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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Abtastung Inkrementalgeber


Autor: Christian (Gast)
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Ich möchte einen relative Inkrementalgeber mit 4096 Strichen pro 
Umdrehung mit 100kHz abtasten...um einen Winkel zu erechnen.

Ich habe bisher eine Lösung gesehen wo die beiden Spuren auf eine TTL 
Logik geführt wurden...wo dann mittels 4 Bit Counter gezählt wurde. Der 
Zählstand steht dann auf 12 Datenleitungen zur Verfügung.

Dies finde ich sehr aufwendig..und da ich 3 Inkrementalgeber abfragen 
muss komme ich ja auch mit den Pins beim ATMEGA32 (den möchte ich 
verwenden) gar nicht hin.


Meine Frage an Euch:
Kann ich die beiden Spuren A und B nicht einfach direkt auf den MC 
führen und von da mit 100 kHz abtasten und auswerten? Brauche ich diese 
aufwendige TTL Schaltung?

Autor: der mechatroniker (Gast)
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Klar kannst du das, nur wird der ATmega nicht mehr so viel anderes 
machen können.

Autor: Christian (Gast)
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Ja nur wenn ich 3 Inkrementalgeber abgragen muss...wobei jeder nachher 
12 Pins für den Zählerausgang hat...dann hab ich ja nachher 36 Pins nur 
für die Eingänge der Inkrementalgeber...das ist ja irre? da bräuchte ich 
ja auch dementsprechend einen anderen Prozessor?

Autor: Siegfried (Gast)
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Du hast pro Geber 16 Mhz/100 KHz/3 (160/3 Takte) Zeit. Könnte 
funktionieren (Assembler). Einfach einmal durchrechnen. Eventuell einen 
20 MHz AVR nehmen oder z. B. auf einen ARM umsteigen.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Ja nur wenn ich 3 Inkrementalgeber abgragen muss...wobei jeder nachher
>12 Pins für den Zählerausgang hat...dann hab ich ja nachher 36 Pins

Naja, falls du wirklich Parallel machen willst, kannst du auch achtmal 
den 74HC165 zum einlesen nehmen. Da würden dann drei Pins reiche, statt 
36...

Oder falls du sowieso nen Datenbus, könntest du auch mit Latches 
(74HC541) diese Info direkt in den SRAM mappen..

Aber egal wie, du brauchst einiges an Standart-Logik-ICs. Deshalb wären 
andere Maßnahmen zu überlegen...

Autor: Gasst (Gast)
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Ich habe hier noch einige CF32007NT (!RoHS) zu liegen. Es sind 24Bit 
Zähler mit Inkrementaleingängen und 4-fach Auswertung. Gegen 
Portoerstattung würde ich sie Dir schenken. Ein paar 74HCT2000 wären 
auch noch auffindbar.

Eine alternative wäre, pro Kanal einen ATtiny oder Mega48 einzusetzen 
und die Daten vom Mega32 auszulesen.
Bei 100kHz schafft man, nur einen einzigen Kanal auszuwerten, und auch 
nur dann, wenn andere Interrupts nicht zugelassen werden.

Autor: Olaf (Gast)
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> Du hast pro Geber 16 Mhz/100 KHz/3 (160/3 Takte) Zeit.

Es sollte etwas mehr Zeit zur Verfuegung stehen weil man
alle sechs Leitungen an einem Port anordnen kann und dann
beim einlesen auswerten einiges parallel laufen kann.

Ich halte das schon fuer machbar.

Die Frage ist nur warum 100kHz. Deshalb weil sich die Encoder
so schnell drehen koennen, das dies notwendig wird? Oder
muss so oft der Winkel ausgerechnet werden. Im letzeren
Fall wuerden mir auch leichte Bedenken kommen.
Haengt dann wohl noch von der notwendigen Aufloesung ab,
also passen Tabellen ins Rom oder muss man rechnen.

Olaf

Autor: Schrotty (Gast)
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wieso braucht ein 4 Bit Counter 12 Datenleitungen?

Du wirst um eine anständige Quardaturauswertung nicht drumrumkommen, 
wenn du ein stabiles System willst.

Stell dir vor, die Achse ist im Stillstand um "zittert" dabei genau über 
1/4 increment. Dann können da Frequenzen auftreten, die größer sein 
können, als deine Frequenzen im "normalen" Betrieb. Und wenn du dann mit 
100kHz abtastest, könnte sein, dass der Herr Shannon da ganz gewaltig 
was dagegen hat und du nicht mehr aussagen kannst, was für eine Art von 
Bewegung da genau stattfindet ;-)

Ich kenn den Atmega nicht, aber wenn er Capture-Compare Units hat (mit 
up/dn-Umschaltung) dann setz nen externen Quadraturenocder und zähl mit 
diesen Einheiten.

Wenn nicht, dann setz externe Quadraturencoder mit Counter und mappe 
diese in den Adressbereich des µC

Autor: Christian (Gast)
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ne ein 4 Bit Counter hat natürlich nur 4 Ausgänge ...aber von dem 
bräuchte ich ja 3 Stück (Synchrones Zählwerk) um den Zählbereich 
abzudecken.

...Also meinst du ich könnte Beispielsweise einen GAL Programmieren mit 
der Auswergung der Richtung (4 Zustände) ... und gehe von diesem GAL 
nicht auf den Zähleingang des ersten Counters sondern direkt auf den 
Microcontroller?

Autor: Christian (Gast)
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@Olaf
ja die 100kHz habe ich so gewählt weil angenommen wird, dass die 
Änderung der Encoder scheibe bei max. 40kHz liegt.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>..Also meinst du ich könnte Beispielsweise einen GAL Programmieren mit
>der Auswergung der Richtung (4 Zustände) ... und gehe von diesem GAL
>nicht auf den Zähleingang des ersten Counters sondern direkt auf den
>Microcontroller?

Ob du das kannst, weiß ich nicht ;-)

Denkbar wäre das. Da könntest du die µC-Anbindung sinnvollerweise als 
8bit, oder als SPI machen...

Aber ob das in einen GAL reinpasst, kann ich nicht beurteilen.

Hier im Wiki gibts jedenfalls eine geeignete "GAL-Schaltung"
http://www.mikrocontroller.net/articles/Drehgeber#...

Autor: Schrotty (Gast)
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>...Also meinst du ich könnte Beispielsweise einen GAL Programmieren mit
>der Auswergung der Richtung (4 Zustände) ... und gehe von diesem GAL
>nicht auf den Zähleingang des ersten Counters sondern direkt auf den
>Microcontroller?

Ja, wobei es noch besser wäre, wenn du gleich extern zählen würdest.
Aber so wie es aussieht, willst oder kannst du nicht genügend Pins 
spendieren.

Ich würd dann an deiner Stelle entweder über ein GAL (oder CPLD) die 
Quadratursignale auswerten (es gibt auch fertige ICs, die das machen).
Kleine FSM, mit 4 Zuständen, die pro Zustand einen Impuls ausgibt und 
ein Up/Down-Signal (je nach Drehrichtung)
Diese Zählimpulse würde ich auf einen INT-Eingang des µC geben und im 
Interrupt je nach Stand des Up/down-Signals einen SW-Zähler 
inkrementieren oder dekrementieren.

Autor: Christian (Gast)
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ja ok...also die Eingänge des Microcontrollers dann über ein 
Timerinterrupt ständig abfragen..?

Autor: Schrotty (Gast)
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nee nicht ständig, sondern immer dann, wenn ein Takt vom Qadraturencoder 
kommt, einen INT auslösen und im INT den zustand des Richtungssignals 
abfragen und entsprechend den Zähler verändern (+ oder -)

Problem wird nur ggf da du 3 unabhängig laufende Encoder hast, die 
natürlich auch mal gleichzeitig nen INT auslösen könnten.
Wenn du dann nach der Abarbeitung des einen zum nächsten springst und 
dort das Richtungssignal abfragst, musst halt sicherstellen, dass das 
dann noch den gleichen Wert hat, wie zum Zeitpunkt, als der INT auftrat.

Autor: Hannes Lux (Gast)
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Externer Interrupt ist die schlechteste Lösung, ein zitternder Eingang 
legt den Controller lahm.

100 kHz Abtastrate per Timer-Int sind 80 Takte bei 8 MHz internem Takt, 
das dürfte (in ASM) machbar sein, aber dann ist nicht mehr viel 
Spielraum für andere Aufgaben.

Ich würde mit einer 16 Byte großen LUT arbeiten, deren Index aus dem 
aktuellen Pinstatus und dem gemerkten vom letzten mal besteht.

...

Autor: Schrotty (Gast)
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>Externer Interrupt ist die schlechteste Lösung, ein zitternder Eingang
>legt den Controller lahm.

stimmt!

