Microcontrôleurs dans les systèmes embarqués: conception, sélection et meilleures pratiques

Les appareils, les appareils et les systèmes intelligents sont désormais profondément intégrés dans la vie quotidienne, de la domotique aux processus industriels.Ces systèmes reposent sur une unité de traitement centrale pour prendre des décisions et exécuter des tâches.Dans le cas de l'électronique intelligente, ce rôle est joué par un système intégré.Un système embarqué est une carte de circuit imprimé spécialisée, souvent appelé PCBA (ensemble de cartes de circuit imprimé), qui comprend un microcontrôleur - une unité informatique compacte et autonome conçue pour des fonctions spécifiques.Contrairement aux ordinateurs à usage général tels que des ordinateurs de bureau et des ordinateurs portables, les microcontrôleurs sont optimisés pour les tâches dédiées et fonctionnent sans exécuter plusieurs applications.La conception de systèmes embarqués efficaces nécessite une forte compréhension des caractéristiques et des capacités des microcontrôleurs.

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Figure 1: Microcontrôleurs: le cerveau de l'électronique intelligente partout

Comment les microcontrôleurs sont utilisés

La conception du système intégré était historiquement connue sous le nom de microprocesse, un terme qui provenait de l'utilisation de microprocesseurs (MPU).Un microprocesseur est essentiellement l'unité centrale de traitement (CPU) d'un système, nécessitant des composants externes pour fonctionner efficacement.En revanche, un microcontrôleur (MCU) intègre tous les éléments de calcul nécessaires, tels que la mémoire, la puissance de traitement et les interfaces d'entrée / sortie - dans un seul circuit intégré (IC).Cette intégration compacte rend les MCU plus adaptés aux applications intégrées où l'espace, l'efficacité et les contraintes de coûts sont essentiels.

L'adoption croissante de circuits imprimés équipés de ces CI a conduit au terme plus large des «systèmes intégrés».Alors que les microcontrôleurs ont évolué, leur architecture fondamentale reste similaire aux ordinateurs traditionnels, y compris des composants essentiels comme la RAM, la ROM, une horloge ou une minuterie, un processeur et des interfaces d'E / S.

La plupart des microcontrôleurs sont livrés avec une ROM intégrée (comme EPROM ou EEPROM) préchargée avec un micrologiciel conçu pour exécuter des fonctions spécifiques.Cependant, les microcontrôleurs modernes utilisent de plus en plus la mémoire flash, ce qui permet une programmation et une reprogrammation flexibles.Ceci est particulièrement utile pour les cartes de développement, où le micrologiciel peut être mis à jour hors du bord avant d'être transféré vers le système final.Dans de nombreux cas, la programmation et le débogage en circuit sont également possibles si le système prend en charge les données externes et la transmission d'alimentation via son interface de bus.

L'expansion rapide de la technologie intelligente a étendu les applications de microcontrôleur au-delà des appareils de consommation.Aujourd'hui, ils jouent un rôle essentiel dans l'automatisation industrielle, le contrôle des processus et les systèmes de fabrication.Vous trouverez ci-dessous quelques applications clés des microcontrôleurs:

Applications de microcontrôleur communes

Automatisation industrielle - Utilisée en robotique, contrôle des moteurs et lignes de production automatisées.

Contrôle du processus de dispositif - trouvé dans les contrôleurs de température, les systèmes de rétroaction et les machines industrielles.

L'acquisition de données (DAQ) et le traitement du signal - essentiel pour la collecte, l'analyse et la transmission des données des capteurs.

Les systèmes de l'Internet des objets (IoT) - servent de squelette des appareils connectés dans les maisons intelligentes et les applications IoT industrielles.

Produits automatisés autonomes - utilisés dans les distributeurs automatiques, les kiosques en libre-service et les systèmes de sécurité automatisés.

Opérations basées sur les capteurs - appliqués dans la détection de mouvement, la surveillance environnementale et l'agriculture intelligente.

Caractéristiques clés des microcontrôleurs

Les microcontrôleurs sont disponibles dans de nombreuses variétés et le choix du bon dépend des exigences de l'application spécifique.Une conception bien structurée devrait correspondre aux fonctionnalités du microcontrôleur à l'utilisation prévue.L'une des familles de microcontrôleur les plus couramment utilisées est la série PIC de la technologie Microchip, y compris le PIC32MK haute performance.

