ET-Projekt

Programmierbares Auto

Lenard Wiedekamp, Leonard Göhrs

Aufgabenstellung

  • Kindern programmatische Denkweise vermitteln.
  • Spielzeugauto umbauen
  • Einfache, intuitive Bedienung.

Grundidee

  • Bauklötze anreihen für Programmabfolge
  • Übertragung auf Auto-Steuerung
  • Abfahren von vorgegebenen Streckenaufgaben oder freies Programmieren

Projektteile

  • Bauklötze
  • Übetragungseinheit
  • Auto

Bauklötze

Gehäuse

Werden gefräst oder 3D-Gedruckt

Gehäuse

Umwandlung der 3D-Modelle in Produktionsdateien:

  • Zum Drucken steht gute, freie Software zur Verfügung
  • Zum Fräsen nicht …
  • … Also selber schreiben
Gehäuse

PYCode Werkzeugpfad in Python beschreiben und in GCode umwandeln

Gehäuse
Gehäuse
  • Magnete sorgen für mechanische Verbindung
  • Alufolie und DsK sorgen für elektrischen Kontakt (VCC, GND, RX, TX)
Platine

Enthält ATtiny85, Schutzbeschaltung, LEDs und einen Taster/ein Potentiometer

Platine

Wird von hinten in das Gehäuse gedrückt

Firmware ♥
  • Verfügt über kodierte Schritte für das Auto
  • Gibt diese Schritte an den nächsten Block weiter
  • Dieser gibt diese Schritte, zusammen mit seinen eigenen, wiederum an den nächsten Block weiter
Firmware ♥ Schema
Firmware ♥ Herausforderung
  • Bei 512-Byte SRAM muss der Code effizient sein
  • Bei 8-kByte Flash Speicher und 512-Byte EEPROM müssen alle Nachrichten effizient kodiert sein
Firmware ♥ Übertragung Bitweise

b_rcvd>>=1;

if (RX_PIN & _BV(RX_NUM)) {
  // Sender sent a high bit
  b_rcvd|= _BV(7);
}


if (uart.flags.forward) {
  // Forward the data bit if forwarding is requested

  if (b_send & 0x01) TX_PORT|=  _BV(TX_NUM);
  else               TX_PORT&= ~_BV(TX_NUM);

  b_send>>=1;
}

Übertragungseinheit

Gehäuse

Wie bei den Klötzen

Platine

Enthält ATmega328, Strombegrenzte Spannungsversorgung für die Klötze und ein Funkmodul

Platine

Spannungsversorgung über Steckernetzteil oder Batteriepack

Firmware
  • Stellt Brücke zwischen Klötzen und Auto her
  • Könnte aktuell ausgeführten Klotz auf Display anzeigen

Auto

Basis
  • Basiert auf der Hardware eines LEGO® Spybotics®
  • Elektronisch komplett entkernt und mit einem ATtiny44 ATmega8 ATmega328 ausgestattet
  • Um Trademark Quatsch zu umgehen als dk_base (Denmark base) bezeichnet
Platine
  • Einseitig, auf CNC-Maschine ausgefräst.
  • Enthält nicht (mehr) mehr als zwei H-Brücken
Firmware
  • Führt die in den Klötzen kodierten Schritte aus
  • Eine vernünftige Kodierung könnten wie folgt aussehen:
  • Zwei Bytes Befehl. Z.B. 0x0001, Setze Motoren
  • Zwei Bytes Parameter. Z.B. 0x7f7f Motor rechts und links. Vollgas vorran

"Das muss mehr reinballern"

- Leonard

Virtuelle Maschine

Links: Spezifikation / Implementierung 


Instr bits  | Name       | Description
------------+------------+------------
...         |            |
00 00 01 11 | SPJ        | Perform the jump in the PC buffer
            |            |
00 00 10 XX | LD  XX     | Load next Byte into register XX a…
            |            |
00 01 00 XX | DEC XX     | Decrement register XX by one
00 01 01 XX | INC XX     | Increment register XX by one
00 01 10 XX | NOT XX     | Bitwise NOT of Register XX
00 01 11 XX | SRR XX     | Shift register right by one bit
...         |            |
Virtuelle Maschine
  • 20 Opcodes. 8-bit instruction Kodierung um Speicherplatz zu sparen.
  • Drei general purpose 8bit register. Ein zero Register.
  • Acht IO Adressen. Aktuell genutz für: Motor1, Motor2, acht digitale Eingänge (z.B. Bumper Taster), acht digitale Ausgänge (z.B. LEDs), ein 8 bit Timer, 3 Ram Slots.
Programme

