Задумывая технологический стартап, вы совсем не обязаны быть асом в электронике, гораздо больше шансов на хорошую идею имеет узкий специалист со знанием основ маркетинга, но, даже заказывая кому-то разработку, ориентироваться в возможностях современной элементной базы и представлять цену решения необходимо обязательно. Иначе можно потребовать невозможного, либо получить устройство с завышенной себестоимостью на устаревшей элементной базе.
Под катом попытка кратко и просто рассказать о возможностях современных микроконтроллеров людям от них далёким. Для тех, у кого есть идея нового электронного устройства, но отсутствует представление о том, что такое микроконтроллер. Те, кто хочет сделать первый шаг от занимательных экспериментов с платформой ардуино к проектированию собственных устройств, также могут найти в ней простые, но полезные советы. Я старался, не останавливаясь на технических подробностях, для этого и книги не достаточно
Краткое содержание статьи:
Как микроконтроллеры завоевали мир
Архитектура ARM — сегодняшний лидер рынка микроконтроллеров
Конкуренция с младшими братьями
Об укладке асфальта, пользе сна и его разновидностях
Совсем коротко о технологии изготовления и о том, как появляются серии микроконтроллеров
Периферия простейшего ARM микроконтроллера за пол бакса
Самый дешёвый способ получить дополнительные функции
А что добавит переход на Cortex-M4, кроме возросшей в пару раз цены?
Защита кода, возможность его обновления и многообразие помогли микроконтроллерам завоевать мир
Любой умный прибор требует управления. В большинстве случаев сегодня этим занимаются микроконтроллеры — чипы, которые совмещают в себе микропроцессорное ядро, память и периферийные модули, отвечающие за связь с остальными компонентами устройства и внешним миром.
Микроконтроллеры — мастера на все руки. Один микроконтроллер способен заменить десятки специализированных микросхем, которые были бы необходимы для выполнения требуемых функций в случае, если бы роль вычислителя занимал микропроцессор.
Одно из неоспоримых преимуществ микроконтроллера — программа, под управлением которой он работает, скрыта внутри его корпуса (в секции под названием “память программ”) и очень хорошо защищена от взлома, конечно, в случае, если разработчик микрокода об этом позаботился, активизировав встроенные механизмы защиты. Таким образом, вы получаете защиту интеллектуальной собственности настолько большую, насколько это возможно в наши дни.
Что нельзя взломать — то можно скопировать. Зачем пытаться считать код, встроенной в микроконтроллер программы, с помощью дорогостоящих хитроумных приспособлений, если проще и дешевле найти профессионала, который может написать его заново? Возможно результат будет даже лучше, а функционал богаче чем у прототипа. Да это стоит денег, но содержание FLASH памяти сегодняшних микроконтроллеров настолько хорошо защищено, что попытки грубого “взлома” обойдутся ещё дороже. Кроме того, решается проблема интеллектуальной собственности, а вы, вместе с исходными кодами программы, получаете возможность развивать и совершенствовать своё устройство.
Память программ, в современных универсальных микроконтроллерах, является перезаписываемой, причём процесс перезаписи можно повторять не один десяток тысяч раз. Напрашивается использование этого факта для обновления программного обеспечения с целью устранения найденных в нём ошибок или расширения функций уже работающего устройства. Это достаточно просто реализовать — добавив в программу специальный участок кода под названием “бутлоадер”, вы получаете возможность обновлять программное обеспечение вашего прибора различными способами: в пункте сервисного обслуживания (если устройство имеет специальный, скрытый внутри корпуса от посторонних глаз, разъём), подключив к компьютеру по USB, через сетевой или даже беспроводной интерфейс. Главное, предусмотреть в приборе необходимую для этого периферию. Предоставляя возможность обновления ПО, всегда следует думать о безопасности, если этот процесс недостаточно защищён, мало того, что злоумышленники могут похитить ваш код, они могут модифицировать его и использовать в своих
Архитектура ARM — сегодняшний лидер рынка микроконтроллеров
Со времён Царя Гороха микроконтроллеры принято разделять по разрядности данных, над которыми они проводят операции. В подавляющем большинстве случаев, сегодня, в новых разработках, стоит останавливать свой выбор на 32 битных микроконтроллерах с ядром АRM. Существует огромное количество их модификаций и всегда можно подобрать экземпляр, наилучшим образом подходящий для решения вашей задачи. В зависимости от набора функций и производительности, цена чипа может составлять от десятков центов до десятков долларов.
Микроконтроллеры(MCU), в зависимости от архитектуры вычислительного ядра, принято разделять на крупные семейства. На сегодняшний день, для разработок устройств малой и средней сложности, наиболее популярны микроконтроллеры c ядрами от Cortex-M0 до Cortex-M7. Чем больше цифра, тем больше вычислительные (и не только) возможности, цена и максимальное энергопотребление. Не последнюю роль в популярности ARM сыграла преемственность архитектуры. Разработчик может с минимальными издержками модифицировать программный код своих предыдущих наработок, переходя от микроконтроллеров одного производителя к чипам другого и мигрируя между ядрами с разной производительностью.
Конкуренция с младшими братьями
Однако ARMы «рулили» не всегда. Я хорошо помню времена, когда абсолютными лидерами рынка были 8 битные микроконтроллеры и, с занятых позиций, их безуспешно пытались оттеснить 16 битные коллеги, но, по иронии судьбы, удалось сделать это только 32 битным старшим братьям. Так сложилось, что к моменту их появления, технологии изготовления чипов сильно удешевили интеграцию в них больших объёмов FLASH памяти. Воспользовавшись удобным случаем, программисты стали переходить с ассемблера на язык более высокого уровня — Си, структура которого отлично ложилась на 32 битную архитектуру. В результате 32 битные микроконтроллеры выполняли вычисления гораздо быстрее своих 8 и 16 битных коллег, но была одна проблема — у них был выше ток потребления.
Известно, что средний ток потребления вычислительного ядра микроконтроллера существенно увеличивается с поднятием его тактовой частоты. Поначалу 8 битные модели микроконтроллеров отличались заметно меньшим потреблением при сходной частоте и, кроме того, были способны работать от низкой тактовой частоты, вплоть до 32 кГц.
Энергопотребление микроконтроллеров сильно зависит от тактовой частоты ядра и периферии, чтобы её регулировать, для генерации стали использовать, широко применявшийся в радиопередающих устройствах, узел формирования тактовой частоты на основе ФАПЧ. Это позволило в широких пределах изменять тактовую частоту, не меняя задающий кварцевый резонатор. Периферийным модулям совсем не обязательно иметь такую же тактовую частоту, что и вычислительному ядру. Чтобы снизить их энергопотребление, частоту на них стали подавать через делители с программно-регулируемым коэффициентом деления. Ввели возможность отключать неиспользуемые модули. Эти меры сильно уменьшили энергопотребление, но оно по прежнему оставалось существенно больше, чем у 8 битных.
На короткое время сложился паритет — 32 битные MCU захватили нишу топовых приложений, а 8 битные уверенно удерживали позиции в устройствах, для которых было важно низкое энергопотребление. Он сохранялся до тех пор, пока 32 битные MCU не освоили в совершенстве «импульсный» режим работы.
8-битники, к тому времени, тоже научились это делать, но, из-за низкой производительности, бодрствовать им приходилось гораздо больше и, как результат, они начали проигрывать по энергопотреблению, особенно в задачах, требующих расчётов, что иллюстрирует картинка ниже.
Об укладке асфальта, пользе сна и его разновидностях
Итак, микроконтроллеры настолько хорошо научились считать, что стали выполнять свою работу очень быстро и большинство времени были вынуждены “бить баклуши”, пожирая энергию для выполнения холостых циклов. В устройствах с автономным питанием это сильно сокращает ресурс батарей или время работы от одной зарядки аккумуляторов.
Понаблюдайте за строительными рабочими которые кладут асфальт. Они резко активизируют свою работу, когда пришёл грузовик с новой порцией асфальта, а после его укладки снижают темп. Так и микроконтроллеры умеют повышать и снижать частоту тактирования ядра. Однако, им это даётся не так просто, как рабочим — одновременно изменится и частота работы всей внутренней периферии, поэтому, чувствительные к этому её части придётся перенастраивать.
Можно просто вздремнуть. В этом случае наш чип всегда наготове и как только зазвенел будильник таймера или его потревожило внешнее прерывание, он просыпается практически мгновенно. Как человек во время дремоты может снять напряжение, но не выспаться толком, когда тебя постоянно дёргают, так и микроконтроллер может снизить своё энергопотребление в этом режиме “всего” раз в 10, называют этот режим SLEEP.
Лучший способ хорошо выспаться — раздеться, лечь в постель, задёрнуть шторы на окне и включить будильник. Однако, после такого сна, уже моментально в работу не включишься. Придётся, как минимум, предварительно ополоснуться холодной водой и одеться. Есть такой режим и у микроконтроллера, когда он ограничивает количество внешних раздражителей и выключает основной тактовый генератор. Это режим STOP. В нём можно уменьшить потребление в 1000 раз, но и на выход из него уже потребуется существенное время.
Теперь, представьте себе, что вы перед сном выпили изрядную дозу снотворного, отключили будильник и телефон, закрыли все окна и двери. Это будет режим STAND BY. Вывести из такого режима микроконтроллер можно только с помощью особых выводов и большая часть памяти о том, чем он занимался перед таким сном будет потеряна навсегда, придётся начинать работу заново. Зато находясь в таком режиме MCU потребляет ещё в два раза меньше.
Последний, весьма экзотический режим, напоминает уже кому, из которой нельзя выйти без специального оборудования. В этом случае работает только специальный генератор тем не менее, являющийся частью микроконтроллера на отдельном часовом кварце, который может функционировать от собственного источника питания и иметь буквально несколько байт оперативной памяти, предназначение которой напомнить микроконтроллеру о том, из какого состояния он в эту кому впал. Если остальные части микроконтроллера, при этом, отключить от питания, то энергопотребление может составить уже одну десятитысячную часть от активного режима.
Выбирая режим экономии энергопотребления необходимо помнить о последствиях применения:
- чем глубже сон, тем дольше пробуждение
- чем глубже сон, тем меньше способов вывести из него микроконтроллер
- чем глубже сон, тем меньше остаётся информации о предыдущем состоянии микроконтроллера
- для достижения минимальных заявленных значений, во многих режимах необходимо принимать дополнительные меры, например — отключения периферии
- для минимизации энергопотребления устройства в целом необходимо грамотно спроектировать схемотехнику всего устройства
- для минимизации энергопотребления устройства в целом, нужно позаботиться о том, чтобы остальные компоненты и цепи также имели микропотребление в неактивном режиме. Глупо предпринимать огромные усилия для того, чтобы опустить потребление микроконтроллера ниже одного микроампера и, при этом, применять в устройстве дешёвый стабилизатор с током собственного потребления в 100 микроампер
но встречается такое сплошь и рядом - для успешного использования режимов глубокого сна не только программа, но и схемотехника, должны быть тщательно продуманы, иначе, вместо экономии, можно получить весьма серьёзные проблемы — редко случающееся, зато “мёртвое” зависание устройства по необъяснимой причине, либо слишком частое пробуждение и, как результат, потребление на порядки выше ожидаемого
Если ваши программист со схемотехником не первый день винят друг друга в криворукости и, вместе, производителя в публикации нереальных цифр в даташитах на микроконтроллер, а ваше устройство сажает батарейки на порядок быстрее, чем вы рассчитывали, это повод, по крайней мере, обратиться к независимым высококвалифицированным экспертам.
Совсем коротко о технологии изготовления и о том, как появляются серии микроконтроллеров
Физически активная часть микроконтроллера, как и подавляющее количество других микросхем, обычно сформирована на пластине монокремния (назовём его, в данном контексте, ЧИП). Чипы занимают очень маленькую площадь, технологически же выгодно производить пластины большого диаметра, поэтому, обычно большое количество чипов, как соты, размещают на одной большой пластине и формируют, в ходе одного технологического процесса. В последствии пластины нарезают на кусочки, получая уже отдельные чипы, которые и помещают в корпуса. Разработка топологии и отладка технологических процессов нового чипа стоит очень дорого, а занимаемое на пластине одним чипом место, как правило, не велико. Производителям выгодно выпускать чипы крупными партиями, но пользователям требуются микроконтроллеры в разных корпусах — кому то важно получить корпус поменьше и подешевле, другому наоборот требуется побольше выводов, чтобы управлять LCD или внешней памятью с параллельным интерфейсом. Производителям выгодно перекрывать все ниши, чтобы клиенты не перебегали к конкурентам, не найдя оптимальной для себя модели.
Очень часто бывает выгодней выпустить крупной партией один универсальный чип и помещать его в разные корпуса, чем запускать десяток различных. У чипов, помещённых в корпуса с малым количеством выводов, часть портов (в данном контексте, под портами будем понимать контактные площадки на поверхности чипа, служащие для общения с внешним миром) просто останутся неподсоединёнными. Часто производители идут дальше — чтобы поднять спрос и цену на микроконтроллеры с большим количеством ножек, они искусственно обрезают функциональность тех, у которых их меньше — отключают некоторые функции, ограничивают объём доступной памяти и т. п.
Так на основе одного чипа формируют серии микроконтроллеров, существенно отличающиеся по объёму памяти и набору периферийных модулей, иной раз и в разы по цене. При этом чипы, в них установленные, могут нарезаться из одних и тех же пластин. Поскольку площадь, на которой размещается один чип, невелика, вклад её в себестоимость конечного изделия также мал и им можно пожертвовать. Становится выгодным отключение дополнительной памяти и других функций, например, на этапе тестирования — либо с помощью однократно программируемых битов конфигурации, либо пережиганием перемычек лазером. Лишь для наиболее массовых изделий имеет смысл для этого создавать слегка изменённый фотошаблон. Причём, совсем не обязательно там будет физически отсутствовать неиспользуемая память, её, опять же, можно просто отключить, удалив перемычки в шаблоне.
