Stephanie Pinteric, Leiterin des Produktmarketings für den 8-Bit-Mikrocontroller-Geschäftsbereich von Microchip.
Wayne Freeman, Direktor für Marketingkampagnen für den 8-Bit-Mikrocontroller-Geschäftsbereich von Microchip.
Mikrocontroller spielen eine wichtige Rolle bei der Veränderung unseres Lebens. Fast alle Produkte enthalten Halbleiterkomponenten. Moderne Elektronik benötigt Mikrocontroller, um die Funktionalität in allen Anwendungen und allen Marktsegmenten zu erhöhen, von der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Unterhaltungselektronik bis hin zu Industrie und Gesundheitswesen. Während es 8-Bit-Mikrocontroller schon seit etwa fünf Jahrzehnten gibt, ist die Zunahme von Innovationen und neuen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, Elektrofahrrädern, Heim- und Industrieautomatisierung sowie Geräten für das Internet der Dinge (IoT) exponentiell gewachsen und hat damit die Nachfrage nach erhöht diese kleinen preiswerten Mikrocontroller. Infolgedessen haben sich 8-Bit-Mikrocontroller weiterentwickelt, um die von modernen Anwendungen geforderte Funktionalität bereitzustellen. Wir werden drei gängige Anwendungen untersuchen, die eine neue Klasse von 8-Bit-Mikrocontrollern verwenden, die über eine fortschrittliche analoge Filterung verfügen, um den Anforderungen dieser modernen Systeme gerecht zu werden, indem sie eine höhere Systemleistung und eine schnelle Reaktion auf Systemereignisse ermöglichen.
Batteriemanagement, Überwachung und Optimierung
Viele eingebettete Systeme, darunter auch IoT-Systeme, werden an abgelegenen Standorten eingesetzt und nutzen eine Batterie als primäre Stromquelle. Die Überwachung der Batterielebensdauer und des Batteriestatus ist eine wichtige Funktion für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in diesen Anwendungen.
In einem Batterieüberwachungssystem wird normalerweise ein Mikrocontroller verwendet, um die Messung der Batterielebensdauer zu automatisieren und den Zustand der Batterie so zu verwalten, dass ihre Leistung optimal ist. Ein Mikrocontroller mit integriertem A/D-Wandler (ADC) liest die Strom- und Spannungswerte der Batterie und wandelt sie in digitale Daten um, anhand derer der Mikrocontroller den Zustand der Batterie abschätzen kann. Die Batterieleistung kann über integrierte Kommunikationsschnittstellen wie UART, SPI und I an externe Geräte gesendet werden2C für Konnektivität mit IoT-Designs. Wenn auch die Batterietemperatur überwacht werden muss, kann der im Controller integrierte Operationsverstärker zur Vorspannung eines Temperatursensors verwendet werden. Viele moderne 8-Bit-Mikrocontroller integrieren Operationsverstärker und können die Kosten und den Systemraumbedarf für externe Komponenten in allen Anwendungen reduzieren, die vor A/D-Umwandlungen eine Verstärkungsstufe erfordern; zum Beispiel durch schwache analoge Signale.
Um die Batterieleistung zu optimieren und die Batterielaufzeit zu verlängern, bietet der ideale Mikrocontroller verschiedene Energieverwaltungsmodi, um erforderliche Leistung und Verbrauch auszugleichen. Der Schlüssel zur Erzielung einer langen Batterielebensdauer in einem eingebetteten System liegt in der Möglichkeit, die Systemaktivität zu reduzieren, wenn sie nicht benötigt wird. Durch die Konfigurationsflexibilität kann das System seinen Verbrauch minimieren, indem es seine Aufgaben häufig ohne Überwachung der CPU (Zentraleinheit) ausführt. So reduzieren Funktionen wie IDLE-, DOZE- oder SLEEP-Modus den Verbrauch. Darüber hinaus in neueren Modellen von PIC-Mikrocontrollern® und AVR® Von Microchip können ADCs, Operationsverstärker und DACs auch per Software ein- und ausgeschaltet werden oder auf den Mikrocontroller-Kern und die digitalen Peripheriegeräte zurückgreifen, wenn sie bestimmte Schwellenwerte erreichen, um ihre Flexibilität und Energieeinsparungen in batteriebetriebenen Anwendungen zu erhöhen. Dank dieser Low-Power-Funktionen, die in modernen Mikrocontrollern verfügbar sind, wird eine maximale Batterielebensdauer erreicht und gleichzeitig Stromverbrauch, Verlustleistung und Kosten reduziert.
