Grundlagen

2.1. Speicherverwaltung Alle Bausteine der MCS-51 Familie haben einen getrennten Adreßbereich für Programm- und Datenspeicher von jeweils maximal 64 KByte Größe. Die CPU holt sich, die für die Abarbeitung von Programmen nötigen Befehlen aus dem Programmspeicher (EEPROM), Speichervariablen werden jedoch in den Datenspeicher abgelegt bzw. ausgelesen. Bei einem Zugriff auf die RAM-Bausteine wird die Leseleitung (\\RD) angesprochen, sobald Befehle vom Programmspeicher angefordert werden, wird die Programmspeicherfreigabeleitung (\\PSEN) aktiviert. Die Funktionen des Mikrocontrollers schalten selbstständig die Steuerleitungen frei, so das dieser Vorgang beim Programmieren transparent bleibt. Die Software des Mikrocontrollersystems wurde am PC, mit einem sogenannten Cross-Assembler entwickelt. Dieses kleine MS-DOS Programm wandelt den Assemblercode in einen funktionstüchtigen Maschinencode um. Diese Datei mit der Endung wird mit Hilfe einer Eprom-Brenner-Software in den Eprom geschrieben. Der Umfang der Assemblerbefehle ist sehr umfangreich. Der Mikrocontroller verfügt über 256 Befehle und ein komfortables Spezialfunktionsregister. Mit Hilfe dieser Mnemonik läßt sich der Speicher auf zwei Arten adressieren. Bei der direkten Adressierung wird der Operand mit einer 8-Bit Adresse verknüpft, somit kann nur das interne RAM und die Spezialregister angesprochen werden. Bei der indirekten Adressierung wird der Befehl mit einem Adreßregister verknüpft. Nur die 8 Bit R0/R1 Register und das 16 Bit Datenpointregister beinhalten die Adresse des Operanden. Ein Adreßregister wird durch das Zeichen @ gekennzeichnet. Es existieren vier Registerbänke, jede dieser Registerbänke besitzen acht Register, somit kann mit dieser Adressierungsmethode auf die ersten vierundzwanzig RAM-Plätze zugegriffen werden. Der Zugriff auf dieses 8 Bit Register wird durch die Registerbefehle R0-R7 vereinfacht. Die Registerbänke werden mit dem 3. und 4. Bit des Programmstatuswortes angesprochen. Weiterhin besteht die Möglichkeit Konstanten, mit dem DB-Befehl zu vereinbaren. Die Interrupts beginnen nach der Programmeinsprungadresse auf der Adresse 0003 und weitere Interrupts folgen im Abstand von 8 Bytes. Interrupts sind z.B. Externer Interrupt 0, Timer 0, Externer Interrupt 1, Timer 1, serieller Port Interrupt und Timer 2.

2.2. Spezialfunktionsregister (SFR)
Im oberen Datenspeicher befindet sich im Bereich der Adresse 80-FF die Spezialfunktionsregister (SFR) die weitere umfangreiche Funktionen bieten :
SFR Code Beschreibung
Akkumulator Acc Bei Operationen der ALU wird dieses Register benutzt.
B Register B Wird bei der Division und Multiplikation benutzt.
Programmstatuswort P Das Flagregister bietet folgende Informationen:
CY - Carry Flag AC - Hilfscarryflag
F0 - freies Flag RS1,RS2 - Registerbänke
OV - Überlaufflag P - Parityflag
Stackpointer SP Durch Beschreiben dieses Registers legt man den Stack an eine andere Stelle des Speichers.(default=07)
Datenpointer DPL, DPH, (DPTR) Der 16-Bit Datenpointer teilt sich in Low und Highbyte. Damit ist eine Adressierung bis zu 64k Byte möglich.
Ports 0-3 P0, P1, P2, P3 Ports können eingelesen bzw. beschrieben werden.
serieller Datenbuffer SBUF Besteht aus zwei getrennten 8-Bit-Registern. Beim Lesen wird der Empfangspuffer, beim Schreiben der Sendepuffer angespochen.
Timer TL0, TL1, TH0, TH1 Diese Register stehen für die beiden 16-Bit Timer-register.
Kontrollregister PCON, TCON, TMOD, SCON, IE, IP Diese Register dienen zum Steuern der Timer und Interrupts.


