Cách chọn bộ vi điều khiển phù hợp cho ứng dụng nhúng của bạn

Vi điều khiển về bản chất là một máy tính nhỏ trên chip, giống như bất kỳ máy tính nào, nó có bộ nhớ và thường được lập trình trong hệ thống nhúng để nhận đầu vào, thực hiện tính toán và tạo đầu ra. Không giống như một bộ xử lý, nó kết hợp bộ nhớ, CPU, I / O và các thiết bị ngoại vi khác trên một chip duy nhất như được hiển thị trong sơ đồ bên dưới.

Việc lựa chọn bộ vi điều khiển phù hợp cho một dự án luôn là một quyết định phức tạp vì nó là trái tim của dự án và sự thành công hay thất bại của hệ thống phụ thuộc vào nó.

Có hàng nghìn loại vi điều khiển khác nhau, mỗi loại đều có một tính năng hoặc lợi thế cạnh tranh riêng từ yếu tố hình thức, kích thước gói, dung lượng RAM và ROM khiến chúng phù hợp với một số ứng dụng nhất định và không phù hợp với một số ứng dụng nhất định. Vì vậy, đôi khi, để tránh phải đau đầu khi lựa chọn cái phù hợp, các nhà thiết kế chọn những bộ vi điều khiển mà họ quen thuộc, đôi khi chúng không thực sự đáp ứng được yêu cầu của dự án. Bài viết hôm nay sẽ xem xét một số yếu tố quan trọng cần xem xét khi lựa chọn một vi điều khiển bao gồm Kiến trúc, bộ nhớ, Giao diện và bất động sản I / O cùng những yếu tố khác.

Các yếu tố quan trọng cần xem xét khi chọn MCU

Sau đây là một số yếu tố quan trọng cần xem xét khi lựa chọn một bộ vi điều khiển bao gồm Kiến trúc, bộ nhớ, Giao diện và bất động sản I / O cùng những yếu tố khác.

1. Ứng dụng

Điều đầu tiên cần làm trước khi lựa chọn một bộ vi điều khiển cho bất kỳ dự án nào là phát triển sự hiểu biết sâu sắc về nhiệm vụ mà giải pháp dựa trên bộ vi điều khiển sẽ được triển khai. Bảng thông số kỹ thuật luôn được phát triển trong suốt quá trình này và nó sẽ giúp xác định các tính năng cụ thể của bộ vi điều khiển sẽ được sử dụng cho dự án. Một ví dụ điển hình về cách ứng dụng / việc sử dụng thiết bị xác định bộ vi điều khiển sẽ được sử dụng được trưng bày khi một bộ vi điều khiển có đơn vị dấu phẩy động được sử dụng cho thiết kế của một thiết bị sẽ được sử dụng để thực hiện các hoạt động liên quan đến nhiều số thập phân.

2. Chọn kiến trúc vi điều khiển

Kiến trúc của bộ vi điều khiển đề cập đến cách cấu trúc bên trong bộ vi điều khiển. Có hai kiến trúc chính được sử dụng để thiết kế vi điều khiển;

Kiến trúc Von Neumann
Kiến trúc Harvard

Kiến trúc von Neumann có tính năng sử dụng cùng một bus để truyền dữ liệu và tìm nạp các tập lệnh từ bộ nhớ. Do đó việc truyền dữ liệu và tìm nạp lệnh không thể được thực hiện cùng một lúc và thường được lên lịch. Mặt khác, kiến trúc Harvard có tính năng sử dụng các bus riêng biệt để truyền dữ liệu và tìm nạp các lệnh.

Mỗi kiến trúc này đều có ưu và nhược điểm riêng. Ví dụ, kiến trúc Harvard là máy tính RISC (Tập lệnh rút gọn) và do đó có thể thực hiện nhiều lệnh hơn với chu kỳ thấp hơn so với máy tính CISC (Tập lệnh phức hợp) dựa trên kiến trúc von Neumann. Một ưu điểm quan trọng của vi điều khiển dựa trên Harvard (RISC) là thực tế là sự tồn tại của các bus khác nhau cho dữ liệu và tập lệnh cho phép tách quyền truy cập bộ nhớ và các hoạt động của đơn vị số học và logic (ALU). Điều này làm giảm lượng công suất tính toán yêu cầu của vi điều khiển và dẫn đến giảm chi phí, tiêu thụ điện năng thấp và tản nhiệt khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc thiết kế các thiết bị hoạt động bằng pin. Nhiều ARM,Bộ vi điều khiển AVR và PIC dựa trên kiến trúc Harvard. Ví dụ về bộ vi điều khiển sử dụng kiến trúc Von Neumann bao gồm 8051, zilog Z80 trong số những bộ vi điều khiển khác.

3. Kích thước bit

Một bộ vi điều khiển có thể là 8bits, 16bits, 32bits và 64bits là kích thước bit tối đa hiện tại của một bộ vi điều khiển. Kích thước bit của vi điều khiển biểu thị kích thước của một “từ” được sử dụng trong tập lệnh của vi điều khiển. Điều này có nghĩa là trong vi điều khiển 8 bit, việc biểu diễn mọi lệnh, địa chỉ, biến hoặc thanh ghi đều chiếm 8 bit. Một trong những ý nghĩa quan trọng của kích thước bit là dung lượng bộ nhớ của vi điều khiển. Ví dụ, trong vi điều khiển 8 bit, có 255 vị trí bộ nhớ duy nhất được quy định bởi kích thước bit trong khi trong vi điều khiển 32 bit, có 4,294,967,295 vị trí bộ nhớ duy nhất, có nghĩa là kích thước bit càng cao, số lượng duy nhất càng cao. vị trí bộ nhớ có sẵn để sử dụng trên vi điều khiển. Tuy nhiên, các nhà sản xuất ngày nay,đang phát triển các cách để cung cấp quyền truy cập vào nhiều vị trí bộ nhớ hơn cho các bộ vi điều khiển kích thước bit nhỏ hơn thông qua phân trang và định địa chỉ, để bộ vi điều khiển 8bits trở nên có thể xử lý được 16bits nhưng điều này có xu hướng làm phức tạp việc lập trình cho nhà phát triển phần mềm nhúng.

Ảnh hưởng của kích thước bit có lẽ đáng kể hơn khi phát triển phần sụn cho vi điều khiển, đặc biệt là cho các phép toán số học. Các kiểu dữ liệu khác nhau có kích thước bộ nhớ khác nhau cho kích thước bit vi điều khiển khác nhau. Ví dụ: sử dụng một biến được khai báo là số nguyên không dấu, do kiểu dữ liệu sẽ yêu cầu bộ nhớ 16bit, trong các mã được thực thi trên vi điều khiển 8bit sẽ dẫn đến việc mất byte quan trọng nhất trong dữ liệu mà đôi khi có thể bị rất quan trọng đối với việc đạt được nhiệm vụ mà thiết bị sử dụng bộ vi điều khiển, được thiết kế.

Do đó, điều quan trọng là phải chọn một bộ vi điều khiển có kích thước bit phù hợp với kích thước của dữ liệu được xử lý.

Điều quan trọng cần lưu ý là hầu hết các ứng dụng ngày nay là vi điều khiển từ 32 bit đến 16 bit do những tiến bộ công nghệ được tích hợp trên các chip này.

4. Giao diện giao tiếp

Giao tiếp giữa vi điều khiển và một số cảm biến và thiết bị truyền động sẽ được sử dụng cho dự án có thể yêu cầu sử dụng giao diện giữa vi điều khiển và cảm biến hoặc thiết bị truyền động để tạo điều kiện cho việc liên lạc. Ví dụ, để kết nối cảm biến tương tự với vi điều khiển sẽ yêu cầu vi điều khiển có đủ ADC (bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số) hoặc như tôi đã đề cập trước đó, việc thay đổi tốc độ của động cơ DC có thể yêu cầu sử dụng giao diện PWM trên vi điều khiển. Vì vậy, điều quan trọng là phải xác nhận rằng bộ vi điều khiển được chọn có đủ các giao diện yêu cầu bao gồm UART, SPI, I2C và các giao diện khác.

5. Điện áp hoạt động

Điện áp hoạt động là mức điện áp mà hệ thống được thiết kế để hoạt động. Nó cũng là mức điện áp có liên quan đến các đặc tính nhất định của hệ thống. Trong thiết kế phần cứng, điện áp hoạt động đôi khi xác định mức logic mà tại đó vi điều khiển giao tiếp với các thành phần khác tạo nên hệ thống.

Mức điện áp 5V và 3,3V là mức điện áp hoạt động phổ biến nhất được sử dụng cho vi điều khiển và cần đưa ra quyết định về mức điện áp nào sẽ được sử dụng trong quá trình phát triển đặc điểm kỹ thuật của thiết bị. Sử dụng bộ vi điều khiển có điện áp hoạt động 3,3V trong thiết kế của một thiết bị mà hầu hết các thành phần bên ngoài, cảm biến và bộ truyền động sẽ hoạt động ở mức điện áp 5V sẽ không phải là một quyết định quá thông minh vì sẽ cần phải thực hiện mức logic bộ chuyển số hoặc bộ chuyển đổi để cho phép trao đổi dữ liệu giữa bộ vi điều khiển và các thành phần khác và điều này sẽ làm tăng chi phí sản xuất và chi phí tổng thể của thiết bị một cách không cần thiết.

6. Số lượng chân I / O

Số lượng cổng đầu vào / đầu ra thông thường hoặc mục đích đặc biệt và (hoặc) chân của vi điều khiển là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến việc lựa chọn vi điều khiển.

Nếu một bộ vi điều khiển có tất cả các tính năng khác được đề cập trong bài viết này nhưng không có đủ chân IO theo yêu cầu của dự án, thì nó không thể được sử dụng. Điều quan trọng là bộ vi điều khiển có đủ chân PWM để điều khiển số lượng động cơ DC có tốc độ thay đổi theo thiết bị. Mặc dù số lượng cổng I / O trên vi điều khiển có thể được mở rộng bằng cách sử dụng các thanh ghi dịch chuyển, nhưng nó không thể được sử dụng cho tất cả các loại ứng dụng và làm tăng chi phí của các thiết bị mà nó được sử dụng. Do đó, tốt hơn hết là đảm bảo bộ vi điều khiển được lựa chọn để thiết kế có số lượng cổng I / O mục đích chung và đặc biệt cho dự án.

Một điều quan trọng khác cần lưu ý khi xác định số lượng chân I / O chung hoặc mục đích đặc biệt cần thiết cho một dự án, đó là cải tiến trong tương lai có thể được thực hiện đối với thiết bị và những cải tiến đó có thể ảnh hưởng như thế nào đến số lượng chân I / O cần thiết.

7. Yêu cầu bộ nhớ

Có một số loại bộ nhớ được kết hợp với bộ vi điều khiển mà người thiết kế nên để ý khi lựa chọn. Những thứ quan trọng nhất là RAM, ROM và EEPROM. Số lượng của mỗi ký ức cần thiết này có thể khó ước tính cho đến khi nó được sử dụng nhưng dựa trên lượng công việc cần thiết của bộ vi điều khiển, có thể đưa ra dự đoán. Các vùng nhớ này được đề cập ở trên tạo thành bộ nhớ dữ liệu và chương trình của vi điều khiển.

Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển lưu trữ phần sụn cho vi điều khiển để khi ngắt nguồn điện khỏi vi điều khiển, phần vững không bị mất. Dung lượng bộ nhớ chương trình cần thiết phụ thuộc vào lượng dữ liệu như thư viện, bảng, tệp nhị phân cho hình ảnh, v.v. cần thiết để phần sụn hoạt động chính xác.

Mặt khác, bộ nhớ dữ liệu được sử dụng trong thời gian chạy. Tất cả các biến và dữ liệu được tạo ra do quá trình xử lý giữa các hoạt động khác trong thời gian chạy được lưu trữ trong bộ nhớ này. Do đó, độ phức tạp của các tính toán sẽ xảy ra trong thời gian chạy có thể được sử dụng để ước tính dung lượng bộ nhớ dữ liệu cần thiết cho vi điều khiển.

8. Kích thước gói

Kích thước gói liên quan đến hệ số hình thức của vi điều khiển. Các bộ vi điều khiển thường có các gói khác nhau, từ QFP, TSSOP, SOIC đến SSOP và gói DIP thông thường giúp dễ dàng gắn trên breadboard để tạo mẫu. Điều quan trọng là phải lập kế hoạch trước khi sản xuất và dự kiến gói nào sẽ là tốt nhất.

9. Mức tiêu thụ điện năng

Đây là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần xem xét khi lựa chọn một bộ vi điều khiển, đặc biệt là khi nó được triển khai trong một ứng dụng chạy bằng pin như các thiết bị IoT, nơi mong muốn bộ vi điều khiển có công suất thấp nhất có thể. Biểu dữ liệu của hầu hết các bộ vi điều khiển chứa thông tin về một số kỹ thuật dựa trên phần cứng và (hoặc) phần mềm có thể được sử dụng để giảm thiểu lượng điện năng tiêu thụ của bộ vi điều khiển ở các chế độ khác nhau. Đảm bảo bộ vi điều khiển bạn đang chọn đáp ứng các yêu cầu về nguồn điện cho dự án của bạn.

10. Hỗ trợ cho Vi điều khiển

Điều quan trọng là bộ vi điều khiển bạn chọn làm việc có đủ hỗ trợ bao gồm; mẫu mã, thiết kế tham khảo và nếu có thể là một cộng đồng lớn trên mạng. Lần đầu tiên làm việc với bộ vi điều khiển có thể có những thách thức khác nhau và việc có quyền truy cập vào các tài nguyên này sẽ giúp bạn nhanh chóng vượt qua chúng. Mặc dù sử dụng bộ vi điều khiển mới nhất vì những tính năng mới thú vị mà nó đi kèm là một điều tốt, nhưng bạn nên đảm bảo rằng bộ vi điều khiển đã tồn tại ít nhất 3-4 tháng để đảm bảo hầu hết các sự cố ban đầu có thể liên quan đến bộ vi điều khiển sẽ được giải quyết vì nhiều khách hàng khác nhau đã thực hiện rất nhiều thử nghiệm vi điều khiển với các ứng dụng khác nhau.

Việc chọn một bộ vi điều khiển có bộ công cụ đánh giá tốt cũng rất quan trọng để bạn có thể nhanh chóng bắt đầu xây dựng nguyên mẫu và thử nghiệm các tính năng một cách dễ dàng. Bộ dụng cụ đánh giá là một cách tốt để thu thập kinh nghiệm, làm quen với chuỗi công cụ được sử dụng để phát triển và tiết kiệm thời gian trong quá trình phát triển thiết bị.

Việc lựa chọn bộ vi điều khiển phù hợp cho một dự án sẽ tiếp tục là một vấn đề, mọi nhà thiết kế phần cứng sẽ phải giải quyết và trong khi có rất ít yếu tố có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn vi điều khiển, những yếu tố được đề cập ở trên là quan trọng nhất.