Mikrocontroller: Aufbau, Ablauf und Anwendung

Ein Mikrocontroller (kurz µC) ist ein kleiner Computer auf einem einzelnen Chip. Er besteht aus mehreren Teilen.

Der Prozessor führt Programme aus. Der Programmspeicher enthält das Programm. Der Arbeitsspeicher ist für die Daten da, mit denen das Programm gerade arbeitet. In vielen Fällen liegen Arbeits- und Programmspeicher teilweise oder komplett auf demselben Chip.

Dazu kommen Schnittstellen, die eine Kommunikation mit der Umgebung ermöglichen. Man nennt sie Peripheriefunktionen. Auf modernen Mikrocontrollern gibt es häufig auch komplexe Peripheriefunktionen, zum Beispiel USB- oder Ethernet-Schnittstellen.

Bei neuen Mikrocontrollern dominiert mittlerweile Flash-Speicher als Programmspeicher, wenn es um kleinere Stückzahlen geht oder um die Entwicklungsphase. Er ist direkt elektrisch löschbar und wiederbeschreibbar. Die Software auf so einem Gerät heißt Firmware. Bei Flash-Speicher kann man sie aktualisieren, ohne den Chip auszuwechseln.

Warum steckt so viel schon im Chip? Je mehr Funktionen der Mikrocontroller selbst enthält, desto weniger zusätzliche Bausteine braucht die Platine. Weniger Bausteine bedeuten weniger Platz für Leiterbahnen und kürzere Signallaufzeiten zwischen den Bausteinen.

Viele Geräte folgen derselben Kette: messen, verarbeiten, ansteuern. Heute geschieht das meist mit elektronischen Systemen. Sensoren messen, ein Mikrocontroller verarbeitet die Messwerte, und Aktoren werden entsprechend angesteuert.

Ein Sensor ist ein Bauteil, das eine Größe wie Temperatur, Druck oder Helligkeit erfasst und in ein elektrisches Signal umformt. Der Mikrocontroller ist wie ein Gehirn: Er verarbeitet die Signale und steuert abhängig vom Programm Aktoren an.

Ein Aktor setzt ein Signal in mechanische Bewegung, Kraft, Druck oder Drehmoment um. Beispiele für Aktoren sind eine Leuchte, ein Ventil oder ein Motor. Mikrocontroller stecken zum Beispiel in Waschmaschinen, in Fernbedienungen und in Autos, wo sie unter anderem ABS und Airbag steuern.

Drei Begriffe werden oft verwechselt: Mikroprozessor, Mikrocontroller und Board.

Ein Mikroprozessor ist ein Computerprozessor als Chip. Die CPU (der Hauptprozessor) eines PCs ist ein Beispiel. Für einen kompletten Computer braucht er weitere externe Chips für Speicher und Ein-/Ausgabe.

Ein Mikrocontroller hat Prozessor und Peripheriefunktionen auf demselben Chip, oft auch Speicher. Deshalb nennt man ihn ein „Ein-Chip-Computersystem“. Die Grenze zwischen beiden ist etwa seit den 2000er Jahren teilweise fließend.

Ein Board ist etwas anderes: eine Platine, auf der ein Mikrocontroller sitzt. Beim Arduino besteht die Hardware aus einem einfachen E/A-Board (E/A heißt Ein-/Ausgabe) mit einem Mikrocontroller und analogen und digitalen Ein- und Ausgängen. Der Arduino-UNO hat den Mikrocontroller ATmega328, 14 digitale Ein-/Ausgänge und sechs analoge Eingänge. Bei den Boards Yún und Tre sitzt neben dem Mikrocontroller sogar noch ein stärkerer Mikroprozessor.

Für ein funktionstüchtiges Arduino-Programm genügt es, zwei Funktionen zu definieren. setup() wird nach dem Einschalten einmal ausgeführt. loop() läuft danach wiederholt: Ist das Ende erreicht, beginnt es wieder von vorne. Ob ein digitaler Anschluss (Pin) Eingang oder Ausgang ist, legst du im Programm fest.

Fail-safe bedeutet auf Deutsch etwa „sicher trotz Fehler“. Ein Gerät ist fail-safe, wenn es bei einem Defekt so ausfällt, dass keine gefährliche Situation entsteht. Bei einer Maschine nimmt man dafür systematisch an, dass Fehler auftreten, und macht ihre Auswirkungen so ungefährlich wie möglich.

Fail-safe ist nicht dasselbe wie „ausfallsicher“. Ein fail-safe-Gerät funktioniert nach einem Ausfall in der Regel nicht mehr, aber es entsteht keine Gefahr. Beispiel Sicherung: Bei Überlast oder Kurzschluss schaltet sie den Stromkreis ab und verhindert so gefährlich hohe Ströme.

Beispiel Zug: Während der Fahrt muss die Hauptluftleitung unter Druck stehen, damit die Bremsen lösen. Reißt eine Kupplung und damit auch die Bremsleitung, wird die Hauptluftleitung in beiden Zugteilen entlüftet (der Druck entweicht). Es kommt zur Zwangsbremsung. Störungen behindern dann den Betrieb, wirken sich aber zur sicheren Seite aus.

Beim statischen Fail-safe ist ein Sensor so angebracht, dass er im Normalzustand betätigt ist und dabei Spannung an das auswertende Gerät anlegt. Entsteht ein Drahtbruch, erkennt das auswertende Gerät den gleichen Zustand wie im Fehlerfall des Sensors und stoppt die Maschine. Der Fehler muss dabei erkennbar sein, zum Beispiel durch Stillstand der Anlage, denn weitere Bauteilfehler sind sonst unter Umständen nicht mehr sicher. Ein sicherer Zustand kann auch ein Zustand mit eingeschränkter Funktionalität sein, der als für Leib und Leben sicher erachtet wird.

Zur Funktionsüberwachung von Mikrocontroller-Steuerungen werden in der Regel sogenannte Watchdog-Schaltungen eingesetzt. Ein Watchdog sorgt bei Unregelmäßigkeiten im Ablauf für einen kontrollierten Neustart. Teilweise ist er schon im Mikrocontroller eingebaut.