2.3. Übersicht über die Maschinenbefehle
2.3.1. Arithmetische Befehle
Die arithmetischen Befehle kennzeichnen einfache mathematische Befehle wie Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren, Dividieren und Erhöhen bzw. Erniedrigen eines Wertes. Für Berechnungen dieser Art verwendet die ALU (arithmetic logic unit) den Akkumulator und das B-Register. Die Funktionen ADD,SUBB, INC und DEC setzt beim Überschreiten von 0ffh bzw. Unterschreiten von 0 das Übertragsflag. Die Befehle ADDC und SUBB beziehen das Übertragflag in die Berechnung mit ein. So können größere Zahlen addiert bzw. subtrahiert werden. Eine Möglichkeit, zwei Zahlen nach Größe zu vergleichen, ist z.b. das Subtrahieren zweier Zahlen und das Auswerten des Übertragflags. Nach jeder BCD-Addition muß der DA A-Befehl zur Korrektur ausgeführt werden.
2.3.2. Logische Befehle
Die logischen Befehle bieten verschiedenste Verknüpfungsmethoden zwischen zwei Bytes. Logikbefehle sind AND(ANL), OR(ORL), XOR(XRL), NOT(CPL). Weiterhin bietet der Mikrocontroller Befehle wie Rotate(RR,RL), Swap(SWAP), Clear(CRL). Die Rotatefunktion schiebt die 8 Bit des Akumulators nach rechts oder links. Damit läßt sich z.b. ein schnelles Multiplizieren mit einer Zweierpotenz gewährleisten. XOR-Logik wird auch dazu verwendet zwei Werte zu vergleichen. Sind beide Werte identisch, so ist der Akkumulator null und kann mit dem bedingten Sprungbefehl JZ ( jump zero) und JNZ (jump not zero) ausgewertet werden.
2.3.3. Datentransferbefehle
Die Datentransferbefehle MOVX und MOVC greifen auf den externen Speicherbereich der RAM- bzw. der ROM-Bausteine zu. Der MOV-Befehl kann nur auf internen Speicher zugreifen, somit können Register, Spezialfunktionsregister und Variablen bearbeitet werden. Alle Datentransferbefehle verschieben 8 oder 16 Bit große Datenpakete zu beliebigen Zielen. Interrupts und Subprozeduren unterbrechen den Ablauf des Hauptprogrammes, um deshalb wieder in den normalen Programmablauf zurückzukehren, werden alle Registerinhalte mit Pop in den Stack gesichert und nach Beenden der Routine mit Push wiederhergestellt.
2.3.4. Boolsche Befehle
Mit Hilfe von boolschen Befehlen ist die Verknüpfung von einzelnen Bits möglich. Alle logischen Befehle arbeiten auch mit Bits. Weiterhin bietet der Mikrocontroller bedingte Sprungbefehle, welche den Zustand der Bits auswerten und einen Sprung an einer relativen Programmadresse veranlassen. Die Carry-Flag-Befehle spielen ein große Rolle, da sie den Übertrag bei Addition, Subtraktion, Inkrement- oder Dekrementierung registrieren.
2.3.5. Bedingte und unbedingte Sprünge
Ohne bedingte und unbedingte Sprünge ist nur eine sequenzielle Abarbeitung des Programmes möglich. Sprünge erlauben erst das Arbeiten mit Unterprogrammen, Subroutinen und Interrupts. Prozeduren werden mit aufgerufen. Die vorherige Adresse wird auf den Stack abgelegt und es wird zu der Adresse des Unterprogrammes gesprungen. Mit dem RET -Befehl wird die alte Adresse vom Stack gelesen und so zum Hauptprogramm zurückgekehrt. Mit einer einfachen Konstruktion < loop: ... CJNE zähler,loop> erhält man eine funktionierende Schleife. Der CJNE-Befehl ist ein bedingter Sprung, der ähnlich wie die repeat-until Schleife funktioniert.


