Применение микроконтроллеров: от простых схем в радиоэлектронике до сложных систем

Чтобы лучше разобраться в том, что такое микроконтроллер, понять его сильные и слабые стороны, начнём с простого.

Мигалка светодиода

Пример простейшей схемы — светодиодная мигалка, в составе которой:

Принцип работы

МК включает и выключает светодиод с периодичностью, заданной зашитой в него программой.

Чтение данных с датчика (пример сложнее)

Эта схема для начинающих будет поинтереснее. Поможет собирать полезные устройства для дома, повышая этим мотивацию изучения электроники.

Например, можно сделать приборы для измерения температуры и влажности окружающей среды.

Схема включает:

Принцип работы

МК считывает данные с датчиков через заданные временные промежутки, обрабатывает и отправляет на индикатор.

Прототип можно дополнять индикацией, например, атмосферного давления, освещённости, уровня звука и т. д. Для этого нужны соответствующие датчики и несложная коррекция программы. Можно ещё, например, подключить звуковую или световую сигнализацию превышения температуры, только через реле, чтобы хватило мощности. И это решается почти без затрат, а за счёт изменения программы.

Эти характеристики делают МК неплохим выбором для радиолюбителей и студентов, желающих создавать проекты.

Такая гибкость и универсальность МК привела к появлению модульных конструкций, упрощающих разработку и отладку прототипов схем. Среди них выделяются платформы Arduino и Raspberry Pi.

Arduino — это универсальная платформа, которая подходит для проектов, организующих взаимодействие датчиков с исполнительными элементами. Её характеристики:

А ещё разработано много программ-симуляторов Arduino для разработки и первичной отладки несложных схем «без железа» на компьютере или планшете. Это, например, UnoArduSim, а также облачные симуляторы Tinkercad или Arduino Create.

Сфера применения:

Raspberry Pi — это мини-компьютер, с помощью которого решают сложные задачи. Его характеристики:

Сфера применения:

Выбор между Arduino и Raspberry Pi определяется масштабами проекта. Обе платформы позволяют создавать разные схемы, но отличаются уровнем подготовки разработчика. Для решения комбинированных задач создают проекты с применением двух платформ одновременно, используя преимущество обеих. Так, например, в робототехнике обмен с периферией возлагают на Arduino, а вычислительным центром задаётся Raspberry Pi.

Преимущество микроконтроллеров в простых схемах оценили.

Рассмотрим теперь их достоинства в сложных системах.

Автоматизация в «умном доме»

Идея автоматизации в домах рождалась ещё у Никола Теслы в конце XIX века. Но всё осталось только идеей — технологий для её воплощения не было. Попытки практической реализации делались американцем Эмилем Матиасом в середине XX. Но тогда это было слишком сложно и непрактично, поэтому распространения не получило. Сегодня «умный дом» перестаёт быть редкостью. Поблагодарим за это микроконтроллер — сердце и мозг электронных устройств, без которых он бы не работал.

«Умный дом» — это МК с подключёнными к нему датчиками и исполнительными механизмами. Согласно зашитой в него программе, включается освещение по сигналу акустического датчика, перекрывается кран водоснабжения по сигналу датчика протечки, жилец получает СМС-сообщение о наличии запаха газа в квартире и другие действия, на что способен «умный дом».

Робототехника

Сейчас робототехника — это не только железные андроиды, планируемые для освоения иных планет. Она пришла в дома в виде пылесосов, моек окон и полов, образовательных и развлекательных роботов, роботов-игрушек, наконец. И в этом тоже немалую, если не основную роль, сыграли микроконтроллеры. Ведь во всех этих роботах он командует исполнительными элементами по сигналам датчиков.

Применение в медицине

Да, и «синеглазый» робот-сиделка Гарми из Мюнхенского института робототехники и машинного интеллекта для ухода за пожилыми и больными людьми, и мило улыбающаяся пациентам брюнетка по имени Надин из Института Медиа Инноваций в Наньянском Технологическом Университете в Сингапуре напичканы разноплановыми МК. Американская компания Perceptive создаёт и уже результативно испытывает робота-стоматолога… Однако медицине нужны не только сенсационные изобретения, но и примитивные устройства-помощники медсёстрам, лаборантам, массажистам. И везде успевает чудо электронной техники — Его Величество микроконтроллер.

Применение на атомных электростанциях

Атомные электростанции (АЭС) лидируют по экономичности и экологической чистоте вырабатываемой электроэнергии. И в то же время — это сложные и небезопасные объекты. Чтобы за дешёвую энергию вдруг не пришлось расплачиваться дорогой ценой, нужно максимально исключить человеческий фактор в управлении станцией. Для этого на АЭС внедрены специальные автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), которые также не обходятся без микроконтроллеров.

Применение на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА)

Использование беспилотных летательных аппаратов в научно-исследовательских, топографических и военных целях теперь «на взлёте». Главную часть летающих беспилотников представляет авионика — это комплекс электронных бортовых устройств, в состав которого входят управляющие блоки, в т. ч. управления полётом и навигацией. И опять микроконтроллеры!

Применение в автомобильной индустрии

Современный автомобиль не двинется с места без электроники. МК регулируют подачу топлива и зажигания в системе управления двигателем. Следят за сигналами датчиков ABS и ESP для предотвращения аварийных ситуаций. Выдают на водительский монитор главные параметры автомобиля и аварийную сигнализацию.

