http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
Die Ein- und Ausgänge
Um mit einem Mikrocontroller zu kommunizieren, braucht man irgendeine Form der physikalischen Verbindung. Diese Ein- und Ausgänge am Arduino-Board nennt man Ports. Wie du aus der gezeigten Liste in Tabelle 1 entnehmen kannst, steht uns zur Kommunikation mit dem Arduino-Board eine bestimmte Anzahl von Ein- und Ausgängen zur Verfügung. Sie stellen die Schnittstelle zur Außenwelt dar und ermöglichen uns, Daten an den Mikrocontroller zu senden und von ihm zu empfangen. Wirf einen Blick auf das folgende Diagramm:
Abb. 2: Die Ein- und Ausgänge des Arduino Uno
Du siehst hier den Mikrocontroller, der über bestimmte Schnittstellen mit uns kommunizieren kann. Manche Ports sind als Eingänge, andere als Ein- und Ausgänge vorhanden.
Was ist ein Port?
Ein Port ist ein definierter Zugangsweg zum Mikrocontroller, sozusagen eine Tür ins Innere, die wir nutzen können, um mit ihm zu kommunizieren. Einzelne Ein-/Ausgabe-Pins werden in der Regel in Ports organisiert, die meistens einem Register in einem Mikrocontroller zugeordnet sind, wobei ein Register einen bestimmten Speicherbereich darstellt.
Wirf noch einmal einen Blick auf das Board, und du wirst an der Ober- beziehungsweise Unterkante jeweils schwarze Buchsenleisten erkennen. Du wirst dich möglicherweise fragen, wie denn zum Beispiel bei den digitalen Ein- oder Ausgängen entschieden wird, welche als Eingäge und welche als Ausgänge arbeiten. Vielleicht arbeiten ja einige nur als Eingänge und andere wiederum nur als Ausgänge. Das würde das Ganze aber recht unflexibel machen und deswegen gibt es eine viel bessere Lösung. Und wie sieht es mit den analogen Ausgängen aus? Die fehlen hier komplett.
Beginnen wir mit den digitalen Pins, wobei ein einzelner Pin ein separater Anschluss eines Ports ist, der mehrere Pins in sich vereint. Wie den Spezifikationen zu entnehmen ist, verfügt der Arduino Uno über 14 digitale Ein-/Ausgabe-Pins, die abgekürzt I/O-Pins genannt werden, wobei I/O für Input/Output steht. Über die Programmierung kann jetzt sehr flexibel entschieden werden, welcher der 14 Pins als Eingang und welcher als Ausgang arbeiten soll. Dieser Vorgang wird Konfiguration genannt.
Doch nun zu den analogen Pins. Unser Arduino-Board ist nicht mit separaten analogen Ausgängen versehen. Das hört sich erst einmal recht merkwürdig an, doch bestimmte digitale Pins können als analoge Ausgänge genutzt werden. Du fragst dich bestimmt, wie das funktionieren soll. Ich greife etwas vor auf das, was im Bastelprojekt 1 über die Puls-Weiten-Modulation, auch PWM genannt, kommt. Das ist ein Verfahren, bei dem ein Signal mehr oder weniger lange An- und Aus-Phasen vorweist. Ist die An-Phase, also wenn der Strom fließt, länger als die Aus-Phase, leuchtet zum Beispiel eine angeschlossene Lampe augenscheinlich heller, als wenn die Aus-Phase länger ist. Ihr wird also mehr Energie in einer bestimmten Zeit in Form von elektrischem Strom zugeführt. Aufgrund seiner Trägheit kann unser Auge sehr schnell wechselnde Ereignisse nicht unterscheiden und auch die Lampe weist beim Hin- und Herschalten zwischen den beiden Zuständen Ein und Aus eine gewisse Trägheit auf. Dadurch hat es für uns den Anschein einer sich verändernden Ausgangsspannung. Klingt etwas merkwürdig, nicht wahr? Du wirst es ganz sicher besser verstehen, wenn wir das entsprechende Kapitel erreichen. Einen offensichtlich entscheidenden Nachteil hat diese Art der Portverwaltung schon. Verwendest du einen oder mehrere analoge Ausgänge, geht das zulasten der digitalen Portverfügbarkeit. Du hast dafür eben weniger zur Verfügung. Doch das soll uns nicht weiter stören, denn wir kommen nicht an die Grenzen, die eine Einschränkung unserer Versuchsaufbauten bedeuten würde. In den Spezifikationen wurde kurz der Begriff Bootloader erwähnt, was einer Erklärung bedarf.
