Выбор платы на базе микроконтроллера для автоматизации одиночных систем управления



В данной статье исследуется рынок плат на базе микроконтроллеров и возможности их применения в простых САУ.

Ключевые слова: микроконтроллер, микропроцессор, автоматизация, система автоматического управления.

Цели исследования.

Одиночные системы автоматического управления и контроля получают все более широкое распространение, и их реализация становится одной из главных задач для инженера автоматизации. Абсолютно очевидно, что для решения данной задачи невыгодно (а, иногда, и невозможно) использовать Пром-ПК и ПЛК, и тогда на помощь приходят простые платы на базе популярных микроконтроллеров (или же только микроконтроллеры, если ставится задача разработки собственной платы с требуемыми параметрами). Но рынок таких плат, впрочем, как и рынок микроконтроллеров, крайне широк и разнообразен, и существенную трудность в разработке представляет поиск и подбор микроконтроллера.

Целью данного исследования является рассмотрение рынка микроконтроллеров, параметров микроконтроллеров, а также категоризация микроконтроллеров (а также микропроцессоров) и плат по задачам автоматизации в рамках реализации одиночных САУ. Для этого начнем с рассмотрения нескольких наиболее популярных плат на основе микроконтроллеров или микропроцессоров [1].

1) Parallella-16.

Данная плата, в отличие от других рассматриваемых в данном исследовании, является платой на базе микропроцессора — зачастую такое решение принято называть микрокомпьютером. Отличительная особенность производителя заключается в том, что это не крупная известная компания, а успешно реализованный краудфандинговый проект. Рассмотрим ее технические характеристики.

Таблица 1

Технические характеристики Parallella-16

Модель	P1600	P1601	P1602
Название	“Microserver”	“Desktop”	“Embedded
Host Processor	Xilinx Zynq Dual-core ARM A9 XC7Z010		Xilinx Zynq Dual-core ARM A9 XC7Z020
Coprocessor	Epiphany 16-core CPU E16G301
Память	1 GB DDR3
Ethernet	Gigabit Ethernet
Boot Flash	128 Мб QSPI Flash
Питание	5 В DC
Хранилище	Micro-SD
USB	Нет	USB 2.0
HDMI	Нет	Micro HDMI
Пины GPIO	0	24	48
Коннекторы eLink	0	2
FPGA	28K Logic Cells		80K Logic Cells
Logic	80 DSP Slices		220 DSP slice
Вес	36 г	38 г
Размеры	90 мм x 55 мм x 18 мм

Рис. 1. Внешний вид Parallella-16

Как мы видим, данная плата микрокомпьютера идеально подходит для реализации структур типа сервера. В задачах автоматизации данная плата может найти свое применение в качестве средства для обработки и хранения данных (например, статистических, а также различных логов), а также синхронизации их, например, с базой данных на компьютере.

2) Платы на базе ESP32 .

Данная серия плат, также как и предыдущая, является по сути (согласно описанию производителя — Espressif Systems) платами на базе микропроцессора с интегрированными контроллерами Wi-Fi, Bluetooth и Thread на одном кристалле. Существует довольно много версий разной степени компактности. Рассмотрим характеристики наиболее популярного модуля — ESP32-WROOM-32 NodeMCU [3].

Таблица 2

Технические характеристики ESP32

Wi-Fi	Протоколы	802.11 b/g/n (802.11n up to 150 Mbps)
		Агрегация A-MPDU и A-MSDU и поддержка защитного интервала 0,4 мкс
	Центральный диапазон частот рабочего канала	2412 ~ 2484 МГц
Bluetooth	Протокол	Bluetooth v4.2 BR/EDR и Bluetooth LE
	Радио	Приемник NZIF с чувствительностью -97 дБм
		Передатчик класса 1, класса 2 и класса 3
		AFH
	Аудио	CVSD и SBC
Hardware	Интерфейсы модуля	SD-карта, UART, SPI, SDIO, I2C, ШИМ светодиода, ШИМ двигателя, I2S, ИК, счетчик импульсов, GPIO, емкостный сенсорный датчик, АЦП, ЦАП, TWAI, CAN 2.0
	Встроенный резонатор	Кристалл с частотой 40 МГц
	Встроенная SPI flash	4 МБ
	Рабочее напряжение/источник питания	3.0 В ~ 3.6 В
	Рабочий ток	Среднее значение: 80 мА
	Минимальный ток, подаваемый источником питания	500 мА
	Рекомендуемый диапазон рабочих температур	–40 °C ~ +85 °C
	Размеры	18 мм x 25.5 мм x 3.10 м

Рис. 2. Внешний вид и распиновка ESP32

Важнейшим преимуществом данной платы является возможность обновления прошивки “по воздуху”, что позволяет найти ей применение в труднодоступных системах. Немного забегая вперед, отметим, что, пожалуй, на ряду с популярнейшей платформой Arduino, применение платы ESP32 является одним из наиболее перспективных решений в области автоматизации одиночных систем.

