マイクロコントローラと組み込みシステムのIC技術に関する簡単な説明

私たちが日常生活で使用するすべての電子機器は、電気および電子プロジェクト回路を使用して設計されています。これらの電気および電子回路は、真空管技術、トランジスタ技術、集積回路またはIC技術、マイクロプロセッサ技術、マイクロコンピュータ技術などのさまざまな技術を使用して設計できます。これらのテクノロジは、ディスクリートの電気および電子コンポーネント、集積回路、マイクロプロセッサ、およびマイクロコントローラを使用して実装できます。この記事では、IC技術とマイクロコントローラIC技術などの高度なIC技術の中で組み込みシステムに最適な技術について説明します。ただし、主に先に進む前に、ICテクノロジーとマイクロコントローラーのICテクノロジーとは何かを知っておく必要があります。

ICテクノロジー

以前は、真空管を使用して設計された組み込みシステムデバイスは、サイズが非常に大きく、高価でした。最初の点接触トランジスタは、1947年にベル研究所のジョンバーディーンとウォルターブラッテンによって開発されました。その後、トランジスタの発明により、コンピュータ設計のかさばる高価な真空管が削減され、置き換えられました。その後、トランジスタの使用により回路のサイズが縮小されました。これらのトランジスタはサイズが小さく、経済的で、パフォーマンスが速く、信頼性が高く、消費電力が非常に少ないためです。トランジスタやその他のディスクリート電子部品を使用して構築された回路は、ディスクリート回路と呼ばれます。

集積回路またはIC技術の発明により、電気および電子回路とコンピューターの設計に革命的な変化がもたらされました。集積回路はサイズが非常に小さく、信頼性が高く、経済的で、使用が非常に簡単です。このIC技術の概念は、1958年に導入され、このIC技術は、携帯電話、ラップトップ、コンピューター、およびその他の多くのデバイスなど、多くの電気および電子機器を小型化しました。集積回路は、通常シリコンチップと呼ばれる小さな半導体材料プレート上に統合された電子回路のセットとして定義できます。各ICは非常にコンパクトで、非常に小さな領域に数十億個のトランジスタやその他のコンポーネントを含むことができます。

世代のICテクノロジー

集積回路にはさまざまな世代があり、集積回路チップで使用されているトランジスタの数に基づいて分類されています。それらは次のとおりです。小規模集積回路（SSI）、数十個のトランジスタを含む集積回路。 1960年代には、数百のトランジスタを含む集積回路チップである中規模集積回路（MSI）が目撃されました。 1970年代には、大規模統合（LSI）があり、各チップに数万個のトランジスタが統合されていました。 1980年代には、超大規模集積回路（VLSI）があり、各チップに数十万個のトランジスタが集積されていました。さらに、超大規模集積回路（ULSI）、チップあたり100万個以上のトランジスタを集積、ウェーハスケール集積（WSI）、システムオンチップ（SOC）、および3次元集積回路（3D-IC）が開発されています。 555タイマーIC、741オペアンプ、CMOS、NMOS、BICMOSテクノロジーなどの集積回路は、ICテクノロジーの実用的な例と見なされています。

ADC、DAC、増幅器、電力管理IC、クロックおよびタイマーIC、さまざまな組み込みシステムアプリケーションに使用されるインターフェイスICなど、さまざまな種類の集積回路があります。

ICテクノロジーの適用

非マイクロコントローラーベースのソーラー充電コントローラープロジェクトは、ICテクノロジーのシンプルなアプリケーションです。このプロジェクトでは、マイクロコントローラーを使用せずに、過充電、過充電、および深放電状態を回避するために、制御された充電メカニズムが実現されます。オペアンプのセットは、パネル電圧と負荷電流を継続的に監視するためのコンパレータとして使用されます。緑と赤のLEDが表示に使用されます。緑色のLEDは、完全に充電されたバッテリーの状態を示すために使用され、充電または過負荷または深い放電状態では、赤色のLEDで示されます。

赤いLEDがバッテリ低下または過負荷状態を示している場合、パワー半導体スイッチMOSFETを使用して負荷を遮断します。緑色のLEDがバッテリーの完全に充電された状態を示している場合、太陽エネルギーはトランジスタを使用して回路内のダミー負荷にバイパスされます。したがって、バッテリーは過充電から保護されます。このプロジェクトは、GSMモデムとマイクロコントローラーを使用してさらに強化し、通信ソーラーシステムとシステムのステータスを監視するための制御室を実現できます。

マイクロコントローラーIC

マイクロコントローラーは、追加の周辺機器が組み込まれた高度なICまたは集積回路です。組み込みシステムのアプリケーションの開発と使用は、マイクロプロセッサ技術やマイクロコントローラ技術などのIC技術の進歩とともに増加しています。トランジスタ技術の欠点であるIC技術は、高度なIC技術であるマイクロプロセッサとマイクロコントローラ技術によって減少しました。マイクロプロセッサは、コンピュータの中央処理装置（CPU）の機能を1つまたはいくつかの集積回路に統合します。マイクロコントローラーユニットは、小さな中央処理装置、水晶発振器、タイマー、ウォッチドッグ、およびアナログI / Oで構成される単一の集積回路上の小さなコンピューターとして扱うことができます。レジスタにはさまざまな種類があり、特定のタスクに使用される割り込みがあります。マイクロコントローラーには、AVRマイクロコントローラー、PICマイクロコントローラーなどのさまざまなタイプがあります。ただし、通常、8051マイクロコントローラーICは、ほとんどの組み込みシステムアプリケーションに使用されます。

