undefined mikrokontroléry alebo MCU (mikrokontrolér), sú malé integrované obvody alebo čipy, ktoré integrujú počítač v sebe, to znamená, že idú nad rámec CPU, vrátane CPU, pamäte a tiež I/O, všetko v jednom čipe, hoci ich treba odlíšiť od SoC, ktoré obsahujú viac než len to a sú zložitejšie.
Tieto čipy sú mozog veľkého množstva zariadení ktoré používame v každodennom živote a sú prítomné vo viacerých zariadeniach, než si dokážete predstaviť, od tých, ktoré máte doma, cez vozidlá až po priemyselné stroje atď. Preto sú dnes veľmi dôležité a tento článok im venujeme.
Okrem toho treba poznamenať, že si v poslednej dobe získali značnú popularitu vďaka... IoT (internet vecí), keďže kvôli jeho malá veľkosť, nízka spotreba a nízke náklady, sú ideálne na napájanie týchto pripojených zariadení bez potreby pokročilejších procesorových jednotiek. Okrem toho, ako uvidíme neskôr, sú skvelé aj pre výrobcov a nadšencov elektroniky pre domácich majstrov s projektmi ako Arduino atď.
Čo dokáže mikrokontrolér?
undefined mikrokontroléry, MCUMikrokontroléry sú čipy, ktoré dokážu robiť množstvo vecí, rovnako ako univerzálne CPU, s výnimkou toho, že integrujú aj ďalšie počítačové komponenty, ako sú pamäť, zbernice a I/O systém, takže ide prakticky o počítač na čipe. Ich aplikácie môžu byť veľmi rozmanité, od regulácie teplôt alebo iných parametrov pomocou senzorov, generovania nejakého typu výstupu na základe stavu vstupov až po vykonávanie akcií atď. Počet aplikácií môže byť skutočne obrovský, pričom limitom je takmer vaša predstavivosť a technické možnosti samotného mikrokontroléra, pretože zvyčajne majú obmedzenú veľkosť pamäte a výkon.
Preto pri výbere mikrokontroléra je potrebné zohľadniť mnoho faktorov, ako napríklad prevádzkovú frekvenciu zariadenia, architektúru, na ktorej je založené, dostupná pamäť, počet dostupných pinov a typ a počet potrebných externých komponentov. Našťastie existuje veľa rôznych výrobcov a modelov mikrokontrolérov, z ktorých si môžete vybrať, od najjednoduchších až po najzložitejšie, vrátane niektorých odolných voči extrémnym podmienkam vo vesmíre, vojenských zariadeniach, priemyselných strojoch a ďalších.
Čo je PIC?
Spoločnosť Microchip vyvinula sériu mikrokontrolérov, ktoré sa stali na trhu veľmi populárnymi, ako napríklad jeho slávne PIC-ySkupina zariadení s rôznymi veľkosťami slov, ako napríklad 16-bitové zariadenia, ktoré sa dajú veľmi flexibilne programovať a vykonávať množstvo funkcií.
Okrem toho majú a fantastický kompatibilný ekosystém, čo výrazne uľahčuje prácu vývojárom, ktorí ich používajú, ako aj programátorom, ktorí majú kompletné kompatibilné IDE na programovanie potrebného kódu.
Samozrejme, PIC nie je jediná architektúra, existujú aj AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M atď.
Architektúra a prevádzka mikrokontroléra
Aj keď sa môže zdať zložité mať všetko integrované, ako napríklad CPU, pamäť a I/O systémPravdou je, okrem iného, že mikrokontroléry sú jednoduchšie ako mnohé pokročilé CPU alebo GPU používané v moderných počítačoch. CPU integrované do týchto mikrokontrolérov sú zvyčajne jednoduchšie, ako CPU spred desaťročí (napr. Intel 8051). V skutočnosti je mnoho mikrokontrolérov založených na architektúrach, ktoré boli vyvinuté pred desaťročiami.
Mikrokontroléry môžu implementovať aj ďalšie doplnkové alebo špecializované prvky: spracovanie analógových signálov, ovládanie externého hardvéru alebo vstavaný watchdog časovač na resetovanie čipu v prípade havárie spôsobenej chybným programovaním. Architektúra čipu môže byť pevná alebo programovateľná, čo umožňuje prekonfigurovať zariadenie pre rôzne aplikácie.
Taktiež nevyžadujú veľkú pamäťovú kapacitu (môžu to byť pamäte typu RAM, registre, ROM ako EEPROM, flash atď.) a najčastejšie obsahujú iba niekoľko KB alebo MB IDE má kapacitu na hosťovanie programov potrebných na vykonávanie funkcií. Všetky tieto programy sú načítané do série inštrukcií a údajov, ktoré IDE vygeneruje zo zdrojového kódu programovania na vysokej úrovni, ktorý zvyčajne používajú vývojári.
