L mikrokontroléry nebo MCU (mikrokontrolérová jednotka), jsou malé integrované obvody nebo čipy, které integrují počítač, tj. jdou nad rámec CPU a zahrnují CPU, paměť a také I/O, to vše v jednom čipu, ačkoli je třeba je odlišovat od SoC, které zahrnují více než to a jsou složitější.
Tyto čipy jsou mozek velkého množství zařízení které používáme v každodenním životě a jsou přítomny v mnoha zařízeních, než si dokážete představit, od těch, které máte doma, přes vozidla až po průmyslové stroje atd. Proto jsou dnes velmi důležité a tento článek jim věnujeme.
Dále je třeba poznamenat, že si v poslední době získaly poměrně velkou popularitu díky... IoT (internet věcí), protože kvůli jeho malá velikost, nízká spotřeba a nízké náklady, jsou ideální pro napájení těchto připojených zařízení bez nutnosti pokročilejších procesorů. Navíc, jak uvidíme později, jsou také skvělé pro výrobce a elektronické kutily, s projekty jako Arduino atd.
Co dokáže mikrokontrolér?
L mikrokontroléry, MCUMikrokontroléry jsou čipy, které dokáží dělat spoustu věcí, stejně jako univerzální CPU, s tím rozdílem, že integrují i další počítačové komponenty, jako je paměť, sběrnice a I/O systém, takže se prakticky jedná o počítač na čipu. Jejich aplikace mohou být velmi rozmanité, od řízení teplot nebo jiných parametrů pomocí senzorů, generování nějakého typu výstupu na základě stavu vstupů až po provádění akcí atd. Počet aplikací může být skutečně obrovský, přičemž limitem je téměř vaše představivost a technické možnosti samotného mikrokontroléru, protože obvykle mají omezenou velikost paměti a výkon.
Proto je při výběru mikrokontroléru třeba vzít v úvahu mnoho faktorů, jako je provozní frekvence zařízení, architektura, na které je založen, dostupná paměť, počet dostupných pinů a typ a počet požadovaných externích součástek. Naštěstí existuje mnoho různých výrobců a modelů mikrokontrolérů, ze kterých si můžete vybrat, od nejjednodušších až po nejsložitější, včetně některých odolných, aby odolaly extrémním podmínkám ve vesmíru, vojenských zařízeních, průmyslových strojích a dalších.
Co je to PIC?
Společnost Microchip vyvinula řadu mikrokontrolérů, které se na trhu staly velmi populárními, jako například jeho slavné PICyRodina zařízení s různými délkami slov, například 16bitová zařízení, která lze velmi flexibilně programovat a provádět řadu funkcí.
Kromě toho mají a fantastický kompatibilní ekosystém, což značně usnadňuje práci vývojářům, kteří je používají, a také programátorům, kteří mají k dispozici kompletní kompatibilní IDE pro programování potřebného kódu.
Samozřejmě, PIC není jediná architektura, existují také AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M atd.
Architektura a provoz mikrokontroléru
I když se může zdát složité mít vše integrované, jako například CPU, paměť a systém I/OPravdou je mimo jiné to, že mikrokontroléry jsou jednodušší než mnoho pokročilých CPU nebo GPU používaných v moderních počítačích. CPU integrované do těchto mikrokontrolérů jsou obvykle jednodušší, jako CPU z doby před desítkami let (např. Intel 8051). Ve skutečnosti je mnoho mikrokontrolérů založeno na architekturách, které byly vyvinuty před desítkami let.
Mikrokontroléry mohou také implementovat další doplňkové nebo specializované prvky: zpracování analogových signálů, ovládání externího hardwaru nebo vestavěný watchdog časovač pro resetování čipu v případě havárie způsobené chybným programováním. Architektura čipu může být pevná nebo programovatelná, což umožňuje překonfigurovat zařízení pro různé aplikace.
Také nevyžadují velkou paměťovou kapacitu (mohou to být paměti typu RAM, registry, ROM jako EEPROM, flash atd.) a nejčastěji obsahují pouze několik KB nebo MB IDE má kapacitu hostovat programy potřebné k provádění funkcí. Všechny tyto programy jsou načteny do série instrukcí a dat, které IDE vygeneruje ze zdrojového kódu programování na vysoké úrovni, který obvykle používají vývojáři.
Typy mikrokontrolérů
Jak si asi dokážete představit, existuje jich několik typy mikrokontrolérůKaždý z nich má jiné funkce a možnosti, takže aplikace, pro které budou použity, se budou velmi lišit.
Již jsem zmínil, že nejdůležitějšími faktory, které je třeba při výběru mikrokontroléru zvážit, jsou jeho provozní frekvence a množství dostupné paměti. Požadavky aplikace určí provozní frekvenci, ale obvykle je nejlepší vybrat zařízení, které běžet co nejpomaleji a zároveň splňovat požadavky, usilovat o větší stabilitu a spolehlivost vzhledem k kritickým aplikacím, pro které je tento typ čipu obvykle určen.
Kde se používají mikrokontroléry?
Mikrokontroléry Používají se v široké škále aplikacíJak jsem již zmínil, uvidíte je v domácích spotřebičích a elektronických zařízeních všeho druhu, v pozemních, námořních a vzdušných dopravních prostředcích, satelitech a kosmických lodích, raketách, průmyslových strojích a mnoha dalších. Mezi nejznámější příklady patří:
- Automobilový průmyslPoužívají se v mnoha automobilových aplikacích k řízení určitých elektronických aspektů automobilů. Například se běžně používají v moderních systémech řízení motoru k řízení vstřikování paliva a časování zapalování. Lze je nalézt i v jiných palubních systémech, jako jsou systémy řízení převodovky.
- PrůmyslNajdete je také v mnoha průmyslových strojích všeho druhu a ve všech odvětvích. Používají se v široké škále různých systémů, jako je monitorování a řízení strojů, řízení procesů a sběr a analýza dat.
- SpotřebaMikrokontroléry se stále častěji používají ve spotřebních zařízeních, jako jsou domácí spotřebiče, elektronická zařízení používaná doma atd. I počítače mají často kromě CPU, GPU atd. více mikrokontrolérů k provádění různých úkolů.
- KomunikacePoužívají se zejména v rádiových frekvencích nebo jiných typech komunikačních systémů. Používají se jak v počítačových sítích, tak i v radiokomunikačních zařízeních.
- Automatizace domácnostiMikrokontroléry jsou samozřejmě klíčem k domácí automatizaci a automatizují řadu každodenních úkolů v chytrých domácnostech. Často se používají v senzorech a dalších zařízeních, která ovládají a monitorují systémy v domácnosti, jako je automatické zavlažování, zvedání nebo spouštění žaluzií na základě světelných podmínek a tak dále.
- MedicínaMikrokontroléry se používají v mnoha lékařských aplikacích, od nemocničních zařízení až po implantované zdravotnické prostředky, které řídí určité biomedicínské parametry, kardiostimulátory atd.
- Vojenskéa samozřejmě se používají v široké škále vojenských aplikací, jako jsou zbraňové systémy, systémy řízení letu a senzorové systémy.
Výhody a nevýhody MCU
Výhody použití mikrokontrolérů
Použití Mikrokontroléry mají řadu výhod ve srovnání s jinými zařízeními, která by mohla být použita pro stejné aplikace. Mezi hlavní výhody patří:
- Extrémně nízké nároky na energii, díky čemuž jsou ideální pro aplikace napájené z baterií nebo pro nízkopříkonové vestavné či nástěnné systémy.
- Mají rychlou dobu odezvy, díky čemuž jsou vhodné pro vestavěné aplikace vyžadující řízení v reálném čase.
- Schopnost být naprogramován k provádění široké škály funkcí, na rozdíl od pevně zapojené elektroniky, která dokáže dělat pouze jednu věc. Často jsou schopny provádět složité úkoly, které by bylo velmi obtížné nebo nemožné provést s diskrétními součástkami. Díky tomu jsou ideální pro aplikace vyžadující řešení na míru.
- Jsou k dispozici v široké škále různých balíčků, což usnadňuje přizpůsobení aplikace specifickým potřebám.
- Další velkou výhodou mikrokontrolérů je jejich nízká cena.
- Jsou k dispozici v malých pouzdrech, což usnadňuje jejich instalaci v široké škále aplikací.
Omezení mikrokontrolérů
Mikrokontroléry však nejsou jen výhody, ale také... Některé nevýhody což je také důležité zdůraznit. Například:
- Díky své všestrannosti jsou velmi všestranné, ale také ztěžují odstraňování problémů. Pokud obvod nefunguje správně, může být velmi obtížné zjistit proč, protože problém může být způsoben chybným programem nebo hardwarem.
