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HOBBY

& SPIEL

MindStorms: Lego-Mikrocontroller

Robotic Invention

Seit einiger Zeit ist das Lego Robotics Invention System auf dem Markt.

Damit kann man nach Herzenslust entwickeln, bauen und programmie-

ren. Und nicht nur Roboter, denn das Herz des Systems, der RCX-Block,

kann für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden.

Von Hans Steeman

Nachwuchsingenieure fallen nicht vom

Himmel. Nur wenn man Jugendliche für

Technik begeistert, kann man auch

erwarten, dass sie später einen “techni-

schen” Beruf ergreifen. Gerade im schu-

lischen Bereich müssen neue Formen

gefunden werden, denn althergebrachte

Konzepte Marke Radiobasteln oder Funk-

AG dürften nur noch wenige Schüler hin-

ter der Spielkonsole hervorlocken.

Einen interessanten Ansatz bietet der

dänische Spielzeughersteller Lego, der

sein MindStorms-Programm um das

Robotics Invention System (RIS) erweitert.

Das System ist seit Ende 1998 in den USA

und in der verbesserten Version 1.5 seit

Ende letzten Jahres in Europas Spiel-

zeughandel erhältlich. RIS ist im Grunde

nichts anderes als ein Mikrocontrollersy-

stem samt peripheren Sensoren/Motoren

und einer (PC/Mac-) Entwicklungsumge-

bung, angereichert um etwa 700 Lego-

Bausteine, mit denen sich trefflich ver-

schiedene Robotermodelle nach den Vor-

gaben des Konstruktionsbuches

Constructopädia oder nach eigenem

Gusto zusammenbauen lassen. Darunter

sind auch ein Lichtsensor, Berührungs-

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System

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sensoren, ein Temperatursensor sowie

zwei kräftige 9-V-Motoren zum Anschluss

an das Herz des ungefähr 450 DM teuren

RIS-Pakets, das Mikrocontroller-System

mit der Bezeichnung RCX1.5. Das Lego-

Konzept wird von der (pädagogischen)

Fachwelt als neue Dimension der PC-

Anwendung gefeiert. Die NASA beför-

derte sogar einen RIS-Roboter zum Besat-

zungsmitglied der Discovery STS-96, um

die Bedeutung der Informationstechnolo-

gie für die Jugend zu untermauern.

Interessierte und MindStorms-Anwender

werden über eine eigene Portalseite

www.mindstorms.com unterstützt.

Der RCX-Mikrocomputer

Der gelbe RCX-Block (Bild 1) ist der zen-

trale Bestandteil des Baupakets. Er sieht

wie ein großer Lego-Baustein aus und

lässt sich auch entsprechend verarbeiten.

Im Inneren steckt ein kompletter Mikro-

computer auf Basis eines 64-poligen Hita-

chi-Mikrocontrollers aus der H8-Familie,

der mit einer Taktfrequenz von 16 MHz

arbeitet. Der Controller verfügt über ein

internes 16-Kbyte-ROM, unterstützt von

einem RAM mit einer Kapazität von 32

KByte. Dieser RAM-Baustein ist teilweise

batteriegepuffert. Das geladene Pro-

gramm verbleibt im Speicher, solange die

sechs Mignon-Zellen angeschlossenen

sind. Bei einem Batteriewechsel bleibt

der Programmkode etwa eine Minute

erhalten, danach ist er aber verloren,

wenn die neuen Batterien nicht ange-

schlossen sind.

Im 16-KByte-ROM stecken Basisroutinen

wie der Bootstrap-Lader, der einen “Kalt-

start” des Systems ermöglicht. Zurzeit

können keine vom Anwender selbst

geschriebene Programme ausgeführt

werden. Die gelieferte Software aktiviert

die angeschlossenen Motoren und unter-

stützt die IR-Schnittstelle.

Die integrierte Software beginnt die

Arbeit, wenn sie durch das vom PC her-

Bild 1. Ein Lego-Baustein voller Elektronik: der RCX-Block.

untergeladene RCX-Steuersystem unter-

stützt wird. Das Steuerungssystem

benötigt 16 KByte RAM, so dass für die

eigentliche Benutzersoftware ebenfalls

rund 16 KByte zur Verfügung stehen. Da

der RXC-Block einen byteorientierten Programm-

kode benutzt (eine Art Maschinensprache mit

ungefähr 70 Befehlen), bleibt Raum genug auch für

umfangreiche Anwendungen. Das RCX-Steuersy-

stem ist “event”-orientiert und kann bis zu sechs

Tasks gleichzeitig ausführen.

Neben dem H8-Controller und den Speicherbau-

steinen umfasst der RXC-Block unter anderem ein

kompaktes graﬁsches LC-Display, einen kleinen 15-

mm-Lautsprecher, einen LCD-Controller, einen

Spannungsregler, zwei IR-Sendedioden sowie ein

paar passive Bauteile.

