ลอส ไมโครคอนโทรลเลอร์ หรือ MCU (MicroController Unit)เป็นวงจรรวมหรือชิปขนาดเล็กที่รวมคอมพิวเตอร์ไว้ในตัว กล่าวคือ ชิปเหล่านี้จะทำงานเกินกว่าซีพียู โดยจะรวมซีพียู หน่วยความจำ และ I/O ไว้ในชิปตัวเดียว แม้ว่าจะต้องแยกความแตกต่างจาก SoC ซึ่งมีมากกว่านั้นและมีความซับซ้อนมากกว่าก็ตาม
ชิปเหล่านี้เป็น สมองของอุปกรณ์จำนวนมาก ที่เราใช้ในชีวิตประจำวันและมีอยู่ในอุปกรณ์ต่างๆ มากมายมากกว่าที่คุณจะจินตนาการได้ ตั้งแต่ที่คุณมีอยู่ที่บ้าน ในยานพาหนะ เครื่องจักรในโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น ดังนั้น อุปกรณ์เหล่านี้จึงมีความสำคัญมากในปัจจุบัน และเราจะอุทิศบทความนี้ให้กับอุปกรณ์เหล่านี้
นอกจากนี้ควรสังเกตว่าพวกเขาได้รับความนิยมอย่างมากเมื่อเร็ว ๆ นี้เนื่องมาจาก IoT (อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง), เนื่องจากเนื่องจาก ขนาดเล็ก การบริโภคต่ำ และต้นทุนต่ำเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อเหล่านี้ โดยไม่จำเป็นต้องใช้หน่วยประมวลผลขั้นสูง นอกจากนี้ ดังที่เราจะเห็นในภายหลัง พวกมันยังเหมาะสำหรับนักประดิษฐ์และผู้ที่ชื่นชอบงาน DIY อิเล็กทรอนิกส์ เช่น โปรเจกต์ต่างๆ เช่น Arduino เป็นต้น
ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถทำอะไรได้บ้าง?
ลอส ไมโครคอนโทรลเลอร์, MCUไมโครคอนโทรลเลอร์คือชิปที่สามารถทำงานได้หลากหลาย เช่นเดียวกับซีพียูทั่วไป เพียงแต่ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถรวมส่วนประกอบอื่นๆ ของคอมพิวเตอร์ไว้ด้วยกัน เช่น หน่วยความจำ บัส และระบบ I/O จึงเปรียบเสมือนคอมพิวเตอร์บนชิป การใช้งานของไมโครคอนโทรลเลอร์มีความหลากหลายมาก ตั้งแต่การควบคุมอุณหภูมิหรือพารามิเตอร์อื่นๆ ผ่านเซ็นเซอร์ การสร้างเอาต์พุตตามสถานะของอินพุตเพื่อดำเนินการต่างๆ เป็นต้น จำนวนแอปพลิเคชันอาจมีมากมายมหาศาล ขีดจำกัดแทบจะขึ้นอยู่กับจินตนาการของคุณและความสามารถทางเทคนิคของไมโครคอนโทรลเลอร์เอง เนื่องจากไมโครคอนโทรลเลอร์มักจะมีขนาดหน่วยความจำและประสิทธิภาพที่จำกัด
ดังนั้นเมื่อเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ จะต้องพิจารณาปัจจัยหลายประการ เช่น ความถี่ในการทำงานของอุปกรณ์ สถาปัตยกรรมที่ใช้เป็นพื้นฐาน หน่วยความจำที่พร้อมใช้งานจำนวนพินที่ใช้งานได้ และประเภทและจำนวนของส่วนประกอบภายนอกที่จำเป็น โชคดีที่มีผู้ผลิตและรุ่นไมโครคอนโทรลเลอร์ให้เลือกมากมาย ตั้งแต่แบบง่ายที่สุดไปจนถึงแบบซับซ้อนที่สุด รวมถึงบางรุ่นที่เสริมความแข็งแกร่งเพื่อทนต่อสภาวะที่รุนแรงในอวกาศ อุปกรณ์ทางทหาร เครื่องจักรอุตสาหกรรม และอื่นๆ อีกมากมาย
PIC คืออะไร?
