Microcontroller

SPI: Schnell, einfach, mit eigener Leitung für jedes Gerät

SPI überträgt Daten zwischen Mikrocontroller und Peripheriegeräten mit Takten im Megahertz-Bereich und gleichzeitig in beide Richtungen. Du lernst die Kennzeichen der Schnittstelle kennen: vier Leitungen mit Gegentaktausgängen, eine eigene Auswahlleitung je Gerät, kein festes Protokoll und vier SPI-Modi. Du liest ein SPI-Impulsdiagramm, unterscheidest sternförmige Auswahlleitungen und Ketten und schließt Bausteine an Arduino, ESP8266 und ESP32 an – mit Checkliste für Datenblatt und Bibliothek sowie einer Entscheidungshilfe zwischen SPI und I²C.

I²C: Ein Bus, zwei Leitungen, viele Sensoren

I²C verbindet einen Mikrocontroller über nur zwei Leitungen mit vielen Sensoren, Displays und Speicherbausteinen. Du lernst die Kennzeichen des Busses kennen: Open-Drain-Leitungen mit Pull-up-Widerständen, Adressen statt Auswahlleitungen, Bestätigung jedes Bytes und Taktraten von 100 kHz bis 1 MHz. Du liest ein I²C-Telegramm, bemisst Pull-up-Widerstände und schließt Bausteine an Arduino, ESP8266 und ESP32 an – mit einer Checkliste, was Du vorher im Datenblatt und in der Bibliotheksdokumentation prüfen solltest.

Planungsphase für ein Microcontroller-Projekt

Sind Lastenheft und Pflichtenheft freigegeben, wird die Umsetzung eines Microcontroller-Projekts in den drei Dimensionen des magischen Dreiecks geplant: Qualität (Hardware und Software), Kosten und Zeit. Am durchgehenden Beispiel einer CO2-Lüftungsampel mit ESP32 zeigt der Artikel, wie Messprinzip und Bauteile ausgewählt, Stückliste und Pinbelegung erstellt, der Programmablauf und erste Testfälle entworfen sowie Kostenaufstellung und Zeitplan mit Meilensteinen aufgestellt werden.

Realisierung eines Microcontroller-Projekts nach dem Wasserfall-Modell

Für kleine Projekte, deren Ziel und Anforderungen von Beginn an feststehen, eignet sich ein phasenweises, dokumentengetriebenes Vorgehen, wie es das Wasserfall-Modell beschreibt. Dieser Einstieg in die Artikelreihe zeigt, wann das Modell zu einem Microcontroller-Projekt passt, welche sechs Phasen es durchläuft und welches Dokument am Ende jeder Phase steht – vom Lastenheft bis zum Übergabeprotokoll.

Übungsaufgaben zu Edge, Fog und Predictive Maintenance

Drei Übungsaufgaben zu Edge, Fog und Predictive Maintenance: In der Kernstufe ordnest Du für eine Barcamp-Session Technologien und Big-Data-Dimensionen zu, erklärst BYOD und grenzt Edge von Cloud ab. In der Profilstufe planst Du für einen Industrie-4.0-Rahmenbauer Predictive Maintenance mit Echtzeitdaten, Edge- und Fog-Knoten samt Kostenrechnung und sicherem Verhalten fahrerloser Transportfahrzeuge und entwirfst für eine Leihrad-Flotte die Datenverarbeitung mit Datenvolumen, Mehrwert von Edge, Cloudanbieter-Kriterien, Vorhersagewerten und Datenschutz.

Edge, Fog und Cloud: Big Data und Predictive Maintenance

Tausende Sensoren liefern pro Sekunde Messwerte, doch nicht alles muss in die Cloud. Der Artikel erklärt, was Big Data mit Volume, Velocity und Variety meint, wie Edge Computing Daten direkt an der Quelle verarbeitet, welche Rolle Fog Computing als Zwischenschicht spielt und wie Du damit Latenz, Übertragungskosten und Abhängigkeit von der Verbindung senkst. Danach geht es um Echtzeitdatenverarbeitung, Predictive Maintenance mit den passenden Daten, Vorhersagewerte und um sichere Verhaltensweisen autonomer Systeme. Zum Schluss ordnest Du Begriffe wie IoT, Industrie 4.0, KI, Cloud und BYOD ein.

Übungsaufgaben zur industriellen Kommunikation

Zwei Übungsaufgaben aus einer Rahmenfertigung: Du ordnest Sensoren, Steuerungen, Leitstand, MES und ERP der Automatisierungspyramide zu und untersuchst die OPC-UA-Verbindung zwischen Schweißzelle und MES – vom Informationsmodell bis zu PubSub mit Broker. Du vergleichst MQTT, OPC UA, Modbus TCP und SNMP und erläuterst Echtzeitdaten. In der zweiten Aufgabe wertest Du englische Texte zu EtherCAT und einem Modbus-Energiezähler aus und bindest die Zähler sicher ins Netz ein.

