Migliori microcontrollori per sistemi embedded

Introduzione

I microcontrollori, o MCU per brevità, si trovano nella maggior parte dei sistemi elettronici embedded oggigiorno. Dalle lavatrici, ai processori audio digitali, ai sistemi di controllo del volo, e molto altro ancora. Gli MCU sono processori molto flessibili che possono essere tipicamente programmati in C/C++, sono confezionati insieme a memoria non volatile (FLASH) e volatile (RAM), e un array di periferiche e I/O. A volte questi MCU possono anche essere dotati di capacità wireless (ad esempio, Bluetooth o WiFi).

Quando si inizia nel campo dell'elettronica e si ha la necessità di aggiungere un microcontrollore a un design hardware personalizzato, l'enorme quantità di scelte può inizialmente sembrare schiacciante. Ci sono molti diversi produttori (come Texas Instruments, ST, Microchip, e così via) e per produttore c'è una selezione ancora maggiore di microcontrollori - per non parlare della variazione all'interno di una specifica famiglia di microcontrollori. Ad esempio, una rapida ricerca generica usando Octopart per la potente linea di microcontrollori STM32H7 produce quasi 250 risultati diversi!

Il microcontrollore specifico ovviamente deve essere scelto a seconda del sistema che si sta progettando. Qui, molti aspetti devono essere presi in considerazione, come la memoria disponibile, le periferiche richieste (come UART, SPI, ecc.), il costo, il tipo di pacchetto, la disponibilità, l'ambiente software, la qualità della documentazione, e altro ancora.

In questo articolo, esploreremo alcuni microcontrollori molto comuni utilizzati nell'industria oggi. Speriamo che ciò possa ridurre la selezione – almeno in parte – per il vostro prossimo progetto, e vi esponga a MCU popolari che si possono trovare in molti sistemi embedded moderni.

STMicroelectronics STM32

Uno dei produttori di microcontrollori più popolari e conosciuti, al momento della scrittura di questo articolo, è STMicroelectronics (ST). Questo per buone ragioni, poiché i loro MCU hanno prezzi competitivi, sono disponibili in molte configurazioni e gradi di prestazione diversi, e possono essere debuggati e programmati usando, ad esempio, l'ambiente di sviluppo gratuito STM32CubeIDE di ST. La loro linea di MCU STM32 si basa sui core dei processori ARM Cortex.

In aggiunta, ST fornisce molti driver pre-scritti, così come un livello di astrazione hardware (HAL) per i loro componenti. Questi sono integrati in STM32CubeIDE. Sebbene possa esserci qualche difetto nell'HAL, questi driver riducono sostanzialmente il tempo di immissione sul mercato e forniscono un eccellente punto di partenza per lo sviluppo del firmware.

Quando si tratta di selezione dei componenti, ST offre numerose famiglie di microcontrollori differenti. Dalle semplici MCU STM32F0 che possono essere utili per semplice ‘logica di collegamento’, alle molto potenti MCU STM32H7 che possono eseguire algoritmi di elaborazione del segnale digitale in tempo reale, e tutto ciò che si trova in mezzo. Inoltre, ST offre anche MCU con capacità wireless, come le linee STM32WL e STM32WB, rispettivamente per la connettività WiFi e Bluetooth.

Figura 1 Famiglie di MCU STMicroelectronics (Fonte: STMicroelectronics)

Le mie MCU preferite di ST sono le serie F4 e H7, che ho utilizzato ampiamente in applicazioni di elaborazione del segnale digitale per l'audio. Assicurati di guardare questo tutorial completo sulla progettazione hardware basata su STM32 utilizzando Altium Designer, per vedere quanto è facile aggiungere un microcontrollore ai tuoi progetti!

Nordic Semiconductor nRF

Se sei sul mercato per microcontrollori con capacità wireless, come quelli che permettono la connettività Bluetooth o WiFi, assicurati di dare un'occhiata alla linea di microcontrollori nRF di Nordic Semiconductor. Questi dispositivi sono molto capaci, specialmente se hai requisiti di basso consumo.

