Mikrokontrolery z rodziny AVR DB oraz AVR DD – zaprojektowane do pracy w obwodach o zróżnicowanym poziomie napięć

Mikrokontrolery z rodziny AVR DB oraz AVR DD – zaprojektowane do pracy w obwodach o zróżnicowanym poziomie napięć

Jeszcze do niedawna bardzo typowym problemem, z którym borykali się projektanci obwodów elektronicznych, były różne standardy napięć zasilających mikrokontroler (np. 3,3 V) oraz układy peryferyjne (np. 5 V). Jeśli miały ze sobą współpracować, konieczne było stosowanie dodatkowych układów translacji napięć, co komplikowało urządzenie i wymuszało podniesienie ceny. Ale to już przeszłość.

Firma Microchip, znana z szerokiego portfolio 8-bitowych mikrokontrolerów z rodzin PIC i AVR, wprowadziła do sprzedaży nowo opracowane układy, które łączą w sobie najlepsze cechy obydwu wymienionych grup produktowych, a jednocześnie oferują projektantom urządzeń elektronicznych szerokie możliwości i ułatwiają budowę jeszcze bardziej zintegrowanych obwodów. Tak właśnie jest w przypadku energooszczędnych, 8-bitowych mikrokontrolerów z rodzin AVR DD/DB. Dostarczane są wraz z wyjątkowym zestawem peryferiów pracujących niezależnie od rdzenia (CIP, Core Independent Peripherals), służących przede wszystkim sprawnemu przetwarzaniu sygnałów analogowych. Zapewniają też bezpieczne funkcjonowanie aplikacji zgodnie z normami IEC 61508 oraz ISO 26262. Dzięki nim mikrokontrolery AVR DD/DB idealnie odpowiadają potrzebom mniej skomplikowanych aplikacji. Mogą też służyć jako układy towarzyszące (wspierające) w bardziej złożonych projektach.

Ogólne informacje o AVR DB i AVR DD

Prezentowane mikrokontrolery opracowano, by przyspieszyć i ułatwić etap projektowania, a tym samym szybciej wdrożyć produkcję docelowego urządzenia. Microchip zrealizował ten cel przez zintegrowanie w jednej strukturze rdzenia AVR z szeregiem peryferiów, pozwalających na wykonywanie wielu zadań, które dawniej musiały być obsługiwane przez układy zewnętrzne. Co więcej, układy z serii DB i DD dostępne są w wielu zróżnicowanych obudowach, od klasycznych obudów DIP, aż po VQFN o polu podstawy jedynie 5×5 mm (fotografia 1). Odpowiada to potrzebom nowoczesnych obwodów elektronicznych, takich jak zdalne urządzenia typu IoT albo programowalne sterowniki, przekaźniki i czujniki przemysłowe.

Fotografia 1. Mikrokontroler AVR128DB32-I-RXB z serii AVR DB

Należy zaznaczyć, że prezentowane układy mają wszystkie typowe cechy i funkcje znane z produktów Microchipa. Są taktowane sygnałem zegarowym o częstotliwości 24 MHz, mają do 128 kB pamięci Flash (programowej), 16 kB SRAM (operacyjnej) i 512 B nieulotnej pamięci EEPROM tradycyjnie stosowanej do przechowywania danych o nastawach, numerach seryjnych itp. Obudowy mikrokontrolerów wyposażone są w maksymalnie 64 piny o zróżnicowanej funkcjonalności. Oprócz tradycyjnej roli portów wejścia/wyjścia (czyli GPIO), zostały połączone z przetwornikami analogowo-cyfrowymi oraz szeregowymi interfejsami SPI, I²C, UART. W mikrokontrolerach zintegrowano również zegar czasu rzeczywistego (RTC), liczniki/timery (służące m.in. do generowania sygnałów PWM), komparator analogowy, źródła napięcia odniesienia (o kilku wartościach). Co więcej, w układzie znalazł się nawet przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) oraz zaawansowany watchdog. Inne rozbudowane podzespoły, działające niezależnie od rdzenia (CIP), omówiono bardziej szczegółowo w dalszej części tekstu.

Funkcjonalność MVIO

MVIO (Multi-Voltage Input/Output) to konfigurowalny, zintegrowany translator napięcia poziomów logicznych (level shifter). Dzięki niemu część wyprowadzeń mikrokontrolera może być zasilana ze źródła o innej wartości napięcia niż to, z którego zasilany jest rdzeń jednostki. Takie rozwiązanie ogromnie usprawnia i poszerza możliwości mikrokontrolera – pozwala mu na bezpieczną komunikację z układami pracującymi na innych poziomach logicznych (np. 5 V przy zasilaniu 3,3 V). Oznacza to, że projektanci mogą swobodnie dobierać docelowe elementy obwodu bez obaw, że różnice w ich charakterystyce elektrycznej wywołają potrzebę umiejscowienia na PCB dodatkowych układów pośredniczących.

System MVIO został zaprojektowany do pracy z sygnałami logicznymi (cyfrowymi). Oczywiście, jego funkcjonalność obejmuje zarówno sygnały binarne, jak i sprzętowe magistrale komunikacyjne (np. SPI, I²C) czy generatory PWM wbudowane w układ. Bezpośrednie sterowanie elementami zewnętrznymi ma jeszcze tę zaletę, że jest w pełni nadzorowane przez mikrokontroler. Jeżeli wartość napięcia zasilającego MVIO (VDDIO2) spadnie poniżej zadanej wartości, możliwe jest wygenerowanie przerwania, co pozwala na szczegółowe monitorowanie stanu urządzenia. MVIO akceptuje napięcia z zakresu od 1,6 V do 5,5 V DC. W przypadku całkowitego braku zasilania na linii VDDIO2, piny MVIO pracują jako wejścia/wyjścia trójstanowe.

Peryferium MVIO można łatwo skonfigurować w środowisku programistycznym MPLAB X oraz ATMEL STUDIO 7.

Zestawy uruchomieniowe

Producent ułatwił zapoznanie się z funkcjonalnością układów AVR DB i AVR DD (fotografia 2) poprzez przygotowanie zestawów uruchomieniowych.

Fotografia 2. Mikrokontroler AVR32DD20-ISO z serii AVR DD

Zostały one wykonane w formacie niewielkich płytek PCB z wyprowadzeniami do montażu złączy kołkowych lub instalacji w technologii powierzchniowej (SMT). Z katalogu TME można nabyć dwie płytki: EV72Y42 z mikrokontrolerem AVR64DD32 (fotografia 3) oraz EV35L43A z mikrokontrolerem AVR128DB48.

Fotografia 3. Zestaw ewaluacyjny EV72Y42A – płytka uruchomieniowa z mikrokontrolerem z serii AVR DD oraz kompletem złączy szpilkowych

Obydwie należą do rozwijanej przez Microchipa rodziny Curiosity Nano (fotografia 4) – platformy mającej na celu sprawne, stopniowe wdrażanie elektroników w zagadnienia związane z programowaniem oraz aplikacją mikrokontrolerów AVR w produktach i indywidualnych projektach. Pod względem zawartości zestawu obydwa modele mają zbliżoną konstrukcję. Do komunikacji z komputerem PC oraz jako główne źródło zasilania służą w nich gniazda Micro USB. Zawierają sygnalizacyjne diody LED (wskaźniki obecności napięcia zasilającego oraz diody obsługiwane programowo), rezonatory kwarcowe taktujące rdzeń oraz (wbudowany w strukturę mikrokontrolera) zegar czasu rzeczywistego (RTC), a także przełącznik typu Micro Switch (podłączony do pinu I/O). Co najważniejsze, w skład obwodu wchodzi zintegrowany debugger, pozwalający na szczegółową analizę pracy mikrokontrolera. W związku z funkcjonalnością MVIO na płytkach znalazły się też osobne wyprowadzenia, umożliwiające doprowadzenie alternatywnego napięcia zasilania.

