Ako zvoliť správny mikrokontrolér pre vašu zabudovanú aplikáciu

Mikrokontrolér je v podstate malý počítač na čipe, ako každý počítač, má pamäť a zvyčajne je programovaný v zabudovaných systémoch na príjem vstupov, vykonávanie výpočtov a generovanie výstupu. Na rozdiel od procesora obsahuje pamäť, procesor, I / O a ďalšie periférie na jednom čipe, ako je to znázornené na nasledujúcom rozložení.

Výber správneho mikrokontroléra pre projekt je vždy komplexné rozhodnutie, pretože je jadrom projektu a závisí od neho úspech alebo neúspech systému.

Existuje tisíc rôznych typov mikrokontrolérov, z ktorých každý má jedinečnú vlastnosť alebo konkurenčnú výhodu od tvarového faktora, cez veľkosť balenia, až po kapacitu pamäte RAM a ROM, vďaka ktorej sú vhodné pre určité aplikácie a nevhodné pre určité aplikácie. Dizajnéri sa preto často rozhodujú pre mikrokontroléry, ktoré sú im známe a ktoré občas aj napriek tomu, že skutočne nespĺňajú požiadavky projektu, aby sa vyhli bolestiam hlavy, ktoré súvisia s výberom toho správneho. Dnešný článok sa zameriava na niektoré dôležité faktory, na ktoré sa treba zamerať pri výbere mikrokontroléra, vrátane architektúry, pamäte, rozhraní a I / O nehnuteľností.

Pri výbere MCU je potrebné vziať do úvahy dôležité faktory

Nasleduje niekoľko dôležitých faktorov, na ktoré je potrebné prihliadať pri výbere mikrokontroléra, okrem iného vrátane architektúry, pamäte, rozhraní a I / O nehnuteľností.

1. Aplikácia

Prvá vec, ktorú musíte urobiť pred výberom mikrokontroléra pre akýkoľvek projekt, je hlboké pochopenie úlohy, pre ktorú sa má nasadiť riešenie založené na mikrokontroléri. Počas tohto procesu sa vždy vypracuje list s technickými špecifikáciami, ktorý pomôže určiť konkrétne vlastnosti mikrokontroléra, ktoré sa použijú pre projekt. Dobrý príklad toho, ako aplikácia / použitie zariadenia určuje mikrokontrolér, ktorý sa má použiť, sa ukazuje, keď sa mikrokontrolér s jednotkou s pohyblivou rádovou čiarkou prijme pre návrh zariadenia, ktoré sa bude používať na vykonávanie operácií s veľkým počtom desatinných čísel.

2. Vyberte architektúru mikrokontroléra

Architektúra mikrokontroléra sa týka štruktúry vnútornej štruktúry mikrokontroléra. Na návrh mikrokontrolérov sa používajú dve hlavné architektúry;

Von Neumannova architektúra
Harvardská architektúra

Von Neumannova architektúra obsahuje použitie tej istej zbernice na prenos údajov a načítanie inštrukčných sád z pamäte. Preto nie je možné vykonať prenos dát a načítanie inštrukcií súčasne a zvyčajne sú naplánované. Harvardská architektúra na druhej strane predstavuje použitie samostatných zberníc na prenos údajov a načítanie pokynov.

Každá z týchto architektúr má svoje vlastné výhody a nevýhody. Harvardská architektúra sú napríklad počítače RISC (Reduced instruction Set) a sú tak schopné vykonávať viac inštrukcií s nižšími cyklami ako počítače CISC (Complex instruction Set), ktoré sú založené na architektúre von Neumann. Jednou z dôležitých výhod mikrokontrolérov založených na Harvarde (RISC) je skutočnosť, že existencia rôznych zberníc pre dáta a inštrukčné sady umožňuje oddeliť prístup do pamäte a operácie aritmetickej a logickej jednotky (ALU). To znižuje množstvo výpočtového výkonu požadovaného mikrokontrolérom a vedie to k zníženiu nákladov, nízkej spotreby energie a odvodu tepla, čo ich robí ideálnymi pre návrh batériových zariadení. Mnoho ARM,Mikrokontroléry AVR a PIC sú založené na harvardskej architektúre. Medzi príklady mikrokontrolérov, ktoré používajú architektúru Von Neumann, patrí napríklad 8051, zilog Z80.

