Microcontrollers in ingebedde systemen: ontwerp, selectie en best practices

Slimme apparaten, apparaten en systemen zijn nu diep geïntegreerd in het dagelijks leven, van thuisautomatisering tot industriële processen.Deze systemen vertrouwen op een centrale verwerkingseenheid om beslissingen te nemen en taken uit te voeren.In het geval van slimme elektronica wordt deze rol gespeeld door een ingebed systeem.Een ingebed systeem is een gespecialiseerde printplaat, vaak aangeduid als een PCBA (gedrukte printplaat-assemblage), die een microcontroller omvat-een compacte, zelfstandige computereenheid die is ontworpen voor specifieke functies.In tegenstelling tot algemene computers zoals desktops en laptops, zijn microcontrollers geoptimaliseerd voor speciale taken en werken ze zonder meerdere applicaties uit te voeren.Het ontwerpen van efficiënte ingebedde systemen vereist een sterk begrip van functies en mogelijkheden voor microcontroller.

Catalogus

Figuur 1: Microcontrollers: de hersenen van slimme elektronica overal

Hoe microcontrollers worden gebruikt

Embedded System -ontwerp werd van oudsher bekend als microprocessing, een term die voortkwam uit het gebruik van microprocessors (MPU's).Een microprocessor is in wezen de centrale verwerkingseenheid (CPU) van een systeem, waarbij externe componenten effectief moeten functioneren.Een microcontroller (MCU) integreert daarentegen alle benodigde computerelementen - zoals geheugen-, verwerkingsvermogen en invoer-/uitvoerinterfaces - in een enkel geïntegreerd circuit (IC).Deze compacte integratie maakt MCU's geschikter voor ingebedde toepassingen waar ruimte, efficiëntie en kostenbeperkingen van cruciaal belang zijn.

De toenemende acceptatie van printplaten uitgerust met deze IC's leidde tot de bredere term "ingebedde systemen".Hoewel microcontrollers zijn geëvolueerd, blijft hun fundamentele architectuur vergelijkbaar met traditionele computers, waaronder essentiële componenten zoals RAM, ROM, een klok of timer, een CPU en I/O -interfaces.

De meeste microcontrollers worden geleverd met ingebouwde ROM (zoals EPROM of EEPROM) vooraf geladen met firmware die is ontworpen om specifieke functies uit te voeren.Moderne microcontrollers maken echter steeds meer gebruik van flashgeheugen, wat flexibel programmeren en herprogrammeren mogelijk maakt.Dit is met name handig voor ontwikkelingsborden, waarbij de firmware off-bord kan worden bijgewerkt voordat ze naar het uiteindelijke systeem worden overgebracht.In veel gevallen zijn in-circuitprogrammering en foutopsporing ook mogelijk als het systeem externe gegevens en stroomoverdracht ondersteunt via zijn businterface.

De snelle uitbreiding van slimme technologie heeft uitgebreide microcontroller -toepassingen buiten consumentenapparaten.Tegenwoordig spelen ze een essentiële rol in industriële automatisering, procescontrole en productiesystemen.Hieronder staan ​​enkele belangrijke toepassingen van microcontrollers:

Veel voorkomende microcontroller -toepassingen

Industriële automatisering - gebruikt in robotica, motorbesturing en geautomatiseerde productielijnen.

Apparaatprocesregeling - gevonden in temperatuurregelaars, feedbacksystemen en industriële machines.

Data Acquisition (DAQ) en signaalverwerking - essentieel voor het verzamelen, analyseren en verzenden van sensorgegevens.

Internet of Things (IoT) -systemen - dienen als de ruggengraat van verbonden apparaten in slimme huizen en industriële IoT -applicaties.

Standalone geautomatiseerde producten-gebruikt in automaten, selfservicekiosken en geautomatiseerde beveiligingssystemen.

Op sensor gebaseerde bewerkingen-toegepast in bewegingsdetectie, omgevingsmonitoring en slimme landbouw.

Belangrijkste kenmerken van microcontrollers

Microcontrollers zijn er in vele variëteiten en het kiezen van de juiste hangt af van de vereisten van de specifieke toepassing.Een goed gestructureerd ontwerp moet de functies van de microcontroller overeenkomen met het beoogde gebruik.Een van de meest gebruikte microcontroller-families is de PIC-serie van microchip-technologie, inclusief de krachtige PIC32mk.

