Von der Ameise zum Elefanten
Warum wir uns für eine leistungsstarke MCU in Projekt Luna entschieden haben
Jedes innovative Projekt beginnt mit fundamentalen Fragen. Bevor die erste Leiterplatte gezeichnet oder die erste Codezeile geschrieben wird, muss das technische Fundament stehen. So war es auch bei Projekt Luna, das in direktem Zusammenhang mit unserem bestehenden Projekt Nana steht.
Nur kurz zum Hintergrund: Projekt Nana entwickeln wir kontinuierlich weiter. Es konzentriert sich nun auf spezialisierte Sensoren und Aktoren, bei denen ein niedriges Energieangebot ein vielseitigen Funktionsumfang überstimmt, wie zum Beispiel Temperatursensoren die über ein Akku oder einer Solarzelle mit Energie versorgt werden und ihre Daten per Funk an die SPS übermitteln.
Doch zurück zu den Anfängen von Luna. Wir stellten uns die entscheidenden Kernfragen:
Welcher Prozessor kommt ins zentrale SPS-Modul?
Welche Mikrocontroller eignen sich für die dezentralen Sensor-Aktor-Module?
Welches Bussystem ist das richtige?
Wie verbinden wir die Module physikalisch miteinander?
In diesem Artikel beleuchten wir die erste Frage: Welchen Mikrocontroller (MCU) wählen wir für das Herzstück unseres neuen Systems?
Das Erbe von Projekt Nana: Die bewährte AVR128DA
In Projekt Nana setzen wir auf den robusten 8-Bit-Prozessor AVR128DA von Microchip. Dieser MCU ist für seine Aufgaben bestens geeignet: Ein solider Befehlssatz bei 24 MHz, für 8-Bit-Architekturen luxuriöse 16 kByte RAM und üppige 128 kByte Flash-Speicher. Ein kleines Kraftpaket also – eine starke Ameise.
Warum also wechseln wir von dieser effizienten Ameise zu einem leistungsstärkeren Elefanten?
Die Entscheidungsmatrix: Sechs Schlüsselfragen für die MCU-Wahl
Um die richtige Wahl zu treffen, mussten wir zunächst unsere eigenen Anforderungen definieren. Unsere Diskussion kreiste um sechs zentrale Punkte:
Einheitliche Firmware: Können wir eine einzige Firmware für alle Module realisieren, um die Wartung radikal zu vereinfachen?
Mehrere Firmwares: Wären mehrere, spezifische Firmware-Dateien tolerierbar, wenn sie erhebliche Vorteile brächten?
Kommunikation: Wie sollen die Komponenten untereinander kommunizieren?
Hardware-Schnittstellen: Was für Schnittstellen benötigen wir konkret?
Kosten: Wie hoch sind die Kosten pro Chip?
Gesamtkosten: Wie beeinflussen MCU-Kosten und ihr Funktionsumfang die Gesamtkosten eines Moduls?
Die Antworten lieferten die Anforderungen: Warum die Ameise nicht genügt
Frage 4 nach den Schnittstellen lieferte schnell Klarheit. Für die zentrale SPS in Projekt Luna sind folgende, spezielle Funktionen unverzichtbar:
Runtime-Programmausführung: Das eigentliche Anwenderprogramm soll zur Laufzeit aus einer Datei geladen und interpretiert werden.
Ethernet-Anbindung: 100 MBit/s für Remote-Funktionen und Fernwartung.
Display-Interface: Für ein modernes Human-Machine-Interface (HMI).
SD-Karten-Slot: Zum Speichern von Prozess- und Sensordaten.
CAN-Bus: Optional, aber wünschenswert für die Anbindung spezieller Sensoren.
Schnell wurde klar: Die 8-Bit-AVR-Architektur stößt hier an ihre Grenzen. Für das dynamische Laden und Verarbeiten von Nutzerprogrammen fehlen ihr schlichtweg die Speicherressourcen und die Rechenleistung. Unser Zyklustakt von 100 Hz erfordert, dass in jeder Millisekunde eine große Menge Sensordaten verarbeitet, geteilt und mit anderen Modulen synchronisiert wird.
Der Game Changer: Ethernet als Kommunikationsbackbone
Die Erfahrungen aus Projekt Nana trieben die Entscheidung zusätzlich voran. Dort setzten wir auf UART (TTL) für die Kommunikation. Doch zeigte sich: Gerade bei längeren Kabeln zu entfernteren Sensoren wurde die Übertragung unzuverlässig. Abhilfe durch langsamere Baudraten hätte das bereits komplexe Protokoll noch aufwändiger gemacht. I²C scheiterte an starren Adressen und denselben Distanzproblemen.
Die Lösung heißt Ethernet. Dieser Standard erfüllt alle unsere Anforderungen:
Standardisiert & Zuverlässig: Weltweit etablierter und extrem robuster Standard.
Reichweite & Geschwindigkeit: Problemfreie Kommunikation über lange Distanzen mit 100 MBit/s – mehr als ausreichend für unsere Needs.
Dynamik & Flexibilität: DHCP vergibt IP-Adressen dynamisch, die Topologie des Netzwerks ist durch Router und Switches frei skalierbar.
Wireless Optionen: Einfache Integration von Funkstrecken via WLAN.
Eindeutigkeit: Weltweit eindeutige MAC-Adressen sorgen für Klarheit im Netzwerk.
Fazit: Der Schritt nach vorn war notwendig
Die Kombination aus den gestiegenen Hardware-Anforderungen und der Notwendigkeit eines zukunftssicheren, robusten und skalierbaren Kommunikationssystems ließ nur einen Schluss zu: Wir mussten den Schritt von der 8-Bit- in die 32-Bit-Welt wagen. Die „starke Ameise“ AVR128DA ist perfekt für ihre Aufgaben in dezentralen Modulen, aber für das Gehirn unseres neuen Systems Luna brauchten wir die Leistung, den Speicher und die Peripherie eines „Elefanten“.
In einem der nächsten Beiträge verraten wir, welchen spezifischen Mikrocontroller wir nach dieser Analyse ausgewählt haben und welche Vorteile er für Sie als Nutzer mit sich bringt.