دانلود مقاله آشنایی با میکروکنترلر ها

آشنایی با میکرو کنترلرها میکروکنترلرها یکی از قطعات پرکاربرد الکترونیکی در صنایع گوناگون و مصارف شخصی می باشند که در بین علاقه مندان الکترونیک بسیار محبوب هستند.

در واقع یک میکروکنترلر یک CPU مانند CPU ی کامپیوتر شماست همراه با مدارات و قطعاتی که برای کار آن ضروری است به اضافه مداراتی که امکاناتی را به آن اضافه می کند و اینها همگی در کنار هم و در یک تراشه جمع شده اند.

در واقع میکروکنترلرها برنامه هایی را که برایشان نوشته شده و در داخل آنها قرار داده شده را اجرا می کنند.

این برنامه ها دقیقا شبیه برنامه هایی است که در کامپیوترهای شخصی با زبانهایی مثل اسمبلی ، C ، بیسیک یا پاسکال نوشته می شوند.

میکرو کنترلرها از ابتدا تا کنون پیشرفتهای زیادی داشته اند و هم اکنون تولید کنندگان زیادی آنها را در مدلهای مختلف و با کارکردهای مختلف می سازند.

بعضی از مهمترین تولید کنندگان عباتند از Atmel و Microchip .

همانطور که ذکر شد در داخل میکرو کنترلرها علاوه بر CPU (که عموما دارای گذرگاه داده 8 بیت است) مدارات دیگری نیز وجود دارند که بسته به تولید کننده و مدل آن متفاوت است.

این مدارات ممکن است شامل نوسان ساز ساعت سیستم، حافظه Flash برای ذخیره برنامه، حافظه RAM ، حافظه EEPROM / Flash برای داده، شمارنده / تایمر، پورت سریال، مقایسه کننده آنالوگ، مبدل آنالوگ به دیجیتال / دیجیتال به آنالوگ، PWM ، پورت USB و...

باشد.

همانطور که گفته شد با وجود این مدارات در داخل تراشه، تقریبا برای کار میکروکنترلر به هیچ مدار خارجی دیگری نیاز نیست ولی در CPU ها تمامی این مدارات در خارج از تراشه هستند.

این برای میکروکنترلرها هم مزیت است و هم عیب : طراحی سخت افزار و سیستم با میکروکنترلر ساده است ولی بعنوان مثال نمی توان به آسانی فضای حافظه را افزایش داد.

از نظر پایه ها انواع آن از 8 پایه تا 40 پایه بصورت DIP و بالاتر ساخته می شود.

هر میکروکنترلر دارای یک سری دستورالعمل های نرم افزاری است که می تواند آنها را اجرا کند که به آن مجموعه دستورالعمل گفته می شود.

این دستورات از یک میکرو کنترلر به دیگری تفاوت هایی دارند و در بعضی از مدلها مثل PIC و AT89s51 اصلا به هم شباهتی ندارند.

این یکی از نقاط ضعف میکرو هاست.

بعنون مثال برنامه ای که برای PIC16F84 نوشته شده بر روی ATMega8535 قابل اجرا نیست.

تفاوت چشم گیر بین دستور العمل های مربوط به سازندگان است مثلا میکروهای سری PIC با بقیه همخوانی ندارد.

این سری ساخت شرکت Microchips بوده و بقیه ساخت شرکت Atmel هستند.

حال آنکه دستورات و برنامه های At89s51 کاملا به درستی بر روی At89s52 اجرا می شود.

همچنین مجموعه دستورالعملها در سری 89s شبیه سری های tiny و Mega است.

برنامه ای که میکرو باید اجرا کند پس از نوشته شدن اسمبل یا کمپایل می شود تا کد ماشین برای آن میکرو تولید شود (نوشتن برنامه و تبدیل آن عموما بر روی یک PC صورت می گیرد.).

پس از اینکار برنامه ترجمه شده باید به حافظه کدی که در درون میکرو است انتقال یابد.

این کار توسط یک دستگاه کمکی بنام پروگرامر انجام می شود که در واقع یک مدار رابط بین کامپیوتر و میکروکنترلر است.

پس از اینکار برنامه در درون میکرو باقی می ماند و هنگامی که میکرو بر روی بورد دستگاه موردنظر نصب شود شروع به اجرای برنامه می کند.

در واقع چون سخت افزار میکروها (مثل تعداد پایه ها و طریقه پروگرام کردن آنها) متفاوت است هر سری از آنها پروگرامر مخصوص به خود را می خواهد.

پس برای اینکه بتوانیم از یک سری از میکروکنترلرها استفاده کنیم دو چیز لازم است: یکی اسمبلر یا کمپایلر و دیگری پروگرامر.

امروزه میکروها در دستگاه های زیادی بکار می روند مثل ضبط صوت، ماشین لباس شوئی، یخچال، اتومبیل، رسیورهای ماهواره، شارژرهای باطری، تلوزیون، گوشی موبایل و ...

در واقع هرجا که طراحی مدار در حدی پیچیده باشد که نتوان آنرا با قطعات گسسته اجرا کرد از میکروها استفاده می شود.

سیر تکاملی میکرو کنترلرها اولین میکرو کنترلرها در اواسط دهه 1970 ساخته شدند.

این میکرو کنترلرها در ابتدا پردازنده های ماشین حساب بودند که دارای حافظه برنامه کوچکی از نوع ROM ، حافظه داده از نوع RAM و تعدادی درگاه ورودی/خروجی بودند.

با توسعه فناوری سیلیکون ، میکرو کنترلرهای 8 بیتی قویتری ساخته شدند.

در این میکرو کنترلرها علاوه بر بهینه شدن دستورالعمل ها، تایمر/شمارنده روی تراشه، امکانات وقفه و کنترل بهینه شده خطوط I/O نیز به آنها اضافه شده است.

حافظه موجود بر روی تراشه هنوز هم محدود می باشد و دربسیاری موارد کافی نیست.یکی از پیشرفتهای قابل توجه در آن زمان، قابلیت استفاده از حافظه EPROM قابل پاک شدن با اشعه ماورا بنفش، روی تراشه بود.

این قابلیت، زمان طراحی و پیاده سازی محصول را بطور محسوسی کاهش داد و نیز برای اولین بار امکان استفاده از میکرو کنترلر ها را در کاربردهایی که حجم تولید پایینی دارند، فراهم ساخت.

خانواده8051 در اوایل دهه 1980 توسط شرکت اینتل معرفی گردید.

از آن زمان تاکنون8051 یکی ازمحبوبترین میکرو کنترلرها بوده و بسیاری از شرکتها دیگر نیز به تولید آن اقدام کرده اند.

در حال حاضرمدل های مختلفی از 8051 وجود دارد که در بسیاری از آنها امکاناتی نظیر مبدل آنالوگ به دیجیتال حجم نسبتاً بزرگ از حافظه برنامه و حافظه داده، مدولاتور عرض پالس (PWM) در خروجیها و حافظه فلش که امکان پاک کردن و برنامه ریزی مجدد آن توسط سیگنالهای الکتریکی وجود دارد، تعبیه شده است.

میکرو کنترلرها اکنون به سمت 16 بیتی شدن در حرکت هستند.

میکرو کنترلر های 16 بیتی، پردازنده هایی با کارایی بالا (نظیر پردازش سیگنالهای دیجیتال ) می باشند که در کنترل فرایندهای بلادرنگ و در مواردی که حجم زیادی از عملیات محاسباتی مورد نیاز است، به کار برده می شوند.

بسیاری از میکرو کنترلرهای 16 بیتی، امکاناتی نظیر حجم زیاد حافظه برنامه و حافظه داده، مبدل های آنالوگ به دیجیتال چند کانالی، تعداد زیادی درگاه I/O، چندین درگاه سریال، عملکردهای بسیار سریع ریاضی و منطقی و مجموعه دستورالعمل های بسیار قدرتمند با قابلیت پردازش سیگنال را دارا می باشند.

معماری داخلی میکرو کنترلر ها ساده ترین معماری میکرو کنترلر، متشکل از یک ریز پردازنده، حافظه و درگاه ورودی/خروجی است.

