Wissenswertes zu Mikrocontroller Boards & Kits (MCU)

Was ist ein Mikrocontroller Board?

Mikrocontroller Boards und Kits sind sowohl für den professionellen Einsatz in der Industrie als auch für private Anwendungen geeignet. Einmal programmiert sind sie in der Lage, Steuer- und Regelaufgaben zu übernehmen. In Form von Mikrocontroller-Kits ermöglichen sie eigene Entwicklungen und sind zudem für Ausbildungs- und Schulungszwecke ideal einsetzbar.

Mikrocontroller Boards bringen auf einer Leiterplatte den eigentlichen Mikrocontroller (MCU) unter sowie eine Programmier-Schnittstelle, die oft als USB-Anschluss ausgeführt ist. Daneben sind Peripherie-Schnittstellenvorhanden, die für die eigentliche Kommunikation und die Steuerung der entsprechenden Hardware zuständig sind. Je nach Ausführung beherbergt das Board zum Beispiel Interfaces wie Analog-Digital-Wandler, LAN-Schnittstellen, I²C, LCD-Controller, serielle Schnittstellen, PWM-Ausgänge, CAN-, LIN- und SPI-Schnittstellen.

Mikrocontroller mit mehreren dieser Interfaces werden oft auch als Evaluierungs- oder Entwicklerboards bezeichnet, da sie mit entsprechenden Sensoren und Aktoren verbunden werden können. Die Programmierung des Prozessors kann somit leicht und schnell am praktischen Modell überprüft und angepasst werden, was eine ausgesprochen einfache und anwenderfreundliche Lösung darstellt und kurze Entwicklungszeiten ermöglicht.

Etliche Boards sind zudem mit sogenannten Shields, dies sind steck- oder anschließbare Funktionserweiterungen in Form von zusätzlichen Modulen, sowie Breakout Boards erweiterbar.

Mikrocontroller zur leistungsfähigen Steuerung von WLAN Signalen.

Einsatzgebiete von Mikrocontrollern

MCUs haben durch ihre einfache Programmierbarkeit und Flexibilität mittlerweile große Verbreitung in der Industrie und im Consumer-Bereich gefunden. Eingesetzt werden sie unter anderem im Automotive-Bereich, in der Medizintechnik sowie im Automatisierungs- und Energiesektor. Bedingt durch ihre anwendungsspezifische Programmierung und den kleinen und klar strukturierten Befehlssatz reicht ein Prozessor mit mittlerer Leistungsfähigkeit aus, um eine hervorragende Performance zu erzielen.

Dies liegt nicht zuletzt daran, dass sich der Mikrocontroller eben nur um die wirklich wesentlichen Aufgaben kümmern und nicht - wie herkömmliche Computer - etliche Nebenprozesse abarbeiten und innerhalb eines aufwändigen Betriebssystems agieren muss. Letztlich erzielt diese „schlanke“ Struktur eine sehr robuste Betriebssicherheit und gute Überschaubarkeit sowie minimale Startzeiten. Es muss weder ein aufwändiges Betriebssystem geladen werden noch sind Zugriffe auf externe, im direkten Vergleich relativ langsame Massenspeicher und periphere Komponenten notwendig.

Dies schlägt sich in günstigen Anschaffungspreisen nieder, was die Verwendung in Massenprodukten bei großen Stückzahlen interessant werden lässt. Bedingt durch den geringen Hardware-Aufwand lassen sich mit Mikrocontrollern zudem enorm kompakte Bauformen realisieren; manche Miniatur-Versionen sind kaum mehr größer als eine Briefmarke und nur wenige Millimeter hoch.

Wie werden Mikrocontroller Boards programmiert?

Programmierbarer Mikrocontroller für ein PC-Peripheriegerät.

Jedes Board verfügt über eine integrierte Programmierschnittstelle, über die das Programm auf den Mikrocontroller übertragen wird. Die Programmierung selbst erfolgt mittels einer integrierten Programmierumgebung (IDE „Integrated Development Environment“) am PC, beispielsweise in C++, die ein Compiler dann in das jeweilige Format übersetzt. Diese Tools sind über die jeweiligen Anbieter der Mikrocontroller erhältlich und bei einem kompletten Kit meist bereits enthalten. Neben dem Compiler stehen noch weitere nützliche Werkzeuge als Programmierunterstützung zur Verfügung, wie Quellcode-Editoren und Debugger zum Aufspüren und Beheben etwaiger Programmierfehler.