Наконец, МК играют главную роль в системах управления беспилотными автомобилями. Они обрабатывают сигналы датчиков камеры, лидаров и радаров, позволяя автомобилю определять своё местоположение и окружение. Они контролируют режимы движения, обеспечивают автоматизированное торможение и маневрирование, а также взаимодействие с другими дорожными участниками.

К сложным системам предъявляются жёсткие требования по надёжности, среди которых обязательно: долговечность, время безотказной работы, устойчивость к внешним факторам и ремонтопригодность. Поэтому при проектировании сложных систем нужны специальные схемотехнические приёмы, и тщательно подбирать элементную базу. В частности, МК нужно подбирать не только по вычислительной мощности, но и по допустимым диапазонам температур, вибраций, ударных воздействий, ионизирующих излучений. А ещё и по другим параметрам, исходя из конкретных условий эксплуатации. Кроме того, на надёжность влияет качество инструмента и ПО, применяемых в процессе разработки и изготовления. Например, из-за некачественного программатора в память загрузится программа с ошибками, что приводит к непредсказуемым последствиям.

Поскольку МК является главнейшим компонент любого современного электронного устройства, проектирование схем начинается с его выбора. И от того, насколько точно подобран МК, зависит в итоге эффективность разработки.

Производительность

Базовые параметры производительности:

Запоминающее устройство (ЗУ)

Базовые виды:

Периферия

Периферия МК — это интерфейсы связи с внешними устройствами. Главные из них:

Потребительский спрос, технологическая востребованность и конкуренция производителей наводнила рынок большим разнообразием МК по разрядности и архитектуре. Умение ориентироваться в этом потоке предложений поможет разработчику повысить результативность проектирования.

Разрядность

Разрядность процессора определяет границы объёма внутренней памяти и предел производительности. Значения разрядности серийных МК в зависимости о типа равны 4, 8, 16, 32 и 64.

Архитектура

Архитектура МК определяется системой команд и способом организации ЗУ

Архитектура системы команд есть двух типов: RISC и CISC. Подробнее о них:

В ЗУ хранятся коды программ и данных. ЗУ делится на Фон-Неймана и Гарвардское.

Архитектура Фон-Неймана. Команды и данные в ЗУ не разделены. Это упрощает конструкцию, но может создавать «узкие места» в производительности при одновременном доступе к ним.

Гарвардская архитектура. Команды и данные заносятся в отдельные области. Это повышает производительность за счёт параллельного обмена информацией.

Сравнение архитектур

Аббревиатура AVR расшифровывается так: Advanced Virtual RISC — усовершенствованный виртуальный RISC. Его история началась в 1996 году в компании Atmel, в дальнейшем вошедшей в компанию Microchip.

Сейчас популярны три подсемейства:

tinyAVR (ATtinyxxx), megaAVR (ATmegaxxx) и XMEGA AVR (ATxmegaxxx)

TinyAVR применяют для простых приложений

Популярность MegaAVR объясняется множеством встроенных периферийных устройств. Подходит для сложных проектов и решений.

XmegaAVR больше подходит для сложных задач, которым требуется большая память программ и высокая скорость обработки. Наиболее часто встречается в коммерческих решениях.

ARM — это аббревиатура названия компании Advanced RISC Machines.

ARM не производит микросхемы, однако разрабатывает микропроцессоры и лицензирует собственные технологии третьим фирмам для производства чипов.

Так, например, компания STMicroelectronics производит семейство 32-битных микроконтроллеров STM32 на 32-битных ядрах ARM. Это Cortex-M33, Cortex-M7F, Cortex-M4F, Cortex-M3, Cortex-M0+, Cortex-M0

Эти МК — обладатели внушительных параметров даже для линейки широкого применения:

Большая номенклатура и бесплатное программное обеспечение (stm32cubeide) обеспечило популярность этих МК как у любителей, так и у профессионалов.

8, 16 и 32-битные микроконтроллеры PIC (peripheral interface controller) от компании Microchip Technology Inc. состоят из 4 больших семейств:

Характеристики:

Такие МК отличаются хорошей преемственностью различных семейств. Есть программная совместимость (общие средства разработки: бесплатная IDE MPLAB, общие библиотеки, общие стеки популярнейших протоколов передачи данных), совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания.

Программирование МК — это загрузка цифрового кода в ЗУ. Для этого применяется специальный электронный прибор — программатор. По назначению программаторы делятся на любительские и профессиональные, универсальные и специальные.

Универсальные программаторы характеризуются большим охватом разных типов программируемых элементов. Поэтому они больше востребованы в конструкторских бюро и лабораториях. Также популярны они и среди радиолюбителей.

В качестве примера можно привести универсальный программатор RT809F.

Это эффективный, надёжный и относительно недорогой универсальный программатор от китайской компании Ifix.

Достоинства:

Технические характеристики RT809F

В современном автомобиле электроника имеет определённую специфику, под которую подстраиваются производители электронных элементов, а вслед за ними и производители соответствующего оборудования.

Программатор автомобильных микросхем Xhorse VVDI PROG от компании Xhorse — признанным многими инженерами лидером в области разработок автоэлектроники. Создан специально для работы с микросхемами памяти, процессорами в ЭБУ двигателем, иммобилайзерами, приборными панелями и защищённых от записи микросхем транспондеров.

Достоинства:

Функционал: