O selecție de sfaturi utile privind alegerea microcontrolerelor în proiectarea sistemelor moderne

8 IUNIE 2021

Aruncați o privire în orice catalog de componente electronice și veți vedea că proiectanții au de unde alege în ceea ce privește microcontrolerele (MCU) disponibile. Uriașa gamă de produse disponibile este o dovadă a faptului că microcontrolerele au devenit o parte esențială în implementarea sistemelor contemporane. Este greu să găsești în zilele noastre ceva care să nu includă cel puțin un microcontroler.

Gama largă de posibilități disponibile poate părea copleșitoare, dar acest lucru se va schimba rapid dacă abordați lucrurile metodic – luând în considerare deciziile care trebuie luate pentru a găsi cele mai bune opțiuni pentru sarcina în cauză. Iată șapte aspecte esențiale la care ar trebui să vă gândiți atunci când analizați opțiunile de microcontrolere – elemente menite să vă ajute să identificați produsele din catalog care răspund cel mai bine nevoilor voastre specifice.  

Arhitectură

Cel mai important aspect pentru un proiect de sistem embedded este dacă nucleul procesorului din centrul microcontrolerului va putea realiza adecvat sarcinile preconizate. O conductă de date (pipeline) pe 8-biți va putea gestiona sarcinile de control care implică monitorizarea porturilor de intrare/ieșire și modificările de stare pe baza datelor de intrare. Cu toate acestea, dacă sarcina implică manipularea aritmetică a datelor de intrare în algoritmi (precum controlul în buclă închisă), sistemul poate să necesita un set de instrucțiuni mai sofisticat, care pot impune trecerea la un pipeline pe 16-biți sau chiar pe 32-de biți.

Figura 1: PIC18F46Q10T-I/PT este un exemplu din populara familie de microcontrolere PIC pe 8-biți de la Microchip

Conductele de date mai mari au avantajul de a trata eșantioanele și alte date din lumea reală ca o singură unitate. Un pipeline pe 8-biți presupune divizarea tuturor valorilor de date, cu excepția celor mai mici, în subunități pentru procesare, lucru ce va încetini performanța. Pentru controlul în buclă închisă, o arhitectură pe 16-biți cu cu suport pentru procesare digitală a semnalului va oferi adesea cel mai bun echilibru între cost și performanța aritmetică. Cu toate acestea, pentru sistemele care trebuie să asigure un mix de funcții de control, comunicații și management, poate fi necesară utilizarea unui pipeline pe 32- biți.

Intrări/ieșiri

Marele avantaj al proiectării cu microcontrolere este varietatea de porturi I/O integrate care le însoțesc. Multe dintre acestea se pot adapta în mod specific diverselor aplicații printr-un mix de porturi I/O atent selecționate, care variază de la linii de semnal digital programabile prin regiștri, până la unități inteligente de control al motoarelor și subsisteme wireless complete pentru conectivitate IoT. Prin determinarea funcțiilor de care are nevoie aplicația, este adesea simplu să se utilizeze o căutare parametrică pentru a crea o listă scurtă de dispozitive adecvate. Într-o lume ideală, există un microcontroler cu toate porturile de intrare/ieșire de care aveți nevoie pentru aplicația dorită. Totuși, este posibil ca o astfel de abordare să nu fie realistă, în special în cazul unor proiecte de nișă. Multe periferice externe sunt conforme cu specificațiile comune ale interfețelor (cum ar fi I2C sau SPI). Alternativ, acestea pot utiliza o interfață paralelă, care fie acceptă conexiunea la o magistrală de memorie, fie poate fi accesată prin manipularea liniilor de I/O de uz general. O analiză a componentelor externe necesare în proiectare va determina dacă microcontrolerul cere porturi de intrare/ieșire seriale sau paralele în plus față de perifericele încorporate.

Memorie

Memoria este adesea principalul criteriu pentru alegerea unei anumite componente dintr-o familie de microcontrolere. Deoarece memoria externă crește costul total și adesea afectează performanța din cauza ciclurilor suplimentare necesare pentru accesări, este important să se asigure că aplicația țintă corespunde limitelor de memorie ale microcontrolerului ales – deși, de multe ori, va fi oportună utilizarea unei memorii seriale externe pentru a stoca datele de configurare atunci când sistemul nu mai este alimentat.  La fel ca în cazul evaluării performanței, echipa de proiectare trebuie să estimeze câți octeți vor consuma aplicația și sistemul de operare aferent (dacă este necesar), atât în ceea ce privește memoria de program, cât și cea de date. Foarte adesea, aplicația nu va fi gata înainte de selectarea microcontrolerului. În plus, chiar și prin utilizarea unor tehnici de estimare, cum ar fi analiza punctelor funcționale, este în continuare dificil să se determine o predicție exactă a utilizării reale a memoriei. Din acest motiv, poate fi recomandabil să se aleagă o familie de microcontrolere care să permită scalarea ușoară a dimensiunii memoriei – atât în ceea ce privește memoria Flash, cât și SRAM. În cazul componentelor care oferă mai multe variante de dimensiuni de memorie, este în general simplu să se treacă la următorul dispozitiv fără a afecta maparea pinilor sau alte aspecte ale proiectului.

Figura 2: Schema bloc a dispozitivului MSP430F2132QRHBREP de la Texas Instruments.

