.. note::

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.. _3.1.5_c_mcp3008:

3.1.5 Batterieanzeige (MCP3008)
==================================

.. note::

   .. image:: img/mcp3008_and_adc0834.jpg
      :width: 25%
      :align: left
    

   Je nach Version deines Kits überprüfe bitte, ob du **ADC0834** oder **MCP3008** hast, und fahre mit dem entsprechenden Abschnitt fort.

Einführung
--------------

In diesem Projekt erstellen wir ein Batterieanzeigegerät, das den Batteriestand visuell auf einer LED-Balkenanzeige darstellen kann.

.. warning::

    Verwende keine Batterien, die mehr als 3,3V liefern, um eine Überlastung zu vermeiden, die den Chip oder den Raspberry Pi beschädigen könnte.

Benötigte Bauteile
------------------------------

Für dieses Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

.. image:: img/list2_Battery_Indicator.png
    :align: center


Schaltplan
-------------------

============ ======== ======== ===
T-Board Name physical wiringPi BCM
SPICE0       Pin 24   10       8
SPIMOSI      Pin 19   12       10
SPIMISO      Pin 21   13       9
SPISCLK      Pin 23   14       11
GPIO25       Pin 22   6        25
GPIO12       Pin 32   26       12
GPIO16       Pin 36   27       16
GPIO20       Pin 38   28       20
GPIO21       Pin 40   29       21
GPIO5        Pin 29   21       5
GPIO6        Pin 31   22       6
GPIO13       Pin 33   23       13
GPIO19       Pin 35   24       19
GPIO26       Pin 37   25       26
============ ======== ======== ===

.. image:: img/schematic_battery_indicator_mcp3008.png
   :align: center

Experimentelle Schritte
-------------------------

**Schritt 1:** Baue die Schaltung auf.

.. image:: img/july24_3.1.5_battery_indicator_mcp3008.png

**Für C-Sprach-Nutzer**
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

**Schritt 2:** Gehe in den Code-Ordner.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/c/3.1.5-2/

**Schritt 3:** Kompiliere den Code.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    gcc 3.1.5_BatteryIndicator.c -lwiringPi

**Schritt 4:** Führe die erstellte Datei aus.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    sudo ./a.out

Nach dem Start des Programms verbinde den 3. Pin des MCP3008 und GND jeweils mit einem Kabel, und schließe sie dann an die beiden Pole einer Batterie an. Du wirst sehen, dass die entsprechende LED auf der LED-Balkenanzeige leuchtet und den Ladezustand anzeigt (Messbereich: 0–5V).

.. note::

    Falls das Programm nach dem Start nicht funktioniert oder eine Fehlermeldung wie „wiringPi.h: No such file or directory“ erscheint, siehe :ref:`install_wiringpi`.

Code
--------

.. code-block:: c

    #include <wiringPi.h>
    #include <wiringPiSPI.h>
    #include <stdio.h>

    #define SPI_CHANNEL 0
    #define SPI_SPEED   1000000  // 1MHz
    #define VREF        3.3      

    int pins[10] = {6, 26, 27, 28, 29, 21, 22, 23, 24, 25};

    int read_ADC(int channel)
    {
        if (channel < 0 || channel > 7) return -1;

        unsigned char buffer[3];
        buffer[0] = 1;  // Startbit
        buffer[1] = (8 + channel) << 4;  // Single-Ended-Modus
        buffer[2] = 0;

        wiringPiSPIDataRW(SPI_CHANNEL, buffer, 3);

        int value = ((buffer[1] & 3) << 8) | buffer[2];
        return value;
    }

    void LedBarGraph(int value) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (i < value)
                digitalWrite(pins[i], HIGH);  
            else
                digitalWrite(pins[i],LOW);
        }
    }

    int main(void)
    {
        if (wiringPiSetup() == -1) {
            printf("setup wiringPi failed!\n");
            return 1;
        }

        if (wiringPiSPISetup(SPI_CHANNEL, SPI_SPEED) == -1) {
            printf("SPI setup failed!\n");
            return 1;
        }

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            pinMode(pins[i], OUTPUT);
            digitalWrite(pins[i], HIGH);
        }

        while (1) {
            int analogVal = read_ADC(0);  // MCP3008 CH0
            if (analogVal < 0) continue;

            float voltage = analogVal * VREF / 1023.0;
            int level = analogVal * 10 / 1024;  
            if (level > 10) level = 10;  

            LedBarGraph(level);

            printf("ADC Value: %d\tVoltage: %.2f V\tLevel: %d\n", analogVal, voltage, level);

            delay(200);
        }

        return 0;
    }


Code-Erklärung
----------------------

.. code-block:: c

    int read_ADC(int channel)
    {
        if (channel < 0 || channel > 7) return -1;

        unsigned char buffer[3];
        buffer[0] = 1;  // Startbit
        buffer[1] = (8 + channel) << 4;  // Single-Ended-Modus, CH0~CH7
        buffer[2] = 0;

        wiringPiSPIDataRW(SPI_CHANNEL, buffer, 3);

        int value = ((buffer[1] & 3) << 8) | buffer[2];  // 10-Bit-Ergebnis kombinieren
        return value;
    }

Diese Funktion liest analoge Werte vom MCP3008-ADC-Chip über SPI.
Der Parameter ``channel`` wählt einen der 8 Analogeingänge (CH0–CH7).
Der MCP3008 gibt einen 10-Bit-Digitalwert zwischen 0 und 1023 zurück, der die analoge Spannung repräsentiert.

