ROBOprogy - die komplette Steuerung auf einer Platine

ROBOprogy - der Komplettbaustein für programmierbare Steuerungen

Technische Merkmale des ROBOprogy:

Herzstück ist der leistungsstarke Controller Atmel MEGA32, der aber nicht in Assembler programmiert werden muss. Stattdessen wird eine Vielzahl an vor-programmierten Softwarebausteinen mitgeliefert, die mit der leicht erlernbaren Sprache Forth aneinander gefügt werden. Ist die Mechanik des Roboters aufgebaut, können unmittelbar nach dem Anschließen des ROBOprogy erste Fahrversuche absolviert werden. Dazu sind keinerlei Kenntnisse in Assemblersprache erforderlich.

Mit der Sprache Forth ist das Programm auch bei komplexen Aufgaben nur wenige 100 Befehle (=Bytes) lang, etwa um den Faktor zehn kompakter als ein vergleichbares Assemblerprogramm. Forth wird wie ein Text auf dem PC entworfen, geändert und gespeichert. Auf Knopfdruck übersetzt das gratis mitgelieferte Programm den Text in Maschinensprache und überträgt das Ergebnis ohne "Programmierdongle" oder ähnliche Zusatzschaltungen an den ROBOprogy. Dort bleibt es im RAM-Speicher und kann - falls Fehler entdeckt werden - sekundenschnell durch eine verbesserte Variante ersetzt werden. Der Zyklus: Programm anpassen - übertragen - testen - verbessern benötigt meist weniger als eine Minute.

Der Roboter kann selbständig und ohne Verbindung mit dem PC das Spielfeld erkunden - wenn das Programm funktioniert. In der Anfangsphase ist es meist sinnvoll, ein ausreichend langes Verbindungskabel angesteckt zu lassen, damit man die Rückmeldungen vom ROBOprogy an den PC in Echtzeit mitlesen kann. Diese werden vorher an strategisch wichtigen Punkten in das Programm eingefügt, beispielsweise nach Fallunterscheidungen. Die Funktionsprüfung der Sensoren vor dem Start wird ebenfalls vereinfacht. Dieses interaktive Arbeiten führt recht schnell zu einem funktionsfähigen Programm.

Ausgänge des ROBOprogy:

Die Platine besitzt einen Leistungs-IC für zwei Gleichstrommotore (je 0,6 A) mit energiesparender Pulsweitenmodulation. Deren Drehzahl wird durch die sehr wirksame Temporegelung konstant gehalten. Per Befehl wird die gewünschte Drehzahl vorgegeben und auch bei Belastungsänderung beibehalten. Dazu sind keine teuren Drehgeber an den Motoren notwendig, der Motor selbst liefert die Generatorspannung (Diese Regelung kann aber auch per Befehl ausgeschaltet werden).
Durch die konstante Drehzahl kann der Roboter einige Meter wirklich geradeaus fahren, auch bei unterschiedlicher Reibung.
Steigt die Belastung, wird der Motorstrom automatisch erhöht. Bei Überlast (100% Einschaltdauer) wird nach kurzer Zeit intern eine Alarmmeldung erzeugt, auf die das Programm reagieren sollte. Dann kann der Roboter rückwärts fahren und einen Ausweg suchen oder ganz abschalten.
Damit der Roboter mehr kann als nur fahren, besitzt der ROBOprogy neun Impulsausgänge für übliche Servos (Rudermaschinen). Jede einzelne Position wird beim Stoppen des Programms gespeichert und steht beim folgenden Start zur Verfügung. Damit wird vermieden, dass nach jedem Start die Servos zuerst in Neutralstellung laufen, was möglicherweise zu mechanischen Schäden führt.
Für einfache Schaltaufgaben (Relais, Lampen) sind sechs Kleinleistungsausgänge (je 0,5 A max) vorgesehen. Am Ausgang 3OUT ist ein lautstarker Beeper angeschlossen, mit dem man beliebige Tonfrequenzen, aber auch synthetische "Sprache" erzeugen kann.

