Новости в микроконтролерите

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 2/2018 • 21.03.2018

Новости в микроконтролерите
Новости в микроконтролерите

Стефан Куцаровs

Независимо от своето почти 50-годишно съществуване (първият микроконтролер е създаден в компанията Texas Instruments през 1970-71 г.), тази категория интегрални схеми (Microcontroller mC, uC) продължава да има своето ключово значение за съвременната промишленост, тъй като все по-масово се използва в електронни устройства от най-различен вид. В последно време практически не се произвеждат микроконтролери, съдържащи единствено известната от десетилетия базова структура, а към нея се прибавят допълнителни блокове.

Основните типове подобни такива блокове са за връзка с други устройства чрез проводникови и безжични интерфейси, за обмен на данни чрез аналогови сигнали, за работа с капацитивни сензори, чувствителни на допир екрани, за управление на течнокристални дисплеи за буквено-цифрови данни и др. Най-често даден микроконтролер обединява две или повече от тези възможности. Специфично и бързо развиващо се е приложението им в автомобили. Съществуват множество нови технологии за подобряване на параметрите, сред които особено съществено е мястото на тези за намаляване на постояннотоковата консумация.

Нови технологии
Тяхното разнообразие е значително и нерядко те се въвеждат само от определен производител за предлаганите от него uC, поради което тук е обърнато внимание само на добилите широка популярност.
Намалена постояннотокова консумация.

Освен принципните й предимства за електронните схеми, тя е важна предпоставка за приложението на uC в динамичните области на Интернет на нещата (например безжични сензори и такива без батерийно захранване, дистанционно управление и мониторинг), медицински прибори за контрол на състоянието на пациенти, в интелигентните сгради, електроника в облеклото (Wearable), комунални измервателни прибори и др. Различни са фирмените наименования за намалената консумация като eXtreme Low Power (XLP), nanoWatt XLP и picoPower, а освен ниското захранващо напрежение се ползват оригинални схемни решения на блоковете на uC, например вградените таймер и часовник консумират типично няколко стотици nA.

Независима от ядрото периферия (Core Independent Peripherals) CIP. Създадена е от Microchip за 8-разредни uC от типа PIC и AVR и позволява при разработката на микроконтролерни системи да се създават желаните връзки между периферните устройства, които да обменят непосредствено данни помежду си без участието на процесорното ядро. Резултатът е по-бърза работа, необходимост от по-малко памет в uC, по-просто програмиране и намаляване на постояннотоковата консумация.
Памети.

Добре познатите флаш памети (Flash Memory) се използват масово като вградени блокове в uC, като имат няколко десетки хиляди цикъла изтриване/запис и време на съхранение на данните няколко десетки години. Производителят Renesas Electronics използва видоизменената технология MONOS за създаване на транзисторите им, като според него заеманата площ от паметите върху чипа намалява с около 60%, подобрява се надеждността им и се осигурява работа до температура +125°С. Нараства и относителният дял на uC с контролер за директен достъп до паметта (DMA).

Разширява се използването в uC на фероелектричните памети (Ferroelectric Random Access Memory) FRAM, които за разлика от класическите SRAM изискват много по-малко енергия за осъществяване на записа, правят го няколко десетки пъти по-бързо в сравнение с бързите памети, съхраняват данните и при изключено захранване и имат 1015 цикъла изтриване/запис. Засега микроконтролери c FRAM се предлагат основно от Texas Instruments.

Микроконтролери само с проводникови интерфейси
Тази категория (Wired Interfaces) uC са сравнително малко, а видът и броят на интерфейсите зависят от производителя, който определя и характерните им приложения. Сред тях са домакински уреди, системи за охрана и достъп, измервателни уреди и др. Специфична особеност е наличието в част от uC на един или повече таймера и на сензор за измерване на вътрешната им температура.

