Wenn man das Jahr 2009 als Jahr der Mikrocontroller bezeichnet, liegt man sicherlich nicht falsch, vor allen Dingen, wenn man die Anzahl der Neuerscheinungen betrachtet. Wir haben zehn unserer Meinung nach besonders interessante Produkte ausgesucht, die an dieser Stelle vorgestellt werden sollen – „die Mikrocontroller des Jahres 2009“.
Von Frank Riemenschneider
Bei dem fast unüberschaubaren Angebot an neuen Mikrocontrollern im Jahr 2009 gibt es einfachere Aufgaben, als eine begrenzte Auswahl hervorzuheben. Trotzdem glauben wir, mit den in der Folge vorgestellten zehn Produkten auf jeden Fall eine Auswahl getroffen zu haben, die sich durch Innovation in den unterschiedlichsten Richtungen auszeichnet. In der Tabelle ist eine Übersicht dieser Produkte dargestellt. Jennic stellte einen 32-bit-Single- Chip-Wireless-Mikrocontroller vor, der neue Standards setzt für drahtlose Netzwerkkommunikation basierend auf ZigBee PRO und 802.5.4.
Die Kombination aus niedrigster Stromaufnahme und höchster Speicherdichte aller Wireless- Single-Chip-Mikrocontroller am Markt, ergänzt mit einer so genannten „Time-of-Flight“-Reichweiten-Engine, ermöglicht die Entwicklung drahtloser Mesh-Netzwerkkomponenten für batteriebetriebene Anwendungen mit hohen Datenaufkommen. Der JN5148 erreicht im Betrieb eine Stromaufnahme von 18 mA beim Empfang und 15 mA beim Senden mit +3 dBm Leistungspegel, das ist typischerweise 35 % weniger als bei anderen Lösungen. Mit 128 Kbyte ROM und 128 Kbyte RAM verfügt er über ausreichend Speicher, damit Entwickler ihre Anwendungen zusammen mit dem ZigBee-PRO-Protokollstack in einen Chip integrieren können. Das IC kann aber auch als Co-Prozessor eingesetzt werden. Mit einer programmierbaren CPU-Taktgeschwindigkeit von 4 bis 32 MHz und dem Einsatz von fünf voneinander getrennten Versorgungs-Domänen lässt sich der JN5148 flexibel an die gesamte Palette der Applikationen anpassen, angefangen von mit Batterie betriebenen Netzwerken bis hin zu prozessintensiven Systemen mit hohem Datendurchsatz. Die neue „Time-of-Flight“- Reichweiten-Engine, mit nur geringen Zusatzkosten in den SoC integriert, ermöglicht Netzwerk-Lokalisierungs- Dienste, die deutlich bessere Genauigkeit gegenüber reinen feldstärke- basierten Implementierungen liefern.
Im JN5148 integriert sind eine 32-bit-RISC-CPU sowie „Mixed Signal“- Peripheriekomponenten und natürlich ein 2,4-GHz-Transceiver nach IEEE 802.15.4. Indoor-Anwendungen sind bis etwa 50 m Distanz möglich, während die 128-bit-AES-Verschlüsselung gleichzeitig ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet. Zur Implementierung bedarf es nur weniger externer Komponenten – Quarz, Serial-Flash und eine Handvoll passiver Bauelemente mit BOM-Kosten von weniger als 50 US-Cents. Die erste Version des JN5148 wird zusammen mit dem Jennics-ZigBee-PROStack angeboten. Neben dem reinen Angebot auf Chip-Basis gibt es auch ein vollständig integriertes Modul mit HF-Steckverbinder und zwar in einer +2,5-dBm- Standard- oder einer +20-dBm-Hochleistungsvariante.
Ersatz für abgekündigte 8051-MCUs
Die MCU TK80C51FA von Tekmos wurde als Ersatz für abgekündigte MCUs der 8051-Serie designt. Sie kann nicht nur Intels 80C51FA, sondern auch die MCU-Familien 80C31BH, 80C32 und 80C32X2 der Hersteller Intel, Atmel, NXP und Temic ersetzen. Mit „ersetzen“ ist gemeint, dass sowohl Pin- und Code- Kompatibilität als auch das identische Zeitverhalten zu den Originalen gewährleistet sind. Der TK80C51FA basiert auf dem Tekmos-eigenen 8051-Core und beinhaltet 256 byte RAM, drei Timer, einen Hardware-Watchdog und eine 7-kanalige Interrupt-Struktur mit vier Prioritätsebenen. Der SH7216 von Renesas ermöglicht eine Taktfrequenz von 200 MHz ohne Waitstates und zielt auf Kommunikation und Motorantriebssteuerungen.
