Teil 2: Mikrocontroller-Programmierung für Einsteiger

PICAXE – Einrichtung und Streifzug durch die IDE
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Mikrocontrollern, Internet of Things und intelligente Gerätetechnik sind Trendthemen unserer Zeit. Die Plattform PICAXE richtet sich an Einsteiger und hilft beim Erlernen der Embedded-Programmierung. Nach einer Einführung in die Mikrocontrollertechnik und der Vorstellung von PICAXE in Teil 1 geht es diesmal um die Installation und die Grundzüge der Entwicklungsumgebung.

Einrichtung von PICAXE

Die Einrichtung von PICAXE umfasst die Installation des Treibers für das Board und die Entwicklungsumgebung. PICAXE gibt sich auch hier erfreulicherweise sehr flexibel, d. h. es steht Software für unterschiedliche Betriebssysteme zur Verfügung (Tabelle 1). Und es wird noch besser: Die wichtigsten Bestanteile, wie Entwicklungsumgebung, Quellcodeeditor und Treiber, sind kostenfrei verfügbar.

Artikelserie: PICAXE – Mikrocontroller-Programmierung für Einsteiger

Teil 1: Einführung in das Thema Mikrocontroller und die Lernplattform PICAXE
Teil 2: Einrichtung von PICAXE und Streifzug durch die Entwicklungsumgebung
Teil 3: Hardware und Befehlswelt im Detail: Experimente & Zusatzmodule
Teil 4: Interfacebeshaltung & Programmierung

Am besten lädt man die aktuellen Softwareversionen von der Projektwebseite herunter. Wir richten die Software unter Microsoft Windows ein. Der PICAXE Editor ist unter allen gängigen Windows-Versionen lauffähig und benötigt das .NET Framework. Für die Verbindung zwischen Board und PC/Notebook wird ein Downloadkabel benötigt, das den o. g. Starterpaketen beiliegt. Ebenso ist die Treiberinstallation zu erledigen. Das geschieht über den Gerätemanager, der über die Systemsteuerung zu erreichen ist. Nach dem Anschluss des Boards über das Downloadkabel wird zunächst ein unbekanntes Gerät im Gerätemanager ausgewiesen. Nach erfolgreicher Treiberinstallation kann mit dem Board kommuniziert werden. Dabei wird der übliche Weg gewählt, d. h. der Treiber simuliert einen virtuellen COM-Port. Im Falle der vorliegenden Installation war es COM3. Sollte die Zusammenarbeit später haken, muss gegebenenfalls die Einstellung des COM-Ports in der Entwicklungsumgebung korrigiert werden.

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Tabelle 1: Breites Softwareangebot zur Lernplattform PICAXE

Streifzug durch die Entwicklungsumgebung

Alle Aufgaben können im PICAXE Editor erledigt werden. Die Entwicklungsumgebung weist den typischen Aufbau mit mehreren Fenstern auf (Abb. 4). Sie ist jedoch erfreulicherweise für den Einstieg einfach und übersichtlich gehalten. Man kann eine neue Quellcodedatei anlegen oder bereits existierende Programme öffnen. Auf der Webseite und der CD findet sich eine Reihe von Beispielen. Sofern man die richtige Hardwarebeschaltung vornimmt, können auf diese Weise schon erste Experimente durchgeführt werden; den Ablauf des Programmcodes kann man später noch studieren. Klicken Sie sich einfach durch die einzelnen Punkte der Entwicklungsumgebung – es kann nichts kaputtgehen. Am Ende des Artikels erfolgen noch einige Hinweise zu besonderen Funktionen des PICAXE Editors, die ihn für Lernzwecke besonders geeignet machen.

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Abb. 4: Die Entwicklungsumgebung PICAXE Editor

Hello World mit PICAXE

Das „Hello World“ elektroniknaher Projekte ist das Blinken einer LED. Damit lassen sich bereits sehr viele grundlegende Erkenntnisse mit einer neuen Plattform gewinnen. Es geht zunächst um folgende Punkte:

  • Verbindung zwischen Entwicklungsboard und PC
  • Installation der Treiber auf dem PC
  • Installation, Einrichtung und Bedienung der Entwicklungsumgebung
  • Umsetzung einer elektronischen Schaltung, d. h. Anschluss der Bauelemente an den MC
  • Erstellung eines Programms im Basic-Dialekt
  • Übertragung eines Programms in den PICAXE
  • Starten des Programms
  • Fehlersuche im Hard- und Softwareaufbau

Kommen wir nun zum besagten „Hello World.“ Zunächst ist der Schaltplan zu entwickeln. Dieser beschränkt sich darauf, eine LED über einen Vorwiderstand an einem programmierbaren Pin des Controllers anzuschließen (Abb. 5). An dieser Stelle folgt gleich ein sehr wichtiger Hinweis: Überlasten Sie den MC nicht! Die I/O-Pins des MC sind nur minimal mit wenigen mA belastbar. Direkt anschließen kann man also nur maximal eine LED über einen entsprechenden Vorwiderstand. Größere Belastungen führen zur Zerstörung. Für uns heißt das: Für erste Experimente können wir LEDs über Vorwiderstände direkt anschließen. Das kann zum Beispiel auf einem extra Steckbrett erfolgen. Für die Verbindung zwischen Controller und der externen Beschaltung kann man Drahtbrücken verwenden. Löten dürfte für den Anfang nicht notwendig sein. Auch die anderen üblichen Vorsichtsmaßnahmen, wie das Vermeiden von Kurzschlüssen, Änderungen von Anschlüssen während des laufenden Betriebs und elektrostatische Aufladungen, sind zu treffen.

Entschließt man sich später, den MC für Steuerungsaufgaben zu nutzen, muss man für entsprechende „Verstärkung“ der I/O-Pins sorgen. Das kann über Transistoren für einzelne Pins oder durch spezielle Treiber-ICs im Fall von mehreren Pins geschehen. Welche Hardware im Endeffekt gesteuert werden soll, bestimmt dabei auch den Aufwand. Zunächst muss man sich mit der Anschlussbelegung und den grundlegenden technischen Eigenschaften der Controller vertraut machen. Es gibt unterschiedliche PICAXE-Controller, sie basieren auf den ursprünglichen PIC-Typen. Je nachdem, mit welchem Typ man beginnt, ist die Pin-Belegung etwas unterschiedlich. Die Ein-/Ausgabepins sind mit einem Großbuchstaben (B oder C) für den Port und einem numerischen Wert bezeichnet.

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Abb. 5: Schaltplan für das Blinken einer LED

Die PICAXE-Firmware

Nach der Hardware geht es an die Programmierung der Software, im Embedded-Bereich auch als Firmware bezeichnet. PICAXE-MC sind gewissermaßen vorprogrammiert, d. h. im Gegensatz zu den herkömmlichen PIC-Typen enthalten diese bereits Software. Das hat für Lernzwecke den Vorteil, dass die Programmierung mithilfe eines wirklich sehr einfachen Basic-Dialekts erfolgt. Für unser Beispiel, eine blinkende LED, haben wir die wenigen Zeile Code in Listing 1 zusammengefasst. Das Ansteuern der Pins, d. h. das Ausgeben von Signalen folgt einem sehr einfachen Prinzip. Beispielsweise wird mittels high C.1 der Ausgang C1 auf logisch high und mit low C.1 der Ausgang wieder auf low gesetzt. Auch die anderen Befehle, wie zum Beispiel pause, doloop etc. sind sehr einfach zu verstehen. Auch Anfänger, die bisher keine Programmiererfahrung haben, können nach kurzer Zeit erste Programme schreiben. Wir lassen die LED blinken, dabei ist sie immer 1 Sekunde ein- und 0,5 Sekunden ausgeschaltet. Das Ganze findet in einer Endlosschleife statt.

do
  high C.1
  pause 1000
  low C.1
  pause 500
loop

Jetzt können wir das Programm in den Mikrocontroller laden. Man klickt auf den Button Program in der Entwicklungsumgebung. Sind der richtige COM-Port und MC-Typ eingestellt, erfolgt das Übertragen des Programms vom PC auf den Mikrocontroller. Dieser Vorgang wird als Download bezeichnet. Dann ist es auch schon geschafft: Die LED blinkt!

Die Einfachheit der Programmiersprache kommt insbesondere dem Anfänger entgegen. Eine Zusammenstellung der Befehle des Basic-Dialekts findet sich in Tabelle 2. Die Syntax schlägt man im Zweifelsfall in der Dokumentation nach. Sofort wird sichtbar, dass PICAXE absolut lern- und anwendungsbezogen ist. Für typische Experimente, wie das Abfragen der Temperatur oder das Ansteuern eines Servos, existieren spezielle Kommandos. Das macht gerade das Programmieren am Anfang einfach, da man sich stärker auf die Problemstellung anstelle der technischen Umsetzung konzentrieren kann.

Tab2

Tabelle 2: Die Schlüsselworte des einfachen Basic-Dialekts

Weitere Lernhilfen

PICAXE ist kein Produktivsystem, sondern eine Lernplattform. Der PICAXE Editor enthält die folgenden Elemente, die es dem Einsteiger leichter machen:

  • Flow-Charts: Programmabläufe zu verstehen, d. h. die Arbeit von Schleifen, Verzweigungen und so weiter kann für einen Anfänger recht verwirrend sein. PICAXE bietet die Möglichkeit, den Programmablauf in Form eines Flussdiagrammes zu erstellen. Einfache Algorithmen können auf diese Weise vollständig erstellt werden, für komplizierte Programme dient es als Rahmen. Das Flussdiagramm kann dann mit einem einzigen Mausklick in Basic-Code übertragen werden.
  • Blockly: Ähnlich wie Flow-Charts funktioniert die Programmierung mit Blockly. Das Vorgehen ist der visuellen Programmiersprache Scratch angelehnt, die zum Erlernen von Programmiergrundlagen dient. Das Programm wird dabei aus vorgefertigten Bausteinen, z. B. für Ausgaben, Eingaben, Schleifen, Verzögerungen und zur Ansteuerung von Motoren, zusammengestellt. Wiederum können einfache Programm direkt in Blockly erstellt und in den MC geladen werden. Bei Bedarf können sie zuvor nach Basic konvertiert werden.
  • Simulation: Programme kann man vor dem Download in den MC am PC testen. Dazu ist ein Simulator in der Entwicklungsumgebung integriert, der sogar die Pegelwechsel an den Pins des Mikrocontrollers grafisch anzeigt. Mit der Maus ist es möglich, einen Signalinput von außen, zum Beispiel einen Tastendruck, zu simulieren.

Ausblick

Nachdem wir in Teil 1 (PICAXE – Mikrocontroller-Programmierung für Einsteiger) und 2 die Grundzüge von Mikrocontrollern, das Einrichten von PICAXE und die Entwicklungsumgebung kennengelernt haben, stellen wir im dritten Teil weitere vielfältige Optionen rund um das Projekt vor.

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