انواع میکروکنترلر و کاربردهای آن

در این مقاله با معرفی انواع میکروکنترلر و کاربردهای آن متوجه خواهید شد که میکروکنترلر یا همان ریزکنترل کننده،یک مدارمجتمع فشرده است که برای کنترل عملیاتی خاص در یک سیستم نهفته طراحی شده است. در یک تراشه واحد، یک میکروکنترلر معمولا شامل قسمت هایی همچون پروسسور یا ریز پردازنده، حافظه و ورودی/خروجی  (I/O) است. گاهی اوقات به عنوان کنترل کننده درونی یا واحد میکروکنترلر (MCU) نیز شناخته می شود.

در همین راستا فروشگاه پیشروتلاشگران با فروش قطعات الکترونیکی متفاوت از جمله انواع میکروکنترلر، انواع خازن، ال سی دی، ترانزیستور، انواع ماژول ها و موارد دیگر در تلاش است تا همه این قطعات را با بهترین کیفیت و قیمت ارایه نموده و همچنین از طریق انتشار مقالات مختلف در این زمینه، اطلاعات کافی در اختیار مخاطبان خود قرار دهد. لطفا در ادامه با ما همراه باشید.

میکروکنترلر یا ریزکنترل کننده چیست و چه کاربردهایی دارد؟

میکرو کنترلرها در وسایل حمل و نقل، ربات ها، ماشین های اداری، ابزارهای پزشکی، فرستنده رادیویی همراه، ماشین های فروش خودکار و وسایل خانگی و در دستگاه های بسیار زیاد دیگری یافت می شوند.

آن ها اساسا یک کامپیوتر شخصی مینیاتوری هستند که طراحی شده اند تا مشخصه های کوچکی از یک مؤلفه بزرگ را بدون نیاز به سیستم عامل فرانت اند پیچیده ای کنترل کنند.

طرز کار میکروکنترلرها

یک میکروکنترلر برای کنترل تابعی یکتا در یک دستگاه، درون یک سیستم تعبیه می شود. این کار را با تفسیر داده های دریافتی از ورودی/ خروجی خود با استفاده از پردازنده مرکزی انجام می دهد.

اطلاعات موقت دریافت شده، در حافظه داده خود میکروکنترلر ذخیره می شود. جایی که پردازنده به آن دسترسی داشته و از دستورالعمل های ذخیره شده در حافظه برنامه خود برای رمزگشایی و استفاده از داده های ورودی پیش رو استفاده می کند. سپس از دستگاه ورودی/ خروجی خود برای برقراری ارتباط و اجرای عملکرد مناسب استفاده می نماید.

از میکروکنترلرها در طیف گسترده ای از سیستم ها و دستگاه ها استفاده می شود. دستگاه ها غالباً از میکروکنترلرهای متعدد و هماهنگ با یکدیگر برای کنترل کارهای مربوطه خود استفاده می کنند.

به عنوان مثال، یک اتومبیل ممکن است برای کنترل سیستم های جداگانه متنوع درون خود، میکروکنترلرهای زیادی داشته باشد. مانند سیستم ترمز ضد قفل، کنترل کشش یا پایداری، تزریق سوخت یا کنترل تعلیق.

همه میکروکنترلرها برای اجرای اقدامات صحیح با یکدیگر ارتباط دارند. ممکن است برخی از آن ها با یک کامپیوتر مرکزی پیچیده تری درون خودرو ارتباط داشته باشند و باقی فقط با سایر میکروکنترلرها ارتباط دارند.

آنها داده ها را با استفاده از  ورودی/خروجی خود ارسال و دریافت کرده و برای انجام وظایف تعیین شده پردازش می کنند.

عناصر اصلی در یک میکروکنترلر

 پردازنده (CPU)

 پردازنده را می توان به عنوان مغز یک دستگاه تصور کرد که دستورالعمل های مختلفی را که عملکرد میکروکنترلر را هدایت می کنند، پردازش کرده و پاسخ می دهد. این عملکردها شامل اجرای محاسبات اساسی، منطقی و عملکرد ورودی/خروجی است. همچنین عملیات انتقال داده را اجرا می کند که دستورات دیگر را به سایر اجزای موجود در سیستم تعبیه شده بزرگتر منتقل می کنند.

