Įterptųjų sistemų mikrovaldikliai: dizainas, pasirinkimas ir geriausia praktika

Išmanieji įrenginiai, prietaisai ir sistemos dabar yra giliai integruoti į kasdienį gyvenimą, pradedant namų automatizavimu ir baigiant pramoniniais procesais.Šios sistemos priklauso nuo centrinio apdorojimo vieneto, kad galėtų priimti sprendimus ir vykdyti užduotis.„Smart Electronics“ atveju šį vaidmenį vaidina įterptoji sistema.Įterptoji sistema yra specializuota plokštė, dažnai vadinama PCBA (spausdintos plokštės komplektu), kuriai priklauso mikrovaldiklis-kompaktiškas, savarankiškas skaičiavimo blokas, skirtas konkrečioms funkcijoms.Skirtingai nuo bendrosios paskirties kompiuterių, tokių kaip staliniai kompiuteriai ir nešiojamieji kompiuteriai, mikrovaldikliai yra optimizuoti tam skirtoms užduotims ir veikti nevykdant kelių programų.Efektyvių įterptųjų sistemų projektavimui reikalingas tvirtas supratimas apie mikrovaldiklio funkcijas ir galimybes.

Katalogas

1 paveikslas: Mikrokontrolieriai: intelektualiosios elektronikos smegenys visur

Kaip naudojami mikrovaldikliai

Įterpta sistemos dizainas buvo istoriškai žinomas kaip mikroprocessing - terminas, atsirandantis dėl mikroprocesorių (MPU) naudojimo.Mikroprocesorius iš esmės yra sistemos centrinis apdorojimo blokas (CPU), reikalaujantis, kad išoriniai komponentai efektyviai veiktų.Priešingai, mikrovaldiklis (MCU) integruoja visus būtinus skaičiavimo elementus, tokius kaip atminties, apdorojimo galios ir įvesties/išvesties sąsajos - į vieną integruotą grandinę (IC).Dėl šios kompaktiškos integracijos MCU yra tinkamesnis įterptoms programoms, kai svarbi yra vietos, efektyvumo ir išlaidų apribojimai.

Didėjantis grandinių lentų, turinčių šias IC, priėmimas lėmė platesnį terminą „įterptosios sistemos“.Nors mikrovaldikliai vystėsi, jų pagrindinė architektūra išlieka panaši į tradicinius kompiuterius, įskaitant būtiniausius komponentus, tokius kaip RAM, ROM, laikrodis ar laikmatis, CPU ir I/O sąsajos.

Dauguma mikrovaldiklių yra su įmontuota ROM (pvz., „EPROM“ ar „EEPROM“), iš anksto įkeliami naudojant programinę-aparatinę įrangą, skirtą atlikti konkrečias funkcijas.Tačiau šiuolaikiniai mikrovaldytojai vis labiau naudoja „Flash“ atmintį, o tai leidžia lanksčiai programuoti ir perprogramuoti.Tai ypač naudinga kūrimo lentose, kur programinę-aparatinę įrangą galima atnaujinti ne lentoje prieš perkeliant į galutinę sistemą.Daugeliu atvejų programavimas ir derinimas taip pat yra įmanomas, jei sistema palaiko išorinius duomenis ir galios perdavimą per savo magistralės sąsają.

Sparčiai išplėsta intelektualiųjų technologijų plėtra pratęsė mikrovaldiklių programas, išskyrus vartotojų prietaisus.Šiandien jie vaidina svarbų vaidmenį pramonės automatizavimo, proceso kontrolės ir gamybos sistemose.Žemiau yra keletas pagrindinių mikrovaldiklių programų:

Įprastos mikrovaldiklio programos

Pramoninė automatika - naudojama robotikoje, variklio valdyme ir automatinėmis gamybos linijomis.

Įrenginio proceso valdymas - randamas temperatūros valdikliuose, grįžtamojo ryšio sistemose ir pramoninėse mašinose.

Duomenų rinkimas (DAQ) ir signalo apdorojimas - būtinas jutiklių duomenų rinkti, analizuoti ir perduoti.

Daiktų interneto (IoT) sistemos - tarnauja kaip prijungtų prietaisų pagrindas intelektualiuosiuose namuose ir pramoninės IoT programos.

Autonominiai automatiniai produktai-naudojami prekybos automatams, savitarnos kioskuose ir automatinėse apsaugos sistemose.

Jutikliais pagrįstos operacijos-taikomos judesio aptikimo, aplinkos stebėjimo ir išmaniojo žemės ūkio.

Pagrindinės mikrovaldiklių savybės

Mikrokontroleriai yra įvairių veislių, o tinkamo pasirinkimas priklauso nuo konkrečios programos reikalavimų.Gerai struktūruotas dizainas turėtų atitikti mikrovaldiklio funkcijas su numatytu naudojimu.Viena iš dažniausiai naudojamų mikrovaldiklių šeimų yra „Microchip“ technologijos „Pic“ serija, įskaitant aukštos kokybės PIC32MK.

„PIC32MK“ mikrovaldiklis

2 paveikslas: 64 kontaktų PIC-32 MCU TQFP pakete

„PIC32MK“ yra 32 bitų mikrovaldiklis, prieinamas keliose pakuotės parinktyse, įskaitant 64 kontaktų TQFP, 64 kontaktų QFN ir 100 kontaktų TQFP.Šis mikrovaldiklis yra optimizuotas variklio valdymo programoms, tačiau taip pat gali atlikti įvairias įterptas sistemos užduotis.Pagrindinės specifikacijos yra:

Pagrindinės ir apdorojimo galimybės

„Mips32® Microaptiv ™“ šerdis su slankiojo kablelio bloku (FPU)

Išplėstinė atminties kontrolė efektyviam duomenų tvarkymui

Iki 16 kb atminties

Analoginės ir skaitmeninės savybės

7 ADC moduliai, skirti tiksliam analoginiam ir skaitmeniniam konversijai

3 12 bitų talpiniai analoginiai-skaitmeniniai keitikliai (CDAC)

4 operaciniai stiprintuvai (OP-AMP) ir 5 palyginamieji

Laikmačiai ir signalo apdorojimas

Iki 14 16 bitų arba 8 32 bitų laikmačiai, taip pat papildomas 16 bitų laikmatis

6 kvadratūros kodavimo sąsaja (QEI) 32 bitų laikmačiai, skirti judesio stebėjimui

16 įvesties fiksavimo moduliai ir 16 išvesties palyginkite modulius

Realaus laiko laikrodžio ir kalendoriaus modulis

Ryšio sąsajos

4 gali autobusų moduliai automobilių ir pramoninėms reikmėms

6 UART moduliai serijiniam ryšiui

6 SPI/I2S moduliai periferinėms jungtims

Iki 2 viso greičio USB valdikliai

Variklio valdymas ir specialios funkcijos

Variklio valdymo impulsų pločio moduliacijos (PWM) galimybė

Variklio kodavimo įrenginio sąsaja tiksliam greičio ir padėties stebėjimui

Vidinis temperatūros jutiklis šiluminiam stebėjimui

„Compuuit Serial Programing ™“ (ICSP ™) palaikymas

JTAG sąsaja derinimo ir testavimo srityje

„PIC32MK“ architektūra integruoja funkcijas, kurios sumažina papildomų komponentų poreikį, ypač variklio valdymo programose.Tai supaprastina PCB išdėstymą ir sumažina sistemos sudėtingumą.

3 paveikslas: PIC32MK bloko diagrama

Alternatyvūs 32 bitų PIC mikrovaldikliai

Nors PIC32MK yra galingas pasirinkimas, kiti 32 bitų „Pic“ mikrovaldikliai iš „Microchip“ siūlo skirtingus našumo lygius, atminties konfigūracijas ir energijos suvartojimo profilius.Kai kurios alternatyvos apima:

„PIC32MZ“ serija

PIC32MZ EF - 252 MHz, 512 kb iki 2 MB blykstės, nuo 128 iki 512 kb SRAM

PIC32MZ DA - 200 MHz, nuo 1 iki 2 MB blykstė, nuo 256 iki 640 kb SRAM

„PIC32MX“ serija

PIC32MX 3/4 - 80–120 MHz, nuo 32 iki 512 kb blykstės, nuo 8 iki 128 kb SRAM

PIC32MX 5/6/7 - 80 MHz, nuo 64 iki 512 kb blykstės, nuo 16 iki 128 kb SRAM

PIC32MX 1/2 XLP - 72 MHz, nuo 128 iki 256 kb blykstės, nuo 32 iki 64 kb SRAM

PIC32MX 1/2/5 - 50 MHz, nuo 16 iki 512 kb blykstės, nuo 4 iki 64 kb SRAM

Kiti mikroschemų mikrovaldikliai

PIC32CM MC - ARM® Cortex® Core, 48 MHz, nuo 64 iki 128 kb blykstės, nuo 8 iki 16 kb SRAM

PIC32mm - 25 MHz, nuo 16 iki 256 kb blykstės, nuo 4 iki 32 kb SRAM

Paprastesnėms programoms „Microchip“ taip pat teikia 8 ir 16 bitų mikrovaldiklius, kurie siūlo sumažintus instrukcijų rinkinius ir paprastesnį programavimą, išlaikant efektyvumą.

Geriausia įterptojo PCBA dizaino praktika

4 paveikslas: „Pic32Mk“ modelio duomenys iš „Ultra Libratian“

Integruojant mikrovaldiklius į PCB dizainą, keli veiksniai daro įtaką našumui ir patikimumui:

TRAKCIJOS RENGIMO IR LONTO LAŠOJI-„PIC32MK“ 64 kontaktų konfigūracijai dažnai reikia daugiasluoksnio PCB dizaino.Efektyvus pėdsakų maršrutas ir naudojant vietą padeda sumažinti lentos dydį, išlaikant signalo vientisumą.

Galios valdymas - tinkami atsiejimo kondensatoriai šalia galios kaiščių stabilizuoja įtampos lygį ir sumažina triukšmą.

Programavimo prieiga-norint išsamiai pasinaudoti grandinės ir pritaikymo programavimu, įsitikinkite, kad derinimo ir programavimo antraštės yra prieinamos.

Šilumos aspektai-tokie komponentai kaip vidinis temperatūros jutiklis leidžia stebėti realiuoju laiku, tačiau PCB projektavime taip pat turėtų būti įtrauktos tinkamos šilumos išsklaidymo strategijos, tokios kaip antžeminės plokštumos ir šiluminės VIA.