Worin unterscheiden sich ein Mikrocontroller und ein Arduino?

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Was ist ein Mikrocontroller?

Ein Mikrocontroller ist ein kleiner integrierter Schaltkreis, der einen einzelnen Prozess in einem eingebetteten System steuert. Ein typischer Mikrocontroller ist ein einzelner Chip, der eine CPU, einen Speicher und Eingabe-/Ausgabe-Peripheriegeräte (I/O) enthält. Mikrocontroller, auch als eingebettete Controller oder Mikrocontrollereinheiten (MCU) bekannt, sind elektronische Komponenten, die in einer Vielzahl von Geräten verwendet werden, darunter Verkaufsautomaten, Bürogeräte, Roboter, Autos, medizinische Geräte und Büromaschinen. Im Wesentlichen sind sie einfache, winzige Personal Computer (PCs) ohne kompliziertes Front-End-Betriebssystem (OS), die zum Betrieb kleinerer Komponenten verwendet werden.

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Wie funktioniert ein Mikrocontroller?

Ein Mikrocontroller wird in ein System integriert, um eine bestimmte Gerätefunktion zu verwalten. Um dies zu erreichen, verwendet er seine Kern-CPU, um Daten zu interpretieren, die von seinen E/A-Peripheriegeräten kommen. Der Mikrocontroller empfängt temporäre Daten, die in seinem Datenspeicher gespeichert werden, auf die der Prozessor zugreift, um die eingehenden Daten mithilfe von Anweisungen aus dem Programmspeicher zu interpretieren und anzuwenden. Die entsprechende Aktion wird anschließend durch Kommunikation mit seinen E/A-Peripheriegeräten ausgeführt. Eine Vielzahl von Geräten und Systemen verwendet Mikrocontroller. In Geräten werden häufig zahlreiche Mikrocontroller verwendet, und diese Mikrocontroller arbeiten zusammen, um die verschiedenen Aufgaben des Geräts zu erfüllen. Ein Auto kann beispielsweise eine große Anzahl von Mikrocontrollern enthalten, die eine Vielzahl von internen Systemen verwalten, darunter das Antiblockiersystem, die Traktionskontrolle, die Kraftstoffeinspritzung und die Federungssteuerung. Um die entsprechenden Aktionen zu steuern, kommunizieren alle Mikrocontroller miteinander. Einige können nur mit anderen Mikrocontrollern kommunizieren, während andere mit einem komplexeren Zentralcomputer im Fahrzeug verbunden sein können. Sie verwenden ihre E/A-Peripheriegeräte, um Daten zu senden und zu empfangen, diese Daten zu verarbeiten und die Aufgaben auszuführen, für die sie bestimmt sind.

Was ist ein Arduino?

Ein Arduino ist eine Mikrocontrollerplatine, die mit vorgetesteten Software- und Hardwarebibliotheken und einer eigenen integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) geliefert wird. Es dient als Computerplattform für die Entwicklung elektronischer Projekte. Die Tatsache, dass Arduino sich selbst um die kleinsten elektronischen Details für Sie kümmert, ist tatsächlich einer der Vorteile, wenn Sie Projekte darauf aufbauen. Das Arduino-Ökosystem besteht aus der Arduino-Platine, zusätzlicher Hardware und der Arduino IDE. Mithilfe all dieser Teile können Sie mit Arduino praktisch alles erreichen. Das Gerät kann für die Ausführung beliebiger Aufgaben programmiert werden, einschließlich des Lesens von Sensoren oder der Steuerung von Motoren und Lichtern.

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Video zu Arduino

Wie funktioniert ein Arduino?

