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Arduino - Mikrocontroller für jedermann

2020-11-24

Arduino

Jeder Elektronik-Enthusiast hat zumindest von Arduino, gehört, weil es dank seiner einzigartigen Eigenschaften eine immense Popularität erlangt hat. Heute schreibt das von Enthusiasten gegründete und entwickelte Unternehmen die Standards für Steckverbinder und die Verteilung von Signalen an große Unternehmen vor - Hersteller von Mikrocontrollern oder Evaluierungskarten. Was ist Arduino und warum ist es zu einem informellen Standard in Bildung und Prototypenbau geworden? Und schließlich, was sind die Arten von Arduino, was können Sie mit Arduino tun und wie können Sie sie an Ihre Bedürfnisse anpassen?

Arduino – perfekte Wahl für Programmierer-Anfänger

Wenn wir die Programmierung von Mikrocontrollern lernen wollen, ist die Arduino-Plattform eine perfekte Wahl. Ebenso wenn wir eine Leidenschaft für Elektronik zusammen mit einer Idee haben und möchten schnell ein Gerät herstellen, das auf einem Mikrocontroller und Standardperipheriegeräten basiert, wie z. B.: alphanumerische Anzeigen, grafische Anzeigen, LEDs, LCDs mit oder ohne zugehörige Tasten, Sensoren, Getriebemodule, Motortreiber oder Magnetventile und viele, viele mehr. Es lohnt sich auch, nach der Arduino-Plattform zu greifen, wenn wir eine Kleinserie von Geräten herstellen möchten, bei denen das "Herz" ein Mikrocontroller sein wird, der nicht unbedingt mit Arduino-Erweiterungsmodulen zusammenarbeitet.

Arduino - was ist das?

Was ist Arduino? Es ist nicht nur eine Mikrocomputerplatine (meistens denken wir nur an sie, wenn wir „Arduino” sagen), sondern eine vollständige Plattform, die auf benutzerfreundlicher Hardware und Software basiert. Wichtig ist, dass es sich um eine Open-Source-Plattform handelt, die den Zugriff auf kostenlose, detaillierte Dokumentation sowie Programmdiagramme und Quellen ermöglicht. In der Regel besteht ein auf der Arduino-Basisplatinen basierendes Gerät aus einer Basisplatine mit einem Mikrocontroller und einem daran angebrachten Erweiterungsmodul, das als Shield bezeichnet wird.

Die meisten Basisplatinen von Arduino verfügen über eine USB-Schnittstelle zum Programmieren mit einem PC. Bei einigen Platinen werden die Mikrocontrollersignale zu den Buchsen geführt, an die die Erweiterungsmodule angeschlossen sind, und bei einigen zu den Lötpunkten. Da solche Karten als Miniaturmodule angeboten werden, werden sie von einigen umgangssprachlich als "Arduino-Mikrocontroller" oder "Arduino-Mikrocomputer" bezeichnet.

Abbildung 1. Erweiterungsmodul mit LED-Anzeige und Tasten. Mit seiner Hilfe können Sie leicht eine Uhr herstellen.

Programmieren mit Arduino

Die Syntax der Programmiersprache Arduino ähnelt der Sprache C++ und ist bei Mikrocontroller-Programmierern sehr beliebt geworden. Die Stärke der Arduino -Entwicklungsumgebung ist die Verfügbarkeit zahlreicher vorgefertigter Bibliotheken, um die Erstellung des Programms zu erleichtern, und die unzähligen vorgefertigten Anwendungen, die von Benutzern dieser Plattform aus der ganzen Welt entwickelt wurden. Wichtig ist, dass die Entwicklungsumgebung allgemein verfügbar ist, unabhängig davon, für welche Zwecke sie verwendet wird. Ebenso die Basisplatine selbst - wenn wir sie nicht kaufen wollen, können wir sie anhand der verfügbaren Dokumentation selbst herstellen.

Eine kurze Geschichte der Entstehung von Arduino

Die Idee von Arduino wurde in Italien am Ivrea Interaction Design Institute geboren. Die Arduino-Plattform sollte für Rapid Prototyping und Programmierunterricht für Studenten konzipiert werden, die sich zuvor noch nicht mit Elektronik und Programmierung befasst hatten. Die Entwickler von Arduino hatten eine großartige Idee, denn sie funktionierte nicht nur an der Universität, sondern auch außerhalb der Bildungseinrichtungen und half vielen Menschen, zu lernen oder die Ideen schnell umzusetzen.

Nachdem die Arduino-Plattform über die Universität hinausging und von einer viel größeren Gruppe von Benutzern empfangen wurde, musste sie sich an neue Herausforderungen anpassen und neuen Anforderungen gerecht werden. Gleichzeitig wurde das Angebot an Basisplatinen erheblich diversifiziert, einschließlich nicht nur einfacher 8-Bit-Einheiten, sondern auch umfangreicherer, die für den Einsatz in IoT-Geräten, tragbaren Geräten, 3D-Druckern und anderen, noch anspruchsvolleren Anwendungen vorgesehen sind. Alle Platten von Arduino basieren auf den Prinzipien der Open-Source-Lizenz, mit der Benutzer sie erstellen und an spezifische Anforderungen anpassen können. Die Software ist auch Open Source und wurde dank der Arbeit von Usern auf der ganzen Welt entwickelt.

Warum ausgerechnet Arduino?

Bis vor einigen Jahren hatte jeder Hersteller von Evaluierungskarten oder Mikrocontrollern seinen eigenen Standard für Steckverbinder, heute entsprechen die meisten von ihnen dem von Arduino eingeführten informellen "Standard". Wahrscheinlich ist der Hauptgrund, abgesehen von der Popularität des Arduino, selbst, die Verfügbarkeit einer großen Anzahl von Erweiterungsmodulen, sog. Shields– hier). Wenn die Pins des angebotenen Evaluierungsboards mit denen des Arduino kompatibel sind, hat der Benutzer die Möglichkeit, das riesige Angebot an Erweiterungsmodulen für Arduino frei zu nutzen, wodurch die erwartete Prototypfunktionalität einfach, kostengünstig und schnell erreicht werden kann. Es bietet auch dem Hersteller von Evaluierungsplatinen einen Vorteil, da es sich auf die Anwendung des Mikrocontrollers selbst konzentrieren kann, ihn mit nur einem minimalen Satz kooperierender Komponenten umgibt und somit seinen Endpreis senkt.

Abbildung 2. Erweiterungsmodul mit GSM-Modem. Dies ist nützlich, um einen Alarm mit Benachrichtigung zu erstellen.

Aufgrund der Benutzerfreundlichkeit, Verfügbarkeit und der unterschiedlichen Bedürfnisse der Benutzer finden Sie unter den Projekten, die mit Arduino implementiert wurden, Lösungen für zahlreiche Probleme und Implementierungen fast aller Geräte. Sie können sie direkt oder als Referenzprojekt verwenden. Anwendungsentwicklungssoftware (Arduino IDE) ist für Anfänger sehr einfach zu verwenden, gleichzeitig ist sie jedoch flexibel und bietet auch fortgeschrittenen Benutzern viele Möglichkeiten. Sie können unter Mac OS-, Windows- und Linux-Betriebssystemen ausgeführt werden. Dank dessen steht es Benutzern mit unterschiedlichen Hardwareeinstellungen und verschiedenen finanziellen Möglichkeiten zur Verfügung.

Es ist unmöglich, alle Verwendungen von Arduino zu zählen, da es von Profis und Hobby-Elektronikern gleichermaßen eifrig verwendet wird. Lehrer und Schüler verwenden Arduino, um kostengünstige Messinstrumente nicht nur für elektrische Größen, sondern auch für chemische und physikalische Experimente zu realisieren. In Schulen auf der ganzen Welt wird es verwendet, um Programmierung und Robotik zu lernen. Designer und Architekten verwenden Arduino, um Prototypen interaktiver Gebäude zu bauen. Musiker und Künstler verwenden es, um interaktive Kunstinstallationen zu erstellen und mit neuen Arten von Musikinstrumenten zu experimentieren. Für viele Menschen ist die Arduino-Plattform ein Schlüsselinstrument zum Erlernen neuer Fähigkeiten. Jeder kann es benutzen: Kinder, Bastler, Künstler, Programmierer, Geräteentwickler und viele mehr. Jeder kann ein Gerät bauen, indem er die schrittweisen Anweisungen des Kits befolgt oder Ideen online mit anderen Mitgliedern der Arduino-Community teilt.

Welches Arduino soll ich wählen?

Um einen Prototyp oder ein Gerät auf der Arduino-Plattform herzustellen, benötigen wir normalerweise eine Basisplatine, die mit einem für unsere Anforderungen geeigneten Mikrocontroller ausgestattet ist. Dazu ein Erweiterungsmodul - Aufsatz shield, die Arduino IDE-Software, ein USB-Kabel, ein Netzteil und einen PC. Derzeit umfasst das Ökosystem verschiedene Arten von Arduino mit verschiedenen Mikrocontrollern und einer großen Anzahl von Erweiterungsmodulen. Beispiele für Module sind auf den Abbildungen 1 bis 3 dargestellt.

Je nach Typ sind Arduino-Platinen mit Anschlüssen ausgestattet - Goldpin-Buchsen oder Lötpunkten, über die die Platte nicht nur angeschlossen, sondern auch an die Leiterplatte eingebetteter Geräte angeschlossen werden kann, wenn der Arduino-Mikrocomputer als Zentraleinheit fungiert. Jeder hat einen Bootloader im Speicher des Mikrocontrollers, der zum Programmieren des "In \ -Circuit" -Prozessors (ohne Enttlöten aus dem System) verwendet wird, indem einfach Optionen aus dem Arduino IDE-Menü ausgewählt werden.

Abbildung 3. Erweiterungsmodul mit Ethernet-Schnittstelle. Es kann für Hausautomationsgeräte nützlich sein.

Die aktuelle Liste der Arduino-Basisplatinen finden Sie in der Tabelle. Die meisten von ihnen verwenden Mikrocontroller mit einem AVR-Kern, aber Sie können auch einen Intel-Prozessor und SAM21 mit dem Kern ARM Cortex -M0+ finden. Es ist erwähnenswert, dass die Tabelle keine Platinen enthält, die mit Prozessoren von Espressif Systems (zum Beispiel dem beliebten ESP8266) ausgestattet sind, und sie können auch mit der Arduino IDE programmiert werden. Bei der Auswahl einer Leiterplatte für die Anwendung müssen Sie die Funktionen des darauf montierten Mikrocontrollers befolgen. Einzelne Einheiten unterscheiden sich in der Größe des verfügbaren Speichers, der Geschwindigkeit des Kerns und der Ausstattung mit Funktionsblöcken wie Schnittstellen, Zeitschaltuhren, PWM-Generatoren usw. Es lohnt sich auch, auf die Leiterplattenanschlüsse zu achten, da einige von ihnen keine Anschlüsse haben, sondern zum Löten vorgesehen sind.

Tabelle 1: Liste der derzeit angebotenen Arduino-Basisplatinen

Typ der Arduino-Platine Prozessortyp E/A/Versorgungsspannung [V] CPU-Taktfrequenz [MHz] Analoge Ein- /Ausgänge Digitale Eingänge- Ausgänge / Anzahl der PWM EEPROM [kB] SRAM [kB] Flash [kB] USB UART
LilyPad USB ATmega32U4 3,3/3,8…5 8 4/0 9/4 1 2,5 32 - Micro
Mega 2560 ATmega2560 5/7…12 16 16/0 54/15 4 8 256 Typ B 4
Micro ATmega32U4 5/7…12 16 12/0 20/7 1 2,5 32 Micro 1
MKR1000 SAMD21 Cortex-M0+ 3,3/5 48 7/1 8/4 - 32 256 Micro 1
Uno ATmega328P 5/7…12 16 6/0 14/6 1 2 32 Typ B 1
Zero ATSAMD21G18 3,3/7…12 48 6/1 14/10 - 32 256 2×Micro 2
Due ATSAM3X8E 3,3/7…12 84 12/2 54/12 - 96 512 2×Micro 4
Leonardo ATmega32U4 5/7…12 16 12/0 20/7 1 2,5 32 Micro 1
Nano ATmega168; ATmega328P 5/7…9 16 8/0 14/6 0.512; 1 1; 2 16; 32 Mini 1
MKRZero SAMD21 (Cortex-M0+) 3,3 48 7 (ADC 8/10/12 bit)/1 (DAC 10 bit) 22/12 - 32 kB 256 kB Ja 1
Yun Rev 2 ATmega32U4; Atheros AR9331 5; 3,3V 16; 400 12/0 20 1 2,5; 64 MB DDR2 32; 16 MB Ja 1
Uno WiFi Rev2 ATmega4808; Funkmodul u-blox NINA-W102 5/7…12 16 6/0 14 0,256 6 48 Ja 1
Nano 33 IoT SAMD21 (Cortex-M0+) 3,3/3,6…21 48 8/1 14 - 32 256 Ja 1
Nano 33 BLE nRF52840 3,3/3,6…21 64 8/0 14 - 256 1MB Ja 1
Nano 33 BLE Sense nRF52840 3,3/3,6…21 64 8/0 14 - 256 1MB Ja 1
MKR1000 WiFi SAMD21 (Cortex-M0+) 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Ja 1
MKR1010 WiFi SAMD21 (Cortex-M0+) 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Ja 1
MKR Vidor 4000 SAMD21 (Cortex-M0+); FPGA Intel Cyclone 10CL016 3,3/5 48; 48…200 7/1; -/- 8; 22 - 32; 8MB SDRAM 256; 2MB Ja 1; 7
MKR Fox 1200 SAMD21 (Cortex-M0+); Funkmodul Microchip Smart RF ATA8520 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Ja 1
MKR GSM 1400 SAMD21 (Cortex-M0+); Funkmodul u-blox SARA-U201 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Ja 1
MKR NB 1500 SAMD21 (Cortex-M0+); Funkmodul u-blox SARA-R410M-02B 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Ja 1
MKR WAN 1310 SAMD21 (Cortex-M0+); Funkmodul CMWX1ZZABZ 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Ja 1
MKR WAN 1300 (LoRA Connectivity) SAMD21 (Cortex-M0+); Funkmodul CMWX1ZZABZ 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Ja 1
Portenta H7 STM32H747XI (Cortex-M7+M4); Funkmodul Murata 1DX WLAN i Bluetooth 5.1 3,3/5 480 7/2 15/8 - 1MB 2MB Ja 4

 

Liste der aktuell angebotenen Arduino Basisplatinen - PDF

Arduino Nano, Arduino Uno und andere

Preiswerte Platinen und die kostenlose Arduino-Entwicklungsumgebung sind eine sehr gute Alternative zu vielen auf dem Markt erhältlichen Evaluierungsplattformen, die beispielsweise von Herstellern von Mikrocontrollern angeboten werden. Durch die Verfügbarkeit von Dokumentation und Open Sources können Sie die Plattform selbst ändern und an Ihre Bedürfnisse anpassen. Fertige Arduino-Platinen sind zu einem günstigen Preis erhältlich. Ein guter Ausgangspunkt für Anfänger ist der Arduino Uno. Es wurde mit einem typischen USB-Anschluss ausgestattet, mit dem Sie die Karte mit einem PC verbinden und die Software einfach mit einem Klick übertragen können. Der auf der Karte montierte ATmega328-Mikrocontroller verfügt über ausreichend Speicher- und Hardwareressourcen, um viele Steuerungs- und Steuerungsanwendungen zu implementieren. Die Taktfrequenz des Kerns beträgt 16 MHz, was eine Maschinenzyklusdauer von 62,5 ns ergibt, und der im Mikrocontroller verwendete AVR-Kern führt die meisten Anweisungen in einem einzelnen Maschinenzyklus aus. Wenn Sie Fähigkeiten und Erfahrungen sammeln, können Sie weitere Varianten auswählen, z. B Arduino Due, Mega 2560 und andere. Zunächst lohnt es sich, auf das Modell Arduino Nano zu achten, bei dem es sich um eine miniaturisierte Version größerer Systeme handelt, beispielsweise ohne Spannungsstabilisator und USB-Anschluss in voller Größe. Das Arduino Nano ist jedoch mit dem gleichen 8-Bit-Prozessor wie die Uno-Platine ausgestattet, dafür mit einer beeindruckenden Größenreduzierung. Bei der Nano-Serie beträgt die PCB-Abmessung 18 mm x 45 mm! Wichtig ist, dass trotz der Hardwareänderung immer noch dieselbe Entwicklungsumgebung verwendet wird.

In der Regel erfolgt die Programmierung des Mikrocontrollers über die USB-Schnittstelle. Damit die Arduino USB-Schnittstelle ordnungsgemäß mit dem von uns verwendeten Betriebssystem funktioniert, ist ein geeigneter Treiber erforderlich, der vom Betriebssystem installiert wird, nachdem die Karte angeschlossen und die Startsoftware des Mikrocontrollers, der sogenannte Bootloader, gesendet wurde. Ursprünglich wurde die Arduino IDE für Windows geschrieben, daher sind die meisten Bootloader für Windows verfügbar und nur einige von ihnen sind an andere Betriebssysteme angepasst. Wenn Sie an einem Computer arbeiten, der mit MacOS oder Linux ausgestattet ist, sollten Sie vor dem Kauf einer bestimmten Arduino-Basisplatine prüfen, ob diese mit dem von uns verwendeten System kompatibel ist.

Abbildung 4. Arduino Uno R3 - für Anfänger empfohlen.

Abschließend weisen wir auf die Website der Arduino-Benutzer hin, die unter https://www.arduino.cc/ verfügbar ist. Dort finden Sie aktuelle Versionen von Programmen, zahlreiche Anwendungen, ein Benutzerforum und eine Wissensdatenbank. Es gibt auch Diagramme und elektrische Parameter von Arduino-Platinen, Beschreibungen und Spezifikationen von Parametern, einschließlich der Beschreibung des Arduino Uno R3 (Abbildung 4), die für Anfänger empfohlen wird. Wir bieten viele Erweiterungsmodule an, und zahlreiche Anwendungsbeispiele sind auf anderen Websites verfügbar. Sie können sie über Suchmaschinen oder Diskussionsgruppen zu Programmierung und Elektronik finden.

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