Putere

Consumul de energie a devenit o problemă majoră pentru proiectanții de sisteme embedded. Multe proiecte IoT trebuie să funcționeze ani de zile cu o singură baterie și chiar și în cazul sistemelor alimentate de la rețeaua electrică, eficiența energetică este acum un criteriu de achiziție esențial pentru ingineri. Există mai multe moduri în care o selecție atentă a microcontrolerului îmbunătățește eficiența energetică. Unul dintre acestea este trecerea continuă către procese mai dense – pentru a profita de avantajele scalării (nu doar în ceea ce privește logica și capacitatea memoriei ci și în ceea ce privește consumul de putere). Cu toate acestea, o îmbunătățire mai mare a eficienței energetice rezultă, în general, din utilizarea strategică a modurilor de activitate redusă și de repaus atunci când sarcina de lucru pe care trebuie să o execute microcontrolerul este scăzută. Prin fragmentarea activității în intervale scurte, proiectanții pot profita de modurile de veghe care reduc consumul de curent la doar nA. În plus, un număr din ce în ce mai mare de microcontrolere includ controlere periferice inteligente care permit îndeplinirea unor funcții standard fără a fi necesară activarea nucleului procesorului. Acest lucru maximizează atât timpul de inactivitate și reduce cantitatea de putere necesară pentru a rula aplicația.

Instrumente

Suportul pentru instrumente reprezintă un factor cheie de diferențiere pentru o serie de arhitecturi de microcontrolere de top. Deși o căutare parametrică va dezvălui adesea mai mulți candidați din diferite familii de arhitecturi de procesoare, gradul în care suportul pentru instrumente se potrivește nevoilor echipei de dezvoltare este un mecanism important pentru a lua o decizie în privința alegerii. Este important să se țină seama de competențele dezvoltatorilor și de experiența acestora. Inginerii care au cunoștințe aprofundate despre limbajele de nivel înalt utilizate pentru sisteme mai mari vor gravita în mod natural spre arhitecturi pe 32-biți, cum ar fi ARM, deoarece acestea oferă cea mai largă gamă de opțiuni de compilatoare. Atunci când limitările de memorie și de costuri prevalează, va avea mai mult sens orientarea către arhitecturi pe 8- sau 16-biți și luarea în considerare a unora dintre limitările pe care acestea le pot impune asupra codului C. În multe cazuri, este disponibilă o mare varietate de instrumente. Principalele arhitecturi de microcontrolere pe 8- și 16-biți sunt suportate de un set complet de instrumente de compilare, depanare și link-editare, adesea găzduite într-un mediu integrat de dezvoltare (IDE) și situate într-o gamă de prețuri foarte rezonabile.

Figura 3: Placa de dezvoltare 511-NUCLEO-G070RB de la STMicroelectronics se bazează pe un procesor ARM pe 32-biți.

Tipul capsulei

În multe proiecte, spațiul necesar pentru a găzdui un microcontroler este un aspect important. Utilizatorii optează frecvent pentru folosirea unei soluții bazate pe microcontroler, deoarece înalta sa integrare permite realizarea unui factor de formă compact. Cu toate acestea, vor exista compromisuri între modelul de bază al capsulei și ceea ce poate permite proiectarea la nivel de placă. De exemplu, un număr din ce în ce mai mare de microcontrolere sunt livrate în capsule la dimensiuni de cip, care reduc pe cât posibil dimensiunea teoretică a acestor dispozitive. Densitatea de interconectare din interiorul capsulei poate fi o provocare pentru proiectul PCB, necesitând trecerea la un proces de stivuire și asamblare mai costisitor. Spațiul de pe placă va fi, de asemenea, afectat de numărul celorlalte componente necesare și de opțiunile de rutare disponibile pe PCB-ul țintă. În scenariile cu număr redus de straturi sau cu PCB-uri flexibile, spațiul necesar în jurul microcontrolerului pentru rutarea către I/O, ceas, masă și alimentare poate crește rapid dacă este necesar un număr mare de conexiuni. De asemenea, inginerii trebuie să ia în considerare fiabilitatea dispozitivului atunci când este montat pe PCB în contextul utilizării țintă a aplicației. Condițiile de vibrații și șocuri puternice pot impune utilizarea unei capsule specializate, care la rândul ei poate necesita trecerea la o altă familie de microcontrolere.

Kituri

Deoarece simplifică foarte mult activitatea de proiectare hardware, microcontrolerul este o platformă aproape ideală pentru situațiile în care timpul de lansare pe piață este important. Instrumentele software cuprinzătoare pe care le oferă acum furnizorii ajută la asigurarea unei aplicații finale care să se realizeze rapid. Chiar și cu aceste acceleratoare de proiecte, echipele pot obține un avans suplimentar alegând un microcontroler care este însoțit de kituri de evaluare și de dezvoltare. Acestea sunt plăci gata pregătite care conțin microcontrolerul ales, alături de I/O suplimentare de care o aplicație tipică va avea nevoie. În plus, multe dintre acestea oferă acum familii de plăci I/O care se conectează la placa de bază, astfel încât inginerii pot asambla o soluție hardware personalizată în scurt timp. Acest lucru face posibil ca echipele să construiască o dovadă a conceptului pregătită pentru a fi prezentată clienților prin simpla descărcare a software-ului prototip în sistemul de evaluare. Potențial, aceste kituri de evaluare pot constitui baza primelor livrări, în timp ce echipa de proiectare hardware lucrează în paralel la o soluție optimizată din punct de vedere al costurilor, care se va dovedi mai atractivă pe termen lung.


Autor
:
Mark Patrick

 

 

Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre