роботы робототехника микроконтроллеры

ЧТО ТАКОЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕР

Микроконтроллер Микроконтроллер – компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. Говоря простыми словами, микроконтроллер – это программируемая микросхема. То есть мы можем написать программу, загрузить ее в микросхему-микроконтроллер и управлять с помощью программы устройствами, подключенными к нашей микросхеме.

Используя микроконтроллер можно сделать умный дом, умного робота, систему управления станком с ЧПУ, интеллектуальную систему управления поливом растений или управления целой теплицей, охранную сигнализацию, справочную систему, интернет-информер, часы, музыкальный плеер, электронные игры и многое-многое другое.

В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

Встроенные устройства микроконтроллеров

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся:

GPIO (General Purpose Input-Output) – контакты входов и выходов общего назначения
Каждый из Input-Output контактов может быть сконфигурирована как вход, или как выход.

Устройства памяти

ROM – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
Это энергонезависимая память, в которой хранится программа (прошивка). Для микроконтроллеров это обычно флэш-память, которую можно электрически стирать и перепрограммировать.

RAM – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
Это энергозависимая память, которая используется микроконтроллером для временного хранения значений и данных во время выполнения программы.

EEPROM – электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ)
Эта энергонезависимая память, используемая микроконтроллером для хранения данных, например, данных конфигурации и настройки, которые должны сохраняться при отключении питания. Многие современные микроконтроллеры не имеют EEPROM и эмулируют его во флэш-памяти.

Интерфейсы связи и обмена данными

USART — асинхронный последовательный порт
Часто используется для связи с компьютером и другими устройствами и является наиболее распространённым интерфейсом. Через этот интерфейс часто производится загрузка программ в микроконтроллеры. В компьютере он обычно называется COM-порт или RS232.

SPI (Serial Peripheral Interface) — последовательный периферийный интерфейс
Предназначен для обеспечения высокоскоростной передачи данных на короткие расстояния между микроконтроллером и периферией. Этот интерфейс имеют многие чипы, например, внешняя память. Часто через SPI осуществляется программирование микроконтроллеров. SPI также иногда называют четырёхпроводным (англ. four-wire) интерфейсом. Он использует четыре цифровых сигнала: MOSI, MISO, CLK или SCK, CS или SS.

I2C — двухпроводной интерфейс
Используется для связи между чипами внутри электронных приборов. Разработан фирмой Philips Semiconductors в начале 1980-х для связи с датчиками и другой периферией на небольшом расстоянии и небольших скоростях обмена. Использует две двунаправленные линии связи (SDA и SCL). С помощью I2C одновременно к одной шине можно подключить десятки различных устройств.

Кроме того, ряд микроконтроллеров имеют на борту CAN-интерфейс, предназначенный для объединения в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Он обладает высокой надежностью, устойчивостью к помехам и широко используется в автомобильной электронике и промышленной автоматизации.

Таймеры

Таймеры измеряют длительность каких-либо событий. С помощью них можно обеспечить точное значение временной задержки. Встроенные таймеры есть в большинстве современных микроконтроллеров. Таймеры могут использоваться не только для формирования временных задержек, но и в качестве счетчиков.

WatchDog – сторожевой таймер предназначен для предотвращения "зависания" микроконтроллера. Таймер может быть настроен на определённый период времени, допустим на секунду. В выбранных местах программы пишут код, который перезапускает таймер. Если за секунду не произошло ни одного перезапуска таймера, WatchDog считает, что с программой что-то не так и перезапускает микроконтроллер.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

PWM (pulse-width modulation) — широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
Модуль ШИМ может управлять мощностью методом пульсирующего включения и выключения выводов микроконтроллера. С помощью ШИМ можно управлять скоростью вращения двигателей, рулевыми машинками, изменять яркость светодиодов и даже синтезировать звук.

АЦП и ЦАП

ADC (Analog to Digital Converter) – аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Может измерять напряжение аналоговых сигналов. Оценивает он их в долях от величины источника опорного напряжения. Точность работы АЦП зависит от его разрядности. В современных микроконтроллерах чаще всего применяются 12-разрядные АЦП последовательного приближения.

