Mikrocontroller und Entwicklungswerkzeuge

Microchip Technology Inc. ist in der Branche vielleicht am ehesten für seine PIC®-Mikrocontroller bekannt, vor allem für die 8-Bit-Modelle, darüber hinaus aber auch zunehmend für Modelle für fortschrittlichere 32-Bit-Anwendungen. Dank des umfangreichen Produktportfolios und der enormen Nutzerzahl ist Microchip ein weltweit führendes Unternehmen in den vielfältigen Märkten für eingebettete Mikrocontroller. Neben 8-, 16- und 32-Bit-Mikrocontrollern sowie Digitalen Signalcontrollern (DSC) stellt das Unternehmen außerdem auch analoge Halbleiter-, Speicher- und drahtlose Produkte her.

 

Der PIC-Mikrocontroller verfügt über eine breite Nutzerbasis und ist bei Entwicklern von Industrie- und Konsumentenanwendungen sowie bei Bastlern, Schülern und Studenten sehr beliebt, da die PIC-MCUs von Microchip günstig und leicht erhältlich sind. Zum Portfolio gehören außerdem 16-Bit-MCUs und dsPIC® Digital-Signalcontroller (DSC), die vollständige DSP-Funktionalität bieten.

 

Das umfangreiche Mikrocontroller-Portfolio bietet Leistung für alle Klassen von günstigen und stromsparenden Geräten bis hin zu einer Leistung von 330 DMIPS (Dhrystone Million Instructions Per Second). Das Portfolio reicht von 375 B bis zu 2 MB Programmspeicher, um den wachsenden Codeanforderungen gerecht zu werden, und bietet Aufwärtskompatibilität, um Investitionsanreize für die Codeentwicklung zu erhalten. In vielen Paketen erlaubt die Kontaktkompatibilität außerdem, einzelne Teile mit 6 bis 144 Kontakten zu ersetzen.

 

Neben dem umfangreichen Silizium-Portfolio bietet Microchip umfassenden Support für Entwickler. Microchip bietet dazu ein umfangreiches Entwicklungssystem, das Starterkits, Entwicklungsplatinen, günstige oder kostenlose Softwareentwicklungswerkzeuge, Anwendungsnotizen und Referenzentwürfe für Anwendungen enthält.

 

8-Bit-PIC-Mikrocontroller

Die 8-Bit-PIC-Mikrocontroller von Microchip bieten 375 B bis 128 KB Flash-Speicher, 16 B bis 4 KB RAM und On-Board-EEPROM. Sie können außerdem mit 1,8 bis 5,5 V betrieben werden und bieten Kontakt- und Codekompatibilität von 6-poligen DFNs bis zu 100-poligen TQFPs. Weitere wichtige Leistungsmerkmale: hochauflösende PWMs, ADCs und DACs und Konnektivität wie I2C-, SPI-, UART-, USB- und Ethernet-Schnittstellen; daneben Wirkstrom von bis zu 35uA/MHz, Ruhezustandsverbrauch von 20nA und eine Batterielebensdauer von mehr als 20 Jahren.

 

Eines der wichtigsten Leistungsmerkmale der neueren 8-Bit-PIC-Geräte ist die Nutzung der von Microchip so genannten „Core Independent Peripherals“, die so entworfen wurden, dass sie ihre Aufgaben erfüllen können, ohne dass Code oder eine Überwachung durch die CPU benötigt wird. Dadurch wird die Implementierung komplexer Steuerungssysteme vereinfacht und Entwickler erhalten eine sehr hohe Flexibilität. Einmal im System initialisiert bietet die Peripherie eine andauernde geschlossene eingebettete Steuerung, ohne dass die CPU eingreift. Die CPU kann dann in den Stand-by- oder Ruhezustand versetzt werden, um Energie zu sparen. Die Peripherie ist intelligent verknüpft, so dass beim Transfer von Daten, logischen Eingaben und analogen Signalen nahezu null Latenz ohne zusätzlichen Code oder den Eingriff der CPU ermöglicht wird. Dadurch kann die CPU andere Systemaufgaben bearbeiten und der Flash-Speicher-Verbrauch reduziert werden. Da die CPU entlastet wird, können dank der Peripherie kleinere und energiesparendere PIC-MCUs äußerst komplexe Aufgaben ausführen, wie z. B. Hochleistungsbeleuchtungssteuerung und Kommunikation. Außerdem können Kosten eingespart werden, indem separate externe Komponenten durch diese integrierte Peripherie ersetzt werden.

 

Die 8-Bit-PIC-Serie ist in vier Ausführungen erhältlich, die in der Leistungsfähigkeit ansteigen: Baseline; Mid-Range; Enhanced Mid-Range und schließlich die PIC18-Serie. Zu den Highlights der PIC-8-Bit-Architektur gehören die folgenden Merkmale:

 

• Separate Busse für Anweisungen und Daten
• Gleichzeitiger Zugriff auf Daten- und Anweisungsbusse
• Breite Programmspeicherbusse (12-, 14- und 16-Bit)
• Single-Cycle-Anweisungen mit verbesserter Effizienz
• Daten-EEPROM verfügbar
• Einheitliches Toolset für alle Kerne

 

Die „Baseline“-Mikrocontroller nutzen ein 12-Bit-Anweisungswort und bieten eine breite Auswahl an Merkmalen und Optionen zur Kostenminimierung. Zu den typischen Merkmalen gehören: 8-Bit-ADC, Komparator, Datenspeicher und interner Oszillator. Ein Beispiel hierfür ist die PIC10F-Familie.

 

Die „Mid-Range“ ist die nächst höhere Stufe bezüglich Leistung und Funktionsmerkmalen. Die Serie nutzt ein 14-Bit-Anweisungswort und bietet mehr Peripherie, so dass eine umfassendere eingebettete Steuerung ermöglicht wird, wobei die Entwickler aber lediglich 35 Anweisungen lernen müssen. Es ist daher sehr einfach, eine optimale Systemleistung zu erzielen. Über die Merkmale der Baseline-Serie hinaus bietet diese Serie SPI/I2C-Schnittstellen, UART, PWMs, LCD und einen 10-Bit-DAC. Ein Beispiel hierfür ist die PIC12F-Familie.

 

Die „Enhanced Mid-Range“ bietet noch mehr Leistung und über die Merkmale der Mid-Range hinaus mehr Kommunikationsperipherie, Platz für lineare Programmierung und PWMs mit unabhängiger Zeitablenkung. Ein Beispiel hierfür ist die PIC16F1XXX-Familie.

 

Der PIC18 vereint die maximale Leistungsfähigkeit und Integration mit der einfachen Nutzbarkeit einer 8-Bit-Architektur. Er bietet bis zu 16 MIPS Prozessorleistung und enthält einen 12-Bit-ADC und erweiterte Peripherie wie CAN, USB, Ethernet, LCD und CTMU. Zu dieser Produktreihe gehört außerdem die Serie K, die maximale Leistung bei niedrigstem Energieverbrauch bietet. Ein Beispiel hierfür ist die PIC18F87KXX-Familie.

 

Es ist eine breite Palette an 8-Bit-PIC-Starterkits erhältlich, so dass Entwickler zügig mit der Nutzung und der Programmierung von 8-Bit-PIC-MCUs beginnen können. Bei den Starterkits handelt es sich um günstige Komplettpakete aus Hard- und Software, die zum Erkunden einer neuen Controllerfamilie benötigt wird; dazu gehören ein separater oder ein On-Board-Debugger sowie die MPLAB® IDE von Microchip und andere Software-Tools. Zu den beliebtesten Starterkits gehören:

 

Das PICDEM-Labor-Entwicklungskit, das entwickelt wurde, um eine umfassende Entwicklungs- und Lernplattform für die Flash-basierten 6-, 8-, 14-, 18-, und 20-poligen 8-Bit-PIC-Mikrocontroller von Microchip zu bieten. Es richtet sich an erstmalige Nutzer der PIC-Mikrocontroller sowie an Studierende und enthält fünf der beliebtesten 8-Bit-PICs sowie viele separate Komponenten. Erweiterungssteckverbinder bieten vollen Zugang und volle Konnektivität über alle Anschlussstifte der verbundenen PIC-Mikrocontroller und Bauteile. 

 

Die F1-Evaluationsplattform ist ein einfaches Entwicklungstool für PIC-Mikrocontroller der „Mid-Range“-Reihe und bietet eine Plattform zur allgemeinen Entwicklung sowie die Möglichkeit, Code für jegliche Mikrocontroller der Serien PIC12F1 oder PIC16F1 zu entwickeln. Integrierte Funktionsmerkmale: Prototyping-Bereich, LCD-Steuerung, Systemstromflussüberwachung, Temperatursensor, RTC, LED-Treiber, Schaltflächensteuerung und BLDC-Motorsteuerung.

 

Das PIC18-Starterkit funktioniert als USB-Maus, -Joystick oder -Massenspeichergerät und alle Funktionen verwenden die integrierten Berührungssensoren. Es enthält eine MicroSD-Speicherkarte, ein Potentiometer, einen Beschleunigungssensor und ein OLED-Display sowie einen On-Board-Debugger und USB-Stromversorgung.
 