حافظه

 از حافظه میکروکنترلر برای ذخیره داده هایی که پردازنده دریافت می کند و همچنین پاسخ به دستورالعمل هایی که برای انجام آن برنامه ریزی شده است استفاده می شود. میکروکنترلر دو نوع حافظه اصلی دارد:

حافظه برنامه، که اطلاعات طولانی مدت را در مورد دستورالعمل هایی که  CPU  انجام می دهد، ذخیره می کند. حافظه برنامه حافظه ای غیر فرار است. به این معنی که اطلاعات را در طول زمان بدون نیاز به منبع تغذیه نگه می دارد.

حافظه داده، که این حافظه برای ذخیره سازی داده های موقت حین اجرای دستورالعمل ها مورد نیاز است. حافظه داده فرار یا اصطلاحا بی ثبات است. به این معنی که داده هایی که در اختیار دارد موقتی بوده و تنها در صورت اتصال دستگاه به منبع تغذیه آن ها را حفظ می کند.

دستگاه های ورودی/ خروجی

  ورودی/خروجی ها بین پردازنده و دنیای خارج به عنوان یک رابط عمل می کنند. درگاه های ورودی اطلاعات را دریافت می کنند و آن را به صورت داده های باینری به پردازنده ارسال می کنند. پردازنده داده ها را دریافت می کند و دستورالعمل های لازم را برای دستگاه های خروجی که وظایف خارج از میکروکنترلر را اجرا می کنند، ارسال نماید.

در حالی که پردازنده، حافظه و ورودی/خروجی ها عناصر تعیین کننده میکروکنترلر هستند ، المان های دیگری نیز وجود دارد که اغلب در میکروکنترلر گنجانده شده است.

اصطلاح ورودی/خروجی خود به سادگی به مؤلفه های پشتیبانی که با حافظه و پردازنده ارتباط دارند اشاره دارد. بسیاری از مؤلفه های پشتیبانی وجود دارد که می توانند به عنوان لوازم جانبی طبقه بندی شوند. داشتن جوانبی از یک ورودی/ خروجی برای یک ریزپردازنده بنیادی است، زیرا آنها مکانیسمی هستند که از طریق آن پردازنده مورد استفاده قرار می گیرد.

سایر عناصر پشتیبان یک میکروکنترلر شامل موارد زیر است:

مبدل آنالوگ به دیجیتال Analog to Digital Converter (ADC)  

مداریست که سیگنال های آنالوگ را به سیگنال های دیجیتال تبدیل می کند و این امکان را به پردازنده در مرکز میکروکنترلر می دهد تا با دستگاه های آنالوگ خارجی مانند سنسورها ارتباط برقرار کند.

مبدل دیجیتال به آنالوگ (ADC) Digital to Analog Converter 

 این مبدل عملکرد معکوس ADC را انجام می دهد و به پردازنده در مرکز میکروکنترلر اجازه می دهد تا سیگنال های خروجی خود را به اجزای آنالوگ خارجی منتقل کند.

BUS سیستم یا سیستم گذرگاه

باس سیستم مسیر ارتباطی است که تمام اجزای میکروکنترلر را به هم پیوند می دهد.

پورت سریال

پورت سریال نمونه ای از درگاه  ورودی/خروجی است که به میکروکنترلر اجازه می دهد تا به اجزای خارجی متصل شود. این عملکرد مشابه باس یا درگاه موازی است اما در نحوه تبادل بیت ها تفاوت هایی وجود دارد.

ویژگی های میکروکنترلر

پردازنده میکروکنترلر با  توجه کاربرد متفاوت خواهد بود. طیف آپشن های پردازنده میکروکنترلر از پردازنده های ساده 4 بیتی 8 بیتی یا 16 بیتی تا موارد  پیچیده تر 32 بیتی یا 64 بیتی متغیر است. میکروکنترلرها می توانند از انواع حافظه فرار مانند حافظه با دسترسی تصادفی (RAM) و انواع حافظه غیر فرار که شامل فلش مموری، حافظه قابل برنامه ریزی پاک شونده فقط قابل خواندن یا همان (EPROM) و حافظه برنامه پذیر، خواندنی تصحیح شونده با سیگنال الکتریکی (EEPROM) استفاده کنند.

به طور کلی، میکروکنترلرها به گونه ای طراحی شده اند که بدون اجزای محاسباتی اضافی به راحتی قابل استفاده باشند زیرا آنها با حافظه پردازنده آنبرد مطلوبی طراحی شده اند. همچنین پین هایی ​​برای عملکرد های کلی ورودی/خروجی بنابراین می توانند مستقیماً با سنسورها و سایر مؤلفه ها ارتباط برقرار کنند.