3) MSP 430 Launch Pad.

Нельзя, при исследовании плат на микроконтроллерах, обойти самую известную — Arduino (подробнее она будет рассмотрена ниже), поскольку многие другие платы, в том числе и на базе микроконтроллера MSP 430 (производитель — Texas Instruments), были задуманы производителями как конкурент уже ставшей монополистом Arduino. В связи с этим фактом, имеет смысл рассматривать все подобные платы через призму сравнения с Arduino [4].

Таблица 3

Характеристики MSP 430 Launch Pad в сравнении с Arduino UNO

Плата	TI LaunchPad	Arduino Uno
Микроконтроллер	MSP430G2553 (16-bit RISC)	ATMega 328 (8-bit AVR)
Тактовая частота	16 МГц	16 МГц
Flash	16 КБ	2 КБ
Цифровые I/O	8	14
Аналоговые I/O	8	6

Рис. 3. Внешний вид MSP 430 Launch Pad

Отметим также, что MSP430 делает достаточно сильный упор на энергопотребление — можно использовать его в проектах со слабыми источниками питания (солнечные элементы, химические элементы, ручные генераторы и прочее). Отметим и еще одну особенность — программирование платы осуществляется с помощью программы Energia, использующей уже широко распространенную связку — язык C и фреймворк Wiring, то есть то же самое, что требуется для прошивки Arduino. Во многом данная плата — очень удачный аналог, и его применение в САУ может быть таким же широким, как и у Arduino.

4) Платы серии STM32 (Blue Pill и Black Pill).

Платы серии STM32 по праву считаются главными конкурентами Arduino, в основном это связано с крайне низкой стоимостью, большим числом еще более дешевых плат-дженериков (клонов), а также простотой прошивки и хорошими характеристиками. Рассмотрим их подробнее [5] [6].

Таблица 4

Сравнение STM32 с Arduino

Плата	Arduino UNO	STM32 Blue Pill	STM32 Black Pill
Микроконтроллер	ATMega328	STM32F103	STM32F407/STM32F411
Рабочее напряжение	5 В	3,3 В; 5 В	3,3 В; 5 В
Тактовая частота	16 МГц	72 МГц	100 МГц
Количество пинов GPIO	20	30	30
Пины с АЦП	6	10	16
Поддерживаемые интерфейсы (помимо GPIO)	Serial/UART, I2C, SPI

Рис. 4. Внешний вид плат на базе STM32

Преимущества STM32 очевидны, но есть и очевидные недостатки, которые нельзя описать в таблице. На данный момент с импортом оригинальных плат на базе STM32 наблюдаются огромное проблемы, и доступность их использования в проектах сейчас обуславливается наличием плат-дженериков, однако и это не выход — поскольку для их прошивки оригинальным ПО (CUBE IDE) требуется взломанная версия программы, а такой подход в инженерии никогда не приветствуется.

5) Arduino.

Arduino сейчас является, пожалуй, основным микроконтроллером для решения “бытовых” задач автоматизации, в том числе и в комбинации с другими (например, ESP32). На ней решается множество задач, таких как, например, “умный дом” (и различные его составляющие), системы вентиляции, системы оповещения с датчиками, метеостанции с управлением системой климат-контроля и так далее. Существует несколько основных ее версий — UNO, Nano, MEGA, Leonardo, Pro Mini, Micro, Zero, а также различные их модификации с модулями беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth, GPS и другие). Для решения же большинства инженерных задач применяется Arduino Nano — это связано с ее небольшими габаритами и почти ничем не отличающимся функционалом от более крупных моделей. Рассмотрим ее характеристики [7].

