Ansteuerung externer Hardware über den Parallelport

Über eine 25-polige Sub-D-Buchse und ein entsprechendes Kabel wird die Verbindung zum Parallelport des Rechners hergestellt. Als Ausgangsleitungen werden die Datenleitungen D₀ bis D₇ (vgl. 2.) verwendet.

Bei Ausgabe einer "1" leuchtet die zugehörige Diode. Wenn man die Farben der LEDs geeignet wählt, lassen sich auf einfache Weise verschiedenartige Ampelsteuerungen realisieren (vgl. 5.).

Die Eingabeleitungen E₁ bis E₄ werden mit Hilfe des Strobesignals auf "1" gesetzt. Beim Einlesevorgang werden eine bis vier dieser Leitungen über einen hinreichend niederohmigen Widerstand (es reicht das Durchschalten der C-E-Strecke eines Transistors oder das Beleuchten eines lichtempfindlichen Widerstandes) mit Masse verbunden; das zugehörige Bit nimmt dann den Wert "0" an. Zur Herstellung der Schaltverbindungen dienen 4-mm-Buchsen.

Wenn man leistungsstärkere Verbraucher wie z.B. die Spulen von Schrittmotoren ansteuern will, so muß man die Ausgangssignale zur Ansteuerung von Transistoren nutzen, die genügend hohe Ströme schalten können. Dann benötigt man aber auch eine zusätzliche Spannungsquelle, deren Minuspol mit der Rechnermasse zu verbinden ist.
 
 
 

a) Ausgabebefehl

        OUT 888, A

Hierbei ist A eine dezimale Ganzzahl zwischen 0 und 255; in binärer Darstellung hat A demnach 8 Stellen. Es sind diejenigen Datenleitungen auf 5 V gelegt (die zugehörige Leuchtdiode leuchtet also), deren zugehörige Binärstelle eine "1" aufweist, z.B. leuchten bei A = 131 = (128 + 2 +1) nur die Dioden an D₀ , D₁ , D₇ (vgl. Abschnitt 1, Abb. 1).
 

b) Einlesebefehl

Da die Bits 3 bis 7 des Statusregisters aufgrund der Interfaceschaltung auf "1" gesetzt sind, ist der Registerinhalt nach Start des Rechners davon abhängig, ob die Bits 0 bis 2 intern gesetzt sind oder nicht. Um ein eindeutiges Ergebnis beim Auslesen zu erhalten, ist es sinnvoll, diese Bits zu maskieren. Das kann z.B. auf folgende Weise geschehen:

        A =(120 - (INP(889) AND 120)) / 8 (*)

Die Variable A nimmt einen Wert an, der durch den Zustand der Steuerleitungen (vgl. Abschnitt 2) gegeben ist:

        A = (120 - (x * 2^6 + x * 2^5 + x * 24 + x * 2^3)) / 8 ;

dabei gilt x = 0, wenn die zugehörige Leitung mit Masse verbunden, ein Schalter z.B. also geschlossen ist, bzw. x = 1, wenn die zugehörige Leitung auf 5 V bleibt, ein Schalter z.B. also geöffnet ist.
Durch die Subtraktion von 120 und die anschließende Division durch 8 bekommt die Variable A genau den Wert, der dem Index bzw. der Summe der Indices derjenigen Eingangsleitungen entspricht, die mit Masse verbunden sind: die zugehörigen Schalter sind geschlossen.
 

Das folgende Beispiel dient zur Erläuterung der Funktionsweise:

Man schließt den Kollektor eines Transistors an die Steuerleitung "Select" (13) und einen Schalter an die Steuerleitung "Error" (15) an; der Emitter bzw. der zweite Anschluß des Schalters sind mit Masse verbunden. Die möglichen Ergebnisse des Befehls (*) finden sich in der nachstehenden Tabelle:
 
 

Im Unterschied zu Interface 1 steuern in dieser Version die vier Datenleitungen (D₀ bis D₃) Leistungsoperationsverstärker, deren Ausgänge auf den Pluspol einer Fremdquelle (zugehöriges Bit hat den Wert 1) bzw. auf Masse (zugehöriges Bit hat den Wert 0) gezogen werden.

Der Spannungsteiler am Eingang sorgt dafür, daß der OPV für Fremdspannungen bis 18 V sauber schaltet.

Die vier nicht verwendeten Ausgabeleitungen (D₄ bis D₇) können natürlich bei Bedarf zusätzlich verwendet werden, z.B. um einen Schalttransistor anzusteuern. Zu diesem Zweck wird die Basis des Transistors über einen Vorwiderstand mit der gewählten Datenleitung verbunden, der Emitter liegt an Masse und am Kollektor wird die zu schaltende Last angeschlossen.

In der Abb. 2 ist die Schaltung nur für eine der vier Ausgabeleitungen dargestellt, die drei nicht gezeichneten sind völlig identisch. Die Schaltung der Eingabeleitungen entspricht derjenigen für das Interface 1 (vgl. Abschnitt 1, Abb. 1).

