Лучшие микроконтроллеры для встраиваемых систем

Введение

Микроконтроллеры, или МК для краткости, на сегодняшний день можно найти практически во всех встроенных электронных системах. От стиральных машин, до цифровых аудиопроцессоров, систем управления полетом и многого другого. МК - это очень гибкие процессоры, которые обычно программированы на C/C++, упакованы вместе с неизменяемой (FLASH) и изменяемой памятью (RAM), а также с набором периферийных устройств и ввода/вывода. Иногда эти МК могут также поддерживать беспроводную связь (например, Bluetooth или WiFi).

Когда вы только начинаете заниматься электроникой и вам нужно добавить микроконтроллер в собственную аппаратную конструкцию, первоначально огромное количество вариантов может показаться подавляющим. Существует множество различных производителей (таких как Texas Instruments, ST, Microchip и так далее) и для каждого производителя есть еще больший выбор микроконтроллеров - не говоря уже о разнообразии внутри конкретного семейства микроконтроллеров. Например, быстрый общий поиск с использованием Octopart по мощной линейке микроконтроллеров STM32H7 выдает почти 250 различных результатов!

Конечно, выбор конкретного микроконтроллера должен зависеть от разрабатываемой системы. Здесь необходимо учитывать множество аспектов, таких как доступная память, необходимые периферийные устройства (такие как UART, SPI и т.д.), стоимость, тип корпуса, доступность, программное обеспечение, качество документации и многое другое.

В этой статье мы рассмотрим некоторые очень распространенные микроконтроллеры, используемые в индустрии сегодня. Надеемся, это хотя бы частично сузит выбор для вашего следующего проекта и познакомит вас с популярными МК, которые можно найти во многих современных встроенных системах.

STMicroelectronics STM32

На момент написания этой статьи одним из самых популярных и известных производителей микроконтроллеров, безусловно, является STMicroelectronics (ST). И это неспроста, так как их МК имеют хорошее соотношение цены и качества, доступны во многих различных конфигурациях и классах производительности, их можно отлаживать и программировать, используя, например, бесплатную среду разработки STM32CubeIDE от ST. Их линейка МК STM32 основана на ядрах процессоров ARM Cortex.

Кроме того, ST предоставляет множество предварительно написанных драйверов, а также аппаратный абстрактный слой (HAL) для своих компонентов. Они интегрированы в STM32CubeIDE. Хотя в HAL иногда могут быть недостатки, эти драйверы значительно сокращают время выхода на рынок и предоставляют отличную отправную точку для разработки прошивки.

Что касается выбора компонентов, ST предлагает множество различных семейств микроконтроллеров. От простых МК STM32F0, которые могут быть полезны для простой «склеивающей логики», до очень мощных МК STM32H7, способных выполнять алгоритмы цифровой обработки сигналов в реальном времени, и всего, что между ними. Более того, ST также предлагает МК с возможностью беспроводной связи, такие как линейки STM32WL и STM32WB, для соединения по WiFi и Bluetooth соответственно.

Рисунок 1 Семейства микроконтроллеров STMicroelectronics (Источник: STMicroelectronics)

Мои личные фавориты среди МК от ST - это серии F4 и H7, которые я активно использовал в приложениях цифровой обработки сигналов для аудио. Обязательно посмотрите этот полный учебник по проектированию аппаратного обеспечения на базе STM32 с использованием Altium Designer, чтобы увидеть, насколько легко добавить микроконтроллер в свои проекты!

Nordic Semiconductor nRF

Если вы ищете микроконтроллеры с возможностью беспроводной связи, такие как устройства с поддержкой Bluetooth или WiFi, обязательно обратите внимание на линейку микроконтроллеров nRF от Nordic Semiconductor. Это очень мощные устройства, особенно если у вас есть требования к низкому энергопотреблению.

Лично я являюсь поклонником их линейки Bluetooth LE (low energy) устройств nRF54 и использовал их в различных продуктах с ультранизким энергопотреблением. Однако имейте в виду, что обычно упаковка этих компонентов может быть очень маленькой и может увеличить стоимость изготовления и сборки печатных плат, хотя они также предлагают более доступные типы корпусов QFN. Конечно, эти маленькие размеры корпусов могут быть очень выгодны, например, для миниатюрных и носимых продуктов.

