• Petus
• June 27 2022
• Komerce
• 812x Přečteno

V posledních letech jsou stále populárnější integrované platformy vybavené mikrokontroléry (nejznámější značkou je zde pravděpodobně Arduino). Díky všeobecné dostupnosti a široké podpoře od výrobců a komunity uživatelů se jedná o snadno naučitelné, všestranné vývojové nástroje. V profesionálních podmínkách, např. v procesu prototypování mobilních zařízení, je však nevýhodou těchto produktů omezený počet podporovaných systémů. Proto během laboratorních prací a ve fázi projektování zůstávají nejspolehlivějším řešením vývojové platformy připravené samotnými výrobci systémů. Zde je třeba zdůraznit, že jejich pozornosti neunikly výhody oblíbených řešení ze spotřebitelského segmentu: jejich snadná přizpůsobitelnost a dostupnost. Dnes jsou na trhu k dispozici jednoduché v použití vývojové desky připravené předními výrobci mikrokontrolérů – především společností Microchip, jejíž portfolio zahrnuje systémy z rodin PIC® a AVR®. Níže uvádíme jedno z prototypových řešení tohoto výrobce z řady Curiosity Nano.

Produkty řady Curiosity Nano

Microchip Curiosity Nano (nebo MC Nano) je vývojová platforma určená především pro 8bitové PIC® a AVR® mikrokontroléry. S jejich pomocí lze také vyvíjet aplikace vybavené některými 32bitovými produkty z rodin PIC32 a SAM s architekturou ARM® Cortex®. Nabídka TME zahrnuje v rámci této platformy 15 vývojových desek a 2 základové desky. Bez ohledu na použitý systém je platforma Curiosity Nano navržena tak, aby co nejvíce urychlila vývoj nových aplikací a v důsledku toho zkrátila dobu mezi fází prototypování a zavedením do sériové výroby. Příklad využití řešení MC Nano v procesu dynamického vývoje projektu uvádíme v následujícím videu.


Příklad MC Nano desky, která využívá 32bitový systém řady PIC32CM.

Klíčové vlastnosti platformy MC Nano

Vývojové desky, jež jsou součástí platformy, jsou k dispozici v mnoha velikostech (délkách) v závislosti na velikosti mikrokontroléru, který je v nich použit. Nejmenší z desek jsou určeny pro systémy s 20 piny (včetně 16 GPIO pinů), zatímco největší obsahují MCU v pouzdru se 48 piny, což znamená 40 pinů vstup/výstup. Bez ohledu na délku sdílejí produkty, jež jsou součástí platformy, klíčové fyzikální vlastnosti (mimo jiné šířku desky, rozteč pinů, přítomnost zásuvky MicroUSB určené k napájení, komunikaci a programování) a technické vlastnosti, což umožňuje bezproblémovou migraci mezi jednotlivými modely. Kromě toho výrobce oznamuje, že platforma se bude vyvíjet spolu s nabídkou mikrokontrolérů. Lze očekávat, že nově představené systémy Microchip se objeví na deskách z rodiny Curiosity Nano a poskytnou projektantům pohodlí při práci s nejmodernějšími řešeními v osvědčeném a známém prostředí.

Obsah balení

Vhodně navržené otvory eliminují nutnost pájení konektorů.

Dva kolíkové konektory jsou součástí MC Nano. Již na první pohled si můžete všimnout zajímavého konstrukčního řešení použitého společností Microchip. Pole GPIO, rozmístěna na PCB desce s roztečí 2,54 mm, obsahují jak okrajové konektory, tak i otvory. V obou případech se jedná o metalizované průchodky, jež jsou přizpůsobeny pro montáž kolíkových konektorů. Malý příčný posun otvorů vůči sobě zajišťuje těsné osazení kolíkových konektorů, optimální parametry připojení a prakticky eliminuje nutnost jejich pájení(i když se to doporučuje). Po jejich instalaci lze PCB namontovat do větší kontaktní desky, vyhrazené základové desky nebo adaptéru (dostupné a kompatibilní produkty jsou popsány v další části článku).

Systémy v obvodech PCB

Platforma Microchip Curiosity Nano má řadu nadřazených funkcí, které sdílejí všechny modely řady. V centrální části desky se nachází mikrokontrolér (C), jehož piny jsou spojeny s poli na okrajích PCB desky (F) a krystalový rezonátor (D). Pro účely jednoduchého prototypování jsou na desce nainstalovány tlačítko (A) a LED dioda (B). Na rozdíl od platformy Arduino přepínač neplní funkci resetu. Je připojen k pinu vstupu/výstupu mikrokontroléru (adresa vyhrazeného vývodu, jež je vyznačená na PCB, je u různých modelů řady odlišná). Pro komunikaci a napájení systému se používá zásuvka USB Micro (G).



