Najlepsze mikrokontrolery dla systemów wbudowanych

Wprowadzenie

Mikrokontrolery, zwane również MCU, można znaleźć obecnie w większości wbudowanych systemów elektronicznych. Od pralek, przez procesory audio, po systemy kontroli lotu i wiele więcej. MCU to bardzo elastyczne procesory, które zazwyczaj programuje się w C/C++, są one pakowane razem z pamięcią nieulotną (FLASH) i ulotną (RAM), oraz z różnorodnymi peryferiami i I/O. Czasami te MCU mogą również posiadać możliwość łączności bezprzewodowej (na przykład Bluetooth lub WiFi).

Gdy zaczynasz przygodę z elektroniką i potrzebujesz dodać mikrokontroler do własnego projektu sprzętowego, ogromna ilość dostępnych opcji może początkowo wydawać się przytłaczająca. Istnieje wiele różnych producentów (takich jak Texas Instruments, ST, Microchip i tak dalej) i dla każdego producenta jest jeszcze większy wybór mikrokontrolerów - nie wspominając nawet o różnorodności w ramach konkretnej rodziny mikrokontrolerów. Na przykład, szybkie, ogólne wyszukiwanie za pomocą Octopart dla potężnej linii mikrokontrolerów STM32H7 daje prawie 250 różnych wyników!

Konkretny mikrokontroler oczywiście musi być wybrany w zależności od projektowanego systemu. Tutaj należy wziąć pod uwagę wiele aspektów, takich jak dostępna pamięć, wymagane peryferia (takie jak UART, SPI itp.), koszt, typ obudowy, dostępność, środowisko programistyczne, jakość dokumentacji i więcej.

W tym artykule przyjrzymy się niektórym bardzo popularnym mikrokontrolerom używanym obecnie w przemyśle. Mamy nadzieję, że to zawęzi wybór – przynajmniej częściowo – dla Twojego następnego projektu i przedstawi popularne MCU, które można znaleźć w wielu nowoczesnych systemach wbudowanych.

STMicroelectronics STM32

Jednym z najbardziej popularnych i znanych producentów mikrokontrolerów, pisząc ten artykuł, jest STMicroelectronics (ST). Jest to z dobrego powodu, ponieważ ich MCU są dobrze wycenione, dostępne w wielu różnych konfiguracjach i klasach wydajności, i mogą być debugowane oraz programowane przy użyciu, na przykład, darmowego środowiska programistycznego STM32CubeIDE od ST. Ich linia MCU STM32 bazuje na rdzeniach procesorów ARM Cortex.

Ponadto, ST dostarcza wiele gotowych sterowników, jak również warstwę abstrakcji sprzętu (HAL) dla swoich części. Są one zintegrowane w STM32CubeIDE. Chociaż HAL może czasami zawierać błędy, te sterowniki znacznie skracają czas wprowadzenia produktu na rynek i stanowią doskonały punkt wyjścia dla rozwoju oprogramowania układowego.

Jeśli chodzi o wybór części, ST oferuje liczne, różne rodziny mikrokontrolerów. Od prostych MCU STM32F0, które mogą być użyteczne dla prostych 'logik łączących', po bardzo potężne MCU STM32H7, które mogą uruchamiać algorytmy przetwarzania sygnałów cyfrowych w czasie rzeczywistym, i wszystko pomiędzy. Co więcej, ST oferuje również MCU z możliwością łączności bezprzewodowej, takie jak linie STM32WL i STM32WB, odpowiednio dla łączności WiFi i Bluetooth.

Rysunek 1 Rodziny MCU STMicroelectronics (Źródło: STMicroelectronics)

Moje ulubione mikrokontrolery od ST to serie F4 i H7, których używałem intensywnie w aplikacjach przetwarzania sygnałów cyfrowych dla audio. Koniecznie sprawdź ten pełny samouczek projektowania sprzętu opartego na STM32 przy użyciu Altium Designer, aby zobaczyć, jak łatwo dodać mikrokontroler do własnych projektów!

Nordic Semiconductor nRF

Jeśli szukasz mikrokontrolerów z możliwością bezprzewodowej komunikacji, takich jak te umożliwiające korzystanie z Bluetooth lub WiFi, koniecznie przyjrzyj się linii mikrokontrolerów nRF od Nordic Semiconductor. Są to bardzo zdolne urządzenia, szczególnie jeśli masz wymagania dotyczące niskiego poboru mocy.

Osobiście jestem fanem ich linii nRF54 urządzeń Bluetooth LE (low energy) i używałem ich w różnych produktach o ultra-niskim poborze mocy. Należy jednak pamiętać, że zazwyczaj opakowania tych części mogą być bardzo małe, co może zwiększyć koszty produkcji i montażu PCB, chociaż oferują również „bardziej dostępne” typy obudów QFN. Oczywiście, te małe rozmiary obudów mogą być bardzo korzystne na przykład dla produktów miniaturowych i noszonych.

Rysunek 2 Mikrokontroler Bluetooth LE nRF54 (Źródło: Nordic Semiconductor)

Espressif ESP32

Jako alternatywa dla nRF, Espressif oferuje swoją linię mikrokontrolerów ESP32 (a raczej RFSoC), które są niezwykle przystępne cenowo i oferują sporo możliwości. Często oferują mikrokontrolery z dwurdzeniowymi procesorami, możliwością WiFi i Bluetooth oraz rozsądną liczbą peryferiów. Dodatkowo, społeczność online ESP32 i baza użytkowników jest bardzo duża, więc z pewnością znajdziesz pomoc w swoim projekcie, gdy będziesz jej potrzebować.

Jeśli chciałbyś dowiedzieć się, jak włączyć mikrokontrolery ESP32 do własnych projektów sprzętowych przy użyciu Altium Designer, koniecznie sprawdź ten film instruktażowy!

Rysunek 3 Mikrokontroler ESP32-C3 (Źródło: Mouser)

Obaj producenci, jak i producenci zewnętrzni, oferują również certyfikowane moduły systemowe, które integrują anteny (lub złącza do anten zewnętrznych), co może znacznie uprościć proces certyfikacji, w przypadku gdy chcesz sprzedawać swój projekt komercyjnie.

Rysunek 4 Moduł ESP32 z certyfikatem (Źródło: Mouser)

Raspberry Pi RP2040

Dość nowym mikrokontrolerem jest RP2040 od Raspberry Pi, najbardziej znany z jednopłytkowych komputerów Raspberry Pi. Ten mikrokontroler wyposażony jest w dwurdzeniowy procesor ARM Cortex-M0+, liczne peryferia, a także coś bardzo interesującego, znanego jako Programowalna Sekcja We/Wy. Głównymi atutami RP2040 są niska cena (mniej niż 1 USD przy niskich ilościach), elastyczność i dostępność.

Rysunek 5 Raspberry Pi RP2040 (Źródło: Raspberry Pi)

Microchip, NXP i Texas Instruments

Podobnie jak w przypadku linii mikrokontrolerów STM32, inni producenci, tacy jak Microchip, NXP i Texas Instruments, oferują własne serie MCU w różnych wariantach. Możliwości tych części wśród tych producentów są zazwyczaj dość podobne, więc znajomość firmy, lubienie ich dokumentacji, czy po prostu dostępność części mogą być argumentami przemawiającymi za wyborem.

Od mikrokontrolerów 8-bitowych po 32-bitowe, zdolne do DSP, a także wyposażone w bezprzewodową łączność MCU, Microchip jest dobrze znany z mikrokontrolerów PIC. NXP oferuje mikrokontrolery ogólnego przeznaczenia, i.MX w czasie rzeczywistym oraz ukierunkowane na motoryzację. Ostatnio, Texas Instruments posiada również znaczące portfolio mikrokontrolerów - jednak z osobistego doświadczenia, nie widziałem ich zbyt często w komercyjnych projektach, w porównaniu z innymi producentami.

Niektóre z flagowych komponentów tych producentów to:

• Microchip: Ich produkty obejmują mikrokontrolery PIC oraz niezwykle popularną linię produktów ATMega przejętą od Atmela
• Texas Instruments: Seria MSP430 jest ich najpopularniejszą linią mikrokontrolerów, jest również linia SimpleLink, która integruje WiFi
• NXP Semiconductor: i.MX jest prawdopodobnie ich najpopularniejszą linią produktów, jest również linia produktów LPC, która pojawia się w wielu systemach przemysłowych

Podsumowanie

Zbadaliśmy niektórych czołowych producentów mikrokontrolerów i ich urządzenia, ale pamiętaj, że to w żaden sposób nie jest wyczerpująca lista i jest dość ogólna. Istnieje wiele innych producentów oferujących świetne mikrokontrolery, które tutaj nie zostały wspomniane – jak również niektóre ze starszych MCU, takie jak warianty ATmega, które są nadal używane przez wielu projektantów na całym świecie.

Upewnij się, że sprawdzisz Octopart, aby pomóc Ci wybrać odpowiedni mikrokontroler do Twojego następnego projektu. Kiedy już wybierzesz MCU, koniecznie użyj potężnego narzędzia ECAD, takiego jak Altium Designer, aby podnieść Twój projekt na wyższy poziom.