Auf der Arduino-Platine befindet sich ein Mikrocontroller-Chip. Der kleine Computer in diesem Chip ist für die Ausführung des von Ihnen erstellten Programms verantwortlich. Atmel AVR-Chips werden häufig als Mikrocontroller-Chips verwendet.
E/A-Pins sind ein weiteres Merkmal der Arduino-Platine. Über diese Pins kann die Arduino-Platine mit Sensoren, Aktoren und anderen Geräten verbunden werden. I/O-Pins werden häufig durch eine Nummer identifiziert, beispielsweise D0, D1 usw.
Code für die Arduino-Platine wird mithilfe der Arduino-Software erstellt. Sie können diese Software kostenlos von der Arduino-Website beziehen. Der Texteditor, der Compiler und der Debugger sind allesamt Funktionen der Arduino-Software. Der Texteditor wird zum Schreiben des Codes verwendet, der Compiler, um ihn in Maschinencode zu übersetzen, den der Mikrocontroller-Chip verstehen kann, und der Debugger hilft Ihnen beim Identifizieren und Beheben von Codefehlern.
C/C++ ist die Programmiersprache, die zum Erstellen der Arduino-Software verwendet wird. Es ist nicht allzu schwierig, diese Sprache zu erlernen und zu verwenden. Eine Funktionsbibliothek in der Arduino-Software kann zur Kommunikation mit den E/A-Pins, Sensoren und Aktoren auf der Arduino-Platine verwendet werden.
Die Arduino-Software kann zum Hochladen des geschriebenen Codes auf die Arduino-Platine verwendet werden. Die Arduino-Software wird über ein USB-Kabel mit der Arduino-Platine verbunden. Durch Auswahl der Schaltfläche „Hochladen“ nach dem Verbinden der Software mit der Arduino-Platine kann der Code auf die Platine hochgeladen werden.
Der Mikrocontrollerchip auf der Arduino-Platine beginnt mit der Ausführung des Codes, sobald dieser hochgeladen wurde. Er wird weiter ausgeführt, bis der Code geändert oder deaktiviert wird.

Anwendungen von Mikrocontrollern

Einige universelle Anwendungen

Robotik: In der Robotik werden Mikrocontroller verwendet, um die Bewegung und das Verhalten von Robotern zu steuern.
Sensoren: Mikrocontroller werden in Sensoren eingesetzt, um Umweltdaten zu erfassen.
Aktuatoren: Mikrocontroller werden in Aktuatoren verwendet, um die Leistung eines Systems zu regulieren.
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS): SPS oder speicherprogrammierbare Steuerungen sind Industriecomputer, die zur Verwaltung von Prozessen und Maschinen verwendet werden. Mikrocontroller sind eine gemeinsame Grundlage für SPS.
Unterhaltungselektronik: Eine breite Palette von Unterhaltungsgeräten, darunter Mikrowellen, Waschmaschinen und Fernseher, verwendet Mikrocontroller.
Medizinische Geräte: Mikrocontroller sind Bestandteil von Insulinpumpen und Herzschrittmachern sowie anderen medizinischen Geräten.
Luftfahrt und Verteidigung: Mikrocontroller werden in der Luft- und Raumfahrt sowie in Verteidigungsanwendungen wie Raketenleitsystemen und Flugzeugsteuerungssystemen eingesetzt.
Automobilindustrie: Zu den Anwendungen für Mikrocontroller in der Automobilindustrie gehören Antiblockiersysteme und Motorsteuerungssysteme.
Eingebettete Systeme: Mikrocontroller sind eine häufige Komponente eingebetteter Systeme, also von Computern gesteuerter Geräte. Autos, Haushaltsgeräte und medizinische Geräte sind einige Beispiele für eingebettete Systeme.

Vielseitig einsetzbar – Mikrocontroller für Cubesats

Kleine Satelliten, sogenannte Cubesats, haben normalerweise die Größe eines Schuhkartons. Forschung und Lehre sind zwei häufige Einsatzgebiete für Cubesats.
Für Cubesats sind verschiedene Mikrocontroller verfügbar. Raspberry Pi, Arduino Nano und BeagleBone Black sind einige beliebte Optionen.
Die spezifischen Anforderungen des Cubesat-Projekts bestimmen den zu verwendenden Mikrocontroller. Ein Mikrocontroller mit viel Speicher und Rechenleistung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn der Cubesat für Forschungszwecke verwendet werden soll.

Anwendungen von Arduino

Hausautomation: Mit Arduino ist die Automatisierung von Haushaltsfunktionen wie Beleuchtung, Thermostatsteuerung und Türöffnung möglich.
Robotik: Mit Arduino können Roboter erstellt werden, darunter menschenähnliche Roboter, Roboter, die Hindernissen ausweichen können, und Roboter, die Linien folgen.
Bildung: Arduino ist ein fantastisches Werkzeug für die Vermittlung von Programmier- und Elektronikkenntnissen. Es wird in zahlreichen Bildungseinrichtungen weltweit eingesetzt.
Kunst: Mit Arduino lassen sich interaktive Kunstprojekte wie Lichtskulpturen und Musikinstrumente erstellen.
Wearables: Mit Arduino lassen sich tragbare Geräte wie Smartwatches und Fitnesstracker bauen.
IoT: Mit Arduino lassen sich Objekte des Internet of Things (IoT) bauen, also Online-Objekte, die aus der Ferne verwaltet werden können.
Wissenschaftliche Forschung: Mit Arduino können Datenprotokollierungen und Sensormessungen für wissenschaftliche Forschung durchgeführt werden.

