V posledných rokoch sa integrované platformy vybavené mikrokontrolérmi stávajú čoraz obľúbenejšími (najznámejšou značkou je pravdepodobne Arduino). Vďaka širokej dostupnosti a širokej podpore od výrobcov a užívateľskej komunity sú to ľahko sa ovládajúce, komplexné vývojové nástroje. V profesionálnych podmienkach, napr. v procese prototypovania mobilných zariadení, je však nevýhodou takýchto produktov obmedzený počet podporovaných čipov. Preto počas laboratórnej práce, vo fáze návrhu, zostávajú najspoľahlivejším riešením vývojové platformy pripravené samotnými výrobcami čipov. Tu treba zdôrazniť, že ich pozornosť neunikla výhodám populárnych riešení zo spotrebiteľského segmentu: jednoduchosti ich adaptácie a cenovej dostupnosti. Dnes sú na trhu ľahko použiteľné vývojové dosky pripravené poprednými výrobcami mikrokontrolérov – predovšetkým spoločnosťou Microchip, ktorej portfólio zahŕňa čipy z rodín PIC® a AVR®. Nižšie uvádzame jedno z prototypových riešení tohto výrobcu z radu serii Curiosity Nano.

Produkty radu Curiosity Nano

Microchip Curiosity Nano (alebo MC Nano) je runtime platforma určená predovšetkým pre 8-bitové mikrokontroléry PIC® a AVR®. Môžu byť tiež použité na vývoj aplikácií vybavených niektorými 32-bitovými produktmi z rodín PIC32 a SAM s architektúrou ARM® Cortex®. Bez ohľadu na použitý čip bola platforma Curiosity Nano navrhnutá tak, aby čo najviac urýchlila vývoj nových aplikácií a v dôsledku toho skrátila čas medzi fázou prototypovania a implementáciou do masovej výroby. Príklad využitia riešení MC Nano v procese dynamického vývoja projektu je uvedený v nasledujúcom videu.

Kľúčové funkcie platformy MC Nano

Vývojové dosky zahrnuté v platforme sa dodávajú v mnohých veľkostiach (dĺžkach), v závislosti od veľkosti mikrokontroléra, ktorý sa v nich používa. Najmenšia z dosiek je určená systémom s 20 pinmi (vrátane 16 pinov GPIO), zatiaľ čo najväčšie obsahujú MCU v puzdre so 48 pinmi, z ktorých 40 je vstupno-výstupných. Bez ohľadu na dĺžku, produkty zahrnuté v platforme zdieľajú kľúčové fyzikálne vlastnosti (napr. šírka dosky, rozstup pinov, prítomnosť zásuvky MicroUSB pre napájanie, komunikáciu a programovanie) a technické funkcie, ktoré umožňujú bezproblémovú migráciu medzi jednotlivými modelmi. Okrem toho výrobca deklaruje, že platforma bude vyvíjaná spolu s ponukou mikrokontrolérov. Od novozavedených čipov Microchip možno očakávať, že sa objavia v rodine dosiek Curiosity Nano, ktorá poskytuje dizajnérom pohodlie pri práci s najmodernejšími riešeniami v osvedčenom a známom prostredí.

Obsah balenia

Dva kolíkové konektory sú súčasťou MC Nano. Na prvý pohľad môžete vidieť zaujímavé dizajnové riešenie, ktoré používa Microchip. Polia GPIO, usporiadané na PCB v rozstupe 2,54mm, obsahujú oba okrajové spoje a otvory. V oboch prípadoch ide o metalizované priechodky, prispôsobené na inštaláciu pinových spojení. Vďaka malému priečnemu posunu otvorov vo vzťahu k sebe je zabezpečené tesné uchytenie pinových spojov a optimálne parametre pripojenia a potreba ich spájkovania je prakticky eliminovaná (aj keď sa to odporúča). Po ich inštalácii môže byť PCB namontovaná do väčšej kontaktnej dosky, vyhradenej základnej dosky alebo adaptéra (dostupné a kompatibilné výrobky sú opísané v ďalšej časti článku).

