Vaikka 8-bittisiä mikro-ohjaimia on ollut tarjolla jo melkein viisi vuosikymmentä, niiden kysyntä kasvaa edelleen. Vastatakseen markkinoiden vaatimuksiin 8-bittisten mikro-ohjaimien toiminnallisuutta on kehitetty nykyaikaisten sovellusten tarpeita varten. 

Mikro-ohjaimet ovat tärkeässä osassa muuttamassa maailmaamme, koska niitä on lähes kaikissa elektroniikkaa sisältävissä tuotteissa. Nykyajan elektroniikassa mikro-ohjaimilla saadaan lisää toiminnallisuutta kaikenlaisiin sovelluksiin kaikilla markkina-alueilla kuten autoteollisuudessa, avaruusteollisuudessa, kulutuselektroniikassa, teollisuudessa ja terveydenhoidossa.

Vaikka 8-bittisiä mikro-ohjaimia on ollut tarjolla jo melkein viisi vuosikymmentä, uudet nopeasti yleistyvät tuoteinnovaatiot ja sovellukset kuten sähköautot ja -pyörät, koti- ja teollisuusautomaatio sekä IoT-laitteet ovat lisänneet huomattavasti näiden edullisten pienikokoisten mikro-ohjaimien kysyntää. Vastatakseen markkinoiden vaatimuksiin 8-bittisten mikro-ohjaimien toiminnallisuutta on kehitetty nykyaikaisten sovellusten tarpeita varten.

Tässä artikkelissa tarkastellaan kolmea yleistä sovellusta, joissa uudet, analogisilla suodatustoiminnoilla varustetut 8-bittiset mikro-ohjaimet tukevat näitä nykyaikaisia järjestelmiä parantamalla järjestelmän suorituskykyä ja nopeuttamalla järjestelmätapahtumien vasteita.

Akkujen hallinta, valvonta ja optimointi

Monet sulautetut järjestelmät mukaan lukien IoT-järjestelmät toimivat kaukana olevissa sijaintipaikoissa, jolloin niiden teholähteinä käytetään akkuja. Tällaisissa sovelluksissa on ensiarvoisen tärkeää taata turvallinen ja luotettava toiminta valvomalla akkujen kestävyyttä ja kuntoa.

Tavallisesti akkujen valvontajärjestelmässä käytetään mikro-ohjainta automaattisesti mittaamaan jäljellä olevaa varausta ja ohjaamaan, että akku toimii mahdollisimman optimaalisella suoritusteholla. Integroidulla analogia-digitaalimuuntimella varustettu mikro-ohjain lukee ja muuntaa akusta mitatut virta- ja jännitearvot digitaaliseen muotoon, joita käyttäen mikro-ohjain pystyy arvioimaan akun kuntoa. Tietoa akun suoritustehosta välitetään ulkoisille laitteille IoT-järjestelmissä tietoa siirtäviä sisäänrakennettuja kommunikointiväyliä kuten UART, SPI ja I2C käyttäen.

Jos on tarvetta valvoa myös akun lämpötilaa, mikro-ohjaimeen integroitua operaatiovahvistinta voidaan käyttää lämpötila-anturin esijännitteen tuottamiseen. Monissa nykyajan 8-bittisissä mikro-ohjaimissa on sirulle integroitu operaatiovahvistin, jolloin järjestelmäkustannuksia saadaan alas ja tilaa säästetään, kun ei tarvita ulkoisia komponentteja sellaisissakaan sovelluksissa, joissa heikkoja analogiasignaaleja pitäisi vahvistaa ennen analogia-digitaalimuunnosta vahvistinasteella.

Akun tehon ja järjestelmän ajoajan keston optimointia varten mikro-ohjainyksiköstä on valittavissa parhaimmillaan erilaisia tehonhallintatiloja, joilla voidaan balansoida kulloinkin tarvittavaa suoritustehoa samalla optimoiden tehonkulutusta. Tärkeä tekijä akun pitkän käyttöiän saavuttamiseksi sulautetussa järjestelmässä on kyky vähentää järjestelmän aktiviteettia silloin kun se on mahdollista. Joustaviin tasoihin konfigurointi mahdollistaa, että järjestelmä kuluttaa tehoa vain juuri sen verran kuin käsillä olevan tehtävän suorittaminen minimissään vaatii, usein ilman keskusprosessoriyksikön suorittamaa valvontaa.

