Электронные компоненты «всех времён и народов»: микроконтроллеры

Время чтения: 13 минут

В электронике микроконтроллеры заняли особое место, став универсальной основой для устройств — от бытовых приборов до сложных автоматизированных систем. Несмотря на стремительное развитие вычислительной техники, многие модели микроконтроллеров, разработанные десятилетия назад, продолжают сегодня активно использоваться благодаря надёжности, простоте и доступности.

В этой части рассмотрим микроконтроллеры, которые по праву относят к «классике жанра». Эти устройства знакомы инженерам, радиолюбителям и разработчикам DIY-проектов, а их архитектура и возможности до сих пор остаются актуальными в учебных и практических задачах.

Вся «семьдесят четвёртая» серия микросхем преизобилует электронными приборами, разработанными в 1960–1980 годах и используемыми сегодня. Описать все невозможно, но нельзя пропустить одну из интересных и популярных микросхем — SN74HC595.

Это восьмиразрядный сдвиговый регистр, применяемый для преобразования последовательно поступающих на вход данных (совместно с синхронизирующим и разрешающим сигналом) в параллельно выдаваемые на выходе данные. Помимо прямого назначения, «последовательно-параллельного» преобразования, микросхема и сегодня широко применяется в качестве «расширителя портов» микроконтроллеров, «экономя» цифровые выходы и с помощью всего трёх линий (данные, синхронизация и разрешение) подключая до восьми цифровых портов вывода, позволяющих управлять отдельными светодиодами, семисегментными и матричными индикаторами, соленоидами и реле (вернее, их транзисторными ключами) и т. д.

SN74HC595 разработана в 1980 годах компанией Texas Instruments (опять они) как одна из цифровых микросхем семейства HC (High-Speed CMOS) для удовлетворения всё растущих нужд бурно развивающейся высокоэффективной цифровой электроники. Раньше уже была LS (Low-power Schottky), представляющая собой серию ТТЛ-микросхем, к 1980 уже морально устаревшую (но выпускаемую и сегодня для ремонта аппаратуры прошлых лет). Помимо сдвиговых регистров, серия HC имела логические элементы (микросхемы «мелкой» логики), триггеры, счётчики, шифраторы и дешифраторы, компараторы, ОЗУ, ПЗУ и другие; в общем, все необходимые микросхемы для построения цифровых устройств любого уровня сложности.

Сдвиговый регистр SN74HC595 имеет три входа: вход последовательных данных, сигнала синхронизации (как ещё называют стробирующего сигнала) и сигнала разрешения.

Помимо этих входов, ещё есть вход переключения выходов в высокоимпедансное состояние (Z-состояние), позволяющий отключить их от схемы, а также вход сброса регистров выхода. Выход последовательных данных предназначен для передачи их следующему сдвиговому регистру: таким образом можно «наращивать» количество сдвиговых регистров (а, соответственно, количество выходов) практически до бесконечности, управляя ими всего по трём линиям.

Это позволяет управлять множеством конечных устройств (светодиодов, сегментов индикатора или дисплея и т. д.) даже с помощью микроконтроллеров с небольшим количеством выводов, как, к примеру, рассматриваемый далее ATtiny85. Ценой этому, конечно, стала необходимость высокой скорости передачи данных.

Сегодня ни один «домашний» разработчик не упускает возможности расширить количество портов своей Arduino c помощью микросхемы; профессиональные разработчики тоже не «дремлют» и используют её во многих задачах, к примеру, для управления светодиодами в светодиодных матрицах и панелях.

ATtiny85 поистине хороший микроконтроллер! Микросхема входит в серию Tiny AVR — недорогих микроконтроллеров компании Atmel (ныне Microchip). Несмотря на скромный вид и количество выводов (всего восемь!), ATtiny85 является полноценным 8-разрядным микроконтроллером, работающим на частоте до 20 мегагерц, имеет 8 кбайт flash-памяти для хранения кода и по 512 байт ОЗУ и ПЗУ. Микроконтроллер обладает 10-битным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с четырьмя каналами, имеет два канала ШИМ, аппаратную поддержку SPI и I2C-интерфейсов связи и много чего ещё. Эти характеристики позволяют использовать его в сферах, требующих несложной автоматизации: DIY-проекты, простейшие роботы, игрушки, встраиваемая электроника «умной» домашней техники и т. д.

