میکروکنترلرچیست؟ و چه کاربرد هایی دارد

میکروکنترلرها، یکی از فناوری‌های پیشرفته و پرکاربرد در صنعت الکترونیک هستند. این دستگاه‌های کوچک امکان کنترل و مدیریت عملکردهای مختلف سیستم‌ها و دستگاه‌ها را فراهم می‌کنند. ازآنجایی‌که ابعاد آنها کوچک است، بسیاری از کاربردها از جمله رباتیک، خودروهای هوشمند، سیستم‌های پزشکی و … به‌راحتی از این دستگاه‌ها استفاده می‌کنند. در این مقاله به بررسی میکروکنترلر چیست و بررسی کاربرد و فواید میکروکنترلرها  و به مقایسه میکروکنترلر ARM و AVR با یکدیگر می‌پردازیم. همچنین به بررسی تکنولوژی‌های استفاده شده در ساخت این دستگاه‌ها و در نهایت به بررسی مهم‌ترین کاربردهای میکروکنترلرها در صنایع مختلف خواهیم پرداخت

میکروکنترلر چیست؟

میکروکنترلرها، دستگاه‌های الکترونیکی هستند که شامل یک یا چند مدار مجتمع جامع هستند که تمام اجزای مورد نیاز برای انجام وظایف الکترونیکی را دارا می‌باشند. این دستگاه‌ها برای کنترل و ادامه‌دادن وظایف مورد نیاز در انواع دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.معمولاً میکروکنترلرها حاوی یک یا چند واحد مرکزی پردازش (CPU)، حافظه RAM و ROM، ورودی و خروجی‌های دیجیتال و آنالوگ، تایمرها، کانترها و ماژول‌های ارتباطی از جمله USART، I2C، SPI، CAN و … هستند.این دستگاه‌ها از نظر ، به طور معمول از انواع بزرگتری از کنترلرهای الکترونیکی مانند میکروپروسسورها متفاوت هستند و می‌توانند کارایی بالاتری از نظر مصرف نیرو و اندازه داشته باشند.

انواع تراشه های میکروکنترلر ها

تراشه‌های میکروکنترلر‌ها معمولاً شامل مجموعه‌های پردازشگری، حافظه، ورودی/خروجی و سایر قسمت‌های مورد نیاز برای کنترل و مدیریت سیستم‌های الکترونیکی هستند. برخی از تراشه‌های معروف میکروکنترلر عبارت‌اند از:

1. Intel 8051
2. Atmel AVR
3. Microchip PIC
4. ARM Cortex-M
5. STM32
6. NXP LPC
7. TI MSP430

این تراشه‌ها برای کاربردهای گوناگونی از سیستم‌های جادویی گرفته تا خودروها و دستگاه‌های پزشکی ،پرینتر سه بعدی ها ،سی ان سی ها و…استفاده می‌شوند.باتوجه‌به ویژگی‌های متنوع موجود در این دستگاه، انتخاب و استفاده از میکروکنترلرها نیازمند به دانش و تجربه متخصصانه در زمینه الکترونیک می‌باشد.

تراشه AVR

میکروکنترلر AVR یک خانواده از میکروکنترلرهای کوچک و کارآمد مبتنی بر تراشه‌های AVR تولید شده توسط شرکت ATMEL است. این تراشه‌ها دارای پردازنده‌های RISC با ساختار هشت بیتی و ۳۲ بیتی هستند که قابلیت انجام عملیات‌های پردازشی پیچیده را با سرعت بالا دارند.تراشه AVR از معماری Harvard استفاده می‌کند که به مجزا بودن حافظه دسترسی و داده‌ها معتبر است. این تراشه‌ها دارای حافظه داخلی برای برنامه و داده‌ها، رجیسترهای عمومی و تعدادی پریفرال (مانند تایمرها، UART ها، PWMها و…) هستند که به کاربر این امکان را می‌دهد تا سیستم‌های جامع و پیچیده‌تری را طراحی و پیاده‌سازی کند.همچنین، AVR دارای امکانات کاربردی مانند سیستم هشدار (Watchdog Timer)، سیستم لحظه زنی دقیق (Real-Time Clock)، حالت خواب (Sleep Mode) و… می‌باشد که برای کاربردهای مختلف بسیار مفید است. این تراشه‌ها از زبان برنامه‌نویسی C و Assembly پشتیبانی می‌کنند و دارای ابزارهای توسعه یکپارچه (IDE) مانند AVR Studio و Atmel Studio می‌باشند.

تراشه ARM

تراشه ARM، یک تراشه پردازشگر است که توسط شرکت ARM Holdings طراحی شده است. این تراشه‌ها از دسته تراشه‌های پردازشگر RISC (Reduced Instruction Set Computer) هستند که برای استفاده در دستگاه‌های همراه و قراردادهای هوشمند (IoT) طراحی شده‌اند.تراشه‌های ARM معمولاً به عنوان یکی از قطب‌های مهم در صنعت پردازشگرها محسوب می‌شوند و برای عملکرد بالا و مصرف کم انرژی شناخته می‌شوند. این تراشه‌ها بر اساس معماری ARM Cortex طراحی شده‌اند که متنوع و انعطاف‌پذیر است و به تولیدکنندگان امکان می‌دهد تا محصولات متنوعی با طراحی‌های مختلف از این تراشه‌ها تولید کنند.تراشه‌های ARM شامل یک یا چند هسته پردازشی، حافظه کش، واحدهای محاسباتی مختلف و واحدهای ارتباطی برای اتصال به دیگر تراشه‌ها یا قطعات دیگر می‌شوند. این تراشه‌ها از طریق رابط‌ها و APIهای متعددی که توسط ARM ارائه می‌شوند، به هر زمینه‌ای که مورد نیاز استفاده می‌شوند، انعطاف پذیری بالایی دارند.

مقایسه ARM و AVR

ARM و AVR هر دو میکروکنترلرهای محبوبی در صنعت الکترونیک می‌باشند، اما با ویژگی‌ها و عملکرد متفاوتی که می‌توانند متناسب با نیازهای مختلف اعمال شوند. در ادامه به مقایسه ARM و AVR به صورت جامع و کامل می‌پردازیم:

1. معماریARM: ARM یک معماری پر استفاده و قابل اعتماد برای میکروکنترلرها است. این معماری از ریزموجودیت‌ها و سیستم‌های پیچیده‌تر مانند Cortex-M و Cortex-A تشکیل شده است.
2. معماریAVR: AVR معماری ساده‌تری نسبت به ARM دارد و برای کاربردهای کوچک و بازی تعاملی مناسب است. این معماری با کاراکتریستیک‌های مشخصی مانند حافظه‌ی RAM و EEPROM شناخته می‌شود.
3. نرخ ساعتARM: برخی از میکروکنترلرهای ARM می‌توانند با نرخ ساعت بالا کار کنند، که این امر مناسب برای برنامه‌های پر سرعت می‌باشد.
4. نرخ ساعت AVR: AVR معمولا نرخ ساعت پایین‌تری نسبت به ARM دارد، اما برای کاربردهای کم توان و قدرت کافی است.
5. برای میکروکنترلرهای ARM معمولا از زبان‌های پرکاربرد برنامه نویسی مانند C و C++ استفاده می‌شود.
6. زبان برنامه نویسی AVR عموما C بوده و برای نوشتن برنامه‌ها استفاده می‌شود.
7. برخی از میکروکنترلرهای ARM دارای ابزارهای توسعه‌یافته‌تری مانند RTOS هستند که اجازه‌ی توسعه و ارتقاء برنامه‌ها را فراهم می‌کنند AVR نیز ابزارهای توسعه متنوعی دارد اما اندازه و پیچیدگی آن‌ها کمتر از ARM می‌باشد.

