Микроконтроллеры PIC: архитектура, особенности и применение

Рассмотрим микроконтроллер во встроенной системе как центральный процессор, который управляет несколькими электронными приложениями. Рынок микроконтроллеров предлагает разные предложения. Однако микроконтроллеры PIC известны своей простотой и удобством использования, проверенной надежностью и масштабируемостью. Они облегчили жизнь во многих продуктах, таких как бытовая техника, автомобили, промышленное оборудование и образовательные инструменты.

Различные инструменты разработки, доступные вместе с микрочипами, а также документация, сообщество и постоянная помощь помогают укрепить связь с микроконтроллерами PIC. Эти материалы позволяют адаптировать ресурсы для каждого уровня программиста, будь то новичок в мире программирования или работающий над инженерными продуктами продвинутого уровня.

В этой статье будут рассмотрены архитектуры микроконтроллеров, их особенности и варианты использования микроконтроллеров в реальном мире. Особое внимание будет уделено взаимосвязям различных семейств микроконтроллеров PIC, процессам программирования микроконтроллеров PIC и их применению в различных отраслях.

Что такое микроконтроллер PIC?

Микроконтроллер PIC — это тип микроконтроллера, разработанный компанией Microchip Technology, который ранее носил название контроллер периферийного интерфейса, или сокращенно PIC. Они имеют было используют d во встраиваемых системах из-за их низкой стоимости, низкого энергопотребления, высокой универсальности и широкого спектра доступных опций.

Микроконтроллеры PIC обычно присутствуют в потребительской электронике, промышленной автоматизации, автомобильных системах и небольших проектах DIY. Из всех этих областей недорогие и надежные микроконтроллеры PIC являются предпочтительными из-за преимуществ, предоставляемых обширной экосистемой поддержки, многоуровневой производительностью и вариантами памяти, а также простотой программирования, предоставляемой архитектурой RISC (компьютер с сокращенным набором команд).

Архитектура микроконтроллера PIC

Процессор Core

Архитектура на основе RISC занимает видное место в ядре ЦП любого микроконтроллера PIC. Прелесть этих конструкций в наличии небольшого набора инструкций, что приводит к более быстрому выполнению и снижению энергопотребления, а также снижению многих других накладных расходов. Циклы инструкций обычно выполняются от одного до четырех тактов, в зависимости от семейства устройств.

Их производительность варьируется в зависимости от семейства микроконтроллера. Базовые модели, как правило, предлагают более простые возможности, такие как задачи управления, в то время как продвинутые модели 32-битных микроконтроллеров PIC, такие как микроконтроллер PIC32, оснащены высокоскоростными возможностями обработки для сложных операций, обычно поддерживаемых RTOS (операционными системами реального времени).

Эффективность производительности архитектуры RISC гарантирует надежное выполнение и согласованность, обеспечивая надежную производительность, что делает микроконтроллеры PIC идеальными для чувствительных ко времени встроенных приложений. Кроме того, усовершенствованные ядра с конвейерной архитектурой также улучшают обработку инструкций, что расширяет возможности многозадачности в системах реального времени.

Типы памяти

В микроконтроллер PIC встроены три типа ресурсов памяти:

• Флэш-память энергонезависима и сохраняет выполняемую программу, даже если устройство выключено.

• SRAM (статическое ОЗУ) — это энергозависимая форма оперативной памяти, которая используется для временного хранения данных во время обработки.

• EEPROM — это тип энергонезависимой памяти, используемый для сохранения данных, которые должны сохраняться после перезагрузки, например, файлы конфигурации или журналы.

Различные модели микроконтроллера поддерживают разные объемы памяти, что обеспечивает разработчикам гибкость в выборе устройств, соответствующих параметрам их приложения.