В табл. 1 са дадени основни сведения за типични uC, като “година” е тази на пускането им на пазара или обявената последна разновидност на uC. Даденият на ред 1 е предназначен за управление на LCD дисплеи с 3 или 4 цифри, всяка с 20 сегмента и с възможност за създаване на програми за изписването на данните. Този на ред 2 е за четене на съдържанието на магнитни карти, а на ред 3 – за четене и запис на звук чрез USB заедно с регулирането на силата му и неговото изключване.

Микроконтролерът на ред 4 е за LCD дисплеи с 4 цифри от 32 сегмента, също възможност за създаване на програми и препоръчван за ползване главно в апаратури с батерийно захранване. Даденият на ред 5 е с допълнителни възможности спрямо предните, като съдържа и контролер за управление с инфрачервени лъчи (IR Controller).

Микроконтролери с безжични интерфейси
Това утвърдено наименование (Wireless MCU) се отнася само за използващите електромагнитни вълни (uC с инфрачервена връзка в каталозите се причисляват към предния раздел). Относителният дял на новите микроконтролери с безжични връзки не е голям, тъй като тези връзки се използват и в uC от следващия раздел, и в комбинираните.

Все още по-масово е използван обхватът 2,4 GHz, нараства приложението на 5-гигахерцовия и се запазва относителният дял на този под 1 GHz (Sub 1 GHz). Блокът за безжична връзка на uC може да има отделни изводи за предавателя и приемника си (редове 1 и 2 на табл. 2) или един общ, а специфичните за връзка на близко разстояние (Near Field Communications, NFC) са с два за необходимата им външна бобина. Съществена особеност е, че малошумящият усилвател на приемника и мощният на предавателя са вградени в uC и че в техническата документация се дават подробни данни за параметрите им. Почти винаги uC с безжични връзки съдържат и проводникови интерфейси.

Характерни приложения (без тези за NFC) са за контрол и управление в индустрията, за сензорни мрежи, такива от видовете ZigBee, 6LoWPAN и WirelessHART, както и за сигнализация и системи за сигурност, в автоматизирани измервателни уреди и битова техника.
В табл. 2 са събрани няколко основни данни за uC, за чиято работа обикновено е необходим 32-битов CPU. Освен тока ISleep някои uC имат като параметър по-малкия ток на хибернация (Hybernation), в който блокът за безжична връзка е изключен.

Микроконтролери с аналогов блок
В тази категория към проводниковите интерфейси е прибавен аналогов блок, който практически винаги съдържа един или повече аналогово-цифрови преобразувателя (ADC) с основни параметри разредност и брой на входовете (Channel), придружени почти винаги от едно или повече допълнителни стъпала – цифрово-аналогов преобразувател (DAC), аналогов компаратор (Comp), операционен усилвател (ОА), усилвател с програмируем коефициент на усилване (PGA), усилвател с предавателен импеданс (TIA), таймери (например за управление на електродвигатели), часовник за реално време (RTC), сензор за температурата на кристала, аналогови ключове, програмируеми източници на постоянно напрежение, генератори на сигнали (например PWM) и “екзотичния” за блока драйвер за LED.

Нарастващите приложения на режими на работа със сравнително рядко обменяне на малки обеми данни доведоха до появата на uC с допълнителен режим Low-Frequency Active Mode (LFAM), в който нормалната работа изисква много по-малък ICC. Този режим се прибавя към класическия, а пример за използването му e микроконтролерът от ред 14 на табл. 3. Все още са сравнително малко микроконтролерите с многоядрен CPU – даденият на ред 3 е с триядрен.

Разширяват се възможностите и на проводниковите интерфейси – например в uC на ред 11 има по два еднакви блока на серийния звуков интерфейс (Serial Audio Interface) SAI и на SDMMC за SD карти, а uC на ред 13 съдържа интерфейсите eUSCI_A (за обмен на данни с UART и SPI) и eUSCI_B (обем с SPI и I2C).
Повишената сложност на uC е предпоставка на множеството разновидности на една серия с различна структура на част от стъпалата, които обикновено се предлагат и в няколко корпуса – в последната колона на табл. 3 е даден един от тях.

Друга съществена особеност е, че за разширяване на приложенията масово се предлагат uC с голям брой (надхвърлящ 100 в някои модели) входно-изходни изводи с общо предназначение (GPIO) и обикновено възможност за конфигуриране. При ползването им трябва да се държи сметка за максималния изходен ток на всеки от тях. От многобройните особености на параметрите тук ще бъде само отбелязано, че поради силната зависимост на тока ICC от работната честота на CPU, за него може да се дава големината му за всеки MHz от честотата (измерение mA/MHz) или възможните му граници. Освен това понякога вместо максималната ТА се дава формула за нейното изчисляване в зависимост от разсейваната мощност и желаната максимална температура TJ на кристала.

В зависимост от структурата и параметрите си микроконтролерите с аналогов блок намират приложения в индустриалните системи за управление и автоматизация, сградна автоматизация, компютърна периферия, системи за охрана, осветителни тела и мрежи с тях, управление на сензори, битови уреди, мултимедийни устройства, токозахранвания и много други.

В табл. 3 са дадени основните параметри на характерни микроконтролери с аналогов блок. Специфична особеност на този на ред 5 е стъпалото за измерване на капацитет и време (Charge Time Measurement Unit, CTMU), даденият на ред 6 има ADC с извършване на математични операции на входните величини, означаван като ADC2 и интерфейсите му I2C могат да работят и с SMBus, и с PMBus. С 21 проводникови интерфейса, към които е прибавен и USB 2.0/FS, е микроконтролерът от ред 12.

Комбинирани микроконтролери
Те са с разширена структура и възможности за приложение в сравнение с uC от предния раздел, като съществуват две основни разновидности.
Комбинирани uC с безжични връзки. По принцип приложенията им обобщават тези на uC от предните два раздела, но тук безжичните връзки са фактор за просто дистанционно осъществяване на функциите.

Особеност за случаите на обмен на данни с малък обем е ползването на лицензирани и нелицензирани честотни обхвати под 1 GHz обикновено в съчетание с 8b CPU - примери са системите с безжично “събуждане” (Wakeup-on-Radio) и комуникациите според стандартите EN300 220 V2.3.1 и EN300 422 (ред 2 в табл. 4). Други специфични приложения са безжични клавиатури и мишки, слухови апарати, етикети за багаж (Luggage tag) и др. Независимо от усложнената структура на uC се предлагат все повече прибори с ниска консумация за системи с батерийно захранване – едно от приложенията на дадения на ред 4 е интелигентното отчитане на потреблението на ел. енергия, газ и вода.

Бързо нарастващите приложения на сензорите обуславят наличието в някои uC на вграден контролер за тях (ред 5 на табл.4). Съществуват комбинирани uC с два обхвата на безжичните връзки, какъвто е даденият на ред 6 - неговият обхват Sub 1GHz съдържа подобхватите 315, 433, 470, 500, 779, 868, 915 и 920 MHz. При практическото използване не трябва да се забравя, че за свързването на антената към микроконтролера трябва да се ползват упътванията в документацията му, например този на ред 5 има схеми за свързване на една и две антени.

Комбинирани uC за капацитивни бутони. Независимо от многогодишните подобрения в конструкцията на механичните бутони, техните принципни недостатъци - несигурно задействане на контакта (замърсяване или износване) и консумация на енергия в затворено състояние си остават. Те не съществуват в капацитивните бутони и благодарение на развитието на технологиите през последните няколко години се появиха uC с вграден блок (например Peripheral Touch Controller на Microchip и CapTIvate на Texas Instruments) за работа със свързани към него такива бутони. Самите бутони се реализират като медни площадки с диаметър около 10 mm, нанесени върху печатна платка и имащи предпазно пластмасово или стъклено покритие. Двата начина на действието им са показани на фиг.1.

Всеки бутон със собствен капацитет (Self-Capacitance) се свързва между извод на uC и маса, при приближаване на пръст към него капацитетът му нараства и надхвърлянето на определена стойност се възприема от блока като натиснат бутон. Чрез споменатата технология на Texas Instruments могат да се регистрират минимални промени от 10 fF на капацитети до 300 pF, което позволява задействане на бутони с предпазно стъклено покритие от разстояние до 60 mm. Същевременно тя позволява и определяне на положението на плъзгачи (Slider) и колела (Wheel) под формата на 10 b числа.

Действието на бутоните с взаимен капацитет (Mutual Capacitance) на фиг. 1б също се състои в измерване на неговата стойност, но те се свързват между два извода на uC и пръстът между бутоните намалява капацитета. Необходимостта от повече изводи е причина за по-ограниченото им приложение.
Информацията за състоянието на капацитивните бутони се събира и обработва от сензорен блок в uC, а сред основните негови параметри е максималният брой на свързваните бутони. Полезно е да се има предвид нарастващият относителен дял на микроконтролерите с мултиплексиране (чрез Switch Matrix) на част от изводите (един извод може да има няколко функции), което означава корпус с по-малко изводи и размери.

Примери за тези типове микроконтролери са дадени в табл.5, като приборът от ред 1 има 11 извода с мултиплексиране, а изводите на сензорния блок в микроконтролера от ред 2 могат да се използват и като сензори за приближение (Proximity Sensing). Микроконтролерът на ред 3 е пример за задаване по програмен път на различни режими с намалена постояннотокова консумация, във всеки от които се изключва част от блоковете.

Даденият на ред 6 е с вграден блок за управление на LCD дисплей от типа 8x40, има 20 блока на проводникови интерфейси и един за инфрачервения IRTIM. В микроконтролера на ред 7 има съществени, но рядко предлагани възможности – работа с плъзгачи със 1024 сегмента и като сензор за измерване на разстояния до 30 cm. Освен това към него могат да се свързват до 16 бутона със собствен капацитет и до 64 бутона с взаимен капацитет. Важни са и петте режима на работа с намален ICC (минимални стойности под 1 микроампер). Последният микроконтролер в таблицата е основно за преносими апаратури.

Микроконтролери за автомобили
Без използването на микроконтролери много от съществуващите функции и параметри на съвременните автомобили не могат да бъдат постигнати. Местата на приложението им в автомобила им почти съвпадат с тези на автомобилната електроника като цяло (вж. статията “Електроника в автомобилостроенето” в бр. 4/2016 г. на сп. Инженеринг ревю). Няколко са особеностите на микроконтролерите за автомобили в сравнение с “обикновените”. Първата е наличието на специално предназначени за управление на двигатели (MCU for automotive motor control) с няколко специфични блока като преобразувател на ъгъл на завъртане в число.

Работният температурен обхват на uC е в съответствие с петте варианта на стандарта AEC-Q100, а изборът на необходимия е в зависимост от мястото им в автомобила. Наличието на значителни електрически смущения е причина за намаляване на относителния дял на класическите за микроконтролерите проводникови интерфейси за сметка главно на CAN и Flex CAN. Нараства популярността на проводниковия Multi-function Serial Interface (MFS), в който чрез управляващ сигнал се избира работа като UART, CSIO или LIN.

Съществена практическа особеност са успешното ползване на голяма част от uC за автомобили и в индустриални съоръжения, както и на тези с общо предназначение в автомобили. За улеснение на разработчиците много от производителите групират микроконтролерите според препоръчваното място за ползване в автомобила, например за информационни системи (проводникова мрежа между датчици, за аудио апаратура, GPS връзка), управление на врати и прозорци на купето (Body Control), дистанционно отключване (Кeyless Entry), управление на климатизацията, задействане на въздушните възглавници. Появяват се и специализирани uC за радари, какъвто е този на ред 5 в табл. 6.

Част от основните параметри на типични микроконтролери за приложение в автомобилостроенето са дадени в табл. 6, като трябва да се има предвид, че някои съвременни прибори ползват повече от едно VCC за различните си блокове. Даденият на ред 7 съдържа безжичен приемо-предавател за работа с BLE на 2.4GHz, а SSI съчетава SPI и Microwire.

Новият Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0/2018

Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top