den mikrokontrollere, eller MCU (MicroController Unit), er små integrerte kretser eller brikker som integrerer en datamaskin i seg, det vil si at de går utover en CPU, inkludert CPU, minne og også I/O alt i én brikke, selv om de må skilles fra SoC-er, som inkluderer mer enn det og er mer komplekse.
Disse chipsene er hjernen til et stort antall enheter som vi bruker i hverdagen, og som finnes i flere enheter enn du kan forestille deg, fra de du har hjemme, til kjøretøyene dine, til industrimaskiner, osv. Derfor er de svært viktige i dag, og vi skal dedikere denne artikkelen til dem.
Videre bør det bemerkes at de nylig har oppnådd ganske stor popularitet takket være IoT (Tingenes internett), siden på grunn av dens lille størrelse, lave forbruk og lave kostnader, er ideelle for å drive disse tilkoblede enhetene uten behov for mer avanserte prosessorenheter. I tillegg, som vi skal se senere, er de også flotte for produsenter og elektronikk-gjør-det-selv-entusiaster, med prosjekter som Arduino, osv.
Hva kan en mikrokontroller gjøre?
den mikrokontrollere, MCUMikrokontrollere er brikker som kan gjøre en rekke ting, akkurat som en generell CPU, bortsett fra at de også integrerer andre datamaskinkomponenter som minne, busser og I/O-systemet, så det er praktisk talt en datamaskin på en brikke. Bruksområdene deres kan være svært varierte, fra å kontrollere temperaturer eller andre parametere gjennom sensorer, til å generere en eller annen form for utdata basert på tilstanden til inngangene for å utføre handlinger, osv. Antallet applikasjoner kan være virkelig enormt, der grensen nesten er fantasien din og de tekniske egenskapene til selve mikrokontrolleren, ettersom de vanligvis har begrenset minnestørrelse og ytelse.
Derfor må mange faktorer tas i betraktning når man velger en mikrokontroller, for eksempel enhetens driftsfrekvens, arkitekturen den er basert på, tilgjengelig minne, antall tilgjengelige pinner, og typen og antall eksterne komponenter som kreves. Heldigvis finnes det mange forskjellige mikrokontrollerprodusenter og -modeller å velge mellom, fra de enkleste til de mest komplekse, inkludert noen som er herdet for å tåle ekstreme forhold i verdensrommet, militære apparater, industrimaskiner og mer.
Hva er et PIC-kort?
Selskapet Microchip utviklet en serie mikrokontrollere som ble svært populære i markedet, som f.eks. dens berømte PIC-erEn familie av enheter med forskjellige ordstørrelser, for eksempel 16-bits enheter, som kan være svært fleksible når det gjelder å kunne programmeres og utføre en rekke funksjoner.
I tillegg har de en fantastisk kompatibelt økosystem, noe som gjør ting mye enklere for utviklere som bruker dem, så vel som for programmerere som har en komplett kompatibel IDE for programmering av nødvendig kode.
Selvfølgelig, PIC er ikke den eneste arkitekturen, det finnes også AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M, osv.
Mikrokontrollerarkitektur og drift
Selv om de kan virke komplekse å ha alt integrert, som for eksempel CPU-en, minnet og I/O-systemetSannheten er blant annet at mikrokontrollere er enklere enn mange av de avanserte CPU-ene eller GPU-ene som brukes i moderne datamaskiner. CPU-ene som er integrert i disse mikrokontrollerne er vanligvis enklere, som CPU-er fra flere tiår siden (f.eks. Intels 8051). Faktisk er mange mikrokontrollere basert på arkitekturer som ble utviklet for flere tiår siden.
Mikrokontrollere (MCU-er) kan også implementere andre tilleggs- eller spesialiserte elementer: behandling av analoge signaler, styring av ekstern maskinvare eller ha en innebygd watchdog-timer for å tilbakestille brikken i tilfelle et krasj på grunn av feil programmering. Brikkearkitekturen kan være fast eller programmerbar, slik at enheten kan omkonfigureres for forskjellige applikasjoner.
De krever heller ikke stor minnekapasitet (de kan være RAM-minner, registre, ROM som EEPROM, flash osv.), og inkluderer vanligvis bare noen få KB eller MB IDE-en har kapasitet til å være vert for programmene som trengs for å utføre funksjonene. Alle disse lastes inn i en serie instruksjoner og data som IDE-en genererer fra den overordnede programmeringskildekoden som vanligvis brukes av utviklere.
