Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
V zadnjih letih pridobivajo na priljubljenosti integrirane platforme, opremljene z mikrokontrolerji (pri čemer je Arduino verjetno najbolj znana znamka). Zahvaljujoč njihovi široki dostopnosti in obsežni podpori proizvajalcev in skupnosti uporabnikov so enostavne za obvladovanje in vsestranska razvojna orodja.
Vendar pa je v profesionalnih okoljih slabost takšnih izdelkov omejeno število podprtih sistemov. Zato med laboratorijskim delom, na stopnji načrtovanja, ostaja najzanesljivejša rešitev razvojne platforme, ki jih pripravijo proizvajalci sistemov sami. Tukaj je treba poudariti, da niso spregledali prednosti priljubljenih rešitev za potrošniški segment: njihove prilagodljivosti in dostopnosti. Danes trg ponuja enostavne za uporabo začetne plošče, ki jih pripravijo vodilni proizvajalci mikrokontrolerjev – predvsem Microchip, katerega portfelj vključuje družine PIC® in AVR®.
Razvojni kompleti Microchip Curiosity in Curiosity Nano sta dve družini plošč za hitre začetke z mikrokontrolerji (PIC/AVR itd.), vendar so zasnovane za nekoliko različne potrebe in imajo drugačno »filozofijo« uporabe.
Platforma Curiosity
Microchip Curiosity je ekonomična, popolnoma integrirana platforma za razvoj mikrokontrolerjev (MCU), namenjena začetnikom, graditeljem in vsem, ki iščejo bogato opremljeno ploščo za hitro prototipiranje. Predstavljajo idealno platformo za učenje ravnanja z 8-, 16- in 32-bitnimi mikrokontrolerji. V primerjavi z linijo Nano so to običajno večje plošče z zapleteno funkcionalnostjo, ki uporabnikom dajejo širše možnosti pri razvoju in prototipiranju. Integrirajo veliko dodatnih komponent (LED diode, tipke, včasih potenciometri, senzorji/periferna vezja, različni razširitveni priključki, odvisno od specifične plošče). Zasnovane so za hitro testiranje periferij MCU brez uporabe dodatnih razširitvenih modulov. Integrirajo se z ekosistemom MPLAB X in običajno imajo vgrajen programator/razhroščevalnik napak, zato ni potrebno zunanje orodje za ta namen.
Izdelki serije Curiosity Nano
Microchip Curiosity Nano (ali MC Nano) je začetna platforma, namenjena predvsem 8-bitnim mikrokontrolerjem PIC® in AVR®. Uporabljajo se lahko tudi za razvoj aplikacij, opremljenih z nekaterimi 32-bitnimi izdelki PIC32 in SAM z arhitekturo ARM® Cortex®.
TME ponuja na voljo začetne in osnovne plošče. Ne glede na uporabljen čip je platforma Curiosity Nano pripravljena za znatno pospešitev načrtovanja novih aplikacij in posledično skrajšanje časa med prototipiranjem in masovno proizvodnjo. Primer uporabe rešitev MC Nano pri dinamičnem razvoju projekta je predstavljen v spodnjem video materialu.
Ključne značilnosti platforme MC Nano
Začetne plošče v okviru platforme so različnih velikosti (dolžin), odvisno od velikosti uporabljenega mikrokontrolerja. Najmanjše plošče so namenjene čipom z 20 priključki (vključno z 16 GPIO priključki), medtem ko največje vsebujejo MCU v ohišju z 48 priključki, kar se prevede v 40 vhodno/izhodnih priključkov. Ne glede na dolžino izdelki v okviru platforme delijo ključne fizične značilnosti (vključno z širino plošče, razmikom priključkov, prisotnostjo vtičnice MicroUSB za napajanje, komunikacijo in programiranje) in tehnične značilnosti, ki omogočajo neprekinjeno migracijo med različnimi modeli. Poleg tega proizvajalec napoveduje, da bo platforma razvita skupaj z ponudbo mikrokontrolerjev. Pričakuje se, da bodo na ploščah družine Curiosity Nano kmalu na voljo novi čipi Microchip, kar razvojnikom zagotavlja udobje dela z najmodernejšimi rešitvami v preverjenem in znancem okolju.
