كيفية تحديد الميكروكونترولر المناسب لتطبيقك المضمن

المتحكم الدقيق هو في الأساس جهاز كمبيوتر صغير على شريحة ، مثل أي جهاز كمبيوتر ، وله ذاكرة وعادة ما يتم برمجته في أنظمة مدمجة لتلقي المدخلات وإجراء العمليات الحسابية وتوليد الإخراج. على عكس المعالج ، فهو يشتمل على الذاكرة ووحدة المعالجة المركزية و I / O والأجهزة الطرفية الأخرى على شريحة واحدة كما هو موضح في التخطيط أدناه.

دائمًا ما يكون اختيار وحدة التحكم الدقيقة الصحيحة لمشروع ما قرارًا معقدًا يجب اتخاذه لأنه قلب المشروع ويعتمد عليه نجاح أو فشل النظام.

هناك ألف نوع مختلف من وحدات التحكم الدقيقة ، كل منها يتمتع بميزة فريدة أو ميزة تنافسية من عامل الشكل إلى حجم الحزمة إلى سعة ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة القراءة فقط التي تجعلها مناسبة لتطبيقات معينة وغير مناسبة لتطبيقات معينة. وبالتالي ، في كثير من الأحيان ، لتجنب الصداع الذي يأتي مع اختيار المناسب ، يختار المصممون المتحكمات الدقيقة التي يعرفونها في بعض الأحيان ، حتى أنهم لا يلبيون بالفعل متطلبات المشروع. ستلقي مقالة اليوم نظرة على بعض العوامل المهمة التي يجب مراعاتها عند اختيار وحدة تحكم دقيقة بما في ذلك الهندسة المعمارية والذاكرة والواجهات وعقارات الإدخال / الإخراج وغيرها.

عوامل مهمة يجب مراعاتها عند اختيار MCU

فيما يلي بعض العوامل المهمة التي يجب مراعاتها عند اختيار وحدة تحكم دقيقة بما في ذلك الهندسة المعمارية والذاكرة والواجهات وعقارات الإدخال / الإخراج وغيرها.

1. التطبيق

أول شيء يجب فعله قبل اختيار وحدة تحكم دقيقة لأي مشروع هو تطوير فهم عميق للمهمة التي سيتم نشر الحل القائم على وحدة التحكم الدقيقة من أجلها. يتم دائمًا تطوير ورقة المواصفات الفنية أثناء هذه العملية وسوف تساعد في تحديد الميزات المحددة التي سيتم استخدامها في المشروع. يتم عرض مثال جيد لكيفية تحديد تطبيق / استخدام الجهاز للميكروكونترولر المراد استخدامه عند اعتماد متحكم دقيق بوحدة فاصلة عائمة لتصميم جهاز سيتم استخدامه لأداء عمليات تتضمن الكثير من الأرقام العشرية.

2. حدد هندسة وحدة التحكم الدقيقة

تشير بنية المتحكم الدقيق إلى كيفية هيكلة وحدة التحكم الدقيقة داخليًا. هناك نوعان من الهندسة المعمارية الرئيسية المستخدمة في تصميم وحدات التحكم الدقيقة ؛

عمارة فون نيومان
هندسة هارفارد

تتميز بنية von Neumann باستخدام نفس الحافلة لنقل البيانات وجلب مجموعات التعليمات من الذاكرة. لذلك لا يمكن إجراء نقل البيانات وجلب التعليمات في نفس الوقت وعادة ما يتم جدولتها. من ناحية أخرى ، تتميز بنية هارفارد باستخدام حافلات منفصلة لنقل البيانات وجلب التعليمات.

