Arduino

Mikrocontroller-Programmierung mit Arduino/Freeduino

Ulli Sommer

• Publisher: Franzis Verlag
• Year: 2012
• Print ISBN: 9783645650342
• eBook ISBN: 9783645270007
• Topic: Computer Science
• Subtopic: Hardware
• Index: Computer Science

Arduino ist ein Mikrocontroller-System, das aus einem Mikrocontroller der Firma Atmel und einer Open-Source-Entwicklungsumgebung, die auf einem vereinfachten C-Dialekt basiert, besteht. Der Mikrocontroller wird über den PC programmiert und kann eigenständig oder in Verbindung mit dem PC agieren. Es können für die Interaktion zwischen Mensch und Mikrocontroller diverse Sensoren angeschlossen werden, die unsere Umwelt erfassen und die Daten an den Mikrocontroller weitergeben. Der Mikrocontroller verarbeitet mit seinem Programm die Daten, und es können Ausgaben getätigt oder z. B. Aktuatoren gesteuert werden. Der Kreativität des Entwicklers sind dabei keine Grenzen gesetzt.

1  Mikrocontroller-Grundlagen

Bevor wir uns näher mit Arduino beschäftigen, ist es wichtig, einen allgemeinen Überblick über die Mikrocontroller zu gewinnen. Mikrocontroller werden vor allem im Bereich der Automatisierungs-, der Mess-, Steuer- und Regeltechnik eingesetzt. Der Vorteil eines Mikrocontroller-Systems ist, auf kleinstem Raum energie- und kosteneffizient physikalische Größen zu messen und zu interpretieren, um darauf aufbauend Entscheidungen zu treffen und Aktionen durchzuführen.

Bild 1.1  Beispiel einer Ein- und Ausgabeverarbeitung anhand eines Gewächshauses

Das Spektrum möglicher Anwendungen von Mikrocontrollern reicht vom privaten (z. B. der Steuerung eines Gewächshauses oder der Hausbelichtung) bis zum industriellen Bereich, wo komplette Anlagen mit Mikrocontroller-Systemen gesteuert, gewartet und betrieben werden können. Das obige Bild zeigt eine typische Datenverarbeitung zur Steuerung einer Bewässerungsanlage eines Gewächshauses. Der Controller nimmt dabei über Sensoren die Messwerte der Umgebungstemperatur und Bodenfeuchte auf. Die Messwerte werden durch eine digitale Logik im Mikrocontroller (kurz: µC oder MC genannt) interpretiert. Daraufhin wird die Pumpe für die Bewässerung entsprechend angesteuert.

1.1  Aufbau und Funktionsweise

Als vollwertiger Computer im Kleinstformat weist jeder Mikrocontroller – ähnlich einem PC – grundlegende Bausteine auf, die in Abb. 1.2 dargestellt sind. Grundbausteine eines jeden Mikrocontrollers sind die CPU, der Arbeitsspeicher (RAM) sowie der Programmspeicher (FLASH) und die Peripherie.

Bild 1.2  Prinzipieller Aufbau eines Mikrocontrollers

Die CPU

Die wichtigste Funktionseinheit ist die zentrale Recheneinheit, die CPU (engl.: Central Processing Unit). Sie kann als das »Gehirn« des Mikrocontrollers verstanden werden. Dort werden Signale ausgewertet und Befehle und arithmetische Operationen abgearbeitet.

Arbeits- und Programmspeicher

Arbeits- und Programmspeicher werden in vielen Darstellungen in der Regel logisch getrennt. Das Benutzerprogramm unseres eigenen Programms, das wir selbst geschrieben haben, wird in einem nichtflüchtigen Flash-Speiche r, dem Programmspeicher, abgelegt. Je nach Controllersystem kann man auf (implementieren) Programmspeicher von mehreren Kilobyte (KB) bis Megabyte (MB) zurückgreifen. Bei einigen Systemen ist es darüber hinaus möglich, den Programmspeicher durch externe Flash-Komponenten aufzustocken.

Bild 1.3  Der Flashspeicher des Mikrocontrollers ATmega168PA (Quelle: ATMEL-Datenblatt)

Der Arbeitsspeicher dient zur temporären Ablage von Rechen-, Mess- und Steuergrößen. Hier werden die Ergebnisse der Berechnungen zur Programmlaufzeit abgelegt. Ziel ist, möglichst schnell auf eine begrenzte Anzahl von Daten zugreifen zu können. Dieser RAM-Speicher (engl.: Random Access Memory) ist in der Regel deutlich kleiner als der Flash-Speicher, dafür aber um ein Vielfaches schneller. Die Werte des RAM werden zur Laufzeit erzeugt und sind im Gegensatz zum Flash-Speicher flüchtig, d. h., dass im RAM nach einem Neustart des Controllers keine Werte gespeichert sind.

Bild 1.4  Der RAM-Speicher des Mikrocontrollers ATmega168PA (Quelle: ATMEL-Datenblatt)

1.2  Peripherie

Als »Peripherie« bezeichnet man jene Komponenten eines Mikrocontrollers, die nicht durch die CPU und Speicherbausteine abgedeckt werden. Insbesondere Komponenten, die eine Schnittstelle zur Außenwelt darstellen, wie digitale Ein- und Ausgänge (kurz: I/O für Input/Output), werden zu den Peripheriebausteinen gezählt. Die meisten Mikrocontroller bieten eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen mit verschiedenen Funktionen wie digitale, aber auch analoge Ein- und Ausgänge (ADC und DAC).

