میکروکنترلر

میکروکنترلر چیست؟ مشخصه ها و معماری های تعریف شده در یک کامپوننت های مشترک

در این مقاله به ویژگی های تعیین کننده میکروکنترلر خواهیم پرداخت، و سپس به بررسی معماری داخلی آن می پردازیم.

اگر مجبور شدیم یک مهارت را انتخاب کنیم که ارزشمندترین افزودنی برای کارنامه هر مهندس باشد، بدون شک این امر در طراحی مدار مبتنی بر میکروکنترلر خواهد بود.

میکروکنترلر نقش اساسی در انقلاب فن آوری که زندگی مدرن را شکل داده، داشته است.

میکروکنترلرها دستگاه های کوچک، همه کاره و ارزان هستند که نه تنها توسط مهندسین برق با تجربه بلکه از سرگرمی های دانشجویان و متخصصان است که در سایر رشته ها قابل اجرا و برنامه ریزی هستند.

لیست برنامه های کاربردی میکروکنترلر ممکن است به قدری طولانی باشد که ما حتی از مثال زدن درنگ نمی کنم.

پوشیدنی های ارزان قیمت (مثل ساعت و…)، تجهیزات پزشکی، لوازم الکترونیکی مصرفی بالا، دستگاه های صنعتی ناهموار، پیشرفته ترین سیستم های نظامی و هوافضا را با میکروکنترلر ایجاد کرده اند.

 

میکروکنترلر

نمونه برد یک میکروکنترلر

در این مقاله به تعریف میکروکنترلر می پردازیم و در نظر می گیریم که در یک طراحی چه هدفی را ارائه می دهد.

میکروکنترلر چیست؟

میکروکنترلر دستگاهی یکپارچه مدار (IC) است که برای کنترل سایر قسمت های یک سیستم الکترونیکی، معمولا از طریق واحد ریزپردازنده (MPU)، حافظه و برخی لوازم جانبی مورد استفاده قرار می گیرد.

این دستگاه ها برای برنامه های جاسازی شده ای که هم به عملکرد پردازش نیاز دارند و هم تعامل پاسخگو با اجزای دیجیتال، آنالوگ یا الکترومکانیکی، بهینه شده اند.

متداول ترین روش برای اشاره به این دسته مدارهای مجتمع میکروکنترلر است اما مخفف MCU به عنوان واحد میکروکنترلر قابل تعویض است.

پیشوند “میکرو” به معنی کوچک بودن است و اصطلاح “کنترل کننده” در اینجا حاکی از توانایی پیشرفته ای برای انجام توابع کنترل است. همانطور که گفته شد، این عملکرد نتیجه ترکیب پردازنده دیجیتال و حافظه دیجیتال با سخت افزار اضافی است که بطور خاص برای کمک به میکروکنترلر در تعامل با سایر اجزا طراحی شده است.

میکروکنترلرها در مقابل ریزپردازنده ها

افراد گاهی اوقات هنگام مراجعه به میکروکنترلر از اصطلاح “میکروپروسسور” یا “MPU” استفاده می کنند اما این دو دستگاه لزوما یکسان نیستند. هر دو ریزپردازنده و میکروکنترلرها به عنوان سیستم های رایانه ای کاملا یکپارچه عمل می کنند، اما ممکن است اهداف مختلفی را ارائه دهند.

اصطلاح “پردازنده” برای شناسایی سیستمی استفاده می شود که متشکل از یک واحد پردازش مرکزی و حافظه است.

ریزپردازنده وسیله ای است که تمام عملکردهای پردازنده را در یک مدار مجتمع یکپارچه پیاده سازی می کند. در مقایسه با میکروکنترلرها، ماژول های سخت افزاری اضافی که به دستگاه اجازه می دهد تا یک سیستم را کنترل کند، به جای اجرای دستورالعمل ها و ذخیره داده ها، بیشتر بر ماژول های سخت افزاری تاکید می کند.

میکروکنترلر

نمودار زیر این مفهوم را نشان می دهد.

به طور کلی، استفاده از اصطلاحات “میکروپروسسور” و ” میکروکنترلر ” به صورت متقابل مشکل بزرگی نیست وقتی ما به صورت غیر رسمی صحبت می کنیم یا وقتی سعی داریم از تکرار گفتن همان کلمه جلوگیری کنیم، هیچگونه موردی وجود ندارد و می توانید آزادانه از آن استفاده کنید.

میکروکنترلرها در مقابل پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP)

پردازنده سیگنال دیجیتال (یا DSP) یک ریز پردازنده است که برای درخواست کارهای محاسباتی مانند فیلتر دیجیتال، آنالیز ریاضی سیگنال های در زمان واقعی و فشرده سازی داده ها بهینه شده است.

میکروکنترلر بسیار پیشرفته ممکن است بتواند به عنوان جایگزینی برای پردازنده سیگنال دیجیتال عمل کند، اما اگر بخش مهمی از مدار داخلی آن برای کنترل، نظارت و برقراری ارتباط با سیستم اطراف در نظر گرفته شده باشد، میکروکنترلر محسوب می شود.

عناصر میکروکنترلر

میکروکنترلر از یک واحد پردازش مرکزی یا سی پی یو، حافظه غیر ولتاژ، حافظه فرار، لوازم جانبی و مدار پشتیبانی تشکیل شده است.

واحد پردازش مرکزی / CPU

CPU عملیات حسابی را انجام می دهد، جریان داده ها را مدیریت می کند و سیگنال های کنترل را مطابق توالی دستورالعمل های ایجاد شده توسط برنامه نویس تولید می کند.

مدار بسیار پیچیده مورد نیاز برای عملکرد CPU برای طراح قابل مشاهده نیست.

در حقیقت، به لطف محیط های توسعه یکپارچه و زبان های سطح بالا مانند C، نوشتن کد برای میکروکنترلرها اغلب کار نسبتا ساده ای است.

حافظه

حافظه غیر فرار برای ذخیره برنامه میکروکنترلر یعنی لیستی از دستورالعمل های ماشین زبان که دقیقا به CPU می گویند چه کاری باید انجام شود، استفاده می شود.

به طور معمول به جای “حافظه غیر ولتاژ” کلمه “Flash” را می بینید.

حافظه فرار (یعنی RAM) برای ذخیره سازی موقتی داده ها استفاده می شود. این داده هنگامی که  MicroController قدرت خود را از دست می دهد از بین می رود. رجیسترهای داخلی همچنین ذخیره اطلاعات موقت را انجام می دهند اما ما فکر نمی کنیم که این ها به عنوان یک بلوک عملکردی جداگانه فکر کنند، زیرا آنها در CPU یکپارچه هستند.

لوازم جانبی یا پریفرال

زیر دسته های مختلفی از لوازم جانبی را مشخص می کند و نمونه هایی را ارائه می دهد که در زیر به برخی از آن ها اشاره کرده ایم.

  • مبدل های داده: مبدل آنالوگ به دیجیتال، مبدل دیجیتال به آنالوگ، مولد ولتاژ مرجع

میکروکنترلر

ولتاژ ADC

  • تولید ساعت: اسیلاتور داخلی، مدار کریستال درایو، حلقه قفل فاز
  • زمان بندی: تایمر با هدف کلی، ساعت در زمان واقعی، پیشخوان رویدادهای خارجی، مدولاسیون با پالس
  • پردازش سیگنال آنالوگ: تقویت کننده عملیاتی، مقایسه آنالوگ
  • ورودی / خروجی: مدار ورودی و خروجی دیجیتال با هدف کلی، رابط حافظه موازی
  • ارتباط سریال: UART، SPI، I2C، USB

 

میکروکنترلر

نمونه سنسور زیر سیستم

مدار پشتیبانی

میکروکنترلرها انواع بلوک های کاربردی را در خود جای داده اند که نمی توانند به عنوان لوازم جانبی طبقه بندی شوند زیرا هدف اصلی آن ها کنترل، نظارت و برقراری ارتباط با اجزای خارجی نیست. با این وجود، آنها بسیار مهم هستند.

مدار اشکال زدایی به طراح اجازه می دهد تا هنگام اجرای دستورالعمل ها، MicroController را به دقت کنترل کند. این یک روش مهم و گاه ضروری برای ردیابی اشکالات و بهینه سازی عملکرد سیستم عامل است.

وقفه ها جنبه ای بسیار ارزشمند از عملکرد MicroController دارند.

وقفه ها توسط رویدادهای سخت افزاری خارجی یا داخلی ایجاد می شوند و باعث می شوند پردازنده بلافاصله با اجرای گروه خاصی از دستورالعمل ها به این رویدادها پاسخ دهد.

اگر هدف از تولید سیگنال هایی باشد که در خارج از تراشه استفاده می شود می توان یک ماژول تولید ساعت را در نظر گرفت اما در بسیاری موارد هدف اصلی نوسانگر داخلی MicroController تهیه سیگنال ساعت برای CPU و لوازم جانبی است.

نوسان سازهای داخلی اغلب از دقت کمی برخوردار هستند اما در کاربردهایی که می توانند این دقت کم را تحمل کنند، روشی مناسب و کارآمد برای ساده سازی طراحی و صرفه جویی در فضای تخته ها هستند.

میکروکنترلرها می توانند انواع مختلفی از مدارهای منبع تغذیه را در خود جای دهند.

تنظیم کننده های ولتاژ یکپارچه اجازه می دهد تا در تراشه از ولتاژهای مورد نیاز تولید شود، از ماژول های مدیریت انرژی می توان برای کاهش قابل توجه مصرف فعلی دستگاه در مواقع غیرفعال استفاده کرد، و ماژول های ناظر می توانند وقتی که ولتاژ تامین نباشد، پردازنده را در حالت ریست پایدار قرار دهند که به اندازه کافی برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد و پتانسیل کارایی بسیار مناسب است.

 

میکروکنترلر

نمونه مدار پشتیبانی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *