Как работают микроконтроллеры

Микропроцессорные контроллеры.

Широкое использование микропроцессорной техники в системах управления привело к появлению специализированных МПУ — микроконтроллеров (МК).

Микропроцессорный контроллер — это вычислительно-управляющее устройство, предназначенное для выполнения функций контроля и управления различными техническими объектами и сочетающее в себе микропроцессорное ядро и набор встроенных устройств ввода-вывода.

В зависимости от условий применения микроконтроллеры могут иметь различное конструктивное исполнение и быть размещены на одной или нескольких платах.

Наиболее универсальными являются многоплатные микроконтроллеры. В своем составе они имеют платы с микропроцессором и памятью, а также отдельные платы вспомогательных узлов со слаботочными элементами. Многоплатные контроллеры широко использовались для управления силовыми электронными ус тройствами.

С развитием микросхемотехники многие микросхемы стали представлять собой законченные функциональные блоки . Оказалось возможным разместить на одной плате микропроцессор, память, необходимые преобразователи и их интерфейсы и получить одноплатный микроконтроллер. Одноплатный микроконтроллер но сравнению с многоплатным, с гем же набором функций, обладает рядом преимуществ: меньше по размерам, проще в изготовлении, надежнее и дешевле. Несмотря на это, он менее универсален. Разные микросхемы имеют различные размеры, расположение и назначение выводов. Поэтому на печатную плату микроконтроллера можно установить только ту микросхему, под которую она выполнена. Чтобы добиться большей универсальности при конструировании одноплатных микроконтроллеров, плату разрабатывают с некоторой избыточностью, закладывая возможность увеличения количества микросхем. В настоящее время разрабатывают платы, обеспечивающие управление всеми типичными для данной области техники объектами. Связь между одноплатным контроллером и силовыми платами осуществляется посредством кабеля. Устройство питания выполняется отдельным блоком.

Благодаря развитию интегральной схемотехники преимущественно используются однокристальные микроконтроллеры в виде одной ИМС, включающей микропроцессор, память, интерфейсы и различные преобразователи. На рис. 2.21 показаны внешний вид типичного микроконтроллера и возможное расположение электронных схем на его кристалле.

Для силовых электронных устройств со встроенными микропроцессорами наиболее перспективно применение однокристальных микроконтроллеров.

Кроме того производятся однокристальные микроконтроллеры, различающиеся но объему памяти, быстродействию, разрядности обрабатываемых чисел, нали-

Рис. 2.21. Корпус однокристального микроконтроллера (а) и расположение электронных схем в его кристалле (б)

Таблица 2.1

Область применения однокристальных МК

чием специализированных устройств интерфейса и т.п. (табл. 2.1). Структура и характеристики однокристальных МПУ определяют их функции.

Большое значение для функциональных возможностей микроконтроллеров имеет УВВ. осуществляющее обмен информацией между микроконтроллером и управляемыми элементами силового электронного устройства. Устройства ввода- вывода обеспечивают также преобразование информации, например преобразование аналоговых сигналов в цифровые и т.п. Для реализации этих функций УВВ включают в себя генераторы и счетчики импульсов, модули широтно-импульсной модуляции (ШИМ), аналого-цифровых преобразователей и другие устройства преобразования и обработки сигналов, несущих различную информацию как о результатах работы микропроцессора, так и о параметрах силовой части управляемого устройства и ее составных частей.

Микроконтроллеры общего назначения, т.е. предназначенные для решения разнообразных задач, оказываются непригодными для управления некоторыми электронными устройствами из-за низкого быстродействия. Например, для выполнения одной операции умножения или деления им требуется несколько тактов.

Часто цифровая обработка сигналов требует большого количества вычислений вида А = ВС + D. Этим объясняется потребность в специальном устройстве, которое могло бы выполнять умножение и сложение за один такт. Введение подобных устройств в микроконтроллеры, предназначенные для решения задач общего характера, нецелесообразно, поскольку сильно увеличит его стоимость.

Для решения частных задач с большим объемом вычислений созданы специализированные микроконтроллеры, адаптированные к решению задач цифрового управления в реальном времени, в состав которых входят подобные узлы. Такие микроконтроллеры стали называться сигнальными или DSP (digital signal processor).

Следует заметить, что существуют микроконтроллеры общего назначения со встроенным умножителем, что приблизило их к DSP по скорости вычислений.

В настоящее время разработаны микроконтроллеры, которые специализированы на задачах управления полупроводниковыми преобразователями, в том числе управления двигателями. Их вычислительное ядро построено, как правило, на базе DSP с объектно-ориентированной системой команд, адаптированной к решению задач цифрового управления в реальном времени.