 LD RA          // Load motor speed and direction
 64             // Fwd 50%
 LD RB          // Load time to drive for
 120            // Two seconds
 STA Mot1 RA    // Set Motor 1
 STA Mot2 RA    // Set Motor 2
 STA Timer RB   // Setup timer

loop:
 LDA Timer RC   // Read timer value
 SEQ RZ RC      // Skip next instruction if time is up
 JBW loop       // Loop

 STA Mot1 RZ    // Stop Motor 1
 STA Mot2 RZ    // Stop Motor 2
Assembler (brkas)

$ ./brkas.py source_in small.brkas bytecode_out small.brbc

$ hd small.brbc
00000000  09 40 0a 78 e1 e5 f2 d3  a3 31 e0 e4
  • Übersetzt Programmtext in Bytecode
  • Geschrieben in Python
  • Enthält auch einen Disassembler

Gelerntes

Arduino

Der grundliegende Umgang mit Arduino

Arduino

Programmierung in der Arduinoumgebung

Arduino als ISP

#!/bin/sh

avr-gcc -mmcu=atmega328p -DF_CPU=16000000L -ffunction-sections \
  -fdata-sections -fno-caller-saves -Os -Wall -Wextra -pedantic \
  -Werror -Wshadow -Wstrict-overflow \
  -fno-strict-aliasing -std=c11 \
  uart_example.c -o uart_example.elf

avrdude  -v -patmega328p -c arduino -P /dev/cu.usbmodem1421 \
  -b 115200 -D -U flash:w:uart_example.elf
  • Der Umgang mit avr Mikrocontrollern
  • Programmierung eines avr Mikrocontrollers 
#include <avr/io.h> //[..]

#define UA_TMR_PRESCALE_REG (_BV(CS01) | _BV(CS00)) //[..]

int main (void)
{
  uart_init(); //[..]

  for(;;){
    //[..]
  }
  return (0);
}
Versionsverwaltung (git)

commit 0df71ce5066dcfa8f88049d3dd0e514a56db26ab
Author: Leonard Göhrs leonard@goehrs.eu
Date:   Thu May 26 11:38:07 2016 +0200

Simplified uart byte gap handling by not using overflow interrupt

commit 6c08c638a394d831478dbb182877980d20eac091
Author: Lenard Wiedekamp lenwdk@gmail.com
Date:   Wed May 25 20:51:33 2016 +0200

Better active clock
Unit tests
  • Mikrocontroller verfügen über kaum Ein-/Ausgabemöglichkeiten
  • Programme zu Debuggen deshalb sehr mühsam
  • Deshalb: Tests schreiben, die auf dem Host Computer ausgeführt werden und prüfen, ob sich Teile des Programms wie erwartet verhalten.
Unit tests

static char *test_op_jfw()
{
  struct vm_status_t vm;
  uint8_t prog[]={0x44, 0x15, 0x24, 0x15, 0x15, 0x15, 0x15, 0x15, 0x15};
  // MOV RA RZ, INC RA, JFW 4, INC RA, INC RA, INC RA, INC RA, INC RA, INC RA

  bzero(&vm, sizeof(vm));

  vm.prog= prog;
  vm.prog_len= sizeof(prog);

  vm_run(&vm);

  mu_assert("Something went wrong in program containing JFW",
    vm.regs[0] == 3);

  return 0;
}
Unit tests

$ make tests
gcc -ffunction-sections -fdata-sections -Os -Wall -Wextra \
-pedantic -Werror -Wshadow -Wstrict-overflow \
-fno-strict-aliasing -std=c11 \
-I ../ -o tests/tst-opcodes.test tests/tst-opcodes.c
./tests/tst-opcodes.test

ALL TESTS PASSED
Tests run: 10
rm tests/tst-opcodes.test
Ausblick

Alle Quelldateien stehen unter einer freien Lizenz zum Download bereit

Ende

Lenard Wiedekamp

lenwdk@gmail.com

lenwdk.de

Leonard Göhrs

leonard@goehrs.eu

zerforscht.de

Vortragsfolien:

leonard.goehrs.eu/etp