PSoCs

Eine andere Art der Embedded-Systementwicklung

21. Oktober 2022, 6:54 Uhr | James Davis, Marketing Director von Infineon Technologies
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© Infineon Technologies/WEKA Fachmedien

Seit der Einführung des PSoC 1 im Jahr 2002 wurden über 4 Milliarden PSoC-Mikrocontroller ausgeliefert. Die Bausteine zeichnen sich durch eine hohe Rechenleistung, niedrigen Energiebedarf und Mixed-Signal-Funktionen, eine Mischung, die bisher von keiner anderen SoC-MCU erreicht wurde.

In den frühen 1980er-Jahren kamen die ersten 8-Bit-Mikrocontroller wie der 6502, der Z80 und der 8051 auf den Markt. Sie lieferten außergewöhnliche Rechenkapazitäten in einem kompakten und relativ kostengünstigen Gehäuse für jedes Design, aber für andere Hardware-Funktionen waren zusätzliche ICs und Komponenten notwendig. Diese zusätzlichen ICs erhöhten die Stücklistenkosten (BOM), sorgten für eine komplexe Lieferkette und vergrößerten den Platzbedarf auf der Leiterplatte.

Das änderte aber nichts am Siegeszug der MCUs. Auch Cypress Semiconductor (2019 von Infineon übernommen) wollte darauf aufspringen, zögerte allerdings, weil es schon zu viele Anbieter gab. Cypress verfügte bereits über seine Siliziumoxid- und Nitridoxid-Silizium-Prozesstechnologie (SONOS) sowie einen MCU-Kern, konzentrierte sich aber damals noch auf eine Reihe komplexer programmierbarer Logikbausteine (CPLDs). Mit SONOS entwickelte das Unternehmen mehrere ASICs, darunter einen USB-Controller und einen Maus-IC, um die Nachfrage auf dem sich entwickelnden PC-Markt zu bedienen.

Anfang 2000 stellte Cypress fest, dass der 8-Bit-Markt von MCUs von ähnlichen Funktionen dominiert wurde. Um im MCU-Markt Fuß zu fassen und sich von der Konkurrenz abzuheben, musste eine 8-Bit-MCU mit ausreichend unterschiedlichen Funktionen entwickelt werden. Da die MCU nur ein Bestandteil eines Embedded-Systems ist, wurde überlegte, wie analoge und digitale Funktionen integriert werden können, die für die Ingenieure von Embedded-Hardware besonders hilfreich sind. Dieses Konzept wurde vom Cypress-Management übernommen, um eine einzigartige MCU mit programmierbaren und konfigurierbaren Mixed-Signal-Funktionen zu entwickeln.

PSoC 1

PSoC 1, ein auf SONOS basierendes programmierbares System-on-Chip, wurde 2002 auf den Markt gebracht. Es verfügte über einen 24-MHz-M8C-MCU-Kern. Die programmierbaren analogen und digitalen Funktionen des PSoC 1 wurden beim Start konfiguriert und ließen sich sofort umkonfigurieren. Zu den analogen Funktionen gehörten Operationsverstärker, Timer, Zähler und Pulsweitenmodulatoren (TCPWMs). Universelle digitale Blöcke (UDBs) ermöglichten die Entwicklung von seriellen Schnittstellen, digitalen Filterblöcken und primitiven Logikfunktionen.

Seit der Markteinführung hat PSoC 1 schnell Anhänger gefunden. Zum ersten Mal konnten Embedded-Ingenieure die Anzahl der Komponenten reduzieren, den Platz auf der Leiterplatte optimieren und die Gesamtkosten des Systems senken. Die Rekonfigurierbarkeit bot eine unmittelbare Abhilfe für die Nachbearbeitung von Leiterplatten in letzter Minute während des Prototypings und der Produktion aufgrund von Layoutfehlern, wodurch NRE (Non-Recurring Engineering) eingespart und Probleme bei der Zeitplanung vermieden werden konnten. Schnell begeisterten sich die Ingenieure für die praktisch unbegrenzten Designmöglichkeiten, die der programmierbare und rekonfigurierbare analoge sowie digitale Single-Chip PSoC 1 ermöglichte.

Bis 2012 wurden über eine Milliarde PSoC 1 ausgeliefert, und der Erfolg führte zu zwei neuen Produkten: PSoC 3 und PSoC 5. PSoC 3 verwendete den 8-Bit-Kern 8051, und PSoC 5 markierte den Übergang zu einer 32-Bit-Architektur mit einem Cortex M3-Kern. Sowohl PSoC 3 als auch PSoC 5 erweiterten die Liste der programmierbaren analogen und digitalen Funktionen und ergänzten sie um anwendungsspezifische Merkmale wie CAPSENSE, eine kapazitive Touch-Sensing-Technologie.

Die PSoC-Familie heute

Die aktuelle PSoC-Familie von Infineon umfasst PSoC 6 und PSoC 4 und gilt nach wie vor als der weltweit einzige programmierbare und rekonfigurierbare System-on-Chip-Mikrocontroller. PSoC 6 wurde so konzipiert, dass er die schnelle Entwicklung von IoT-Anwendungen ermöglicht. Bild 1 veranschaulicht einige potenzielle Anwendungsfälle. Mit einer Reihe von Dual-Core-SoCs mit niedrigem Energiebedarf, die mit Cortex-M4- und Cortex-M0+-Cores ausgestattet sind, können Embedded-Entwickler batteriebetriebene Produkte hinsichtlich Energie und Leistung optimieren. Automotive-qualifizierte Varianten von PSoC 6 sind ebenfalls verfügbar.

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Bild 1
Bild 1. IoT- und Unterhaltungselektronik-Anwendungsfälle für Infineon PSoC 6
© Infineon Technologies

Zu den programmierbaren Mixed-Signal-Funktionen gehören flexible UDBs für alle Peripherie-Schnittstellen und komplexe logische Verknüpfungen. Zu den analogen Blöcken gehören Analog-Digital-Wandler (ADCs), Digital-Analog-Wandler (DACs), Operationsverstärker und Komparatoren. Die kapazitive CAPSENSE-Multitouch-Touchsensorik bietet robuste Benutzeroberflächen für verschiedene Bildschirmgrößen. Einige PSoC-6-Bauteile verfügen auch über Bluetooth Low Energy (BLE) für die drahtlose Kommunikation. Bild 2 zeigt die funktionale Architektur von PSoC 6 auf hoher Ebene.

Bild 2
Bild 2. Die funktionsfähige Architektur von PSoC 6, mit Dual-Core-MCUs und analogen und digitalen programmierbaren und rekonfigurierbaren Blöcken
© Infineon Technologies

Beispiele für PSoC-6-Anwendungen sind tragbare Sportleistungsüberwachung, vernetzte Haussteuerungssysteme und intelligente Hotelzimmerschlösser.

Dagegen wurde der PSoC 4 für eine breite Palette komplexer industrieller, kommerzieller und Automotive-Embedded-Anwendungen entwickelt. Er bietet flexible und umfassende Mixed-Signal-Funktionen, BLE-Konnektivität, CAPSENSE und Motorsteuerungsfunktionen (Bild 3).

Bild 3
Bild 3. Das Portfolio der PSoC 4 MCUs
© Infineon Technologies

Der Chip ist in ein Portfolio von fünf verschiedenen Anwendungsfamilien unterteilt, die Funktionen für den jeweiligen Anwendungsfall integrieren. So zeigt Bild 4 beispielsweise das funktionale Blockdiagramm eines programmierbaren digitalen Single-Chip-SoCs PSoC 4200. Diese Produktreihe eignet sich für industrielle Systemsteuerungen, Haushaltsgeräte und Serveranwendungen in Unternehmen. Zu den konfigurierbaren und programmierbaren analogen Blöcken gehören zwei CAPSENSE-Berührungssensoren, ein 12-Bit 1-MS/s-Register für sukzessive Approximation (ADC), zwei Komparatoren und vier Operationsverstärker. Die digitalen Blöcke umfassen acht UDBs, acht konfigurierbare TCPWMs und vier serielle Kommunikationsblöcke (SCBs). Die SCBs können als I2C-Master oder -Slave, SPI- oder UART-Schnittstellen konfiguriert werden. Darüber hinaus sind Full-Speed-USB 2.0- und CAN-Controller integriert.

Bild 4
Bild 4. Die Merkmale des programmierbaren digitalen SoC PSoC 4200
© Infineon Technologies

Anwendungsbeispiele für den PSoC 4 sind Waschmaschinen-Controller, tragbare Blutzuckermessgeräte und digitale USB-Mikrofone.

Die Zukunft des PSoC

Die Eigenschaften des PSoC werden immer weiter ausgebaut, etwa mit programmierbaren und flexiblen Blöcken sowie branchenführenden Funktionen wie CAPSENSE. Die Produktentwicklungspläne für eine neue Generation von PSoC MCUs mit CAPSENSE-Funktionen der nächsten Generation sind bereits weit fortgeschritten. Kapazitive Touch-Sensing-Techniken sind ein vertrauter und intuitiver Aspekt vieler Unterhaltungselektronik-, Automotive- und Industrie-Designs. Die CAPSENSE-Technologie der nächsten Generation mit maschinellem Lernen wird Näherungs- und Gestenerkennung ermöglichen. Dadurch werden mit der nächsten Generation der PSoC MCUs mit CAPSENSE berührungslose, vorausschauende Schnittstellen zur Realität.


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