Microcontrollori della famiglia AVR® DB e AVR® DD

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Progettati per funzionare in circuiti con diversi livelli di tensione.

Fino a poco tempo fa, un problema molto tipico che i progettisti di circuiti elettronici dovevano affrontare erano i diversi standard di tensione che alimentavano il microcontrollore (ad esempio 3,3 V) e i sistemi periferici (ad esempio 5 V). Affinché potessero lavorare insieme, è stato necessario utilizzare ulteriori sistemi di traduzione della tensione, che hanno complicato il dispositivo e hanno costretto l’aumento dei prezzi. Ma questo ormai appartiene al passato.

La società Microchip, conosciuta per un ampio portafoglio di microcontrollori PIC® e AVR® a 8 bit espande costantemente il proprio portafoglio. I chip di nuova concezione combinano le migliori caratteristiche di entrambi i gruppi di prodotti, offrendo ai progettisti di dispositivi elettronici un’ampia gamma di possibilità e facilitando la costruzione di circuiti ancora più integrati. Questo è il caso dei microcontrollori AVR®DD/DB a 8 bit a risparmio energetico. Dispongono di un set unico di periferiche che funzionano indipendentemente dal core (CIP, Core Independent Peripherals), principalmente per l’elaborazione efficiente dei segnali analogici. Garantiscono inoltre il funzionamento sicuro delle applicazioni secondo gli standard IEC61508 e ISO26262. Grazie ad essi, i microcontrollori AVR®DD/DB soddisfano perfettamente le esigenze delle applicazioni meno complesse. Possono anche essere utilizzati come circuiti di accompagnamento (supporto) in progetti più complessi.

In questo articolo trattiamo i seguenti argomenti:

• Costruzione di microcontrollori AVR® DB e DD
• Vantaggi e applicazioni del traslatore di tensione MVIO integrato
• Prototipazione e apprendimento con i kit Curiosity Nano
• Supervisore del segnale di clock
• Sistema EVSYS e comunicazione diretta tra periferiche
• Vantaggi e funzionalità del circuito Custom Logic integrato
• Amplificatori operazionali nei microcontrollori AVR®DB
• Funzionamento del convertitore ADC indipendente dal core

Informazioni generali su AVR® DB e AVR® DD

I microcontrollori presentati sono progettati per accelerare e facilitare la fase di progettazione, consentendo una rapida implementazione della produzione del dispositivo target. Microchip ha raggiunto questo obiettivo integrando il core dell’AVR con una serie di periferiche in un’unica struttura, consentendogli di eseguire molte attività che in precedenza dovevano essere gestite da sistemi esterni. In più, gli articoli DB e DD sono disponibili in tantissimi formati, dalle classiche custodie DIP, alle custodie VQFN con una superficie di base di soli 5×5 mm. Ciò soddisfa le esigenze dei moderni circuiti elettronici come dispositivi IoT remoti o controller programmabili, relè e sensori industriali.

Innanzitutto va notato che i circuiti presentati presentano tutte le caratteristiche e le funzioni tipiche conosciute dai prodotti Microchip. Sono sincronizzati con una frequenza di clock di 24 MHz, hanno fino a 128 kB di memoria Flash (software), 16 kB di SRAM (operativa) e 512 B di memoria EEPROM non volatile tradizionalmente utilizzata per archiviare dati su impostazioni, numeri di serie, ecc. Le custodie del microcontrollore hanno fino a 64 pin con funzionalità diverse. Oltre al tradizionale ruolo di porte di ingresso/uscita (cioè GPIO), sono state collegate a convertitori analogici e digitali e interfacce seriali SPI, I²C, UART. I microcontrollori integrano anche un orologio in tempo reale (RTC), contatori/timer (utilizzati, tra gli altri, per generare segnali PWM), un comparatore analogico, sorgenti di tensione di riferimento (con diversi valori). Inoltre, il sistema include anche un convertitore digitale-analogico (DAC) e un watchdog avanzato. Altri componenti avanzati indipendenti dal core (CIP) verranno presentati in maggior dettaglio più avanti nel testo.

  
AVR128DB32-I-RXB
Microcontrollori AVR® DB

AVR32DD20-ISO
Microcontrollori AVR® DD

EV72Y42A
Kit di sviluppo

Funzionalità MVIO

MVIO (Multi-Voltage Input/Output) è un traslatore di tensione a livello logico integrato e configurabile (level shifter). Grazie ad esso, alcuni pin del microcontrollore possono essere alimentati da una sorgente con una tensione diversa da quella da cui viene alimentato il core dell’unità. Questa soluzione migliora ed estende notevolmente le capacità del microcontrollore: gli consente di comunicare in modo sicuro con sistemi che utilizzano altri livelli logici (ad esempio 5 V con alimentazione a 3,3 V). Ciò significa che i progettisti possono selezionare liberamente gli elementi del circuito target senza timore che le loro differenze nelle caratteristiche elettriche causino la necessità di posizionare ulteriori circuiti intermedi sul PCB.

Il sistema MVIO è progettato per funzionare con segnali logici (digitali). Naturalmente, la sua funzionalità include sia segnali binari che bus di comunicazione hardware (ad esempio SPI, I²C) o generatori PWM integrati nel circuito. Il controllo diretto degli elementi esterni ha il vantaggio di essere completamente supervisionato dal microcontrollore. Se la tensione di alimentazione dell’MVIO (VDDIO2) scende al di sotto di un valore preimpostato, è possibile generare un’interruzione, consentendo un monitoraggio dettagliato dello stato del dispositivo. MVIO accetta le tensioni da 1,6 V a 5,5 V CC. In caso di interruzione completa dell’alimentazione sulla linea VDDIO2, i pin MVIO funzionano come ingressi/uscite a tre stati.

La periferica MVIO può essere facilmente configurata nell’ambiente di sviluppo MPLAB X e ATMEL STUDIO 7.

Kit di sviluppo

La familiarità con la funzionalità dei sistemi AVR® DB e AVR® DD è facilitata dalla disponibilità di kit di sviluppo preparati dal produttore. Sono stati realizzati nel formato di piccoli PCB con cavi per il montaggio di connettori a pin o l’installazione in tecnologia di superficie (SMT). Dal catalogo TME è possibile acquistare due schede: EV72Y42 con microcontrollore AVR64DD32 e EV35L43A con microcontrollore AVR128DB48.

Entrambe appartengono alla famiglia Curiosity Nano sviluppata da Microchip, una piattaforma che serve all’implementazione efficiente e graduale dell’elettronica in questioni relative alla programmazione e all’applicazione dei microcontrollori AVR in prodotti e singoli progetti di costruzione. Utilizzano prese Micro USB per la comunicazione con un PC e come fonte di alimentazione principale. Sono dotati di LED di segnalazione (indicanti l’alimentazione e controllati dal software), oscillatori al quarzo che sincronizzano il nucleo e un orologio in tempo reale (RTC) situato nel microcontrollore, un microinterruttore (collegato al pin I/O). La cosa più importante è che il circuito include un debugger integrato che consente un’analisi dettagliata del funzionamento del microcontrollore. A causa della funzionalità MVIO, sulle schede sono presenti anche i pin separati per l’alimentazione di un’alimentazione alternativa.

Il piccolo PCB è un kit di sviluppo completo per la serie AVR® DD.

Altre possibilità dei sistemi DB e DD

Oltre al sistema MVIO, nei microcontrollori presentati sono state utilizzate numerose altre soluzioni. Si tratta di periferiche CIP, ovvero che funzionano indipendentemente dal core. Di seguito sono riportati i più importanti, anche se va sottolineato che la piena funzionalità della serie AVR® DB/DD è un argomento molto ampio e i singoli sistemi possono differire in termini di design.

CFD (Clock Failure Detect)

CFD (Clock Failure Detect) – estremamente importante dal punto di vista della sicurezza del funzionamento dell’applicazione. È un circuito che supervisiona la presenza di un segnale di clock proveniente da un oscillatore esterno (generatore di quarzo). Quando il segnale scompare, il microcontrollore passerà automaticamente a utilizzare il segnale di clock generato internamente. Allo stesso tempo, verrà attivato un interrupt che può essere utilizzato dal progettista nell’applicazione, ad esempio per interrompere il programma o passare alla modalità di emergenza, garantendo il funzionamento sicuro e ininterrotto del circuito.

EVSYS (Event System)

EVSYS (Event System) – un sistema che consente ai dispositivi periferici integrati di inviare direttamente segnali tra loro, indipendentemente dal core. Tramite EVSYS, l’output di un componente può essere distribuito a molti altri componenti periferici. Ciò migliora i tempi di risposta e riduce il consumo energetico, consentendo al tempo stesso di eseguire attività più complesse poiché il core della CPU non è gravato dalla gestione costante di operazioni semplici e cicliche (ad esempio, condizionali, effettuate per monitorare i porti I/O).

CCL (Custom Logic)

CCL (Custom Logic) è disponibile solo nella famiglia AVR® DD. Si tratta di un insieme di porte logiche e flip-flop integrati e programmabili. Grazie alla possibilità di configurare le connessioni, i loro ingressi e uscite possono essere collegati ai cavi fisici (pin) del microcontrollore. In alternativa, il design consente la connessione diretta del CCL con le periferiche integrate nel sistema, nonché la lettura degli stati di uscita del CCL da parte del programma del microcontrollore (sebbene l’operazione stessa rimanga indipendente dal core). In molti casi, ciò eliminerà la logica esterna e quindi minimizzerà il costo di sviluppo del dispositivo e dello spazio sul PCB.

Amplificatore operazionale integrato

L’amplificatore operazionale integrato (3 pz.) si trova nel gruppo AVR®DB. La presenza di questi circuiti misti consente al microcontrollore di svolgere le funzioni di analizzatore e convertitore di segnali analogici, riducendo il numero di componenti esterni necessari a tale scopo. Quest’ultimo può essere limitato a multiplexer o scale di resistori (se necessario).

Convertitore analogico e digitale (ADC) integrato (ADC)

Normalmente i circuiti di entrambe le famiglie presentate dispongono di un convertitore analogico/digitale (ADC) integrato con una risoluzione di 12 bit e una frequenza di campionamento massima di 130 ksps (migliaia di campioni al secondo). Per il suo funzionamento viene utilizzata una sorgente di tensione di riferimento situata nel microcontrollore, caratterizzata da deriva termica minima (bassi coefficienti di temperatura) e che fornisce valori di 1.024 V, 2.048 V, 2.500 V e 4.096 V. In combinazione con le periferiche sopra menzionate, come EVSYS, e il comparatore interno, il convertitore ADC consente un’elaborazione rapida, efficiente e precisa dei segnali analogici.

Testo redatto dalla Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.