• Petus
• April 14 2021
• Komerce
• 929x Přečteno

Obsah:
Rodina mikrokontrolérů PIC32CM, řada MC
- Řízení práce motorů pomocí mikrokontrolérů PIC32CM
- Programování mikrokontrolérů s použitím MPLAB X a Harmony
Mikrokontroléry z rodiny PIC32MK GPG a MCM
- Displeje a dotykové uživatelské rozhraní s PIC32
- Certifikace a knihovny pro bezpečná IoT zařízení
Prototypování s mikrokontroléry PIC32CM a PIC32MK
- Deska Curiosity Nano – jak začít pracovat s PIC32?
- Sada PIC32CM Curiosity Pro (EV15N46A)
- Modul PIC32CM Motor Control Plug-In a sady MCHV-2 a MCHV-3
- Modul s mikrokontrolérem PIC32MK

Rodina mikrokontrolérů PIC32CM, řada MC

Široké portfolio 32bitových mikrokontrolérů PIC® je rozděleno do několika rodin, z nichž každá se vyznačuje sadou specifických funkcí. Nejnovější je rodina PIC32CM „MC“, kde „MC“ znamená motor control“. Jedná se o řízení práce motorů, protože hlavně pro tento účel jsou určeny. Tyto 32bitové komponenty jsou založeny na architektuře ARM® Cortex®- M0+. Mohou být taktovány signálem s frekvencí až 48 MHz, mají vestavěnou paměť Flash (až 128 KB) a 16 KB paměti SRAM. Provozní napětí se pohybuje v rozmezí 2,7 V až 5,5 V DC. Díky tomuto rozpětí se osvědčí v jednoduchých obvodech napájených akumulátory, např. jedním lithium-polymerovým (LiPo) článkem nebo lithium-iontovým (Li-Ion) článkem. Tímto způsobem navíc předběžně získaly odolnost proti kolísání napětí, které napájení elektromotorů doprovází. Jsou také navrženy tak, aby byly odolné proti elektromagnetickému rušení (EMC).

V systémech řady PIC32CM „MC“ najdeme různá řešení pro usnadnění řízení motorů. Prvním je vestavěný PDEC (Positional Decoder), tzn. obvod, díky kterému mikrokontrolér získává informace o aktuální poloze rotoru. Umožňuje to přesné a ergonomické řízení pohonu – napájení dalších vinutí motoru probíhá při optimálním úhlu otáčení komutátoru. Vývojář tak získává plnou kontrolu nad prací motoru – dokonce i při vysokých zatíženích, kdy by nemuselo stačit řízení jen pomocí signálu PWM.

Řízení práce motorů pomocí mikrokontrolérů PIC32CM

Program, který řídí pohon, je nejčastěji založen na podmíněných příkazech. Směr a rychlost otáčení motoru závisí na údajích o stavu zařízení. Mikrokontrolér může tyto informace získávat pomocí jednoduchých binárních signálů, přicházejících např. z koncových spínačů. Stále častěji se však setkáváme se situacemi, kdy jsou data odebírána z akcelerometrů, optických senzorů nebo senzorů magnetického pole atd. Komunikace s těmito systémy obvykle vyžaduje, aby byl do programu implementován alespoň jeden protokol (např. SPI nebo I2C). Se zvyšujícím se počtem periferních zařízení, ale i rostoucí složitostí celého obvodu, se konstruktéři často setkávají s omezenými hardwarovými prostředky mikrokontroléru. Například jeho časovače (čítače) lze použít ke generování přerušení, avšak mohou být také používané různými knihovnami k podpoře komunikačních protokolů – naproti tomu jsou nezbytné pro řízení motorů. Stává se, že se již samotné získávání, zpracování a přenos dat promítne do maximálního počtu kontrolovaných zařízení a vynutí si použití dalších externích multiplexů a ovladačů. Řada mikrokontrolérů PIC32CM „MC“ má mnoho řešení, která usnadňují navrhování složitých řídicích systémů a zároveň omezují na minimum počet externích komponentů.

