u mikrokontroleri ili MCU (mikrokontrolerska jedinica), su mali integrirani krugovi ili čipovi koji integriraju računar u sebe, odnosno idu dalje od CPU-a, uključujući CPU, memoriju i također I/O sve u jednom čipu, iako ih treba razlikovati od SoC-ova, koji uključuju više od toga i složeniji su.
Ovi čipovi su mozak velikog broja uređaja koje koristimo u svakodnevnom životu i prisutni su u više uređaja nego što možete zamisliti, od onih koje imate kod kuće, preko vaših vozila, do industrijskih mašina itd. Stoga su danas veoma važni i posvetit ćemo im ovaj članak.
Nadalje, treba napomenuti da su nedavno stekli popriličnu popularnost zahvaljujući IoT (Internet stvari), budući da je zbog njegova mala veličina, mala potrošnja i niska cijena, idealni su za napajanje ovih povezanih uređaja bez potrebe za naprednijim procesorskim jedinicama. Osim toga, kao što ćemo kasnije vidjeti, odlični su i za proizvođače i entuzijaste „uradi sam“ elektronike, s projektima poput Arduina itd.
Šta mikrokontroler može da uradi?
u mikrokontroleri, MCUMikrokontroleri su čipovi koji mogu obavljati mnoštvo stvari, baš kao i CPU opće namjene, osim što integriraju i druge računarske komponente poput memorije, magistrala i I/O sistema, tako da je to praktično računar na čipu. Njihove primjene mogu biti vrlo raznolike, od kontrole temperature ili drugih parametara putem senzora, generiranja neke vrste izlaza na osnovu stanja ulaza do izvođenja radnji itd. Broj primjena može biti zaista ogroman, gdje je granica gotovo vaša mašta i tehničke mogućnosti samog mikrokontrolera, jer obično imaju ograničenu veličinu memorije i performanse.
Stoga, prilikom odabira mikrokontrolera, potrebno je uzeti u obzir mnoge faktore, kao što su radna frekvencija uređaja, arhitektura na kojoj je zasnovan, dostupna memorija, broj dostupnih pinova i vrstu i broj potrebnih vanjskih komponenti. Srećom, postoji mnogo različitih proizvođača i modela mikrokontrolera koje možete izabrati, od najjednostavnijih do najsloženijih, uključujući neke ojačane da izdrže ekstremne uslove u svemiru, vojnim uređajima, industrijskim mašinama i još mnogo toga.
Šta je PIC?
Kompanija Microchip razvila je seriju mikrokontrolera koji su postali veoma popularni na tržištu, kao što su njegovi poznati PIC-oviPorodica uređaja s različitim veličinama riječi, kao što su 16-bitni uređaji, koji mogu biti vrlo fleksibilni u programiranju i obavljanju mnoštva funkcija.
Osim toga, imaju a fantastično kompatibilan ekosistem, što znatno olakšava stvari programerima koji ih koriste, kao i programerima koji imaju potpuno kompatibilno IDE za programiranje potrebnog koda.
Naravno, PIC nije jedina arhitektura, tu su i AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M, itd.
Arhitektura i rad mikrokontrolera
Iako se može činiti složenim da imaju sve integrirano, kao što je CPU, memorija i I/O sistemIzmeđu ostalog, istina je da su mikrokontroleri jednostavniji od mnogih naprednih CPU-a ili GPU-a koji se koriste u modernim računarima. CPU-i integrirani u ove mikrokontrolere obično su jednostavniji, poput CPU-a od prije nekoliko decenija (npr. Intelov 8051). U stvari, mnogi mikrokontroleri zasnovani su na arhitekturama koje su razvijene prije nekoliko decenija.
Mikrokontroleri mogu implementirati i druge dodatne ili specijalizirane elemente: obradu analognih signala, kontrolu vanjskog hardvera ili ugrađeni watchdog tajmer za resetiranje čipa u slučaju pada zbog pogrešnog programiranja. Arhitektura čipa može biti fiksna ili programabilna, što omogućava rekonfiguraciju uređaja za različite primjene.
Također ne zahtijevaju veliki memorijski kapacitet (mogu biti memorije tipa RAM, registri, ROM kao što je EEPROM, flash itd.), i najčešće uključuju samo nekoliko KB ili MB IDE ima kapacitet da hostuje programe potrebne za obavljanje funkcija. Svi oni se učitavaju u niz instrukcija i podataka koje će IDE generirati iz izvornog koda programiranja visokog nivoa koji obično koriste programeri.
Vrste mikrokontrolera
Kao što možete zamisliti, postoji nekoliko vrste mikrokontroleraSvaki od njih ima različite karakteristike i mogućnosti, tako da će se i aplikacije za koje će se koristiti veoma razlikovati.
Već sam ranije spomenuo da su najvažniji faktori koje treba uzeti u obzir pri odabiru mikrokontrolera njegova radna frekvencija i količina dostupne memorije. Zahtjevi aplikacije će odrediti radnu frekvenciju, ali obično je najbolje odabrati uređaj koji trčite što sporije možete a istovremeno ispunjava zahtjeve, tražeći veću stabilnost i pouzdanost zbog kritičnih primjena za koje je ova vrsta čipa obično namijenjena.
Gdje se koriste mikrokontroleri?
Mikrokontroleri Koriste se u širokom spektru primjenaKao što sam ranije spomenuo, vidjet ćete ih u kućanskim aparatima i elektroničkim uređajima svih vrsta, u kopnenim, morskim i zračnim vozilima, satelitima i svemirskim letjelicama, raketama, industrijskim mašinama i mnogo čemu drugom. Neki od najpoznatijih primjera su:
- Automobilska industrijaKoriste se u mnogim automobilskim primjenama za kontrolu određenih elektronskih aspekata automobila. Na primjer, često se koriste u modernim sistemima upravljanja motorom za kontrolu ubrizgavanja goriva i vremena paljenja. Mogu se naći i u drugim ugrađenim sistemima, kao što su sistemi za kontrolu mjenjača.
- industrijaTakođer ih možete pronaći u mnoštvu industrijskih mašina svih vrsta i u svim sektorima. Koriste se u širokom spektru različitih sistema, kao što su nadzor i upravljanje mašinama, upravljanje procesima te prikupljanje i analiza podataka.
- PotrošnjaMikrokontroleri se sve više koriste u potrošačkim uređajima kao što su kućanski aparati, elektronički uređaji koji se koriste kod kuće itd. Čak i računari često imaju više mikrokontrolera za obavljanje različitih zadataka, pored CPU-a, GPU-a itd.
- ComunicacionesKoriste se posebno u radiofrekventnim ili drugim vrstama komunikacijskih sistema. Koriste se i u računarskim mrežama i u radiokomunikacijskoj opremi.
- Kućna automatizacijaNaravno, mikrokontroleri su ključni za kućnu automatizaciju, automatizirajući mnoštvo svakodnevnih zadataka u pametnim domovima. Često se koriste u senzorima i drugim uređajima koji kontroliraju i prate kućne sisteme, kao što su automatsko navodnjavanje, podizanje ili spuštanje roletni na osnovu uvjeta osvjetljenja i tako dalje.
- lijekMikrokontroleri se koriste u mnogim medicinskim primjenama, od bolničke opreme do implantiranih medicinskih uređaja koji kontroliraju određene biomedicinske parametre, pacemakera itd.
- Vojnai naravno, koriste se u širokom spektru vojnih primjena, kao što su sistemi naoružanja, sistemi kontrole leta i senzorski sistemi.
Prednosti i mane MCU-a
Prednosti korištenja mikrokontrolera
Korišćenje Mikrokontroleri imaju niz prednosti u poređenju s drugim uređajima koji bi se također mogli koristiti za iste primjene. Među najvažnijim su:
- Izuzetno niske energetske potrebe, što ih čini idealnim za primjene na baterije ili ugrađene ili zidne sisteme niske potrošnje energije.
- Imaju brzo vrijeme odziva, što ih čini pogodnim za ugrađene aplikacije koje zahtijevaju kontrolu u realnom vremenu.
- Mogućnost programiranja za obavljanje širokog spektra funkcija, za razliku od fiksno ožičene elektronike, koja može raditi samo jednu stvar. Često su sposobni obavljati složene zadatke koje bi bilo vrlo teško ili nemoguće izvršiti s diskretnim komponentama. To ih čini idealnim za primjene koje zahtijevaju prilagođena rješenja.
- Dostupni su u širokom spektru različitih paketa, što olakšava prilagođavanje aplikacije specifičnim potrebama.
- Još jedna velika prednost mikrokontrolera je njihova niska cijena.
- Dostupni su u malim pakovanjima što olakšava njihovu instalaciju u širokom spektru primjena.
Ograničenja mikrokontrolera
Međutim, nisu sve prednosti mikrokontrolera, oni također imaju Neki nedostaci što je također važno istaknuti. Na primjer:
- Njihova sposobnost programiranja za obavljanje mnogih različitih funkcija čini ih vrlo svestranim, ali također otežava rješavanje problema. Ako kolo ne radi ispravno, može biti vrlo teško shvatiti zašto, jer problem može biti uzrokovan neispravnim programom ili hardverskim problemom.