Čipy v PCB obvode

Platforma Microchip Curiosity Nano má množstvo zastrešujúcich funkcií zdieľaných všetkými modelmi radu. V centrálnej časti dosky sa nachádza mikrokontrolér (C), ktorého piny sú pripojené k poliam na okrajoch PCB (F) a kremíkový rezonátor (D). Pre jednoduché prototypovanie je na doske nainštalované tlačidlo (A) a LED dióda (B). Na rozdiel od platformy Arduino prepínač nevykonáva funkciu resetu, je pripojený k vstupno-výstupnému pinu mikrokontroléra (adresa vyhradeného pinu je označená na PCB, medzi modelmi radu sa líši). Pre komunikáciu a napájanie systému použite zásuvku USB Micro (G).

Prenos dát medzi MC Nano a počítačom (systém, softvér IDE, komunikačný terminál atď.) sa vykonáva prostredníctvom virtuálneho portu COM. Väčšina príslušných dosiek, keď je pripojená k počítaču, bude rozpoznaná operačným systémom ako externá jednotka označená ako "CURIOSITY". Stačí skopírovať do tohto zariadenia súbor .hex – a naprogramovanie mikrokontroléra prebehne automaticky. Táto funkcia je možná, pretože dosky MC Nano majú vstavaný čip nEDBG, t. j. ladiaci debugger/programátor (E). Jeho prítomnosť umožňuje prevádzkovať príslušné výrobky bez použitia ďalších zariadení. Okrem toho vďaka tomu nie je mikrokontrolér zaťažený podporou zavádzača, čo urýchľuje realizáciu cieľového programu a uvoľňuje pamäť. Zariadenia MC Nano obsahujú úložisko s predinštalovanou digitálnou dokumentáciou.

Okrem toho obvody MC Nano používajú programovateľný regulátor napätia. Umožňuje definovať rozsah prevádzkového napätia a napájania mikrokontroléra v rozsahu od 1,8 V do 5V DC.

Štandardizácia pinov

Jednou z výhod platformy Microchip je štandardizácia pinov. Bez ohľadu na zvolený model dosky a nainštalovaný mikrokontrolér, polia umiestnené na okrajoch PCB sú pripojené k pinom programátora, debuggera a centrálneho systému s rovnakou funkcionalitou. Takže: poradie konektorov na doske sa nezhoduje s číslovaním pinov mikrokontroléra – pre celý rad MC Nano sa však nemení. Tento štandard sa vzťahuje na prvých (počítaných zo strany konektora USB) 28 pinov.

Piny sú rozdelené do niekoľkých sekcií. Prvá z nich je definovaná ako DEBUG (skupina systémového pripojenia). Tieto piny sa používajú na komunikáciu s obvodom nEDBG. K dispozícii sú aj napájacie vstupy (VBUS, nastaviteľný VTG), vstup GND a pin VOFF, ktorý riadi prevádzku vstavaného regulátora napätia. V prípade potreby je dokonca možné ho vypnúť. Používateľ má k dispozícii aj sériové komunikačné linky (Virtual COM Port): CDC RX/TX. Ďalšie 4 piny DBG1-DBG4 sú vyhradené pre rozhranie debuggera. To, ktoré rozhranie je podporované konkrétnym modelom dosky, závisí od typu mikrokontroléra. Pre PIC čipy to bude rozhranie ICSP™ a MCLR, pre rozhranie AVR UPDI, zatiaľ čo pre ARM® – rozhranie SWD.

Ďalšou časťou pinov sú komunikačné (COM) a analógové (ANALOG) sekcie. Sú tiež bežnou črtou radu MC Nano. Rad COM zoskupuje piny určené na komunikáciu prostredníctvom: UART, zbernici I²C a SPI. Na opačnom okraji PCB sú analógové vstupy, tj piny analógových digitálnych konvertorov zabudovaných do mikrokontroléra. Najčastejšie môžu pôsobiť aj ako výstup pre merače (časovače) a generátory signálu PWM. Samozrejme, tieto piny nie je možné mapovať programovo, na ľubovoľnom pine mikrokontroléra (ako je to v prípade digitálnych vstupov / výstupov). Štandardizácia ich pozície na doske sa premieta do pohodlia používania a migrácie medzi jednotlivými modelmi vývojových dosiek. Ak má mikrokontrolér nainštalovaný na doske viac vstupov ADC alebo výstupov PWM, sú k dispozícii v ďalšej sekcii: GPIO. Tu je mapovanie ľubovoľnejšie, pretože počet a možnosti vstupno-výstupných portov sú prísne závislé od funkčnosti centrálneho systému. Podrobné informácie o tom, ktorý fyzický pin bol priradený ku konkrétnemu konektoru, nájdete v dokumentácii. Je k dispozícii pripojením dosky NC Nano k USB PORTU počítača. Úložné zariadenie (ktoré systém deteguje a zobrazí sa ako disk s označením "CURIOSITY") obsahuje súbor KIT-INFO. HTM – a v ňom podrobné informácie o funkčnosti každého pinu prítomného na danom modeli dosky.

Funkcionalita vstavaného debuggera

Mikročip Curiosity Nano debugger zabudovaný do dosky (nazývaný PKOB nano, nEDBG alebonano debugger) má základnú funkcionalitu, tj: ovládanie vykonávania programu (flow control – štart, zastavenie, spúšťač krokov, reset); čítanie si a zápis obsah flash pamäte mikrokontroléra; podpora pasce (breakpoint) v počte v závislosti od typu čipu.

Firmvér vstavaného debuggeru je možné aktualizovať prostredníctvom vývojového prostredia MPLAB® IDE alebo Microchip Studio. PKOB nano je o niečo pomalší ako analogické riešenia, ako je programátor PICkit™ 4. Má tiež určité obmedzenia, napríklad vo forme neschopnosti zápisu do určitej oblasti flash pamäte mikrokontroléra. Na druhej strane:zabraňuje to náhodnému prepísaniu pamäťových oblastí zodpovedných za samotný proces debuggovania alebo nežiaducej zmene hodnôt fuse bitov v prípade mikrokontrolérov AVR®. Na strane výhod je aj skutočnosť, že vďaka prítomnosti PKOB nano je doska automaticky rozpoznaná vo vývojových prostrediach MPLAB IDE a Microchip Studio. Po pripojení dosky používateľ okamžite získa prístup k vzorovým programom, dokumentácii, elektrickému diagramu, pin diagramu, údajovému listu mikrokontroléra atď.

Na konci tohto článku nájdete video materiály, ktoré predstavujú príklady a základy programovania dosiek Curiosity Nano.

Základné dosky a kompatibilné moduly

Je dostupné aj množstvo príslušenstva a doplnkových produktov, ktoré uľahčia prvé kroky s platformou MC Nano, ako aj zlepšia samotnú prototypovú prácu. Štandardizácia pinov vyššie opísaného radu produktov Microchip umožňuje použitie adaptérov, rozširujúcich dosiek a digitálnych modulov: snímačov, regulátorov, rozhraní atď.

Vývojové dosky a adaptéry

Pomocou kolíkových konektorov môže byť každý model MC Nano umiestnený do základnej dosky. Sú dostupné dva modely takýchto produktov: AC164162 je vybavený konektormi kompatibilnými napríklad s modulmi značiek Mikroelektronika a Microchip. Druhým riešením je hodnotiaca súprava AC80T88A, ku ktorej môžete pripojiť výrobky z rodiny Xplained Pro. V oboch prípadoch má užívateľ k dispozícii samostatný vypínač napájania a nezávislé piny všetkých portov – tiež získava pohodlnú a stabilnú základňu ktorá zlepšuje pohodlie práce. Nepochybnou výhodou modelu AC164162 je vstavaný regulátor nabíjania batérie. Tým sa zlepšuje prototypovanie mobilných zariadení – aplikácií, ktorým sa venuje mnoho mikrokontrolérov Microchip.