ICテクノロジーを使用する場合、組み込みシステムでいくつかのタスクを実行するには、複数の個別のコンポーネントが必要です。マイクロコントローラーテクノロジーなどの高度なICテクノロジーを使用する場合、いくつかの簡単なプログラミングラインを作成するだけで、複数のタスクを実行できます。したがって、マイクロコントローラーテクノロジーを使用することで、組み込みシステムのディスクリートコンポーネントの数、回路のサイズ、複雑さ、およびコストを削減できます。

マイクロコントローラーテクノロジーの適用

マイクロコントローラーを使用したソーラー充電コントローラーは、マイクロコントローラーの高度なICテクノロジーの典型的なアプリケーションです。太陽エネルギーを効率的に利用するために、ソーラーランタン、ソーラー街路灯、ソーラーハウス＆ガーデン照明システムなどの太陽光発電照明システムが、都市部だけでなく農村部でも使用されています。太陽光発電システムは主に、太陽光発電モジュール、充電式バッテリー、負荷、ソーラー充電コントローラーの4つの主要コンポーネントで構成されています。

マイクロコントローラー技術を使用した4つの主要なブロックを備えた太陽光発電システムのブロック図を図に示します。これらの4つのコンポーネントの中で、太陽光発電システムの全体的なパフォーマンスを向上させる上で主要な役割を果たすマイクロコントローラーを使用したソーラー充電コントローラーについて考えてみます。ソーラー充電コントローラー回路に使用されるハードウェアコンポーネントは、AT89C2051マイクロコントローラー、シリアルADC0831、電圧レギュレーターIC7805、パワー半導体スイッチMOSFET、LCDディスプレイ、充電式バッテリー、充電制御、夕暮れから夜明けまでのセンサー、および負荷制御です。

バッテリーは、ADCを使用してバッテリー電圧を監視するために使用されるマイクロコントローラーに電力を供給するための5VDC安定化電源を提供するために使用されます。 0V〜20Vの電圧は、ADCのピン2に抵抗を配置した分圧器を使用してV〜5Vにスケールダウンされ、これらの値がLCDディスプレイに表示されます。並列調整技術を使用すると、充電電流がバッテリーに流れ込み、バッテリーが完全に充電されるとバッテリーの充電を停止します。夕暮れから夜明けまでのセンサーから受信した入力信号に基づいて、マイクロコントローラーは充電リレーまたは負荷リレーを切り替えます。 LCDディスプレイはマイクロコントローラーによって駆動され、充電メッセージを表示します。

バッテリーが完全に充電されている場合（最大14V）、MOSFETを介してリレーがオンになり、充電が中断されます。次に、マイクロコントローラーによって5分のタイマーが開始され、LCDにフルバッテリーとしてメッセージが表示されます。このタイマーが経過すると、バッテリーはリレーによってソーラーパネルに再接続され、太陽電圧が存在する限り、太陽充電電流がパルス化されます。ソーラーパネルの電圧が夕暮れから夜明けまでのセンサーのツェナーダイオード電圧を下回ると、マイクロコントローラーは夕暮れから夜明けまでのセンサーから信号を受信し、MOSFETを介して負荷をアクティブにし、負荷オンメッセージがLCDディスプレイに表示されます。電圧が夕暮れから夜明けまでのセンサーの10Vを下回ると、マイクロコントローラーはMOSFETを介して負荷をオフにします。

組み込みシステムに最適なテクノロジー

この記事では、以前のICテクノロジーとマイクロコントローラーICテクノロジーの例、タイプ、組み込みシステムアプリケーションでのマイクロコントローラーとICテクノロジーの実際のアプリケーションについて簡単に説明しました。以前のIC技術とマイクロコントローラーIC技術などの高度なIC技術を備えた上記のソーラー充電コントローラーは、両方の技術の違いを示しています。また、要件に基づいて、両方のテクノロジがまだ使用されていることも示しています。どちらのテクノロジーも、組み込みシステムに使用する場合、いくつかの長所と短所があります。

ICテクノロジーは、ディスクリートコンポーネントを使用して構築された回路サイズと比較して、回路のサイズを縮小しました。高度なマイクロコントローラーICテクノロジーは、回路内の多くの集積回路を単一のマイクロコントローラーICに置き換えることにより、回路のサイズを縮小します。したがって、IC技術を使用した回路のコストは、ディスクリートまたはトランジスタ技術よりも低くなります。マイクロコントローラーのICテクノロジー回路のコストは、ICテクノロジーで設計された回路のコストと比較して低くなっています。同様に、いくつかのパラメータについては、マイクロコントローラテクノロジは、ICテクノロジやディスクリートコンポーネントまたはトランジスタテクノロジと比較して、組み込みシステムに適しています。

図は、さまざまなテクノロジーで設計された組み込みシステムアプリケーションを示しています。組み込みシステムの特定のアプリケーションでは、マイクロコントローラーテクノロジよりもICテクノロジの方が適しています。しかし、ほとんどの組み込みシステムアプリケーションは、ICテクノロジと比較してより高度であり、より多くの利点があるため、マイクロコントローラテクノロジを利用しています。さらに、組み込みシステムへの関心に基づいて、学術プロジェクトの作業に特定のテクノロジーを選択する際に、Edgefxテクノロジーから技術的な支援が提供されます。