Anwendungsbeispiel ARM-Cortex ARM-Architekturen in Industrie-Steuerungen

Die Leistungsaufnahme & Peripherie

Leistungsaufnahme

Während es bei portablen Designs vorrangig um die Stromaufnahme des Prozessors geht, gilt das Augenmerk der Designer industrieller Systeme dem Ziel, die Langzeit-Energiekosten möglichst gering zu halten.

Auf Elektromotoren, die man in Fabriken und Verarbeitungsanlagen praktisch überall antrifft, entfällt ein Großteil des Energiebedarfs. Es mag überraschen, dass das deterministische Verhalten des MCU-Cores von entscheidender Bedeutung für den Wirkungsgrad ist. Im Fall des Cortex-M3 nimmt das System insgesamt weniger Strom auf, denn eine um 60 Prozent schnellere Reaktion auf Interrupts bedeutet, dass die MCU die Motoren um 60 Prozent schneller starten und stoppen kann.

Abgesehen davon lässt sich die Rechenleistung des Cortex-M3-Cores zur Implementierung einer intelligenten digitalen Kommutierung nutzen, die es unter Umständen möglich macht, die Applikation mit einem kleineren Motor zu bestücken, einen Motor mit höherem Wirkungsgrad zu wählen oder die Leistungsfähigkeit des vorhandenen Motors zu steigern, etwa durch Ansteuerung eines Wechselstrom-Asynchronmotors per Raumzeiger-Modulation anstelle eines einfachen Sinus-Algorithmus. Die Stellaris-MCUs sind mit speziellen PWM-Funktionen für die Motorregelung ausgestattet, die über Totzeit-Kompensation und QEI (Quadratur Encoder Interface) für die Regelung verfügen.

Ein weiterer Aspekt im Zusammenhang mit der Leistungsaufnahme ist der Trend zu vollständig geschlossenen Fabrikautomations-Systemen zum Schutz vor Staub und anderen Verunreinigungen, die in Fabrikumgebungen üblich sind. Reicht zum Kühlen des Prozessors und der zugehörigen Elektronik kein Kühlkörper mehr aus, muss der Designer Lüftungsöffnungen und Ventilatoren vorsehen, was der ursprünglich mit einem geschlossenen System verbundenen Intention zuwiderläuft, oder es muss eine Zwangsbelüftung mit teurer Luftfilterung eingesetzt werden. Die MPUs der Sitara-Reihe tragen dem Wunsch nach möglichst geringer Leistungsaufnahme mit adaptiven Software- und Hardware-Techniken Rechnung, die die Betriebsspannung, die Taktfrequenz und die Leistungsaufnahme dynamisch an die jeweilige Aktivität des ICs anpassen.

Peripherie und I/Os

In industriellen Anwendungen sind Funktionen wie zum Beispiel sehr schnelle GPIOs, Pulsbreitenmodulation (PWM), Quadratur-Encoder-Eingänge (QEI) und A/D-Wandler nicht nur für Motorregelungen wichtig , sondern auch für andere Maschinen und Verarbeitungsanlagen. Ein Beispiel ist die Programmable Real-Time Unit (PRU) der ARM9-basierten Sitara-MPUs. Die PRU ist im Prinzip ein kleiner Prozessor mit eingeschränktem Befehlssatz. Dieser kann zur Bereitstellung bestimmter Ressourcen für Echtzeit-Funktionen konfiguriert werden, die auf dem Chip nicht verfügbar sind.

In industriellen Steuerungs-Applikationen wird die PRU in der Regel für I/O-Funktionen konfiguriert. Durch den Einsatz der PRU lassen sich gegenüber der Verwendung eines externen Chips für dieselbe Funktion Systemkosten sparen. Unter anderem können mit der PRU auch weitere Standard-Schnittstellen wie ein UART oder industrielle Feldbusse (z.B. Profibus) implementiert werden. Da die PRU frei programmierbar ist, lassen sich jedoch auch kundenspezifische Schnittstellen realisieren.

Die PRU kann dank ihrer Programmierbarkeit in verschiedenen Verarbeitungs-Szenarien für unterschiedliche I/O-Typen genutzt werden, um die Stromaufnahme zu senken und die System-Performance zu steigern. Unter anderem kann die PRU bestimmte kundenspezifische Datenbehandlungs-Aufgaben übernehmen, damit der ARM9-Prozessor entlastet werden kann.