Vsebina paketa
Z MC Nano sta vključena dva priključka za zatiči. Na prvi pogled je mogoče opaziti zanimivo oblikovno rešitev, ki jo je uporabil Microchip. Polja GPIO, razporejena na tiskanem vezju v razmiku 2,54 mm, vsebujejo tako robne konektorje kot luknje. V obeh primerih gre za luknje, ki so metalizirane, prilagojene za montažo priključkov za zatiče. Zahvaljujoč rahlemu prečnemu premiku lukenj glede na drugo, je zagotovljeno tesno prileganje priključkov za zatiče in optimalni parametri povezave ter praktično ni potrebe po njihovem spajkanju (čeprav je priporočljivo). Po njihovi namestitvi je mogoče tiskano vezje namestiti na večjo razvojno ploščo, namensko osnovno ploščo ali adapter (združljivi izdelki so opisani kasneje v članku).
Vezja na tiskanem vezju
Platforma Microchip Curiosity Nano ima več obsežnih značilnosti, ki jih delijo vsi modeli v seriji. V srednjem delu plošče je mikrokontroler (C), katerega priključki so povezani s polji na robovih tiskanega vezja (F), in kvarčni resonator (D). Za preproste namene prototipiranja sta na plošči nameščena tipka (A) in LED (B). Za razliko od platforme Arduino stikalo ne služi funkciji ponastavitve; povezano je z vhodno/izhodnim priključkom mikrokontrolerja (naslov namenskega voda je označen na tiskanem vezju, razlikuje se med modeli serije). Vtičnica USB Micro (G) se uporablja za komunikacijo in napajanje naprave.
Prenos podatkov med MC Nano in računalnikom (sistem, programska oprema IDE, komunikacijski terminal itd.) poteka prek navideznega COM vrata. Večina obravnavanih plošč, ko so povezane z računalnikom, bo operacijski sistem prepoznal kot zunanji disk z oznako »CURIOSITY«. Preprosto kopirajte datoteko .hex na to napravo – in programiranje mikrokontrolerja bo potekalo samodejno. Takšna funkcionalnost je mogoča, ker plošče MC Nano vsebujejo vgrajeno vezje nEDBG, tj. razhroščevalnik napak/programator (E). Njegova prisotnost omogoča uporabo obravnavanih izdelkov brez dodatnih naprav. Poleg tega zaradi tega mikrokontroler ni obremenjen z upravljanjem zagonskega nalagalnika, kar pospeši izvajanje ciljnega programa in sprosti pomnilnik.
Poleg tega se v vezjih MC Nano uporablja programabilni napetostni regulator. Omogoča določanje območja napajalne in delovne napetosti mikrokontrolerja od 1,8 V do 5 V enosmerne napetosti.
Standardizacija priključkov (pinov)
Ena od prednosti platforme Microchip je standardizacija priključkov. Ne glede na izbrani model ploščice in nameščen mikrokontroler, so kontaktne ploščice na robovih tiskanega vezja (PCB) povezane na pine programatorja, razhroščevalnika in osrednjega vezja z enako funkcionalnostjo. To pomeni, da se vrstni red konektorjev na ploščici ne ujema z oštevilčenjem priključkov mikrokontrolerja – je pa nespremenljiv za celotno serijo MC Nano. Ta standard velja za prvih 28 pinov (šteto od strani USB-priključka).
Priključki so razdeljeni v več razdelkov. Prvi je označen kot DEBUG (skupina sistemskih povezav). Ti pini služijo komunikaciji z vezjem nEDBG. Tukaj se nahajajo tudi napajalni vhodi (VBUS, nastavljiv VTG), masa GND in pin VOFF, ki upravlja delovanje vgrajenega regulatorja napetosti. Po potrebi ga je mogoče celo izklopiti. Uporabnik ima na voljo tudi linije serijske komunikacije (Virtual COM Port): CDC RX/TX. Naslednji 4 pini DBG1–DBG4 pripadajo vmesniku razhroščevalnika. Kateri vmesnik podpira določen model ploščice, je odvisno od vrste mikrokontrolerja. Za vezja PIC je to vmesnik ICSP™ in MCLR, za AVR vmesnik UPDI, za ARM® pa vmesnik SWD.