Например, 8-битные микроконтроллеры PIC нижнего уровня оснащены несколькими сотнями байт SRAM и несколькими килобайтами Flash и идеально подходят для простых операций, таких как считывание данных датчиков или мигание светодиодов. Между тем, 32-битные микроконтроллеры PIC более высокого уровня оснащены несколькими мегабайтами Flash и несколькими килобайтами SRAM, что делает их подходящими для таких задач, как обработка мультимедиа или выполнение приложений в реальном времени.

Периферийные устройства и модули

Компоненты микроконтроллеров PIC имеют гибриды интегрированных периферийных устройств, таких как:

• Календарь и таймеры для измерения времени и подсчета действий.

• Интерфейсы аналоговых датчиков управляются АЦП или аналого-цифровыми преобразователями.

• ШИМ или широтно-импульсная модуляция управления двигателями и другие генераторы сигналов.

• Цифровые или универсальные устройства ввода-вывода и порты.

Все эти модули не нуждаются во внешних компонентах. Усовершенствованные модели имеют гибкое распределение выводов, поэтому компоновка платы и сложность могут быть значительно улучшены, поскольку проектировщики могут назначать функции ввода-вывода наиболее подходящим выводам.

Интерфейсы связи

Для улучшения взаимодействия между устройствами микроконтроллеры PIC поддерживают несколько протоколов связи:

• Связь с последовательным устройством осуществляется через UART или универсальный асинхронный приемник/передатчик.

• SPI или последовательный периферийный интерфейс позволяет передавать данные быть переводred на высоких скоростях и in полный дуплекс Режим.

• При использовании I2C или межинтегральной схемы в соединении нескольких устройств требуется меньше контактов.

• CAN или сеть контроллеров можно использовать в промышленных и автомобильных приложениях.

• USB обеспечивает простой способ прямого подключения и управления ПК.

Эти дополнения легко подключаются к более крупным системам и помогают подключать множество устройств. В качестве иллюстрации, умный термостат может использовать UART для связи с дисплеем и I2C для получения данных от датчиков. Он может даже использовать Wi-Fi для интерфейса через SPI с облаком, продвигая все это с помощью микроконтроллера PIC.

Система часов и генератора

Независимо от того, внутренняя или внешняя, система синхронизации микроконтроллеров PIC использует ряд осцилляторов. Результатом являются более низкие затраты и повышенное удобствоs использования внутренних часов, в то время как большая точность и Стабильность и повышенная частота являются побочным продуктом использования внешних генераторов.

Оба аспекта повышают скорость работы и увеличивают потребление энергии. Динамические изменения частоты и повышенные энергосберегающие состояния позволяют использовать энергию более умело. Многие микроконтроллеры PIC оснащены этими функциями.

В портативных устройствах, таких как карманные счетчики или носимые устройства, динамическое переключение между быстрыми и медленными часами обеспечивает более длительный срок службы батареи и оптимизирует энергопотребление.

Обзор семейств микроконтроллеров PIC

Для использования в микроконтроллерах PIC были сформированы специализированные семейства микроконтроллеров, ориентированные на конкретные приложения:

Базовый и средний уровень (8 бит)

Эти семейства идеально подходят для простых приложений. Они предлагают базовые цифровые входы/выходы, таймеры и небольшие объемы памяти, что делает их идеальными для бюджетных проектов, таких как автоматизация и управление светодиодами. Модели 8-контактных микроконтроллеров в этом семействе особенно подходят для сред с ограниченным пространством.

Улучшенные 8/16-битные PIC

Микроконтроллеры PIC 16F877 и PIC 18F — это некоторые из усовершенствованных 8- и 16-битных контроллеров с большим количеством интегрированной памяти и выходных опций. Они широко используются для систем умного дома и базовых вычислительных устройств, которым требуется обработка и сетевое взаимодействие среднего уровня из-за их умеренных требований к обработке.

Серия PIC32 (32-бит)

Микроконтроллеры PIC32 идеально подходят для более сложных задач. Они интегрируются в устройства на базе Ethernet, периферийные устройства USB и обработку звука благодаря поддержке высокоскоростных интерфейсов и внешней памяти, совместимости с операционной системой реального времени и другим системным требованиям.