บริษัท Microchip ได้พัฒนาไมโครคอนโทรลเลอร์รุ่นต่างๆ ที่ได้รับความนิยมอย่างมากในตลาด เช่น รูปภาพที่มีชื่อเสียงของมันกลุ่มของอุปกรณ์ที่มีขนาดเวิร์ดต่างกัน เช่น อุปกรณ์ 16 บิต ซึ่งสามารถมีความยืดหยุ่นสูงในการเขียนโปรแกรมและดำเนินการฟังก์ชันต่างๆ ได้มากมาย
นอกจากนี้พวกเขายังมี ระบบนิเวศที่เข้ากันได้อย่างน่าอัศจรรย์ซึ่งทำให้สิ่งต่างๆ ง่ายขึ้นมากสำหรับนักพัฒนาที่ใช้พวกมัน รวมถึงสำหรับโปรแกรมเมอร์ที่มี IDE ที่เข้ากันได้อย่างสมบูรณ์สำหรับการเขียนโปรแกรมโค้ดที่จำเป็น
แน่นอน, PIC ไม่ใช่สถาปัตยกรรมเพียงอย่างเดียวนอกจากนี้ยังมี AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M เป็นต้น
สถาปัตยกรรมและการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์
แม้ว่าอาจดูซับซ้อนในการทำให้ทุกอย่างบูรณาการ เช่น ระบบซีพียู หน่วยความจำ และ I/Oความจริงก็คือไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นเรียบง่ายกว่าซีพียูหรือจีพียูขั้นสูงหลายตัวที่ใช้ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ ซีพียูที่รวมอยู่ในไมโครคอนโทรลเลอร์เหล่านี้มักจะเรียบง่ายกว่า เช่น ซีพียูจากหลายทศวรรษก่อน (เช่น 8051 ของ Intel) อันที่จริง ไมโครคอนโทรลเลอร์หลายตัวใช้สถาปัตยกรรมที่พัฒนาขึ้นเมื่อหลายทศวรรษก่อน
MCU ยังสามารถนำองค์ประกอบเพิ่มเติมหรือองค์ประกอบเฉพาะอื่นๆ มาใช้ได้อีกด้วย เช่น การประมวลผลสัญญาณแอนะล็อก การควบคุมฮาร์ดแวร์ภายนอก หรือการมีระบบจับเวลาเฝ้าระวังในตัวเพื่อรีเซ็ตชิปในกรณีที่เกิดความผิดพลาดจากการเขียนโปรแกรม สถาปัตยกรรมชิปสามารถกำหนดค่าหรือตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดค่าอุปกรณ์ใหม่สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันได้
นอกจากนี้ยังไม่ต้องการความจุหน่วยความจำขนาดใหญ่ (อาจเป็นหน่วยความจำประเภท RAM, รีจิสเตอร์, ROM เช่น EEPROM, แฟลช ฯลฯ) และโดยทั่วไปแล้วจะมีเฉพาะ ไม่กี่ KB หรือ MB IDE มีความสามารถในการโฮสต์โปรแกรมที่จำเป็นต่อการทำงานต่างๆ ทั้งหมดนี้จะถูกโหลดลงในชุดคำสั่งและข้อมูลที่ IDE จะสร้างจากซอร์สโค้ดการเขียนโปรแกรมระดับสูงที่นักพัฒนามักใช้
ประเภทของไมโครคอนโทรลเลอร์
อย่างที่คุณคงนึกออก มีหลายสิ่ง ประเภทของไมโครคอนโทรลเลอร์แต่ละอันมีคุณลักษณะและความสามารถที่แตกต่างกัน ดังนั้นการใช้งานจะแตกต่างกันมาก
ผมได้กล่าวไปแล้วว่าปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์คือความถี่ในการทำงานและจำนวนหน่วยความจำที่มีอยู่ ความต้องการของแอปพลิเคชันจะเป็นตัวกำหนดความถี่ในการทำงาน แต่โดยทั่วไปแล้ว การเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดจะดีที่สุด วิ่งให้ช้าที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ขณะเดียวกันยังคงตอบสนองความต้องการโดยมุ่งเน้นความเสถียรและความน่าเชื่อถือที่มากขึ้นเนื่องจากแอปพลิเคชันที่สำคัญซึ่งชิปประเภทนี้มักจะถูกอุทิศให้กับ
ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้ที่ไหน?
