Jak vybrat správný mikrokontrolér pro vaši vestavěnou aplikaci

Mikrokontrolér je v podstatě malý počítač na čipu, jako každý počítač, má paměť a obvykle je programován ve vestavěných systémech pro příjem vstupů, provádění výpočtů a generování výstupu. Na rozdíl od procesoru obsahuje paměť, CPU, I / O a další periferie na jediném čipu, jak je znázorněno v níže uvedeném rozložení.

Výběr správného mikrokontroléru pro projekt je vždy složité rozhodnutí, protože je srdcem projektu a závisí na něm úspěch nebo selhání systému.

Existuje tisíc různých typů mikrokontrolérů, z nichž každý má jedinečnou vlastnost nebo konkurenční výhodu od tvarového faktoru přes velikost balení až po kapacitu RAM a ROM, díky nimž jsou vhodné pro určité aplikace a nevhodné pro určité aplikace. Aby se návrháři často vyhnuli bolesti hlavy spojené s výběrem toho pravého, volí proto mikrokontroléry, které znají a které občas dokonce i ve skutečnosti nesplňují požadavky projektu. Dnešní článek pojednává o některých důležitých faktorech, na které je třeba se zaměřit při výběru mikrokontroléru, včetně architektury, paměti, rozhraní a I / O nemovitostí.

Důležité faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru MCU

Níže jsou uvedeny některé z důležitých faktorů, na které je třeba se zaměřit při výběru mikrokontroléru, včetně architektury, paměti, rozhraní a I / O nemovitostí.

1. Aplikace

První věcí, kterou je třeba udělat před výběrem mikrokontroléru pro jakýkoli projekt, je hluboké porozumění úkolu, pro který má být nasazeno řešení založené na mikrokontroléru. Během tohoto procesu je vždy vypracován list s technickými specifikacemi, který pomůže určit konkrétní vlastnosti mikrokontroléru, které budou použity pro projekt. Dobrý příklad toho, jak aplikace / použití zařízení určuje mikrokontrolér, který se má použít, je vystaven, když je mikrokontrolér s jednotkou s plovoucí desetinnou čárkou přijat pro konstrukci zařízení, které bude použito k provádění operací zahrnujících mnoho desetinných čísel.

2. Vyberte architekturu mikrokontroléru

Architektura mikrokontroléru odkazuje na to, jak je mikrokontrolér interně strukturován. Pro návrh mikrokontrolérů se používají dvě hlavní architektury;

1. Architektura Von Neumann
2. Harvardská architektura

Architektura von Neumann zahrnuje použití stejné sběrnice k přenosu dat a načítání instrukčních sad z paměti. Přenos dat a načítání instrukcí proto nelze provádět současně a jsou obvykle naplánovány. Harvardská architektura na druhé straně zahrnuje použití samostatných sběrnic pro přenos dat a načítání instrukcí.

Každá z těchto architektur má své vlastní výhody a nevýhody. Například Harvardská architektura jsou počítače RISC (Reduced instruction Set) a jsou tak schopné provádět více instrukcí s nižšími cykly než počítače CISC (Complex instruction Set), které jsou založeny na architektuře von Neumann. Jednou z důležitých výhod mikrokontrolérů založených na Harvardu (RISC) je skutečnost, že existence různých sběrnic pro data a sadu instrukcí umožňuje oddělení přístupu do paměti a operací aritmetické a logické jednotky (ALU). To snižuje množství výpočetního výkonu požadovaného mikrokontrolérem a vede to ke snížení nákladů, nízké spotřebě energie a rozptylu tepla, což je činí ideálními pro konstrukci zařízení napájených z baterie. Mnoho ARM,Mikrokontroléry AVR a PIC jsou založeny na architektuře Harvard. Mezi příklady mikrokontrolérů, které používají architekturu Von Neumann, patří mimo jiné 8051, zilog Z80.

3. Velikost bitů

Mikrokontrolér může být 8 bitů, 16 bitů, 32 bitů a 64 bitů, což je aktuální maximální bitová velikost, kterou má mikrokontrolér. Bitová velikost mikrokontroléru představuje velikost „slova“ použitého v instrukční sadě mikrokontroléru. To znamená, že v 8bitovém mikrokontroléru trvá reprezentace každé instrukce, adresy, proměnné nebo registru 8bitově. Jedním z klíčových důsledků velikosti bitu je kapacita paměti mikrokontroléru. Například v 8bitovém mikrokontroléru je 255 jedinečných paměťových míst diktovaných velikostí bitů, zatímco v 32bitovém mikrokontroléru je 4 294 967 295 jedinečných paměťových míst, což znamená, že čím větší je bitová velikost, tím vyšší je počet jedinečných paměťová místa dostupná pro použití na mikrokontroléru. V dnešní době však výrobcivyvíjejí způsoby, jak poskytnout mikrokontrolérům s menší bitovou velikostí přístup k většímu paměťovému umístění prostřednictvím stránkování a adresování, takže 8bitový mikrokontrolér bude 16bitový adresovatelný, ale to má tendenci komplikovat programování pro vývojáře vestavěného softwaru.

Efekt velikosti bitů je pravděpodobně významněji zaznamenán při vývoji firmwaru pro mikrokontrolér, zejména pro aritmetické operace. Různé datové typy mají různou velikost paměti pro různé velikosti bitů mikrokontroléru. Například použití proměnné deklarované jako celé číslo bez znaménka, které kvůli datovému typu bude vyžadovat 16 bitů paměti, v kódech prováděných na 8bitovém mikrokontroléru povede ke ztrátě nejvýznamnějšího bajtu v datech, který občas může být velmi důležité pro splnění úkolu, pro který bylo zařízení, na které má být mikrokontrolér použit, navrženo.

Je tedy důležité vybrat mikrokontrolér s velikostí bitů, která odpovídá velikosti zpracovávaných dat.

Pravděpodobně je důležité si uvědomit, že většina aplikací je dnes mezi 32bitovými a 16bitovými mikrokontroléry kvůli technologickému pokroku začleněnému do těchto čipů.

4. Rozhraní pro komunikaci

Komunikace mezi mikrokontrolérem a některými senzory a akčními členy, které budou použity pro projekt, může pro usnadnění komunikace vyžadovat použití rozhraní mezi mikrokontrolérem a senzorem nebo akčním členem. Například pro připojení analogového senzoru k mikrokontroléru bude vyžadovat, aby měl mikrokontrolér dostatek ADC (analogově-digitálních převodníků) nebo jak jsem již zmínil, změna rychlosti stejnosměrného motoru může vyžadovat použití PWM rozhraní na mikrokontroléru. Bude tedy důležité potvrdit, že vybraný mikrokontrolér má dostatek požadovaných rozhraní, mimo jiné UART, SPI, I2C.

5. Provozní napětí

Provozní napětí je úroveň napětí, při které je systém navržen pro provoz. Je to také úroveň napětí, s níž souvisejí určité vlastnosti systému. V hardwarovém provedení provozní napětí občas určuje logickou úroveň, na které mikrokontrolér komunikuje s dalšími součástmi, které tvoří systém.

Úroveň napětí 5 V a 3,3 V je nejpopulárnějším provozním napětím používaným pro mikrokontroléry a mělo by se rozhodnout, která z těchto úrovní napětí bude použita během procesu vývoje technické specifikace zařízení. Použití mikrokontroléru s provozním napětím 3,3 V v konstrukci zařízení, kde většina externích komponent, senzorů a akčních členů bude pracovat na napěťové úrovni 5 V, nebude velmi chytré rozhodnutí, protože bude potřeba implementovat logickou úroveň řadiče nebo převaděče umožňující výměnu dat mezi mikrokontrolérem a ostatními součástmi, což zbytečně zvýší výrobní náklady a celkové náklady na zařízení.

6. Počet I / O pinů

Počet vstupních / výstupních portů pro všeobecné nebo speciální účely a (nebo) piny, které vlastní mikrokontrolér, je jedním z nejdůležitějších faktorů, který ovlivňuje výběr mikrokontroléru.

Pokud měl mít mikrokontrolér všechny ostatní funkce uvedené v tomto článku, ale nemá dostatek IO pinů, jak to vyžaduje projekt, nelze jej použít. Je důležité, aby měl mikrokontrolér dostatek kolíků PWM, například pro řízení počtu stejnosměrných motorů, jejichž rychlost bude měnit zařízení. I když lze počet I / O portů na mikrokontroléru rozšířit pomocí posuvných registrů, nelze jej použít pro všechny druhy aplikací a zvyšuje náklady na zařízení, ve kterých se používá. Proto je lepší zajistit, aby mikrokontrolér, který má být vybrán pro návrh, měl pro projekt požadovaný počet I / O portů pro obecné a speciální účely.

Jednou další klíčovou věcí, kterou je třeba mít na paměti při určování množství I / O pinů pro obecné nebo speciální účely požadovaných pro projekt, je budoucí vylepšení, které lze provést v zařízení, a jak mohou tato vylepšení ovlivnit počet I / O pinů Požadované.

7. Požadavky na paměť

S mikrokontrolérem je spojeno několik typů paměti, na které by návrhář měl při výběru dávat pozor. Mezi nejdůležitější patří RAM, ROM a EEPROM. Množství každé z těchto potřebných pamětí může být obtížné odhadnout, dokud nebude použito, ale na základě množství práce vyžadované od mikrokontroléru lze provést předpovědi. Tato výše uvedená paměťová zařízení tvoří datovou a programovou paměť mikrokontroléru.

Programová paměť mikrokontroléru ukládá firmware pro mikrokontrolér, takže při odpojení napájení od mikrokontroléru se firmware neztratí. Množství potřebné programové paměti závisí na množství dat, jako jsou knihovny, tabulky, binární soubory pro obrázky atd., Které jsou potřebné pro správnou funkci firmwaru.

Datová paměť na druhé straně se používá během běhu. V této paměti jsou uloženy všechny proměnné a data generovaná v důsledku zpracování mimo jiné během běhu. Složitost výpočtů, ke kterým dojde během běhu, lze tedy použít k odhadu množství datové paměti potřebné pro mikrokontrolér.

8. Velikost balení

Velikost balení odkazuje na tvarový faktor mikrokontroléru. Mikrokontroléry se obvykle dodávají v balíčcích od QFP, TSSOP, SOIC až po SSOP a běžný balíček DIP, který usnadňuje montáž na prkénko pro prototypování. Je důležité předem naplánovat výrobu a předpokládat, který balíček bude nejlepší.

9. Spotřeba energie

To je jeden z nejdůležitějších faktorů, které je třeba vzít v úvahu při výběru mikrokontroléru, zejména pokud má být nasazen v bateriové aplikaci, jako jsou zařízení IoT, kde je žádoucí, aby mikrokontrolér měl co nejnižší spotřebu. Datasheet většiny mikrokontrolérů obsahuje informace o několika technikách založených na hardwaru a (nebo) softwaru, které lze použít k minimalizaci množství energie spotřebované mikrokontrolérem v různých režimech. Ujistěte se, že vybraný mikrokontrolér splňuje požadavky na výkon vašeho projektu.

10. Podpora pro mikrokontrolér

Je důležité, aby mikrokontrolér, se kterým jste se rozhodli pracovat, měl dostatečnou podporu včetně; ukázky kódu, referenční vzory a pokud možno velká komunita online. První práce s mikrokontrolérem může přijít s různými výzvami a přístup k těmto zdrojům vám pomůže rychle je překonat. Při používání nejnovějších mikrokontrolérů je kvůli těmto skvělým novým funkcím, se kterými přišel, dobrá věc, je proto vhodné zajistit, aby byl mikrokontrolér v provozu alespoň 3–4 měsíce, aby byla zajištěna většina časných problémů, které mohou s mikrokontrolérem souviset. by bylo vyřešeno, protože různí zákazníci by provedli spoustu testování mikrokontroléru s různými aplikacemi.

Je také důležité vybrat mikrokontrolér s dobrou vyhodnocovací sadou, abyste mohli rychle začít vytvářet prototypy a snadno testovat funkce. Vyhodnocovací sady jsou dobrým způsobem, jak získat zkušenosti, seznámit se s řetězcem nástrojů použitým pro vývoj a ušetřit čas při vývoji zařízení.

Výběr správného mikrokontroléru pro projekt bude i nadále problémem, který bude muset vyřešit každý návrhář hardwaru, a přestože existuje několik dalších faktorů, které mohou ovlivnit výběr mikrokontroléru, výše uvedené faktory jsou nejdůležitější.