IT201800011063A1

IT201800011063A1 - Microcontroller

Info

Publication number: IT201800011063A1
Application number: IT102018000011063A
Authority: IT
Inventors: Flavio Faustini
Original assignee: Hero Mechatronics S R L
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-13

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un microcontrollore destinato a eseguire il programma principale di macchine e dispositivi dotati di alta tecnologia, e di gestire la maggior parte delle periferiche di uso comune. Ad esempio, le macchine e i dispositivi che il microcontrollore intende controllare comprendono: veicoli autonomi per tutti i terreni, le atmosfere, sopra e sotto l'acqua o altri liquidi; gestione delle istruzioni di robot antropomorfi; macchine immobili destinate alla produzione industriale; progetti di domotica con capacità di controllo a distanza (internet delle cose) e elettronica domestica intelligente; apparecchi remoti scientifici per la raccolta di dati sul campo e l'interazione rapida con l'ambiente circostante attraverso più tipi di reti e per progetti off-grid di lunga durata; controllo di macchine per produzione additiva e sottrattiva, come la stampa e la fresatura 3D, per hobbisti, industria e medici; monitoraggio dell'attività di piccola e media impresa, remoto, tramite dispositivi intelligenti su più tipi di reti e interfacce umane; scopi automobilistici come auto intelligenti e veicoli elettrici; monitoraggio su larga scala di progetti agricoli con più nodi e matrici di unità di campo; controllo di modelli RC da hobbistica, gestione dei sensori di navigazione e istruzioni per i motori per navigazione assistita altamente reattiva; progetti di replica di tecnologia vintage e progetti artistici con parti e assemblaggi fatti in casa, come giochi a 8 bit, lampade artistiche, elettrodomestici vintage; domotica, sicurezza e protezione; elaborazione multi-core per applicazioni di reti neurali, intelligenze artificiali per rilevamento, controllo qualità, ricerca scientifica e apprendimento macchina.

I microcontrollori sono il cuore di tutte le macchine che hanno un software che gestiscono per controllarle. I microcontrollori sono disponibili in un'ampia varietà di potenza di elaborazione, capacità di comunicazione, compatibilità con i sensori e molte altre specifiche. La maggior parte delle macchine sono gestite da un microcontrollore. Il microcontrollore ha il set di istruzioni e risposte di cui una macchina avrà bisogno quando agisce e interagisce. I microcontrollori sono solitamente dotati di funzionalità di base, per risparmiare spazio e denaro sul circuito di cui fanno parte. La logica delle macchine e le interazioni del mondo reale possono essere suddivise in input e output.

Gli input sono dati da sensori che raccolgono informazioni e condizioni del mondo reale e / o moduli di comunicazione che inviano ordini da fonti come utenti o altre macchine. Sulla base degli input, il microcontrollore eseguirà il programma che è stato specificamente scritto per quella macchina, e quindi deriverà quale output appropriato, ovvero il comportamento, dovrebbe essere attivato e come. I microcontrollori sono la soluzione per rendere una macchina in grado di prendere decisioni intelligenti, seguire le routine, rispondere a input di qualsiasi natura con output di qualsiasi natura. Un esempio di input potrebbe essere la quantità di luce solare rilevata da un sensore di luce. Sulla base di questo input, la logica del microcontrollore deciderà se è il momento di accendere le luci del giardino, che è l'uscita, e quindi la decisione intelligente.

Prima di costruire una macchina e l'elettronica che la controlla, oggi giorno è necessario acquistare i microcontrollori nella loro versione di prototipazione come prima fase e simulare il circuito finale collaudandolo preliminarmente. I microcontrollori di prototipazione non sono pensati per avere plugin diretti per sensori specifici né attuatori o moduli di comunicazione; pertanto, progettisti e programmatori sono costretti ad essere dotati di interfacce, abbondanza di cavi, spine e adattatori di spine, ecc. Il percorso verso un prototipo funzionante di una macchina controllata da un microcontrollore è fatto di adattamenti continui e regolazioni di compatibilità per unire e coordinare tutta la tecnologia necessaria per detta macchina. Anche i compromessi sono spesso parte del processo di sviluppo per raggiungere i risultati desiderati. Quando si utilizza un microcontrollore out of the box, i programmatori e gli inventori utilizzeranno cablaggi e interfacce temporanee per comunicare con le periferiche, i moduli, i sensori e gli attuatori necessari solo per la dimostrazione del concetto di progetto e dei test. Dopo aver raggiunto la fine della fase di prototipazione, il progettista o programmatore è costretto a progettare un nuovo PCB per mettere insieme i componenti che ha dimostrato funzionare bene insieme nella fase di prototipazione. Il lavoro di prototipazione diventerà poi quindi obsoleto.

La varietà di macchine gestite da microcontrollori e i diversi campi che il designer ricopre durante la creazione, rendono difficile per qualsiasi specifico microcontrollore essere il compagno designato per tutti i progetti e quindi non atto a entrare in fase di produzione. La prototipazione dei microcontrollori manca di compatibilità. Il compito di sviluppare un microcontrollore nuovo, specifico, dotato di una tecnologia specifica, basata su altri microcontrollori disponibili per la prototipazione e il collaudo, richiede molto tempo e serve solo a scopo di prova. Il compito di mettere insieme un microcontrollore con sensori, moduli di comunicazione e attuatori è chiamato interfacciamento. Il lavoro di interfacciamento influenzerà negativamente tutti gli aspetti di un progetto di sviluppo, come la velocità di sviluppo, il costo dello sviluppo, la dimensione e la compattezza del prodotto finale, il numero di parti che compongono il prodotto, il numero di fonti di guasto, il peso del prodotto finale, l'estetica dell'assemblaggio risultante attraverso interfacce. Le complicazioni che derivano dall' interfacciamento di troppe componenti a volte sono il fattore decisivo per la fattibilità di un nuovo prodotto. Progettisti e programmatori si trovano di fronte a diverse specifiche hardware e sintassi di linguaggio di programmazione e lavorano per creare associazioni tra microcontrollori e una vasta gamma di moduli di comunicazione, sensori e attuatori. Dal lato dei consumatori i microcontrollori delle macchine che possiedono tendono a essere completamente diversi l'uno dall'altro, rendendo difficile per loro essere in grado di riconoscere e interagire con qualsiasi cosa che sia "sotto il cofano" di una macchina. La conseguenza di una tale convenzione nel campo dell'elettronica è un gran numero di tecnologie abbandonate dal consumatore, scaricate nel ciclo di trattamento dei rifiuti, quando gran parte di quei dispositivi era perfettamente funzionante. L'alta tecnologia è costruita in modo tale che il minimo difetto di un componente renderà la maggior parte se non l'intera macchina inutile, indipendentemente da quanto piccolo, economico, insignificante e sostituibile sia il componente. Spetterà al consumatore liberarsi della macchina o affrontare l'oscurità dei componenti della macchina fino a quando la soluzione al problema non sarà chiara. La tecnologia attuale nel campo dei microcontrollori sta quindi promuovendo la produzione di rifiuti, richiede tempo ai suoi sviluppatori ed è oscura agli utenti. Una lavatrice, per esempio, è facilmente gettata via anche quando la parte di ricambio costerebbe meno di un dollaro, perché nessuno sa quale parte abbia un difetto.

Scopo della presente invenzione è superare gli inconvenienti sopra menzionati dei microcontrollori della tecnica nota e fornire un microcontrollore universale per tutte le macchine e i dispositivi.

Questo scopo viene raggiunto con un microcontrollore secondo la rivendicazione 1 e con un'unità di controllo secondo la rivendicazione 12, che include il microcontrollore. Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite del microcontrollore e unità di controllo secondo l'invenzione.

Il microcontrollore è destinato ad essere utilizzato in tutte le fasi, dalla prototipazione, al collaudo, all'implementazione su qualsiasi macchina. Pertanto, non è necessario progettare più versioni del microcontrollore, o riprogettarlo per adattarlo alle esigenze del progetto per il quale viene utilizzato. Qualsiasi combinazione di sensori, moduli, requisiti di alimentazione e qualsiasi altro parametro tipico dei microcontrollori sarà soddisfatta dal microcontrollore nella sua versione base. Inoltre, non è necessario utilizzare cavi, interfacce, adattatori di tensione o qualsiasi tipo di allegato esterno che lo farà funzionare temporaneamente in fase di prototipazione. Non esiste una fase di prototipazione poiché tutti i cavi, gli adattatori e le interfacce sono già integrati nel microcontrollore.

Il microcontrollore secondo l'invenzione può ottenere tutte queste funzionalità e vantaggi principalmente grazie al riarrangiamento di porte, a circuiti versatili a bordo per uso diretto, compatibilità con tutti i moduli e plug-in diretto. Tutti i necessari moduli di comunicazione, i sensori e l'installazione di altre apparecchiature saranno realizzati tramite plugin diretto, in una configurazione di stacking, che verrà utilizzato nel prodotto finale, senza la necessità di riprogettare nulla. Tutte le porte e le connessioni pin non sono semplicemente messe in ordine numerico come negli altri controller, ma piuttosto in un ordine che consentirà plug-in e plug-in diretti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue di alcune sue forme di realizzazione preferite, ma non limitative, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

La figura 1 è una vista dall'alto del microcontrollore secondo l'invenzione;

La figura 2 è una vista dal basso del microcontrollore; La figura 3 è una vista schematica dall'alto di un esempio di un modulo esterno accoppiato al microcontrollore in una prima posizione angolare; e La figura 4 è il modulo esterno di figura 3, accoppiato al microcontrollore in una seconda posizione angolare. In una forma di realizzazione generale, il microcontrollore 1 comprende un singolo circuito stampato elettronico 2, sul quale sono montati:

- un microprocessore 10,

- una pluralità di porte analogiche e digitali e porte di comunicazione seriale 12, 14, 16, 18, 20, 24, 34, 42 per il collegamento di moduli di ingresso o di uscita, 100, controllabili dal microcontrollore 1, come moduli attuatori, moduli sensore e moduli di comunicazione;

- le porte di alimentazione 22, 26, 28, 40, 44 per l'alimentazione del microcontrollore;

- circuiti di regolazione della tensione 52, 54, 56;

- una porta di programmazione 32 per la programmazione del microprocessore.

Le porte sono collegate operativamente al microprocessore 10 e sono montate lungo i bordi della scheda elettronica.

Le porte sono configurate e posizionate in modo tale che ogni modulo di ingresso o d'uscita che può essere collegato al microcontroller 1 possa essere impilato sulla scheda elettronica 2 tramite una connessione plug-in diretta, senza l'uso di cavi o altre interfacce di connessione .

In una forma di realizzazione, le porte analogiche e digitali includono:

- almeno un gruppo, 14, di quattro ingressi analogici a 0-5 V e ingressi analogici a 0-24 V, almeno una porta, 18, di ingressi analogici a 4-20 mA e ingressi analogici a 0-5V con filtro passo basso;

- una porta WiFi a otto pin, 16, per la connessione a un modulo WiFi 3.3V;

- due gruppi di porte digitali 24, 42 per uso generico di 16 pin ciascuna;

- due gruppi di porte 4-pin 30, 36 collegate a un DIP switch del microcontrollore;

- una porta di comunicazione UART 32 per programmare il microprocessore;

- una porta 34 pin, 4, per il collegamento a un modulo display LCD / OLED e per la comunicazione con il protocollo I2C.

In una forma di realizzazione, le porte di alimentazione includono:

- quattro porte per la terra 22, 28, 38, 44 con due pin ciascuna;

- due porte 26, 40 per la tensione di alimentazione positiva (VCC), con due pin ciascuno.

In una forma di realizzazione, il microcontrollore è anche dotato di una pluralità di LED di segnalazione, 46.

In una forma di realizzazione, le luci hanno una disposizione simmetrica rispetto ad un asse X della tavola.

Ad esempio, la scheda elettronica ha una forma quadrata.

In una forma di realizzazione, in cui la scheda elettronica 2 ha una forma rettangolare, preferibilmente quadrata, vi sono due porte di comunicazione seriale 12, 20 posizionate su due angoli della scheda, ad esempio due angoli adiacenti.

In una forma di realizzazione, partendo da un angolo della scheda elettronica, le porte sono disposte nell'ordine seguente lungo il bordo della scheda elettronica:

Porta di comunicazione seriale 12; gruppo 14 di ingressi analogici 0-5 V e ingressi analogici 0-24 V; Porta WiFi 16; gruppo 18 di ingressi analogici 4-20 mA e ingressi analogici 0-5 V con filtro passo basso; Porta di comunicazione seriale 20; Porta GND 22; gruppo di porte digitali 24; Porta VCC 26; Porta GND 28; Porta interruttore DIP 30; Porta UART 32 e porta di comunicazione LCD / OLED e I2C 34; Porta interruttore DIP 36; Porta GND 38; Porta VCC 40; gruppo di porte digitali 42; Porta GND 44.

In una forma di realizzazione, sul lato della scheda elettronica opposta a quella delle porte, sono montati: - un convertitore logico 52 per trasformare la comunicazione seriale da 5V a 3,3V per la comunicazione con il wifi e altri moduli 3.3V;

- un regolatore di tensione 54 da 5 a 3,3 V per alimentare i moduli funzionanti a 3,3 V;

- un circuito divisore di tensione 56;

- un circuito 58 per la trasformazione del segnale dalla lettura del segnale di tensione a quella corrente per sensori tipici del settore industriale, con tolleranza di errore molto bassa (0,1%);

- un commutatore DIP 60 per istruire il microcontrollore o identificare lo stesso. Ad esempio, gli otto switch del DIP switch possono fungere da strumento di replica per il comportamento di una porta su ciascuna delle altre sette porte ad esso collegate o come input manuale di una variabile di otto bit (byte) per definirne uno di 255 diverse funzioni, senza la necessità di modificare il software attraverso un PC. Questa funzione è utile per l'impostazione sul campo, ad esempio quando un PC non è disponibile.

Oggetto dell'invenzione è anche un'unità di controllo di almeno un dispositivo periferico, comprendente un microcontrollore 1 come descritto sopra e almeno un modulo di ingresso o uscita 100 che incorpora o è collegato al dispositivo periferico. Il modulo è impilato sul microcontrollore ed è collegato alle porte del microcontrollore tramite un plug-in diretto, senza cavi o altre interfacce di connessione.

In una forma di realizzazione vantaggiosa, ciascun modulo di ingresso o uscita 100 è dotato di due porte di comunicazione seriale 102, 104 posizionate su un angolo del modulo 100, reciprocamente ortogonali e con un pin in comune, in modo che una di queste porte possa essere collegata ad una delle due porte di comunicazione seriale 12, 20 del microcontrollore 1 con due orientamenti angolari del modulo grazie ad un offset di 90 °.

Pertanto, due moduli identici possono essere collegati al microcontroller 1, ruotandone uno di 90 ° rispetto all'altro. Le figure 3 e 4 mostrano un modulo 100 montato su un microcontrollore 1 secondo due posizioni di montaggio, una ruotata di 90 ° rispetto all'altra. I disegni evidenziano la connessione tra le rispettive porte di comunicazione seriale 102, 104 e le corrispondenti porte 12, 20 del microcontroller sottostante, che è mostrato in trasparenza in linee tratteggiate.

In una forma di realizzazione, i moduli sono ulteriormente configurati per essere intercambiabili sia su un lato del microcontrollore che sul lato opposto.

In una forma di realizzazione vantaggiosa, in ciascun modulo le porte di comunicazione seriale vengono inoltrate su entrambi i lati del modulo per il collegamento al microcontrollore di diversi moduli che possono essere impilati insieme al microcontrollore. Un esempio di applicazione del microcontrollore secondo l'invenzione è per il controllo di un drone che ha funzionalità di autopilota. Il pieno controllo del drone viene ottenuto utilizzando il microcontrollore come unità di elaborazione principale e impilando su di esso un modulo di navigazione che contiene sensori di volo tipici e avanzati, come giroscopio, accelerometro, bussola, GPS. Quindi, il progettista deve solo prendere un microcontrollore dal suo cassetto, impilare il modulo di navigazione su di esso e ottenere quindi un controller di volo che installerà direttamente.

Per quanto riguarda i moduli di ingresso o di uscita, sono progettati per essere impilabili per facilitare il montaggio e ridurre lo spazio. Sono anche progettati da zero con la massima capacità e funzionalità in mente. Questi moduli includono ma non sono limitati a WiFi, LiFi, LoRa. Le porte per la comunicazione vengono inoltrate ai moduli, verso l'alto e verso il basso. La loro configurazione sfrutta la simmetria radiale in modo che possano ruotare di 90 gradi e utilizzare una delle due porte di comunicazione seriale disponibili del microcontrollore come mostrato nelle figure. In questo modo, queste porte possono essere utilizzate indipendentemente. In altre parole, quando si creano moduli per microcontrollore non importa se sono progettati per adattarsi in cima alla porta seriale, dal momento che possono essere utilizzati entrambi. Quando impilano più di un modulo sul lato superiore o inferiore del microcontrollore, saranno orientati in modo tale che un modulo comunicherà attraverso una porta e l'altro modulo comunicherà attraverso l'altra porta.

I vari aspetti qui descritti comprendono equivalenti conosciuti presenti e futuri del microcontrollore e dei moduli qui citati a titolo illustrativo. Inoltre, mentre aspetti e applicazioni sono stati mostrati e descritti, sarebbe evidente agli esperti del ramo che si possono giovare di questa descrizione che sono possibili molte più varianti di quelle sopra menzionate, tutte comprese nell’ambito di protezione come definito dalle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, è chiaro per la persona esperta che alcuni dei componenti che negli esempi sopra sono mostrati sulla parte superiore della scheda del microcontrollore e / o dei moduli, potrebbero anche essere spostati nella parte inferiore delle schede.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Microcontrollore, comprendente un’unica scheda elettronica a circuito stampato su cui sono montati: - un microprocessore, - una pluralità di porte analogiche e digitali e porte di comunicazione seriale per il collegamento di moduli di ingresso o di uscita controllabili dal microcontrollore, come moduli attuatori, moduli di comunicazione o moduli sensore; - porte di alimentazione per l'alimentazione del microcontrollore; - circuiti di regolazione della tensione; - una porta di programmazione per la programmazione del microprocessore, dove dette porte sono collegate operativamente al microprocessore e sono montate lungo i bordi della scheda elettronica, il microcontrollore essendo caratterizzato dal fatto che le porte sono configurate e posizionate in modo tale che ciascun modulo di ingresso o di uscita può essere collegato al microcontrollore ed è impilabile sulla scheda elettronica attraverso una connessione plug-in diretta, senza l'uso di cavi o altre interfacce di connessione.
2. Microcontroller secondo la rivendicazione 1, in cui le porte analogiche e digitali comprendono: - almeno un gruppo di quattro ingressi analogici a 0-5 V e ingressi analogici a 0-24 V, almeno una porta di ingressi analogici a 4-20 mA e ingressi analogici a 0-5V con filtro passa basso; - una porta WiFi a otto pin per la connessione a un modulo WiFi 3.3V; - due gruppi di porte digitali per uso generico di 16 pin ciascuna; - due gruppi di porte a 4 pin collegati a un DIP switch del microcontrollore; - una porta di comunicazione UART per la programmazione del microprocessore; - una porta a 4 pin per il collegamento a un modulo display LCD / OLED e per la comunicazione con il protocollo I2C.
3. Microcontrollore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le porte di alimentazione comprendono: - quattro porte per la terra di due pin ciascuna; - due porte per la tensione di alimentazione positiva (VCC), con due pin ciascuno.
4. Microcontrollore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una pluralità di LED di segnalazione.
5. Microcontrollore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le porte hanno una disposizione simmetrica rispetto ad un asse di cartone.
6. Microcontrollore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la scheda elettronica ha una forma quadrata.
7. Microcontrollore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la scheda elettronica ha una forma rettangolare, preferibilmente quadrata, e in cui vi sono due porte di comunicazione seriale poste su due angoli della scheda.
8. Microcontroller secondo la rivendicazione 7, in cui, partendo da un angolo del circuito stampato elettronico, le porte sono disposte nell'ordine seguente lungo il bordo del circuito stampato elettronico: Porta di comunicazione seriale; gruppo di ingressi analogici 0-5V e ingressi analogici 0-24V; Porta WiFi; gruppo di ingressi analogici 4-20 mA e ingressi analogici 0-5V con filtro passa basso; Porta di comunicazione seriale; Porta GND; gruppo di porte digitali; Porta VCC; Porta GND; Porta DIP switch; Porta UART e porta LCD / OLED e comunicazione I2C; Porta DIP switch; Porta GND; Porta VCC; gruppo di porte digitali; Porta GND.
9. Microcontrollore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui sul lato della scheda elettronica opposto a quello delle porte sono montati: - un convertitore logico per trasformare la comunicazione seriale da 5V a 3,3V; - un regolatore di tensione da 5 a 3.3V; - un circuito per la trasformazione del segnale dal segnale di tensione a quello di corrente; - un circuito divisore di tensione; - un interruttore DIP.
10. Microcontrollore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il microprocessore è del tipo commercialmente noto come "ATmega2560".
11. Unità di controllo di almeno un dispositivo periferico, comprendente un microcontrollore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e almeno un modulo di ingresso o uscita che incorpora o è collegato alla periferica, detto modulo essendo impilato sul microcontrollore e connesso alle porte del microcontrollore tramite un plug-in diretto, senza cavi o altre interfacce di connessione.
12. Unità di controllo secondo la rivendicazione precedente, in cui ciascun modulo di ingresso o uscita è provvisto di due porte di comunicazione seriale posizionate su un angolo del modulo, reciprocamente ortogonali e con un pin in comune, in modo che una di queste porte possa essere collegata a una delle due porte di comunicazione seriale del microcontrollore con due orientamenti angolari del modulo grazie ad un offset di 90 °.
13. Unità secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui i moduli sono configurati in modo tale da essere intercambiabili sia su un lato del microcontrollore che sul lato opposto.
14. Unità secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-13, in cui in ciascun modulo le porte di comunicazione seriale vengono inoltrate su entrambi i lati del modulo per la connessione al microcontrollore di più moduli che possono essere impilati insieme e al microcontrollore.