Rozmach analogových funkcí u 8bitových MCU a jejich průkopnická role v elektronice

V době, kdy skoro v každém produktu najdeme nějakou polovodičovou součástku, rozhodují z velké části o dalším směřování našich životů právě mikrokontroléry (MCU). Moderní elektronika vyžaduje mikrokontroléry pro zajištění rostoucího počtu funkcí. Pokud jde o automobily, letectví, spotřební zařízení, průmysl či zdravotní péči, výjimkou zde není žádná aplikace, ale ani tržní segment.

I když jsou s námi 8bitové MCU takřka pět dekád, inovativní nové produkty či aplikace, jako jsou elektrovozidla, e-kola, automatizační technika v průmyslu i domácnostech nebo zařízení internetu věcí (IoT) rostou exponenciální měrou, což také zvyšuje poptávku po zmíněných drobných a nijak drahých mikrokontrolérech. Osmibitové MCU se proto dále rozvíjely, jen aby udržely krok s požadavky moderních systémů. V článku se dále zaměříme na tři běžné aplikace, kde nová třída 8bitových MCU s pokročilými schopnostmi, pokud jde o analogové obvody a také filtraci, tyto moderní návrhy podpoří. Umožňuje totiž navýšit výkonnost systému a na jednotlivé události svižně i reagovat.

Řízení baterií. Monitorování a také optimalizace

Spousta vestavných návrhů, včetně systémů internetu věcí, slouží na odlehlých místech, kde jako hlavní zdroj energie využijeme baterii. Z pohledu bezpečného a spolehlivého provozu zmíněných aplikací se proto neobejdeme bez monitorování výdrže a také kondice článků.

U typického systému pro sledování baterie se MCU využije k automatickému měření zbývající kapacity a také řízení její kondice pro dosažení optimálních vlastností článků. MCU s integrovaným analogově – číslicovým převodníkem (ADC) vše odečítá a změřené hodnoty proudu či napětí dále převádí do digitální podoby, takže MCU dokáže u takové baterie zhodnotit její stav. O výkonnosti baterie lze prostřednictvím zapracovaných komunikačních rozhraní pro účely vzájemné konektivity řešení IoT, jako jsou UART, SPI či I²C, informovat i vnější zařízení. Pokud je zároveň vyžadováno i sledování teploty článků, lze společně s teplotním čidlem zapojit nedílný operační zesilovač kontroléru (OZ). Vlastní OZ jsou přitom k dispozici u celé řady moderních 8bitových MCU, kde také dokáží snižovat náklady, ale i prostor zastavěný externími prvky. Platí to u kterékoli aplikace, vyžadující před analogově – číslicovou konverzí zesilovací stupeň, typicky pro slabé analogové signály.

Abychom optimalizovali výkon baterie a prodloužili výdrž celého systému, nabízí ideální MCU různé režimy pro řízení napájení, takže dokážeme najít rovnováhu mezi požadovaným chováním zařízení a jeho proudovým odběrem. Klíčem k dlouhé výdrži baterie použité u vestavného systému je schopnost omezit aktivitu, není-li zrovna zapotřebí. Flexibilní úrovně konfigurace zde umožní systému spotřebovat minimum energie pro bezprostředně prováděné úkoly, často bez kontroly ze strany CPU (central processing unit). Režimy IDLE, DOZE či SLEEP znamenají úspory vedoucí ke snížení aktivního odběru. V případě nejnovějších MCU PIC^® a AVR^® od firmy Microchip lze rovněž softwarovou cestou zapínat či vypínat ADC, OZ nebo DAC, příp. vše nastavit a spouštět jádro MCU či digitální periférie po dosažení určitých prahových úrovní, takže u bateriově napájených systémů společně s úsporami energie obdržíme ještě větší flexibilitu. Díky těmto nízkopříkonovým vlastnostem, které máme u moderních MCU k dispozici, lze maximalizovat výdrž baterie, zatímco snižujeme proudový odběr, výkonové ztráty a také náklady.

Obr. 1 Mikrokontrolér s integrovanými analogovými perifériemi pomáhá vývojářům snižovat náklady a také dobu potřebnou k uvedení na trh. Zlepšují se rovněž i reakce systému

Řízení vestavného systému

Složitost embedded aplikací roste a je proto nezbytné rozdělit úlohy při zpracování tak, abychom zajistili bleskovou reakci systému, se kterou lze maximální měrou zkvalitnit jeho používání, resp. dodržet přísné bezpečnostní standardy. Za tímto účelem budou složité systémy často s výhodou nasazovat moderní 8bitové MCU. Důvodem jsou jejich integrované analogové periférie zajišťující základní chod systému – řízení napájecích hladin, sledování vlastností okolního prostředí či výskytu nebezpečných podmínek nebo řízení komunikace mezi několika čipy na desce. Zmíněné funkce tvoří jádro spousty aplikací, včetně infrastruktury datových center, systémů řízení budov, koncových bodů chytré rozvodné sítě nebo i aplikací s klíčovým požadavkem na bezpečnost, jako jsou pračky nebo sušičky prádla používané v domácnostech.