كل من هذه البنى تأتي بمزاياها وعيوبها. هندسة هارفارد على سبيل المثال هي أجهزة كمبيوتر RISC (مجموعة تعليمات مخفضة) وبالتالي فهي قادرة على أداء المزيد من التعليمات مع دورات أقل من أجهزة الكمبيوتر CISC (مجموعة التعليمات المعقدة) التي تعتمد على بنية فون نيومان. تتمثل إحدى الميزات المهمة للميكروكونترولر المستندة إلى Harvard (RISC) في حقيقة أن وجود حافلات مختلفة للبيانات ومجموعة التعليمات يمكّن من فصل الوصول إلى الذاكرة وعمليات وحدة الحساب والمنطق (ALU). هذا يقلل من كمية الطاقة الحسابية التي يتطلبها الميكروكونترولر ويؤدي إلى انخفاض التكلفة واستهلاك الطاقة المنخفض وتبديد الحرارة مما يجعلها مثالية لتصميم الأجهزة التي تعمل بالبطاريات. العديد من ARM ،تعتمد المتحكمات الدقيقة AVR و PIC على هندسة هارفارد. تتضمن أمثلة المتحكمات الدقيقة التي تستخدم بنية Von Neumann 8051 و zilog Z80 وغيرها.

3. حجم البت

يمكن أن يكون المتحكم الدقيق إما 8 بت ، و 16 بت ، و 32 بت ، و 64 بت ، وهو الحد الأقصى لحجم البت الحالي الذي يمتلكه متحكم دقيق. يمثل حجم بت المتحكم الدقيق حجم "الكلمة" المستخدمة في مجموعة التعليمات الخاصة بالمتحكم الدقيق. هذا يعني أنه في متحكم 8 بت ، فإن تمثيل كل تعليمات أو عنوان أو متغير أو سجل يستغرق 8 بت. أحد الآثار الرئيسية لحجم البت هو سعة ذاكرة وحدة التحكم الدقيقة. في متحكم 8 بت على سبيل المثال ، هناك 255 موقعًا فريدًا للذاكرة وفقًا لحجم البت بينما في متحكم 32 بت ، هناك 4،294،967،295 موقعًا فريدًا للذاكرة ، مما يعني أنه كلما زاد حجم البت ، زاد عدد الفريد مواقع الذاكرة المتاحة للاستخدام على متحكم. ومع ذلك ، فإن الشركات المصنعة في هذه الأيامتعمل على تطوير طرق لتوفير الوصول إلى المزيد من مواقع الذاكرة للميكروكونترولر الأصغر حجمًا من خلال الترحيل والعنونة ، بحيث يصبح المتحكم البالغ 8 بتات قابلاً للعنونة ولكن هذا يميل إلى تعقيد البرمجة لمطور البرامج المضمنة.

من المحتمل أن يكون تأثير حجم البت أكثر وضوحًا عند تطوير البرامج الثابتة لوحدة التحكم الدقيقة خاصةً للعمليات الحسابية. أنواع البيانات المختلفة لها حجم ذاكرة مختلف لحجم بت متحكم مختلف. على سبيل المثال ، فإن استخدام متغير تم الإعلان عنه باعتباره عددًا صحيحًا بدون إشارة والذي سيتطلب بسبب نوع البيانات 16 بت من الذاكرة ، في الرموز التي سيتم تنفيذها على متحكم 8 بت ، سيؤدي إلى فقدان البايت الأكثر أهمية في البيانات والتي قد تكون في بعض الأحيان مهم جدًا لتحقيق المهمة التي تم تصميم الجهاز الذي سيتم استخدام وحدة التحكم الدقيقة عليه.

لذلك من المهم تحديد متحكم بحجم بت يطابق حجم البيانات المراد معالجتها.

ربما يكون من المهم ملاحظة أن معظم التطبيقات هذه الأيام تتراوح بين 32 بت و 16 بت ميكروكنترولر بسبب التقدم التكنولوجي المدمج في هذه الرقائق.

4. واجهات للاتصالات

قد يتطلب الاتصال بين المتحكم الدقيق وبعض المستشعرات والمشغلات التي سيتم استخدامها للمشروع استخدام واجهة بين المتحكم الدقيق والمستشعر أو المشغل لتسهيل الاتصالات. خذ على سبيل المثال لتوصيل مستشعر تناظري بمتحكم دقيق سيتطلب أن يكون للمتحكم الدقيق ما يكفي من ADC (المحولات التناظرية إلى الرقمية) أو كما ذكرت سابقًا ، قد يتطلب تغيير سرعة محرك DC استخدام واجهة PWM على وحدة التحكم الدقيقة. لذلك سيكون من المهم التأكد من أن المتحكم الدقيق الذي سيتم اختياره يحتوي على عدد كافٍ من الواجهات المطلوبة بما في ذلك UART و SPI و I2C وغيرها.