2.4. Assemblerfunktionen
Der verwendete MCS-51 Assembler besitzt über die einfache Mnemonik hinaus, Kontrollstrukturen, Verwaltung von Variabeln und Labels. Konstanten werden im Programmspeicher abgelegt Es können 8-Bit große Zahlen mit dem Befehl DB abgelegt werden, 16-Bit große Zahlen werden mit der DW-Anweisung im ROM deklariert. Mit der ORG-Anweisung wird eine absolute Adresse festgelegt. Diese Anweisung wird z.b. für die Programmeinsprungsadresse und der Speicheradresse der Konstanten verwendet. Die Registerbänke werden mit der Funktion USING umgeschaltet. Variablen können als unterschiedlichste Typen definiert werden. Die CODE-Anweisung definiert die Varible als ROM-Adresse. DATA, IDATA, XDATA definiert sie als direkte, indirekte bzw. externe RAM-Adresse. Bitadressen werden mit Befehl BIT festgelegt. Das Arbeiten mit Bibliotheken macht den Quellcode übersichtlicher und portabler. Deshalb bietet der Assembler die Möglichkeit eine oder mehrere externe Programmdateien in das Hauptprogramm, mit der $INCLUDE()-Anweisung, einzubinden. Die IF-ELSE-ENDIF Struktur vergleicht eine Varible mit null . Liefert das Ergebnis den Wert true so werden die Anweisungen nach dem IF ausgeführt, ansonsten werden die Anweisungen nach dem ENDIF ausgeführt. Die Kontrollstruktur wird mit der ENDIF-Anweisung abgeschlossen. Das Programm wird mit der END-Anweisung beendet. Vordefinierte Variblen sind vor allem die Spezialfunktionsregister. Eine Ausführliche Beschreibung lesen Sie bitte weiter oben.

2.5. Programmierung der Peripherie

2.5.1. Ansteuerung der Tastatur

Es wird eine 3x4 Tastaturmatrix verwendet. Die Tastaturinformation liegt an Adresse 04000h. Der eingelesende Wert wird in ASCII -Code umgewandelt:
Wert ASCII-Code Wert ASCII-Code

6Fh 30 - '0' F5h 36 - '6'
DEh 31 - '1' DBh 37 - '7'

7Eh 32 - '2' 7Bh 38 - '8'
F6h 33 - '3' F3h 39 - '9'

DDh 34 - '4' CFh 20- ' '
7Dh 35 - '5' E7h A0- ' '

2.5.2. Ansteuerung des Displays

Ist das 1./2. und 9.Bit des Adressbytes gesetzt, so wird das Display angesprochen.Das 2.Bit gibt an, ob es sich bei dem empfangende Byte um eine Date oder ein Befehl handelt. Somit trägt die Befehlsadresse den Wert 4001h und die Datenadresse den Wert 4002h. Erklärung zum Befehlsbyte:
Wert-binär Befehl Beschreibung
0000 0001 Clear Display löscht das Display und setzt den Cursor an Position 0
0000 001- Return Home setzt den Cursor an Position 0
0000 01xy Eintragemodus regelt die Richtung der Cursorbewegung (x) und das Displayshift (y)
0000 1xyz Display on/off schaltet Anzeige (x), Cursor (y) u. Cursorblinken (z) an/aus,
0001 xy-- Shift Bewegt den Cursor (x) und verschiebt die Anzeige (y)
001x yz-- Interface setzt Datenbreite(x), Zahl der Zeilen (y) und Größe des Zeichens (z)
01xx xxxx setzeBefehlsadr. alle nachfolgenden Daten gelangen in den gesetzten Charakter-RAM
1xxx xxxx setze Datenadr. alle nachfolgenden Daten gelangen in den gesetzten Daten-RAM
xyyy yyyy lese Adr.&Busy setzt das Busy flag (x) und liest den Adreßzähler der Anzeige (x)
2.5.3. Motorsteuerung:
Die Hauptaufgabe besteht natürlich darin, den Hochregalroboter zu steuern. Der Roboter kommuniziert über die Adresse C000h. Ließt der Microcontroller von dieser Adresse , wird der Zustand der Taster übermittelt. Mit einem Schreibbefehl werden die Motoren angesteuert. Es ist möglich, bis zu drei Bitfolgen miteinander zuverknüpfen, um so die Motoren gleichzeitig laufen zu lassen. So können Anfahrtswege mit einen Linienalgorithmus verkürzt werden. Der Breesenham-Algorithmus arbeitet nur mit Integerwerten und ist somit sehr schnell. Es sind keine komplitzierten Realzahlberechnungen notwendig.

Bewegungsrichtung des Roboters horizontal vertikal Greifer
vor 1111 1110=FEh 1111 1011=FBh 1110 1111=EFh
zurück (init) 1111 1100=FCh 1111 0011=F3h 1100 1111=CFh

Taster in Bewegungsrichtung des Roboters Rückgabewert
links FEh

rechts FDh
hoch/vor E7h

runter/zurück EBh

Jeder Motor muß mit einer Linksdrehung initialisiert werden. Es genügt, wenn der Microcontroller ein Byte mit dem Wert 0h zur Motorsteuerung schickt. Die Wartezeit zwischen den Betrieb eines Motors sollte nicht 4,0 ms unterschreiten, da die Motoren bei kürzeren Signalzwischenzeiten nicht die nötige Kraft zum Bewegen des Roboters aufbringen können. Wird ein Taster gedrückt, muß der Motor in dieser Richtung gestoppt werden.
2.5.4. Serielle Schnittstelle zum PC

Der Lagerroboter soll die Möglichkeit besitzen, über einen PC komfortabler gesteuert zu werden, dafür besitzt der Mircocontroller die Möglichkeit über serielle Ports mit anderen Prozessoren in Verbindung zu treten. Auf dieser seriellen Schnittstelle können gleichzeitig Daten versendet und empfangen werden. Damit der Mircocontroller, der über den UART-Standart verfügt, mit einen PC kommunizieren kann, wird der Baustein MAX232 verwendet. Dieser wandelt die Logik von 0V/5V des UART-Standard in den RS-232-Standart mit der Logik von -12V/ +12V um. Der Ein- und Ausgang der seriellen Ports ist gebuffert. Die Empfangs- und Sendebuffer liegen zwar auf der selben Adresse (99h), sind aber physikalisch zwei verschiedene Register. Ein Schreibbefehl auf diese Adresse lenkt die Daten in das Senderegister, ein Lesebefehl holt die Daten aus den Empfangsregister. Der serielle Port kann in vier Modi arbeiten. Sie werden über das SCON-Register gesetzt. Modi 2und 3 sind Multiprozessormodi und spielen in der Verständigung zwischen Prozessoren eine große Rolle, da simultane Datensendung und -empfang möglich ist. Modus 0 schiebt mit konstanten Geschwindigkeit die Bits mit Hilfe eines Schieberegisters über die serielle Schnittstelle, Modi 1 bis 3 arbeitet im üblichen UART/RS232-Format. Dieses Protokall arbeitet mit einem Startbit, acht (Modus 1) oder neun (Modi 2/3) Datenbits und einem oder zwei Stoppbits. Für die Anwendung des Hochregalroboters genügt Modus 1, da nie Daten gleichzeitig gesendet und empfangen werden müssen. Außerdem arbeitet der Modus mit 8-bit Datenbits und die Baudrate ist beliebig, über das TH1-Register, einstellbar. Die Timer werden mit dem Register TMOD gesetzt, um eine konstante Baudrate zu erzeugen.