Prototypová doska Curiosity Nano Base s pinmi pre moduly Click.

Moduly radu Click®

Vďaka štandardizácii komunikačných pinov v rámci radu MC Nano je možné tieto produkty rýchlo kombinovať s mnohými štandardizovanými modulmi – predovšetkým s radom Click® od výrobcu Mikroelektronika. V súčasnosti je najpočetnejšou rodinou univerzálnych rozšírení pre mikrokontroléry. Na prenos dát používa štandard MikroBUS (kombinuje niekoľko komunikačných metód). Dostupné sú najmä početné komunikačné obvody (RF, WiFi, Bluetooth, ZigBee, GSM), senzory, merače (ampérmetre, voltmetre), užitočné príslušenstvo vo forme čítačiek pamäťových kariet a RFID, prijímače GPS, ako aj prvky rozhrania (tlačidlá, klávesnice, ovládacie prvky) a mnoho menej typických obvodov, napr. zmiešané (FM a AM tunery), audio zosilňovače.

Komunikačný modul WiFi z radu Click.

Porovnanie produktov MC Nano

Jednou z najväčších výhod série MC Nano je široký výber mikrokontrolérov nainštalovaných na tejto platforme.

Už na príklade súčasného sortimentu môžete vidieť, aké široké spektrum zahŕňa prototypové dosky z rodiny Microchip Curiosity Nano. V prípade jednoduchých mobilných aplikácií, v ktorých bude kľúčovým faktorom energetická účinnosť, budú najlepšou voľbou dosky vybavené systémami ATTINA (vynikajúcim príkladom takéhoto produktu je súprava DM080104 ): prispôsobené projektom s nízkou spotrebou energie, dokonale vhodné ako regulátory, napr. v oblasti elektroniky pre bielu techniku alebo pre potreby automobilového priemyslu. Režim velmi úsporného napájania (eXtreme Low-Power) majú aj mikrokontroléry PIC16 s periférnymi zariadeniami typu CIP, t.j. Core Independent Peripherals. Sú to integrované obvody, ktoré môžu pracovať nezávisle od jadra a dokonca prebudiť mikrokontrolér zo spánku, čo vytvára prerušenie podmienené programovateľným parametrom (napr. prekročenie nastaveného napätia pri vstupe do A/D konvertora).

Pre zložitejšie aplikácie vyžadujúce výpočet a odozvu v reálnom čase, ako aj spolupracujúce s viacerými senzormi, stojí za to venovať pozornosť výrobkom z rodiny PIC18, ako je napríklad súprava EV26Q64A. Mikrokontroléry v tejto skupine výrobkov sú vybavené mnohými rozhraniami, klimatizačnými konvertormi, ako aj konvertormi C/A (tj. DAC), vstavaný operačný zosilňovač, PWM generátory signálov so 16-bitovým rozlíšením, ako aj pamäť prispôsobená na rýchle a spoľahlivé získavanie dát.

Príklady aplikácií a programovania

Pre používateľov, ktorí podnikajú prvé kroky v prostrediach MPLAB IDE alebo Microchip Studio výrobca pripravil mnoho podporných materiálov. Nájdete ich na webovej stránke Microchip aj na platforme YouTube. S ich pomocou vám vytvorenie prvého projektu a obsluha IDE nespôsobí ťažkosti.

Nasledujúci materiál vám ukáže, ako importovať a upraviť vzorovú aplikáciu preukazujúcu funkčnosť jednej z dosiek MC Nano: