MicroController in sistemi incorporati: progettazione, selezione e best practice

I dispositivi, gli elettrodomestici e i sistemi intelligenti sono ora profondamente integrati nella vita di tutti i giorni, dall'automazione domestica ai processi industriali.Questi sistemi si basano su un'unità di elaborazione centrale per prendere decisioni ed eseguire compiti.Nel caso di Smart Electronics, questo ruolo è svolto da un sistema incorporato.Un sistema incorporato è un circuito specializzato, spesso indicato come un PCBA (gruppo di circuiti stampati), che include un microcontrollore: un'unità di calcolo compatta e autonoma progettata per funzioni specifiche.A differenza dei computer per scopi generali come desktop e laptop, i microcontrollori sono ottimizzati per attività dedicate e funzionano senza eseguire più applicazioni.La progettazione di sistemi incorporati efficienti richiede una forte comprensione delle caratteristiche e delle capacità del microcontrollore.

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Figura 1: microcontrollori: il cervello dell'elettronica intelligente ovunque

Come vengono utilizzati i microcontroller

Il design del sistema incorporato era storicamente noto come microprocessing, un termine che derivava dall'uso di microprocessori (MPU).Un microprocessore è essenzialmente l'unità di elaborazione centrale (CPU) di un sistema, che richiede componenti esterni per funzionare efficacemente.Al contrario, un microcontrollore (MCU) integra tutti gli elementi di calcolo necessari, come la memoria, la potenza di elaborazione e le interfacce di input/output, in un singolo circuito integrato (IC).Questa integrazione compatta rende MCUS più adatto per applicazioni incorporate in cui lo spazio, l'efficienza e i vincoli di costo sono fondamentali.

La crescente adozione di circuiti dotati di questi IC ha portato al termine più ampio "sistemi incorporati".Mentre i microcontroller si sono evoluti, la loro architettura fondamentale rimane simile ai computer tradizionali, tra cui componenti essenziali come RAM, ROM, un orologio o un timer, una CPU e interfacce I/O.

La maggior parte dei microcontroller sono dotati di ROM integrati (come EPROM o EEPROM) precaricato con firmware progettato per eseguire funzioni specifiche.Tuttavia, i moderni microcontrollori utilizzano sempre più la memoria flash, che consente una programmazione e una riprogrammazione flessibili.Ciò è particolarmente utile per le schede di sviluppo, in cui il firmware può essere aggiornato fuori bordo prima di essere trasferito al sistema finale.In molti casi, sono possibili anche la programmazione e il debug in circuito se il sistema supporta i dati esterni e la trasmissione di potenza attraverso la sua interfaccia del bus.

La rapida espansione della tecnologia intelligente ha esteso applicazioni di microcontrollore oltre i dispositivi di consumo.Oggi svolgono un ruolo essenziale nell'automazione industriale, nel controllo dei processi e nei sistemi di produzione.Di seguito sono riportate alcune applicazioni chiave dei microcontrollori:

Applicazioni comuni di microcontrollore

Automazione industriale - utilizzata in robotica, controllo del motore e linee di produzione automatizzate.

Controllo dei processi del dispositivo: trovati in temperatura, sistemi di feedback e macchinari industriali.

Acquisizione dei dati (DAQ) ed elaborazione del segnale - essenziale per la raccolta, l'analisi e la trasmissione dei dati del sensore.

Sistemi Internet of Things (IoT): fungono da spina dorsale di dispositivi connessi in case intelligenti e applicazioni IoT industriali.

Prodotti automatizzati autonomi-utilizzati nei distributori automatici, chioschi self-service e sistemi di sicurezza automatizzati.

Operazioni a base di sensori-Applicato nel rilevamento del movimento, monitoraggio ambientale e agricoltura intelligente.

Caratteristiche chiave dei microcontroller

I microcontroller sono disponibili in molte varietà e la scelta di quella giusta dipende dai requisiti dell'applicazione specifica.Un design ben strutturato dovrebbe corrispondere alle caratteristiche del microcontrollore all'uso previsto.Una delle famiglie di microcontroller più comunemente utilizzate è la serie PIC della tecnologia di microchip, tra cui il pic32mk ad alte prestazioni.

