A megfelelő mikrovezérlő kiválasztása a beágyazott alkalmazáshoz

A mikrovezérlő lényegében egy chipen lévő kis számítógép, mint minden számítógép, rendelkezik memóriával, és általában beágyazott rendszerekbe van beprogramozva a bemenetek fogadására, a számítások elvégzésére és a kimenet generálására. A processzorral ellentétben a memóriát, a CPU-t, az I / O-t és más perifériákat egyetlen chipbe foglalja, az alábbi elrendezés szerint.

A megfelelő mikrovezérlő kiválasztása a projekt számára mindig összetett döntés, mivel ez a projekt lényege, és a rendszer sikere vagy kudarca tőle függ.

Ezer különböző típusú mikrovezérlő létezik, amelyek mindegyikének egyedi jellemzője vagy versenyelőnye van a formától, a csomag méretétől, a RAM és ROM kapacitásáig, amely alkalmassá teszi őket bizonyos alkalmazásokra és alkalmatlanokra bizonyos alkalmazásokhoz. Így gyakran a megfelelő kiválasztásával járó fejfájás elkerülése érdekében a tervezők az általuk ismert mikrovezérlőket választják, amelyek néha még azok sem felelnek meg igazán a projekt követelményeinek. A mai cikk megnéz néhány fontos tényezőt, amelyet meg kell vizsgálni a mikrovezérlő kiválasztásakor, ideértve többek között az architektúrát, a memóriát, az interfészeket és az I / O ingatlanokat.

Fontos szempontok, amelyeket figyelembe kell venni az MCU kiválasztásakor

Az alábbiakban felsoroljuk azokat a fontos tényezőket, amelyeket figyelembe kell venni a mikrovezérlő kiválasztásakor, ideértve többek között az architektúrát, a memóriát, az interfészeket és az I / O ingatlanokat.

1. Alkalmazás

Az első tennivaló a mikrovezérlő kiválasztása előtt bármely projekthez mélyreható ismeretek kialakítása a feladatról, amelyre a mikrokontroller alapú megoldást telepíteni kell. A folyamat során mindig kidolgoznak egy műszaki specifikációs lapot, amely segít meghatározni azokat a sajátos jellemzőket, amelyeket a mikrokontroller használni fog a projekt során. Jó példa arra, hogy az eszköz alkalmazása / felhasználása hogyan határozza meg a használandó mikrovezérlőt, akkor mutatják be, amikor lebegőpontos egységgel rendelkező mikrovezérlőt fogadnak el egy olyan eszköz tervezéséhez, amelyet sok tizedesjegyű műveletek végrehajtására használnak.

2. Válassza a Mikrokontroller architektúrája lehetőséget

A mikrovezérlő architektúrája arra utal, hogy a mikrovezérlő belső felépítésű. Két fő architektúrát használnak a mikrovezérlők tervezéséhez;

Von Neumann építészet
Harvard építészet

A von Neumann architektúra ugyanazt a buszt használja az adatok továbbítására és az utasításkészletek lekérésére a memóriából. Ezért az adatátvitel és az utasításletöltés nem hajtható végre egyszerre, és általában ütemezettek. A Harvard architektúrája másrészt külön buszok használatával jellemzi az adatok továbbítását és az utasítások beolvasását.

Ezen architektúrák mindegyikének megvan a maga előnye és hátránya. A Harvard-architektúra például RISC (csökkentett utasításkészlet) számítógép, így több utasítást képes végrehajtani alacsonyabb ciklusokkal, mint a von Neumann-architektúrán alapuló CISC (Complex utasításkészlet) számítógépek. A Harvard-i (RISC) alapú mikrovezérlők egyik fontos előnye, hogy az adatok és az utasításkészlet különböző buszai lehetővé teszik a memória-hozzáférés és az aritmetikai és logikai egység (ALU) műveleteinek elkülönítését. Ez csökkenti a mikrovezérlő által igényelt számítási teljesítmény mennyiségét, és alacsonyabb költségekhez, alacsony energiafogyasztáshoz és hőelvezetéshez vezet, ami ideális az akkumulátorral működtetett eszközök tervezéséhez. Sok ARM,Az AVR és a PIC mikrokontrollerek a Harvard architektúráján alapulnak. A Von Neumann architektúrát használó mikrovezérlők példái közé tartozik többek között a 8051, a Zilog Z80.