Tehonkulutusta voidaan tehokkaasti vähentää hyödyntämällä esimerkiksi IDLE-, DOZE- ja SLEEP-tilojen käyttöä. Näiden lisäksi Microchipin uusimmissa PIC- ja AVR-mikro-ohjainyksiköissä operaatiovahvistimet ja analogia-digitaalimuuntimet voidaan kytkeä päälle ja pois päältä ohjelmallisesti tai asettaa mikro-ohjainyksikön ydin ja digitaaliset oheispiirit käynnistymään saavutettuaan tietyt kynnysarvot, jolloin saadaan lisää joustavuutta ja tehonsäästöjä akkukäyttöisiin sovelluksiin. Mainitut tehoa säästävät ominaisuudet ovat saatavissa nykyisissä mikro-ohjainyksiköissä ja ne mahdollistavat pidemmän akun käyttöiän samalla kun virrankulutus, tehohäviöt ja kustannukset pienenevät.

Kuva 1: Mikro-ohjainsiruilla olevat analogiset oheispiirit helpottavat suunnittelijan työtä kustannusten vähentämisessä ja markkinoille pääsyn nopeuttamisessa samalla kun järjestelmän responsiivisuus paranee.

Sulautetun järjestelmän hallinta

Sulautettujen sovellusten kompleksisuuden lisääntyessä kaiken aikaa on välttämätöntä hajauttaa tehtävien käsittelyä siten, että varmistetaan salamannopea vaste suurimman mahdollisen käyttäjäkokemuksen aikaan saamiseksi tai pitäydytään tiukasti turvallisuusstandardien määräyksissä. Tämän saavuttamiseksi kompleksissa järjestelmissä käytetään hyväksi uusimpia 8-bittisiä mikro-ohjaimia, koska niihin integroiduilla analogisilla oheispiireillä suoritetaan ”avustavia” tehtäviä kuten johdinlinjojen valvontaa, ympäristöolosuhteiden valvontaa tai viestien välitystä kortilla olevien monien sirujen välillä. Nämä toiminnot ovat tärkeitä useimmissa sovelluksissa datakeskusten infrastruktuureissa, rakennusten hallintajärjestelmissä, älykkään energiaverkon päätepisteissä ja turvallisuudeltaan kriittisissä sovelluksissa kuten kotitalouden pesukoneissa ja kuivaimissa.

Yksi tällainen esimerkki on tavallinen palvelin datakeskuksessa. Vaikka kunkin palvelimen isäntäkortilla on pääkeskusprosessoriyksikkö ja joukko sovelluskohtaisia prosessoreja suorittamassa erilaisia tehtäviä, monissa näistä palvelimista käytetään uusia 8-bittisiä mikro-ohjainyksikköjä ”järjestelmähallinnan” laitteina. Nämä mikro-ohjainyksiköt tarjoavat tyypillisesti liittymän erilaisille ympäristöantureille (lämpötila, kosteus, jännitelinjan kunto) ja ne on ohjelmoitu välittämään tilatietoa järjestelmän hallintaväylään samalla kun ne jaksottavat tehonsyöttöä muille isäntäkortin piireille tilatiedon sanelun perusteella. Näissä tapauksissa 8-bittiset mikro-ohjainyksiköt soveltuvat erinomaisesti tällaisten tehtävien suorittamiseen sirulla olevien analogisten oheispiirien ja niiden käytön helppouden, joustavuuden ja kestävyyden ansiosta.

Osa mikro-ohjaimista kuten Microchipin PIC- ja AVR-mikro-ohjainyksiköt tukee ytimestä riippumattomia oheispiirejä (CIP; Core Independent Peripherals), jotka toimivat sirulla olevien analogisten oheispiirien rinnalla (tandem) huolehtiakseen järjestelmän valvonnasta kriittisten tapahtumien varalta ja varmistaakseen järjestelmän toimivan oikein. Integroidut analogiset oheispiirit kuten operaatiovahvistimet tai analogia-digitaalimuuntimet vahvistavat, suodattavat ja vakioivat signaalia tarpeen mukaan kun analogiasignaalia vastaanotetaan. CIP-oheispiirien tarkoituksena on automatisoida järjestelmän tehtäviä ilman että tarvittaisiin koodeja tai CPU-ytimen suorittamaa valvontaa, jolloin vähenee tarve koodin kirjoittamiselle, virheenkorjaukselle ja validoinnille, ja sovelluksista tulee mukautuvampia järjestelmän muutoksille. CIP-piirit kommunikoivat keskenään, mikä edelleen helpottaa järjestelmän suorituskyvyn ja responsiivisyyden lisäämistä sekä useiden tehtävien samanaikaista käsittelemistä.

PIC- ja AVR-mikro-ohjainyksiköt vievät konseptin askeleen pidemmälle, sillä niissä on kehittyneitä analogisia oheispiirejä, joissa on erikoistuneita piirejä edistyneiden ytimestä riippumattomien laskentatehtävien kuten keskiarvolaskennan, poiminnan ja alipäästösuodatuksen suorittamiseksi. Nämä ominaisuudet nopeuttavat järjestelmän vastetta ja hyvän suojan häiriöitä vastaan vaativissa ympäristöissä. Nämä erikoistuneet analogiset oheispiirit ovat yhdistettävissä moniin muihin sirulla saatavissa oleviin signaaleihin kuten ajastimien ja kellojen signaalilähteisiin, digitaalisten oheispiirien signaaleihin, muihin analogisiin automaattisesti käynnistyvien prosessien muodostamiin signaaleihin tai keskeytystilojen muodostumisesta keskusyksikölle ilmoittaviin signaaleihin.

Kuva 2: Microchipin PIC18-Q71-sarja käsittää joukon sirulla olevia älykkäitä analogisia oheispiirejä kuten esimerkiksi differentiaalisen analogia-digitaalimuutimen.

Käyttöliittymä

Kosketukseen perustuva tekniikka on laajasti käytössä elektronisissa tuotteissa älypuhelimista, kulutuslaitteisiin ja kulkuneuvoihin. Autoteollisuudessa suunta on ohjauspyörien ja kojelautojen osalta nappulatekniikasta kohti sulavalinjaisesti taipuvia käyttöliittymiä. Näiden hipaistavien näppäimien tulee reagoida välittömästi käyttäjän toimenpiteeseen, olla immuuni väärille näppäyksille ja sopeutua hyvin erilaisiin ympäristöoloihin mukaan lukien nopeasti tapahtuvat lämmönvaihtelut kylmästä kuumaan, märät pinnat ja hansikkaiden pitäminen kädessä.

Nykyajan kapasitiivisissa kosketusjärjestelmissä 32-bittisen mikro-ohjainyksikön suoritusteho ei ole kuitenkaan korvattavissa erityistarkoituksiin suunnitellulla analogisella kytkettävyydellä, jota käytetään uusissa 8-bittisissä piireissä. Microchipin uusiin 8-bittisiin mikro-ohjainyksiköihin kuuluvat PIC18-Q71- ja AVR EA -tuoteperheet on varustettu differentiaalisilla analogia-digitaalimuuntimilla, jotka suodatusominaisuuksiensa ansiosta toimivat ”analogisina prosessointimoduuleina” vähentäen merkittävästi tarvittavien keskusprosessoriyksikön toimenpiteiden määrää (ja siten koodin määrää) kosketustekniikkaan perustuvien sovellusten toteuttamisessa.

Nämä erikoistuneet sirulla olevat analogia-digitaalimuuntimet torjuvat tehokkaasti häiriöitä ja niissä on sisään rakennettu automaattinen viritys ja kalibrointi tehostamassa häiriönsietoa ja veden pitävyyttä. Hyödyntämällä Microchipin helppokäyttöisiä kosketustekniikan kehitystyökaluja mikro-ohjainyksiköillä on toteutettavissa kokonaisratkaisuna kosketukseen perustuva käyttöliittymä, joka soveltuu käytettäväksi vaativissa ympäristöoloissa.

Kuva 3: Kapasitiiviset kosketustekniikkaan perustuvat järjestelmät edellyttävät nopeaa sopeutumista suuriin lämmön ja kosteuden vaihteluihin.

Yhteenveto

Mikro-ohjaimille asetetut vaatimukset ovat kasvaneet kuluneiden 50 vuoden aikana ja linjanveto analogisten ja digitaalisten toimintotarpeiden välillä on hämärtynyt sulautetuissa järjestelmissä. Siinä missä sulautettujen suunnittelu on kehittynyt, 8-bittiset mikro-ohjaimet ovat kehittyneet yksinkertaisista laskentapiireistä täysimittaisiksi SOC-järjestelmäpiireiksi, jotka pystyvät suorittamaan suurimman osan nykyajan sulautetuista tehtävistä. Suunnittelijoiden on mahdollista toteuttaa integroiduilla analogisilla oheispiireillä varustetuilla mikro-ohjainyksiköillä aputoimintojen, järjestelmän hallinnan ja valvonnan lisäksi monimutkaisten suunnittelujen tärkeimmät ohjaintehtävät, eli toiminnot, jotka tavallisesti on toteutettu sirun ulkopuolisilla piireillä.

Nyt ne voidaan toteuttaa keskusmikro-ohjainyksikössä, jolloin järjestelmän vaste paranee ja materiaalikustannukset pienenevät. 8-bittisillä PIC- ja AVR-mikro-ohjainyksiköillä olevat älykkäät analogiset oheispiirit ovat integroitavissa suoraan digitaalisiin oheispiireihin, jolloin saatavissa on entistä enemmän suoritustehoa ja joustavuutta tämän päivän edistyneisiin sulautettuihin järjestelmiin. Lisää tietoa kehittyneiden analogisten oheispiirien käytöstä monimutkaisten suunnittelujen ongelmanratkaisuissa on tarjolla Microchipin sivuilla.