Încă din anii 1970, microcontrolerele, (numite, în engleză, MCU), au jucat un rol important în controlul diverselor produse auto, de consum și industriale. În prezent, acest rol s-a extins pentru a include produse portabile, fără fir și purtabile destinate Internetului Lucrurilor (IoT). Alături de IoT, asistența medicală a înregistrat, de asemenea, o creștere masivă și o adoptare a microcontrolerelor pe 8-biți într-o gamă largă de aplicații.
Electronica embedded bazată pe microcontrolere pe 8-biți necesită dispozitive capabile și eficiente din punct de vedere al costurilor pentru a fi competitive atunci când sunt produse în cantități mari (sute de mii sau uneori milioane de unități per aplicație). De exemplu, în aplicațiile auto, microcontrolerele pe 8-biți controlează multe subsisteme, cum ar fi scaunele și geamurile acționate electric, mânerele inteligente ale ușilor și chiar senzorii de presiune ai anvelopelor. Aceasta înseamnă că o diferență de preț de câțiva cenți este destul de importantă. Un alt aspect al costului aplicației, adesea ignorat în faza de proiectare, este costul de întreținere a milioane de dispozitive. Fiabilitatea și durabilitatea dispozitivelor pot fi îmbunătățite prin simplificarea codului și a hardware-ului, în loc să se bazeze pe redundanțe software.
Printre motivele pentru care microcontrolerele pe 8-biți continuă să prospere și să concureze de-a lungul anilor se numără abilitatea lor de a oferi valoare utilizatorului. Acest lucru a fost realizat prin inovații continue în multe domenii, dar mai ales în ceea ce privește memoria, consumul de energie, ambalarea și perifericele independente de nucleu (CIP).
Îmbunătățiri spectaculoase pe 8-biți
Pe măsură ce accentul pus pe IoT a crescut, iar orașe întregi sunt modernizate cu ajutorul dispozitivelor inteligente, abilitatea de a implementa inteligența la scară largă a devenit esențială pentru multe industrii. Aceste modernizări includ iluminatul stradal inteligent și monitorizarea detaliată a locurilor de parcare – nu doar un singur contor la intrarea în parcare. Pentru a crea un mediu compatibil cu IoT, microcontrolerele au nevoie de anumite caracteristici. Acestea se rezumă la trei funcționalități: abilitatea de a colecta date, de a procesa aceste date și apoi de a le comunica altor dispozitive conectate în rețea.
În multe cazuri, colectarea, prelucrarea și transferul de date pot fi realizate de un microcontroler pe 8-biți cu un convertor analog-digital (ADC) pe cip, în timp ce nucleul dispozitivului rămâne într-un mod de consum redus de putere. De exemplu, senzorii/indicatoarele dintr-o parcare inteligentă, iluminatul stradal conectat, grădinăritul urban automatizat și monitorizarea plantelor sunt candidate pentru această abordare. Pentru un sistem care funcționează zi și noapte, fiecare mW de putere, înmulțit cu alte mii de mW, poate avea un impact semnificativ asupra costurilor și eficienței energetice.
Beneficiile și valoarea oferită de dispozitivele mai mici nu se văd doar în consumul redus de energie, ci și în factorul lor de formă mai mic, care le permite să se încadreze în spațiul limitat al produselor IoT portabile, alimentate de la baterii.
Cea mai nouă generație de microcontrolere este dezvoltată având în vedere acest sens al valorii. Folosind procese noi, care permit mai multă memorie la costuri reduse, aceste microcontrolere țin cont de bugetul utilizatorului, oferind în același timp funcționalitatea necesară aplicației.
Memoria
Microcontrolerele fabricate în urmă cu câțiva ani diferă mult în comparație cu cele existente acum pe piață. Acele dispozitive au fost revoluționare pentru vremea lor și au schimbat peisajul circuitelor embedded. Datorită salturilor făcute în dezvoltarea memoriilor flash, care au condus la creșteri considerabile în capacitatea și performanța acestora, s-au putut dezvolta aplicații software moderne și complexe, pentru a umple spațiul disponibil.
Odată cu tendința către aplicații mai complexe, noile programe necesită mai mult spațiu/memorie. În consecință, noile generații de microcontrolere includ o cantitate tot mai mare de memorie, dacă este necesar, pentru a facilita nevoia tot mai mare de spațiu pentru program.
Memoria flash embedded poate rezista ani de zile, după cum o cer și o demonstrează testele intense efectuate în industria auto și poate suporta numeroase cicluri de scriere și ștergere. Aceste capabilități adaugă noi valențe microcontrolerelor pe 8-biți. În prezent, cantitatea de memorie dintr-un microcontroler pe 8-biți poate varia de la 384 biți la 128 KB și chiar mai mult pentru a satisface un număr tot mai mare de aplicații.
Consumul de energie
Deoarece multe microcontrolere pe 8-biți sunt utilizate în aplicații alimentate de la baterii, printre schimbările semnificative care au avut loc s-a numărat încercarea de a obține un consum redus de putere.
De exemplu, microcontrolerele nanoWatt XLP eXtreme Low Power PIC® includ circuite de supraveghere a sistemului, create special pentru produsele alimentate de la baterii. Rezultă că aceste microcontrolere pot oferi cei mai mici curenți din industrie pentru Run și Sleep, unde aplicațiile cu consum extrem de redus de putere își petrec 90%-99% din timp. Circuitele, cum ar fi Peripheral Module Disable, elimină complet perifericele de pe linia de alimentare și de pe arborele de ceas pentru o scurgere zero de putere. Avantajele tehnologiei nanoWatt XLP includ:
- Curenți de repaus sub 20 nA
- Brown-out Reset până la 45 nA
- Temporizator Watch-dog până la 220 nA
- Ceas/Calendar în timp real până la 470 nA
- Curenți de operare până la 50 μA/MHz
- Procesare analogică completă și capabilități de scriere în memoria internă chiar și la tensiuni de alimentare de 1.8V
Acești curenți mici se adaugă la creșterea duratei de viață a bateriei, pentru aplicațiile portabile. Economii suplimentare de energie sunt posibile prin intermediul perifericelor optimizate care vor fi discutate mai târziu.
Variante de încapsulare
O altă diferență majoră între microcontrolerele pe 8-biți și cele pe 16-biți sau 32-biți este reprezentată de capsulele mici, care permit dispozitivelor cu 8-pini să se potrivească în cele mai mici spații din produsele wireless/portabile și purtabile, care au nevoie de spațiu. De exemplu, SOIC cu 8-pini sau DFN cu 8-pini. O capsulă foarte răspândită este VQFN (Very Thin Quad Flat Pack No-Leads) cu 20-pini, care are o amprentă de 3 × 3 mm. Deși adăugarea mai multor caracteristici poate necesita mai multe conexiuni și dimensiuni mai mari ale capsulei, microcontrolerele pe 8-biți (care dispun de un număr mare de funcții) pot fi montate în spații unde utilizarea microcontrolerelor pe 16 sau 32 de biți este imposibilă.
Figura 1: Multe dintre noile familii de produse PIC și AVR oferă o varietate de opțiuni de încapsulare, precum dispozitivele livrate în capsulă VQFN de 3×3 mm pentru aplicații cu spațiu limitat. (Sursă imagine: Microchip Technology)
În cazul în care capabilitățile sporite ale unui microcontroler pe 8-biți necesită o suprafață mai mare și mai multe conexiuni ca urmare a complexității ridicate a sistemului pe care îl oferă, sunt utilizate și capsule mai mari, inclusiv versiunile PDIP și VQFN de 40-pini și TQFP de 44-pini.
Periferice independente de nucleu
Separarea anumitor elemente ale microcontrolerului de nucleul central oferă autonomie față de nucleu și mai multe beneficii, în special pentru proiectele cu consum redus de putere și costuri reduse. Aceste periferice independente de nucleu au funcționalități încorporate îmbunătățite, care permit reducerea consumului de energie și o proiectare modulară, simplificând implementarea interfețelor tactile, acumularea și condiționarea datelor senzorilor, precum și simplificarea implementării software-ului complex în hardware și multe altele.
Perifericele independente de nucleu (CIP) sunt proiectate cu funcții suplimentare pentru a gestiona o varietate de sarcini fără a fi nevoie de intervenția unității centrale de procesare (CPU) a microcontrolerului. Această abordare de proiectare oferă metode preconfigurate de programare a evenimentelor în funcție de periferice. De exemplu, Event System poate declanșa evenimente pe baza intrărilor/ieșirilor cu scop general (GPIO) sau poate programa întreruperi pe mai multe canale.
CIP-urile disponibile în prezent pentru microcontrolerele pe 8-biți PIC® și AVR® din figura 2 sunt ilustrate prin coduri de culoare în funcție de categoria perifericelor. Cele opt categorii și subcategoriile lor acoperă majoritatea funcționalităților așteptate de la un controler embedded cost-eficient. Rețineți că zonele colorate în verde oferă posibilități suplimentare de reducere a consumului de energie față de cele menționate anterior.