3. Bitméret

A mikrovezérlő lehet 8 bites, 16 bites, 32 bites és 64 bites, ami a mikrokontroller jelenlegi maximális bitmérete. A mikrovezérlő bitmérete a mikrovezérlő utasításkészletében használt „szó” méretét jelenti. Ez azt jelenti, hogy egy 8 bites mikrokontrollerben minden utasítás, cím, változó vagy regiszter ábrázolása 8 bites. A bitméret egyik legfontosabb következménye a mikrovezérlő memória kapacitása. Például egy 8 bites mikrovezérlőben 255 egyedi memóriahely van, a bitméret diktálta, míg egy 32 bites mikrovezérlőnél 4 294 967 295 egyedi memóriahely van, ami azt jelenti, hogy minél nagyobb a bitméret, annál nagyobb az egyedi memóriahely a mikrokontrolleren használható memóriahelyek. A gyártók azonban manapságolyan módszereket fejlesztenek ki, amelyek lehetővé teszik, hogy a kisebb bitméretű mikrovezérlők több memóriahelyhez hozzáférést biztosítsanak lapozással és címzéssel, így a 8 bites mikrovezérlő 16 bites címezhetővé válik, de ez általában bonyolítja a beágyazott szoftverfejlesztő programozását.

A bitméret hatása valószínűleg nagyobb mértékben tapasztalható a mikrovezérlő firmware fejlesztésekor, különösen aritmetikai műveletekhez. A különféle adattípusok eltérő memóriamérettel rendelkeznek a különböző mikrovezérlő bitméretekhez. Például egy aláíratlan egész számként deklarált változó használata, amely az adattípus miatt 16 bites memóriát igényel, a 8 bites mikrovezérlőn végrehajtandó kódokban a legbájtóbb bájt elvesztéséhez vezet, amely időnként előfordulhat, hogy nagyon fontos annak a feladatnak az eléréséhez, amelyre az eszközt, amelyen a mikrovezérlőt használni kívánják, megtervezték.

Ezért fontos olyan mikrovezérlőt választani, amelynek bitmérete megegyezik a feldolgozandó adatok méretével.

Valószínűleg fontos megjegyezni, hogy manapság a legtöbb alkalmazás 32 és 16 bit közötti mikrovezérlők között van, az ezekre a chipekre épülő technológiai fejlődésnek köszönhetően.

4. Interfészek a kommunikációhoz

A mikrovezérlő és a projektben használt szenzorok és működtetők egy része közötti kommunikációhoz szükség lehet a mikrovezérlő és az érzékelő vagy működtető közötti interfész használatára a kommunikáció megkönnyítése érdekében. Például egy analóg szenzor mikrovezérlőhöz való csatlakoztatásához meg kell követelni, hogy a mikrovezérlőnek elegendő ADC (analóg-digitális átalakító) legyen, vagy ahogy korábban említettem, az egyenáramú motor fordulatszámának változtatása PWM interfész használatát igényelheti a mikrovezérlőn. Fontos tehát megerősíteni, hogy a kiválasztandó mikrovezérlő rendelkezik-e elegendő elegendő interfésszel, beleértve többek között az UART-ot, az SPI-t és az I2C-t is.

5. Üzemi feszültség

Az üzemi feszültség az a feszültségszint, amelyen a rendszert működésre tervezték. Ez az a feszültségszint is, amelyhez kapcsolódnak a rendszer bizonyos jellemzői. A hardver tervezésében az üzemi feszültség időnként meghatározza azt a logikai szintet, amelyen a mikrovezérlő kommunikál a rendszert alkotó más alkatrészekkel.

Az 5V és a 3,3 V feszültségszintek a legnépszerűbb működési feszültségek, amelyeket a mikrovezérlőknél használnak, és el kell dönteni, hogy ezek közül a feszültségszintek közül melyiket használják majd a készülék műszaki specifikációjának kidolgozása során. 3,3 V működési feszültségű mikrovezérlő használata olyan készülék kialakításakor, ahol a legtöbb külső alkatrész, érzékelő és működtető egység 5 V feszültségen fog működni, nem lesz túl okos döntés, mivel logikai szint megvalósítására lesz szükség váltók vagy átalakítók, hogy lehetővé tegyék az adatcserét a mikrovezérlő és a többi alkatrész között, és ez szükségtelenül megnöveli a gyártás és az eszköz összköltségeit.

6. Az I / O csapok száma

A mikrovezérlő által birtokolt általános vagy speciális célú bemeneti / kimeneti portok és (vagy) érintkezők száma az egyik legfontosabb tényező, amely befolyásolja a mikrovezérlő választását.