Il microcontrollore PIC32MK

Figura 2: MCU PIC-32 a 64 pin nel pacchetto TQFP

Il PIC32MK è un microcontrollore a 32 bit disponibile in più opzioni di pacchetto, tra cui TQFP a 64 pin, QFN a 64 pin e TQFP da 100 pin.Questo microcontrollore è ottimizzato per le applicazioni di controllo del motore ma può anche gestire varie attività di sistema incorporate.Le specifiche chiave includono:

Core e capacità di elaborazione

Core MIPS32® Microapv ™ con unità di punta mobile (FPU)

Controllo della memoria avanzato per una gestione efficiente dei dati

Fino a 16 kb di memoria flash

Funzionalità analogiche e digitali

7 moduli ADC per una conversione analogica a digitale precisa

3 convertitori da analogico a digitale capacitivo a 12 bit (CDAC)

4 amplificatori operativi (AMP OP) e 5 comparatori

Timer ed elaborazione del segnale

Fino a 14 timer a 16 bit o 8 a 32 bit, oltre a un timer a 16 bit aggiuntivo

6 timer a 32 bit per il monitoraggio del movimento per il monitoraggio del movimento per il monitoraggio del movimento (QEI) per tracciamento del movimento

16 moduli di acquisizione di ingresso e 16 moduli di confronto

Un modulo di orologio e calendario in tempo reale

Interfacce di comunicazione

4 MODULI DI BUS CAN per applicazioni automobilistiche e industriali

6 moduli UART per la comunicazione seriale

6 moduli SPI/I2S per connessioni periferiche

Fino a 2 controller USB a velocità completa

Controllo motorio e funzioni speciali

PWM Capacità di modulazione della larghezza dell'impulso di controllo del motore (PWM)

Interfaccia encoder del motore per velocità precisa e tracciamento della posizione

Sensore di temperatura interno per il monitoraggio termico

Supporto Serial Programming ™ (ICSP ™)

Interfaccia JTAG per il debug e il test

L'architettura di PIC32MK integra le funzionalità che riducono la necessità di componenti aggiuntivi, in particolare nelle applicazioni di controllo del motore.Ciò semplifica il layout PCB e riduce la complessità del sistema.

Figura 3: diagramma a blocchi pic32mk

MicroController PIC alternativi a 32 bit

Mentre il PIC32MK è una scelta potente, altri microcontrollori PIC a 32 bit di Microchip offrono diversi livelli di prestazioni, configurazioni di memoria e profili di consumo di energia.Alcune alternative includono:

Serie PIC32MZ

PIC32MZ EF - 252 MHz, 512 KB a 2 mb flash, da 128 a 512 kb SRAM

PIC32MZ DA - 200 MHz, flash da 1 a 2 mb, da 256 a 640 kb sram

Serie Pic32mx

Pic32mx 3/4 - da 80 a 120 MHz, da 32 a 512 kb flash, da 8 a 128 kb SRAM

Pic32mx 5/6/7 - 80 MHz, da 64 a 512 kb flash, da 16 a 128 kb SRAM

Pic32mx 1/2 xlp - 72 MHz, da 128 a 256 kb flash, da 32 a 64 kb sram

Pic32mx 1/2/5 - 50 MHz, da 16 a 512 kb flash, da 4 a 64 kb sram

Altri microcontrollori di microchip

PIC32CM MC - Core ARM® Cortex®, 48 MHz, flash da 64 a 128 kB, da 8 a 16 kb SRAM

Pic32mm - 25 MHz, da 16 a 256 kb flash, da 4 a 32 kb sram

Per applicazioni più semplici, Microchip fornisce anche microcontrollori a 8 e 16 bit, che offrono set di istruzioni ridotti e una programmazione più semplice mantenendo l'efficienza.

Le migliori pratiche per il design PCBA incorporato

Figura 4: dati del modello PIC32MK di Ultra Librarian

Quando si integrano i microcontrollori nei progetti di PCB, diversi fattori influenzano le prestazioni e l'affidabilità:

Traccia routing e layout della scheda: la configurazione a 64 pin di PIC32MK richiede spesso un design a PCB multistrato.Il routing di traccia efficiente e il posizionamento aiutano a ridurre al minimo le dimensioni della scheda mantenendo l'integrità del segnale.

Gestione dell'alimentazione - I condensatori di disaccoppiamento adeguati vicino ai perni di potenza stabilizzano i livelli di tensione e riducono il rumore.

Accesso alla programmazione: per sfruttare appieno la programmazione in circuito e applicazione, garantire che le intestazioni di debug e di programmazione siano accessibili.

Considerazioni termiche: i componenti come il sensore di temperatura interno consentono il monitoraggio in tempo reale, ma la progettazione di PCB dovrebbe anche incorporare le corrette strategie di dissipazione del calore, come i piani di terra e le VIA termiche.