Een kort overzicht van IC-technologie voor microcontrollers en ingebedde systemen

Elk elektronisch apparaat dat we in ons dagelijks leven gebruiken, is ontworpen met elektrische en elektronische projectcircuits. Deze elektrische en elektronische circuits kunnen worden ontworpen met behulp van verschillende technologieën, zoals vacuümbuizentechnologie, transistortechnologie, geïntegreerde schakelingen of IC-technologie, microprocessortechnologie en microcontrollertechnologie. Deze technologieën kunnen worden geïmplementeerd met behulp van discrete elektrische en elektronische componenten, geïntegreerde schakelingen, microprocessors en microcontrollers. In dit artikel bespreken we de beste technologie voor embedded systemen tussen IC-technologieën en geavanceerde IC-technologie zoals microcontroller-IC-technologie. Maar vooral voordat we verder gaan, moeten we weten wat IC-technologie en microcontroller-IC-technologie is.

IC-technologie

Vroeger werden embedded systeemapparaten ontworpen met vacuümbuizen die veel groter en duurder zouden zijn. De eerste puntcontacttransistor werd in 1947 ontwikkeld door John Bardeen en Walter Brattain bij Bell Labs. Toen heeft de uitvinding van transistors de omvangrijke dure vacuümbuizen in computerontwerpen verminderd en vervangen. Vervolgens heeft het gebruik van transistoren de grootte van circuits verkleind, omdat deze transistors kleiner zijn, zuiniger, sneller presteren, betrouwbaarder zijn en zeer minder stroom verbruiken. Circuits die zijn gebouwd met transistors en andere discrete elektronische componenten worden discrete circuits genoemd.

Er is een revolutionaire verandering doorgevoerd in het ontwerpen van elektrische en elektronische schakelingen en computers met de uitvinding van geïntegreerde schakelingen of IC-technologie. Geïntegreerde schakelingen zijn zeer klein van formaat, zeer betrouwbaar, zeer economisch en zeer eenvoudig te gebruiken. Dit concept van IC-technologie werd in 1958 geïntroduceerd en deze IC-technologie verkleinde veel elektrische en elektronische gadgets zoals mobiele telefoons, laptops, computers en vele andere apparaten. Geïntegreerde schakelingen kunnen worden gedefinieerd als een reeks elektronische schakelingen die zijn geïntegreerd op een kleine plaat van halfgeleidermateriaal, meestal siliciumchip genoemd. Elke IC kan zeer compact zijn, met talloze miljarden transistors en andere componenten in een zeer klein gebied.

Generaties van IC-technologie

Er zijn verschillende generaties geïntegreerde schakelingen, geclassificeerd op basis van het aantal transistors dat op chips met geïntegreerde schakelingen wordt gebruikt. Dit zijn:Kleinschalige integratie (SSI), geïntegreerde schakelingen met enkele tientallen transistoren. 1960 was getuige van middelgrote integratie (MSI), chips met geïntegreerde schakelingen die honderden transistors bevatten. In de jaren zeventig was er grootschalige integratie (LSI), waarbij op elke chip tienduizenden transistors zijn geïntegreerd. In de jaren tachtig was er Very Large Scale Integration (VLSI), waarbij honderdduizenden transistors op elke chip zijn geïntegreerd. Verder worden ultra-grootschalige integratie (ULSI), geïntegreerde meer dan een miljoen transistors per chip, wafer-scale integratie (WSI), system-on-chip (SOC) en driedimensionale geïntegreerde schakelingen (3D-IC) ontwikkeld. Geïntegreerde schakelingen zoals 555timer IC, 741 operationele versterkers, CMOS, NMOS, BICMOS-technologie, enzovoort worden beschouwd als praktische voorbeelden van IC-technologie.

Er zijn verschillende soorten geïntegreerde schakelingen, zoals ADC, DAC, versterkers, energiebeheer-IC's, klok- en timer-IC's en interface-IC's die worden gebruikt voor verschillende embedded systeemtoepassingen.

Toepassing van IC-technologie

Niet-microcontroller-gebaseerd zonnelaadcontrollerproject is een eenvoudige toepassing van IC-technologie. In dit project wordt een gecontroleerd laadmechanisme bereikt om onderlading, overlading en diepe ontlading te voorkomen zonder gebruik te maken van een microcontroller. Een set operationele versterkers wordt gebruikt als vergelijkers voor het continu bewaken van de spanning van het paneel en de belastingsstroom. Groene en rode LED's worden gebruikt voor indicatie. Groene LED's worden gebruikt om de volledig opgeladen batterijstatus aan te geven en onder geladen of overbelaste of diepe ontlading worden deze aangegeven door rode LED's.

Power halfgeleiderschakelaar MOSFET wordt gebruikt om de belasting af te sluiten, als rode LED's een bijna lege batterij of overbelasting aangeven. Als groene LED's aangeven dat de batterij volledig is opgeladen, wordt zonne-energie omgeleid naar een dummy load in het circuit met behulp van een transistor. De batterij is dus beschermd tegen opladen. Dit project kan verder worden uitgebreid met een GSM-modem en microcontroller om een ​​zonnestelsel voor communicatie en een controlekamer voor het bewaken van de status van het systeem te realiseren.

Microcontroller IC

Microcontroller is een geavanceerde IC of geïntegreerde schakeling die is ingebouwd met extra randapparatuur. De ontwikkeling en het gebruik van de toepassingen van embedded systemen neemt toe met de vooruitgang in IC-technologieën zoals microprocessortechnologie en microcontrollertechnologie. Nadelen van transistortechnologie, IC-technologie werden verminderd met de geavanceerde IC-technologieën microprocessor en microcontroller-technologie. Een microprocessor integreert functies van de centrale verwerkingseenheid (CPU) van een computer op een enkele of enkele geïntegreerde schakelingen. Een microcontroller-eenheid kan worden behandeld als een kleine computer op een enkele geïntegreerde schakeling die bestaat uit een kleine centrale verwerkingseenheid, kristaloscillator, timers, watchdog en analoge I/O. Er zijn verschillende soorten registers, interrupts die voor bepaalde specifieke taken worden gebruikt. Microcontrollers zijn van verschillende typen, zoals AVR-microcontrollers, PIC-microcontrollers, enzovoort. Maar typisch 8051 microcontroller IC wordt gebruikt voor de meeste embedded systeemtoepassingen.

Als we IC-technologie gebruiken, zijn meerdere aantallen discrete componenten vereist om bepaalde taken in embedded systemen uit te voeren. Als we geavanceerde IC-technologie gebruiken, zoals microcontrollertechnologie, kunnen we door een paar eenvoudige programmeerregels te schrijven meerdere taken uitvoeren. Zo kunnen het aantal discrete componenten, de grootte van de circuits, de complexiteit en de kosten in embedded systemen worden verminderd door gebruik te maken van microcontrollertechnologie.

Toepassing van microcontrollertechnologie

Solar-laadcontroller die een microcontroller gebruikt, is een typische toepassing van geavanceerde microcontroller-IC-technologie. Om de zonne-energie efficiënt te gebruiken, worden verlichtingssystemen op zonne-energie gebruikt, waaronder zonnelantaarns, straatverlichting op zonne-energie en huis- en tuinverlichtingssystemen op zonne-energie, zowel in landelijke als stedelijke gebieden. Zonne-energiesysteem bestaat voornamelijk uit vier hoofdcomponenten:fotovoltaïsche module, oplaadbare batterij, belasting en zonnelaadcontroller.

Het blokschema van een zonne-energiesysteem met vier grote blokken met behulp van microcontrollertechnologie wordt weergegeven in de afbeelding. Overweeg van deze vier componenten de zonnelaadcontroller met behulp van een microcontroller die een belangrijke rol speelt bij het verbeteren van de algehele prestaties van het zonne-energiesysteem. De hardwarecomponenten die worden gebruikt voor het zonnelaadcontrollercircuit zijn AT89C2051-microcontroller, serieel ADC0831, spanningsregelaar IC7805, vermogenshalfgeleiderschakelaar MOSFET, LCD-scherm, oplaadbare batterij, laadregeling, schemer-tot-dageraadsensor en een belastingsregeling.