Um eine Ethernet-Schnittstelle gegenüber dem kleineren Bruder SH7286 erweitert, spart die hohe Integrationsdichte des SH7216 gleichzeitig Platz auf der Platine. Der SH7216 gehört zur SH2A-Serie, die bei Renesas den oberen Bereich der 32-bit- Mikrocontroller abdeckt. Diese MCUs sind modular aufgebaut, d.h., die Timereinheiten, Schnittstellen, Bussysteme, A/D- bzw. D/A- Wandler sind untereinander kompatibel. Man kann also z.B. sehr leicht von einer kleinen MCU auf ein größeres Modell wechseln und dabei einfach die Software „mitnehmen“. Ein Schwerpunkt des SH7216 liegt im Bereich der Motorantriebssteuerungen. Somit kann man mindestens einen 3-Phasen-Motor (z.B. BLDC) mit hoher Präzision ansteuern.
Mehrere voneinander unabhängige A/D-Wandler sind in der Lage, gleichzeitig Strom und Spannung der einzelnen Stränge zu messen. Die MCU ist mit einem Flash-Speicher bestückt, der tatsächlich ohne „Tricks“ mit 200 MHz ohne Waitstates betrieben werden kann. Somit ist ein interner stromfressender Cache- Baustein unnötig. Leistungsfressende Pipeline-Bursts gehören ebenfalls der Vergangenheit an. Möglich macht das die so genannte MONOS-Technik. Auch ein Daten-Flash-Speicher ist beim SH7216 integriert. Der Baustein arbeitet mit dem schon bekannten SH-2A-Core. Dieser Core besitzt eine superskalare Architektur und enthält zwei Ausführungseinheiten in der Pipeline, wodurch sich zwei Befehle parallel zueinander ausführen lassen und der Code doppelt so schnell ausgeführt werden kann wie der CPUTakt. Zusätzlich verhindert die Harvard- basierte Architektur Buskonflikte zwischen den Befehlsaufrufen und dem Daten-Zugriff. Der SH7216 enthält weiterhin eine Floating Point Unit (FPU) und bietet einen Upgrade-Pfad für Codes, die schnellere DSP-Funktionen benötigen. Es gibt drei Timer-Gruppen, MTU2, MTU2S und CMT. Mit der MTU2, bestehend aus sechs 16-bit-Timern, sowie mit der MTU2S, bestehend aus drei 16-bit-Timern, lassen sich neben zwei Drei-Phasen-Motoren auch weitere vielfältige Applikationen realisieren.
So sind z.B. neben Timer- und PWM-Funktionen auch Drehwinkelgebereingänge integriert. Das CMTTimer- Modul besteht aus zwei 16-bit- Timern mit Standard-Timer-Funktionen. Der SH7216 verfügen des weiteren über ein CAN-Modul, das der Bosch- 2.0b- und ISO-11898-1-Spezifikation entspricht. Es kann mit einer CANTaktrate von 1 Mbit/s betrieben werden. Der USB-Controller ist USB2.0- tauglich (480 Mbit/s). Maxim stellte mit dem MAXQ7670 einen System-on-Chip-Mixed-Signal- Mikrocontroller für Sensor-Anwendungen vor. Der MAXQ7670 stellt eine komplette Systemlösung für die Messung von Signalen im μV-Bereich von Sensoren mit differenziellen Ausgängen wie z.B. anisotrope Magnetowiderstands- Sensoren (AMR) dar. AMR-Sensoren werden typischerweise für die kontaktlose Messung von Positionen oder Winkeln in der Automobil- und Industrietechnik (z.B. Ventilpositionierung, Gaspedal, Lenkung, Bremse) eingesetzt. Die MCU kann diese in Echtzeit messen und die Ergebnisse auf ein CAN-Netzwerk ausgeben. Konkret beinhaltet der MAXQ7670 acht Single-Ended- und vier differenzielle Eingänge, gefolgt von einem Differenzverstärker (Verstärkung programmierbar auf 1xoder 16x) und einem 250-KSPS-A/D-Wandler mit 10 bit Auflösung. Des weiteren sind CAN2.0B-Controller, SPI und JTAG vorhanden. Der 16-bit-RISC-Core wurde um 16 16-bit-Register erweitert und kann bis zu einer Rechenleistung von 16 MIPS digitalisierte Daten verarbeiten bzw. Anwendungen ausführen. Neben 2 Kbyte SRAM für Daten gibt es auch 64 Kbyte automotive-zertifizierten Flash-Speicher.