Fotografia 4. Niewielka płytka PCB stanowi pełny zestaw uruchomieniowy do mikrokontrolerów z serii AVR DD

Inne możliwości układów DB i DD

Oprócz systemu MVIO, w prezentowanych mikrokontrolerach zastosowano szereg innych rozwiązań. Są to m.in. peryferia typu CIP, czyli pracujące niezależnie od rdzenia. Poniżej przedstawiono najważniejsze z nich – chociaż należy podkreślić, że pełna funkcjonalność serii AVR DB/DD jest bardzo szerokim tematem, a poszczególne układy mogą się między sobą różnić pod względem konstrukcyjnym.

CFD (Clock Failure Detect)

CFD (Clock Failure Detect) – niezmiernie ważny ze względu na bezpieczeństwo funkcjonowania aplikacji. Jest to obwód nadzorujący obecność sygnału taktującego z zewnętrznego oscylatora (generatora kwarcowego). Gdy sygnał zaniknie, mikrokontroler automatycznie przełączy się na użycie wewnętrznie generowanego sygnału zegarowego. Jednocześnie zostanie wywołane przerwanie, z którego projektant może skorzystać w aplikacji, np. w celu zatrzymania programu lub przejścia do trybu awaryjnego, zapewniającego bezpieczne, nieprzerwane działanie obwodów.

EVSYS (Event System)

EVSYS (Event System) to system pozwalający zintegrowanym urządzeniom peryferyjnym na bezpośrednie przesyłanie sygnałów do siebie nawzajem, niezależnie od rdzenia. Poprzez EVSYS wyjście z jednego podzespołu może zostać przekazane do wielu innych podzespołów peryferyjnych. Poprawia to czas reakcji i zmniejsza zużycie energii, umożliwiając jednocześnie realizację bardziej złożonych zadań, gdyż rdzeń CPU nie jest obciążany nieustanną obsługą prostych, cyklicznych operacji (np. warunkowych, dokonywanych w celu monitorowania portów I/O).

CCL (Custom Logic)

CCL (Custom Logic) występuje jedynie w rodzinie AVR DD. Jest to zestaw wbudowanych, programowalnych bramek logicznych i przerzutników. Dzięki możliwości konfiguracji połączeń, ich wejścia i wyjścia mogą być dołączone do fizycznych wyprowadzeń (pinów) mikrokontrolera. Alternatywnie konstrukcja pozwala na bezpośrednie połączenie CCL ze zintegrowanymi w układzie peryferiami, jak również odczytywanie przez program mikrokontrolera stanów wyjściowych CCL (chociaż samo działanie pozostaje niezależne od rdzenia). W wielu przypadkach pozwoli to wyeliminować zewnętrzne układy logiczne, a co za tym idzie, zminimalizować koszt opracowania urządzenia i powierzchnię PCB.

Zintegrowany wzmacniacz operacyjny

Zintegrowany wzmacniacz operacyjny (3 szt.) umieszczono w układach z grupy AVR DB. Obecność tych peryferiów mieszanych (mixed-signal) pozawala mikrokontrolerowi pełnić funkcje analizatora i przetwornika sygnałów analogowych, redukując liczbę wymaganych do tego celu komponentów zewnętrznych. Te ostatnie można ograniczyć do multiplekserów lub drabinek rezystorowych (jeżeli zachodzi taka potrzeba).

Wbudowany przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC)

Standardowo układy z obydwu prezentowanych rodzin mają zintegrowany przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) o rozdzielczości 12 bitów, odznaczający się maksymalną częstotliwością próbkowania na poziomie 130 kSps (tysięcy próbek na sekundę). Do jego obsługi można zastosować umieszczone w mikrokontrolerze źródło napięcia odniesienia o minimalnym dryfcie termicznym (niskim współczynniku temperaturowym), dostarczające stabilne napięcie referencyjne o wartości 1,024 V, 2,048 V, 2,500 V oraz 4,096 V. W połączeniu z wymienionymi wyżej peryferiami, takimi jak EVSYS czy wewnętrzny komparator, przetwornik ADC pozwala na błyskawiczną, efektywną i precyzyjną obróbkę sygnałów analogowych.

Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
marzec 2024

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik kwiecień 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio marzec - kwiecień 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje kwiecień 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna kwiecień 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów