Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik 144 analoge Eingänge am Arduino


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von Mister A. (mratix)


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Hallo zusammen,

für unser Arduino-Schulprojekt bin ich auf der Suche, wie man 144 oder 
256 analoge Eingänge (Schalterzustände) realisiert.

Zunächst wird so ein IKEA-Tetris-Spieltisch mit 12x12 WS28xx LED's 
nachgebaut.
Damit der Spielspass etwas länger bleibt, dachte ich an Erweiterungen. 
Erstens mehrere Spiele (PingPong/Snake/Mühle/Pacman u.ä.), zweitens 
sollte der einfache 4-Tasten-Kontroller ausgebaut oder aufgebohrt 
werden.

Ideal wäre wenn die LED-Matrix zus. noch irgendwelche Schalter bekäme. 
Touchsensoren in dieser Menge kosten ein kleines Vermögen und 
überschreiten das zig-fache aller anderen Komponenten.

Ich dachte mir, in jedes Feld sprich eine Pixelzelle, einen simplen 
analogen Taster, Mikroschalter, Reedkontakt oder LDR einzubauen. Nun 
stehe ich vor der großen Frage, wie realisiert man so viele Eingänge?

Als einziger Anhaltspunkt fällt mir dazu die "Technik einer Tastatur" 
ein. Leider reicht mein Wissensstand nicht für ganz dicke 
Elektronikschaltungen. Nichts desto trotz, geht es nicht um mich, 
sondern um die Kids. Die sollen ihren Spass beim bauen und 
experimentieren haben. Wenn es tief in die Elektronik gehen sollte, 
würde auch ein fertiges Modul oder Breakout reichen. Ich konnte nach 
einer intensiven Recherche nichts annäherndes (>4x4) finden.

Vielleicht hat jemand die eine oder andere Idee, einen Vorschlag oder 
kennt gar so ein umgesetztes Projekt?

Vielen Dank im voraus

: Bearbeitet durch User
von Peter D. (peda)


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Mister A. schrieb:
> so ein IKEA-Tetris-Spieltisch

Was soll das sein?

von Peter D. (peda)


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Mister A. schrieb:
> 256 analoge Eingänge (Schalterzustände)

Sicher, daß man Schalter analog einlesen muß?

von Hans-Georg L. (h-g-l)


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Peter D. schrieb:
> Mister A. schrieb:
>> so ein IKEA-Tetris-Spieltisch
>
> Was soll das sein?

Ich denke er meint dieses hier oder etwas ähnliches :
https://www.heise.de/make/meldung/Fleissarbeit-Interaktiver-LED-Tisch-mit-Raspberry-Pi-3619636.html

@Mister A.

Die benutzen keine Schalter sondern LED als Fotodioden für die 
Rückmeldung.

: Bearbeitet durch User
von Mister A. (mratix)


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Nein, muss man natürlich nicht. Leider kenne ich bis dato nur 
analogRead.

bzgl. dem Spieltisch, ungefähr sowas: https://youtu.be/9mYyU1978k4

Bei der Suche konnte ich gerade entdecken: 
http://www.gunook.com/rgb-led-pixel-beruhrungs-reaktiver-spieltisch/

Das geht schon mal in die richtige Richtung.

Und das hier ist auch sehr interressant: https://youtu.be/vzWEgOt3xsM

von Wolfgang (Gast)


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Mister A. schrieb:
> Nein, muss man natürlich nicht. Leider kenne ich bis dato nur
> analogRead.

