Микроконтроллеры avr компании atmel семейства avr xmega

При явном изобилии на рынке дешевых 32‑разрядных микроконтроллеров может возникнуть сомнение: зачем использовать 8‑разрядный процессор при доступности более современных 32‑разрядных версий? Реальные цифры показывают обратное: продажи 8‑битных микроконтроллеров продолжают расти, они активно закладываются в новые проекты. Причин тому несколько:

• стоимость микроконтроллера и решения на его основе, включая компоненты обвязки, ниже, чем у конкурирующих архитектур;
• сравнительная простота разработки и отладки кода;
• вычислительная мощность более чем достаточна для огромного числа приложений;
• широкий набор периферийных блоков;
• статическое энергопотребление ниже, чем у 32‑разрядных микроконтроллеров.

Отличающиеся простотой использования, низкой потребляемой мощностью и высокой степенью интеграции, 8/16‑разрядные микроконтроллеры семейства AVR компании Atmel уже много лет демонстрируют действительно уникальную комбинацию производительности, энергоэффективности и универсальности. В основе семейства — одна из лучших в отрасли архитектур, оптимизированная для написания программ на языках С и Assembler и ускоряющая сроки программирования и отладки (рис. 1). Никакие другие типы микроконтроллеров не предлагают такого сочетания производительности и низкого энергопотребления. Эффективные программные и аппаратные отладочные средства в комплексе с профессиональной технической поддержкой облегчают и сокращают сроки проектирования и внедрения разработок. В составе отладочных средств инженерам доступна огромная база знаний и примеров алгоритмов Atmel Gallery и полная библиотека драйверов и вспомогательных алгоритмов Atmel Software Framework (ASF). Будучи однажды освоенным, семейство AVR дает возможность повторно использовать полученные знания как при модернизации существующих приборов, так и в новых разработках.

Почти за двадцатилетнюю историю развития AVR компания Atmel разработала и в настоящее время поставляет на рынок постоянно увеличивающийся набор стандартных AVR-микроконтроллеров, а также контроллеров, предназначенных для специфических областей. Расширяющаяся номенклатура (сегодня около 2000 типов) дает возможность удовлетворить требования большого диапазона применений, включая автомобильную электронику, сети CAN, управление жидкокристаллическими индикаторами и панелями, коммуникации по USB, управление электроприводами и системами освещения, контроль заряда батарей и т. п. Для простоты построения человеко-машинного интерфейса (HMI, Human-Machine Interface) Atmel предлагает технологию емкостных сенсоров QTouch Library, дополняющую функциональность своих кристаллов. Микроконтроллеры AVR успешно и широко применяются при построении систем беспроводной передачи данных — разработаны специализированные устройства для сетей стандартов IEEE 802.15.4, ZigBee, Wi-Fi, Remote Access Control и других, лежащих в основе концепции «Интернета вещей» (IoT, Internet of Things). Минимальное энергопотребление электронных устройств как при сетевом, так и особенно при батарейном питании является одним из ключевых факторов IoT. Более десяти лет исследований компанией Atmel было потрачено на создание технологии picoPower для микроконтроллеров AVR, которые используют ее для снижения потребляемой мощности в активном и в спящем режимах, достигая при этом рекордно низкого потребления тока: 500 нA с работающим таймером реального времени и 9 нA — с выключенным (при напряжении питания 1,8 В).

Развитие AVR происходит не только за счет функциональности, но и путем совершенствования технологии производства, при этом выпускаются новые поколения популярных микроконтроллеров. Уменьшение размеров элементов на кристалле способствует оптимизации стоимости изделий и энергопотребления при сохранении или даже увеличении производительности (рис. 2).

В настоящее время микроконтроллеры AVR представлены тремя семействами (рис. 3):

1. tinyAVR:
   • объем памяти от 512 байт до 16 кбайт, корпус от 6 до 32 выводов;
   • миниатюрные, но мощные;
   • около 600 изделий.
2. megaAVR:
   • объем памяти от 4 до 256 кбайт, корпус от 32 до 100 выводов;
   • выносливые и универсальные;
   • около 1100 изделий.
3. AVR XMEGA:
   • объем памяти от 8 до 384 кбайт, корпус от 32 до 100 выводов;
   • максимальная производительность 8/16 бит, развитая аналоговая часть;
   • около 300 изделий.

TinyAVR

Микроконтроллеры tinyAVR уникальным образом сочетают миниатюрность, вычислительную мощность, высокую производительность аналоговой части и интеграцию на системном уровне. Это самые компактные полнофункциональные устройства в семье AVR. Они оптимизированы для систем, в которых требуется эффективное использование энергии, простота применения и компактность. Идеальны для небольших систем сбора, обработки и передачи измерительной информации, преобразователей протоколов данных, локального контроля в жилых зданиях и на промышленном производстве, организации человеко-машинного интерфейса, контроллеров беспроводных сетей и IoT. Незаменимы в устройствах с батарейным питанием. Все кристаллы tinyAVR имеют общую архитектуру и совместимы с другими AVR. Поскольку в эти кристаллы встроены АЦП, память EEPROM и детектор понижения напряжения питания, то для построения системы не требуются дополнительные внешние компоненты обвязки. Flash-память допускает внутрисхемное программирование и перезапись программы в процессе работы. В микроконтроллерах tinyAVR предусмотрены встроенные инструменты отладки, что снижает затраты на разработку и сокращает ее сроки. Базовые представители серии tinyAVR и их основные параметры указаны в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические характеристики микроконтроллеров tinyAVR

	4 5 9 10	13A	20 40	24A 44A 84A	441 841	25 45 85	261A 461A 861A	1634	48 88
Количество выводов корпуса	6	8	14–20	14	14	8	20	20	28–32
Объем Flash-памяти	512 байт/1 кбайт	1 кбайт	2–4 кбайт	2–8 кбайт	4–8 кбайт	2–8 кбайт	16 кбайт	4–8 кбайт
Размер SRAM	32 байт	64 байт	128–256 байт	128–512 байт	256–512 байт	128–512 байт	1 кбайт	256–512 кбайт
Размер EEPROM	N/A	64 байт	N/A	128–512 байт	256–512 байт	128–512 байт	256 байт	64 байт
Количество входов/выходов	4	6	12–18	12	12	6	16	18	24–28
Основные особенности	Малые габариты Низкая цена	Низкая цена	Дифференциальный АЦП с усилительным каскадом	Точный осциллятор 2% Точный источник опорного напряжения 12-канальный АЦП с усилительным каскадом	Высокоскоростной ШИМ Дифференциальный АЦП с усилительным каскадом	Два канала USART 12 каналов АЦП	Низкая цена
Примеры применений	Таймер Разъединитель цепи питания	Сенсорные устройства	Зарядные устройства Управление электродвигателями постоянного тока Источники питания Малая бытовая техника	Преобразователи протоколов и коммуникационные шлюзы	Одноплатные контроллеры
Ключевые преимущества	Минимальные габариты на плате, низкая цена Быстрая разработка и отладка Ядро AVR с однотактовыми командами и компактным кодом Большое семейство совместимых устройств

На основе базовых версий микроконтроллеров разработаны и выпускаются кристаллы, отличающиеся измененным диапазоном напряжения питания, максимальной рабочей тактовой частотой и дополнительной периферией.

Самые миниатюрные tinyAVR имеют габариты 1,51,4 мм и 6 выводов. Их можно использовать в качестве однокристальных решений для компактных систем. Каждый вывод микросхемы tinyAVR поддерживает различные функции, например ввод/вывод данных, АЦП или ШИМ. Даже вывод сброса можно использовать для передачи данных. Микроконтроллеры tinyAVR оснащены универсальным последовательным интерфейсом (USI, Universal Serial Interface), который можно применить в качестве SPI, UART или TWI (I²C). Реализованная на кристалле технология QTouch помогает разработчикам организовать емкостный сенсорный ввод — встраивать сенсорные кнопки, слайдеры и колеса прокрутки в конечные приложения. Уникальные микроконтроллеры AТtiny43U оснащены импульсным повышающим стабилизатором, благодаря которому низкое напряжение источника энергии (батарейки типа AA или AAA) преобразуется в стабильное напряжение 3 В для питания всей системы. AТtiny43U сохраняет работоспособность при разряде батареи до 0,7 В (рис. 4).

Продолжая развитие семейства tinyAVR и усиливая тем самым свои позиции на рынке, компания Atmel в 2015 году запустит в серийное производство следующее поколение этих микроконтроллеров. Для их изготовления используется оптимизированный технологический процесс с уменьшенными проектными нормами 130 нм при сохранении напряжения питания 5 В. Новые микросхемы получат дополнительную функциональность и улучшенные параметры при более низкой цене, при этом гарантируется 12‑летняя поддержка серийного производства.

• Повышена точность и стабильность частоты встроенного тактового генератора: ±2% во всем диапазоне напряжений питания и рабочем температурном диапазоне; ±1,5% в диапазоне температур от 0 до +70 °C.
• Повышена точность встроенного источника опорного напряжения до ±2% во всем рабочем диапазоне температур и всем диапазоне напряжений питания, добавлена возможность использования уровня 4,096 В.
• Скорость работы аналого-цифрового преобразователя повышена до 70 тыс. преобразований в секунду.
• Уменьшено напряжение смещения встроенного компаратора и добавлена возможность подключения его выхода внутри кристалла к выводам общего назначения.
• Каждый микроконтроллер содержит уникальный серийный номер, доступный для чтения в пользовательской программе.
• Предусмотрена аппаратная поддержка сенсорного ввода QTouch Peripheral Touch Controller (РТС) для кнопок, слайдеров, колес прокрутки и датчиков приближения, не требующая использования внешних компонентов и настройки.
• Включена сокращенная по сравнению с семейством AVR XMEGA система событий, дающая возможность снизить токи потребления и обеспечить предсказуемое временное разрешение процессов.
• Для всех представителей нового поколения tinyAVR установлен диапазон напряжений питания 1,8–5,5 В и гарантируется максимальная рабочая тактовая частота 16 МГц, а также рабочий диапазон окружающих температур –40…+105 °C.

Технические параметры первых микроконтроллеров tinyAVR нового поколения приведены в таблице 2.

Таблица 2. Состав и характеристики новых микроконтроллеров tinyAVR

Микроконтроллер	tinyx04	tinyx06	tinyx07
Количество выводов	14	20	24
Объем Flash-памяти, кбайт	2/4/8/16	2/4/8/16	8/16
Объем SRAM, байт	128/512/512/1024	128/512/512/1024	512/ 1024
Объем EEPROM, бит	64/128/128	64/128/128	128/256
Количество выводов I/O	12	18	22
Интерфейс USI	1	1	1
Разрядность АЦП, бит	10	10	10
Число каналов АЦП	8	12	12
Аналоговый компаратор	1	1	1
8-разрядный таймер	1	1	1
16-разрядный таймер	2	2	2

MegaAVR

Если для построения вашей системы требуется больше ресурсов, чем могут предоставить tinyAVR, рекомендуется рассмотреть возможности семейства megaAVR. Эти микроконтроллеры обладают большей вычислительной мощностью благодаря увеличенной до 20 МГц тактовой частоте, развитым периферийным блокам, а также памяти программ и данных большого размера.

Современные тенденции в общении людей и электронных машин между собой вызывают возрастающую необходимость использования общих данных, что приводит к организации новой распределенной информационной среды — IoT. К составляющим этой среды относятся, например, устройства автоматизации производственных процессов, коммерческих и жилых зданий, медицинские и развлекательные системы и т. п. Во всех случаях основой таких устройств является микроконтроллер, который выполняет вычислительные задачи, контролирует объект и передает данные через Интернет. Контроллеры megaAVR идеальны именно для таких развитых приложений со значительным объемом кода и с повышенными требованиями к производительности. Все чаще устройства IoT работают от гальванических источников тока, поэтому энергопотребление также становится ключевым фактором при выборе компонентов системы. Инновационная технология picoPower компании Atmel минимизирует энергопотребление кристалла, по этому параметру микроконтроллеры megaAVR занимают лидирующие позиции в мире и являются отличным выбором для построения элементов IoT.

Семейство megaAVR содержит широкий набор кристаллов с различными объемами памяти, количеством выводов и обширным набором разнообразной периферии, включая контроллер жидкокристаллического индикатора, интерфейсы USB, CAN и LIN, мощные токовые выходы. Аналоговые функции у megaAVR представлены модулями АЦП, ЦАП, внутренним источником опорного напряжения, детектором пониженного напряжения питания, встроенным температурным датчиком, высокоскоростным аналоговым компаратором и усилителем с программируемым коэффициентом усиления. Высокая степень интеграции кристаллов megaAVR позволяет создавать на их основе системы с минимальным количеством внешних аналоговых компонентов. Основные параметры базовых представителей семейства приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные технические характеристики микроконтроллеров megaAVR

	48 A 88 A 168 A 328	164 A 324 A 644 A 1284	8515 162	8535 16 A 32 A	64 A 128 A	640 1281 1280 2561 2560	169 A 329 A 3290 A 649 A 6490 A
Количество выводов корпуса	28–32	40–44	40–44	40–44	64	64–100	64–100
Объем Flash-памяти	4–32 кбайт	16–128 кбайт	8–16 кбайт	8–32 кбайт	64–128 кбайт	64–256 кбайт	16–64 кбайт
Размер SRAM	512 байт – 2 кбайт	1–16 кбайт	512 байт – 1 кбайт	512 байт – 2 кбайт	4 кбайт	8 кбайт	1–4 кбайт
Размер EEPROM	256 байт – 1 кбайт	512 байт – 4 кбайт	512 байт	512 байт – 1 кбайт	2–4 кбайт	4 кбайт	512 байт – 2 кбайт
Количество входов/выходов	23	32	35	32	53	54–86	54–69
Основные особенности	1,8 В picoPower	Внешняя RAM	АЦП с усилительным каскадом	АЦП с усилительным каскадом Внешняя RAM	1,8 В АЦП с усилительным каскадом Внешняя RAM	Контроллер ЖКИ 1,8 В picoPower
Примеры применений	Бытовая техника Электроинструменты Управляющие контроллеры Устройства с батарейным питанием	Бытовая техника Электроинструменты Управляющие контроллеры	Интерфейсные устройства и панели Термостаты Расходомеры с батарейным питанием
Ключевые преимущества	Надежные и выносливые приборы с 5-В питанием, отличными характеристиками по электромагнитной совместимости Встроенные средства отладки и программирования в составе системы Процессорное ядро AVR с компактным кодом и операциями за один цикл системной тактовой частоты Развитое семейство совместимых устройств

