Lernfeld 12 · Prüfung Teil 2

Mikrocontroller und Schnittstellen

Mikrocontroller und Schnittstellen: PWM, ADU-Auflösung, UART, SPI, I²C mit Pull-up und Stromsparen kurz erklärt für die Prüfung.

17 Aufgaben dazu übenKostenlos, ohne Anmeldung, mit Lösungsweg

Darum geht es

Ein Mikrocontroller vereint Rechenkern, Programmspeicher (Flash), Arbeitsspeicher und Peripherie wie Timer, Analog-Digital-Umsetzer und serielle Schnittstellen auf einem Chip. Mit einem Timer erzeugst du ein PWM-Signal. Die Periode ergibt sich aus Timertakt und Zählumfang, der Tastgrad aus dem Vergleichswert. Der Mittelwert der Spannung ist Tastgrad mal Pegel.

Ein ADU mit $n$ Bit teilt den Bereich bis zur Referenzspannung in $2^{n}$ Stufen. Die kleinste Stufe heißt LSB. Für die Umrechnung zwischen Digitalwert und Spannung multiplizierst oder teilst du mit dieser Stufengröße.

UART überträgt asynchron über zwei Leitungen, beide Seiten brauchen dieselbe Baudrate. SPI arbeitet synchron mit Takt, Daten hin und zurück und je Teilnehmer einer Chip-Select-Leitung, über die der Controller den gewünschten Baustein auswählt. I²C kommt mit zwei Leitungen aus, Takt und Daten; Teilnehmer werden über Adressen angesprochen. Die Ausgänge sind Open Drain, darum brauchen beide Leitungen Pull-up-Widerstände. Ein kleiner Pull-up macht schnelle Flanken, darf aber den zulässigen Low-Strom nicht überschreiten.

Für Batteriegeräte nutzt du Schlafmodi, weckst den Controller per Interrupt statt ständig abzufragen, schaltest ungenutzte Peripherie ab und senkst Takt und Versorgungsspannung, wo es geht. Neue Firmware lädst du über die Programmierschnittstelle, prüfst sie nach dem Schreiben und testest die Funktion.

Das solltest du dir merken

Mittelwert eines PWM-Signals ist Tastgrad mal Spannungspegel.
Ein n-Bit-ADU hat $2^{n}$ Stufen, ein LSB ist $U_{ref} / 2^{n}$ .
SPI wählt den Baustein über Chip Select, I²C über eine Adresse.
I²C braucht Pull-ups, weil die Ausgänge nur nach Low ziehen.
Stromsparen heißt schlafen, per Interrupt wecken, Peripherie abschalten.

Formeln

PWM-Frequenz und Tastgrad: $f_{PWM} = \frac{f _{Timer}}{N + 1}, g = \frac{t _{ein}}{T}$; $f_{Timer}$ Timertakt nach Vorteiler, $N$ höchster Zählerstand (Zählung ab 0), $g$ Tastgrad, $t_{ein}$ Einschaltdauer, $T$ Periodendauer
Auflösung des ADU: $U_{LSB} = \frac{U _{ref}}{2 ^{n}}$; $U_{LSB}$ kleinste Spannungsstufe in V, $U_{ref}$ Referenzspannung in V, $n$ Anzahl Bit
Spannung aus dem Digitalwert: $U = D \cdot \frac{U _{ref}}{2 ^{n}}$; $U$ Eingangsspannung in V, $D$ Digitalwert, $U_{ref}$ Referenzspannung, $n$ Anzahl Bit
Kleinster Pull-up-Widerstand: $R_{min} = \frac{U _{DD} - U _{OL}}{I _{OL}}$; $U_{DD}$ Versorgung, $U_{OL}$ zulässige Low-Spannung, $I_{OL}$ zulässiger Low-Strom eines Teilnehmers

Typische Fehler in der Prüfung

Zählumfang des Timers mit dem höchsten Zählerstand verwechselt und um eins falsch gerechnet.
Beim ADU mit $n$ statt mit $2^{n}$ gerechnet.
Für SPI eine gemeinsame Chip-Select-Leitung für alle Teilnehmer angenommen.
Pull-up beliebig klein gewählt, ohne den maximalen Low-Strom zu beachten.

Tipps aus der Werkstatt

Beim ADU gilt: ein LSB ist Referenzspannung geteilt durch 2 hoch Bitzahl, bei 10 Bit also Uref/1024. Eingangsspannung ist Digitalwert mal LSB. Bei Timern: Takt durch Vorteiler durch Zählumfang ergibt die Interruptfrequenz, der Kehrwert die Zeit.
Schnittstellen unterscheiden: UART asynchron, zwei Leitungen, Baudrate vereinbart; I²C zwei Leitungen mit Pull-ups, weil Open-Drain, Adressen; SPI vier Leitungen, Chip-Select, schnell. Bei 8N1 kostet jedes Zeichen 10 Bit. Der Watchdog setzt bei hängender Software zurück.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

17 Aufgaben zu „Mikrocontroller und Schnittstellen“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

Jetzt üben

Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Geräte und Systeme 18.12.2020, Lernfeld 12; NXP UM10204 (I²C-Spezifikation). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.