Microcontroller คืออะไร? MCU มีส่วนประกอบอะไร ? นำไปใช้กับอะไรบ้าง ?

Microcontroller คืออะไร? MCU มีส่วนประกอบอะไร ? นำไปใช้กับอะไรบ้าง ?

ปัจจุบันเทคโนโลยีเป็นส่วนหนึ่งของชีวิตมนุษย์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ช่วยอำนวยความสะดวกในชีวิตเรามาก ๆ ภายในระบบของมันจะมีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ตัวหนึ่งที่สำคัญมาก มักมีอยู่ในแกดเจ็ต, เครื่องใช้ไฟฟ้า หรือในเครื่องจักร นั่นก็คือไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller) หรือที่เรียกสั้น ๆ ว่า MCU มันมีหน้าที่ควบคุมการทำงานของระบบต่าง ๆ อยู่มากมาย และรันอยู่ในหลายวงการเลยทีเดียว

ในบทความนี้ผมจะพาทุกคนมารู้จักกับ ไมโครคอนโทรลเลอร์, ประเภทของไมโครคอนโทรลเลอร์ และการเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ให้เหมาะสมกับการใช้งานกันครับ

ไมโครคอนโทรลเลอร์ คืออะไร  ? (What is a Microcontroller ?)

ไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นส่วนหนึ่งที่ถูกฝังอยู่ในระบบ มันมีหน้าประมวลผลข้อมูลที่ได้รับจากส่วนต่อพ่วงอินพุต/เอาต์พุต (Input / Output: I/O) โดยใช้ความสามารถจาก หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ที่อยู่บน แผงวงจรหลัก (Mainboard) นั่นเองครับ ในส่วนของข้อมูลต่าง ๆ ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้รับจะถูกเก็บเอาไว้ในหน่วยความจำชั่วคราว ซึ่งเป็นส่วนที่ CPU เข้ามาดึงข้อมูลคำสั่งต่าง ๆ สำหรับนำไปใช้ถอดรหัสประมวลผลข้อมูลต่าง ๆ ที่เข้ามา แล้วจึงใช้ส่วน I/O  สำหรับสั่งการตามคำสั่งที่ได้รับ

ตัวอย่างเช่นในรถยนต์หนึ่งคัน จะประกอบด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์หลายตัว เพื่อใช้งานในแต่ละระบบ เช่น ระบบเบรค ABS, ระบบป้องกันล้อหมุนฟรี (Traction-Control System), ระบบจ่ายเชื้อเพลิง ฯลฯ ซึ่งบาง MCU อาจจะไปเชื่อมต่อกับระบบควบคุมที่ซับซ้อนขึ้นกว่าเดิม ซึ่งก็สามารถมารถเชื่อมต่อหากันได้ด้วย I/O ของแต่ละ MCU นั่นเองครับ

ไมโครคอนโทรเลอร์ มีส่วนประกอบอะไรบ้าง ? (What are the components of Microcontroller ?)

CPU (หน่วยประมวลผลกลาง)

เปรียบเป็นดั่งสมองของอุปกรณ์เลยก็ว่าได้ ซึ่งส่วนนี้ทำหน้าที่ในการประมวล และตอบสนองต่อข้อมูลค่าสั่งต่าง ๆ ที่สั่งการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยเกี่ยวกับการปฏิบัติการทางคณิตศาสตร์, ทางตรรกศาสตร์, หลัก Logic และสั่งการ I/O ของระบบ รวมทั้งทำหน้าที่ควบคุมการเชื่อมต่อถ่ายโอนข้อมูลคำสั่งระหว่างอุปกรณ์ด้วย

Memory (หน่วยความจำ)

ส่วนนี้ทำหน้าที่สำหรับเก็บข้อมูลของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ได้รับจากส่วนต่อเชื่อม และใช้เป็นส่วนตอบสนองต่อคำสั่งที่ได้ถูกโปรแกรมแล้วจึงส่งออกแสดงผลในส่วนอื่น โดยในไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทได้แก่