Typer mikrokontrollere
Som du kan forestille deg, er det flere typer mikrokontrollereHver av dem har forskjellige funksjoner og muligheter, så applikasjonene de vil bli brukt til vil være svært forskjellige.
Jeg har nevnt tidligere at de viktigste faktorene å vurdere når man velger en mikrokontroller er driftsfrekvensen og mengden tilgjengelig minne. Applikasjonskravene vil bestemme driftsfrekvensen, men det er vanligvis best å velge en enhet som løp så sakte som mulig samtidig som den oppfyller kravene, og søker større stabilitet og pålitelighet på grunn av de kritiske applikasjonene som denne typen brikke vanligvis er dedikert til.
Hvor brukes mikrokontrollere?
Mikrokontrollere De brukes i en rekke bruksområderSom jeg nevnte tidligere, vil du se dem i husholdningsapparater og elektroniske enheter av alle slag, i land-, sjø- og luftfartøyer, satellitter og romfartøy, raketter, industrimaskiner og mye mer. Noen av de mest kjente eksemplene er:
- BilindustriDe brukes i mange bilindustrien for å kontrollere visse elektroniske aspekter ved biler. For eksempel brukes de ofte i moderne motorstyringssystemer for å kontrollere drivstoffinnsprøytning og tenningstidspunkt. De finnes også i andre innebygde systemer, for eksempel girkassestyringssystemer.
- IndustriDu finner dem også i en rekke industrimaskiner av alle typer og på tvers av alle sektorer. De brukes i en rekke forskjellige systemer, som maskinovervåking og -kontroll, prosesskontroll og datainnsamling og -analyse.
- forbrukMikrokontrollere brukes i økende grad i forbrukerenheter som husholdningsapparater, elektroniske enheter som brukes hjemme, osv. Selv datamaskiner har ofte flere mikrokontrollere for å utføre forskjellige oppgaver, i tillegg til CPU, GPU, osv.
- KommunikasjonDe brukes spesielt i radiofrekvens- eller andre typer kommunikasjonssystemer. De brukes i både datanettverk og radiokommunikasjonsutstyr.
- HjemmeautomatiseringMikrokontrollere er selvsagt nøkkelen til hjemmeautomatisering, og automatiserer en rekke hverdagsoppgaver i smarthjem. De brukes ofte i sensorer og andre enheter som styrer og overvåker et hjems systemer, for eksempel automatisk vanning, heving eller senking av persienner basert på lysforhold og så videre.
- MedisinMikrokontrollere brukes i mange medisinske applikasjoner, fra sykehusutstyr til implanterte medisinske enheter som kontrollerer visse biomedisinske parametere, pacemakere, etc.
- militærOg selvfølgelig brukes de i en rekke militære applikasjoner, for eksempel våpensystemer, flykontrollsystemer og sensorsystemer.
Fordeler og ulemper med MCU-en
Fordeler med å bruke mikrokontrollere
Bruken av Mikrokontrollere har en rekke fordeler sammenlignet med andre enheter som også kan brukes til de samme applikasjonene. Høydepunkter inkluderer:
- Ekstremt lavt strømbehov, noe som gjør dem ideelle for batteridrevne applikasjoner eller innebygde eller veggmonterte systemer med lavt strømforbruk.
- De har raske responstider, noe som gjør dem egnet for innebygde applikasjoner som krever sanntidskontroll.
- Mulighet for programmering til å utføre en rekke funksjoner, i motsetning til fastkoblet elektronikk, som bare kan gjøre én ting. De er ofte i stand til å utføre komplekse oppgaver som ville være svært vanskelige eller umulige å oppnå med separate komponenter. Dette gjør dem ideelle for applikasjoner som krever tilpassede løsninger.
- De er tilgjengelige i et bredt utvalg av forskjellige pakker, noe som gjør det enkelt å tilpasse en applikasjon til et spesifikt behov.
- En annen stor fordel med mikrokontrollere er deres lave kostnad.
- De er tilgjengelige i små pakker som forenkler installasjonen i en rekke bruksområder.
Begrensninger ved mikrokontrollere
Imidlertid er ikke alt fordeler med mikrokontrollere, det har også Noen ulemper som også er viktig å fremheve. For eksempel:
- Deres evne til å programmeres til å utføre mange forskjellige funksjoner gjør dem svært allsidige, men det gjør også feilsøking vanskelig. Hvis en krets ikke fungerer som den skal, kan det være svært vanskelig å finne ut hvorfor, fordi problemet kan skyldes et feilaktig program eller et maskinvareproblem.