معماری میکروکنترلر می تواند بر اساس معماری هاروارد یا معماری ون نویمان باشد، هر دو معماری، روش های مختلفی برای تبادل داده ها بین پردازنده و حافظه را در اختیار می گذارند. به وسیله معماری هاروارد، باس داده و دستورالعمل مجزا است که این ویژگی امکان انتقال همزمان را فراهم می کند. اما در معماری ون نویمان، از یک باس برای داده و دستور العمل استفاده می شود.

پردازنده های میکروکنترلر می توانند مبتنی بر محاسبات مجموعه دستورالعمل پیچیده سیسک(CISC)  یا محاسبات مجموعه دستورالعمل کاهش یافته ریسک (RISC) باشند.

 CISC به صورت کلی حدود 80 دستورالعمل دارد در حالی که RISC حدود 30 دستور العمل و همچنین حالت های آدرس دهی بیشتری دارد. 12تا 24 مود آدرس در مقایسه با سیسک که 3 الی 5 مود است.

در حالی که CISC می تواند پیاده سازی و اجرای آسان تری داشته باشد و از حافظه کارآمد تری برخوردار باشد، به دلیل نیاز به تعداد کلاک سایکل یا همان چرخه زمانی بیشتر برای اجرای وظایف، می تواند افت عملکرد داشته باشد.

RISC  که تأکید بیشتری بر نرم افزار می کند، اغلب عملکرد بهتری نسبت به پردازنده CISC فراهم می نماید که به دلیل مجموعه دستورالعمل های ساده شده آن، بر سخت افزار تأکید بیشتری می کند و همین دلیل سادگی طراحی را افزایش می دهد. اما به دلیل تأکید بیشتر بر روی نرم افزار، پیچیدگی نرم افزار می تواند بیشتر باشد. این که از کدام ISC استفاده می شود بسته به کاربرد متفاوت است.

هنگامی که میکروکنترلر برای اولین بار در دسترس قرار گرفت، میکروکنترلرها صرفا از زبان اسمبلی برای آن ها استفاده میشد. امروزه، زبان برنامه نویسی  C  گزینه محبوب تری به شمار می رود. سایر زبان های مرسوم برای ریزپردازنده شامل پایتون و جاوا اسکریپت است.

میکروکنترلر ها پین های ورودی/خروجی را برای به کارگیری عملکردهای دستگاه های جانبی ارائه می دهند. عملکردهایی مانند مبدل های آنالوگ به دیجیتال، کنترل کننده ای نمایشگر LCD، کلاک بلادرنگ یا ساعت زمان_حقیقی  (RTC)، فرستنده_گیرنده سریال همزمان/ناهمزمان جهانی (USART) ، تایمرها ، فرستنده_گیرنده سریال ناهمزمان جهانی (UART) و اتصال باس سریال جهانی(USB)، و سنسورهای جمع آوری داده های مربوط به رطوبت و دما، اغلب به میکروکنترلرها وابسته اند.

حالا با توجه به همه توضیحات ارائه شده، در ادامه به معرفی انواع میکروکنترلر و کاربردهای آن خواهیم پرداخت.

انواع میکروکنترلر

MCU ها یا همان واحد میکروکنترلرهای رایج شامل Intel MCS-51

 که اغلب به عنوان میکروکنترلر 8051 شناخته می شود، برای اولین بار در سال 1985 توسعه یافت. میکروکنترلر AVR که توسط Atmel در سال 1996 توسعه پیدا کرد. کنترل کننده رابط برنامه پذیر (PIC) از فناوری میکروچیپ، و میکروکنترلرهای مختلف ARM دارای مدیریت پیشرفته RISC از جمله انواع میکروکنترلر ها هستند.

تعدادی از شرکت ها میکروکنترلرها را تولید کرده و به فروش می رسانند از جمله: NXP Semiconductors, Renesas Electronics, Silicon Labs and Texas Instruments.

کاربردهای میکروکنترلر

میکروکنترلرها در صنایع و برنامه های مختلف متعددی از جمله در خانگی و سازمانی، اتوماسیون ساختمان، تولید، روباتیک، خودرو، روشنایی، انرژی هوشمند ، اتوماسیون صنعتی، ارتباطات و اینترنت اشیاء (IOT) استفاده می شود.

یکی از کاربردهای بسیار خاص از میکروکنترلر استفاده از آن به عنوان یک پردازنده سیگنال دیجیتال است. غالباً، سیگنال های آنالوگ ورودی با سطح مشخصی از نویز همراه هستند. نویز در اینجا به معنای مقادیر مبهمی است که به راحتی نمی توانند به مقادیر دیجیتالی استاندارد تبدیل شوند. یک میکروکنترلر می تواند از ADC و DAC خود برای تبدیل سیگنال آنالوگ پر نویز ورودی به یک سیگنال دیجیتالی خروجی صاف استفاده کند.

ساده ترین میکروکنترلرها عملکرد سیستم های الکترومکانیکی موجود در اقلام رفاهی روزمره مانند اجاق گاز، یخچال، تستر، دستگاه های تلفن همراه، کی فوب ها، سیستم های بازی ویدیویی، تلویزیون و سیستم های آبیاری چمن را تسهیل می کند.

همچنین در دستگاه های اداری مانند فتوکپی، اسکنر، ماشین فکس و چاپگر و همچنین کنتورهای هوشمند، دستگاههای خودپرداز و سیستم های امنیتی  نیز رایج هستند.

میکروکنترلرهای پیشرفته تر عملکردهای مهم و اساسی را در هواپیما ها، فضاپیما ها، کشتی های اقیانوس، وسایل نقلیه، پزشکی، سامانه پشتیبان حیات و همینطور در روبات ها انجام می دهند.

در مباحث پزشکی، میکروکنترلرها می توانند تنظیم و نظارت بر عملیات یک قلب مصنوعی، کلیه یا اندامهای دیگر را به عهده بگیرند. آنها همچنین می توانند در عملکرد دستگاه های پروتز نیز نقش مهمی داشته باشند.

وجه تمایز بین میکروکنترلرها و ریزپردازنده ها چندان واضح نیست. از آنجا که تراکم تراشه و پیچیدگی برای تولید تا اندازه ای ارزان شده است و از این رو  میکروکنترلرها انواع مختلفی از قابلیت های کامپیوتر کلی را یکپارچه کرده اند.

با این حال، می توان گفت که میکروکنترلرها با اتصال مستقیم به سنسورها و محرک ها، جایی که ریزپردازنده ها برای به حداکثر رساندن قدرت محاسبه روی تراشه طراحی شده اند، با اتصال باس داخلی (به جای ورودی/ خروجی مستقیم) برای پشتیبانی از سخت افزارهایی همچون رم و پورت های سریال، به خودی خود عملکرد مفیدی دارند. به عبارت ساده تر، قهوه سازها از میکروکنترلرها استفاده می کنند و کامپیوتر ها از ریزپردازنده ها.

میکروکنترلرها قیمت چندانی ندارند و از ریزپردازنده ها برق کمتری استفاده می کنند. ریزپردازنده ها حافظه RAM داخلی،  ROMیا قطعات جانبی دیگری روی چیپ ندارند، بلکه با پین های خود به آن ها متصل می شوند. ریزپردازنده را می توان قلب یک سیستم رایانه ای در نظر گرفت، در حالی که یک میکروکنترلر را می توان قلب یک سیستم تعبیه شده تصور کرد.

انتخاب میکروکنترلر مناسب

تعدادی از فناوری و ارزیابی های تجاری وجود دارد که باید هنگام انتخاب میکروکنترلر برای یک پروژه به خاطر سپرد.

صرف نظر از هزینه، مهم است که حداکثر سرعت ، مقدار RAM ،ROM ، تعداد یا نوع پین های ورودی/خروجی یکMCU و همچنین میزان مصرف برق، محدودیت ها و پشتیبانی از توسعه در نظر گرفته شود. پیش از خرید میکروکنترلر حتماً از پرسیدن سؤالاتی همچون موارد زیر مطمئن شوید، مانند:

چه سخت افزار جانبی مورد نیاز است؟
آیا ارتباطات اکسترنال لازم است؟
از چه معماری باید استفاده شود؟
چه نوع منابعی برای میکروکنترلر در دسترس است؟
بازار قابل دسترس این میکروکنترلر چیست؟

در پایان امیدواریم که شما همراهان گرامی از مطالب ارائه شده در زمینه انواع میکروکنترلر و کاربردهای آن بهره کافی را برده باشید.