Микроконтроллер

Микроконтроллер (MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Микроконтроллеры впервые появились в том же году, что и микропроцессоры общего назначения (1971). Разработчики микроконтроллеров придумали остроумную идею – объединить процессор, память, ПЗУ и периферию внутри одного корпуса, внешне похожего на обычную микросхему. С тех пор производство микроконтроллеров ежегодно во много раз превышает производство процессоров, а потребность в них не снижается. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры  являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить  во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и  т. п. Большая часть выпускаемых  в мире процессоров — микроконтроллеры[3].

В отличие от микросхем "жесткой логики", микроконтроллер - это микросхема, у которой, во-первых, зависимость выходных сигналов от входных  определяется исключительно правилами, заложенными разработчиком заранее (это называется программированием, а сами правила - программой), а во-вторых, нет четкого деления выводов на входы и выходы - обычно почти все выводы микроконтроллера в зависимости от желания и намерения разработчика могут быть как входами, так и выходами (и даже менять свое назначение в процессе работы).

Достаточно широкое распространение имеют МК фирмы ATMEL, которые располагают большими функциональными возможностями.

Применение  МК можно разделить на два этапа: первый - программирование, когда пользователь разрабатывает программу и прошивает ее непосредственно в кристалл, и второй - согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммируемым МК. Значительно облегчают отладку программы на первом этапе - симулятор, который наглядно моделирует работу микропроцессора. На втором этапе для отладки используется внутрисхемный эмулятор, который является сложным и дорогим устройством, зачастую недоступным рядовому пользователю.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся  устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

Применение  микроконтроллеров в технике  очень актуально. Так как они  существенно ускоряют работу поставленной им задачи. Отсюда и важность их изучения и применения в устройствах.

В ходе работы микроконтроллер считывает команды из памяти или порта ввода и исполняет их. Что означает каждая команда, определяется системой команд микроконтроллера. Сиситема команд заложена в архитектуре микрконтроллера и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами микросхемы определенных микроопераций.

Микроконтроллеры  позволяют гибко управлять различными электронными и электрическими устройствами. Некоторые модели микроконтроллеров настолько мощны, что могут непосредственно переключать реле (к примеру, на елочных гирляндах).

Микроконтроллеры, как правило, не работает в одиночку, а запаивается в схему, где, кроме него, подключаются экраны, клавиатурные входы, различные датчики и т.д.

Обычно память в микроконтроллерах составляет от 2 до 128 Кб. Если меньше, то писать приходится на ассемблере или Форте, если есть возможность, то используют специальные версии Бейсика, Паскаля, но в основном – Си. Прежде чем окончательно запрограммировать микроконтроллер, его тестируют в эмуляторах – программных или аппаратных. 

Микросхема  или микроконтроллерный чип реализует  на одном кристалле процессор и интерфейсные схемы.

Самодостаточный чип, который содержит практически  всё, чтобы этого хватало для  построения законченного изделия и  есть пример типового микроконтроллера. Например, наручные электронные часы или часы-будильник, имеют внутри микроконтроллер, который реализует все функции такового устройства. Отдельные периферийные устройства подключаются непосредственно к ножкам микросхемы микроконтроллера, либо совместно используются дополнительные элементы или микросхемы малой либо средней степени интеграции.

Микроконтроллеры  широко используются в изделиях, которые содержат всю систему целиком исключительно в одной миниатюрной микросхеме, часто называемой микросборкой. Например, «чиповая» кредитная карточка содержит микроконтроллер внутри в пластиковой основе. Таблетка домофона так же внутри себя содержит микроконтроллер. И примеров использования и применения микроконтроллеров настолько обширен в современном мире, что легко обнаружить наличие контроллера в любом интеллектуальном устройстве от детской игрушки до беспроводной гарнитуры сотового телефона.

Микроконтроллер ATtiny2313

 

Микросхема ATtiny2313 представляет собой восьмиразрядный микроконтроллер с внутренней программируемой Flash-памятью размером 2 Кбайт. Микроконтроллер использует AVR® RISC архитектуру. AVR - это высокое быстродействие и специальная RISC-архитектура с низким потреблением. Ядро AVR имеет большой набор инструкции для работы с 32 регистрами общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (ALU), которое позволяет выполнять одну команду для двух разных регистров за один такт системного генератора. Такая архитектура позволила достигнуть производительности в десять раз большей, чем у традиционных микроконтроллеров, построенных по CISC-технологии.

Назначение  выводов микросхемы ATtiny2313 приведено на рисунке 3.

Микросхема ATtiny2313 имеет следующие особенности:

-  2 Кбайт  системной программируемой Flash-памяти программ;

-  128 байт EEPROM;

-  128 байт SRAM (ОЗУ);

-  18 линий ввода—вывода (I/O);

-  32 рабочих регистра;

-  однопроводной интерфейс  для внутрисхемной отладки;

-  два многофункциональных  таймера/счетчика с функцией совпадения;

- поддержка внешних и  внутренних прерывании; последовательный  программируемый USART-порт;

-   универсальный  последовательный интерфейс с детектором начала передачи;

-  программируемый  сторожевой таймер с внутренним  генератором;

-  три программно  изменяемых режима энергосбережения;

- три вида  корпусов: PDIP — 20 контактов; SOIC — 20 контактов; QFN/MLF — 20 контактных площадок;

- напряжения  питания: 2,7 — 5,5 В;

- диапазон частот  тактового генератора ATtiny2313: 0—10 МГц при напряжении 2,7—5,5 В;  0—20 МГц при напряжении 4,5—5,5 В.

- ток потребления  в активном режиме: 1 МГц, 1,8 В: 230 мкА; 32 кГц, 1,8 В: 20 мкА (с внутренним генератором).

- ток потребления  в режиме низкого потребления: не более 0,1 мкА при напряжении 1,8 В.

  В режиме Idle происходит приостановка центрального процессора, остальные системы продолжают работать. Выход из этого режима возможен как по внешнему прерыванию, так и по внутреннему. Например, при переполнении таймера.

В режиме Power Down сохраняется содержимое регистров, но приостанавливается работа внутреннего генератора и отключаются все остальные функции микросхемы. Выход из режима возможен по внешнему прерыванию или после системного сброса. Такое решение позволяет совмещать быстрый старт с низким энергопотреблением.

Микросхема  изготовлена с использованием уникальной высокоточной технологии фирмы Atmel. Внутренняя Flash-память программ может быть перепрограммирована при помощи ISP-интерфейса без извлечения микроконтроллера из платы. Объединение 8-разрядного RISC-процессора внутрисистемной перепрограммируемой Flash-памятью на одном кристалле делают микросхему ATtiny2313 мощным средством, которое обеспечивает очень гибкие и недорогие решения многих прикладных задач управления.

Для микросхемы ATtiny2313, как и всех остальных микросхем серии AVR, существует полный набор документации и инструментальных программ:

-  компиляторы с языка С;

-  макроассемблеры;

-  программные  отладчики/имитаторы;

-  отладочные  комплекты.

Рисунок 3. Назначение выводов микросхемы ATtiny2313.

 

За основу мы возьмем именно этот микроконтроллер, так как для нашей задачи особо высокопроизводительного микроконтроллера не требуется, а эта модель полностью соответствует нашим требованиям, а также она имеет многие преимущества и особенности, описанные выше.

