Programmier barer mikro controller

Arten von programmierbaren Mikrocontrollern

Ein programmierbarer Mikrocontroller empfängt programmierte Befehle, um die Funktionen elektronischer Geräte zu steuern, als Reaktion auf Eingangssignale von Sensoren oder Bedienern. Es handelt sich um einen kleinen Computer, der in ein Gerät eingebettet ist, um es zu steuern und zu überwachen. Er besteht aus einem Prozessor, einem Speicher und E/A-Peripheriegeräten. Programmierbare Mikrocontroller gibt es in verschiedenen Ausführungen, die von ihrer Architektur und Anwendung abhängen.

• Harvard-MCU

  Die Harvard-Architektur des Mikrocontrollers ist eine Weiterentwicklung der modifizierten Von-Neumann-Architektur. Sie verwendet separate Speicher und Busse für den Programmspeicher und die Daten, sodass Befehle und Daten gleichzeitig gelesen und gespeichert werden können. Dies erhöht die Verarbeitungsgeschwindigkeit des MCUs. Der programmierbare Harvard-Mikrocontroller eignet sich für Signalverarbeitung, Steuerungssysteme und Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit entscheidend ist. Er ist starr und erfordert eine hochpräzise Komponente, was ihn teuer macht.

• Von-Neumann-MCU

  Der Mikrocontroller beginnt mit der Ausführung des Codes von einem Reset-Vektor, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird. Er folgt einem Fetch-Execute-Zyklus, liest eine Anweisung und führt sie aus. Die Von-Neumann-MCU ist einfach und flexibel und verwendet denselben Speicher für Befehle und Daten. Sie kann programmiert und neu programmiert werden, um verschiedene Aufgaben auszuführen, z. B. Motoren zu steuern, Sensoren auszulesen und mit anderen Geräten zu kommunizieren. Zu den programmierbaren Mikrocontrollern, die diese Architektur verwenden, gehören die Serien PIC16, PIC18, AT89S und 8051.

• 8-Bit-MCUs

  Ein 8-Bit-MCU führt Befehle nacheinander 1 nach dem anderen zur Berechnung aus. Er verfügt über einen 3- bis 10-Leiter-Decoder zur Auswahl eines Teils, eine einfache arithmetische Einheit und Register zur vorübergehenden Datenspeicherung. Der MCU ist für grundlegende Steuerungsaufgaben ausreichend, wodurch programmierbare Mikrocontroller wie PIC12/16, ATtiny, ATmega und AVR aufgrund ihrer Erschwinglichkeit zu perfekten Wahlmöglichkeiten werden.

• 16-Bit-MCUs

  Ein 16-Bit-MCU verfügt über einen größeren Datenbus für die Datenverarbeitung als ein 8-Bit-Modell. Sein Befehlssatz bietet umfangreichere und komplexere Operationen wie Multiplikation und Division. Die Geschwindigkeit und Effizienz von 16-Bit-Mikrocontrollern machen sie für Anwendungen geeignet, die eine höhere Verarbeitungsleistung erfordern, z. B. digitale Signalverarbeitung, Automobil-Steuerungen und Kommunikationsprotokolle. Beispiele sind MSP430, dsPIC und die Serien STM32F2/F4 von STMicroelectronics.

• 32-Bit-MCUs

  Mit erhöhter Speicherkapazität und höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten kann ein 32-Bit-MCU größere Datenmengen verarbeiten und mehrere Befehle gleichzeitig ausführen. Er verfügt über architektonische Vorteile wie größere Register, die ihn mit modernen Programmiertechniken kompatibel machen. 32-Bit-Mikrocontroller sind ideal für komplexe eingebettete Systeme wie drahtlose Konnektivität, Spracherkennung und Echtzeit-Betriebssysteme. Beispiele für programmierbare Mikrocontroller-Produkte sind STM32, ARM Cortex-M3/M4 und PIC32.

Funktion und Eigenschaften programmierbarer Mikrocontroller

• Digitaler Ein- und Ausgang:

  Die digitalen Ein- und Ausgabefunktionen eines Mikrocontrollers ermöglichen die Kommunikation mit der Außenwelt. Digitale I/O-Ports können programmiert werden, um Signale von Drucktasten und Schaltern als digitalen Eingang zu empfangen oder um Signale an LEDs, Summer und Relais als digitalen Ausgang zu übertragen. Dies ermöglicht es einem programmierbaren Mikrocontroller, mit verschiedenen Peripheriegeräten und Sensoren zu interagieren.

• Analoger Ein- und Ausgang:

  Analoge Sensoren, die Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit messen, liefern ihre Messwerte in analoger Form. Das Vorhandensein eines ADCs ermöglicht die Umwandlung dieser analogen Signale in digitale, so dass Mikrocontroller die Daten verarbeiten können. Einige Mikrocontroller können analoge Signale mit einem DAC ausgeben, um Geräte wie Motoren und Ventile zu steuern.

• Timer und Interrupt:

  Timer unterstützen zeitbezogene Aufgaben, z. B. die Erzeugung präziser Verzögerungen oder die Messung der Signalbreite für die PWM-Steuerung. Timer ermöglichen auch Zeitmessfunktionen wie Uhren oder Kalender. Darüber hinaus können Mikrocontroller sofort auf Änderungen des digitalen oder analogen Signals reagieren, indem sie Interrupt-Routinen ausführen, wodurch sie schnell auf Ereignisse reagieren können und die Reaktionsfähigkeit des Systems verbessert wird.

• Kommunikationsschnittstelle:

  Programmierbare Controller können über verschiedene Schnittstellen mit anderen Geräten und Systemen kommunizieren. Diese Kommunikation ermöglicht den Datenaustausch und erweitert die Möglichkeiten eingebetteter Steuerungssysteme.

• Speicher:

  Mikrocontroller verfügen über zwei Arten von Speicher zur Speicherung von Code und Daten. Der Flash-Speicher enthält das Firmware-Programm, und der RAM bietet einen Arbeitsbereich für Variablen, Puffer und Call-Stacks. Einige Mikrocontroller verfügen auch über EEPROM für die nichtflüchtige Speicherung von Konfigurationseinstellungen.

Einsatzbereiche programmierbarer Mikrocontroller

• Roboter

  Robotermaschinen verwenden Mikrocontroller, um zu denken und zu handeln. Wenn der Fahrer einen Knopf drückt, senden die Elektronik in der Steuerung Signale an die Motoren des Roboters. Der Roboter bewegt sich dann so, wie er programmiert ist.

• Automatisierung

  Fabriken verwenden Mikrocontrollermaschinen, um Aufgaben selbstständig auszuführen. Maschinen können automatisch Teile zusammenbauen, Behälter füllen oder Qualitätsprüfungen durchführen. Die Verwendung von Mikrocontroller-basierten automatisierten Systemen trägt dazu bei, Produkte schneller und mit weniger Fehlern herzustellen.

• Steuerung

  Mikrocontroller ermöglichen eine präzise Steuerung von Dingen wie Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit. Heizsysteme beispielsweise verwenden Mikrocontroller, um die Temperatur auf dem vom Benutzer eingestellten Niveau zu halten. Diese Steuerung erfolgt durch Sensoren und Aktuatoren.

• Überwachung

  Mikrocontroller-basierte Geräte können Zustände kontinuierlich überwachen und Ergebnisse melden. Umweltsensoren verwenden sie beispielsweise zur Kontrolle der Luftqualität und des Wetters. Sie verfolgen Dinge wie Schadstoffwerte, Temperatur und Luftfeuchtigkeit und senden diese Daten an eine Stelle, wo sie ausgewertet werden können.

• Systeme

  Mikrocontrollereinheiten sind Schlüsselkomponenten in eingebetteten Systemen. Eingebettete Systeme sind Geräte, in die Computer integriert sind. Zu den Computern mit eingebetteten Systemen gehören digitale Thermostate in Haushalten, Geräte wie Waschmaschinen und sogar Autos.

  Dies sind Beispiele für Maschinen, die über eingebettete Systeme verfügen. Der Mikrocontroller arbeitet mit Sensoren und anderer Elektronik innerhalb des eingebetteten Systems zusammen. Er hilft dem Thermostat, die Temperatur anzuzeigen und die Heizung und Kühlung zu steuern. Wenn die Waschmaschine einen Zyklus durchläuft, steuert ihr eingebettetes System den Wasserstand, die Waschzeit und die Schleuderdrehzahl. Auch Autos verlassen sich auf Mikrocontroller innerhalb eingebetteter Systeme, um den Motor, die Bremsen und vieles mehr zu überwachen.

