Microchip Technology Inc.
Avtorja: Stephanie Pinteric, vodja produktnega marketinga v Microchipovi poslovni enoti 8-bitnih MCU in
Wayne Freeman, vodja trženjske kampanje za 8-bitno poslovno enoto MCU podjetja Microchip Technology
Mikrokontrolerji (MCU) igrajo pomembno vlogo pri spreminjanju našega življenja, saj imajo skoraj vsi izdelki polprevodniške komponente.
Sodobna elektronika potrebuje mikrokontrolerje za večjo funkcionalnost v vseh aplikacijah in tržnih segmentih, od avtomobilske, letalske in vesoljske industrije, zabavne elektronike do industrije in zdravstva.
Čeprav so 8-bitni mikrokontrolerji na voljo že skoraj pet desetletij, se je število novih inovacij izdelkov in aplikacij, kot so električna vozila, e-kolesa, domača in industrijska avtomatizacija ter naprave interneta stvari (IoT), eksponentno povečalo, kar je spodbudilo povpraševanje po teh majhnih in poceni mikrokontrolerjih.
Zato so se 8-bitni MCU-ji razvili tako, da bi lahko sledili funkcionalnostim, ki jih zahtevajo sodobne aplikacije. Preučili bomo tri pogoste aplikacije, pri katerih novi razred 8-bitnih MCU-jev z naprednimi zmogljivostmi analognega filtriranja podpira te sodobne sisteme, saj omogoča večjo zmogljivost sistema in hiter odziv na sistemske dogodke.
Upravljanje, spremljanje in optimizacija baterij
Številni ugnezdeni sistemi, vključno s sistemi interneta stvari (IoT), se uporabljajo na oddaljenih lokacijah, kjer je glavni vir energije baterija. Spremljanje življenjske dobe in zdravja baterije je pomembna funkcija za varno in zanesljivo delovanje v teh aplikacijah.
V tipičnem sistemu za spremljanje baterije se MCU uporablja za avtomatsko merjenje preostale življenjske dobe baterije in upravljanje stanja baterije za njeno optimalno delovanje. MCU z vgrajenim analogno-digitalnim pretvornikom (ADC) bere in pretvarja izmerjene vrednosti toka in napetosti baterije v digitalne podatke, ki jih MCU lahko uporabi za oceno stanja baterije. O delovanju baterije je mogoče poročati zunanjim napravam prek vgrajenih komunikacijskih vmesnikov, kot so UART, SPI in I2C, kar omogoča povezljivost za zasnove interneta stvari. Če je potrebno tudi spremljanje temperature baterije, se lahko vgrajeni operacijski ojačevalnik (angl. Op Amp) kontrolerja uporabi kot nastavitev za temperaturni senzor. Operacijski ojačevalniki v čipu so na voljo v širokem naboru sodobnih 8-bitnih MCU-jev in lahko zmanjšajo stroške sistema in prostor za zunanje komponente v vseh aplikacijah, ki zahtevajo stopnjo ojačenja pred analogno-digitalno pretvorbo, na primer pri šibkih analognih signalih.
Da bi optimizirali delovanje baterije in podaljšali čas delovanja sistema, bo idealen MCU ponujal različne načine upravljanja porabe energije, da bi uravnotežil potrebo po zmogljivosti in hkrati optimiziral porabo energije. Ključ do dolge življenjske dobe baterije v ugnezdenem sistemu je zmožnost zmanjšanja dejavnosti sistema, kadar ta ni potrebna. Prilagodljive ravni konfiguracije omogočajo, da sistem porabi minimalno količino energije za izvajanje nalog, pogosto brez nadzora osrednje procesne enote (CPU). Funkcije, kot so načini IDLE, DOZE ali SLEEP, zagotavljajo varčevanje z energijo za zmanjšanje aktivne porabe energije. Poleg tega je pri najnovejših Microchip PIC® in AVR® MCU-jih mogoče ADC-je, ojačevalnike in DAC-je vklopiti ali izklopiti s programsko opremo ali nastaviti tako, da se jedro MCU-ja in digitalne periferne naprave sprožijo, ko dosežejo določene mejne vrednosti, kar omogoča dodatno prilagodljivost in prihranek energije v aplikacijah, ki se napajajo z baterijo. S temi funkcijami nizke porabe energije, ki so na voljo v sodobnih MCU-jih, je življenjska doba baterije čim daljša, hkrati pa se zmanjšajo poraba toka, gretje komponent in stroški.
Upravljanje ugnezdenega sistema
Ker ugnezdene aplikacije sčasoma postanejo vse bolj zapletene, je treba naloge obdelave porazdeliti tako, da se zagotovi bliskovita odzivnost sistema, da se izboljša uporabniška izkušnja ali da se upoštevajo strogi varnostni standardi. Da bi to dosegli, zapleteni sistemi pogosto uporabljajo sodobne 8-bitne MCU-je zaradi vgrajenih analognih perifernih naprav, ki opravljajo „gospodinjske“ naloge, kot so nadzor napajalnih vodil, spremljanje kakovosti okolja in nevarnih pogojev ali arbitriranje komunikacij med več čipi na plošči. Te funkcije so ključne za številne aplikacije, vključno z infrastrukturo podatkovnih centrov, sistemi za upravljanje stavb, končnimi točkami pametnih omrežij in varnostno kritičnimi aplikacijami, kot so gospodinjski pralni in sušilni stroji.