1. Program Memory (หน่วยความจำสำหรับโปรแกรม) : ทำหน้าที่เก็บข้อมูลชนิดถาวร (Long-term) เกี่ยวกับคำสั่งสำหรับฮาร์ดแวร์ของไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยจะใช้หน่วยความจำแบบ Non-volatile memory นั่นหมายความว่ามันสามารถเก็บข้อมูลได้ตลอดเวลาโดยไม่ต้องพึ่งพาพลังงานไฟฟ้านั่นเองครับ
2. Data Memory (หน่วยความจำสำหรับข้อมูล) : ส่วนนี้ใช้ในการเก็บข้อมูลชั่วคราว ในช่วงที่ข้อมูลกำลังถูกปฏิบัติการ เนื่องจากมีความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลสูง แต่จะเป็นหน่วยความจำแบบ Volatile memory ที่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าในการเก็บข้อมูล

I/O Peripherals (ส่วนเชื่อมต่อกับ อุปกรณ์ต่อพ่วง)

ทำหน้าที่ในการเป็นจุดเชื่อมต่อ สำหรับอุปกรณ์ทั้งในส่วนการรับข้อมูลเข้า (Input) และส่วนส่งข้อมูลออก (Output) ในฝั่งของ Input ทำหน้าที่ในการรับข้อมูล และส่งข้อมูลไปยังหน่วยประมวลผลในรูปแบบของเลขฐานสอง (Binary) หลังจากนั้นหน่วยประมวลผลจะส่งคำสั่งไปยังอุปกรณ์อื่น ๆ ผ่านทาง Output เพื่อให้อุปกรณ์ที่ต่อเชื่อมอยู่ทำงานตามคำสั่งนั่นเองครับ

โดยที่กล่าวมาข้างต้นคือ ส่วนประกอบหลักที่สำคัญครับ แต่มันยังอาจมีส่วนประกอบอื่น ๆ ที่ถูกนำมาใช้บ้าง แต่ไม่ได้เป็นส่วนประกอบหลัก ประกอบไปด้วย

• Analog to Digital Converter (ADC) : ส่วนนี้เป็นวงจรภายในสำหรับแปลงสัญญาณอนาล็อกให้เป็นดิจิทัล
• Digital to Analog Converter (DAC) : ส่วนนี้จะทำงานในทางตรงข้ามกับ ADC โดยจะแปลงสัญญาณจากดิจิทัลให้เป็นอนาล็อกครับ
• System Bus : ส่วนนี้จะเป็นเหมือนกระดูกสันหลังทำหน้าที่เป็นเส้นทางในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่าง ๆ เข้าด้วยกัน
• Serial Port : ส่วนนี้เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ I/O ทำหน้าที่ในการเชื่อมต่ออุปกรณ์คล้าย ๆ USB เพียงแต่มีหลักการส่งข้อมูล และเข้ารหัสที่ต่างกันนั่นเองครับ

ภาพจาก : https://www.electronicshub.org/microcontrollers-basics-structure-applications

ไมโครคอนโทรลเลอร์ มีชนิดใดบ้าง ? (How many types of Microcontroller ?)

โดยทั่วไปแล้วไมโครคอนโทรลเลอร์หลัก ๆ จะมี Intel MCS-51 ซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากไมโครคอนโทรลเลอร์รุ่น 8051 ซึ่งเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ตัวแรกที่ถูกพัฒนาขึ้นมาในปี ค.ศ. 1985 (พ.ศ. 2528) ชนิดต่อไปเป็น AVR ไมโครคอนโทรลเลอร์ถูกพัฒนาโดย Atmel ในปี ค.ศ. 1996 (พ.ศ. 2539) และอีกชนิดที่เป็นที่นิยมคือ PIC จากบริษัท Microchip และยังมีระบบ RISC ที่ใช้สถาปัตยกรรม ARM อีกมากมาย ซึ่งแต่ละชนิดล้วนมีความแตกต่างกันในเชิงของระบบปฏิบัติการ และสถาปัตยกรรมที่นำมาใช้สร้างตัวชิปนั่นเองครับ

ไมโครคอนโทรลเลอร์ สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับ อะไรได้บ้าง ? (What can Microcontroller be applied to ?)

