Microcontrollori PICAXE
Avendo pubblicato alcuni progetti in cui il microcontrollore PICAXE è il "cuore" del progetto e considerato che ho notato che molti di voi non conoscono questo dispositivo, ho pensato di trattare questo argomento!
Tengo a precisare che questa pagina è stata elaborata con l'ausilio di manuali, siti internet e datascheet.
Che cos'è un microcontrollore?
Un microcontrollore è spesso descritto come un 'computer-su-un-chip'. E' un circuito integrato a basso costo che contiene memoria, unità di elaborazione, porte input/output e diversi circuiti in una singola unità.
I microcontrollori sono acquistati 'vergini', per poi essere programmati con un programma di controllo specifico. Una volta programmato il microcontrollore il circuito esegue sempre la stessa operazione basandosi sul software inserito all'interno della memoria. Ad esempio, un forno a microonde può utilizzare un microcontrollore capace di elaborare le informazioni da tastiera, le informazioni dell'utente visualizzare sul display a sette segmenti, e controllare i dispositivi di uscita (giradischi a motore, luce, campana e magnetron).
Un microcontrollore può spesso sostituire un certo numero di parti separate, o anche un circuito elettronico completo. È progettato per interagire direttamente con il mondo esterno tramite un programma presente nella propria memoria interna e mediante l'uso di pin specializzati o configurabili dal programmatore. Sono disponibili in 3 fasce di capacità elaborativa (ampiezza del bus dati): 8 bit, 16 bit e 32 bit. L'ampia gamma di funzioni di comando e controllo disponibili, sia analogiche che digitali, integrate sullo stesso chip, permette l'impiego dei MCU in sostituzione di schede elettroniche cablate tradizionali ben più complesse e costose.
Per quanto potente, il microprocessore integra sul chip solo la logica di elaborazione, mentre richiede sempre delle unità esterne - memorie, gestion di segnali e dispositivi periferici per poter scambiare informazioni e interagire con l'esterno. A differenza dei microprocessori classici, adatti per un uso generale (general purpose), il microcontrollore è inoltre progettato per ottenere la massima autosufficienza funzionale ed ottimizzare il rapporto prezzo-prestazioni in uno specifico campo di applicazioni.
Anche l'esecuzione dei programmi applicativi si appoggia su un'architettura hardware diversa da quella tipicamente usata per i microprocessori. Mentre questi ultimi, soprattutto quando usati per computer e personal computer, eseguono i programmi applicativi appoggiandosi a dispositivi di memoria di massa o a memoria volatile, per i microcontrollori il programma applicativo è tipicamente memorizzato su un dispositivo di memoria ROM (come per esempio una EEPROM) ed è quindi in realtà un firmware.
In generale, essendo concepiti per applicazioni specifiche e per l'uso in condizioni ambientali particolari che impongono limitazioni sia in termini di consumi che in termini di dissipazione di potenza, i microcontrollori presentano caratteristiche meno spinte rispetto ai microprocessori ma risultano più economici di questi ultimi sia per l'integrazione in un solo chip di una serie di componenti sia per fattori di economia di scala legati ai volumi di produzione molto più elevati.
Alcuni dei vantaggi di utilizzo di microcontrollori in un design del prodotto sono:
• Maggiore affidabilità attraverso un conteggio parte più piccola
• riduzione dei livelli di stock, come si sostituisce il microcontrollore più parti
• assemblaggio di prodotti semplificata e dei prodotti finali più piccoli
• maggiore flessibilità del prodotto e capacità di adattamento in quanto le caratteristiche sono programmati nel microcontrollore e non integrati nel hardware elettronico
• modifiche di prodotto o di un rapido sviluppo modificando il programma e non l'hardware elettronico.
Le applicazioni che utilizzano microcontrollori comprendono elettrodomestici, sistemi di allarme, apparecchiature mediche, i sottosistemi del veicolo, e strumentazione elettronica. Alcune automobili moderne contengono oltre trenta microcontrollori - impiegato in una gamma di sottosistemi di gestione del motore per il blocco remoto.