Typy mikrokontrolérov
Ako si viete predstaviť, existuje ich niekoľko typy mikrokontrolérovKaždý z nich má iné funkcie a možnosti, takže aplikácie, na ktoré sa budú používať, budú veľmi odlišné.
Už som spomenul, že najdôležitejšími faktormi, ktoré treba zvážiť pri výbere mikrokontroléra, sú jeho prevádzková frekvencia a množstvo dostupnej pamäte. Prevádzkovú frekvenciu určia požiadavky aplikácie, ale zvyčajne je najlepšie vybrať zariadenie, ktoré bežať čo najpomalšie pričom stále spĺňa požiadavky, pričom sa snaží o väčšiu stabilitu a spoľahlivosť kvôli kritickým aplikáciám, pre ktoré je tento typ čipu zvyčajne určený.
Kde sa používajú mikrokontroléry?
mikrokontroléry Používajú sa v širokej škále aplikáciíAko som už spomenul, uvidíte ich v domácich spotrebičoch a elektronických zariadeniach všetkého druhu, v pozemných, námorných a vzdušných dopravných prostriedkoch, satelitoch a kozmických lodiach, raketách, priemyselných strojoch a mnohých ďalších. Medzi najznámejšie príklady patria:
- Automobilový priemyselPoužívajú sa v mnohých automobilových aplikáciách na riadenie určitých elektronických aspektov automobilov. Napríklad sa bežne používajú v moderných systémoch riadenia motora na riadenie vstrekovania paliva a časovania zapaľovania. Možno ich nájsť aj v iných palubných systémoch, ako sú systémy riadenia prevodovky.
- PriemyselNájdete ich tiež v množstve priemyselných strojov všetkých typov a vo všetkých odvetviach. Používajú sa v širokej škále rôznych systémov, ako je monitorovanie a riadenie strojov, riadenie procesov a zber a analýza údajov.
- spotrebaMikrokontroléry sa čoraz častejšie používajú v spotrebných zariadeniach, ako sú domáce spotrebiče, elektronické zariadenia používané doma atď. Dokonca aj počítače majú často okrem CPU, GPU atď. viacero mikrokontrolérov na vykonávanie rôznych úloh.
- KomunikáciePoužívajú sa najmä v rádiofrekvenčných alebo iných typoch komunikačných systémov. Používajú sa v počítačových sieťach aj v rádiokomunikačných zariadeniach.
- Domáca automatizáciaMikrokontroléry sú samozrejme kľúčom k domácej automatizácii a automatizácii množstva každodenných úloh v inteligentných domoch. Často sa používajú v senzoroch a iných zariadeniach, ktoré ovládajú a monitorujú systémy domu, ako je automatické zavlažovanie, zdvíhanie alebo spúšťanie žalúzií na základe svetelných podmienok atď.
- medicinaMikrokontroléry sa používajú v mnohých medicínskych aplikáciách, od nemocničných zariadení až po implantované zdravotnícke zariadenia, ktoré riadia určité biomedicínske parametre, kardiostimulátory atď.
- vojenskýa samozrejme sa používajú v širokej škále vojenských aplikácií, ako sú zbraňové systémy, systémy riadenia letu a senzorové systémy.
Výhody a nevýhody MCU
Výhody použitia mikrokontrolérov
Použitie Mikrokontroléry majú niekoľko výhod v porovnaní s inými zariadeniami, ktoré by sa dali použiť na rovnaké aplikácie. Medzi hlavné výhody patria:
- Extrémne nízke nároky na energiu, vďaka čomu sú ideálne pre aplikácie napájané z batérie alebo pre nízkopríkonové vstavané či nástenné systémy.
- Majú rýchlu odozvu, vďaka čomu sú vhodné pre vstavané aplikácie vyžadujúce riadenie v reálnom čase.
- Možnosť programovania na vykonávanie širokej škály funkcií, na rozdiel od pevne zapojených elektronických zariadení, ktoré dokážu robiť iba jednu vec. Často sú schopné vykonávať zložité úlohy, ktoré by bolo veľmi ťažké alebo nemožné vykonať s diskrétnymi komponentmi. Vďaka tomu sú ideálne pre aplikácie vyžadujúce riešenia na mieru.
- Sú dostupné v širokej škále rôznych balíkov, čo uľahčuje prispôsobenie aplikácie špecifickým potrebám.
- Ďalšou veľkou výhodou mikrokontrolérov je ich nízka cena.
- Sú dostupné v malých baleniach, ktoré uľahčujú ich inštaláciu v širokej škále aplikácií.
Obmedzenia mikrokontrolérov
Mikrokontroléry však nie sú len výhodami, ale aj... Niektoré nevýhody čo je tiež dôležité zdôrazniť. Napríklad:
- Vďaka schopnosti byť naprogramované na vykonávanie mnohých rôznych funkcií sú veľmi všestranné, ale zároveň sťažujú riešenie problémov. Ak obvod nefunguje správne, môže byť veľmi ťažké zistiť prečo, pretože problém môže byť spôsobený chybným programom alebo hardvérom.