Industrielle Kommunikation: Automatisierungspyramide, Echtzeit, Modbus, EtherCAT und OPC UA

In einer Fabrik reden Sensoren, Steuerungen, Leitstände und ERP-System miteinander – aber nicht alle in derselben Sprache und nicht alle gleich schnell. Du lernst die Automatisierungspyramide mit ihren fünf Ebenen kennen und erfährst, was Echtzeit für ein Netzwerkprotokoll bedeutet. Danach geht es um Modbus (RTU und TCP), EtherCAT mit „processing on the fly“ und OPC UA mit Informationsmodell und Publish/Subscribe. Zum Schluss vergleichst Du die Protokolle mit MQTT und SNMP und sicherst Produktionsnetze ab.

Übungsaufgaben zu MQTT

Vier Übungsaufgaben zu MQTT: Du erläuterst den Ablauf zwischen E-Ink-Türschildern, Broker und Dashboard bei einem Barcamp, wählst Topic-Filter und prüfst, ob das IoT-WLAN reicht. Danach entwirfst Du eine Topic-Struktur für Akku-Ladeschränke, vergleichst in einer Pulverbeschichtung MQTT mit OPC UA, wählst QoS-Stufen und bestimmst die Wirkung von Retain. Zum Schluss meldest Du Raumsensoren passend zur Broker-Konfiguration an und sicherst die Verbindung ab.

MQTT: Publish/Subscribe, Topics, Wildcards und QoS

MQTT ist das Protokoll, mit dem Sensoren, Aktoren und Anwendungen im Internet der Dinge Nachrichten austauschen. Du lernst das Publish/Subscribe-Prinzip mit einem Broker in der Mitte kennen und erfährst, warum MQTT auf TCP aufsetzt und als zustandshaltend gilt. Danach geht es um den Aufbau von Topic-Strukturen, um die Wildcards + und #, um die drei QoS-Stufen, Retained Messages und den Last Will. Zum Schluss liest Du eine Broker-Konfiguration, richtest einen Client passend ein, berechnest die benötigte Bandbreite und vergleichst MQTT mit OPC UA.

Übungsaufgaben zu Funk- und Identifikationstechniken

Sechs Übungsaufgaben zu Funk- und Identifikationstechniken: Du kennzeichnest Leihgeräte und deutest das Datenblatt einer Kamera, planst die RFID-Selbstverbuchung einer Schulbibliothek, bewertest die Funkschnittstellen von Check-in-Terminals, wählst Codes und Scanner für ein Fahrradlager, vergleichst Funkstandards für Sensoren in Lager und Werkhalle und erläuterst NFC, RFID und LoRaWAN an vernetzten Lastenrädern.

Funk- und Identifikationstechniken: WLAN, Bluetooth, ZigBee, LoRaWAN, RFID, NFC und Codes

Ob ein Sensor seine Messwerte funkt, ein Roller geortet oder ein Paket erkannt wird: Immer stellt sich die Frage, welche Technik passt. Du lernst die wichtigsten Funktechniken für vernetzte Geräte kennen (WLAN, Bluetooth und BLE, ZigBee, LoRaWAN, Mobilfunk für das IoT), ordnest sie nach Reichweite, Datenrate und Energiebedarf ein und wählst begründet aus. Danach geht es um die automatische Identifikation mit Barcode, QR-Code, RFID und NFC: wie sie funktionieren, welche Energieversorgung sie brauchen, wo sie stören und wann welche Technik die bessere Wahl ist.

Übungsaufgaben zu Sensoren und Aktoren

Fünf Übungsaufgaben zu Sensoren und Aktoren: Du planst die Überwachung eines Serverraums nach dem EVA-Prinzip, überwachst Temperatur und Feuchte in einem Akkulager mit A/D-Wandler und Monitoring-Software, vermisst Rohre und liest Codes in einer Rahmenfertigung, bewertest die Sensoren eines fahrerlosen Transportfahrzeugs und vernetzter Lastenräder und baust zum Schluss mit einem Mikrocontroller einen Escape-Room auf.

Sensoren und Aktoren einsetzen: Messprinzipien, A/D-Wandlung und Einplatinencomputer

Sensoren erfassen, was in der Welt passiert, Aktoren greifen in sie ein, und dazwischen entscheidet ein Controller. Du lernst das EVA-Prinzip kennen, unterscheidest aktive und passive Sensoren und lernst gängige Sensoren für Temperatur, Feuchte, Bewegung, Abstand und Bilder kennen. Du wählst Sensoren nach Datenblatt aus, berechnest die Auflösung von A/D-Wandler und Kamera, bewertest Messwerte mit Toleranzen und Plausibilität und vermeidest Fehlalarme. Zum Schluss schließt Du Sensoren an einen Einplatinencomputer an und richtest Monitoring mit Benachrichtigungen ein.

Nutzbare Anschlüsse an ESP32 Developer-Boards

Nicht alle Pins eines Microcontroller-Boards kann man nutzen: einige steuern den Startvorgang (Strapping Pins), andere sind intern mit LED, Speicher oder Buttons verbunden. Für die ESP32-Boards ESP32 Dev Kit V1, ESP32 Dev Kit V2, ESP32 Dev Kit C V4, ESP32 C6 Dev Kit N8-M, WeMos Dev Board with 0.96 inch OLED gibt es hier Pinouts mit den empfohlenen frei nutzbaren Pins.

