Застосування мікроконтролера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Застосування мікроконтролера

Вступ

Мікроконтролер (скорочено мкКл, UC або MCU) являє собою програмована інтегральна схема здатна виконувати замовлення, записані в його пам'яті. Складається з декількох функціональних блоків, які можуть виконати певне завдання. Мікроконтролер включає трьох основних функціональних вузлів комп'ютера: центральний процесор, пам'ять і периферичної введення / виводу.

Деякі мікроконтролери можуть використовувати чотири-бітних слова і працюють на тактових частотах, як низько як 4 кГц, з низьким енергоспоживанням (мВт або мікроват). У них зазвичай є здатність підтримувати функціональність в очікуванні події, такі як натискання кнопки або іншого переривання, енергоспоживання під час сну (частоти процесора і периферійних-самих) може бути тільки нановат, роблячи багато з них добре підходить для додатків з тривалим часом автономної роботи.

Коли він виготовлений, мікроконтролер не містить даних в ROM. Таким чином, ви можете управляти деякими процесами необхідними для генерації або зареєструватися, а потім записати в EEPROM мікроконтролера або іншим еквівалентними програмами, які можуть бути записані на асемблері або іншій мові для мікроконтролерів, але для програми, яка буде записана в мікроконтролер пам'яті повинні бути закодовані в шістнадцятковій системі числа.

Історія

З появою однокристальних мікро-ЕОМ пов'язують початок ери масового застосування комп'ютерної автоматизації в галузі управління. Мабуть, ця обставина і визначило термін " контролер " (англ. controller - регулятор, керуючий пристрій) . У зв'язку зі спадом вітчизняного виробництва і збільшеним імпортом техніки, у тому числі обчислювальної, термін " мікроконтролер " (МК) витіснив з ужитку раніше використовувався термін " однокристальна мікро- ЕОМ". Перший патент на однокристальну мікро- ЕОМ був виданий в 1971 році інженерам М. Кочрену і Г. Буну, працівникам американської Texas Instruments. Саме вони запропонували на одному кристалі розмістити не тільки процесор, але і пам'ять з пристроями введення -виведення.

У 1976 році американська фірма Intel випускає мікроконтролер i8048 . У 1978 році фірма Motorola випустила свій перший мікроконтролер MC6801, сумісний за системою команд з випущеним раніше мікропроцесором MC6800. Через 4 роки, в 1980 році, Intel випускає наступний мікроконтролер: i8051 . Вдалий набір периферійних пристроїв, можливість гнучкого вибору зовнішньої або внутрішньої програмної пам'яті і прийнятна ціна забезпечили цьому мікроконтролеру успіх на ринку. З точки зору технології мікроконтролер i8051 був для свого часу дуже складним виробом - в кристалі було використано 128 тис. транзисторів, що в 4 рази перевищувало кількість транзисторів в 16- розрядному мікропроцесорі i8086 . На сьогоднішній день існує більше 200 модифікацій мікроконтролерів, сумісних з i8051, що випускаються двома десятками компаній, і велика кількість мікроконтролерів інших типів. Популярністю у розробників користуються 8 -бітові мікроконтролери PIC фірми Microchip Technology і AVR фірми Atmel, 16 -бітові MSP430 фірми TI, а також 32 -бітові мікроконтролери, архітектури ARM, яку розробляє фірма ARM Limited і продає ліцензії іншим фірмам для їх виробництва. Незважаючи на популярність в Росії мікроконтролерів згаданих вище, за даними Gartner Grup від 2009 року світовий рейтинг за обсягом продажів виглядає інакше: перше місце з великим відривом займає Renesas Electronics на другому Freescale, на третьому Samsung, потім йдуть Microchip і TI, далі всі інші.

У СРСР велися розробки оригінальних мікроконтролерів, також освоювався випуск клонів найбільш вдалих зарубіжних зразків.

У 1979 році в СРСР НДІ ТТ розробили однокристальну 16 - розрядну ЕОМ К 1801ВЕ 1, мікроархітектура якої називалася "Електроніка НЦ ".

Опис

При проектуванні мікроконтролерів доводиться дотримувати баланс між розмірами і вартістю з одного боку і гнучкістю і продуктивністю з іншою. Для різних застосувань оптимальне співвідношення цих і інших параметрів може розрізнятися дуже сильно. Тому існує величезна кількість типів мікроконтролерів, що відрізняються архітектурою процесорного модуля, розміром і типом вбудованої пам'яті, набором периферійних пристроїв, типом корпусу.

В той час, як 8-розрядні процесори загального призначення повністю витиснені продуктивнішими моделями, 8-розрядні мікроконтролери продовжують широко використовуватися. Це пояснюється тим, що існує велика кількість застосувань, в яких не потрібна висока продуктивність, але важлива низька вартість. В той же час, є мікроконтролери, з більшими обчислювальними можливостями, наприклад цифрові сигнальні процесори.

У багатьох моделях мікроконтролерів використовується статична пам'ять для ОЗП і внутрішніх регістрів. Це дає контролеру можливість працювати на менших частотах і навіть не втрачати дані при повній зупинці тактового генератора. Часто передбачені різні режими енергозбереження, в яких відключається частина периферійних пристроїв і обчислювальний модуль. мікроконтролер програмований інтегральний

Окрім ОЗП, мікроконтролер може мати вбудовану незалежну пам'ять для зберігання програми і даних. У багатьох контролерах взагалі немає шин для підключення зовнішньої пам'яті. Найбільш дешеві типи пам'яті допускають лише одноразовий запис. Такі пристрої підходять для масового виробництва в тих випадках, коли програма контролера не оновлюватиметься. Інші модифікації контролерів мають можливість багатократного перезапису незалежної пам'яті. На відміну від процесорів загального призначення, в мікроконтролерах часто використовується гарвардська архітектура.

Базова архітектура мікроконтролера

Хоча спочатку все мікроконтролери прийняли класичну архітектуру фон Неймана, в цей момент архітектура Гарварда накладається. Архітектура фон Неймана характеризується тим, що єдині основної пам'яті, де дані та інструкції зберігаються як взаємозамінні. У такій пам'яті можна потрапити через одну системну шину (адреса, даних і управління). Архітектура Гарварда має два незалежних звітів одна з яких тільки інструкції та інші дані. Обидва мають свої власні системи шин можуть отримати доступ і виконувати доступ (читання або запис) одночасно в пам'яті обох типів.

Архітектура Гарварда має два окремих спогади для інструкцій і даних, що дозволяє одночасно доступи ПОС мікроконтролерів реагувати на гарвардську архітектуру.

Частини мікроконтролера

Процесор або CPU

Це найважливіший елемент мікроконтролера і визначає її основні особливості, апаратне і програмне забезпечення. Відповідальний за напрям пам'ять команд, отримавши інструкції OP код триває, декодування і виконання операції за участю розслідування і пошук операндів і сховища результатів. Є три директиви, що стосуються архітектури та функціональності сучасних процесорів.

· CISC: Bелика кількість процесорів, що використовуються в мікроконтролерах на основі CISC (Computer комплексного системі команд) філософія. Вони мають більш ніж 80 машинних команд в їх репертуарі, деякі з яких є дуже складним і потужним, що вимагають багато циклів для виконання. Одна з переваг CISC процесорів є те, що вони пропонують інструкціям програміст складні, які діють як макроси.

· У цих процесорів набір команд машина дуже маленький та інструкції прості і як правило, працюють по циклу. Простота і швидкість користувачем для оптимізації апаратного та програмного забезпечення процесора.

· SISC: У мікроконтролерів, призначених для дуже специфічних додатків, набір команд, до того ж скорочується, є " конкретним", тобто, інструкції розроблені з урахуванням потреб передбачуваного застосування. Ця філософія була названа SISC (Комп'ютерна гра Спеціальні інструкції).

Пам'ять

У мікроконтролерів пам'яті команд і даних інтегрована в самому чіпі. Партія повинна бути енергонезалежною Тип ПЗУ і призначена для утримання програмних інструкцій, що регулюють використання. Інший тип оперативної пам'яті є летючим і призначене для збереження змінних і даних. Є дві характеристики, які відрізняють персональні комп'ютери. Користувачі персональних комп'ютерів використовують для управління мегабайт пам'яті, але дизайнери працюють з мікроконтролерами ROM ємністю від 512 байт і 8 кілобайт оперативної пам'яті, а також між 20 і 512 байт. Залежно від наявних пам'яті ROM мікроконтролерів, застосування і використання їх по-іншому. П'ять версій незалежній пам'яті, які можна знайти в Marketplace мікроконтролерів описані:

· Маска ROM: Це енергонезалежній запам'ятовуючий пристрій, вміст якого записані під час виготовлення чіпа. Висока вартість дизайну маски робить тільки доцільно використовувати мікроконтролери з цим типом пам'яті при перевищенні кілька тисяч кількостях, які необхідні.

· ОТП: Мікроконтролер містить незалежну пам'ять тільки для читання "один раз програмований" користувача. ОТП (One Time Programmable) . Це користувач, який може написати програму з чіпом через простий рекордер, контрольованої програми з ПК. Версія OTP рекомендується при дуже короткий цикл проектування продукту або в будівництві прототипів і дуже малих серій. Обидва пам'яті, такий як EPROM, шифрування часто використовується з запобіжників для захисту контенту код.

· EPROM: Мікроконтролери, у яких є EPROM можна прати і перезаписувати безліч разів. Запис здійснюється, як і у випадку OTP, керований за допомогою рекордера з ПК. Якщо згодом ви захочете видалити вміст, мають скляне вікно на її поверхні, який піддається впливу УФ- пам'яттю протягом декількох хвилин. Капсули виготовлені з керамічного матеріалу і більш дороги, чим мікроконтролер з OTP пам'яті виготовлені з пластмаси.

· EEPROM: Він запам'ятовуючі, електрично затирається програмованої EEPROM. Обидва програмування і стирання, зроблено електрично від самого реєстратора і запрограмовані під управлінням ПК. Це дуже зручно і швидка операція травлення і стирання. Ні скла на поверхні особливість. Мікроконтролери оснащені EEPROM пам'яті при встановленні в ланцюзі можна записати і стерти так часто, як це потрібно, не буде видалений з схеми. Це " петля рекордери ", які дають велику гнучкість і швидкість, коли справа доходить до змін у програмі роботи використовуються. Кількість разів вона може бути записана і стерта пам'ять EEPROM звичайно, тому не рекомендується безперервне перепрограмування. Вони дуже підходять для викладання та інженерного проектування. Розповсюджується в тенденції виробників включати невелику площу в програмованих схем EEPROM пам'яті для зберігання і легко змінювати ряд параметрів, щоб відповідати пристрій до умов навколишнього середовища. Цей тип пам'яті відносно повільно.

· FLASH: Це енергонезалежній пам'яті, низьке енергоспоживання, яке можна записати і стирається. Він працює в якості ПЗУ і ОЗУ, але споживає менше і менше. На відміну від ROM, флеш- пам'ять може бути запрограмована в ланцюзі. Це швидше і більш високої щільності, ніж EEPROM. Альтернатива рекомендується Flash EEPROM, коли перед велику кількість незалежній пам'яті програм потрібно. Є швидше і переноситься більше циклів запису / стирання. У EEPROM і флеш-пам'яті дуже корисні, щоб мікроконтролери, які показують можна перепрограмувати "на ходу", тобто, не знімаючи комплексної плат. Таким чином, пристрій з такого роду вбудованої пам'яті до двигуна автомобіля дозволяє йому змінити програму для рутинної періодичного технічного обслуговування, компенсуючи виснаження і інші фактори, такі як стиснення, установці нових частин і т.д. Перепрограмування мікроконтролера може стати рутинною роботою в установці.

Двері і вихід

Основна утиліта ніг, мають капсулу, що містить мікроконтролер є підтримка лінії E / S на внутрішній комп'ютер зв'язок із зовнішніми периферійними пристроями. За периферійні драйвери, що належать кожній моделі мікроконтролера, лінії E / S призначений для надання підтримки вхідних сигналів, висновок і контроль.

Всі мікроконтролери мають схему генератора, який генерує високочастотну меандр, налаштуванні тактових імпульсів, що використовуються в синхронізації всіх операцій системи. Взагалі, схема годинник включені в мікроконтролер і тільки декілька зовнішніх компонентів необхідно вибрати для стабілізації частоти. Ці компоненти зазвичай складаються з кристала кварцу з зобов'язань або керамічний резонатор або RC елементів мережі . Збільшення тактової частоти означає скорочення часу, що інструкції виконуються, але несе з збільшенням споживання енергії.

Комунікаційні порти

· СЕРІЙНИЙ ПОРТ

Загальна доля цього пристрою з'єднано з іншим мікроконтролером або ПК, і в більшості випадків необхідно додати зовнішню схему для завершення комунікаційного інтерфейсу. Найпоширеніший спосіб, щоб завершити послідовний порт для зв'язку з ПК через (більш відомий як RS- 232) інтерфейс EIA - 232, який є, чому багато людей ставляться до UART або USART як RS- 232 як послідовний порт, але це помилка, так як цей пристрій може бути використано для з'єднання пристроїв за допомогою інших стандартів зв'язку. У промислових застосувань переважно використовувати RS- 485 для його вищого діапазону в відстані, швидкості та завадостійкості .