Vorteile und Nachteile von Mikrocontroller und Arduino

Vorteile von Mikrocontrollern

Die Flexibilität des Prozessorchips ist sehr gering.
Das System ist kleiner und weniger teuer.
Es ist einfach, mehr RAM, ROM und E/A-Ports an einen Mikrocontroller anzuschließen.
Nachdem ein Mikrocontroller programmiert wurde, kann er nicht neu programmiert werden.
Er würde einem Mikrocomputer ähneln, wenn die digitalen Komponenten nicht vorhanden wären.
Für Hersteller sind Mikrocontroller möglicherweise eine kostengünstige Option, da sie häufig weniger teuer sind als andere Arten von Computerchips.
Mikrocontroller sind für die Echtzeitverarbeitung ausgelegt, was für Geräte, die schnell reagieren müssen, wie sie in der Luft- und Raumfahrt und im Automobilbereich verwendet werden, von entscheidender Bedeutung ist.

Nachteile von Mikrocontrollern

Kleine digitale Geräte verwenden Mikrocontroller aufgrund ihrer bescheidenen Größe.
Multitasking-Geräte sind für den Mikrocontroller nicht zugänglich.
Mikrocontroller haben diesen großen Nachteil, weil sie immer nur eine Operation und Aufgabe gleichzeitig ausführen können.
Mikrocontroller führen kein Multitasking aus.
Es ist unmöglich, den Mikrocontroller neu zu programmieren.
Im Gegensatz zu Mikroprozessoren haben sie keine Null-Flags.
Auf ihnen ist kein Betriebssystem installiert.

Vorteile von Arduino

Die Arduino Fully Integrated Board verfügt über alle Peripheriegeräte, die zum Betrieb eines Mikrocontrollers erforderlich sind, darunter einen Quarzoszillator, einen FTDI-Chip für die serielle Verbindung, mehrere Stromquellen und einen Spannungsregler zur Gewährleistung einer stabilen Spannung. Wir müssen nur eine einzige Platine kaufen, um in die Welt der Mikrocontroller einzusteigen; wir müssen uns nicht darum kümmern, jede Komponente einzeln mit dem Chip zu verbinden. Arduino macht es einfacher, sich auf die Hauptanwendung zu konzentrieren, anstatt grundlegende Mikrocontroller-Schaltkreise zu erstellen.
Das Schreiben von Code für Arduino-Boards ist beim Programmieren viel einfacher als für Mikrocontroller. Mikrocontroller müssen mit textbasierten Programmiersprachen wie C und bestimmten blockbasierten Programmiereditoren programmiert werden, aber Arduino-Boards können mit der Sprache C/C++ mit einigen zusätzlichen Funktionen programmiert werden. Wir müssen ausdrücklich Code für Mikrocontroller schreiben, und dies erfordert ein gründliches Verständnis der in Mikrocontrollern verwendeten Boards. Im Gegensatz dazu ist die Programmiersprache C für Arduino-Boards zugänglicher und einfacher zu beherrschen.
Arduino ist eine Open-Source-Plattform mit einer Fülle von Online-Dokumentationen in Form von Code und Bibliotheken. Vorab getestete Hardware und Bibliotheken mit Arduino-Code sind im Lieferumfang enthalten. Sie können jede Menge Online-Hilfe für Arduino erhalten, die Sie bei der Entwicklung Ihres Arduino-basierten Projekts unterstützt. Bei Mikrocontrollern hingegen fehlen all diese ermutigenden Signale. Man muss selbst anfangen, mit einem Mikrocontroller zu arbeiten, die zum Betrieb erforderlichen Peripheriegeräte zusammenbauen und die erste Codezeile schreiben, alles von Grund auf.
Die Arduino-Hardware ist Open Source und erweiterbar und basiert auf Atmel ATmega-Mikrocontrollern. Jeder kann eine Platine seiner Wahl entwickeln und die Arduino-Plattform erweitern und verbessern, da die Details der Arduino-Platinen unter einer Creative Commons-Lizenz kostenlos verfügbar sind. Anfänger können Arduino-Platinen im Steckbrett-Stil erstellen, was ihnen hilft, die Funktionsweise der Plattform zu erlernen und ihnen letztendlich Geld spart.

