Long time Oscilloskop with Atmega32 & LCD-Display 128x64 Pixel

[Karl-Anton D. (rentnerd)]

Long time Oscilloscope with Atmega32 & LCD-Display 128x64 Pixel

Einleitung:
Das preiswerte Display LCD DM19264A (Pollin)  (Siehe auch 
Beitrag "LCD DM19264A (KS0108B Controller)" ) führte zu meinem bisher 
größten Projekt mit ATmega-Microcontrollern. Eine umfassende 
Beschreibung siehe im folgenden oder in den verschiedenen Anhängen. 
Allen, die sich an einen Nachbau wagen, wünsche ich viel Spass und neue 
Erkenntnisse. Obwohl der Sourcecode in C sicher keinen Schönheitspreis 
gewinnen kann, habe ich ihn angefügt (Arbeitsverzeichnis von ATMEL AVR 
Studio 4.18 komplett als *.zip) . Zur Weiterentwicklung sind alle 
aufgerufen. Ich möchte mich nicht an der Weiterentwicklung beteiligen, 
stehe aber für Fragen nach bestem Wissen zur Verfügung.


Der Anfang zu meinem Oszilloskop mit LCD-Display war der Artikel
http://www.serasidis.gr/circuits/AVR_oscilloscope/avr_oscilloscope.htm
Dazu entstand eine Platine mit zusätzlichem per Relais im Bereich x1 bis 
x100 einstellbaren Vorverstärker. Beim Aufspielen der Software-Version 
1.01 und Verstehen des in der Programmierspache C geschriebenen 
Programms zeigte sich dann bald, dass alles ohne Verwendung eines Timers 
nur mit Verzögerungsschleifen im Hauptprogramm ablief. Es gab nur eine 
Timing-Frequenz und die Erweiterungsmöglichkeiten waren auch stark 
eingeschränkt.

Der neue Ansatz, diesmal mit der im Internet verfügbaren universellen 
Bibliothek (für LCD’s mit der Auflösung 128x64 oder 192x64 Pixel) nach 
http://en.radzio.dxp.pl/ks0108/ begann mit einer kompletten universellen 
Grafikansteuerung als Grundlage und wurde von mir um eine Vielzahl von 
Scope Funktionen ergänzt. Grundlage für das Timing ist ein IRQ alle 10us 
bei 16 MHz Quarz. Über Zähler davon abgeleitet wird die variable 
Timing-Einstellung von 10us/Skalenteil (Skt) bis 200min/Skt (ergibt ~ 33 
Stunden). Ebenso abgeleitet werden die Display-Zeit (0,5sec) und das 
Delay für die Tastaturentprellung von 2,5msec nach 
http://jump.to/fleury. In der „nicht-IRQ-Zeit“ im main-Programm laufen 
die restlichen Programme wie z.B. LCD-Anzeige und Tastenauswertungen.

Beschreibung:

Auf einer Europaplatine (160x100mm) finden Platz:
-  LCD-Display 128x64 Pixel mit Speicher und Hintergrundbeleuchtung
-  Tastenfeld mit 6 Tasten (oder extern)
-  Digitalteil mit ATmega 32-16PU (16 MHz) (oder ATmega 16)
-   Analogteil mit per Relais einstellbarer Verstärkung x1 bis x100-fach
-  Gleichrichter und Spannungsregler für +5Volt und –5Volt
-  ISP Schnittstelle zum Programmieren per PC
-
Messbereiche (bis auf Offset-Poti und Vorteiler alle Umschaltungen per 
Software):
-  Eingangsspannung: 5, 10, 25, 50, 100, 250, 500mV(ss) (per Skt = 10 
Pixel)
-  Frequenzgang: 0 – 500KHz bei x1 und 0 – 200 KHz bei x100
-  Eingang umschaltbar DC oder AC (über Kondensator 100nF)
-  Frequenzkompensierter wählbarer Vorteiler /10
-  Per Potentiometer einstellbarer Display-Offset
-  Timing (per Skt = 10 Pixel): 100, 200, 500usec, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 
100, 200, 500 msec, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 sec, 10, 20, 50, 100, 
200 min
-  Trigger: einstellbar in 64 Stufen über den vollen Anzeigebereich
-  + Trigger und - Trigger wählbar und abschaltbar (für Signalerkennung)
-  „Single shot“-Modus per Taste (sofort ohne Trigger)
-  Anzeige mit zwei Betriebsarten (bereichsabhängig):
- 100us bis 20 msec: komplette Messung => komplette Anzeige
- 50 msec bis 200 min: jeder gemessene Punkt wird sofort angezeigt
-  Alle Einstell-Werte werden am rechten Bildrand kontinuierlich 
angezeigt
-
Hardware:

Schaltungsbeschreibung:

Netzteil: Ein Steckernetzteil mit 2 Wicklungen a 8,3V/0,26A versorgt 
über 4 Dioden und zwei Elkos den positiven und negativer Spannungsregler 
und liefert +5V und
–5V für den 8-bit AVR-Microcontroller, das Display, das Referenzelement 
TL431, die Operationsverstärker 2x TL071 / 1x TL072 sowie die 4 Relais.
Vorverstärker: Über einen 3-poligen Stecker gelangt das Eingangssignal 
direkt an den 3-stufigen in der Verstärkung umschaltbaren 
Vorverstärker. Der zweite Eingang teilt das Signal zuerst 
frequenzkompensiert auf 1/10. Über einen Schutzwiderstand von 10 kOhm 
und zwei Schottky-Dioden (aussuchen auf geringen Reststrom!) wird der 
erste Operationsverstärker vor Überlast geschützt. Per Relais lassen 
sich die 3 Stufen einzeln umschalten: Verstärkung x1 oder je nach Stufe 
x10, x5 oder x2. Durch die maximale Verstärkung von 10 pro Stufe und die 
niederohmigen Spannungsteiler ergibt sich so ohne weitere Maßnahmen eine 
flacher Frequenzgang von DC bis weit über die Messgrenze. Über je einen 
100 Ohm Widerstand (zum Stromsparen) und je 2 Schottky-Dioden (Schutz 
gegen Spannungsspitzen) werden die Relais vom Microcontroller 
angesteuert.
Referenzspannung: Das Display zeigt auf einem Bereich von (6x10 Pixel + 
4 Pixel Rand) den gemessenen Spannungswert an. Bei 500 mV (Verstärkung 
1x) liegt am Eingang des ADC (PA0 des Microcontrollers) eine Spannung 
von 6,4x 500mV = 3,2V an. Diesen Wert liefern die Operationsverstärker 
bei Versorgung mit +/-5Volt Versorgung problemlos.
Tastatur: Über 6 Einzeltaster lassen sich die Funktionen steuern. Über 
die internen „pull-up“-Widerstände des Microcontrollers liegen die 
Tasten auf +5V und werden bei Betätigung gegen Masse kurzgeschlossen. 
Auf dem Board ist Platz für einfache Taster, wer ein besseres 
Tastenfeeling möchte, kann über den 9-poligen Stecker externe Tasten 
anschließen.
Programmierung: Der 10-polige Stecker mit üblicher Beschaltung für 
AVR-Programmer ist so beschaltet, dass üblicherweise keine Probleme 
durch die Doppelbelegung von PB5 entstehen.  Beim Programmieren ist PB3 
hochohmig und über den 4,7kOhm Widerstand an RST wird das Display 
abgeschaltet und seine  Anschlüsse sind dann hochohmig.

Leiterplatte:

Der Prototyp entstand mit der empfehlenswerten Freeware KiCad. Nach 
Erstellung der Schaltung und eindeutiger Nummerierung aller Komponenten 
werden die Layouts den einzelnen Komponenten zugeordnet. Das Ganze wird 
dann auf die Leiterplatte gebracht und verteilt. Die Verbindungen werden 
als Gummibänder eingeblendet, die Leiterbahnen werden dann manuell 
gezogen. Damit führt  eine fehlerfreie Schaltung auch zu einer 
„fehlerfreien“ Leiterplatte. Die eigentliche Arbeit steckt im folgenden:
Alle Komponenten sind zugänglich, möglichst kurze Leiterbahnen und wenig 
Drahtbrücken bei einseitigem Layout, optimale Masseverbindungen, keine 
Schwingungen oder kein Rauschen auf der Masse, kluge Verteilung von 
Analog- und Digital-Komponenten. Je kompakter das ganze sein soll, desto 
mehr Aufwand ist nötig.
Ausdruck der Leiterbahnen mit möglichst viel Toner und kopieren mit der 
Toner-Transfertechnik auf die gut gereinigte Leiterplatte. Ätzen und 
Bohren wie üblich.
Da Laserdrucker keine großen Flächen deckend drucken können, wird der 
Rand außen per wasserfestem Filzschreiber nachträglich zur großen 
Massefläche.

Software:

Mit der kostenlosen Software AVR Studio (hier noch V 4.16, aktuell 
V4.18) lassen sich sehr komfortabel auch größere Programme in der 
Programmiersprache C erstellen.
Ein größeres Programm besteht aus mehren *.c (Programm-File) und *.h 
(Header-File) sowie den erforderlichen Bibliotheken. Mit dem Befehl 
„build“ wird daraus die zum Speichern auf dem Microcontrollers 
erforderliche *.hex erzeugt.
Wichtig für ein erfolgreiches Vorgehen ist das Ändern in überschaubaren 
Schritten, beginnend bei einer funktionierenden Version und Speichern 
der Zwischenschritte!

Die Grundlage für das inzwischen recht umfangreich Programm ist eine 
frei verfügbare Bibliothek zur Ansteuerung von Matrix-LCD-Displays mit 
dem Controller KS108. Der Controller kann 64x64 Pixel ansteuern und hat 
ein eigenes RAM, das beschrieben und ausgelesen werden kann. 
Üblicherweise werden zwei Controller verwendet und ergeben so 128x64 
Pixel, bei 3 Controllern gibt es 192x64 Pixel.
Ergänzt man die Bibliothek um ein Hauptprogramm (main.c) kann man 
folgende Befehle verwenden: Löschen des Displays, Ausgabe von Text im 
Raster 5x7, setzen oder (neu) toggeln von einzelnen Pixeln, zeichnen von 
Geraden, Rechtecken oder Kreisen, Ausgabe einer beliebigen rechteckigen 
Pixel-Grafik.

Konzept:
Das verwendete Konzept für ein möglichst universelles Scope besteht aus 
einem Timer-IRQ alle 10us für zeitkritische Aktionen und einem 
Hauptprogramm, das in der freien Zeit die aufgelaufenen Tätigkeiten 
abarbeitet. Für die IRQ-Routine stehen bei 16 MHz Quarz maximal 160 
Takte (<160 Assembler-Befehle) zur Verfügung, in Wirklichkeit weniger, 
da auch das Hauptprogramm abgearbeitet werden muss.

IRQ-Routine:
1. Auslesen des ADC-Wandlers, der in einem der vorhergehenden IRQ
gestartet worden war,aber nur dann, wenn die im Scope-Timing eingestelle 
Zahl an IRQ’s abgelaufen ist.
2. Starten des ADC nur dann, wenn ein neuer Timing-Zyklus startet
Bei 2 MHz ADC-Clock Frequenz dauert ein Umsetzung ca 7usec
und kann im nächsten IRQ ausgelesen werden. (Da nur 8 bzw. 6 Bit 
Auflösung angezeigt werden, verursacht die Ungenauigkeit durch die hohe 
Clock-Frequenz kein Problem.)
3. Auslesen der Tastenbetätigungen alle 2,5msec und entprellen, dann
bereithalten für das Hauptprogramm, das die Tastenbetätigungen umsetzt

Hauptprogramm:
  1. Initialisierung des Microcontrollers, des LCD-Displays und der 
Hardware
  2. Aktualisierung des Displays: Messwerte und Textausgaben
  3. Ausführung von Aktionen entsprechend den Tasteneingaben

Bei der Umsetzung ist folgendes zu beachten:
IRQ-Routine und Hauptprogramm sind zeitlich unabhängig. Parameter müssen 
über globale Variable übergeben werden. Die Arbeitsaufteilung muss über 
Flags gesteuert werden, damit die Abfolge stimmt. Wo möglich sollen 
lokale Variable verwendet werden, da diese von Compiler bevorzugt mit 
Registern umgesetzt werden und damit schneller abgearbeitet werden 
können.

Bedienung:

Nach dem Einschalten startet das Scope im Modus „Auto“ mit dem Eingang 
als AC,
500mV, 100usec, Trigger ein, Triggerlevel = 32 (50%) und + Trigger,

Auto:
  Die Taste „Toggle“ wechselt zwischen AC und DC
  Die Tasten „Up“ und „Down“ wählen den Spannungsbereich,
  Die Tasten „left“ und „right“ wählen den Timing-Bereich
  Mit der Taste „Modus“ wechselt man in den Modus „Cont“
Cont:
  Keine Trigger-Schwelle aktiviert – alles wird kontinuierlich angezeigt
  mit der Taste „Modus“ wechselt man in den Modus „Sing“
Sing:
  Mit der Taste Toggle wird ein einzelner Durchlauf gestartet und 
angezeigt
  Mit der Taste „Modus“ wechselt man in den Modus „Trig“
Trig:
  Anzeige Triggerschwelle und Trigger-Polarität
  Mit der Taste Toggle wird zwischen + Trigger und - Trigger gewechselt
  Die Tasten „Up“ und „Down“ wählen den Trigger-Level
  Mit der Taste „Modus“ wechselt man wieder in den Modus „Auto“

Mit dem Potentiometer stellt man den Anzeige-Offset ein.


Information für einen Testaufbau/Nachbau:

Der Anfang der Software-Entwicklung erfolgte auf dem Pollin 
Evaluationsboad Ver.2.01 mit einem ATmega 32-16PU und 6 Tasten, (ohne 
Eingangsverstärker) mit einem 192x64 Display. AREF ist auf dem Board 
auch an den Stecker geführt. Das dann mit dem kompletten Board 
verwendete Display im Schaltplan LCD TG12864B-13 ist von Pollin.
Der als PDF beigefügte Schaltplan und das dazugehörende Layout wurden 
mit den Erkenntnissen vom Prototyp (siehe Foto) verbessert.
Wenn sie sich nach meinem PDF-Layout eine eigene Platine fertigen 
wollen, vergessen sie nicht die zusätzliche Masse mit dem wasserfesten 
Filzschreiber am Leiterplattenrand! Die 4 Relais mit dem speziellem 
Footprint stammen aus meiner Bastelkiste. Die restlichen Bauteile 
(Ausnahme Steckernetzteil von Pollin) sind nach meiner Meinung 
handelsüblich.


4.3.2012

Karl-Anton