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Mikrocontroller

Auf dieser Seite sollen einige Themen vorgestellt werden, die unsere tägliche Entwicklungsarbeit beeinflussen.


  Mikrocontroller

Der Entwickler kann für Embedded Produkte zwischen  8/16/32 Mikrocontrollern auswählen, die heute überwiegend als Single-Chip- Controller gestaltet sind. Dabei sind Daten -u. Adressbus nicht mehr nach außen geführt.  Dadurch ist es heute nicht mehr so einfach möglich, Entwicklungs-Emulatoren an den Prozessor-Bus anzukoppeln. Für eine Echtzeitemulation  werden dafür sogenannte Bondout- Chip- Varianten benötigt.

Während für Entwicklung in den letzten Jahren die Mikrocontroller überwiegend umfangreiche Emulatoren mit speziellen Erweiterungsboards für jedes Derivat benötigt wurden, enthalten moderne Mikrocontroller heute serielle JTag Debug -Schnittstellen, die ein symbolisches Debugging über spezielle IDE-Oberflächen ermöglichen. 

Der Trend, immer neue Peripheriefunktionen auf dem Chip zu integrieren, setzt sich fort. Hinzu kommen umschaltbare Taktfrequenzen, die einen stromsparenden Standby- Betrieb ermöglichen, wie er in portablen Anwendungen benötigt wird. 

Sogenannte Mixed-Signal Controller (8051-Derivat, Analog-Devices, Silicon Laboratories)  http://www.silabs.com  und http://www.analog.com/Micro Auswahl-Tabelle sind Flash programmierbar und enthalten heute Analog- Digital-Wandler, Digital- Analog- Wandler, Fenster- Komparatoren und Referenzspannungsquellen neben den bisher schon üblichen Schnittstellen wie UART, I2Cbus,  und universelle Counter -Timer Arrays (PCA). Glaubt man den Herstellern, so ist das Problem einen Mixed- Signal-Prozessor herzustellen, nicht der Prozessor-Kern, sondern einen qualitativ hochwertigen A/D- Wandler herzustellen und so auf dem Chip zu integrieren, dass er möglichst wenig durch  digitale Prozessorbereiche beeinflusst wird. 

Am oberen Ende der Leistungsskala sehen wir heute  ARM7 TDMI Technologie mit  16/32 Bit Prozessor- Kern von Analog- Devices und   Philips (ohne Mixed- Signal -Peripherie, dafür mit CAN-Controller) etc..  Philips Mikrocontroller-index.html.


  ISM Funkbausteine 

Im Bereich haustechnischer Anwendungen, sowie in der Gebäudeautomatisierung wird zunehmend eine drahtlose Vernetzung mit  Kurzsteckenfunk  (ISM) gefordert. Bei Low- Cost Anwendungen (Fernsteuerung) werden undirektionale Lösungen auf der Basis von Oberflächenwellenoszillatoren eingesetzt. Nachteilig ist die geringe Frequenzkonstanz der Bausteine, was einen höheren Kanalabstand erfordert, als bei Systemen, die eine digital PLL- Frequenzaufbereitung auf dem Chip besitzen. Typische Vertreter von Bausteinen  mit PLL sind die Bausteine von Chipcon http://www.chipcon.com,  Nordic  http://www.nvlsi.no/ und Melexis http://www.melexis.com. Wegen einer ständig steigenden Nutzung der ISM- Frequenzen (433 MHz, 868 MHz, 2.4 GHz) wächst in den VHF-Bereichen der Trend zur schmalbandigen Übertragung. Die einschlägigen europäischen Standards http://www.ero.dk legen für die jeweiligen Frequenzen neben der maximalen Bandbreite auch die Kanalbelegungsdauer (Duty- Cycle) fest. 

 


  ZigBee, drahtlose Sensoren

Das Thema "drahtlose Sensoren" hat sich das ZigBee Konsortium auf die Fahnen geschrieben. Während auf  den ISM Frequenzen nur schmalbandige Modulationen zugelassen sind, verwendet ZigBee im 2.4 GHz-Bereich eine  Breitspektrumübertragung (DSSS, Direct Sequence Spread Spektrum). Dieses Übertragungsverfahren ist weniger anfällig gegenüber schmalbandigen Störsignalen aus der unmittelbaren Umgebung.

Die ZigBee- Spezifikation steht in der Version 1.0 für nicht kommerzielle Zwecke jedermann frei zur Verfügung. Durch Klicken auf den folgenden Download- Link gelangt man direkt zum Anforderungsformular, mit dem an die Spezifikation im .pdf- Format laden kann. 

http://www.zigbee.org/en/spec_download/download_request.asp

Das ZigBee Konsortium legt  hohen Wert auf die Datensicherheit und setzt dazu den 128 Bit AES- Verschlüsselungsstandard ein. Hierbei wird gefordert, dass  jeweils nur der Quellen- und Zielknoten einen gemeinsamen Schlüsselcode benutzen.  Nachrichten, die Zwecks Routing weitergeleitet werden müssen, bleiben auf ihrem Weg verschlüsselt. Ein Artikel, der sich mit diesem Thema befasst, ist unter Sicherheit in ZigBee-Netzen nachzulesen.   

Im Gegensatz zu den vielen proprietären Lösungen im Bereich ISM wird für ZigBee (IEEE 802.15.4) http://www.zigbee.org ein kompletter Protokoll- Stack  definiert. Bislang sind nur die beiden untersten Layer MAC u. PHY endgültig definiert. Diese  untersten Netzwerkschichten werden von den einschlägigen Bausteinen weitgehend per Hardware unterstützt.
Oberhalb dessen liegt der Netzwerk- Layer  NWK, der für die Datensicherung, das  Netzwerkmanagement und das Routing zuständig ist.  Das Verbindungsglied zwischen diesen Schichten und der Anwendungsschicht bildet ein Applikation Support Layer APS.
Der darüber liegende Applikations- Layer definiert per Standard etwa 30 Netzwerkobjekte (ZDO) lässt aber auch Raum für eigene Erweiterungen. 
Auf Grund einer Vielzahl von Schichten und definierten Schnittstellen benötigt ein voll funktionsfähig Zigbee- Knoten (FFD, Full Function Device) für den Protokollstack etwa 32K Byte Programmspeicher. Dieser unterstützt jedoch das Routing von hierarchischen Netzen und wird hauptsächlich für den Netzwerk Koordinator Knoten benötigt. Demgegenüber wird für einen einfachen Netzknoten eine wesentlich geringere Funktionalität benötigt, die etwa 4 kByte Programmspeicher beansprucht.  
Wegen des Umfang der Protokollstacks hat sich ein spezieller Markt von Software-  Systemanbietern gebildet, der diese Funktionalität in Lizenz vermarktet. Reine MAC u. PHY Schichten, die eine Basis für den einfachen Netzwerkknoten darstellen, werden von den Hardwareanbietern lizenziert für die jeweilige proprietäre Hardware kostenfrei zur Verfügung gestellt.

PHY Freqenz-Band Kanäle Kanal- Parameter Daten- Parameter
Chip Rate Modulation Bit Rate Zeichen Rate Modulation
868/915 MHz 868-870 MHz 0 300 kChip/s BPSK 20 kBit/s 20 kBaud BPSK
092-928 MHz 1 .. 10 600 kChip/s 40 kBit/s 40 kBaud
2.4 GHz 2.4 - 2.4835 GHz 11..26 2.0 MChip/s QPSK 250 kBit/s 62.5 kBaud 16-er
Orthogonal

Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Eigenschaften und  Anwendungsschwerpunkte zwischen ZigBee und Bluetooth. 
Bluetooth ermöglicht hohe Datenraten bei einer geringen Anzahl von Netzteilnehmern und hohem Energiebedarf. Demgegenüber zielt ZigBee auf geringe Datenraten bei großer Anzahl von Netzteilnehmern und geringem Energiebedarf. 

Parameter ZigBee Bluetooth
Anwendungen Steuern/Überwachen/Automatisieren Kabelersatz
Protokollstack 32 kByte über 250 kByte
Batterie-Lebensdauer 100 bis über 1000 Tage 1 bis 7 Tage
Netzteilnehmer über 65000 8
Übertragungsrate 200 bis 250 kBit/s 1 MBit/s
Funkdistanz ca. 30 m ca 10m
Charakteristik kleine Pakete, große, statische Netze große Pakete, kleine Netze
ZigBee und Bluetooth im Vergleich. Bei langsamen Netzwerken sind die Vorteile von ZigBee offenkundig. (Quelle: Certicom/ Elektroniknet)
 

 

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Stand: 29. Januar 2018