L mikrokontrolleri jeb MCU (mikrokontrollera bloks), ir mazas integrētas shēmas vai mikroshēmas, kas integrē datoru sevī, tas ir, tās pārsniedz centrālo procesoru (CPU), iekļaujot centrālo procesoru (CPU), atmiņu un arī ieeju/izejas (I/O) vienā mikroshēmā, lai gan tās ir jānošķir no SoC, kas ietver vairāk nekā to un ir sarežģītākas.
Šīs mikroshēmas ir daudzu ierīču smadzenes ko mēs izmantojam ikdienā un kas ir atrodami vairākās ierīcēs, nekā jūs varētu iedomāties, sākot no tām, kas jums ir mājās, līdz transportlīdzekļiem un rūpnieciskajām iekārtām utt. Tāpēc tās mūsdienās ir ļoti svarīgas, un mēs veltīsim tām šo rakstu.
Turklāt jāatzīmē, ka tie nesen ir ieguvuši diezgan lielu popularitāti, pateicoties IoT (lietu internets), jo sakarā ar mazs izmērs, zems patēriņš un zemas izmaksas, ir ideāli piemēroti šo savienoto ierīču darbināšanai, neizmantojot modernākas procesorus. Turklāt, kā redzēsim vēlāk, tie ir lieliski piemēroti arī ražotājiem un elektronikas entuziastiem, piemēram, Arduino u. c. projektiem.
Ko var darīt mikrokontrolleris?
L mikrokontrolleri, MCUMikrokontrolleri ir mikroshēmas, kas var veikt daudzas lietas, tāpat kā universāls centrālais procesors (CPU), izņemot to, ka tās integrē arī citus datora komponentus, piemēram, atmiņu, kopnes un I/O sistēmu, tāpēc tas praktiski ir dators uz mikroshēmas. To pielietojums var būt ļoti dažāds, sākot ar temperatūras vai citu parametru kontroli, izmantojot sensorus, līdz pat kāda veida izejas ģenerēšanai, pamatojoties uz ieejas stāvokli, lai veiktu darbības utt. Pielietojumu skaits var būt patiesi milzīgs, kur robeža ir gandrīz jūsu iztēle un paša mikrokontrollera tehniskās iespējas, jo tiem parasti ir ierobežots atmiņas apjoms un veiktspēja.
Tāpēc, izvēloties mikrokontrolleri, jāņem vērā daudzi faktori, piemēram, ierīces darbības frekvence, arhitektūra, uz kuras tā ir balstīta, pieejamā atmiņa, pieejamo kontaktu skaits un nepieciešamo ārējo komponentu veids un skaits. Par laimi, ir pieejami daudzi dažādi mikrokontrolleru ražotāji un modeļi, no kuriem izvēlēties, sākot no vienkāršākajiem līdz vissarežģītākajiem, tostarp daži, kas ir sacietējuši, lai izturētu ekstremālus apstākļus kosmosā, militārajās ierīcēs, rūpnieciskajās iekārtās un citur.
Kas ir PIC?
Uzņēmums Microchip izstrādāja virkni mikrokontrolleru, kas kļuva ļoti populāri tirgū, piemēram tās slavenās PIC ierīcesIerīču saime ar dažādiem vārdu izmēriem, piemēram, 16 bitu ierīces, kas var būt ļoti elastīgas, lai tās varētu programmēt un veikt daudzas funkcijas.
Turklāt viņiem ir a fantastiski saderīga ekosistēma, kas ievērojami atvieglo darbu gan izstrādātājiem, kas tos izmanto, gan programmētājiem, kuriem ir pilnībā saderīga IDE nepieciešamā koda programmēšanai.
Protams, PIC nav vienīgā arhitektūra, ir arī AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M utt.