ไมโครคอนโทรลเลอร์ มีการใช้ในแอปพลิเคชั่นที่หลากหลายดังที่ผมได้กล่าวไปแล้ว คุณจะเห็นพวกมันในเครื่องใช้ในครัวเรือนและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด ในยานพาหนะบนบก ทางทะเล และทางอากาศ ดาวเทียมและยานอวกาศ จรวด เครื่องจักรอุตสาหกรรม และอื่นๆ อีกมากมาย ตัวอย่างที่รู้จักกันดี ได้แก่:
- ยานยนต์:มีการใช้ในยานยนต์หลายประเภทเพื่อควบคุมระบบอิเล็กทรอนิกส์บางอย่างของรถยนต์ ตัวอย่างเช่น มักใช้ในระบบการจัดการเครื่องยนต์สมัยใหม่เพื่อควบคุมการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงและจังหวะการจุดระเบิด นอกจากนี้ยังพบได้ในระบบออนบอร์ดอื่นๆ เช่น ระบบควบคุมระบบส่งกำลัง
- อุตสาหกรรมคุณยังสามารถพบสิ่งเหล่านี้ได้ในเครื่องจักรอุตสาหกรรมหลากหลายประเภทและทุกภาคส่วน พวกมันถูกนำไปใช้ในระบบที่หลากหลาย เช่น การตรวจสอบและควบคุมเครื่องจักร การควบคุมกระบวนการ และการเก็บรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูล
- การบริโภคไมโครคอนโทรลเลอร์ถูกนำมาใช้มากขึ้นในอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภค เช่น เครื่องใช้ในครัวเรือน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในบ้าน เป็นต้น แม้แต่คอมพิวเตอร์ก็มักจะมีไมโครคอนโทรลเลอร์หลายตัวเพื่อทำงานที่แตกต่างกัน นอกเหนือจาก CPU, GPU เป็นต้น
- คมนาคม: มีการใช้โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบความถี่วิทยุหรือระบบสื่อสารประเภทอื่นๆ ใช้ในทั้งเครือข่ายคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์สื่อสารวิทยุ
- ระบบอัตโนมัติในบ้านแน่นอนว่าไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นกุญแจสำคัญสำหรับระบบอัตโนมัติภายในบ้าน โดยทำหน้าที่ควบคุมงานประจำวันต่างๆ ในบ้านอัจฉริยะให้ทำงานอัตโนมัติ ไมโครคอนโทรลเลอร์มักถูกนำไปใช้ในเซ็นเซอร์และอุปกรณ์อื่นๆ ที่ควบคุมและตรวจสอบระบบต่างๆ ภายในบ้าน เช่น ระบบรดน้ำอัตโนมัติ การยกหรือลดม่านตามสภาพแสง และอื่นๆ
- ยาไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้ในแอปพลิเคชันทางการแพทย์มากมาย ตั้งแต่อุปกรณ์ในโรงพยาบาลไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ฝังไว้เพื่อควบคุมพารามิเตอร์ทางชีวการแพทย์บางอย่าง เครื่องกระตุ้นหัวใจ ฯลฯ
- ทหาร:และแน่นอนว่าพวกมันถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชันทางทหารที่หลากหลาย เช่น ระบบอาวุธ ระบบควบคุมการบิน และระบบเซ็นเซอร์
ข้อดีและข้อเสียของ MCU
ข้อดีของการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์
การใช้ ไมโครคอนโทรลเลอร์มีข้อดีหลายประการ เมื่อเทียบกับอุปกรณ์อื่นๆ ที่สามารถใช้งานแอปพลิเคชันเดียวกันได้ จุดเด่นประกอบด้วย:
- ความต้องการพลังงานต่ำเป็นพิเศษ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่ หรือระบบฝังตัวหรือติดผนังที่ใช้พลังงานต่ำ
- มีเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว จึงเหมาะกับการใช้งานแบบฝังตัวที่ต้องการการควบคุมแบบเรียลไทม์
- ความสามารถในการตั้งโปรแกรมให้ทำงานฟังก์ชันต่างๆ ได้หลากหลาย ต่างจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเดินสายที่ทำได้เพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง มักสามารถทำงานที่ซับซ้อนได้ ซึ่งหากใช้ส่วนประกอบแยกชิ้น จะทำได้ยากหรือทำไม่ได้เลย จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการโซลูชันเฉพาะ
- มีให้เลือกหลายแพ็คเกจ ทำให้ปรับแต่งแอปพลิเคชันให้เหมาะกับความต้องการเฉพาะได้อย่างง่ายดาย
- ข้อดีอีกประการหนึ่งของไมโครคอนโทรลเลอร์คือต้นทุนที่ต่ำ
- มีจำหน่ายในแพ็คเกจขนาดเล็กซึ่งช่วยให้ติดตั้งได้ง่ายในแอพพลิเคชั่นที่หลากหลาย
ข้อจำกัดของไมโครคอนโทรลเลอร์
อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าทุกอย่างจะเป็นข้อได้เปรียบในไมโครคอนโทรลเลอร์ แต่ก็มี ข้อเสียบางประการ ซึ่งก็เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องเน้นย้ำเช่นกัน ตัวอย่างเช่น:
- ความสามารถในการตั้งโปรแกรมให้ทำงานหลากหลายฟังก์ชันทำให้วงจรมีความยืดหยุ่นสูง แต่ก็ทำให้การแก้ไขปัญหาทำได้ยากเช่นกัน หากวงจรทำงานไม่ถูกต้อง การหาสาเหตุอาจเป็นเรื่องยากมาก เพราะปัญหาอาจเกิดจากโปรแกรมที่ผิดพลาดหรือปัญหาฮาร์ดแวร์
- นอกจากนี้ แอปพลิเคชันที่ซับซ้อนอาจต้องใช้หน่วยความจำจำนวนมากและประสิทธิภาพการประมวลผลที่เหนือกว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่ในตลาด
- การที่ภาษาโปรแกรมระดับสูงของพวกเขาไม่มีอยู่จริงนั้นจำกัดทางเลือกของพวกเขา เนื่องจากพวกเขาประมวลผลคำสั่งภาษาเครื่องระดับต่ำ จึงอาจเป็นเรื่องยากที่จะเปลี่ยนแปลงโปรแกรมหรือแก้ไขปัญหาฮาร์ดแวร์
ไมโครคอนโทรลเลอร์ใน IoT
ความเรียบง่ายของไมโครคอนโทรลเลอร์ทำให้ใช้งานง่ายใน อุปกรณ์ IoTเช่น ปลั๊กอัจฉริยะ สวิตช์อัจฉริยะ หลอดไฟอัจฉริยะ เซ็นเซอร์ความชื้น เซ็นเซอร์ควัน และอุปกรณ์อื่นๆ ที่เรียบง่าย อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ที่ซับซ้อนมักต้องการหน่วยความจำและพลังการประมวลผลที่มากขึ้น ซึ่งอาจทำให้การติดตั้งวงจรที่จำเป็นลงในอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดเป็นเรื่องยาก ส่งผลให้จำเป็นต้องเลือกใช้ CPU และหน่วยความจำที่มีความจุสูงกว่าแทน MCU
ยิ่งไปกว่านั้น ความอเนกประสงค์และข้อดีทั้งหมดที่เราได้กล่าวถึงข้างต้นนั้นน่าสนใจมากสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ที่ไม่ต้องการความจุหน่วยความจำสูงหรือประสิทธิภาพการประมวลผลสูง นอกจากนี้ อุปกรณ์เหล่านี้จำนวนมาก อุปกรณ์ต่างๆ ต้องใช้แบตเตอรี่ดังนั้นไอซีพลังงานต่ำเหล่านี้จึงเหมาะอย่างยิ่ง
Arduino คืออะไร?
