למיקרו-בקרים (MCUs) יש תפקיד משמעותי בשינוי חיינו, כי כמעט בכל מוצר כלולים רכיבים של מוליכים-למחצה. האלקטרוניקה המודרנית זקוקה למיקרו-בקרים עבור פונקציות שמספרן הולך וגדל בכל יישום ומגזר שוק, כולל רכב, תעופה וחלל, אלקטרוניקה לצרכן, תעשייה ובריאות. למרות שהמיקרו-בקרים 8-bit נמצאים איתנו כבר כמעט חמישה עשורים, חל גידול מעריכי במוצרים חדשים וחדשניים כגון כלי רכב חשמליים, אופניים חשמליים, אוטומציה ביתית ותעשייתית והתקני האינטרנט-של-הדברים (IoT) – וכל אלה מניעים את הביקוש למיקרו-בקרים הקטנים והלא יקרים האלה. עקב כך, ה-8-bit MCUs ממשיכים להתפתח כדי להתאים לפונקציונליות הדרושה ליישומים מודרניים. אנו נבחן שלושה יישומים נפוצים, שבהם קטגוריה חדשה של ה-8-bit MCUs עם יכולות סינון אנלוגי מתקדמות תומכת במערכות המודרניות האלו על ידי הפגנת ביצועי מערכת משופרים ומענה מהיר לאירועי מערכת.
ניהול, ניטור ומיטוב סוללות
במערכות מוטבעות רבות, כולל IoT, נעשה שימוש במיקומים מרוחקים, כאשר סוללה היא מקור המתח העיקרי שלהן. ניטור משך חיי הסוללה ומצב בריאותה הוא פונקציה חשובה לתפעול בטיחותי ואמין של יישומים אלה.
במערכת ניטור סוללה טיפוסית, ה-MCU משמש לאוטומציה של מדידת הספק הסוללה הנותר וניהול בריאות הסוללה לטובת ביצועי סוללה מיטביים. MCU עם ממיר אנלוגי-לדיגיטלי משולב (ADC) מסוגל לקרוא ולהמיר את ערכי הזרם והמתח שנמדדו של הסוללה לנתונים דיגיטליים שבהם יכול ה-MCU להשתמש כדי להעריך את מצב בריאות הסוללה. את ביצועי הסוללה ניתן לדווח להתקנים חיצוניים דרך ממשקי תקשורת מובנים כגון UART, SPI ו-I2C לצורך קישוריות לתכן של IoT. אם יש צורך גם בניטור טמפרטורת הסוללה, ניתן להשתמש במגבר התפעולי המשולב של הבקר (Op Amp) כממתח (bias) עבור חיישן טמפרטורה. On-chip Op Amps הם זמינים למגוון רחב של ה-8-bit MCUs, והם יכולים להפחית את עלויות המערכת ואת הנפח הנדרש עבור רכיבים חיצוניים בכל יישום הדורש gain-stage לפני המרה אנלוגית-לדיגיטלית, למשל אותות אנלוגיים חלשים.
כדי למטב את ביצועי הסוללה ולהאריך את זמני הפעלת המערכת, ה-MCU האידיאלי יציע מצבי ניהול הספק שונים כדי לאזן את הצורך בביצועים כנגד מיטוב צריכת ההספק. המפתח לחיי סוללה ארוכים במערכת מוטבעת הוא היכולת להפחית את פעילות המערכת כאשר אין בה צורך. רמות גמישות של הגדרת תצורה מאפשרות למערכת לצרוך הספק מינימלי עבור המשימות הדרושות, לעיתים קרובות ללא פיקוח של יחידת העיבוד המרכזית (CPU). תכונות כגון מצבי IDLE, DOZE או SLEEP מספקים חיסכון בהספק כדי להפחית את צריכת ההספק הפעילה. בנוסף, ה-MCUs מסוג ®Microchip PIC ו-®Microchip AVR , וכן ה-MCUs, ADCs, Op Amps ו-DACs העדכניים ביותר, ניתנים גם להפעלה/כיבוי בתוכנה, או להפעיל את ליבת ה-MCU והתקנים היקפיים דיגיטליים עם ההגעה לערכי סף מסוימים, זאת כדי לספק גמישות וחיסכון בהספק ביישומים מופעלי-סוללה. כאשר תכונות ההספק הנמוך האלו זמינות ב-MCUs מודרניים, משך חיי הסוללה ממוקסם תוך כדי הפחתת צריכת הזרם, פיזור ההספק והעלויות.
תרשים 1: מיקרו-בקרים עם התקנים היקפיים אנלוגיים on-chip עוזרים למהנדסי תכן להפחית את העלויות ואת משך הזמן לשוק, תוך כדי שיפור היענות המערכת.
ניהול מערכת מוטבעת
עם הזמן, יישומים מוטבעים הולכים ונהיים מורכבים יותר, ולכן יש צורך חיוני בהפצת משימות עיבוד באופן שיבטיח תגובת מערכת מהירה-כברק במטרה למקסם את חוויית המשתמש או לעמוד בתקני בטיחות קשוחים. כדי להשיג זאת, מערכות מורכבות מנצלות לעיתים קרובות את ה-8-bit MCUs המודרניים הודות להתקנים ההיקפיים האנלוגיים המשולבים המבצעים משימות “משק בית” – כגון שליטה במסילות ההספק, ניטור איכות הסביבה ותנאי הסיכון, או שליטה בתקשורת בין מספר שבבים על המעגל המודפס. פונקציות אלו הן המפתח ליישומים רבים, כולל תשתיות מרכז נתונים, בניית מערכות ניהול, נקודות על פני רשת קטנה, וכן יישומים בטיחותיים קריטיים, כגון מכונות כביסה וייבוש ביתיות.
דוגמה אחת לכך היא השרת הטיפוסי שניתן למצוא במרכזי נתונים. הלוח הראשי של כל שרת כזה מארח את ה-CPU של השרת הראשי ומגוון רחב של מעבדי יישומים לטיפול במשימות שונות, שרבות מהן משתמשות ב-8-bit MCUs כהתקני “ניהול מערכת”. ה-MCUs האלה מקשרים בדרך כלל בין חיישנים סביבתיים שונים (טמפרטורה, לחות, בריאות מסילת המתח), ומתוכננים לדווח על הסטטוס על גבי אפיק ניהול מערכת, ובמקביל לספק power-sequencing להתקנים אחרים על הלוח הראשי על פי התנאים הרלוונטיים. במקרים אלה, ה-8-bit MCUs הם מושלמים למשימות כאלו הודות להתקנים ההיקפיים האנלוגיים on-chip שלהם, וגם הודות לפשטות ההפעלה, הגמישות והקשיחות שלהם. יש מיקרו-בקרים מסוימים, כגון ה-PIC וה-AVR MCUs של Microchip, שמציעים התקנים היקפיים עצמאיים ליבתיים (CIPs, או Core Independent Peripherals), שעובדים במקביל עם התקנים היקפיים אנלוגיים on-chip כדי לספק ניטור מערכת עבור אירועים קריטיים ולהבטיח הפעלה נאותה. ההתקנים ההיקפיים האנלוגיים המשולבים, כגון ה-Op Amp או ה-ADC, מספקים את הגברת האות, הסינון והייצוב הדרושים לרכישת האות האנלוגי. זאת בעוד ש-CIPs תוכננו לאוטומציה של משימות מערכת ללא קוד או פיקוח מצד ליבת ה-CPU – הפחתת כמות הקוד שיש לכתוב, לדבג או לתקף, דבר שהופך יישומים למגיבים יותר לשינויים במערכת. ה-CIPs מתקשרים זה עם זה, דבר שמסייע אף יותר להגדלת הביצועים וההיענות של המערכת, וניתן לטפל במשימות שונות בו-זמנית.
MCUs מסוג PIC ו-AVR לוקחים את הקונספט צעד אחד קדימה, ומשתמשים בהתקנים היקפיים אנלוגיים מתוחכמים ובעלי חומרה ייעודית כדי לאפשר ביצוע של חישובי ליבה עצמאיים מתקדמים כגון חישוב ממוצעים, דגימת-יתר (oversampling) ומסנן מעביר תדר נמוך. תכונות אלו עוזרות להאצת היענות המערכת ומציעות ביטול רעשים חזקים בסביבות תובעניות. את ההתקנים ההיקפיים האנלוגיים המיוחדים האלה ניתן לחבר הדדית עם אותות on-chip רבים אחרים, כולל טיימרים או מקורות שעון אחרים, אותות היקפיים דיגיטליים, תהליכים אנלוגיים-לאוטומטיים אחרים או הפקת תנאי interrupt כדי לדווח ל-CPU.
