Микроконтроллеры и роботика

Intel 8048 - первый микроконтроллер в мире

Микроконтроллер – это компьютер, который умещается на одном чипе (англ. computer-on-a-chip). Он является интегральной схемой, которая содержит память, процессор и порты ввода/вывода. Микроконтроллер программируется для выполнения какого-либо конкретного задания так, что при желании изменить или дополнить функциональность, требуется загрузка новой программы на чип. Микроконтроллеры отличаются от обычных компьютеров (настольный компьютер, ноутбук, сервер) в нескольких аспектах:

• Все функции расположены на одном чипе в маленьком и компактном размере.
• Программируется на выполнение конкретного задания. Для изменения функциональности требуется загрузка нового программного обеспечения.
• Низкое энергопотребление, так как все физические параметры меньшего размера и требуют гораздо меньших затрат ресурсов, чем обычные компьютеры. Разработчики микроконтроллеров сосредотачиваются на низком потреблении энергии, чтобы мобильные приложения могли работать дольше на аккумуляторах.
• Однонаправленные порты ввода/вывода. У микроконтроллеров имеются так называемые периферии, которые устанавливают связь с другими микроконтроллерами и компьютерами (например USB, CAN, UART), помогают понять физические процессы реального мира (например переключение выключателя, измерение температуры) и самим влиять на окружающую среду (например управление двигателем, инициация сигнала тревоги).

Микроконтроллеры можно найти практически во всех устройствах, ежедневно используемых людьми, например домашняя техника (микроволновая печь, телевизор), игрушки (Lego,NXT, говорящие куклы), средства передвижения (автомобиль, подъёмник) и многих других. Подобное широкое применение микроконтроллеров стало возможным благодаря тому, что в связи со своей программируемостью и широкой функциональностью, устройства, содержащие их, легко обновлять и добавлять им новые свойства.

Роботика – это область, которая включает в себя знания и технологию, необходимые для строительства роботов. В связи с быстрым развитием технологии, понятие о роботе как об автоматической машине, заменяющей человека, не является больше чётко выраженным. Роботом нельзя назвать только антропоморфного робота, роботизированную руку (манипулятор на сборочной линии), автопилот самолёта, нейронную сеть искусственного интеллекта или простого робота-уборщика, но и программное обеспечение компьютера, которое выполняет какую-либо работу за человека (например, составляет отчёт). Роботы создаются с целью замены людей при выполнении конкретных заданий. Для этого имеется несколько причин: опасные условия труда, дешёвое производство, однообразная и монотонная работа является причиной многих ошибок в работе или новые системы управления слишком сложны и лимитированы по времени, поэтому автоматические системы способны принимать лучшие решения, чем человек.

В связи с тем, что область роботики достаточно широка, в дальнейшем ограничим её как хобби, где системы не очень сложны и самостоятельное построение посильно. Самыми распространенными микроконтроллерами в роботике в качестве хобби являются:

• Микроконтроллеры семейства Atmel AVR (ATmega, ATtiny и др.)
• Микроконтроллеры семейства Microchip Technology PIC (PIC16, PIC24 и др.)
• Микроконтроллеры, основанные на технологии ARM

Очень часто третьи лица создают макетные платы и среду разработки на базе ранее упомянутых микроконтроллеров. Так как их много, следует упомянуть самые известные: Arduino (на базе AVR), BASIC Stamp (на базе PIC) ja Lego NXT (на базе ARM). Средства, необходимые для развития Домашней Лаборатории, описанные в книге, созданы на базе микроконтроллера AVR ATmega128.

В связи с тем, что микроконтроллеров и созданных на их базе макетных плат очень много, несомненно, возникает вопрос о том, как найти наиболее подходящий. В основном, рассматриваемые качества можно поделить на четыре категории: цена, физические параметры, среда разработки и техническая поддержка. Достойными внимания физическими параметрами являются:

• рабочая частота процессора – определяет скорость работы чипа
• объём памяти программы – определяет максимальный объём программы, загружаемый на чип
• объём памяти для хранения данных – данные какого объёма могут обрабатываться в программе
• количество выводов входа/выхода и их назначение – различные выводы имеют разные возможности
• количество таймеров – важно для выполнения критериев времени
• потребление энергии – важно в мобильных приложениях

Под средой разработки подразумевается программное обеспечение компьютера, с помощью которого можно писать и компилировать программу, загружать её в микроконтроллер и отлаживать программу по ходу работы, с целью выявления возможных ошибок. Решающим является то, насколько удобно и просто производить все эти действия, так как в процессе разработки программы это будет главной рабочей зоной. Все это приводит к четвёртой категории - технической поддержке, т.е. к тому, насколько легко получить помощь и поддержку для решения возможных проблем. Учитывая все эти вышеупомянутые категории, становится возможным нахождение подходящей макетные платы.