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Articolo Sponsorizzato
di Stephanie Pinteric, Product Marketing Manager for 8-bit MCU business unit di Microchip e Wayne Freeman, Marketing Campaign Manager for 8-bit MCU business unit di Microchip Technology
I microcontroller (MCU) svolgono un ruolo significativo nel trasformare le nostre vite, e con la quasi totalità dei prodotti dotati di componenti a semiconduttore. L’elettronica moderna ha bisogno di microcontroller per maggiori funzionalità in ogni applicazione e segmento di mercato: automotive, aerospaziale, elettronica di consumo, industriale e sanitario. Sebbene i microcontroller a 8 bit esistano da quasi cinquant’anni, le innovazioni e le applicazioni di nuovi prodotti, come veicoli elettrici, biciclette elettriche, automazione domestica e industriale, e dispositivi Internet of Things (IoT) sono cresciute in modo esponenziale, alimentando la domanda di questi piccoli ed economici microcontroller. Di conseguenza, gli MCU a 8 bit si sono evoluti per stare al passo con le funzionalità richieste dalle moderne applicazioni. Di seguito esamineremo tre applicazioni comuni in cui una nuova classe di MCU a 8 bit con funzionalità avanzate di filtraggio analogico supporta questi sistemi moderni consentendo maggiori prestazioni di sistema e una risposta rapida agli eventi del sistema.
Gestione, monitoraggio e ottimizzazione delle batterie
Molti sistemi embedded, inclusi i sistemi Internet of Things (IoT), vengono utilizzati in località remote con una batteria come fonte di alimentazione principale. Il monitoraggio della durata e della salute di quella batteria è una funzione importante per un funzionamento sicuro e affidabile in queste applicazioni.
In un tipico sistema di monitoraggio della batteria un MCU viene utilizzato per automatizzare la misurazione della durata residua della batteria e gestirne la salute perché questa possa offrire prestazioni ottimali nel tempo. Un MCU con un Analog-to-Digital Converter (ADC) integrato legge e converte i valori di corrente e tensione misurati della batteria in dati digitali che l’MCU può utilizzare per stimare lo stato di salute della batteria stessa. Le prestazioni della batteria possono essere segnalate a dispositivi esterni attraverso interfacce di comunicazione integrate come UART, SPI e I2C per la connettività nei progetti IoT. Se è necessario anche il monitoraggio della temperatura della batteria, l’Op Amp (Operational Amplifier) integrato del controller può essere utilizzato come bias per un sensore di temperatura.
Gli Op Amp On-chip sono disponibili su una vasta gamma di moderni MCU a 8 bit e possono ridurre i costi di sistema e lo spazio richiesto dai componenti esterni in una qualsiasi applicazione che richieda uno stadio di guadagno prima delle conversioni analog-to-digital, come nel caso di segnali analogici deboli.
Per ottimizzare le prestazioni della batteria ed estendere i tempi di funzionamento del sistema, l’MCU ideale offrirà diverse modalità di gestione dell’alimentazione per bilanciare la necessità di prestazioni ottimizzando al contempo il consumo energetico. La chiave per una lunga durata della batteria in un sistema embedded è la capacità di ridurre l’attività del sistema, quindi il consumo, quando non è necessaria. Livelli flessibili di configurazione consentono al sistema un consumo minimale di energia per le attività imminenti, spesso senza la supervisione della CPU (central processing unit). Funzionalità come IDLE, DOZE, o modalità SLEEP offrono un risparmio energetico per ridurre il consumo di energia attiva. Inoltre, sugli ultimi MCU AVR® e PIC®, e ADC, Op Amps e DAC Microchip possono anche essere attivati o disattivati nel software o impostati per attivare le periferiche core e digitali dell’MCU al raggiungimento di determinate soglie per ulteriore flessibilità e risparmio energetico nelle applicazioni alimentate a batteria. Con queste funzionalità a basso consumo disponibili sui moderni MCU, la durata della batteria viene massimizzata, riducendo al contempo il consumo di corrente, la dissipazione di potenza e i costi.
Figura 1: Microcontroller con periferiche analogiche on-chip aiutano il progettista a ridurre i costi e il time-to-market, e al contempo a migliorare la capacità di risposta del sistema
Gestione di Sistemi Embedded
Man mano che le applicazioni embedded acquisiscono maggiore complessità nel tempo, diventa necessario distribuire le attività di elaborazione in modo da garantire una risposta fulminea del sistema per massimizzare l’esperienza dell’utente o aderire a rigorosi standard di sicurezza. Per raggiungere questo obiettivo, i sistemi complessi spesso sfruttano i moderni MCU a 8-bit a causa delle periferiche analogiche integrate che svolgono compiti di “housekeeping”, come il controllo di power rail, il monitoraggio della qualità ambientale e rilevamento delle condizioni di pericolo o l’arbitraggio delle comunicazioni tra diversi chip su una scheda.
Queste funzioni sono fondamentali per molte applicazioni, tra cui infrastrutture di data center, sistemi di gestione degli edifici, endpoint delle smart grid e applicazioni safety critical, come lavatrici e asciugatrici domestiche. Un esempio è il tipico server che si trova in un data center. Mentre ogni scheda principale del server ospita una CPU del server principale e un’ampia varietà di processori applicativi per gestire varie attività, molti di questi server utilizzano moderni MCU a 8-bit come dispositivi di “gestione del sistema”.
Questi MCU in genere forniscono un nesso per vari sensori ambientali (temperatura, umidità, stato del voltage rail) e sono programmati per segnalarne lo stato su un bus di gestione del sistema mentre l’alimentazione sequenzia altri dispositivi sulla scheda madre, secondo le condizioni. In questi casi, gli MCU a 8 bit sono perfetti per queste attività grazie alle loro periferiche analogiche on-chip, nonché alla loro semplicità di funzionamento, flessibilità e robustezza. Alcuni microcontroller, come gli MCU PIC e AVR di Microchip, offrono Core Independent Peripherals (CIPs), che funzionano in tandem con periferiche analogiche on-chip per fornire il monitoraggio del sistema per eventi critici e garantire il corretto funzionamento. Le periferiche analogiche integrate, come un amplificatore operazionale o un ADC, forniscono l’amplificazione, il filtraggio e il condizionamento del segnale necessari per l’acquisizione del segnale analogico. Considerando che i CIP sono progettati per automatizzare le attività di sistema senza codice o supervisione dal core della CPU, riducendo la quantità di codice da scrivere, eseguire il debug e convalidare rende le applicazioni più reattive alle modifiche del sistema. I CIP comunicano tra loro, il che aiuta ulteriormente ad aumentare le prestazioni e la reattività del sistema e consente di gestire più attività contemporaneamente.
Gli MCU PIC e AVR portano il concetto un ulteriore passo avanti e impiegano sofisticate periferiche analogiche dotate di hardware dedicato per consentire il calcolo indipendente del core avanzato come averaging, oversampling, e il filtraggio passa-basso. Queste caratteristiche aiutano ad accelerare la risposta del sistema e offrono un forte rigetto del rumore per tutti quegli ambienti particolarmente esigenti.
Queste speciali periferiche analogiche possono essere interconnesse con molti altri segnali on-chip tra cui timer o altre sorgenti di clock, segnali periferici digitali, altri analogici per attivare automaticamente processi o generare condizioni di interrupt da notificare alla CPU.
Figura 2: La famiglia PIC18-Q71 di Microchip include una gamma di periferiche analogiche intelligenti on-chip, tra cui un convertitore Analog-to-Digital (ADC) differenziale
Interfaccia Utente
La tecnologia di rilevamento tattile viene utilizzata in una vasta gamma di prodotti elettronici, dagli smartphone, elettrodomestici e fino alle automobili. Nell’ambito automotive, nei volanti e cruscotti si sta abbandonando l’uso di pulsanti per andare verso interfacce utente eleganti e flessibili. Questi pulsanti touch devono essere immediatamente reattivi all’interazione dell’utente, impermeabili ai falsi trigger e adattarsi a molte condizioni ambientali, le più diverse, tra cui sbalzi di temperatura rapidi da freddo a caldo, superfici bagnate, e mani che indossano guanti.
Nei sistemi touch capacitivi di oggi, la potenza di elaborazione raw degli MCU a 32 bit non può sostituire l’interconnettività analogica appositamente costruita, purpose-built, che si trova sui moderni dispositivi a 8 bit. Le nuove MCU a 8 bit di Microchip, tra cui le famiglie di prodotti PIC18-Q71 e AVR EA, dispongono di ADC differenziali con funzionalità di filtraggio avanzate che fungono da “moduli di elaborazione analogica” per ridurre significativamente la quantità di intervento della CPU (e quindi di codice) necessario per implementare le applicazioni di rilevamento tattile.
Questi ADC on-chip specializzati hanno forti caratteristiche di rigetto del rumore e offrono sintonizzazione e calibrazione automatiche integrate per una maggiore immunità al rumore e tolleranza all’acqua. In combinazione con gli strumenti di sviluppo touch-focused di Microchip, facili da usare, questi MCU forniscono una soluzione completa per costruire interfacce touch impegnative esposte ad ambienti difficili.
Figura 3: I moderni sistemi tattili capacitivi richiedono un rapido adattamento ai cambiamenti di temperatura e livelli di umidità
Conclusioni
Con l’aumento dei requisiti dei microcontroller negli ultimi 50 anni, i confini tra ciò che deve essere analogico e ciò che deve essere digitale sono sfocati, fino a diventare un sistema embedded. Con l’evoluzione dei progetti embedded, il microcontroller a 8 bit si è evoluto, da semplici dispositivi di elaborazione a dispositivi System on Chip (SOC) completi, costruiti per gestire la maggior parte delle attività embedded odierne. Da housekeeping a gestione e monitoraggio del sistema, e fino ai compiti di “controller principale” in progetti complessi, gli MCU con periferiche analogiche integrate consentono ai progettisti di portare quelle funzioni che tipicamente erano eseguite off-chip fino sulla MCU principale per migliorare la risposta del sistema e ridurre i costi della distinta base (BOM). Le periferiche analogiche intelligenti disponibili su MCU PIC e AVR a 8-bit si integrano perfettamente con le periferiche digitali per offrire funzionalità e flessibilità ancora maggiori per i sofisticati sistemi embedded di domani. Per saperne di più su come le periferiche analogiche avanzate possono essere utilizzate per risolvere problemi di progettazione cruciali, vai su microchip.com/8bit.