Семейства PIC32MX и PIC32MZ оснащены несколькими каналами DMA, многослойными шинами и большими вариантами ОЗУ, что делает их подходящими кандидатами для более сложных графических пользовательских интерфейсов, Linux или встраиваемых альтернатив.

Как разрабатывать с использованием микроконтроллеров PIC?

Разработка микроконтроллера PIC подразумевает наличие в вашем распоряжении различных процедур и инструментов:

• Выбор подходящего PIC: оцените память устройства, скорость, периферийные устройства и энергопотребление.

• Инструменты разработки: кодирование, моделирование и отладка должны выполняться в среде MPLAB X IDE в сочетании с XC, которая переводит ваш код на машинный язык.

• Программирование аппаратных устройств PIC: вы можете программировать и отлаживать свое оборудование в реальном времени с помощью PICkit или ICD (внутрисхемного отладчика).

• Основы рабочего процесса:

1. Напишите свой код в MPLAB X IDE

2. Скомпилируйте код через компилятор XC

3. Комплект PIC/ICD позволяет программировать плату микроконтроллера PIC

4. Отладка в реальном времени с помощью окон наблюдения и точек останова

Советы для как запрограммировать ПИК Микроконтроллер

Начинающие разработчики

Обязательно правильно настройте биты конфигурации, определив источник генератора, сторожевой таймер и параметры запуска — все это влияет на программирование микроконтроллера PIC.

• Введите соответствующие заголовочные файлы для вашего устройства, так как они содержат информацию о регистрах и макросах.

• Используйте инструменты моделирования, находящиеся в MPLAB X, и используйте их для тестирования своего кода перед его запуском на оборудовании.

Microchip предлагает широкий спектр библиотек примеров кода и документации в MPLAB Code Configurator (MCC), который является плагином для IDE, позволяющим автоматическую генерацию кода инициализации. Эта автоматизация облегчает работу разработчиков, когда им нужно настроить периферийные устройства, что впоследствии повышает общую скорость разработки.

Применение микроконтроллеров PIC

Планируемые усовершенствованные промышленные контроллеры (микроконтроллеры PIC) нашли применение в различных областях, в том числе:

· Бытовая электроника - Используется в пультах дистанционного управления, устройствах «умного дома» и других бытовых гаджетах.

· Промышленное системы - Их надежность и гибкость делают их популярными в устройствах мониторинга, системах управления и автоматизации технологических процессов.

· Автомобильные Приложения - Реализовано для управления двигателем, блоками панели приборов и связи с различными типами датчиков.

· Регистрация данных и измерения - Идеально подходит для взаимодействия с датчиками окружающей среды, а также для сбора данных и их хранения в EEPROM.

· Для образовательных и любительских проектов - Низкая цена и хорошая документация делают их популярными среди учащихся и энтузиастов.

Помимо приложений, упомянутых выше, микроконтроллеры PIC теперь используются в медицинском оборудовании, автоматическом орошении для сельского хозяйства и беспроводных сенсорных сетях. Возможность настройки, надежная защита от суровых условий и высокая устойчивость к помехам — вот некоторые из многих причин, по которым они используются в суровых условиях.

Вывод

В встраиваемых системах микроконтроллеры PIC являются основополагающей технологией. Их конструкция, спектр применения и постоянно развивающиеся периферийные устройства предполагают их универсальность использования, охватывающую от мигания светодиодов до сложности шлюзовых путей IoT.us, Микроконтроллеры PIC также расширяют перспективы проектов в области электроники и карьерные возможности, привлекая людей из всех областей инженерии — от новичков до экспертов.

На фоне стремительных темпов развития в мире технологий встраиваемых систем функциональность и универсальность, предлагаемые микроконтроллерами PIC, оказываются и обещают стать еще более важными. Чтобы адаптироваться к будущим технологиям, ориентированным на интеллектуальные устройства, сейчас как никогда необходимо разрабатывать решения, основанные на современных потребностях.