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Teil 2: Die Hardware- und Befehlswelt der PICAXE-Plattform im Detail

Neuland für alle


Um erfolgreich Internet-of-Things-Projekte zu entwickeln, muss man über solide Kenntnisse in der Embedded-Programmierung und Elektronik verfügen. Mithilfe des PICAXE-Projekts kann man in beide Bereiche einsteigen und dabei noch Spaß haben.

Softwareentwickler können Programme schreiben, Elektroniker sind fit im Entwickeln von Schaltungen. Für Embedded- und Internet-of-Things-(IoT-)Projekte muss man beide Bereiche beherrschen. Da die meisten Leser dieser Zeitschrift in der Programmierung von Software zuhause sind, dürften die größten Hürden im Bereich der praktischen Elektronik zu überwinden sein. Lernplattformen wie PICAXE sind dazu konzipiert, spielerisch und mit Spaß in die Materie hineinzufinden. Im ersten Teil unserer Miniserie haben wir das PICAXE-Projekt vorgestellt. Dabei haben wir ein erstes Beispielprojekt in Form einer blinkenden LED realisiert. Damit es nicht beim „Hello World“ der Embedded-Programmierung bleibt, steigen wir im zweiten Teil tiefer in die Sache ein. Es stehen die folgenden Themen auf der Agenda (siehe auch Textkasten „Artikelserie“):

  • Experimente: Über den I/O-Port wird zusätzliche Hardware – von der LED über Minidisplays bis hin zum Motor – direkt oder indirekt an den Mikrocontroller angeschlossen. Das Feld reicht vom Einsatz einer Experimentierplatine bis hin zur Anfertigung einer speziellen Leiterplatte. Wir geben einen Überblick über die möglichen Optionen.

  • Zusatzmodule: Für die PICAXE-Lernplattform ist eine Vielzahl von Zusatzmodulen erhältlich. Man muss also nicht alles selbst bauen. Wir stellen interessante Erweiterungen vor und liefern damit Impulse für eigene Experimente und Ideen. Der hauptsächliche Vorteil vom Einsatz fertiger Module besteht darin, schnell und unkompliziert zu experimentieren und zu sichtbaren Ergebnissen zu gelangen.

  • Interfacebeschaltung: Die Basis eines jeden IoT-Projekts ist die Kommunikation der Hardware mit ihrer Umwelt. Dabei sind Zustände (zum Beispiel Umweltdaten) über Sensoren zu messen und an den Mikrocontroller weiterzuleiten. Mittels Software erfolgt im nächsten Schritt eine möglichst geschickte und intelligente Auswertung der Signale, bevor wiederum über Steuersignale mit der Außenwelt kommuniziert wird. Dazu sind die Ein- und Ausgänge des Mikrocontrollers zu beschalten. Wir stellen wichtige Basisschaltungen vor.

  • Programmierung: Auch wenn die Programmierung eines PICAXE-Mikrocontrollers nicht äußert kompliziert ist, muss man sich damit beschäftigen. Programmiersprachen und Entwicklungstools im Embedded-Bereich haben nicht den gleichen Komfort, wie er heute bei der klassischen Softwareentwicklung üblich ist. Dabei darf man nicht vergessen, dass die Hardware nur aus einem einzelnen Chip besteht und kein kompletter PC ist.

Experimente

Das Herzstück einer jeden mikrocontrollerbasierten Schaltung ist ohne Zweifel der Mikrocontroller selbst. Um ein Praxisprojekt umzusetzen, ist der Schaltplan zu entwerfen. Es ist also festzulegen, welche externen Bauteile (LEDs, Servos, Taster, Lautsprecher, Motoren, Relais etc.) am Mikrocontroller angeschlossen werden. Das kann im einfachsten Fall direkt oder aber über entsprechende Treiberstufen (siehe nächster Abschnitt) erfolgen. Je nach Umfang kann man zusätzliche Hardware „frei“ verdrahten, auf einer Experimentierplatine aufbauen oder dafür eine spezielle Leiterplatte anfertigen. Die erste Variante eignet sich nur für minimale Schaltungen und für Experimente. Speziell angefertigte Leiterplatten sind relativ aufwendig und erst dann sinnvoll, wenn das Projekt auch aktiv genutzt und beispielsweise in ein Gehäuse eingebaut werden soll. Experimentierplatinen erlauben ein schnelles und unkompliziertes Prototyping. Die Verbindungen werden mithilfe von Steckkabeln temporär hergestellt, sodass man die Schaltung schnell ändern kann. Das kann beispielsweise auch während der Programmentwicklung der Fall sein. Abbildung 1 zeigt ein solches Experimentierboard.

Eine kleinere Experimentierfläche enthält bereits auch das Programmierboard. Als praxistaugliche Zwischenlösung hat sich der Einsatz von Lochrasterplatinen etabliert. Hier können die Schaltungen fest aufgebaut, bei Bedarf aber auch in einem gewissen Umfang wieder angepasst werden, sodass man nicht den umfangreichen Weg des Erstellens einer eigenen Platine gehen muss. Da der Einsatz eines Mikrocontrollers grundsätzlich das Ziel verfolgt, die Logik von der Hardware in die Software zu verlagern, ist man in vielen Fällen mit diesen Lochrasterplatinen gut beraten. Als Nachteil bleibt bestehen, dass man zu „echtem“ Werkzeug, d. h. zum Lötkolben, greifen muss.

krypczyk_picaxe_1.tif_fmt1.jpgAbb. 1: Experimentierboards dienen dem schnellen Prototyping

Schnell zum Ziel mit Zusatzmodulen

Fertige Zusatzmodule erleichtern das Experimentieren enorm. Diese werden mit Kabelverbindungen direkt an das PICAXE-Board angeschlossen; anschließend kann man sofort mit der Programmierung beginnen. Das PICAXE-System bietet eine recht breite Palette an Zusatzmodulen, es lohnt sich daher, einen Blick auf die Webseite des Projekts bzw. der vertreibenden Shops zu werfen. Einige interessante Zusatzmodule werden in Tabelle 1 vorgestellt.

Modul (Kategorie)

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