Die Ein- bzw. Ausgaberoutinen entsprechen den für das Interface 1 erläuterten (vgl. Abschnitt 3).
 
 

a) Einführende Versuche mit Interface 1

    Ÿ Lauflicht: Man läßt die Zahlen 20, 21, ... , 27 in einer Schleife ausgeben. Als Variante kann man die Reihenfolge
       durch eine Zufallszahl steuern lassen.
    Ÿ Ampel: Kreuzung zweier Straßen, Straße mit Fußgängerüberweg ohne Anforderung, Blinkampel für verkehrsarme
       Zeiten (als Umschalter kann z.B. ein Fotowiderstand an einem der Eingänge dienen), Fußgängerüberweg mit
      Anforderung (Taster an einem oder zwei der Eingänge, Verzögerung der Auslösung durch Programmierung einer
     Warteschleife), Hauptstraße / Nebenstraße mit Anforderungskontakt (Reedschalter an einem der Eingänge)

b) Weitere Versuche mit Interface 1

    Ÿ Windrichtungsanzeige: Ausgewertet wird das Signal einer Gruppe von 3 Reflexlichtschranken, die relativ zu einer
       Winkelcodierscheibe rotieren.
    Ÿ Strichcodeleser: Ausgewertet wird das Signal eines über eine Strichcodemarkierung geführten Lesekopfes
       (Reflexlichtschranke).
    Ÿ Matrixanzeige: 35 Leuchtdioden werden in einer 7 x 5 Matrix angeordnet. Zur Auswahl von einer der 7 Zeilen
       benötigt man 3 Bit, die restlichen 5 Bit dienen zur Ansteuerung der 5 in einer Zeile befindlichen Dioden. Indem man
       die Zeilen mittels einer Programmschleife ständig nacheinander ansteuert, leuchtet das gewünschte Muster der Anzeige
       auf. Eine Ansteuerschaltung für die Diodenmatrix findet man im Heft "Prozeßdatenverarbeitung".
    Ÿ Schrittmotor: Die Ansteuerung von Schrittmotoren läßt sich auf verschiedeneWeisen realisieren: 4 Bit steuern jede
       Spule einzeln, man verwendet eine Ansteuerschaltung, die ein Taktsignal und ein Steuersignal für Rechts- bzw.
       Linksdrehung erfordert.

c) Versuche mit Interface 2
    Ÿ Schrittmotormodell: 4 gleiche Spulen sind jeweils um 90° versetzt angeordnet; als Rotor dient eine Magnetnadel. In
       der bipolaren Anordnung werden je zwei Spulen (die sich gegenüberstehen) in Reihe geschaltet und mit den
       Ausgangsleitungen D₀ / D₁ bzw. D₂ / D₃ verbunden. Mit dieser Anordnung lassen sich Voll- und Halbschrittbetrieb
       nachvollziehen.
    Ÿ Aufzugmodell: Eine seilgeführte Blende wird durch einen Getriebemotor nach oben bzw. unten bewegt. Dabei
       passiert sie 3 Lichtschranken (K ,E ,I) ; zusätzlich ist noch ein Taster vorhanden. Diese Bauteile werden mit den 4
       Eingangsleitungen verbunden; der Motor wird z.B. zwischen D₀ / D₁ angeschlossen.
    Ÿ D-/A-Wandler: Die 4 Ausgänge D₀ bis D₃ werden an ein Netzwerk aus entsprechend bemessenen Widerständen
       angeschlossen. Damit läßt sich das Prinzip der gewichteten Ströme demonstrieren.
    Ÿ A-/D-Wandler: Das beschriebene D-/A-Wandler-Modell läßt sich zu einem Modellversuch für die A-/D-Wandlung
       ausbauen, wenn man als Vergleicher einen Operationsverstärker nimmt, dessen Ausgangssignal über eine der
       Eingangsleitungen in den Rechner eingelesen wird.
    Ÿ Servomotor: Das D-/A-Wandler-Modell gibt in diesem Fall dazu eine Spannung vor, die zu einer bestimmten
       Motorstellung führt. Der Spannungsvergleich wird wieder mit einem Operationsverstärker durchgeführt.
 

a) Lauflicht

    Programm: Schaltung und Bemerkungen

    CLS               Interface1 ohne weitere Schaltung,
    FOR I = 0 TO 7     auch zum Testen geeignet
        OUT 888, 2^I
        SLEEP 3        Die 8 LEDs leuchten nacheinander
    NEXT I            für jeweils ca. 3 Sekunden.
    END

b) Fußgängerüberwegampel mit Anforderungskontakt

    Programm: Schaltung und Bemerkungen

    CLS: A=0                      Interface 1
    DO                            Bitbelegung:
        WHILE A<>1                D₀ bis D₂ : Autofahrer rot - gelb - grün
            GOSUB Einlesen        D₃ und D₅ : Fußgänger rot - grün
        WEND                      E₁: Tasterverbindung zur Masse (Schließer)
        OUT 888, 12 : SLEEP  4
        OUT 888, 10 : SLEEP  2
        OUT 888,  9 : SLEEP  2
        OUT 888, 33 : SLEEP 10    Das Programm läuft endlos, bis es mit
        OUT 888,  9 : SLEEP  2    STRG + PAUSE abgebrochen wird
        OUT 888, 11 : SLEEP  2
        OUT 888, 12 : SLEEP  4
        OUT 888,  8 : SLEEP  6
        A=0
    LOOP
    END

    Einlesen:
        A = (120 -(INP(889) AND 120)) / 8
    RETURN
 

c) Schrittmotor (bipolar)

    Programm: Schaltung und Bemerkungen

        Unterprogramm für Links- Interface 2; Versorgungsspannung ca. 12 V; Drehung: (*)
        die 2 Spulenpaare werden mit den Ausgängen der Operationsverstärker verbunden:
        Links: Spulenpaar 1 mit A₀ / A₁

    OUT 888, 1    Spulenpaar 2 mit A₂ / A₃
    GOSUB Warten (**)
    OUT 888, 4    (*) : Die tatsächliche Drehrichtung hängt
    GOSUB         Warten natürlich vom Aufbau ab.
    OUT 888, 2
    GOSUB Warten  (**) : In diesem Unterprogramm muß eine dem
    OUT 888, 8    jeweiligen Aufbau und Rechner
    GOSUB Warten  entsprechende Zeitverzögerung
    RETURN        programmiert werden

d) Steuerung des Aufzugmodells (vgl. S. 6)

    Programm: Schaltung und Bemerkungen

    CLS: A=0 : OUT 888,0                    Interface 2
    Anfang:                                 Der Getriebemotor ist mit den Ausgängen
    WHILE A <> 3                            der Operationsverstärker 1 und 2 verbunden,
        GOSUB Einlesen                      und zwar z.B. so, daß das Setzen von Bit 0 zur
        OUT 888,1                           Aufwärts-, das Setzen von Bit 1 zur Abwärts-
    WEND bewegung der Blende führt.
    PRINT " Aufzug im 1. Stock"              (Wenn beide Bit den gleichen Wert haben, bleibt
    OUT 888, 0                               der Motor stehen.) Die Versorgungsspannung
    SLEEP 5                                  ist auf den Motor abzustimmen.
    WHILE A <> 5                             Die Eingangsleitungen E₁ (unten, K),
        OUT 888, 2                           E₂ (Mitte, E) und E₃ (oben, I) werden durch
        GOSUB Einlesen                       Lichtschranken beeinflußt, die durch die Blende
    WEND                                     unterbrochen werden.
    OUT 888, 0
    PRINT "Aufzug im Erdgeschoß"             Für die Logik ist zu beachten, daß ein beleuch-
    SLEEP 5                                  teter LDR das zugehörige Bit auf "0" setzt, ein nicht beleuchteter LDR
                                             das zugehörige Bit auf
    WHILE A<> 6                              "1" läßt. Daraus folgt, daß die verdunkelten
        OUT 888, 2                           Lichtschranken an den Werten 3 (oben),
        GOSUB Einlesen                       5 (Mitte) und 6 (unten) zu erkennen sind.
    WEND                                     Falls alle Lichtschranken frei sind, wird die
    OUT 888, 0                               Zahl 7 eingelesen.
    PRINT "Aufzug im Keller"
    SLEEP 5
    WHILE A <> 5
        OUT 888,1                            Umkehr der Drehrichtung des Motors
        GOSUB Einlesen
    WEND                                     Das Programm läuft endlos, bis
    OUT 888, 0                               es mit STRG + PAUSE abgebrochen wird.
    PRINT "Erdgeschoß"
    SLEEP 5                                  Die Blende fährt zunächst bis zur oberen Licht-
                                                                                                                schranke, bleibt dort ca. 5 Sekunden, fährt dann
    GOTO Anfang                              abwärts bis zur mittleren Lichtschranke, bleibt
    END                                      dort ca. 5 Sekunden, fährt dann abwärts bis zur
                                             unteren Lichtschranke, bleibt dort ca. 5 Sekun- -
    Einlesen:                                den, fährt dann aufwärts bis zur mittleren
        A = (120 -(INP(889) AND 120)) / 8    Lichtschranke usw. Der erreichte Ort wird
    RETURN                                   jeweils auf dem Bildschirm ausgegeben.

Literatur:

    [1] H.Schmidt / W. Weber, Messen und Experimentieren mit dem PC, Dümmler 4236,
    Reihe Computerpraxis Physik, Bonn 1993

    [2] Deutsches Institut für Fernstudien (DIFF), Computer im Physikunterricht,
    Studienbrief 3A: Ankopplung des Computers an Realexperimente, Tübingen 1990

    [3] Prozeßdatenverarbeitung in der Reihe Informatik 9/10, LSW