Energiesparmeister für Batterieanwendungen
Microchip stellte mit der PIC24F16KA-Familie 16-bit-Mikrocontroller mit der nanoWatt-XLPTechnologie (eXtreme-Low-Power) vor. Die neue Familie mit insgesamt 16 MCUs weist mit typisch 20 nA im so genannten Deep-Sleep-Mode einen sehr geringen Ruhestrom auf. Dieser Wert wird durch drei Maßnahmen erzielt: Durch ein intelligentes Powermanagement, neu entwickelte Transistoren mit geringsten Leckströmen, neue definierte Standardzellen und damit realisierte Watchdog-Timer und Echtzeituhr. Zielanwendungen sind batteriebetriebene Anwendungen und solche, die ihre Energie aus der Umgebung beziehen (Energy Harvesting) oder denen sonst nur begrenzt Energie zur Verfügung steht. Der Ruhestrom von 20 nA wird dadurch erreicht, dass die unterschiedlichen Schaltkreise während der Ruhezeit abgeschaltet, aber schnell wieder aktiviert werden können. Der Wert relativiert sich, zählt man die Ruheströme des Watchdog-Timers (400 nA), des Brownout-Reset (50 nA) und der RTC (500 nA) dazu, auf rund 1μA. Dies ist jedoch immer noch extrem gering. Die nanoWatt-XLP-Technologie verschafft dem Entwickler die Flexibilität, seine Anwendung auf die jeweils geringstmögliche Leistungsaufnahme mittels unterschiedlicher interner Abschalt- und Aktivierungsfunktionen einzustellen, jeweils unter Beibehaltung des /OStatus. Eine besondere Hilfe sind hierbei die Echtzeituhr mit Datumsalarm, Brown-Out-Resets, Interrupts und Watchdog-Timer. Die MCU-Familie PIC24F16KA weist 16 MIPS Rechenleistung auf und verfügt über zwei Rail-to-Rail-Komparatoren, kapazitive berührungssensitive mTouch-Peripherie sowie auch über SPI-, I2C- und zwei UARTModule für die serielle Kommunikation. Einsatzbereiche für die neuen PIC24F16KA-MCUs sind unter anderem die Medizintechnik, Konsumerund Industrieanwendungen. Atmel stellt die erste industrielle ARM-Cortex-M3-Flash-MCU-Familie mit On-chip-High-Speed-USB-Device und -Transceiver vor (Bild 1). Die SAM3U-Familie zielt auf SBAnwendungen, PC-Peripherie und Bridge-Lösungen (USB zu SDIO, USB zu SPI, USB zu externer Bus-Schnittstelle). Die SAM3U-Serie ist ein Mitglied einer Familie von Flash-MCUs, basierend auf dem 32-bit-ARM-Cortex- M3-RISC-Prozessor. Sie arbeitet mit einer maximalen Taktrate von 96 MHz und bietet bis zu 256 Kbyte Flash und bis zu 48 + 4 Kbyte SRAM. Als Peripherie sind High- Speed-USB-Device (480 Mbps) mit integrierten Transceivern, ein High-Speed-MCI für SDIO/SD/MMCFlashkarten, eine externe Bus-Schnittstelle mit NAND-Flash- Controller und ein 1-MSPS-A/D-Wandler (12 bit Auflösung) integriert. Ein neuer vierkanaliger PWMController Ermöglicht nun z.B. Motorsteuerung mit Totzeiten, Notstop, Timer- und A/D-Wandler-Synchronisation. Die SAM3U-Architektur ist besonders für Datenübertragungen mit sehr hoher Geschwindigkeit konzipiert. Sie beinhaltet eine Multilayer-Bus-Schaltmatrix und mehrfache SRAM-Bänke, PDC und DMA, die die parallele Abarbeitung ermöglichen und dadurch den Datendurchsatz erheblich erhöhen. SAM3 kann im Bereich von 1,62 V bis 3,6 V betrieben werden (Batteriebetrieb).
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