Přenos dat mezi MC Nano a počítačem (systémem, IDE softwarem, komunikačním terminálem atd.) probíhá přes virtuální COM port. Většina probíraných desek bude po připojení k PC rozpoznána operačním systémem jako externí disk s označením „CURIOSITY“. Postačí zkopírovat do tohoto zařízení soubor .hex – a programování mikrokontroléru proběhne automaticky. Tato funkce je možná, protože MC Nano desky mají vestavěný nEDBG systém, tedy debugger/programátor (E). Jeho přítomnost umožňuje provozovat probírané výrobky bez použití dalších zařízení. Díky tomu mikrokontrolér není navíc zatížen podporou bootloaderu, což urychluje provádění cílového programu a uvolňuje paměť.
V obvodech MC Nano je navíc použit programovatelný regulátor napětí. Umožňuje definovat rozsah provozního napětí a napájení mikrokontroléru v rozmezí od 1,8 V do 5 V DC.

Standardizace vývodů

Jednou z výhod platformy Microchip je standardizace vývodů. Bez ohledu na vybraný model desky a na ní instalovaný mikrokontrolér jsou pole umístěná na okrajích PCB desky připojena k pinům programátoru, debuggeru a centrálního systému se stejnou funkčností. Tedy: pořadí konektorů na desce se neshoduje s číslováním vývodů mikrokontroléru – je však neměnné pro celou řadu MC Nano. Tento standard platí pro prvních (počítáno ze strany konektoru USB) 28 pinů.
Vývody jsou rozděleny do několika sekcí. První z nich byla definována jako DEBUG (skupina systémových připojení). Tyto piny se používají ke komunikaci s obvodem nEDBG. Zde se nacházejí také napájecí vstupy (VBUS, nastavitelný VTG), zemnění GND a pin VOFF, který řídí provoz vestavěného regulátoru napětí. V případě potřeby je dokonce možné jej vypnout. Uživatel má také k dispozici linky sériové komunikace (Virtual COM Port): CDC RX/TX. Další 4 piny DBG1-DBG4 patří do rozhraní debuggeru. Které rozhraní je podporováno konkrétním modelem desky, závisí na typu mikrokontroléru. Pro PIC systémy to bude rozhraní ICSP™ a MCLR, pro AVR rozhraní UPDI, zatímco pro ARM® - rozhraní SWD.



Další vývody jsou komunikační (COM) a analogové (ANALOG) sekce. Jsou také společnou vlastností řady MC Nano. Sekce COM seskupuje piny pro komunikaci prostřednictvím: UART, sběrnice I2C a SPI. Na opačném okraji PCB jsou umístěny analogové vstupy, tedy vývody vestavěných do mikrokontroléru analogově-digitálních převodníků. Nejčastěji mohou také fungovat jako výstupy pro počítadla (časovače) a generátory signálu PWM. Tyto vývody samozřejmě nelze programově namapovat na libovolném pinu mikrokontroléru (jako je tomu u digitálních vstupů/výstupů). Standardizace jejich polohy na desce se promítá do pohodlí používání a migrace mezi jednotlivými modely vývojových desek. Pokud má nainstalovaný na desce mikrokontrolér více vstupů ADC nebo výstupů PWM, jsou k dispozici v další sekci: GPIO. Zde je mapování libovolnější, protože počet a možnosti portů vstupu/výstupu jsou striktně závislé na funkčnosti centrálního systému. Přesné informace o tom, který fyzický pin byl přiřazen ke konkrétnímu konektoru, naleznete v dokumentaci. Je k dispozici po připojení desky NC Nano k USB portu počítače. Velkokapacitní paměťové zařízení (které bude detekováno systémem a prezentováno jako disk s označením „CURIOSITY“) obsahuje soubor KIT-INFO.HTM – a v něm podrobné informace o funkčnosti každého vývodu, který se nachází na daném modelu desky.
 
 
Zařízení MC Nano obsahují velkokapacitní paměť s nahranou digitální dokumentací.

Funkce vestavěného debuggeru

Debugger vestavěný do desky Curiosity Nano (nazývaný PKOB nano, nEDBG nebo nano debugger) má základní funkcionalitu, tedy: řízení průběhu provádění programu (flow control – start, stop, krokové spouštění, reset); čtení a ukládání obsahu non-volatilní paměti mikrokontroléru; podpora zarážek (breakpoint) v počtu závislém na typu systému.
Firmware vestavěného debuggeru lze aktualizovat pomocí vývojového prostředí MPLAB® IDE nebo Microchip Studio. PKOB nano je o něco pomalejší než analogická řešení, jako je například programátor PICkit™ 4. Má také určitá omezení, např. nemůže zapisovat do určitých oblastí flash paměti mikrokontroléru. Na druhou stranu: chrání to proti náhodnému přepsání paměťových oblastí odpovědných za samotný proces debuggování nebo proti nežádoucí změně hodnot fuse bits v případě mikrokontrolérů AVR®. Pozitivní je také skutečnost, že díky přítomnosti PKOB nano je deska automaticky rozpoznána ve vývojových prostředích MPLAB IDE a Microchip Studio. Po připojení desky získá uživatel okamžitě přístup k ukázkovým programům, dokumentaci, elektrickému schématu, schématu vývodů, katalogové datové kartě mikrokontroléru atd.
Na konci tohoto článku najdete video materiály představující příklady a základy programování desek Curiosity Nano.

Základové desky a kompatibilní moduly

Součástí nabídky TME je také řada příslušenství a doplňkových produktů, které usnadní první kroky s platformou MC Nano, a zlepší tak i samotné prototypování. Výše popsaná standardizace vývodů produktových řad Microchip umožňuje používat s nimi adaptéry, rozšiřující desky a digitální moduly: senzory, řadiče, rozhraní atd.

Vývojové desky a adaptéry

 


Prototypová deska Curiosity Nano Base s vývody pro moduly Click.
Pomocí kolíkových konektorů lze každý model MC Nano umístit do základové desky. Nabídka TME zahrnuje dva modely těchto výrobků: AC164162 je vybaven konektory, které jsou kompatibilní mimo jiné s moduly Mikroelektronika a Microchip. Druhým řešením je vývojová sada AC80T88A, ke které je možné připojit výrobky z rodiny Xplained Pro. V obou případech má uživatel k dispozici samostatný spínač napájení a nezávislé vývody všech portů a získává pohodlnou a stabilní základnu zlepšující komfort práce. Nespornou výhodou modelu AC164162 je vestavěný kontrolér nabíjení akumulátorů. To zlepšuje prototypování mobilních zařízení – aplikací, pro které je určeno mnoho mikrokontrolérů Microchip.

Moduly řady Click®

Díky standardizaci komunikačních vývodů v rámci řady MC Nano lze tyto produkty rychle kombinovat s mnoha standardizovanými moduly – především řadou Click® od výrobce Mikroelektronika. V současné době se jedná o nejpočetnější rodinu univerzálních rozšíření pro mikrokontroléry. Pro přenos dat používá standard MikroBUS (kombinující několik komunikačních metod). Aktuálně je v nabídce TME dostupných přes 1000 výrobků z rodiny Click® Board. Jedná se o četné komunikační systémy (RF, WiFi, Bluetooth, ZigBee, GSM), senzory, měřiče (ampérmetry, voltmetry), užitečné příslušenství v podobě čteček paměťových karet a RFID, GPS přijímače, stejně jako prvky rozhraní (tlačítka, klávesnice, kontrolky) a četné méně typické obvody, např. smíšené (FM a AM tunery), audio zesilovače.
 

Komunikační modul WiFi řady Click.

Srovnání produktů MC Nano

Jednou z největších výhod řady MC Nano je široký výběr mikrokontrolérů instalovaných na této platformě. Níže uvedená tabulka ukazuje aktuálně dostupné systémy přímo z katalogu TME, ale tato nabídka se zcela jistě ještě rozšíří.


 
Již na příkladu současného sortimentu je patrné, jak široké spektrum zahrnují prototypové desky z rodiny Microchip Curiosity Nano. V případě jednoduchých mobilních aplikací, kde klíčovým faktorem je energetická účinnost, budou nejlepší volbou desky vybavené systémy ATTINA (vynikajícím příkladem takového produktu je sada DM080104): vhodné pro projekty s nízkou spotřebou energie, perfektní pro použití jako ovladače, např. v elektronice domácích spotřebičů nebo v automobilovém průmyslu. Režimy velmi úsporného napájení (eXtreme Low-Power) mají také mikrokontroléry PIC16 s periferním zařízením typu CIP, tedy Core Independent Peripherals. Jedná se o integrované obvody, které mohou pracovat nezávisle na jádru, a dokonce probudit mikrokontrolér ze spánku vygenerováním přerušení podmíněného programovatelným parametrem (např. překročením nastaveného napětí na vstupu A/D měniče).
V případě složitějších aplikací, které vyžadují výpočty a reakci v reálném čase, stejně jako spolupracujících s mnoha senzory, stojí za to věnovat pozornost produktům z rodiny PIC18, jako je například sada EV26Q64A. Mikrokontroléry v této skupině výrobků jsou vybaveny četnými rozhraními, A/D měniči, stejně jako C/A (tedy DAC), vestavěným operačním zesilovačem, PWM generátory signálů s 16bitovým rozlišením, jakož i pamětmi přizpůsobenými pro rychlý a spolehlivý sběr dat.

Příklady aplikací a programování

Pro uživatele, kteří podnikají první kroky v prostředí MPLAB IDE nebo Microchip Studio, připravil výrobce mnoho podpůrných materiálů. Najdete je jak na webových stránkách Microchip, tak na platformě YouTube. S jejich pomocí vytvoření prvního projektu a provoz IDE nebude obtížné.





Následující materiál ukazuje, jak importovat a upravit ukázkovou aplikaci demonstrující funkčnost jedné z desek MC Nano:

Pohodlným způsobem, jak se dozvědět více o dalších vlastnostech platformy Microchip Curiosity Nano, je účast na aktivitách v rámci programu Microchip University.
Text připravila společnost Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
Originální text: https://www.tme.eu/cz/news/library-articles/page/45286/vyvojova-platforma-curiosity-nano-od-spolecnosti-microchip/