Таблица 5

Характеристики Arduino Nano

Микроконтроллер	ATMega328P
Напряжение логических уровней	5 В
Входное напряжение питания (рекомендованное)	7–12 В
Входное напряжение питания (предельное)	6–20 В
Порты ввода-вывода общего назначения	20
Максимальный ток с пина ввода-вывода	40 мА
Максимальный выходной ток пина 3.3V	50 мА
Максимальный выходной ток пина 5V	800 мА
Цифровые пины ввода/вывода	14 (6 выходов ШИМ)
Цифровые ШИМ-пины ввода/вывода	6
Аналоговые пины (с АЦП)	6
Разрядность АЦП	10 бит
Flash-память	32 КБ (ATMega328P), из которых 0,5 КБ используется загрузчиком
SRAM (Оперативная память)	2 КБ (ATMega328P)
EEPROM-память	1 КБ
Тактовая частота	16 МГц
Габариты	68.6мм x 53.4 мм
Вес	25 г

Рис. 5. Внешний вид Arduino Nano

Пожалуй, Arduino Nano является наиболее универсальным решением, если не стоит задача о создании полноценного визуального интерфейса на дисплее, или нет требований по высокому быстродействию. Для таких задач больше подходит другое решение, которое мы рассмотрим в следующем пункте.

6) Raspberry Pi.

Raspberry Pi — одноплатный компьютер очень компактного размера (“с банковскую карту”), существует множество поколений и версий различных модификаций и на базе разных процессоров. Сейчас выпущено уже пять поколений (Pi 1–5), но рассматривать мы будем самый доступный и успешно показавший себя во многих проектах Raspberry Pi 3B [8].

Таблица 6

Характеристики Raspberry Pi 3B

Процессор	Broadcom BCM2837 1.2ГГц четырехъядерный ARM Cortex-A53;
GPU	Двухъядерный VideoCore IV
Оперативная память	1ГБ LPDDR2
Беспроводная связь	Wi-Fi (802.11 b/g/n) и Bluetooth 4.1 (классический Bluetooth и LE)
Операционная система	Запуск с Micro SD карты, дистрибутивы Linux или Windows 10 IoT
Размер	85 мм x 56 мм x 17мм
Питание	Micro USB 5.1В/2.5А
Разъемы	10/100 BaseT Ethernet, HDMI (rev 1.3 & 1.4), 3.5mm jack, 4 x USB 2.0, GPIO: 40-пин, MIPI Camera Serial Interface (CSI-2), Display Serial Interface (DSI), Micro SDIO

Рис. 6. Внешний вид Raspberry Pi 3B

В связи с наличием графического процессора, беспроводной и проводной связи, а также портов GPIO Raspberry Pi является прекрасным решением для сложных систем управления, систем управления с полноценным интерфейсом, или даже — для создания полноценных SCADA-систем (для простых же систем мощность Raspberry Pi будет избыточна).

7) Intel 8051.

Ну и наконец, не стоит забывать самое классическое решение — однокристальный микроконтроллер серии MCS 51 гарвардской архитектуры от компании Intel, нашедший невероятно широкое применение во всевозможных системах. Для разработки устройств на данном микроконтроллере применяются отладочные платы — после прошивки МК его размещают на отдельных платах. Крайне интересное решение для несложных САУ, поскольку данный микроконтроллер обладает небольшой стоимостью и неплохими характеристиками. Рассмотрим наиболее интересные из них [9]:

— Состоит из процессорного ядра, ОЗУ, ПЗУ, последовательного порта, параллельного порта, логики управления прерываниями, таймера и так далее;

— 8-битная шина данных. Возможность обработки 8 бит данных за одну операцию.

— 16-битная адресная шина. Возможность доступа к 216 адресам памяти, то есть 64 Кб адресное пространство в ОЗУ и ПЗУ;

— Встроенное ОЗУ — 128 байт;

— Встроенное ПЗУ — 4 КБ;

— Четыре порта ввода-вывода: один двунаправленный и три квазидвунаправленных;

— Интерфейсы UART, I²C, SPI;

— Два 16-битных таймера;

— Два уровня приоритета прерываний;

— АЦП, ЦАП;

— ШИМ-генераторы;

— Энергосберегающий режим.

Рис. 7. Внешний вид Intel 8051

Данный МК был упомянут скорее как дань уважения, нежели реальный кандидат на использование в САУ, но тем не менее ему можно найти применение в системах управления, если потребуется, но в таком случае нужно будет разрабатывать собственную плату и размещать на ней заранее прошитый микроконтроллер.

Итоги.

Для того чтобы сделать некоторые выводы, составим таблицу, в которой сравним все рассмотренные выше платы.