Nachteile von Arduino

Nicht leistungsoptimiert: Die meisten Arduino-Boards verwenden Mikrocontroller, die noch nicht bereit sind, ihr volles Potenzial auszuschöpfen. Für Anfänger ist die Arduino-Entwicklungsumgebung so konzipiert, dass das Erstellen von Skizzen einfach ist. Der Preis für all diese Optimierung ist eine Verringerung der Gesamtleistungskapazität des Mikrocontrollers. Die Leistung kann erheblich verbessert werden, indem die AVR-Entwicklung mit demselben Mikrocontroller kombiniert wird.
Mangelnde Kommunikation: Die Bluetooth- und Wi-Fi-Funktionen von Arduino-Boards sind eingeschränkt. Beliebten Arduino-Boards wie dem UNO fehlen integrierte Kommunikationsfunktionen; um diese Funktionen zu nutzen, müssen wir zusätzliche Hardwaremodule verbinden. Von Arduino sind weniger Boards mit diesen Technologien erhältlich, aber der Gesamtpreis ist im Vergleich zu anderen Boards auf dem Markt höher.
Eingeschränkte Unterstützung für Programmiersprachen: Die Mehrheit der Arduino-Boards ist in C oder C++ geschrieben. Einige sehr bekannte Sprachen, darunter Java, Python und JavaScript, werden von Arduino nicht unterstützt. Obwohl die Arduino IDE Python nicht direkt unterstützt, können verschiedene Open-Source-Bibliotheken, wie z. B. pySerial, zum Programmieren des Geräts verwendet werden.
Geringere Speicherkapazität: Eines der Hauptmerkmale von Arduino, das ihm fehlt, ist der große Speicher. Der 32 KB Flash-Speicher und die 2 KB SRAM des Arduino UNO können nur Zeichnungen mit Hunderten von Zeilen speichern. Aus diesem Grund ist die Anwendung von Arduino in der Roboterindustrie begrenzt und es kann nicht in Projekten verwendet werden, die für den industriellen Maßstab vorgesehen sind.

Video zum Thema Mikrocontroller vs. Arduino

Was ist das Richtige für Sie?

Ihre individuellen Anforderungen und Bedürfnisse bestimmen, welche Option für Sie ideal ist. Ein Mikrocontroller ist die beste Option für Sie, wenn Sie einen mit vielen Funktionen und Fähigkeiten benötigen. Ein Arduino ist die beste Option für Sie, wenn Sie nach einem benutzerfreundlichen Mikrocontroller mit einer großen Benutzerbasis suchen.

SPS vs. Mikrocontroller

Sowohl SPS als auch Mikrocontroller werden zur Steuerung von Geräten und Verfahren verwendet. Es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede zwischen den beiden. Mikrocontrollern fehlt normalerweise die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von SPSen. Dies liegt daran, dass SPS für den Einsatz in industriellen Umgebungen konzipiert sind, wo sie schwierigen Bedingungen ausgesetzt sein können. Im Allgemeinen kosten Mikrocontroller weniger als SPSen. Dies liegt daran, dass Mikrocontroller nicht für die Schwerindustrie vorgesehen waren. Das Programmieren von SPS ist häufig schwieriger als das Programmieren von Mikrocontrollern. SPS verfügen über mehr Funktionen und Fähigkeiten, was dies erklärt.

FPGA vs. Mikrocontroller

Die Steuerung elektronischer Geräte erfolgt sowohl über FPGAs als auch über Mikrocontroller. Es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede zwischen den beiden. Als programmierbare Logikgeräte können FPGAs so eingerichtet werden, dass sie eine Reihe von Funktionen ausführen. In Anwendungen, bei denen sich die Anforderungen im Laufe der Zeit ändern können, sind FPGAs daher gut geeignet. Da es sich bei Mikrocontrollern um Allzweckelektronik handelt, sind sie darauf ausgelegt, eine bestimmte Funktion auszuführen. Aus diesem Grund sind Mikrocontroller benutzerfreundlicher, aber weniger flexibel als FPGAs. Im Allgemeinen sind FPGAs teurer als Mikrocontroller. Dies liegt daran, wie komplex FPGAs sind.

Fazit

Sowohl Mikrocontroller als auch Arduinos sind leistungsstarke Instrumente, mit denen eine Reihe von Projekten umgesetzt werden können. Ihre individuellen Anforderungen und Bedürfnisse bestimmen, welche Option für Sie ideal ist. Ein Mikrocontroller ist die beste Option für Sie, wenn Sie einen mit vielen Funktionen und Fähigkeiten benötigen. Ein Arduino ist die beste Option für Sie, wenn Sie nach einem benutzerfreundlichen Mikrocontroller mit einer großen Benutzerbasis suchen.