- I tillegg kan komplekse applikasjoner kreve en stor mengde minne og prosesseringsytelse som er bedre enn de fleste mikrokontrollere på markedet.
- Mangelen på programmeringsspråk på høyt nivå begrenser valgfriheten deres. Siden de behandler instruksjoner på lavt nivå i maskinspråk, kan det være vanskelig å gjøre endringer i et program eller feilsøke maskinvareproblemer.
Mikrokontrollere i IoT
Mikrokontrollernes enkelhet gjør dem enkle å bruke i IoT-enheter, som smartplugger, smartbrytere, smartpærer, fuktighetssensorer, røyksensorer og andre enkle enheter. Komplekse enheter krever imidlertid ofte mer minne og prosessorkraft, noe som kan gjøre det vanskelig å få plass til de nødvendige kretsene i en kompakt enhet, noe som fører til behovet for CPUer og minne med høyere kapasitet i stedet for en MCU.
Dessuten er allsidigheten deres og alle fordelene vi har snakket om ovenfor veldig interessante for disse enhetene som ikke krever høy minnekapasitet eller høy prosesseringsytelse. Dessuten er mange av disse enheter er avhengige av et batteri, så disse lav-effekt IC-ene er ideelle.
Hva er Arduino?
Jeg er sikker på at du allerede kjenner ham. Arduino Det er et populært utviklingskort med åpen kildekode basert på mikrokontrollere. Det er svært rimelig og gjør det enkelt å fullføre et bredt spekter av prosjekter, enten det er for hobbyister eller barn som nettopp har begynt med programmering, elektronikk eller robotikk, eller for mer profesjonell bruk. Alt dette er takket være det rike fellesskapet og økosystemet, med en komplett IDE, en rekke versjoner som passer til ulike behov, tilgjengelig tilbehør og mer.
Disse Arduino-kortene er programmert med et C/C++-lignende språk utviklet av Arduino. Dette språket er enkelt nok for nybegynnere å forstå og bruke, men likevel kraftig nok til å lage komplekse prosjekter på datamaskinen din. Arduino IDEArduinos popularitet gjør det enkelt å finne ressurser, deler og andre som er interessert i samme type prosjekter. Så, hvilken bedre måte å begynne å bli kjent med og bruke mikrokontrollere på enn med en Arduino ...
Hva er Arduino IDE?
Som jeg sa før, Arduino har en flott IDE (Integrert utviklingsmiljø)Med denne programvaren kan du lage skisser eller programmere kildekoder og deretter laste dem opp til Arduino-mikrokontrollerens minne ved hjelp av en USB-kabel koblet til PC-en. Dette lar MCU-en kjøre dem for å utføre funksjonene du ønsker.
Selvfølgelig er Arduino IDE fra åpen kildekode, det er gratis og er tilgjengelig for en rekke plattformer, inkludert macOS, Windows og Linux. Og ikke bare vil du kunne programmere Arduino-kort, den støtter også programmering av andre kompatible mikrokontrollere, som AVR, PIC, osv., samt Arduino-kompatible kort ...
Fordeler med Arduino og Arduino IDE
Til slutt vil jeg opplyse noen prosjekter du kan lage med denne Arduino IDE-plattformen og Arduino-utviklingskortet. Du kan også gjøre dette ved hjelp av dette høynivåprogrammeringsspråket, slik at oversettelsen til maskinkode (enere og nuller) blir forståelig for mikrokontrolleren i hendene på IDE-en. Du kan også bruke blokkbasert språk for de som ikke vet hvordan man programmerer eller for barn.
Prosjekter kan være svært varierte, fra å lage en enkel alarm til å utvikle et komplekst vanningsanlegg for en hage, inkludert hjemmeautomatiseringssystemer, parameterovervåking, oppgaveautomatisering osv. Som jeg sa i begynnelsen, grensen er nesten fantasien din.
I tillegg finnes det et stort fellesskap som er villig til å hjelpe deg, samt en mengde Tillegg og sett spesielt designet for Arduino, noe som vil gjøre ting mye enklere for deg. Det er ikke som å starte med en brikke som PIC eller 8051 og måtte lage alt nesten fra bunnen av ...
Nå er du kjent med mikrokontrollernes verden og vet hvordan du kan komme i gang hjemmefra eller fra skolen ...