Also doch reines Sampling der beiden Spuren und komplette Auswertung im 
µC oder eben die externe Zählerlösung und Übertragung der Daten mittels 
(z.B) SPI

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Macht doch den Zähller auch extern und lest nur den Zählerstand ein

Autor: Schrotty (Gast)
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@lippy: Dann sind wir wieder ganz am Anfang von Thread ;-)

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>@lippy: Dann sind wir wieder ganz am Anfang von Thread ;-)

Nicht ganz. Am Anfang störten ihn dabei die vielen Leitungen. Mögliche 
Lösungen wurden schon gebracht

Autor: Christian (Gast)
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ok vielen dank...ich glaube die externe Zählung wird evt. am 
effektivsten sein...dann muss ich nur mal gucken wie ich den Zählerstand 
in den MC bekomme...
habe noch nie mit SPI gearbeitet...nur mal gehört.
Muss mich da mal schlau machen.
danke schonmal!

Autor: Christian (Gast)
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@Gasst
Wenn das Angebot noch steht würde ich gerne darauf zurückkommen!

Autor: yalu (Gast)
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> ja die 100kHz habe ich so gewählt weil angenommen wird, dass die
> Änderung der Encoder scheibe bei max. 40kHz liegt.

Ist das die Frequenz, die der Geber maximal kann, oder die in deiner
Anwendung tatsächlich maximal auftritt? Falls ersteres der Fall ist, ist
dein Gedankengang nicht der richtige. Du musst dir statt dessen Gedanken
darüber machen, welches die maximal zu erwartende Drehzahl ist. Dann
wirst du evtl. feststellen, dass du mit wesentlich weniger als 100kHz
Abtastfrequenz auskommst. Oder aber du stellst fest, dass die 40kHz des
Gebers schon zu wenig sind. 40kHz bei 4096 Strichen entspricht einer
maximalen Drehzahl von 10/s. Und um die 40kHz Signalfrequenz voll
auszuschöpfen, reichen die 100kHz Abtastfrequenz am µC nicht, da
brauchst du mindestens 160kHz.

Vielleicht reicht aber auch eine geringere Auflösung als die 4096
Striche, dann genügt auch eine geringere Abtastfrequenz des µC. Meist
ist es nämlich so, dass man entweder hohe Drehzahlen hat oder eine
hohe Winkelauflösung braucht, aber nicht beides gleichzeitig. Lass dir
die Anforderungen also noch einmal durch den Kopf gehen.

Die Alternative mit dem externen Zähler ist auch nicht so trivial, wie
sie zunächst erscheint, es sei denn, du nimmst einen Spezialbaustein wie
den von Gasst angebotenen 74HCT2000. Wenn du so etwas mit einfachen
Binärzählern aufbauen willst, musst du u.a. dafür sorgen, dass der µC
nicht gerade zu dem Zeitpunkt den Zähler ausliest, wenn dieser gerade
weiterschaltet. Das geht zwar, macht die Schaltung aber schon wieder ein
Stück komplizierter.

> ne ein 4 Bit Counter hat natürlich nur 4 Ausgänge ...aber von dem
> bräuchte ich ja 3 Stück (Synchrones Zählwerk) um den Zählbereich
> abzudecken.

Der Zähler muss nicht unbedingt eine komplette Umdrehung des Gebers
abdecken. Wichtig ist nur, dass der µC den Zählerstand oft genug
ausliest, um Mehrdeutigkeiten im Ergebnis zu vermeiden. Ist s die
Anzahl der Striche, N die Drehzahl und b die Bitbreite des Zählers,
muss die Abfragefrequenz mindestens

betragen. Die direkte Abfrage des Gebers entspricht einem b von 2. Mit
einem 4-Bit-Zähler kannst du somit die minimale Abfragefrequenz schon um
den Faktor 7 veringern.

Autor: Christian (Gast)
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VIELEN DANK FÜR DIE AUSFÜHRLICHE ANTWORT!!!!
Das wird mir schonmal was weiterhelfen...werde mir über die Sache 
nochmal den Kopf zerbrechen :-)

Nur ich kann die max. Geschwindigkeit nicht vorhersagen...oder 
jedenfalls schwierig...da es sich hierbei um eine Ansteuerung eines 
inversen Pendels handelt... habe noch keine Ahnung welche maximalen 
Geschwindigkeiten auftreten können ?

Autor: Sven Woehlbier (woehlb)
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Gesetzt den Fall es geht um eine Positionierung wäre es natürlich auch 
möglich, absolute Drehgeber zu benutzten. Diese liefern Dir einen Wert 
der direkt proportional zum Winkel ist. Nur im Falle einer 
Geschwindigkeitsregelung würde ich bei Inkrementalgebern bleiben.

