Новые микроконтроллеры AVR от Microchip – преемники Mega
В начале года Microchip анонсировал выход новой линейки 8-битных микроконтроллеров AVR, которая придет на смену контроллерам высокой и средний производительности ATmega. На данный момент в линейку входят серии AVR-DA, AVR-DB и AVR-DD. В статье разобраны отличия новой линейки от ее предшественницы, рассмотрены характеристики новых серий и проведено их сравнение между собой.
Семейство 8-битных микроконтроллеров AVR было создано компанией Atmel в 1996 году. Данные МК имеют гарвардскую архитектуру, то есть исполняемый код и данные находятся в разных адресных пространствах, и систему команд, близкую к идеологии RISC.
В 2016 году компания Microchip – американский производитель электроники, — приобрела компанию Atmel и пополнила свое портфолио 8-битных микроконтроллеров, представленное устройствами с ядром PIC, микроконтроллерами с архитектурой AVR.
Исторически микроконтроллеры с архитектурой AVR делились на три линейки:
- ATtiny;
- ATmega;
- ATxmega.
ATtiny – это контроллеры начального уровня с небольшим объемом памяти программ – до 32 кбайт в компактных корпусах (до 32-х выводов).
ATmega – контроллеры средней и высокой производительности с объем памяти до 256 кбайт в корпусах до 100 выводов. Последним пополнением этой линейки стала серия ATmega-0 (ее флагман – ATmega4809), выпущенная в 2018 году. Обновление линейки не планируется, дальнейшим развитием линейки ATmega стала новая линейка AVR, с одноименной архитектурой.
ATxmega – устройства с максимальной производительность, до 384 кбайт памяти программ. Последней выпущенной серией стала E5, увидевшая свет в 2013 году. Развитие этой линейки остановлено, поскольку нишу производительных контроллеров заняли 32-битные микроконтроллеры на базе ядер группы ARM Cortex-M.
В начале 2020 года Microchip анонсировал три серии микроконтроллеров, принадлежащих к новой линейке AVR:
- AVR-DA;
- AVR-DB;
- AVR-DD.
Вместе с названием линейки изменилось и обозначение устройств. Маркировка теперь имеет вид «AVRXXYYZZ», где:
- XX – объем памяти в килобайтах;
- YY – семейство;
- ZZ – количество выводов корпуса.
Серия AVR-DA
Серия AVR-DA состоит из 11 устройств с вариантами выбора объема памяти от 32 до 128 кбайт в корпусах 28…64 вывода. Эта серия была выпущена первой, все ее представители уже доступны для заказа. В таблице 1 указан состав серии и параметры микроконтроллеров.
Таблица 1. Состав и характеристики серии AVR-DA
| Наименование | Частота ядра, МГц | Flash, кбайт | SRAM, кбайт | EEPROM, байт |
Вы- воды |
12 бит АЦП | 10 бит ЦАП |
Компара- торы |
PTC | ZCD | USART/SPI/I2C | Таймеры | Корпуса |
| AVR128DA28 | 24 | 128 | 16 | 512 | 28 | 1 | 1 | 3 | 1 | 1 | 3/2/1 | 5 | SPDIP, SOIC, SSOP |
| AVR128DA32 | 24 | 128 | 16 | 512 | 32 | 1 | 1 | 3 | 1 | 1 | 3/2/2 | 5 | TQFP, VQFN |
| AVR128DA48 | 24 | 128 | 16 | 512 | 48 | 1 | 1 | 3 | 1 | 2 | 5/2/2 | 7 | TQFP, VQFN |
| AVR128DA64 | 24 | 128 | 16 | 512 | 64 | 1 | 1 | 3 | 1 | 3 | 6/2/2 | 8 | TQFP, VQFN |
| AVR64DA28 | 24 | 64 | 8 | 512 | 28 | 1 | 1 | 3 | 1 | 1 | 3/2/1 | 5 | SPDIP, SOIC, SSOP |
| AVR64DA32 | 24 | 64 | 8 | 512 | 32 | 1 | 1 | 3 | 1 | 1 | 3/2/2 | 5 | TQFP, VQFN |
| AVR64DA48 | 24 | 64 | 8 | 512 | 48 | 1 | 1 | 3 | 1 | 2 | 5/2/2 | 7 | TQFP, VQFN |
| AVR64DA64 | 24 | 64 | 8 | 512 | 64 | 1 | 1 | 3 | 1 | 3 | 6/2/2 | 8 | TQFP, VQFN |
| AVR32DA28 | 24 | 32 | 4 | 512 | 28 | 1 | 1 | 3 | 1 | 1 | 3/2/1 | 5 | SPDIP, SOIC, SSOP |
| AVR32DA32 | 24 | 32 | 4 | 512 | 32 | 1 | 1 | 3 | 1 | 1 | 3/2/2 | 5 | TQFP, VQFN |
| AVR32DA48 | 24 | 32 | 512 | 4 | 48 | 1 | 1 | 3 | 1 | 2 | 5/2/2 | 6 | TQFP, VQFN |
Изменения коснулись ядра и его системы питания: ядро может функционировать на увеличенной максимальной частоте 24 МГц во всем диапазоне питающего напряжения 1,8…5,5 В.