תרשים 2: משפחת PIC18-Q71 של Microchip כוללת מבחר של התקנים היקפיים אנלוגיים חכמים on-chip, כולל ממיר דיפרנציאלי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC).
ממשק המשתמש
בטכנולוגיה של חישת מגע (touch sensing) נעשה שימוש במגוון רחב של מוצרים אלקטרוניים, מטלפונים חכמים, דרך מכשירים לצרכן ועד לכלי רכב. בתחום הרכב, ההגה ולוחות הבקרה מתרחקים כיום מלחצנים לכיוון ממשקי משתמשים זורמים וגמישים. למקשי המגע האלה חייבת להיות היענות מיידית לאינטראקציה מצד המשתמש, תוך אדישות לטריגרים מזויפים, ועליהם להתאים את עצמם לתנאי סביבה רבים ושונים, כולל קפיצות טמפרטורה מהירות מקור לחום, משטחים רטובים וידיים עטויות כפפות.
במערכות המגע הקיבוליות של היום, כוח העיבוד הגס של ה-32-bit MCUs אינו יכול להחליף את האינטרקונקטיביות האנלוגית הייעודית שניתן למצוא בהתקני 8-bit MCU מודרניים. ל-8-bit MCUs החדשים של Microchip, כולל משפחות המוצרים PIC18-Q71 וה-AVR EA, יש ADCs דיפרנציאליים עם יכולות סינון מתקדמות הפועלים כ”מודולי עיבוד אנלוגיים” כדי להפחית באופן משמעותי את כמות התערבות ה-CPU (והודות לכך – כמות הקוד) הדרושים ליישום יישומי חישת מגע. ה-ADCs המתמחים האלה on-chip יש מאפייני דחיית רעשים חזקים, והם מציעים כוונון וכיול אוטומטיים מובנים לצורך חסינות משופרת מפני רעש ועמידות בפני מים. בשילוב עם כלי הפיתוח ממוקדי-המגע והקלים-לשימוש של Microchip, ה-MCUs האלה מספקים פתרון מלא לבניית משטחי מגע תובעניים החשופים לתנאי סביבה קשוחים.
תרשים 3: מערכות מגע קיבוליות מודרניות דורשות הסתגלות מהירה לשינויים ברמות הטמפרטורה והלחות
מסקנה
לאור הגידול בדרישות המיקרו-בקרים במהלך 50 השנה האחרונות, קווי הגבול בין מה שצריך להיות אנלוגי למה שצריך להיות דיגיטלי הפכו למטושטשים במערכות מוטבעות. לצד התפתחות התכן המוטבע, כך התפתח המיקרו-בקר של 8-bit מהתקני חישוב פשוטים לכיוון התקני מערכת-על-שבב (SOC) מפותחים-לגמרי שיוצרו כדי לעמוד ברוב המשימות המוטבעות של ימינו. החל מ”משק בית”, ניהול וניטור של מערכת, וכלה במשימות של “בקר ראשי” במסגרת תכן מורכבת, ה-MCUs עם התקנים היקפיים אנלוגיים משולבים מאפשרים למתכננים להכניס פונקציות שבוצעו בעבר off-chip לתוך ה-MCU הראשי כדי לשפר את היענות המערכת ולהפחית את עלויות החומרים (BOM). ההתקנים ההיקפיים האנלוגיים החכמים הזמינים ב-8-bit PIC וב-AVR MCUs משתלבים באופן חלק עם התקנים היקפיים דיגיטליים כדי לספק פונקציונליות וגמישות אף גדולות יותר עבור המערכות המוטבעות המתוחכמות של המחר. כדי להכיר טוב יותר כיצד ניתן להשתמש בהתקנים היקפיים אנלוגיים מתקדמים לפתרון בעיות תכן קריטיות, בקרו באתר microchip.com/8bit.