Le microcontrôleur PIC32MK

Figure 2: PIC-32 MCU 64-PIN dans le package TQFP

Le PIC32MK est un microcontrôleur 32 bits disponible dans plusieurs options de package, y compris le TQFP 64 broches, le QFN 64 broches et le TQFP à 100 broches.Ce microcontrôleur est optimisé pour les applications de contrôle du moteur, mais peut également gérer diverses tâches système intégrées.Les spécifications clés comprennent:

Capacités de base et de traitement

Core MIPS32® Microaptiv ™ avec une unité de points flottants (FPU)

Contrôle avancé de la mémoire pour une gestion efficace des données

Jusqu'à 16 kb de mémoire flash

Fonctionnalités analogiques et numériques

7 modules ADC pour une conversion analogique à numérique précise

3 convertisseurs analogiques capacitifs 12 bits (CDAC)

4 amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels) et 5 comparateurs

Minuteries et traitement du signal

Jusqu'à 14 minuteries 16 bits ou 8 32 bits, plus une minuterie de 16 bits supplémentaire

6 timeurs de l'encodeur à quadrature (QEI) Tirseurs 32 bits pour le suivi du mouvement

16 modules de capture d'entrée et 16 modules de comparaison de sortie

Un module d'horloge et de calendrier en temps réel

Interfaces de communication

4 modules de bus pour les applications automobiles et industrielles

6 modules UART pour la communication en série

6 modules SPI / I2S pour les connexions périphériques

Jusqu'à 2 contrôleurs USB à pleine vitesse

Contrôle du moteur et fonctions spéciales

Capacité de modulation de la largeur d'impulsion du moteur (PWM)

Interface de l'encodeur moteur pour une vitesse et un suivi de position précis

Capteur de température interne pour la surveillance thermique

Prise en charge de la programmation en série en circuit ™ (ICSP ™)

Interface JTAG pour le débogage et les tests

L'architecture du PIC32MK intègre des fonctionnalités qui réduisent le besoin de composants supplémentaires, en particulier dans les applications de contrôle moteur.Cela simplifie la disposition des PCB et réduit la complexité du système.

Figure 3: Diagramme de blocs PIC32MK

Microcontrôleurs PIC 32 bits alternatifs

Bien que le PIC32MK soit un choix puissant, d'autres microcontrôleurs PIC 32 bits de micropuce offrent différents niveaux de performance, configurations de mémoire et profils de consommation d'énergie.Certaines alternatives incluent:

Série PIC32MZ

PIC32Mz EF - 252 MHz, 512 Ko à 2 Mo Flash, 128 à 512 Ko SRAM

PIC32MZ DA - 200 MHz, 1 à 2 Mo Flash, 256 à 640 Ko Sram

Série PIC32MX

PIC32MX 3/4 - 80 à 120 MHz, 32 à 512 Ko Flash, 8 à 128 Ko Sram

PIC32MX 5/6/7 - 80 MHz, 64 à 512 Ko Flash, 16 à 128 Ko Sram

PIC32MX 1/2 XLP - 72 MHz, 128 à 256 Ko Flash, 32 à 64 Ko Sram

PIC32MX 1/2/5 - 50 MHz, 16 à 512 Ko Flash, 4 à 64 Ko Sram

Autres microcontrôleurs de puces

PIC32CM MC - ARM® CORTEX® CORE, 48 MHz, 64 à 128 Ko Flash, 8 à 16 Ko SRAM

Pic32mm - 25 MHz, 16 à 256 kb flash, 4 à 32 ko sram

Pour les applications plus simples, Microchip fournit également des microcontrôleurs 8 bits et 16 bits, qui offrent des ensembles d'instructions réduits et une programmation plus simple tout en maintenant l'efficacité.

Meilleures pratiques pour la conception PCBA intégrée

Figure 4: Données du modèle PIC32MK de Ultra Librarian

Lors de l'intégration des microcontrôleurs dans les conceptions de PCB, plusieurs facteurs influencent les performances et la fiabilité:

Route de trace et mise en page de la carte - La configuration à 64 broches du PIC32MK nécessite souvent une conception de PCB multicouche.Le routage de trace efficace et via le placement aident à minimiser la taille de la carte tout en maintenant l'intégrité du signal.

Gestion de l'énergie - Des condensateurs de découplage appropriés près des broches de puissance stabilisent les niveaux de tension et réduisent le bruit.

Accès de programmation - Pour tirer pleinement parti de la programmation en circuit et en application, assurez-vous que les en-têtes de débogage et de programmation sont accessibles.

Considérations thermiques - Des composants tels que le capteur de température interne permettent une surveillance en temps réel, mais la conception des PCB devrait également incorporer des stratégies de dissipation de chaleur appropriées, telles que les plans de terre et les vias thermiques.