Таблица 7

Сравнение описанных решений

	Средняя стоимость (2024 г., маркетплейсы)	Категория	Интерфейсы взаимодействия	Способ прошивки	Парадигма	Доступность
Parallella-16	15000 р	Микрокомпьютер	GPIO, WiFi, BT, USB	Напрямую (LISP)	Сервера, сложные БД и САУ	Недоступно для РФ
ESP32	500 р	Плата микроконтроллера	GPIO, WiFi, BT, USB	Любые IDE	Беспроводные САУ, Умный дом	Доступно, крайне легко приобрести
MSP 430 Launch Pad	1800 р	Плата микроконтроллера	GPIO, SPI, USB	Arduino IDE	Простые САУ, элементы умного дома	Доступно, сложно приобрести
STM32	600 р	Плата микроконтроллера	GPIO, SPI, USB	CUBE IDE	Простые САУ, элементы умного дома	Доступно, легко приобрести
Arduino	400 р	Плата микроконтроллера	GPIO, SPI, USB	Arduino IDE	Простые САУ, элементы умного дома	Доступно, крайне легко приобрести
Raspberry Pi	7000 р	Микрокомпьютер	GPIO, SPI, HDMI, USB	Напрямую, через ОС	Сервера, сложные САУ, Умный дом, IoT, SCADA-системы	Доступно, средне-сложно приобрести (для модели 3 B)
Intel 8051	800 р	Микроконтроллер	- (поддерживаются различные протоколы)	С помощью отладочной платы	Простые одноплатные САУ	Доступно, сложно приобрести

Исходя из таблицы 7, а также из собственного опыта (к сожалению, без субъективности здесь не обойтись), можно сделать следующие выводы:

— Для большинства простых задач использование Arduino будет оптимальным (здесь и цена, и достаточное быстродействие сочетаются с доступностью);

— Для решения сложных задач автоматизации стоит использовать Raspberry Pi — на ней даже можно построить целую SCADA-систему с полноценным визуальным интерфейсом на мониторе;

— Для решения несложных задач, требующих высокого быстродействия самым логичным кажется использования STM32 (для более сложных вычислений — версию Black Pill), но следует подумать, поскольку есть трудности с прошивкой дженериков (описаны ранее);

— Для разработки одноплатных систем оптимально использование Intel 8051;

— В аутсайдерах же остаются Parallella-16, в связи с недоступностью в РФ, и MSP 430 Launch Pad в связи с неоправданно высокой стоимостью и некоторыми трудностями в приобретении.

В качестве общего вывода, можно сказать следующее — так как в данном исследовании были затронуты общие случаи, для которых и были сделаны выводы, базовую отладочную плату, микроконтроллер или микропроцессор всегда нужно подбирать для конкретной системы отдельно, исходя из конкретных условий.

Литература:

1. 10 Best Microcontroller Boards For Hobbyists And Engineers // Wonderful Engineering URL: https://wonderfulengineering.com/10-best-microcontroller-boards-for-hobbyists-and-engineers/ (дата обращения: 25.01.24).
2. Parallella-1.x Reference Manual // Paralella URL: https://www.parallella.org/docs/parallella_manual.pdf (дата обращения: 25.01.24).
3. ESP32­WROOM­32 // ESPRESSIF URL: https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-wroom-32_datasheet_en.pdf (дата обращения: 25.01.24).
4. Недорогая альтернатива Arduino. Дадим шанс? // Хабр URL: https://habr.com/ru/articles/151196/ (дата обращения: 25.01.24).
5. STM32F103C8T6 — Blue Pill // STM32-base URL: https://stm32-base.org/boards/STM32F103C8T6-Blue-Pill.html (дата обращения: 29.12.23).
6. STM32F411CEU6 — Black Pill // STM32-base URL: https://stm32-base.org/boards/STM32F411CEU6-WeAct-Black-Pill-V2.0.html (дата обращения: 29.12.23).
7. Плата Arduino Nano v 3.0: распиновка, схемы, драйвер // ARDUINO MASTER URL: https://arduinomaster.ru/platy-arduino/plata-arduino-nano/ (дата обращения: 25.01.24).
8. Raspberry Pi 3 Model B, Одноплатный компьютер на базе процессора Broadcom BCM2837 с Wi-Fi и Bluetooth // chipdip. URL: https://www.chipdip.ru/product/raspberry-pi-3-model-b (дата обращения: 25.01.24).
9. Intel 8051 — Википедия // ВикипедиЯ URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Intel_8051 (дата обращения: 25.01.24).