Выбор микроконтроллера

Как правило, микропроцессорные системы по своей сути являются управляющими системами – основной функцией, реализуемой в них, является управление разнообразными объектами и процессами. Управляющая микропроцессорная система содержит микро ЭВМ, устройства связи с объектом (с датчиками и исполнительными устройствами управляемого объекта) и периферийные устройства.

Такие системы наиболее эффективно могут быть построены с помощью специализированных однокристальных микро ЭВМ, ориентированных на выполнение функций управления, – однокристальных микроконтроллеров (в дальнейшем просто микроконтроллеры). Микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части обычной микро ЭВМ: микропроцессор, память, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллера в управляющих системах обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при очень низкой стоимости – во многих применениях система может состоять только из одной БИС микроконтроллера.

Микроконтроллер характеризуется небольшой емкостью памяти, физическим и/или логическим разделением памяти программ (ПЗУ, флэш-память) и памяти данных (ОЗУ), упрощенной и ориентированной на задачи управления системой команд, простыми способами адресации команд и данных, а также специфической организацией ввода/ вывода. Все это определяет область их использования в качестве специализированных вычислителей, включенных в контур управления объектом или процессом.

Структурная организация, набор команд и аппаратно-программные средства ввода/вывода микроконтроллеров лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики, а не для решения задач обработки данных. Микроконтроллеры не являются машинами классического фон-неймановского типа, так как память физически или логически разделена на память программ и память данных, что исключает возможность модификации и/или замены прикладных программ микроконтроллеров во время работы.

Функционирование системы на базе микроконтроллера полностью определяется прикладной программой, размещаемой в памяти программ микроконтроллера. Поэтому специализация системы типовой структуры на решение задачи управления конкретным объектом осуществляется путем разработки соответствующих прикладных программ и аппаратуры связи микроконтроллера с датчиками и исполнительными устройствами объекта.

Применение микроконтроллеров в устройствах управления объектами привело к кардинальным изменениям в разработке аппаратных средств микропроцессорных систем. Поскольку микроконтроллер представляет собой функционально-законченную однокристальную микро ЭВМ, то построение микропроцессорного блока полностью определяется выбранным типом микроконтроллера.

Конкретный микроконтроллер допускает очень немного вариантов системного включения, которые приводят к фирменной технической документации. В свою очередь конкретный вариант включения выбранного микроконтроллера полностью определяется решаемой прикладной задачей (точнее методом ее решения). Таким образом, основным вопросом при проектировании микропроцессорного блока является выбор типа используемого микроконтроллера. Внешний вид микроконтроллера, с подписанными функциями выводов изображён на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Микроконтроллера Atmel Atmega 8

Микроконтроллер AtMega8 имеет 8 килобайт флэш-памяти, чего достаточно для спроектированного программного обеспечения. Как видно по блок-схеме на рисунке 9, микроконтроллер имеет один модуль USART и встроенный 10-разрядный АЦП-преобразователь, которые отвечают минимальным требованиям, необходимым разрабатываемому проекту. Внешний вид микроконтроллера, с подписанными функциями выводов изображён на рисунке 4.1. На рисунке изображён микроконтроллер в PDIP корпусе. Данный корпус достаточно компактен и прекрасно подходит для использования в проектируемом устройстве.

Микроконтроллер AtMega8 имеет 8 килобайт флэш-памяти, чего достаточно для спроектированного программного обеспечения. Микроконтроллер имеет один модуль USART и встроенный 10-разрядный АЦП-преобразователь. Данные параметры отвечают минимальным требованиям, необходимым разрабатываемому проекту. В данном проекте возможно применение одного из микроконтроллеров младших семейств, однако в целях проведения более тщательного анализа необходимых функций проектируемого устройства, используется именно выбранный микроконтроллер.

Данный микроконтроллер используется в трех модулях проектируемой системы. Наличие модуля SPI необходимо для связи с микросхемой приёмопередатчика в модулях радиоключа и системы автомобиля, в модуле генератора случайных чисел интерфейс SPI необходим для связи со схемой часов реального времени. АЦП-преобразователь используется в модуле генератора случайных чисел для получения случайных данных из бортовой сети автомобиля.

4.2 Выбор приёмопередатчика

На радиоключе и на системе автомобиля необходимо спроектировать приёмопередатчик. Необходимо, чтобы схема приёмопередатчика обладала одним из интерфейсов, присутствующих в микроконтроллере Atmega8: USART, SPI или I2C. Схема приёмопередатчика должна обладать небольшим энергопотреблением во время работы и особенное внимание необходимо уделить энергопотреблению схемы в режиме ожидания.

Рассмотрим приёмопередатчик nRF24L01 фирмы Nordic Semiconductor. Данный приёмопередатчик обладает достаточно доступной ценой и зарекомендовал себя как надёжное средства радиосвязи. Для взаимодействия с микроконтроллером в данном приёмопередатчике присутствует интерфейс SPI. Схема приёмопередатчика изображена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Приёмопередатчик nRF24L01

Документация на nRF24L01 содержит рекомендуемую схему подключения [10]. Данная схема изображена на рисунке 4.3.

На рисунке 4.3 номиналы конденсаторов C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 и C9 составляют 10 нФ, 1 нФ, 22 пФ, 22 пФ, 33 нФ, 1, 5 пФ, 1 пФ, 4, 7 пФ и 2, 2 нФ соответственно. Значения сопротивлений резисторов R1 и R2 составляют 1 МОм и 22 КОм соответственно. Индуктивности катушек L1, L2 и L3 составляют 8, 2 нГ, 3, 9 нГ и 2, 7 нГ. Кварцевый резонатор работает на частоте 16 МГц. При проектировании принципиальной схемы разрабатываемых в данной работе устройств, воспользуемся приведённой рекомендацией для подключения приёмопередатчика nRF24L01, приведённой в документации на данную микросхему. Рекомендованная схема содержит вывод для подключения внешней антенны. В проектируемом устройстве, в схеме радиоключа внешняя антенна реализована, встроенной в устройства, а в схеме запирающей системы автомобиля представлена выводом, к которому подключается внешняя, не входящая в устройство антенна.

Рисунок 4.3 – Рекомендуемая схема подключения приёмопередатчика

Данный приёмопередатчик обладает такими функциями, как повторная отправка сообщения при отсутствии подтверждения о получении сообщения, а так же непосредственно подтверждение получения сообщения. Наличие данных функция позволяет упростить программный код системы, что является несомненным плюсом выбранной микросхемы приёмопередатчика. Данные функции являются настраиваемыми и необязательными, однако могут быть выгодно использованы при расширении функциональности системы.