Nell'industria microcontrollori di solito sono programmati con l'assembler o linguaggi di programmazione 'C'. Tuttavia la complessità di queste lingue significa che spesso non è realistica per gli studenti più giovani , o hobbisti senza una formazione formale, capaci di utilizzare questi metodi di programmazione.
Il sistema PICAXE supera questo problema mediante l'uso di molto più semplice, facile da imparare, linguaggio di programmazione BASIC. I programmi possono anche essere creati graficamente da un uso dell'editor diagramma di flusso.
Che cos'è un microcontrollore PICAXE?
Iniziamo con il dire che i sistemi basati su PICAXE rivestono una porzione sempre più cospicua della progettazione elettronica attuale; essi costituiscono l’espressione della crescente applicazione dell’elettronica in oggetti di uso comune e in applicazioni industriali. Il PICAXE esalta le caratteristiche dei microcontrollori a basso costo di ultima generazione di tipo FLASH.
Un microcontrollore PICAXE è uno standard di Microchip PICmicro microcontrollore ™ che è stato pre-programmato con il codice di bootstrap PICAXE.
Il codice di bootstrap permette al microcontrollore PICAXE di essere ri-programmato direttamente tramite una semplice connessione seriale. Ciò elimina la necessità di un costoso programmatore convenzionale. Il codice di bootstrap pre-programmati contiene anche le routine comuni (come il modo di generare un ritardo di pausa o di uscita del suono), in modo che ogni download non deve sprecare tempo a scaricare i dati comunemente richiesti. Questo rende il tempo di download più veloce.
Il codice di bootstrap PICAXE non è disponibile per la programmazione di microcontrollori vuoti. È necessario acquistare microcontrollori PICAXE per avere questa funzionalita e quindi utilizzare il sistema PICAXE. L’IDE (Integrated Development Enviroment, in italiano “Ambiente Integrato di sviluppo”) è il PICAXE Programming Editor, messo a disposizione gratuitamente dalla Revolution Education Ltd., azienda inglese produttrice e proprietaria del sistema PICAXE.
Come si esegue il download del programma nel microcontroller PICAXE?
Per caricare il programma nel PICAXE c’è bisogno di: un cavo seriale dotato di Jack da 3,5mm, realizzare un circuito e infine il software (Editor Programming) da installare sul PC (oppure una morsettira e un cavo seriale).
Microcontrollori, input e output
Un giocattolo elettronico è un buon esempio di un sistema meccatronico, in quanto utilizza un circuito elettronico per controllare una serie di meccanismi. Esso contiene inoltre una serie di sensori in modo che possa reagire ai cambiamenti quando si è spostato (per esempio essere messo in un posto buio o di essere capovolto). I trasduttori di ingresso sono dispositivi elettronici che rilevano cambiamenti nel 'mondo reale' e inviare segnali nel blocco di processo del sistema elettronico.
Alcuni dei trasduttori di input per il giocattolo elettronico sono:
• interruttori sul fronte e sul retro per rilevare quando il giocattolo si sta accarezzando, e un interruttore in bocca per rilevare quando il giocattolo è nutrito
• una fotoresistenza (LDR) tra gli occhi per evidenziare se è chiaro o scuro
• un microfono per rilevare rumori e linguaggio
• un giroscopio per rilevare quando il giocattolo è capovolto
• un rilevatore a infrarossi per rilevare i segnali infrarossi di altri giocattoli.
I trasduttori di uscita sono dispositivi elettronici che possono essere accesi e spenti con il processo di blocco del sistema elettronico. Alcuni dei trasduttori di uscita del giocattolo elettronico sono:
• un motore per muovere gli occhi e la bocca
• un altoparlante per produrre suoni
• un LED a infrarossi (diodo emettitore luce) per inviare segnali agli altri giocattoli.
Il microcontrollore utilizza informazioni provenienti dai trasduttori di ingresso per prendere decisioni su come controllare i dispositivi di uscita. Queste decisioni vengono prese dal programma di controllo, che viene scaricato nel microcontrollore. Per modificare il 'comportamento' del giocattolo è semplicemente un processo di cambiamento e download di un nuovo programma nel microcontrollore.
