Microcontroller hàng đầu cho Hệ thống Nhúng

Giới thiệu

Microcontroller, hay MCU, ngày nay có thể được tìm thấy trong hầu hết các hệ thống điện tử nhúng. Từ máy giặt, đến bộ xử lý âm thanh số, hệ thống điều khiển bay, và nhiều hơn nữa. MCU là những bộ xử lý linh hoạt có thể lập trình thông thường bằng C/C++, được đóng gói cùng với bộ nhớ không biến mất (FLASH) và bộ nhớ biến mất (RAM), cùng với một loạt các phụ kiện và I/O. Đôi khi, những MCU này cũng có khả năng kết nối không dây (ví dụ, Bluetooth hoặc WiFi).

Khi bắt đầu với lĩnh vực điện tử và cần thêm một microcontroller vào thiết kế phần cứng tùy chỉnh, lượng lựa chọn lớn ban đầu có thể dường như quá tải. Có nhiều nhà cung cấp khác nhau (như Texas Instruments, ST, Microchip, v.v.) và mỗi nhà cung cấp lại có một lựa chọn lớn hơn nữa về microcontroller - chưa kể đến sự biến thể ngay cả trong một gia đình microcontroller cụ thể. Ví dụ, một tìm kiếm nhanh, chung chung sử dụng Octopart cho dòng microcontroller STM32H7 mạnh mẽ cho ra gần 250 kết quả khác nhau!

Microcontroller cụ thể tất nhiên phải được chọn tùy thuộc vào hệ thống đang được thiết kế. Tại đây, nhiều khía cạnh cần được xem xét, như bộ nhớ có sẵn, các phụ kiện cần thiết (như UART, SPI, v.v.), chi phí, loại gói, khả năng có sẵn, môi trường phần mềm, chất lượng tài liệu, và nhiều hơn nữa.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá một số microcontroller phổ biến nhất được sử dụng trong ngành công nghiệp ngày nay. Hy vọng, điều này sẽ thu hẹp lựa chọn – ít nhất là một phần – cho dự án tiếp theo của bạn, và giới thiệu bạn với các MCU phổ biến có thể được tìm thấy trong nhiều hệ thống nhúng hiện đại.

STMicroelectronics STM32

Một trong những nhà sản xuất microcontroller phổ biến và nổi tiếng nhất, tính đến thời điểm viết bài này, là STMicroelectronics (ST). Điều này có lý do, vì MCU của họ có giá cả phải chăng, có sẵn trong nhiều cấu hình và cấp độ hiệu suất khác nhau, và có thể được gỡ lỗi và lập trình sử dụng, ví dụ, môi trường phát triển STM32CubeIDE miễn phí của ST. Dòng MCU STM32 của họ dựa trên lõi bộ xử lý ARM Cortex.

Ngoài ra, ST cung cấp nhiều trình điều khiển được viết trước, cũng như một lớp trừu tượng phần cứng (HAL) cho các bộ phận của họ. Những này được tích hợp trong STM32CubeIDE. Mặc dù có thể có những khiếm khuyết ngẫu nhiên trong HAL, những trình điều khiển này giảm đáng kể thời gian ra thị trường và cung cấp một điểm xuất phát xuất sắc cho việc phát triển firmware.

Khi nói đến việc lựa chọn bộ phận, ST cung cấp nhiều gia đình microcontroller khác nhau. Từ MCU STM32F0 đơn giản có thể hữu ích cho logic 'keo', đến MCU STM32H7 mạnh mẽ có thể chạy thuật toán xử lý tín hiệu số thời gian thực, và mọi thứ ở giữa. Hơn nữa, ST cũng cung cấp MCU có khả năng kết nối không dây, như dòng STM32WL và STM32WB, cho kết nối WiFi và Bluetooth tương ứng.

Hình 1 Gia đình MCU STMicroelectronics (Nguồn: STMicroelectronics)

MCU cá nhân yêu thích của tôi từ ST là dòng F4 và H7, mà tôi đã sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng xử lý tín hiệu số cho âm thanh. Hãy chắc chắn xem hướng dẫn thiết kế phần cứng dựa trên STM32 này sử dụng Altium Designer, để thấy việc thêm một vi điều khiển vào dự án của bạn dễ dàng như thế nào!

Nordic Semiconductor nRF

Nếu bạn đang tìm kiếm các vi điều khiển có khả năng kết nối không dây, như là những loại cho phép kết nối Bluetooth hoặc WiFi, hãy chắc chắn xem qua dòng vi điều khiển nRF của Nordic Semiconductor. Đây là những thiết bị rất mạnh mẽ, đặc biệt nếu bạn có yêu cầu về công suất thấp.

Cá nhân tôi là fan của dòng thiết bị Bluetooth LE (năng lượng thấp) nRF54 của họ và đã sử dụng chúng trong nhiều sản phẩm siêu tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, hãy lưu ý rằng thường thì việc đóng gói các bộ phận này có thể rất nhỏ và có thể làm tăng chi phí sản xuất và lắp ráp PCB của bạn, mặc dù họ cũng cung cấp loại gói QFN 'dễ tiếp cận' hơn. Tất nhiên, những kích thước gói nhỏ này có thể rất có lợi cho, ví dụ, các sản phẩm nhỏ gọn và đeo được.

Hình 2 Vi điều khiển Bluetooth LE nRF54 (Nguồn: Nordic Semiconductor)

Espressif ESP32

Là một lựa chọn thay thế cho nRF, Espressif cung cấp dòng vi điều khiển ESP32 của họ (hoặc RFSoCs, nói đúng hơn) với giá cả rất phải chăng và rất mạnh mẽ. Thường xuyên cung cấp vi điều khiển hai nhân, khả năng WiFi và Bluetooth, và số lượng ngoại vi hợp lý. Ngoài ra, cộng đồng trực tuyến và người dùng của ESP32 rất lớn, vì vậy bạn chắc chắn sẽ tìm được sự giúp đỡ cho dự án của mình nếu bạn cần.

Nếu bạn muốn học cách tích hợp vi điều khiển ESP32 vào thiết kế phần cứng của mình sử dụng Altium Designer, hãy chắc chắn xem video hướng dẫn này!

Hình 3 Vi điều khiển ESP32-C3 (Nguồn: Mouser)

Cả nhà sản xuất và nhà sản xuất bên thứ ba cũng cung cấp các mô-đun hệ thống trên chip đã được chứng nhận trước, tích hợp ăng-ten (hoặc kết nối cho ăng-ten ngoài bảng), có thể đơn giản hóa đáng kể quá trình chứng nhận, trong trường hợp bạn muốn bán thiết kế của mình một cách thương mại.

Hình 4 Mô-đun ESP32 đã được chứng nhận trước (Nguồn: Mouser)

Raspberry Pi RP2040

Một vi điều khiển tương đối mới là RP2040 của Raspberry Pi, được biết đến nhiều nhất với các máy tính đơn bảng Raspberry Pi. Vi điều khiển này có bộ xử lý ARM Cortex-M0+ kép lõi, nhiều thiết bị ngoại vi, cũng như một phần rất thú vị được biết đến là Programmable I/O. Điểm bán chính của RP2040 là giá thấp (dưới 1 USD với số lượng ít), tính linh hoạt và khả năng có sẵn.

Hình 5 Raspberry Pi RP2040 (Nguồn: Raspberry Pi)

Microchip, NXP, và Texas Instruments

Tương tự như dòng vi điều khiển STM32, các nhà sản xuất khác như Microchip, NXP, và Texas Instruments cung cấp các dòng MCU của riêng họ với nhiều phiên bản khác nhau. Khả năng của các linh kiện này giữa các nhà sản xuất thường khá tương đồng, vì vậy việc quen thuộc với một công ty, thích tài liệu của họ, hoặc đơn giản là khả năng có sẵn của các linh kiện có thể là điểm bán hàng.

Từ MCU 8-bit đến 32-bit, có khả năng xử lý DSP, và cũng có khả năng kết nối không dây, Microchip được biết đến với các vi điều khiển PIC của họ. NXP cung cấp vi điều khiển chung, i.MX thời gian thực, và vi điều khiển hướng đến ô tô. Cuối cùng, Texas Instruments cũng có danh mục đầu tư vi điều khiển đáng kể - tuy nhiên, từ kinh nghiệm cá nhân, tôi không thấy chúng xuất hiện quá thường xuyên trong các thiết kế thương mại, so với các nhà sản xuất khác.

Một số linh kiện nổi bật từ các nhà sản xuất này bao gồm:

• Microchip: Sản phẩm của họ bao gồm vi điều khiển PIC và dòng sản phẩm ATMega cực kỳ phổ biến được mua lại từ Atmel
• Texas Instruments: Dòng MSP430 là dòng vi điều khiển phổ biến nhất của họ, cũng có dòng SimpleLink tích hợp WiFi
• NXP Semiconductor: i.MX có lẽ là dòng sản phẩm phổ biến nhất của họ, cũng có dòng sản phẩm LPC xuất hiện trong nhiều hệ thống cấp công nghiệp

Kết luận

Chúng ta đã khám phá một số nhà sản xuất vi điều khiển hàng đầu và các thiết bị của họ, nhưng hãy nhớ rằng đây không phải là danh sách toàn diện và khá chung chung. Có nhiều nhà sản xuất khác cung cấp vi điều khiển tuyệt vời không được đề cập ở đây – cũng như một số MCU cũ hơn, như các biến thể của ATmega, vẫn được nhiều nhà thiết kế sử dụng trên toàn thế giới ngày nay.

Hãy chắc chắn kiểm tra Octopart để giúp bạn chọn vi điều khiển phù hợp cho thiết kế tiếp theo của mình. Khi bạn đã chọn được MCU, hãy chắc chắn sử dụng một công cụ ECAD mạnh mẽ, như Altium Designer, để nâng tầm thiết kế của bạn.