ریز پردازنده نیز متشکل از واحد پردازش مرکزی (CPU) و واحد کنترل (CU) است.

CPU درواقع مغز یک ریز پردازنده است و محلی است که در آنجا تمام عملیات ریاضی و منطقی ،انجام می شود.

واحد کنترل ، عملیات داخلی ریز پردازنده را کنترل می کند و سیگنال های کنترلی را به سایر بخشهای ریز پردازنده ارسال می کند تا دستورالعمل ها ی مورد نظر انجام شوند.

حافظه بخش خیلی مهم از یک سیستم میکرو کامپیوتری است.

ما می توانیم بر اساس به کارگیری حافظه، آن را به دو گروه دسته بندی کنیم: حافظه برنامه و حافظه داده .

حافظه برنامه ، تمام کد برنامه را ذخیره می کند.

این حافظه معمولاً از نوع حافظه فقط خواندنی (ROM) می باشد.

انواع دیگری از حافظه ها نظیر EPROM و حافظه های فلش EEPROM برای کاربردهایی که حجم تولید پایینی دارند و همچنین هنگام پیاده سازی برنامه به کار می روند .

حافظه داده از نوع حافظه خواندن / نوشتن (RAM) می باشد .

در کاربردهای پیچیده که به حجم بالایی از حافظه RAM نیاز داریم ، امکان اضافه کردن تراشه های حافظه بیرونی به اغلب میکرو کنترلر ها وجود دارد.

درگاهها ورودی / خروجی (I/O )به سیگنال های دیجیتال بیرونی امکان می دهند که با میکرو کنترلر ارتباط پیدا کند.

درگاههای I/O معمولاً به صورت گروههای 8 بیتی دسته بندی می شوند و به هر گروه نیز نام خاصی اطلاق می شود.

به عنوان مثال ، میکروکنترلر 8051 دارای 4 درگاه ورودی / خروجی 8 بیت می باشد که P3, P2, P1, P0 نامیده می شوند.

در تعدادی از میکرو کنترلر ها ، جهت خطوط درگاه I/O قابل برنامه ریزی می باشد.

لذا بیت های مختلف یک درگاه را می توان به صورت ورودی یا خروجی برنامه ریزی نمود.

در برخی دیگر از میکروکنترلرها (از جمله میکروکنترلرهای 8051) درگاههای I/O به صورت دو طرفه می باشند.

هر خط از درگاه I/O این گونه میکرو کنترلرها را می توان به صورت ورودی و یا خروجی مورد استفاده قرار داد .

معمولاً ، این گونه خطوط خروجی ، به همراه مقاومتهای بالا کش بیرونی به کار برده می شوند.

خانواده 8051 خانواده 8051 یک خانواده میکرو کامپیوتر (میکرو کنترلر ) 8 بیتی تک تراشه ای استاندارد است که بسیار محبوب و عامه پسند می باشد و توسط سازندگان مختلف با قابلیت های متفاوت تولید می گردد.

این آی سی استاندارد اصلی که اولین عضو این خانواده می باشد، 8051 است که یک میکرو کنترلر 40 پایه می باشد.

هم اکنون این آی سی با پیکربندی های مختلف موجود می باشد.

80C51 نوع cmos و کم مصرف این خانواده است.

8751 دارای حافظه برنامه از نوع EPROM است که عمدتاً در هنگام پیاده سازی به کار برده می شود.

89c51 نیز دارای حافظه فلش قابل برنامه ریزی و پاک شدن (PEROM) است لذا بدون نیاز به پاک کردن با اشعه ماورابنفش ، می توان حافظه برنامه را برنامه ریزی کرد.8052 عضو بهینه شده این خانواده می باشد و حافظه RAM آن بیشتر بوده و تعداد تایمر/شمارنده آن نیز بیشتر است.

انواع مختلفی از خانواده 40 پایه وجود دارد که دارای مبدل های آنالوگ به دیجیتال ، مدولاتورهای عرض پالس و نظایر آن هستند.

