Kako odabrati pravi mikrokontroler za svoju ugrađenu aplikaciju

Mikrokontroler je u osnovi malo računalo na čipu, kao i svako računalo, ima memoriju i obično je programirano u ugrađenim sustavima da prima ulaze, vrši izračune i generira izlaz. Za razliku od procesora, on uključuje memoriju, CPU, I / O i ostale periferne uređaje na jednom čipu kao što je prikazano na donjem rasporedu.

Odabir pravog mikrokontrolera za projekt uvijek je složena odluka, jer je to srce projekta i o tome ovisi uspjeh ili neuspjeh sustava.

Postoji tisuću različitih vrsta mikrokontrolera, svaki od njih s jedinstvenom značajkom ili konkurentskom prednošću od faktora oblika, do veličine paketa, do kapaciteta RAM-a i ROM-a što ih čini pogodnima za određene programe i neprikladnima za određene primjene. Stoga se često puta, kako bi izbjegli glavobolju koja dolazi s odabirom pravog, dizajneri odlučuju za mikrokontrolere koji su im poznati, a koji ponekad čak i ne udovoljavaju zahtjevima projekta. Današnji će članak pogledati neke od važnih čimbenika koje treba uzeti u obzir pri odabiru mikrokontrolera, uključujući arhitekturu, memoriju, sučelja i I / O nekretnine.

Važni čimbenici koje treba uzeti u obzir prilikom odabira MCU-a

Slijede neki od važnih čimbenika koje treba uzeti u obzir pri odabiru mikrokontrolera, uključujući arhitekturu, memoriju, sučelja i I / O nekretnine.

1. Primjena

Prva stvar koju treba učiniti prije odabira mikrokontrolera za bilo koji projekt je razviti duboko razumijevanje zadatka za koji će se implementirati rješenje temeljeno na mikrokontroleru. Tijekom ovog postupka uvijek se izrađuje tehnička specifikacija koja će pomoći u određivanju specifičnih značajki mikrokontrolera koji će se koristiti za projekt. Dobar primjer kako aplikacija / upotreba uređaja određuje mikrokontroler koji će se koristiti izložen je kada se mikrokontroler s jedinicom s pomičnom zarezom usvoji za dizajn uređaja koji će se koristiti za izvođenje operacija koje uključuju puno decimalnih brojeva.

2. Odaberite Arhitektura mikrokontrolera

Arhitektura mikrokontrolera odnosi se na to kako je mikrokontroler interno strukturiran. Dvije su glavne arhitekture korištene za dizajn mikrokontrolera;

1. Von Neumannova arhitektura
2. Arhitektura Harvarda

Von Neumannova arhitektura odlikuje se upotrebom iste sabirnice za prijenos podataka i dohvaćanje skupova naredbi iz memorije. Stoga se prijenos podataka i dohvaćanje uputa ne mogu izvoditi istodobno i obično se planiraju. S druge strane, arhitektura Harvarda koristi upotrebu zasebnih sabirnica za prijenos podataka i dohvaćanje uputa.

Svaka od ovih arhitektura dolazi sa svojom prednošću i nedostatkom. Na primjer, arhitektura Harvarda su računala RISC (Reducirani skup instrukcija) i stoga mogu izvoditi više uputa s nižim ciklusima od računala CISC (Složeni skup instrukcija) koja se temelje na von Neumannovoj arhitekturi. Jedna važna prednost mikrokontrolera temeljenih na Harvardu (RISC) jest činjenica da postojanje različitih sabirnica za skup podataka i instrukcija omogućuje odvajanje pristupa memoriji i radnje aritmetičke i logičke jedinice (ALU). To smanjuje količinu računske snage potrebne mikrokontroleru i dovodi do smanjenih troškova, male potrošnje energije i odvođenja topline što ih čini idealnim za dizajn baterijskih uređaja. Mnogi ARM,Mikrokontroleri AVR i PIC temelje se na arhitekturi Harvarda. Primjeri mikrokontrolera koji koriste Von Neumannovu arhitekturu uključuju 8051, zilog Z80, između ostalih.