ฉันแน่ใจว่าคุณรู้จักเขาแล้ว แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ เป็นบอร์ดพัฒนาไมโครคอนโทรลเลอร์แบบโอเพนซอร์สที่ได้รับความนิยม ราคาไม่แพงและรองรับโปรเจกต์หลากหลายรูปแบบที่สามารถทำได้อย่างง่ายดาย ไม่ว่าจะเป็นมือสมัครเล่น เด็กที่เพิ่งเริ่มต้นเขียนโปรแกรม อิเล็กทรอนิกส์ หุ่นยนต์ หรือแม้กระทั่งการใช้งานระดับมืออาชีพ ทั้งหมดนี้ต้องขอบคุณชุมชนและระบบนิเวศที่กว้างขวาง มีทั้ง IDE ที่สมบูรณ์ เวอร์ชันที่หลากหลายเพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลาย อุปกรณ์เสริมที่มีให้เลือกใช้ และอื่นๆ อีกมากมาย
บอร์ด Arduino เหล่านี้เขียนโปรแกรมโดยใช้ภาษา C/C++ ที่พัฒนาโดย Arduino ภาษานี้เข้าใจง่ายและใช้งานได้ง่ายสำหรับผู้เริ่มต้น แต่ทรงพลังพอที่จะสร้างโปรเจกต์ที่ซับซ้อนบนคอมพิวเตอร์ของคุณได้ Arduino IDEความนิยมของ Arduino ทำให้การค้นหาแหล่งข้อมูล ชิ้นส่วน และบุคคลอื่นๆ ที่สนใจโปรเจกต์ประเภทเดียวกันเป็นเรื่องง่าย ดังนั้น ไม่มีอะไรจะดีไปกว่าการเริ่มต้นทำความคุ้นเคยและใช้งานไมโครคอนโทรลเลอร์ด้วย Arduino…
Arduino IDE คืออะไร?
อย่างที่ผมเคยบอกไว้ก่อนหน้านี้ Arduino มีข้อดีมากมาย IDE (สภาพแวดล้อมการพัฒนาแบบบูรณาการ)ซอฟต์แวร์นี้ช่วยให้คุณสร้างสเก็ตช์หรือเขียนโปรแกรมซอร์สโค้ด แล้วอัปโหลดไปยังหน่วยความจำของไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino โดยใช้สาย USB ที่เชื่อมต่อกับพีซี วิธีนี้จะช่วยให้ MCU สามารถรันโค้ดเหล่านี้เพื่อทำงานตามฟังก์ชันที่คุณต้องการได้
แน่นอนว่า Arduino IDE มาจาก โอเพ่นซอร์ส มันฟรี และใช้งานได้กับหลากหลายแพลตฟอร์ม ทั้ง macOS, Windows และ Linux ไม่เพียงแต่คุณจะสามารถเขียนโปรแกรมบอร์ด Arduino ได้เท่านั้น แต่ยังรองรับการเขียนโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์อื่นๆ ที่ใช้งานร่วมกันได้ เช่น AVR, PIC และอื่นๆ รวมถึงบอร์ดที่ใช้งานร่วมกับ Arduino ได้อีกด้วย...
ข้อดีของ Arduino และ Arduino IDE
สุดท้ายนี้ผมขอฝากไว้ว่า บางโครงการที่คุณสามารถสร้างได้ ด้วยแพลตฟอร์ม Arduino IDE และบอร์ดพัฒนา Arduino นี้ คุณยังสามารถทำสิ่งนี้ได้โดยใช้ภาษาโปรแกรมระดับสูงนี้ โดยปล่อยให้ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถเข้าใจการแปลเป็นรหัสเครื่อง (เลข 1 และ 0) ได้ด้วย คุณยังสามารถใช้ภาษาแบบบล็อกสำหรับผู้ที่ไม่รู้วิธีการเขียนโปรแกรมหรือสำหรับเด็กได้อีกด้วย
โครงการต่างๆ สามารถมีความหลากหลายได้มาก ตั้งแต่การสร้างสัญญาณเตือนแบบง่ายๆ ไปจนถึงการพัฒนาระบบชลประทานที่ซับซ้อนสำหรับสวน รวมถึงระบบอัตโนมัติในบ้าน การตรวจสอบพารามิเตอร์ ระบบอัตโนมัติงาน ฯลฯ อย่างที่ฉันได้กล่าวไปตอนต้น ขีดจำกัดแทบจะเป็นจินตนาการของคุณ.
นอกจากนี้ยังมีชุมชนขนาดใหญ่ที่พร้อมจะช่วยเหลือคุณ รวมถึงอีกมากมาย ส่วนเสริมและชุดอุปกรณ์ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับ Arduinoซึ่งจะทำให้คุณทำงานได้ง่ายขึ้นมาก ไม่เหมือนกับการเริ่มต้นด้วยชิปอย่าง PIC หรือ 8051 แล้วต้องสร้างทุกอย่างขึ้นมาใหม่เกือบหมด...
ตอนนี้คุณคุ้นเคยกับโลกของไมโครคอนโทรลเลอร์แล้ว และรู้แล้วว่าคุณสามารถเริ่มต้นจากที่บ้านหรือที่โรงเรียนได้อย่างไร...