.. code-block:: c

    void LedBarGraph(int value) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (i < value)
                digitalWrite(pins[i], HIGH);  // LED einschalten (aktiv HIGH)
            else
                digitalWrite(pins[i], LOW);   // LED ausschalten
        }
    }

Diese Funktion steuert eine 10-LED-Balkenanzeige.
Jede LED repräsentiert ein Zehntel des Spannungsbereichs.
Die LEDs werden der Reihe nach bis zum angegebenen Level eingeschaltet.

Hinweis: Diese Version geht davon aus, dass die Anoden der LEDs mit den GPIOs verbunden sind und die Kathoden mit GND (aktiv HIGH).

.. code-block:: c

    int main(void)
    {
        if (wiringPiSetup() == -1) {
            printf("setup wiringPi failed!\n");
            return 1;
        }

        if (wiringPiSPISetup(SPI_CHANNEL, SPI_SPEED) == -1) {
            printf("SPI setup failed!\n");
            return 1;
        }

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            pinMode(pins[i], OUTPUT);
            digitalWrite(pins[i], HIGH);  // Alle LEDs einschalten
        }

        while (1) {
            int analogVal = read_ADC(0);  // Spannung an CH0 lesen
            if (analogVal < 0) continue;

            float voltage = analogVal * VREF / 1023.0;
            int level = analogVal * 10 / 1024;  // Auf 0–10 umrechnen
            if (level > 10) level = 10;

            LedBarGraph(level);  // Level auf LEDs anzeigen

            printf("ADC Value: %d\tVoltage: %.2f V\tLevel: %d\n", analogVal, voltage, level);

            delay(200);  // Aktualisierungsrate: 5 Hz
        }

        return 0;
    }

Hauptlogik:

- Initialisiert wiringPi und die SPI-Kommunikation.
- Setzt GPIO-Pins als Ausgänge für die 10-LED-Balkenanzeige.
- Liest kontinuierlich die analoge Spannung über den MCP3008 (CH0).
- Wandelt den Wert in eine Spannung um (``VREF = 3.3V``).
- Skaliert die Spannung auf ein Level von 0–10 und schaltet die entsprechenden LEDs ein.
- Gibt den Rohwert des ADC, die Spannung (in Volt) und den LED-Level über die serielle Konsole aus.

Dies dient als visuelle Batterieanzeige oder analoges Voltmeter.


**Für Python-Sprach-Nutzer**
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

**Schritt 2:** Richte die SPI-Schnittstelle ein und installiere die ``spidev``-Bibliothek (siehe :ref:`spi_configuration` für detaillierte Anweisungen).  
Falls du diese Schritte bereits ausgeführt hast, kannst du diesen Punkt überspringen.

**Schritt 3:** Gehe in den Code-Ordner.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/python

**Schritt 4:** Führe die Datei aus.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 3.1.5-2_BatteryIndicator.py

Nach dem Start des Programms verbinde den 3. Pin des ADC0834 und GND jeweils mit einem Kabel und schließe sie dann an die beiden Pole einer Batterie an.  
Du wirst sehen, dass die entsprechende LED auf der LED-Balkenanzeige leuchtet und den Ladezustand anzeigt (Messbereich: 0–5V).

.. warning::

    Falls die Fehlermeldung ``RuntimeError: Cannot determine SOC peripheral base address`` erscheint, siehe :ref:`faq_soc`

**Code**

.. note::
    Du kannst den Code unten **Ändern/Zurücksetzen/Kopieren/Ausführen/Stoppen**.  
    Vorher musst du jedoch in den Quellcode-Pfad wechseln, z. B. ``davinci-kit-for-raspberry-pi/python``.  
    Nach einer Änderung kannst du ihn direkt ausführen und das Ergebnis sehen.

.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block:: python

    #!/usr/bin/env python3

    import RPi.GPIO as GPIO
    import spidev
    import time

    # GPIO-Pins, die mit den 10 LEDs verbunden sind (von links nach rechts)
    led_pins = [25, 12, 16, 20, 21, 5, 6, 13, 19, 26]  # BCM-Nummerierung

    # GPIO-Setup
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    for pin in led_pins:
        GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)
        GPIO.output(pin, GPIO.LOW)

    # SPI initialisieren
    spi = spidev.SpiDev()
    spi.open(0, 0)  # Bus 0, CE0
    spi.max_speed_hz = 1000000  # 1 MHz

    # Wert von MCP3008-Kanal lesen
    def read_adc(channel):
        if channel < 0 or channel > 7:
            return -1
        r = spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])
        value = ((r[1] & 0x03) << 8) | r[2]
        return value

    # LED-Balkenanzeige entsprechend dem Wert steuern
    def led_bar_graph(level):
        for i, pin in enumerate(led_pins):
            if i < level:
                GPIO.output(pin, GPIO.HIGH)
            else:
                GPIO.output(pin, GPIO.LOW)

    # Hauptschleife
    try:
        while True:
            analog_val = read_adc(0)  # Von MCP3008-Kanal 0 lesen
            level = int(analog_val * 10 / 1023)  
            led_bar_graph(level)
            print(f"ADC: {analog_val}, Level: {level}")
            time.sleep(0.2)

    except KeyboardInterrupt:
        pass

    finally:
        for pin in led_pins:
            GPIO.output(pin, GPIO.LOW)
        GPIO.cleanup()
        spi.close()


Code-Erklärung
--------------------

Dieses Programm liest die analoge Spannung von einem MCP3008-ADC und zeigt das Ergebnis über eine 10-LED-Balkenanzeige an einem Raspberry Pi (BCM-Pinlayout) an.

1. **Module importieren**

   - ``RPi.GPIO`` steuert die GPIO-Pins des Raspberry Pi.
   - ``spidev`` ermöglicht die Kommunikation mit dem MCP3008 über SPI.
   - ``time`` stellt Warte-/Schlaf-Funktionen bereit.

   .. code-block:: python

       #!/usr/bin/env python3

       import RPi.GPIO as GPIO
       import spidev
       import time

2. **GPIO-Setup für LEDs**

   Eine Liste mit 10 GPIO-Pins wird zur LED-Steuerung definiert.  
   Diese Pins werden als Ausgänge konfiguriert und zunächst auf LOW (aus) gesetzt.

   .. code-block:: python

       led_pins = [25, 12, 16, 20, 21, 5, 6, 13, 19, 26]  # BCM
       GPIO.setmode(GPIO.BCM)
       for pin in led_pins:
           GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)
           GPIO.output(pin, GPIO.LOW)

3. **SPI-Initialisierung**

   Initialisiert SPI-Bus 0 und Chip-Enable 0 (CE0) zur Kommunikation mit MCP3008.  
   Die Übertragungsgeschwindigkeit wird auf 1 MHz gesetzt.

   .. code-block:: python

       spi = spidev.SpiDev()
       spi.open(0, 0)  # Bus 0, CE0
       spi.max_speed_hz = 1000000

4. **ADC-Lesefunktion**

   Liest einen analogen Wert von einem angegebenen MCP3008-Kanal (0–7).  
   Die Funktion sendet einen 3-Byte-SPI-Befehl und dekodiert das 10-Bit-Ergebnis.

   .. code-block:: python

       def read_adc(channel):
           if channel < 0 or channel > 7:
               return -1
           r = spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])
           value = ((r[1] & 0x03) << 8) | r[2]
           return value

5. **LED-Balkenanzeige-Funktion**

   Schaltet LEDs entsprechend dem Pegel ein.  
   Wenn der Pegel 7 beträgt, leuchten die ersten 7 LEDs, der Rest bleibt aus.

   .. code-block:: python

       def led_bar_graph(level):
           for i, pin in enumerate(led_pins):
               if i < level:
                   GPIO.output(pin, GPIO.HIGH)
               else:
                   GPIO.output(pin, GPIO.LOW)

6. **Hauptschleife**

   Liest kontinuierlich den analogen Eingang von Kanal 0, skaliert das Ergebnis auf einen Wert von 0–10 und aktualisiert die LED-Anzeige entsprechend.  
   Gibt den ADC-Wert und den Level-Wert zur Kontrolle aus.

   .. code-block:: python

       try:
           while True:
               analog_val = read_adc(0)
               level = int(analog_val * 10 / 1023)
               led_bar_graph(level)
               print(f"ADC: {analog_val}, Level: {level}")
               time.sleep(0.2)

7. **Aufräumen beim Beenden**

   Wenn ``Strg+C`` gedrückt wird, schaltet das Programm alle LEDs aus, setzt den GPIO-Zustand zurück und schließt die SPI-Schnittstelle.

   .. code-block:: python

       except KeyboardInterrupt:
           pass

       finally:
           for pin in led_pins:
               GPIO.output(pin, GPIO.LOW)
           GPIO.cleanup()
           spi.close()