Personalmente, sono un fan della loro linea nRF54 di dispositivi Bluetooth LE (low energy) e li ho utilizzati in vari prodotti ultra-low-power. Tieni presente però che tipicamente il packaging di questi componenti può diventare molto piccolo e potrebbe aumentare i costi di fabbricazione e assemblaggio del tuo PCB, anche se offrono tipi di pacchetti QFN 'più accessibili'. Ovviamente, queste dimensioni ridotte del pacchetto possono essere molto vantaggiose, per esempio, per prodotti miniaturizzati e indossabili.

Figura 2 Microcontrollore nRF54 Bluetooth LE (Fonte: Nordic Semiconductor)

Espressif ESP32

Come alternativa agli nRF, Espressif offre la loro linea di microcontrollori ESP32 (o RFSoC, piuttosto) che sono incredibilmente convenienti e molto potenti. Spesso offrono microcontrollori dual-core, capacità WiFi e Bluetooth, e un numero ragionevole di periferiche. Inoltre, la comunità online e la base di utenti di ESP32 è molto ampia, quindi sarai sicuro di trovare aiuto per il tuo progetto se ne avrai bisogno.

Se desideri imparare come incorporare microcontrollori ESP32 nei tuoi progetti hardware utilizzando Altium Designer, assicurati di guardare questo video tutorial!

Figura 3 Microcontrollore ESP32-C3 (Fonte: Mouser)

Entrambi i produttori e i produttori terzi offrono anche moduli sistema-su-modulo pre-certificati che integrano antenne (o connettori per antenne esterne), il che può semplificare notevolmente il processo di certificazione, nel caso in cui tu voglia vendere il tuo design commercialmente.

Figura 4 Modulo Pre-Certificato ESP32 (Fonte: Mouser)

Raspberry Pi RP2040

Un microcontrollore relativamente nuovo è l'RP2040 di Raspberry Pi, noto soprattutto per i loro computer a scheda singola Raspberry Pi. Questo microcontrollore è dotato di un processore dual-core ARM Cortex-M0+, numerosi periferici, così come di una sezione molto interessante conosciuta come Programmable I/O. I grandi punti di forza dell'RP2040 sono il suo basso costo (meno di 1 USD in piccole quantità), la flessibilità e la disponibilità.

Figura 5 Raspberry Pi RP2040 (Fonte: Raspberry Pi)

Microchip, NXP e Texas Instruments

Similmente alla linea di microcontrollori STM32, altri produttori, come Microchip, NXP e Texas Instruments offrono le loro serie di MCU in una varietà di versioni. Le capacità di questi componenti tra i vari produttori sono tipicamente molto simili, quindi la familiarità con un'azienda, la preferenza per la loro documentazione o semplicemente la disponibilità dei componenti possono essere fattori decisivi.

Dai microcontrollori a 8 bit a quelli a 32 bit, capaci di DSP e anche con capacità wireless, Microchip è ben noto per i loro microcontrollori PIC. NXP offre microcontrollori per scopi generali, i.MX per applicazioni real-time e microcontrollori mirati all'automotive. Infine, anche Texas Instruments ha un ampio portafolio di microcontrollori - tuttavia, basandomi sulla mia esperienza personale, non li ho visti troppo frequentemente in progetti commerciali, rispetto agli altri produttori.

Alcuni dei componenti di punta di questi produttori includono:

• Microchip: I loro prodotti includono i microcontrollori PIC e la linea di prodotti ATMega estremamente popolare acquisita da Atmel
• Texas Instruments: La serie MSP430 è la loro linea di microcontrollori più popolare, c'è anche la linea SimpleLink che integra il WiFi
• NXP Semiconductor: i.MX è probabilmente la loro linea di prodotti più popolare, c'è anche la linea di prodotti LPC che appare in molti sistemi di grado industriale

Conclusione

Abbiamo esplorato alcuni dei principali produttori di microcontrollori e i loro dispositivi, ma tieni presente che questa non è affatto una lista esaustiva ed è piuttosto generale. Ci sono molti altri produttori che offrono ottimi microcontrollori che non sono stati menzionati qui – così come alcuni dei microcontrollori più datati, come le varianti ATmega, che sono ancora utilizzati da molti progettisti in tutto il mondo oggi.

Assicurati di consultare Octopart per aiutarti a scegliere il microcontrollore giusto per il tuo prossimo progetto. Quando hai scelto un MCU, assicurati di utilizzare uno strumento ECAD potente, come Altium Designer, per portare il tuo progetto al livello successivo.