Ein Überblick über die IC-Technologie für Mikrocontroller und eingebettete Systeme

Jedes elektronische Gerät, das wir in unserem täglichen Leben verwenden, ist mit elektrischen und elektronischen Projektschaltkreisen ausgestattet. Diese elektrischen und elektronischen Schaltungen können mit verschiedenen Technologien wie Vakuumröhren-Technologie, Transistor-Technologie, integrierte Schaltungs- oder IC-Technologie, Mikroprozessor-Technologie und Mikrocontroller-Technologie entworfen werden. Diese Technologien können unter Verwendung diskreter elektrischer und elektronischer Komponenten, integrierter Schaltkreise, Mikroprozessoren und Mikrocontroller implementiert werden. In diesem Artikel werden wir über die beste Technologie für eingebettete Systeme unter den IC-Technologien und fortschrittlicher IC-Technologie wie der Mikrocontroller-IC-Technologie diskutieren. Aber bevor wir fortfahren, müssen wir in erster Linie wissen, was IC-Technologie und Mikrocontroller-IC-Technologie ist.

IC-Technologie

Früher wurden eingebettete Systemgeräte mit Vakuumröhren entworfen, die sehr groß und teurer waren. Der erste Punktkontakttransistor wurde 1947 von John Bardeen und Walter Brattain in den Bell Labs entwickelt. Dann hat die Erfindung von Transistoren die sperrigen und teuren Vakuumröhren in Computerdesigns reduziert und ersetzt. Infolgedessen verringerte die Verwendung von Transistoren die Größe der Schaltungen, da diese Transistoren kleiner, sparsamer, schneller in der Leistung, zuverlässig sind und sehr weniger Strom verbrauchen. Schaltungen, die aus Transistoren und anderen diskreten elektronischen Komponenten aufgebaut sind, werden als diskrete Schaltungen bezeichnet.

Mit der Erfindung der integrierten Schaltungen oder der IC-Technologie wurde das Design elektrischer und elektronischer Schaltungen und Computer revolutionär verändert. Integrierte Schaltungen sind sehr klein, sehr zuverlässig, am wirtschaftlichsten und sehr einfach zu verwenden. Dieses Konzept der IC-Technologie wurde 1958 eingeführt, und diese IC-Technologie miniaturisierte viele elektrische und elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Computer und viele andere Geräte. Integrierte Schaltungen können als ein Satz elektronischer Schaltungen definiert werden, die auf einer kleinen Halbleitermaterialplatte integriert sind, die typischerweise als Siliziumchip bezeichnet wird. Jeder IC kann sehr kompakt sein und zahlreiche Milliarden Transistoren und andere Komponenten auf sehr kleinem Raum enthalten.

Generationen der IC-Technologie

Es gibt verschiedene Generationen von integrierten Schaltungen, die nach der Anzahl der auf integrierten Schaltungschips verwendeten Transistoren klassifiziert werden. Sie sind:Small Scale Integration (SSI), integrierte Schaltungen, die einige Dutzend Transistoren enthalten. In den 1960er Jahren wurden MSI-Chips (Medium Scale Integration) mit integrierten Schaltungschips mit Hunderten von Transistoren erlebt. In den 1970er Jahren gab es eine Großintegration (LSI), bei der Zehntausende von Transistoren auf jedem Chip integriert sind. In den 1980er Jahren gab es eine sehr große Integration (VLSI), bei der Hunderttausende von Transistoren auf jedem Chip integriert sind. Darüber hinaus werden Ultra-Large-Scale-Integration (ULSI), integrierte mehr als eine Million Transistoren pro Chip, Wafer-Scale-Integration (WSI), System-on-Chip (SOC) und dreidimensionale integrierte Schaltungen (3D-IC) entwickelt. Integrierte Schaltungen wie 555-Timer-IC, 741-Operationsverstärker, CMOS-, NMOS-, BICMOS-Technologie usw. gelten als praktische Beispiele für die IC-Technologie.

Es gibt verschiedene Arten von integrierten Schaltkreisen wie ADC, DAC, Verstärker, Power-Management-ICs, Takt- und Timer-ICs und Schnittstellen-ICs, die für verschiedene eingebettete Systemanwendungen verwendet werden.

Anwendung von IC-Technologie

Solar-Laderegler-Projekt ohne Mikrocontroller ist eine einfache Anwendung der IC-Technologie. In diesem Projekt wird ein kontrollierter Lademechanismus erreicht, um Unterladungs-, Überladungs- und Tiefentladungsbedingungen ohne Verwendung eines Mikrocontrollers zu vermeiden. Ein Satz Operationsverstärker wird als Komparator verwendet, um die Panelspannung und den Laststrom kontinuierlich zu überwachen. Zur Anzeige dienen grüne und rote LEDs. Grüne LEDs werden verwendet, um den vollständig geladenen Akkuzustand anzuzeigen, und unter geladenen oder überladenen oder tiefentladenen Zuständen werden durch rote LEDs angezeigt.

Leistungshalbleiterschalter MOSFET wird zum Abschalten der Last verwendet, wenn rote LEDs einen niedrigen Batterie- oder Überlastzustand anzeigen. Wenn grüne LEDs einen voll geladenen Zustand der Batterie anzeigen, wird die Sonnenenergie mithilfe eines Transistors zu einer Dummy-Last im Stromkreis umgeleitet. Somit ist die Batterie vor dem Aufladen geschützt. Dieses Projekt kann mit einem GSM-Modem und einem Mikrocontroller weiter verbessert werden, um eine Kommunikation zwischen Solarsystem und Kontrollraum zur Überwachung des Systemstatus zu erreichen.

Mikrocontroller-IC

Mikrocontroller ist ein fortschrittlicher IC oder integrierter Schaltkreis, der in zusätzliche Peripheriegeräte integriert ist. Die Entwicklung und Nutzung der Anwendungen der eingebetteten Systeme nimmt mit dem Fortschritt der IC-Technologien wie der Mikroprozessortechnologie und der Mikrocontrollertechnologie zu. Nachteile der Transistortechnologie, IC-Technologie wurden mit den fortschrittlichen IC-Technologien Mikroprozessor- und Mikrocontroller-Technologie gemindert. Ein Mikroprozessor integriert Funktionen der Zentraleinheit (CPU) eines Computers auf einem einzelnen oder wenigen integrierten Schaltkreisen. Eine Mikrocontroller-Einheit kann wie ein kleiner Computer auf einem einzigen integrierten Schaltkreis behandelt werden, der aus einer kleinen Zentraleinheit, einem Quarzoszillator, Timern, Watchdog und analogen E/A besteht. Es gibt verschiedene Arten von Registern, Interrupts, die für bestimmte Aufgaben verwendet werden. Es gibt verschiedene Arten von Mikrocontrollern wie AVR-Mikrocontroller, PIC-Mikrocontroller usw. In der Regel wird jedoch der 8051-Mikrocontroller-IC für die meisten eingebetteten Systemanwendungen verwendet.

Wenn wir IC-Technologie verwenden, ist eine Vielzahl von diskreten Komponenten erforderlich, um einige Aufgaben in eingebetteten Systemen auszuführen. Wenn wir fortschrittliche IC-Technologie wie die Mikrocontroller-Technologie verwenden, können wir nur durch das Schreiben einiger einfacher Programmierzeilen mehrere Aufgaben ausführen. Somit können die Anzahl der diskreten Komponenten, die Größe der Schaltungen, die Komplexität und die Kosten in eingebetteten Systemen durch den Einsatz von Mikrocontroller-Technologie reduziert werden.

Anwendung der Mikrocontroller-Technologie

Solarladeregler mit Mikrocontroller ist eine typische Anwendung der fortschrittlichen Mikrocontroller-IC-Technologie. Um die Sonnenenergie effizient zu nutzen, werden sowohl in ländlichen als auch in städtischen Gebieten solarbetriebene Beleuchtungssysteme wie Solarlaternen, Solarstraßenlaternen und Solarhaus- und Gartenbeleuchtungssysteme eingesetzt. Das Solarstromsystem besteht hauptsächlich aus vier Hauptkomponenten:Photovoltaikmodul, Akku, Last und Solarladeregler.

Das Blockschaltbild einer Solarstromanlage mit vier Hauptblöcken unter Verwendung von Mikrocontroller-Technologie ist in der Abbildung dargestellt. Betrachten Sie unter diesen vier Komponenten den Solarladeregler mit Mikrocontroller, der eine wichtige Rolle bei der Steigerung der Gesamtleistung des Solarstromsystems spielt. Die für die Solarladereglerschaltung verwendeten Hardwarekomponenten sind AT89C2051 Mikrocontroller, serieller ADC0831, Spannungsregler IC7805, Leistungshalbleiterschalter MOSFET, LCD-Display, Akku, Ladekontrolle, Dämmerungssensor und eine Lastkontrolle.

