Mikrocontroller – dsPIC-DSC-Evolution
Echtzeitsteuerung braucht Rechenleistung
Im Bereich der Embedded-Systeme steigt die Nachfrage nach präzisen, effizienten und echtzeitfähigen Steuerungen. Mikrocontroller (MCUs) sind nach wie vor die Komponenten, die in diesen Anwendungen bevorzugt genutzt werden, das heißt aber auch, dass sie steigenden Anforderungen gerecht werden müssen.
Mit den technischen Fortschritten durchlaufen auch kompakte und dennoch leistungsstarke MCUs einen deutlichen Wandel, um den ständig steigenden Anforderungen der verschiedenen Branchen gerecht zu werden. Diese Weiterentwicklung zeichnet sich anhand mehrerer Trends ab, die die Zukunft der Mikrocontroller prägen und den Bedarf an leistungsfähigeren Bausteinen mit fortschrittlichen Peripherieeinheiten für genaue und präzise Messungen vorantreiben. Gleichzeitig müssen die Hersteller auch daran arbeiten, die Nutzung dieser Komponenten durch ein komplettes Entwicklungsökosystem zu vereinfachen.
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Höhere Leistungsfähigkeit ist gefordert
Moderne MCUs müssen eine ganze Palette an Herausforderungen adressieren, angefangen bei der zunehmenden Softwarekomplexität bis hin zu einer höheren Energieeffizienz. Sie müssen außerdem über integrierte Peripherieeinheiten für multifunktionale Fähigkeiten verfügen und strenge Sicherheitsstandards erfüllen, und das sowohl im Safety- als auch im Security-Bereich.
Die Softwarekomplexität steigt
Dass die Softwarekomplexität steigt, zeigt sich an folgenden Trends:
➔ Modellbasierte Entwicklung – MCUs erleichtern jetzt das Rapid Prototyping und die Code-Generierung durch modellbasierte Designtools. Dies be- schleunigt die Entwicklung komplexer Software und die Markteinführung.
➔ Robuste Sicherheit und Schutz – mo- derne MCUs verfügen über umfassende Ökosysteme mit Verschlüsselungsmodulen, Secure Boot und fehlertoleranten Architekturen, um die Systemintegrität zu gewährleisten. MCUs müssen auch über die nötige Rechenleistung verfügen, um Diagnoseaufgaben aus dem Bereich der funktionalen Sicherheit und Security-Funktionen zusammen mit der Anwendung auszuführen zu können.
➔ Fortschrittliche Speicher und Verarbeitung – um den wachsenden Softwareanforderungen gerecht zu werden, verfügen MCUs über einen größeren Speicher und eine höhere Verarbeitungsleistung, um komplexe Anwendungen und Multitasking zu unterstützen.
Höhere Energieeffizienz
MCUs werden zunehmend mit fortschrittlichen Funktionen ausgestattet, um die Energieeffizienz des Systems zu verbessern. Dazu gehören innovative (und schnellere) Analogperipherieeinheiten, verbesserte Architekturen für eine höhere Code-Effizienz und eine höhere Leistungsfähigkeit, damit Entwickler effiziente Steuerungen für Motoren, Stromversorgungen und Ladesysteme realisieren können, ohne dabei Kompromisse in der Performance eingehen zu müssen. Darüber hinaus sind in die MCUs ausgefeilte Algorithmen zur dynamischen Regelung und Optimierung des Energieverbrauchs inte- griert, um maximale Systemleistung bei minimalem Energieverbrauch zu gewährleisten. Diese Verbesserungen verlängern die Batterielebensdauer tragbarer Geräte, verringern Umwandlungsverluste und senken die Energiekosten verschiedenster Anwendungen.
Ein Controller, mehrere Funktionen
Die Anforderung, dass ein Controller mehrere Funktionen bedient, erfordert folgende Ansätze:
➔ Multifunktionalität – ein All-in-One-Baustein mit synchronisierter Funktionsverwaltung.
➔ Schlanke Architektur – da- mit vereinfacht sich das Sys- temdesign, die Zahl zusätzlicher Kom- ponenten wird minimiert und die Leistungsfähigkeit verbessert.
➔ Integrierte Peripherieeinheiten - da- mit lässt sich Platz auf der Leiterplatte einsparen, die Systemkosten senken und die Abläufe beschleunigen.
➔ Kompakt und kosteneffektiv – er- leichtert die Entwicklung kleiner, wirtschaftlicher und dennoch leistungsstarker Elektroniksysteme.
Steigende Anforderungen an funktionale Sicherheit und Security
Systeme müssen immer höhere Sicherheitsanforderungen erfüllen, und das gilt sowohl für die funktionale Sicherheit (Safety) als auch in Hinblick auf Security. Damit ergeben sich folgende Anforderungen:
➔ Konform zu den Safety-Anforderungen – moderne MCUs, die für die Bereiche Automotive, Industrie und Consumer konzipiert sind, erfüllen Anforderungen gemäß ISO 26262, IEC 61508, IEC 60730 sowie anderer Normen. Sie bieten Fehlertoleranz, Fehlerkorrektur und Selbsttests, um Systemausfälle zu minimieren und den Schutz der Benutzer zu erhöhen.
➔ Verbesserte Security – um Cyber-Bedrohungen zu bekämpfen, verfügen MCUs über kryptografische Beschleuniger, Secure Boot und sichere Zugriffskontrolle. Damit lassen sich Daten und IP schützen.
Folglich müssen MCUs neben der primären Anwendung auch zusätzliche Safety- und Security-Funktionen ausführen. Dies erfordert eine erhöhte CPU-Bandbreite und damit eine verbesserte Leistungsfähigkeit der MCU.
Digital Signal Controller für Echtzeitanforderungen
Anwendungen, die von Embedded-Systemen bedient werden, erfordern Echtzeitsteuerungen mit schneller, deterministischer Reaktion für einen effektiven Betrieb. Hochentwickelte MCUs mit DSP-Funktionen sind für die schnelle Verarbeitung komplexer Algorithmen mit geringer Latenzzeit unverzichtbar. Dies ist entscheidend für Echtzeitanwendungen wie Motorsteuerung, Leistungswandlung und Sensorschnittstellen, bei denen zeitnahe und präzise Systemreaktionen erforderlich sind. Die dsPIC DSCs von Microchip sind ein Ansatz, mit dem sich die komplexen Anforderungen der Echtzeitsteuerung mit hoher Präzision und Zuverlässigkeit erfüllen lassen.
dsPIC33A-Serie, die neueste DSC-Generation von Microchip
Als Reaktion auf den Trend zu höherer Leistung entwickelt Microchip seine dsPIC DSCs weiter. Diese Weiterentwicklung umfasst neue Leistungsmerkmale, vergrößerte Speicher, schnellere und verbesserte Peripherieeinheiten sowie fortschrittliche Safety- und Security-Funktionen, um so die Anforderungen und Herausforderungen des Marktes erfüllen zu können.
Bild 2 zeigt die Entwicklung der dsPIC DSCs. Die neue Serie dsPIC33A ist die fünfte DSC-Generation von Microchip.
Die DSCs der Serie dsPIC33A bieten eine robuste, effiziente Plattform, die sich durch Speicherverwaltung, optimierte Ausführung und funktionale Sicherheit auszeichnet. Mit ihrer einheitlichen Speicherarchitektur, einer leistungsstarken 32-bit-CPU, einer Gleitkommaeinheit mit doppelter Genauigkeit (DP-FPU) und weiteren verbesserten Funktionen eignet sich die Serie für diverse Anwendungen und sorgt für eine präzise Echtzeitsteuerung.
Wie Bild 3 zeigt, weisen die neuen dsPIC33A-Komponenten folgende sechs Besonderheiten auf:
➔ 32-bit-CPU – dsPIC33A DSCs verfügen über eine 32-bit-CPU mit 200 MHz und einer Gleitkommaeinheit (DP-FPU) mit doppelter Genauigkeit, um die Leistungsfähigkeit digital geregelter Stromversorgungs- und Motorsteuerungsanwendungen zu verbessern. Darüber hinaus wird mit dieser CPU ein modellbasiertes Entwickeln und die Integration von Drittanbieter-Tools einfacher, die Genauigkeit wird erhöht und die Entwicklungsgeschwindigkeit beschleunigt.
➔ DP-FPU – die Gleitkommaeinheit ist IEEE 754-2019-konform und unterstützt eine einfache und doppelte Genauigkeit mit einer dedizierten Pipeline, was die Zuverlässigkeit der Software und die Regelkreisgeschwindigkeit verbessert. Gleichzeitig werden Softwarefehler im Zusammenhang mit der Skalierung von Variablen reduziert. Darüber hinaus sind Hardware-basierte Sinus- und Cosinus-Funktionen für eine bessere Motorsteuerung integriert.
➔ Verbesserte DSP-Engine und CPU – zu den Leistungsmerkmalen zählen zwei 72-bit-Akkumulatoren für eine hohe Auflösung und Genauigkeit mit einem deutlich geringeren Risiko von Über- oder Unterläufen in den Ergebnissen. Die 32-bit-Arbeitsregister bieten eine hohe Leistungsfähigkeit und Auflösung und minimieren die Notwendigkeit, Variablen zu skalieren. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von Über-/Unter- läufen. Die sieben Context-Switching-Register minimieren die Latenz in Echtzeitanwendungen.
➔ Fortschrittliche schnelle Peripherieeinheiten – die dsPIC33A-DSCs verfügen über einen 12-bit-A/D-Wandler mit 40 MSPS, einen Operationsverstärker mit einem Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (GBW, Gain-Bandwidth Product) von 100 MHz und schnelle Komparatoren mit einer Reaktionszeit von 5 ns, was die Latenzzeit für Motorsteuerungen, digital geregelte Leistungswandlung, Sensorschnittstellen und andere Echtzeitanwendungen verringert.
Darüber hinaus erleichtern spezielle Peripherieeinheiten wie QEI (Quadrature EncoderInterface) und BiSS-Interface (BiSS, Bidirectional Serial Synchronous) die Echtzeitverfolgung und den Datenaustausch für Motorwellenpositionen, ohne den Datenstrom zu unterbrechen. Core-unabhängige Peripherie wie Configurable Logic Cells (CLCs) und Peripheral Trigger Generators (PTG) optimieren die Effizienz der CPU, indem sie Aufgaben autonom ausführen, sodass sich die CPU auf kritischere Vorgänge konzentrieren kann.
➔ Verbesserte Security-Funktionen und Speicherarchitektur – die Sicherheit im Sinne von Security wird durch eine unveränderliche Vertrauensbasis (Immutable Root of Trust), sicheres Debugging und Zugriffsbeschränkungen auf Flash-Speicherbereiche erhöht. Die Komponenten bieten eine ECC-Funktionalität (Error Correction Code, Fehlerkorrekturverfahren) für den gesamten Speicher und eine Leistungs- und verbesserte Taktüberwachung, was ebenfalls die funktionale Sicherheit erhöht. Eine einheitliche Speicherarchitektur und Dual-RAM-Bänke optimieren die Leistungsfähigkeit und vereinfachen den direkten Speicherzugriff.
➔ Vereinfachtes Entwicklungs-Ökosystem – die neue dsPIC33A-Serie rationalisiert die Entwicklung von Embedded-Systemen mit ihrem modellbasierten Design. Der Befehlssatz (ISA, Instruction Set Architecture) ist kompatibel mit bestehenden dsPIC33 DSCs, sodass ein Übergang von anderen Bausteinen problemlos möglich ist. Die neue Serie lässt sich einfach in den MPLAB XC DSC-Compiler und den MPLAB Code Configurator integrieren. Für die Bausteine steht das dsPIC33A Curiosity Development Board (EV74H48A) zur Verfügung, das Entwickler mit Modulen für die Motorsteuerung, für die digital geregelte Stromversorgung und ande- re Embedded-Anwendungen einfach nutzen können. Das Ökosystem wird in Kürze erweitert, um die Unterstützung für modellbasiertes Entwickeln, Motorsteuerung und DSP-Algorithmen für Sensorik, digital geregelte Stromversorgung und andere Anwendungen zu verbessern sowie die funktionale Sicherheit zu erhöhen (Bild 4).
Anwendungen und Märkte
Die neuen dsPIC33A DSCs tragen dazu bei, die Leistungsfähigkeit von Echtzeitsteuerungen in verschiedenen Bereichen zu verbessern (Bild 5):
➔ Motorsteuerung – ob in der industriellen Automatisierung, in Fahrzeugen oder in der Robotik, die dsPIC DSCs sorgen für eine präzise Motorsteuerung und einen reibungslosen und effizienten Betrieb.
➔ Leistungselektronik – Wechselrichter, Wandler und Stromversorgungen profitieren von den dsPIC-DSCs, da sie zur präzisen Steuerung und Regelung der elektrischen Leistung beitragen.
➔ Sensorschnittstellen – die Echtzeitverarbeitung von Sensordaten ist bei der Instrumentierung und Überwachung entscheidend. dsPIC-DSCs verarbeiten Daten verschiedener Sensoren und gewährleisten schnelle und genaue Reaktionen, indem sie ihren Hochleistungs-Core und schnelle Analogperipherie nutzen.
Die erste Komponente aus der dsPIC33A-DSC-Reihe
Die ersten Komponenten aus der neuen Reihe, die dsPIC33AK128MC1xx DSCs, sind mit 128 KB Flash und umfangreichen Peripherieeinheiten ausgestattet (Bild 6). Sie sind in verschiedenen Gehäusen wie SSOP, VQFN und TQFP mit 28 bis 64 Pins und Abmessungen von 4 mm x 4 mm erhältlich. Zukünftige dsPIC33A-DSCs werden zusätzlichen Speicher, mehr Peripherieeinheiten und Pins aufweisen.
Neue Embedded-Zeitrechnung
Die dsPIC33A-DSCs von Microchip sind für Entwickler von Embedded-Systemen in den Bereichen Automotive, Industrie und Consumer eine wichtige Neuerung. Mit ihrem fortschrittlichen Prozessorkern, umfangreichen Peripherieeinheiten und vielseitigen Entwicklungstools ermöglichen die Bausteine komplexe Steuerungsalgorithmen, die den steigenden Anforderungen an Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Effizienz gerecht werden. Die dsPIC33A DSCs stehen für einen grundlegenden Wandel bei Echtzeitsteuerungen und versprechen eine neue Ära der Präzision, Zuverlässigkeit und Innovation – zu sehen auf der SPS 2024 in Halle 6, Stand 250.
Der Autor
Pramit Nandy
ist Product Marketing Manager bei Microchip Technology und konzentriert sich auf Motorsteuerungsanwendungen. Nandy ist seit 2021 für Microchip tätig, zuvor war er u. a. als Product Marketing Manager bei Onsemi. Er hält einen Master in Elektrotechnik von der Arizona State University und einen Bachelor in Mess-/Regelungstechnik vom College of Engineering Pune (COEP) der Technological University, Indien
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