Řízení motoru v projednávaných systémech probíhá pomocí k tomuto účelu vyhrazených a vestavěných časovačů a čítačů (TTC). Pracují nezávisle na ostatních periferních zařízeních mikrokontroléru, takže řídicí signály jsou přesné a nejsou rušeny vedlejšími úkoly prováděnými programem. Systémy PIC32 MC mají také vestavěné čtyři hardwarové moduly sériové komunikace (SERCOM), které lze nakonfigurovat pro přenos dat prostřednictvím rozhraní USART, SPI, I2C, RS485 nebo LIN – tedy nejoblíbenějších standardů používaných v průmyslových vestavěných systémech. Vyhrazená, 12bitová datová sběrnice vybavená CRC modulem (minimalizujícím komunikační chyby), umožňuje výměnu dat mezi pamětí mikrokontroléru a periferními zařízeními, s vynecháním jeho jádra, a to díky mechanismu přímého přístupu k paměti (DMA, Direct Memory Access). Toto řešení nezpůsobuje zpoždění při provádění programu.

Programování mikrokontrolérů s použitím MPLAB X a Harmony

Psaní aplikací pro mikrokontroléry PIC32 probíhá v prostředí MPLAB® X. Jedná se o integrované řešení, které dovoluje plně využít možnosti systémů Microchip. Jako autorské řešení výrobce umožňuje MPLAB X použití stejného kódu na různých hardwarových platformách tohoto výrobce (pokud mají kompatibilní funkce), čímž umožňuje snadnou migraci mezi různými rodinami mikrokontrolérů v každé fázi tvorby aplikace. Uživatelsky přívětivé rozhraní poskytuje vývojářům přehled o všech informacích týkajících se programovaného mikrokontroléru a operací, které provádí. Překrytí MPLAB® Harmony obsahuje více než 1000 bezplatných ukázkových programů a také mnoho knihoven, které poskytují vynikající vzdělávací základnu a pomáhají s vývojem projektu. Další podrobnosti o obsahu a funkčnosti prostředí MPLAB® X / Harmony budou popsány níže, a to v rámci rodiny PIC32MK.

Mikrokontroléry rodiny PIC32MK GPG a MCM

V náročnějších projektech, kde je dohled nad motory jen jednou z mnoha funkcí prováděných mikrokontrolérem, mohou být vhodnějším řešením rozsáhlejší systémy PIC32MK. Tvoří je mimo jiné řady „GPG“ a „MCM“. Tyto úzce související produkty sdílejí většinu vlastností. Rozdíly nejsou velké, ale v některých aplikacích se mohou ukázat jako zásadní. V případě řady „MCM” má Flash paměť maximální objem až 1 MB (512 kB pro „GPG“), v těchto systémech byla umístěna další smyčka fázové synchronizace pro rozhraní USB, počet analogových vstupů byl navýšen na 42 a bylo také použito 6 (namísto 2) SPI/I komunikačních modulů 2C. Vzhledem k tomu, že charakteristiky obou řad se příliš neliší, pojďme se níže podívat na celou rodinu PIC32MK.

Mikrokontroléry PIC32MK „GPG“ a „MCM“ jsou založené na architektuře MIPS32 a mají impozantní sadu funkcí. Systémy umožňují ovládat motory DC pomocí PWM signálů (v 9 nebo 12 párech), ale také práci s bezkartáčovými pohony stejnosměrného proudu (BLDC), a dokonce i s jejich variantou se střídavým proudem, tedy PMSM (někdy nazývané BLAC) s použitím algoritmů, které nepoužívají externí senzory polohy. Systémy mají hardwarovou podporu pro výpočet s pohyblivou řádovou čárkou (matematický koprocesor), nabízejí sedm 12bitových převodníků ADC se vzorkovací frekvenci 3,75 Msps, multiplexovaných na 30 nebo 42 kanálů, a mají osm kanálů s přímým přístupem k paměti DMA. Na desce mikrokontrolérů jsou umístěny desítky významných periferií, mimo jiné: hodiny reálného času (RTC), až osm časovačů / čítačů s rozlišením 32 bitů, tři 12bitové C/A (DAC) převodníky, 4 operační zesilovače a 5 komparátorů.