Architettura di un microcontroller
L'architettura del microcontrollore prevede un insieme di moduli fissi, comuni a tutti i modelli, e una serie di possibili estensioni in funzione del costruttore, del prezzo e della fascia applicativa):
· Unità di elaborazione (CPU)
· Memoria di programma (ROM, EPROM, FLASH)
· Memoria dati (RAM e EEPROM)
· Oscillatore interno o esterno
· Porte di I/O configurabili
· Gestione Polling & Interrupt
· Moduli aggiuntivi
o Contatori e timer
o Moduli di comunicazione: (USART, I2C, SPI, USB, Ethernet, IrDA, CAN, Wi-Fi, Zigbee)
o Interfacce analogiche o a tecnologia mista: ADC, DAC, PWM, Comparatori analogici
o Interfacce di visualizzazione e controllo: (LCD, Touch sensor)
Hardware di un microcontrollore PICAXE
Alimentazione:
4,5 V o 5V DC consigliata. Non utilizzare batterie da 6V, 7.2V o 9V, ciò potrebbe danneggiare permanentemente il chip. Per dei guasti utilizzare solo 3xAA.
28X2/40X2 sono disponibili anche in versioni speciali a bassa potenza 1.8V a 3.3V. Si noti che 4,5 V o 5V può danneggiare in modo permanente queste parti speciali a bassa potenza.
Uscite:
Ogni uscita può erogare 20mA. Questo è sufficiente per accendere un LED, ma non sarà per esempio, per azionare un motore. La corrente totale erogabile dal chip è 90mA.
Ingressi:
L'ingresso dovrebbe essere al di sopra di 0,8*tensione di alimentazione per essere livello logico alto, al di sotto di 0,2*tensione di alimentazione ad essere livello logico basso. E' consigliato non collegare gli ingressi direttamente a massa, ma tramite un resistore 10k.
ADC:
Il riferimento di tensione dell'ADC è la tensione di alimentazione. La massima raccomandata impedenza di ingresso è 20k.
Download pin seriale:
Il PIN per il download di serie non deve mai essere lasciato flottante. Ciò darà malfunzionamenti. Usare sempre le resistenze 10k/22k, anche se il chip è stato programmato su una scheda diversa.
Pin di reset:
Il pin di ripristino (se presente) non deve essere lasciato flottante. Ciò darà un inaffidabile funzionamento. Collegare sempre all'alimentazione positiva tramite un resistore 4k7 o 10k.
Motivazioni del successo
Il successo e l'enorme crescita del mercato di questi componenti sono dovute a questi fattori:
· Basso costo (consente di sostituire 1 o più circuiti integrati tradizionali a costo inferiore).
· Ampia scalabilità di prestazioni, di complessità velocità.
· Vasta gamma di dotazioni in periferiche e moduli specializzati.
· Ridotto (al limite = 0) numero di componenti esterni, ovvero semplicità di realizzazione.
· Facilità di programmazione dovuta anche ai numerosi tool di sviluppo disponibili.
· Ampia (e spesso libera) disponibilità di librerie, codici di esempio e documentazione
· Possibilità e facilità di riprogrammazione.
· Grande flessibilità applicativa .
· Brevi tempi di introduzione sul mercato del prodotto finito.
Picaxe > PIC
La Microchip PICmicro compra i comuni PIC e modificando il software interno realizza i suoi prodotti. Ecco un elenco dei rispettivi dispositivi:
• PICAXE-08M PIC12F683
• PICAXE-14M PIC16F684
• PICAXE-20M PIC16F677
• PICAXE-20X2 PIC18F14K22
• PICAXE-28X1 PIC16F886
• PICAXE-28X2-5V PIC18F2520
• PICAXE-28X2-3V PIC18F25K20
• PICAXE-40X1 PIC16F887
• PICAXE-40X2-5V PIC18F4520
• PICAXE-40X2-3V PIC18F45K20
Come parte descrittiva e teorica, in sintesi, è tutto ciò che ho scritto! A breve pubblicherò qualche esempio di pratica con la rispettiva descrizione dell'esercizio!
Per info e chiarimenti commentate pure!
