Sensornetzwerke in Theorie und Praxis

484 Pages·2018·11.754 MB·German

by  Ansgar Meroth, Petre Sora

Ansgar Meroth
Petre Sora
Sensornetzwerke
in Theorie und Praxis
Embedded Systems-Projekte
erfolgreich realisieren
Sensornetzwerke in Theorie und Praxis
Lizenz zum Wissen.
Sichern Sie sich umfassendes Technikwissen mit Sofortzugriff auf
tausende Fachbücher und Fachzeitschriften aus den Bereichen:
Automobiltechnik, Maschinenbau, Energie + Umwelt, E-Technik,
Informatik + IT und Bauwesen.
Exklusiv für Leser von Springer-Fachbüchern: Testen Sie Springer
für Professionals 30 Tage unverbindlich. Nutzen Sie dazu im
Bestellverlauf Ihren persönlichen Aktionscode C0005406 auf
www.springerprofessional.de/buchaktion/
Jetzt
30 Tage
testen!
Springer für Professionals.
Digitale Fachbibliothek. Themen-Scout. Knowledge-Manager.
Zugriff auf tausende von Fachbüchern und Fachzeitschriften
S elektion, Komprimierung und Verknüpfung relevanter Themen
durch Fachredaktionen
Tools zur persönlichen Wissensorganisation und Vernetzung
www.entschieden-intelligenter.de
Springer für Professionals
Ansgar Meroth (cid:2) Petre Sora
Sensornetzwerke in Theorie
und Praxis
Embedded Systems-Projekte erfolgreich
realisieren
AnsgarMeroth PetreSora
HochschuleHeilbronn HochschuleHeilbronn
Heilbronn,Deutschland Heilbronn,Deutschland
ISBN978-3-658-18385-1 ISBN978-3-658-18386-8(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-18386-8
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detaillier-
tebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
©SpringerFachmedienWiesbadenGmbH,einTeilvonSpringerNature2018
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtausdrücklich
vomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgiltinsbesondere
fürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherungundVerar-
beitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberechtigt
auchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen-
undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften.
DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem
WerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnochdieAutorenoder
dieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehler
oderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografischeZuordnungenundGebietsbezeichnungenin
veröffentlichtenKartenundInstitutionsadressenneutral.
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier
SpringerViewegisteinImprintdereingetragenenGesellschaftSpringerFachmedienWiesbadenGmbHundist
einTeilvonSpringerNature.
DieAnschriftderGesellschaftist:Abraham-Lincoln-Str.46,65189Wiesbaden,Germany
Wirwidmen dieses Buch unseren Familien.
Vorwort
Das „Internet of things“ ist in aller Munde. Eine wichtige Voraussetzung für die digita-
leRevolutionimAlltagistdieVerfügbarkeitkleinsterMikrocontroller,diemitSensoren
und Aktoren verbunden und miteinander vernetzt sind. Die Rechenleistung spielt hier-
beieinegeringereRollealsderStromverbrauchundderBauraum.MitderVerfügbarkeit
miniaturisierter,hochpräziserundpreiswerterSensorenwächstdieZahlderAnwendun-
genschnellunderöffnetauchkleinerenUnternehmern,Studierendenundambitionierten
BastlernbisherungeahnteMöglichkeiten.GleichzeitigwirddasVerständnisfürdieFunk-
tionsweisevonSensorenundihreAnsteuerungimmerschwieriger,zumalvieleSensoren
vondenHerstellernfürdieIntegrationinNetzwerkenausgelegtsind.DiehoheDynamik
aufdemKomponentenmarktunddiefürAnfängerzumVerständnisoftmalsunzureichen-
deDokumentationerforderneinengroßenEinarbeitungsaufwand.Dabeiwerdeninvielen
Fällen nur die Basisfunktionen der Bausteine benötigt, daher enthält dieses Buch dafür
sehrkonkreteAnleitungenundErklärungen.
Eine gut durchdachte, modulare Ansteuerungsarchitektur ermöglicht einen hard-
wareunabhängigen und leicht auf die konkrete Umgebung adaptierbaren Aufbau der
Ansteuerungshard- und -software. So sind die meisten Beispiele so formuliert, dass sie
sich auch für anderePlattformen eignen und nur diedirekte Hardwareanbindungausge-
tauschtwerdenmuss.
Das Buch enthält jedoch nicht nur konkrete Programmieranleitungen für die einge-
setzten Bausteine sondern auch viele Tipps und Tricks zum effizienten Einsatz der Pro-
grammiersprache C in Mikrocontrollern. Es soll dabei zum eigenen Weiterdenken und
Weiterentwickelnanregen.
Die Autoren freuen sich daher über Feedback, Ideen und Anregungen für künftige
Auflagen!
Heilbronn,imApril2018 PetreSora
AnsgarMeroth
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 WasfindenSieindiesemBuch? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 FürwenistdiesesBuchgeschrieben? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 WelcheKenntnissesetztdasBuchvoraus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 WarumbeschreibtdasBuchkeinenArduino? . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 Zusatzmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.6 Disclaimer/Haftungsausschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.7 Dank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 EinführungindieProgrammierspracheC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 DieSpracheC:HintergrundundAufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Bezeichner,SchlüsselworteundSymboleinC . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Bezeichner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Schlüsselworte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.3 Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.4 Anweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Kommentare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 EinzeiligerKommentar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 MehrzeiligerKommentar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.3 DoxygenKommentare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Typen,VariablenundKonstanten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1 FundamentaleDatentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.2 DeklarationvonVariablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.3 Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 Operatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.1 ArithmetischeOperatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5.2 LogischeOperatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.3 Bitoperatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.4 OperatorenfürSpeicherzugriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.5 WeitereOperatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.5.6 AssoziativitätundPrioritätvonOperatoren . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.7 Typumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6 Kontrollstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6.1 Verzweigung(Auswahl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6.2 Fallstricke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6.3 Mehrfachverzweigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.7 Schleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7.1 KopfgesteuerteSchleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7.2 FußgesteuerteSchleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7.3 Zählschleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7.4 Sprünge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8 Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8.1 intmain() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8.2 DefinitionundDeklaration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.8.3 SichtbarkeitundLebensdauervonVariableninFunktionen . . . . 31
2.8.4 Header . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.8.5 DieSchlüsselworteextern,volatileundstatic . . . . . . . . . . . . . 33
2.9 KomplexeDatentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.9.1 Arrays,FelderundStrings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.9.2 Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.9.3 Unions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.9.4 Aufzählungstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.9.5 Pointer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.10 AufbaueinesembeddedC-Programms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.11 ÜbersetzenundBinden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 ProgrammierungvonAVRMikrocontrollern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1 ArchitekturderAVRFamilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 GehäuseundAnschlussbelegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3 Versorgung,TaktundReset-Logik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.1 Versorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.2 Takt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.3 Reset-Logik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.4 Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4 UmgangmitRegistern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5 DigitalerInput/Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.5.1 GrundsätzlicherAufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.5.2 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6 Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.6.1 EinstiegindenUmgangmitInterrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.6.2 Interrupt-ProgrammierungamBeispieldesPinChangeInterrupt. 69
Inhaltsverzeichnis XI
3.6.3 DieexternenInterruptsINTx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.7 Timer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7.1 TimerGrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7.2 ProgrammierungderTimer/Counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.8 AnalogeSchnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.8.1 Analogmultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.8.2 Analogkomparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.8.3 AD-Wandler(ADC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.8.4 Beispiel:Thermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.9 PowerManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.10 InternesEEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.10.1 DeklarationeinerVariablenimEEPROM . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.10.2 LesenausdemEEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.10.3 SchreibeninsEEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.11 DynamischeSpeichernutzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.12 VerlagerungvonDatenindenProgrammspeicher . . . . . . . . . . . . . . 104
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4 Softwarearchitektur,KonzepteundCodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1.2 Sichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2 Hardware-Abstraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3 ModularisierungundZugriffaufModule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4 Zeitsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.5 WichtigeSpeicherkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5.1 WarteschlangenundRingpuffer(FIFO) . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5.2 WarteschlangemitdynamischenDatenstrukturen . . . . . . . . . . 118
4.5.3 MehrereWarteschlangenineinemProgramm . . . . . . . . . . . . 121
4.6 Zustandsautomaten(Statemachine) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.6.1 AllgemeineBetrachtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.6.2 BeschreibungvonZustandsautomaten . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.6.3 UmsetzungvonZustandsautomatenaufMikrocontrollern . . . . . 127
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5 Kommunikationsschnittstellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.1 DasISO/OSISchichtenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.1.1 Schicht1:PhysikalischeBitübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.1.2 Schicht2:Sicherungsschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2 SerielleSchnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2.1 UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter(UART) . . . . . . 152
5.2.2 SerialPeripheralInterface(SPI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160