Top-Mikrocontroller für eingebettete Systeme

Einführung

Mikrocontroller, oder kurz MCUs, finden sich heutzutage in den meisten elektronischen Embedded-Systemen. Von Waschmaschinen über digitale Audioprozessoren bis hin zu Flugsteuerungssystemen und vielem mehr. MCUs sind sehr flexible Prozessoren, die typischerweise in C/C++ programmiert werden können, zusammen mit nicht-flüchtigem (FLASH) und flüchtigem Speicher (RAM) sowie einer Reihe von Peripheriegeräten und I/O verpackt sind. Manchmal können diese MCUs auch drahtlosfähig sein (zum Beispiel Bluetooth oder WiFi).

Wenn man in der Elektronik anfängt und einen Mikrocontroller in ein individuelles Hardware-Design einbinden möchte, kann die riesige Auswahl anfangs überwältigend erscheinen. Es gibt viele verschiedene Anbieter (wie Texas Instruments, ST, Microchip und so weiter) und pro Anbieter gibt es eine noch größere Auswahl an Mikrocontrollern - ganz zu schweigen von den Variationen innerhalb einer spezifischen Mikrocontrollerfamilie. Zum Beispiel liefert eine schnelle, allgemeine Suche mit Octopart für die leistungsstarke STM32H7-Reihe von Mikrocontrollern fast 250 verschiedene Ergebnisse!

Der spezifische Mikrocontroller muss natürlich je nach dem zu entwerfenden System ausgewählt werden. Hier müssen viele Aspekte berücksichtigt werden, wie verfügbarer Speicher, erforderliche Peripheriegeräte (wie UART, SPI usw.), Kosten, Gehäusetyp, Verfügbarkeit, Softwareumgebung, Dokumentationsqualität und mehr.

In diesem Artikel werden wir einige sehr gängige Mikrocontroller untersuchen, die heute in der Industrie verwendet werden. Hoffentlich wird dies die Auswahl – zumindest teilweise – für Ihr nächstes Projekt einschränken und Sie mit beliebten MCUs bekannt machen, die in vielen modernen Embedded-Systemen zu finden sind.

STMicroelectronics STM32

Bei weitem einer der bekanntesten und beliebtesten Hersteller von Mikrocontrollern ist zum Zeitpunkt dieses Artikels STMicroelectronics (ST). Dies hat gute Gründe, denn ihre MCUs sind preiswert, in vielen verschiedenen Konfigurationen und Leistungsstufen verfügbar und können beispielsweise mit STs kostenlosem STM32CubeIDE-Entwicklungsumfeld debuggt und programmiert werden. Ihre STM32-Reihe von MCUs basiert auf ARM Cortex-Prozessorkernen.

Zusätzlich bietet ST viele vorgeschriebene Treiber sowie eine Hardware-Abstraktionsschicht (HAL) für ihre Teile an. Diese sind in STM32CubeIDE integriert. Obwohl es gelegentlich Mängel in der HAL geben kann, verringern diese Treiber die Markteinführungszeit erheblich und bieten einen ausgezeichneten Ausgangspunkt für die Firmware-Entwicklung.

Wenn es um die Auswahl von Teilen geht, bietet ST zahlreiche, unterschiedliche Mikrocontrollerfamilien an. Von einfachen STM32F0 MCUs, die für einfache 'Glue Logic' nützlich sein können, bis hin zu sehr leistungsfähigen STM32H7 MCUs, die Echtzeit-Digitalsignalverarbeitungsalgorithmen ausführen können, und allem dazwischen. Darüber hinaus bietet ST auch drahtlosfähige MCUs an, wie die STM32WL- und STM32WB-Reihen, für WiFi- und Bluetooth-Konnektivität bzw.

Abbildung 1 STMicroelectronics MCU-Familien (Quelle: STMicroelectronics)

Meine persönlichen Favoriten unter den MCUs von ST sind die Serien F4 und H7, die ich umfangreich in Anwendungen zur digitalen Signalverarbeitung für Audio eingesetzt habe. Schauen Sie sich unbedingt dieses vollständige Hardware-Design-Tutorial basierend auf STM32 mit Altium Designer an, um zu sehen, wie einfach es ist, einen Mikrocontroller in Ihre eigenen Projekte einzubinden!

Nordic Semiconductor nRF

Wenn Sie auf dem Markt für drahtlosfähige Mikrocontroller sind, wie solche, die Bluetooth oder WiFi ermöglichen, sollten Sie sich unbedingt die nRF-Serie von Mikrocontrollern von Nordic Semiconductor ansehen. Diese sind sehr leistungsfähige Geräte, besonders wenn Sie niedrige Leistungsanforderungen haben.

Persönlich bin ich ein Fan ihrer nRF54-Reihe von Bluetooth LE (Low Energy) Geräten und habe sie in verschiedenen Produkten mit extrem niedrigem Energieverbrauch verwendet. Beachten Sie jedoch, dass die Verpackung dieser Teile typischerweise sehr klein werden kann und Ihre PCB-Herstellungs- und Montagekosten erhöhen kann, obwohl sie auch 'zugänglichere' QFN-Pakettypen anbieten. Natürlich können diese kleinen Paketgrößen für beispielsweise Miniatur- und Wearable-Produkte sehr vorteilhaft sein.

Abbildung 2 nRF54 Bluetooth LE Mikrocontroller (Quelle: Nordic Semiconductor)

Espressif ESP32

Als Alternative zu nRF bietet Espressif ihre ESP32-Reihe von Mikrocontrollern (oder besser gesagt RFSoCs) an, die unglaublich erschwinglich sind und einiges zu bieten haben. Oft bieten sie Dual-Core-Mikrocontroller, WiFi- und Bluetooth-Fähigkeit und eine vernünftige Anzahl von Peripheriegeräten. Zusätzlich ist die Online-Community und Benutzerbasis von ESP32 sehr groß, sodass Sie sicher Hilfe für Ihr Projekt finden werden, sollten Sie sie benötigen.

Wenn Sie lernen möchten, wie Sie ESP32-Mikrocontroller in Ihre eigenen Hardware-Designs mit Altium Designer integrieren können, schauen Sie sich unbedingt dieses Tutorial-Video an!

Abbildung 3 ESP32-C3 Mikrocontroller (Quelle: Mouser)

Sowohl Hersteller als auch Drittanbieter bieten auch vorgezertifizierte System-on-Module an, die Antennen (oder Anschlüsse für externe Antennen) integrieren, was den Zertifizierungsprozess erheblich vereinfachen kann, falls Sie Ihr Design kommerziell verkaufen möchten.

Abbildung 4 ESP32 Vorgezertifiziertes Modul (Quelle: Mouser)

Raspberry Pi RP2040

Ein vergleichsweise neuer Mikrocontroller ist der RP2040 von Raspberry Pi, der vor allem für seine Raspberry Pi Einplatinencomputer bekannt ist. Dieser Mikrocontroller verfügt über einen Dual-Core ARM Cortex-M0+ Prozessor, zahlreiche Peripheriegeräte sowie über einen sehr interessanten Bereich, der als Programmable I/O bekannt ist. Große Verkaufsargumente sind der niedrige Preis des RP2040 (weniger als 1 USD in geringen Mengen), Flexibilität und Verfügbarkeit.

Abbildung 5 Raspberry Pi RP2040 (Quelle: Raspberry Pi)

Microchip, NXP und Texas Instruments

Ähnlich wie die STM32-Reihe von Mikrocontrollern bieten auch andere Hersteller wie Microchip, NXP und Texas Instruments ihre eigenen Serien von MCUs in verschiedenen Ausführungen an. Die Fähigkeiten dieser Bauteile über diese Hersteller hinweg sind typischerweise recht ähnlich, sodass Vertrautheit mit einem Unternehmen, die Vorliebe für deren Dokumentation oder einfach die Verfügbarkeit der Teile Verkaufsargumente sein können.

Von 8-Bit bis 32-Bit, zu DSP-fähigen und auch drahtlos-fähigen MCUs, Microchip ist bekannt für ihre PIC Mikrocontroller. NXP bietet Allzweck-, i.MX Echtzeit- und auf Automobile ausgerichtete Mikrocontroller an. Zuletzt hat auch Texas Instruments ein umfangreiches Portfolio an Mikrocontrollern - jedoch habe ich aus persönlicher Erfahrung diese nicht so häufig in kommerziellen Designs gesehen, verglichen mit den anderen Herstellern.

Einige der Flaggschiff-Komponenten dieser Hersteller umfassen:

• Microchip: Ihre Produkte umfassen PIC Mikrocontroller und die äußerst beliebte ATMega Produktlinie, die von Atmel übernommen wurde
• Texas Instruments: Die MSP430-Serie ist ihre beliebteste Mikrocontrollerlinie, es gibt auch die SimpleLink-Reihe, die WiFi integriert
• NXP Semiconductor: i.MX ist wohl ihre beliebteste Produktlinie, es gibt auch die LPC Produktlinie, die in vielen industriellen Systemen zu finden ist

Outro

Wir haben einige der führenden Mikrocontroller-Hersteller und ihre Geräte erkundet, aber bedenken Sie, dass dies keineswegs eine umfassende Liste ist und recht allgemein gehalten wurde. Es gibt viele andere Hersteller, die großartige Mikrocontroller anbieten, die hier nicht erwähnt wurden – sowie einige der älteren MCUs, wie die ATmega-Varianten, die heute noch von vielen Designern weltweit verwendet werden.

Vergewissern Sie sich, Octopart zu nutzen, um Ihnen bei der Auswahl des richtigen Mikrocontrollers für Ihr nächstes Design zu helfen. Wenn Sie sich für einen MCU entschieden haben, stellen Sie sicher, ein leistungsstarkes ECAD-Tool wie Altium Designer zu verwenden, um Ihr Design auf die nächste Stufe zu heben.