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Was sind Mikrocontroller?

Ein Mikrocontroller ist ein Prozessor, bei dem im Unterschied zu PC-Prozessoren (Mikro-
rechnern) Speicher, wichtige Baugruppen wie Zeitgeber, digitale sowie analoge Ein- und Ausgabegeräte, auf einem einzigen Chip integriert sind, so dass eine Mikrocontroller-Lösung oft mit einigen wenigen externen Bauteilen auskommt.

Ein PC-Prozessor verfügt nicht über eigene Eingabe- und Ausgabekomponenten, sondern über eine Verbindung zu einem externen Systembus, an den die Ein- und Ausgabegeräte zum Beispiel als Steckkarten angeschlossen sind.

In immer mehr Geräten des Alltags werden die Aufgaben von analogen Schaltungen durch Mikrocontroller realisiert. Damit lassen sich vor allem die Produktionskosten der Hardware drastisch senken.

myAVR Board MK2
myAVR Board MK2

Wo werden Mikrocontroller eingesetzt?

Hier ein paar Beispiele, für welche Aufgaben Mikrocontroller verwendet werden können:
  • Roboter, CD-, MP3- und DVD-Player,
  • Temperaturregler, Füllstandsregler, Motorsteuerungen,
  • Signaldecoder für Satellitenempfang, Fernbedienung,
  • Alarmanlagen, Schaltuhren,
  • Ladegeräte, Waschmaschinen, Geschirrspüler,
  • Fernseher, Radio, Wecker/Uhr,
  • Messwerterfassung (z.B. Drehzahlmessung im Auto),
  • intelligente Geräte in der Automatisierungstechnik,
  • intelligente Sensoren,
  • intelligente Aktoren z.B. die Airbags in PKW,
  • Handy, alle Formen von Heimelektronik,
  • Geräte der Medizintechnik, Spielzeug ...


Vorkommen von Mikrocontrollern

mySmartUSB MK2
(Programmer und Bridge)
Anforderungen und Möglichkeiten von Mikrocontrollerlösungen:
  • programmierbar (Update, Optimierung, Wartung)
  • flexible Schnittstellen (vielfältig, integriert, standardisiert)
  • Selbstdiagnose, Fehlerkorrektur, Debuginterface
  • Echtzeitfähigkeit (schnelle Reaktionszeiten)
  • Timer, Interruptfähigkeit
  • deterministisch (bestimmbares, berechenbares Verhalten)
  • geringe Kosten, geringer Leistungsverbrauch
Die Anwendungsgebiete von Mikrocontrollern sind schier unendlich. In allen Bereichen unseres Lebens lassen sich heute "versteckte" Mikrocontroller finden.

Welche Mikrocontroller gibt es?

Mikrocontroller werden von unterschiedlichen Firmen angeboten. Weit verbreitete 8-Bit-Mikrocontroller sind die der Intel-Reihe 8051, der Zilog-Reihe Z8, die PIC-Controller der Firma Microsystems und die AVR-Controller der Firma Atmel.

Die AVR-Reihen von Atmel haben eine innovative RISC-Architektur, die schnell und einfach zu erlernen ist. Sie sind inzwischen sehr weit verbreitet. Sie sind elektrisch robust und bis zu 1000-mal programmierbar. Da die AVR-Prozessoren zu den modernsten Controllern am Markt gehören und enorme Zuwachsraten aufweisen, sollen sich alle Ausführungen und die Experimentierhardware auf diese Controller beziehen.
Prinzipiell lassen sich jedoch alle Aussagen auf alle anderen Mikrocontroller übertragen. Ein pikanter Hintergrund ist, dass der AVR-Kern eine Entwicklung von zwei Studenten der Universität Trontheim in Norwegen ist. Atmel kaufte die Lizenz und entwickelte dieses innovative Konzept weiter. Hartnäckig hält sich das Gerücht, dass die Abkürzung „AVR“ etwas mit den Vornamen der beiden inzwischen nicht mehr Studenten Alf Egil Bogen und Vegard Wollan zu tun hat, die diesen RISC-Prozessor entwickelt haben. Wer weiß ;-)

RS232-Treiber
Im Folgenden eine Auswahl von verschiedenen Prozessorklassen:

  • Mikroprozessor: Ein "herkömmlicher" Prozessor, wie er auch in PCs zu finden ist. Die Verbindung mit der Außenwelt erfolgt ausschließlich über weitere Bausteine in einem Bussystem.
    Fokus: allgemeine Aufgaben, Leistung, Flexibilität, Standardhardware, Standardsoftware.

  • Mikrocontroller: Ein Mikrocontroller beinhaltet in einem Chip bereits alle Komponenten, die ihn zu einem funktionsfähigen 1-Chip-µRechner machen. Er besitzt also neben einem Prozessor auch Speicher, diverse Schnittstellencontroller, Timer, einen Interruptcontroller. Er kann über digitale und analoge Ein- und Ausgabeleitungen Mess- und Steueraufgaben ausführen.
    Fokus: Spezialisierung auf konkrete Aufgaben, Platzbedarf, Energieverbrauch.