Mikrokontrolleru arhitektūra un darbība
Lai gan var šķist sarežģīti, ka viss ir integrēts, piemēram, centrālais procesors, atmiņa un ievades/izvades sistēmaCita starpā patiesība ir tāda, ka mikrokontrolleri ir vienkāršāki nekā daudzi no modernajiem centrālajiem procesoriem vai grafiskajiem procesoriem, ko izmanto mūsdienu datoros. Šajos mikrokontrolleros integrētie centrālie procesori parasti ir vienkāršāki, līdzīgi kā centrālie procesori no pirms gadu desmitiem (piemēram, Intel 8051). Patiesībā daudzi mikrokontrolleri ir balstīti uz arhitektūrām, kas tika izstrādātas pirms gadu desmitiem.
Mikroshēmas var ieviest arī citus papildu vai specializētus elementus: analogo signālu apstrādi, ārējās aparatūras vadību vai iebūvētu sargsuņa taimeri, lai atiestatītu mikroshēmu avārijas gadījumā, ko izraisījusi kļūdaina programmēšana. Mikroshēmas arhitektūra var būt fiksēta vai programmējama, ļaujot ierīci pārkonfigurēt dažādiem lietojumiem.
Tām arī nav nepieciešama liela atmiņas ietilpība (tās var būt RAM tipa atmiņas, reģistri, ROM, piemēram, EEPROM, zibatmiņa utt.), un lielākā daļa parasti ietver tikai daži KB vai MB IDE spēj mitināt programmas, kas nepieciešamas funkciju veikšanai. Visas šīs programmas tiek ielādētas instrukciju un datu sērijā, ko IDE ģenerēs no augsta līmeņa programmēšanas pirmkoda, ko parasti izmanto izstrādātāji.
Mikrokontrolleru veidi
Kā jau varat iedomāties, ir vairāki mikrokontrolleru veidiKatram no tiem ir atšķirīgas funkcijas un iespējas, tāpēc lietojumprogrammas, kurām tie tiks izmantoti, būs ļoti atšķirīgas.
Esmu jau iepriekš minējis, ka vissvarīgākie faktori, kas jāņem vērā, izvēloties mikrokontrolleri, ir tā darbības frekvence un pieejamās atmiņas apjoms. Darbības frekvenci noteiks lietojumprogrammas prasības, taču parasti vislabāk ir izvēlēties ierīci, kas skriet pēc iespējas lēnāk vienlaikus joprojām izpildot prasības, tiecoties pēc lielākas stabilitātes un uzticamības kritisko lietojumprogrammu dēļ, kurām šāda veida mikroshēma parasti ir paredzēta.
Kur tiek izmantoti mikrokontrolleri?
Mikrokontrolleri Tos izmanto ļoti dažādos pielietojumosKā jau minēju iepriekš, jūs tos redzēsiet visu veidu sadzīves tehnikā un elektroniskās ierīcēs, sauszemes, jūras un gaisa transportlīdzekļos, satelītos un kosmosa kuģos, raķetēs, rūpnieciskajās iekārtās un daudz kur citur. Daži no pazīstamākajiem piemēriem ir:
- AutomobiļiTos izmanto daudzās automobiļu lietojumprogrammās, lai kontrolētu noteiktus automašīnu elektroniskos aspektus. Piemēram, tos parasti izmanto modernās dzinēja vadības sistēmās, lai kontrolētu degvielas iesmidzināšanu un aizdedzes laiku. Tos var atrast arī citās borta sistēmās, piemēram, transmisijas vadības sistēmās.
- RūpniecībaTos var atrast arī daudzās rūpnieciskās iekārtās visās nozarēs. Tos izmanto ļoti dažādās sistēmās, piemēram, mašīnu uzraudzībā un vadībā, procesu vadībā, kā arī datu iegūšanā un analīzē.
- PatēriņšMikrokontrolleri arvien vairāk tiek izmantoti patērētāju ierīcēs, piemēram, sadzīves tehnikā, mājās izmantotās elektroniskās ierīcēs utt. Pat datoriem bieži vien ir vairāki mikrokontrolleri dažādu uzdevumu veikšanai papildus centrālajam procesoram, grafiskajam procesoram utt.
- CommunicationsTos īpaši izmanto radiofrekvenču vai cita veida sakaru sistēmās. Tos izmanto gan datoru tīklos, gan radiosakaru iekārtās.
