Новые микроконтроллеры семейства XMC4000 для промышленных приложений

Для создания уникального семейства 32-разрядных микроконтроллеров (МК) XMC4000 на базе процессора ARM Cortex-M4 компания Infineon воспользовалась опытом проектирования МК для критичных по управлению систем реального времени и ядром промышленного стандарта. Аббревиатура XMC (Cross-Market Microcontrollers) означает семейство микроконтроллеров, предназначенных для широкого ряда индустриальных применений. Целевыми сегментами этого изделия являются энергоэффективные приводы, возобновляемые источники энергии, системы автоматизации на производстве и в зданиях. В статье обсуждаются особенности архитектурных решений, номенклатуры и ключевых инновационных технологий компании Infineon, использованных в данном семействе микроконтроллеров.
В устройствах семейства XMC4000, предназначенных для создания энергоэффективных решений, сочетается популярный набор конфигурируемой периферии компании Infineon, быстродействующая технология встроенной флэш-памяти, стандарты высокого качества, долговечность и расширенный диапазон рабочих температур (вплоть до 125°C), который соответствует требованиям автомобильных приложений. Следует отметить, что компания Infineon является ведущим поставщиком компонентов для автомобильного рынка. Благодаря инструментам разработки семейства DAVE–DAVE 3, в которых воплощен революционный подход для сокращения затрат на создание программного обеспечения, разработчики промышленных систем могут опираться на мощную микроконтроллерную платформу при создании разнообразных промышленных приложений.
Новое семейство XMC4000 (см. рис. 1), выпуск которого стартует с серии XMC4500, предназначено для решения следующих задач: разработка систем на базе микроконтроллеров для промышленных приводов, систем автоматизации и возобновляемых источников энергии (повышение энергоэффективности), совершенствование коммуникационных возможностей и снижение сложности программного обеспечения. Все эти вопросы возникают в процессе создания многих современных проектов.

Рис. 1. Семейство микроконтроллеров XMC4000 компании Infineon

С одной стороны, на рынке наблюдается рост активности в сфере создания систем с питанием от возобновляемых источников энергии. С другой стороны, наилучшим путем сокращения выбросов CO2 является снижение общего энергопотребления, причем, электроприводы играют ключевую роль в суммарном потреблении электроэнергии. Согласно исследованиям ассоциации VDE, электроприводы, используемые в промышленности и домашних хозяйствах, потребляют примерно 50% от общей расходуемой энергии. По данным ассоциации VDE, самые эффективные 3-фазные электроприводы мощностью 1,1…37 кВт обеспечивают наибольший потенциал для экономии электроэнергии.
Существует ряд способов, с помощью которых микроконтроллеры могут улучшить энергоэффективность системы: более высокая производительность вычислений позволяет увеличить быстродействие цепей управления и использовать более совершенные алгоритмы; оптимизированная периферия обеспечивает более быстрые и точные измерения аналоговых сигналов и формирование ШИМ-сигналов. Новое семейство 32-разрядных микроконтроллеров XMC4000 обладает всеми указанными функциями и позволяет создавать энергоэффективные проекты.

Расширение коммуникационных возможностей представляет собой еще одно ключевое направление развития встраиваемых систем. Эта тенденция имеет два направления — организация связи в пределах критичного по управлению домена, работающего в режиме реального времени, и организация связи с внешними системами. Для функционирования критичного по управлению домена, работающего в режиме реального времени, широко используются такие простые стандарты как UART, SPI, IO-Link или фирменные протоколы, которые являются вполне эффективными и надежными. Для удовлетворения требований по увеличению пропускной способности, которая в будущем может стать весьма популярной, используется технология Ethernet реального времени. Однако в настоящее время существует слишком много разновидностей этой технологии, а единый утвержденный стандарт отсутствует. Для связи с внешними системами применяются два типа подключения — при обновлении кода вручную или его загрузке требуются высокоскоростные интерфейсы, например, USB или SD/MMC для доступа к картам памяти. Для удаленного управления, мониторинга или поддержки технологического процесса в качестве основного стандарта применяется Ethernet.

Оба указанных направления развития коммуникационных возможностей повышают требования к программному обеспечению. Ряд проведенных отраслевых исследований подтвердил, что сложность программного обеспечения является одной из главных проблем при проектировании встраиваемых систем. Это особенно важно для небольших и средних компаний со сравнительно малочисленным составом разрабатывающих групп (порядка десяти инженеров). Наиболее сложные проблемы связаны с решением таких задач как разработка коммуникационных протоколов, интеграция операционной системы и повторное использование оптимизированных алгоритмов.

Компания Infineon выбрала для семейства XMC4000 процессорное ядро ARM Cortex-M4. Основной причиной выбора ядра M4 вместо M3 является поддержка DSP-команд и модуля вычислений с плавающей запятой. Это позволило удвоить производительность вычислений по сравнению с семействами микроконтроллеров на базе 16-разрядного процессора C166, которые с момента своего появления в начале 1990-х гг. были признаны ведущими процессорами для вычислений в режиме реального времени. Для достижения более высокой производительности в режиме реального времени компания Infineon постоянно развивает семейства изделий на базе архитектуры TriCore. Значительным преимуществом семейства XMC4000 является доступность обширного набора средств поддержки и программного обеспечения от сторонних организаций для архитектуры ARM Cortex-M как широко используемого стандартного процессорного ядра.

Номенклатура семейства XMC4000 содержит пять серий — XMC4100, XMC4200, XMC4400, XMC4500 и XMC4700 (см. рис. 2). Они различаются по частоте, объему памяти, числу портов ввода/вывода, а также типу и доступности периферии (см. рис. 3). Базовая архитектура, включающая высокопроизводительную флэш-память, которая используется также в микроконтроллерах TriCore для автомобильных приложений, высокоскоростную шинную архитектуру и две периферийные шины, идентична для всех членов семейства (см. рис. 4). Вся периферия оптимизирована под высокоуровневое программирование. Она построена на базе гибких аппаратных модулей, которые можно конфигурировать программным способом под требования приложения. Таким образом, было заранее определено, что вся номенклатура XMC4000 является масштабируемой и совместимой, что обеспечивает простой переход от одной серии к другой. Интегрированная схема возбуждения преобразователя координат (резольвера) и сигма-дельта-демодулятор представляют собой примеры уникальных функций семейства, которые позволяют сократить список комплектующих и материалов, а также снизить стоимость и сложность системы.

Рис. 2. В состав семейства XMC4000 входит пять серий: XMC4100, XMC4200, XMC4400, XMC4500 и XMC4700

Рис. 3. Серии микроконтроллеров семейства XMC4000 различаются по частоте, объему памяти, числу портов ввода/вывода и набору периферии

Рис. 4. Базовая архитектура семейства XMC4000 содержит флэш-память, шинную матрицу и две периферийные шины. Все члены семейства различаются, главным образом, набором периферии

XMC4000 содержит ряд инновационных периферийных устройств (см. рис. 5), например, заново разработанный блок таймеров генерации ШИМ-сигналов для эффективного управления всеми типами электроприводов и инверторов. С появлением такого периферийного устройства компания Infineon подняла на новый уровень свои технологии и опыт в области разработки таймеров — блок захвата/сравнения (CCU6), который компания Infineon представила примерно 10 лет назад для своего 16-разрядного семейства, все еще признают лучшим модулем для управления электроприводами. Модуль таймеров общего назначения (GPTA) в семействе TriCore считается лучшим в своем классе устройством управления двигателями. В настоящее время Infineon создала усовершенствованные модули таймеров для промышленных приложений. Ключевыми преимуществами новых таймеров CCU4 и CCU8 являются следующие особенности.