DAC (Digital to Analog Converter) – цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)
Служит для преобразования цифровых сигналов в аналоговые выходные сигналы напряжения.

Поскольку встроенные устройства и внутренние модули не требуют внешних электрических цепей и находятся внутри чипа микроконтроллера, они обладают повышенной надежностью.

Где используются микроконтроллеры?

Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах... и даже кофеварках. Использование микроконтроллеров позволяет упростить систему, повысить её надежность и снизить общую стоимость.

Микроконтроллеры используются в самых различных роботах от умных пылесосов и мойщиков окон до летающих дронов. Появление доступных и дешевых микроконтроллеров позволило огромному числу энтузиастов во всем мире создавать множество разнообразных и недорогих в изготовлении роботов.

Brenton O'Brien of Microbric on The New Inventors TV show - 29.10.2008
Микроконтроллеры широко используются в DIY-робототехнике и электронике
(DIY-роботы на микроконтроллерах на австралийском TV-шоу «The New Inventors»)

Основные характеристики микроконтроллеров

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 8-, 16- и 32-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит 32-разрядным устройствам. За ними следуют 16-разрядные и 8-разрядные. С каждым годом увеличивается доля 64-разрядных устройств.

Прогноз рынка микроконтроллеров по данным Prudour Private Limited
Прогноз рынка микроконтроллеров по данным Prudour Private Limited

Еще одной важной характеристикой является архитектура микропроцессороного ядра микроконтроллера. Среди распространенных 32-разрядных архитектур можно выделить ARM, RISC-V, Xtensa LX, PIC32.

Тактовая частота или, более точно, скорость шины, определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. В основном производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность увеличиваются с повышением тактовой частоты. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second - миллион инструкций в секунду).

Производители микроконтроллеров

Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Analog Devices, Cypress, GigaDevice, Infineon, Maxim, Microchip, NXP Semiconductors, Renesas, Silicon Labs, ST Microelectronics, Texas Instruments и многих других.

Заметную роль среди производителей микроконтроллеров играет китайская компания Espressif. Их 32-разрядные микроконтроллеры ESP32, создаваемые на основе архитектур Xtensa LX и RISC-V, стали очень популярными благодаря своим широким возможностям и производительности. Помимо стандатных для микроконтроллеров устройств ESP32 несут на борту модули для работы с Wi-Fi и Bluetooth.

В России микроконтроллеры разрабатывает и производит компания Микрон в Зеленограде. В 2024 году она представила новый 32-битный микроконтроллер MIK32 Амур с ядром на базе открытой архитектуры RISC-V, а новосибирская компания ELRON создала плату разработки ELBEAR ACE-UNO на этом микроконтроллере, совместимую с популярной платой Arduino UNO.

Микроконтроллер MIK32 Амур на выставке ExpoElectronica 2024
Решения на микроконтроллере MIK32 Амур на стенде компании Микрон на выставке ExpoElectronica 2024

Платы разработки

Современные микроконтроллеры выпускают в очень миниатюрных корпусах и, чтобы облегчить работу с ними, множество производителей предлагает удобные платы разработки (Development Board) и наборы разработчика (DevKit). Многие платы разработки для микроконтроллеров приспособлены для удобного размещения на макетных платах и имеют дополнительную память и интерфейс для загрузки программ в микроконтроллер.

Одной из наиболее популярных плат разработки является ESP32 DEVKIT V1 — это лучшая плата для новичков. На ней есть все необходимое для работы с ESP32, а мощности двухъядерного ESP32 хватает даже для проектов на основе библиотеки машинного обучения TensorFlow.