Systemvoraussetzungen

Das Robot Invention System erfordert mindestens einen 166-MHz-Pentium mit

dem Betriebssystem Windows 95/98, der über ein CD-ROM-Laufwerk mit acht-

facher Geschwindigkeit, eine SVGA-Graﬁkkarte (800 × 600 Pixel, 1 MByte Gra-

ﬁkspeicher), die DirectX unterstützt, eine SoundBlaster-kompatible Soundkarte,

eine freie neunpolige serielle Schnittstelle sowie 16 MByte Arbeitsspeicher ver-

fügt. Auf der Festplatte nimmt RIS etwa 70 MByte in Beschlag. Diese Anforderun-

gen dürfte jeder moderne Standard-PC erfüllen. Um RIS optimal anzuwenden, ist

ein Internet-Zugang von Vorteil.

Graﬁsche Oberﬂäche

Lego hat sich fast zwölf Jahre Zeit genommen, eine

Programmiersprache für den RCX-Controller zu ent-

wickeln, die für Kinder und Jugendliche ab zwölf

Jahren geeignet ist. Das Ergebnis kann man nicht

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Bild 2. Systemeinstellungen in der graﬁschen

MindStorms-Software.

Scout und Micro Scout

Das RCX-Modul ist nicht das einzige Mikrocontroller-System von Lego. Ganz

ohne PC-Unterstützung kommt der MicroScout aus, der sieben eingebaute und

nicht veränderbare Verhaltensmuster zur Verfügung stellt. Der MicroScout ist Teil

des Droid Developer Kit zum Aufbau von Robotern nach StarWars (R2D2 und

Konsorten) und wird lediglich über drei Taster bedient. Ein achter Programm-

punkt ist frei programmierbar, allerdings erst mit der RIS-Softwareversion 2.0, die

ab September erhältlich sein soll.

In den USA gibt es ein erweitertes Scout-System, das auf einem Toshiba-Mikro-

controller mit 32 k ROM und 1 k RAM beruht. Die Firmware des Scout umfasst

einen Assembler mit etwa 70 Befehlen, die denen des RCX ähneln. Der Control-

ler stellt 400 Byte RAM für das Anwendungsprogramm zur Verfügung, gebrauchs-

fertige Routinen können aus dem ROM aufgerufen werden.

Zur Programmierung des Scout-Controllers benötigt man ein Software-Entwick-

lungspaket, das unter www.legomindstorms.com/scout_sdk/ heruntergeladen wer-

den kann. Dieses Scout Software Developers Kit besteht aus einem Lego-Assem-

bler samt Dokumentation sowie einer Reihe von Softwaretools, Programmierbei-

spielen und Makros. Das Entwicklungspaket erfordert das Mindstorms-IR-Link

und ein serielles Kabel. Ob das Scout-System auch in Deutschland erhältlich sein

wird, entscheidet die Lego-Geschäftsleitung erst im Laufe des Jahres.

aber auch eine ausführliche multimediale

Einführung in das Robotics Invention

System. Schon in diesem Stadium wird

der RCX-Block mit Sensoren und Motoren

probeweise programmiert und in Betrieb

genommen. Auch der Anschluss des PC-

Links wird erläutert und überprüft,

ebenso die System- und Hardwareein-

stellung (Bild 2).

Bevor man mit eigenen Entwürfen

beginnen kann, lernt man im RCX-Trai-

ningscenter die symbolbasierte Pro-

grammierung des Mikrocontrollers und

der Sensoren kennen. Die Bilder 3/4 ver-

mitteln einen Eindruck von der Ent-

wicklungsumgebung. Die Befehle des

Programms werden aus den Menüs

gezogen und wie Puzzle-Teile aneinan-

der gesetzt. Ähnlich verfährt man mit

der Programmierung der Sensoren. Die

Programmierung wird durch eine kon-

textsensitive und eine globale Hilfe-

funktion unterstützt, kommentierte Pro-

grammbeispiele sind in der Program-

mopädia zu finden (Bilder 5/6). Ein

Wermutstropfen: Die Software ist

gemischtsprachig: Erläuterungen, Hilfe-

texte, und Kommentare in Deutsch,

Befehle und Sensoreigenschaften in

Englisch.

Die grafische Entwicklungsumgebung

des Robotics Invention System ist zwar

leicht zu erlernen und überaus anschau-

lich, bietet aber dem Programmierexper-

ten zu wenig Flexibilität. Im zweiten Teil

des Artikels werden alternative Entwick-

lungsumgebungen für den RCX-Mikro-

controller vorgestellt, unter anderem die

von National Instruments, der Tufts-Uni-

versität (Massachusetts) und der bei Lego

für edukative Belange zuständigen Firma

Lego-Dacta entwickelte Schulsoftware

Robolab oder aber die (im Internet

kostenlose) Programmiersprache NQC

(Not Quite C).

Bild 3. Die Entwicklungsumgebung erinnert an

ein Puzzle.

IR-Transceiver

Der RCX kommuniziert mit dem PC über

einen Infrarot-Sender/Empfänger, der an

die neunpolige serielle Schnittstelle des

PC angeschlossen wird. Dieser Trans-

ceiver versorgt sich aus einer 9-V-Block-

batterie.

Von der seriellen Schnittstelle des PCs

werden lediglich die Leitungen TxD, RxD

und Masse verwendet, ein Handshaking

findet nicht statt. RTS und CTS sind im

Transceiver kurzgeschlossen. Über zwei

Adern der fünfpoligen Verbindung wird

der Kurzschluss RTS/CTS detektiert. So

erkennt die Software, dass ein Modul

angeschlossen ist. Zurzeit gibt es keine

USB-Version des Transceivers, so dass

Besitzer eines Apple Macintosh noch

nicht mit dem Robotics Invention System

arbeiten können.

Über einen Schalter an der Modulfront

kann ein weiter oder kleiner Sendebe-

reich eingestellt werden, in der Praxis

funktioniert die IR-Verbindung über ein

paar Meter.

Ist die IR-Verbindung zum PC hergestellt,

die auf der mitgelieferten CD-ROM ent-

haltene Software installiert, kann es mit

dem Herunterladen des RXC-Steue-

Bild 4. So werden die Sensoren eingestellt.

zuletzt aufgrund der Zusammenarbeit mit dem

Media Lab des Massachusetts Institute of Techno-

logy (MIT) als äußerst gelungen bezeichnen.

Die auch bei einem älteren Pentium problemlos ver-

laufende Installation der CD-ROM benötigt satte

70 MB Festplattenspeicher in der Grund- und 140

MB in der Vollversion. Dafür erhält der Anwender

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Bild 5. In der Programmopädia werden einige Robotermodelle

vorgestellt ...

Bild 6. ... und beispielhaft programmiert.

rungssystems losgehen. Das Verfahren

klingt umständlich, eröffnet aber die

Möglichkeit, die alte Steuerungssoftware

durch zukünftige Updates auf den neu-

sten Stand zu bringen. So unterstützt die

aktuelle Variante 1.5 einen Rotations-,

einen Temperatur- sowie weitere Senso-

ren, die (noch) nicht zum Grundpaket

gehören.

Steckt das Steuersystem erst einmal im

RXC-Block, zeigt er seine Betriebsbereit-

schaft durch eine Ikone im Display: Die

PC-Software kann gestartet werden. Der

Bau einiger elementarer Roboter wird

anhand ausgearbeiteter Beispiele beglei-

tet. Der Anwender wird Schritt für Schritt

in die Softwareprogrammierung ein

geführt. Und erscheint es ihm dennoch zu

schwierig, so kann er auf eine Reihe von

fertigen Softwareroutinen zurückgreifen.

Wie auch immer, nach ein paar Stunden

dürfte sich der erste Roboter (wohl noch

recht unbeholfen) durch die Wohnung

bewegen. Neue Funktionen und Verhal-

tensweisen lassen sich leicht ausprobie-

ren und der Software hinzufügen.

sensor, Temperatursensor oder Schalter)

eingestellt, eine entsprechende Routine

weiß dann, wie der digitalisierte Wert zu

behandeln ist. Die Entwicklungsumge-

bung ist auch für einen Temperatur- und

einen Umdrehungssensor vorbereitet.

Auf den eigentlichen RAW-Wert kann

man in dieser Software nicht zugreifen,

sondern nur in alternativen Program-

miersprachen wie Robolab, VBasic oder

im Lego-Modul spirit.ocx. Damit ist es kein Pro-

blem, beliebige Widerstandssensoren und sogar

Kombinationen an einen RCX-Eingang zu koppeln.

Dies soll aber Thema im nächsten Elektor-Heft

werden.

(000040-1)rg

Sensoren

Der RCX-Block besitzt drei asymmetri-

sche Sensoreingänge mit je einem 10-k -

Pull-up-Widerstand. Der RCX wandelt die

analogen Messgrößen im Bereich 0...5 V

in eine 10 bit breite Variable mit der

Bezeichnung RAW. Dabei spielt es keine

Rolle, ob es sich bei dem Sensor zum Bei-

spiel um einen lichtempﬁndlichen Wider-

stand oder einen Schalter handelt. In der

“originalen” Lego-Software wird lediglich

einer von zurzeit drei Sensortypen (Licht-

Bild 7. Internetunterstützung erfährt der MindStormer über ein eigenes Portal mit allerlei

Infos, FAQs, einem Download-Bereich und viel Platz zum Chatten.

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