Встроенные периферийные устройства включают в себя многоканальные генераторы ШИМ-сигналов, АЦП, таймеры и др. Особое место занимают блоки векторных преобразований координат, обеспечивающие современные алгоритмы управления, в частности алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции.

Таким образом, в современной силовой электронике микроконтроллеры используются в первую очередь для управления полупроводниковыми устройствами за счет встроенных специализированных устройств. Кроме того, они выполняют функции цифрового регулятора, системы защиты и диагностики, а также системы связи с технологической сетью высшего уровня.

На рис. 2.22 показана структурная схема МПУ для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя с защитой от перегрева.

Регулирование частоты вращения двигателя осуществляется путем изменения напряжения и частоты трехфазного инвертора. Сигналы управления ключами инвертора формируются модулем ШИМ микроконтроллера и поступают на драйвер силовых транзисторов инвертора.

Обратная связь но частоте вращения двигателя осуществляется с помощью датчика частоты вращения, дающего на своем выходе последовательность

Рис. 2.22. МНУ управления асинхронным двигателем импульсов, частота которых пропорциональна скорости вращения вала двигателя. Таймер осуществляет счет этих импульсов, что позволяет рассчитывать период вращения двигателя.

Внешнее управление осуществляется с помощью пульта управления.

Для контроля теплового режима работы двигатель снабжен термопарой, сигнал с которой, предварительно усиленный, поступает на АЦП микроконтроллера. После преобразования напряжения в цифровой код информация о температуре становится доступной микропроцессору для дальнейшей обработки.

Для индикации режимов работы (например, частоты) обычно применяется цифровой светодиодный индикатор, отображающий те числа, коды которых передаются через параллельный порт вывода. Для преобразования двоичного кода в изображение соответствующих ему цифр необходим специальный преобразователь кода.

История

С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ. controller — регулятор, управляющее устройство).

В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микроЭВМ».

Первый патент на однокристальную микроЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

В 1976 году американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства. Несмотря на популярность в России микроконтроллеров, упомянутых выше, по данным Gartner Grup от 2009 года мировой рейтинг по объёму продаж выглядит иначе: первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем идут Microchip и TI, далее все остальные.

В СССР велись разработки оригинальных микроконтроллеров, также осваивался выпуск клонов наиболее удачных зарубежных образцов .

В 1979 году в СССР НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1, микроархитектура которой получила название «Электроника НЦ».

Описание

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать компромисс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Многие модели контроллеров вообще не имеют шин для подключения внешней памяти.

Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись, либо хранимая программа записывается в кристалл на этапе изготовления (конфигурацией набора технологических масок). Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи программы в энергонезависимой памяти.

Неполный список периферийных устройств, которые могут использоваться в микроконтроллерах, включает в себя:

• универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;
• различные интерфейсы ввода-вывода, такие, как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;
• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• компараторы;
• широтно-импульсные модуляторы (ШИМ-контроллер);
• таймеры;
• контроллеры бесколлекторных двигателей, в том числе шаговых;
• контроллеры дисплеев и клавиатур;
• радиочастотные приемники и передатчики;
• массивы встроенной флеш-памяти;
• встроенные тактовый генератор и сторожевой таймер;

Ограничения по цене и энергопотреблению ограничивает тактовую частоту контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Известные семейства

• MCS 51 (Intel)

• ESP8266 (Espressif)

• MSP430 (TI)

Применение

Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств.

Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

• в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD, калькуляторах;
• электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах, различных роботах, системах «умный дом», и др..

В промышленности:

• устройства промышленной автоматики — от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,
• систем управления станками

В то время как 8-разрядные микропроцессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например, цифровые сигнальные процессоры, применяющиеся для обработки большого потока данных в реальном времени (например, аудио-, видеопотоков).

Программирование

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта и Бейсика. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика.

Известные компиляторы Си для МК:

• GNU Compiler Collection — поддерживает ARM, AVR, MSP430 и многие другие архитектуры
• Small Device C Compiller — поддерживает множество архитектур
• CodeVisionAVR (для AVR)
• IAR (для любых МК)
• WinAVR (для AVR и AVR32)
• Keil (для архитектуры 8051 и ARM)
• HiTECH (для архитектуры 8051 и PIC от Microchip)

Известные компиляторы бейсика для МК:

• MikroBasic (архитектуры PIC, AVR, 8051 и ARM)
• Bascom (архитектуры AVR и 8051)
• FastAVR (для архитектуры AVR)
• PICBasic (для архитектуры PIC)
• Swordfish (для архитектуры PIC)

Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и отладочный интерфейс, например, JTAG.

> См. также

• Программируемый логический контроллер
• Система на кристалле
• Однокристальный микроконтроллер