1.2 Мікроконтролер

Наступним елементом, який необхідно включити в схему буде мікроконтролер (МК).

Мікроконтролер (англ. microcontroller), або однокристальна мікроЕОМ – виконана у вигляді мікросхеми спеціалізована мікропроцесорна система, що включає мікропроцесор, блоки пам'яті для збереження коду програм і даних, порти вводу-виводу і блоки зі спеціальними функціями (лічильники, компаратори, АЦП та інші).

МК використовується для керування електронними пристроями. По суті, це – однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих на базі мікроконтролерів.

Використання мікроконтролерів дозволяє конструювати пристрої, що володіють такими якостями, як невеликі габарити, відносна дешевизна, простота і надійність, сумісність з персональним комп'ютером через стандартні інтерфейси.

1.2.1 Загальні правила вибору мікроконтролера

При розробці пристрою виникає необхідність у виборі мікроконтролера, що задовольняє вимогам по продуктивності, надійності, умовам застосування і т.д.

Вибір мікроконтролера є одним з найбільш важливих рішень. Основна мета – обрати мікроконтролер з мінімальною ціною (щоб знизити загальну вартість системи), але в той же час він повинен задовольняти системну специфікацію, тобто вимогам по продуктивності, надійності, умовам застосування і т.д.

Другий крок – пошук мікроконтролерів, які задовольняють всім системним вимогам. Він звичайно включає підбір літератури, технічних описів і технічних комерційних журналів, а також демонстраційні консультації.

Остання стадія вибору складається з кількох етапів, мета яких звузити список прийнятних мікроконтролерів до одного. Ці етапи включають в себе аналіз ціни, доступності, засобів розробки, підтримки виробника, стабільності та наявності інших виробників.

Проведення системного аналізу проекту дозволяє визначити вимоги до мікроконтролера:

• розрядність обчислювального ядра;

• набір вбудованих периферійних пристроїв (таймери, АЦП і т.п.);

• наявність бітових операцій;

• апаратна організація обробки даних (структура машинного циклу, співвідношення тактів ГТВ і машинних циклів);

• можливість робота за перериванням, за зовнішнім сигналам готовності або по командах людини;

• кількість керованих портів введення /виводу, характер передачі – байт або біти, програмна настройка напрямку передачі;

• тип пристроїв введення /виводу, якими повинен управляти обираний МК в проектованій системі (термінали, вимикачі, реле, клавіші, датчики, цифрові пристрої візуальної індикації, аналого-цифрові й цифроаналогові перетворювачі, модулятори і т.д.);

• підтримувані способи завантаження програм в мікроконтролер, можливість внутрішньосистемних програмування (ISP), використання при цьому стандартизованих інтерфейсів (SPI, I2C);

• кількість і тип напруги живлення;

• відмовостійкість джерела живлення;

• масо-габаритні та естетичні обмеження;

• умови навколишнього середовища, необхідні для експлуатації.

Вибір прикладної мови програмування (наприклад, С або Паскаль замість асемблер) може сильно вплинути на продуктивність системи, яка потім може диктувати вибір 8 -, 16 - або 32-розрядної архітектури.

Тактова частота або, більш точно, швидкість шини визначає, скільки обчислень може бути виконана за одиницю часу. Деякі мікроконтролери мають вузький діапазон можливої тактової частоти, в той час як інші можуть працювати аж до нульової частоти.

В основному, обчислювальна потужність, споживана потужність і вартість системи збільшуються з підвищенням тактової частоти.

При виборі МК важливо також взяти до уваги технологію, з використанням якої виготовлено процесор МК: N-канальний метал-оксид-напівпровідник (NMOS, КМОН) в порівнянні з комплементарними MOS високого ступеня інтеграції (HCMOS).

Щоб досягти більш високого рівня інтеграції та надійності при більш низькій ціні, всі мікроконтролери мають вбудовані додаткові пристрої. Ці пристрої під керуванням мікропроцесорного ядра мікроконтролера виконують певні функції. Вбудовані пристрої підвищують надійність, тому що вони не вимагають ніяких зовнішніх електричних ланцюгів. Вони попередньо тестуються виробником і звільняють місце на платі, так як всі електричні з'єднувальні ланцюга виконані на кристалі в мікроконтролерів. Деякими з найбільш популярних внутрісхемних пристроїв є пристрої пам'яті, таймери, системний годинник /генератор і порти вводу – виводу (I /O). Пристрої пам'яті включають оперативну пам'ять (RAM), постійні запам'ятовуючі пристрої (ROM), перепрограмовану ROM (EPROM), електрично-перепрограмовану ROM (EEPROM) та пам'ять, що електрично стирається (EEM).

До пристроїв введення-виведення відносять послідовні порти зв'язку, паралельні порти (I /O лінії), аналого-цифрові перетворювачі (A /D), цифро-аналогові перетворювачі (D /A), драйвери рідкокристалічного екрана (LCD) і драйвери вакуумного флуоресцентного екрана (VFD). Іншими, рідше використовуваними, вбудованими ресурсами є внутрішня /зовнішня шина, таймер стеження за нормальним функціонуванням системи, сторожева схема, система виявлення відмов тактового генератора та системний інтеграційний модуль (SIM). SIM звичайно замінює зовнішню логіку, необхідну для взаємодії із зовнішніми пристроями через обрані контакти мікросхеми.