Wichtige Tipps zur Auswahl eines Mikrocontrollers

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Was ist eine Mikrocontrollereinheit?

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 handelt es sich dabei um einfache, winzige Personal Computer (PCs) ohne kompliziertes Front-End-Betriebssystem (OS), die zum Betrieb kleinerer Komponenten verwendet werden.

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Mikrocontrollerkomponenten

Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU): Die CPU des Mikrocontrollers dient als dessen Gehirn. Sie ist für die Durchführung von Berechnungen und die Ausführung von Befehlen zuständig. Normalerweise ist die CPU ein Ein-Chip-Mikroprozessor, der aus mehreren Teilen besteht, darunter:
- Arithmetisch-logische Einheit (ALU): Die Additions-, Subtraktions-, Multiplikations- und Divisionsoperationen werden alle von der ALU ausgeführt.
- Steuereinheit (CU): Die CU verwaltet, wie Programmcode ausgeführt wird. Anweisungen werden aus dem Speicher abgerufen, dekodiert und dann zur Ausführung an die ALU gesendet.
- Registerdatei: In der Registerdatei werden die aktiven Daten und Anweisungen der CPU gespeichert.
- Programmzähler: Die Adresse der nächsten auszuführenden Anweisung wird vom Programmzähler verfolgt.
Speicher: Der Mikrocontroller benötigt Speicher, um Variablen, Daten und Programmcode zu speichern. Ein Mikrocontroller hat zwei verschiedene Arten von Speicher:
- Programmspeicher: An dieser Stelle wird der Programmcode gespeichert. Am häufigsten werden Flash-Speicher oder Nur-Lese-Speicher (ROM) verwendet. Da es sich beim ROM um einen nichtflüchtigen Speicher handelt, bleibt sein Inhalt auch bei ausgeschalteter Stromversorgung erhalten. Flash-Speicher kann gelöscht und neu programmiert werden, ist aber ebenfalls nichtflüchtig.
- Datenspeicher: Im Datenspeicher werden die Daten und Variablen gespeichert. Häufig handelt es sich dabei um einen flüchtigen Speicher, d. h. wenn die Stromversorgung ausgeschaltet wird, ist sein Inhalt verloren.
E/A-Ports: Die E/A-Ports ermöglichen die Kommunikation zwischen dem Mikrocontroller und der Außenumgebung. Sie können verwendet werden, um Daten an Aktuatoren zu schreiben oder Daten von Sensoren zu lesen. Die meisten E/A-Ports haben einen oder mehrere Pins, die als Eingänge oder Ausgänge eingerichtet werden können.
Zähler und Timer: Um die Zeit zu messen und Ereignisse zu zählen, verwenden wir Zähler und Timer. Sie werden häufig verwendet, um Interrupts zu erzeugen oder die Zeit anderer Geräte zu regulieren. Ein Timer ist ein Gerät, das so eingestellt werden kann, dass es mit einer vorgegebenen Rate hoch- oder herunterzählt. Ein Objekt, das so gestaltet werden kann, dass es die Anzahl der stattfindenden Ereignisse zählt, ist ein Zähler.
Serielle Kommunikationsschnittstellen: Ein serieller Bus wie UART, SPI oder I2C wird vom Mikrocontroller verwendet, um eine Verbindung mit anderen Geräten herzustellen. Zwei Geräte können miteinander kommunizieren, indem sie gleichzeitig Datenbits über einen seriellen Bus senden. Beliebte serielle Busse, die in Mikrocontrollern verwendet werden, sind UART, SPI und I2C.
Analog-Digital-Umsetzer (ADC): ADC oder Analog-Digital-Umsetzer Analoge Signale wie Spannungen oder Ströme werden vom ADC in digitale Signale umgewandelt. Der Mikrocontroller kann dadurch Daten von Sensoren lesen. In einem ADC stehen normalerweise zahlreiche Kanäle zur Umwandlung von analogen in digitale Signale zur Verfügung.
Digital-Analog-Wandler (DAC): Der Digital-Analog-Wandler wandelt digitale Signale in analoge Impulse um. Der Mikrocontroller kann dadurch nun Daten an Aktoren schreiben. Viele Kanäle in einem DAC können genutzt werden, um digitale Signale in analoge Signale umzuwandeln.
Stromversorgung: Der Mikrocontroller erhält Energie aus der Stromversorgung. Das Gerät, das die Eingangsspannung in die vom Mikrocontroller benötigte Spannung umwandelt, ist oft ein Spannungsregler.