Figura 2: Perifericele independente de nucleu se adresează unei game largi de domenii de proiectare specifice microcontrolerelor pe 8-biți. (Sursă imagine: Microchip Technology)
Perifericele independente de nucleu oferă fiabilitate sporită prin reducerea volumului de programare. Funcțiile implementate cu structuri hardware evită potențialele conflicte software. În plus, interconectivitatea perifericelor în hardware reduce conexiunile externe, sporind fiabilitatea sistemului final. În plus, fiabilitatea sporită a componentelor reduce costurile pe durata de viață a proiectului.
Multe dintre noile familii pe 8-biți oferă o gamă largă de opțiuni în ceea ce privește memoria și numărul de pini. Acestea permit, pe de o parte, ca dezvoltarea să fie realizată pe dispozitive mai mari și, pe de altă parte, în momentul în care dimensiunea reală a codului a fost optimizată, să se utilizeze dispozitive mai mici pentru producția de serie.
De exemplu, în cazul aplicațiilor cu senzori și de control în timp real, sensibile la costuri, setul de caracteristici simplificat al familiei de microcontrolere PIC16F152XX include un convertor analog-digital de 10-biți (ADC), selectarea pinilor periferici (PPS), periferice pentru comunicații digitale și timere. Caracteristicile de memorie includ MAP (Memory Access Partition) pentru a sprijini utilizatorii în aplicații de protecție a datelor și de inițializare (bootloader).
Instrumente utile pentru accelerarea și simplificarea procesului de proiectare
Datorită progreselor înregistrate la nivelul instrumentelor de dezvoltare, multe dintre procesele care aveau nevoie de programare dificilă pot fi simplificate și generate prin intermediul instrumentelor de proiectare adecvate, cum ar fi MPLAB® Code Configurator (MCC). Acest lucru oferă mai multe beneficii, printre care reducerea timpului necesar pentru dezvoltarea unei aplicații, dar și abilitatea de a implementa un cod mai compact, fără necesitatea mai multor iterații de cod sau a scrierii codului de la zero, în limbaj de asamblare. De exemplu, kitul de evaluare PIC16F15244 Curiosity Nano (număr de referință: EV09Z19A) cu capabilități complete de programare și depanare oferă suport complet pentru un proiect nou.
Figura 3: Placa de evaluare PIC16F15244 Curiosity Nano și cei doi conectori 100mil, 1×15 pin din kitul de evaluare Curiosity Nano simplifică proiectarea. (Sursă imagine: Microchip Technology)
În sfârșit, mediul de dezvoltare integrat (IDE) MPLAB® X oferă un mediu de dezvoltare gratuit pentru a dezvolta cod pentru microcontrolerele pe 8-biți (și pe 16- și 32-biți) pentru a simula, interfața cu instrumentele hardware și accesa plug-in-urile de la Microchip sau de la terți.
Un viitor luminos (și rentabil)
Microcontrolerele au parcurs un drum lung, iar microcontrolerele pe 8-biți au demonstrat o reziliență extraordinară și inovații în domeniul aplicațiilor datorită progreselor în materie de memorie, consum de energie, încapsulare și periferice. Acestea dispun nu numai de o memorie mai mare, care poate fi necesară pentru aplicații complexe, ci și de multe căi diferite pentru simplificarea aplicațiilor complexe. Această simplificare se poate concretiza prin reducerea costurilor/timpului de dezvoltare a proiectului, dar și prin reducerea costurilor atunci când microcontrolerul intră în producție.
Microcontrolerele pe 8-biți de astăzi nu se limitează doar la colectarea de date. Acestea colectează, procesează și transferă date în numeroase aplicații IoT. Noile produse pe 8-biți au răspuns complexității crescânde a aplicațiilor prin dimensiuni de memorie mult mai mari și periferice optimizate. Totuși, proiectele de format mic și sensibile la costuri, inclusiv aplicațiile simple cu senzori și de control în timp real, pot beneficia de setul de caracteristici simplificat al familiei PIC16F152xx pe 8-biți. Cu perifericele lor independente de nucleu, aceste microcontrolere oferă o alegere logică pentru majoritatea proiectanților.
PIC, AVR și MPLAB sunt mărci înregistrate ale Microchip Technology Inc.
Microchip Technology | https://www.microchip.com