- Kromě toho mohou složité aplikace vyžadovat velké množství paměti a výpočetní výkon vyšší než u většiny mikrokontrolérů na trhu.
- Jejich absence programovacích jazyků na vysoké úrovni omezuje jejich výběr. Protože zpracovávají instrukce v nízkoúrovňovém strojovém jazyce, může být obtížné provádět změny v programu nebo ladit hardwarové problémy.
Mikrokontroléry v IoT
Jednoduchost mikrokontrolérů usnadňuje jejich použití v Zařízení IoT, jako jsou chytré zásuvky, chytré vypínače, chytré žárovky, senzory vlhkosti, senzory kouře a další jednoduchá zařízení. Složitá zařízení však často vyžadují více paměti a výpočetního výkonu, což může ztěžovat umístění potřebných obvodů do kompaktního zařízení, což vede k nutnosti zvolit procesory a paměť s vyšší kapacitou namísto mikrokontroléru.
Navíc jejich všestrannost a všechny výhody, o kterých jsme hovořili výše, jsou pro tato zařízení, která nevyžadují vysokou paměťovou kapacitu ani vysoký výpočetní výkon, opravdu zajímavé. Navíc mnoho z nich... zařízení jsou závislá na baterii, takže tyto nízkopříkonové integrované obvody jsou ideální.
Co je Arduino?
Jsem si jistý/á, že ho už znáš. Arduino Jedná se o populární vývojovou desku s otevřeným zdrojovým kódem založenou na mikrokontroléru. Je velmi cenově dostupná a umožňuje snadnou realizaci široké škály projektů, ať už pro amatéry nebo děti, které s programováním, elektronikou nebo robotikou teprve začínají, nebo pro profesionálnější použití. To vše díky bohaté komunitě a ekosystému s kompletním IDE, četnými verzemi pro různé potřeby, dostupným příslušenstvím a dalšími funkcemi.
Tyto desky Arduino jsou programovány pomocí jazyka podobného C/C++, který vyvinula společnost Arduino. Tento jazyk je dostatečně jednoduchý pro začátečníky, aby mu rozuměli a používali ho, ale zároveň dostatečně výkonný pro vytváření složitých projektů na vašem počítači. Arduino idePopularita Arduina usnadňuje nalezení zdrojů, součástek a dalších lidí, kteří se zajímají o stejný typ projektů. Existuje tedy lepší způsob, jak se začít seznamovat s mikrokontroléry a používat je, než s Arduinem…
Co je to vývojové prostředí pro Arduino (IDE)?
Jak jsem již zmínil, Arduino má skvělé IDE (integrované vývojové prostředí)Pomocí tohoto softwaru můžete vytvářet náčrty nebo zdrojové kódy programů a poté je nahrávat do paměti mikrokontroléru Arduino pomocí kabelu USB připojeného k počítači. To umožňuje MCU je spustit a provést požadované funkce.
Arduino IDE samozřejmě pochází z... open source, je to zdarma a je k dispozici pro širokou škálu platforem, včetně macOS, Windows a Linuxu. A nejenže s ním budete moci programovat desky Arduino, ale podporuje také programování dalších kompatibilních mikrokontrolérů, jako jsou AVR, PIC atd., a také desek kompatibilních s Arduinem…
Výhody Arduina a Arduino IDE
Nakonec bych rád uvedl některé projekty, které můžete vytvořit s touto platformou Arduino IDE a vývojovou deskou Arduino. Můžete to také provést pomocí tohoto programovacího jazyka na vysoké úrovni a překlad do strojového kódu (jedničky a nuly) srozumitelného mikrokontroléru ponechat v rukou IDE. Pro ty, kteří neumí programovat, nebo pro děti můžete také použít blokový jazyk.
Projekty mohou být velmi rozmanité, od vytvoření jednoduchého alarmu až po vývoj komplexního zavlažovacího systému pro zahradu, včetně systémů domácí automatizace, monitorování parametrů, automatizace úkolů atd. Jak jsem řekl na začátku, limit je téměř vaše představivost.
Kromě toho existuje velká komunita, která vám je ochotna pomoci, a také spousta dalších Doplňky a stavebnice speciálně navržené pro Arduino, což vám to hodně usnadní. Není to jako začít s čipem jako PIC nebo 8051 a muset všechno vytvářet téměř od nuly...
Nyní jste obeznámeni se světem mikrokontrolérů a víte, jak začít z domova nebo ze školy...