Ein Mikrocontroller, auch Computer-on-Chip genannt, ist ein elektronisches Gerät aus der Familie der Mikrocomputer. Mikrocontroller gelten als das Gehirn vieler elektronischer Produkte, und dank Mikrocontroller-Boards wurde die Entwicklung eingebetteter Systeme vereinfacht.
Ob Elektro-Enthusiast, Heimwerker oder Profi – Sie sind bestimmt schon einmal auf Mikrocontroller-Boards gestoßen. Diese Mikrocontroller-Boards finden breite Anwendung in elektronischen Geräten wie Robotern, der Hausautomation, Industrieanlagen, digitalen Systemen, medizinischen Geräten, intelligenten Landwirtschaftsgeräten und vielem mehr. In diesem Artikel erfahren Sie, was ein Mikrocontroller-Board ist, welche Hauptkomponenten es hat und welche gängigen Mikrocontroller-Boards es gibt.
Was ist ein Mikrocontroller-Board?
Ein Mikrocontroller ist ein Mikrocomputer, der bestimmte Aufgaben in einem eingebetteten System ausführen soll. Er ist ein Einzelgehäuse, d. h. er besteht aus einer Zentraleinheit (CPU), einem Arbeitsspeicher (RAM), einem Nur-Lese-Speicher (ROM), E/A-Ports, Funktionsregistern, Timern, einem Quarzoszillator, einem Digital-Analog-Wandler (DAC) und einem Analog-Digital-Wandler (ADC) – alles auf einem einzigen Chip.
Ein Mikrocontroller-Board hingegen ist eine Leiterplatte, die die Entwicklung eingebetteter Systeme vereinfacht. Es besteht aus einem Mikrocontroller, I/O-Pins, einer Stromversorgung und Kommunikationsschnittstellen. Ein Mikrocontroller-Board bietet Entwicklungsingenieuren eine Plattform zum Schreiben und Testen von Code und ermöglicht ihnen so, ihre elektronischen Projekte vor der Produktentwicklung zu verifizieren. Darüber hinaus ermöglicht das Mikrocontroller-Board Anwendern die Echtzeitsteuerung elektronischer Geräte wie Sensoren, Motoren, Lampen, Roboter usw. Je nach Bedarf stehen verschiedene Mikrocontroller-Boards zur Verfügung, darunter Arduino UNO, ESP32, STM32 Nucleo und Raspberry Pi. Ein typisches Blockdiagramm eines Mikrocontrollers ist unten dargestellt.
Schlüsselkomponenten einer Mikrocontrollerplatine
Eine Mikrocontroller-Karte ist ein Komplettpaket, das eine einfache und komfortable Lösung für die Entwicklung elektronischer Projekte bietet. Sie ist ein komplettes Ökosystem, das es Entwicklern ermöglicht, ihre elektronischen Projekte zu entwerfen, zu testen und zu validieren. Eine typische Mikrocontroller-Karte besteht aus den folgenden Hauptkomponenten.
1. Mikrocontroller-Chip
Ein Mikrocontroller-Chip dient als Gehirn der Mikrocontroller-Platine. Der Mikrocontroller besteht aus einer CPU, einem Flash-Speicher, einem EEPROM, Timern, DACs und ADCs. Er ist für die Kommunikation zwischen der Mikrocontroller-Platine und der physischen Welt, wie Sensoren, Motoren, LEDs usw., verantwortlich. Wenn Sie Code ausführen oder testen, wird dieser im Flash-Speicher gespeichert. Auf dem Markt sind zahlreiche Mikrocontroller-Chips erhältlich, darunter der 8051-Mikrocontroller, der PIC-Mikrocontroller und der STM32-Mikrocontroller.
2. Spannungsregler
Ein Mikrocontroller arbeitet mit einer 3.3-V-Versorgung. Eine Mikrocontrollerplatine verfügt über einen Spannungsregler, der die Eingangssignale von außen in stabile 3.3 V für den Mikrocontrollerchip umwandelt. Die Arduino UNO-Platine akzeptiert Eingangssignale von 7 V bis 12 V und wandelt diese in 5 V (für die meisten Operationen) und 3.3 V (für einige Peripheriegeräte) um.
3. E/A-Pins
Eine Mikrocontrollerplatine besteht aus verschiedenen Ein-/Ausgabepins, sogenannten I/O-Pins, die sie mit externen Geräten wie Sensoren, Motoren, LEDs, Transistoren usw. verbinden. Diese I/O-Pins werden in digitale I/O-Pins, analoge I/O-Pins und Pulsweitenmodulations-Pins (PWM) unterteilt. Jede Pin-Kategorie dient einem bestimmten Zweck. So dienen digitale I/O-Pins zum Lesen binärer Signale (High = 3.3 V, Low = 0 V) und analoge I/O-Pins zum Lesen analoger Werte in Form von Spannungspegeln, wie z. B. Temperatur- und Feuchtigkeitssensorwerten.
Diese analogen Werte werden dann mithilfe eines ADC digitalisiert, damit der Mikrocontroller sie lesen kann. Ebenso werden PWM-Pins häufig verwendet, um die Motordrehzahl oder die Helligkeit der Glühbirne zu steuern. Das Arduino UNO-Entwicklungsboard verfügt über 14 digitale und 6 analoge E/A-Pins.
4. Kommunikationsanschlüsse
Eine der Hauptaufgaben einer Mikrocontroller-Karte besteht in der Kommunikation mit externen Geräten wie Sensoren und Motoren. Ein Mikrocontroller kommuniziert mit anderen Geräten über serielle Kommunikationsprotokolle. Diese Protokolle sind UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), SPI (Serial Peripheral Interface) und I2C (Inter-Integrated Circuit).
Die meisten modernen Mikrocontroller unterstützen alle drei Kommunikationsprotokolle. Der Entwickler kann selbst entscheiden, welches Kommunikationsprotokoll er für sein Elektronikprojekt verwendet. Jedes Kommunikationsprotokoll verfügt über einzigartige Funktionen, wie beispielsweise UART für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und SPI für die Hochgeschwindigkeitskommunikation. Das Arduino UNO-Entwicklungsboard verfügt über eine UART-, eine I2C- und eine SPI-Schnittstelle.
5. USB-Schnittstelle
Eine Mikrocontroller-Karte verfügt außerdem über einen USB-Anschluss, über den der Benutzer das Programm auf den Mikrocontroller laden oder ihn als Debugging-Terminal nutzen kann. Dies geschieht über den CH340 IC (USB-Seriell-Konverter), der auf der Entwicklungskarte enthalten ist.
6. Reset-Taste
Manchmal, wenn die Mikrocontrollerplatine festhängt und nicht reagiert, wird die Reset-Taste verwendet, um den Mikrocontroller neu zu starten. Dies ähnelt einem Neustart Ihres Computers.
7. Anschlüsse
Auf einer Mikrocontrollerplatine sind verschiedene Stift-/Buchsenleisten und Anschlüsse enthalten, die dem Designer das Anschließen der Platine an ein Steckbrett erleichtern.
8. LEDs und Tasten
Die meisten Mikrocontroller-Entwicklungsboards verfügen über LEDs und Bedientasten für schnelle Tests und die Fehlersuche. LEDs werden hauptsächlich für Programmierzwecke, z. B. zum Umschalten usw., verwendet.
9. Quarzoszillator
Mikrocontroller-Boards sind mit einem Quarzoszillator ausgestattet, der den Systemtakt bereitstellt.
Warum eine Mikrocontrollerplatine verwenden?
Mikrocontroller-Boards bieten Designern eine praktische Plattform zum Testen und Validieren ihrer Designs. Aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit werden Mikrocontroller-Boards häufig für akademische Zwecke und Prototyping eingesetzt. Sie sind das optimale Werkzeug für Studierende, um eingebettete Systeme zu erlernen, und für Profis, um ihre Prototypen zu validieren. Kurz gesagt: Mikrocontroller-Boards sind weit verbreitet, weil sie:
1. Einfach zu bedienen:
Die externe Schaltung ist bereits auf dem Entwicklungsboard enthalten, was die Handhabung vereinfacht. Man kann sofort mit dem Bauen beginnen.
2. Hervorragend für Prototyping:
Es ist eine beliebte Wahl für diejenigen, die ihr Design validieren möchten, ohne eine benutzerdefinierte Leiterplatte herstellen zu müssen. Es reduziert auch die Entwicklungskosten des Prototyps.
3. Einfach zu programmieren:
Mikrocontroller-Boards, einschließlich Arduino UNO, unterstützen höhere Programmiersprachen wie C und C++ und sind daher bei Entwicklern eingebetteter Software und Hardware eine beliebte Wahl.
4. GPIO-Zugriff:
Mikrocontroller-Boards bieten einfachen Zugriff auf die GPIOs (General Purpose Input Output) des Mikrocontroller-Chips. Diese Pins können als digitale E/A, analoge E/A und auch für PWM-Zwecke konfiguriert werden.
5. Alles in einem Paket:
Das Erstaunlichste an Mikrocontroller-Boards ist, dass sie ein Komplettpaket bieten, das alles wie CPU, Mikrocontroller, IO-Pins, EEPROM, USB usw. in einer einzigen Einheit vereint.
Beliebte Mikrocontroller-Boards
Verschiedene Mikrocontroller-Boards sind aufgrund ihrer einzigartigen Funktionen bekannt. Zu den beliebtesten Mikrocontroller-Boards zählen:
1. Arduino UNO
Der Arduino Uno ist eines der weltweit am häufigsten verwendeten und beliebtesten Entwicklungsboards. Er eignet sich für kleine, einfache und selbstgebaute Projekte. Diese Entwicklungsboards werden hauptsächlich von Anfängern, Studenten und für Prototyping-Zwecke verwendet. Er besteht aus einem Atmega 328 Mikrocontroller-Chip, einem 16-MHz-Quarz, einer USB-Schnittstelle sowie 16 digitalen und sechs analogen E/A-Pins.
2. Raspberry Pi Pico
Raspberry Pi Pico ist ein fortschrittliches Entwicklungsboard mit einem RP2040-Mikrocontroller, 26 GPIO-Pins und jeweils zwei Kommunikationskanälen für UART-, I2C- und SPI-Protokolle. Es verfügt außerdem über einen Quarzoszillator mit 2 MHz. Das Entwicklungsboard unterstützt die Programmiersprache C/C++.
3. ESP32
ESP32 ist ein fortschrittliches Mikrocontroller-Entwicklungsboard mit integriertem WLAN-Modul. Es besteht aus einem Xtensa-Mikrocontroller mit einer Taktfrequenz von 240 MHz. Es verfügt außerdem über ein integriertes Bluetooth-Modul und 34 GPIO-Pins.
4. STM 32 Nucleo
STM32-Entwicklungsboards werden für anspruchsvolle elektronische Projektentwicklungen wie die industrielle Automatisierung und komplexe eingebettete Systeme verwendet. Dieses Entwicklungsboard verfügt nicht nur über 2 MB Flash-Speicher, sondern unterstützt auch das CAN-Kommunikationsprotokoll.
Branchenübergreifende Anwendungen von Mikrocontroller-Boards
Mikrocontroller-Boards werden in nahezu allen Bereichen der Elektronik eingesetzt. Die wichtigsten Anwendungsbereiche für Mikrocontroller-Boards sind:
1. Unterhaltungselektronik:
In fast allen elektronischen Geräten der Unterhaltungselektronik, einschließlich Mikrowellenherden, Smart-TVs, Gadgets und Fernbedienungen, werden Mikrocontroller-Boards verwendet.
2. Gesundheitssektor:
Verschiedene medizinische Geräte, wie Blutdruckmessgeräte, EKG-Messgeräte und andere Diagnosegeräte, verwenden die Mikrocontroller-Platinen.
3. Landwirtschaft:
In jeder intelligenten Landwirtschaft werden für elektronische Geräte wie Bodenüberwachungsgeräte usw. Mikrocontrollerplatinen verwendet.
4. Industrielle Automatisierung:
In der Industrie werden Mikrocontroller häufig zur Steuerung von Sensoren, Motoren und Aktoren eingesetzt.
5. Automobilindustrie:
In der Automobilindustrie werden Mikrocontroller für verschiedene Zwecke eingesetzt, unter anderem für Beleuchtungssysteme.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mikrocontroller-Boards eine zentrale Rolle bei Design und Entwicklung elektronischer Produkte spielen, da sie Designern eine All-in-One-Plattform bieten. Verschiedene Mikrocontroller-Entwicklungsboards wie Arduino UNO, STM32 usw. bieten Designern benutzerfreundliche, kostengünstige und leistungsstarke Tools zum Erstellen und Validieren ihrer Prototypen.