Одновременно с развитием tinyAVR компания Atmel продолжает активно расширять и совершенствовать семейство megaAVR. На базе нового техпроцесса с топологическими нормами 0,13 мкм сейчас выводятся на рынок изделия с суффиксом «B» в обозначении, и первые из них — ATmega48PB/88PB/168PB. Новые контроллеры полностью совместимы с версиями предыдущего поколения, позволяют легко и с небольшими затратами модернизировать уже выпускаемое электронное оборудование. В то же время новое поколение демонстрирует улучшенные параметры, например точность встроенного тактового генератора и источника опорного напряжения, а также уменьшенное напряжение смещения компаратора. Ряд внешних выводов микроконтроллеров получил дополнительные функции, в некоторые устройства включены два дополнительных таймера, дополнительный USART и детектор неисправности тактового генератора, контроллер сенсорного ввода QTouch, программно доступный регистр с серийным номером и новый двунаправленный регистр для отладчика. Все микроконтроллеры megaAVR нового поколения рассчитаны на работу с максимальной тактовой частотой 20 МГц в диапазоне питающих напряжений 1,8–5,5 В и при температуре окружающей среды от –40 до +105 °C. Особенности и основные параметры микроконтроллеров нового поколения megaAVR представлены в таблице 4.

Таблица 4. Состав и характеристики новых микроконтроллеров megaAVR

Микроконтроллер	mega48PB	mega88PB	mega168PB	mega328PB	mega164PB	mega324PB
Количество выводов	32	32	32	32	44	44
Объем Flash, кбайт	4	8	16	32	16	32
Объем SRAM, байт	512	1024	1024	2048	1024	2048
Объем EEPROM, байт	256	512	512	1024	512	1024
Выводы GPIO	27	27	27	27	32	32
Интерфейсы SPI	2	2	2	2	3	3
Интерфейсы TWI (I2C)	1	1	1	2	2	2
Интерфейс USART	1	1	1	2	2	2
Модуль AЦП (10-bit 15ksps)	1	1	1	1	1	1
Число каналов АЦП	8	8	8	8	8	8
Аналоговый компаратор	1	1	1	1	1	1
8-разрядные таймеры	2	2	2	2	2	2
16-разрядные таймеры	1	1	1	3	3	3
Число каналов ШИМ	6	6	6	12	12	12
QTouch контроллер	нет	нет	нет	есть	есть	есть
Регистр отладки	нет	нет	нет	есть	есть	есть
Детектор тактового генератора	нет	нет	нет	есть	есть	есть

AVR XMEGA

Микроконтроллеры XMEGA — семейство с максимальной производительностью, обеспечиваемой архитектурой AVR. Состав и технические характеристики семейства AVR XMEGA оптимизированы для построения систем, работающих в режиме реального времени. Высочайшая производительность для 8‑разрядных микроконтроллеров достигается двумя способами. Первый — увеличение максимальной тактовой частоты ядра до 32 МГц при сохранении возможности выполнения операции за один такт. Второй — включение в состав микроконтроллера высокоскоростной периферии, требующей для ее эффективного использования минимального участия процессорного ядра.

AVR XMEGA содержат на кристалле криптографические акселераторы AES и DES, до 32 выходов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), 8 интерфейсов UART, 4 интерфейса TWI (I²C) и 4 канала последовательного периферийного интерфейса (SPI), модуль вычисления кода коррекции ошибок (CRC) и многое другое. Например, обеспечивается подключение устройств USB на максимальной скорости без необходимости использования дополнительных внешних тактовых генераторов или резонаторов, а также реализована специальная функция многопакетной передачи, позволяющая увеличить темп обмена данными. Криптографические акселераторы поддерживают аппаратное шифрование и дешифрование по алгоритмам DES (64 бит) и AES (128 бит). Это означает, что шифрованная передача данных может осуществляться на один-два порядка быстрее, чем в случае программной реализации алгоритмов шифрования. Некоторые микроконтроллеры AVR XMEGA оснащены инновационным модулем XMEGA Custom Logic (XCL), состоящим из двух независимых 8‑разрядных таймеров‑счетчиков и двух таблиц перекодировок для определения связующей логики. Модуль XCL может заменять дополнительные внешние логические микросхемы в проекте, снижая тем самым совокупную стоимость и габариты конечного изделия: элементы задержки, RS- и D‑триггеры, логические схемы выбора кристалла на D‑триггере, логические элементы AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR, NOT, MUX AND/OR/XOR. В сочетании с приемопередатчиком USART данный модуль может обеспечить поддержку специализированных коммуникационных протоколов (рис. 5).

