Embedded-Systeme aus einer Hand

Ein Embedded System besteht aus einer Hardware, also Mikrocontroller, Speicher und andere Peripherien, sowie Software. Außerdem sind noch Entwicklungswerkzeuge nötig. Da ist es schwer, den Überblick über die neuesten Errungenschaften zu behalten. Ein guter Distributor bietet all dies sowie weitere Dienstleistungen aus einer Hand.

Trotz der fortschreitenden Verschmelzung von Kommunikations-, Analog- und Rechnerfunktionen innerhalb einzelner Komponenten bleibt der Mikrocontroller das Herzstück der meisten Embedded-Designs. Aufgrund des Rückgangs der 32-Bit-ASPs und der geringeren Leistungsaufnahme bei höherer Befehlsdichte hat es in den letzten Jahren einen Trend von 8- und 16-Bit-Systemen hin zu komplexeren 32-Bit-Entwicklungen mit MCU-Technik gegeben.

Der heutige Marktführer bei eingebetteten 32-Bit-Mikrocontrollern ist zweifelsohne ARM, dessen Partner täglich über 16 Millionen MCUs absetzen. Das neueste Produkt von ARM für den Embedded-Markt ist der »Cortex M4«. Er ist für den Bereich Digital-Signal-Control (DSC) konzipiert, wo es auf eine möglichst effiziente Kombination von Steuerungs- und Signalverarbeitungskapazitäten ankommt.

Der M4 vereint DSP-Hardwareeinheiten, die gleichzeitig Multiplikation und Addition (MAC) in einem Maschinenzyklus sowie Gleitkomma-Arithmetik ausführen können, mit der kostengünstigen und anwenderfreundlichen Cortex-M-Familie mit geringer Leistungsaufnahme.

Dieser neue ARM-Kern eignet sich besonders für wachstumsträchtige Anwendungen wie Antriebstechnik, Power Management und Industrieautomatisierung. Viele führende Halbleiterhersteller fertigen den Cortex M4 mittlerweile in Lizenz.

Zu den ersten Lizenznehmern zählte Mitte 2010 Freescale Semiconductor mit seiner Produktfamilie »Kinetis« (Bild 1). Mouser war einer der ersten Distributoren, der diese Bausteinfamilie bereits im November desselben Jahres im Sortiment führte. Mit mehr als 200 pin-, peripherie- und softwarekompatiblen Derivaten ist der Kinetis auch sehr skalierbar.

Die MCU-Familie »STM32 F4« von STMicroelectronics kombiniert einen ART-Beschleuniger (Adaptive Real Time) mit einem Cortex M4, was die MCU bis zu einer Taktfrequenz von 168 MHz arbeiten lässt (Bild 2). Die »Stellaris LM4F«-Familie von Texas Instruments integriert moderne Bewegungssteuerungsfunktionen mit einer Vielzahl an Kommunikationsanschlüssen und ist für industrielle Anwendungen wie Klimatisierung, Industrieautomatisierung und Bewegungssteuerung gedacht.

Die Familie »LXP4300« von NXP Semiconductors rühmt sich damit, aus den branchenweit ersten asymmetrischen Dual-Core-Signalcontrollern zu bestehen, die einen Cortex M4 mit einem Cortex M0 kombinieren, der Datenverschiebungen und I/O-Handling optimiert. Mouser hat zurzeit viele MCUs und Kits der Familien Kinetis, STM32 F4 und LXP4300 sowie Entwicklungsboards für den LM4F232 ins Sortiment aufgenommen.

Zu guter Letzt hat Atmel seine MCU-Serie »SAM4S« angekündet, die mit 2 MByte großen Flash- und einen 192 KByte großen SRAM-Speicher die bisher höchste Speicherdichte einer Cortex-M4-MCU aufweist.

Echtzeitbetriebssysteme und Tools

Mit der neuen 32-Bit-Hardware werden Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) zunehmend unverzichtbar, damit die eingebetteten Systeme in Echtzeit oder in einem vorher festgelegten (meistens kurzen) Zeitraum auf Eingaben oder Ereignisse reagieren können. Der RTOS-Kernel weist den verschiedenen Applikationen CPU-Zeiten zu und steuert softwarebasiert die Abarbeitung kritischer Tasks innerhalb der vorgegebenen Zeiten.

Moderne Echtzeitbetriebssysteme wie das »µC/OS-III« von Micrium bieten einen präemptiven Multitasking-Kernel, der vielseitig einsetzbar ist, mit wenig Speicherplatz auskommt und sicherheitskritische Standards und Anforderungen erfüllt. Der Entwicklungsingenieur kann bei Embedded-Projekten aber nicht nur durch das RTOS, sondern auch durch sogenannte Middlewares wie TCP/IP-Protokoll-Stacks, USB-Hostcontroller-Stacks und eingebettete grafische Benutzerschnittstellen (GUI) eine Menge Zeit sparen.

Trotz rasanter Weiterentwicklung der Hard- und Softwaredesigns von Mikrocontrollern konnten die Entwicklungswerkzeuge Schritt halten, mit denen der Ingenieur die MCUs in ihren neuesten Entwürfen effektiv bewerten und testen kann. Viele Halbleiterunternehmen haben sich mit Fremdanbietern von solchen Tools arrangiert und nutzen deren Expertise, um kostengünstige, aber dennoch hochfunktionale und adaptive Lösungen zu entwerfen.

Darüber hinaus müssten die Entwickler von eingebetteten Systemen ihre Kenntnisse und Fähigkeiten in Bezug auf Programmierung, Debugging und Test stets auf dem neuesten Stand halten, um das Beste aus ihrem Design herausholen zu können. Das »Microcon-troller Development Kit MDK-ARM« von Keil ist eine vollständige Softwareentwicklungsumgebung, die speziell für Anwendungen mit Embedded-Mikrocontrollern konzipiert ist.

Im Verbund mit dem Debugger »ULINK Pro« wird dem Ingenieur ein integriertes und anwenderfreundliches System für das On-the-Fly-Debugging an die Hand gegeben. Der Softwaretool-Hersteller IAR hat seine JTAG-Emulatoren und -Software »J-Link Lite« mit dem System-Entwicklungskit »Kinetis K60/Tower« von Freescale gebündelt. Damit möchte sich Mouser als die Adresse für aktuellste Software und Werkzeugketten etablieren, mit denen Designingenieure die neuesten eingebetteten Systeme und Anwendungen entwickeln, evaluieren und von Fehlern bereinigen können.

Connectivity gewährleisten

Immer mehr eingebettete Systeme halten Einzug in tragbare Geräte mit geringer Leistungsaufnahme und Wireless-Schnittstellen, besonders in der Konsumelektronik. Patientenüberwachung und medizintechnisches Prüfgerät gehen über in Handheld-Formate, die ihren Strom aus Akkus beziehen. »Qi« ist ein drahtloses Ladesystem, das vom Wireless Power Consortium (WPC) entwickelt worden ist, einer Gruppe von über hundert Unternehmen, die sich die Produktinteroperabilität im Bereich der draht- oder auch kontaktlosen Akkuaufladung zum Ziel gesetzt hat.

Viele der führenden Halbleiterunternehmen wie Texas Instruments, Maxim Integrated Products, Vishay Intertechnology, Freescale Semiconductor, ON Semiconductor und Fairchild Semiconductor gehören dem WPC an. Qi arbeitet nach dem Prinzip der magnetischen Induktion. Durch Anlegen eines Wechselstroms an einer Sendespule wird an der Empfängerspule eine Spannung induziert, die zum Laden eines Akkus verwendet werden kann. Um jedoch einen optimalen Wirkungsgrad zu gewährleisten, müssen zwischen Sender und Empfänger beispielsweise Steuer- und Kontrollsignale für den Ladezustand ausgetauscht werden.

Während heutige Anwendungen vielleicht Handys und Tablet-PCs aufladen können, hat Qi das Potenzial, implantierte medizinische Geräte aufzuladen. Texas Instruments ist bei der Bauteilentwicklung für den Qi-Standard an vorderster Front zu finden. Der Controller der zweiten Generation für die drahtlose Energieübertragung, der »bq500210«, integriert sämtliche Funktionen zur Steuerung der Energieübertragung.

Der bq51011 ist ein Qi-Empfänger der zweiten Generation. Zusammen mit der Empfängerspule »IWAS« von Vishay bilden sie ein vollständig Qi-konformes Aufladungssystem, das mit anderen Qi-konformen Geräten zusammenarbeiten kann. Damit die Kunden von Mouser stets über die letzten Weiterentwicklungen in Embedded- und sonstigen Technologien informiert sind, gibt es auf der Website mehr als 1900 produkt- und technikbezogene Schulungswebseiten, die »Product Knowledge Centers« (PKC), mit detaillierten Informationen, Anwendungshinweisen und den wichtigsten Eigenschaften und Leistungsdaten.

Darüber hinaus bietet die Internetseite direkten Zugriff auf mehr als sechs Millionen herunterladbare Datenblätter und Referenzdesigns, damit Entwicklungsingenieure ihre Produkte schneller auf den Markt bringen können. Da die Kunden- und Branchen-anforderungen bei Embedded-Designs stark ansteigen, muss jede Schnittstelle in der Kette Halbleiterproduzent - Entwicklungstool-Hersteller - Distributor perfekt abgestimmt sein.

Mouser sieht sein Leitziel darin, die Entwickler überall auf der Welt dabei zu unterstützen, ihre Produkte schneller auf den Markt bringen zu können. Ihr Beitrag hierzu besteht darin, modernste Technologien und neueste Produkte von über 450 Anbietern bereitzustellen. Zudem können sich die Entwickler laut Mouser darauf verlassen können, nicht nur die neuen Produkte, sondern schon die nächste Generation an Embedded-Prozessoren und -Entwicklungstools vom Vertragsdistributor zu bekommen.

Über den Autor:

Mark Burr-Lonnon ist Vice President of EMEA Business bei Mouser.