• MCU in Messinstrumenten

  Mikrocontroller helfen Messgeräten wie Thermometern, Tachometern und Multimetern, einwandfrei zu funktionieren. Sie ermöglichen es, Temperatur, Geschwindigkeit, Spannung und andere Messwerte digital abzulesen. Programme im Inneren sammeln Daten von Sensoren und zeigen genaue Messwerte auf Displays an.

So wählen Sie programmierbare Mikrocontroller aus

Käufer von programmierbaren Mikrocontrollern sollten die Art wählen, die ihren erwarteten Anwendungen und Bedürfnissen entspricht. Bei der Auswahl eines Mikrocontrollers sollten die folgenden Elemente berücksichtigt werden:

• Speicher: Die Anzahl der Informationen, die ein Controller speichern und abrufen kann, hängt vom Speicher ab. Da der Speicher verschiedene Aufgaben in einem Mikrocontroller erfüllt, ist das Speichermodell von Bedeutung. Jeder Mikrocontroller verfügt über ein alternatives Speichermodell, und die Art und Menge des Speichers, die für eine Aufgabe benötigt wird, wird von seinem Speichermodell beeinflusst.
• Rechengeschwindigkeit: Der Bereich, in dem die Geschwindigkeit des Programms ermittelt wird, befindet sich im Zentrum des Mikrocontrollers. Die Anzahl der Zyklen pro Sekunde spielt eine Rolle für die Ausführung des Geräts. Die Ausführung jedes Mikrocontrollers wird von seinen Ausführungszyklen pro MHz beeinflusst.
• Betriebsspannung und -strom: Bei der Auswahl eines Mikrocontrollers müssen die Betriebsspannung und der -strom berücksichtigt werden. Der Strom, den der Mikrocontroller verbraucht, spielt bei batteriebetriebenen Anwendungen eine wichtige Rolle.
• Pinzahl und Architektur: Programmierbare Mikrocontroller haben verschiedene Ausführungen und Organkontrollen. Die Einzelheiten der Anwendung und die Anzahl der angeschlossenen Peripheriegeräte sollten mit der Ausführung und dem Organbestand des Mikrocontrollers übereinstimmen. Die Technik ist wichtig, da sie festlegt, wie programmierbare MCUs Informationen verarbeiten.
• Peripheriegeräte und Gehäuse: Bevor Sie einen Mikrocontroller auswählen, müssen Sie sich über die Geräte Gedanken machen und ihre Voraussetzungen bewerten. Integrierte Geräte wie Timer, Kommunikationsschnittstellen, DACs und ADCs sind Beispiele für integrative Peripheriegeräte. Sie sollten sich über den Gehäusetyp und den entsprechenden Pinbereich informieren.

Fragen und Antworten

F1: Welche Programmiersprachen können mit programmierbaren Mikrocontrollern verwendet werden?

A1: Ein programmierbarer Mikrocontroller benötigt eine bestimmte Programmiersprache. Zu den gängigen Sprachen gehören C, C++, Python und Assemblersprache.

F2: Welche Tools werden benötigt, um einen Mikrocontroller zu programmieren?

A2: Es werden mehrere wichtige Tools benötigt, um einen Mikrocontroller zu programmieren. Dazu gehören eine integrierte Entwicklungsumgebung (IDE), ein Texteditor und ein Programmierer oder Debugger.

F3: Wie können Mikrocontroller für eingebettete Systeme programmiert werden?

A3: Um Mikrocontroller für eingebettete Systeme zu programmieren, definieren Sie zunächst die Systemanforderungen, wählen dann den Mikrocontroller aus und entwickeln die Firmware mit einer IDE. Anschließend testen und debuggen Sie die Firmware und integrieren den Mikrocontroller in das System.

F4: Was ist der Unterschied zwischen einem programmierbaren Mikrocontroller und einem Mikrocontroller-Entwicklungskit?

A4: Ein programmierbarer Mikrocontroller ist ein kleiner Computer auf einem Chip, der programmiert werden kann, um verschiedene Aufgaben auszuführen. Ein Mikrocontroller-Entwicklungskit hingegen ist eine Sammlung von Hardware und Software, die zur Entwicklung, Programmierung und zum Testen von Mikrocontroller-basierten Anwendungen verwendet wird.