Een batterij wordt gebruikt om 5V DC gereguleerde voeding te leveren om de microcontroller van stroom te voorzien die wordt gebruikt om de batterijspanning te bewaken met behulp van ADC. De spanning van 0V-20V wordt verkleind tot V-5V met behulp van een potentiaaldeler met een weerstandsopstelling op pin 2 van ADC en deze waarden worden weergegeven op het LCD-scherm. Met behulp van een parallelle regeltechniek kan er laadstroom in de batterij stromen en stopt het opladen van de batterij als de batterij volledig is opgeladen. Op basis van de ingangssignalen die worden ontvangen van de schemer-tot-dageraadsensor, schakelt de microcontroller het laad- of laadrelais. Het LCD-scherm wordt aangedreven door de microcontroller om het laadbericht weer te geven.

Als de batterij volledig is opgeladen (tot 14V), wordt het relais bekrachtigd via MOSFET om het opladen te onderbreken. Vervolgens wordt de timer van 5 minuten gestart door de microcontroller en geeft het LCD-scherm het bericht weer als een volle batterij. Als deze timer is verstreken, wordt de batterij opnieuw verbonden met het zonnepaneel door een relais en wordt de zonnelaadstroom gepulseerd zolang zonnespanning aanwezig is. Als de spanning van het zonnepaneel onder de zenerdiodespanning van de schemering-tot-dageraadsensor komt, ontvangt de microcontroller een signaal van de schemering-tot-dageraadsensor, activeert vervolgens de belasting via de MOSFET en wordt een belasting AAN-bericht weergegeven op het LCD-scherm. Als de spanning onder de 10V van de schemer-tot-dageraadsensor daalt, schakelt de microcontroller de belasting uit via de MOSFET.

Beste technologie voor ingebedde systemen

In dit artikel zijn eerder de IC-technologie en microcontroller-IC-technologie, samen met hun voorbeelden, typen en praktische toepassing van microcontroller- en IC-technologie in embedded systeemtoepassingen, kort besproken. De hierboven besproken solar laadregelaar met de voormalige IC technologie en met geavanceerde IC technologie zoals microcontroller IC technologie laat verschillen zien tussen beide technologieën. En het laat ook zien dat beide technologieën nog steeds worden gebruikt op basis van de behoefte. Beide technologieën hebben een aantal voor- en nadelen wanneer ze worden gebruikt voor embedded systemen.

IC-technologie verkleinde de grootte van circuits in vergelijking met de circuitgrootte die werd gebouwd met discrete componenten. Een geavanceerde microcontroller-IC-technologie verkleint de grootte van circuits door veel geïntegreerde circuits in het circuit te vervangen door een enkel microcontroller-IC. De kosten van de circuits met de IC-technologie zijn dus lager dan de discrete of transistortechnologie. De kosten van circuits met microcontroller-IC-technologie zijn lager in vergelijking met de kosten van circuits die zijn ontworpen met IC-technologie. Evenzo heeft voor een aantal parameters de microcontrollertechnologie de voorkeur voor embedded systemen in vergelijking met IC-technologie en discrete component- of transistortechnologie.

Afbeelding toont embedded systeemapplicaties die zijn ontworpen met verschillende technologieën. Voor sommige specifieke toepassingen van embedded systemen verdient IC-technologie de voorkeur boven microcontrollertechnologie. Maar de meeste toepassingen van embedded systemen maken gebruik van microcontrollertechnologie, omdat deze geavanceerder is en meer voordelen biedt in vergelijking met IC-technologie. Bovendien krijgt u technische hulp van Edgefx-technologieën bij het kiezen van bepaalde technologie voor uw academische projectwerk op basis van uw interesse in embedded systemen.