1.3  Technologievergleich: RISC und CISC

Die Charakterisierung der RISC- und CISC-Technologie ist schon ein tiefer gehender Einblick in die Digital- und Mikrocontrollertechnik. AVR-Controller wie der Arduino basieren auf der RISC-Technologie. Der folgende Abschnitt bietet einen Überblick über die RISC- und die CISC-Technologie.

CISC-Technologie

Bei der CISC-Technologie wird der Programmspeicher in den RAM des Systems geladen und teilt sich diesen mit dem Programmspeicher. Man spricht auch davon, dass sich Programmcode und Daten derselben Speicher teilen. Das war insbesondere bei den ersten Computersystemen sinnvoll, da Arbeitsspeicher teuer war.

Ein weiteres, für Mikrocontroller viel entscheidenderes Merkmal ist der Aufbau von Befehlen. Ein CISC-Rechner verfügt über ein großes Sortiment an teils sehr speziellen Befehlen. In der Digitaltechnik ist ein Befehl eine Reihenfolge von bestimmten Bytes. Ein Byte kann 256 (0 bis 255) verschiedene Zustände annehmen. Um mehr als 256 verschiedene Befehle zu implementieren, benötigt man weitere Bytes. So kann es sein, dass ein spezialisierter Befehl aus mehreren Bytes (z. B. fünf Byte) besteht. Das Laden dieses Befehls dauert länger als das Laden eines Befehls, der nur ein Byte lang ist.

RISC-Technologie

Man hat festgestellt, dass bei CISC-Rechnern in der Regel etwa 90 % eines Quelltextes aus nur 30 verschiedenen Befehlen bestehen. Auf dieser Grundlage entstand der Gedanke, in der CPU weniger dafür aber kurze und schnelle Befehle zu implementieren. So findet man auf RISC-Mikrocontrollern in der Regel keine Befehle, die aus mehr als drei oder vier Bytes bestehen. Damit verfügt man nicht mehr über so viele spezialisierte Befehle und muss diese aus mehreren kurzen zusammensetzen. Um dabei mindestens die gleiche Leistungsfähigkeit zu erzielen wie bei einem CISC-Rechner, verfügen die meisten RISC-Rechner über eine große Anzahl von Registern. Ein Register ist ein in der CPU befindlicher temporärer, extrem schneller Speicher. Ein weiterer Gegensatz zur CISC-Technologie ist eine klare physikalische und logische Trennung zwischen Programm- und Datenspeicher.

Vergleich

Bei einem CISC-Rechner hat man eine Vielzahl spezialisierter Befehle, die in der Regel jedoch eine lange Abarbeitungszeit beanspruchen. Deutlich kürzere Abarbeitungszeiten erreichen die Befehle eines RISC-Rechners. Ein Nachteil dieser Technologie ist jedoch, dass hier die spezialisierten Befehle durch mehrere Befehle nachgebildet werden müssen. Die Vor- und Nachteile der CISC- oder RISC-Technologie halten sich etwa die Waage. Außerdem sollte beachtet werden, dass es keinen reinen RISC- und keinen reinen CISC-Rechner gibt.

Bild 1.5  Das Blockschaltbild der Mikrocontroller-Blockschemata – hier sind die internen Strukturen des Controllers gut zu erkennen. (Quelle: ATMEL-Datenblatt)

2 Programmierung der Mikrocontroller

Mit der zunehmenden Integration von Halbleiterbauteilen wie Mikroprozessoren hielten Mikrocontroller immer stärker Einzug in die Anwendungsgebiete der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik. Aber auch im Hobbybereich wurden die Mikrocontroller immer beliebter. Das liegt zum einen daran, dass heute komplexe, meist analoge Schaltungen durch einfachere digitale Mikrocontroller-Schaltungen ersetzt werden. Ein anderer ausschlaggebender Punkt ist das unschlagbare Preis-Leistungs-Verhältnis von Mikrocontrollern.

2.1 Was ist ein Programm?

Ein Programm ist die Beschreibung eines Informationsverarbeitungsprozesses. Im Lauf eines solchen Prozesses wird aus einer Menge von variablen oder konstanten Eingangswerten eine Menge von Ausgangswerten berechnet. Die Ausgangswerte sind entwed...

Table of contents

• Inhaltsübersicht
• Vorwort
• CD-ROM zum Buch
• 1  Mikrocontroller-Grundlagen
• 2  Programmierung der Mikrocontroller
• 3  Eine kleine Übersicht über die ARDUINO-Mikrocontroller-Familie
• 4  Arduino Shields
• 5  Bauteile
• 6  Bauteile und ihre Funktion
• 7  Die ersten Vorbereitungen (Inbetriebnahme)
• 8  Die Arduino-Entwicklungsumgebung
• 9  Arduino-Programmiergrundlagen
• 10  Weitere Experimente mit Arduino
• 11  Der I²C-Bus
• 12  Arduino und der I²C-Bus-Temperatursensor LM75
• 13  I²C-Portexpander mit PCF8574
• 14  Ultraschallsensoren zur Entfernungsbestimmung
• 15  Arduino mit GPS
• 16  Stellantrieb mit Servo für Arduino
• 17  LC-Displays LCDs
• A  Anhang
• B  Bezugsquellen
• Stichwortverzeichnis
• Impressum