5. جهد التشغيل

جهد التشغيل هو مستوى الجهد الذي تم تصميم النظام للعمل فيه. إنه أيضًا مستوى الجهد الذي ترتبط به خصائص معينة للنظام. في تصميم الأجهزة ، يحدد جهد التشغيل أحيانًا المستوى المنطقي الذي يتواصل عنده المتحكم الدقيق مع المكونات الأخرى التي يتكون منها النظام.

يعد مستوى الجهد 5V و 3.3V هو الجهد التشغيلي الأكثر شيوعًا المستخدم للميكروكونترولر ويجب اتخاذ قرار بشأن مستوى الجهد الذي سيتم استخدامه أثناء عملية تطوير المواصفات التقنية للجهاز لن يكون استخدام متحكم بجهد تشغيل 3.3 فولت في تصميم الجهاز حيث تعمل معظم المكونات الخارجية وأجهزة الاستشعار والمشغلات على مستوى جهد 5 فولت قرارًا ذكيًا للغاية حيث ستكون هناك حاجة إلى تنفيذ المستوى المنطقي المحولات أو المحولات لتمكين تبادل البيانات بين المتحكم الدقيق والمكونات الأخرى وهذا سيزيد من تكلفة التصنيع والتكلفة الإجمالية للجهاز دون داع.

6. عدد دبابيس الإدخال / الإخراج

يعد عدد منافذ الإدخال / الإخراج للأغراض العامة أو الخاصة و (أو) المسامير التي يمتلكها متحكم دقيق أحد أهم العوامل التي تؤثر على اختيار وحدة التحكم الدقيقة.

إذا كان يجب أن يحتوي المتحكم الدقيق على جميع الميزات الأخرى المذكورة في هذه المقالة ولكن لا يحتوي على ما يكفي من دبابيس الإدخال والإخراج كما هو مطلوب في المشروع ، فلا يمكن استخدامه. من المهم أن يكون للمتحكم الدقيق دبابيس PWM كافية على سبيل المثال ، للتحكم في عدد محركات التيار المستمر التي ستتغير سرعتها حسب الجهاز. بينما يمكن توسيع عدد منافذ الإدخال / الإخراج الموجودة على وحدة التحكم الدقيقة باستخدام سجلات التحويل ، إلا أنه لا يمكن استخدامها لجميع أنواع التطبيقات ويزيد من تكلفة الأجهزة التي يتم استخدامها فيها. لذلك ، من الأفضل التأكد من أن المتحكم الدقيق الذي سيتم اختياره للتصميم لديه العدد المطلوب من منافذ الإدخال / الإخراج للأغراض العامة والخاصة للمشروع.

هناك أمر أساسي آخر يجب مراعاته عند تحديد مقدار دبابيس الإدخال / الإخراج العامة أو الخاصة المطلوبة لمشروع ما ، وهو التحسين المستقبلي الذي يمكن إجراؤه على الجهاز وكيف يمكن أن تؤثر هذه التحسينات على عدد دبابيس الإدخال / الإخراج مطلوب.

7. متطلبات الذاكرة

هناك العديد من أنواع الذاكرة المرتبطة بالمتحكم الدقيق التي يجب على المصمم البحث عنها عند إجراء التحديد. أهمها ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة القراءة فقط و EEPROM. قد يكون من الصعب تقدير مقدار كل من هذه الذكريات المطلوبة حتى يتم استخدامها ولكن بالحكم على مقدار العمل المطلوب من المتحكم الدقيق ، يمكن إجراء تنبؤات. تشكل أجهزة الذاكرة المذكورة أعلاه بيانات وذاكرة البرنامج الخاصة بالميكروكونترولر.