PIC32MK GPG


PIC32MK MCM

Displeje a dotykové uživatelské rozhraní s PIC32

Vývojář při práci s mikrokontroléry Microchip získává širokou škálu možností uživatelského rozhraní: systémy jsou vybaveny paralelním portem (PMP) pro podporu displejů z tekutých krystalů (LCD) a vestavěným CVD převodníkem, díky kterému mohou mikrokontroléry fungovat jako maticový ovladač dotykové klávesnice vyrobené v kapacitní technologii. Návrh systému předpokládá podporu až šesti kanálů I2S, čili protokolu, který realizuje bezztrátový přenos PCM vzorků do převodníků zvuku. A navíc mohou být všechny piny vstupu/výstupu použity ke generování přerušení, takže se systém PIC32MK dokonale osvědčí jako řídicí jednotka i pro rozsáhlejší systémy. Zde stojí za zmínku, že pět výstupů může být naprogramováno tak, aby se v případě překročení určitého napětí spustilo přerušení, což mimo jiné usnadňuje integraci mikrokontroléru s analogovými senzory. Přestože je mikrokontrolér napájen napětím v rozmezí 2,3 V až 3,6 V DC, snášejí porty GPIO napětí až 5 V DC.

Certifikace a knihovny pro bezpečná IoT zařízení

Stejně jako u dříve popsaných řad je programovacím prostředím systémů PIC32MK MPLAB X s překrytím Harmony. Knihovny, které jsou zpřístupněné výrobcem, nabízejí širokou škálu možností. Podle potřeby může uživatel použít podporu zásobníku TCP/IP, USB komunikaci a technologii mTouch® (vytváření dotykových tlačítek, posuvníků atd.). Vývojáři spotřebitelských zařízení mají možnost vytvořit zvukovou aplikaci založenou na standardech Bluetooth v operačních systémech Android nebo MFi (Apple). Mezi ukázkovými programy poskytovanými výrobcem je také příklad použití knihovny wolfSSL. Jedná se o jedno z nejpopulárnějších řešení, pokud jde o zabezpečení komunikace pro IoT zařízení – umožňuje šifrovaný přenos dat prostřednictvím protokolů SSL a TLS 1.3. Knihovna bude obzvláště důležitá pro vývojáře, kteří na základě PIC32MK projektují mobilní zařízení založená na širokopásmovém připojení.

Když už mluvíme o spotřebním zboží a bezpečnosti je třeba se také zmínit o knihovně Class-B Safety. Jedná se o výrobcem vyvinutou sadu nízkoúrovňových postupů, která zaručuje, že zařízení založená na mikrokontroléru PIC32 splňují bezpečnostní normy IEC 60335 a IEC 607030. Tyto požadavky se vztahují nejen na spotřebitelské zařízení, ale také na vybavení používané profesionály. Certifikace IEC 60730 se stala povinnou pro každý výrobek prodávaný v Evropě. Toto však nebude překážkou pro výrobce, kteří používají řešení Microchip. Vzhledem k tomu, že knihovna Class-B Safety byla testována na všech platformách dodavatele, aplikace na ní založené nemusí procházet dalším testováním, čímž se výrazně zkracuje doba uvedení výrobku na trh. Microchip navíc nabízí profesionální podporu všem inženýrům, kteří mají zájem používat ve svých projektech knihovnu Class-B Safety .

Za zmínku také stojí, že mikrokontroléry PIC32MK podporují technologii microMIPS. Podle jejích předpokladů je většina funkcí 32bitového procesoru dostupná z 16bitových instrukcí, což umožňuje kompresi kódu a snižuje jeho objem až o 25 %.

Prototypování s mikrokontroléry PIC32CM a PIC32MK

Nabídka TME zahrnuje také vývojové kity PIC32. Pro každého vývojáře se stanou vynikajícími platformami pro testování, vývoj a zlepšování zařízení. Umožňují přístup ke všem funkcím zmíněných mikrokontrolérů, a také pomáhají při navrhování konstrukce cílového zařízení.

Nejprve se podívejme na řešení se systémy PIC32CM.

Deska Curiosity Nano – jak začít pracovat s PIC32?