- Mājas automatizācijaProtams, mikrokontrolleri ir mājas automatizācijas atslēga, automatizējot daudzus ikdienas uzdevumus viedajās mājās. Tos bieži izmanto sensoros un citās ierīcēs, kas kontrolē un uzrauga mājas sistēmas, piemēram, automātisko apūdeņošanu, žalūziju pacelšanu vai nolaišanu atkarībā no apgaismojuma apstākļiem utt.
- MedicīnaMikrokontrolleri tiek izmantoti daudzās medicīnas lietojumprogrammās, sākot no slimnīcu aprīkojuma līdz implantējamām medicīnas ierīcēm, kas kontrolē noteiktus biomedicīniskos parametrus, elektrokardiostimulatoriem utt.
- Militāraisun, protams, tos izmanto dažādos militāros pielietojumos, piemēram, ieroču sistēmās, lidojumu vadības sistēmās un sensoru sistēmās.
Mikrokontrolleru priekšrocības un trūkumi
Mikrokontrolleru izmantošanas priekšrocības
Izmantošana Mikrokontrolleriem ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar citām ierīcēm, kuras varētu izmantot tādiem pašiem mērķiem. Svarīgākie aspekti ir:
- Īpaši zemas jaudas prasības, kas padara tās ideāli piemērotas lietošanai ar baterijām vai mazjaudas iegultām vai sienā montējamām sistēmām.
- Tiem ir ātrs reakcijas laiks, kas padara tos piemērotus iegultām lietojumprogrammām, kurām nepieciešama reāllaika vadība.
- Spēja tikt programmētai, lai veiktu plašu funkciju klāstu, atšķirībā no cieši savienotas elektronikas, kas var darīt tikai vienu lietu. Tās bieži vien spēj veikt sarežģītus uzdevumus, kurus būtu ļoti grūti vai neiespējami paveikt ar atsevišķām komponentēm. Tas padara tās ideāli piemērotas lietojumprogrammām, kurām nepieciešami pielāgoti risinājumi.
- Tie ir pieejami plašā dažādu pakotņu klāstā, kas atvieglo lietojumprogrammas pielāgošanu konkrētām vajadzībām.
- Vēl viena liela mikrokontrolleru priekšrocība ir to zemās izmaksas.
- Tie ir pieejami nelielos iepakojumos, kas atvieglo to uzstādīšanu dažādos pielietojumos.
Mikrokontrolleru ierobežojumi
Tomēr ne visas ir mikrokontrolleru priekšrocības, tiem ir arī Daži trūkumi ko arī ir svarīgi izcelt. Piemēram:
- To spēja programmēt daudzu dažādu funkciju veikšanai padara tos ļoti daudzpusīgus, taču tas arī apgrūtina problēmu novēršanu. Ja ķēde nedarbojas pareizi, var būt ļoti grūti noskaidrot, kāpēc, jo problēma var būt saistīta ar kļūdainu programmu vai aparatūras problēmu.
- Turklāt sarežģītām lietojumprogrammām var būt nepieciešams liels atmiņas apjoms un apstrādes veiktspēja, kas ir pārāka nekā vairumam tirgū pieejamo mikrokontrolleru.
- Augsta līmeņa programmēšanas valodu trūkums ierobežo viņu izvēli. Tā kā viņi apstrādā zema līmeņa mašīnvalodas instrukcijas, var būt grūti veikt izmaiņas programmā vai atkļūdot aparatūras problēmas.
Mikrokontrolleri lietu internetā
Mikrokontrolleru vienkāršība padara tos viegli lietojamus IoT ierīces, piemēram, viedās kontaktdakšas, viedie slēdži, viedās spuldzes, mitruma sensori, dūmu sensori un citas vienkāršas ierīces. Tomēr sarežģītām ierīcēm bieži vien ir nepieciešama lielāka atmiņa un apstrādes jauda, kas var apgrūtināt nepieciešamo shēmu ievietošanu kompaktā ierīcē, kā rezultātā ir jāizvēlas lielākas ietilpības centrālie procesori un atmiņa, nevis mikrokontrolleris (MCU).