تخزن ذاكرة البرنامج الخاصة بالميكروكونترولر البرامج الثابتة الخاصة بالميكروكونترولر ، لذلك عند فصل الطاقة عن المتحكم الدقيق ، لا يتم فقد البرنامج الثابت. تعتمد كمية ذاكرة البرنامج المطلوبة على كمية البيانات مثل المكتبات والجداول والملفات الثنائية للصور وما إلى ذلك التي يحتاجها البرنامج الثابت للعمل بشكل صحيح.

من ناحية أخرى ، يتم استخدام ذاكرة البيانات أثناء وقت التشغيل. يتم تخزين جميع المتغيرات والبيانات الناتجة عن المعالجة بين الأنشطة الأخرى أثناء وقت التشغيل في هذه الذاكرة. وبالتالي ، يمكن استخدام تعقيد العمليات الحسابية التي ستحدث أثناء وقت التشغيل لتقدير مقدار ذاكرة البيانات اللازمة للميكروكونترولر.

8. حجم العبوة

يشير حجم العبوة إلى عامل الشكل الخاص بالمتحكم الدقيق. تأتي المتحكمات الدقيقة بشكل عام في حزم تتراوح من QFP و TSSOP و SOIC إلى SSOP وحزمة DIP العادية التي تجعل التثبيت على لوح التجارب سهلًا. من المهم التخطيط مسبقًا للتصنيع وتحديد الحزمة الأفضل.

9. استهلاك الطاقة

يعد هذا أحد أهم العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار متحكم دقيق خاصة عندما يتم نشره في تطبيق يعمل بالبطارية مثل أجهزة إنترنت الأشياء حيث يكون من المرغوب فيه أن يكون الميكروكونترولر منخفض الطاقة قدر الإمكان. تحتوي ورقة البيانات الخاصة بمعظم وحدات التحكم الدقيقة على معلومات حول العديد من الأجهزة و (أو) التقنيات المعتمدة على البرامج التي يمكن استخدامها لتقليل كمية الطاقة التي يستهلكها المتحكم الدقيق في أوضاع مختلفة. تأكد من أن وحدة التحكم الدقيقة التي تختارها تلبي متطلبات الطاقة لمشروعك.

10. دعم متحكم

من المهم أن يكون للمتحكم الدقيق الذي تختار العمل معه دعم كافٍ بما في ذلك ؛ عينات الرموز والتصاميم المرجعية ومجتمع كبير عبر الإنترنت إن أمكن. قد يأتي العمل باستخدام متحكم دقيق لأول مرة مع تحديات مختلفة وسيساعدك الوصول إلى هذه الموارد في التغلب عليها بسرعة. أثناء استخدام أحدث وحدات التحكم الدقيقة نظرًا لتلك الميزات الجديدة الرائعة التي تأتي معها يعد أمرًا جيدًا ، فمن المستحسن التأكد من وجود وحدة التحكم الدقيقة لمدة 3-4 أشهر على الأقل لضمان معظم المشكلات المبكرة التي قد تكون مرتبطة بالمتحكم الدقيق كان من الممكن حلها نظرًا لأن العديد من العملاء قد قاموا بالكثير من اختبارات وحدة التحكم الدقيقة باستخدام تطبيقات مختلفة.

من المهم أيضًا تحديد متحكم دقيق مع مجموعة تقييم جيدة ، حتى تتمكن من البدء بسرعة في إنشاء نموذج أولي واختبار الميزات بسهولة. تعد مجموعات التقييم طريقة جيدة لاكتساب الخبرة والتعرف على سلسلة الأدوات المستخدمة للتطوير وتوفير الوقت أثناء تطوير الجهاز.

اختيار وحدة التحكم الدقيقة المناسبة للمشروع ، سيستمر في كونه مشكلة ، سيتعين على كل مصمم أجهزة حلها ، وبينما هناك عدد قليل من العوامل التي قد تؤثر على اختيار وحدة التحكم الدقيقة ، فإن هذه العوامل المذكورة أعلاه هي الأكثر أهمية.