Digitale Eingänge des ROBOprogy:

Acht digitale Eingänge mit eingebauten pull-up-Widerständen nach +5V erlauben die Abfrage von mechanischen Schaltern oder Phototransistoren. Diese werden zweipolig angeschlossen und liefern ja/nein-Signale.
Soll der zurückgelegte Weg des Roboters genau gemessen werden, müssen die Antriebsräder mit Inkrementalzählern (Rad-Encoder) ausgestattet werden. Da jeder zwei Digitalsignale liefert, sind dafür die Eingänge 1IN/2IN bzw. 3IN/4IN vorgesehen. Die Auswertung ist bereits programmiert, der aktuelle Zählerstand (je ±32767 Schritte) kann durch das Programm jederzeit ausgelesen oder auch auf Null gesetzt werden.
Der Eingang 8IN ist ein "normaler" Digitaleingang, an dem gleichzeitig die angelegte Frequenz gemessen wird. Dieser Frequenzzähler funktioniert bis 600 kHz. Daran können mit preiswerten Sensoren wie TSL235 feinste Helligkeitsunterschiede gemessen werden, da die Ausgangsfrequenz je nach Helligkeit zwischen 1 Hz und 500 kHz schwankt.

Analoge Eingänge des ROBOprogy:

Sechs Eingänge sind als Analog-Digital-Wandler geschaltet, die angelegte Spannungen zwischen 0V und +5V auf 0,4% genau messen (je 255 Stufen). Die Messungen erfolgen einige hundert Mal pro Sekunde.
Die Ergebnisse der beiden Eingänge 1ADC und 2ADC werden auch auf besondere Weise nachbereitet: Die Linearisierungstabellen für die verbreiteten optischen Entfernungsmesser GP2D120 sind einprogrammiert. Damit lassen sich durch zwei Sensoren gemessene Entfernungen von 3 cm bis 30 cm unmittelbar mit der Auflösung von 2 mm abrufen.

Spezielle Softwarefunktionen des ROBOprogy:

Ein "transparentes" Echolot registriert auch Mehrfachechos. Auf diese Weise lassen sich nahe Echos ausblenden. Dazu wird am Ausgang 2OUT ein kurzer Impuls erzeugt und alle Echos, die innerhalb der Messdauer von 7 ms am Eingang 5IN registriert werden, gespeichert. Die Reichweite beträgt etwa 110 cm.
Zwei simultane schmalbandige Amplitudenmessungen auf den wählbaren Frequenzen 10,4 Hz; 20,8 Hz; 62,5 Hz oder 125 Hz. Zweck ist, an die Eingänge 5ADC und 6ADC Fototransistoren anzuschließen und den Roboter auf Grund der Helligkeitsunterschiede so zu steuern, dass vier unterschiedliche Ziele angepeilt werden können. Damit lässt sich auch die Position des Roboters auf dem Spielfeld bestimmen. Es stören weder Sonnenlicht noch Helligkeitsschwankungen von mit 50 Hz betriebenen Lampen. Falls den Eingängen ADC4/5 kein (analoges) Frequenzfilter vorgeschaltet ist, folgt aus dem Abtasttheorem, dass auch bei deutlich höheren Frequenzen "Empfang" möglich ist. Diese liegen entweder bei (125 Hz, 875 Hz, 1125 Hz, 1875 Hz, 2125 Hz, ....) oder bei (62 Hz, 938 Hz, 1063 Hz, 1938 Hz, 2063 Hz, ...) oder bei (21 Hz, 145 Hz, 187 Hz, 312 Hz, 354 Hz, ...) oder bei (10 Hz, 156 Hz, 177 Hz, 323 Hz, 344 Hz, ...)
Über den I2C-Port lassen sich Zusatzbausteine wie Kompass ansprechen.
Sechs unabhängige Zeitgeber von 1 ms bis 25,5 s
Die Software zum Programmieren mit Fuzzy-Logik ist eingebaut.
Manche Programmierfehler sind nicht leicht zu entdecken. Deshalb kann der ROBOprogy während des Betriebes Meldungen an den angeschlossenen PC zurücksenden, beispielsweise den Inhalt von Variablen oder aktuelle Messwerte von Sensoren. Um auf dem Bildschirm eine lesbare Anzeige zu erzeugen und die Daten leichter interpretieren zu können, kann man beliebige Texte mitsenden.