Mikrocontrollertypen

8-Bit-Mikrocontroller: Mikrocontroller mit einer 8-Bit-Auflösung sind die einfachsten und werden häufig in einfachen Anwendungen eingesetzt. Sie sind mit einer 8-Bit-CPU und begrenztem Speicher ausgestattet. PIC16F877A, ATmega328P und MSP430G2553 sind einige bekannte Beispiele für 8-Bit-Mikrocontroller.
16-Bit-Mikrocontroller: Im Vergleich zu 8-Bit-Mikrocontrollern sind diese Geräte funktions- und leistungsstärker. Sie verfügen über zusätzlichen Speicher und eine 16-Bit-CPU. PIC18F4550, ATmega168 und STM32F103C8 sind einige bekannte 16-Bit-Mikrocontroller.
32-Bit-Mikrocontroller: Mikrocontroller mit 32-Bit-Architektur: Dies sind die leistungsstärksten Modelle und werden häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Sie verfügen über viel RAM und eine 32-Bit-CPU. STM32F407, PIC32MX250F128D und MSP432P401R sind einige bekannte 32-Bit-Mikrocontroller.
64-Bit-Mikrocontroller: Obwohl diese Mikrocontroller noch in den Kinderschuhen stecken, werden sie immer beliebter. Sie bieten sogar mehr Funktionalität und Leistung als 32-Bit-Mikrocontroller. Einige bekannte 64-Bit-Mikrocontroller sind der RISC-V RV64GC und der ARM Cortex-M33.

12 Schritte zur Auswahl eines Mikrocontrollers

Schritt 1: Identifizieren Sie Ihre Anforderungen

Herauszufinden, was Sie brauchen, ist der erste Schritt bei der Auswahl eines Mikrocontrollers. Welche Eigenschaften muss ein Mikrocontroller haben? Welchen Leistungsstandard benötigen Sie? Wie hoch ist Ihre maximale Energiekapazität? Was kostet der Mikrocontroller?

Schritt 2: Informieren Sie sich über verschiedene Mikrocontroller

Nachdem Sie sich über Ihre Anforderungen im Klaren sind, können Sie mit der Untersuchung verschiedener Mikrocontroller beginnen. Bei der Untersuchung von Mikrocontrollern gibt es eine Reihe unterschiedlicher Dinge zu beachten, wie zum Beispiel:

Architektur: Unter anderem können 8-Bit-, 16-Bit- und 32-Bit-Architekturen als Grundlage für Mikrocontroller verwendet werden. Jede Architektur hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.
Leistung: Die Leistung von Mikrocontrollern kann stark variieren. Während einige Mikrocontroller für Hochleistungsanwendungen ausgelegt sind, sind andere für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch ausgelegt.
Stromverbrauch: Der Stromverbrauch von Mikrocontrollern kann stark variieren. Während einige Mikrocontroller für Hochleistungsanwendungen konzipiert sind, sind andere für Anwendungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch konzipiert.
Kosten: Der Preis von Mikrocontrollern kann stark variieren. Einige Mikrocontroller kosten viel Geld, während andere unglaublich billig sind.

Schritt 3: Untersuchen Sie die Softwarearchitektur

Die Anforderungen und die Softwarearchitektur können einen großen Einfluss auf den von Ihnen gewählten Mikrocontroller haben. Ob Sie einen 80-MHz-DSP oder einen 8051 mit 8 MHz wählen, hängt davon ab, wie intensiv oder leicht die Verarbeitungsanforderungen sind. Notieren Sie sich alle Kriterien, die entscheidend sein werden, genau wie bei der Hardware. Erfordern einige der Algorithmen beispielsweise Kenntnisse der Gleitkommamathematik? Gibt es Sensoren oder Hochfrequenz-Regelkreise? Berechnen Sie, wie oft und wie lange jede Aufgabe ausgeführt werden muss. Machen Sie sich ein Bild von der Größenordnung der erforderlichen Rechenleistung. Eine der wichtigsten Anforderungen an die Architektur und Frequenz des Mikrocontrollers ist die erforderliche Rechenleistung.

Schritt 4: Wählen Sie eine Mikrocontrollerarchitektur

Ihre Anforderungen bestimmen die von Ihnen ausgewählte Mikrocontrollerarchitektur. Wenn Sie einen Hochleistungsmikrocontroller benötigen, muss eine Architektur verwendet werden, die hohe Taktraten unterstützt. Wenn Sie einen Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch benötigen, muss eine Architektur gewählt werden, die den Energiesparmodus unterstützt.

Schritt 5: Wählen Sie eine Mikrocontrollerleistungsstufe

Sie müssen eine Mikrocontrollerleistungsstufe wählen, nachdem Sie eine Mikrocontrollerarchitektur gewählt haben. Ihre Anforderungen bestimmen die Leistungsstufe des von Ihnen ausgewählten Mikrocontrollers. Sie müssen einen Mikrocontroller mit hoher Taktfrequenz auswählen, wenn Sie einen Mikrocontroller mit hoher Leistung benötigen. Sie müssen einen Mikrocontroller mit niedriger Taktfrequenz auswählen, wenn Sie einen Mikroprozessor mit geringem Stromverbrauch benötigen.