Встроенная восьмиуровневая система событий значительно упрощает взаимодействие между периферийными устройствами на кристалле, обеспечивая 100%-ную прогнозируемость времени отклика. Все периферийные устройства могут использовать прямой доступ к памяти (DMA) для передачи данных, что позволяет разгрузить вычислительное ядро контроллера. Система событий действует в режимах глубокого сна микроконтроллера независимо от функционирования вычислительного ядра, управляет событиями без дополнительных временных задержек, обеспечивает аппаратные механизмы защиты объектов управления. Система событий осуществляет одновременную синхронную и асинхронную обработку до восьми независимых сигналов, позволяет применять дополнительные функции обработки: квадратурное декодирование, цифровую фильтрацию входных сигналов.

Аналоговые подсистемы микроконтроллеров AVR XMEGA используют в каждом устройстве один или два 12‑разрядных аналого-цифровых преобразователя, один или два двухканальных быстродействующих 12‑разрядных цифро-аналоговых преобразователя, а также аналоговые компараторы, снижающие потребность во внешних компонентах. АЦП имеет дифференциальный и несимметричный вход, встроенный усилительный каскад, схемы коррекции смещения и коэффициента усиления, встроенный датчик температуры. Производительность АЦП составляет до 2 млн выб./с на каждый преобразователь. Имеется аппаратное усреднение и поддержка алгоритмов передискретизации и децимации (рис. 6).

Каждый канал ЦАП способен осуществлять преобразование данных на скорости до 1 млн выб./с, может работать на резистивную, емкостную или комбинированную нагрузку, обеспечивая силу тока на выходе 10 мА. АЦП и ЦАП используют как внутренние, так и внешние источники опорного напряжения, причем внутренние буферные каскады AVR XMEGA минимизируют ток потребления от внешнего опорного источника. Каждый микроконтроллер этого семейства оснащен как минимум двумя аналоговыми компараторами, которые можно настраивать на работу совместно в оконном режиме. На входы компараторов могут подаваться сигналы с аналогового порта и некоторых других внутренних блоков микроконтроллера, включая 64‑уровневый программируемый источник опорного напряжения.

Как и в других микроконтроллерах AVR, в XMEGA используется технология Atmel picoPower, причем полноценная работа микроконтроллера обеспечивается уже при напряжении питания 1,62 В. Таймер системы реального времени функционирует в режимах энергосбережения при токе потребления контроллера 100 нА, при этом данные полностью сохраняются в памяти SRAM для максимально быстрого пробуждения кристалла.

Компания Atmel предоставляет для AVR XMEGA полную библиотеку драйверов периферийных устройств и коммуникационных стеков, что позволяет сэкономить время и усилия разработчиков. Для подключения бесконтактных органов управления прибором рекомендуется применение технологии сенсорного ввода Atmel QTouch. Поддержка библиотеки QTouch позволяет с легкостью реализовать полноценный емкостный сенсорный интерфейс для кнопок, слайдеров и колес прокрутки.

Микроконтроллеры семейства AVR XMEGA выпускаются в нескольких сериях (табл. 5), предлагая разработчику на выбор определенные комбинации периферийных блоков, ориентированные на различные применения.

Таблица 5. Серии микроконтроллеров AVR XMEGA и их основные свойства

	E5	D4 D3	C3 C4	B1 B3	A1U A3U A4U
Число выводов корпуса	32	44–64	44–64	64–100	44–100
Объем Flash-памяти, доступный приложению	8–32 кбайт	16–384 кбайт	16–384 кбайт	64–128 кбайт	16–256 кбайт
Flash-память загрузчика	2–4 кбайт	4–8 кбайт	4–8 кбайт	4–8 кбайт	4–8 кбайт
Объем SRAM	1–4 кбайт	1–32 кбайт	2–32 кбайт	4–8 кбайт	2–16 кбайт
Объем EEPROM	512 байт – 1 кбайт	1–4 кбайт	1–4 кбайт	2 кбайт	1–4 кбайт
Число сигнальных выводов I/O	26	34–50	34–50	53	34–78
Отличительные свойства серии	Работа при питании 1,8 В picoPower ЦАП Асинхронные события	Работа при питании 1,8 В picoPower	USB-интерфейс	Сегментный ЖКИ	2 Мвыб./с АЦП 2 Мвыб./с ЦАП Контроллер DMA Криптоблоки Шина подключения внешней памяти
Примеры применения	Системы освещения Управление электродвигателями Управляющие контроллеры Батарейное питание	Управляющие контроллеры Батарейное питание Медицинское оборудование	Офисная техника Маршрутизаторы и преобразователи интерфейсов	Панели визуализации Измерители потоков	Промышленные контроллеры Медицинская техника
Ключевые преимущества	Ультранизкое энергопотребление в статическом режиме Высокопроизводительные аналоговые блоки с разрешением 12 бит Многоканальные коммуникационные возможности Периферийная система обработки событий для работы в реальном времени Высокопроизводительное RISC-ядро и компактный программный код Большое семейство совместимых устройств

AVR XMEGA серии A ориентированы на максимальную производительность, их параметры значительно превосходят характеристики устройств из других серий. Эти микроконтроллеры могут использоваться в большом диапазоне приложений, в частности в управлении инженерными системами зданий и в управлении производственными процессами; в компактных измерительных приборах и инструментах, работающих от аккумулятора; в крупной бытовой технике; в сложных оптических и медицинских приборах.

AVR XMEGA серии B содержат интегрированный контроллер сегментного жидкокристаллического индикатора (ЖКИ). Устройства обеспечивают сверхнизкое потребление энергии в носимых приложениях с пользовательским интерфейсом, в частности в приборах учета ресурсов, бытовых системах автоматизации, системах контроля температуры, промышленных системах управления, спортивном оборудовании, игрушках, медицинском оборудовании. Сверхэкономичный драйвер ЖКИ оснащен рядом функций сокращения энергопотребления и имеет рабочий ток всего 3 мкА.

AVR XMEGA серии C представляют собой микроконтроллеры AVR начального уровня сложности и хорошо подходят для приложений, где требуется недорогое подключение через USB. Интерфейс USB 2.0 Full Speed на кристалле не требует подсоединения внешних компонентов, что сокращает стоимость и общее количество комплектующих в любой USB-системе.

Серия D у AVR XMEGA содержит 8/16‑разрядные микроконтроллеры для построения приборов и приложений с минимальным энергопотреблением. Они оснащены высокопроизводительными периферийными системами и выпускаются в стандартных промышленных корпусах.

AVR XMEGA E — первая серия микроконтроллеров AVR XMEGA с 32 выводами, доступных в сверхмалых корпусах QFN 44 мм и предназначенных для приложений с жесткими пространственными ограничениями. Кроме того, микроконтроллеры AVR XMEGA серии E полностью раскрывают потенциал технологии Atmel picoPower и обеспечивают отличное сочетание объема памяти, низкого энергопотребления в режиме сна и минимального времени пробуждения. Устройства этой серии идеально подходят для приложений реального времени с низкой задержкой реакции, систем управления балластами, источников питания и преобразователей постоянного тока, светодиодных драйверов, а также приборов, работающих от аккумулятора, — игрушек, часов и портативных устройств.

Заключение

Ошибочное мнение о том, что 32‑разрядные микроконтроллеры дешевле 8‑разрядных со сходными характеристиками, обычно возникает из-за некорректного сравнения. Как правило, поставщики активно предлагают 32‑разрядные микроконтроллеры по проектным ценам, в то время как 8‑разрядный микроконтроллер берется из выборки с меньшими объемами закупки. Так, если сравнивать цены у стоковых дистрибьюторов, то сравнение получается более корректным и выигрышным в пользу AVR.

Инициализация ядра в 8‑разрядных AVR не занимает программного кода: все установки осуществляются аппаратно и задаются однократно при программировании микроконтроллера установками FUSE-битов. Это особенно важно в приложениях, где микроконтроллер должен выйти на рабочий режим в кратчайшее время. Инициализация 32‑разрядного процессора с популярными процессорными ядрами серии Cortex-M включает программную инициализацию системы тактирования, шин, циклов задержки при доступе к Flash-памяти, сторожевого таймера и монитора питания. Другими словами, простейшая программа в 8‑разрядном процессоре будет заметно компактнее, а переход к началу ее выполнения произойдет заметно быстрее.

В основу 8‑разрядного AVR положен RISC-процессор с регистровым файлом на 32 регистра общего назначения (РОН), работающий на частоте до 32 МГц. Такого количества РОН нет в большинстве 8‑ и 16‑разрядных процессоров и в младших ядрах серии Cortex-M. Увеличенное число регистров общего назначения снижает количество пересылок данных при манипуляциях с ними, что повышает удельную производительность процессора и снижает частоту доступа к ОЗУ. Более того, высокая производительность процессора нужна не в каждой задаче. Если устройство выполняет простейшую обработку нажатий на клавиатуру, вывод текстовых данных на дисплей, исполняет несложные алгоритмы, то высокие тактовые частоты и работа с 32‑разрядными данными не требуются.

Помимо эффективного процессорного ядра, микроконтроллеры AVR содержат на кристалле и богатый набор периферийных блоков, которые обеспечивают широкую применимость AVR в задачах, где используются 8‑ и 16‑разрядные микроконтроллеры. Сюда относятся как цифровые, так и производительные аналоговые блоки. Благодаря примененным технологическим процессам микроконтроллеры AVR обеспечивают хорошую устойчивость к электромагнитным помехам — проблема зависания тактовых генераторов здесь не так ярко выражена, как у 32‑разрядных микроконтроллеров, выпускаемых по меньшим проектным нормам.

Скорость обмена данными по последовательным коммуникационным интерфейсам у AVR может быть заметно выше в сравнении с 32‑разрядными платформами благодаря оптимальным связям на кристалле AVR процессорного ядра, памяти и периферии. Часто встречающаяся неэффективная организация связей периферии и памяти у микроконтроллеров с более современным процессорным ядром Cortex-M0+ может в конечном счете свести на нет все их преимущества.

Эффективная связь процессора с памятью, большое количество регистров общего назначения и оптимальная разрядность процессора обеспечивают платформе AVR большую производительность даже в сравнении с процессорным ядром Cortex-M0. При выполнении операций с байтовыми числами получается заметная экономия оперативной памяти и памяти программ.

В погоне за низким энергопотреблением в активном режиме производители новейших 32‑разрядных микроконтроллеров уменьшают проектные нормы производства кристаллов, обеспечивая этим снижение динамических утечек. Но стремление понизить параметр «мА на МГц» имеет и оборотную сторону медали — растет энергопотребление в статическом режиме, где утечка через затвор транзистора обратно пропорциональна размеру диэлектрика под его затвором. При производстве микроконтроллеров AVR применяются сравнительно крупные проектные нормы для диэлектрических слоев кристалла и меньшие проектные нормы для металлизированных слоев. Более крупный диэлектрик обеспечивает меньшие утечки в статическом режиме, а более тонкий металл снижает паразитную емкость, что положительно сказывается на энергопотреблении кристалла в активном режиме.

Подводя итог всему вышесказанному, отметим, что компания Atmel прогнозирует дальнейший рост объемов продаж 8‑разрядных микроконтроллеров, несмотря на увеличивающуюся популярность 32‑разрядных платформ. Несомненно, микроконтроллеры нового поколения архитектуры AVR привлекут внимание разработчиков и займут достойную нишу на рынке информационно-управляющих электронных систем, приборов персональной носимой электроники и компонентов «Интернета вещей» (IoT).

Семейство AVR – включает в себя 8 битные микроконтроллеры для широкого спектра задач.

Для сложных проектов с большим количеством входов/выходов вам предоставлены микроконтроллеры AVR семейства Mega и AVR xmega, которые выпускаются в корпусах от 44 до 100 выводов и имеют до 1024 кб Flash памяти, а скорость их работы – до 32 миллионов операций в секунду.

Практически все модели имеют возможность генерировать ШИМ, встроенный АЦП и ЦАП.

Миллионы радиолюбителей разрабатывают интересные проекты на AVR – это самое популярное семейство МК, о них написано очень много книг на русском и других языках мира.

Интересно. Для прошивки нужен программатор, один из самых распространённых – это AVRISP MKII, который вы легко можете сделать из своей Arduino.

Популярность семейства АВР поддерживается на высоком уровне уже много лет, в последние 10 лет интерес к ним подогревает проект Arduino – плата для простого входа в мир цифровой электроники.

Сферы применения различных Tiny, Mega

Четко описать сферу применения микроконтроллера нельзя, ведь она безгранична, однако можно классифицировать следующим образом:

1. Tiny AVR – самые простые в техническом плане. В них мало памяти и выводов для подключения сигналов, цена соответствующая. Однако это идеальное решение для простейших проектов, начиная от автоматики управления осветительными приборами салона автомобиля, до осциллографических пробников для ремонта электроники своими руками. Они также используются в Arduino-совместимом проекте – Digispark. Это самая маленькая версия ардуины от стороннего производителя; выполнена в формате USB-флешки.
2. Семейство MEGA долго оставалось основным у продвинутых радиолюбителей, они мощнее и имеют больший, чем в Tiny, объём памяти и количество выводов. Это позволяет реализовывать сложные проекты, однако семейство очень широко для краткого описания. Именно они использовались в первых платах Arduino, актуальные платы оснащены, в основном, ATMEGA

Выход любого МК без дополнительных усилителей потянет светодиоды или светодиодную матрицу в качестве индикаторов, например.

AVR xMega или старшие микроконтроллеры

Разработчики Atmel создали AVR xMega, как более мощный МК, при этом принадлежащий к семейству AVR. Это было нужно для того, чтобы облегчить труд разработчика при переходе к более мощному семейству.

В AVR xMega есть два направления:

• МК с напряжением питания 1.8-2.7 вольта, работают с частотой до 12 мГц, их входа устойчивы к величине напряжения в 3.3 В;
• МК с напряжением питания 2.7-3.6 вольта уже могут работать на более высоких частотах – до 32 мГц, а вход устойчив к 5 вольтам.

Также стоит отметить: AVR xMega отлично работают в автономных системах, потому что имеют низкое энергопотребление. Для примера: при работающих таймерах и часах реального времени RTC потребляют 2 мА тока, и готовы к работе от прерывания внешнего или по переполнению таймера, а также по времени. Для выполнения целого ряда функций применяется множество 16 разрядных таймеров.

Работа с USB портом

Начнем с того, что для программирования микроконтроллера нужно использовать последовательный порт, однако на современных компьютерах COM порт часто отсутствует. Как подключить микроконтроллер к такому компьютеру? Если использовать преобразователи USB-UART, эта проблема решается очень легко. Простейший преобразователь вы можете собрать на микросхемах FT232 и CH340, а его схема представлена ниже.

Такой преобразователь размещен на платах Arduino UNO и Aduino Nano.

Некоторые микроконтроллеры AVR имеют встроенный (аппаратный) USB:

• ATmega8U2;
• ATmega16U2;
• ATmega32U2.

Такое решение нашло применение для реализации связи компьютера и Arduino mega2560 по USB, в которой микроконтроллер «понимает» только UART.

Назначение ЦАП и АЦП микроконтроллеров AVR

Цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) называют устройства, преобразующие сигнал единиц и нолей (цифровой) в аналоговый (плавно изменяющийся). Главные характеристики – разрядность и частота дискретизации. В АЦП преобразуется аналоговый сигнал в цифровой вид.

Порты с поддержкой АЦП нужны для того, чтобы подключить к микроконтроллеру аналоговые датчики, например, резистивного типа.

ЦАП нашёл своё применение в цифровых фильтрах, где входной сигнал проходит программную обработку и вывод через ЦАП в аналоговом виде, ниже вы видите наглядные осциллограммы. Нижний график – входной сигнал, средний – этот же сигнал, но обработанный аналоговым фильтром, а верхний – цифровой фильтр на микроконтроллере Tiny45. Фильтр нужен для формирования нужного диапазона частот сигнала, а также для формирования сигнала определенной формы.

Пример использования АЦП – это осциллограф на микроконтроллере. К сожалению, частоты мобильных операторов и процессора ПК отследить не удастся, а вот частоты порядка 1 мГц – легко. Он станет отличным помощником при работе с импульсными блоками питания.

А здесь расположено подробное видео этого проекта, инструкции по сборке и советы от автора:

Какую литературу читать о микроконтроллерах AVR для начинающих?

Для обучения молодых специалистов написаны горы литературы, давайте рассмотрим некоторые из них:

1. Евстифеев А.В. «Микроконтроллеры AVR семейства Mega». В книге подробно рассмотрена архитектура микроконтроллера. Описано назначение всех регистров и таймеров, а также их режимы работы. Изучена работа интерфейсов связи с внешним миром SPI и т. д. Система команд раскрыта для понимания радиолюбителю среднего уровня. Материал книги «Микроконтроллеры avr семейства mega: руководство пользователя» поможет изучить структуру чипа и назначение каждого из его узлов, что, безусловно, важно для любого программиста микроконтроллеров.
2. Белов А.В. – «Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике». Как видно из названия, эта книга, в большей степени, посвящена практической стороне работы с микроконтроллерами. Подробно рассмотрен ставший классическим микроконтроллер ATiny2313, а также многие схемы для сборки.
3. Хартов В.Я. «Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих». Поможет разобраться в AVR studio 4, а также стартовом наборе STK Вы научитесь работать с последовательными и параллельными интерфейсами, такими как UART, I2C и SPI. Книга «Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих» написана преподавателем МГТУ им. Н.Э.Баумана и используется там для изучения этой темы.

Изучение этого семейства микроконтроллеров помогло начать работать и разрабатывать проекты многим любителям электроники. Стоит начинать именно с популярного семейства, чтобы всегда иметь доступ к морю информации.

Среди радиолюбителей начального уровня есть только один конкурент AVR – PIC микроконтроллеры.