Cortex-M0+-MCU-Familie
Eine Plattform für alles
Eine kostengünstige 32-bit-MCU-Familie auf Basis des Prozessorkerns Cortex-M0+, die einen großen Leistungsbereich abdeckt und gleichzeitig über wichtige Analogfunktionen verfügt, hilft Entwicklern dabei, eine Softwareplattform für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln.
Mikrocontroller (MCUs) erfüllen in Embedded-Systemen ähnliche Aufgaben wie die Flugsicherung auf einem Flughafen. Sie nehmen Informationen aus ihrer Umgebung entgegen, führen aufgrund dieser Informationen bestimmte Aktionen durch und kommunizieren mit anderen Systemen. Sie managen und kontrollieren Signale in einer nahezu endlosen Vielzahl elektronischer Systeme – von Digitalthermometern über Rauchmelder bis hin zu Motoren in Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystemen.
Damit embedded Systeme langlebig und bezahlbar bleiben, braucht es eine große Flexibilität. Mit dem gegenwärtig verfügbaren MCU-Portfolio stehen Entwickler aber einigen Einschränkungen gegenüber, beispielsweise inwieweit sie die Hardware und den Programmcode in aktuellen und künftigen Designs wiederverwenden können, aber auch in Hinblick auf die Rechenleistung, die integrierten Analogfunktionen und die verfügbaren Gehäuseoptionen. Diese eingeschränkte Flexibilität führt nicht selten dazu, dass MCUs von verschiedenen Herstellern bezogen werden müssen und mehr Zeit in die Reprogrammierung investiert werden muss, um die spezifischen Anforderungen der einzelnen Designs umzusetzen. All dies treibt nicht nur die Entwicklungskosten in die Höhe, sondern macht die Systeme insgesamt teurer und komplexer.
Die Arm Cortex-M0+-Mikrocontroller der Serie MSPM0 lösen das Problem, denn mit dieser Familie stehen den Entwicklern mehr Optionen, eine größere Designflexibilität und intuitivere Software und Tools zur Verfügung. Nachfolgend geht es darum, was diese Verbesserungen in den verschiedenen Kontexten praktisch bedeuten und welche potenziellen Anwendungen diese MCUs durch ihre breitere Palette an integrierten Analogoptionen und ihre Verarbeitungsfähigkeiten möglich machen.
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Mehr Optionen hinsichtlich der Rechenleistung
Mit dem Prozessorkern Cortex-M0+ wurde eine 32-bit-Verarbeitungsleistung für 8-bit- und 16-bit-Anwendungen erschlossen. Dennoch suchen Designer nach wie vor nach der größtmöglichen Rechenleistung, einschließlich zusätzlicher Software-Abstraktionsebenen, um die Wiederver-wendbarkeit und Langlebigkeit des Codes zu verbessern. Sie sind außerdem daran interessiert, Algorithmen mit zusätzlichen, auf extrem geringe Latenz angewiesenen Analysefunktionen ausstatten zu können, und sie wollen mehr Sicherheit im Sinne der Security umsetzen können.
Die Optionen, die MSPM0-MCUs bezüglich der Rechenleistung bieten, beginnen für einfache Anwendungsfälle mit einem Cortex-M0+-Prozessorkern, der mit 32 MHz getaktet ist, und reichen bis zu einer 80-MHz-CPU mit hardwarebeschleunigten Mathematikfunktionen, einschließlich beschleunigter Divi- sions-, Quadratwurzel-, Multiply-Accumulate- und Trigonometriefunktionen (Sinus, Cosinus, Arkustangens von x, Arkustangens von y/x – siehe Bild 1).
Bei einer Taktfrequenz von 80 MHz und nur zwei Flash-Wait-States können diese kostengünstigen MCUs der Serie MSPM0 G (wie etwa der Baustein MSPM0G3507, Bild 2) beispielsweise in folgenden Anwendungen eingesetzt werden:
➔ Motorsteuerung mithilfe einer sensorlosen Vektorregelung (Field-Oriented Control, FOC, feldorientierte Regelung) und einer Taktfrequenz von über 30 kHz, die sich durch eine reduzierte Regelkreislatenz dank der beschleunigten Mathematikfunktionen auszeichnet
➔ Mehrphasige Energieverbrauchsberechnung in Netzinfrastrukturen
Mehr integrierte Analogfunktionen.