در بخش پایین خانواده 8051 ، میکرو کنترلر های 20 پایه قرار دارند که از لحاظ کد ، سازگاری کاملی با انواع 40 پایه دارند و این ادوات 20 پایه برای کاربردهایی با پیچیدگی کمتر که نیاز به خطوط I/O کمتری دارند و نیز برای کاربردهایی که باید مصرف توان کمتری داشته باشند (مثل سیستم های قابل حمل)،ساخته شده اند.

آی سی های AT89C2051 و AT89C1051 (ساخت شرکت Atmel)چنین میکرو کنترلرهایی هستند که از لحاظ کد سازگاری کاملی با خانواده 8051 دارند و مصرف توان آنها نیز کمتر است.

8051 یک میکرو کنترلر 8 بیتی با مصرف کم و قابلیت زیاد است.

تعداد زیادی از اعضای خانواده 8051 دارای معماری مشابهی هستند و هر یک از اعضا با اعضای دیگر سازگار می باشند .

قابلیت های میکرو کنترلر 8051 استاندارد به شرح زیر می باشد: · 4 کیلو بایت حافظه برنامه · 8*256 حافظه داده RAM · 32 خط I/O قابل برنامه ریزی · دو عدد تایمر / شمارنده 16 بیتی · 6 منبع وقفه · درگاه UART سریال قابل برنامه ریزی · قابلیت اتصال به حافظه بیرونی · بسته بندی 40 پایه استاندارد مقدمه ای بر میکروکنترلرهای AVR : میکروهای AVR دارای انعطاف پذیری غیر قابل مقایسه و بی همتایی هستند.آنها قادر به ترکیب هر نوع کدی با یک معماری کارامد از طریق زبانهای C و Assembly هستند و قادرند از طریق این برنامه ها تمام پارامترهای ممکن در یک سیکل یا چرخه ماشین را با دقت بسیار بالا هماهنگ کنند.

میکرو AVR دارای معماریی است که میتواند در تمام جهات مورد استفاده شما،عمل کند میکرو AVR معماریی دارد که برای شما کارایی 16 بیتی ارائه می دهد که البته قیمتش به اندازه یک 8 بیتی تمام می شود.

بهره های کلیدی AVR : دارای بهترین MCU برای حافظه فلش در جهان !

(MCU: Master Control Unit) دارای سیستمی با بهترین هماهنگی دارای بالاترین کارایی و اجرا در CPU (یک دستورالعمل در هر سیکل کلاک) دارای کدهایی با کوچکترین سایز دارای حافظه خود برنامه ریز دارای واسطه JTAG که با IEEE 1149.1 سازگار است (IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers.) دارای سخت افزار ضرب کننده روی خود دارای بهترین ابزارها برای پیشرفت و ترقی دارای حالات زیادی برای ترفیع دادن یا Upgrade .

واژگان کلیدی AVR : میکرو کنترلر AVR به منظور اجرای دستورالعملهای قدرتمند در یک سیکل کلاک(ساعت) به اندازه کافی سریع است و می تواند برای شما آزادی عملی را که احتیاج دارید به منظور بهینه سازی توان مصرفی فراهم کند.

میکروکنترلر AVR بر مبنای معماری RISC(کاهش مجموعه ی دستورالعملهای کامپیوتر) پایه گذاری شده و مجموعه ای از دستورالعملها را که با 32 ثبات کار میکنند ترکیب می کند.

به کارگرفتن حافظه از نوع Flash که AVR ها به طور یکسان از آن بهره می برند از جمله مزایای آنها است.

یک میکرو AVR می تواند با استفاده از یک منبع تغذیه 2.7 تا 5.5 ولتی از طریق شش پین ساده در عرض چند ثانیه برنامه ریزی شود یا Program شود.

میکروهای AVR در هرجا که باشند با 1.8 ولت تا 5.5 ولت تغذیه می شوند البته با انواع توان پایین (Low Power)که موجودند.