Jako příklad si uveďme typický server, který nalezneme v datovém centru. Zatímco základní deska zde pokaždé hostí hlavní CPU společně s celou řadou aplikačních procesorů, takže lze nakonec zpracovat různé úlohy, spousta zmíněných serverů dále využije současné 8bitové MCU na pozici součástek pro „řízení systému“. Takové MCU obvykle zajistí propojení různých snímačů okolního prostředí (teplota, vlhkost, napájecí podmínky) a jsou naprogramovány tak, aby hlásily stav na řídicí sběrnici systému, zatímco s ohledem na vzniklou situaci ošetří posloupnosti napájení pro další součástky na hlavní desce. Osmibitové MCU se pro takové účely stávají ideálními kandidáty. Mohou za to jejich analogové periférie, stejně jako jednoduchá činnost, která je pro ně vlastní, flexibilita i robustnost. Některé mikrokontroléry, třeba jako MCU PIC a AVR od společnosti Microchip, nabízí periférie CIP nezávislé na jádru (Core Independent Peripheral), které budou pracovat v tandemu s integrovanými analogovými perifériemi, takže lze zajistit monitorování systému s ohledem na výskyt klíčových událostí a postarat se také o jeho náležitý chod. Vestavěné analogové periférie typu OZ či ADC, umožňují zesílení, filtraci, ale i další zpracování, bez kterého se při práci s analogovými signály neobejdeme. Zatímco CIP byly navrženy s cílem automatizovat systémové úlohy bez potřeby jakéhokoli kódu či dohledu ze strany jádra CPU, snížení objemu kódu, který je zapotřebí napsat, odladit a také validovat znamená, že aplikace mohou nyní pohotověji reagovat na změny v systému. CIP zde mezi sebou navzájem komunikují, což dále napomáhá zvýšit výkonnost návrhu, včetně jeho schopnosti svižně zareagovat. Různé úlohy lze navíc řešit souběžně.

MCU PIC a AVR však jdou ještě dále a využívají přitom sofistikovaných analogových periférií, které budou mít speciální hardware za účelem pokročilých výpočtů nezávislých na jádru, jako je průměrování, oversampling či filtrování (dolní propust). Zmíněné funkce pomohou zrychlit odezvu systému a v náročných podmínkách nabídnou i solidní potlačení rušení. Speciální analogové periférie lze rovněž vzájemně provázat s mnoha jinými signály přímo na čipu, včetně časovačů nebo i dalších zdrojů hodinového signálu, digitálních periférií či dalších analogových struktur a spouštět přitom automaticky procesy, resp. generovat přerušení pro CPU.

Obr. 2 Rodina obvodů PIC18-Q71 od společnosti Microchip zahrnuje celou řadu vlastních inteligentních analogových periférií, včetně rozdílového analogově – číslicového převodníku (ADC)

Uživatelská rozhraní

Technologii dotykového ovládání najdeme ve spoustě elektronických zařízení, jako jsou chytré telefony, elektrické spotřebiče nebo i automobily. Zde se např. u volantu či palubní desky přechází z klasických tlačítek na jinak elegantní, flexibilní uživatelská rozhraní. Dotyková tlačítka však musí pohotově reagovat na povely, odolávat chybnému spouštění a umět se přizpůsobit i spoustě různých okolních podmínek, včetně prudkých výkyvů teploty (chlad – horko), vlhkého povrchu či rukavic, které může mít obsluha na rukou.

„Surový“ výkon, který mají pro účely zpracování k dispozici 32bitové MCU, nedokáže u současných systémů kapacitního dotykového ovládání nahradit účelově zřízené vzájemné analogové propojení, které najdeme u moderních 8bitových součástek. Nové osmibitové MCU firmy Microchip, zahrnující rodiny obvodů PIC18-Q71 či AVR EA, nabízí rozdílové A/D převodníky s pokročilými schopnostmi filtrování, sloužící jako „moduly pro analogové zpracování“, kdy výrazně omezujeme četnost zákroků ze strany CPU (a tudíž i velikost kódu), které budou jinak zapotřebí pro aplikace využívající dotykového ovládání. Tyto speciálně navržené ADC, řešené přímo na čipu se mohou při potlačování rušení pochlubit solidními charakteristikami a nechybí zde ani vlastní automatické ladění či kalibrace za účelem zvýšené odolnosti proti rušení a také tolerance vůči vodě. V návaznosti na jednoduše použitelné vývojové nástroje od firmy Microchip, zaměřené právě na dotykové řízení, poskytnou zmíněné MCU kompletní řešení při návrhu náročných dotykových rozhraní, provozovaných v drsných podmínkách.

Obr. 3 Moderní systémy kapacitního dotykového ovládání se musí umět rychle přizpůsobit změnám teploty a také vlhkosti

Závěr

S rostoucími požadavky, kladenými v uplynulých 50 letech na mikrokontroléry, není hranice mezi tím, co je u vestavných systémů ve své podstatě analogové a co zase digitální, zase tak zřejmá. Embedded systémy se vyvíjí a stejně tak bude činit i 8bitový mikrokontrolér, který se z relativně jednoduché součástky pro výpočetní účely vypracoval až na plnohodnotné SoC (System-on-Chip) se schopností zvládnout většinu úloh, které dnes u vestavných návrhů očekáváme.

MCU s integrovanými analogovými perifériemi vývojářům umožní převést funkce, které se obvykle řešily mimo čip – od základního provozu, řízení systému či monitorování až po povinnosti „hlavního kontroléru“ ve složitých návrzích, přímo na základní MCU, zlepšit přitom odezvu systému a snížit i náklady na použité součástky (BOM). Inteligentní analogové periférie, dostupné na 8bitových MCU PIC či AVR se hladce začlenily po boku těch číslicových a znamenají ještě větší rozsah funkcí, včetně flexibility, pokud jde do budoucna o další sofistikované embedded systémy.

Zjistěte si více o tom, jak lze pokročilé analogové periférie použít v návrhu k řešení klíčových problémů a navštivte přímo stránky výrobce https://www.microchip.com/en-us/products/microcontrollers-and-microprocessors/8-bit-mcus