마이크로컨트롤러 및 임베디드 시스템을 위한 IC 기술 개요

우리가 일상 생활에서 사용하는 모든 전자 장치는 전기 및 전자 프로젝트 회로로 설계되었습니다. 이러한 전기 및 전자 회로는 진공관 기술, 트랜지스터 기술, 집적 회로 또는 IC 기술, 마이크로 프로세서 기술 및 마이크로 컨트롤러 기술과 같은 다양한 기술을 사용하여 설계할 수 있습니다. 이러한 기술은 개별 전기 및 전자 부품, 집적 회로, 마이크로프로세서 및 마이크로컨트롤러를 사용하여 구현할 수 있습니다. 이 기사에서는 IC 기술과 마이크로 컨트롤러 IC 기술과 같은 첨단 IC 기술 중 임베디드 시스템에 가장 적합한 기술에 대해 논의합니다. 그러나 더 진행하기 전에 먼저 IC 기술과 마이크로컨트롤러 IC 기술이 무엇인지 알아야 합니다.

IC 기술

초기에는 진공관을 사용하여 임베디드 시스템 장치가 설계되었으며 크기가 훨씬 더 크고 더 비쌌습니다. 최초의 점 접촉 트랜지스터는 1947년 Bell Labs의 John Bardeen과 Walter Brattain에 의해 개발되었습니다. 그 후 트랜지스터의 발명은 컴퓨터 설계에서 부피가 크고 값비싼 진공관을 줄이고 대체했습니다. 결과적으로 트랜지스터 사용은 회로 크기를 줄였습니다. 이러한 트랜지스터는 크기가 작고 경제적이며 성능이 빠르고 안정적이며 전력 소비가 매우 적기 때문입니다. 트랜지스터 및 기타 개별 전자 부품을 사용하여 구축된 회로를 개별 회로라고 합니다.

집적 회로 또는 IC 기술의 발명으로 전기 및 전자 회로 및 컴퓨터 설계에 혁명적인 변화가 이루어졌습니다. 집적 회로는 크기가 매우 작고 매우 안정적이며 가장 경제적이며 사용이 매우 간편합니다. 이 IC 기술 개념은 1958년에 도입되었으며 이 IC 기술은 휴대폰, 랩톱, 컴퓨터 및 기타 여러 장치와 같은 많은 전기 및 전자 장치를 소형화했습니다. 집적 회로는 일반적으로 실리콘 칩이라고 하는 작은 반도체 재료 판에 집적된 전자 회로 세트로 정의할 수 있습니다. 각 IC는 매우 작은 영역에 수십억 개의 트랜지스터와 기타 구성 요소를 포함하는 매우 컴팩트할 수 있습니다.

IC 기술 세대

집적 회로 칩에 사용되는 트랜지스터의 수에 따라 분류되는 여러 세대의 집적 회로가 있습니다. SSI(Small Scale Integration), 수십 개의 트랜지스터를 포함하는 집적 회로입니다. 1960년대에는 수백 개의 트랜지스터를 포함하는 집적 회로 칩인 MSI(Medium Scale Integration)가 목격되었습니다. 1970년대에는 각 칩에 수만 개의 트랜지스터가 집적된 대규모 통합(LSI)이 있었습니다. 1980년대에는 수십만 개의 트랜지스터가 각 칩에 집적된 VLSI(Very Large Scale Integration)가 있었습니다. 또한 칩당 100만 개 이상의 트랜지스터를 집적하는 ULSI(Ultra Large Scale Integration), WSI(Wafer-Scale Integration), SOC(System-on-Chip), 3D-IC(3차원 집적회로) 등을 개발하고 있습니다. 555timer IC, 741 연산 증폭기, CMOS, NMOS, BICMOS 기술 등과 같은 집적 회로는 IC 기술의 실제 사례로 간주됩니다.

다양한 임베디드 시스템 애플리케이션에 사용되는 ADC, DAC, 증폭기, 전력 관리 IC, 클록 및 타이머 IC, 인터페이스 IC와 같은 다양한 유형의 집적 회로가 있습니다.