Turklāt to daudzpusība un visas iepriekš minētās priekšrocības ir patiešām interesantas šīm ierīcēm, kurām nav nepieciešama liela atmiņas ietilpība vai augsta apstrādes veiktspēja. Turklāt daudzas no šīm ierīces ir atkarīgas no akumulatora, tāpēc šīs mazjaudas integrālās shēmas ir ideāli piemērotas.
Kas ir Arduino?
Esmu pārliecināts, ka jūs viņu jau pazīstat. Arduino Tā ir populāra atvērtā pirmkoda mikrokontrolleru izstrādes plate. Tā ir ļoti pieejama un ļauj viegli paveikt plašu projektu klāstu, neatkarīgi no tā, vai tā ir paredzēta hobijiem vai bērniem, kas tikai sāk nodarboties ar programmēšanu, elektroniku vai robotiku, vai arī profesionālākai lietošanai. Tas viss ir pateicoties tās bagātīgajai kopienai un ekosistēmai ar pilnīgu IDE, daudzām versijām, kas atbilst dažādām vajadzībām, pieejamajiem piederumiem un citām ērtībām.
Šīs Arduino plates tiek programmētas, izmantojot Arduino izstrādātu C/C++ līdzīgu valodu. Šī valoda ir pietiekami vienkārša, lai iesācēji to varētu saprast un lietot, taču pietiekami jaudīga, lai datorā izveidotu sarežģītus projektus. Arduino IDEArduino popularitāte atvieglo resursu, detaļu un citu cilvēku, kurus interesē tāda paša veida projekti, atrašanu. Tātad, kā gan labāk sākt iepazīties ar mikrokontrolleriem un tos lietot, ja ne ar Arduino…
Kas ir Arduino IDE?
Kā jau teicu iepriekš, Arduino ir lielisks IDE (integrētā izstrādes vide)Ar šo programmatūru var izveidot skices vai programmēt pirmkodus un pēc tam augšupielādēt tos Arduino mikrokontrollera atmiņā, izmantojot USB kabeli, kas pievienots datoram. Tas ļauj mikrokontrollerim tos izpildīt, lai veiktu vēlamās funkcijas.
Protams, Arduino IDE ir no atvērtā koda, tas ir bez maksas un ir pieejams plašam platformu klāstam, tostarp macOS, Windows un Linux. Un jūs ne tikai varēsiet programmēt Arduino plates, bet arī atbalstīs citu saderīgu mikrokontrolleru, piemēram, AVR, PIC utt., programmēšanu, kā arī ar Arduino saderīgu plates…
Arduino un Arduino IDE priekšrocības
Visbeidzot, es vēlētos norādīt, daži projekti, ko varat izveidot ar šo Arduino IDE platformu un Arduino izstrādes plati. To var izdarīt arī, izmantojot šo augsta līmeņa programmēšanas valodu, atstājot mikrokontrolleram saprotamu tulkošanu mašīnkodā (vieninieki un nulles) IDE rokās. Tiem, kas neprot programmēt, vai bērniem var izmantot arī uz blokiem balstītu valodu.
Projekti var būt ļoti dažādi, sākot no vienkāršas signalizācijas izveides līdz sarežģītas dārza apūdeņošanas sistēmas izstrādei, ieskaitot mājas automatizācijas sistēmas, parametru uzraudzību, uzdevumu automatizāciju utt. Kā jau teicu sākumā, robeža ir gandrīz jūsu iztēle.
Turklāt ir liela kopiena, kas ir gatava jums palīdzēt, kā arī daudzi citi Papildinājumi un komplekti, kas īpaši izstrādāti Arduino, kas jums visu krietni atvieglos. Tas nav tā, it kā sāktu ar mikroshēmu, piemēram, PIC vai 8051, un tad visu radītu gandrīz no nulles...
Tagad jūs esat iepazinušies ar mikrokontrolleru pasauli un zināt, kā sākt darbu no mājām vai skolas...