Darüber hinaus ist eine Reihe von Entwicklungs- und Evaluationsplatinen erhältlich, die Flexibilität und Erweiterungsfähigkeit für umfassende Designs bieten, darunter die Möglichkeit, verschiedene Prozessoren und Daughter Cards hinzuzufügen.

 

Die PIC18-Explorer-Platine ist eine günstige Demo-Platine, die sich ideal zur Evaluation der PIC18-MCU-Familien (Standard PIC18, PIC18-J-Serie und PIC18-K-Serie) eignet. Diese einfache Entwicklungsplatine unterstützt Dutzende der universalen PIC18-Familien, die verschiedene Prozessorsteckmodule (PIMs) verwenden, darunter z. B. PIC18F87K22 PIM, PIC18LF45K22 PIM und viele andere. Außerdem können dank der breiten Palette an PICtail-Daughter-Cards viele verschiedene Zusatzplatinen mit der PIC18-Explorer-Platine verbunden werden, wie z. B. die Evaluationsplatinen RN-131-PICtail und RN-171-PICtail, die auf PIC18-Mikrocontrollern basierende Designs mit Drahtlos-Funktionalität ausstatten.

 

16-Bit-PIC-Mikrocontroller

Die 16-Bit-PIC24-MCUs und dsPIC-Digital-Signalcontroller (DSCs) von Microchip bieten Entwicklern eine einfache Upgrademöglichkeit von 8-Bit-Mikrocontrollern sowie eine kosteneffektive Alternative zu 32-Bit-MCUs. Die Produktreihe enthält sowohl energiesparende Mikrocontroller als auch hochleistungsfähige Digitale Signalcontroller. Die dsPIC-Familie bietet Single-Cycle-Ausführung, Deterministic Interrupt Response, Zero-Overhead Looping und schnellen DMA sowie einen Single-Cycle 16x16-MAC und 40-Bit-Akkumulatoren, so dass sie ideal für rechenintensive Anwendungen wie Motorsteuerung oder digitale Energie geeignet ist. Die Leistung reicht von 16 bis 70 MIPS, der Flash-Speicher von 4 KB bis 512 KB und die Pakete sind 14- bis 144-polig. Typische Familien der 16-Bit-PIC-Mikrocontroller- und DSC-Reihe sind PIC24F und dsPIC33F.

 

Es ist eine breite Palette an 16-Bit-Starterkits erhältlich, darunter: das PIC24F-Starterkit, das Data Logging, Speicherstick und Grafik demonstriert; das PIC24H-Kit, das Beschleunigungssensor-Interaktion, Sprachwiedergabe und ein OLED-Display unterstützt; die dsPIC33F- und PIC24H-Entwicklungsplatine, die eine einfach zu nutzende und wirtschaftliche Entwicklungsumgebung für 16-Bit-MCUs und -DSCs bietet; sowie die Explorer-16-Entwicklungsplatine, die die primäre Entwicklungsplattform für 16-Bit-PIC-Produkte darstellt und durch eine breite Palette an anwendungsspezifischen Entwicklungsplatinen, darunter viele PICTail™ Erweiterungsplatinen, ergänzt wird.

 

Außerdem ist eine Reihe von Entwicklungsplatinen zur Motorsteuerung und für digitale Energieanwendungen erhältlich, die von einfachen Starterkits bis zu vollständigen Entwicklungsplattformen reichen, darunter das Motorsteuerungskit, das die kapazitive Touch-Technologie und BLDC-Motorsteuerung unterstützt, sowie das dsPIC-DSP-Kit für Audio-Sampling und -Wiedergabe.

 

32-Bit-PIC-Mikrocontroller

Die hochleistungsfähigen 32-Bit-PIC-Mikrocontroller von Microchip integrieren die MIPS M4K- oder microAptiv-Mikroprozessorkerne mit fünfstufiger Anweisungspipeline. Der PIC32MX integriert den MIPS M4K-Kern, der bis zu 100 MHz 1,65 DMIPS/MHz sowie bis zu 512 KB Flash-Speicher und 128 KB SRAM bietet. Die Oberklassefamilie PIC32MZ EC (Embedded Connectivity) integriert den MIPS microAptiv-Kern mit bis zu 200 MHz 330 DMIPS und bis zu 2 MB Flash-Speicher und 512 KB SRAM. Die Produktreihe ist für fortschrittliche Anwendungen ausgelegt und bietet u. a. folgende Leistungsmerkmale: aufwendige Grafiken und Benutzerschnittstellen; Ethernet-, USB- und CAN-Konnektivität; Multitasking Embedded Control und Hochleistungs-Audio.

 

Es ist eine erstaunliche Palette an Starterkits für 32-Bit-PIC-Mikrocontroller erhältlich, darunter das PIC32-Starterkit, PIC32MX1/MX2-Kit, PIC32-USB-Kit und das PIC32-Ethernet-Kit. Außerdem ist eine breite Palette an Erweiterungsplatinen erhältlich, wie die PIC32-CTMU-Evaluationsplatine, die der Entwicklung von Anwendungen auf Basis kapazitiver Touch-Technologie dient, sowie eine Multimedia-Erweiterungsplatine für Grafik, Touch-Technologie und Audio.

 

Zusätzlich wird die PIC32MZ-EC-Familie ergänzt durch das PIC32MZ-EC-Starterkit und das PIC32MZ-EC-Kit mit Krypto-Engine sowie die PIC32MZ-Evaluations-Adapterplatine und die LAN8720A-PHY-Daughter-Card für Ethernet-Steuerungsapplikationen.

 

Umfangreiches Angebot an Softwareentwicklungstools

Microchip hat eine umfassende Reihe von unterstützenden Entwicklungstools entwickelt, darunter MPLAB IDE – die kostenlose, einfache und leistungsstarke Entwicklungsumgebung, die sämtliche MCU- und DSC-Produkte von Microchip unterstützt – sowie kostenlose C-Compiler, Software-Bibliotheken, Anwendungsreferenzentwürfe und eine Vielzahl an Anwendungsnotizen.

 

Die MPLAB® X IDE ist die aktuellste Generation der kostenlosen Integrierten Entwicklungsumgebung von Microchip. Sie enthält leistungsstarke und funktionelle Ausstattungsmerkmale und erlaubt die Entwicklung von Anwendungen für PIC-Mikrocontroller und dsPIC-Digital-Signalcontroller. Die IDE ist unter Windows, Linux und Mac OS X lauffähig und die einheitliche Benutzeroberfläche (GUI) integriert Software- und Hardware-Entwicklungstools von Microchip und Quellen Dritter, um höchstmögliche Leistung für die Anwendungsentwicklung und das Debuggen zu ermöglichen. MPLAB X IDE kann hier von Microchip heruntergeladen werden.

 

MPLAB Harmony ist eine flexible, abstrahierte und vollintegrierte Firmware-Entwicklungsplattform für PIC32-Mikrocontroller. Das Tool nutzt Elemente der modularen sowie der objektorientierten Programmierung und bietet die Flexibilität zur Nutzung eines Echtzeit-Betriebssystems (RTOS) oder die Möglichkeit, auf ein solches zu verzichten. Es bietet außerdem ein Framework von Softwaremodulen, die einfach zu nutzen und an spezifische Bedürfnisse anpassbar sind. Das Tool enthält Peripherie-Bibliotheken, Treiber und System-Dienste, die sofort für die Anwendungsentwicklung genutzt werden können. Das Format des Codes ermöglicht die maximale Wiederverwendbarkeit und reduziert die Vorlaufzeit. MPLAB Harmony kann hier von Microchip heruntergeladen werden.

 

Die aktuellen MPLAB-XC-Compiler von Microchip unterstützen alle 8-, 16- und 32-Bit-MCUs und -dsPIC-DSCs. Sie sind unter Windows, Linux und Mac OS X lauffähig und in die MPLAB X IDE integriert, so dass sie ein komplettes grafisches Frontend bieten; Funktionsmerkmale der Compiler: Fehlerangaben und Breakpoints spiegeln die Quellcodezeilen wider; Single-Step-Through für C- und C++-Quelltext zur Überprüfung von Variablen und Strukturen an kritischen Punkten; Datenstrukturen mit definierten Datentypen, darunter Fließkommazahlen; Anzeige in Überprüfungsdisplays; verschiedene Optimierungsstufen, die sämtlichen Nutzeranforderungen gerecht werden. Die Compiler können hier von Microchip heruntergeladen werden.

 

Um dem Ganzen noch mehr Gewicht zu verleihen, funktionieren Debugger und Programmierwerkzeuge von Microchip auf sämtlichen PIC-MCU-Plattformen, werden über USB betrieben und sind vollständig in die MPLAB IDE integriert. Einfaches Debugging ist damit ebenso möglich wie fortschrittliche Emulation. Typische Produkte: der High-End-In-Circuit-Emulator MPLAB REAL ICE für High-Speed-Debugging- und Programmieren; das Mid-Range-Programmier- und Debugging-Tool MPLAB ICD 3; sowie der günstige PICkit In-Circuit-Debugger/Programmer.