Eine Batterie wird verwendet, um eine geregelte 5-V-DC-Versorgung zum Einschalten des Mikrocontrollers bereitzustellen, der zur Überwachung der Batteriespannung mit ADC verwendet wird. Die Spannung von 0V-20V wird mit einem Potentialteiler mit einer Widerstandsanordnung am Pin 2 des ADC auf V-5V herunterskaliert und diese Werte werden auf dem LCD-Display angezeigt. Bei einer parallelen Regelungstechnik wird der Ladestrom in die Batterie fließen gelassen und stoppt das Laden der Batterie, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Basierend auf den Eingangssignalen des Dämmerungssensors schaltet der Mikrocontroller das Lade- oder Laderelais. Das LCD-Display wird vom Mikrocontroller angesteuert, um eine Lademeldung anzuzeigen.

Wenn der Akku vollständig geladen ist (bis zu 14 V), wird das Relais über den MOSFET erregt, um den Ladevorgang zu unterbrechen. Dann wird der 5-Minuten-Timer vom Mikrocontroller gestartet und das LCD zeigt die Meldung als volle Batterie an. Ist dieser Timer abgelaufen, wird die Batterie über ein Relais wieder mit dem Solarpanel verbunden und somit der Solarladestrom getaktet solange Solarspannung anliegt. Wenn die Solarpaneelspannung unter die Zenerdiodenspannung des Dämmerungssensors fällt, empfängt der Mikrocontroller ein Signal vom Dämmerungssensor, aktiviert dann die Last über den MOSFET und eine Last ON-Meldung wird auf dem LCD-Display angezeigt. Wenn die Spannung des Dämmerungssensors unter 10 V fällt, schaltet der Mikrocontroller die Last über den MOSFET ab.

Beste Technologie für eingebettete Systeme

In diesem Artikel wurden die IC-Technologie und die Mikrocontroller-IC-Technologie zusammen mit ihren Beispielen, Typen und praktischen Anwendungen von Mikrocontrollern und IC-Technologie in eingebetteten Systemanwendungen kurz beschrieben. Der oben diskutierte Solarladeregler mit der früheren IC-Technologie und mit fortgeschrittener IC-Technologie wie der Mikrocontroller-IC-Technologie zeigt Unterschiede zwischen den beiden Technologien. Und es zeigt auch, dass beide Technologien bedarfsgerecht nach wie vor eingesetzt werden. Beide Technologien haben einige Vor- und Nachteile, wenn sie für eingebettete Systeme verwendet werden.

IC-Technologie reduzierte die Größe von Schaltkreisen im Vergleich zu Schaltkreisen, die mit diskreten Komponenten gebaut wurden. Eine fortschrittliche Mikrocontroller-IC-Technologie reduziert die Größe von Schaltungen, indem viele integrierte Schaltungen in der Schaltung durch einen einzigen Mikrocontroller-IC ersetzt werden. Somit sind die Kosten der Schaltungen mit der IC-Technologie geringer als die der diskreten oder Transistortechnologie. Die Kosten für Schaltungen mit Mikrocontroller-IC-Technologie sind geringer als die Kosten für Schaltungen, die mit IC-Technologie entwickelt wurden. In ähnlicher Weise ist die Mikrocontroller-Technologie für eine Reihe von Parametern für eingebettete Systeme gegenüber der IC-Technologie und der diskreten Komponenten- oder Transistortechnologie vorzuziehen.

Abbildung zeigt eingebettete Systemanwendungen, die mit unterschiedlichen Technologien entwickelt wurden. Für einige spezielle Anwendungen eingebetteter Systeme ist die IC-Technologie der Mikrocontroller-Technologie vorzuziehen. Die meisten Anwendungen für eingebettete Systeme verwenden jedoch die Mikrocontroller-Technologie, da diese fortschrittlicher ist und im Vergleich zur IC-Technologie mehr Vorteile bietet. Darüber hinaus erhalten Sie von Edgefx-Technologien technische Hilfestellung bei der Auswahl einer bestimmten Technologie für Ihre akademische Projektarbeit basierend auf Ihrem Interesse an eingebetteten Systemen.