دیگر تراشه های میکروکنترلر ها

PIC Microcontroller این تراشه توسط شرکت میکروچیپ تولید می شود و برای مصارف صنعتی و الکترونیکی استفاده می شود. این تراشه ها دارای پردازنده سریع و قدرتمند، ورودی و خروجی های دیجیتال و آنالوگ، و قابلیت ارتباط با سایر دستگاه ها از طریق پروتکل های مختلف می باشند.STM32 Microcontroller این تراشه نیز یک میکروکنترلر پرقدرت و با عملکرد بالا از سوی شرکت STMicroelectronics است که برای کاربردهایی که نیاز به پردازش سریع و ارتباطات پیچیده دارند مناسب است. این تراشه دارای ورودی و خروجی های متعدد، امکانات ارتباطی مانند SPI، I2C و UART، و امکانات حفاظت از حافظه و اتصالات مختلف است

مهم ترین کاربردهای میکروکنترلر ها در صنایع مختلف

میکروکنترلرها به عنوان قطعه‌های الکترونیکی کوچک و پرقدرت، در صنایع مختلف به شکل گسترده‌ای استفاده می‌شوند. در زیر مهم‌ترین کاربردهای این تکنولوژی در صنایع مختلف را بررسی می‌کنیم:

1.  صنایع خودروسازی: میکروکنترلرها در خودروها برای کنترل سیستم‌های مختلف از جمله موتور، تعلیق، ترمز و الکترونیکی بکار می‌روند. این تکنولوژی به خودروها قابلیت‌های هوشمندی نظیر خودرانی، پارک خودکار و سیستم‌های حفاظتی اضافه می‌کند.
2. صنایع الکترونیکی: میکروکنترلرها در دستگاه‌های الکترونیکی از جمله تلویزیون‌ها، تلفن‌ها، دستگاه‌های خانگی و دیگر دستگاه‌های الکتریکی برای کنترل و بهینه‌سازی عملکرد مورد استفاده قرار می‌گیرند.
3. صنایع پزشکی: میکروکنترلرها در دستگاه‌های پزشکی نظیر روبات‌های جراحی، دستگاه‌های تشخیصی و درمانی برای ارائه خدمات بهداشتی بهتر و دقیق‌تر به بیماران استفاده می‌شوند.
4. صنایع ارتباطات: میکروکنترلرها در دستگاه‌های مبتنی بر اینترنت اشیاء (IoT) و دستگاه‌های هوشمند برای انتقال و پردازش داده‌ها بکار می‌روند و این امکان را فراهم می‌کنند که اجناس با هم ارتباط برقرار کنند.
5. صنایع خدماتی: میکروکنترلرها در دستگاه‌های خدماتی مانند خودپرداز بانکی، دستگاه‌های موزیک ویدئو و دیگر دستگاه‌های خدماتی بکار می‌روند.
6. صنایع نظامی: میکروکنترلرها برای کنترل نظام‌های نظامی از جمله پهپادها، رادارها و سیستم‌های تسلیحاتی به کار می‌روند.

نتیجه گیری

مقاله میکروکنترلر های ARM و AVR به مقایسه و بررسی دو نوع میکروکنترلر معروف و پراستفاده در صنعت می‌پردازد. در نهایت، دو میکروکنترلر ARM و AVR به جزئیات مقایسه شده اند و مزایا و معایب هر کدام مورد بررسی قرار گرفته است.به طور کلی، مقاله نشان می‌دهد که میکروکنترلر ARM دارای پردازش قدرتمندتر و کارایی بالاتر است، در حالی که میکروکنترلر AVR دارای رابط های ساده تر و قیمت مناسب تر می‌باشد. هر کدام از این دو میکروکنترلر برای کاربردهای خاص خود دارای مزایا مناسبی است و بر این اساس باید با توجه به نیازهای پروژه و توانایی های آنچه انتخاب شوند.در کل، مقاله نشان می دهد که هر دو نوع میکروکنترلر ARM و AVR دارای ویژگی های منحصر به فرد و کاربردهایی متفاوت می‌باشند که انتخاب هر کدام بستگی به نیازهای موجود در پروژه دارد.

با رباتیک صنعت در شبکه های اجتماعی نیز در ارتباط باشید.