Startseite > Halbleiter > Mikrocontroller > XMC1000: Peripheriewunder mit Cortex-M0

Infineons neue Low-Cost-Mikrocontroller

XMC1000: Peripheriewunder mit Cortex-M0

8. Januar 2013, 9:23 Uhr | Frank Riemenschneider

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 5

Lighting für Fortgeschrittene

Während der XMC1300 mit CCU8 und POSIF für Motorsteuerungs- und Leistungswandlungs-Anwendungen optimiert wurde, ist der XMC1200 in Hinblick auf Mensch-Maschine-Schnittstelle und LED-Steuerung entwickelt worden. Die sogenannte LEDTS (LED- und Touch-Sensor-Steuerungseinheit) vereint die gleichzeitige Ansteuerung von LEDs (bis zu 64 LEDs in einer 8×8-Matrix) und von kapazitiven Touch-Pads. Dies erfolgt in einem Zeitmultiplex-Verfahren (mehrere Signale werden zeitversetzt übertragen, sie sind zeitlich ineinander verschachtelt), so dass LEDs und Touch-Pads dieselben Pins nutzen können. Auch wenn die Touch-Funktionalität natürlich gegenüber High-End-Lösungen wie Atmels maXtouch-Technologie nicht mithalten kann, reicht sie für die angestrebten Industrieanwendungen (im Gegensatz zu Smartphones oder Tablets) in den meisten Fällen aus und ist vor allen Dingen deutlich preisgünstiger zu haben.

Mit der BCCU (Helligkeits- und Farbsteuerungseinheit) wurde ein IP-Block entwickelt, der mit minimalem Code-Aufwand automatisch die Helligkeit und Farben von Mehrkanal-LED-Lampen steuert und zwar in einer Weise, dass die Übergänge für das menschliche Auge natürlich erscheinen. Das Ziel war, eine komplett flimmerfreie LED-Beleuchtung zu ermöglichen. Unter Flimmern versteht man den subjektiven Eindruck einer Instabilität der visuellen Wahrnehmung, hervorgerufen durch einen Lichtreiz, dessen Leuchtdichte oder Spektralverteilung mit der Zeit schwankt. Flimmern ist also der subjektive Eindruck von Leuchtdichteänderungen.

Aber nicht jede Leuchtdichteänderung (Helligkeitsschwankung) wird als Flimmern wahrgenommen. Die Bemerkbarkeitsschwelle für Leuchtdichteänderungen ist eine frequenzabhängige Größe, die angibt, ab welcher relativen Leuchtdichteänderung bei einer gegebenen Frequenz diese wahrgenommen wird. Die Bemerkbarkeitsschwelle wurde in den 1970er Jahren anhand von Personenversuchen empirisch ermittelt. Diese Erkenntnisse sowie eigene Untersuchungen von Infineon wurden bei dem Design der BCCU genutzt.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird automatisch mit Hilfe eines 12-bit-Delta-Sigma-Modulators für jeden der vorhandenen neun Kanäle individuell ein Bitstrom generiert, mit welchem unterschiedlichste LED-Treiber angesteuert werden können. Die Bitrate kann – idealerweise zwischen 40 und 200 kbit/s – angepasst werden. Im Gegensatz zum üblichen Verfahren mit PWM und Variation des Tastverhältnisses hat man hier keine feste Frequenz; durch die hohe Bitstrom-Frequenz bekommt man vielmehr eine höhere Auflösung des Helligkeitswertes bzw. bei dreikanaligen RGB-Lampen des Farbwertes.

Wie in Bild 7, das eine Anwendung mit einer RGB-Lampe zeigt, ersichtlich ist, sind das Herzstück der BCCU drei sogenannte Dimming Engines. Diese verändern die Helligkeit auf einer Exponentialkurve, so dass sie vom menschlichen Auge, das selber logarithmisch arbeitet, als angenehm empfunden wird. Im flachen Bereich der Kurve gibt es nichtsdestotrotz das Problem, dass durch die langsamen Helligkeitsveränderungen jede Veränderung sichtbar wird. Deswegen kann man künstlich Pulse mit ansteigendem Tastverhältnis einbauen (statt eines konstanten Signals), wodurch diese Übergänge wieder unsichtbar werden. Die drei Dimming Engines können beliebig den neun Kanälen zugeordnet werden. So kann man z.B. drei RGB-Leuchten oder eine Straßenleuchte mit bis zu neun LED-Strängen ansteuern.

Viele LED-Treiber-ICs haben definierte Minimalzeiten hinsichtlich der Pulsdauer für einen stabilen Betrieb, der BCR450 von Infineon z.B. 10 µs. Falls nun einzelne Pulse im Bitstrom der BCCU zu kurz sind, kann man diese über eine gewisse Zeitdauer mit dem sogenannten Packer aufkumulieren, z.B. bei vier zu kurzen Zuständen „0“ und fünf zu kurzen Zuständen „1“ im Zeitraster T, so dass am Ausgang des Packers die jeweiligen Zeiten in den Zuständen „0“ und „1“ im Zeitraster T immer größer als die geforderten 5 µs sind.

Ein Linear Walker genannter Block kommt bei Farbwechseln von RGB-Lampen zum Einsatz. Will man von Farbe A auf Farbe B wechseln, hat man im dreidimensionalen Farbraum für jeden Farbanteil in der Regel ein unterschiedlich großes Delta zu durchlaufen. Der Linear Walker passt die Frequenz des Bitstroms für jeden Kanal so an, dass ausgehend von Farbe A der Zielpunkt von Farbe B im Farbraum für jeden der drei Kanäle (Rot, Grün, Blau) zum exakt gleichen Zeitpunkt erreicht wird und zwar innerhalb einer vordefinierten Zeit T. Der Farbübergang findet mit diesem Verfahren natürlich fürs Auge wesentlich angenehmer und vor allen Dingen ohne komplizierte Software-Algorithmen statt.

Last but not least stellt die BCCU auch Trigger-Signale für den A/D-Wandler bereit, damit dieser z.B. synchronisiert Ströme in mehreren LED-Strängen messen kann. Man kann sogar mit Hilfe von CCU4, CCU8 und einigen passiven Komponenten LED-Stränge ohne Treiber-IC ansteuern – dies ist aber sicherlich ein Design für Fortgeschrittene, die einem enormen Kostendruck ausgesetzt sind.