  • Signalprozessor, Digitaler Signalprozessor (DSP), Mixed-Signal-Controller: Darunter versteht man Mikrocontroller, die sowohl digitale als auch analoge Signale sehr schnell verarbeiten können.
    Fokus: Spezialisierung auf Signalverarbeitung (Audio, Video, Datenübertragung), Geschwindigkeit, Platzbedarf, Energieverbrauch.

  • Embedded Prozessor, Embedded System: Mikrocontroller oder DSP werden häufig als eingebettete Systeme verwendet. Das sind Systeme, in denen die Steuereinheit im Zielsystem integriert ist. Ein Beispiel wäre ein Mobiltelefon, hier ist der steuernde Controller im Gerät selbst integriert.


myAVR Workpad SE


SiSy AVR

Wie programmiert man Mikrocontroller?

Für die Programmierung von Mikrocontrollern stehen unterschiedliche Entwicklungsumgebungen für verschiedene Sprachen zur Verfügung. Diese weisen eine Reihe gemeinsamer Merkmale auf.

Der wichtigste Aspekt, der hier angesprochen werden muss ist, dass im Gegensatz zur Programmierung eines PC-Programms das fertige Programm nicht auf der Entwicklungsplattform, also unserem PC-Arbeitsplatz gestartet, ausgeführt und getestet werden kann. Für das Ausführen der entwickelten Controllersoftware ist es notwendig, das ausführbare Programm in geeigneter Weise auf den Controller und diesen in das Zielsystem zu bringen.

Neben dem üblichen Übersetzungslauf des Quellcodes ist ein weiterer Arbeitsschritt notwendig. Dabei wird das übersetzte Controllerprogramm in den Programmspeicher (FLASH) des Mikrocontrollers übertragen. Dieser Vorgang wird „Programmieren“ oder „Brennen“ genannt und erfordert eine spezielle Schnittstelle für das Programmieren des Controllers. Diese zusätzliche Hardware wird "Programmer" genannt.
Die am weitesten verbreiteten Sprachen für die Programmierung von AVR-Mikrocontrollern sind:
  • Assembler
  • C/C++
  • BASIC (BASCOM)
Eine Entwicklungsumgebung enthält typischerweise folgende Komponenten:
  • Quellcode-Editor
  • Übersetzungsprogramm (Assembler, Compiler)
  • Programmier- /Brennprogramm
  • Testwerkzeuge (Terminal, Simulator, Debugger)
Folgende Dateitypen finden Verwendung bei der Programmierung von Mikrocontrollern:
  • *.ASM; *.S; *.C; *.CC; *.BAS => Quellcode, wird im Editor erstellt und übersetzt (mittels Compiler, Assembler) zu

  • *.O; *.OBJ => Objektdateien, entstehen beim Übersetzen, werden zu ausführbaren Dateien gebunden (mittels Linker) zu

  • *.HEX; *.BIN => Binärdatein, entstehen beim Linken, werden beim Brennen in den Programmspeicher des Controllers übertragen.

Für das Brennen des fertigen Mikrocontrollerprogramms (*.HEX oder *.BIN) gibt es grundsätzlich 2 Möglichkeiten:

  • 1. Möglichkeit:
    Man kannn ein Programmiergerät verwenden, in das man den Chip einsetzt und programmiert. Dazu muss das Programmiergerät zum Beispiel über die serielle Schnittstelle oder USB an den PC angeschlossen werden.

    Der Mikrocontroller ist aus dem Zielsystem zu entfernen und auf den entsprechenden Sockel des Programmiergerätes zu stecken. Dann kann das Programm in den FLASH- Speicher des Controllers übertragen werden.

    War dieser Vorgang erfolgreich, kann der Controller aus dem Programmiergerät entnommen und wieder in das Zielsystem eingebaut werden. Ein häufig verwendetes Programmiergerät ist das STK500 von Atmel.



  • 2. Möglichkeit:
    Eine elegante Lösung für die Programmierung des Mikrocontrollers ist das sogenannte "In System Programming" (ISP).
    Dabei muss der Controller nicht aus dem Zielsystem, ausgebaut werden, sondern kann direkt im System programmiert werden. Das Zielsystem muss dafür eine ISP-Schnittstelle bereitstellen.

    Mit einer recht einfachen Hardware, dem sogenannten ISP-Programmer, der an den LPT-Port, die COM-Schnittstelle oder den USB-Port angeschlossen wird, kann aus der Entwicklungsumgebung heraus das Programm direkt in das Zielsystem übertragen werden. Mögliche Schnittstellen für diese Art der Programmierung sind ISP, JTAG und I²C.
    Dieser ISP-Anschluss am Zielgerät muss an den PC des Entwicklers oder Servicetechnikers mit einem der besagten ISP-Programmer angeschlossen werden.
    Auf dem myAVR Board ist ein SP12 kompatibler Programmer voll integriert.


Weitere Informationen rund um die Mikrocontroller-Programmierung und dafür benötigte Hardware und Software finden Sie in unserem Einsteigerportal.

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