Tak primer je tipičen strežnik v podatkovnem centru. Medtem ko vsaka glavna plošča strežnika gosti glavni procesor strežnika in številne aplikativne procesorje za opravljanje različnih nalog, številni od teh strežnikov uporabljajo sodobne 8-bitne MCU-je kot naprave za „upravljanje sistema“. Ti MCU-ji običajno zagotavljajo povezavo za različne okoljske senzorje (temperatura, vlažnost, napetost, zdravje vodil) in so programirani za poročanje o stanju na vodilu za upravljanje sistema, medtem ko po potrebi napajajo druge naprave na osnovni plošči. V teh primerih so 8-bitni MCU-ji popolni za te naloge zaradi analogne periferije na čipu ter preprostega delovanja, prilagodljivosti in robustnosti. Nekateri mikrokontrolerji, kot sta Microchipova PIC in AVR MCU, ponujajo neodvisne periferne enote (CIP), ki delujejo skupaj z analognimi perifernimi enotami na čipu in omogočajo spremljanje kritičnih dogodkov v sistemu ter zagotavljajo pravilno delovanje. Integrirana analogna periferna oprema, na primer ojačevalnik ali ADC, zagotavlja ojačenje, filtriranje in kondicioniranje signala, ki so potrebni pri zajemanju analognega signala. Medtem ko so CIP zasnovani tako, da avtomatizirajo sistemska opravila brez kode ali nadzora s strani jedra CPU, kar zmanjšuje količino kode, ki jo je treba napisati, odpraviti napake in potrditi, zaradi česar so aplikacije bolj odzivne na spremembe sistema. CIP-i komunicirajo med seboj, kar dodatno pripomore k večji zmogljivosti in odzivnosti sistema, hkrati pa je mogoče opravljati več nalog.
PIC in AVR MCU-ji gredo še korak dlje in uporabljajo izpopolnjene analogne periferne naprave, ki imajo namensko strojno opremo, ki omogoča napredne, od jedra neodvisne izračune, kot so poprečenje, prevzorčenje in nizkoprepustno filtriranje. Te funkcije pripomorejo k hitrejšemu odzivu sistema in zagotavljajo močno preprečevanje šumov v zahtevnih okoljih. Te posebne analogne periferne naprave je mogoče povezati s številnimi drugimi signali na čipu, vključno s časovniki ali drugimi viri ure, digitalnimi perifernimi signali in drugimi analognimi signali, da se samodejno sprožijo procesi ali ustvarijo prekinitveni pogoji za obveščanje procesorja.
Uporabniški vmesnik
Tehnologija zaznavanja dotika se uporablja v številnih elektronskih izdelkih, od pametnih telefonov do potrošniških aparatov in avtomobilov. V avtomobilski industriji se volani in armaturne plošče odmikajo od tipk in se usmerjajo v elegantne in prilagodljive uporabniške vmesnike. Te tipke na dotik se morajo takoj odzvati na interakcijo z uporabnikom, biti morajo odporne na napačne sprožitve in se prilagajati različnim okoljskim pogojem, vključno s hitrimi temperaturnimi nihanji od hladnega do vročega, mokrimi površinami in rokami v rokavicah.
V današnjih kapacitivnih sistemih zaznavanja dotika surova procesna moč 32-bitnih MCU-jev ne more nadomestiti namenske analogne povezljivosti, ki jo najdemo v sodobnih 8-bitnih napravah. Microchipovi novi 8-bitni MCU, vključno z družinama izdelkov PIC18-Q71 in AVR EA, imajo diferencialne ADC z naprednimi filtrirnimi zmogljivostmi, ki delujejo kot „analogni procesni moduli“ in znatno zmanjšajo količino posegov procesorja (in s tem kode), potrebnih za izvajanje aplikacij za zaznavanje dotika. Ti specializirani ADC-ji na čipu imajo močne lastnosti dušenja šumov ter vgrajeno samodejno nastavitev in kalibracijo za večjo odpornost proti šumom in odpornost na vodo. V kombinaciji z Microchipovimi razvojnimi orodji, namenjenimi zaznavanju dotika, ki so enostavna za uporabo, ti MCU-ji zagotavljajo celovito rešitev za izdelavo zahtevnih vmesnikov na dotik, ki so izpostavljeni zahtevnim okoljem.
Zaključek
Zaradi povečanja zahtev za mikrokontrolerje v zadnjih 50 letih so se v vgnezdenem sistemu zabrisale meje med tem, kaj mora biti analogno in kaj digitalno. Z razvojem ugnezdenih zasnov se je 8-bitni mikrokontroler iz preprostih računskih naprav razvil v polnopravne naprave sistema na čipu (SOC), izdelane za opravljanje večine današnjih ugnezdenih nalog. MCU-ji z vgrajenimi analognimi perifernimi napravami razvijalcem omogočajo, da funkcije, ki se običajno izvajajo zunaj čipa, prenesejo na glavni MCU in tako izboljšajo odzivnost sistema ter zmanjšajo stroške uporabljenega materiala (BOM), od vzdrževanja, upravljanja in spremljanja sistema do nalog „glavnega kontrolerja“ v kompleksnih zasnovah. Inteligentne analogne periferne enote, ki so na voljo v 8-bitnih PIC in AVR MCU enotah, se brezhibno povezujejo z digitalnimi perifernimi enotami, kar zagotavlja še večjo funkcionalnost in prilagodljivost za zahtevne ugnezdene sisteme prihodnosti. Če želite izvedeti več o tem, kako lahko z naprednimi analognimi perifernimi napravami rešite ključne težave pri načrtovanju, obiščite spletno stran microchip.com/8bit.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
