Microcontroller – alles was Du darüber wissen musst

In diesem Ratgeber erklären wir Dir alles, was Du über Microcontroller wissen solltest. Wir stellen Dir PIC Microcontroller vor, informieren Dich über ein Microcontroller Kit und ein Microcontroller Board. Außerdem erfährst Du auch, was ein ARM Microcontroller ist. Microcontroller sind im Grunde Halbleiterchips. Zu ihnen gehören auf der einen Seite Peripheriefunktionen und auf der anderen Seite ein Prozessor.

Oft sind auch Programm- und Arbeitsspeicher auf einem Chip enthalten. Bei einem Microcontroller handelt es sich um ein sogenanntes Ein-Chip-Computersystem. Es gibt außerdem gewisse Microcontroller, die als System on a Chip alternativ dazu SoC genannt werden. Auf aktuellen Microcontrollern sind zudem sehr komplexe Peripheriefunktionen enthalten.

Dazu gehören beispielsweise

  • Controller Area Network ( kurz CAN),
  • Local Interconnect Network (kurz LIN),
  • Universal Serial Bus (USB),
  • Inter Integrated Circuit (I²C),
  • Serial Periphal Interface (SPI),
  • Ethernet (serielle Schnittstellen),
  • LCD Controller, sowie
  • Treiber,
  • PWM Ausgänge und
  • Analog Digital Umsetzer

Es gibt sogar einige Controller, die mit Funktionsblöcken ausgestattet sind, die analog oder hybrid sowie digital und programmierbar sind.

Was sind Microcontroller und wo werden sie überall eingesetzt?

Sie sind häufig nicht sichtbar, da sie in anderen Systemen integriert sind. Doch Du benutzt sie häufiger als Du vielleicht denkst, denn sie befinden sich in vielen technischen Geräten. Sie können in Chipkarten sein, zum Beispiel auf Telefon- und Geldkarten, aber auch in Waschmaschinen. Auch in den Geräten der Unterhaltungselektronik werden sie verbaut.

Dabei kann es sich um DVD-Player, Recorder, Fernbedienungen, TV Geräten, Büroelektronik oder in den Steuergeräten von Kraftfahrzeugen handeln. Damit werden dann Airbag, ABS, ESP, Motor und vieles mehr gesteuert. Ebenfalls in Uhren, Mobiltelefonen und Armbanduhren werden sie eingebaut. Des Weiteren sind sie in nahezu allen Peripheriegeräten von Rechnern enthalten, nämlich in der Maus, der Tastatur, im Monitor, Drucker, Scanner und anderen.

Die Ausstattung und Leistung sind den Anwendungen jeweils angepasst. Im Hinblick auf herkömmliche Computer bergen sie verschiedene Vorteile wegen ihrer Leistungsaufnahme und der Kosten. Kleine Controller sind in Form von hohen Stückzahlen bereits für wenige Cent erhältlich.

Keine klaren Grenzen

Die Grenze zwischen einem Controller und einem Microprozessor verläuft fließend. Das siehst Du daran, dass bereits nach einigen Jahren Microcontroller von innovativen Microprozessoren entwickelt wurden. Am einfachsten ist das, wenn bei einem herkömmlichen Microprozessor die verschiedenen Komponenten wie Zeitgeber, Interruptcontroller, Reset- und Takterzeugung, Interruptcontroller, Schnittstellenbaustein und teilweise ebenfalls der Speichercontroller in den Chip mit eingebaut werden.

Dann hast Du ein funktionstüchtiges Prozessorsystem erschaffen, das meistens nur noch Speicherbausteine und einen Quarz für den Takt brauchen. Dazu solltest Du passende Prozessoren verwenden, beispielsweise von ARM. Bei einem solchen Microcontroller kannst Du davon ausgehen, dass die Baureihen dann noch erhältlich sind, wenn die Mainstream CPU bereits seit langer Zeit nicht mehr erhältlich ist.

Zum Teil wird ein Microcontroller auch als Element von Multi Chip Modulen genutzt. Das ist immer dann der Fall, wenn Du unterschiedliche Halbleiterprozesse miteinander kombinieren möchtest, die gar nicht oder nur schlecht mit einem Chip kombiniert werden können. Als Beispiel können wir Dir die Kombination von Microcontrollern nennen, die mit Hochfrequenzschaltungen ausgestattet sind, die für Funkverbindungen, Flash ROM oder Leistungselektronik gedacht sind.

Zum Teil wird eine Lösung mit MCM auch dann verwendet, wenn die Kombination von Chips angedacht ist, der Aufwand allerdings verhindert werden soll, einen neuen zu entwerfen. Das ist zum Beispiel die Kombination von Netzwerkcontrollern oder den Anschlusstreibern für das Netzwerk und LCD Controller.

Es gibt aber auch herkömmliche Microcontroller, die nicht als Microprozessorsysteme genutzt werden sollen, sondern eher Steuerungsaufgaben übernehmen sollen. Der Vorteil dieser Microcontroller liegt darin, dass sie mit einem Single Chip betrieben werden können. Externe Speicherbausteine sind dazu nicht erforderlich. Der Befehlssatz der CPU enthält in der Regel spezielle Befehle zum Steuern der verschiedenen Signalleitungen.

Das erfolgt mit Bitmanipulationen. Genauso wichtig für diese Microcontroller ist eine sehr kurze Interrupt Latenzzeit, das heißt die Zeit, die der Microcontroller benötigt, um auf Unterbrechungsanforderungen der Signalquelle reagieren zu können. Zu den typischen Geräten dieser Art gehören Microcontroller verschiedener Marken, die Du dazu nutzen kannst. Um die Funktionen von Microcontrollern überwachen zu können, sind Watchdog Schaltungen erforderlich. Diese befinden sich häufig schon im Microcontroller.

Was sind PIC Microcontroller?

Bei diesen Microcontrollern handelt es sich um Produkte des Unternehmens Microchip Technology Inc. Diese PIC Microcontroller wurden früher mit Bezug auf kleine Befehlssätze entwickelt und sollten sich einfach bedienen lassen. Zu einem solchen Microcontroller Kit gehören circa 33 Befehle, bei den Baseline Controllern sind es sogar mehr als 70 Befehle.

Da es viele verschiedene PIC Microcontroller gibt, stehen für jede Anwendung Microcontroller des Unternehmens zur Verfügung. Sie wurden so konzipiert, dass sie abhängig von den Anforderungen nur wenig Beschaltung benötigen. Viele der Microcontroller sind außerdem mit internen RC Oszillatoren erhältlich.

Neu sind die PIC Microcontroller mit der Bezeichnung PIC32. Diese sind mit einem Microchip mit Controllerkern des Unternehmens MIPS Technologies ausgestattet. Nachdem die Produkte einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt wurde, standen auch schon erste Muster bereit. Außerdem gab es C-Compiler, Tools zur Hardwareentwicklung und Fachliteratur.

Die beliebten Entwicklungstools Real ICE und ICD2 können ab Version Nummer 8.0 immer noch genutzt werden, da diese die neuen Produkte weiterhin unterstützen. Die Microcontroller von PIC gibt es mit verschiedenen Gehäusen. Diese lassen sich lediglich durch die jeweilige Anzahl der Pins unterscheiden. Es gibt sie mit maximal 64 Pins.

Günstige Microcontroller der Marke PIC und preiswerte Entwicklertools gibt es mit C Compilern, die zum Teil gratis sind, bereits seit Beginn der 90er Jahre und heute auch noch werden diese Microcontroller gerne von Hobbyelektronikern verwendet. Die ersten, die dazu genutzt wurden, hießen PIC16C83.