Так из одного стандартного дизайна чипа формируется целая серия микросхем.
Периферия простейшего ARM микроконтроллера за пол бакса
Процессорное ядро — это мозг, но, чтобы он не был подобен “сферическому коню в вакууме”, требуются аналоги органов чувств и конечностей.
В микроконтроллере их роль играют выводы на корпусе, к которым внутри корпуса могут подключаются порты(контактные площадки) чипа. В свою очередь, через внутренние коммутаторы, к одному и тому же порту могут подключаться различные периферийные модули.
Для начала рассмотрим периферию одной из простейших серий от ST на основе ядра Cortex-M0 — stm32F03.
Для этой серии имеем следующий набор базовых функций:
Часы реального времени (Real Time Clock или RTC), которые могут запитываться с помощью отдельного вывода и работают от отдельного низкочастотного резонатора. Этот модуль потребляет крайне мало энергии, в случае пропадания основного питания он может часами работать от заряженного конденсатора, или годами от маленькой встроенной в прибор батарейки. Кроме этого, он может служить в качестве будильника, выводя микроконтроллер из состояния даже самого глубокого сна в заранее заданное время.
WatchDog — сторожевая собака мешающая микроконтроллеру заснуть навсегда, например, свалившись в бесконечный цикл или перейдя по несуществующему адресу. Его принцип работы прост. Программист настраивает таймер защиты от “зависания” на определённый период времени, допустим на секунду, и запускает его. Затем он расставляет, в выбранных им местах программы, короткие участки кода, которые перезапускают таймер с нулевого значения. Если за секунду не произошло ни одного сброса таймера, WatchDog считает, что с программой что-то не так и устраивает микроконтроллеру перезапуск. Программа начинает работать с начала, причём существует возможность определить являлся ли инициатором ресета WatchDog и учесть этот факт при запуске.
Универсальные цифровые входы-выходы (General Purpose Input-Output GPIO) — это самая распространённая функция, которую поддерживают большинство выводов микроконтроллера. Они могут конфигурироваться либо как входы, либо как выходы.
Рассмотрим работу в качестве входа. Если напряжение на входе микроконтроллера меньше некоего порога (как правило близкого к половине питания), то оно воспринимается как логический ноль, в противном случае как 1. Цифровые входы обычно имеют очень высокое входное сопротивление, поэтому, если их оставить не подключенными, их состояние может скакать из нуля в единицу и обратно, под действием наводок электромагнитных полей. Для того, чтобы этого не происходило, существуют специальные режимы, когда внутри чипа вход соединяется через сопротивление 20 — 50 КОм с плюсом питания микроконтроллера (pull-up) или с минусом (pull-down).
Если выводы сконфигурированы цифровыми выходами, то их программно можно перевести в высокий уровень равный напряжению питания микроконтроллера, либо низкий. Существуют и более хитрые режимы, но не будем вдаваться в чрезмерные подробности.
Советы начинающим разработчикам Выводы микроконтроллера — мастера на все руки, но следует соблюдать простые правила, чтобы не вывести их из строя. Несмотря на все предосторожности, предпринимаемые производителями чипов, они боятся статики и перенапряжений, поэтому не стоит подсоединять их напрямую к разъёмам, выходящим за пределы платы. Необходимо, в этом случае, предпринять меры — либо воспользоваться специальными интегральными компонентами защиты, либо предусмотреть в схеме супрессор, стабилитрон или защитные диоды, плюс установить в разрыв между выводом разъёма и портом токоограничивающее сопротивление.На рисунке выше изображён участок схемы, спроектированного мной устройства (спутникового модема), с элементами простейшей защиты портов микроконтроллера. X4 — разъём для внешних коммуникаций. Нас интересуют контакты 5-7, к которым присоединяются тревожные кнопки. Сигналом тревоги служит замыкание на землю, поэтому, в нормальном состоянии, на портах должно присутствовать напряжение питания микроконтроллера, что и обеспечивают резисторы R24-R26, номиналом 1 КОм. Супрессоры VD4-VD6 ограничивают напряжение на уровне 5 вольт, это допустимо потому, что применяемый мной микроконтроллер, хотя и питается напряжением 3,3 вольта, но имеет порты толерантные к напряжению 5 вольт. Резисторы R29-R31 на 100 Ом.
Подобная защита спасёт порты вашего микроконтроллера от внешних перенапряжений. У некоторых микроконтроллеров отдельные порты не боятся напряжений, превышающих их напряжение питания. Так у многих микроконтроллеров STM32Fxx почти все порты будучи сконфигурированными как цифровые могут работать с 5 вольтовыми цепями, но если они работают в аналоговом режиме, например в качестве входа АЦП, теряют эту способность и это необходимо учитывать при разработке схемы.
Пожалуйста, соблюдайте технику безопасности. Не оставляйте, свободные, висящие в воздухе порты микроконтроллера сконфигурированными в виде входов, особенно в устройствах временами уходящих в глубокий сон — это как минимум может значительно усложнить процесс прохождение вашего устройства теста на ЭМС (электро-магнитную совместимость). Если оставляете их входами, лучше замкнуть их на землю или питание. Либо программно сконфигурировать выходами.
Существует ещё один лайфхак. Иногда их можно оставить входом и замкнуть на другую цепь. Это помогает в случае очень плотной трассировки провести проводник «сквозь» микроконтроллер, что особо актуально для двухслойных плат.
Используя порты микроконтроллеров в качестве выходов, также стоит свериться с даташитом. Отдельные порты могут иметь разное ограничение по максимальному току, который от них можно получить не опасаясь выхода их строя — нагрузочную способность. Кроме этого, сам чип имеет максимальную нагрузочную способность всех выходов в сумме, которую не следует превышать.
Последнее, о чём хочется упомянуть, выходные порты ARM микроконтроллеров не реагируют на программные инструкции мгновенно, как у 8-битных микроконтроллеров. Они управляются через шину, и их быстродействие зависит от частоты тактирования соответствующего узла, которую можно менять программно. Если вы хотите быстрой реакции, позаботьтесь об увеличении этой частоты, если важнее уменьшить энергопотребление, наоборот выберите менее скоростной режим.
Температурный сенсор Микроконтроллер имеет свой собственный температурный сенсор, правда не слишком точный, тем не менее его можно, с определёнными допущениями, использовать для измерения температуры внутри корпуса прибора.
Уникальный серийный номер Каждый микроконтроллер имеет свой уникальный серийный номер, присвоенный ему на производстве. Очень удобная особенность, которую можно использовать при организации серийного производства ваших изделий.
Интерфейсы обмена данными Различные микроконтроллеры данной серии могут иметь по нескольку наиболее распространённых интерфейсов, сильно облегчающих общение с другими чипами и внешним миром:
- USART — асинхронный последовательный порт, часто использующийся для связи с компьютером
там он называется COM или RS232, модемами и другими устройствами - SPI — высокоскоростной интерфейс, который имеют очень многие чипы, например внешняя память
- I2C — двухпроводной интерфейс, разработанный для общения с датчиками и другой периферией на небольшом расстоянии и небольших скоростях обмена. Большой его плюс заключается в том, что одновременно к одной шине можно подключить десятки различных устройств
Все эти интерфейсы несложно реализовать программно с помощью обычных GPIO, но они будут работать гораздо медленнее и отнимать много ресурсов вычислительного ядра.
Аналого-цифровой преобразователь АЦП или ADС на котором придётся остановиться подробнее.
Чрезвычайно полезный модуль, который способен измерять напряжение аналоговых сигналов. Оценивает он их в долях от величины опорного источника сигнала, в нашем случае это напряжения питания аналогового модуля микроконтроллера, которое может быть равным или немного ниже основного напряжения питания чипа. Теоретическая точность работы АЦП зависит от его разрядности. В современных микроконтроллерах чаще всего применяется 12 разрядный АЦП последовательного приближения, реже 10 и как экзотика встречается 16.
При питании 3 вольта 12 разрядный АЦП микроконтроллера будет иметь разрешающую способность 3/4096=0.00073 Вольта — лучше одного милливольта.
Но на практике достичь этого идеала бывает не просто.
Подробности для начинающих разработчиковНа практике всё бывает далеко не так красиво и точность измерений может снижаться по многим причинам. Ниже перечисляю основные, хорошо известные любому опытному электронщику, а также простые но эффективные способы сведения их пагубного влияния до минимуманестабильность напряжения источника питания АЦП
- применять для питания MCU линейные стабилизаторы с хорошими параметрами
- применять для питания аналоговой части MCU высокостабильные источники опорного напряжения
импульсные помехи по питанию АЦП
- подключать аналоговое питание к цифровому через простейшие фильтры низкой частоты — подавать питание на аналоговую часть MCU через индуктивность и в непосредственной близости от входа микроконтроллера устанавливать керамический конденсатор с диэлектриком XR7 ёмкостью 100 нанофарад, а ещё лучше, параллельно ему включить танталовый конденсатор с ёмкостью в одну — две микрофарады.
импульсные помехи на входе АЦП
- пропускать входной сигнал хотя бы через простейший ФНЧ, состоящий из резистора и конденсатора. Для борьбы с помехами от передающих радиотрактов и короткими импульсными помехами иногда достаточно одиночного конденсатора с диэлектриком NP0 ёмкостью в несколько десятков пикофарад, установленного между входом и землёй, в непосредственной близости от входа АЦП
- не экономить на блокировочных конденсаторах, по крайней мере самого микроконтроллера, устанавливать их в непосредственной близости от каждого вывода питания и в других местах, рекомендованных производителем, рекомендованного им номинала
- тщательно выбирать месторасположение компонентов и соблюдать правила трассировки цепей питания и особенно “земли”, в идеале аналоговая и цифровая земли должны соединяться в одной точке — рядом с выводом аналоговой земли микроконтроллера
высокое выходное сопротивление источника сигнала, опасно тем, что в момент старта измерения АЦП последовательного приближения, которое чаще всего используется в микроконтроллерах, его вход потребляет некоторый отличный от нуля ток и это может привести к уменьшению истинного значения напряжения, так как сигнал фактически подаётся через делитель напряжения.
- правильно выбирать параметры настройки АЦП, например во многих микроконтроллерах можно увеличить время зарядки входной цепи, правда тут приходится идти на компромисс, снижая быстродействие
- устанавливать на входе АЦП буферные усилители на основе ОУ (операционный усилитель), или повторители напряжения. Выбирать их по принципу самых дешёвых не стоит, можно не улучшить, а ухудшить ситуацию, причём значительно. Если не хватает собственного опыта, лучше поискать специально рекомендованные производителями для подобных приложений
Выше изображён участок реальной схемы для подачи питания на аналоговую часть микроконтроллера в устройстве с батарейным питанием. В данном случая я использовал АЦП для оцифровки сигнала с аналогового MEMS микрофона и поэтому имело смысл выделить в отдельную цепь не только аналоговое питание, но и аналоговую землю. В большинстве случаев это избыточно, для того чтобы от неё действительно был толк, нужна ещё и правильная трассировка.
От цепи VBUT питается вся цифровая часть микроконтроллера. На всякий случай привожу номиналы элементов: R5-10 Ом, С10 0.1 мкФ, без индуктивностей L1 и L2 BLM18PG471SN1D в большинстве случаев можно обойтись.
Ещё один любопытный пример из моей практики. В плате, на которой размещалось большое количество высокопотребляющих чипов ASIC, необходимо было измерять их температуру. Самый простой и дешёвый способ — использование высокоомных термисторов. В качестве фильтров я применил конденсаторы достаточно большой ёмкости, воспользовавшись тем фактом, что температура меняется сравнительно медленно. Для оцифровки звука такой фокус однозначно бы «не прокатил».
Осталось упомянуть ещё одну важную особенность АЦП, характерную для микроконтроллеров. Собственно, модулей АЦП в нём, как правило, один или два, а вот входов может быть много. В описываемой серии модуль 1, а входов может быть до 16. Как же так? Очень просто, входы подсоединены к нему через коммутатор. Если вы собираетесь измерять напряжение с 10 входов, то должны организовать цикл — последовательно переключить коммутатор к каждому из 10 входов и сделать измерение. Это необходимо учитывать, рассчитывая времена измерения. В данной серии АЦП, теоретически, способно сделать измерение за 1 микросекунду. Получается, что полный цикл 10 измерений у вас займёт точно больше 10 микросекунд!
Система прямого доступа в память ПДП или DMA — ещё одна архиважная вещь. Этот модуль позволяет пересылать данные от периферии в память или наоборот.
Например, с его помощью вы можете выделить участок памяти для хранения данных, приходящих из АЦП и сделать из него кольцевой буфер. Далее запускается АЦП в режиме считывания данных через равные промежутки времени. Используя механизмы DMA, считанные данные будут, без участия ядра, самостоятельно, байт за байтом, помещаться в выделенный буфер. Когда буфер будет полностью заполнен, ядро получит сигнал и приступит к их программной обработке, а система DMA начнёт процесс загрузки сначала. Поскольку DMA имеет несколько каналов, то никто не мешает реализовать для нашего случая автоматический вывод на USART данных из буфера. В результате мы получим, работающий без использования ядра процесс передачи считанных с АЦП в USART, и не простая работа программиста по конфигурации DMA окупится сторицей.
Модуль широтно-импульсной модуляции ШИМ или PWM, в силу ограниченности статьи не будем останавливаться на нём подробно, отмечу только, что это крайне полезная и широко используемая функция, с помощью которой возможно управлять яркостью светодиодов, скоростью вращения двигателей, рулевыми машинками, конструировать интеллектуальные DC-DC преобразователи и даже звук синтезировать.