3. Veličina bita

Mikrokontroler može biti 8-bitni, 16-bitni, 32-bitni i 64-bitni, što je trenutna maksimalna bitna veličina koju posjeduje mikrokontroler. Bitna veličina mikrokontrolera predstavlja veličinu "riječi" koja se koristi u skupu uputa mikrokontrolera. To znači da u 8-bitnom mikrokontroleru predstavljanje svake naredbe, adrese, varijable ili registra traje 8-bitno. Jedna od ključnih implikacija veličine bita je kapacitet memorije mikrokontrolera. Na primjer, u 8-bitnom mikrokontroleru postoji 255 jedinstvenih memorijskih mjesta kako ih diktira veličina bitova, dok u 32-bitnom mikrokontroleru postoji 4.294.967.295 jedinstvenih memorijskih mjesta, što znači da je veća bitna veličina, veći je broj jedinstvenih memorijskih mjesta memorijska mjesta dostupna za upotrebu na mikrokontroleru. Proizvođači ovih dana,razvijaju načine za omogućavanje pristupa više memorijskog mjesta mikrokontrolerima manjih bitova putem straničenja i adresiranja, tako da 8-bitni mikrokontroler postaje 16-bitni adresibilni, ali to ima za cilj zakomplicirati programiranje za ugrađenog programera softvera.

Učinak veličine bitova vjerojatno se značajnije doživljava pri razvoju firmvera za mikrokontroler, posebno za aritmetičke operacije. Različite vrste podataka imaju različitu veličinu memorije za različitu veličinu bita mikrokontrolera. Na primjer, upotreba varijable deklarirane kao nepotpisani cijeli broj koja će zbog vrste podataka zahtijevati 16-bitnu memoriju, u kodovima koji se izvršavaju na 8-bitnom mikrokontroleru dovesti do gubitka najznačajnijeg bajta u podacima koji ponekad može biti vrlo važno za postizanje zadatka za koji je dizajniran uređaj na kojem će se koristiti mikrokontroler.

Stoga je važno odabrati mikrokontroler čija bit veličina odgovara veličini podataka koji će se obrađivati.

Vjerojatno je važno napomenuti da je većina današnjih aplikacija između 32-bitnih i 16-bitnih mikrokontrolera zbog tehnološkog napretka ugrađenog u ove čipove.

4. Sučelja za komunikaciju

Komunikacija između mikrokontrolera i nekih senzora i aktuatora koji će se koristiti za projekt može zahtijevati upotrebu sučelja između mikrokontrolera i senzora ili aktuatora kako bi se olakšala komunikacija. Uzmimo za primjer povezivanje analognog senzora s mikrokontrolerom zahtijevat će da mikrokontroler ima dovoljno ADC-a (analogno-digitalnih pretvarača) ili kao što sam ranije spomenuo, za promjenu brzine istosmjernog motora može biti potrebna uporaba PWM sučelja na mikrokontroleru. Stoga će biti važno potvrditi da odabrani mikrokontroler ima dovoljno potrebnih sučelja, uključujući UART, SPI, I2C, između ostalih.

5. Radni napon

Radni napon je razina napona na kojem je sustav dizajniran za rad. To je također razina napona na koju su povezane određene značajke sustava. U dizajnu hardvera, radni napon s vremena na vrijeme određuje logičku razinu na kojoj mikrokontroler komunicira s drugim komponentama koje čine sustav.

Razina napona od 5 V i 3,3 V najpopularniji je radni napon koji se koristi za mikrokontrolere i treba donijeti odluku koja će se od tih razina napona koristiti tijekom procesa izrade tehničke specifikacije uređaja. Korištenje mikrokontrolera s radnim naponom od 3,3 V u dizajnu uređaja u kojem će većina vanjskih komponenata, senzora i aktuatora raditi na naponskoj razini od 5 V neće biti vrlo pametna odluka jer će biti potrebna implementacija logičke razine mjenjači ili pretvarači kako bi se omogućila razmjena podataka između mikrokontrolera i ostalih komponenata, a to će nepotrebno povećati troškove proizvodnje i ukupne troškove uređaja.

6. Broj I / O pinova

Broj ulaznih / izlaznih priključaka opće ili posebne namjene i (ili) pinova koje posjeduje mikrokontroler jedan je od najvažnijih čimbenika koji utječe na izbor mikrokontrolera.

Ako bi mikrokontroler imao sve ostale značajke spomenute u ovom članku, ali nema dovoljno IO pinova kako zahtijeva projekt, ne može se koristiti. Važno je da mikrokontroler ima dovoljno PWM pinova, na primjer, za kontrolu broja istosmjernih motora čiju će brzinu uređaj mijenjati. Iako se broj I / O priključaka na mikrokontroleru može proširiti upotrebom pomičnih registara, on se ne može koristiti za sve vrste aplikacija i povećava troškove uređaja u kojima se koristi. Stoga je bolje osigurati da mikrokontroler koji se odabere za dizajn ima potreban broj I / O priključaka opće i posebne namjene za projekt.

Još jedna ključna stvar koju morate imati na umu pri određivanju količine U / I pinova opće ili posebne namjene potrebnih za projekt, buduće je poboljšanje na uređaju i kako ta poboljšanja mogu utjecati na broj I / O pinova potreban.

7. Zahtjevi memorije

Postoji nekoliko vrsta memorije povezane s mikrokontrolerom na koje dizajner treba paziti prilikom odabira. Najvažniji su RAM, ROM i EEPROM. Količinu svake od ovih potrebnih memorija možda će biti teško procijeniti dok se ne upotrijebi, ali sudeći prema količini posla koji je potreban za mikrokontroler, mogu se prognozirati. Ovi gore spomenuti memorijski uređaji čine podatkovnu i programsku memoriju mikrokontrolera.

Programska memorija mikrokontrolera pohranjuje ugrađeni softver za mikrokontroler, pa kad se napajanje isključi s mikrokontrolera, firmware se ne gubi. Potrebna količina programske memorije ovisi o količini podataka poput knjižnica, tablica, binarnih datoteka za slike itd. Koje su potrebne za ispravni rad firmvera.

S druge strane, memorija podataka koristi se za vrijeme izvođenja. Sve varijable i podaci generirani kao rezultat obrade među ostalim aktivnostima tijekom vremena izvođenja pohranjuju se u ovu memoriju. Dakle, složenost izračuna koji će se dogoditi tijekom vremena izvođenja može se koristiti za procjenu količine memorije podataka koja je potrebna za mikrokontroler.

8. Veličina paketa

Veličina paketa odnosi se na faktor oblika mikrokontrolera. Mikrokontroleri obično dolaze u paketima od QFP, TSSOP, SOIC do SSOP i uobičajenom DIP paketu koji olakšava postavljanje na ploču za prototipiranje. Važno je planirati unaprijed proizvodnju i predvidjeti koji će paket biti najbolji.

9. Potrošnja energije

To je jedan od najvažnijih čimbenika koji treba uzeti u obzir pri odabiru mikrokontrolera, posebno kada se on treba implementirati u baterijsku aplikaciju poput IoT uređaja, gdje se želi da mikrokontroler ima što manju snagu. Tablica podataka većine mikrokontrolera sadrži informacije o nekoliko hardverskih i (ili) softverskih tehnika koje se mogu koristiti za smanjivanje količine energije koju mikrokontroler troši u različitim načinima rada. Osigurajte da odabrani mikrokontroler udovoljava potrebnoj snazi ​​s za vaš projekt.

10. Podrška za mikrokontroler

Važno je da mikrokontroler s kojim odlučite raditi ima dovoljno podrške, uključujući; uzorci koda, referentni dizajni i ako je moguće velika zajednica na mreži. Prvi rad s mikrokontrolerom može imati različite izazove, a pristup tim resursima pomoći će vam da ih brzo prevladate. Iako je dobra upotreba najnovijih mikrokontrolera zbog tih novih značajki s kojima je došao, preporučljivo je osigurati da mikrokontroler postoji barem 3-4 mjeseca kako bi se osigurala većina ranih problema koji mogu biti povezani s mikrokontrolerom. bila bi riješena jer bi razni kupci obavili dosta ispitivanja mikrokontrolera s različitim aplikacijama.

Također je važno odabrati mikrokontroler s dobrim kompletom za procjenu, tako da možete brzo započeti izradu prototipa i lako testirati značajke. Kompleti za ocjenjivanje dobar su način za stjecanje iskustva, upoznavanje lanca alata koji se koristi za razvoj i uštedu vremena tijekom razvoja uređaja.

Odabir pravog mikrokontrolera za projekt i dalje će predstavljati problem, svaki dizajner hardvera morat će ga riješiti, a iako postoji još nekoliko čimbenika koji mogu utjecati na izbor mikrokontrolera, gore navedeni čimbenici su najvažniji.