Für schnelle Anwendungen sind Drehgeber mit SSI-kompatiblen 
Schnittstellen empfehlenswert. Diese haben Takt- und Datenleitungen 
(RS485/RS422). Um die Position abzufragen erzeugt man einen Takt und 
liest dann das aktuelle Datenbit ein, das wiederholt man solange bis man 
alle Datenbits eingelesen hat. Wenn Du einen Port für alle 
Datenleitungen benutzt und die Drehgeber synchron taktest, kannst Du die 
Datenbits von allen 3 Drehgeber gleichzeitig einlesen.

Wenn es denn ABSOLUT Inkrementalgeber ;-) sein müssen, würde ich auch 
mal über einen alternativen Mikrocontroller nachdenken! Ich habe jetzt 
auf Anhieb keine Typbezeichung im Kopf, aber Microchip z.B. bietet 
Mikrocontroller mit einer Hardware-Schnittstelle für Inkrementalgeber 
an.

Autor: Sven Woehlbier (woehlb)
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Habe gerade erst in Deinem letzten Beitrag gesehen, das es um ein 
inverses Pendel geht.

Also wenn es ein einfaches inverses Pendel ist (ein einfach gelagerter 
Stab, der in 2 Richtungen fallen kann), müßtest Du aber auch mit nur 
einem Inmrementalgeber klar kommen. Die Position erfaßt Du über das 
Zählen der Inkremente, und die Geschwindigkeit berechnest Du über einen 
digitalen Differenzierer. Diese beiden Eingangssignale sollten genügen.

Autor: Christian (Gast)
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Ich benötige Winkel vom Stab und Position des "Wagens"

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>und Position des "Wagens"

Ich kenn den Versuch inverses Pendel selber..

Aber die Position des Wagens wird doch nicht aus dem Winkel ermittelt...

Autor: Gasst (Gast)
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>@Gasst
>Wenn das Angebot noch steht würde ich gerne darauf zurückkommen!

Kläre bitte ab, was Du genau brauchst. Ich würde mich freuen, wenn Du 
meine Teile noch einsetzen könntest. Falls nicht, möchte ich sie nicht 
nutzlos verschicken.

Noch etwas Allgemeines: um zu hohe Eingangsfrequenzen von einer 
Auswerteschaltung abzuhalten, bieten sich D-FFs zur Synchronisierung an. 
Wird an CLK 100kHz angelegt, kann die Änderung von D nach Q auch nur mit 
max. 100kHz erfolgen. Ein zitterndes Signal kann so den µC nicht per 
Interrupt lahmlegen.

Autor: Christian (Gast)
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Ja möchte das mit den Bausteinen schon gerne machen...und die Zählung 
komplett extern. Diese benötige ich auf jeden Fall. Stelle mir nur noch 
die Frage wie das mit dem Prozessor aussieht. Also ob ich vielleicht 
einen nehme mit genügend I/O Pins... oder ob ich den Zählerstand 
irgendwie seriell in den Controller bekomme. Aber das werde ich schon 
noch herausbekommen.

Wir müssten uns dann nur mal die Adressen austauschen...etc.!?

...und vielen Dank für den Tip mit dem Einsynchronisieren...das habe ich 
bereits eingeplant.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Gasst (Gast)

>Wird an CLK 100kHz angelegt, kann die Änderung von D nach Q auch nur mit
>max. 100kHz erfolgen. Ein zitterndes Signal kann so den µC nicht per
>Interrupt lahmlegen.

Klar, weil ja auch 100 kHZ Interruptfrequenz Peanuts sind . . .

Autor: Christian (Gast)
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"...und vielen Dank für den Tip mit dem Einsynchronisieren...das habe 
ich
bereits eingeplant."


besser gesagt....hatte ich mit eingeplant. Wenn ich die Bausteine 
bekomme benötige ich das ja normalerweise eigentlich gar nicht mehr!?

Autor: Gasst (Gast)
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@Falk,

für Dich wiederhole ich gerne, was ich oben schon geschrieben habe:

>Eine alternative wäre, pro Kanal einen ATtiny oder Mega48 einzusetzen
>und die Daten vom Mega32 auszulesen.
>Bei 100kHz schafft man, nur einen einzigen Kanal auszuwerten, und auch
>nur dann, wenn andere Interrupts nicht zugelassen werden.

