Mikrocontroller für weniger als einen Dollar stellen die Welt der eingebetteten Systeme auf den Kopf

Als Entwickler von Embedded-Projekten mit jahrzehntelanger Erfahrung bin ich erstaunt, wie günstig Mikrocontroller geworden sind. Eine Suche nach kostengünstigen Mikrocontrollern zeigt eine lange Liste zu einem Preis von weniger als einem Dollar pro Stück (und manche noch viel weniger!). Unten habe ich einige Mikrocontroller zusammengestellt, die pro Stück weniger als einen Dollar kosten.

Der eigentliche Sinn dieses Blogs ist allerdings nicht der Vergleich von billigen Mikrocontrollern. Es geht um den Vergleich dieser Mikrocontroller mit anderen Alternativen. Wenn man bedenkt, dass das erste Projekt wahrscheinlich jedes Entwicklers, der mit Mikrocontrollern arbeitet, eine blinkende LED ist, bietet es sich wohl an, diese Mikrocontroller mit dem legendären Timer-Chip 555 zu vergleichen. Der Timer 555 ist seit seiner Einführung vor vielen Jahrzehnten das „obligatorische“ Bauteil, wenn es um eine blinkende LED geht.

Das Bauteil kam im Jahre 1972 heraus. Die Firma, die es hergestellt hat, gibt es nicht mehr. Das Bauteil selbst gibt es aber noch, und Sie bekommen den Timer-Chip NE555D von Texas Instruments zum Preis von weit unter einem Dollar. Beachten Sie, dass dieser Stückpreis bereits mit dem unten aufgeführten günstigsten Mikrocontroller vergleichbar ist! Allerdings reicht für das Blinken einer LED mit dem Timer-Chip 555 nicht der Chip alleine. Sie benötigen noch ein paar Widerstände und Kondensatoren. Mikrocontroller brauchen diese zusätzlichen Komponenten nicht.

Auch sind Mikrocontroller erheblich flexibler, auch wenn Ideen für den Einsatz des Timers 555 seit seinem Erscheinen auf dem Markt vor 46 Jahren in Elektronikpublikationen veröffentlicht wurden.

Trotzdem wird der Timer 555 immer einen Platz in meinem Herzen behalten: Er tut das, was er tun soll, zuverlässig und effektiv.

Das Ersetzen eines Timers 555 und blinkende LEDs berührt kaum die Oberfläche dessen, was kostengünstige Mikrocontroller leisten können. Sie können problemlos relativ komplexe eingebettete Systeme steuern. Sie können mit ein wenig Unterstützung durch ein paar Leistungs-MOSFETs zur Steuerung von Motoren eingesetzt werden. Mit ihnen können einfache Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human-to-machine interfaces, HMIs) umgesetzt werden.

Alle unten aufgeführten Mikrocontroller verfügen über einen Multiplexer mit Analogeingang, der einen Analog-Digital-Wandler (ADC) mit mindestens acht Bit ansteuert. Diese ADCs können den analogen Teil vieler eingebetteter Systeme stark vereinfachen.

Mit derart kostengünstigen Mikrocontrollern sollte der Sprung von analogen zu digitalen Signalen so früh wie möglich innerhalb der Signalverarbeitungskette des Systems erfolgen. Es folgt eine Auswahl von MCUs, die Ihre Überlegungen anregen könnten:

Silicon Labs’ EFM8BB10F8G-A-QSOP24R

Der Mikrocontroller EFM8BB10F8G-A-QSOP24R ist Teil der „Busy Bee“-Produktfamilie von Silicon Labs. Er beruht auf der Architektur des ehrwürdigen 8-Bit-Mikroprozessors 8051. Dieses Mitglied der Produktfamilie verfügt über 8 kB-Flash-Programmspeicher und über 512 Byte RAM. Der mit 25 MHz laufende Mikrocontroller verfügt über eine Pipeline-Version des 8051-Kerns. Damit werden 70 Prozent der Befehle in einem oder zwei Taktzyklen ausgeführt Als Peripherie bietet der Mikrocontroller EFM8BB10F8G-A-QSOP24R Folgendes:

• I²C
• SPI
• SMBus-Port
• UART
• Drei programmierbare Counter/Timer-Kanäle mit PWM-Generator
• Vier 16-Bit-Timer
• Ein 12-Bit-ADC mit sechzehn analogen Eingangskanälen
• Zwei Analogkomparatoren

Sämtliche I/O-Bausteine sind im 24-Pin-QSOP-Gehäuse des Mikrocontrollers untergebracht. Silicon Labs bietet seine Entwicklungs-Suite Simplicity Studio 4 mit Keil-Compiler und -Assembler, Debugger, IoT App Builder, Energieprofiler, Hardwarekonfigurator und fertigen Demos an.

