Mikrocontroller: Der Schlüssel zur Weltraumforschung und darüber hinaus

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Was ist ein Mikrocontroller?

Mikrocontroller sind kleine, in sich geschlossene Computer, die zur Steuerung der Funktionen eingebetteter Systeme verwendet werden. Sie sind in einer Vielzahl von Geräten zu finden, darunter Büromaschinen, Roboter, Haushaltsgeräte, Kraftfahrzeuge und andere Gadgets. In den letzten Jahren haben Mikrocontroller in der Weltraumforschung zunehmend an Bedeutung gewonnen, da sie zur Stromversorgung und Steuerung von CubeSats verwendet werden, kleinen Satelliten, die für wissenschaftliche Forschung und Ausbildung eingesetzt werden.

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Mikrocontrollerkomponenten

Ein Prozessor: Dies ist die zentrale Verarbeitungseinheit des Mikrocontrollers. Es ist für die Ausführung von Anweisungen und die Steuerung der anderen Komponenten des Mikrocontrollers verantwortlich.

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Speicher: Mikrocontroller haben normalerweise eine Art Speicher, z. B. ROM (Nur-Lese-Speicher) oder RAM (Random-Access Memory). Im ROM ist die Firmware des Mikrocontrollers gespeichert, also die Software, die den Betrieb des Mikrocontrollers steuert. RAM wird zum Speichern von Daten verwendet, die vom Mikrocontroller verarbeitet werden.
Peripheriegeräte: Mikrocontroller verfügen normalerweise über eine Vielzahl von Peripheriegeräten wie Eingabe-/Ausgabeports, Timer und Kommunikationsschnittstellen. Diese Peripheriegeräte ermöglichen dem Mikrocontroller die Interaktion mit der Außenwelt.

Funktionen von Mikrocontrollern

Allzweck-Ein-/Ausgabepins (GPIO): Diese Pins können als Ein- oder Ausgänge konfiguriert werden und zum Lesen von Sensoren oder externen Signalen oder zum Ansteuern externer Geräte wie LEDs oder Motoren verwendet werden.
Analog-Digital-Umsetzer (ADC): Dieser wandelt analoge Signale in digitale Daten um, die der Prozessor verstehen kann.
Digital-Analog-Umsetzer (DAC): Dieser wandelt digitale Daten in analoge Signale um, die vom Prozessor ausgegeben werden können.
Programmierbare Intervall-Timer (PIT): Mit diesen Timern können in regelmäßigen Abständen Interrupts erzeugt werden.
Pulsweitenmodulation (PWM): Damit können Stromrichter, ohmsche Lasten und Motoren gesteuert werden.
Universeller asynchroner Empfänger/Sender (UART): Damit können Daten über eine serielle Leitung empfangen und gesendet werden.
Inter-Integrated Circuit (I²C): Dies ist ein digitales Kommunikationsprotokoll, das zur Kommunikation mit anderen Geräten auf derselben Platine verwendet werden kann.
Serial Peripheral Interface (SPI): Dies ist ein weiteres digitales Kommunikationsprotokoll, das zur Kommunikation mit anderen Geräten auf derselben Platine verwendet werden kann.
Universal Serial Bus (USB): Dies ist ein beliebtes Kommunikationsprotokoll, mit dem Geräte an einen Computer angeschlossen werden können.
Ethernet: Dies ist ein Netzwerkprotokoll, mit dem Geräte an ein lokales Netzwerk (LAN) angeschlossen werden können.

Wie funktioniert ein Mikrocontroller?

Anweisungen abrufen: Die CPU ruft Anweisungen einzeln aus dem Programmspeicher ab. Die Anweisungen werden in einer Byte-Folge gespeichert und die CPU liest nacheinander jedes Byte.
Anweisungen dekodieren: Die CPU dekodiert die abgerufenen Anweisungen. Dabei werden die Bytes in Anweisungen umgewandelt, die die CPU verstehen kann.
Anweisungen ausführen: Die CPU führt die dekodierten Anweisungen aus. Dabei werden die in den Anweisungen angegebenen Aktionen ausgeführt.
Auf den Speicher zugreifen: Die CPU muss möglicherweise auf den Speicher zugreifen, um Daten zu lesen oder zu schreiben. Die CPU verfügt über einen Satz Anweisungen, mit denen sie auf den Speicher zugreifen kann.
Auf E/A-Peripheriegeräte zugreifen: Die CPU muss möglicherweise auch auf E/A-Peripheriegeräte zugreifen. E/A-Peripheriegeräte sind Geräte, die es dem Mikrocontroller ermöglichen, mit der Außenwelt zu interagieren. Die CPU verfügt über einen Satz Anweisungen, mit denen sie auf E/A-Peripheriegeräte zugreifen kann.
Ausgabe generieren: Die CPU muss möglicherweise eine Ausgabe an E/A-Peripheriegeräte generieren. Diese Ausgabe kann verwendet werden, um Geräte zu steuern oder Daten an andere Geräte zu senden.

Video zu Mikrocontrollern

Mikrocontroller-Anwendungen in der Weltraumforschung

Mikrocontroller werden aus verschiedenen Gründen in der Weltraumforschung eingesetzt. Sie sind klein und leicht und eignen sich daher ideal für den Einsatz in CubeSats. Sie sind außerdem sehr zuverlässig und können den harten Bedingungen des Weltraums standhalten, wie Strahlung und extremen Temperaturen. Eine der wichtigsten Anwendungen von Mikrocontrollern in der Weltraumforschung ist die Lageregelung. Bei der Lageregelung wird ein Raumfahrzeug in die richtige Richtung ausgerichtet. Mikrocontroller werden verwendet, um die Triebwerke zu steuern, mit denen die Ausrichtung eines Raumfahrzeugs geändert wird. Mikrocontroller werden auch verwendet, um die verschiedenen Sensoren zu steuern, die in Raumfahrzeugen verwendet werden. Diese Sensoren können Dinge wie Temperatur, Druck und Strahlungswerte messen. Die Daten dieser Sensoren werden verwendet, um den Zustand des Raumfahrzeugs zu überwachen und sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert.

Herausforderungen bei der Verwendung von Mikrocontrollern im Weltraum

Ingenieure stehen bei der Entwicklung und Verwendung von Mikrocontrollern im Weltraum vor zahlreichen Herausforderungen. Eine davon ist, wie bereits erwähnt, die raue Umgebung des Weltraums. Mikrocontroller müssen Strahlung, extremen Temperaturen und anderen Umweltgefahren standhalten. Eine weitere Herausforderung ist die begrenzte Stromversorgung in Raumfahrzeugen. Mikrocontroller müssen so konzipiert sein, dass sie sehr energieeffizient sind. Schließlich müssen Ingenieure auch die begrenzte Bandbreite berücksichtigen, die in Raumfahrzeugen zur Verfügung steht, was bedeutet, dass Mikrocontroller in der Lage sein müssen, sehr effizient mit der Bodenstation zu kommunizieren.

Tipps zur Auswahl des richtigen Mikrocontrollers für Weltraumprojekte

Bei der Auswahl eines Mikrocontrollers für ein Weltraumprojekt müssen Sie eine Reihe von Faktoren berücksichtigen. Zu diesen Faktoren gehören die Größe, das Gewicht, der Stromverbrauch und die Strahlungstoleranz des Mikrocontrollers. Sie müssen auch berücksichtigendie Art der Sensoren, die Sie in Ihrem Raumfahrzeug verwenden werden, und die Software, die Sie auf dem Mikrocontroller ausführen werden.

Fazit

Mikrocontroller sind ein wesentlicher Bestandteil der Weltraumforschung. Sie werden verwendet, um Raumfahrzeuge zu steuern, ihren Zustand zu überwachen und Daten zu sammeln. Ingenieure stehen bei der Entwicklung und Verwendung von Mikrocontrollern im Weltraum vor einer Reihe von Herausforderungen, aber die Vorteile der Verwendung von Mikrocontrollern überwiegen diese Herausforderungen bei weitem.