Odabir mikrokontrolera za vaš projekt

Kada se suočavamo s izazovima vezanim uz stvaranje novog elektroničkog uređaja, potrebno je riješiti niz problema. Prvo, potrebno je odabrati prikladne komponente, što nije uvijek lako. U posljednjim godinama, mnoge komponente su bile teške za nabaviti, pa su ih ponekad morali brzo zamijeniti drugim elementima koji nude slične performanse, čak i po cijenu izrade nove PCB. Mikrokontroler je ključni element brojnih modernih uređaja. Odabir mikrokontrolera može se pokazati prilično jednostavnim, jer ovisi o našim vještinama ili dostupnoj opremi. Međutim, ponekad se moramo suočiti s novim izazovima, a tada moramo odgovoriti na brojne pitanja i uzeti u obzir različite kriterije.

• Precizan opis projekta
• Kriteriji odabira mikrokontrolera
  • Vrsta napajanja
  • Radna napetost
  • Broj pinova
  • Periferni moduli
  • Brzina jezgre i perifernog sustava
  • Dostupna memorija
  • Električna pouzdanost
  • Volumen

Odabir prikladnog mikrokontrolera jedan je od početnih koraka svakog projekta. Prilikom analize dostupnih sustava, trebaju se uzeti u obzir tri grupe, tj. mikrokontroleri s 8-, 16-, i 32-bitnim jezgrama. Ne postoje stroga pravila za odabir mikrokontrolera, ali postoji niz čimbenika koji bi trebali utjecati na vašu odluku. Ponekad, posebno na početku procesa implementacije projekta, teško je predvidjeti koje će značajke mikrokontrolera biti najrelevantnije za vašu aplikaciju. Na primjer, sposobnost rada u širokom temperaturnom rasponu ili dostupnost ugrađenih sučelja može spriječiti ispunjavanje zahtjeva za nisku potrošnju energije iz napajanja.

Opis projekta

Prilikom odabira komponenti uređaja, treba uzeti u obzir čimbenike kao što su parametri, cijena, dostupnost i oprema radionice. Ista pravila u potpunosti se primjenjuju na mikrokontrolere, koji su vrlo važni sastavni dijelovi. Odabir njih može biti još teži, ako uzmemo u obzir činjenicu da utječe na trenutne i buduće parametre ciljanog uređaja, kao i mogućnost stvaranja daljnjih verzija razvoja. Stoga je u ovoj fazi vrijedno identificirati i opisati potrebne zahtjeve, koji će ne samo olakšati odabir mikrokontrolera, već i pomoći u usporedbi svojstava i parametara različitih sustava.

Prvi dio takvog opisa trebao bi se odnositi na osnovne funkcionalnosti, tj. sadržavati popis svojstava koja će biti ključna za naš projekt. Trebalo bi uključivati sljedeće informacije:

• Koje su funkcije dizajniranog uređaja?
• Koji će biti ulazni i izlazni signali? Koje će biti njihove razine (napon i struja) i frekvencija?
• Hoće li uređaj komunicirati s okolinom? Ako da, kako? Hoće li biti potrebno bežično sučelje? Hoće li se podaci prikazivati na grafičkom prikazu?
• Koji će se podaci pohranjivati u memoriji i koliko prostora za pohranu će biti potrebno? Trebaju li ti podaci biti dostupni kada je napajanje isključeno/uključeno?
• Koliko brzo bi trebao biti odgovor na događaj?
• Koji će se jezik koristiti za razvoj kontrolne aplikacije (što utječe na veličinu RAM-a i memorije programa)?

Nakon toga, trebaju se analizirati projektna ograničenja:

• Koja je cijena ciljanog uređaja, koja utječe na troškove sklapanja i komponenti?
• Koja su ograničenja vezana uz napajanje? Je li to mobilni ili stacionarni uređaj? Koje je potrebno vrijeme rada nakon zamjene/ punjenja baterije?
• Koja je veličina ciljanog uređaja? Koja će se kućišta koristiti za smještaj?
• Je li uređaj dizajniran za industrijske, potrošačke ili posebne primjene?

Na temelju takvog popisa, mogu se procijeniti potrebni resursi mikrokontrolera. U tu svrhu mogu se specificirati zahtjevi za radnom memorijom, podacima i programom. Takvi čimbenici kao što su broj I/O pinova, periferne jedinice i potrebna brzina jezgre također se mogu procijeniti.

U ovoj fazi procesa razvoja specifikacije, preciznost nije bitna. Glavni cilj je samo procijeniti stvarne potrebe za usporedbu karakteristika i funkcija odabranih mikrokontrolerskih sustava. Na primjer, hardverska izvedba funkcija u načinu mirovanja, odgovor u stvarnom vremenu i otpornost na EMI smetnje tipične su osobine sustava opremljenih 8-bitnim jezgrama. 32-bitni mikrokontroleri trebali bi se odabrati za dizajn multitasking uređaja i osigurati takve karakteristike kao što su dinamičko upravljanje potrošnjom energije, visoka računalna snaga ili rad kontroliran operativnim sustavom.

Kriteriji odabira

Kako bismo odabrali prikladan mikrokontroler, razvili smo niz kriterija koje vrijedi uzeti u obzir. Trebali bi se smatrati općim smjernicama i poticajem za razmišljanje, navedeni prema njihovoj važnosti i očekivanim svojstvima uređaja, zajedno s vlastitim kriterijima koji nisu obrađeni u ovom članku. Neka pitanja će biti ključna u slučaju određenih uređaja, ali u slučaju drugih uređaja mogu se čak i izostaviti.

Vrsta napajanja

Mobilni uređaji obično se napajaju jednokratnim ili punjivim baterijama. Stoga, mikrokontroler ugrađen u takav uređaj mora trošiti što manje energije. Mikrokontroleri ugrađeni u uređaje koji se napajaju iz mreže (putem napajanja) također bi trebali biti energetski učinkoviti kako bi se uklopili u trenutne trendove vezane uz napredne aplikacije, ali u njihovom slučaju minimiziranje potrošnje energije nije tako vitalno pitanje.

Mikrokontroler koji kontrolira aplikaciju na baterije trebao bi imati vrlo visoko performansnu jezgru kako bi mogao izvršiti što više operacija nakon buđenja iz načina mirovanja, u kojem se nalazi većinu vremena (kako bi se minimizirala potrošnja energije). Stoga je sustav s 32-bitnom ARM jezgrom najbolji izbor za većinu mobilnih uređaja. Brzina mikrokontrolera u stacionarnom uređaju s vlastitim modulom napajanja važna je, ali samo za svrhe aplikacije.

U mobilnom uređaju, veliki broj mogućih stanja mirovanja mikrokontrolera je prednost. To je tipično za 32-bitne kontrolere, dok jednostavniji, 8-bitni modeli dolaze s jednim ili dva načina rada s smanjenom potrošnjom energije. Također se često događa da mikrokontroler može biti uključen ili isključen. To nije važno u slučaju mnogih aplikacija, ali neke naprednije mogu zahtijevati pokretanje većeg broja načina štednje energije. To pomaže minimizirati prosječnu potrošnju energije i produžiti vrijeme rada baterije.

Radna napetost

Radna napetost mora se uzeti u obzir u najmanje dva slučaja. Prvo, utječe na brzinu rada mikrokontrolera. Obično vrijedi pravilo da niža naponska napajanja rezultiraju sporijim radom jezgre, jer je i frekvencija takta niža. Vrijedi razmotriti ovaj aspekt prilikom planiranja brzine izvršenja koda. U slučaju međusobno povezanih vanjskih sustava, još jedno važno pitanje treba postaviti, tj. može li mikrokontroler napajan niskim naponom raditi, na primjer, s sučeljima koja zahtijevaju viši napon. To znači da se mora provjeriti jesu li takvi sustavi dostupni ili je potrebno koristiti posebne pretvarače ili mikrokontroler napajati višim naponom nego što je prvotno planirano.

Vrijednost napajanja također utječe na gubitke snage u jezgri, ali u većini aplikacija mikrokontrolera nije potrebno dodatno hlađenje.

Broj i vrste pinova

Broj I/O pinova u kućištu koje će se koristiti u ciljnoj aplikaciji još je jedan vitalni kriterij. Prilikom razmatranja ovog aspekta, aplikacija već mora biti "grubo" dizajnirana. To znači definiranje takvih stvari kao što su prikaz koji će se koristiti, metoda kontrole, mogući I/O sučeljski sustavi i način povezivanja s mikrokontrolerom. Također morate znati broj potrebnih bistabilnih (ulaznih i izlaznih) I/O pinova, broj planiranih tipki, analognih ulaza/izlaza itd. Tek nakon razmatranja ovih aspekata, možete procijeniti broj pinova i odabrati mikrokontrolersko kućište.

Očigledno, možete koristiti dodatne ekspander sustave s serijskim sučeljima, što znatno smanjuje potreban broj pinova, ali također komplicira proces odabira prikladnog softvera i ploča, te otežava proces puštanja u rad. Odabir mikrokontrolera u smislu broja pinova uvijek zahtijeva kompromis između onoga što je dostupno i truda uloženog u pisanje i puštanje u rad ciljne aplikacije.

Posebni, dodatni zahtjevi

Moderni mikrokontroleri prilično su dobro opremljeni ugrađenim perifernim modulima, među kojima su modeli koji olakšavaju izravnu kontrolu nad motorom ili inverterom. Drugi dolaze s pristojnim brojem ugrađenih PWM generatora, što olakšava kontrolu više servomotora u manipulatoru. Mnogi se mogu izravno povezati s USB sučeljem. Ugrađeni periferni moduli pojednostavljuju aplikaciju, ubrzavaju njezino djelovanje i smanjuju veličinu programskog koda. Također olakšavaju puno brže puštanje u rad. Definitivno vrijedi uzeti u obzir dostupnost perifernih modula i drugih posebnih funkcionalnosti prilikom odabira mikrokontrolera.

Odabir signala koji će se obrađivati također je vrlo važan. Ako je vaša aplikacija dizajnirana za obradu analognih signala, potreban je mikrokontroler visoke performanse s ispravnim brojem A/C pretvarača koji rade na potrebnoj frekvenciji uzorkovanja. Idealno, trebali bi biti dostupni periferni moduli koji poboljšavaju njihovo djelovanje, kao što su DMA, MAC (Multiply And Accumulate), DSP ili FPU jedinice. Tada se analogni signali mogu učinkovito obrađivati, bez potrebe za zadovoljenjem viših zahtjeva vezanih uz samu jezgru i njezine performanse.

Brzina rada jezgre i perifernog sustava

Izbor između hardverske i softverske implementacije funkcija ima važne posljedice za cjelokupni dizajn. To proizlazi iz činjenice da se morate odlučiti između niskih zahtjeva za računalnom snagom i jednostavnošću dizajna. Prilikom donošenja ove odluke, potrebno je obratiti pažnju na posljedice vašeg izbora. Na primjer, softverska implementacija UART sučelja moguća je, ali zahtijeva da CPU neprekidno nadzire signale na odabranom pinu ili da prekine izvršenje glavne programske niti, ako se odlučite implementirati prekide s I/O porta. Takva funkcionalnost može potrošiti veliki dio procesorske snage CPU-a i otežati rad drugih perifernih uređaja. Isto vrijedi i za grafički prikaz. Velika količina podataka koja se šalje može utjecati na brzinu izvršenja programa. U takvom slučaju, posebno kada se koristi visoko-razlučivi prikaz, može biti mnogo učinkovitije rješenje koristiti DMA za slanje podataka iz memorije putem hardverskog SPI, bez ikakve intervencije jezgre.

Dostupna memorija

Prema definiciji, operativni sustav nudi multitasking značajke i neovisno prelazi između različitih stanja stroja, što značajno pojednostavljuje programiranje. S druge strane, neovisno kodirana strojna mašina koristi mnogo manje memorije programa i podataka, zahtijeva manje računalne snage i može biti optimalno rješenje u smislu potreba aplikacije i brzine. Ova dva pristupa su učinkovita i često se koriste u praksi.

Operativni sustav zahtijeva značajno više memorijskih resursa nego neovisno kodirana aplikacija. Osim stvarnog programa, mora osigurati prostor za redundantne podatke, koji u ovom slučaju uključuju kod operativnog sustava pohranjenog u flash memoriji i njegove zahtjeve za radnom memorijom (stog, sistemske varijable, rukovanje prekidima, sučelja, itd.).

Obično, programi napisani u asembleru imaju manje zahtjeva za memorijom. Korištenje kompajlera visokog nivoa zahtijeva određenu količinu memorije za dodjeljivanje za stog programa i varijable. Kao što je ranije spomenuto, operativni sustav i program koji radi pod njegovom kontrolom zahtijevaju još više memorijskih resursa. Također se mora specificirati hoće li mikrokontroler raditi s grafičkim prikazom, jer tada flash memorija pohranjuje uzorke ikona ili druge grafičke elemente, koji obično dolaze u obliku bitmapa i zauzimaju puno prostora kada se pohranjuju zajedno s atributima boje.

Električna pouzdanost

U idealnoj aplikaciji, takvi čimbenici kao što su otpornost mikrokontrolera na fluktuacije napajanja, EMI smetnje ili prenaponi na I/O linijama se ne uzimaju u obzir. Međutim, u stvarnim uvjetima primjene, mikrokontroler je pod utjecajem ovih čimbenika, posebno u automobilskoj primjeni. Stoga su mikrokontroleri s 8-bitnom jezgrom ili međufazni mikrokontroleri s 16-bitnom jezgrom napajani s 5 V mnogo prikladniji za sustave vozila. U praksi, implementacija 32-bitne jezgre napajane naponom od 2.7 do 3.3 V je teška, jer rezultira većim rizikom od izloženosti EMI smetnjama. Takva se primjena može implementirati, ali je njezino puštanje u rad mnogo vremenski zahtjevnije.

Volumen proizvodnje

Prilikom odabira različitih komponenti (ne samo mikrokontrolera), treba odlučiti hoće li uređaj raditi kao komponenta industrijskog stroja koja se prodaje u samo nekoliko komada ili će se uvesti na potrošačko tržište u tisućama komada. U prvom slučaju, veličina kućišta i troškovi komponenti obično nisu problem, dok u drugom slučaju treba obratiti pažnju na komponente i njihove cijene, ali i na način ugradnje na ciljnu ploču.

Okruženje rada, softverski alati

Danas postoji širok izbor izvrsnih, besplatnih, kompajlera visokog nivoa, editora, debuggers, simulatora i drugih hardverskih i softverskih alata kompatibilnih s brojnim modelima mikrokontrolera. Stoga, često ovaj kriterij neće biti od velike važnosti, ali to nije uvijek slučaj. Ako dizajnirate uređaj za automobilske ili zrakoplovne primjene, morate koristiti odobrene softverske alate, koji nisu jeftini i ograničavaju izbor na specifične obitelji čipova koje često nude samo određeni proizvođači. Dizajner koji gradi novi uređaj za potrošačko tržište (na primjer, kontroler za igračke) ima mnogo više slobode.

Prilikom odabira vrste sustava ili IDE okruženja, treba obratiti pažnju na dostupnost biblioteka funkcija. Često, proizvođači sustava rade ogroman posao za programere, stvarajući funkcije i rutine koje su odgovorne za upravljanje brojnim funkcionalnostima i perifernim modulima, tj. za dodirna sučelja, prikaze, komunikacijska sučelja, PWM generatore itd. Standardizirani kodni fragmenti testirani u laboratorijima proizvođača mogu značajno ubrzati proces stvaranja programa i smanjiti vrijeme provedeno na određenom projektu. Također vrijedi ponovno koristiti prethodno napisani kod, pa je odabir proizvođača čipova koji opskrbljuje razne mikrokontrolere programirane na isti način i s istim alatima često razumna ideja.

Završne napomene

Kada su svi kriteriji analizirani i potrebni kompromis definiran, možete početi tražiti mikrokontroler koji ispunjava određene zahtjeve vezane uz projekt. Nažalost, unatoč mnoštvu dostupnih sustava, odabir savršenog modela često je problem. Ponekad ste prisiljeni odustati od određenih opcija, jer one kompliciraju dizajn i istovremeno povećavaju njegove troškove. U takvim slučajevima, nije samo cijena mikrokontrolera ta koja je važna, već i trošak opreme potrebne za njegovo puštanje u rad i testiranje značajki gotovog proizvoda, kao i trošak perifernih sustava potrebnih za implementaciju određene funkcionalnosti. Često, uvođenje dodatne funkcionalnosti rezultira povećanjem razine složenosti testiranja i može značajno produžiti vrijeme marketinga uređaja. Vaše mogućnosti u radionici također su važne. Ponekad je pisanje sustava zalemljenog u ploču (in-circuit) jedina dostupna opcija programiranja. Srećom, to nude većina, ali ne i svi, moderni mikrokontroleri.

Transfer Multisort Elektronik (TME) jedan je od najvećih svjetskih distributera elektroničkih komponenti, elektrotehničkih dijelova, radioničke opreme i industrijske automatizacije. Katalog uključuje više od 1.500.000 proizvoda od 1.300 vodećih proizvođača. Moderna logistička središta TME-a u Łódźu i Rzgówu (Poljska), s ukupnom površinom većom od 40.000 m², svakodnevno šalju gotovo 6.000 paketa kupcima u više od 150 zemalja.

TME također ulaže u razvoj znanja i vještina mladih inženjera i zaljubljenika u elektroniku putem projekta TME Education te podržava tehnološku zajednicu organiziranjem serije događaja TechMasterEvent, koji promiču inovacije i razmjenu iskustava.