Рис. 5. Семейство XMC 4000 содержит инновационную периферию, в т.ч. четыре параллельных 12-разрядных АЦП, дельта-сигма демодуляторы и таймеры (CCU4/CCU8)

Они содержат несколько идентичных секций захвата/сравнения, которые могут быть, например, легко соединены последовательно. Их наборы регистров и аппаратная симметрия позволяют легко отобразить аппаратную конфигурацию в высокоуровневых структурах данных или осуществить перемещение кода с одного блока на другой. Идентичные повторяющиеся аппаратные структуры позволяют программным способом повторно использовать секции таймера. Другим усовершенствованиями являются: ШИМ с прореживанием для повышения разрешения и уменьшения электромагнитных помех, плавающий предварительный делитель частоты, возможность асимметричной генерации ШИМ-сигналов, возможность генерации асимметричной паузы для нарастающего и спадающего фронта сигнала и др. Серии XMC4400, XMC4200 содержат модуль ШИМ высокого разрешения с разрешением 150 пс. Эта специализированная периферия обеспечивает максимальную эффективность преобразования энергии, требуемой в источниках питания или инверторах солнечных батарей.
В микроконтроллерах семейства доступно до двух модулей интерфейсов позиционирования, предназначенных для подключения квадратурных кодеров, датчиков Холла или многоканальных данных позиционирования. Эти модули обеспечивают входную фильтрацию, детектирование фронта сигнала и формируют управляющие сигналы для блока ШИМ.
Семейство XMC4000 содержит до четырех параллельных 12-разрядных АЦП с временем выборки 70 нс и временем преобразования 500 нс. В целом, эти четыре блока АЦП обеспечивают 26 высокоскоростных каналов аналого-цифрового преобразования. Благодаря алгоритму передискретизации разрешение может быть увеличено до 14 бит.
АЦП оптимизированы для различных автономных режимов работы, которые позволяют либо сократить число внешних компонентов, либо снизить нагрузку на процессор. Примерами таких режимов могут служить: режим быстрого компаратора, детектирование пересечения нуля, преобразование множества сигналов в программируемой последовательности, проверка достоверности сигналов, разрешение конфликтов в случае нескольких процессов преобразования, обработка результирующих данных (IIR-/FIR-фильтрация) и т.д.
Если требуются высокоточные измерения или измерения с гальванической развязкой, XMC4000 использует до четырех интерфейсов дельта-сигма для демодуляции и фильтрации четырех потоков данных. Благодаря таким оптимизированным возможностям АЦП, XMC4000 обеспечивает широкий спектр приложений для управления инверторами в системах с электроприводами и возобновляемыми источниками энергии.

XMC4000 оптимизированы для управления инверторами в системах, использующих электроприводы и возобновляемые источники энергии (см. рис. 6). Улучшение эффективности инверторов требует параллельного измерения трех фаз тока и дополнительных параллельных измерений входных токов или других параметров окружающей среды. XMC4000 решает эти задачи с помощью четырех параллельных 12-разрядных АЦП. Обладая частотой выборки 3,5 Мвыб./с, эти АЦП не только демонстрируют весьма высокое быстродействие, но и способны выполнять последующую обработку данных с помощью цифровых фильтров, например, при реализации алгоритма передискретизации. С одной стороны, это разгружает процессор, а с другой, улучшает производительность в режиме реального времени, поскольку периферия может работать без каких-либо непроизводительных потерь, связанных с программным обеспечением.

Рис. 6. Семейство XMC 4000 оптимизировано для управления инверторами в системах, использующих электроприводы и возобновляемые источники энергии

Измерения тока с гальванической развязкой поддерживаются встроенным дельта-сигма-демодулятором. Это позволяет снизить стоимость системы при работе с внешним изолированным дельта-сигма АЦП. В отличие от существующих систем, такое решение исключает необходимость применения дополнительной интерфейсной микросхемы.
Кроме быстрых 12-разрядных АЦП, новое семейство XMC4000 содержит усовершенствованные ШИМ-блоки и таймеры для эффективного управления приводами. Одной из сильных сторон всех семейств микроконтроллеров Infineon является тесная связь блоков генерации ШИМ-сигналов и АЦП. Это является ключевой особенностью, особенно важной для систем управления электроприводами, поскольку она значительно сокращает нагрузку на процессор за счет уменьшения прерываний и улучшает время реакции системы. В семействе микроконтроллеров XMC4000 эти возможности расширены в еще большей мере: вместо фиксированных аппаратных соединений в них реализована матрица межсоединений по типу FPGA, которая обеспечивает связь между различными выходными и входными запускающими сигналами аппаратных модулей.

Поскольку расширение коммуникационных возможностей является основным направлением развития микроконтроллеров, семейство XMC4000 поддерживает широкий спектр стандартов связи (см. рис. 7).

Рис. 7. Семейство XMC 4000 поддерживает широкий спектр коммуникационных стандартов

Связь с уровнем администрирования и управления устанавливается через интерфейсы USB OTG, Ethernet и SD/MMC. Обеспечена поддержка разных видов USB-соединений: высокоскоростной/полноскоростной (high-speed/full-speed), хост/устройство (host/device). Ethernet обладает функцией временных меток в соответствии с IEEE 1588, что позволяет создавать решения на базе программного обеспечения Ethernet реального времени. Кроме того, связь в пределах встраиваемой системы может быть установлена при использовании до трех узлов MultiCAN и до шести универсальных каналов с последовательным интерфейсом. Оба аппаратных модуля обладают высокой гибкостью и значительно разгружают центральный процессор благодаря предварительной фильтрации или буферированию сообщений. Универсальные каналы с последовательным интерфейсом могут быть свободно определены программным путем для реализации следующих стандартов: UART, SPI, Quad-SPI, IIC, IIS, LIN. Это существенно расширяет возможности для разработчиков программных и аппаратных средств и обеспечивает создание перспективных решений на базе масштабируемой платформы. Для внешней памяти и устройств ввода/вывода с распределением памяти в XMC4000 предусмотрен высокоскоростной параллельный интерфейс внешней шины.

Помимо ряда коммерческих инструментальных средств разработки от сторонних организаций компания Infineon предлагает бесплатную программную среду разработки на базе Eclipse — DAVE 3. Эта новая версия DAVE включает в себя бесплатный набор инструментов и расширяемый генератор автокода, облегчающий использование предустановленных программных компонентов, которые могут быть выбраны и скомпонованы графическим путем. В отличие от использования библиотек и примеров кода, этот новый подход обеспечивает более высокий уровень программной абстракции, более простую интеграцию и поддержку. Это открытая платформа, допускающая простое расширение и адаптацию, например, добавление приложений от сторонних организаций на основе комплекта для разработки ПО (SDK).
С помощью интерактивного магазина DAVE пользователь присоединяется к непрерывно растущему сообществу разработчиков: можно загружать и коллективно пользоваться протестированными драйверами низкого уровня, ОС реального времени, программными стеками и высокоуровневыми приложениями. Хотя основной упор сделан на бесплатных программных компонентах, с помощью DAVE 3 можно также интегрировать коммерческие программные компоненты сторонних организаций. Кроме бесплатного компилятора, компоновщика, отладчика и флэш-загрузчика доступны также программные модули от поставщиков коммерческих программных средств. Такой подход позволяет заказчику получить преимущества: работая в привычной среде проектирования, он может использовать инструмент DAVE 3 для генерации автокода.

Образцы головной серии XMC4500 появились на рынке в августе 2011 г. После масштабных испытаний поставка образцов заказчику началась в марте 2012 г. Программная среда разработки DAVE 3 компании Infineon, широкий набор инструментов сторонних организаций и оценочные комплекты стали доступными в то же самое время. Крупносерийное производство XMC4500 начнется во I кв. 2012 г. Серии XMC4400, XMC4200 и XMC4100 начнут выпускать в I кв. 2013 г., а образцы будут доступны в IV кв. 2012 г.

Подробнее узнать о семействе XMC4000 и всех доступных вариантах исполнения, примерах приложений и подробности заказа можно на сайте компании www.infineon.com/xmc. Программную среду DAVE можно загрузить с www.infineon.com/dave.