Технология ИС и микроконтроллеры: краеугольный камень современных встроенных систем

Каждое электронное устройство, которое мы используем ежедневно, построено вокруг сложных электрических и электронных схем. Эти схемы прошли через несколько поколений технологий — от электронных ламп к транзисторам, интегральным схемам (ИС), микропроцессорам и микроконтроллерам. В этой статье мы сравниваем наиболее эффективные технологии ИС для встроенных систем, фокусируясь на микроконтроллерных ИС. Прежде чем углубляться, проясним, что такое технология ИС и технология микроконтроллерных ИС на самом деле означают.

Технология интегральных схем (ИС)

Ранние встроенные устройства полагались на громоздкие электронные лампы, которые были дорогими и энергозатратными. В 1947 году Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели первый точечный контактный транзистор в Bell Labs, открыв новую эру компактной, эффективной и надежной электроники. Дискретные транзисторные схемы — часто называемые «дискретными схемами» — заменили старые ламповые конструкции.

Настоящий прорыв пришёлся на интегральные схемы, представленные в 1958 году. ИС конденсируют тысячи — или даже миллиарды — транзисторов и других компонентов на одном кремниевом пластите, драматически уменьшая размер, стоимость и энергопотребление, повышая надежность. Эта технология подкрепляет современные мобильные телефоны, ноутбуки и бесчисленные другие гаджеты.

Поколения технологии ИС

ИС классифицируются по количеству содержащихся транзисторов:

• Малая степень интеграции (SSI) — несколько десятков транзисторов.
• Средняя степень интеграции (MSI) — сотни транзисторов.
• Большая степень интеграции (LSI) — десятки тысяч.
• Очень большая степень интеграции (VLSI) — сотни тысяч.
• Ультрабольшая степень интеграции (ULSI) — более миллиона транзисторов.
• Интеграция масштаба пластины (WSI), System-on-Chip (SoC) и 3D ИС — следующие фронтиеры.

Распространенные семейства ИС включают таймер 555, операционные усилители 741, CMOS, NMOS и BICMOS устройства.

ИС, используемые во встроенных системах, охватывают АЦП, ЦАП, усилители, чипы управления питанием, тактовые и таймерные ИС, контроллеры интерфейсов.

Применения технологии ИС

Классический пример чистого ИС-дизайна — солнечный зарядный контроллер без микроконтроллеров. Операционные усилители выступают компараторами для мониторинга напряжения панели и тока нагрузки. Светодиоды дают визуальный статус — зеленый для полностью заряженной батареи и красный для недозаряда, перегрузки или глубокого разряда. MOSFET отключает питание нагрузки при красных светодиодах, а транзистор перенаправляет избыточную солнечную энергию на фиктивную нагрузку при зеленых.

Добавление GSM-модулей или микроконтроллеров может расширить этот дизайн до системы удаленного мониторинга, но базовая ИС-логика уже обеспечивает надежную защиту батареи.

Микроконтроллерные ИС

Микроконтроллеры поднимают ИС на новый уровень, встраивая периферию: таймеры, сторожевые таймеры, АЦП, интерфейсы связи. Микропроцессор объединяет ЦПУ на одной или нескольких ИС, тогда как микроконтроллер интегрирует ЦПУ с наборной памятью, тактовой схемой и периферией ввода-вывода — всё в одном корпусе. Популярные семейства включают AVR, PIC и повсеместный 8051.

С микроконтроллером несколько строк кода могут выполнять сложные задачи, иначе требовавшие десятки дискретных компонентов. Эта консолидация уменьшает площадь платы, снижает энергопотребление и издержки производства.

Применения микроконтроллеров в солнечном зарядном контроле

Современные солнечные зарядные контроллеры часто используют микроконтроллеры для максимизации эффективности. Типичная архитектура включает солнечную панель, перезаряжаемую батарею, нагрузку и контроллер, оркестрирующий циклы заряда и разряда.

Блок-схема ниже показывает микроконтроллер AT89C2051, парный с ADC0831, стабилизатором 7805, MOSFET-ключом, LCD, датчиком сумерок и батареей. Микроконтроллер считывает напряжение батареи через АЦП, масштабирует диапазон 0–20 В к 0–5 В резистивным делителем и выводит показания на LCD. Он регулирует зарядные токи, приостанавливает заряд при достижении батареей 14 В и управляет активацией нагрузки на основе условий освещенности.

Если батарея полностью заряжена, микроконтроллер запускает MOSFET-реле для отключения заряда, стартует пятиминутный таймер и обновляет LCD. После истечения таймера он переподключает панель. Когда солнечное напряжение падает ниже порога зенера датчика сумерок, микроконтроллер включает нагрузку через MOSFET, отображая «Load ON». Дальнейшее падение ниже 10 В выключает нагрузку.

Выбор правильной технологии для встроенных систем

И технология ИС, и микроконтроллерная ИС имеют свое место. ИС идеальны, когда приложение требует фиксированную, недорогую схему без программируемости. Микроконтроллеры сияют в сценариях, требующих гибкости, масштабируемости или сложной логики управления. Пример солнечного контроллера иллюстрирует, как микроконтроллеры могут заменить банк дискретных ИС и компараторов одним программируемым устройством.

В большинстве современных встроенных систем микроконтроллеры предлагают превосходные преимущества — меньший форм-фактор, ниже стоимость, легкие обновления прошивки и богатая периферийная интеграция. Однако определенные нишевые приложения всё еще предпочитают чистые ИС-дизайны за их детерминированное поведение и минимальную латентность.

Edgefx Technologies может помочь в выборе наиболее подходящей технологии для вашего академического или коммерческого проекта, учитывая производительность, стоимость и время разработки.