Aufbau und Funktion von D-/T-/JK-Flipflops

Eine Reihe von Flipflop-Grundschaltungen wiegen die Nachteile von einfachen RS-Flipflops auf und sind geeignet für besondere Aufgaben: D-Flipflops verfügen neben dem Takt über nur einen Dateneingang, und sind deshalb besonders zum Datenspeichern (in Registern) geeignet, T-Flipflops verfügen nur noch über den Takteingang und eignen sich als Frequenzteiler oder Zähler, und JK-Flipflops sind die Universalisten, mit denen ungefähr alles möglich ist.

Taktgesteuerte Flipflops

Flipflops sind flexibler einsetzbar, wenn man mit einem Takt einen weitern Eingang anfügt. Es wird Taktzustands- und Taktflankensteuerung unterschieden – beide lasse sich jeweils negieren oder durch taktunabhängige Eingänge ergänzen. Die Königsdiziplin ist das zweitaktflankengesteuerte Flipflop. Kleine Übungsaufgaben sind in den Text integriert.

Einfache Speicherschaltungen mit Flipflops

Neben einfachen Logikschaltungen sind Speicherschaltungen die wesentliche Grundlage der Informationstechnik. Flipflops lassen sich einfach aus NAND und NOR aufbauen, verfügen über einen irregulären Zustand, den man über Setz- und Rücksetzdominanz umgehen kann. Aus der Namensgebung (RS/SR) lässt sich leider nicht einheitlich auf die Funktion schließen, da dies unterschiedlich gehandhabt wird. Kleine Übungsaufgaben sind in den Text integriert.

Digitale Signale mit PulseView und einem Logic-Analyzer untersuchen

Um zu prüfen, ob ein Problem auf Hardware- oder auf Softwareseite besteht, ist es manchmal nötig, die Signale direkt zu messen. Logic-Analyzer bieten die Möglichkeit, viele digitale Signale parallel zu messen und unmittelbar auszuwerten. Mit dem OpenSource-Programm PulseView kann dies sehr komfortabel durchgeführt werden.

Software für den Einstieg in die Digitaltechnik

Es gibt eine ganze Reihe von Simulationstools, mit deren Hilfe man Logikgatter aufbauen und ausprobieren kann. Leider verliert man bei der Fülle und der Flüchtigkeit mancher Tools schnell die Übersicht. Ich habe mal mit allen mit bekannten Tools (a) Flipflops (b) BCD-Synchronzähler gebaut, und notiert, was mir dabei aufgefallen ist. Die Liste ist offen für weitere Hinweise/Vorschläge!

Assembler mit dem Arduino programmieren

Wir haben uns entschlossen, die Arduino-Welt auf den Kopf zu stellen und mit dieser vereinfachten IDE alles möglichst kompliziert zu machen: Assembler mit Arduino-Boardmitteln zu programmieren. Nach den Vorbereitungen geht es hier in Teil 2 ins Eingemachte: die eigentliche Programmierung (zu [Teil 1, den Vorbereitungen, gibt es einen weiteren Artikel)

Arduino-IDE zur Programmierung von Assembler vorbereiten

Kann man mit Arduino-Bordmitteln Assembler programmieren? Zugegeben: es ist Schwachsinn: da geben sich die Leute von Arduino viel Mühe, um die ganze Komplexität der Microcontrollerprogrammierung zu verstecken, und dann versuchen wir, das alles wieder zurückzudrehen. Teil 2: Vorbereitung (zu Teil 2, der eigentlichen Programmierung, gibt es einen weiteren Artikel

Pflichtenheft für ein Microcontroller-Projekt

Liegen die Anforderungen der Kundschaft für ein Microcontroller-Projekt vor, so müssen diese nach dem Wasserfall-Modell als nächstes analysiert, mit Realisierungsoptionen versehen und als Pflichtenheft dokumentiert werden. Der Artikel zeigt außerdem, wer das Pflichtenheft schreibt und freigibt, welche Inhalte typisch sind, welche Rolle es für Vertrag, Tests, Änderungen und Abnahme spielt und wie es sich vom Lastenheft unterscheidet.

Lastenheft für ein Microcontroller-Projekt

Wird ein Microcontroller-Projekt nach dem Wasserfall-Modell entwickelt, dann müssen zunächst die Anforderungen aus Auftraggebersicht definiert und in einem Lastenheft dokumentiert werden. Welche Aspekte sollten hierbei erfasst werden? Der Artikel klärt außerdem, wer das Lastenheft schreibt und abstimmt, wofür es im Projekt verwendet wird, welche Inhalte typisch sind und wie es sich vom Pflichtenheft unterscheidet.

Debugging per Logging und für ESPs mit WLAN

Bei einfachen Projekten ist das Logging über die serielle Verbindung ein Segen beim Debugging: über die USB-Verbindung können am seriellen Monitor der Arduino-IDE Werte ausgegeben werden. Was aber tun, wenn die serielle Verbindung nicht besteht? Wie kann ich Logging am ESP komfortabel und einfach umsetzen? Ein Vorschlag.