راه حلهایی که AVR پیش پای شما می گذارد، برای یافتن نیازهای شما مناسب است: با داشتن تنوعی باور نکردنی و اختیارات فراوان در کارایی محصولات AVR، آنها به عنوان محصولاتی که همیشه در رقابت ها پیروز هستند شناخته شدند.در همه محصولات AVR مجموعه ی دستورالعملها و معماری یکسان هستند بنابراین زمانی که حجم کدهای دستورالعمل شما که قرار است در میکرو دانلود شود به دلایلی افزایش یابد یعنی بیشتر از گنجایش میکرویی که شما در نظر گرفته اید شود می توانید از همان کدها استفاده کنید و در عوض آن را در یک میکروی با گنجایش بالاتر دانلود کنید.

خانواده های محصولات AVR : Tiny AVR: میکروکنترلری با اهداف کلی و با بیش از 4 کیلو بایت حافظه فلش و 128 بایت حافظه استاتیک و قابل برنامه ریزی است.(منظور از حافظه استاتیک SRAM و حافظه قابل برنامه ریزی EEPROM است.) Mega AVR: این نوع میکروها قابلیت خود برنامه ریزی دارند و می توان آنها را بدون استفاده از مدارات اضافی برنامه ریزی کرد همچنین بیش از 256K بایت حافظه فلش و 4K بایت حافظه استاتیک و قابل برنامه ریزی دارند.

LCD AVR: این نوع میکرو دارای درایور برای نمایشگر LCD با قابلیت کنترل اتوماتیک تباین و مقایسه تصویر می باشد.باعث تمدید عمر باتری می شود و در حالت فعال دارای توان مصرفی پایینی است.

توان مصرفی پایین: توان مصرفی پایین آنها برای استفاده بهینه از باتری و همچنین کاربرد میکرو در وسایل سیار و سفری طراحی شده که میکروهای جدید AVR با توان مصرفی کم از شش روش اضافی در مقدار توان مصرفی ، برای انجام عملیات بهره می برند.

این میکروها تا مقدار 1.8 ولت قابل تغذیه هستند که این امر باعث طولانی تر شدن عمر باتری می شود.

در میکروهای با توان پایین ، عملیات شبیه حالت Standby است یعنی میکرو می تواند تمام اعمال داخلی و جنبی را متوقف کند و کریستال خارجی را به همان وضعیت شش کلاک در هر چرخه رها کند!

ابعاد مختلف میکروهای AVR را در اشکال زیر مشاهده می کنید: AVR های مدل tiny: به خود اجازه ندهید که نام آن شما را گول بزند...

میکروهای مدل tiny توانایی های عظیمی دارند.به خاطر کوچک بودن و داشتن MCU بسیار پر قدرت به اینگونه میکروها نیاز فراوانی هست آنها به هیچ منطق خارجی نیاز نداشته و به همراه یک مجتمع مبدل آنالوگ به دیجیتال و یک حافظه قابل برنامه ریزی EEPROM قابلیتهای خود را ثابت می کنند.

نکات کلیدی و سودمند مدل Tiny : آنها به منظور انجام یک عملیات ساده بهینه سازی شده و در ساخت وسایلی که به میکروهای کوچک احتیاج است کاربرد فراوان دارند.

کارایی عظیم آنها برای ارزش و بهای وسایل موثر است.

AVR های مدل Mega: اگر شما به میکرویی احتیاج دارید که دارای سرعت و کارایی بالا باشد و توانایی اجرای حجم زیادی از کد برنامه را داشته و بتواند داده های زیادی را سروسامان دهد باید از AVR های مدل Mega استفاده کنید آنها به ازای هر یک مگا هرتز سرعت ، توانایی اجرای یک میلیون دستورالعمل در هر یک ثانیه را دارند همچنین قابل برنامه ریزی و بروزرسانی کدها با سرعت و امنیت بسیار بالایی هستند.

نکات کلیدی و سودمند مدل Mega : حافظه سریع از نوع فلش با عملکرد خود برنامه ریز و بلوکه ی بوت (Boot Block) دقت بسیار بالای 8-کانال در تبدیل آنالوگ به دیجیتال 10 بیتی USART و SPI و TWI بر طبق واسطه های سریال واسطه ی JTAG بر طبق IEEE 1149.1 واسط JTAG فقط در میکروهای با بیش از 16 کیلوبایت حافظه فلش موجود است.

AVR های مدل LCD: آنها با بالاترین یکپارچگی و انعطاف پذیری ممکن طراحی شده اند و با داشتن درایور LCD و کنترلر اتوماتیک وضوح تصویر ،بهترین واسطه را با انسان دارند و دارای توان مصرفی پایین و کارایی بالایی هستند.اولین عضو این خانواده 100 سگمنت داشت و دارای یک UART و SPI به منظور ارتباط به صورت سریال بود.

نکات کلیدی وسودمند مدل LCD : کارایی فوق العاده با سرعت یک میلیون دستورالعمل در ثانیه به ازای یک مگاهرتز واسطه ها برای ارتباط با انسان: وقفه های صفحه کلید و درایور نمایشگر LCD آنها این اجازه را به طراح سیستم می دهند که توان مصرفی را در برابر سرعت پردازش تا جایی که امکان دارد بهینه کند.

نکات کلیدی و سودمند حافظه ی فلش خود برنامه ریز: قابلیت دوباره برنامه ریزی کردن بدون احتیاج به اجزای خارجی 128 بایت کوچک که به صورت فلش سکتور بندی شده اند داشتن مقدار متغیر در سایز بلوکه ی بوت (Boot Block) خواندن به هنگام نوشتن بسیار آسان برای استفاده کاهش یافتن زمان برنامه ریزی کنترل کردن برنامه ریزی به صورت سخت افزاری راههای مختلف برای عمل برنامه ریزی: موازی یا Parallel : یکی از سریعترین روشهای برنامه ریزی سازگار با برنامه نویس های(programmers) اصلی خود برنامه ریزی توسط هر اتصال فیزیکی: برنامه ریزی توسط هر نوع واسطه ای از قبیل TWI و SPI و غیره دارا بودن امنیت صد درصد در بروزرسانی و کدکردن ISP: واسطه سه سیمی محلی برای بروزرسانی سریع آسان و موثر در استفاده واسطه JTAG : واسطه ای که تسلیم قانون IEEE 1149.1 است و می تواند به صورت NVM برنامه ریزی کند یعنی هنگام قطع جریان برق داده ها از بین نروند.استفاده از فیوزها و بیتهای قفل.

بیشتر برای دیباگ کردن آنچیپ و به منظور تست استفاده می شود پروگرامرهایی که AVR های خاصی را پشتیبانی می کنند: مقایسه ریز پردازنده و میکرو کنترلر ریز پردازنده یک IC است که فقط شامل CPU است اما میکرو کنترلر مدارات اضافی دیگری در داخل همان IC قرار داده شده است که میکرو کنترلر را تبدیل به یک میکرو کامپیوتر کرده است ( البته در مقیاس کمتر) مدارات دیگری همانند ROM,RAM,timer, و رابط سریال و پردازش وقفه و...

اما برای اینکه یک میکروپروسسور به عنوان یک میکرو کامپیوتر عمل کند به مدارات ذکر شده بالا در خارج IC نیازمندیم که این مدارات هم حجم و هم هزینه را به طور نمایی افزایش می دهند .

اما ریز پردازنده و میکرو کنترلر از نظر معماری داخلی به هیچ وجه قابل مقایسه نیستند ریز پردازنده برای انجام اعمال پردازشی بسیار پیچیده در سرعت بالا طراحی شده است و نتیجتا معماری آن بسیار پیچیده تر از معماری میکرو کنترلر خواهد بود .

تفاوت دیگر میکرو کنترلر و میکرو پروسسور در مصرف توان آنهاست .میکرو کنترلر توان بسیار کمتر از توان مصرفی میکرو پوسسور لازم دارد چون مدارات آن نسبت به میکروپروسسور بسیار کمتر است و این یک مزیت برای طراحی مدارات می باشد.

ICE50ICE40ICE200JTAGICE mkllJTAGICESTK502STK501STK500AVRISPProduct**Tiny11***Tiny12*****Tiny13**Tiny15****Tiny26*Tiny28****Tiny2313**90S1200**90S2313**90S2323**90S2343****Mega8****Mega8515****Mega8535*****Mega16****Mega162*****Mega32******Mega64******Mega128****Mega48****Mega88****Mega168******Mega169