So wählen Sie den richtigen Mikrocontroller für Ihre eingebettete Anwendung aus

Ein Mikrocontroller ist im Wesentlichen ein kleiner Computer auf einem Chip, wie jeder Computer, der über Speicher verfügt und normalerweise in eingebetteten Systemen programmiert ist, um Eingaben zu empfangen, Berechnungen durchzuführen und Ausgaben zu generieren. Im Gegensatz zu einem Prozessor sind Speicher, CPU, E / A und andere Peripheriegeräte auf einem einzigen Chip enthalten, wie im folgenden Layout dargestellt.

Die Auswahl des richtigen Mikrocontrollers für ein Projekt ist immer eine komplexe Entscheidung, da dies das Herzstück des Projekts ist und Erfolg oder Misserfolg des Systems davon abhängt.

Es gibt tausend verschiedene Arten von Mikrocontrollern, von denen jeder ein einzigartiges Merkmal oder einen Wettbewerbsvorteil vom Formfaktor über die Paketgröße bis hin zur Kapazität des RAM und ROM bietet, die sie für bestimmte Anwendungen geeignet und für bestimmte Anwendungen ungeeignet machen. Um die Kopfschmerzen zu vermeiden, die mit der Auswahl des richtigen verbunden sind, entscheiden sich Designer häufig für vertraute Mikrocontroller, die manchmal sogar die Anforderungen des Projekts nicht wirklich erfüllen. Der heutige Artikel befasst sich mit einigen wichtigen Faktoren, die bei der Auswahl eines Mikrocontrollers zu berücksichtigen sind, darunter Architektur, Speicher, Schnittstellen und E / A-Immobilien.

Wichtige Faktoren, die bei der Auswahl einer MCU berücksichtigt werden müssen

Im Folgenden sind einige wichtige Faktoren aufgeführt, die bei der Auswahl eines Mikrocontrollers zu berücksichtigen sind, darunter Architektur, Speicher, Schnittstellen und E / A-Immobilien.

1. Anwendung

Bevor Sie einen Mikrocontroller für ein Projekt auswählen, müssen Sie zunächst ein tiefes Verständnis für die Aufgabe entwickeln, für die die auf Mikrocontrollern basierende Lösung bereitgestellt werden soll. Während dieses Prozesses wird immer ein technisches Datenblatt erstellt, das dabei hilft, die spezifischen Merkmale des Mikrocontrollers zu bestimmen, der für das Projekt verwendet wird. Ein gutes Beispiel dafür, wie die Anwendung / Verwendung des Geräts den zu verwendenden Mikrocontroller bestimmt, wird gezeigt, wenn ein Mikrocontroller mit einer Gleitkommaeinheit für den Entwurf eines Geräts verwendet wird, das zur Ausführung von Operationen mit vielen Dezimalzahlen verwendet wird.

2. Wählen Sie Microcontroller Architecture

Die Architektur eines Mikrocontrollers bezieht sich darauf, wie der Mikrocontroller intern strukturiert ist. Es gibt zwei Hauptarchitekturen, die für den Entwurf von Mikrocontrollern verwendet werden.

1. Von Neumann Architektur
2. Harvard-Architektur

Die von Neumann-Architektur bietet die Verwendung desselben Busses zum Übertragen von Daten und zum Abrufen von Befehlssätzen aus dem Speicher. Daher können Datenübertragung und Befehlsabruf nicht gleichzeitig durchgeführt werden und sind normalerweise geplant. Die Harvard-Architektur bietet andererseits die Verwendung separater Busse zum Übertragen von Daten und Abrufen von Anweisungen.

Jede dieser Architekturen hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Harvard-Architektur ist beispielsweise ein RISC-Computer (Reduced Instruction Set) und kann daher mehr Befehle mit niedrigeren Zyklen ausführen als die CISC-Computer (Complex Instruction Set), die auf der von Neumann-Architektur basieren. Ein wichtiger Vorteil der auf Harvard (RISC) basierenden Mikrocontroller ist die Tatsache, dass das Vorhandensein verschiedener Busse für Daten- und Befehlssätze die Trennung des Speicherzugriffs und der Operationen der Arithmetik- und Logikeinheit (ALU) ermöglicht. Dies reduziert die vom Mikrocontroller benötigte Rechenleistung und führt zu geringeren Kosten, geringem Stromverbrauch und Wärmeableitung, was sie ideal für das Design batteriebetriebener Geräte macht. Viele ARM,AVR- und PIC-Mikrocontroller basieren auf der Harvard-Architektur. Beispiele für Mikrocontroller, die die Von Neumann-Architektur verwenden, sind unter anderem 8051, zilog Z80.

3. Bitgröße

Ein Mikrocontroller kann entweder 8 Bit, 16 Bit, 32 Bit und 64 Bit sein. Dies ist die aktuelle maximale Bitgröße, die ein Mikrocontroller besitzt. Die Bitgröße eines Mikrocontrollers repräsentiert die Größe eines "Wortes", das im Befehlssatz des Mikrocontrollers verwendet wird. Dies bedeutet, dass in einem 8-Bit-Mikrocontroller die Darstellung jedes Befehls, jeder Adresse, Variablen oder jedes Registers 8-Bit dauert. Eine der wichtigsten Auswirkungen der Bitgröße ist die Speicherkapazität des Mikrocontrollers. In einem 8-Bit-Mikrocontroller gibt es beispielsweise 255 eindeutige Speicherplätze, wie durch die Bitgröße vorgegeben, während in einem 32-Bit-Mikrocontroller 4.294.967.295 eindeutige Speicherplätze vorhanden sind. Dies bedeutet, je höher die Bitgröße, desto höher die Anzahl der eindeutigen Speicherplätze Speicherplätze zur Verwendung auf dem Mikrocontroller verfügbar. Hersteller heutzutage jedochentwickeln Möglichkeiten, um Mikrocontrollern mit kleinerer Bitgröße über Paging und Adressierung Zugriff auf mehr Speicherplatz zu gewähren, sodass 8-Bit-Mikrocontroller 16-Bit-adressierbar werden. Dies erschwert jedoch die Programmierung für den Entwickler eingebetteter Software.

Der Effekt der Bitgröße wird wahrscheinlich bei der Entwicklung der Firmware für den Mikrocontroller, insbesondere für arithmetische Operationen, stärker wahrgenommen. Die verschiedenen Datentypen haben unterschiedliche Speichergrößen für unterschiedliche Mikrocontroller-Bitgrößen. Wenn Sie beispielsweise eine Variable verwenden, die als Ganzzahl ohne Vorzeichen deklariert ist und aufgrund des Datentyps 16 Bit Speicher benötigt, führt die Ausführung von Codes auf einem 8-Bit-Mikrocontroller zum Verlust des höchstwertigen Bytes in den Daten, das manchmal sein kann Sehr wichtig für die Erfüllung der Aufgabe, für die das Gerät entwickelt wurde, auf dem der Mikrocontroller verwendet werden soll.

Es ist daher wichtig , einen Mikrocontroller mit einer Bitgröße auszuwählen, die der der zu verarbeitenden Daten entspricht.

Es ist wahrscheinlich wichtig anzumerken, dass die meisten Anwendungen heutzutage aufgrund der technologischen Fortschritte, die auf diesen Chips enthalten sind, zwischen 32-Bit- und 16-Bit-Mikrocontrollern liegen.