Was ist ein Bootloader?
Ein Bootloader ist ein kleines Programm, welches auf dem Mikrocontroller ATmega328 einmalig installiert werden muss. Wird ein Arduino-Board gekauft, ist dieser Bootloader vom Hersteller schon vorinstalliert. Dieses Programm wurde in einem bestimmten Bereich des Flash-Speichers auf dem Mikrocontroller abgelegt und ist unter anderem für das Laden des eigentlichen Programms nach der Verbindung mit der Stromversorgung verantwortlich. Ist ein derartiges Programm vorhanden, wird es ausgeführt. Andernfalls wird so lange gewartet, bis es im Speicher abgelegt wird.
Der zur Verfügung stehende Flash-Speicher wird dadurch natürlich um die Größe des Bootloaders verkleinert. Normalerweise wird ein Mikrocontroller über eine zusätzliche Hardware, zum Beispiel einen ISP-Programmer, mit dem Arbeitsprogramm versehen. Durch den Bootloader entfällt diese Notwendigkeit, und so gestaltet sich der Upload der Software wirklich komfortabel. Nach dem erfolgreichen Übertragen des Arbeitsprogramms in den Arbeitsspeicher des Controllers wird es unmittelbar zur Ausführung gebracht. Angenommen, du müsstest deinen Mikrocontroller ATmega328 auf der Platine aus irgendeinem Grund austauschen, dann würde der neue Mikrocontroller nicht wissen, was zu tun wäre, da der Bootloader standardmäßig noch nicht geladen ist. Für diese Prozedur gibt es verschiedene Verfahren, die ich aus Platzgründen hier nicht erklären kann. Im Internet finden sich aber genügend Informationen, wie du den passenden Bootloader für den Mikrocontroller installieren kannst.
Die Spannungsversorgung
Fangen wir mit der Spannungsversorgung an, denn ohne die geht es wirklich nicht. Es gibt verschiedene Möglichkeiten. Wenn wir mit dem Arduino arbeiten oder ihn programmieren, dann ist natürlich eine USB-Verbindung zum Rechner notwendig. Diese Verbindung hat zwei Aufgaben:
die erforderliche Spannungsversorgung von 5V herzustellen und
einen Kommunikationskanal zwischen Rechner und Arduino-Board bereitzustellen.
Beide Punkte erfolgen über die silberfarbene USB-Buchse, die in der Abbildung mit USB-Anschluss bezeichnet ist. Wie der Anschluss genau aussieht, von welchem Typ er ist und wie die Installation der notwendigen Software vonstattengeht, sehen wir im nachfolgenden Kapitel. Für das Entwickeln und Testen von Programmen ist dieser Weg zum Board genau richtig. Jetzt gibt es aber noch eine zweite Buchse, die sich direkt rechts daneben befindet und hier mit Power-Anschluss gekennzeichnet ist. Dieser Anschluss wird benötigt, um das Arduino-Board nach der Programmierung unabhängig vom Rechner zu machen, über den es zuvor programmiert wurde. Was könnte ein Grund dafür sein, diesen Weg zu beschreiten? Ganz einfach! Angenommen, wir haben ein Roboterfahrzeug gebaut und der Arduino soll jetzt per Funk Befehle von einem Sender empfangen und entsprechende Fahraktionen ausführen. Da wäre ein USB-Kabel sehr hinderlich und würde den Aktionsradius sehr einschränken. Wir benötigen lediglich eine Spannungsversorgung für das Board und gegebenenfalls eine zusätzliche für die Motoren, denn die Programmierung ist abgeschlossen. Ganz nach dem NASA-Spruch beim Raketenstart: Guidance is internal. Der Arduino ist auf sich allein gestellt! Auf der folgenden Abbildung 3 sehen wir die Möglichkeit der externen Spannungsversorgung über eine 9V-Blockbatterie, was jedoch auf Dauer auch keine Lösung darstellt:
Abb. 3: Der Arduino Uno mit externer Spannungsversorgung über eine Batterie
Die vorgeschlagene Spannung sollte sich im Bereich von 7V bis 12V (DC = Direct Current/Gleichspannung) bewegen. Die beste Variante hinsichtlich einer externen Spannungsversorgung stellt ein Steckernetzteil mit einem 2,1mm-Plug dar, was für unter 10€ zu bekommen ist. Also sollte es