Что можно получить, добавив 30 центов?
Переход на Cortex-M0+. Самый дешёвый способ получить дополнительные функции
А какие дополнительные плюшки предлагает микроконтроллер новейшей серии с ядром чуть посовременнее Cortex-M0+, при стоимости на 20-50 центов дороже аналогов в рассмотренной выше серии по корпусу и количеству выводов?
Таблица отличий между сериями
- в два раза увеличилась максимальная тактовая частота
- с 2 до 1.7 вольт понизилось минимальное напряжение питания
- АЦП способно работать в два с половиной раза быстрее
- появились два канала 12 битного цифро-аналогового преобразователя. Это крайне полезная функция, с помощью которой возможно формировать на выводах сигнал заданного напряжения с точностью лучшей чем 1 мВ, например сигналы произвольной формы в звуковом диапазоне частот
- появились компараторы — устройства для сравнения величин двух аналоговых сигналов, это бывает полезным скажем для определения момента возникновения перегрузки по току
- добавлен USB интерфейс, посредством которого можно подключать устройства к компьютеру. Особый интерес вызывает наличие поддержки опций управления питанием для реализации USB type3-C совместимого интерфейса. О нём я рассказывал в одной из своих статей на Хабре
- появился ускоритель AES для процедур 256 битного шифрования/дешифрации
- UART получил возможность работы в режимах сна и аппаратную поддержку протоколов LIN (простая сеть, широко используется в автопроме), IRDA (протокол передачи данных посредством инфракрасных светодиодов, вспомните телевизионные пульты), SIMcard…
- расширены возможности таймеров и модуля PWM
- верхняя граница температурного диапазона работы поднялась до 125 градусов
- увеличена надёжность работы за счёт расширения режимов перезапуска при возникновении проблем с питанием
- добавлен “честный” аппаратный генератор случайных значений — полезная функция в криптографии
Ну что же, для многих применений незначительная добавка в цене себя вполне окупает, поскольку можно отказаться от перехода на более дорогостоящие микроконтроллеры старших модельных рядов.
А что добавит переход на Cortex-M4, кроме возросшей в пару раз цены?
- Максимальная тактовая частота вырастает уже до 80 МГц
- Появился блок для ускорения вычислений с плавающей точкой
- Ясное дело, максимальная встроенная память увеличилась
- Модели с количеством ног 100 и более поддерживают работу с внешней статической памятью
- USB научился работать в режиме HOST
- Появился контроллер CAN интерфейса. Это очень перспективный интерфейс разработанный для высоконадёжных приложений. Своё победное шествие он начал с автомобильной промышленности и уже почти 20 лет ведёт затяжную войну с давно устаревшим RS-485 в крайне консервативной отрасли промышленной автоматизации.
- Появился интерфейс для подключения SDcard. Очень полезная функция — добавляете в своё устройство держатель за 50 центов и получаете съёмный носитель размером в десятки Гигабайт! С большинством карт удаётся работать и по обычному SPI, но намного медленнее
- Добавили встроенный Операционный Усилитель с большим разнообразием режимов работы. Именно благодаря этой и предыдущей функциям, для своего последнего проекта беспроводного стетоскопа, пришлось остановить выбор на M4 вместо M0+. В результате появилась возможность управлять усилением сигнала с MEMS микрофона и сохранять десятки часов аудиозаписей работы сердца на SD карте
- Криптомодуль научился аппаратно считать HASH функции.
- Контроллер сенсорных приложений усовершенствован и теперь поддерживает уже не только кнопки, но и элементы прокрутки
Cortex-M7 — когда хочется большего…
В подавляющем количестве проектов возможностей предоставляемых вышеописанными ядрами достаточно, но случаются и исключения. Лично со мной такое случалось всего пару раз, причём лишь один раз по действительно уважительной причине — требовалась высокая производительность для подготовки данных для ASIC, контроллер Ethernet и шина CAN-FD c повышенной скоростью обмена.
Если на уровне универсальных микроконтроллеров с ядрами Cortex 4 и ниже, на мой субъективный взгляд, по параметру цена/функциональность сейчас лидирует фирма ST, то в области более высокопроизводительных чипов она уступает лидерство ATMEL, вернее, теперь уже недавно поглотившему его MICROCHIP. Поэтому я остановил свой выбор на серии ATSAMV71, стоимостью от 6 долларов.
Помимо вышеописанного (контроллер Ethernet и шина CAN-FD), по большому счёту, мы получаем, существенно увеличивающее производительность ядро с ускорителем операций, работающее на тактовой частоте до 300 МГц, интерфейсы для подключения видеоматрицы и поддержку динамической памяти.
В заключении попрошу имеющих опыт общения с микроконтроллерами попрошу выбрать подходящий ответ на вопрос.
(далее по тексту — МК) и на какие подводные камни налетел. Сразу скажу — статья не претендует на эксклюзивность, так как любой человек работающий с МК проходил через то, что прошёл я. Прошу строго не судить, а прочитать как историю.
Вместо вступления
Впервые интерес к МК у меня возник, когда я учился в 10 классе. На тот момент был 2009 год. Я умел немного программировать на ПК в QBasic и Visual Basic — школьная программа, но так сложилась жизнь, что я особо не разбирался в программировании, да и отсутствие знающих людей по части электроники и МК рядом сделали своё дело — для меня это была новая ниша. Хотя я с детства ковырялся с платами и микросхемами найденными на помойках, но как оно работало я толком не понимал — толком никто не мог объяснить. Как работает транзистор нормально я узнал только спустя пару лет после описанных событий. Когда я выбирал первый МК то смотрел характеристики на сайте ЧИП-ДИП. Скажу честно — для меня это было как иероглифы. Так что не стоит этого бояться. И да, про Arduino тогда никто понятия не имел.
Как всё началось
Начал ковыряться в яндексах и гуглах. Понимал, что сам контроллер — половина дела, нужна ещё и программа. А как сказано во вступлении — с программированием у меня было не очень. В конце концов попал на какой-то сайт. Как стало позднее ясно, я с этим сайтом реально «попал». Создатель сайта написал ещё и учебник по программированию, я на радостях скачал учебник и первое что там увидел — «В качестве образца для работы я использовал PIC16F84A ». Собственно так я и выбрал свой первый МК. Теперь вопрос — почему я именно «попал». А попал я из-за того, что создатель этого учебника и сайта предлагал программировать МК на АССЕМБЛЕРЕ. Его не все практикующие проггеры то знают, а тут новичок… Контроллер я уже заказал, и только потом начал читать учебник, к сожалению.
Как я выходил из положения
После того, как я понял, что ничего не понял, я забросил МК на пару лет, но параллельно всё-таки шарился на форумах типа Схем.нет и прочих, и ко мне постепенно приходило понимание вопроса. Решил учиться кстати на модели PIC16F877A.
Итак, что нужно знать новичку:
Микроконтроллер — это маленький компьютер, в нём есть и Арифметико-логическое устройство — процессор по сути дела, и оперативная память и некое подобие жесткого диска — память программ и данных, но выполнено это всё в одной микросхеме. Соответственно в зависимости от модели и производителя у него следующие характеристики (ориентировочно):
- Рабочие частоты от единиц до ~100 Мгц, я лично использую в своих устройствах как правило частоты 20 Мгц, именно МЕГАгерц, а не ГИГАгерц. Частота задаётся внешним источником тактирования — кварцевым или керамическим резонатором.
- Объём ОЗУ — единицы и десятки Килобайт
- Объём памяти под данные и программу — до нескольких десятков Килобайт. При желании можно расширить память для данных с помощью микросхем памяти. Для того чтобы использовать эти микросхемы для расширения памяти под программу — новичку стоит забыть, не всякий профессионал может это правильно сделать, да и не каждый микроконтроллер позволяет изменять свою прошивку во время работы.
- Рабочее напряжение от 1 до 5 вольт в зависимости от модели и производителя.
Микроконтроллер рассчитан на работу на плате, скажем так, в конкретной «железке», на плате, в устройстве. Так что не стоит думать, что на нём можно поиграть в CS 🙂
Языки программирования
Начал выбирать язык программирования и среду в которой можно программировать. Так как я хоть как-то знал Basic, то и задумался, что было бы хорошо прогать на нём. Да, он не очень совершенный и ещё куча недостатков, но для начала подходил как нельзя кстати. Мне повезло, оказалось, что есть язык PIC-Basic. По нему есть учебник, автор Чак Хелибайк и переведённое на русский руководство, собственно до всего доходил дальше по учебнику и руководству. Среда работает из-под ДОС, но можно прикрутить CodeStudio и всё будет работать из-под Windows.
Программатор
Следующая проблема, стоявшая у меня на пути — чем записать программу в чип. Понятное дело, что нужен программатор, я решил экономить, попробовал собрать несколько схем из этих ваших интернетов. Одной схемы недостаточно, нужна ещё программа которая используя программатор (саму железку) занесёт код в память. Все мои опыты окончились неудачами, по причине малого опыта. Решил я больше не смотреть на то, как от чипов идёт дым и заказал PICKit3, после этого не знал проблем, поигрался пару дней с ним и всё заработало.
- В настоящее время есть адаптированные языки программирования для МК, тот же Бэйсик, СИ и прочие.
- После написания программы она компилируется в машинный код — файлик с расширением HEX, его-то и надо прошивать в память МК.
- Для того, чтобы «прошить МК» — записать в него выполняемый код нужно две вещи:
1) плата-программатор, которая является промежуточным устройством между разъёмом компьютера и самим чипом
2) Программа-программатор, которая будет знать как работать с программатором, собранным по конкретной схеме.
То есть нужно чтобы программа на ПК знала какая схема подключена к ПК чтоб правильно прошить чип. В моём случае это заводское решение — вместе с программатором PicKit идет диск с нужными программами. - Памяти в МК ограниченное количество, это надо учитывать, иногда приходится выкраивать каждый байт прошивки, лишь бы влезть в объём памяти чипа. Так же следует понимать, что в МК нет никакой операционной системы, и Ваша прошивка — единственные данные которые знает МК.
Несколько слов про периферию
Для связи с внешним миром и удобства работы и разработки в МК встраивают различные периферийные схемы, например АЦП — аналогово-цифровой преобразователь, так что можно без лишней обвязки измерять напряжение подаваемое на вывод МК, но оно должно быть не выше чем напряжение питания, иначе чип сгорит. Используя делитель напряжения можно сделать вольтметр, например. Периферия, количество встроенных функций и их характеристики тоже зависят от модели, как правило чем дороже модель — тем богаче комплектация. Так же следует не забывать, что у контроллера ограниченное число ножек, к которым можно подключиться.
Например у PIC16F877А их 40 штук, причем 7 штук вылетают сразу, т.к. используются для подачи питания, подключения резонатора и управления аварийным сбросом. Так же надо внимательно смотреть документацию на чип. Например тот же АЦП — в PIC16F877А он может измерять напряжение только на 8 конкретных ножках чипа, на других он это делать не может. То есть под каждую встроенную функцию отводятся конкретные выводы и поменять их нельзя.
Суть сей басни такова
Освоить МК реально даже самому и с нуля, но есть места где не очень понятно. Если с программированием никогда не сталкивались, то сначала выучите хотя-бы азы программирования и напишите «Hello World» на компьютере. После этого будет проще. Если не хотите особо заморачиваться — Arduino Ваше всё. МК расчитаны на использование в «железках» — блоки управления, платы, контроллеры итд итп, это не полноценный компьютер, а контроллер. И ожидать от него следует соответственно. Благо сейчас полно примеров на ютубе, и я надеюсь, что мой опыт начинания с нуля будет не таким горьким и моя статья кому-нибудь, да поможет.
Архитектура СКУД
В современных СКУД связь между контроллерами, рабочими местами пользователей и сервером системы осуществляется по сети Ethernet. Интерфейс Ethernet обеспечивает высокую надежность работы системы за счет применения типовых IT- решений и работы всех устройств системы в едином адресном пространстве по единому протоколу. Ethernet также дает возможность использования технологии PoE (Power over Ethernet) – привлекательного альтернативного способа электропитания сетевых устройств, существенно облегчающего монтаж оборудования СКУД.
Все контроллеры и ПК системы работают в единой информационной среде с единой базой данных, установленной на сервере системы. При этом наличие постоянной связи контроллеров с БД не требуется.
В энергонезависимую память контроллеров передаются все необходимые права доступа, там же сохраняются регистрируемые события. Для контроллеров можно задать алгоритм работы, что позволяет системе продолжительное время работать в автономном режиме без подключения к серверу.
Например, Global antipass поддерживается посредством таблиц маршрутизации, которые передаются всем контроллерам системы. Такие настройки позволяют организовать сложные решения контроля доступа с учетом зональности. При отключении электропитания таблица маршрутизации остается в памяти контроллера без поддержки сервера, и вся система остается полностью функциональной. При восстановлении связи с сервером системы события переносятся в БД.
Для обеспечения автономной работы контроллера важной характеристикой является объем памяти. Например, современные контроллеры могут хранить в памяти данные о 150 000 событий и 50 000 пользователей.
Расширение системы не сопровождается заменой имеющихся устройств – достаточно просто включить новое оборудование в сеть Ethernet. Высокая скорость передачи данных и параллельная работа всех контроллеров позволяют строить системы безопасности без ограничения по количеству контроллеров, в том числе расположенных в разных зданиях, районах города и в разных городах. Одновременная обработка множества событий обеспечивает корректную работу системы в моменты одновременного срабатывания нескольких устройств.
Возможность подключения к контроллеру контроллеров второго уровня упрощает расширение системы, что особенно актуально для крупных предприятий. Для связи контроллера с контроллерами второго уровня может применяться интерфейс связи RS-485, позволяющий существенно оптимизировать затраты на расширение системы.
Важным параметром при выборе контроллеров для СКУД является количество управляемых исполнительных устройств. Универсальные контроллеры в зависимости от настроек могут управлять турникетами, шлагбаумами или замками. Применение контроллеров второго уровня позволяет организовать на базе одного сетевого контроллера, например, доступ через турникет и в 10 внутренних помещений или через два турникета и в 8 внутренних помещений, существенно снизив затраты на внедрение СКУД.
При выборе контроллеров для СКУД стоит обратить внимание на наличие у них дополнительных входов/выходов для подключения дополнительного оборудования: видеокамер, датчиков, устройств сигнализации. Вход Fire Alarm позволяет подключить устройства пожарной сигнализации и настроить разблокировку турникетов при получении тревожного сигнала от устройств ОПС. При подключении камеры к выходу контроллера можно задать алгоритм, при котором камера начинает вести запись при получении сигнала о тревожном событии. К входу контроллера можно подключить датчики затопления: при достижении определенного уровня воды по сигналу от датчиков турникеты разблокируются для эвакуации. Дополнительные входы и выходы также позволяют подключать внешние верифицирующие устройства, например, пирометры, алкотестеры, весы.
Контроллер как сервер
Один из главных драйверов рынка СКУД – распространение WEB-технологий. Среди их преимуществ – возможность удаленной работы на мобильных устройствах с сохранением централизованного администрирования, функционирование под различными операционными системами.
Контроллеры нового поколения позволили встроить программное обеспечение, что дало возможность использовать контроллер как сервер. Такая архитектура упрощает внедрение системы и снижает ее стоимость. Например, система PERCo-Web, построенная на без такого контроллера, может обработать данные 500 сотрудников и 500 посетителей и иметь в составе до 10 контроллеров. Контроллер подключается к сети по интерфейсу Ethernet. Для контроля доступа в компании численностью до 100 сотрудников будет достаточно бесплатной версии ПО.
Развитие интернет-технологий и пропускной способности каналов позволяет говорить о том, что Web-технологии в скором времени заменят традиционный подход к разработке не только программного обеспечения СКУД, но и вообще любых систем. По мере появления все более мощных контроллеров все возможности ПО систем контроля доступа можно будет реализовать в них самих, без установки сервера системы на компьютер.
Web-интерфейс контроллеров
Web-интерфейс позволяет подключаться к контроллерам напрямую с компьютера и осуществлять необходимые настройки. Web-интерфейс контроллеров нового поколения
позволяет назначать права доступа сотрудникам и посетителям, использовать режимы «Охрана» и «Комиссионирование», добавлять идентификаторы в систему, создавать встроенные реакции в контроллере, производить диагностику контроллера и обновление встроенного ПО. Для реализации этих задач установка дополнительного программного обеспечения не требуется, поэтому на небольшом предприятии можно построить мини-СКУД без использования ПО, что минимизирует затраты на внедрение системы.
Возможности интеграции
Получение SDK контроллера позволяет осуществлять интеграцию с различными системами: например, системами платного доступа или ERP-системами. Открытый протокол контроллера позволяет организовывать на его базе контроль доступа в фитнес-центрах, музеях, театрах, парках развлечений, на парковках и многих других объектах.
Выбор способов идентификации
При выборе оборудования для системы контроля доступа необходимо определить, какие способы идентификации будут использоваться на объекте: карты доступа форматов EMM/HID или MIFARE с защитой от копирования, мобильный доступ, доступ по штрих-коду, отпечаткам пальцев, распознаванию лиц. Характеристики контроллеров и считывателей должны позволить реализовать выбранный способ идентификации.
Для связи контроллера и считывающих устройств применяются интерфейсы Wiegand, RS-485 и USB. Wiegand применяется в СКУД для чтения магнитных карт и RFID-идентификаторов. Среди достоинств интерфейса: простота, распространенность, дальность действия до 150 метров, совместимость оборудования различных производителей. Среди недостатков – уязвимость для взлома за счет отсутствия двухсторонней аутентификации и шифрования данных, отсутствие контроля целостности передаваемых данных и линии между контроллером и считывателем.
Для подключения к контроллеру сканеров отпечатков пальцев или штрих-кодов, а также для подключения к ПК контрольных считывателей, предназначенных для занесения идентификаторов в систему, применяется USB-интерфейс – универсальный интерфейс для связи между собой различных цифровых электронных устройств.
Для использования сразу нескольких способов идентификации, например, доступа по картам EMM/HID и MIFARE с защитой от копирования, а также мобильного доступа можно выбрать мультиформатные считыватели. При выборе считывателя важно обращать внимание на такие характеристики, как рабочий диапазон температур (при использовании на открытом воздухе), степень защиты IP и вандалозащищенность.
Удобным решением может стать контроллер с уже встроенным считывателем карт доступа, поддержкой мобильной идентификации и сканером отпечатков пальцев. Такие решения позволяют осуществить постепенный переход от традиционных к более защищенным способам идентификации. Стоит обратить внимание на способ монтажа контроллера. Контроллеры, работающие по протоколу Ethernet, достаточно просто включить в сеть, что существенно облегчает монтаж.
Область применения микроконтроллеров безгранична. Их используют в любых электронных устройствах для осуществления контроля. Кроме того, они находятся во всех бытовых приборах – микроволновках, электрочайниках, утюгах, стиральных машинах — микроконтроллер можно запрограммировать под любую функцию.
История появления
Работы над изобретением микропроцессора велись с начала 1970-х годов. Первой компанией, разработавшей его, была компания Intel. Уже в 1971 году ее был выпущен первый микроконтроллер 4004, который состоял из 2300 полупроводниковых транзисторов, а по размеру был не больше ладони. Это стало возможным, после того как для микросхемы был специально разработан кристалл процессора.
Несмотря на маленькие размеры, производительность микропроцессора не уступала компьютеру Eniac, имеющему габариты в 85 м3. Особенностью этого устройства было то, что оно могло обрабатывать только 4 бита информации.
В ближайшие полгода еще несколько компаний заявили о создании аналогичных изделий.
К концу 1973 года Intel выпускает 8-зарядный микропроцессор. Он был настолько удачно разработан, что и сегодня считается классикой.
Через несколько месяцев фирма Motorola выпускает свой 8-битовый микропроцессор 6800. Он стал сильным конкурентом интеловской микросхеме, т. к. имел более значительную систему прерываний и одно напряжение электропитания. В 8080 их было три.
Внутренняя архитектура 6800 тоже отличалась. В ней не было регистров общего назначения, в которых могли сохраняться как адресная информация, так и числовые показатели. Вместо них, в процессоре появился еще один полноценный аккумулятор для обработки данных и 16-разрядные регистры для хранения адресов. Работа с памятью у 6800 выполнялась быстрее и была проще, но 8080 тратил меньше времени на обмен внутренней информацией между регистрами.
Оба эти изделия имели как положительные стороны, так и недоработки. Они стали родоначальниками двух больших семейств микропроцессоров – Интел и Моторола, которые конкурируют между собой до сих пор.
В 1978 году Интел выпустила 16-разрядный микропроцессор, который IBM использовала для разработки персональных компьютеров. Моторола не отстала от своего конкурента и тоже выпустила 16-разрядный микропроцессор, который использовали Atari и Apple.
Сейчас существует более 200 разновидностей микроконтроллеров. Количество компаний, их изготавливающих, перевалило за два десятка. Широкое распространение у разработчиков получили:
- 8-битные микроконтроллеры Pic компании Microchip Technology и AVR от Atmel;
- 16-битовые MSP 430 фирмы TI;
- 32-битные ARM от одноименной компании.
В России пользуются популярностью микроконтроллеры Renesas Electronics, Freescale, Samsung.
Что такое микроконтроллер
Микроконтроллер по сути является микросхемой, который состоит из:
- Центрального процессора. В него входят блок управления, регистры, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).
- Периферии, которая включает порты ввода-вывода, контроллеры прерываний, таймеры, генераторы различных импульсов, аналоговые преобразователи и подобные элементы.
Зачастую микроконтроллер называют микропроцессором. Но это не совсем так. Последний осуществляет только определенные математические и логические операции. А в состав микроконтроллера входит и микропроцессор с другими элементами, являясь лишь частью МК.
Принцип работы микроконтроллера
Несмотря на сложное устройство принцип работы микроконтроллера очень прост. Он основан на аналоговом принципе действия. Система понимает лишь две команды («есть сигнал», «нет сигнала»). Из этих сигналов в его память вписывается код определенной команды. Когда МК считывает команду, он ее выполняет.
В каждом из МК прописаны свои базовые наборы команд. И только их он способен принимать и выполнять. Сочетая отдельные команды между собой, можно написать уникальную программу, по которой будет работать любое электронное устройство именно так, как требуется.
В зависимости от содержащихся в МК набора программ, они делятся на:
CISC – комплекс большого числа базовых команд;
RISC – только необходимые команды.
Большинство контроллеров содержит RISC набор. Объясняется это тем, что такой МК проще изготовить, он дешевле и больше пользуется спросом у разработчиков электронной техники.
Назначение и область применения микроконтроллера
Благодаря тому, что микроконтроллеры AVR очень просты в использовании, обладают высокой способностью интегрирования и низкой потребляемой мощностью, области их применения разнообразны:
- автомобилестроение;
- робототехника;
- самолето- и судостроение;
- промышленное оборудование;
- электронные детские игрушки;
- компьютеры, телефоны;
- электронные музыкальные инструменты;
- бытовая техника;
- медоборудование;
- управление шлагбаумами и воротами;
- светофоры, семафоры;
- железнодорожный транспорт.
Это не полный перечень областей применения МК.
Основное назначение МК – контролировать все процессы, которые происходят на его платформе. От включения или выключения света по хлопку до поднятия штор при изменении освещенности на улице. По сути, МК осуществляет контроль за состоянием неких переменных и изменение системы в динамических условиях.
Питание микроконтроллера
Для работы микроконтроллеру, как и любому электронному устройству, необходима энергия. Напряжение МК Atmel AVR находится в диапазоне 1.8–5.5 Вольт и зависит от модели и серии. Большинство приборов работает от 5 Вольт. Но встречаются и низкочастотные модели (Attiny 2313), нижняя граница у которых от 1,8 В.
Кроме того, на работу МК влияет и частота поступающего тока. Низкое напряжение требует и низких пределов частот. Чем выше частота, тем быстрее работают определенные модели.
Так, чтобы обеспечить работу контроллеров серии AVR, на все плюсовые входы нужно подавать 5 В, а нулевой заземляют.
Если у модели несколько вводов и выводов питания, то подключать их нужно все.
На аналогово-цифровой преобразователь питание подают через дополнительные фильтры. Это поможет избавиться от помех, которые могут изменять показания напряжения. При этом на плюсовой ввод подается напряжение через фильтрующий дроссель. А нулевые выводы разделяют на цифровые и аналоговые. Причем соединяться они могут только в одной точке.
Кроме того, необходимо установить и конденсаторы, лучше керамические, из расчета 1 на 100 нанофарад.
Подключение
Через микроконтроллер можно подключить к локальной сети любой девайс. В качестве таковой можно рассмотреть Ethernet. Прежде всего, определимся с понятиями.
Ethernet – это набор стандартов IEEE 802.3, которые описывают разнообразные технологии локальных сетей: общий канальный уровень и набор технологий физического уровня, включающий в себя для передачи информации оптоволокно, витую пару, коаксиал с различными скоростями.
Понять, как работает локальная сеть, можно через модель OSI. Она включает в себя несколько уровней:
- Физический. Состоит из витой пары, драйверов и трансформаторов, по которым происходит передача данных.
- Канальный. Через него передаются Ethernet-фреймы между узлами локальной сети.
- Сетевой. По нему происходит передача пакетов. Они могут передаваться через несколько сетей, различающихся по технологиям физического и канального уровней.
- Транспортный. Связывает узлы между собой. Перед отправкой данных транспортный уровень представляет их в виде пакета сетевого уровня и передает другому узлу. Он может отправлять и группы пакетов одновременно. Если используется протокол с установкой соединения, то перед отправкой транспортный уровень устанавливает соединение, контролирует его качество, а только потом передает пакет данных.
- Прикладной. Решает прикладные задачи, те, ради которых создавался. С внешним миром он обменивается данными по стандартному или эксклюзивному протоколу.
Каждый из последующих уровней обслуживается предыдущим или нижележащим. Так образуются вертикальные межуровневые связи. Особенности обслуживания каждого уровня скрыты от остальных.
При взаимодействии двух сетей каждый из уровней одной сети контактирует с аналогичным уровнем другой. Так образуются горизонтальные связи.
Управление микроконтроллером
Управление МК может осуществляться двумя способами:
- Проводной путь. Управление исполнительными механизмами происходит через электропроводное соединение управляющих цепей и исполнительных механизмов. Включение — по нажатию кнопки на диспетчерском пункте или кнопочном пульте.
- Беспроводной путь. Такой способ управления не требует проводного соединения. С передатчика или пульта дистанционного управления (ПДУ) передается сигнал, который идет на приемник.
Сигналы беспроводного соединения могут быть:
- Оптическими. Подобными сигналами управляется домашняя бытовая техника: телевизоры или кондиционеры.
- Радио. Есть несколько вариантов: Wi-Fi, Bluetooth и др.
Развитие современных средств связи позволяет управлять контроллерами как через ПДУ, находясь в непосредственной близости к прибору, так и по интернету из любой точки мира через локальную сеть.
Обеспечивает поддержку cети Wi-Fi МК ESP 8266. В продаже он может быть в виде микросхемы или распаян, как arduino. У него 32-битное ядро, программировать его нужно через последовательный порт UART. Бывают более продвинутые платы с возможностью прошивки по USB – это NodeMCU. Они могут хранить информацию, записанную, например, с датчиков. Такие платы работают с различными интерфейсами, в т. ч. SPI, I2S.
Поддерживает большое число функций:
- планировщик задач;
- таймер;
- канал АЦП;
- формирование на выходе ШИМ сигнала;
- аудиопроигрыватель и многое другое.
Плата может быть использована как самостоятельное устройство и как модуль для беспроводной связи с Ардуино.
Тактирование микроконтроллеров
Тактовая частота МК – это количество тактов за секунду, выполняемых контроллером. Чем она выше, тем большее количество операций он может выполнить.
Существуют несколько способов тактирования МК. Они зависят от использования:
- Внутреннего RC-генератора. Он может работать только на частоте 1, 2, 4, 8 МГц. Если нужна другая частота, то он не подойдет. При необходимости использования точных временных интервалов тоже нельзя пользоваться этим методом, т. к. его задающая частота колеблется в зависимости от температуры.
- Внешнего кварца. Этот способ имеет более сложное подключение. Емкость конденсатора должна находиться в интервале 15–22 пФ. Один выход присоединяется к резонатору, а другой заземляется.
- Внешнего генератора. Этот генератор также нестабилен при разной температуре, как и внутренний.
- RС-цепочек. Для данной схемы подойдет конденсатор емкостью от 22 пФ, резистор 10–100 кОм.
Для простейших микроконтроллеров подойдут внутренний или внешний генератор и RC-цепочки. Для проектирования более точных МК потребуются стабильные источники тактирования.
Семейства микроконтроллеров
Все МК объединяются в семейства. Основная характеристика, по которой происходит это деление, — структура ядра.
Под ядром МК подразумевают набор определенных команд, цикличность работы процессора, организацию как памяти программ, так и баз данных, систему прерываний и базовый набор периферийных устройств (ПУ).
Различаются представители одного семейства между собой объемом памяти программ и баз данных, а также разнообразием ПУ.
Объединяют все МК в семейства одинаковость двоичного кода программирования.
Семейства делятся на:
- MSC-51, производства Intel. Монокристальный МК на основе Гарвардской архитектуры. Основной представитель этого семейства 80С51, созданный по технологии CMOS. И хотя эти контроллеры разработаны еще в 80-х годах прошлого века, но до сих пор широко применяются. И сегодня многие компании, такие как Siemens, Philips и др. выпускают свои контроллеры с подобной архитектурой.
- PIC (Microchip). МК Гарвардской архитектуры. В его основе лежит архитектура с сокращенным набором команд, встроенная память команд и данных, низкое энергопотребление. В это семейство входят более 500 различных МК (8-ми, 16-ти, 32-битные) с различными наборами периферии, памяти и прочими характеристиками.
- AVR (Atmel). Высокоскоростные контроллеры разработаны на собственной архитектуре. Основой контроллера является Гарвардский RISC-процессор с самостоятельным доступом к памяти программ и баз данных (Flash ПЗУ). Каждый из 32 регистров общего назначения может работать как регистр-аккумулятор и совокупность 16-битных команд. Высокая производительность в 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты обеспечивается за счет порядка выполнения команд, который предусматривает выполнение одной команды и одновременную подготовку к следующей. Для поддержания своей продукции компания Atmel выпускает бесплатную и качественную среду разработки Atmel
- ARM (ARM Limited) разработаны на собственной архитектуре. В семейство входят 32-х и 64-битовые МК. ARM Limited занимается только разработкой ядер и их инструментов, а лицензии на производство продает другим компаниям. Эти процессоры потребляют мало энергии, поэтому находят широкое применение в производстве мобильных телефонов, игровых консолей, маршрутизаторов и т. д. К компаниям, выкупившим лицензии, относятся: STMicroelectronics, Samsung, Sony Ericsson и др.
- STM (STMicroelectronics). 8-разрядные контроллеры (STM8) относятся к категории высоконадежных с низким энергопотреблением изделий. В это же семейство входят контроллеры STM32F4 и STM Их основу составляет-32 битный Cortex. Такие контроллеры обладают отлично сбалансированной архитектурой и имеют большие перспективы развития.
Это не все семейства микроконтроллеров. Здесь мы привели только основные.
Типы корпусов микроконтроллеров
Внешних отличий МК от других микросхем нет. Кристаллы размещены в корпусах с определенным количеством выходов. Все МК выпускаются только в 3-х типах корпусов:
- Корпус DIP имеет два ряда выводов. Расстояние между ними 2,54 мм. Выводы вставляются внутрь отверстий на контактных площадках.
- Корпус SOIC. Он подходит для монтажа, который предполагает поверхностную припайку выходов к контактной площадке. Расстояние между выходами 1,27 мм.
- Корпуса QFP (TQFP). Выводы расположены со всех сторон. Расстояние между ними в 3 раза меньше, чем в DIP. Корпус имеет квадратную форму. Предназначаются только для поверхностной пайки.
- Корпус QFN. Самый маленький по сравнению с предыдущими. Контакты выходят в 6 раз чаще, чем в DIP. Имеют большое распространение в промышленном производстве, т. к. позволяют значительно уменьшить габариты выпускаемых приборов.
Каждый из корпусов имеет свои точки применения. Первые 3 могут использоваться радиолюбителями.
В чем отличие микроконтроллера от микропроцессора?
Весь компьютерный функционал микропроцессора (Micro Processor Unit — MPU) содержится на одном полупроводниковом кристалле. По характеристикам он соответствует центральному процессору компьютера ЦП (Central Processing Unit — CPU). Область его применения – хранение данных, выполнение арифметико-логических операций, управление системами.
МП получает данные с входных периферийных устройств, обрабатывает их и передает выходным периферийным устройствам.
Микроконтроллер совмещает в себе микропроцессор и необходимые опорные устройства, объединенные в одном чипе. Если нужно создать устройство, коммуницирующее с внешней памятью или блоком ЦАП/АЦП, то понадобится только подключить источник питания с постоянным напряжением, цепь сброса и источник тактовой частоты.
Устройства на микроконтроллерах
Каждый из видов контроллеров имеет свои периферические устройства, которые работают автономно, т. е. независимо от центрального ядра. После того как периферийное устройство выполнит свою задачу, оно может сообщить об этом ЦП, а может и не сообщать. Это зависит от того, как оно запрограммировано.
На МК могут быть следующие устройства:
- Аналоговый компаратор. Основная его задача сравнивать поступающее (измеряемое) напряжение с идеальным. Если измеряемое напряжение выше, чем идеальное, то компаратор выдает сигнал логической 1 (прибор отключается), если ниже, то логический 0 (прибор продолжает работать).
- Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Измеряет аналоговое напряжение в период времени и выдает его в цифровой форме. Есть не у всех МК.
- Таймер/счетчик. Представляет собой сочетание 2-х форм таймера и счетчика. Таймер формирует интервалы времени, а цифровой счетчик считает количество импульсов, идущих от внутреннего генератора частот, или сигналы от внешних источников. Одним из представителей работы таймера /счетчика может быть ШИМ (широтно-импульсный модулятор). Он предназначен для управления средним значением напряжения при нагрузке.
- Сторожевой таймер. Его задача перезапускать программу через определенный временной промежуток.
- Модуль прерываний. Он сообщает МК о наступлении какого-либо события и прерывает выполнение программы. После завершения события возобновляет прерванную программу.
Не все из этих периферийных устройств обязательно есть в каждом МК. Существуют и другие, менее распространенные устройства.
Что нужно для программирования микроконтроллера
Чтобы микроконтроллер мог выполнять необходимые функции и решать определенные задачи, его необходимо запрограммировать.
Путь программирования проходит несколько этапов:
- Перед тем как приступить к написанию кода программы, надо определиться с конечной целью.
- Составляется алгоритм работы программы.
- Непосредственное написание кода программы. Коды пишутся на языке Си или Ассемблере.
- Компиляция программы, т. е. перевод ее в двоичную или шестнадцатеричную систему 1 и 0. Только так ее сможет понять МК.
- Откомпилированный код записывают в память контроллера.
- Прошивают МК с помощью программатора. Они бывают двух типов подключения: через COM или USB порт. Самый простой и дешевый программатор USBASP.
- Тестирование и отладка МК на реальном устройстве.
Радиолюбители иногда обходятся без прописывания алгоритма работы программы на бумаги. Они держат его в голове.
Языки программирования
Языки программирования для МК мало чем отличаются от классических компьютерных. Основное отличие заключается в том, что МК ориентируются на работу с периферией. Архитектура МК требует битово-ориентированных команд. Поэтому для контроллеров создавались особые языки:
- Ассемблер. Самый низкий уровень языка. Программы, написанные на нем, получаются громоздкими и труднопонимаемыми. Но несмотря на это он позволяет наиболее полно раскрыть все возможности контроллеров и получить максимальное быстродействие и компактный код. Подходит преимущественно для маленьких 8-битных МК.
- С/С++. Более высокий уровень языка. Программа, написанная на нем, более понятна человеку. На сегодняшний день есть много программных средств и библиотек, позволяющих писать коды на этом языке. Его компиляторы есть практически на любой модели МК. На сегодня это основной язык для программирования контроллеров.
- Еще более удобный для восприятия и проектирования язык. Но он мало применяется для программирования МК.
- Старинный язык программирования. На сегодня почти не применяется.
Выбор языка для программирования зависит от решаемых задач и необходимого качества кода. Если нужен компактный код, то подойдет Ассемблер, для решения более глобальных задач выбор ограничится только С/С++.
Среда разработки
На сегодня нельзя найти универсальной среды для программирования МК. Это связано с его внутренней структурой и наличием технического обеспечения записи кода в память контроллера.
Вот несколько сред программирования:
- FlowCode – универсальная графическая среда. Программируется с помощью построения логических структур блок-схем.
- Algorithm Builder. Тоже графическая среда. Но написание кода проходит в 3–5 раз быстрее, чем в FlowCode. В ней совмещены графический редактор, компилятор, симулятор МК, внутрисхемный программатор.
- В ней объединены Ассемблер и С/С++. Функционал среды позволяет самостоятельно прошивать МК.
- Image Craft. Как и предыдущая поддерживает Ассемблер и С/С++ языки. В ее составе есть библиотека, позволяющая работать с отдельными устройствами МК.
- Популярная среда для любителей. Имеет Си-подобный язык, но отличающийся от других. Он более понятен человеку. Поддерживает библиотеки, в составе которых есть драйвера для подключения некоторых платформ.
Среды бывают платные и бесплатные. Выбирая конкретную среду, нужно исходить из ее функционала, языка программирования, поддерживаемых интерфейсов и портов.
Основы программирования
Прежде чем приступать к программированию МК, нужно выбрать язык. Начинать лучше с Ассемблера. Хотя для понимания он достаточно сложен, но если приложить силы и все-таки понять его логику, то тогда станет ясно, что именно происходит в контроллере.
Если Ассемблер окажется сложен, то можно начинать с Си. Одной из сильных его сторон является то, что он хорошо переносит коды с одного вида МК на другой. Но для этого надо правильно все прописать, разделив рабочие алгоритмы и их реализации в машине по разным частям проекта. Это позволит переносить алгоритм в другой контроллер, переделав всего лишь интерфейсный слой, в котором прописано обращение к «железу», оставив рабочий код без изменений.
Далее действуют по следующей схеме:
- Выбор компилятора и установка среды (подробнее о них писалось выше).
- Запуск среды и выбор в ней нового проекта. Необходимо будет указать место расположения. Путь нужно выбирать наиболее короткий.
- Настройка проекта. Классическим действием будет создание make-файла, в котором прописываются все зависимости. На первой странице указывают еще частоту работы МК.
- Настройка путей. В них надо добавить директорию проекта. В нее можно добавлять сторонние библиотеки.
- Постановка задачи.
- Сборка схемы. На этом этапе надо соединить модуль USB-USART конвертера с аналогичными выводами МК. Это позволит прошить микроконтроллер без программатора. Нужно накинуть джамперы, соединяющие LED1 и LED2. Этим действием мы подключим светодиоды LED 1 и 2 к выводам PD4 и PD5.
- Пропись кода.
- Добавление библиотек и заголовков с определениями.
- Главные функции. Язык Си состоит из одних функций. Они могут быть вложенными и вызываться в любом порядке относительно друг из друга и разными способами. Но все они имеют три обязательных параметра: 1) возвращаемое значение; 2) передаваемые параметры; 3) тело функции. В зависимости отданных, все возвращаемые или передаваемые значения должны быть определенного типа.
- Компиляция и запуск эмуляции.
- Отладка программы.
После того как прописали программу на языке Си, можно понаблюдать, как и что происходит в МК. Это поможет выстроить аналогию с программированием на Ассемблере.
Советы начинающим программистам микроконтроллеров
Чтобы первый опыт в программировании МК не закончился неудачей и навсегда не отбил охоту заниматься этим делом, нужно следовать некоторым советам:
- Начинать с изучения периферии и ее особенностей.
- Каждую большую задачу надо разделять на максимально количество мелких.
- В начале пути не стоит упрощать себе жизнь и пользоваться кодогенераторами, нестандартными фичами и т. п. вещами.
- Обязательно нужно изучать языки программирования (Си и Ассемблера).
- Читайте Даташит.
- Соберите необходимый набор инструментов. Это стоит определенных денег, но окупит себя экономией времени и качеством работы.
Никогда не поздно стать радиолюбителем, будь вам 30 лет или 50. И необязательно иметь профильное высшее образование. Сейчас на просторах интернета много доступной информации, изучая которую можно разобраться в устройстве микроконтроллеров и научиться их программировать.