Abbildung 1: Mikrocontroller mit integrierten analogen Peripheriegeräten helfen Entwicklern, Kosten und Markteinführungszeiten zu reduzieren und die Reaktionsfähigkeit des Systems zu verbessern.
Eingebettetes Systemmanagement
Da die Komplexität eingebetteter Anwendungen mit der Zeit zunimmt, wird es notwendig, Verarbeitungsaufgaben so zu verteilen, dass eine sehr schnelle Systemreaktion gewährleistet ist, um ein hervorragendes Benutzererlebnis zu bieten oder Sicherheitsvorschriften einzuhalten. Anspruchsvoller. Um dies zu erreichen, nutzen komplexe Systeme oft die Vorteile moderner 8-Bit-Mikrocontroller, da ihre integrierten analogen Peripheriegeräte „Haushaltsaufgaben“ übernehmen, wie z. B. die Steuerung von Stromschienen, die Überwachung der Umgebungsqualität und gefährlicher Bedingungen oder die Vermittlung der Kommunikation zwischen verschiedenen Chips. Diese Fähigkeiten sind in vielen Anwendungen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise in der Infrastruktur von Rechenzentren, Gebäudemanagementsystemen, Smart Grid Edge und sicherheitskritischen Anwendungen wie Waschmaschinen und Trocknern für Privathaushalte.
Ein Beispiel für diesen Typ ist ein Rechenzentrumsserver. Während auf der Hauptplatine jedes Servers eine Hauptserver-CPU und verschiedene Anwendungsprozessoren untergebracht sind, die verschiedene Aufgaben verwalten, verwenden viele dieser Server moderne 8-Bit-Mikrocontroller als „Systemverwaltungsgeräte“. Diese Mikrocontroller stellen eine Verbindung zu verschiedenen Umgebungssensoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Spannungsschienenstatus) her und sind so programmiert, dass sie den Status an einen Systemverwaltungsbus senden und gleichzeitig die Stromversorgungssequenz anderer Geräte auf der Hauptplatine je nach Bedingungen festlegen. In diesen Fällen eignen sich 8-Bit-Mikrocontroller aufgrund ihrer integrierten analogen Peripherie sowie ihrer einfachen Bedienung, Flexibilität und Robustheit perfekt für diese Aufgaben. Bestimmte Mikrocontroller, wie etwa die PIC- und AVR-Mikrocontroller von Microchip, bieten CIP-Peripheriegeräte (Core Independent Peripherals), die in Koordination mit den integrierten analogen Peripheriegeräten arbeiten, um die Überwachung des Systems auf kritische Ereignisse zu übernehmen und den ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. Integrierte analoge Peripheriegeräte wie ein Operationsverstärker oder ADC sorgen für die Verstärkung, Filterung und Signalaufbereitung, die bei der Erfassung des analogen Signals erforderlich sind. Solange CIPs darauf ausgelegt sind, Systemaufgaben ohne Code- oder CPU-Kernüberwachung zu automatisieren, reduzieren sie die Menge des zu schreibenden, zu debuggenden und zu validierenden Codes und sorgen so dafür, dass Anwendungen schneller auf Systemänderungen reagieren. CIPs kommunizieren miteinander und tragen so dazu bei, die Systemleistung und Reaktionsfähigkeit zu steigern und mehrere Aufgaben gleichzeitig zu bewältigen.
PIC- und AVR-Mikrocontroller gehen mit dem Konzept einen Schritt weiter und nutzen hochentwickelte analoge Peripheriegeräte, die über spezielle Hardware für fortschrittliche, kernunabhängige Berechnungen wie Mittelwertbildung, Upsampling und Tiefpassfilterung verfügen. Diese Funktionen tragen dazu bei, die Systemreaktion zu beschleunigen und eine starke Geräuschunterdrückung in anspruchsvollen Umgebungen zu gewährleisten. Diese speziellen analogen Peripheriegeräte können mit vielen anderen integrierten Signalen wie Timern oder Taktquellen, digitalen Peripheriesignalen und anderen analogen Signalen verbunden werden, um Prozesse automatisch auszulösen oder an die CPU gemeldete Interrupt-Bedingungen zu generieren.
Abbildung 2: Die PIC18-Q71-Familie von Microchip integriert analoge Peripheriegeräte wie einen differenziellen A/D-Wandler (ADC).
UI
Berührungssensortechnologie wird in einer Vielzahl elektronischer Produkte eingesetzt, von Smartphones über Verbrauchergeräte bis hin zu Automobilen. Im Automobilbereich entwickeln sich Lenkräder und Armaturenbretter weg von Tasten hin zu schlanken, flexiblen Benutzeroberflächen. Diese Touch-Tasten müssen sofort auf Benutzerinteraktionen reagieren, immun gegen falsche Auslöser sein und sich an viele verschiedene Umgebungsbedingungen anpassen, wie z. B. schnelle Temperaturschwankungen von kalt zu heiß, nasse Oberflächen und behandschuhte Hände.
In den heutigen kapazitiven Touch-Systemen kann die Rechenleistung von 32-Bit-Mikrocontrollern die spezielle analoge Interkonnektivität moderner 8-Bit-Geräte nicht ersetzen. Die neuen 8-Bit-Mikrocontroller von Microchip, einschließlich der Produktfamilien PIC18-Q71 und AVR EA, verfügen über Differenz-ADCs mit fortschrittlicher Filterung, die als „analoge Verarbeitungsmodule“ fungieren, um den Umfang der CPU-Eingriffe (und damit des Codes), der für die Implementierung von Touch erforderlich ist, deutlich zu reduzieren Sensoranwendungen. Diese speziellen integrierten ADCs verfügen über eine starke Rauschunterdrückung und verfügen über eine automatische Abstimmung und Kalibrierung, um die Störfestigkeit und Wassertoleranz zu verbessern. Zusammen mit den benutzerfreundlichen Entwicklungstools von Microchip für die Berührungserkennung bieten diese Mikrocontroller eine Komplettlösung für den Aufbau anspruchsvoller Touch-Schnittstellen, die rauen Umgebungen ausgesetzt sind.
Abbildung 3: Moderne kapazitive Touch-Systeme erfordern eine schnelle Anpassung an Änderungen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Fazit
Angesichts der gestiegenen Anforderungen an den Mikrocontroller in den letzten 50 Jahren verschwimmen die Grenzen zwischen dem, was analog sein sollte, und dem, was digital sein sollte, in einem eingebetteten System. Mit der Weiterentwicklung eingebetteter Designs hat sich auch der 8-Bit-Mikrocontroller weiterentwickelt, der sich von einem einfachen Computergerät zu einem vollständigen SOC-Gerät (System-on-Chip) entwickelt hat, das die meisten heutigen eingebetteten Aufgaben bewältigen kann. Von der Systemwartung, -verwaltung und -überwachung bis hin zu „Hauptcontroller“-Funktionen in komplexen Designs ermöglichen Mikrocontroller mit integrierten analogen Peripheriegeräten Entwicklern, Funktionen anzubieten, die normalerweise extern innerhalb des Hauptmikrocontrollers ausgeführt werden, um die Systemreaktion zu verbessern und die Stücklistenkosten zu senken. Die intelligenten analogen Peripheriegeräte, die auf 8-Bit-PIC- und AVR-Mikrocontrollern verfügbar sind, integrieren digitale Peripheriegeräte, die den anspruchsvollen eingebetteten Systemen von morgen noch mehr Funktionalität und Zuverlässigkeit bieten können. Weitere Informationen zu fortschrittlichen analogen Peripheriegeräten und wie diese zur Lösung entscheidender Designprobleme eingesetzt werden können, finden Sie unter microchip.com/8bit.