Рисунок 2 Микроконтроллер nRF54 Bluetooth LE (Источник: Nordic Semiconductor)

Espressif ESP32

Как альтернатива nRF, Espressif предлагает свою линейку микроконтроллеров ESP32 (или скорее RFSoC), которые невероятно доступны по цене и обладают значительной мощностью. Часто предлагая двухъядерные микроконтроллеры, WiFi и Bluetooth, а также разумное количество периферийных устройств. Кроме того, у ESP32 очень большое онлайн-сообщество и база пользователей, так что вы наверняка найдете помощь в своем проекте, если она вам понадобится.

Если вы хотите узнать, как включить микроконтроллеры ESP32 в свои собственные аппаратные проекты с использованием Altium Designer, обязательно посмотрите это учебное видео!

Рисунок 3 Микроконтроллер ESP32-C3 (Источник: Mouser)

Как производители, так и сторонние производители также предлагают предварительно сертифицированные системы на модулях, которые интегрируют антенны (или разъемы для внешних антенн), что может значительно упростить процесс сертификации, если вы хотите коммерчески продавать свой дизайн.

Рисунок 4 Предварительно сертифицированный модуль ESP32 (Источник: Mouser)

Raspberry Pi RP2040

Относительно новым микроконтроллером является RP2040 от Raspberry Pi, наиболее известной своими одноплатными компьютерами Raspberry Pi. Этот микроконтроллер оснащен двухъядерным процессором ARM Cortex-M0+, множеством периферийных устройств, а также чем-то очень интересным, известным как программируемый ввод/вывод. Основными преимуществами RP2040 являются его низкая цена (менее 1 USD при небольших объемах закупки), гибкость и доступность.

Рисунок 5 Raspberry Pi RP2040 (Источник: Raspberry Pi)

Microchip, NXP и Texas Instruments

Подобно линейке микроконтроллеров STM32, другие производители, такие как Microchip, NXP и Texas Instruments, предлагают свои серии МК различных модификаций. Возможности этих компонентов у разных производителей обычно довольно схожи, поэтому знакомство с компанией, нравящаяся документация или просто доступность деталей могут быть решающими факторами.

От 8-битных до 32-битных, способных к цифровой обработке сигналов и также микроконтроллеров с поддержкой беспроводной связи, Microchip известен своими микроконтроллерами PIC. NXP предлагает микроконтроллеры общего назначения, i.MX для реального времени и микроконтроллеры, ориентированные на автомобильную промышленность. Наконец, Texas Instruments также имеет значительный портфель микроконтроллеров - однако, по личному опыту, я не так часто встречал их в коммерческих проектах, по сравнению с другими производителями.

Некоторые флагманские компоненты от этих производителей включают:

• Microchip: Их продукция включает микроконтроллеры PIC и чрезвычайно популярную линейку продуктов ATMega, приобретенную у Atmel
• Texas Instruments: Серия MSP430 является их наиболее популярной линейкой микроконтроллеров, также есть линейка SimpleLink, которая интегрирует WiFi
• NXP Semiconductor: i.MX, возможно, является их наиболее популярной линейкой продуктов, также есть линейка продуктов LPC, которая встречается во многих промышленных системах

Заключение

Мы рассмотрели некоторых ведущих производителей микроконтроллеров и их устройства, но помните, что это далеко не полный список и он довольно общий. Есть много других производителей, предлагающих отличные микроконтроллеры, которые здесь не упоминались – а также некоторые старые МК, такие как варианты ATmega, которые до сих пор используются многими разработчиками по всему миру.

Обязательно посетите Octopart, чтобы помочь вам выбрать подходящий микроконтроллер для вашего следующего проекта. Когда вы выберете МК, обязательно используйте мощный инструмент ECAD, такой как Altium Designer, чтобы поднять ваш проект на новый уровень.