Tato malá vývojová sada, která se vejde do dlaně, poskytuje přístup k většině funkcí PIC32CM. Je zároveň cenově atraktivní a pro její programování nejsou potřeba žádná další zařízení (protože má integrovaný programátor / debugger). Zcela určitě by se s tímto výrobkem měli seznámit všichni, kdo právě začínají pracovat se systémy PIC32 a chtějí si rozšířit své znalosti v oblasti nejmodernějších mikrokontrolérů.

Deska se symbolem EV10N93A je vybavena systémem PIC32CM1216MC00032, jehož GPIO piny jsou vyvedeny do PCB plošek (pro připájení konektorů goldpin nebo díky přítomnosti okrajových konektorů pro montáž desky jako součásti připájené k PCB), zásuvka Micro USB pro napájení a programování systému, jedno tlačítko a také diody signalizující provozní stav zařízení. Kit je v prostředí MPLAB® X plně podporován.

Kit PIC32CM Curiosity Pro (EV15N46A)

Další kit vybavený mikrokontrolérem PIC32CM1216MC00048. Má všechny vlastnosti Nano kitu, ale v případě EV15N46A uživatel získá další tlačítka a výstupy všech pinů mikrokontroléru na několika konektorech goldpin (samostatně pro GPIO, řídící signály, a také C/A měniče a C/A), samostatný port pro programátora/debuggera s SWD rozhraním, externí oscilátor pro RTC hodiny a také měřicí bod intenzity proudu, který umožňuje přesně zkontrolovat a optimalizovat spotřebu energie mikrokontroléru a jím řízených motorů.

Modul PIC32CM Motor Control Plug-In a kity MCHV-2 a MCHV-3

Modul se symbolem EV94F66A, tedy PIC32CM Motor Control Plug-In, má mikrokontrolér PIC32CM1216MC0048 se základními součástmi, které jsou nezbytné pro jeho provoz. Modul také obsahuje programátorský port ISP a 100pinový konektor nutný pro instalaci modulu na prototypovou desku nebo ve vývojové sadě. Vyhrazenými vývojovými sadami jsou produkty MCHV-2 a MCHV-3, které jsou nástroji pro vývoj projektů, řídící silnoproudé motory používané např. v domácích spotřebičích.

Modul PIM spolu s vývojovým kitem urychlí proces projektování, protože jsou zde přítomné všechny ovládací a řídící prvky pohonu. Vývojář se proto může zaměřit na navrhování funkčnosti ovladače a optimalizaci programového kódu, přičemž má k dispozici plně funkční prototyp. Kity MCHV jsou napájeny střídavým proudem s napětím v rozmezí 85 V až 260 V AC. Napájecí zdroj kitu může dodávat proud 6,5 A a pracovat s třífázovým zatížením až 2 kVA (může to být motor invertorové pračky, ale také složité zařízení v segmentu průmyslové automatizace). Vývojové desky jsou navrženy tak, aby komponenty, které jsou na nich umístěny, mohly převzít funkce určitých prvků umístěných uvnitř mikrokontroléru – například provozních zesilovačů, které nejsou přizpůsobeny pro velké zátěže.

Modul s mikrokontrolérem PIC32MK

Výhodou 100pinového konektoru použitého v deskách MCHV je jeho univerzálnost. Do slotu lze umístit jak moduly PIC32MC, tak i moduly vybavené mikrokontrolérem PIC32MK. Produkty v této skupině však díky své široké funkčnosti mohou být jádrem nezávislého integrovaného zařízení – nejen dohlížejícího na provoz motorů, ale také vybaveného uživatelským rozhraním, modulem síťové komunikace a mnoha dalšími funkcemi. Vývoj takového projektu je komplikovaný, ale použití hotového modulu s mikrokontrolérem PIC32MK1024MCM urychluje vývojové práce. Zatímco desky MCHV usnadňují práci na projektu v jeho rané fázi, modul MA320211 (PIC32MK MCM Motor Control Plug-In Module) lze znovu použít, během testování prototypu zařízení / ovladače, pro vývojové práce na jiných prvcích projektu (komunikace HMI Human Machine Interface přenos dat atd.).

Celé portfolio PIC32 Microchip najdete na https://www.tme.eu/cz/katalog/

Článek byl převzat z webu https://www.tme.eu