· SPI

Цей тип пристрою використовується для зв'язку з мікроконтролером мікроконтролера або інших зовнішніх периферійних пристроїв, підключених до нього, через простий інтерфейс. Існує тільки один контролер вузла, який дозволяє будь-якому журнал транзакцій, який є недоліком в складних системах, але його простота дозволяє гальванічну розв'язку безпосередньо через оптопар.

· I2C

Виконує ті ж функції, що і SPI, але вимагає менше сигнали зв'язку та будь-який вузол може ініціювати транзакцію. Він широко використовується для підключення відеокарт для персональних комп'ютерів з моніторами, так що остання доповідь своєї діяльності і включити відео автоконфігуратор.

· USB

Мікроконтролери ті, хто дозволили існування цієї системи зв'язку. Це система, яка працює для опитування (моніторингу) набору інтелектуальних периферійних пристроїв за допомогою майстра, як правило, на персональному комп'ютері. Кожен інтелектуальний спосіб неминуче регулюється мікроконтролером.

· ETHERNET

Це найпоширеніший у світі провідний системи локальних мереж. Найбільш потужні 32 - розрядні мікроконтролери використовуються для реалізації периферійного досить потужним, щоб вони могли отримати доступ безпосередньо від мережі. Багато малі підприємства домашні маршрутизатори будуються на основі системи мікроконтролера робить мозок.

· CAN

Цей протокол є тип CSMA / CD з толерантності до високих загального режиму напруг, орієнтований на реальному часі. Цей протокол є найбільш важливим в автомобільній промисловості (БД) стандартної. Також використовується як фізичного рівня " польову шину" для промислового контролю.

· КОМПАРАТОРИ

Вони засновані на операційних підсилювачах з характеристикою порівняння двох аналогових сигналів і виведення логічних рівнів '0 ' або '1 ' в залежності від результату порівняння аналогових схем. Це дуже корисно для виявлення змін в вхідних сигналів, що ми тільки периферійне цікаво знати, коли ви знаходитесь в певному діапазоні webetas

· ІМПУЛЬСНИЙ МОДУЛЯТОР

ШІМ (широтно-імпульсної модулятор) особливо корисний периферійний пристрій для керування двигуном, однак це додаток, який може бути виконано за допомогою даного пристрою, серед яких можна відзначити: DC / AC інвестицій ДБЖ, аналогові цифрові перетворення Ц / А, світло регулюється управління (діммірованія) та інші.

Архітектури мікроконтролерів

ЗАСТОСУВАННЯ МІКРОКОНТРОЛЕРІВ

Використання в сучасному мікроконтролері достатнього потужного обчислювального пристрою з широкими можливостями, побудованого на одній мікросхемі замість цілого набору, значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість побудованих на його базі пристроїв. Використовуються в управлінні різними пристроями та їх окремими блоками:

· в обчислювальній техніці : материнські плати, контролери дисководів жорстких і гнучких дисків, CD і DVD, калькуляторах.

· Eлектроніці і різноманітних пристроях побутової техніки, в якій використовується електронні системи управління: пральних машинах, мікрохвильових печах, посудомийних машинах, телефонах і сучасних приладах.

· У промисловості : пристроїв промислової автоматики - від програмованого реле та вбудованих систем до ПЛК,систем управління верстатами.

· У той час як 8 - розрядні процесори загального призначення повністю витіснені більш продуктивними моделями, 8 - розрядні мікроконтролери продовжують широко використовуватися. Це пояснюється тим, що існує велика кількість застосувань, в яких не потрібна висока продуктивність, але важлива низька вартість. У той же час, є мікроконтролери, що володіють великими обчислювальними можливостями, наприклад цифрові сигнальні процесори.

· Системи моніторингу, моніторингу та сігналізації, ліфти, опалення, кондиціювання Повітря, пожежної сигналізації, крадіжка.

Висновок

Motorola 68HC11 мікроконтролер і мікроконтролер-чіпи підтримка зазвичай має наступні компоненти: процесор або CPU (центральний процесор). Містять пам'ять для даних. Тип пам'яті ROM / ПРОМ / EPROM програми. Лінії E / S, щоб спілкуватися із зовнішнім. Різні модулі для контролю периферійних пристроїв. Продукти для регулювання включає в себе мікроконтролер мають наступні переваги: підвищення продуктивності: більший контроль над конкретним елементом являє собою значне поліпшення те ж саме. Підвищення надійності: шляхом заміни мікроконтролера через велику кількість елементів знижує ризик поломки і вимагає менше коригувань. Зменшення розміру готового продукту: Інтеграція на чіпі мікроконтролера знижує гучність, праці та запаси.

Размещено на Allbest.ru