4. Schnittstellen für die Kommunikation

Die Kommunikation zwischen dem Mikrocontroller und einigen der Sensoren und Aktoren, die für das Projekt verwendet werden, erfordert möglicherweise die Verwendung einer Schnittstelle zwischen dem Mikrocontroller und dem Sensor oder Aktor, um die Kommunikation zu erleichtern. Wenn Sie beispielsweise einen analogen Sensor an einen Mikrocontroller anschließen, muss der Mikrocontroller über genügend ADC (Analog-Digital-Wandler) verfügen. Wie bereits erwähnt, erfordert die Änderung der Drehzahl eines Gleichstrommotors möglicherweise die Verwendung einer PWM-Schnittstelle am Mikrocontroller. Daher ist es wichtig zu bestätigen, dass der zu wählende Mikrocontroller über genügend erforderliche Schnittstellen verfügt, darunter UART, SPI und I2C.

5. Betriebsspannung

Die Betriebsspannung ist der Spannungspegel, bei dem ein System für den Betrieb ausgelegt ist. Dies ist auch der Spannungspegel, auf den sich bestimmte Eigenschaften des Systems beziehen. Beim Hardware-Design bestimmt die Betriebsspannung manchmal den Logikpegel, bei dem der Mikrocontroller mit anderen Komponenten kommuniziert, aus denen das System besteht.

Der Spannungspegel von 5 V und 3,3 V ist die beliebteste Betriebsspannung für Mikrocontroller, und es sollte entschieden werden, welcher dieser Spannungspegel während der Entwicklung der technischen Spezifikation des Geräts verwendet wird. Die Verwendung eines Mikrocontrollers mit einer Betriebsspannung von 3,3 V bei der Konstruktion eines Geräts, bei dem die meisten externen Komponenten, Sensoren und Aktoren auf einem Spannungspegel von 5 V betrieben werden, ist keine sehr kluge Entscheidung, da ein Logikpegel implementiert werden muss Shifter oder Konverter, um den Datenaustausch zwischen dem Mikrocontroller und den anderen Komponenten zu ermöglichen, und dies erhöht die Herstellungskosten und die Gesamtkosten des Geräts unnötig.

6. Anzahl der E / A-Pins

Die Anzahl der allgemeinen oder speziellen Eingangs- / Ausgangsanschlüsse und (oder) Pins eines Mikrocontrollers ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Wahl des Mikrocontrollers beeinflussen.

Wenn ein Mikrocontroller über alle anderen in diesem Artikel genannten Funktionen verfügt, jedoch nicht über genügend E / A-Pins verfügt, wie vom Projekt gefordert, kann er nicht verwendet werden. Es ist wichtig, dass der Mikrocontroller beispielsweise über genügend PWM-Pins verfügt, um die Anzahl der Gleichstrommotoren zu steuern, deren Drehzahl vom Gerät variiert wird. Während die Anzahl der E / A-Ports eines Mikrocontrollers durch die Verwendung von Schieberegistern erweitert werden kann, kann sie nicht für alle Arten von Anwendungen verwendet werden und erhöht die Kosten der Geräte, in denen sie verwendet werden. Daher ist es besser sicherzustellen, dass der für das Design ausgewählte Mikrocontroller über die erforderliche Anzahl von allgemeinen und speziellen E / A-Ports für das Projekt verfügt.

Eine weitere wichtige Sache, die Sie bei der Bestimmung der Anzahl der für ein Projekt erforderlichen allgemeinen oder speziellen E / A-Pins berücksichtigen sollten, ist die zukünftige Verbesserung des Geräts und wie sich diese Verbesserungen auf die Anzahl der E / A-Pins auswirken können erforderlich.

7. Speicheranforderungen

Mit einem Mikrocontroller sind verschiedene Speichertypen verbunden, auf die der Designer bei der Auswahl achten sollte. Die wichtigsten sind RAM, ROM und EEPROM. Die Menge jedes dieser benötigten Speicher ist möglicherweise schwer abzuschätzen, bis er verwendet wird. Gemessen am Arbeitsaufwand des Mikrocontrollers können jedoch Vorhersagen getroffen werden. Diese oben erwähnten Speichervorrichtungen bilden den Daten- und Programmspeicher des Mikrocontrollers.