 

Принципиальная схема устройства переключения новогодних гирлянд на микроконтроллере Attiny 2313

 

Данное устройство управляет 13 светодиодами, подключенными к портам микроконтроллера. В качестве микроконтроллера используется МК фирмы ATMEL: Attiny2313. Благодаря использованию внутреннего генератора, выводы 4 и 5 задействованы как дополнительные порты микроконтроллера PA0,PA1. Схема обеспечивает выполнение 12 программ эффектов, 11 из которых - индивидуальные комбинации, а 12-тая программа – последовательный однократный повтор предыдущих эффектов. Переключение на другую программу осуществляется нажатием на кнопку SB1. Программы эффектов включают в себя и бегущий одинарный огонь, и нарастание огня, и бегущую тень и многое другое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Устройство  имеет возможность регулировки  скорости смены комбинаций при выполнении программы, которая осуществляется нажатием на кнопки: SB2 – увеличение скорости и SB3 – уменьшение скорости при условии, что переключатель SA1 находиться в положении “Скорость программы”. Также имеется возможность регулировать частоту горения светодиода (от стабилизированного свечения до легкого мерцания), которая осуществляется нажатием на кнопки: SB2 – уменьшение (до мерцания) и SB3- увеличение при условии, что переключатель SA1 находиться в положении “Частота  мерцания”. У переключателя SA2 замкнутое положение соответствует режиму регулировки скорости выполнения программ, а разомкнутое - режиму  регулировки частоты горения светодиодов.

 Порядок  нумерации светодиодов в схеме  соответствует их порядку зажигания  при выполнении программы. При  необходимости вывод RESET может  быть использован для сброса, а в качестве порта PA2 он не задействован. В устройстве выбрано при программировании тактовая частота 8 МГц от внутреннего генератора (фузы CKSEL3..0 - 0100).Хотя возможно использование частоты в 4 МГц(фузы CKSEL3..0 - 0010) с соответствующими изменениями временных интервалов работы схемы.

Для  схемы  подойдут любые светодиоды с напряжением  питания 2-3 вольта, резисторами R1-R17 можно  регулировать яркость свечения светодиодов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОД

 

Трудно представить  сферу современной деятельности человека, где не использовались бы микроконтроллеры. Телефоны, телевизоры, жидкокристаллические мониторы, кондиционеры, холодильники, новогодние гирлянды, компьютеры и многое другое не могут работать без микроконтроллеров. Микроконтроллеры намного лучше своих предшественников: ламп и полупроводников. Они гораздо меньших размеров и обладают большей производительностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Белов  А.Б. Конструирование устройств  на микроконтроллерах / Наука  и Техника, 2005. - 255 с.

2. Предко  М. Руководство по микроконтроллерам.  Том 1. /

Пер. с  англ. под ред.И. И. Шагурина и С.Б. Лужанского - М.: Постмаркет, 2001. - 416 с.

3. Предко М. Руководство  по микроконтроллерам. Том 2. / Пер. с англ. под ред.И. И.  Шагурина и С.Б. Лужанского - М.: Постмаркет, 2001. - 488 с.

4. Вуд А. Микропроцессоры  в вопросах и ответах. / Пер.  с англ. под ред. Д.А. Поспелова. - М.: Энергоатомиздат. 1985. - 184 с.

5. Уильямс Г.Б.  Отладка микропроцессорных систем: / Пер. с. англ. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 253с.

6. Угрюмов Е.П.  Цифровая схемотехника. - Спб.: БВХ  - Санкт-Петербург, 2000. - 528 с.

7. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.

8. Бродин Б.В., Шагурин  И.И. Микроконтроллеры: Справочник. - М.: ЭКОМ, 1999. - 395 с.

9. Программируемые  логические ИМС на КМОП-структурах  и их применение. / П.П. Мальцев,  Н.И. Гарбузов, А.П. Шарапов, А.А. Кнышев. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 158 с.

10. Соловьев В.В., Васильев А.Г. Программируемые  логические интегральные схемы  и их применение. - Мн.: Беларуская  наука, 2008. - 270 с.

11. Лаптев В. Цифровой  измеритель температуры на базе AVR микроконтроллера и RC-цепочки. - Электронные компоненты, 2001. №2, с.46 - 49.