Microchip Technology's ATTINY84A-SSUR

Der ATTINY84A-MMH gehört zur 8-Bit-AVR-Mikrocontroller-Produktfamilie von Microchip (früher Atmel). Diese spezielle Komponente verfügt über 8 kB Flash-Programmspeicher, 512 Byte EEPROM und 512 Byte RAM. Die 8-Bit-AVR-Architektur verfügt über 120 Befehle (die meisten davon werden innerhalb eines Taktzyklus ausgeführt) und ein 32 Byte großes Register. Der Mikrocontroller läuft mit 20 MHz. Als Peripherie bietet der Mikrocontroller ATTINY84A-MMH Folgendes:

• Ein 8-Bit- und ein 16-Bit-Timer/Counter
• Zwei PWM-Kanäle
• Ein 10-Bit-ADC mit acht asymmetrischen Analogeingängen
• Ein programmierbarer Watchdog-Timer, damit das Programm nicht in die Bredouille gerät

Zum Softwaresupport gehören C-Compiler, Makroassembler, ein Debugger und Simulator und Evaluierungskits.

Microchip Technology’s PIC10F220T-E/OT

Die PIC-Serie von Microchip war lange die erste Wahl für kostengünstige eingebettete Systeme. Der Mikrocontroller PIC10F220 von Microchip hat einen Flash-Speicher für 256 Speicherworte für Befehle (ein Befehlswort ist 12 Bit breit) und 16 Byte RAM. Der Mikrocontroller hat einen einfachen Befehlssatz – es müssen nur 33 Befehle gelernt werden – und alle Befehle außer den Verzweigungsbefehlen benötigen nur einen Taktzyklus. Verzweigungen benötigen zwei Taktzyklen. Ein Befehlszyklus hat bei einem internen Takt von 8 MHz eine Länge von 500 Nanosekunden. Der Baustein hat 6 Pins. Daher wird die Peripherie auf die vier I/O-Pins gemultiplext. Als Peripherie bietet der PIC10F220T-E/OT Folgendes:

• Ein 8-Bit-Echtzeit-Taktgeber/Counter
• Ein 8-Bit-ADC mit zwei analogen Eingangskanälen
• Vier Mehrzweck-I/O-Pins

Abbildung 1: Beim Mikrocontroller PIC10F220T-E/OT von Microchip werden mehrere analoge und digitale Funktionen auf die vier I/O-Pins gemultiplext. (Bildquelle: Microchip Technology)

Die Entwicklungssuite MPLAB von Microchip umfasst C-Compiler, Assembler, Linker sowie eine Objektbibliothek.

Microchip Technology’s ATTINY10-TSHR

Wenn Sie einen wirklich günstigen Mikrocontroller suchen, so ist der ATTINY10-TSHR von Microchip kaum zu schlagen (Abbildung 2). Das Innere dieser 8-Bit-Mikrocontroller mit 6 Pins aus der AVR-Serie von Microchip bietet viel Attraktives. Die meisten der 54 Befehle werden von dem mit 12 MHz laufenden Baustein innerhalb eines Taktzyklus ausgeführt. Diese spezielle AVR-Variante verfügt über 1 kB Flash-Befehlsspeicher und über 32 Byte RAM. Es ist kaum zu glauben, wie viele I/O-Möglichkeiten in einen 6-Pin-Baustein passen. Beim Mikrocontroller ATTINY10-TSHR werden die folgenden Peripheriekomponenten auf die vier I/O-Pins gemultiplext:

• Ein kapazitiver Touch-Sensorkanal
• Ein 16-Bit Timer/Counter mit zwei PWM-Kanälen
• Ein Watchdog-Timer mit einem separaten Oszillator auf dem Chip
• Ein 8-Bit-ADC mit vier Analogeingängen
• Ein Analogkomparator

Abbildung 2: Beim Mikrocontroller ATTINY10-THSR wird eine große Zahl von Peripheriekomponenten auf die vier I/O-Pins gemultiplext. (Bildquelle: Microchip Technology)

Die Softwareentwicklung wird durch die Programmsuite Studio 7.0 von Atmel unterstützt. Sie umfasst wie üblich Compiler, Assembler, Linker usw.

Versuchen Sie doch mal, sich den Einsatz einer MCU auszureden

Früher waren Mikrocontroller teuer. Dies ist aber nicht mehr so. Die Entwicklung von eingebetteten Systemen steht jetzt dank Mikrocontrollern wie den oben aufgeführten auf dem Kopf. Heutzutage ist es klug, zuerst den Einsatz eines Mikrocontrollers ins Auge zu fassen und dann darüber nachzudenken, warum ein kostengünstiger Mikrocontroller nicht die erste Wahl für jedes kostengünstige Projekt sein sollte.