Übungsaufgaben zum I²C-Bus: Adressen, Peripheriebausteine und Oszillogramme

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Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „I²C-Bus: Adressen,
Peripheriebausteine und Oszillogramme“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/i2c-bus
- https://oer-informatik.de/zahlensysteme-codes
- https://oer-informatik.de/mcu-aufbau
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/i2c-bus-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- I²C
- I²C-Adresse
- Portexpander
- Temperatursensor
- D/A-Umsetzer
- Oszilloskop
- Mikrocontroller

Kompetenzstufe: Kernkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Geg.: I²C-Bus mit 4,7-kΩ-Pull-ups an 3,3 V; EEPROM 0x50, Uhr 0x68, Sensoren TSX-30 (Bitbild 1 0 1 1 0 A1 A0, Schalter mit 10-kΩ-Pull-up, geschlossen = GND), Sensor 1: S1 und S2 zu, Sensor 2: S1 zu, S2 offen

Ges.: Eigenschaften des I²C-Busses

Je Merkmal 1 Punkt (vier von fünf genügen):

• Leitungen: serieller, synchroner Bus mit der Datenleitung SDA und der Taktleitung SCL, dazu gemeinsame Masse.
• Rollen: Der Mikrocontroller ist Controller (Master): Er erzeugt den Takt und beginnt jede Übertragung. Sensoren, EEPROM und Uhr sind Targets (Slaves) und antworten nur, wenn sie über ihre Adresse angesprochen werden.
• Ruhepegel: Beide Leitungen sind HIGH, weil die Ausgänge Open-Drain sind und die Pull-up-Widerstände die Leitungen hochziehen.
• Start: SDA fällt auf LOW, während SCL HIGH ist; danach folgt das Adressbyte.
• Quittierung: Nach jedem Byte zieht der Empfänger SDA im neunten Takt auf LOW (ACK); bleibt SDA HIGH, ist das ein NACK.

Ges.: 7-Bit-Adresse, Schreib- und Leseadresse von Sensor 2

S1 geschlossen → A1 = 0, S2 offen → Pull-up → A0 = 1 (1 Punkt):

Adresse \underline{\underline{0\mathrm{x}59}}, Schreibadresse \underline{\underline{0\mathrm{xB}2}}, Leseadresse \underline{\underline{0\mathrm{xB}3}} (2 Punkte). Sensor 1 hat entsprechend 0x58.

Ges.: Zahl der unabhängig betreibbaren TSX-30

Zwei variable Adressbits ergeben 2^2 = \underline{\underline{4}} Adressen (0x58 bis 0x5B) (1 Punkt). Keiner der übrigen Teilnehmer (0x50, 0x68) liegt in diesem Bereich, also können vier TSX-30 betrieben werden (1 Punkt).

Ges.: Bestückung für sechs Sensoren mit Adressen und Schalterstellungen

Mit TSX-30 allein sind nur vier Sensoren möglich (1 Punkt). Die Variante TSX-30B belegt 0x50 bis 0x53; 0x50 ist schon vom EEPROM belegt, frei sind 0x51 bis 0x53 (2 Punkte). Damit passen 4 + 3 = 7 Sensoren auf den Bus; sechs sind \underline{\underline{\text{möglich}}}. Vorschlag (2 Punkte):

Ein TSX-30B mit beiden Schaltern geschlossen (0x50) ist nicht zulässig. Im Programm müssen die neuen Adressen eingetragen werden; Register und Datenformat bleiben gleich.

Ges.: Einfügen eines weiteren Sensors in den Stromlaufplan

Je Stichpunkt 1 Punkt:

• VDD an 3,3 V und GND an Masse, dazu ein 100-nF-Abblockkondensator nahe am Sensor.
• SDA und SCL parallel an die vorhandenen Busleitungen (SDA an SDA, SCL an SCL); keine zusätzlichen Busleitungen und keine weiteren Pull-ups an SDA und SCL, die 4,7-kΩ-Widerstände gelten für den ganzen Bus.
• A1 und A0 über einen eigenen DIP-Schalter mit 10-kΩ-Pull-ups auf eine freie Adresse einstellen; ALERT bei Bedarf an einen Eingang des Mikrocontrollers (Open-Drain, mit Pull-up).