Naslednji del priključkov predstavljata komunikacijski (COM) in analogni (ANALOG) razdelek. Tudi ta sta skupna lastnost serije MC Nano. Razdelek COM združuje priključke za komunikacijo prek: UART, vodila I2C in SPI. Na nasprotnem robu PCB so nameščeni analogni vhodi, tj. priključki v mikrokontroler vgrajenih analogno-digitalnih pretvornikov. Najpogosteje lahko služijo tudi kot izhodi za števce (timerje) in generatorje PWM-signala. Seveda teh priključkov ni mogoče programsko preslikati na poljuben pin mikrokontrolerja (kot je to mogoče pri digitalnih vhodih/izhodih). Standardizirana razporeditev na ploščici pomeni večjo priročnost pri uporabi in lažjo migracijo med posameznimi modeli razvojnih plošč.
Če ima mikrokontroler, nameščen na ploščici, več vhodov ADC ali izhodov PWM, so ti na voljo v naslednjem razdelku: GPIO. Tukaj je preslikava bolj prilagodljiva, saj sta število in zmogljivosti vhodno/izhodnih portov tesno odvisna od funkcionalnosti osrednjega vezja. Natančne informacije o tem, kateri fizični pin je dodeljen posameznemu konektorju, so na voljo v dokumentaciji. Ta je dostopna po priklopu ploščice NC Nano na USB-vrata računalnika. Naprava za masovni pomnilnik (ki jo sistem prepozna in prikaže kot disk z oznako »CURIOSITY«) vsebuje datoteko KIT-INFO.HTM – v njej so podrobne informacije o funkcionalnosti vsakega priključka na danem modelu ploščice.
Funkcionalnost vgrajenega razhroščevalnika
Vgrajeni razhroščevalnik na ploščici Microchip Curiosity Nano (imenovan PKOB nano, nEDBG ali nano debugger) ima osnovne funkcije, tj.: upravljanje poteka izvajanja programa (flow control – zagon, zaustavitev, izvajanje po korakih, ponastavitev); branje in zapis vsebine nevolatilnega pomnilnika mikrokontrolerja; podpora prekinitvenim točkam (breakpoint) v številu, ki je odvisno od vrste vezja.
Vdelano programsko opremo (firmware) vgrajenega razhroščevalnika je mogoče posodobiti prek razvojnega okolja MPLAB®X IDE. PKOB nano je nekoliko počasnejši od podobnih rešitev, kot je programator PICkit™ 5. Ima tudi določene omejitve, npr. nezmožnost zapisa v nekatere dele Flash pomnilnika mikrokontrolerja. Po drugi strani pa to ščiti pred nenamernim prepisovanjem pomnilniških območij, ki so odgovorna za sam proces razhroščevanja, ali pred neželeno spremembo vrednosti fuse bitov pri mikrokontrolerjih AVR®.
Prednost je tudi to, da zaradi prisotnosti PKOB nano ploščico razvojno okolje MPLAB®X IDE samodejno prepozna. Po priklopu ploščice uporabnik takoj dobi dostop do vzorčnih programov, dokumentacije, električne sheme, sheme priključkov, podatkovnega lista mikrokontrolerja itd.
Na koncu tega članka so na voljo videoposnetki, ki prikazujejo primere in osnove programiranja plošč Curiosity Nano.
Osnovne plošče in združljivi moduli
V ponudbi TME je na voljo tudi vrsta dodatkov in dopolnilnih izdelkov, ki olajšajo prve korake s platformo MC Nano ter izboljšajo samo prototipiranje. Zgoraj opisana standardizacija priključkov serije Microchip omogoča uporabo adapterjev, razširitvenih plošč in digitalnih modulov: senzorjev, gonilnikov, vmesnikov itd.