Микроконтроллерные платы ESP32
Микроконтроллер ESP32, микроконтроллерный модуль ESP32, плата разработки ESP32 DevKit Board (ESP32 DEVKIT V1) и плата расширения ESP32 Expansion Board



myROBOT.ru
Это оригинальная статья myROBOT.ru
Из истории микросхем

Первая микросхема

Джек Килби (Jack Kilby) и первая микросхема

Первая микросхема была спроектирована и изготовлена в компании Texas Instruments под руководством Джека Килби (Jack Kilby) в 1958 году. Независимо от Килби приблизительно в то же время Роберт Нойс (Robert Noyce) в основанной им вместе c Гордоном Муром (Gordon Moore) и еще шестью коллегами компании Fairchild Semiconductor объединил полупроводниковые элементы на едином кристалле кремния.

Fairchild Semiconductor CoFounders

Именно Fairchild первой в Кремниевой долине наладила успешное коммерческое производство микрочипов в 1961 году. А спустя десятилетие основанная Нойсом и Муром компания Intel выпустила первый микропроцессор. Первые схемы содержали транзисторы, число которых исчислялось десятками, но к 1970-м годам каждый чип мог содержать десятки тысяч транзисторов. К 1980-м годам и появлению персональных компьютеров это привело к появлению сотен тысяч транзисторов. К моменту смерти Джека Килби в 2005 году в возрасте 81 года они содержали несколько миллиардов транзисторов.

Основатели Intel: Гордон Мур на фоне портрета Роберта Нойса

Как сделать робота
ПОПУЛЯРНЫЕ СТАТЬИ
Драйвер двигателей L293D
Драйвер двигателей L293D
Для управления двигателями мини робота необходимо устройство, которое бы преобразовывало управляющие сигналы малой мощности в токи, достаточные для управления моторами. Такое устройство называют драйвером двигателей.
Как сделать простейшего робота
Как сделать простейшего робота
О том, как сделать робота в домашних условиях, используя лишь микросхему драйвера моторов и пару фотоэлементов. В зависимости от способа соединения моторов, микросхемы и фотоэлементов робот будет двигаться на свет или, наоборот, прятаться в темноту, следовать по линии или бежать за вашей рукой.
Первый проект на микроконтроллере AVR
Первый проект на микроконтроллере AVR
В качестве первого проекта на микроконтроллере AVR рассмотрим пример мигания светодиодом. Это классика при изучении микроконтроллеров.
Как сделать простого робота на микроконтроллере (Часть 1). Управляем электромоторами
Как сделать простого робота на микроконтроллере (Часть 1). Управляем электромоторами
Как самому сделать робота, используя драйвер управления двигателями L293D и микроконтроллер ATmega8. Схема робота и примеры простейших программ для управления моторами.
НОВЫЕ СТАТЬИ
Можно ли сделать BEAM-робота на Raspberry Pi?
Можно ли сделать BEAM-робота на Raspberry Pi?
Ответ Марка Тилдена с уникальной фотографией одной из новых работ маэстро.
Изучаем Python: TOP-5 лучших сайтов для изучения Питона
Изучаем Python: TOP-5 лучших сайтов для изучения Питона
Самоучитель, интерактивный учебник, наглядные задачи и примеры программ.
Роботы на одной микросхеме своими руками
Роботы на одной микросхеме своими руками
Подборками статей myROBOT.ru. Практика создания роботов: схемы и советы по изготовлению. Чтобы сделать роботов, нет необходимости даже писать программы. Все роботы начнут работать сразу же, как только Вы подключите к ним питание.
ПОПУЛЯРНОЕ НА САЙТЕ
Драйвер программатора USBASP для Windows 7, 8, 10
Драйвер программатора USBASP для Windows 7, 8, 10
Универсальный драйвер программатора USBasp v 2.0 USB ISP без необходимости принудительного отключения сертификата драйвера или использования Zadig, достаточно скачать драйвер USBasp и запустить файл InstallDriver.exe.
Учимся программировать.<BR>Среда программирования на ЛОГО
Учимся программировать.
Среда программирования на ЛОГО
GAME LOGO — бесплатная среда программирования для увлекательного путешествия в мир программирования и информатики. Программирование на русском языке, удобный и красивый интерфейс, продуманный синтаксис.




Copyright © myrobot.ru, 2005-2023


Яндекс.Метрика   Рейтинг@Mail.ru