- Okrem toho, zložité aplikácie môžu vyžadovať veľké množstvo pamäte a výpočtový výkon vyšší ako väčšina mikrokontrolérov na trhu.
- Nedostatok programovacích jazykov na vysokej úrovni obmedzuje ich výber. Keďže spracovávajú inštrukcie v nízkoúrovňovom strojovom jazyku, môže byť ťažké vykonávať zmeny v programe alebo ladiť hardvérové problémy.
Mikrokontroléry v IoT
Jednoduchosť mikrokontrolérov umožňuje ich jednoduché použitie Zariadenia IoT, ako sú inteligentné zásuvky, inteligentné vypínače, inteligentné žiarovky, senzory vlhkosti, senzory dymu a ďalšie jednoduché zariadenia. Zložité zariadenia však často vyžadujú viac pamäte a výpočtového výkonu, čo môže sťažiť umiestnenie potrebných obvodov do kompaktného zariadenia, čo vedie k potrebe zvoliť si CPU a pamäť s vyššou kapacitou namiesto MCU.
Navyše, ich všestrannosť a všetky výhody, o ktorých sme hovorili vyššie, sú skutočne zaujímavé pre tieto zariadenia, ktoré nevyžadujú vysokú pamäťovú kapacitu ani vysoký výpočtový výkon. Navyše, mnohé z nich... zariadenia sú závislé od batérie, takže tieto nízkopríkonové integrované obvody sú ideálne.
Čo je to Arduino?
Som si istý, že ho už poznáš. Arduino Je to populárna vývojová doska s otvoreným zdrojovým kódom založená na mikrokontroléroch. Je veľmi cenovo dostupná a umožňuje jednoduché dokončenie širokej škály projektov, či už pre amatérov alebo deti, ktoré práve začínajú s programovaním, elektronikou alebo robotikou, alebo pre profesionálnejšie použitie. To všetko vďaka bohatej komunite a ekosystému s kompletným vývojovým prostredím (IDE), početnými verziami pre rôzne potreby, dostupným príslušenstvom a ďalšími funkciami.
Tieto dosky Arduino sú programované pomocou jazyka podobného C/C++, ktorý vyvinula spoločnosť Arduino. Tento jazyk je dostatočne jednoduchý na pochopenie a používanie aj pre začiatočníkov, no zároveň dostatočne výkonný na vytváranie zložitých projektov na vašom počítači. Arduino IDEPopularita Arduina uľahčuje vyhľadávanie zdrojov, súčiastok a ďalších ľudí, ktorí sa zaujímajú o rovnaké typy projektov. Takže aký lepší spôsob, ako sa začať oboznamovať s mikrokontrolérmi a ich používať, než s Arduinom…
Čo je to vývojové prostredie Arduina?
Ako som už povedal, Arduino má skvelý IDE (integrované vývojové prostredie)Pomocou tohto softvéru môžete vytvárať náčrty alebo zdrojové kódy programov a potom ich nahrať do pamäte mikrokontroléra Arduino pomocou kábla USB pripojeného k počítaču. To umožňuje MCU spustiť ich a vykonávať požadované funkcie.
Samozrejme, Arduino IDE pochádza z open source, je to zadarmo a je k dispozícii pre širokú škálu platforiem vrátane macOS, Windows a Linux. A nielenže budete môcť programovať dosky Arduino, ale podporuje aj programovanie iných kompatibilných mikrokontrolérov, ako sú AVR, PIC atď., ako aj dosiek kompatibilných s Arduinom…
Výhody Arduina a Arduino IDE
Na záver by som chcel uviesť niektoré projekty, ktoré môžete vytvoriť s touto platformou Arduino IDE a vývojovou doskou Arduino. Môžete to urobiť aj pomocou tohto programovacieho jazyka na vysokej úrovni, pričom preklad do strojového kódu (jednotky a nuly) zrozumiteľného mikrokontrolérom necháte v rukách IDE. Pre tých, ktorí nevedia programovať, alebo pre deti môžete použiť aj blokový jazyk.
Projekty môžu byť veľmi rôznorodé, od vytvorenia jednoduchého alarmu až po vývoj komplexného zavlažovacieho systému pre záhradu, vrátane systémov domácej automatizácie, monitorovania parametrov, automatizácie úloh atď. Ako som už povedal na začiatku, limitom je takmer vaša predstavivosť.
Okrem toho existuje veľká komunita, ktorá vám ochotne pomôže, ako aj množstvo Doplnky a súpravy špeciálne navrhnuté pre Arduino, čo vám veci výrazne uľahčí. Nie je to ako začať s čipom ako PIC alebo 8051 a musieť všetko vytvárať takmer od začiatku...
Teraz už poznáte svet mikrokontrolérov a viete, ako začať z domu alebo zo školy...