Ok, das ist natürlich ein Argument ;-(

Warum guckst du dich nicht in den Arduino Beispielen um und machst dich 
mit
digitalread() vertraut. Bei einem digitalen Eingangssignal wäre das doch 
naheliegend ;-)
https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/digital-io/digitalread/

Allerdings wirst du keinen Arduino inden, der direkt 144 oder gar 256 
Eingänge besitzt. Also divide et impera. Falls du die Schalter in einer 
8x8 8x8 Matrix anordnen kannst (Kontakte Massefrei, immer nur einer) 
würdest du mit 8 Aus- und 8 Eingängen klar kommen. 
Erkennungsgeschwindigkeit ist bei dir von untergeordneter Bedeutung?

von Mister A. (mratix)


Angehängte Dateien:

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Das war ein Scherz, mit dem analogRead. Klar, digitalRead und ein paar 
andere wie z.B. 7seg/8x8 Multiplexing kenne ich mittlerweile :)
Ich bin halt erst vor ein paar Monaten in der Arduinowelt gelandet, 
konnte noch nicht alles ausprobieren und nachbauen. Aber die daraus neu 
entdeckte Elektronikwelt finde ich schon mal nicht verkehrt. Das wird 
mein Lieblingsspielplatz :)

Zurück zum Topic, warum ich an analog geklammert habe zeigt die 
beigefügte Schematik vom 4x4 Keypad auf Widerstandsbasis. Auf Grund 
dessen überlegte ich wie man andocken könnte. Ob man das ganze auf 12x12 
oder 16x16 ausdehnt und lauffähig bekommt, weis ich noch nicht. 
Notfalls, dachte ich weiter, eine Portexpansion mit 8ch einzusetzen. 
Macht mich alles in allem nicht besonders glücklich weil es nach wie vor 
analog ist.

Ob ich simpel mit einer Matrix-Methode X/Y Reihe/Spalte arbeiten kann, 
weis ich auch noch nicht.

Die paar Videos habe ich mir angeschaut, das mit IR ist ganz nett für 
visuelle Spielereien. Jedenfalls denke ich, dass unsere Kids eher was zu 
herumdrücken auf der Tischplatte möchten. Obendrauf finde ich die ganz 
grobe Auflösung (mit Irda) zum Selektieren eines "Spielfeld-Pixels" eher 
ungeeignet.

: Bearbeitet durch User
von Mister Käse (Gast)


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Mister A. schrieb:
> Notfalls, dachte ich weiter, eine Portexpansion mit 8ch einzusetzen.
> Macht mich alles in allem nicht besonders glücklich weil es nach wie vor
> analog ist.

Du redest schon wieder Käse.

Portexpansion <---> analog

von Mister A. (mratix)


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Ja, das war auch im oberen Teil als finale Möglichkeit gedacht.

Digitales Multiplexing mit X/Y Achse und simplen Schalter muss ich noch 
praktisch durchspielen. Hast du evtl. eine Tipp für mich?

von Joachim B. (jar)


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Mister A. schrieb:
> 16x16

dazu braucht es nur 2 - 4 Digitalport Erweiterungen
SPI 16er Sports mit MCP 2x
oder 4x I2C 8574(a) a 8 Bit

die 16 Spalten werden nacheinander kurz auf low gelegt, dann wird in den 
16 Zeilen nacheinander abgefragt und mit Spalte low und Zeile low weiss 
man welche der 256 Tasten gedrückt wurde, das natürlich entprellt

Beitrag "Danneggers Tastenentprellung"
https://www.mikrocontroller.net/articles/Entprellung
Beitrag "Re: Tastatur Matrix entprellen"

von Gerhard O. (gerhard_)


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Warum nicht mit P/S Schieberegister a la 74HC165? Sind billiger und 
schneller. Weil kein interner Register Verwaltungsapparat berücksichtigt 
werden muß. Wenn man die mit 8MBit/s per SPI in einer Timer ISR abfragt 
geht das ruck-zuck mit 1us pro SR. Allerdings muß man bei 8Mbit mit der 
Verdrahtung und EMC aufpassen. Also unter 20us pro 144 Eingänge. Wenn 
man die dann zwei mal abfragt kommt man auch mit dem Bounce zurecht. 
Auch verdrahtungsmäßig ist das günstig weil man die SR Hardware nahe bei 
den Schaltern anordnen kann und dann nur 4 Drähte zum uC hat (Vcc,Gnd, 
clk, data). Da die Distanzen zwischen den SR kurz sind, sollte das nicht 
zu riskant sein. Die empfangenen Daten kann man dann in einem 18x8 Byte 
Array abspeichern. Wenn das im Hintergrund mit einer ISR gemacht wird, 
existiert praktisch kein Overhead im Main Line Code. Auch die spätere 
Auswertung ist einfacher.

Port Expander sind vielleicht eigentlich Overkill und im Vergleich 
sündteuer. Die 165er gibts für ein paar Cent das Stück. Dan gäbe es noch 
den doppelt gepufferten 74HC589. Der ist allerdings ein wenig teurer.

: Bearbeitet durch User
von Jürgen S. (engineer) Benutzerseite


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Für das Arguino gibt es doch diese Shield-Adapterplatinen. Die haben 
jeweils 8 analoge und weitere digitale Eingänge. Händisch bauen geht mit 
den beschriebenen Schieberegistern. In der Bucht gibt es einen 
Hersteller aus China, der Platinen zu 1,95 vertreibt, welche den chip, 
Stuftleisten und alles inklusive für 16 Kanäle hat. Damit habe Ich 
meinen Rotary Encoder verdrahtet. Die laufen mit bis zu 1 MHz mit 
simpler Luftverdrahtung.

Ich habe damit 8x8x2 Kanäle (64 X,y) realisiert.

von Mister A. (mratix)


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Joachim B. schrieb:
> SPI 16er Sports mit MCP 2x
Das wird etwas wie ein MCP23S17 sein; bzw. ein MCP3426 und MCP23017 als 
i2c?

> oder 4x I2C 8574(a) a 8 Bit
PCF8574 ist hier superschön erklärt: 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Port-Expander_PCF8574
... und der kleine schluckt alleine schon 80mA, seine 4 Brüder sind mit 
200mA noch hungriger. Dann das ganze noch 4x :(

Eine Frage zum Interrupt: ist der als OUT oder IN anzusehen?
= OUT, wird heraus gesendet wenn sich der Status an einem Port ändert
= IN, für einen wakeup

> die 16 Spalten werden nacheinander kurz auf low gelegt, dann wird in den
> 16 Zeilen nacheinander abgefragt und mit Spalte low und Zeile low weiss
> man welche der 256 Tasten gedrückt wurde, das natürlich entprellt
OK, hier kann ich noch folgen.

Kann ich "Wechsler entprellen mit Kondensator" (aus o.g. 
url-Beschreibung) 1x pro Zeile und 1x Spalte anwenden? Oder es der 
Software/Library überlassen?

Und soll ich davon ausgehen dass alle Taster über einen Pullup hängen. 
Das zweite Beinchen die gemeinsame Signalleitung bildet? ...Würde 
jedenfalls den Hinweis auf low erklären.

Ich danke schon mal recht herzlich. Entschuldigung für die ganzen 
Fragen, bin noch in Ausbildung.

von Mister Käse (Gast)


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Mister A. schrieb:
> Entschuldigung für die ganzen Fragen, bin noch in Ausbildung.

Die Unterscheidung zwischen Analog- und Digital-Eingang sollte
man(n) jedoch auch in diesem Stadium hinkriegen.

von Mister A. (mratix)


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Jürgen S. schrieb:

> Hersteller aus China, der Platinen zu 1,95 vertreibt, welche den chip,
> Stuftleisten und alles inklusive für 16 Kanäle hat
das hört sich auch interessant an. Hast du vielleicht einen 
Typen/Modell?

Das mit den Schieberegistern würde mir pers. auch gefallen. Zumindest es 
eh irgendwann ein Thema für den Workshop wird.

Auf Kosten im kleinen Eurobereich kommt es nicht an. Soll ja auch nicht 
aus Luft und Kostnix entstehen. Kostenfaktor sind nur die 144/256 
kapazitive Touchsensoren. Damit ist man schnell bei €150-200.
Allerdings hätten die den Vorteil, dass kein mechanischer 
Verschleiss/Defekt stattfindet.
Bei Tastern wird es schon kritisch. Es soll ja primär gespielt werden :)

Mittlerweile bin ich stark am überlegen ob Reed-Schalter ein Mittelweg 
wären.

: Bearbeitet durch User
von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Ich würde da gar keine Matrix machen, sondern einfach ein paar 
Schieberegister hintereinander hängen. Das kann man für 8 ausprobieren 
und das  dann ganz einfach mit ein paar weiteren Schieberegistern Linear 
hochskalieren.

So eine Schaltermatrix wird nämlich dann interessant, wenn (zufällig) 
mehrere Tasten gleichzeitig gedrückt werden...

von Joachim B. (jar)


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Mister A. schrieb:
> und der kleine schluckt alleine schon 80mA,

wo liest du das?
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/pcf8574.pdf

Seite 6 80µA ! das ist ca 1000x weniger!
er könnte pro Port 25mA treiben aber wer tut das für Taster? niemand!

Die gibts fertig vom Chinesen mit 8 Auswahladressen
brauchen also nur die I2C Leitungen und Power

Ebay-Artikel Nr. 272549808632
Ebay-Artikel Nr. 162741807388
Ebay-Artikel Nr. 263540446008

ab 1,-€

und Stromtreiber 100µA für die Tasten als pullup liefert er auch schon 
mit
Wichtig Abfrage und Tasten auf LOW/GND!

: Bearbeitet durch User
von Frank L. (hermastersvoice)


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Ebay-Artikel Nr. 222726613292

10 Stück für 1,37€ find ich jetzt nicht soooo teuer

von MaWin (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Ich würde da gar keine Matrix machen, sondern einfach ein paar
> Schieberegister hintereinander hängen

Bei 144 ?

Ist das dumm.

Es gibt auch keine besondere Anforderung  die Multiplex verhindern 
würde.

Alle PC Tastaturen decodieren im Multiplex.

Und auch analog veränderliche Widerstände kann man analog in einer 
Matrix abfragen wenn jeder eine Diode in Reihe hat.

Man braucht dann Analogmultiplexer und timt z.B. die Aufladezeit eines 
Kondensators über den ausgewählten Widerstand.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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MaWin schrieb:
> Bei 144 ?
Ja, warum denn nicht?

> Ist das dumm.
Ja, immer ein offenes Wort, ganz der sozialkompetente MaWin, wie man ihn 
kennt. Aber als Argument lasse ich es nicht durchgehen, da musst du 
dir was Besseres ausdenken. Ich finde die Verwendung von ein paar 
Schieberegistern einfach, nachvollziehbar und linear skalierbar. Da kann 
man direkt am Schieberegister-Pin den Pegel nachmessen und vergleichen, 
ob der zum eingelesenen Ergebnis passt.
Und auf ein paar µs beim Einlesen kommt es tatsächlich nicht mehr an, 
wenn der selbe µC 144 WS28xx-LED ansteuert.

> Es gibt auch keine besondere Anforderung  die Multiplex verhindern würde.
Aber das Wissen und Können des TO.

> Alle PC Tastaturen decodieren im Multiplex.
Du hast echt alle PC-Tastaturen schon mal aufgeschraubt?

> Und auch analog veränderliche Widerstände kann man analog in einer
> Matrix abfragen wenn jeder eine Diode in Reihe hat.
> Man braucht dann Analogmultiplexer und timt z.B. die Aufladezeit eines
> Kondensators über den ausgewählten Widerstand.
Weiß ich, kann ich, mache ich. Aber du meinst doch nicht ernsthaft, dass 
das der TO die nächsten Tage hinbekommt. Und zuverlässig ist diese 
Methode nur dann, wenn man damit Potis einliest, die einen menschlichen 
Regelkreis schließen. Leg so eine Schaltung mal in einen 
Klimaschrank....

von Joachim B. (jar)


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Lothar M. schrieb:
> sozialkompetente

ist in der Moderatorenschaft auch nicht sehr oft vorhanden, wenn ich 
z.B. aus Suppentassen kriechen soll ohne das der Mod überhaupt wusste 
worums es ging.

Klar kann man Schieberegister nehmen für 256 Tasten 16x16 z.B. 32 Stück 
a 8 Bit oder man nimmt 4 2 für Spalten 2 für Zeilen etliche pullup 
Array, aber der TO fängt gerade erst an, da finde ich zum ersten Üben 
die PCF Variante nicht so verwerflich.

von Jörg R. (solar77)


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Für 144 Tasten gingen auch 4 Stück HT16K33. Jeder fragt 39 Tasten ab und 
steuert bei Bedarf auch noch 128 Leds an. Nicht ganz preiswert, aber 
I2C.

von Wolfgang (Gast)


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Mister A. schrieb:
> PCF8574 ist hier superschön erklärt:
> https://www.mikrocontroller.net/articles/Port-Expander_PCF8574
> ... und der kleine schluckt alleine schon 80mA, seine 4 Brüder sind mit
> 200mA noch hungriger. Dann das ganze noch 4x :(

???
Was sind das für Phantasiezahlen?

Beitrag #5457513 wurde von einem Moderator gelöscht.
von m.n. (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Ich finde die Verwendung von ein paar
> Schieberegistern einfach, nachvollziehbar und linear skalierbar.

Das finde ich auch und habe deshalb immer ein paar Stangen CD4021 im 
Regal ;-) Gerade, wenn auseinanderliegende Eingänge abgefragt werden 
sollen, ist die Kaskadierbarkeit nebst geringem Aufwand bei der 
Verkabelung von großem Vorteil. Der TO soll er gerne so machen.

Bei einer Tastenmatrix 12x12 in quadratischer Anordnung ist wegen der 
einfacheren Verkabelung die Multiplexabfrage günstiger. Wenn es darum 
geht, dem µC möglichst wenige Pins abzunötigen, kann man die Ausgabe der 
Spalten mit 2 x 4094 und die Abfrage der Zeilen mit 2 x 4021 
Schieberegistern (o.ä.) ausführen.
Das wäre für den TO mit einem deutlichen Lerneffekt verbunden, wobei ich 
mir allerdings nicht sicher bin, ob das für ihn in überschaubarer Zeit 
umzusetzen ist. Wie ich ihn einschätze, kann der TO das derzeit nicht 
selber entscheiden. Auch halte ich Lösungen mit zusätzlichem IIC 
Überhang für nicht geeignet.

von R. F. (rfr)


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Es gibt ICs als Tastaturdecoder zu kaufen. Ich habe noch einige SDA2008, 
die speziell für das Decoding von Fernbedienungen gedacht sind. 
Teilweise sind die bis 1024 Tasten verwendbar. Das reicht auch für 
chinesische Tastaturen mit vollem Zeichensatz (und mehreren 
Shift-Ebenen).

Robert

von Thomas E. (picalic)


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Wolfgang schrieb:
> Was sind das für Phantasiezahlen?

Da hat wohl einer "µA" mit "mA" verwechselt...

Zur Tastenmatrix:
Wenn sicher immer nur eine einzige Taste gedrückt wird, könnte man es 
vielleicht mit 4 Pins und ohne extra ICs machen. An die 12 Spalten und 
an die 12 Zeilen jeweils einen Spannungsteiler (12 gleiche Rs, z.B. 100 
Ohm). z.B. zum Auslesen der Spalten: einen Zeilen-Pin auf Ausgang high, 
den anderen auf low, Spannung an einem der Spaltenpins messen. Zum 
Auslesen der Zeilen umgekehrt. Zum Erkennen von "keine Taste" die 
Eingänge jeweils über einen hochohmigen Pullup-Widerstand auf VDD 
ziehen.

von MaWin (Gast)


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Thomas E. schrieb:
> Wenn sicher immer nur eine einzige Taste gedrückt wird, könnte man es
> vielleicht mit 4 Pins und ohne extra ICs machen.

Wie wäre ein Analogeingang, und den Spannungsteiler so auslegen, das 
eine von 144 Spannungen mit dem 10 bit A/D erkannt wird ? Störungen 
dürften hat maximal 2 bit ausmachen.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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MaWin schrieb:
> Störungen dürften hat maximal 2 bit ausmachen.
Dagegen sprechen Übergangswiderstände (Anpresskraft, Oxidation, 
Verdrahtung), Temperatureffekte, Spannungsschwankungen und zig andere 
Gründe, die man aber erst hinterher beim Namen nennen kann.
Im Besonderen kann man dann nicht mal mehr erkennen, ob zufällig mehrere 
Tasten gedrückt sind...

von MaWin (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Im Besonderen kann man dann nicht mal mehr erkennen, ob zufällig mehrere
> Tasten gedrückt sind...

Das war ja Voraussetzung

Thomas E. schrieb:
> Wenn sicher immer nur eine einzige Taste gedrückt wird

Lesen ist offrnkundig nicht deine Stärke.

von Mister A. (mratix)


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Vielen Dank für die zahlreichen Antworten. Da ist ja einiges an Ideen 
und Möglichkeiten eingeflossen. Mensch seid ihr Top!

besonders gefallen hat mir
"Ausgabe der Spalten mit 2 x 4094 und die Abfrage der Zeilen mit 2 x 
4021
Schieberegistern (o.ä.) ausführen"

Ich mache mich nun an die Arbeit und teste eins nach dem anderen. Das 
braucht Zeit. Ich hoffe nur, dass es nicht bei der erstfunktionierenden 
Lösung bleit bzw. endet :)

: Bearbeitet durch User
Beitrag #5462383 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Mister A. (mratix)


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m.n. schrieb:
> Bei einer Tastenmatrix 12x12 in quadratischer Anordnung ist wegen der
> einfacheren Verkabelung die Multiplexabfrage günstiger. Wenn es darum
> geht, dem µC möglichst wenige Pins abzunötigen, kann man die Ausgabe der
> Spalten mit 2 x 4094 und die Abfrage der Zeilen mit 2 x 4021
> Schieberegistern (o.ä.) ausführen.
darf ich kurz nochmal nachfragen?

Das mit den 4021 verstehe ich jetzt. Konnte auch ein paar Beispiele 
finden.
- shiftin: 
https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/shiftin/
- parallel to serial shifting: 
https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ShiftIn
- oder mit 74HC165: 
https://playground.arduino.cc/Code/ShiftRegSN74HC165N

4021 = 8 Bit SchiebeRegister, Eing par / ser, Ausg ser
4094 = 8 Bit SchiebeRegister, Eing ser, Ausg par / ser, 
ZwischenSpeicher, TS

Der 4094 iritiert mich jetzt. Genauer gesagt, wie die Schematik damit 
aussehen soll. Was spricht eigentlich gegen 4x 4021?

Heute konnte ich die 4021, 4094 und sogar einen PCF8574 i2c auftreiben. 
Somit ist grünes Licht für den Testaufbau.

von m.n. (Gast)


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Mister A. schrieb:
> Der 4094 iritiert mich jetzt. Genauer gesagt, wie die Schematik damit
> aussehen soll. Was spricht eigentlich gegen 4x 4021?

Was ist "Schematik"?

Ein 4021 hat acht Eingänge. Für 144 Eingänge braucht man folglich 18 
Stück.
Ein 4094 hat acht Ausgänge. Zwei Stück davon können 16 Spalten treiben, 
wobei bei Dir nur 12 davon benötigt würden.

Zeichne mal einen Schaltplan, wie Du die Taster abfragen möchtest.
Bei Multiplexabfrage sollte auch jeder Taster ein Diode zur Entkopplung 
bekommen, um eine eindeutige Zuordnung zu erhalten, wenn mehrere Tasten 
gleichzeitig gedrückt sind.

von Experte (Gast)


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Charlieplexing wäre hier vielleicht sinnvoll. Dann brauch man aber 
vollwertige (I/O) Portexpander.

von m.n. (Gast)


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Experte schrieb:
> Charlieplexing wäre hier vielleicht sinnvoll. Dann brauch man aber
> vollwertige (I/O) Portexpander.

Daß es hier um das Einlesen von Tastern geht, hast Du natürlich sofort 
gerafft.
Gerne darfst Du uns Deine Schaltung zeigen und auch Deine 
"Vollwert"-Expander.

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