Как да изберете правилния микроконтролер за вашето вградено приложение

Микроконтролерът по същество е малък компютър на чип, като всеки компютър, той има памет и обикновено е програмиран във вградени системи за получаване на входове, извършване на изчисления и генериране на изход. За разлика от процесора, той включва паметта, процесора, I / O и други периферни устройства на един чип, както е показано в оформлението по-долу.

Изборът на правилния микроконтролер за даден проект винаги е сложно решение, тъй като това е сърцевината на проекта и успехът или провалът на системата зависи от това.

Има хиляда различни типа микроконтролери, всеки от които с уникална характеристика или конкурентно предимство от форм фактор, до размера на пакета, до капацитета на RAM и ROM, което ги прави годни за определени приложения и негодни за определени приложения. Така често пъти, за да избегнат главоболието, което идва с избора на правилния, дизайнерите избират микроконтролери, които са им познати, които понякога дори не отговарят на изискванията на проекта. Днешната статия ще разгледа някои от важните фактори, на които трябва да обърнете внимание при избора на микроконтролер, включително архитектурата, паметта, интерфейсите и I / O недвижимите имоти.

Важни фактори, които трябва да се имат предвид при избора на MCU

По-долу са някои от важните фактори, на които трябва да се обърне внимание при избора на микроконтролер, включително архитектурата, паметта, интерфейсите и I / O недвижимите имоти.

1. Приложение

Първото нещо, което трябва да направите, преди да изберете микроконтролер за всеки проект, е да развиете задълбочено разбиране на задачата, за която трябва да бъде внедрено решението, базирано на микроконтролера. По време на този процес винаги се разработва техническа спецификация и тя ще помогне да се определят специфичните характеристики на микроконтролера, който ще се използва за проекта. Добър пример за това как приложението / използването на устройството определя микроконтролера, който ще се използва, се показва, когато микроконтролер с единица с плаваща запетая е приет за проектиране на устройство, което ще се използва за извършване на операции, включващи много десетични числа.

2. Изберете Архитектура на микроконтролера

Архитектурата на микроконтролера се отнася до това как микроконтролерът е структуриран вътрешно. Има две основни архитектури, използвани за проектиране на микроконтролери;

Фон Нойман Архитектура
Харвардска архитектура

Архитектурата на von Neumann включва използването на същата шина за предаване на данни и извличане на набори от инструкции от паметта. Следователно прехвърлянето на данни и извличането на инструкции не могат да се извършват едновременно и обикновено са планирани. Архитектурата на Харвард, от друга страна, включва използването на отделни шини за предаване на данни и извличане на инструкции.

Всяка от тези архитектури идва със своите предимства и недостатъци. Например архитектурата на Харвард са компютри RISC (Намален набор от инструкции) и по този начин са в състояние да изпълняват повече инструкции с по-ниски цикли от компютрите CISC (Комплекс от инструкции), които се базират на архитектурата на фон Нойман. Едно важно предимство на базираните в Харвард (RISC) микроконтролери е фактът, че съществуването на различни шини за набор от данни и инструкции позволява разделянето на достъпа до паметта и операциите на аритметичната и логическата единица (ALU). Това намалява количеството изчислителна мощност, необходимо на микроконтролера и води до намалени разходи, ниска консумация на енергия и разсейване на топлината, което ги прави идеални за проектиране на батерийни устройства. Много ARM,Микроконтролерите AVR и PIC са базирани на харвардската архитектура. Пример за микроконтролери, които използват архитектурата на Von Neumann, включват 8051, zilog Z80, наред с други.

3. Размер на бита

Микроконтролерът може да бъде 8 бита, 16 бита, 32 бита и 64 бита, което е текущият максимален битов размер, притежаван от микроконтролера. Битовият размер на микроконтролера представлява размера на „дума“, използвана в набора от инструкции на микроконтролера. Това означава, че в 8-битов микроконтролер представянето на всяка инструкция, адрес, променлива или регистър отнема 8-бита. Едно от ключовите последици от битовия размер е капацитетът на паметта на микроконтролера. Например в 8-битов микроконтролер има 255 уникални места в паметта, продиктувани от битовия размер, докато в 32-битовия микроконтролер има 4 294 967 295 уникални местоположения в паметта, което означава, че колкото по-голям е битовият размер, толкова по-голям е броят на уникалните места за памет, достъпни за използване на микроконтролера. Производителите в наши дни обаче,разработват начини да предоставят достъп до повече памет на микроконтролерите с по-малък бит чрез пейджинг и адресиране, така че 8-битовият микроконтролер да стане 16-битов адресируем, но това има тенденция да усложнява програмирането за вградения софтуерен разработчик.

Ефектът от размера на битовете вероятно е по-значителен при разработването на фърмуера за микроконтролера, особено за аритметични операции. Различните типове данни имат различен размер на паметта за различен размер на бита на микроконтролера. Например, използването на променлива, декларирана като неподписано цяло число, което поради типа данни ще изисква 16 бита памет, в кодове, които да се изпълняват на 8 битов микроконтролер, ще доведе до загуба на най-значимия байт в данните, който понякога може да бъде много важно за постигането на задачата, за която е проектирано устройството, на което ще се използва микроконтролерът.

Поради това е важно да изберете микроконтролер с битов размер, който съответства на този на данните, които ще се обработват.

Вероятно е важно да се отбележи, че повечето приложения в наши дни са между 32 бита и 16 бита микроконтролери поради технологичния напредък, включен в тези чипове.

4. Интерфейси за комуникация

Комуникацията между микроконтролера и някои от сензорите и изпълнителните механизми, които ще бъдат използвани за проекта, може да изисква използването на интерфейс между микроконтролера и сензора или изпълнителния механизъм, за да се улесни комуникацията. Вземете например, за да свържете аналогов сензор към микроконтролер, ще изисква микроконтролерът да има достатъчно ADC (аналогови към цифрови преобразуватели) или както споменах по-рано, промяната на скоростта на постояннотоков двигател може да изисква използването на ШИМ интерфейс на микроконтролера. Така че ще бъде важно да се потвърди, че микроконтролерът, който трябва да бъде избран, има достатъчно необходими интерфейси, включително UART, SPI, I2C и други.

5. Работно напрежение

Работното напрежение е нивото на напрежението, при което системата е проектирана да работи. Също така е нивото на напрежението, с което са свързани определени характеристики на системата. В хардуерния дизайн работното напрежение понякога определя логическото ниво, на което микроконтролерът комуникира с други компоненти, съставляващи системата.

Нивото на напрежение 5V и 3.3V е най-популярното работно напрежение, използвано за микроконтролери и трябва да се вземе решение кое от тези нива на напрежение ще се използва по време на процеса на разработване на техническата спецификация на устройството. Използването на микроконтролер с работно напрежение 3.3V при проектирането на устройство, при което повечето външни компоненти, сензори и задвижващи механизми ще работят на ниво 5V напрежение, няма да бъде много умно решение, тъй като ще е необходимо да се приложи логическо ниво превключватели или преобразуватели, за да се даде възможност за обмен на данни между микроконтролера и останалите компоненти и това ще увеличи ненужно производствените разходи и общите разходи за устройството.

6. Брой I / O щифтове

Броят на входните / изходните портове с общо или специално предназначение и (или) щифтове, притежавани от микроконтролера, е един от най-важните фактори, който влияе върху избора на микроконтролер.

Ако един микроконтролер трябва да има всички останали функции, споменати в тази статия, но няма достатъчно IO щифтове, както се изисква от проекта, той не може да се използва. Важно е микроконтролерът да има достатъчно PWM щифтове например, за да контролира броя на постояннотокови двигатели, чиято скорост ще варира от устройството. Въпреки че броят на I / O портовете на микроконтролера може да бъде разширен чрез използването на регистри за смяна, той не може да се използва за всички видове приложения и увеличава цената на устройствата, в които се използва. Поради това е по-добре да се гарантира, че микроконтролерът, който ще бъде избран за проектиране, има необходимия брой входно / изходни портове с общо и специално предназначение за проекта.

Друго ключово нещо, което трябва да имате предвид, когато определяте количеството на I / O щифтовете с общо или специално предназначение, необходими за даден проект, е бъдещото подобрение, което може да бъде направено на устройството и как тези подобрения могат да повлияят на броя на I / O щифтовете задължително.

7. Изисквания към паметта

Има няколко вида памет, свързани с микроконтролера, за които дизайнерът трябва да внимава, когато прави избор. Най-важните са RAM, ROM и EEPROM. Количеството на всеки от тези необходими спомени може да бъде трудно да се изчисли, докато не се използва, но съдейки по обема на работата, необходима на микроконтролера, могат да се правят прогнози. Тези устройства с памет, споменати по-горе, формират данните и програмната памет на микроконтролера.

Програмната памет на микроконтролера съхранява фърмуера за микроконтролера, така че когато захранването е изключено от микроконтролера, фърмуерът не се губи. Необходимият обем програмна памет зависи от количеството данни като библиотеки, таблици, двоични файлове за изображения и т.н., които са необходими за правилната работа на фърмуера.

Паметта за данни от друга страна се използва по време на изпълнение. Всички променливи и данни, генерирани в резултат на обработка сред други дейности по време на изпълнение, се съхраняват в тази памет. По този начин сложността на изчисленията, които ще възникнат по време на изпълнение, може да се използва за оценка на количеството памет, необходима за микроконтролера.

8. Размер на опаковката

Размерът на опаковката се отнася до форм-фактора на микроконтролера. Микроконтролерите обикновено се предлагат в пакети, вариращи от QFP, TSSOP, SOIC до SSOP и обикновения DIP пакет, който улеснява монтирането на макет за прототипиране. Важно е да планирате преди производството и да предвидите кой пакет ще бъде най-добър.

9. Консумация на енергия

Това е един от най-важните фактори, които трябва да се вземат предвид при избора на микроконтролер, особено когато той трябва да бъде разположен в приложение, захранвано от батерии, като IoT устройства, където е желателно микроконтролерът да бъде с възможно най-ниска мощност. Информационният лист на повечето микроконтролери съдържа информация за няколко техники, базирани на хардуер и (или) софтуер, които могат да се използват за минимизиране на количеството енергия, консумирана от микроконтролера в различни режими. Уверете се, че избраният от вас микроконтролер отговаря на изискванията за мощност s за вашия проект.

10. Поддръжка за микроконтролер

Важно е микроконтролерът, с който сте избрали да работите, да има достатъчно поддръжка, включително; кодови проби, референтни проекти и по възможност голяма общност онлайн. Работата с микроконтролер за първи път може да доведе до различни предизвикателства и достъпът до тези ресурси ще ви помогне бързо да ги преодолеете. Макар че използването на най-новите микроконтролери заради онези страхотни нови функции, с които е влязло, е добре, препоръчително е да се гарантира, че микроконтролерът съществува от поне 3-4 месеца, за да гарантира повечето от ранните проблеми, които могат да бъдат свързани с микроконтролера би било решено, тъй като различни клиенти биха направили много тестове на микроконтролера с различни приложения.

Също така е важно да изберете микроконтролер с добър комплект за оценка, така че можете бързо да започнете да създавате прототип и да тествате функции лесно. Комплектите за оценка са добър начин за придобиване на опит, запознаване с веригата от инструменти, използвана за разработка, и спестяване на време по време на разработването на устройството.

Изборът на правилния микроконтролер за проект ще продължи да бъде проблем, всеки дизайнер на хардуер ще трябва да реши и макар че има още няколко фактора, които могат да повлияят на избора на микроконтролер, тези фактори, споменати по-горе, са най-важните.