Вся серия микроконтроллеров серии AVR берёт начало с идеи двух студентов Норвежского Института естественных и технических наук, предложивших новый тип RISC-ядра с flash-памятью на одном кристалле. Свои наработки они предложили реализовать компании Atmel. Уже в 1996 году был выпущен первый образец, а с 1997 года началось массовое производство. Уже через несколько лет количество произведённых микросхем превысило 1 миллиард. Микроконтроллеры AVR впервые в мире стали использовать flash-память для хранения кода программы (раньше для этого использовалось внешнее ПЗУ) и предоставляли обширные аппаратные возможности, причём недорого. Конечно, есть дорогие версии микроконтроллеров AVR, особенно серий Mega и Xmega, применяющиеся профессиональными разработчиками, но легковесные и недорогие микросхемы серии Tiny поистине быстро завоевали любовь любителей и DIY-щиков, которые начали встраивать их везде.

ATtiny85 представляет собой классический 8-разрядный RISC-микроконтроллер гарвардской архитектуры, работающий на частоте до 20 мегагерц и имеющий «на борту» 8 кбайт flash-памяти для хранения кода, и по 512 байт ОЗУ и ПЗУ. Микросхема программируется с помощью интерфейса SPI с помощью программатора (коих разновидностей тьма-тьмущая), а написание программы возможно в «фирменной» интегрированной среде AVR Studio (сейчас — Microchip Studio) как на ассемблере, так и на Си-подобном языке.

В распоряжении разработчика имеется управление почти всеми регистрами процессора и доступ ко всем аппаратным возможностям, такие как аналоговый компаратор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ШИМ-контроллер, программируемый таймер, обработчик аппаратных прерываний, интерфейсы связи SPI и I2C. Используя мощь аппаратных возможностей и гибкость программных, возможно быстрое создание с помощью одной микросхемы функциональных устройств, что так жаждали «домашние» разработчики. Питание возможно от напряжения от 1.8 до 5 вольт, что позволяет использовать ATtiny85 даже в низковольтных устройствах с питанием от одной-двух батареек.

Выпускается микросхема в различных корпусах: удобном для прототипирования DIP-8, малогабаритном SO-8 и миниатюрном BGA для автоматизированного монтажа. Кроме того, компания Atmel (Microchip) выпускает готовые отладочные платы с уже установленным микроконтроллером со всей необходимой элементной обвязкой, позволяющей быстро ознакомиться с работой и функционалом микросхемы.

Если я скажу любому DIY-щику «ATmega328», то он в ответ скажет «Arduino»! Этот микроконтроллер стал сердцем популярных и всеми любимых плат Arduino Nano и Uno и их клонов, которые десятилетия будоражат умы любителей электроники и подстрекают на создание очередного робота-устройства.

ATmega328P, как и ATtiny85 является таким же 8-разрядным микроконтроллером с тактовой частотой до 20 мегагерц, но имеет более «внушительные» аппаратные возможности:

ATmega328P по всем параметрам превосходит ATtiny85. Это делает его функциональнее, сложнее, дороже, но это всё так же легко осваиваемый микроконтроллер, пригодный для DIY-проектов и уже подходящий для профессиональной разработки. Это свойство, по всей видимости, и привлекло создателей программно-аппаратной платформы Arduino на использование этого микроконтроллера в основных продуктах: простота и функциональность позволят и любителю «разгуляться», и профессионалу «не заскучать».

Выпускается микросхема в различных корпусах: удобном для прототипирования DIP-28, малогабаритном TQFP32 и миниатюрном VQFN32 для автоматизированного монтажа. Компания Atmel (Microchip) выпускает готовые отладочные платы с уже установленным микроконтроллером со всей необходимой элементной обвязкой, позволяющей оперативно ознакомиться с работой и функционалом микросхемы. Но любителям скорее подойдут готовые платы Arduino Nano или Uno или их клоны, на которых уже смонтировано всё для подключения внешних устройств (датчиков, приводов, органов управления и т. д.), предлагающих платформой Arduino в изобилии, и для подключения к компьютеру, чтобы быстро разработать, отладить и загрузить в микроконтроллер управляющую программу.