Negli ultimi anni, le piattaforme integrate dotate di microcontrollori (con Arduino probabilmente il marchio più noto) stanno guadagnando popolarità. Grazie alla loro ampia disponibilità e al vasto supporto da parte dei produttori e delle comunità di utenti, sono facili da padroneggiare e strumenti di sviluppo versatili. Tuttavia, in ambienti professionali, lo svantaggio di tali prodotti è il numero limitato di sistemi supportati. Pertanto, durante il lavoro di laboratorio, nella fase di progettazione, la soluzione più affidabile rimane le piattaforme di sviluppo preparate dai produttori dei sistemi stessi. Va sottolineato qui che non hanno trascurato i vantaggi delle soluzioni popolari del segmento consumer: la loro facilità di adattamento e accessibilità. Oggi, il mercato offre schede di avvio facili da usare preparate dai principali produttori di microcontrollori – principalmente Microchip, il cui portafoglio include le famiglie PIC e AVR.
I kit di avvio Microchip Curiosity e Curiosity Nano sono due famiglie di schede per iniziare rapidamente con i microcontrollori (PIC/AVR ecc.), ma sono progettate per esigenze leggermente diverse e hanno una diversa "filosofia" di utilizzo.
Prodotti Curiosity e Curiosity Nano
Piattaforma CURIOSITY
Microchip Curiosity è una piattaforma di sviluppo microcontrollori (MCU) economica e completamente integrata progettata per principianti, costruttori e chiunque cerchi una scheda ricca di funzionalità per il prototipaggio rapido. Forniscono una piattaforma ideale per imparare a gestire microcontrollori a 8-, 16- e 32-bit. Rispetto alla linea Nano, queste sono generalmente schede più grandi con funzionalità complesse, che offrono agli utenti possibilità più ampie in termini di valutazione e prototipazione. Integrano molti componenti aggiuntivi (LED, pulsanti, a volte potenziometri, sensori/circuiti periferici, vari connettori di espansione, a seconda della scheda specifica). Sono progettate per facilitare test rapidi dei periferici MCU senza l'uso di moduli di espansione aggiuntivi. Si integrano con l'ecosistema MPLAB X e di solito hanno un programmatore/debugger integrato, quindi non è necessario uno strumento esterno per questo scopo.
TME offre decine di schede di avvio all'interno di questa piattaforma.
Prototipazione rapida con la scheda Curiosity Nano PIC/AVR
Prodotti della serie CURIOSITY Nano
Microchip Curiosity Nano (o MC Nano) è una piattaforma di avvio principalmente dedicata ai microcontrollori PIC e AVR a 8 bit. Possono anche essere utilizzati per sviluppare applicazioni dotate di alcuni prodotti PIC32 e SAM a 32 bit con architettura ARM Cortex.
TME offre schede di avvio e basi disponibili. Indipendentemente dal chip utilizzato, la piattaforma Curiosity Nano è preparata per accelerare significativamente la progettazione di nuove applicazioni e, di conseguenza, abbreviare il tempo tra il prototipaggio e la produzione di massa. Un esempio dell'utilizzo delle soluzioni MC Nano nello sviluppo dinamico di un progetto è presentato nel materiale video qui sotto.
Caratteristiche principali della piattaforma MC Nano
Le schede di avvio all'interno della piattaforma hanno dimensioni variabili (lunghezze), a seconda delle dimensioni del microcontrollore utilizzato. Le schede più piccole sono dedicate ai chip a 20 pin (inclusi 16 pin GPIO), mentre le più grandi contengono MCU in un package con 48 pin, che si traduce in 40 pin di input/output. Indipendentemente dalla lunghezza, i prodotti all'interno della piattaforma condividono caratteristiche fisiche chiave (inclusa la larghezza della scheda, il passo dei pin, la presenza di una presa MicroUSB per alimentazione, comunicazione e programmazione) e caratteristiche tecniche, consentendo una migrazione senza problemi tra diversi modelli. Inoltre, il produttore annuncia che la piattaforma sarà sviluppata insieme all'offerta di microcontrollori. Si può prevedere che i nuovi chip Microchip appariranno sulle schede della famiglia Curiosity Nano, fornendo ai progettisti il comfort di lavorare con le soluzioni più moderne in un ambiente collaudato e familiare.
Contenuto della confezione
Due intestazioni a pin sono incluse con MC Nano. A prima vista, si può notare una soluzione di design interessante applicata da Microchip. I campi GPIO, disposti sul PCB in un passo di 2,54 mm, contengono sia connettori periferici sia fori. In entrambi i casi, si tratta di fori passanti, adattati per il montaggio di intestazioni a pin. Grazie a un leggero spostamento trasversale dei fori rispetto agli altri, è garantita una vestibilità stretta delle intestazioni a pin e parametri di connessione ottimali, e la necessità della loro saldatura è praticamente eliminata (anche se è consigliata). Dopo la loro installazione, il PCB può essere montata su una breadboard più grande, una scheda base dedicata o un adattatore (i prodotti compatibili sono descritti più avanti nell'articolo).
Circuiti sul PCB
La piattaforma Microchip Curiosity Nano ha una serie di caratteristiche generali condivise da tutti i modelli della serie. Nella parte centrale della scheda, si trova un microcontrollore (C), i cui pin sono collegati ai campi sui bordi del PCB (F), e un quarzo (D). Per scopi di prototipazione semplici, un pulsante (A) e un LED (B) sono installati sulla scheda. A differenza della piattaforma Arduino, l'interruttore non funge da funzione di reset; è collegato a un pin di input/output del microcontrollore (l'indirizzo del conduttore dedicato è marcato sul PCB, variando tra i modelli di serie). Una presa Micro USB (G) è utilizzata per la comunicazione e l'alimentazione del dispositivo.
La trasmissione dati tra MC Nano e un computer (sistema, software IDE, terminale di comunicazione, ecc.) avviene tramite una porta COM virtuale. La maggior parte delle schede discusse, una volta collegate a un PC, verranno riconosciute dal sistema operativo come un disco esterno etichettato "CURIOSITY". Basta copiare il file .hex su questo dispositivo – e la programmazione del microcontrollore avverrà automaticamente. Tale funzionalità è possibile perché le schede MC Nano hanno un circuito nEDBG integrato, ovvero un debugger/programmatore (E). La sua presenza consente di utilizzare i prodotti discussi senza dispositivi aggiuntivi. Inoltre, grazie a esso, il microcontrollore non è gravato dalla gestione del bootloader, il che accelera l'esecuzione del programma target e libera memoria.
Inoltre, un regolatore di tensione programmabile è utilizzato nei circuiti MC Nano. Permette di definire la gamma di tensione di funzionamento e di alimentazione del microcontrollore da 1,8 V a 5 V DC.
Standardizzazione degli Output
Uno dei vantaggi della piattaforma Microchip è la standardizzazione degli output. Indipendentemente dal modello di scheda selezionato e dal microcontrollore installato su di essa, i campi posizionati sui bordi del PCB sono collegati ai pin del programmatore, del debugger e del sistema centrale con la stessa funzionalità. Pertanto: l'ordine dei connettori sulla scheda non corrisponde alla numerazione dei pin del microcontrollore – ma è consistente per l'intera serie MC Nano. Questo standard si applica ai primi 28 pin (contando dal lato del connettore USB).
Gli output sono divisi in diverse sezioni. La prima di queste è stata definita DEBUG (un gruppo di connessioni di sistema). Questi pin sono utilizzati per la comunicazione con il circuito nEDBG. Qui si trovano anche gli ingressi di alimentazione (VBUS, VTG regolabile), terra GND e il pin VOFF che controlla il funzionamento del regolatore di tensione integrato. È anche possibile disabilitarlo se necessario. L'utente ha anche accesso a linee di comunicazione seriale (Virtual COM Port): CDC RX/TX. I successivi 4 pin DBG1-DBG4 appartengono all'interfaccia del debugger. Quale interfaccia è supportata da un dato modello di scheda dipende dal tipo di microcontrollore. Per i chip PIC, sarà l'interfaccia ICSP e MCLR, per AVR l'interfaccia UPDI, mentre per ARM - l'interfaccia SWD.
La parte successiva degli output è la sezione di comunicazione (COM) e analogica (ANALOG). Anche queste costituiscono una caratteristica comune della serie MC Nano. La sezione COM raggruppa gli output utilizzati per la comunicazione tramite: UART, I2C e SPI. Sul bordo opposto del PCB sono posizionati ingressi analogici, ovvero output dei convertitori analogico-digitali integrati nel microcontrollore. Spesso, possono anche fungere da uscite per contatori (timer) e generatori di segnali PWM. Naturalmente, questi output non possono essere mappati programmaticamente su qualsiasi pin del microcontrollore (come nel caso degli input/output digitali). Standardizzare la loro posizione sulla scheda si traduce in facilità d'uso e migrazione tra diversi modelli di schede di avvio. Se il microcontrollore installato sulla scheda ha più ingressi ADC o uscite PWM, sono disponibili nella sezione successiva: GPIO. Qui, la mappatura è più arbitraria, poiché il numero e le capacità delle porte di input/output dipendono strettamente dalla funzionalità del sistema centrale. Informazioni dettagliate su quale pin fisico è stato assegnato a un determinato connettore possono essere trovate nella documentazione. È disponibile dopo aver collegato la scheda NC Nano alla porta USB di un computer. Il dispositivo di archiviazione di massa (che sarà rilevato dal sistema e presentato come un disco etichettato "CURIOSITY") contiene il file KIT-INFO.HTM – che include informazioni dettagliate sulla funzionalità di ogni output presente su un determinato modello di scheda.
Funzionalità del debugger integrato
Il debugger integrato nella scheda Microchip Curiosity Nano (denominato PKOB nano, nEDBG o nano debugger) offre funzionalità di base, quali: controllo del flusso di esecuzione del programma (flow control – avvio, arresto, esecuzione passo-passo, reset); lettura e scrittura del contenuto della memoria non volatile del microcontrollore; gestione dei punti di interruzione (breakpoint) in numero dipendente dal tipo di dispositivo.
Il firmware del debugger integrato può essere aggiornato tramite l’ambiente di sviluppo MPLAB X IDE. Il PKOB nano è leggermente più lento rispetto a soluzioni analoghe come il programmatore PICkit 5. Presenta inoltre alcune limitazioni, ad esempio l’impossibilità di scrivere in determinate aree della memoria flash del microcontrollore. D’altra parte, ciò protegge da eventuali sovrascritture accidentali delle aree di memoria responsabili del processo di debug o da modifiche indesiderate dei fuse bit nel caso dei microcontrollori AVR. Tra i vantaggi vi è anche il fatto che, grazie alla presenza del PKOB nano, la scheda viene automaticamente riconosciuta negli ambienti di sviluppo MPLAB X IDE. Dopo il collegamento della scheda, l’utente ottiene immediatamente accesso a programmi di esempio, documentazione, schema elettrico, schema dei pin, datasheet del microcontrollore, ecc.
Alla fine del presente articolo sono disponibili materiali video che illustrano esempi e nozioni di base sulla programmazione delle schede Curiosity Nano.
Schede base e moduli compatibili
Nell’offerta TME sono disponibili anche numerosi accessori e prodotti complementari che facilitano i primi passi con la piattaforma MC Nano, oltre a migliorare le attività di prototipazione. La standardizzazione dei pin della serie di prodotti Microchip sopra descritta consente l’utilizzo di adattatori, schede di espansione e moduli digitali: sensori, driver, interfacce, ecc.
Schede di sviluppo e adattatori
Tramite connettori a pin, ogni modello MC Nano può essere inserito in una scheda base. Nell’offerta TME sono disponibili due modelli di tali prodotti: AC164162 è dotata di connettori compatibili, tra l’altro, con moduli delle aziende Mikroelektronika e Microchip. La seconda soluzione è il kit di valutazione AC80T88A, al quale è possibile collegare moduli della famiglia Xplained Pro. In entrambi i casi l’utente dispone di un interruttore di alimentazione dedicato e uscite indipendenti per tutte le porte – ottenendo inoltre una base comoda e stabile che migliora il comfort di lavoro. Un indubbio vantaggio del modello AC164162 è il controller di ricarica batterie integrato. Ciò facilita la prototipazione di dispositivi mobili – applicazioni alle quali sono destinati molti microcontrollori Microchip.
Moduli della serie Click
Grazie alla standardizzazione dei pin di comunicazione nell’ambito della serie MC Nano, questi prodotti possono essere rapidamente collegati a numerosi moduli di espansione – in particolare alla serie Click del produttore Mikroelektronika. Si tratta attualmente della più ampia famiglia di espansioni universali per microcontrollori. Per la trasmissione dei dati utilizza lo standard MikroBUS (che combina diversi metodi di comunicazione). Attualmente nell’offerta TME sono disponibili oltre 1000 articoli della famiglia Click Board. Si tratta di numerosi moduli di comunicazione (RF, WiFi, Bluetooth, ZigBee, GSM), sensori, strumenti di misura (amperometri, voltmetri), utili accessori come lettori di schede di memoria e RFID, ricevitori GPS, nonché elementi di interfaccia (pulsanti, tastiere, indicatori luminosi) e numerosi circuiti meno comuni, ad esempio misti (sintonizzatori FM e AM), amplificatori audio.
Confronto dei prodotti MC Nano
Uno dei maggiori vantaggi della serie MC Nano è l’ampia scelta di microcontrollori installati su questa piattaforma. Nella tabella sottostante sono visibili i dispositivi attualmente disponibili direttamente dal catalogo TME; tuttavia, questa offerta è destinata ad ampliarsi.
| Simbolo della scheda | Famiglia | Microcontrollore |
|---|---|---|
| DM320115 | ATMEGA | ATMEGA4809 |
| DM080103 | ATTINY | ATTINY1607 |
| DM080104 | ATTINY | ATTINY1627 |
| EV35L43A | AVR128DB | AVR128DB48 |
| DM164144 | PIC16 | PIC16F18446 |
| DM164148 | PIC16 | PIC16F15376 |
| EV09Z19A | PIC16 | PIC16F15244 |
| DM182028 | PIC18 | PIC18F47K42 |
| DM182029 | PIC18 | PIC18F47Q10 |
| DM182030 | PIC18 | PIC18F57Q84 |
| EV26Q64A | PIC18 | PIC18F16Q41 |
| EV70C97A | PIC18 | PIC18F16Q40 |
| EV10N93A | PIC32CM (Cortex M0+) | PIC32CM1216MC00032 |
| DM320119 | SAMD (Cortex M0) | SAMD21G17D |
| EV76S68A | SAME (Cortex M4) | ATSAME51J20A |
| EV10P22A | PIC32CM (Cortex M0+) | PIC32CM6408PL10048 |
Già osservando l’attuale assortimento si può notare quanto ampio sia lo spettro coperto dalle schede prototipali della famiglia Microchip Curiosity Nano. Nel caso di applicazioni mobili semplici, in cui il fattore chiave è il risparmio energetico, la scelta migliore saranno le schede dotate di microcontrollori ATTINY (un ottimo esempio di tale prodotto è il kit DM080104): progettate per applicazioni a basso consumo, eccellenti come controller, ad esempio nell’elettronica per elettrodomestici o nel settore automobilistico. Modalità di alimentazione a bassissimo consumo (eXtreme Low-Power) sono disponibili anche nei microcontrollori PIC16, dotati di periferiche di tipo CIP, ossia Core Independent Peripherals. Si tratta di circuiti integrati che possono funzionare indipendentemente dal core e persino riattivare il microcontrollore dallo stato di sleep generando un’interruzione condizionata da un parametro programmabile (ad esempio il superamento di una determinata tensione all’ingresso del convertitore A/D).
Nel caso di applicazioni più complesse, che richiedono calcoli e risposte in tempo reale, nonché l’interazione con numerosi sensori, vale la pena considerare i prodotti della famiglia PIC18, come ad esempio il kit EV26Q64A. I microcontrollori di questo gruppo sono dotati di numerose interfacce, convertitori A/D, nonché D/A (cioè DAC), amplificatore operazionale integrato, generatori di segnali PWM con risoluzione a 16 bit, oltre a memorie predisposte per un’acquisizione dati rapida e affidabile.
Esempi di applicazioni e programmazione
Per gli utenti che muovono i primi passi nell’ambiente MPLAB X IDE, il produttore ha preparato numerosi materiali di supporto. Sono disponibili sia sul sito Microchip sia sulla piattaforma YouTube. Con il loro aiuto, la creazione del primo progetto e l’utilizzo dell’IDE non presenteranno difficoltà.
Il seguente materiale illustra come importare e modificare un’applicazione di esempio che dimostra le funzionalità di una delle schede MC Nano:
Un modo pratico per conoscere ulteriori caratteristiche della piattaforma Microchip Curiosity Nano è partecipare ai corsi nell’ambito del programma Microchip University.