Grundsätzlich gibt es nur Weniges, was sich mit den höchst flexiblen Mikrocontrollern nicht umsetzen ließe. Der geringe Stromverbrauch in Verbindung mit einer relativ einfachen Programmierung ermöglicht einen Einsatz bei akku- oder batteriegestützten, mobilen Systemen und durch die überschaubare Programm-Komplexität eine sichere Erprobung in relativ kurzer Zeit. Dies kommt der Betriebssicherheit und Stabilität des Systems zugute, so dass auch Applikationen mit hohen Sicherheitsanforderungen sehr wirtschaftlich umgesetzt werden können.

Einige Anwendungsbeispiele für Lösungen mit Mikrocontrollern sind Kfz-Steuergeräte, Computer-Peripheriegeräte, Gerätschaften der Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräte, Displayansteuerungen, Motorsteuerungen und vieles mehr.

Wie unterscheidet sich ein Mikrocontroller von einem Single Board Computer wie beispielweise dem Raspberry Pi?

Single Board Computer (SBC) sind im Grunde vom Aufbau her vollwertige Computer, die auf nur einem einzigen Board sämtliche elementaren Komponenten wie Mikroprozessor samt Chipsatz und Taktgeber, Arbeitsspeicher und Cache sowie Grafikprozessor und Grafikausgabe integrieren. Dazu gehören - in unterschiedlichen Umfängen - auch Schnittstellen, Kartenslots, WLAN, Bluetooth und teils Steckplätze für Erweiterungen.

Bei SBCs kommen multitaskingfähige Betriebssysteme wie beispielsweise Linux oder Windows zum Einsatz, wohingegen Mikrocontroller Boards erst mit dem gewünschten Programm für eine spezielle Anwendung programmiert werden müssen.

Außer dem Mikrocontroller (MCU) ist hier lediglich eine Schnittstelle zur Programmierung vorhanden sowie - je nach Ausführung - weitere Interfaces in Form von I²C, USB, Ethernet und gegebenenfalls AD-Wandler, PWM-Ausgänge oder LCD-Controller.

Raspberry Pi® 3 Model A+ mit 64-bit Prozessor und microSD als Speicher.

Unser Praxistipp: ESD-Schutz einhalten

Wie praktisch alle elektronischen Baugruppen, sind auch Mikrocontroller vor den schädlichen Auswirkungen elektrostatischer Entladungen unbedingt zu schützen. Auspacken sowie Handling müssen deshalb an einem ESD-geschützten Arbeitsplatz erfolgen. Da die Boards keine eigene Stromversorgung besitzen, ist auf richtige Polung und Einhaltung der erforderlichen Spannung zu achten, damit es zu keinen Beschädigungen kommt. Werden sicherheitskritische Anwendungen mit dem Controller gesteuert, liegt die Verantwortung für die Einhaltung der einschlägigen Sicherheitsvorschriften und der Betriebssicherheit bei dem Entwickler.

                  

Worauf ist beim Kauf von Mikrocontroller Kits und Boards zu achten?

Mittlerweile gibt es eine relativ große Auswahl von Microcontrollern und dem entsprechenden Zubehör hierfür. Je nach Komplexität der Aufgabenstellung sollte auf eine ausreichende Rechenperformance und Größe des Programmspeichers geachtet werden. Universell nutzbar sind Ausführungen, die Anschlussmöglichkeiten für Erweiterungen bieten. Für mobile Anwendungen empfehlen sich Ausführungen mit geringem Stromverbrauch und kompakter, leichter Bauform. Wenn Neuentwicklungen geplant sind, bietet sich der Kauf eines Kits an, das neben der Hardware auch das notwendige Software-Paket für Programmierung, Kompilierung und Fehlerbehebung beinhaltet. Gleich mit dabei ist meist eine ausführliche Dokumentation und oft auch zusätzliche Hardware für Experimentier- und Testzwecke.