מיקרו-בקרים נמצאים במגוון מכשירים, כולל הרכב שאתה נוהג בו, המחשב שלך, הסמארטפון שלך ואפילו מכונת הקפה שלך. ככל שהביקוש לטכנולוגיית מידע ואיסוף נתונים ממשיך לעלות, מיקרו-בקרים הפכו לחלק בלתי נפרד מהעולם המודרני. המיקרו-בקר משחק תפקיד בסיסי במהפכה הטכנולוגית שעיצבה באופן משמעותי את העולם המודרני.
מיקרו-בקרים הם מכשירים קטנים, רב-תכליתיים וזולים שניתן ליישם ולתכנת בהצלחה לא רק על ידי מהנדסים מנוסים אלא גם על ידי סטודנטים, חובבים ומקצוענים מתחומים שונים. היישומים של מיקרו-בקרים הם אינסופיים, עם דוגמאות שמגיעות מציוד רפואי ואלקטרוניקה צרכנית מהשורה הראשונה ועד מערכות חלל ומכשירים תעשייתיים.
מאמר זה נועד לספק ידע חיוני על מיקרו-בקרים שכולם צריכים לדעת. אז, המשיכו לקרוא כדי לשפר את ההבנה שלכם על מכשירים מדהימים אלה!
מהו מיקרו-בקר?
מיקרו-בקר, הנקרא גם MCU, הוא מעגל משולב (IC) רב-תכליתי מאוד המשמש לשליטה ברכיבים אחרים של מערכת אלקטרונית. הם מיועדים לביצוע משימות מסוימות ומשמשים בדרך כלל ליישום ספציפי. מיקרו-בקר סטנדרטי כולל מעבד, זיכרון, והיקפי קלט/פלט (I/O) משולבים בשבב אחד.
מכשירים, מערכות בקרת מנועי רכב, כלי עבודה חשמליים ומחשבים הם דוגמאות למוצרים ומכשירים שצריכים להיות מבוקרים אוטומטית במצבים מסוימים. עם זאת, היישומים של מיקרו-בקרים חורגים הרבה מעבר לדוגמאות אלו, וכוללים מגוון רחב של תעשיות ומגזרים.
בעצם, מיקרו-בקר אחראי על איסוף קלט, עיבוד המידע הזה, והפקת פלטים ספציפיים בהתבסס על המידע שנאסף. בדרך כלל, מיקרו-בקרים פועלים במהירויות נמוכות, הנעות בין 1MHz ל-200MHz, ויש לעצב אותם כך שיבזבזו פחות אנרגיה מכיוון שהם משולבים במכשירים אחרים שעשויים לצרוך יותר אנרגיה בתחומים שונים.
סוגי מיקרו-בקרים
הסוגים הנפוצים של מיקרו-בקרים הם:
- ה-Intel MCS-51 ידוע בדרך כלל כמיקרו-בקר 8051.
- המיקרו-בקר AVR
- הממשק הניתן לתכנות (PIC)
לפני שבוחרים מיקרו-בקר עבור הפרויקט שלכם, ישנם מספר גורמים שצריך לקחת בחשבון. מעבר לעלות, חשוב לשקול את המהירות המקסימלית, גודל האחסון של RAM או ROM, מספר או סוגי פיני I/O הזמינים על MCU, צריכת חשמל, מגבלות, ותמיכה בפיתוח.
המרכיבים המרכזיים של מיקרו-בקר
המבנה הבסיסי של המיקרו-בקר כולל רכיבים שונים, והרכיבים המרכזיים הם:
- מעבד מרכזי (CPU): לעיתים קרובות מתייחסים אליו כאל ה'מוח' של המכשיר שכן הוא משחק תפקיד קרדינלי בפעולה של מיקרו-בקר. הוא מעבד ומגיב למגוון רחב של הוראות שמנחות באופן אפקטיבי את פעולתו של המיקרו-בקר. זה כולל ביצוע פעולות אריתמטיות מורכבות, ניהול זרימת נתונים, והפקת אותות בקרה מדויקים בהתאם להוראות המתכנת. באמצעות מעבד, כל הרכיבים של המיקרו-בקר מחוברים למערכת מסוימת. יתרה מכך, למעבד יש את היכולת להביא ולפענח הוראות שהובאו דרך הזיכרון הניתן לתכנות.
- זיכרון:זיכרון המיקרו-בקר משמש לשמירת הנתונים שהמעבד מקבל, אשר לאחר מכן משמשים לביצוע הוראות מתוכנתות.
מיקרו-בקרים מעוצבים עם קיבולת מסוימת של זיכרון RAM/ROM/פלש כדי לאחסן את קוד המקור של התוכנית. חשוב לציין כי זיכרון המיקרו-בקר ניתן לסיווג לשני סוגים נפרדים:
- זיכרון התוכנית אחראי על אחסון מידע לטווח ארוך לגבי ההוראות שהמעבד מבצע. זיכרון התוכנית הוא לא נדיף, כלומר הוא שומר על מידע ללא מקור כוח. תכונה זו מאפשרת לזיכרון התוכנית לשמור על נתונים לאורך תקופה ממושכת.
- זיכרון נתונים מתייחס לזיכרון נדיף (כלומר, RAM), אשר משמש כאחסון זמני במהלך ביצוע ההוראות. זיכרון הנתונים נקרא נדיף מכיוון שהנתונים אובדים כאשר המיקרו-בקר מאבד כוח.
- התקני I/O: התקני I/O מתייחסים פשוט לרכיבים שמתקשרים עם המעבד והזיכרון. מכשירי הקלט והפלט הללו משמשים כקשר בין המעבד למערכת החיצונית. יציאות הקלט מקבלות מידע ומעבירות אותו למעבד כנתונים בינאריים. המעבד מקבל לאחר מכן את הנתונים הללו ושולח את ההוראות הנדרשות למכשירי הפלט, שמבצעים משימות חיצוניות למיקרו-בקר. למרות שה-CPU, הזיכרון והתקני I/O הם האלמנטים המרכזיים של המיקרו-בקר, ישנם רכיבים תומכים רבים של המיקרו-בקר, והם:
- ממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC): מעגל זה ממיר אותות אנלוגיים לאותות דיגיטליים. מיקרו-בקרים יכולים להתחבר למכשירים אנלוגיים חיצוניים, כגון חיישנים, דרך המעבד שלהם.
- ממיר דיגיטלי לאנלוגי (DAC) הוא ההפך מ-ADC, המאפשר למעבד של המיקרו-בקר להעביר את האותות היוצאים שלו למכשירים אנלוגיים חיצוניים.
- מערכת אוטובוס: חוט חיבור זה מקשר בין כל רכיבי המיקרו-בקר.
- פורט סדרתי: זהו פורט קלט/פלט המאפשר חיבור בין המיקרו-בקר לרכיבים חיצוניים. הוא פועל בדומה לפורטי USB או פורטים מקבילים אך שונה בהחלפת ביטים.
יישומים של מיקרו-בקר
מיקרו-בקרים יש שימושים נרחבים במגוון תעשיות ומגזרים, כולל בבית ובתעשייה, ייצור, תאורה, רובוטיקה, רכב, תאורה, אנרגיה חכמה, אוטומציה תעשייתית, תקשורת ואינטרנט.
אחת מהיישומים הבולטים של מיקרו-בקר היא השימוש בו כמעבד אותות דיגיטלי. לעיתים קרובות, האותות האנלוגיים המתקבלים מגיעים עם רמה מסוימת של רעש, המתייחס לערכים לא ודאיים שאינם יכולים להיות מתורגמים בקלות לערכים דיגיטליים סטנדרטיים.
במקרים כאלה, מיקרו-בקרים מתגלים כבלתי ערך שכן הם משתמשים בפונקציות ה-ADC וה-DAC שלהם כדי להמיר את האות האנלוגי הרועש הנכנס לאות דיגיטלי חלק ומדויק. על ידי ניצול כוחם של מיקרו-בקרים, תעשיות יכולות להתמודד ביעילות עם האתגרים שמציבים האותות האנלוגיים הרועשים, ולהבטיח עיבוד נתונים מדויק ואמין.
מיקרו-בקרים מאפשרים את הפעולה החלקה של מערכות אלקטרומכניות הנמצאות בפריטים שונים של נוחות יומיומית. פריטים אלה כוללים תנורים, מכשירים ניידים, מקררים, טוסטרים, טלוויזיות, מערכות משחקי וידאו, ומערכות השקיה לגינה. בנוסף, מיקרו-בקרים בשימוש נרחב במכונות משרדיות כמו מכונות צילום, סורקים, מדפסות, מכונות פקס, כספומטים, ומערכות אבטחה.
מיקרו-בקרים מתקדמים יותר הם קריטיים בתחומים שונים, כגון מטוסים, רכבים, חלליות, מערכות רפואיות ותמיכה בחיים, ורובוטים. בתחום הרפואה, מיקרו-בקרים יכולים לווסת את פעולות הלבבות המלאכותיים, הכליות ואיברים חיוניים אחרים. בנוסף, הם תורמים באופן משמעותי לפעולה החלקה של מכשירים פרוסטטיים. מיקרו-בקרים הם רכיבים חיוניים המבטיחים את הפעולה החלקה והאמינות של טכנולוגיות מתקדמות אלו.