IC 기술의 적용

비마이크로컨트롤러 기반 태양열 충전 컨트롤러 프로젝트는 IC 기술의 간단한 적용입니다. 이 프로젝트에서 제어된 충전 메커니즘은 마이크로 컨트롤러를 사용하지 않고 과충전, 과충전 및 과방전 조건을 피하기 위해 달성됩니다. 연산 증폭기 세트는 패널 전압 및 부하 전류를 지속적으로 모니터링하기 위한 비교기로 사용됩니다. 녹색 및 빨간색 LED가 표시에 사용됩니다. 녹색 LED는 완전히 충전된 배터리 상태를 나타내는 데 사용되며 충전 중이거나 과부하 상태이거나 과방전 상태는 빨간색 LED로 표시됩니다.

전력 반도체 스위치 MOSFET은 빨간색 LED가 배터리 부족 또는 과부하 상태를 나타내는 경우 부하를 차단하는 데 사용됩니다. 녹색 LED가 배터리의 완전 충전 상태를 나타내면 태양 에너지는 트랜지스터를 사용하여 회로의 더미 부하로 바이패스됩니다. 따라서 배터리는 충전 중에도 보호됩니다. 이 프로젝트는 GSM 모뎀과 마이크로컨트롤러를 사용하여 통신 태양광 시스템과 시스템 상태를 모니터링하는 제어실을 구현함으로써 더욱 향상될 수 있습니다.

마이크로 컨트롤러 IC

마이크로컨트롤러는 추가 주변 장치와 통합되는 고급 IC 또는 집적 회로입니다. 마이크로프로세서 기술 및 마이크로컨트롤러 기술과 같은 IC 기술의 발전으로 임베디드 시스템 애플리케이션의 개발 및 사용이 증가하고 있습니다. 트랜지스터 기술의 단점인 IC 기술은 첨단 IC 기술인 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 기술로 인해 줄어들었습니다. 마이크로프로세서는 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU) 기능을 단일 또는 몇 개의 집적 회로에 통합합니다. 마이크로 컨트롤러 장치는 작은 중앙 처리 장치, 수정 발진기, 타이머, 감시 장치 및 아날로그 I/O로 구성된 단일 집적 회로에서 작은 컴퓨터로 취급될 수 있습니다. 특정 작업에 사용되는 다양한 유형의 레지스터, 인터럽트가 있습니다. 마이크로컨트롤러는 AVR 마이크로컨트롤러, PIC 마이크로컨트롤러 등과 같은 다양한 유형이 있습니다. 그러나 일반적으로 8051 마이크로컨트롤러 IC는 대부분의 임베디드 시스템 애플리케이션에 사용됩니다.

IC 기술을 사용하는 경우 임베디드 시스템에서 일부 작업을 수행하려면 여러 개의 개별 구성 요소가 필요합니다. 마이크로컨트롤러 기술과 같은 고급 IC 기술을 사용하는 경우 몇 가지 간단한 프로그래밍 라인만 작성하면 여러 작업을 수행할 수 있습니다. 따라서 마이크로컨트롤러 기술을 사용하여 임베디드 시스템에서 개별 부품의 수, 회로 크기, 복잡성 및 비용을 줄일 수 있습니다.

마이크로컨트롤러 기술의 적용

마이크로컨트롤러를 사용하는 태양광 충전 컨트롤러는 마이크로컨트롤러 고급 IC 기술의 대표적인 애플리케이션입니다. 태양 에너지를 효율적으로 활용하기 위해 태양광 랜턴, 태양광 가로등, 태양열 주택 및 정원 조명 시스템을 포함한 태양열 전원 조명 시스템이 도시뿐만 아니라 농촌 지역에서도 사용되고 있습니다. 태양광 발전 시스템은 크게 태양광 모듈, 충전식 배터리, 부하 및 태양광 충전 컨트롤러의 4가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

마이크로컨트롤러 기술을 사용하는 4개의 주요 블록이 있는 태양광 발전 시스템의 블록 다이어그램이 그림에 나와 있습니다. 이 4가지 구성요소 중 태양광 발전 시스템의 전반적인 성능을 높이는 데 중요한 역할을 하는 마이크로컨트롤러를 이용한 태양광 충전 컨트롤러를 생각해 보자. 태양광 충전 컨트롤러 회로에 사용되는 하드웨어 구성 요소는 AT89C2051 마이크로 컨트롤러, 직렬 ADC0831, 전압 조정기 IC7805, 전력 반도체 스위치 MOSFET, LCD 디스플레이, 충전식 배터리, 충전 제어, 황혼에서 새벽까지 센서 및 부하 제어입니다.

배터리는 ADC를 사용하여 배터리 전압을 모니터링하는 데 사용되는 마이크로컨트롤러에 전원을 공급하기 위해 5V DC 조정 전원을 제공하는 데 사용됩니다. ADC의 핀 2에 저항 배열이 있는 전위 분배기를 사용하여 0V-20V의 전압을 V-5V로 축소하고 이 값을 LCD 디스플레이에 표시합니다. 병렬 레귤레이션 기술을 사용하여 충전 전류가 배터리로 흐르게 하고 배터리가 완전히 충전되면 배터리 충전을 중지합니다. 황혼에서 새벽까지의 센서에서 수신된 입력 신호를 기반으로 마이크로컨트롤러는 충전 또는 부하 릴레이를 전환합니다. LCD 디스플레이는 마이크로 컨트롤러에 의해 구동되어 충전 메시지를 표시합니다.

배터리가 완전히 충전되면(최대 14V) 충전을 중단하기 위해 MOSFET을 통해 계전기에 전원이 공급됩니다. 그런 다음 마이크로컨트롤러에 의해 5분 타이머가 시작되고 LCD에 배터리가 가득 찬 메시지가 표시됩니다. 이 타이머가 경과하면 배터리가 릴레이를 통해 태양광 패널에 다시 연결되므로 태양광 전압이 존재하는 한 태양광 충전 전류가 펄스화됩니다. 태양 전지판 전압이 황혼에서 새벽까지 센서의 제너 다이오드 전압 아래로 떨어지면 마이크로 컨트롤러가 황혼에서 새벽까지 센서에서 신호를 수신한 다음 MOSFET을 통해 부하를 활성화하고 LCD 디스플레이에 부하 ON 메시지가 표시됩니다. 전압이 황혼에서 새벽까지 센서의 10V 아래로 떨어지면 마이크로컨트롤러가 MOSFET을 통해 부하를 끕니다.

임베디드 시스템을 위한 최고의 기술

이 기사에서는 앞서 IC 기술 및 마이크로컨트롤러 IC 기술과 함께 임베디드 시스템 애플리케이션에서 마이크로컨트롤러 및 IC 기술의 예, 유형 및 실제 적용에 대해 간략하게 논의했습니다. 위에서 논의한 태양열 충전 컨트롤러는 IC 기술과 마이크로컨트롤러 IC 기술과 같은 첨단 IC 기술을 사용하여 두 기술의 차이점을 보여줍니다. 또한 두 기술 모두 요구 사항에 따라 여전히 사용되고 있음을 보여줍니다. 두 기술 모두 임베디드 시스템에 사용되는 동안 몇 가지 장점과 단점이 있습니다.

IC 기술은 개별 부품을 사용하여 구축한 회로 크기에 비해 회로 크기를 줄였습니다. 고급 마이크로컨트롤러 IC 기술은 회로의 많은 집적 회로를 단일 마이크로컨트롤러 IC로 교체하여 회로 크기를 줄입니다. 따라서 IC 기술을 사용하는 회로의 비용은 이산 또는 트랜지스터 기술보다 저렴합니다. 마이크로컨트롤러 IC 기술 회로 비용은 IC 기술로 설계된 회로 비용에 비해 저렴합니다. 마찬가지로 여러 매개변수의 경우 IC 기술 및 개별 부품 또는 트랜지스터 기술에 비해 임베디드 시스템에 마이크로컨트롤러 기술이 더 좋습니다.

그림은 다양한 기술로 설계된 임베디드 시스템 애플리케이션을 보여줍니다. 임베디드 시스템의 일부 특정 애플리케이션의 경우 IC 기술이 마이크로컨트롤러 기술보다 선호됩니다. 그러나 대부분의 임베디드 시스템 애플리케이션은 IC 기술에 비해 더 발전되고 더 많은 이점을 가지고 있기 때문에 마이크로컨트롤러 기술을 사용합니다. 또한 임베디드 시스템에 대한 관심을 기반으로 학술 프로젝트 작업을 위한 특정 기술을 선택하는 데 Edgefx 기술에서 기술 지원을 제공할 것입니다.