Schritt 6: Wählen Sie eine Stromaufnahmestufe des Mikrocontrollers

Sie müssen eine Preisspanne für den Mikrocontroller auswählen, nachdem Sie eine Leistungsstufe und Stromaufnahmestufe des Mikrocontrollers ausgewählt haben. Ihr Budget bestimmt die Preisspanne des Mikrocontrollers, die Sie auswählen. Sie müssen einen erschwinglichen Mikrocontroller auswählen, wenn Sie ein knappes Budget haben. Sie können einen teureren Mikrocontroller auswählen, wenn Sie ein beträchtliches Budget haben.

Schritt 7: Wählen Sie eine Kostenspanne für den Mikrocontroller

Schritt 8: Berücksichtigen Sie das Ökosystem für die Mikrocontroller-Entwicklung

Sie sollten das Ökosystem für die Mikrocontroller-Entwicklung berücksichtigen, wenn Sie einen Mikrocontroller auswählen. Die Ressourcen und Tools, die zum Erstellen von Software für Mikrocontroller erforderlich sind, sind Teil des Ökosystems für die Mikrocontroller-Entwicklung. Für einige Mikrocontroller sind umfassendere Entwicklungsumgebungen verfügbar als für andere.

Schritt 9: Berücksichtigen Sie die Verfügbarkeit des Mikrocontrollers

Sie sollten die Verfügbarkeit des Mikrocontrollers berücksichtigen, wenn Sie einen Mikrocontroller auswählen. Die Möglichkeit, dass Sie den Mikrocontroller kaufen können, wenn Sie ihn benötigen, wird als Mikrocontroller-Verfügbarkeit bezeichnet. Es gibt viele Verfügbarkeitsstufen für Mikrocontroller.

Schritt 10: Entwicklungskit bestellen und alle erforderliche Software herunterladen

Ein Entwicklungskit zu finden, mit dem man herumspielen und die Funktionsweise des Mikrocontrollers entdecken kann, ist einer der besten Aspekte bei der Auswahl eines neuen Mikrocontrollers. Sobald sich ein Ingenieur für die Komponente entschieden hat, die er verwenden möchte, sollte er sich die angebotenen Entwicklungskits ansehen. Das ausgewählte Teil ist wahrscheinlich keine geeignete Entscheidung, wenn kein Entwicklungskit verfügbar ist. Daher sollte er ein paar Schritte zurückgehen und ein besseres Teil auswählen. Heutzutage kosten die meisten Entwicklungskits weniger als 100 US-Dollar. Sie sind nur dann teurer, wenn sie teurere Komponenten wie LCDs und Erweiterungsports eingebaut haben.

Schritt 11: Software und Hardware bewerten und eine endgültige Entscheidung treffen

Nichts ist endgültig, auch nicht nach der Auswahl einer Softwareplattform und eines Mikrocontrollers. Normalerweise kommt das Entwicklungskit lange vor den ersten Hardware-Prototypen. Profitieren Sie davon, indem Sie Testschaltungen konstruieren und diese an den Mikrocontroller anschließen. Wählen Sie riskante Komponenten aus und bringen Sie das Entwicklungskit dann dazu, mit ihnen zu arbeiten. Möglicherweise stellen Sie fest, dass die Komponente, von der Sie annahmen, dass sie einwandfrei funktioniert, ein unerwartetes Problem aufweist, sodass Sie einen anderen Mikrocontroller auswählen müssen. Beginnen Sie so schnell wie möglich mit der Integration der vorgefertigten Softwarekomponenten und stellen Sie sicher, dass sie ihren Datenblättern und ihrem Ruf gerecht werden. Innerhalb weniger Wochen muss ein Entwickler feststellen können, ob die Softwareplattform zu kompliziert ist und seine Anforderungen nicht erfüllt. Wenn dies der Fall ist, ist es möglicherweise an der Zeit, eine andere Plattform und einen anderen Mikrocontroller aus der Liste auszuprobieren.

Schritt 12: Erstellen Sie eine engere Auswahl an Mikrocontrollern und wählen Sie einen aus diesen aus

Nachdem Sie die oben genannten Überlegungen berücksichtigt haben, sollten Sie eine engere Auswahl an Mikrocontrollern treffen. Die Mikrocontroller, die Ihren Anforderungen entsprechen und einen angemessenen Preis haben, sollten auf Ihrer engeren Auswahlliste potenzieller Käufe stehen. Die Auswahl eines Mikrocontrollers aus der engeren Auswahlliste ist der letzte Schritt im Auswahlprozess. Ihre speziellen Anforderungen bestimmen den Mikrocontroller, den Sie auswählen.

Video zum Thema „So wählen Sie einen Mikrocontroller aus“

Fazit

Mikrocontroller können in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden und sind sowohl flexibel als auch erschwinglich. Bei der Auswahl eines Mikrocontrollers ist es wichtig, die anwendungsspezifischen Anforderungen zu berücksichtigen. Sie können den idealen Mikrocontroller für das Projekt auswählen, indem Sie sich der Elemente und Verfahren bewusst sind, die für Ihre Anwendung entscheidend sind.