Geg.: Sensor 1: 0x04 0x40; Sensor 2: 0xFE 0x80; 12 Bit Zweierkomplement, 0,0625 °C je Stufe; Grenzwert 8 °C

Ges.: Temperaturen \vartheta_1, \vartheta_2; Bytes für den Grenzwert

\begin{aligned} &\text{(I)} && \vartheta = N \cdot 0{,}0625\ ^\circ\mathrm{C} \end{aligned}

Sensor 1: 0\mathrm{x}0440, obere 12 Bit 0\mathrm{x}044 = 68 (1 Punkt):

\vartheta_1 = 68 \cdot 0{,}0625\ ^\circ\mathrm{C} = \underline{\underline{4{,}25\ ^\circ\mathrm{C}}}

Sensor 2: 0\mathrm{xFE}80, obere 12 Bit 0\mathrm{xFE}8 = 4072; das oberste Bit ist 1, also negativ: N = 4072 - 4096 = -24 (1 Punkt):

\vartheta_2 = -24 \cdot 0{,}0625\ ^\circ\mathrm{C} = \underline{\underline{-1{,}50\ ^\circ\mathrm{C}}}

Grenzwert: I nach N umstellen (2 Punkte):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} \vartheta & = & N \cdot 0{,}0625\ ^\circ\mathrm{C} & \color{gray}{: 0{,}0625\ ^\circ\mathrm{C}} \\ N & = & \dfrac{8\ ^\circ\mathrm{C}}{0{,}0625\ ^\circ\mathrm{C}} = 128 = 0\mathrm{x}080 & \end{array}

Linksbündig in zwei Byte: 0\mathrm{x}080 um vier Bit nach links ergibt 0\mathrm{x}0800, also die Bytes \underline{\underline{0\mathrm{x}08\ \text{und}\ 0\mathrm{x}00}}.

Geg.: MCP23008, Anschlüsse SCL und SDA, Bitbild 0 1 0 0 A2 A1 A0, A2 = GND, A1 = A0 = VDD; LEDs high-aktiv; Register IODIR 0x00, GPIO 0x09, OLAT 0x0A

Ges.: Schnittstelle, Schreibadresse

Der Baustein hat die Anschlüsse SCL und SDA (Takt- und Datenleitung) und Adresspins, aber keine CS-Leitung: Er ist über \underline{\underline{\text{I}^2\text{C}}} angebunden (1 Punkt).

Adresse 0100\ 011_2 = 0\mathrm{x}23, Schreibadresse mit R/W = 0: 0100\ 0110_2 = \underline{\underline{0\mathrm{x}46}} (2 Punkte).

Ges.: Bedeutung der Bytes

Je Zeile 0,5 Punkte:

Die beiden Bytefolgen sind zwei getrennte Übertragungen mit je eigener Start- und Stoppbedingung (1 Punkt).

Ges.: leuchtende LEDs nach 0xA6

0\mathrm{xA}6 = 1010\ 0110_2, Bit 7 gehört zu GP7 (1 Punkt). Die LEDs sind high-aktiv; es leuchten die LEDs an \underline{\underline{\text{GP7, GP5, GP2 und GP1}}} (1 Punkt).

Ges.: Aktivitäten auf dem Bus während der zweiten Bytefolge

Reihenfolge 1 Punkt, Zuordnung 2 Punkte:

1. Mikrocontroller: Startbedingung (SDA fällt bei SCL HIGH).
2. Mikrocontroller: Adressbyte 0x46 (Adresse 0x23 + W), Takt auf SCL.
3. MCP23008: ACK.
4. Mikrocontroller: Registeradresse 0x0A.
5. MCP23008: ACK.
6. Mikrocontroller: Datenbyte 0xA6.
7. MCP23008: ACK; die Ausgänge übernehmen den Wert.
8. Mikrocontroller: Stoppbedingung (SDA steigt bei SCL HIGH).

Ges.: Datenbyte für GP0, GP3, GP4

0001\ 1001_2 = \underline{\underline{0\mathrm{x}19}} (1 Punkt).

Ges.: Austauschbarkeit gegen MCP23S08 und PCF8574

MCP23S08 (2 Punkte): gleiche Funktion und gleiche Register, aber SPI statt I²C. Hardware: Anschlüsse SCK, SI, SO und CS statt SCL und SDA, andere Pinbelegung – die Platine muss geändert und eine CS-Leitung am Mikrocontroller vorgesehen werden. Software: Ansteuerung über die SPI-Bibliothek, Registeradressen bleiben. \underline{\underline{\text{Nicht direkt austauschbar}}}.