Razvojne plošče in adapterji
S pomočjo pin-konektorjev je mogoče vsak model MC Nano namestiti na osnovno ploščo. V ponudbi TME sta na voljo dva takšna modela: AC164162 je opremljen s konektorji, združljivimi med drugim z moduli podjetij Mikroelektronika in Microchip. Druga rešitev je razvojni komplet AC80T88A, na katerega je mogoče priključiti module družine Xplained Pro. V obeh primerih ima uporabnik na voljo ločeno stikalo za napajanje in neodvisno izpeljane priključke vseh portov – pridobi pa tudi priročno, stabilno osnovo, ki poveča udobje pri delu. Nesporna prednost modela AC164162 je vgrajen krmilnik polnjenja akumulatorjev. To olajša prototipiranje mobilnih naprav – aplikacij, katerim je namenjenih veliko mikrokontrolerjev Microchip.
Moduli serije Click®
Zaradi standardizacije komunikacijskih priključkov v okviru serije MC Nano je te izdelke mogoče hitro povezati z mnogimi razširitvenimi moduli – predvsem s serijo Click® proizvajalca Mikroelektronika. Gre za trenutno najštevilčnejšo družino univerzalnih razširitev za mikrokontrolerje. Za prenos podatkov se uporablja standard MikroBUS (ki združuje več načinov komunikacije). Trenutno je v ponudbi TME na voljo več kot 1000 izdelkov družine Click® Board. To so številni komunikacijski moduli (RF, WiFi, Bluetooth, ZigBee, GSM), senzorji, merilniki (ampermetri, voltmetri), uporabni dodatki, kot so čitalniki pomnilniških kartic in RFID, GPS-sprejemniki, pa tudi vmesniški elementi (tipke, tipkovnice, kontrolne lučke) ter mnogi manj tipični sklopi, npr. kombinirani (FM in AM sprejemniki) in avdio ojačevalniki.
Primerjava izdelkov MC Nano
Ena največjih prednosti serije MC Nano je širok izbor mikrokontrolerjev, nameščenih na tej platformi. V tabeli so prikazani čipi, ki so trenutno na voljo neposredno iz kataloga TME, vendar se bo ponudba zagotovo še širila.
Že na primeru trenutne ponudbe je vidno, kako širok spekter pokrivajo prototipne ploščice družine Microchip Curiosity Nano. Pri preprostih mobilnih aplikacijah, kjer je ključni dejavnik energijska učinkovitost, so najboljša izbira ploščice z mikrokontrolerji ATTINY (odličen primer je komplet DM080104): prilagojene projektom z nizko porabo energije, odlično se obnesejo kot krmilniki, npr. v gospodinjskih aparatih ali avtomobilski industriji.
Načine zelo varčnega napajanja (eXtreme Low-Power) imajo tudi mikrokontrolerji PIC16 s periferijo tipa CIP, tj.Core Independent Peripherals. To so integrirani sklopi, ki lahko delujejo neodvisno od jedra in celo prebudijo mikrokontroler iz stanja mirovanja, pri čemer sprožijo prekinitev, odvisno od programabilnega parametra (npr. prekoračitev nastavljenega napetostnega praga na vhodu A/D pretvornika).
Pri bolj zahtevnih aplikacijah, ki zahtevajo izračune in odziv v realnem času ter sodelujejo s številnimi senzorji, je vredno pogledati izdelke iz družine PIC18, npr. komplet EV26Q64A. Mikrokontrolerji v tej skupini so opremljeni s številnimi vmesniki, A/D pretvorniki ter tudi D/A (tj. DAC), vgrajenim operacijskim ojačevalnikom, PWM generatorji s 16-bitno ločljivostjo, ter pomnilniki, prilagojenimi hitremu in zanesljivemu zajemu podatkov.
Primeri aplikacij in programiranja
Za uporabnike, ki delajo prve korake v okoljih MPLAB®X IDE, je proizvajalec pripravil veliko podpornih gradiv. Najdete jih na strani Microchip in na platformi YouTube. Z njihovo pomočjo ustvarjanje prvega projekta in uporaba IDE ne bosta predstavljala težav.
Naslednji posnetek prikazuje, kako uvoziti in spremeniti vzorčno aplikacijo, ki demonstrira funkcionalnost ene od plošč MC Nano:
Priročen način spoznavanja naslednjih lastnosti platforme Microchip Curiosity Nano je udeležba na tečajih v okviru programa Microchip University.
