ausschließlich für die Zwecke der Behandlung der 7-Segment Anzeige abstellen und sich damit den Aufwand der Registersicherung sparen (mit Ausnahme von SREG natürlich!).
[Bearbeiten] Anwendungsbeispiele
[Bearbeiten] Forenbeiträge
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