Auch die Nachfolger wurden aufgrund des schon eingebauten Flash Speichers gerne verwendet. Sie sind auch heute noch erhältlich, allerdings sind sie mittlerweile nicht mehr so günstig. Es gibt aber Alternativen von anderen Marken, die im Vergleich dazu weniger kosten. Müssen größere Aufgaben erfüllt werden, solltest Du andere Controller verwenden, nämlich die mit der Bezeichnung PIC18Fxx, die aus der Enhanced Familie stammen.

Der Adressraum ist linear und sorgt dafür, dass funktionsfähige Programme einfacher entwickelt werden können. Dazu stehen verschiedene Programmiergeräte zur Verfügung, nämlich ein älteres namens PICkit2 oder die Weiterentwicklung PICkit3. Sie sind in der Lage, die modernen 8 oder 16 Bit Controller zu programmieren. Außerdem steht dazu ein weiterer Debugger einer anderen Marke bereit.

Im Internet gibt es verschiedene Schaltungen, mit denen Du Programmiergeräte von PIC einfach selber bauen kannst. Sie bestehen häufig nur aus wenigen Elementen, weshalb sie besonders leicht selbst gebaut werden können. Die harmonieren allerdings nicht mit jedem Rechner oder jedem PIC einwandfrei. Der PIC Development Programmer eignet sich für die Betriebssysteme Linux und Windows. Die Freeware Programmer Software wiederum ist für sehr viele Pics geeignet. Außerdem wird unterschiedliche Programmer Hardware unterstützt.

Was ist ein Microcontroller Kit?

Bei Microcontroller Kits handelt es sich um Sets mit unterschiedlichen Bestandteilen, je nach Set kann sich die Anzahl der Teile unterscheiden. Dabei sind zum Beispiel ein Microcontroller Board, Widerstände, USB Kabel, Netzteil, LEDs, Steckplatinen, Relais und vieles mehr. Es gibt Kits mit Pins für die enthaltene Steckplatine, bei denen kein Löten notwendig ist. Das Netzmodul sollte niemals überladen werden, da ansonsten die Clips und das Board verbrennen könnten.

Die Netzteile sind nicht gegen einen Kurzschluss geschützt, sodass sie durchbrennen könnten. Viele Kits eignen sich nicht nur für Erwachsene, sondern auch für Kinder und Jugendliche, die ein Interesse daran zeigen. Du solltest zu diesem Zweck die Altersempfehlung beachten, die bei jedem Kit angewendet wird. Häufig ist es so, dass Vorkenntnisse in Bezug auf Programmierung und Elektronik notwendig sind, um mit ihm umgehen zu können.

Besitzen Kinder noch keine Erfahrung in dieser Hinsicht, sollte sich jemand mit ihnen beschäftigen, der bereits Kenntnisse erworben hat und ihnen zeigt, wie es geht. Wenn Du Dir das Programmieren aneignen möchtest, benötigst Du Fachliteratur, die Dir die notwendigen Informationen dazu beschafft, damit Du fit dafür bist.

Wenn Du das Programmieren mit einem Microcontroller lernen möchtest, aber noch nicht genau weißt, wie das alles funktioniert, brauchst Du ein Kit, das alles enthält, was Du benötigst, um mit der Microcontroller Programmierung zu starten. Die Hardware sollte einfach zu bedienen sein, die Software ebenso, sodass die ein leichter Einstieg in die Welt der Elektronik gelingt.

Komplizierter, als es ist

Du solltest wissen, dass Elektronik alles andere als kompliziert ist. Das wirst Du mit einem Kit sehr schnell feststellen. Fortgeschrittene Benutzer können ein Kit aber auch dazu nutzen, um unterschiedliche Experimente mit vielen Sensoren auszuprobieren. Dazu zählen Studenten, Labor Ingenieure oder jene, die sich bereits mit der Materie auskennen. Falls Du Dir in diesem Bereich noch kein Wissen angeeignet hast, musst Du Dich nicht sorgen.

Gehe einfach nach der Anleitung Deines Microcontroller Kits vor und Du wirst schon die Basisinformationen verstehen, wie Du ein Microcontroller Board, die Sensoren und alle anderen Elemente des Microcontroller Boards verwenden muss, um zu programmieren. Du hast Interesse an Elektronik? Dann solltest Du Dich nach einem passenden Kit umschauen, mit dem Du Deinen Wissensdurst problemlos stillen kannst.

Die richtige Wahl des Kits

Entscheide Dich am besten für Kits, die mit vielen Bauelementen und Sensoren ausgestattet sind, damit Du Dich so richtig daran ausprobieren kannst und vielleicht auch beruflich in diese Richtung gehen kannst. Zu den wichtigsten Teilen eines Microcontroller Kits zählt zum Beispiel das Board. Darüber hinaus befinden sich noch LED Dioden, Potentiometer, Widerstände, Breadboard und RFID Module in einem Kit.

Bei einigen Kits sind die Kabel und Pins bereits vorgelötet, sodass Du Dir diese Arbeit sparen und direkt mit den wichtigen Aufgaben beginnen kannst. Entscheide Dich außerdem für ein Kit in stabiler Qualität, die einfach länger halten und weltweit zugelassen sind. So hast Du mehr von Deinem Kit.

Chips mit acht Ausgängen und mehreren Eingängen sorgen dafür, dass sie mit Daten gefüttert werden können. Mit einem solchen Chip kannst Du die LEDs etwas weniger schnell ansteuern. Damit werden sie je Sekunde nur noch 500.000 mal umgeschaltet, anstatt vorher 8.000.000 mal. Das wäre nämlich ohne Chip so. Dennoch ist das noch sehr schnell. Du wirst diese Unterschiede auch niemals mit dem bloßen Auge erkennen können.

Kits sind mit einem Display mit Beleuchtung ausgestattet, zum Beispiel mit LED Hintergrundbeleuchtung. Je nach Hersteller zeigt sich das Display mit einem andersfarbigen Hintergrund und andersfarbigen Zeichen. Er dient Dir dazu, Texte ablesen zu können. Des Weiteren gehören ein Transistor und ein Motor zum Lieferumfang von Microcontroller Kits. So kannst Du lernen, wie Du einen Transistor dazu nutzen kannst, um einen Gleichstrommotor anzutreiben.

Hochwertige Transistoren sind in der Lage, zwei verschiedene Motoren unabhängig voneinander steuern zu können. Wähle Kits mit vielseitigen Chips aus, damit Du noch mehr mit Deinen Experimenten erreichen kannst und am Ende stolz auf Deine Leistungen bist. So verstehst Du nach und nach immer mehr vom Programmieren und kannst Dich für einen Beruf in diesem Bereich bewerben und viel Geld verdienen, wenn Du gut darin bist.

Was ist ein ARM Microcontroller?

Die ARM Architektur wurde 1983 von Acorn entwickelt, einem Computerunternehmen aus Großbritannien. Es handelt sich um ein Microprozessor Design, das ab 1990 von Acorn der Firma ARM Limited übertragen und dort weiterentwickelt wurde. ARM ist die Abkürzung für Acorn RISC Machines. Danach wechselte der Name in Advanced RISC Machines. Zwar ist dieser Name nur IT Kennern bekannt, doch viele Teile des Unternehmens finden sich in den bekanntesten Microprozessoren auf der ganzen Welt.

Wie wird ein Microcontroller programmiert?

Die meisten Programmierer haben ihre Programme für den Computer geschrieben, es ist auch möglich, sie für Tablets und Handys zu entwickeln. Durch das Internet stehen aber auch Microcontroller zur Verfügung, also extrem kleine Computer, die sich auf einem Chip befinden. Mit ihnen kannst Du Aktoren und Sensoren, also Schalter und Relais programmieren. Microcontroller werden immer beliebter.

Mittlerweile ist es sehr einfach, von Deinem Rechner aus Microcontroller programmieren zu können. Das sorgt lediglich für einen geringen Aufwand, sodass Du nicht viel Arbeit hast, wenn Du einen Microcontroller programmieren möchtest. Wenn Du noch nicht weißt, wie das geht, erfährst Du jetzt, wie Dir der Einstieg auf einfache Weise gelingt. Du erhältst außerdem Tipps für Dein Projekt.

Wie Du nun weißt, gibt es Microcontroller von verschiedenen Anbietern, zum Beispiel PIC Microcontroller und ARM Microcontroller. Der Umgang lediglich mit einem Chip kann jedoch etwas schwierig sein. Damit Du den Chip an den Rechner anschließen kannst, benötigst Du einen Programmer. So kannst Du Signale in eine Sprache umsetzen, die auch Dein Microcontroller entschlüsseln kann. Des Weiteren musst Du dafür sorgen, dass Du Deinen Microcontroller mit Energie versorgst, denn nur so ist er auch in der Lage zu arbeiten.

Du musst Deine Aktoren und Sensoren mit dem Controller verbinden. Falls Dein Projekt noch in den Anfängen ist, Du alle Anschlüsse bereits verschaltet und Deine Platine geätzt hast, kannst Du Dich für ein Developer Board entscheiden. Es gibt viele bekannte Hersteller von Controllern, die diese Boards anbieten. Sie sind auch als Prototyping Boards bekannt. Sie verfügen über eine Programmierschnittstelle, einen Stromanschluss und eine Möglichkeit, Deine Aktoren und Sensoren anschließen zu können.

Es gibt viele bekannte und beliebte Boards. Die Controller, mit denen sie ausgestattet sind, zeichnen sich nicht gerade durch Schnelligkeit aus. Ihr Speicher ist ebenfalls gering. Deshalb sind speziell in der letzten Zeit viele neue Prototyping Plattformen entstanden, die sich auch großer Beliebtheit erfreuen. Dazu gehören die PIC Microcontroller ebenfalls. Sie sind sehr günstig und überall erhältlich. Sie sind in Kombination mit Prototyping Boards erhältlich.

Die Wahl des Boards

Welches Board für Dich geeignet ist, hängt von zusätzlichen Elementen ab, die Du Dir noch zulegen möchtest. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die auch von Laien genutzt werden können, um sogar komplexe Schaltungen an den Microcontroller anschließen zu können. Es gibt unterschiedliche Boards mit schnellen Prozessoren, die sich gut dafür eignen. Welche Funktionen Du für Deine verschiedenen Projekte brauchst, solltest Du vorher sehr genau entscheiden. Das spart beim Programmieren Zeit und schützt Dich vor Käufen, die umsonst gewesen sind.

Wenn Du weißt, was mit Deinem Projekt geschehen soll, brauchst Du nicht nur das Prototyping Board, sondern auch die anderen Elemente, die dazu erforderlich sind. Du benötigst ein Jumper und ein Breadboard Kabel, damit die Elemente, die nicht als Shield verfügbar sind, an Deinen Controller anschließen zu können. Im Blick behalten musst Du dabei die Wärmeentwicklung, die Betriebsspannung und den Stromverbrauch der Elemente. Falls Du bereits elektronisches Basiswissen besitzt, ist das sehr vorteilhaft für Dich. Falls nicht, solltest Du am besten immer nur fertige Shields verwenden oder sehr gute Anleitungen halten, damit keine Fehler passieren.

Im Vergleich zu richtiger Software Programmierung ist es bei der Entwicklung von Hardware grundsätzlich möglich, durch mangelnde Kenntnisse Fehler zu machen und diese zu beschädigen. Am Anfang sollten deshalb alle Elemente eher günstig sein, denn wenn sie defekt sind, ist das nur halb so schlimm.

Du hast noch Probleme, Deine Schaltung zusammenzustellen, bevor Du mit der Programmierung startest, kannst Du die Funktionalität mit einfachen Potentiometern oder LEDs prüfen. Diese simulieren die Eingabe der Sensoren. Das sollte aber nur ein Ausnahmefall sein.

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