1. Многие начинающие электронщики не знают с чего начать, поэтому спрашивают совета. Большинство бывалых радиолюбителей ответят, что начни собирать какую нибудь схему. Естественно в голове любого начинающего сразу мелькает LCD дисплей с jpeg картинками, какой нибудь mp3 плеер или часы, без малейшей мысли о том, что не имея базовых знаний это неподъемная задача.
Я категорически против такого подхода. Обычно это все заканчивается — либо ничем, либо забитые форумы с мольбами помочь. Даже если кому то помогают, то в 90% он больше никогда не всплывет на сайтах по электронике. В остальных 10% он так и продолжает заливать форумы мольбами, его будут сначала пинать, затем поливать грязью. Из этих 10% отсеивается еще 9%. Далее два варианта: либо таки до глупой головы доходит и все же происходит goto к началу, либо в особо запущенных вариантах, его удел копировать чужие конструкции, без единой мысли о том как это работает. Из последних зачастую рождаются ардуинщики.
Путь с нуля на мой взгляд заключается в изучении периферии и особенностей, если это микроконтроллер. Правильнее сначала разобраться с тем как дрыгать ножками, потом с таймерами, затем интерфейсами. И только тогда пытаться поднимать свой FAT. Да это не быстро, да это потребует времени и усилий, но практика показывает, как бы вы не пытались сократить этот путь, все равно всплывут проблемы, которые придется решать и время вы потратите куда больше, не имея этой базы.
Только не нужно путать теплое и мягкое. Первое — из всех правил есть исключения, лично видел людей, которые в руках раньше не держали микроконтроллеров, но за крайне короткий срок смогли обскакать бывалых опытных радиолюбителей, их в расчет не берем. Второе — мне попадались личности, которые начинали с копирования схем и сходу разбирались, но скорее это тоже исключение из правил. Третье — и среди ардуинщиков попадаются опытные программисты, это ведь всего навсего платформа, но и это скорее исключение.
Если говорить об общей массе, то дела обстоят именно так как я описал вначале: нежелание разбираться с основами, в лучшем случае оттягивает момент того, когда придется вернуться к этим вопросам. В худшем случае, вы быстро упретесь в потолок своих знаний и все время винить в своих проблемах кого то другого.
2. Перед решением задачи, дробите ее до абсурда вплоть до «припаять резистор», это помогает, проверено. Мелкие задачи решать куда проще. Когда большая задача разбита на кучу мелких действий, то все что остается — это выполнить их. Могу привести еще один годный совет, хоть он вам и покажется бредовым — заведите блокнотик и пишите в него все что собираетесь сделать. Вы думаете, итак запомню, но нет. Допустим сегодня у меня хорошее настроение и думаю о том, как собрать плату. Запиши план действий: сходить купить резистор, подготовить провода, сделать крепление дисплея. Потом все забудешь, откроешь блокнотик и смотришь — ага сегодня настроение попилить и построгать, сделаю крепление. Или собираешь ты плату и уже осталось допаять последний компонент, но не тут то было резисторы кончились, вот записал бы перед тем как паять, то вспомнил.
3. Не пользуйтесь кодогенераторами, нестандартными фичами и прочими упрощалками, хотя бы на первых этапах. Могу привести свой личный пример. Во времена активного использования AVR я пользовался кодогеном CAVR. Меня он полностью устраивал, хотя все говорили, что он кака. Звоночки звенели постоянно, были проблемы с библиотеками, с синтаксисом, с портированием, но было тяжело от этого отказаться. Я не разбирался как это работает, просто знал где и как поставить галочки.
Кол в мой гроб был вбит с появлением STM32, нужно было обязательно переползать на них, вот тогда то и появились проблемы. Проблемы мягко сказано, фактически мне пришлось осваивать микроконтроллеры и язык Си с нуля. Больше я не повторял прошлых ошибок. Надо сказать это уже пригодилось и не один раз. С тех пор мне довелось поработать с другими платформами и никаких затруднений не испытываю, подход оправдывает себя.
По поводу всех улучшалок и упрощалок, было одно очень хорошее сравнение, что они подобны инвалидным коляскам, которые едут по рельсам, можно ехать и наслаждаться, но вставать нельзя, куда везут — туда и приедешь.
4. Изучайте язык Си. Эх, как же часто я слышу, как начинающие радиолюбители хвалятся, что хорошо знают сишку. Для меня это стало кормом, всегда люблю проконсультироваться у таких собеседников. Обычно сразу выясняется, что язык они совершенно не знают. Могу сказать, что не смотря на кажущуюся простоту, людей которые действительно хорошо бы его знали, встречал не так много. В основном все его знают на столько, на сколько требуется для решения задач.
Однако, проблема на мой взгляд заключается в том, что не зная возможностей, вы сильно ограничиваете себя. С одной стороны не оптимальные решения, которые потребуют более мощного железа, с другой стороны не читаемый код, который сложно поддерживать. На мой взгляд, читаемость и поддерживаемость кода занимает одно из важнейших мест и мне сложно представить, как можно этого добиться не используя все возможности языка Си.
Очень многие начинающие брезгуют изучением языка, поэтому если вы не будете как все, то сразу станете на две ступени выше остальных новичков. Так же не никакой разницы, где изучать язык. На мой взгляд, микроконтроллер для этого не очень подходит. Гораздо проще поставить какую нибудь Visual studio или Qt Creator и порешать задачки в командной строке.
Хорошим подспорьем будет также изучение всяких тестов по языку, которые дают при собеседованиях. Если порыться то можно много нового узнать.
5. Изучение ассемблера? Бояться его не нужно, равно как и боготворить. Не нужно думать, что умея написать программу на ассемблере, вы сразу станете гуру микроконтроллеров, почему то это частое заблуждение. В первую очередь это инструмент. Даже если вы не планируете использовать его, то все равно я бы настоятельно рекомендовал написать хотя бы пару программ. Это сильно упростит понимание работы микроконтроллера и внутреннего устройства программ.
6. Читайте даташит. Многие разработчики, пренебрегают этим. Изучая даташит вы будете на две ступени выше тех разработчиков. Делать это крайне полезно, во первых это первоисточник, какие бы сайты вы не читали, в большинстве случаев они повторяют информацию из даташита, зачастую с ошибками и недосказанностями. Кроме того, там может находиться информация, о которой вы не задумываетесь сейчас, но которая может пригодиться в будущем. Может статься так, что вылезет какая то ошибка и вы вспомните что да, в даташите об этом было сказано. Если ваша цель стать хорошим разработчиком, то этого этапа не избежать, читать даташиты придется, чем раньше вы начнете это делать, тем быстрее пойдет рост.
7. Часто народ просит прислать даташит на русском. Даташит — это то, что должно восприниматься как истина, самая верная информация. Даже там не исключены ошибки. Если к этому добавятся ошибки переводчика, он ведь тоже человек, может даже не нарочно, просто опечататься. Либо у него свое видение, может что-то упустить, на его взгляд не важное, но возможно крайне важное для вас. Особенно смешной становится ситуация, когда нужно найти документацию на не сильно популярные компоненты.
На мой взгляд, намного проще исключить заранее весь слой этих проблем, чем вылавливать их потом. Поэтому я категорически против переводов, единственный верный совет — изучайте английский язык, чтобы читать даташиты и мануалы в оригинале. Понять смысл фразы с помощью программ переводчиков можно, даже если уровень вашего языка полный ноль.
Мною был проведен эксперимент: в наличии был студент, даташит и гугл переводчик. Эксперимент №1: студенту вручен даташит и дано задание самостоятельно найти нужные значения, результат — «да как я смогу», «да я не знаю английский», «я ничего не нашел/я не понял» типичные фразы, говорящие о том, что он даже не пытался. Эксперимент №2: тому же студенту, вручен все тот же даташит и тоже задание, с той разницей, что я сел рядом. Результат — через 5 минут он сам нашел все нужные значения, абсолютно без моего участия, без знания английского.
8. Изобретайте велосипед. Например, изучаете какую то новую штуку, допустим транзистор, дядька Хоровиц со страниц своей книги авторитетно заявляет, что транзистор усиливает, всегда говорите — НЕ ВЕРЮ. Берем в руки транзистор включаем его в схему и убеждаемся что это действительно так. Есть целый пласт проблем и тонкостей, которые не описываются в книгах. Прочувствовать их можно только, когда возьмешь в руки и попробуешь собрать. При этом получаем кучу попутных знаний, узнаем тонкости. Кроме того, любая теория без практики забудется намного быстрее.
На первоначальном этапе, мне очень сильно помог один метод — сначала собираешь схему и смотришь как она работает, а затем пытаешься найти обоснование в книге. То же самое и с программной частью, когда есть готовая программа, то проще разобраться в ней и соотнести куски кода, какой за что отвечает.
Также важно выходить за рамки дозволенного, подать побольше/поменьше напряжение, делать больше/меньше резисторы и следить за изменениями в работе схемы. В мозгу все это остается и оно пригодится в будущем. Да это чревато расходом компонентов, но я считаю это неизбежным. Первое время я сидел и палил все подряд, но теперь перед тем как поставить тот или иной номинал, всегда вспоминаю те веселые времена и последствия того, если поставить неверный номинал.
9. А как бы я сделал это, если бы находился на месте разработчиков? Могу ли я сделать лучше? Каждый раз задавайте себе эти вопросы, это очень хорошо помогает продвигаться в обучении. Например, изучите интерфейсы 1wire, i2c, spi, uart, а потом подумайте чем они отличаются, можно ли было сделать лучше, это поможет осознать почему все именно так, а не иначе. Так же вы будете осознавать, когда и какой лучше применить.
10. Не ограничивайтесь в технологиях. Важно что этот совет имеет очень тонкую грань. Был этап в жизни, когда из каждой подворотни доносилось «надо бы знать ПЛИС», «а вот на ПЛИС то можно сделать». Формально у меня не было целей изучать ПЛИСины, но и пройти мимо было никак нельзя. Этому вопросу было выделено немного времени на ознакомление. Время не прошло зря, у меня был целый ряд вопросов, касаемых внутреннего устройства микроконтроллеров, именно после общения с плисинами я получил ответы на них. Подобных примеров много, все знания, которые я приобретал в том или ином виде, рано или поздно пригодились. У меня нет ни единого бесполезного примера.
Но как было сказано, вопрос технологий имеет тонкую грань. Не нужно хвататься за все подряд. В электронике много направлений. Может вам нравится аналог, может цифра, может вы специалист по источникам питания. Если не понятно, то попробуйте себя везде, но практика показывает, что вначале лучше сконцентрироваться на чем то конкретном. Даже если нужно жать в нескольких направлениях, то лучше делать это ступеньками, сначала продавить что то одно.
11. Если спросить начинающего радиолюбителя, что ему больше нравится программирование или схемотехника, то с вероятностью 99% ответ будет программирование. При этом большую часть времени эти программисты тратят на изготовление плат ЛУТом/фоторезистом. Причины в общем то понятны, но довольно часто это переходит в некий маразм, который состоит в изготовлении плат ради изготовления плат.
В интернетах практически единственный трушный путь к программированию это стать джедаем изготовления печатных плат. Я тоже прошел через этот путь, но каждый раз задаю себе вопрос зачем? С тех пор, как я приобрел себе пару плат, на все случаи жизни, каждый раз думаю о том, что мог бы спокойно прожить все это время без самодельных плат. Мой совет, если есть хоть капля сомнений, то лучше не заморачиваться и взять готовую отладочную плату, а время и средства лучше бы потратить на программирование.
12. Следующий совет, особенно болезненный, мне очень не хочется его обсуждать, но надо. Часто мне пишут, мол ххх руб за ууу дорого, где бы подешевле достать. Вроде бы обычный вопрос, но обычно я сразу напрягаюсь от него, так как зачастую он переходит в бесконечные жалобы на отсутствие денег. У меня всегда возникает вопрос: почему бы не оторвать пятую точку и не пойти работать? Хоть в тот же макдак, хоть на стройку, потерпеть месяц, зато потом можно приобрести парочку плат, которых хватит на ближайший год. Да я знаю, что маленьких городах и селах сложно найти работу, переезжайте в большой город. Работайте на удаленке, в общем нужно крутиться. Просто жаловаться нет смысла, выход из ситуации есть, кто ищет его тот находит.
13. В ту же копилку внесу очень болезненный вопрос инструмента. Инструмент должен позволять вам максимально быстро разрабатывать устройства. Почему то очень многие разработчики не ценят свое время. Типичный пример, дешевая обжимка для клемм, на которой так любят экономить многие работодатели. Проблема в том, что она даже обжимает не правильно, из-за этого провода вываливаются. Приходится производить кучу дополнительных манипуляций, соответственно тратить время. Но как известно дурак платит трижды, поэтому низкая цена кримпера возрастет во много раз, за счет затрачиваемого времени и плохого качества обжима.
Не говорю что дешевое = плохое, нет — все зависит от ситуации. Вернусь к примеру кримпера, было время когда обжимал чем попало, поэтому часто возникали проблемы. Особенно неприятно, когда заводишь плату и она не работает, после долгих поисков ошибки понимаешь что из-за плохо обжатого проводочка, обидно. С тех пор как появилась нормальная обжимка этих проблем нет. Да внутренняя жаба и квакала, и душилась от ее стоимости, но ни разу не пожалел об этом решении. Все что я хочу сказать, что поработав с нормальным инструментом, совершенно не хочется возвращаться к плохому, даже не хочется обсуждать это. Как показывает практика, лучше не экономить на инструментах, если сомневаетесь — возьмите у кого нибудь потестить, почитайте отзывы, обзоры.
14. Заведите сайт, можно писать на нем, что угодно, просто как записки. Практика показывает, что работодатели все равно его не читают, но сам факт производит большой эффект.
15. Тонкий вопрос: профильное высшее образование, нужно ли оно? Мне известны не единичные случаи, когда люди работали абсолютно без образования и по опыту и знаниям они могли дать прикурить любому дипломированному специалисту. Собственно, у меня нет профильного образования, испытываю ли я от этого дискомфорт? В определенной степени да.
Еще в самом начале, когда микроконтроллеры были для меня хобби, я много помогал с курсовыми и дипломами разных вузов, просто чтобы оценить свой уровень. Могу сказать уверенно, что уровень в целом невысок вне зависимости от имени вуза. Учиться несколько лет, для того чтобы написать такой диплом, совершенно необязательно. Достигнуть этого можно самостоятельно за весьма короткий срок. И все же зачастую бывали моменты, когда студенты знали какой то предмет, который они проходили на 2-3 курсе, а я этого не знал. Хоть все эти знания и компенсировались самообразованием, но все же лучше было бы не тратить на это время.
Вуз ради бумажки. Могу сказать, что были и такие ситуации, когда предлагали работу, которая требовала обязательного наличия образования и было обидно, что именно в тот момент бумажки не было. Но в целом, история показывает, что большинству работодателей наплевать на вашу бумажку.
Следующий момент довольно часто не учитывается, это окружение. Не забывайте, что люди, с которыми вы учитесь это ваше поколение, не исключено что вам с ними работать. Количество фирм работающих в одной отрасли сильно ограничено. Практика показывает, что даже в больших городах все и все друг о друге знают, вплоть до интимных подробностей.
Еще один момент это возможности. Зачастую у вузов есть свои возможности — оборудование, может какие то секции, может какие то программы работы за рубежом, этим нужно пользоваться, если есть хоть малейшая возможность. Если в вузе вы не видите перспективы, идите в другой, мир на каком то одном не заканчивается.
Если подытожить то совет таков: если есть хоть малейшая возможность — нужно идти учиться, обязательно по профилю, если есть хоть какие то шансы, то лезть везде, а не отсиживать штаны на задней парте. Заводить знакомства, параллельно дома самому практиковаться, развиваться.
16. Поздно ли начинать программировать в 20, 30, 40, 50 лет? Практика других людей показывает, что возраст вообще не помеха. Многие почему то не учитывают то, что есть целый пласт работы, которую молодые в силу своих амбиций не хотят делать. Поэтому работодатели предпочитают брать тех, кто будет ее тащить. Это ваш шанс зацепиться, а дальше все зависит только от вас.
И последний совет. Многие радиолюбители необщительные, сердитые и раздражительные — считайте это спецификой работы. Излучайте добро и позитив, будьте хорошим человеком.
90000 How Brushless Motor and ESC Work 90001 90002 In this tutorial we will learn how brushless motor and ESC work. This article is the first part of the following video, where we will learn the working principle of a brushless DC motor and ESC (Electronic Speed Controller), and in the second part we will learn how to control BLDC motor using Arduino. 90003 90002 90005 90006 90003 90002 90009 How It Works 90010 90003 90012 90002 A BLDC motor consist of two main parts, a stator and a rotor.For this illustration the rotor is a permanent magnet with two poles, while the stator consists of coils arranged as shown in the picture below. 90003 90002 90016 90003 90002 We all know that if we apply current through a coil it will generate a magnetic field and the magnetic field lines or the poles depends on the current direction. 90003 90002 90021 90003 90002 So if we apply the appropriate current, the coil will generate a magnetic field that will attract the rotors permanent magnet.Now if we activate each coil one after another the rotor will keep rotating because of the force interaction between permanent and the electromagnet. 90003 90002 90026 90003 90002 In order to increase the efficiency of the motor we can wind two opposite coils as a single coil in way that will generate opposite poles to the rotors poles, thus we will get double attraction force. 90003 90002 90031 90003 90002 With this configuration we can generate the six poles on the stator with just three coils or phase.We can further increase the efficiency by energizing two coils at the same time. In that way one coil will attract and the other coil will repel the rotor. 90003 90002 90036 90003 90002 In order the rotor to make a full 360 degrees cycle, it need six steps or intervals. 90003 90002 90041 90003 90002 If we take a look at the current waveform we can notice that in each interval there is one phase with positive current, one phase with negative current and the third phase is turned off. This gives the idea that we can connect the free end points of each of the three phases together and so we can share the current between them or use a single current to energize the two phases at the same time.90003 90002 Here’s an example. If we pull up phase A High, or connect it to the positive DC voltage, with some kind of switch, for example a MOSFET, and on the other side, connect the phase B to ground, then the current will flow from VCC, through phase A, the neutral point and phase B, to ground. So, with just a single current flow we generated the four different poles which cause the rotor to move. 90003 90002 90048 90003 90002 With this configuration we actually have a star connection of the motor phases, where the neutral point is internally connected and the other three ends of the phases come out of the motor and that’s why brushless motor have three wires coming out of it.90003 90002 90053 90003 90002 So, in order the rotor to make full cycle we just need to activate the correct two MOSFETS in each of the 6 interval and that’s what ESCs are actually all about. 90003 90002 90058 90003 90009 How a Stepper Motor Works 90010 90002 In this tutorial you will learn how a stepper motor works. We will cover the basic working principles of stepper motors, their driving modes and … 90003 90002 An ESC or an Electronic Speed Controller controls the brushless motor movement or speed by activating the appropriate MOSFETs to create the rotating magnetic field so that the motor rotates.The higher the frequency or the quicker the ESC goes through the 6 intervals, the higher the speed of the motor will be. 90003 90002 90067 90003 90002 However, here comes an important question, and that’s how do we know when to activate which phase. The answer is that we need to know the position of the rotor and there are two common methods used for determining the rotor position. 90003 90002 The first common method is by using Hall-effect sensors embedded in the stator, arranged equally 120 or 60 degrees from each other.90003 90002 90074 90003 90002 As the rotors permanent magnets rotate the Hall-effect sensors sense the magnetic field and generate a logic «high» for one magnetic pole or logic «low» for the opposite pole. According to this information the ESC knows when to activate the next commutation sequence or interval. 90003 90002 The second common method used for determining the rotor position is through sensing the back electromotive force or back EMF. The back EMF occurs as a result of the exact opposite process of generating a magnetic field or when a moving or changing magnetic field pass through a coil it induces a current in the coil.90003 90002 90081 90003 90002 So, when the moving magnetic field of the rotor pass through the free coil, or the one that’s not active, it will induce a current flow in coil and as result a voltage drop will occur in that coil. The ESC captures these voltage drops as they occur and based on them it predicts or calculates when the next interval should take place. 90003 90002 So that’s the basic working principle of brushless DC motors and ESCs and it’s the same even if we increase the number of poles of the both the rotor and the stator.We will still have a three-phase motor, only the number of intervals will increase in order to complete a full cycle. 90003 90002 90088 90003 90002 Here we can also mention that BLDC motors can be inrunners or outrunners. An inrunner brushless motor has the permanent magnets inside the electromagnets, and vice versa, an outrunner motor has the permanent magnets outside the electromagnets. Again, they use the same working principle and each of them has its own strengths or weaknesses. 90003 90002 90093 90003 90002 Ok, that’s enough theory so now let’s demonstrate and see in real life what we explained above.For that purpose we will we connect the three phases of a brushless motor to an oscilloscope. I connected 3 resistors in a single point to make a virtual neutral point and on the other side I connected them to the three phases of the BLDC motor. 90003 90002 90098 The first thing that we can notice here are the three sine waves. These sine waves are actually the back EFM generated in the phases when they are not active. 90003 90002 90101 90003 90002 We can see that as we change the RPM of the motor, the frequency of the sine waves changes and as well as their amplitude.The higher the RPM, the higher are the frequency and the amplitude of the back EMF sine waves. However, what drives the motor are actually these peaks, which are the active phases that generate the changing magnetic field. 90003 90002 90106 90003 90002 We can notice that at each interval, there are two active and one inactive phase. For example, here we have phase A and B active, while phase C is inactive. Then we have phase A and C active, while phase B is inactive, and so on. 90003 90002 Here I would like to give shout-out to Banggood.com for providing me this oscilloscope. It’s the Rigol DS1054Z and it’s one of the best entry-level oscilloscopes for its price point. It has four input channels, 50MHz bandwidth, which is hackable to 100MHz, it has a sampling rate of 1GSa / s and relatively large memory depth of 24Mpts. 90003 90002 90113 90003 90002 The display is 7 inches and it’s really nice and bright. It features various math functions, low pass and high pass filters, SPI and I2C decoding and much more. So again, big thanks to Banggood.com and make sure you check out this oscilloscope in their store. 90003 90002 Nevertheless, that’s the basic working principle of brushless motor. In case you want some more real live examples and learn how to control brusheless motors using Arduino you should check the part two of this tutorial. 90003 90002 90120 90003 90002 I hope you enjoyed this tutorial and learned something new. Feel free to ask any question in the comments section below and do not forget to check my collection of Arduino Projects.90003 90124.90000 What is a PID Controller, Their Types and How does it Work? 90001 90002 90003 Construction and Working of PID Controllers 90004 90005 90006 90007 90003 PID Controller 90005 is a most common control algorithm used in industrial automation & applications and more than 95% of the industrial controllers are of PID type. PID controllers are used for more precise and accurate control of various parameters. 90010 90007 Most often these are used for the regulation of temperature, pressure, speed, flow and other process variables.Due to robust performance and functional simplicity, these have been accepted by enormous industrial applications where a more precise control is the foremost requirement. Let’s see 90012 how the PID controller works 90013? 90010 90007 90016 90016 90010 90019 90003 What is a PID Controller? 90005 90022 90007 A combination of proportional, integral and derivative actions is more commonly referred as PID action and hence the name, 90003 PID 90005 90012 90003 (Proportional-Integral-Derivative) 90005 90013 90003 controller 90005.These three basic coefficients are varied in each PID controller for specific application in order to get optimal response. 90010 90007 It gets the input parameter from the sensor which is referred as actual process variable. It also accepts the desired actuator output, which is referred as set variable, and then it calculates and combines the proportional, integral and derivative responses to compute the output for the actuator. 90010 90007 90036 90036 90010 90007 Consider the typical control system shown in above figure in which the process variable of a process has to be maintained at a particular level.Assume that the process variable is temperature (in centigrade). In order to measure the process variable (i.e., temperature), a sensor is used (let us say an RTD). 90010 90007 A set point is the desired response of the process. Suppose the process has to be maintained at 80 degree centigrade, and then the set point is 80 degree centigrade. Assume that the measured temperature from the sensor is 50 degree centigrade, (which is nothing but a process variable) but the temperature set point is 80 degree centigrade.90010 90007 This deviation of actual value from the desired value in the PID control algorithm causes to produce the output to the actuator (here it is a heater) depending on the combination of proportional, integral and derivative responses. So the PID controller continuously varies the output to the actuator till the process variable settle down to the set value. 90003 This is also called as closed loop feedback control system 90005. 90010 90019 90003 Working of PID Controller 90005 90022 90007 In manual control, the operator may periodically read the process variable (that has to be controlled such as temperature, flow, speed, etc.) And adjust the control variable (which is to be manipulated in order to bring control variable to prescribed limits such as a heating element, flow valves, motor input, etc.). On the other hand, in automatic control, measurement and adjustment are made automatically on a continuous basis. 90052 90052 All modern industrial controllers are of automatic type (or closed loop controllers), which are usually made to produce one or combination of control actions. These control actions include 90010 90055 90056 90003 ON-OFF Controller 90005 90059 90056 90003 Proportional Controller 90005 90059 90056 90003 Proportional-Integral Controller 90005 90059 90056 90003 Proportional-Derivative Controller 90005 90059 90056 90003 Proportional-Integral-Derivative Controller 90005 90059 90076 90007 In case of ON-OFF controller, two states are possible to control the manipulated variable, i.e., either fully ON (when process variable is below the set point) or Fully OFF (when process variable is above the set point). So the output will be of oscillating in nature. In order to achieve the precise control, most industries use the PID controller (90003 or PI or PD 90005 depends on the application). Let us look at these control actions. 90010 90081 90003 P-Controller 90005 90084 90007 90003 Proportional control 90005 or simply 90003 P-controller 90005 produces the control output proportional to the current error.Here the error is the difference between the set point and process variable (i.e., e = SP — PV). This error value multiplied by the proportional gain (Kc) determines the output response, or in other words proportional gain decides the ratio of proportional output response to error value. 90010 90007 For example, the magnitude of the error is 20 and Kc is 4 then proportional response will be 80. If the error value is zero, controller output or response will be zero. The speed of the response (transient response) is increased by increasing the value of proportional gain Kc.However, if Kc is increased beyond the normal range, process variable starts oscillating at a higher rate and it will cause instability of the system. 90092 90092 90094 90094 Although P-controller provides stability of the process variable with good speed of response, there will always be an error between the set point and actual process variable. Most of the cases, this controller is provided with manual reset or biasing in order to reduce the error when used alone. However, zero error state can not be achieved by this controller.Hence there will always be a steady state error in the p-controller response as shown in figure. 90010 90081 90003 I-Controller 90005 90084 90081 90003 D- Controller Response 90005 90084 90007 A 90003 derivative controller (90005 or simply 90003 D-Controller) 90005 sees how fast process variable changes per unit of time and produce the output proportional to the rate of change. The derivative output is equal to the rate of change of error multiplied by a derivative constant. The D-controller is used when the processor variable starts to change at a high rate of speed.90010 90007 In such case, D-controller moves the final control device (such as control valves or motor) in such direction as to counteract the rapid change of a process variable. It is to be noted that D-controller alone can not be used for any control applications. 