Am Rande des Mikrocontrollers

Ein Mikrocontroller ist mehr als nur ein Prozessor – per Definition ist er ein System, das mindestens einige Komponenten enthält. Dazu gehören Elemente, die für die eigenständige Ausführung eines Programms notwendig sind, wie Speicher oder eine Taktquelle. Aber in einem Mikrocontroller finden wir auch zusätzliche Schaltungen, die als Peripheriegeräte bezeichnet werden.

In diesem Artikel werden wir versuchen, auf verständliche Weise zu erklären, was Mikrocontroller-Peripheriegeräte sind, und die Funktionen ihrer bekanntesten Beispiele beschreiben. Es sollte betont werden, dass dieser Text in erster Linie für Amateure gedacht ist, die gerade erst ihr Abenteuer mit Elektronik beginnen. Wir werden nicht auf das Funktionsprinzip jedes Peripheriegeräts eingehen, da einige von ihnen sehr komplex sind. Konzentrieren wir uns vorerst auf grundlegende Konzepte und Technologien. Die meisten von ihnen werden beim ersten Kontakt mit einem Mikrocontroller oder Arduino-Modul begegnet...

In diesem Artikel beantworten wir folgende Fragen:

• Ist ein Mikrocontroller-Pin ein Peripheriegerät?
• Wofür wird ein A/C-Wandler verwendet?
• Was ist ein DAC und wie funktioniert er?
• Was ist der Unterschied zwischen einem Zähler und einem Timer?
• Was bedeutet "Hardware-Schnittstelle"?
• Warum ist USB in Mikrocontrollern selten zu finden?
• Welche Anwendungen hat eine RTC-Uhr?
• Wie verbessert ein Watchdog die Gerätestabilität?
• Wie werden Mikrocontroller in der Zukunft aussehen?

Was bedeutet "Peripheriegeräte" eigentlich?

Beim Erklären der allgemeinen Annahmen eines Mikrocontrollers als Komponente wird oft eine Analogie zu einem Computer verwendet. Denn tatsächlich ist ein Mikrocontroller ein kompakter Computer, der in Form eines integrierten Schaltkreises konstruiert ist. Das Blockdiagramm unten zeigt die verallgemeinerte Struktur des ATmega328 – eines Mikrocontrollers, der unter anderem im Herzen des Arduino Uno zu finden ist. Es enthält unter anderem Elemente mit Namen, die uns von einem Desktop-Computer oder Laptop gut bekannt sind (z. B. CPU, FLASH und SRAM). Aber nicht nur.

Blockdiagramm des ATmega328 Mikrocontrollers.

In der Mitte haben wir natürlich den Prozessor (CPU, oder eher die arithmetisch-logische Einheit ALU mit ähnlicher Funktionalität), Arbeitsspeicher (SRAM oder ein kleiner, sehr schneller Cache-Speicher, der zur Speicherung häufig verwendeter Daten verwendet wird) und Programmspeicher (eine Art Festplatte, hier als Flash-Struktur ausgeführt). Es ist bemerkenswert, dass diese Elemente auf einem Mikroprozessor-Diagramm nicht zu finden wären – was den grundlegenden Unterschied zwischen diesen Lösungen anzeigt. Beim Entwurf eines Mikrocontrollers streben die Hersteller danach, die größtmögliche Integration und Vielseitigkeit zu erreichen – damit ein einziges System die Funktionalität eines komplexen, praktischen Schaltkreises hat.

Mehrere andere Elemente des Diagramms können durch eine Analogie zu einem Computer erklärt werden: EEPROM ist ebenfalls eine Art Speicher, und der Schaltkreis enthält auch einen Oszillator, der ein Taktsignal erzeugt, das zur Taktung des Prozessors verwendet wird. Die Dinge werden etwas komplizierter, da zusätzliche Blöcke an den Hauptbus angeschlossen wurden: UART, SPI, Timer/Zähler (T/C) – ähnlich wie eine Maus, ein Drucker oder ein Monitor an einen Computer angeschlossen werden. Dies sind Peripheriegeräte. In der Vergangenheit wurden ihre Funktionen mit separaten integrierten Schaltkreisen oder ganzen spezialisierten Schaltungen realisiert. Der Mikrocontroller enthält sie, um die Aufgabe für Designer und Hersteller elektronischer Geräte zu erleichtern, aber sie sind optionale Ausrüstung.

GPIO

Wie im Diagramm zu sehen ist, haben einige Peripheriegeräte externe Anschlüsse. Aber das ist selten: Die meisten Komponenten kommunizieren mit der "Außenwelt" über Ports, die mit den physischen Pins des Mikrocontrollers verbunden sind. Ports (allgemein als Abkürzung GPIO bezeichnet, was für general-purpose input/output) stehen, können programmatisch (oft automatisch) konfiguriert werden, um verschiedene Funktionen auszuführen (sobald die Rolle von GPIO vom Programmautor konfiguriert und diese Konfiguration im nichtflüchtigen Speicher gespeichert ist, wird sie beim Neustart geladen. Auf diese Weise sind GPIO-Ports bereit, ihre zugewiesene Funktionalität zu erfüllen). Ein einzelner Pin kann (zum Beispiel) verwendet werden, um eine LED zu steuern, mit einem Kommunikationseingang verbunden oder als PWM-Generatorausgang dienen.

Häufig anzutreffende Peripheriegeräte

Die Unterschiede zwischen auf dem Markt erhältlichen Mikrocontrollern sind enorm: Einige können unabhängig als Netzwerkgerät arbeiten – andere sind auf Miniaturisierung ausgelegt und haben nur wenige grundlegende Peripheriegeräte und (buchstäblich) einige Anschlüsse. Aber welche Peripheriegeräte sind am häufigsten anzutreffen und stellen im Wesentlichen die Standardausstattung von Mikrocontrollern dar?

Analog-Digital-Wandler

Analog-Digital-Wandler gehören zu den beliebtesten Peripheriegeräten, die in Mikrocontrollern zu finden sind. Sie können auch in eigenständigen Versionen erworben werden – dann haben sie in der Regel eine höhere Genauigkeit und Störfestigkeit, obwohl heutzutage diese Unterschiede nur in professionellen Anwendungen, bei denen sehr hohe Präzision erforderlich ist, bemerkbar sind. Diese Systeme werden auch mit der Abkürzung A/C oder aus dem Englischen ADC (analog-digital converter) bezeichnet.

Die Funktion eines A/C-Wandlers ist relativ einfach: Er stellt den Wert einer elektrischen Spannung in digitaler Form dar, d. h. als Zahl. Mit anderen Worten, es ist ein digitales Voltmeter. Da (wie wir aus dem Ohmschen Gesetz wissen) Spannung, Strom und Widerstand verwandte physikalische Größen sind, ermöglicht das ADC-System auch das Sammeln von Daten über Strom und Widerstand. Die Verwendung solcher Wandler umfasst unter anderem das Ablesen von analogen Sensoranzeigen, Thermoelementen usw. Eine uns allen bekannte Rolle dieser Systeme ist die Bestimmung des Ladezustands der Batterie in batteriebetriebenen Geräten. ADCs bilden auch die Grundlage für die Eingänge von Multimedia-Geräten, die analoge Signale in ihre digitale Darstellung umwandeln. So funktionieren Scanner, Kameras, Fotoapparate und Rekorder.

Der grundlegende Parameter eines Wandlers ist seine Auflösung, gemessen in Bits, die mit der Anzahl der im System verwendeten Komparatoren zusammenhängt. Wenn von einem 8-Bit-Element die Rede ist, bedeutet dies, dass es Werte von 0 bis 255 (d. h. 2^8) anzeigt, bei 12 Bits erhöht sich die Genauigkeit auf 4096, bei 16 auf 65536 usw. Die Auflösung bezieht sich auf die Teilung der vollen ADC-Skala, deren obere Grenze durch die Referenzspannung bestimmt wird. In einem Mikrocontroller wird sie von einem separaten Peripheriegerät bereitgestellt oder erfordert den Anschluss einer externen Quelle (in AVR-Systemen wird dafür der Pin mit der Bezeichnung AREF verwendet). Es handelt sich um einen Spannungsregler mit begrenzten Stromfähigkeiten, aber hoher Präzision und Stabilität. Der gemessene Spannungswert darf den von der Referenzquelle bereitgestellten Wert nicht überschreiten – daher wird in der Praxis oft ein optimal kalibrierter Teilerkreis an den Eingang des A/C-Wandlers angeschlossen.