3. Veľkosť bitu

Mikrokontrolér môže byť 8 bitov, 16 bitov, 32 bitov a 64 bitov, čo je aktuálna maximálna bitová veľkosť, ktorú mikrokontrolér má. Bitová veľkosť mikrokontroléra predstavuje veľkosť „slova“ použitého v inštrukčnej sade mikrokontroléra. To znamená v 8-bitovom mikrokontroléri, reprezentácia každej inštrukcie, adresy, premennej alebo registra trvá 8-bit. Jedným z kľúčových dôsledkov veľkosti bitu je kapacita pamäte mikrokontroléra. Napríklad v 8-bitovom mikrokontroléri je 255 jedinečných pamäťových miest, ktoré sú určené veľkosťou bitov, zatiaľ čo v 32-bitovom mikrokontroléri je 4 294 967 295 jedinečných pamäťových miest, čo znamená, čím vyššia je bitová veľkosť, tým vyšší je počet pamäťové miesta dostupné na použitie v mikrokontroléri. Výrobcovia v súčasnosti všakvyvíjajú spôsoby, ako poskytnúť stránkam mikrokontrolérov s menšou bitovou veľkosťou prístup k väčšiemu miestu pamäte prostredníctvom stránkovania a adresovania, takže 8-bitový mikrokontrolér sa stane adresovateľným pre 16 bitov, čo však má tendenciu komplikovať programovanie vývojára zabudovaného softvéru.

Efekt veľkosti bitov je pravdepodobne významnejšie zaznamenaný pri vývoji firmvéru pre mikrokontrolér, najmä pri aritmetických operáciách. Rôzne dátové typy majú rozdielnu veľkosť pamäte pre rozdielnu veľkosť bitov mikrokontroléra. Napríklad použitie premennej deklarovanej ako celé číslo bez znamienka, ktorá kvôli dátovému typu bude vyžadovať 16 bitov pamäte, v kódoch, ktoré sa majú vykonať na 8-bitovom mikrokontroléri, povedie k strate najvýznamnejšieho bajtu v dátach, ktorý niekedy môže byť veľmi dôležité pre dosiahnutie úlohy, pre ktorú bolo zariadenie, na ktoré sa má mikrokontrolér použiť, navrhnuté.

Je preto dôležité zvoliť mikrokontrolér s bitovou veľkosťou, ktorá sa zhoduje s veľkosťou dát, ktoré sa majú spracovať.

Pravdepodobne je dôležité si uvedomiť, že väčšina aplikácií je dnes medzi 32-bitovými a 16-bitovými mikrokontrolérmi kvôli technologickému pokroku zahrnutému v týchto čipoch.

4. Rozhrania pre komunikáciu

Komunikácia medzi mikrokontrolérom a niektorými senzormi a akčnými členmi, ktoré sa použijú na projekt, si môže na uľahčenie komunikácie vyžadovať použitie rozhrania medzi mikrokontrolérom a senzorom alebo akčným členom. Napríklad pripojenie analógového snímača k mikrokontroléru bude vyžadovať, aby mal mikrokontrolér dostatok ADC (analógovo-digitálnych prevodníkov) alebo ako som už spomínal, zmena rýchlosti jednosmerného motora môže vyžadovať použitie PWM rozhrania na mikrokontroléri. Bude preto dôležité potvrdiť, že vybraný mikrokontrolér má dostatok požadovaných rozhraní, okrem iných aj UART, SPI, I2C.

5. Prevádzkové napätie

Prevádzkové napätie je úroveň napätia, pri ktorej je systém navrhnutý na prevádzku. Je to tiež úroveň napätia, s ktorou súvisia určité vlastnosti systému. V hardvérovom prevedení prevádzkové napätie občas určuje logickú úroveň, na ktorej mikrokontrolér komunikuje s ostatnými komponentmi, ktoré tvoria systém.

Úroveň napätia 5 V a 3,3 V je najobľúbenejším pracovným napätím používaným pre mikrokontroléry a malo by sa rozhodnúť, ktorá z týchto úrovní napätia sa použije počas procesu vypracovania technickej špecifikácie zariadenia. Použitie mikrokontroléra s prevádzkovým napätím 3,3 V v dizajne zariadenia, kde väčšina externých komponentov, senzorov a akčných členov bude pracovať na napäťovej úrovni 5 V, nebude veľmi chytrým rozhodnutím, pretože bude potrebné implementovať logickú úroveň radenie alebo prevodník umožňujúci výmenu údajov medzi mikrokontrolérom a ostatnými komponentmi, čo zbytočne zvýši výrobné náklady a celkové náklady na zariadenie.

6. Počet I / O pinov

Počet vstupných / výstupných portov na všeobecné alebo špeciálne účely a (alebo) piny, ktoré vlastní mikrokontrolér, je jedným z najdôležitejších faktorov, ktorý ovplyvňuje výber mikrokontroléra.