Es sind auch nach meiner Auffassung keine Peanuts. Das Maximum was ein 
ATmega bei 16MHz Takt zuläßt, sind Flankenwechsel ca. alle 2,5µs: per 
Assemblerprogramm und mit reservierten Registern.

Autor: Christian (Gast)
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@ Gasst.
Soll ich meine Email posten, damit du mir deine zuschicken kannst`?

Autor: Gasst (Gast)
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>Soll ich meine Email posten, damit du mir deine zuschicken kannst`?

Hallo Christian, das wäre gut. Allerdings werde ich erst kommende Woche 
wieder erreichbar sein.

Autor: yalu (Gast)
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> Stelle mir nur noch die Frage wie das mit dem Prozessor aussieht. Also
> ob ich vielleicht einen nehme mit genügend I/O Pins... oder ob ich den
> Zählerstand irgendwie seriell in den Controller bekomme. Aber das
> werde ich schon noch herausbekommen.

Wenn du die Bausteine von Gasst nimmst, brauchst du bei 3 Stück etwa 13
I/O-Leitung am Controller, nämlich

  8 x D        Daten (D0-D7)
  1 x CLK      Takt (Timer-Ausgang des Controllers)
  1 x A0       Auswahl High-/Low-Byte
  3 x /RD      Auswahl eines der drei Bausteine
 ---
 13

Alle Leitungen bis auf /RD werden für alle drei Bausteine gemeinsam
genutzt. Damit solltest du bei entsprechender Programmierung von jedem
der drei Geber den Zählerstand mit 16-Bit Auflösung auslesen können und
hast beim ATmega32 noch 19 I/Os frei für andere Dinge.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>angebotenen 74HCT2000.

Kann mal jemand von dem Teil ein Datenblatt posten? Ich finde keines..

Autor: yalu (Gast)
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> Kann mal jemand von dem Teil ein Datenblatt posten? Ich finde keines..

Ich auch nicht. Die Dinger stammen noch aus der Steinzeit. Eine
Neuauflage mit ein paar kleinen Änderungen gibt es hier:

  http://www.adronic.biz/produkte/peparts/index.php

Autor: was-willst-du (Gast)
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HCT2000 stammen echt aus der Steinzeit

Zwischendurch waren mal HCTL2016 aktuell, hab die oft sehr erfolgreich 
eingesetzt, da meine Prozessoren damals zu langsam waren.

Die heutigen uP sind um einiges schneller. Schau mal den PIC18F2431 der 
hat sogar so nen Teil auf dem Chip. Kannst ihn über I2C auslesen oder 
per UART.

Obs die HCTL2016 noch gibt, entzieht sich meiner Kenntnis.

Autor: Gasst (Gast)
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Wo ein Datenblatt zu finden ist, hat yalu ja schon gezeigt. Der Anschluß 
an einen µC ist jedoch simpel, wenn beispielsweise ein 8051-Derivat oder 
ein ATmega64 verwendet wird, die externes IO/RAM mit Adress- und 
Datenbus sowie /RD-/WR unterstützen.

>Die heutigen uP sind um einiges schneller. Schau mal den PIC18F2431 der
>hat sogar so nen Teil auf dem Chip. Kannst ihn über I2C auslesen oder
>per UART.

Die CF32007 (THCT12024) können bis 20MHz zählen. Die Signale von 
Inkrementalgebern können bis 5MHz (1/4 Taktfrequenz) betragen, wenn ich 
mich richtig erinnere. Und der µC/µP kann die Daten (24Bit) in rund 
200ns auslesen. Das schafft kein PIC/MIC/MAX/MORITZ: weder über IIC noch 
über UART.
Wenn man z.B. schnelle Drehbewegungen zu definierten Zeitpunkten 
abtasten und erfassen muß, kommt man an solchen Bausteinen nicht vorbei. 
Eine Alternative würden FPGAs bieten, die diese Bausteine nachbilden.

Für anspruchsvollere Anwendungen würden sich µCs von z.B. Renesas 
anbieten. H8S, H8SX, und SH Serien bieten jeweils zwei 
Inkremental-Eingänge mit 16-Bit Zählern, die auf 32-Bit erweiterbar 
sind.

Autor: Christian (Gast)
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@Gasst
ich habe mich jetzt nochmal ausführlich über die Sache informiert...bei 
den Geschwindigkeiten bzw. Frequenzen komme ich um externe 
Zählbauseteine nicht rum.
Ist es möglich die HCT2000 bzw. HCTL2016 gegen Bezahlung der Unkosten zu 
erhalten?
Das wäre echt super...würde mich freuen!

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