Darnell revidiert Forcast: DC/DC-Module fallen zurück

Die Darnell Group hat ihre Prognose zum DC/DC-Modul-Markt nach unten korrigiert: Das durchschnittliche Wachstum über die nächsten fünf Jahre werde nicht bei 10,5 Prozent liegen, sondern nur bei 8,6 Prozent.

Auf der „Embedded World 2006“ in Nürnberg wurden die drei Sieger des gemeinsam von STMicroelectronics und der Elektronik veranstalteten Mikrocontroller-Wettbewerbs ausgezeichnet und mit jeweils 1500 Euro prämiert. Das Rennen machten ein Babyflaschen-Milchmisch-Automat, eine Lichteffektsteuerung auf LED-Basis sowie ein Flugregler für die Lagestabilisierung von Modellflugzeugen. Die Details zu den technischen Lösungen der Gewinner lesen Sie in diesem Artikel.

Das läge nicht an fallenden Stückzahlen. Für 2006 haben die Analysten die ursprünglich prognostizierte Zahl von 104,3 Mio. Einheiten um nur 2 Prozent auf 102 Mio. Einheiten reduziert. Laut Linnea Brush, Senior Analyst der Darnell Group, führt eine Reihe unterschiedlicher Faktoren zu dem geringeren Umsatz: Erstens machen die IC-Hersteller mit ihren Power-Management-ICs und Hybrid-Produkten, die in Applikationen mit immer höheren Strömen vordringen, den Modulherstellern das Leben in ihren angestammten Märkten schwer. Power One habe darauf reagiert, indem es eine digitale Architektur entwickelt hat und mit Halbleiterherstellern wie Atmel kooperiert. Zweitens hatte die Intermediate-Bus-Architektur über einige Zeit die Rolle des Wachstumsmotors für DC/DC-Wandler übernommen, jetzt würde aber das Stückzahlwachstum zurückgehen und der schnelle Preisverfall würde auch das Wachstumspotenzial für Module schmälern. Drittens sei eine verstärkte Konsolidierung unter den Modul-Herstellern zu erkennen, für die der Merger zwischen Emerson und Artesyn im vergangenen Februar ein Beispiel ist. Die Konsolidierung werde laut Darnell den Preisdruck weiter verstärken. Einzelheiten finden sich in der neuen Marktstudie »DC/DC-Wandler-Module und ICs« der Darnell Group. »Wir haben den Tatort analysiert, die Verdächtigen befragt und den Mörder des DC/DC-Modul-Marktes identifiziert«, mit diesen markigen Worten preist Jeremiah Bryant, Senior Analyst von Darnell, die neue Studie an.

Der französisch-italienische Halbleiterhersteller STMicroelectronics und die Elektronik hatten zur „electronica 2004“ zu einem Design-Wettbewerb auf Basis des Mikrocontrollers ST7FLite29 aufgerufen [1]. Die an der Teilnahme interessierten Tüftler konnten dann bis zur „Embedded World 2005“ ihre Applikationsideen einreichen und sich für ein kostenloses Entwicklerkit von ST qualifizieren. Insgesamt sechs Teilnehmer machten sich die Mühe, eine komplette Applikation bis zur „Embedded World 2006“ zu realisieren, so dass es den Juroren von ST und der Elektronik nicht leicht fiel, die drei Sieger zu ermitteln. Bei den drei prämierten Siegerapplikationen [2] handelt es sich um einen Babyflaschen-Milchmisch-Automaten von Bernd Rutsch aus Niedernhall, um eine Lichteffektsteuerung auf Leuchtdioden-Basis von Michael Fitzeck aus München sowie um einen Flugregler für die Lagestabilisierung von Modellflugzeugen von Dr.-Ing. Jens Altenburg aus Sömmerda (Bild 1).

Ausgangspunkt: Der 8-bit-Flash-Mikro-controller ST7FLite

Die ST7FLite-Baureihe (Bild 2) erweitert die ST7-8-bit-Mikrocontroller-Familie von STMicroelectronics nach unten. Neben dem bekannten ST7-Kern umfasst jedes Derivat einen RC-Oszillator mit 1% Abweichung, wo-mit sich ein externer Quarz einsparen lässt. Dazu kommen eine abgleichbare Reset-Schaltung mit Unterspannungs-Erkennung und Power-On/Off-Reset-Funktion. Der so genannte Low Voltage Detector (LVD) sorgt dafür, dass der Controller immer in einem definierten Zustand bleibt. Einige Derivate verfügen beim A/D-Wandler über einen integrierten Operationsverstärker mit voreingestellter Verstärkung, der neben der regulären Auflösung von 10 bit für Eingangssignale zwischen 0 und 5 V auch eine Auflösung von 13 bit gestattet, sofern die Eingangssignale in einem Bereich von 0 bis max. 430 mV liegen. Darüber hinaus gehören mehrere Timer mit z.B. bis zu vier PWM-Ausgängen zur Peripherie. Um die Stromaufnahme bedarfsgerecht niedrig zu halten, stehen bis zu fünf Stromspar-Betriebsarten zur Verfügung.

Die ST7FLite-Baureihe umfasst verschiedene Unterfamilien, angefangen beim „SuperLite“ mit 1 Kbyte Flash-Speicher und 128 byte RAM in Gehäusen des Typs SO oder DIP16 bis hin zum ST7FLite2 mit 8 Kbyte Flash-Speicher, 384 byte RAM sowie 256 byte EEPROM in Gehäusen des Typs SO oder DIP20. An Peripheriefunktionen stehen u.a. fünf- bis siebenkanalige A/D-Umsetzer zur Verfügung sowie serielle Schnittstellen wie SPI und UART. Neben der In-Circuit-Programmierung lässt sich der Programmspeicher auch in der Ziel-Applikation programmieren (IAP-Modus). Das ST7FLite-Portfolio umfasst auch Produkte im 8-Pin-Gehäuse. Jedes Derivat lässt sich mit der gleichen Software-Plattform emulieren. Preiswerte Tools ermöglichen einen schnellen Einstieg in diese Familie.

Realisierung von Hard- und Software

Die standardmäßig vorgesehenen Servos bleiben an ihrer Position, genauso Antrieb und Motorregler. Die ursprüngliche Struktur des Rumpfes bzw. der Tragflächen bleibt erhalten. Die Schaltung besteht aus zwei unterschiedlichen Baugruppen: Steuereinheit und Lagesensor.
Die CPU-Baugruppe ist an Einfachheit kaum noch zu übertreffen. Außer dem Mikrocontroller und einigen passiven Bauelementen sind nur noch die unterschiedlichen Anschlusskontakte zum Empfänger und zu den Servos vorhanden. Der Testaufbau erfolgt auf einer Lochrasterplatte (Bild 9).

Für die Lageerkennung gibt es eine eigene Sensorbaugruppe (Bild 10). Als Sensorelemente finden so genannte Thermopiles Verwendung. Diese Bauelemente reagieren auf Strahlung im Bereich einer Wellenlänge von 5 bis 13 µm (Wärme). Diese Strahlung erzeugt kleine „Thermospannungen“. Im Horizontalflug empfangen die gegenüberliegenden Sensoren (nahezu) gleiche Strahlungsintensitäten. Bei Lageänderungen variieren die Sensorwerte. Ein Operationsverstärker verstärkt die Spannung der antiseriell geschalteten Thermopiles.

Als knifflig erwies sich die Nutzung der internen PWM-Einheit. Beim Systemtakt von 1 MHz erreicht die PWM eine Auflösung von 1 µs. Die Zähler-/Timereinheit verfügt jedoch nur über einen Zählumfang von 12 bit. Die Impulsbreite üblicher Servosignale liegt zwischen 1 und 2 ms, die SYNC-Pause bei 20 ms. Für die Impulserzeugung reicht der Zählumfang, nicht jedoch für die Erzeugung der Pausenzeit. Ein softwaremäßig realisierter „Hilfszähler“ unterdrückt deshalb eine Anzahl von Servoimpulsen. Nur alle fünf Timer-Zyklen gelangen die Hardware-PWMs auch wirklich an die Ausgänge.

Zur Messung eingehender Signale werden die vom Empfänger kommenden Servoimpule „serialisiert“. Dies geschieht mit drei Dioden. Der „Input-Capture“-Interrupt reagiert auf beide Flanken (H->L / L->H). Damit Störungen keinen Datensalat produzieren, startet die Impulserfassung nach einer SYNC-Pause. Die Messroutine prüft die richtige Reihenfolge von Servoimpulsen und Pausen. Die gesamte Servosignalerzeugung ist in einer Interruptroutine zusammengefasst und bildet den zeitkritischsten Programmteil.

Lagekontrolle und Stabilisierung

Die von der Sensorplatine gelieferten Spannungen werden vom internen A/D-Wandler digitalisiert und stellen die Eingangsvariablen des Steueralgorithmus dar. Solange der „Modellpilot“ selbst steuert, von der Neutralstellung abweichende Servoimpulse, werden diese Werte ignoriert. Damit ist gleichzeitig das Notfall-Prozedere vorgegeben – wird das Modell instabil, Knüppel loslassen!

Dann heißt es nur noch: Nerven bewahren und den (un-)kontrollierten Abstieg des Modells verfolgen. Für den Fall, dass alles gut geht, kann ja nach Abfangen des Sturzes der Knüppel wieder bewegt werden.

Für unterschiedliche Neutralpositionen kann mit einem Potentiometer ein Offset addiert werden. Die Lagekontrolle arbeitet so einfach wie möglich. Die Thermopiles erzeugen eine Messspannung, die in der Neutrallage ca. 2,5 V (Ucc/2) beträgt. Kippt das Modell über eine Fläche, steigt bzw. fällt dieser Wert. Der digitalisierte Wert wird normiert und als Gegenkopplung auf den Mischer geführt.

Einen Haken hat die Sache: Der Anstieg der Spannung ist nicht linear zur Neigung der Querachse und hängt zudem in seiner Amplitude auch von den vorherrschenden Umgebungsbedingungen (Wetter) ab. Streng genommen müsste die Spannungsänderung vor jedem Flug neu bestimmt werden. Es gibt also noch genug zu tun. Bevor die ersten Computerflüge erfolgen, sollte sicher sein, dass das Flugzeug überhaupt flugfähig ist. Mit anderen Worten: Fliegt das Modell nicht manuell, kann es auch ein noch so guter Flugcomputer nicht richten. Die Flugergebnisse mit einem Pilotenschüler als Steuerknüppelbetätiger stimmten hoffnungsvoll. Die ersten Landungen überstand das Modell in einem reparierfähigen Zustand. Man glaubt kaum, wie widerstandsfähig das Schaummaterial ist. Vorbehalte gegen den billig und wenig robust aussehende Schaumstoff verflogen schneller als gedacht, obwohl, das darf man sicher zugeben, betroffene Mienen beim Anblick des zerstörten Flugzeuges nach den ersten Abstürzen nicht ausblieben.