微控制器簡(jiǎn)介

2021-08-05

微控制器簡(jiǎn)介

幾乎每個(gè)電子產(chǎn)品都需要某種“大腦”來(lái)控制各種產(chǎn)品功能。但是什么“大腦”最適合您的特定硬件產(chǎn)品？

首先確定您是否需要微控制器單元 (MCU)或微處理器單元 (MPU)。幾乎所有的電子產(chǎn)品都使用這兩種處理器芯片中的一種，有些產(chǎn)品兩者都使用。

您的產(chǎn)品是否復雜，需要處理大量數據？您的產(chǎn)品是否需要 Android 或 Linux 等操作系統？如果是這樣，那么您可能需要使用微處理器。

或者您的產(chǎn)品是否適度簡(jiǎn)單，不需要高速處理或操作系統？然后，您很可能會(huì )使用微控制器。微控制器是集成在單個(gè)微芯片上的相當簡(jiǎn)單的計算機。

該單芯片將包含中央處理單元 (CPU)、內存和其他外圍設備。與微處理器相比，將所有內容集成在單個(gè)芯片上大大簡(jiǎn)化了微控制器的設計。

您通常會(huì )看到用于描述具有高度集成度的微芯片（例如微控制器）的片上系統 (SoC)一詞。

下表總結了微控制器和微處理器之間的主要區別：

	微控制器	微處理器
設計復雜性	低的	高的
時(shí)鐘速度	慢	快速地
操作系統	不	是的
處理速度	低的	高的
能量消耗	低的	高的
記憶	小/內部	大型/外部
輸入/輸出引腳	是的	不
位數	8-32 位	32-64 位
成本	低的	高的

表 1 – 微控制器與微處理器的比較 

Arduino是最流行的基于微控制器的開(kāi)發(fā)套件。大多數可用的 Arduino 模型都基于 8 位 Atmel AVR 微控制器。

圖 1 – Arduino 開(kāi)發(fā)套件 

Raspberry Pi是基于微處理器的開(kāi)發(fā)平臺的一個(gè)示例。它是一個(gè)完整的計算機系統，運行先進(jìn)的 Linux 操作系統。您可以連接鍵盤(pán)和顯示器以像使用任何其他計算機一樣使用 Raspberry Pi。

圖 2 – Raspberry Pi 開(kāi)發(fā)平臺

設計基于定制微處理器的電路比使用微控制器設計復雜許多倍。微處理器將具有位于微處理器芯片本身外部的高速 RAM 存儲器。這需要對連接這些高速信號的 PCB 進(jìn)行非常仔細的布局。

微處理器以更高的時(shí)鐘速度運行，這增加了很多復雜性。例如，Raspberry Pi 3 基于運行頻率為 1200 MHz 的 64 位四核處理器，而大多數 Arduino 版本基于運行頻率僅為 16 MHz 的 8 位處理器

由于它們的高速時(shí)鐘，微處理器更有可能導致不受歡迎的射頻傳輸問(wèn)題，從而使 FCC 認證復雜化。

由于這些原因，如果您的產(chǎn)品需要微處理器，那么最好使用預先認證的模塊解決方案。它們被稱(chēng)為CPU 模塊或SOM（模塊上的系統）。

另一方面，大多數基于微控制器的設計都足夠簡(jiǎn)單，可以使用片上系統 (SoC)解決方案。

在大多數情況下，微控制器 SoC 解決方案的成本將比微處理器 SoM 解決方案低一個(gè)數量級。一個(gè)微控制器 SoC 的成本可以低至一美元，而一個(gè)超高性能微處理器 SoM（例如，Nvidia Jetson TX2）將花費數百美元。

常見(jiàn)的微控制器特性

在為您的產(chǎn)品選擇微控制器之前，您應該創(chuàng )建一個(gè)框圖，顯示整個(gè)系統所需的所有各種功能?？驁D是我所說(shuō)的產(chǎn)品預設計的一部分。我總是建議從預設計開(kāi)始，這樣您就可以在開(kāi)始設計實(shí)際原理圖之前看到更大的圖景。