Ak by mal mať mikrokontrolér všetky ďalšie funkcie uvedené v tomto článku, ale nemá dostatok IO pinov, ako to vyžaduje projekt, nemožno ho použiť. Je dôležité, aby mal mikrokontrolér dostatok pinov PWM napríklad na riadenie počtu jednosmerných motorov, ktorých rýchlosť bude zariadenie meniť. Zatiaľ čo počet I / O portov na mikrokontroléri je možné rozšíriť použitím posuvných registrov, nemožno ho použiť na všetky druhy aplikácií a zvyšuje náklady na zariadenia, v ktorých sa používa. Preto je lepšie zabezpečiť, aby mal mikrokontrolér vybraný pre návrh požadovaný počet vstupno-výstupných portov na všeobecné a špeciálne účely pre projekt.

Ďalšou kľúčovou vecou, ktorú treba mať na pamäti pri určovaní množstva I / O pinov na všeobecné alebo špeciálne účely požadovaných pre projekt, je budúce vylepšenie, ktoré je možné v zariadení vykonať, a to, ako tieto vylepšenia môžu ovplyvniť počet I / O pinov požadovaný.

7. Požiadavky na pamäť

Existuje niekoľko typov pamätí spojených s mikrokontrolérom, ktoré by si mali dizajnéri pri výbere všímať. Najdôležitejšie sú RAM, ROM a EEPROM. Množstvo každej z týchto potrebných pamätí môže byť ťažké odhadnúť, kým sa nevyužije, ale na základe množstva práce vyžadovanej od mikrokontroléra je možné urobiť predpovede. Tieto vyššie spomenuté pamäťové zariadenia tvoria dátovú a programovú pamäť mikrokontroléra.

Programová pamäť mikrokontroléra uchováva firmvér mikrokontroléra, takže pri odpojení napájania od mikrokontroléra sa firmvér nestratí. Množstvo potrebnej programovej pamäte závisí od množstva údajov, ako sú knižnice, tabuľky, binárne súbory pre obrázky atď., Ktoré sú potrebné na správne fungovanie firmvéru.

Na druhej strane sa dátová pamäť používa počas behu. V tejto pamäti sú uložené všetky premenné a údaje generované v dôsledku spracovania okrem iného počas behu programu. Zložitosť výpočtov, ktoré sa vyskytnú počas chodu, sa teda dá použiť na odhad množstva dátovej pamäte potrebnej pre mikrokontrolér.

8. Veľkosť balenia

Veľkosť balenia sa vzťahuje na tvarový faktor mikrokontroléra. Mikrokontroléry sa zvyčajne dodávajú v balíkoch od QFP, TSSOP, SOIC až po SSOP a v bežnom balíku DIP, ktorý umožňuje ľahkú montáž na prototypové dosky. Je dôležité vopred naplánovať výrobu a počítať s tým, ktorý balík bude najlepší.

9. Spotreba energie

Toto je jeden z najdôležitejších faktorov, ktoré treba brať do úvahy pri výbere mikrokontroléra, najmä ak má byť nasadený v batériových aplikáciách, ako sú zariadenia IoT, kde je žiaduce, aby mal mikrokontrolér čo najmenší výkon. Údajový list väčšiny mikrokontrolérov obsahuje informácie o niekoľkých technikách založených na hardvéri a (alebo) softvéri, ktoré možno použiť na minimalizáciu množstva energie spotrebovanej mikrokontrolérom v rôznych režimoch. Zaistite, aby vybraný mikrokontrolér vyhovoval požiadavkám na napájanie vášho projektu.

10. Podpora pre mikrokontrolér

Je dôležité, aby mal mikrokontrolér, s ktorým ste sa rozhodli pracovať, dostatočnú podporu vrátane; ukážky kódu, referenčné vzory a podľa možnosti veľká komunita online. Prvá práca s mikrokontrolérom môže prísť s rôznymi výzvami a prístup k týmto zdrojom vám pomôže rýchlo ich prekonať. Aj keď je použitie najnovších mikrokontrolérov z dôvodu tých skvelých nových funkcií, s ktorými prišiel, dobrá vec, je vhodné zabezpečiť, aby bol mikrokontrolér v prevádzke minimálne 3 - 4 mesiace, aby sa zabezpečila väčšina skorých problémov, ktoré môžu s mikrokontrolérom súvisieť. by boli vyriešené, pretože rôzni zákazníci by vykonali veľa testov mikrokontroléra s rôznymi aplikáciami.

Je tiež dôležité zvoliť mikrokontrolér s dobrou súpravou na vyhodnotenie, aby ste mohli rýchlo začať vyrábať prototypy a ľahko testovať funkcie. Hodnotiace súpravy sú dobrým spôsobom, ako získať skúsenosti, zoznámiť sa s reťazou nástrojov použitou pri vývoji a ušetriť čas pri vývoji zariadenia.

Výber správneho mikrokontroléra pre projekt bude naďalej problémom, ktorý bude musieť vyriešiť každý návrhár hardvéru. Aj keď existuje niekoľko ďalších faktorov, ktoré môžu mať vplyv na výber mikrokontroléra, sú vyššie spomenuté faktory najdôležitejšie.