De PIC32mk microcontroller

Figuur 2: 64-pins PIC-32 MCU in TQFP-pakket

De PIC32mk is een 32-bit microcontroller die beschikbaar is in meerdere pakketopties, waaronder 64-pins TQFP, 64-pins QFN en 100-pins TQFP.Deze microcontroller is geoptimaliseerd voor motorbesturingstoepassingen, maar kan ook verschillende ingebed systeemtaken verwerken.Belangrijke specificaties zijn onder meer:

Kern- en verwerkingsmogelijkheden

MIPS32® MicroAptiv ™ Core met een drijvende punteenheid (FPU)

Geavanceerde geheugenregeling voor efficiënte gegevensverwerking

Tot 16 kb flash -geheugen

Analoge en digitale functies

7 ADC-modules voor precieze analoog-naar-digitale conversie

3 12-bit capacitieve analoog-naar-digitale converters (CDAC's)

4 Operationele versterkers (op-AMP's) en 5 comparators

Timers en signaalverwerking

Tot 14 16-bit of 8 32-bit timers, plus een extra 16-bit timer

6 kwadratuurcoderinterface (QEI) 32-bit timers voor bewegingsopleiding

16 Input Capture -modules en 16 uitgangsvergelijkingsmodules

Een realtime klok- en kalendermodule

Communicatie -interfaces

4 kunnen busmodules voor automotive en industriële toepassingen

6 UART -modules voor seriële communicatie

6 SPI/I2S -modules voor perifere verbindingen

Maximaal 2 USB-controllers met volledige snelheid

Motorbesturing en speciale functies

Motorbesturingspulsbreedtemodulatie (PWM) mogelijk

Motorecoderinterface voor precieze snelheid en positie volgen

Interne temperatuursensor voor thermische monitoring

Incircuit Serial Programming ™ (ICSP ™) ondersteuning

JTAG -interface voor foutopsporing en testen

De architectuur van de PIC32MK integreert functies die de behoefte aan extra componenten verminderen, met name in motorbesturingstoepassingen.Dit vereenvoudigt de PCB -lay -out en vermindert de systeemcomplexiteit.

Figuur 3: PIC32mk Block Diagram

Alternatief 32-bit PIC-microcontrollers

Hoewel de PIC32MK een krachtige keuze is, bieden andere 32-bit PIC-microcontrollers uit Microchip verschillende prestatieniveaus, geheugenconfiguraties en stroomverbruiksprofielen.Sommige alternatieven zijn onder meer:

PIC32MZ -serie

PIC32MZ EF - 252 MHz, 512 KB tot 2 MB Flash, 128 tot 512 kb Sram

PIC32MZ DA - 200 MHz, 1 tot 2 MB Flash, 256 tot 640 kb Sram

PIC32MX -serie

PIC32MX 3/4 - 80 tot 120 MHz, 32 tot 512 kb Flash, 8 tot 128 kb Sram

PIC32MX 5/6/7 - 80 MHz, 64 tot 512 KB Flash, 16 tot 128 kb Sram

PIC32MX 1/2 XLP - 72 MHz, 128 tot 256 kb Flash, 32 tot 64 kb Sram

PIC32MX 1/2/5 - 50 MHz, 16 tot 512 KB Flash, 4 tot 64 kb Sram

Andere microchip -microcontrollers

PIC32cm MC - ARM® Cortex® Core, 48 MHz, 64 tot 128 kb Flash, 8 tot 16 kb Sram

PIC32mm - 25 MHz, 16 tot 256 kb flits, 4 tot 32 kb Sram

Voor eenvoudiger toepassingen biedt microchip ook 8-bit en 16-bit microcontrollers, die verminderde instructiesets en eenvoudiger programmering bieden met behoud van de efficiëntie.

Best practices voor ingebed PCBA -ontwerp

Figuur 4: PIC32mk Modelgegevens van Ultra Librarian

Bij het integreren van microcontrollers in PCB -ontwerpen, beïnvloeden verschillende factoren de prestaties en betrouwbaarheid:

Trace routing en bordindeling-De 64-pins configuratie van de PIC32MK vereist vaak een meerlagige PCB-ontwerp.Efficiënte sporenroutering en via plaatsing helpen de bordgrootte te minimaliseren met behoud van de signaalintegriteit.

Power Management - Juiste ontkoppelingscondensatoren in de buurt van vermogenspennen stabiliseren spanningsniveaus en verminderen ruis.

Toegang van programmering-Om volledig te profiteren van in-circuit- en in-applicatieprogrammering, zorg er dan voor dat debuggen en programmeerkoppen toegankelijk zijn.

Thermische overwegingen-Componenten zoals de interne temperatuursensor maken realtime monitoring mogelijk, maar PCB-ontwerp moet ook de juiste strategieën voor warmtedissipatie bevatten, zoals grondvliegtuigen en thermische vias.