PCF8574 (3 Punkte): Software: Gleiches Bitbild 0 1 0 0 A2 A1 A0, die Adresse 0x23 bleibt. Der Baustein hat aber keine Register: Statt Registeradresse und Daten wird nur ein Datenbyte gesendet. Hardware: andere Pinbelegung (16 statt 18 Pins), und die Ausgänge sind quasi-bidirektional: Bei 1 liefern sie nur etwa 0,1 mA, die high-aktiven LEDs würden nicht leuchten. Die LEDs müssten gegen VDD geschaltet (low-aktiv) und die Datenbytes invertiert werden. \underline{\underline{\text{Nur mit geänderter Platine und Software}}}.

Geg.: MCP4725, U_\mathrm{DD} = 5{,}00\ \mathrm{V}, Bitbild 1 1 0 0 A2 A1 A0 mit A2 = A1 = 0; Oszillogramm 2 V/div, 10 µs/div

Ges.: Einstellung des Oszilloskops

Je Stichpunkt 1 Punkt:

• Anschluss: Kanal 1 an SCL, Kanal 2 an SDA, Masse beider Tastköpfe an GND; DC-Kopplung, 2 V/div.
• Zeitbasis: 10 µs/div, damit Start und neun Takte (90 µs bei 100 kHz) auf den Schirm passen.
• Trigger: Quelle Kanal 1, fallende Flanke, Pegel etwa 2,5 V, Modus „Single“ (oder „Normal“), Triggerpunkt etwas nach rechts versetzt, damit die Startbedingung sichtbar ist.

Ges.: Adresse, R/W-Bit, Quittung, Adressbyte

Bei jedem SCL-HIGH den SDA-Pegel ablesen (2 Punkte): 1\,1\,0\,0\,0\,0\,1, dann 0, dann 0.

• 7-Bit-Adresse 1100\ 001_2 = \underline{\underline{0\mathrm{x}61}}
• R/W-Bit 0: \underline{\underline{\text{Schreiben}}}
• 9. Takt SDA LOW: \underline{\underline{\text{ACK}}}, der Baustein hat geantwortet
• Adressbyte 1100\ 0010_2 = \underline{\underline{0\mathrm{xC}2}}

(2 Punkte)

Ges.: Beschaltung von A0

Das niederwertigste Adressbit ist 1, also liegt A0 \underline{\underline{\text{an VDD}}} (1 Punkt).

Geg.: Datenbytes 0x09 und 0xC4

Ges.: Ausgangsspannung U_\mathrm{A}

Steuerbits 0000, D11 … D8 = 1001_2, D7 … D0 = 0\mathrm{xC}4; zusammen D = 0\mathrm{x}9\mathrm{C}4 = 2500 (2 Punkte):

U_\mathrm{A} = U_\mathrm{DD} \cdot \frac{D}{4096} = 5{,}00\ \mathrm{V} \cdot \frac{2500}{4096} \approx \underline{\underline{3{,}05\ \mathrm{V}}}

(2 Punkte)

Geg.: U_\mathrm{A} = 1{,}20\ \mathrm{V}

Ges.: Zahlenwert D, Datenbytes

Grundform nach D umstellen (2 Punkte):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{A} & = & U_\mathrm{DD} \cdot \dfrac{D}{4096} & \color{gray}{\cdot 4096 \quad : U_\mathrm{DD}} \\ D & = & \dfrac{U_\mathrm{A} \cdot 4096}{U_\mathrm{DD}} = \dfrac{1{,}20\ \mathrm{V} \cdot 4096}{5{,}00\ \mathrm{V}} = 983{,}04 & \\ D & \approx & \underline{\underline{983}} & \end{array}

983 = 0\mathrm{x}3\mathrm{D}7: Datenbytes \underline{\underline{0\mathrm{x}03\ \text{und}\ 0\mathrm{xD}7}} (1 Punkt). Damit stellt sich U_\mathrm{A} = 5{,}00\ \mathrm{V} \cdot 983/4096 \approx 1{,}20\ \mathrm{V} ein.

Ges.: zweiter MCP4725 derselben Variante

Bei dieser Variante ist nur A0 einstellbar; es gibt also zwei Adressen, 0x60 und 0x61 (1 Punkt). Der vorhandene Baustein belegt 0x61, ein zweiter ist \underline{\underline{\text{möglich}}}, wenn sein A0 an GND liegt (0x60). Er wird parallel an SDA, SCL, VDD und GND angeschlossen, im Programm wird die Adresse 0x60 verwendet (1 Punkt). Ein dritter Baustein bräuchte eine Variante mit anderen werkseitigen Adressbits.