- Osim toga, složene aplikacije mogu zahtijevati veliku količinu memorije i procesorske performanse superiornije od većine mikrokontrolera na tržištu.
- Nedostatak programskih jezika visokog nivoa ograničava njihov izbor. Budući da obrađuju instrukcije mašinskog jezika niskog nivoa, može biti teško vršiti promjene u programu ili otklanjati hardverske probleme.
Mikrokontroleri u IoT-u
Jednostavnost mikrokontrolera čini ih lakim za korištenje u IoT uređaji, kao što su pametni utikači, pametni prekidači, pametne sijalice, senzori vlažnosti, senzori dima i drugi jednostavni uređaji. Međutim, složeni uređaji često zahtijevaju više memorije i procesorske snage, što može otežati uklapanje potrebnih kola u kompaktni uređaj, što dovodi do potrebe za odabirom CPU-a i memorije većeg kapaciteta umjesto MCU-a.
Nadalje, njihova svestranost i sve prednosti o kojima smo gore govorili su zaista zanimljive za ove uređaje koji ne zahtijevaju velike memorijske kapacitete ili visoke procesorske performanse. Nadalje, mnogi od ovih uređaji zavise od baterije, tako da su ovi integrirani krugovi niske potrošnje idealni.
Šta je Arduino?
Siguran sam da ga već poznaješ. Arduino To je popularna razvojna ploča otvorenog koda zasnovana na mikrokontroleru. Vrlo je pristupačna i omogućava lako dovršavanje širokog spektra projekata, bilo da se radi o hobistima ili djeci koja tek počinju s programiranjem, elektronikom ili robotikom, ili za profesionalniju upotrebu. Sve je to zahvaljujući bogatoj zajednici i ekosistemu, s kompletnim IDE-om, brojnim verzijama koje odgovaraju različitim potrebama, dostupnom dodatnom opremom i još mnogo toga.
Ove Arduino ploče su programirane korištenjem jezika sličnog C/C++ koji je razvio Arduino. Ovaj jezik je dovoljno jednostavan za početnike da ga razumiju i koriste, a opet dovoljno moćan za kreiranje složenih projekata na vašem računaru. Arduino IDEPopularnost Arduina olakšava pronalaženje resursa, dijelova i drugih ljudi zainteresiranih za iste vrste projekata. Dakle, postoji li bolji način da se upoznate s mikrokontrolerima i počnete ih koristiti nego s Arduinom...
Šta je Arduino IDE?
Kao što sam već rekao, Arduino ima odličan IDE (Integrirano razvojno okruženje)Pomoću ovog softvera možete kreirati skice ili izvorne kodove programa, a zatim ih prenijeti u memoriju Arduino mikrokontrolera pomoću USB kabla povezanog s vašim računarom. To omogućava MCU-u da ih izvrši kako bi obavljao funkcije koje želite.
Naravno, Arduino IDE je od otvorenog koda, besplatno je i dostupan je za širok spektar platformi, uključujući macOS, Windows i Linux. Ne samo da ćete moći programirati Arduino ploče, već podržava i programiranje drugih kompatibilnih mikrokontrolera, kao što su AVR, PIC itd., kao i Arduino kompatibilnih ploča...
Prednosti Arduina i Arduino IDE-a
Na kraju, želio bih navesti neki projekti koje možete kreirati s ovom Arduino IDE platformom i Arduino razvojnom pločom. To možete učiniti i koristeći ovaj programski jezik visokog nivoa, ostavljajući prevođenje u mašinski kod (jedinice i nule) razumljiv mikrokontroleru u rukama IDE-a. Također možete koristiti jezik zasnovan na blokovima za one koji ne znaju programirati ili za djecu.
Projekti mogu biti vrlo raznoliki, od kreiranja jednostavnog alarma do razvoja složenog sistema za navodnjavanje vrta, uključujući sisteme kućne automatizacije, praćenje parametara, automatizaciju zadataka itd. Kao što sam rekao na početku, granica je gotovo vaša mašta.
Osim toga, postoji velika zajednica koja je spremna da vam pomogne, kao i mnoštvo Dodaci i kompleti posebno dizajnirani za Arduino, što će vam znatno olakšati stvari. Nije kao da počinjete s čipom poput PIC-a ili 8051 i morate sve kreirati gotovo od nule...
Sada ste upoznati sa svijetom mikrokontrolera i znate kako možete započeti od kuće ili iz škole...