ไมโครคอนโทรลเลอร์ถูกนำเอาไปประยุกต์ใช้งานหลากหลายไม่ว่าจะเป็นการใช้งานสำหรับอุตสาหกรรม, ใช้งานตามบ้านเรือน, สร้างระบบอัตโนมัติ และที่กำลังเป็นที่นิยมในปัจจุบันคืองาน Internet of Thing (IoT) โดยใช้สำหรับควบคุม หรือสังเกตการณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า หรือระบบอัตโนมัติต่าง ๆ ระยะไกลผ่านอินเทอร์เน็ต และบอร์ดที่ได้รับความนิยมเป็นอย่างมากจากผู้ใช้งานคือ Arduino และ ESP ทั้งสองล้วนเป็นเจ้าตลาดในการผลิตไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาดเล็ก ได้รับความนิยมจากกลุ่มนักศึกษาหรือ
ผู้ใช้งานสร้าง D.I.Y โปรเจกต์สำหรับศึกษาหรือพัฒนาความรู้ด้านระบบควบคุมซึ่งในบทความนี้ผมจะยกตัวอย่างบอร์ด 2 ตัวนั่นคือ Arduino  และESP32 ที่เป็นที่นิยมนั่นเองครับ

Arduino 

Arduino เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ชนิดที่เป็นแผงวงจรสำหรับผู้พัฒนาที่ เปิดเผยซอร์สโค้ด (Open-source) (Open-Source Development Board) ครับสามารถนำมาใช้ในการสร้างระบบสมองกลฝังตัว ทำอุปกรณ์สวมใส่ ทำแกดเจ็ตอิเล็กทรอนิกส์ ใช้ในงานหุ่นยนต์ และสามารถใช้ในงาน IoT ได้เช่นกันครับ

ซี่งเจ้าตัว Arduino นั้นก็มีหลากหลายรุ่นสามารถเชื่อมต่อกับเซนเซอร์ หรือมอเตอร์ต่าง ๆได้อย่างง่ายดาย โดยมีทั้ง Analog และ Digital Pin สำหรับรับ Input หรือ Output ข้อมูลออกทำให้สามารถใช้งานกับอุปกรณ์หลายประเภทนั่นเองครับ

ภาพจาก : https://www.elprocus.com/difference-between-esp32-vs-arduino/

ESP32

เป็นบอร์ดที่มีไวไฟ และบลูทูธติดในตัวบอร์ดมาเลยครับ มีราคาที่ถูกกว่า Arduino ซึ่งเป็นบอร์ดที่ได้รับความนิยมในงาน IoT เป็นอย่างมากเนื่องจากการที่มีระบบไร้สาย (Wireless Technology) นั่นเองครับ มีหน่วยประมวลผลที่มีประสิทธิภาพสูง พร้อมกับ SoC (System on Chip) สามารถใช้งานในช่วงอุณหภูมิที่ต่ำถึง -40 - 125 องศาเซลเซียส เลยทีเดียว

ภาพจาก : https://www.elprocus.com/difference-between-esp32-vs-arduino/

Arduino หรือ ESP32 เลือกใช้ตัวไหนดี ? (Which one is better between Arduino and ESP32 ?)

ทั้งสองบอร์ดนี้ ล้วนเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีประสิทธิภาพ และเป็นที่นิยมทั้งคู่สามารถทำงานในลักษณะงานที่คล้ายกันได้แต่ก็ยังมีความต่างกันในส่วนของการโปรแกรม, ฮาร์ดแวร์ และความสามารถในการประมวลผล

ในส่วนของ ESP32 นั้นเหมาะสมสำหรับผู้ที่ต้องการนำไปใช้ในงาน IoT เนื่องด้วยประสิทธิภาพที่สูง ความสามารถในการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตแบบไร้สาย ซึ่งต่างจาก Arduino ที่เหมาะสำหรับการนำเอาไปใช้ในโปรเจกต์ที่ไม่ซับซ้อนมากนัก เหมาะสำหรับใช้ในงาน D.I.Y สำหรับการศึกษา ดังนั้น Arduino จึงเหมาะกับผู้ที่นำมาใช้ศึกษาหรือเป็นงานอดิเรกนั่นเองครับ

ดังนั้นแล้ว หากผู้ใช้ต้องการทำงานประเภท IoT จึงควรเลือกเป็น ESP32 และหากต้องการสร้างโปรเจกต์ควบคุมหลากหลาย ต่อไฟเลี้ยงใช้งานง่าย ๆ สามารถใช้ PWM (Pulse Width Modulation) ได้ โปรแกรมสั่งงานง่าย ๆไม่ซับซ้อนก็ควรเลือกใช้เป็น Arduino จึงจะเหมาะสมที่สุดนั่นเองครับ