Der Programmspeicher des Mikrocontrollers speichert die Firmware für den Mikrocontroller. Wenn die Stromversorgung vom Mikrocontroller getrennt wird, geht die Firmware nicht verloren. Die benötigte Menge an Programmspeicher hängt von der Menge an Daten wie Bibliotheken, Tabellen, Binärdateien für Bilder usw. ab, die für die ordnungsgemäße Funktion der Firmware erforderlich sind.

Der Datenspeicher wird dagegen zur Laufzeit verwendet. In diesem Speicher werden alle Variablen und Daten gespeichert, die bei der Verarbeitung unter anderem zur Laufzeit generiert wurden. Somit kann die Komplexität der Berechnungen, die zur Laufzeit auftreten, verwendet werden, um die für den Mikrocontroller benötigte Datenspeichermenge abzuschätzen.

8. Paketgröße

Die Gehäusegröße bezieht sich auf den Formfaktor des Mikrocontrollers. Mikrocontroller werden im Allgemeinen in Paketen von QFP, TSSOP, SOIC bis SSOP und dem regulären DIP-Paket geliefert, das die Montage auf einem Steckbrett für das Prototyping vereinfacht. Es ist wichtig, vor der Herstellung zu planen und sich vorzustellen, welches Paket das beste ist.

9. Stromverbrauch

Dies ist einer der wichtigsten Faktoren, die bei der Auswahl eines Mikrocontrollers zu berücksichtigen sind, insbesondere wenn er in einer batteriebetriebenen Anwendung wie IoT-Geräten eingesetzt werden soll, bei der der Mikrocontroller so stromsparend wie möglich sein soll. Das Datenblatt der meisten Mikrocontroller enthält Informationen zu verschiedenen Hardware- und (oder) softwarebasierten Techniken, mit denen der vom Mikrocontroller in verschiedenen Modi verbrauchte Strom minimiert werden kann. Stellen Sie sicher, dass der von Ihnen ausgewählte Mikrocontroller die Leistungsanforderungen für Ihr Projekt erfüllt.

10. Unterstützung für Mikrocontroller

Es ist wichtig, dass der Mikrocontroller, mit dem Sie arbeiten, genügend Unterstützung bietet, einschließlich: Codebeispiele, Referenzdesigns und wenn möglich eine große Community online. Die erstmalige Arbeit mit einem Mikrocontroller kann mit unterschiedlichen Herausforderungen verbunden sein. Wenn Sie auf diese Ressourcen zugreifen, können Sie diese schnell überwinden. Obwohl die Verwendung der neuesten Mikrocontroller aufgrund der coolen neuen Funktionen eine gute Sache ist, ist es ratsam, sicherzustellen, dass der Mikrocontroller mindestens 3-4 Monate in Betrieb ist, um die meisten frühen Probleme zu gewährleisten, die mit dem Mikrocontroller verbunden sein können wäre gelöst worden, da verschiedene Kunden den Mikrocontroller mit verschiedenen Anwendungen ausgiebig getestet hätten.

Es ist auch wichtig, einen Mikrocontroller mit einem guten Evaluierungskit auszuwählen, damit Sie schnell mit dem Erstellen von Prototypen beginnen und Funktionen einfach testen können. Die Evaluierungskits sind eine gute Möglichkeit, Erfahrungen zu sammeln, sich mit der für die Entwicklung verwendeten Werkzeugkette vertraut zu machen und Zeit bei der Entwicklung des Geräts zu sparen.

Die Auswahl des richtigen Mikrocontrollers für ein Projekt wird weiterhin ein Problem sein, das jeder Hardware-Designer lösen muss, und obwohl es nur wenige weitere Faktoren gibt, die die Wahl des Mikrocontrollers beeinflussen können, sind diese oben genannten Faktoren die wichtigsten.