Sonstiges:

Die Batteriespannung kann zwischen 6 V und 20 V gewählt werden. Die interne Stabilisierung auf 5 V reicht aus für Sensoren und ein Servo (max 1 A mit zusätzlichem Kühlkörper)
Der Eigenverbrauch beträgt nur etwa 32 mA. Durch kurzes Betätigen der Start-Stop-Taste wird der Roboter gestartet, bei langem Druck versinkt der ROBOprogy in Tiefschlaf mit nur 1 mA, behält aber das Programm im Speicher. Durch erneuten Druck erwacht er wieder und ist sofort aktiv.
Die Entwicklungsumgebungen Q4d (für COM) und Q4e (für USB) sind gratis.
Eine COM-Schnittstelle für Programm und Daten passt mit Adapter an jeden USB-PORT
Die Abmessungen der Platine betragen 68 mm * 72 mm

...alle Wünsche erfüllt? ...

Wegen der Vielzahl der Ein- und Ausgänge kann man mit dem ROBOprogy sehr unterschiedliche Geräte steuern:

Rund um Roboter:

fahrende Roboter (zwei geregelte Motore)
schreitende Roboter (4 oder 6 Servos)
humanoide Roboter (in Menschengestalt)
Spinnenroboter (8 Servos)
Würmer (mindestens 4 Servos)

Sonstiges:

inverses Pendel (ein Motor, ein Inkremetalgeber)
Flügelschlag-Modell eines Vogels mit 3 Servos
Messgeräte, die Daten aufnehmen, vorverarbeiten und zur Speicherung/Auswertung an einen PC senden.

Worin unterscheidet sich der ROBOprogy von anderen Steuerungen?

Man schließt den PC an, dann Motore und Servos und kann sofort loslegen, sobald der ROBOprogy Strom bekommt. Die sehr zahlreichen eingebauten Programmteile bieten Besonderheiten, die andere Steuerungen nicht bieten:

Die integrierte Regelung der Motore: Da wird nicht - wie bei anderen Steuerungen üblich - der mittlere Motorstrom vorgegeben, sondern die gewünschte Drehzahl. Um diese einzuhalten, wird 40 mal pro Sekunde der Strom kurz abgeschaltet und die Dynamospannung jedes Motors gemessen. Weicht ein Messwert vom Sollwert ab, wird der mittlere Strom sofort angepasst. Wenn Sie erst einmal selbst gefühlt haben, wie beim ROBOprogy die Antriebsmotore ihre vorgegebene Drehzahl trotz Belastungsänderung einhalten, werden Sie begeistert sein. Andere Robotersteuerungen können nur gegen Aufpreis nachgerüstet werden, diese Zusatzelektronik kostet genauso viel wie der ganze ROBOprogy. Noch ein Stromverbraucher, noch eine Platine mit etwa 60 Bauelementen für eine Aufgabe, die im ROBOprogy mit zwei 10k-Widerständen und durchdachter Software erledigt ist.

Die Linearisierungstabelle für den häufig verwendeten SHARP-Entfernungssensor GP2D120 (bis 30 cm) ist im ROBOprogy einprogrammiert. Der ROBOprogy kann diese Tabelle gleichzeitig auf zwei Sensoren an den Analog-Eingängen 1ADC und 2ADC anwenden. Sie programmieren unmittelbar mit Entfernungen und nicht mit Kennzahlen und Tabelle. Die Entfernungen werden in 2 mm-Stufen ausgegeben. Selbstverständlich können Sie auch die Spannung, die der GP2D120 liefert, direkt mit 1ADC abfragen.

Soll der Roboter Baken oder Fußbälle suchen, verwendet man zwei Phototransistoren, deren Helligkeit verglichen wird. Eine kleine Blende zwischen beiden Phototransistoren sorgt für unterschiedliche Helligkeit, wenn der Roboter nicht genau auf die Lichtquelle zufährt. Meist stört das Umgebungslicht und der Roboter sucht die hellste Stelle. Ändert sich die Helligkeit, muss die Empfindlichkeit der Photosensoren nachjustiert werden. Der ROBOprogy besitzt deshalb Programmteile, die mit dem Verfahren der Fourier-Analyse Wechselspannungssignale selektiv auf vier verschiedenen Frequenzen aus störendem Umgebungslicht herausfiltern kann. Diese Frequenzen sind so gewählt, dass andere Beleuchtungen wie Sonne oder 50 Hz-Wechsellicht nicht mehr stören. Der Roboter fährt nicht mehr zur hellsten Stelle der Umgebung, sondern er erkennt sein blinkendes Ziel. Dieses Verfahren funktioniert auch mit Schallquellen und zwei Mikrofonen.

Sind auf dem Spielfeld (Boden-)Marken auf Grund ihrer unterschiedliche Helligkeiten zu suchen, kennt wohl jeder das nervöse Herumschrauben an den Potis, um die Empfindlichkeit der Phototransistoren anzupassen. Der ROBOprogy kann den außerordentlich großen Dynamikbereich (65500 Stufen!) von Helligkeits-Frequenzwandlern (z.B. TSL245) nutzen, um selbstständig geringste Helligkeitsunterschiede festzustellen. Auch bei extrem großen Helligkeitsschwankungen geraten diese Sensoren nicht in den Stättigungsbereich, wo sie nicht mehr reagieren. Das lässt sich mit Phototransistoren und "normalen" 8-Bit-ADC-Wandlern nicht erreichen.

Was ist ein "transparentes" Echolot? Die üblichen Schaltungen messen die Zeitdifferenz vom Aussenden des Ultraschallimpulses bis zum zuerst eintreffenden Echo (das der nächstgelegene Gegenstand erzeugt) und beenden damit die Messung. Der ROBOprogy registriert auch später eintreffende Echos und gibt deren Entfernung an. Dadurch kann das Echolot auch "sehen", ob hinter dem Ball weitere Hindernisse folgen. Oder man kann das erste Echo, das am Roboter selbst entsteht, löschen und erst die folgenden auswerten.

Leider treten häufig Mehrfachreflexionen des Schalls auf, die eine falsche Entfernung vortäuschen. Bei glatten Wänden kann der Schall auch in die falsche Richtung reflektiert werden und beim Roboter kommt kein Echo an. Problematisch wird es, wenn mehrere Roboter Echolote der üblichen Frequenz 40 kHz verwenden und sich gegenseitig stören. In all diesen Fällen bieten sich - wie in der Luftfahrt - Transponder an, die auf einen Abfrageimpuls mit einer speziellen Signalfolge antworten. Wenn man die Richtung und Entfernung zu drei Transpondern kennt, lässt sich ähnlich wie bei GPS die Position im Spielfeld berechnen.

Der Roboter muss eine bestimmte Himmelsrichtung fahren? Dann schließen Sie einen elektronischen Kompass an den I2C-Port an und fragen immer wieder die Richtung ab, in die der Roboter fährt. Und falls Sie mehr Sensoren am Roboter anschließen wollen als dieser Eingänge besitzt? Dafür gibt es unterschiedliche I2C-Porterweiterungen (beispielsweise den PCF8574), die ebenfalls an den I2C-Port angeschlossen werden können.

Sie müssen genau wissen, wie weit der Roboter gefahren ist oder um welchen Winkel er sich gedreht hat? Dann bekommt jedes Antriebsrad eine Inkrementalscheibe (notfalls aus alten Kugel-Mäusen) mit den passenden Photosensoren – alles weitere erledigt der ROBOprogy. Weichen die beiden Zählerstände voneinander ab, verändert ein einfaches Programm die Motorgeschwindigkeiten so, dass der Roboter auch große Entfernungen exakt geradeaus fährt.

Bei humanoiden Robotern (Konstruktionen, die menschenähnliche Gestalt haben) werden die Gelenke mit Servos bewegt. Üblicherweise laufen diese in Mittelposition, wenn das Programm neu geladen und gestartet wird. Nicht so beim ROBOprogy. Die Positionen bleiben auch bei Programmänderungen gespeichert, bis der Strom ganz ausgeschaltet wird. Dieser Kundenwunsch erleichtert das Experimentieren und verhindert, dass es zu Schäden an der Mechanik kommt. Die Position eines Servos bewegt sich zwischen -150% und +150%; die Mittelstellung ist 0%. Hier die Messergebnisse:

Servostellung	Pulsweite in ms
-150%	0.9
-100%	1.1
0% Neutral	1.5
+100%	1.9
+150%	2.1

Ein Prozent Servoweg entspricht somit 4 Mikrosekunden Pulsweite.

Wie arbeitet das Programm im ROBOprogy?

Die so genannte "Firmware" ist etwa 8400 Bytes groß und ständig im MEGA32 gespeichert. Dieses Programm meldet sich sofort nach jedem Einschalten mit einem BRUMM und ist betriebsbereit. Damit spart man die Zeit zum Hochladen nach jedem Batteriewechsel.

Das Anwenderprogramm - also das Programm, mit dem Sie den Roboter aktiv werden lassen – wird in Textform auf dem PC entworfen und gespeichert. Die Programmiersprache heisst Forth, arbeitet mit polnischer Notation und ist leicht erlernbar. Es stehen etwa 240 Befehle zur Verfügung, die nach gewissen Regeln kombiniert werden müssen. Diese Regeln sind in der Befehlsliste ausführlich beschrieben. Nicht dieses Programm kommt ins RAM des MEGA32, sondern eine sehr komprimierte Fassung in Form eines byte-codes, wie er auch in der Programmiersprache java verwendet wird. Die notwendige Übersetzung führt der PC während der Übertragung zum ROBOprogy durch. Wichtig ist, dass dieser komprimierte p-Code sekundenschnell ins RAM kommt und nicht mit einem speziellen und teuren "Programmiermodul" minutenlang ins EEPROM gebrannt wird.

Dieses Anwenderprogramm wird in wenigen Sekunden mit 38400 Baud vom PC zum MEGA32 übertragen. Nebenbei führt der PC noch einige Prüfungen durch. Dieses Verfahren verleitet zwar zum Programmieren nach "Versuch und Irrtum", hat aber den Vorteil, dass man Sekunden nach jeder Programmänderung die Reaktion des Roboter erleben kann. Das schont bei Wettbewerben die Nerven.

Falls der PC über ein ausreichend langes 3-adriges Kabel am Roboter angeschlossen bleibt, kann man in Echtzeit beliebige Daten der Sensoren und Zwischenergebnisse des Programms ( mit Kommentaren! ) am Bildschirm des PC mitlesen (Protokoll). Das ist unvergleichlich informativer als wenige Zeilen auf einem mitfahrenden LCD-Display und erleichtert die Fehlersuche. Man kann am PC-Monitor Schritt für Schritt nachvollziehen, was das Programm wann gemacht hat.

Jeder Programmierer macht Fehler. Das Protokoll erleichtert deren Suche und Beseitigung. Auch bei komplizierten und verschachtelten Fallunterscheidungen lässt sich durch angezeigte Texte auf dem ROBOprogy nachvollziehen, welche Einzelaufgaben das Programm nacheinander durchlaufen hat, welche Sensordaten eingetroffen sind und an welcher Stelle eine unerwartete Entscheidung getroffen wurde.

Was versteht man unter Multiprogramming?

Eines ist klar: Jeder Prozessor - auch ein Pentium - kann nur ein Programm Schritt für Schritt abarbeiten. Um aber scheinbar mehrere (unabhängige) Aufgaben (=tasks) fast gleichzeitig zu erledigen, wurde bereits im letzten Jahrtausend das Zeitscheiben-Verfahren erfunden. Jede Aufgabe erhält eine kurze Rechenzeit von beispielweise 0,5 Millisekunden, dann kommt die nächste dran. Weil das etwa 1000-mal schneller ist als ein Mensch, verkaufen manche Leute das als "Multiprogramming". Wenn eine Zeitscheibe zehn Minten dauern würde, wäre klar erkennbar, dass immer nur ein Programm dran ist. Die einzelnen Programme können Daten über gemeinsam genutzte Variableninhalte austauschen.

Feste Zeitscheiben sind oft Zeitverschwendung: Manche Aufgaben warten nur auf einen Sensorberührung, um dann erst loszulegen. Diese Programmteile wären bereits mit 0,005 Millisekunden zufrieden und müssen nur selten drankommen. Andere Programmteile müssen so oft drankommen, wie möglich und dürfen nur kurzzeitig unterbrochen werden. Im ROBOprogy sind geeignete Befehle vorgesehen, ihre Anwendung wird in den Beispielen erklärt. Jede Aufgabe nimmt sich nur so viel Zeit, wie benötigt und endet dann. Falls Ihnen dieses Programmierverfahren noch nicht geläufig ist, finden Sie ein Beispiel in der Befehlsliste unter der Überschrift "Programmierte Sprünge (Sprungverteiler)".

Die gesamte Software für den ROBOprogy ist gesplittet:

Der größte Teil (etwa 500.000 Bytes) bleibt im PC: Eingeben des Programms, Editieren, Speichern, Übersetzen von Forth zu P-Code, Stackkontrolle, Syntaxprüfung und übertragen zum ROBOprogy. Diese Programme (Alle getestet auf Windows 98 / Win 2000 / Win-XP / Vista) können gratis hier herunter geladen werden: Q4e oder Q4d. Für die besonders Neugierigen sind auch die Quellcodes enthalten. Darin kann man sich ein Bild machen, wie die Sprache "Forth" funktioniert, wie das Programm für den Roboter analysiert und in Befehle für den ROBOprogy umgewandelt wird. Man kann auch detailliert nachlesen, welche Zeichen der PC mit dem ROBOprogy austauscht.

Ein erheblich kleinerer Teil (etwa 8400 Bytes) heißt Firmware (eine Sammlung immer wieder verwendeter Programmblöcke und die aufwendige Interruptsteuerung und die Drehzahlregelung für die Motore) und ist dauerhaft im MEGA32 "eingebrannt". Dieser Teil wird durch immer weitere Programmblöcke ergänzt und kann hier günstig gekauft werden. Für eigenen Experimente wird auch ein Teil des Assemblerprogramms veröffentlicht, damit man sich ein Bild machen kann, was im MEGA32 so vor sich geht. Allerdings wurden einige kompliziertere Passagen entfernt - ein kleines Geheimnis soll erhalten bleiben. Um am Assemblerprogramm eigene Versuche vornehmen zu können, benötigen Sie noch den Assembler "Studio4", den ATMEL gratis anbietet.

Der kleinste Teil (etwa 1000 Bytes), der Extrakt Ihres Roboterprogramms, kommt in den RAM-Speicher des MEGA32. Auf diese Weise sind Sie von umfangreichen Entwurf der notwendigen Hilfsprogramme befreit.

Weitere Software und Programmbeispiele entnehmen sie bitte der linken Spalte dieser Internetseite.

Wieso wird ausgerechnet der Atmel MEGA32 für den ROBOprogy verwendet?

Weil dieser Prozessor ein außerordentlich umfangreiches Sortiment an Standard- und Spezialeingängen aufweist, die ganz vorzüglich für Robotersteuerungen geeignet sind. Bei anderen Fabrikaten muss man vieles extern dazukaufen. Das verteuert und vergrößert den Hardwareaufwand.

Der eingebaute RAM-Speicher von 2000 Byte reicht für die überwiegende Anzahl von Roboterprogrammen locker aus. Grund dafür ist der sehr kompakte Extrakt von Forth, der vom PC an den MEGA32 übermittelt wird. Grobe Faustregel: Ein Befehl = ein Programmbyte. Ein typisches Roboterprogramm besteht aus etwa 1000 Befehlen, eine Verwendung als automatisiertes Messgerät (PLEX) benötigt genau 91 Bytes. Den aktuellen Stand kann man mit dem Befehl RAM erfahren.

Für die vielen intern zu erledigenden Nebenaufgaben (Interruptsteuerung und Fourieranalyse) muss ein Prozessor verwendet werden, der möglichst wenig Zeit vergeudet mit dem Speichern der Registerinhalte auf dem Stack. Es wurden viele Prozessoren getestet - der MEGA32 ist mit seiner RISC-Architektur etwa um den Faktor 20 schneller als die Konkurrenz.

Als typisches Beispiel sei der 68HC11 von Motorola genannt, der auf dem "Handyboard“ des MIT eingesetzt wird: Sein RAM-Speicher wurde extern von 512 Byte auf 32768 Byte erweitert, wodurch genügend Platz vorhanden ist für ein austauschbares Betriebsprogramm, ähnlich wie beim LEGO-RCX. Das mitgelieferte Programm „Interactive C“ wurde durch eine an diesen Prozessor angepasste Version von Forth/P-Code ersetzt, um die gleichen Forth-Programme auf dem Handyboard und auf dem ROBOprogy laufen zu lassen und die Arbeitsgeschwindigkeit zu vergleichen. Der Unterschied ist frappierend, wie folgende Tabelle zeigt:

	Mittlerer Zeitbedarf pro P-Code-Befehl	Höchste programmierbare Frequenz in Forth	Zeitbedarf des regelmäßigen Interrupt-Programms 1 kHz
ROBOprogy MEGA32	1,8 µs	180 kHz	15 µs (985 µs für Forth)
Handyboard 68HC11	41 µs	12 kHz	200 µs (800 µs für Forth)

Ursache sind – bei gleicher Taktfrequenz – die zu speziellen Befehle des 68HC11, der Mangel an universell verwendbaren Registern im Prozessorkern und die eingebaute Automatik, dass alle diese Register vor jedem Interrupt auf dem Stack gespeichert und nachher wieder von dort geholt werden müssen. Bei den vielen Interrupts eines voll ausgebauten Programms kostet das Zeit! Der ATMEL MEGA32 besitzt erheblich mehr Register - 32 Stück! Davon muss aber nur ein einziges gespeichert werden. Die entsprechenden Details können den Datenblättern der Hersteller entnommen werden.

Wie und wo kann man Forth lernen?

Vorzugsweise durch eigenes, interaktives Probieren mit dem ROBOprogy. Sie kaufen sich (mindestens) einen ROBOprogy und lernen Forth spielend. Man schließt einen Motor an und macht die ersten Laufversuche. Mit zwei Motoren - einer links, der andere rechts - und dem Befehl

15 MMGO

fährt das Ding, ohne im Handbuch blättern zu müssen. Die Logik dahinter heißt "polnische Notation": Zuerst wird die Zahl 15 auf dem Stack gespeichert, weil es kein Befehl ist. Die Folge MMGO wird beim Durchforsten der Befehlsliste gefunden und deshalb werden die dazugehörigen (etwa 30) Assemblerbefehl ausgeführt. Diese lauten: Hole den obersten Wert vom Stack und prüfe, ob positiv oder negativ. Versorge den L293D mit den erforderlichen Richtungsinformationen, bilde dann den Betrag der Zahl, multipliziere sie mit einem gewissen Faktor und sende sie zu den PWM-Registern. Schalte diese auf Dauerbetrieb. Schalte in regelmäßigen Abständen PWM kurz aus und messe die vom Motor erzeugte Generatorspannung. Weicht diese vom Sollwert ab, korrigiere den Inhalt der Register um 10%. Schalte dann PWM wieder ein. Bleibt die Abweichung, korrigiere beim nächsten Mal um 40%. Es gibt noch mehr Details zu beachten.

Falls sie an solchen Details nicht interessiert sind, sondern "nur" den Roboter zum Laufen bringen wollen, wird sie ein ROBOprogy schneller ans Ziel bringen als ein MEGA32 und eine Bedienungsanleitung für einen Assembler.

Als nächstes schließt man Servos an und lässt diese im Gleich- oder Gegentakt winken:

-50 1SERVO 30 2SERVO

Die weiteren Befehle probiert man schrittweise aus und fasst diese dann in einem ersten Programm zusammen.

Die gesamte Software des ROBOprogy (Editor, Compiler von Forth zu P-Code, Datenübertragung vom PC zum ROBOprogy) wurde mit WIN32FOR (Version 4.2) geschrieben. Dieses Programm ist Freeware und kann in der hier kostenlos geladen werden: Q4d (für COM1 und COM2) und Q4e (für USB mit Adapter). Beide Versionen funktionieren nur in Verbindung mit dem ROBOprogy, da dieser angeschlossen sein muss, um die Befehle in Echtzeit auszuführen und das Ergebnis an den PC zurück zu senden. Da wird nix im PC simuliert!

Die Sammlung von Programmbeispielen wird ständig ergänzt.

Wer lieber „trocken“ schwimmen lernen will, kann auch Forth ohne ROBOprogy lernen - das sind aber vorwiegend mathematische Aufgaben, bei denen sich kein Roboter bewegt. Die überwiegende Literatur ist in Englisch erschienen, im Internet findet jede Suchmaschine geeignetes Material. Sehr gute Programme von Tom Zimmer gibt es als Freeware in der Version W32for42. Mitgeliefert werden source-code, ausführliche Dokumentationen und Beispiele, da kann man richtig noch etwas lernen:-) Damit hat hier das gesamte Projekt ROBOprogy begonnen. Um eine Infizierung dieser EXE-Dateien durch Viren zu vermeiden, wurde jeweils von der Endung .exe der letzte Buchstabe geloescht. Damit diese Programme lauffähig werden, müssen Sie dieses "e" wieder ergänzen (rename).

Wenn Sie Fragen, Anregungen oder andere gute Ideen haben, bin ich für jede Rückmeldung dankbar. Haben sie Fehler entdeckt oder Verbesserungswünsche? email genügt...

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10.09.2009 Herbert Weidner