什么需要連接到微控制器？他們需要什么通信協(xié)議？需要多少個(gè)通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳？需要多少個(gè)通信端口？

圖 3 – 框圖示例

在選擇微控制器之前，您需要這些信息。有數以千計的微控制器可用。您不想選擇一款性能或功能超過(guò)您的產(chǎn)品所需的產(chǎn)品。這樣做只會(huì )不必要地使您的產(chǎn)品設計復雜化。

另一方面，您也不希望用太有限的微控制器來(lái)限制自己。您可能希望在未來(lái)添加新的產(chǎn)品功能，因此您需要一個(gè)微控制器，以便在必要時(shí)為您提供一點(diǎn)成長(cháng)空間。

讓我們更詳細地了解微控制器上最常見(jiàn)的功能和外設：

內存類(lèi)型

RAM 和閃存已內置于大多數微控制器中。RAM 內存用于臨時(shí)數據存儲。RAM 被認為是易失性存儲器，因為一旦電源關(guān)閉它就會(huì )丟失其內容。

FLASH 是非易失性存儲器。即使關(guān)閉電源，它仍會(huì )保留其內容。FLASH 主要用于存儲程序（稱(chēng)為固件）。

EEPROM（電可擦除只讀存儲器）也是非易失性存儲器，但它通常用于存儲少量數據，例如配置和可變狀態(tài)。EEPROM 的優(yōu)點(diǎn)是允許按字節擦除，而閃存僅允許擦除整個(gè)字節塊或頁(yè)面。

數字輸入/輸出 (GPIO)

微控制器上的數字輸入和輸出稱(chēng)為通用輸入輸出或 GPIO。GPIO 引腳是用于輸入或輸出的邏輯電平引腳（高或低）。它們通?？梢则寗?dòng)高達幾十毫安的負載。

請記住，通常需要某種外部驅動(dòng)電路來(lái)減輕驅動(dòng)要求。此外，加在一起的所有引腳必須低于允許的最大總電流。

在決定使用哪些引腳時(shí)，請務(wù)必查閱數據表，因為某些引腳上沒(méi)有許多內部功能。您還必須遵守特定的映射限制。

映射是指設置哪些引腳服務(wù)于哪些功能。微控制器上的大多數引腳具有多種可能的功能，可為硬件設計人員提供最大的靈活性。

模擬輸入和輸出

除了數字 I/O，大多數微控制器還可以精確測量模擬電壓，有些還具有輸出精確模擬電壓的能力。

模擬電壓由微控制器使用稱(chēng)為模數轉換器 (ADC) 的嵌入式專(zhuān)用電路進(jìn)行測量。

從微控制器輸出模擬電壓有兩種方法。最精確但更復雜的方法是使用數模轉換器 (DAC) 電路。有許多微控制器包含用于此目的的內置 DAC，但許多微控制器沒(méi)有。

大多數微控制器上可用的第二種方法是使用脈寬調制 (PWM) 發(fā)生器。PWM 是一種在高電平和低電平之間振蕩的數字信號。微控制器能夠控制由固件程序確定的該信號高的時(shí)間百分比。

PWM 信號然后可以通過(guò)一個(gè)低通濾波器將其轉換為模擬電壓。通過(guò)控制 PWM 信號高與低的時(shí)間百分比，您可以準確地控制濾波器輸出側的模擬電壓電平。

通用異步接收器發(fā)送器 (UART)

今天仍在微控制器中使用的最古老的串行通信方法稱(chēng)為 UART。UART 自 1970 年代初就已存在。顧名思義，UART是一種異步協(xié)議，意味著(zhù)沒(méi)有時(shí)鐘信號來(lái)同步信號時(shí)序。UART 的最簡(jiǎn)單形式僅使用兩條信號線(xiàn)：接收 (RX) 和發(fā)送 (TX)。

同步通信支持更快的數據傳輸速率。異步通信必須向數據添加同步位。發(fā)送這些額外的同步位會(huì )增加開(kāi)銷(xiāo)，因此會(huì )降低有效的數據傳輸速率。

同步通信的缺點(diǎn)是它需要額外的時(shí)鐘信號線(xiàn)。它還需要主/從配置，因為主設備必須是生成時(shí)鐘信號的設備。

就個(gè)人而言，出于顯而易見(jiàn)的原因，我不喜歡術(shù)語(yǔ)master和slave。令我驚訝的是，這些術(shù)語(yǔ)仍然普遍使用。但是，主/從確實(shí)是描述此類(lèi)通信的常用工程術(shù)語(yǔ)。

UART 通常與其他標準（例如 RS-232 或 RS-485）結合使用，以實(shí)現更遠距離的外部串行通信。一些微控制器也提供稱(chēng)為 USART 的同步 UART。

串行外設接口 (SPI)

SPI 是一種同步通信協(xié)議。它通常比 UART 或 I2C 接口快得多。SPI 是一種全雙工通信標準，這意味著(zhù)它可以同時(shí)發(fā)送和接收數據。與 UART 一樣，SPI 僅用于短距離通信，這在大多數情況下意味著(zhù)同一 PCB 上的芯片之間。

SPI 由 4 條線(xiàn)組成，或者實(shí)際上是 3 條線(xiàn)加上每個(gè)外圍設備的一條線(xiàn)。SPI 信號是 MISO（主入從出）和 MOSI（主出從入）、SCLK（串行時(shí)鐘）和 SS（從選擇）?？梢詫⒍鄠€(gè)外圍設備連接到微控制器的 SPI 端口，但一次只能選擇一個(gè)設備。

SPI 的主要優(yōu)點(diǎn)是它的數據傳輸速度更快。SPI 的主要缺點(diǎn)是需要 4 條信號線(xiàn)，而 UART 和 I2C 只需要 2 條信號線(xiàn)。

內部集成電路 (I2C)

I2C 是一種同步串行總線(xiàn)協(xié)議，用于同一板上組件之間的串行通信。I2C 的主要優(yōu)點(diǎn)是它只需要兩根線(xiàn)，是同步的，并且與 UART 或 SPI 不同，I2C 是一種總線(xiàn)協(xié)議。

成為真正的總線(xiàn)意味著(zhù) I2C 允許多個(gè)設備連接到相同的兩條線(xiàn)。I2C 與 SPI 的從選擇信號不同，它為每個(gè)設備使用唯一的地址。這一事實(shí)極大地簡(jiǎn)化了板載信號路由。

與 SPI 一樣，I2C 使用時(shí)鐘信號來(lái)同步通信。但是，與 SPI 不同的是，I2C 只是半雙工，因此它對數據輸入和數據輸出使用單個(gè)信號。I2C 不能同時(shí)在兩個(gè)方向發(fā)送數據。

這種簡(jiǎn)單性的代價(jià)是 I2C 比 SPI 慢得多。因此 I2C 主要用于連接不需要高數據傳輸速度的兩個(gè)組件。它特別適用于連接傳感器（相對較慢）。

通用串行總線(xiàn) (USB)

您以前顯然聽(tīng)說(shuō)過(guò) USB，因為這種串行通信協(xié)議是如此通用。USB 是大多數微控制器上可用的最快的串行通信協(xié)議。它通常用于在外圍設備之間傳輸大量數據。

USB 有多種速度可供選擇，因此請確保您選擇的微控制器具有 USB 端口，該端口具有您的應用所需的數據傳輸速率。

與我們討論過(guò)的用于短距離板載通信的其他串行協(xié)議不同，USB 設計用于與外部外圍設備進(jìn)行長(cháng)距離通信。

USB 是一種主/從協(xié)議。主機（主）可以向設備（從）傳輸數據，主機可以從設備讀取數據。關(guān)鍵是主機總是發(fā)起通信，外圍設備只響應。

由于主機啟動(dòng)和管理所有通信，因此 USB 主機比 USB 設備更復雜。提供內置 USB 通信的微控制器只能用作外圍設備，而 PC 通常用作主機。這種嚴格定義的主/從關(guān)系要求任何 USB 電纜不對稱(chēng)，兩端具有不同的連接器以識別主機。

稱(chēng)為 USB On-The-Go (OTG) 的更新標準允許主/主機和從/設備交換角色。因此，帶有 USB OTG 端口的微控制器既可以用作 USB 設備，也可以用作 USB 主機。只有更高端的微控制器才會(huì )提供 USB OTG。

控制器局域網(wǎng) (CAN)

CAN 是一種串行通信標準，僅用于汽車(chē)應用。

如果您的產(chǎn)品不適用于汽車(chē)，那么您的微控制器上將不需要 CAN 端口。只有部分微控制器包含 CAN 端口。

在電路編程 (ISP)

對微控制器進(jìn)行編程有兩種廣泛的方法：電路內或電路外。

通過(guò)在線(xiàn)編程 (ISP)，微控制器在插入完整電路后進(jìn)行編程。這幾乎總是開(kāi)發(fā)過(guò)程中的理想方法，因為它允許您編程和快速測試所有內容。JTAG 和 SWD 是最常用的 ISP 協(xié)議。

另一種選擇是在將微控制器芯片插入整個(gè)系統之前對其進(jìn)行單獨編程。這在開(kāi)發(fā)過(guò)程中很少有意義，但有時(shí)對于生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是可取的。

無(wú)線(xiàn)接口

您的產(chǎn)品是否需要無(wú)線(xiàn)功能？您可以購買(mǎi)包括藍牙、ZigBee、Wi-Fi 等在內的專(zhuān)用微控制器。藍牙低功耗微控制器尤其常見(jiàn)。

在大多數情況下，最好從任何無(wú)線(xiàn)功能的預認證模塊開(kāi)始。無(wú)線(xiàn)設計可能很復雜，需要更昂貴的 FCC 認證。因此，模塊是一種風(fēng)險較低、價(jià)格更實(shí)惠的選擇。

微控制器內核

讓我們仔細看看一些比較知名的微控制器內核：

ARM Cortex-M

ARM Cortex-M 微控制器功能強大、廣受歡迎且價(jià)格實(shí)惠。事實(shí)上，Cortex-M 微控制器在今天可能比任何其他微控制器更多地用于產(chǎn)品中。

ARM實(shí)際上并不制造微控制器，而是將其架構授權給其他芯片制造商。

ARM Cortex-M 是一種 32 位架構，比一般的 8 位微控制器要強大得多。事實(shí)上，Cortex-M 實(shí)現的處理速度可與某些微處理器相媲美。當您需要大量?jì)却鏁r(shí)，需要 32 位微控制器。

基于 ARM Cortex-M 架構的微控制器可從眾多公司獲得多種版本，包括 ST Microelectronics、Silicon Labs、Microchip Technology、Freescale、NXP、Cypress、Maxim Integrated、Analog Devices 和 Texas Instruments。

我最喜歡的 ARM Cortex-M 微控制器系列是ST Microelectronics的 STM32 系列。該STM32線(xiàn)是巨大的，可以細分為STM32F STM32L和系列。STM32F 系列優(yōu)先考慮性能和/或成本，而 STM32L 系列優(yōu)先考慮便攜式應用的低功耗。

圖 4 – 基于 STM32 微控制器的開(kāi)發(fā)平臺 

性能最高的模型是 STM32F7，它每秒能夠處理 10 億條命令！這種處理速度接近許多微處理器的處理速度。另一方面，STM32L0 每秒僅處理 2600 萬(wàn)條命令，但耗電量明顯低于 STM32F7。

最后，與一些公司（如高通）不同的是，意法半導體為初創(chuàng )公司和小公司提供了出色的技術(shù)支持。他們甚至會(huì )提供使用他們產(chǎn)品的任何電路設計的設計審查。

8051

英特爾在 1980 年開(kāi)發(fā)了 8 位 8051 微控制器，它仍然存在，并且應用相當廣泛。至少有八家不同的半導體制造商銷(xiāo)售 8051 的現代版本。