Aus Sicht des Programms ist die Handhabung von A/C-Wandlern einfach, in einigen Umgebungen beschränkt sie sich auf das Abrufen eines Wertes von einem analogen Eingang. Beispielsweise unterscheiden Arduino-Module Pins, an die Wandler angeschlossen sind, indem sie sie mit dem Buchstaben A für "analog" kennzeichnen.

DAC oder Digital-Analog-Wandler

In fortgeschritteneren Systemen werden Wandler mit umgekehrter Funktion, d. h. C/A, digital-analog, angetroffen. Auch bekannt unter ihrem englischen Namen DAC, finden sich nicht nur im Kontext elektronischer Komponenten, sondern auch in Multimedia-Geräten. Dies liegt daran, dass Peripheriegeräte dieser Art dazu dienen, abstrakte Zahlen in einen entsprechenden Spannungswert umzuwandeln. Dank ihnen können digital aufgezeichnete Tonsamples (buchstäblich) in Schallwellen umgewandelt werden, indem die Lautsprechermembran bewegt wird.

DAC, wie ADC, hat eine in Bits ausgedrückte Auflösung – die Genauigkeitsberechnung hier ist analog zu der oben beschriebenen. Es sollte beachtet werden, dass der DAC-Ausgang typischerweise eine geringe Leistung hat, sodass in der Praxis die Ausgänge solcher Peripheriegeräte am häufigsten mit Verstärkern verbunden sind.

DAC ist ein System, das in Mikrocontrollern aufgrund eines engeren Anwendungsspektrums weniger häufig zu finden ist. Anwendungen solcher Wandler liegen hauptsächlich im Bereich der Multimedia, umfassen aber auch: Erstellung digitaler Potentiometer, Kalibriersysteme, Displaysteuerung. Sie werden manchmal zur Steuerung des Motorbetriebs verwendet, jedoch nur bei Elementen, die eine Spannungsregelung erfordern. C/A-Wandler sind auch ein wichtiges Element von SDR-Systemen, d. h. softwaregesteuerten Funkschaltungen.

Zähler und Timer

Zähler und Timer sind theoretisch separate Peripheriegeräte, werden jedoch häufig zusammen verwendet, um gemeinsam eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Ein Timer wird verwendet, um gleiche Zeitintervalle zu bestimmen, meist basierend auf dem Taktsignal des Mikrocontrollers. Die Aufgabe des Zählers – ganz offensichtlich – ist das Zählen von Impulsen. Es kann als Inkrementierung oder Dekrementierung (Auf- oder Abzählen, beginnend von einem gegebenen Wert) durchgeführt werden. Das Zählerregister hat eine begrenzte Kapazität (in Bits in der Produktspezifikation angegeben), und bei seinem Überlauf (Nullstellung) wird ein Interrupt erzeugt – so kann ein Programm geschrieben werden, das eins-zu-x Impulse aufzeichnet, ohne dass das Signal ständig überwacht werden muss. Dies hat zwei Vorteile: Es entlastet den Mikrocontroller-Kern und ermöglicht es ihm, mit Hochfrequenzsignalen zu arbeiten. Dies ist eine sehr flexible Methode, da der Ausgangswert des Zählers einstellbar ist, sodass wir von jedem Wert im Bereich von 1 bis zur maximalen Registerkapazität zählen können.

Perioden zählen, ein Wort über den Prescaler

Die vom Zähler summierten Impulse können als steigende oder fallende Flanke auftreten, die am physischen Pin des Systems auftritt, aber auch direkt vom Timer kommen. In einem solchen Fall wird der Zähler verwendet, um längere Zeiträume zu zählen. Denken Sie daran, dass der Mikrocontroller auf einem Signal basiert, dessen Frequenz in Megahertz angegeben ist, und somit mit einer Periode von mehreren zehn oder sogar wenigen Nanosekunden.

Verwenden wir die Spezifikation des oben genannten ATmega328-Systems: Ein 16-Bit-Zähler (max. Wert 65535), der Taktsignale zählt (16MHz, d. h. alle 62,5 Nanosekunden auftretend), würde nach nur 4 Millisekunden überlaufen.

Ein so häufiges Auftreten von Interrupts kann wünschenswert sein, jedoch nicht in einer begrenzten Anzahl von Anwendungen – daher sind Timer zusätzlich mit einem Prescaler-Schaltkreis ausgestattet. Der Prescaler reduziert die Geschwindigkeit des Timereingangssignals, indem er die Impulsfrequenz durch eine bestimmte Zahl teilt. Bleiben wir beim Beispiel des ATmega328-Mikrocontrollers: Er verwendet einen 10-Bit-Prescaler, der es ermöglicht, die Taktsignalfrequenz durch 8, 32, 64, 128, 256 oder 1024 zu teilen. Mit letzterem wird der Timer einen von 1024 Impulsen aufzeichnen. Ein an einen solchen skalierten Timer angeschlossener 16-Bit-Zähler kann einen Interrupt in Intervallen von bis zu 4 Sekunden erzeugen (62,5ns 1024 65535 ≈ 4,2s).

Anwendungen

Wie Sie sich vorstellen können, ist die Kontrolle über die Anzahl der Impulse und Zeiträume eine der wichtigsten Funktionalitäten elektronischer Komponenten:

• sie ermöglichen die Erzeugung von PWM-Signalen, d. h. Rechtecksignalen, die unter anderem zur Steuerung der Motordrehzahl oder der Helligkeit von Lichtquellen verwendet werden;
• sie haben wichtige Anwendungen in der asynchronen Kommunikation,
• sie werden verwendet, um Steuerverzögerungen im Programm einzuführen (z. B. Entprellen, d. h. das Ignorieren des instabilen Zustands von Relais-/Schalterkontakten);
• sie erleichtern die Einführung von Unterprogrammen, die zyklisch ausgeführt werden, sodass Geräte reibungslos arbeiten, aber regelmäßig die Zustände von Schaltern, Sensoren und anderen Eingabeelementen überwachen.

Kommunikationsschnittstellen

In unserer Serie über die Grundlagen der Elektronik haben wir den Mikrocontroller-Kommunikationsschnittstellen einen separaten Artikel gewidmet. Daher werden wir uns an dieser Stelle auf die allgemeinsten Informationen beschränken. Die Kommunikation mit anderen Komponenten/Geräten kann über eine Hardware-Schnittstelle, d. h. ein Mikrocontroller-Peripheriegerät, oder softwarebasiert erfolgen. Im letzteren Fall steuert das Programm, auf Kosten der Rechenleistung der CPU, jeden Aspekt des Datenaustauschs, einschließlich der Erzeugung von Taktsignalen usw. Um den Betrieb des gesamten Systems zu beschleunigen, ist eine optimalere Lösung die Verwendung eines Schaltkreises, der die mit der Bussteuerung verbundenen Aufgaben übernimmt und sogar (in einigen Fällen) das Kommunikationsprotokoll. Aus Sicht des Programms ist die Übertragung dann maximal vereinfacht: Sie besteht darin, Daten in den Ausgabepuffer einzugeben und aus dem Eingabepuffer abzurufen.

Vorteile der Verwendung von Puffern

Die Verwendung von Puffern bedeutet, dass der Mikrocontroller-Kern nicht sofort in den Kommunikationsprozess eingreifen muss. Dennoch können die Schaltungen ausgewählter Schnittstellen, da in einigen Anwendungen eine direkte Reaktion auf empfangene Daten wünschenswert ist, einen Hardware-Interrupt erzeugen, wenn neue Werte im Puffer erscheinen.

Die beliebtesten Hardware-Schnittstellen

In Mikrocontrollern werden am häufigsten Schnittstellen verwendet, die zur Kommunikation mit anderen integrierten Schaltungen (Treibern, Controllern, Multiplexern usw.) verwendet werden, obwohl einige von ihnen breitere Anwendungen haben. Die beliebtesten Lösungen umfassen Schaltungen, die serielle Busse SPI und I²C unterstützen. Dies sind Technologien mit relativ hoher Durchsatzrate, die sich durch einfache Implementierung auszeichnen (erfordern nur wenige Leitungen, in Programmierumgebungen werden sie mit intuitiven Befehlen gehandhabt). Ihr übergeordneter Vorteil bleibt Popularität: Sie ermöglichen eine erhebliche Erweiterung der Fähigkeiten des Mikrocontrollers, indem sie unzählige Treiber, Sensoren, Displays, Multiplexer und viele andere Schaltungen/Module verbinden. Das Gleiche gilt für die UART-Schnittstelle, die seit mehreren Jahrzehnten in der Elektronik weit verbreitet ist und eine einfache Umwandlung in den USB-Standard ermöglicht (unter Verwendung beispielsweise des FT232-Systems), wodurch der Schaltkreis die Fähigkeit erhält, mit einem Computer zu kommunizieren. Eine solche Funktionalität wird verwendet, um Diagnose-, Serviceverbindungen, Aktualisierung des Mikrocontroller-Programms und viele andere Anwendungen durchzuführen.

Andere Peripheriegeräte und die Zukunft der Mikrocontroller

Die oben beschriebenen Schaltungen sind in fast allen Mikrocontrollern enthalten. Man könnte sogar die These wagen, dass es genau ihrer Implementierung zu verdanken ist, dass Mikrocontroller heute so beliebt sind – sie gaben diesen Systemen universelle Fähigkeiten und reduzierten komplexe Systeme auf einen einzigen "Chip". Aber die Entwicklung der Mikrocontroller schreitet ständig voran, sodass sie an die modernsten Anwendungen angepasst und benutzerfreundlich bleiben. Daher ist es wert, einige weitere beliebte Peripheriegeräte hervorzuheben und auf Markttrends zu achten, die darauf hindeuten, welche Lösungen in naher Zukunft zu gängigen Standards werden.

USB

In der zuvor erwähnten Liste der beliebten Schnittstellen fehlte USB, ein Bus, der aus der Computerindustrie und der Unterhaltungselektronik gut bekannt ist. Tatsächlich werden USB-Hardware-Unterstützungssysteme in günstigeren Mikrocontrollern nicht oft implementiert – hauptsächlich aufgrund ihrer Komplexität und der hohen Signalfrequenz, die Kosten mit sich bringt. Hersteller sind sich jedoch bewusst, dass es genau auf Mikrocontrollern basiert, dass die Funktionsweise einer wachsenden Anzahl von elektronischen Zubehörteilen, IoT-Geräten, Hausautomatisierungsmodulen und Produkten für den Markt der industriellen Automatisierung beruht. Diese wachsende Popularität ergibt sich unter anderem aus der Notwendigkeit, ihre Software und Sicherheit regelmäßig zu aktualisieren (was in Konstruktionen, die auf einfachen Systemen mit einer strikt definierten Funktion basieren, unmöglich wäre). Gleichzeitig erwarten Benutzer/Betreiber/Techniker zunehmend, dass die von ihnen verwendeten Geräte die USB-Schnittstelle unterstützen (z. B. für eine bequeme Konfiguration mit einem Laptop). Daher ist der USB-Controller ein Peripheriegerät, das zunehmend in Mikrocontrollern, insbesondere komplexeren, zu finden ist. Dank ihnen werden Schaltungen vereinfacht, wodurch die Notwendigkeit entfällt, Geräte auf Basis von Mikroprozessorsystemen zu bauen.

RTC oder Echtzeituhr

Eine weitere praktische Wahl, die Hersteller zunehmend treffen, ist die Integration einer Echtzeituhr (RTC, aus dem Englischen real-time clock) in den Mikrocontroller. Dank ihr hat das System ununterbrochenen Zugriff auf Informationen über das aktuelle Datum und die Uhrzeit. Dies hat natürlich eine Reihe praktischer Anwendungen (Uhrenbau, Zeitsteuerungen usw.) – bezieht sich aber auch auf wachsende IT-Sicherheitsanforderungen, die auf ablaufenden Zugangsschlüsseln, Tokens, Zertifikaten usw. basieren.

PWM-Generator

Während Timer und Zähler tatsächlich zur Erzeugung von PWM-Signalen verwendet werden können, haben sie in der Praxis eine Reihe anderer Anwendungen, und ihre Verwendung für eine so triviale Funktion ist nicht optimal. Aus diesem Grund enthalten viele Mikrocontroller unabhängige Rechteckwellengeneratoren, die als unabhängige Peripheriegeräte fungieren. Dies ermöglicht die Steuerung von Empfängern (z. B. Helligkeit von Lichtquellen) mit minimalem Kerneinsatz: Befehle zur Handhabung des Generators beschränken sich auf Anweisungen zu seiner Einstellung und Aktivierung.

Watchdog

Watchdog Timer (WDT)-Systeme sind nicht neu, aber heute sind sie im Wesentlichen ein Standard in der Mikrocontroller-Industrie. Dies sind Schaltungen, die verwendet werden, um den Mikrocontroller im Falle eines Fehlers zurückzusetzen, z. B. wenn er in einer Endlosschleife des Programms hängen bleibt oder Fehler im Zusammenhang mit vorübergehenden Stromversorgungsstörungen, Taktsignal usw. auftreten. Der Umfang der WTD-Funktion ist konfigurierbar, was in Programmierumgebungen häufig berücksichtigt wird.

Ein Blick in die Zukunft

Schließlich werfen wir einen Blick auf einige "Neuheiten", die noch keine Standardelemente von Mikrocontrollern sind, aber dank ihrer unbestreitbaren Vorteile schnell eine wachsende Gruppe von Enthusiasten gewonnen haben.

Kernunabhängige Peripheriegeräte

CIP (Core Independent Peripherals) sind Peripheriegeräte, die völlig unabhängig vom Kern arbeiten, in der Lage sind, ohne Verzögerung des Hauptprogramms zu funktionieren, und auch dann, wenn der Rest der Komponenten im System im Schlafmodus ist, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Dies optimiert das System für den Einsatz in batteriebetriebenen Schaltungen, z. B. entfernten IoT-Sensoren oder mobilen Geräten. In Form von CIP werden Komparatoren, Wandler, Generatoren und eine wachsende Anzahl anderer Peripheriegeräte realisiert.

Was ist CLB?

Seit einiger Zeit implementieren ausgewählte Mikrocontroller der Marke Microchip CLB, oder Configurable Logic Block-Peripheriegeräte. Dies sind Strukturen, die aus grundlegenden Logikgattern bestehen, die vom Designer frei verbunden/konfiguriert werden können (genau wie in FPGA-Systemen). Ein solches Peripheriegerät kann sehr schnell bedingte Anweisungen und andere einfache Funktionen ausführen (z. B. Umschalten zwischen Betriebsmodi, Einschalten der Hintergrundbeleuchtung usw.) und auch einen Interrupt für das Hauptmikrocontroller-Programm nur dann erzeugen, wenn dies erforderlich ist.

Kapazitive Berührungsschalter

Seit über einem Jahrzehnt werden in AVR-Mikrocontrollern (wenn auch nicht nur) Pins angetroffen, die die Implementierung einer berührungsempfindlichen Benutzeroberfläche ermöglichen. Diese können beispielsweise Tasten oder Schieberegler sein, die in Form von leitfähigen Feldern unter der Oberfläche eines Panels/Gehäuses ausgeführt sind. Der Mikrocontroller erkennt die Interaktion mit ihnen, unter Verwendung der kapazitiven Technologie, d. h. einer Änderung der Kapazität, die durch die Nähe des Körpers zum kapazitiven Sensor (Elektrode) verursacht wird. Eine solche Lösung eliminiert im Wesentlichen die Notwendigkeit elektromechanischer Elemente, und da sie im Hauptsteuersystem enthalten ist, ermöglicht sie den Bau von Geräten mit außergewöhnlich kompakter Bauweise.

Transfer Multisort Elektronik (TME) gehört zu den weltweit größten Distributoren für elektronische Komponenten, elektrotechnische Bauteile, Werkstattausrüstung und industrielle Automatisierung. Der Katalog umfasst über 1.500.000 Produkte von 1.300 führenden Herstellern. Moderne Logistikzentren von TME in Łódź und Rzgów (Polen) mit einer Gesamtfläche von über 40.000 m² versenden täglich fast 6.000 Pakete an Kunden in mehr als 150 Ländern.

TME engagiert sich zudem für die Förderung der Kenntnisse und Fähigkeiten junger Ingenieure und Elektronikbegeisterter durch das Projekt TME Education und unterstützt die Tech-Community mit der Veranstaltungsreihe TechMasterEvent, die Innovation und Erfahrungsaustausch fördert.