Mikrocontroller und Robotik

The first microcontroller in the world: Intel 8048

Mikrocontroller sind im Wesentlichen Computer, welche auf einen einzelnen Chip mit integriertem Schaltkreis positioniert werden und aus einer Speichereinheit, einem Prozessor sowie Input-Output Schnittstellen bestehen. Sie werden für eine bestimmte Aufgabe programmiert, was bedeutet, dass sobald eine Änderung oder Verbesserung der Aufgabe nötig ist, ein neues Programm auf dem Chip installiert werden muss. Eigenschaften, welche den Mikrocontroller von anderen Computern (PC, Laptop, Server, etc.) unterscheiden sind:

• Sämtliche Funktionen sind auf einem einzelnen, kleineren und kompakteren Chip gespeichert.
• Er wird zur Durchführung einer bestimmte Aufgabe programmiert, um die Funktionalität zu ändern muss neue Software installiert werden.
• Er verbraucht weniger Strom, da alle physischen Komponenten kleiner und energiesparender sind als die eines PC, Laptops oder Servers. Entwickler von Mikrocontrollern fokussieren einen geringen Energieverbrauch, sodass mobile Anwendungen länger betrieben werden können.
• In- und Outputs, die auf einen bestimmten Zweck ausgelegt sind. Mikrocontroller besitzen so genannte Peripherie-Schnittstellen, welche Verbindungen zwischen mehreren Mikrocontrollern oder zwischen einem Mikrocontroller und einem Computer (z. B. USB, CAN, UART) ermöglichen sowie dabei helfen, reale physikalische Prozesse nachzuvollziehen (z. B. Schaltvorgänge, Temperaturmessungen, etc.) und nicht zuletzt auch die Steuerung von Umgebungen unterstützen (z. B. Motoren steuern, Alarme auslösen, etc.).

Mikrocontroller finden sich in diversen Gegenständen des täglichen Gebrauchs: in Haushaltsgeräten (z. B. Mikrowelle, Fernsehgerät), Spielzeugen (Lego NXT, sprechende Puppen), Beförderungsmitteln (Auto, Aufzug), etc. Der umfassende Einsatz von Mikrocontrollern ist möglich, da sie leicht zu programmieren sind und eine Vielzahl von Funktionen besitzen; folglich können sehr leicht neue Funktionen hinzugefügt sowie das Anwendungsniveau erhöht werden.

Robotik ist die Wissenschaft, welche die Technologie und das notwendige Wissen zum Bau von Robotern miteinander kombiniert. Aufgrund des rasanten technologischen Fortschritts ist der Begriff „Roboter“, der als automatisierte Maschine den Menschen ersetzt, nicht mehr klar definiert. Roboter sind nicht länger nur humanoide Roboter, Roboterhände in Fertigunggstraßen, Autopiloten in Flugzeugen, aus lebenden Neuronen bestehende künstliche Intelligenz oder einfache Reinigungsroboter; der Begriff „Roboter“ bezeichnet vielmehr auch Computersoftware, welche für den Menschen gedachte Aufgaben ausführt (z. B. Berichte erstellen). Es ist allseits bekannt, dass Roboter gebaut werden, um den Menschen bei bestimmten Aufgaben zu ersetzen. Eine Vielzahl von Gründen rechtfertigt dieses: gefährliche Arbeitsbedingungen, günstigere Produktion, monotone Arbeit bei der Menschen zu Fehlern neigen, neue Systeme, die so komplex und zeitkritisch sind, dass automatisierte Maschinen diese besser erledigen können als Menschen.

Aufgrund der Weitläufigkeit der Robotik, konzentrieren wir uns in diesem Buch auf die Hobby-Robotik. Diese Systeme sind nicht allzu komplex und es ist möglich sie eigenständig zu implementieren. Häufig genutzte Mikrocontroller in der Robotik sind:

• Atmel AVR Mikrocontroller (ATmega, ATtiny, etc.)
• Microchip Technology PIC Mikrocontroller (PIC16, PIC24, etc.)
• Mikrocontroller, die auf der ARM-Technologie basieren.

Drittanbieter haben sehr häufig Entwicklungsplatinen und Umgebungen gebaut, die auf den zuvor genannten Mikrocontrollern basieren. Zum Beispiel: Arduino (VAR), BASICStamp (PIC) und Lego NXT (ARM). Die zur Entwicklung von HomeLab notwendigen Grundvoraussetzungen, welche in diesem Buch beschrieben werden, basieren auf dem AVR ATmega127 Mikrocontroller. Aus der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Mikrocontroller und Entwicklungsplatinen gilt es nun, das für den jeweiligen Bedarf am besten geeignete Produkt auszuwählen. Allgemein lassen sich die folgenden 4 Eigenschaften unterscheiden: Preis, technische Merkmale, Entwicklungsumgebung und Kundenbetreuung. Bemerkenswerte technische Merkmale sind:

• Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors – legt die Arbeitsgeschwindigtkeit des Chips fest
• Speicherkapazität des Programms – bestimmt die Größe des Programms, das auf dem Chip installiert werden kann
• Datenspeicherkapazität – gibt die mögliche Datenverarbeitungsmenge des Programms an
• Anzahl der Input- / Output-Schnittstellen sowie deren Funktionen – unterschiedliche Schnittstellen bieten differenzierte Möglichkeiten
• Anzahl der Timer – wichtig für das Zeitverhalten der Anwendung
• Energieverbrauch – von großer Bedeutung für mobile Anwendungen

In diesem Buch verwenden wir PC-Software als Entwicklungsumgebung, mit der Programme erstellt und kompiliert und auf die Mikrocontroller geladen werden können sowie Zugriff auf die laufenden Programme hergestellt werden kann, um so mögliche Fehler zu entdecken. Da diese Software während der Entwicklungsphase des Programms als primäre Entwicklungsumgebung dient, wird die einfache und angenehme Arbeitsweise während der Nutzung deutlich. Dies führt schließlich zur vierten Eigenschaft, der Kundenbetreuung. Hier ist es wichtig, dass auf Hilfe und Unterstützung bezüglich diverser Problemstellungen so einfach wie möglich zugegriffen werden kann. Unter Berücksichtigung der vier genannten Merkmale, sollte es schließlich möglich sein, die geeignete Entwicklungsplatine zu finden.