圖 5 – 8051 微控制器示例 

在大多數情況下，8051 僅適用于對成本非常敏感的最簡(jiǎn)單類(lèi)型的產(chǎn)品。

愛(ài)特梅爾 AVR

大多數版本的 Arduino 使用來(lái)自 Atmel（現在由 Microchip Technology 擁有）的 AVR 系列微控制器。這可以更輕松地從 Arduino 過(guò)渡到 Atmel AVR 微控制器。Atmel AVR微控制器有 8 位和 32 位兩種版本。

圖 6 – Atmel AVR 微控制器

Atmel AVR 是一款非常適合創(chuàng )客和愛(ài)好者的控制器系列，特別是考慮到它們?yōu)?span> Arduino 提供動(dòng)力。

PIC

Microchip Technology生產(chǎn)名為 PIC 的流行微控制器系列。它們可根據您的需要提供多種選項，包括 8 位、16 位和 32 位版本。您可以從無(wú)數的引腳、封裝樣式和片上外設組合中進(jìn)行選擇。

圖 7 – Microchip 的 PIC 微控制器系列有多種版本 

與 Atmel AVR 系列微控制器一樣，PIC 控制器非常受電子愛(ài)好者和制造商的歡迎。如果您的產(chǎn)品需要低成本的 8 位或 16 位，甚至 32 位控制器，那么 PIC 微控制器可能是一個(gè)不錯的低成本選擇。

設計電源

電源電路是硬件設計中最關(guān)鍵的部分之一。嘗試盡早定義您的接地和電源布局。

微控制器的電流消耗由時(shí)鐘頻率、工作電壓和 I/O 引腳上的負載決定。

為確保微控制器具有良好、干凈的電源電壓，您必須在其電源引腳旁邊放置去耦電容器。

包含模擬輸入和/或模擬輸出的微控制器將具有專(zhuān)門(mén)用于模擬的不同電源和接地引腳。對于這些模擬電源引腳來(lái)說(shuō)，徹底清除所有噪聲尤為重要，因為任何噪聲都會(huì )降低精度。與模擬信號相比，數字信號對噪聲的容忍度更高。

包括一個(gè)與模擬電源引腳串聯(lián)的電感器以創(chuàng )建 LC（電感器-電容器）濾波器通常是一個(gè)好主意。它將濾除電源線(xiàn)上的任何高頻噪聲。

如果您的電源電壓高于微控制器的最大電源電壓，那么您將需要使用降壓穩壓器。如果電壓差很小，那么線(xiàn)性穩壓器可能是最好的。

例如，如果您的產(chǎn)品使用3.7V鋰電池，而微控制器最高只能工作到3V，那么低壓差線(xiàn)性穩壓器（通常稱(chēng)為LDO）是最佳選擇。

但是，如果電源電壓明顯高于微控制器的最大電源電壓，那么您應該使用開(kāi)關(guān)穩壓器（也稱(chēng)為降壓轉換器）來(lái)降低電壓。

例如，如果您的產(chǎn)品使用 12VDC 電源，而您的微控制器只能處理高達 3V 的電壓，那么您可能需要使用開(kāi)關(guān)穩壓器

如果線(xiàn)性穩壓器的輸入電源電壓遠高于輸出電壓，則它們的效率非常低，并且會(huì )以熱量的形式耗散過(guò)多的功率。

請注意，在使用開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)，最好使用線(xiàn)性穩壓器對開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出電壓進(jìn)行再調節。線(xiàn)性穩壓器提供更干凈的電壓，沒(méi)有噪聲和開(kāi)關(guān)瞬變。在微控制器上使用模擬 I/O 時(shí)，線(xiàn)性穩壓器尤其重要。

時(shí)鐘

任何微控制器（或微處理器）都需要精確的時(shí)鐘進(jìn)行計時(shí)。大多數微控制器可以使用外部或內部時(shí)鐘。對于精確計時(shí)應用，外部晶振是最佳選擇。

對于不需要精確時(shí)序的應用，使用內部時(shí)鐘將簡(jiǎn)化電路設計。

在為晶振進(jìn)行 PCB 布局時(shí)，請務(wù)必仔細遵循數據表中指定的布局指南。走線(xiàn)應盡可能短，晶體上的負載電容必須符合制造商的建議。