Ha a mikrovezérlő rendelkezik a cikkben említett összes többi funkcióval, de nem rendelkezik elegendő IO tűvel, amint azt a projekt előírja, akkor nem használható. Fontos, hogy a mikrovezérlő elegendő PWM tűvel rendelkezzen, például az egyenáramú motorok számának szabályozásához, amelyek fordulatszámát a készülék változtatja. Míg a mikrokontroller I / O portjainak száma növelhető a shift regiszterek használatával, ez nem használható mindenféle alkalmazáshoz, és megnöveli azoknak az eszközöknek a költségeit, amelyekben használják. Ezért jobb, ha a tervezéshez kiválasztott mikrovezérlő rendelkezik a szükséges számú általános és speciális célú I / O porttal.

Egy másik kulcsfontosságú dolog, amelyet szem előtt kell tartani a projekthez szükséges általános vagy speciális célú I / O csapok mennyiségének meghatározásakor, az a készülék jövőbeni fejlesztése, és hogy ezek a fejlesztések hogyan befolyásolhatják az I / O csapok számát kívánt.

7. Memóriaigények

A mikrovezérlőhöz többféle memória tartozik, amelyekre a tervezőknek figyelniük kell a kiválasztás során. A legfontosabbak a RAM, a ROM és az EEPROM. Ezeknek a szükséges memóriáknak a mennyiségét nehéz lehet megbecsülni a felhasználásukig, de a mikrovezérlőtől elvárt munka mennyiségét megítélve előrejelzéseket lehet tenni. Ezek a fent említett memóriaeszközök alkotják a mikrovezérlő adat- és programmemóriáját.

A mikrovezérlő programmemóriája tárolja a mikrovezérlő firmware-jét, így amikor a tápfeszültséget leválasztják a mikrovezérlőről, a firmware nem veszik el. A szükséges program memória mennyisége attól függ, hogy mennyi adat szükséges, például a könyvtárak, táblázatok, bináris fájlok a képekhez stb., Amelyek a firmware megfelelő működéséhez szükségesek.

Az adatmemória viszont a futási idő alatt kerül felhasználásra. A futás közben más tevékenységek között végzett feldolgozás eredményeként keletkezett összes változó és adat ebben a memóriában van tárolva. Így a futás közben bekövetkező számítások bonyolultsága felhasználható a mikrovezérlőhöz szükséges adatmemória becsléséhez.

8. Csomag mérete

A csomag mérete a mikrovezérlő formai tényezőjére vonatkozik. A mikrovezérlők általában a QFP, a TSSOP, a SOIC és az SSOP között változnak, és a szokásos DIP csomagok, amelyek megkönnyítik a kenyérlapra történő felszerelést a prototípusok készítése érdekében. Fontos, hogy a gyártás előtt megtervezzük, és elképzeljük, melyik csomag lesz a legjobb.

9. Áramfogyasztás

Ez az egyik legfontosabb tényező, amelyet figyelembe kell venni a mikrovezérlő kiválasztásakor, különösen akkor, ha egy akkumulátoros alkalmazásban kell telepíteni, mint például az IoT-eszközök, ahol kívánatos, hogy a mikrovezérlő a lehető legkevesebb energiával rendelkezzen. A legtöbb mikrovezérlő adatlapja számos hardver- és (vagy) szoftveralapú technikáról tartalmaz információt, amelyekkel minimalizálható a mikrovezérlő által a különböző módokban fogyasztott energia mennyisége. Győződjön meg arról, hogy a kiválasztott mikrovezérlő megfelel a projekt energiaigényének.

10. A mikrokontroller támogatása

Fontos, hogy a kiválasztott mikrovezérlőnek elegendő támogatottsága legyen; kódminták, referenciatervek és lehetőség szerint egy nagy közösség online. Az első alkalommal történő mikrokontrollerrel való együttműködés különböző kihívásokkal járhat, és ezekhez az erőforrásokhoz való hozzáférés elősegíti azok gyors leküzdését. Bár a legújabb mikrovezérlők használata a jó új funkciók miatt jó dolog, tanácsos gondoskodni arról, hogy a mikrovezérlő legalább 3-4 hónapig működött, hogy biztosítsa a mikrovezérlővel kapcsolatos korai problémák nagy részét megoldódott volna, mivel a különféle ügyfelek rengeteg tesztet végeztek volna a mikrovezérlővel különböző alkalmazásokkal.

Fontos továbbá egy jó kiértékelő készlettel rendelkező mikrovezérlő kiválasztása, így gyorsan elkezdheti a prototípus építését és a funkciók egyszerű tesztelését. Az értékelő készletek jó módszerek a tapasztalatok megszerzésére, a fejlesztéshez használt eszközlánc megismerésére és az eszköz fejlesztése során időmegtakarításra.

A megfelelő mikrovezérlő kiválasztása továbbra is problémát jelent, minden hardvertervezőnek megoldania kell, és bár még kevés tényező befolyásolhatja a mikrovezérlő választását, ezek a fent említett tényezők a legfontosabbak.