90112 90112 90010 90007 The derivative action increases the speed of the response because it gives a kick start for the output, thus anticipates the future behavior of the error. The more rapidly D-controller responds to the changes in the process variable, if the derivative term is large (which is achieved by increasing the derivative constant or time Td).90010 90007 In most of the PID controllers, D-control response depends only on process variable, rather than error. This avoids spikes in the output (or sudden increase of output) in case of sudden set point change by the operator. And also most control systems use less derivative time td, as the derivative response is very sensitive to the noise in the process variable which leads to produce extremely high output even for a small amount of noise. 90118 90118 90010 90007 Therefore, by combining proportional, integral, and derivative control responses, a PID controller is formed.A PID controller finds universal application; however, one must know the PID settings and tune it properly to produce the desired output. Tuning means the process of getting an ideal response from the PID controller by setting optimal gains of proportional, integral and derivative parameters. 90122 90122 90010 90007 There are different methods of tuning the PID controller so as to get desired response. Some of these methods include trial and error, process reaction curve technique and Zeigler-Nichols method.Most popularly Zeigler-Nichols and trial and error methods are used. 90010 90007 This is about the PID controller and its working. Due to the simplicity of controller structure, PID controllers are applicable for a variety of processes. And also it can be tuned for any process, even without knowing detailed mathematical model of process. Some of the applications include, PID controller based motor speed control, temperature control, pressure control, flow control, level of the liquid, etc. 90010 90019 90003 Real-Time PID Controllers 90005 90022 90007 There are different types PID controllers available in today’s market, which can be used for all industrial control needs such as level, flow, temperature and pressure.When deciding on controlling such parameters for a process using PID, options include use either PLC or standalone PID controller. 90010 90007 Standalone PID controllers are used where one or two loops are needed to be monitored and controlled or in the situations where it difficult to access with larger systems. These dedicated control devices offer a variety of options for single and dual loop control. Standalone PID controllers offer multiple set point configurations and also generates the independent multiple alarms.90136 90136 90010 90007 Some of these standalone controllers include Yokogava temperature controllers, Honeywell PID controllers, OMEGA auto tune PID controllers, ABB PID controllers and Siemens PID controllers. 90010 90007 Most of the control applications, PLCs are used as PID controllers. PID blocks are inbuilt in PLCs / PACs and which offers advanced options for a precise control. PLCs are more intelligent and powerful than standalone controllers and make the job easier. Every PLC consist the PID block in their programming software, whether it can Siemens, ABB, AB, Delta, Emersion, or Yokogava PLC.90010 90007 The figure below shows the 90003 Allen Bradley (AB) PID block 90005 and its setup window. 90146 90146 90148 90148 90010 90007 The figure below shows the 90003 Siemens PID block 90005. 90154 90154 90010 90007 The below figure shows 90003 PID controller 90005 VIs offered by LabVIEW PID toolset. 90160 90160 90010 90007 Related Posts: 90010.90000 How Air Traffic Control Works 90001 90002 During peak air travel times in the United States, there are about 5,000 airplanes in the sky every hour. This translates to approximately 50,000 aircraft operating in our skies each day. How do these aircraft keep from colliding with each other? How does air traffic move into and out of an airport or across the country? 90003 90002 The task of ensuring safe operations of commercial and private aircraft falls on air traffic controllers.They must coordinate the movements of thousands of aircraft, keep them at safe distances from each other, direct them during takeoff and landing from airports, direct them around bad weather and ensure that traffic flows smoothly with minimal delays. 90003 90002 When you think about air traffic control, the image of men and women in the tower of an airport probably comes to mind. However, the air traffic control system is much more complex than that. In this article, we will examine air traffic control in the United States.We’ll follow a flight from departure to arrival, looking at the various controllers involved, what each one does, the equipment they use and how they are trained. 90003 90008 Airspace and Air Traffic Control 90009 90002 The United States airspace is divided into 21 zones (90011 centers 90012), and each zone is divided into sectors. Also within each zone are portions of airspace, about 50 miles (80.5 km) in diameter, called 90011 TRACON 90012 (90011 T 90012 erminal 90011 R 90012 adar 90011 A 90012 pproach 90011 CON 90012 trol) airspaces.Within each TRACON airspace are a number of airports, each of which has its own airspace with a 5-mile (8-km) radius. 90003 90002 The air traffic control system, which is run by the Federal Aviation Administration (FAA), has been designed around these airspace divisions. The air traffic control system divisions are: 90003 90026 90027 90011 Air Traffic Control System Command Center 90012 (ATCSCC) — The 90011 ATCSCC 90012 oversees all air traffic control.It also manages air traffic control within centers where there are problems (bad weather, traffic overloads, inoperative runways). 90032 90027 90011 Air route traffic control centers 90012 (ARTCC) — There is one 90011 ARTCC 90012 for each center. Each ARTCC manages traffic within all sectors of its center except for TRACON airspace and local-airport airspace. 90032 90027 90011 Terminal radar approach control 90012 — 90011 TRACON 90012 handles departing and approaching aircraft within its space.90032 90027 90011 Air traffic control tower 90012 (ATCT) — An 90011 ATCT 90012 is located at every airport that has regularly scheduled flights. Towers handle all takeoff, landing, and ground traffic. 90032 90027 90011 Flight service station 90012 (FSS) — The 90011 FSS 90012 provides information (weather, route, terrain, flight plan) for private pilots flying into and out of small airports and rural areas. It assists pilots in emergencies and coordinates search-and-rescue operations for missing or overdue aircraft.90032 90057 90002 The movement of aircraft through the various airspace divisions is much like players moving through a «zone» defense that a basketball or football team might use. As an aircraft travels through a given airspace division, it is monitored by the one or more air traffic controllers responsible for that division. The controllers monitor this plane and give instructions to the pilot. As the plane leaves that airspace division and enters another, the air traffic controller passes it off to the controllers responsible for the new airspace division.90003 90002 Some pilots of small aircraft fly by vision only (90011 visual flight rules 90012, or VFR). These pilots are not required by the FAA to file flight plans and, except for FSS and local towers, are not serviced by the mainstream air traffic control system. Pilots of large commercial flights use instruments to fly (90011 instrument flight rules 90012, or IFR), so they can fly in all sorts of weather. They must file flight plans and are serviced by the mainstream air traffic control system 90003 90002 Up next, we’ll check in with a commercial airline flight before it takes off.90003 .90000 View Controller Programming Guide for iOS: Presenting a View Controller 90001 90002 Presenting a view controller is a quick and easy way to animate new content onto the screen. The presentation machinery built into UIKit lets you display a new view controller using built-in or custom animations. The built-in presentations and animations require very little code because UIKit handles all of the work. You can also create custom presentations and animations with little extra effort and use them with any of your view controllers.90003 90002 You can initiate the presentation of a view controller programmatically or using segues. If you know your app’s navigation at design time, segues are the easiest way to initiate presentations. For more dynamic interfaces, or in cases where there is no dedicated control to initiate the segue, use the methods of 90005 UIViewController 90006 to present your view controllers. 90003 90008 Presentation Styles 90009 90002 The 90011 presentation style 90012 of a view controller governs its appearance onscreen.UIKit defines many standard presentation styles, each with a specific appearance and intent. You can also define your own custom presentation styles. When designing your app, choose the presentation style that makes the most sense for what you are trying to do and assign the appropriate constant to the 90005 modalPresentationStyle 90006 property of the view controller you want to present. 90003 90008 Full-Screen Presentation Styles 90009 90002 Full screen presentation styles cover the entire screen, preventing interactions with the underlying content.In a horizontally regular environment, only one of the full-screen styles covers the underlying content completely. The rest incorporate dimming views or transparency to allow portions of the underlying view controller to show through. In a horizontally compact environment, full-screen presentations automatically adapt to the 90005 UIModalPresentationFullScreen 90006 style and cover all of the underlying content. 90003 90002 Figure 8-1 illustrates the appearance of presentations using the 90005 UIModalPresentationFullScreen 90006, 90005 UIModalPresentationPageSheet 90006, and 90005 UIModalPresentationFormSheet 90006 styles in a horizontally regular environment.In the figure, the green view controller on the top-left presents the blue view controller on the top-right and the results of each presentation style are shown below. For some presentation styles, UIKit inserts a dimming view between the content of the two view controllers. 90003 90030 Figure 8-1 90031 The full screen presentation styles 90002 Note 90003 90002 When presenting a view controller using the 90005 UIModalPresentationFullScreen 90006 style, UIKit normally removes the views of the underlying view controller after the transition animations finish.You can prevent the removal of those views by specifying the 90005 UIModalPresentationOverFullScreen 90006 style instead. You might use that style when the presented view controller has transparent areas that let underlying content show through. 90003 90002 When using one of the full-screen presentation styles, the view controller that initiates the presentation must itself cover the entire screen. If the presenting view controller does not cover the screen, UIKit walks up the view controller hierarchy until it finds one that does.If it can not find an intermediate view controller that fills the screen, UIKit uses the root view controller of the window. 90003 90008 The Popover Style 90009 90002 The 90005 UIModalPresentationPopover 90006 style displays the view controller in a popover view. Popovers are useful for displaying additional information or a list of items related to a focused or selected object. In a horizontally regular environment, the popover view covers only part of the screen, as shown in Figure 8-2.In a horizontally compact environment, popovers adapt to the 90005 UIModalPresentationOverFullScreen 90006 presentation style by default. A tap outside the popover view dismiss the popover automatically. 90003 90030 Figure 8-2 90031 The popover presentation style 90002 Because popovers adapt to full-screen presentations in a horizontally compact environment, you usually need to modify your popover code to handle the adaptation. In full-screen mode, you need a way to dismiss a presented popover.You can do that by adding a button, embedding the popover in a dismissible container view controller, or changing the adaptation behavior itself. 90003 90002 For tips on how to configure a popover presentation, see Presenting a View Controller in a Popover. 90003 90008 The Current Context Styles 90009 90002 The 90005 UIModalPresentationCurrentContext 90006 style covers a specific view controller in your interface. When using the contextual style, you designate which view controller you want to cover by setting its 90005 definesPresentationContext 90006 property to 90005 YES 90006 90005 true 90006.Figure 8-3 illustrates a current context presentation that covers only one child view controller of a split view controller. 90003 90030 Figure 8-3 90031 The current context presentation style 90002 Note 90003 90002 When presenting a view controller using the 90005 UIModalPresentationFullScreen 90006 style, UIKit normally removes the views of the underlying view controller after the transition animations finish. You can prevent the removal of those views by specifying the 90005 UIModalPresentationOverCurrentContext 90006 style instead.You might use that style when the presented view controller has transparent areas that let underlying content show through. 90003 90002 The view controller that defines the presentation context can also define the transition animations to use during the presentation. Normally, UIKit animates view controllers onscreen using the value in the 90005 modalTransitionStyle 90006 property of the presented view controller. If the presentation context view controller has its 90005 providesPresentationContextTransitionStyle 90006 set to 90005 YES 90006 90005 true 90006, UIKit uses the value in that view controller’s 90005 modalTransitionStyle 90006 property instead.90003 90002 When transitioning to a horizontally compact environment, the current context styles adapt to the 90005 UIModalPresentationFullScreen 90006 style. To change that behavior, use an adaptive presentation delegate to specify a different presentation style or view controller. 90003 90008 Custom Presentation Styles 90009 90002 The 90005 UIModalPresentationCustom 90006 style lets you present a view controller using a custom style that you define. Creating a custom style involves subclassing 90005 UIPresentationController 90006 and using its methods to animate any custom view onto the screen and to set the size and position of the presented view controller.The presentation controller also handles any adaptations that occur because of changes to the presented view controller’s traits. 90003 90002 For information on how to define a custom presentation controller, see Creating Custom Presentations. 90003 90008 Transition Styles 90009 90002 Transition styles determine the type of animations used to display a presented view controller. For the built-in transition styles, you assign one of the standard transition styles to the 90005 modalTransitionStyle 90006 property of the view controller you want to present.When you present the view controller, UIKit creates the animations that correspond to that style. For example, Figure 8-4 illustrates how the standard slide-up transition (90005 UIModalTransitionStyleCoverVertical 90006) animates the view controller onscreen. View controller B starts offscreen and animates up and over the top of view controller A. When view controller B is dismissed, the animation reverses so that B slides down to reveal A. 90003 90030 Figure 8-4 90031 A transition animation for a view controller 90002 You can create custom transitions using an animator object and transitioning delegate.The animator object creates the transition animations for placing the view controller onscreen. The transitioning delegate supplies that animator object to UIKit at the appropriate time. For information about how to implement custom transitions, see Customizing the Transition Animations. 90003 90008 Presenting Versus Showing a View Controller 90009 90002 The 90005 UIViewController 90006 class offers two ways to display a view controller: 90003 90122 90123 90002 The 90005 showViewController: sender: 90006 and 90005 showDetailViewController: sender: 90006 methods offer the most adaptive and flexible way to display view controllers.These methods let the presenting view controller decide how best to handle the presentation. For example, a container view controller might incorporate the view controller as a child instead of presenting it modally. The default behavior presents the view controller modally. 90003 90130 90123 90002 The 90005 presentViewController: animated: completion: 90006 method always displays the view controller modally. The view controller that calls this method might not ultimately handle the presentation but the presentation is always modal.This method adapts the presentation style for horizontally compact environments. 90003 90130 90137 90002 The 90005 showViewController: sender: 90006 and 90005 showDetailViewController: sender: 90006 methods are the preferred way to initiate presentations. A view controller can call them without knowing anything about the rest of the view controller hierarchy or the current view controller’s position in that hierarchy. These methods also make it easier to reuse view controllers in different parts of your app without writing conditional code paths.90003 .