Mehr integrierte Analogfunktionen
Die integrierten Funktionsblöcke der MSPM0-MCUs mit ihren flexiblen chipinternen Verbindungen – darunter z. B. A/D-Wandler (ADCs) in SAR-Technik (Successive Approximation Register) – können dazu beitragen, die Genauigkeit von Sensorschaltungen zu verbessern. Weitere Bestandteil dieser Funktionsblöcke sind beispielsweise driftfreie, Chopper-stabilisierte Operationsverstärker mit programmierbarer Verstärkung, die frei von Übernahmeverzerrungen sind. Die integrierten Transimpedanzverstärker bieten sich mit ihrem extrem geringen Eingangs-Biasstrom (150 pA) für die Implementierung von Photodioden-Schaltungen an.
Die Reduzierung des eingangsseitigen Offsets als Fehlerquelle macht es in kostenempfindlichen Sensing-Anwendungen möglich, den Pegel des Sensorsignals stärker anzuheben und gleichzeitig den verbleibenden Offset am Eingang über den Temperaturbereich gering zu halten. Das Resultat ist ein Plus an Genauigkeit für:
➔ Stromversorgungsanwendungen wie etwa Lade- und Messschaltungen für Batterien
➔ Überwachungs- und Echtzeitsteuerungsanwendungen wie etwa die Ansteuerung bürstenbehafteter und bürstenloser Elektromotoren in Hausgeräten, Elektro- und Gartenwerkzeugen
➔ Signalketten für medizinische Überwachungssysteme (z. B. Blutdruckmesser, Pulsoximeter und Thermometer)
➔ Anwendungen in der Gebäudeautomation wie etwa Rauchmelder oder PIR-Sensoren (Passiv-Infrarot-Sensor).
Der integrierte SAR-A/D-Wandler unterstützt den monotonen 12-bit-Betrieb bis zu 4 MSPS und den 14-bit-Betrieb bis zu 250 kSPS, wobei eine simultane Abtastung zum synchronisierten Messen zweier Signale möglich ist. Diese Funktionalität eignet sich für die Energieüberwachung im privaten und gewerblichen Bereich durch eine simultane 14-bit-Abtastung von Netzspannung und -strom sowie für die schnelle, latenzarme Abtastung (250 ns) in Antrieben, wie man sie beispielsweise in Kompressoren, Pumpen und Lüftern antrifft.
Zusammenfassung
Die Möglichkeiten, Embedded-Systeme mit neuen und verbesserten Funktionalitäten auszustatten, werden typischerweise durch die Erfassungsgenauigkeit und die Rechenleistung von Mikrocontrollern begrenzt, die in das vorgegebene Budget passen. Da außerdem immer mehr Entwickler eine Plattformsoftware erstellen wollen, die es ihnen ermöglicht, ein und dieselbe Softwarebasis für mehrere Anwendungen zu nutzen, ist es wichtiger denn je, die Entwicklung auf einem MCU-Portfolio mit skalierbaren Funktionen zu machen. Denn so kann sichergestellt werden, dass jedes Produkt mit einer kostengünstigen MCU ausgestattet werden kann, welche trotzdem die erforderlichen Sensing- und Verarbeitungsfähigkeiten mitbringt. Moderne MCU-Portfolios machen es möglich, neue Features ohne zusätzliche Kosten hinzuzufügen oder die Kosten unter Beibehaltung der bisherigen Features zu senken. Gleichzeitig ist die Entwicklung skalierbarer Software möglich, die sich in künftigen Designs wiederverwenden lässt.
Der Autor
Walter Schnoor
ist Systems Manager, MSP Microcontrollers bei Texas Instruments. Er verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung mit Mikrocontrollern und zwar in den Bereichen Hardware, Firmware, Systeme und Geschäftsentwicklung. Er erhielt einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik und Computertechnik vom Calvin College
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