Впервые в устройствах AVR появился модуль Zero Cross Detector – детектор пересечения переменным током нулевого уровня. Раньше это была периферия, свойственная только PIC-контроллерам.
АЦП было обновлено: новая версия обеспечивает оцифровку аналогового напряжения с частотой до 130 Гц и разрешением 12-бит с возможностью включения дифференциального режима работы. Аккумулятор был увеличен до 128 семплов. Как и в предыдущей версии, поддерживаются следующие режимы работы:
- единичное преобразование;
- режим непрерывного преобразования;
- режим накопления;
- режим сравнения с порогом;
- режим запуска по событию;
- режим измерения температуры (от встроенного датчика температуры).
В устройствах новой линейки появился модуль ЦАП. Напомним, что контроллеры Mega такового не имели. Преобразователь работает на скорости 140 ksps и имеет разрешение 10 бит.
По сравнению с линейкой ATmega, было увеличено количество следующих модулей периферии:
- количество модулей USART увеличено до шести;
- количество аналоговых компараторов увеличено до трех.
Обратим внимание на наличие специфической периферии – Peripheral Touch Controller, сенсорного контроллера, позволяющего реализовать емкостные сенсорные элементы управления – кнопки, слайдеры, спиннеры и 2D-поверхности. Благодаря библиотеке QTouch Library настройка этого модуля сводится к нескольким кликам мыши.
Структурная схема устройств серии AVR-DA изображена на рисунке 1.
Линейка отладочных плат Curiosity Nano – это самые простые отладочные платы производства Microchip. Платы линейки Curiosity Nano содержат стандартный набор компонентов:
- одну пользовательскую кнопку;
- один пользовательский светодиод;
- встроенный программатор/дебаггер с USB-портом.
Платы Curiosity Nano могут подключаться в качестве процессорного модуля в базовую плату Curiosity Nano Base, которая содержит три порта расширения microBUS, используемые для подключения модулей расширения Click Boards производства MikroElektronika, и один порт расширения Xplained Pro для подключения одноименных модулей расширения Microchip. Базовая плата изображена на рисунке 3.
Серия AVR-DB
Серия AVR-DB состоит из 11 устройств с объемом памяти 32…128 кбайт в корпусах, имеющих 28…64 вывода. На момент написания статьи эта серия выпущена частично. Для заказа доступны устройства с 128 кбайт Flash-памяти. Состав серии и основные характеристики указаны в таблице 2.
Таблица 2. Состав и характеристики серии AVR-DB
| Наименование | Частота ядра, МГц | Flash, кбайт | SRAM, кбайт | EEPROM, байт |
Вы- воды |
12 бит АЦП | 10 бит ЦАП | Компа-раторы | Опер. усил-ли |
Вы- воды MVIO |
ZCD | USART/SPI/I2C | Таймеры | Корпуса |
| AVR128DB28 | 24 | 128 | 16 | 512 | 28 | 1 | 1 | 3 | 2 | 8 | 1 | 3/2/1 | 5 | SPDIP, SOIC, SSOP |
| AVR128DB32 | 24 | 128 | 16 | 512 | 32 | 1 | 1 | 3 | 2 | 8 | 1 | 3/2/2 | 5 | TQFP, VQFN |
| AVR128DB48 | 24 | 128 | 16 | 512 | 48 | 1 | 1 | 3 | 3 | 8 | 2 | 5/2/2 | 7 | TQFP, VQFN |
| AVR128DB64 | 24 | 128 | 16 | 512 | 64 | 1 | 1 | 3 | 3 | 8 | 3 | 6/2/2 | 8 | TQFP, VQFN |
| AVR64DB28 | 24 | 64 | 8 | 512 | 28 | 1 | 1 | 3 | 2 | 8 | 1 | 3/2/1 | 5 | SPDIP, SOIC, SSOP |
| AVR64DB32 | 24 | 64 | 8 | 512 | 32 | 1 | 1 | 3 | 2 | 8 | 1 | 3/2/2 | 5 | TQFP, VQFN |
| AVR64DB48 | 24 | 64 | 8 | 512 | 48 | 1 | 1 | 3 | 3 | 8 | 2 | 5/2/2 | 7 | TQFP, VQFN |
| AVR64DB64 | 24 | 64 | 8 | 512 | 64 | 1 | 1 | 3 | 3 | 8 | 3 | 6/2/2 | 8 | TQFP, VQFN |
| AVR32DB28 | 24 | 32 | 4 | 512 | 28 | 1 | 1 | 3 | 2 | 8 | 1 | 3/2/1 | 5 | SPDIP, SOIC, SSOP |
| AVR32DB32 | 24 | 32 | 4 | 512 | 32 | 1 | 1 | 3 | 2 | 8 | 1 | 3/2/2 | 5 | TQFP, VQFN |
| AVR32DB48 | 24 | 32 | 4 | 512 | 48 | 1 (18) | 1 (1) | 3 | 3 | 8 | 2 | 5/2/2 | 5 | TQFP, VQFN |
Серия DB очень похожа на уже рассмотренную серию: те же объемы памяти и корпуса, частота ядра и напряжение питания, схожий набор периферии. Однако есть и различия.
В наборе периферии произошла замена – Peripheral Touch Controller серии DA заменили на операционные усилители. Каждый операционный усилитель имеет в петле обратной связи резистивный делитель с настраиваемым соотношением сопротивлений, позволяющий настроить коэффициент усиления без использования внешних элементов. Для повышения коэффициента усиления операционные усилители могут соединяться каскадом.
Следующее отличие от серии DA – поддержка инновационной технологии MVIO, суть которой заключается в том, что Port C получил независимое питание VDDIO2, что позволяет последовательным интерфейсам, выведенным на этот порт, коммуницировать со внешними устройствами, запитанными от напряжения, отличного от питания микроконтроллера. Структурная схема питания изображена на рисунке 4.
Модификации подвергся Clock Controller, поддерживающий не только внешний часовой кварц, но и высокочастотные кварцевые резонаторы с частотой до 32 МГц. Обобщенная структурная схема контроллера тактовой частоты изображена на рисунке 5.
Для серии ABR-DB доступна отладочная плата AVR128DB48 Curiosity Nano Evaluation kit. На плату добавили кварц 16 МГц и нераспаянный разъем для подключения отдельного питания для Port C. Общий вид платы изображен на рисунке 6.
Серия AVR-DD
Данная серия включает в себя 12 устройств с объемами памяти 16…64 кбайт в корпусах с 14….32 выводами. Выпуск серии запланирован на второй квартал 2021 года. Характеристики устройств, входящих в серию, указаны в таблице 3.
Таблица 3. Состав и характеристики серии AVR-DD
| Наименование | Частота ядра, МГц | Flash, кбайт | SRAM, кбайт | EEPROM, байт |
Вы- воды |
12 бит АЦП | 10 бит ЦАП |
Компара- торы |
Выводы MVIO | ZCD | USART/SPI/I2C | Таймеры | Корпуса |
| AVR64DD14 | 24 | 64 | 8 | 256 | 14 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 4 | SOIC |
| AVR64DD20 | 24 | 64 | 8 | 256 | 20 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 4 | SOIC, VQFN |
| AVR64DD28 | 24 | 64 | 8 | 256 | 28 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 5 | SPDIP, SOIC, SSOP |
| AVR64DD32 | 24 | 64 | 8 | 256 | 32 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 5 | TQFP, VQFN |
| AVR32DD14 | 24 | 32 | 4 | 256 | 14 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 4 | SOIC |
| AVR32DD20 | 24 | 32 | 4 | 256 | 20 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 4 | SOIC, VQFN |
| AVR32DD28 | 24 | 32 | 4 | 256 | 28 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 5 | SPDIP, SOIC, SSOP |
| AVR32DD32 | 24 | 32 | 4 | 256 | 32 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 5 | TQFP, VQFN |
| AVR16DD14 | 24 | 16 | 2 | 256 | 14 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 4 | SOIC |
| AVR16DD20 | 24 | 16 | 2 | 256 | 20 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 4 | SOIC, VQFN |
| AVR16DD28 | 24 | 16 | 2 | 256 | 28 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 5 | SPDIP, SOIC, SSOP |
| AVR16DD32 | 24 | 16 | 2 | 256 | 32 | 1 | 1 | 1 | 8 | 1 | 2/1/1 | 5 | TQFP, VQFN |
Серия AVR-DD занимает нишу более компактных устройств с уменьшенным объемом памяти. В ней набор периферии больше не содержит таких специфических модулей, как Peripheral Touch Controller или операционные усилители. В остальном качественный состав периферии не изменился, но количество модулей было уменьшено:
- один модуль Zero Cross Detector;
- один компаратор;
- шесть каналов системы событий;
- два модуля USART, один SPI и один I2C.
Серию DD c серией DB объединяет поддержка технологии MVIO на Port C и поддержка внешнего кварца высокой частоты.
Сравнение серий DA, DB и DD
Рассмотренные серии поддерживают максимальную частоту ядра 24 МГц во всем диапазоне питающего напряжения 1,8…5,5 В. Таблица 4 позволяет наглядно сравнить характеристики рассмотренных серий.
Таблица 4. Сравнение серий DA, DB и DD
| Наименование | AVR-DA | AVR-DB | AVR-DD |
| Максимальная частота ядра, МГц | 24 | 24 | 24 |
| Flash-память, кбайт | 32… 128 | 32… 128 | 16…64 |
| Память SRAM, кбайт | 4…16 | 4…16 | 2…8 |
| Память EEPROM, байт | 512 | 512 | 256 |
| Выводы | 28…64 | 28…64 | 14…32 |
| Выводы I/O | 22…54 | 22…54 | 11…27 |
| 12 бит АЦП (каналы) | 1 (10…22) | 1 (9…22) | 1 (7…23) |
| 10 бит ЦАП (выходы) | 1 (1) | 1 (1) | 1 (1) |
| Компараторы | 3 | 3 | 1 |
| Сенсорный контроллер (PTC) | 1 | – | – |
| Операционные усилители | – | 2…3 | – |
| Выводы MVIO | – | – | 8 |
| Детектор перенесения нуля (ZCD) | 1…3 | 1…3 | 1 |
| Система событий, каналы | 8…10 | 8…10 | 6 |
| Оконный сторожевой таймер (WWDT) | 1 | 1 | 1 |
| Конфигурируемая логика (CCL), LUT | 1(4-6) | 1(4-6) | 1(4) |
| USART/SPI/I2C | (3/5/6)/2/(1/2) | (3/5/6)/2/(1/2) | 2/1/1 |
| Таймер 16 бит | 4/6/7 | 4/6/7 | 3/4 |
| Таймер 12 бит | 1 | 1 | 1 |
| Диапазон рабочих температур, °C | I = 85, E = 125 | I = 85, E = 125 | I = 85, E = 125 |
AVR-DA и DB занимают нишу производительных 8-битных контролеров с обширным набором периферии. Основное различие в том, что серия DA имеет Peripheral Touch Controller, а серия DB — операционные усилители.
Серия DD занимает нишу более компактных, но менее производительных устройств с урезанным набором периферии. Серии DB и DD схожи в том, что имеют поддержку технологии MVIO и внешнего кварца высокой частоты.
В новых сериях применены и другие проверенные технологии Microchip, повышающие надежность, гибкость системы и уменьшающие энергопотребление:
- Core Independent Peripherals – независимая от ядра периферия, способная продолжить работу даже при переходе контроллера в энергосберегающий режим и отключении ядра;
- Cyclic Redundancy Check Memory Scan – модуль, позволяющий выявить повреждение кода программы, хранящейся во Flash-памяти;
- Configurable Custom Logic – модуль настраиваемой пользовательской логики, дающий возможность реализовать несложные цифровые устройства, функционирующие без привлечения процессора;
- Event System – система событий, позволяющая модулям периферии взаимодействовать друг с другом без участия процессора, в том числе и в спящем режиме.
Средства разработки
Поддержка новых серий включена в интегрированные среды разработки от Microchip:
- Atmel Studio (сейчас — Microchip Studio) – родная среда разработки для микроконтроллеров AVR. Поддержка новых устройств доступна после установки пакета поддержки устройств (Device Family Pack) AVR-Dx_DFP.
- MPLAB X IDE – изначально среда разработки для микроконтроллеров PIC. В данный момент поддерживаются как PIC-микроконтроллеры, так и AVR, включая последние серии. Плагин MPLAB Code Configurator позволяет графическое конфигурирование устройства и генерацию оптимизированного кода.
- Atmel START – облачная онлайн-среда разработки, которая, как и MPLAB Code Configurator, имеет удобные графические средства для настройки модулей периферии и системы в целом. Отметим, что данная среда не поддерживает PIC-микроконтроллеры.
Применения
Рассмотренные серии относятся к контроллерам широкого спектра применений и могут использоваться в различных отраслях, требующих автоматического управления в реальном времени: в бытовой электронике, медицине, промышленной электронике и устройствах интернета вещей в качестве основного вычислителя или вспомогательного устройства.
Новые серии отмечены знаком Functional Safety Ready, что означает, что они могут применяться в приложениях, критичных к отказам: автомобильной и промышленной электронике. По запросу заказчика предоставляется отчет со статистикой отказа контроллера и руководство по обеспечению требований стандартов безопасности.
Обширная экосистема, включающая в себя средства разработки, отладочные платы, техническую документацию и примеры проектов позволяет сократить время, требуемое на проектирование и вывод на рынок нового устройства.
Источник: www.compel.ru