Raspberry Pi: Mikrocontrollerboard Raspberry Pi Pico: 5-Euro-Mikrocontroller mit ARM Cortex-M0+ Dual-Core

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Im Raspberry Pi Pico setzt die Raspberry Pi Foundation erstmals einen selbst entwickelten Chip anstelle eines Broadcom-SoCs ein: Herzstück des Mikrocontrollerboards ist der Chip RP2040, ein ARM Cortex-M0+ Dual-Core mit 2 x 133 MHz Takt.

Der Raspberry Pi Pico ist das erste Mikrocontrollerprodukt der Raspberry Pi Foundation, und der Erste mit dem brandneuen Raspberry-Pi-Mikrocontroller RP2040. Raspberry Pi Pico kostet nur 5 Euro und lässt sich direkt in Endprodukte einsetzen. Er tritt etwa in Konkurrenz zu den Arduino-Mikrocontrollerboards wie dem Arduino Nano.

„Egal, ob Sie nach einem Standalone-Board für Deep-Embedded-Entwicklung oder einem Begleiter für Ihren Raspberry-Pi-Computer suchen, oder ob Sie Ihre ersten Schritte mit einem Mikrocontroller machen, dies ist das Board für Sie“, so James Adams, COO der Raspberry Pi Trading (dem Bereich der gemeinnützigen Raspberry Pi Foundation, der für die Vermarktung der Raspberry Pis verantwortlich ist).

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Wie die übrigen Raspberry-Pi-Modelle, etwa die Linux-PC-Platine Raspberry Pi 4 oder die Industrievariante, das Compute Module 4, bietet auch die Mikocontrollerplatine Raspberry Pico etliche Ein- und Ausgänge und eignet sich so für zahlreiche Mikrocontroller-Anwendungen.

Erste MCU-Eigenentwicklung der Foundation

Das Herzstück des Mikrocontrollerboards Raspberry Pi Pico ist der RP2040, ein von der Raspberry Pi selbst entwickelter Mikrocontroller. „Wir hatten drei Hauptziele für das Design des RP2040“, kommentiert James Adams: „Hohe Leistung, insbesondere für Integer-Workloads; flexible I/Os, damit wir mit fast jedem externen Gerät kommunizieren können; und natürlich niedrige Kosten, um Einstiegshürden zu beseitigen.

Herausgekommen ist ein unglaublich leistungsfähiger kleiner Chip, der all das in ein 7 mm x 7 mm großes QFN-56-Gehäuse mit nur zwei Quadratmillimetern 40-nm-Silizium packt. Mit sechs unabhängigen RAM-Bänken und einem vollständig angeschlossenen Switch im Herzen der Busstruktur können Sie die Kerne und DMA-Engines problemlos parallel laufen lassen, ohne dass es zu Konflikten kommt.“

Die technischen Daten auf einen Blick

• Chip: RP2040-Mikrocontroller-Chip, entwickelt von Raspberry Pi in Großbritannien; Dual-Core ARM Cortex M0+ bis 133 MHz Takt

• Speicher: 264 KB SRAM (SRAM 0 bis 3: je 64 KB, SRAM 4 / 5: je 4 KB)

• 2-MB-QSPI-Flash-Speicher für Code- und Datenspeicherung

• Anschlüsse: 2 x 20 I/O Pinleiste, 30 x GP IO, davon 4 als Analogkanäle nutzbar, 16 x PWM, Micro-USB für Strom und Datenübertragung, 2 x SPI, 2 x I₂C, 2 x UART, 3 x 12-Bit-ADC, 16 x steuerbare PWM-Kanäle

• 3-poliger Anschluss ARM Serial Wire Debug (SWD)

• USB-1.1-Host- und Device-Unterstützung

• Sonstiges: Stromsparender Sleep- und Dormant-Modus

• Drag- & Drop-Programmierung mit Massenspeicher über USB

• RTC / Timer mit 4 Alarmen

• Temperatursensor

• Beschleunigte Fließkomma-Bibliotheken auf dem Chip

• 8 x programmierbare E/A-Zustandsautomaten (PIO) für kundenspezifische Peripherieunterstützung

• Entwicklertools: Einfache Drag-and-Drop-Programmierung über Micro-USB. 3-poliger SWD-Anschluss (Serial Wire Debug) für interaktives Debugging. Umfassendes C-SDK, ausgereifter MicroPython-Port und umfangreiche Beispiele und Dokumentation

• Programmiersprache: MicroPython; C/C++

• Maße: (LxBxH): 51,3 x 21 x 3,9 mm

Warum die Foundation ein Mikrocontroller-Board entwickelte

Der SBC Raspberry Pi ist mit über 37 Millionen verkaufter Exemplare die beliebteste Singleboard-Computerplatine weltweit. Denn Raspberry Pi eignet sich nicht nur als Maker-, Lern- und Bürocomputer mit Zugang zum Internet, sondern übernimmt via GPIO-Pins auch vielfältigste Aufgaben in der Industrie, etwa als Mess- und Steuergerät, beispielsweise in der Automatisierung sowie in Embedded-Systemen. Desweiteren hält Raspberry Pi sogar äußerst rauen Bedingungen, wie einem Besuch in der Stratosphäre stand.

Doch es gibt Grenzen für den SBC Raspberry Pi, so dass etliche Nutzer ihn mit einem Mikrocontroller kombinieren, wie James Adams betont: „Selbst im niedrigsten Stromverbrauchsmodus benötigt [der Energiesparer unter den Pis,] der Raspberry Pi Zero, etwa 100 Milliwatt; der Raspberry Pi selbst unterstützt keine analogen Eingänge; und obwohl es möglich ist, „Bare Metal“-Software auf einem Raspberry Pi auszuführen, ist Software, die unter einem Allzweck-Betriebssystem wie Linux läuft, nicht gut für die Steuerung einzelner I/O-Pins mit niedriger Latenz geeignet.“

Der SBC Raspberry Pi - das Topmodell, der Raspberry Pi 4 bietet bis zu 4 x 1,5 GHz Takt und bis zu 8 GB RAM - führt in Kombination mit einem Mikrocontroller die komplexen Berechnungen aus, managt etwa LAN- und WLAN-Zugriffe, ermöglicht HD-Vision-Projekte und stellt für große Dateien den Arbeitsspeicher bereit, während ein Mikrocontoller analoge Eingaben und I/Os mit niedriger Latenz bearbeitet und bei Bedarf auch mal einen Standby-Modus mit sehr geringem Stromverbrauch bereitstellt.

James Adams fasst zusammen: „Raspberry Pi Pico ist als unser preisgünstiges Breakout-Board für RP2040 konzipiert. Es verbindet den RP2040 mit 2-MB-Flash-Speicher und einem Stromversorgungs-Chip, der Eingangsspannungen von 1,8 - 5,5 V unterstützt. Damit können Sie Ihren Pico aus einer Vielzahl von Quellen mit Strom versorgen, z. B. aus zwei oder drei in Reihe geschalteten AA-Zellen oder einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle.

Der Pico verfügt über einen einzigen Taster, der beim Booten in den USB-Massenspeichermodus versetzt werden kann und auch als allgemeiner Eingang dient, sowie über eine einzelne LED. 26 der 30 GPIO-Pins des RP2040, darunter drei der vier Analogeingänge, sind auf Pads mit 0,1"-Raster gelegt; man kann an diese Pads Stiftleisten anlöten oder die Wabenränder nutzen, um Pico direkt auf eine Trägerplatine zu löten“

Anwendungstipps von James Adams

„Für Anfänger und Benutzer, die Hochsprachen bevorzugen, haben wir mit Damien George, dem Entwickler von MicroPython, zusammengearbeitet, um eine ausgefeilte Portierung für den RP2040 zu erstellen; sie stellt alle Hardware-Funktionen des Chips zur Verfügung, einschließlich unseres innovativen PIO-Subsystems. Und unser Freund Aivar Annamaa hat die RP2040 MicroPython-Unterstützung zur beliebten Thonny IDE hinzugefügt.

Mit zwei schnellen Kernen und einer großen Menge an On-Chip-RAM ist der RP2040 eine großartige Plattform für Machine-Learning-Anwendungen. Sie können Pete Wardens Portierung von Googles TensorFlow Lite Framework über diesen Link finden. Halten Sie in den kommenden Monaten Ausschau nach weiteren Inhalten zum maschinellen Lernen.

Für Power-User bieten wir ein komplettes C-SDK, eine GCC-basierende Toolchain und die Integration von Visual Studio Code.

Da dem Cortex-M0+ eine Fließkommaeinheit fehlt, haben wir bei Mark Owen, dem Autor der beliebten Qfplib-Bibliotheken, optimierte Fließkommafunktionen in Auftrag gegeben; diese sind wesentlich schneller als ihre GCC-Bibliotheksäquivalente und sind für die Verwendung auf jedem RP2040-basierten Produkt lizenziert.“

Einen wichtigen Hinweis fanden wir zudem auf der Seite von Reichelt Elektronik: Während Sie den Pico in eine USB-Buchse stecken, müssen Sie dabei zwingend den BOOTSEL-Knopf auf dem Board drücken und erst loslassen, wenn das Board in der USB-Buchse steckt.

Raspberry Pi Pico wird von der Raspberry Pi Foundation ausnahmslos als Tape-&-Reel-Produkt angeboten (Board in ESD-konformer Kunststofför etwa über Farnell, dem größten Hersteller und Distributor des Raspberry Pi, sowie über Reichelt Elektronik, Conrad und Elektor.

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