Микроконтроллеры. 
Электрические и электронные аппараты

Широкое использование микропроцессорной техники для решения задач управления, в том числе и силовыми электронными устройствами, привело к появлению специализированных МПУ — микроконтроллеров, ориентированных на подобное применение. Микропроцессорный контроллер — вычислительно-уиравляющее устройство, предназначенное для выполнения функций логического контроля и управления различными техническими объектами, и сочетающее в себе микропроцессорное ядро и набор встроенных устройств ввода-вывода. В зависимости от конкретных условий применения микроконтроллер может иметь различное конструктивное исполнение и быть размещен на одной или нескольких платах.

Многоплатные микроконтроллеры, состоящие из отдельных плат с микропроцессором и памятью и плат со слаботочными элементами, являются наиболее универсальными и до недавнего времени широко использовались. С развитием схемотехники многие микросхемы стали представлять собой законченные функциональные блоки (цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), аналого-цифровые преобразователи (АЦП), счетчики и т. д.). На сегодняшний день стоимость подобных микросхем существенно ниже, а надежность выше, чем таких же схем на дискретных элементах. Получили распространение одноплатные микроконтроллеры, в которых микропроцессор, память, преобразователи и их интерфейсы размещены на одной плате. Такие устройства имеют меньшие размеры, надежнее и дешевле, но менее универсальны, так как разводка платы микроконтроллера выполнена под конкретные микросхемы. На практике при разработке одноплатных микроконтроллеров закладывают возможность расширения количества используемых микросхем, а также разрабатывают несколько вариантов плат для управления типичными объектами в данной области техники.

В силовых электронных устройствах преимущество в использовании принадлежит однокристальным микроконтроллерам, выполненным в виде одной ИМС, содержащей микропроцессор, память, интерфейсы и преобразователи в одном кристалле. Такие микроконтроллеры сочетают высокую надежность с низкой стоимостью, имеют малые габаритные размеры. На рис. 12.21 представлена обобщенная структурная схема однокристального микроконтроллера. Процессорное ядро может иметь различную архитектуру и систему (набор) команд, в большинстве случаев способно выполнять операции с фиксированной точкой. Используются 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные процессоры. Как правило, в кристалле микроконтроллера содержатся электронные схемы внутренней памяти различного типа: ОЗУ, однократно или многократно программируемые ПЗУ. Система ввода-вывода состоит из разнообразных устройств, выполняющих специфические функции управления:

• — порты ввода-вывода (одноили двунаправленные);
• — таймеры (счетчики импульсов внутреннего синхросигнала с фиксированной частотой либо сигнала на одном из входов микроконтроллера);
• — модули захвата и сравнения (применяются для быстрой генерации сигналов на выходе микроконтроллера без участия процессора либо быстрой реакции на событие на его входе, считываемое процессором по соответствующей команде);
• — модуль ШИМ (предназначен для генерации сигнала широтноимпульсной модуляции без использования процессора);
• — блок последовательного ввода-вывода (используется для обмена данными с внешними устройствами посредством передачи битов друг за другом по одному каналу связи);
• — АЦП (преобразует вводные аналоговые данные в цифровую информацию, обрабатываемую процессором, как правило, имеется несколько входных каналов).

Набор и характеристики устройств ввода-вывода определяются моделью микроконтроллера. В последнее время разными производителями выпускаются семейства микроконтроллеров, насчитывающие десятки представителей (серий) с разнообразными конфигурациями интерфейсов и составом встроенных периферийных устройств. Микроконтроллеры общего назначения оказываются непригодными для управления некоторыми электронными устройствами из-за низкого быстродействия (скорости вычислений). Существуют специализированные микроконтроллеры, адаптированные к решению задач цифрового управления в реальном времени, — процессоры для цифровой обработки сигналов (DSP — Digital Signal Processor). Разработаны микроконтроллеры, специально предназначенные для управления полупроводниковыми преобразовательными устройствами, имеющие вычислительное ядро на базе DSP с объектно-ориентированной системой команд и необходимые встроенные периферийные устройства с большим многообразием интерфейсов. Они реализуют алгоритмы импульсного З’правления, выполняют функции защиты и диагностики.

Рис. 12.21. Обобщенная структурная схема микроконтроллера.

В настоящее время одним из лидеров в области производства микроконтроллеров является фирма Texas Instruments, выпускающая широкую номенклатуру устройств для управления силовыми электронными преобразователями. Одно из популярных семейств — микроконтроллеры С2000 [3]. Они содержат вычислительное ядро (32- и 64-разрядные, частота 40—150 МГц, от 30 до 300 млн операций в секунду), оперативную память (до 100 КБ), Has/г-память программ (до 512 КБ), модуль АЦП на 10—20 каналов, ШИМ-генератор на 6−24 канала, до шести модулей захвата событий, модули для подключения внешних запоминающих устройств, SCI-модуль асинхронного коммуникационного интерфейса (RS-232, RS-485), модуль САЛ'-интерфейса (промышленный сетевой информационный интерфейс реального времени) и др.