Необходимость в соответствии рыночному спросу побуждает разработчиков встраиваемых систем искать инновационные решения. Например, современные микроконтроллеры должны отвечать потребностям проектируемых приложений. В течение нескольких последних лет уровень интеграции МК серии PIC от компании Microchip повышался, обеспечивая сбалансированное сочетание характеристик и функций этих устройств, которые отвечают нуждам каждого конкретного проекта. Эти новые микроконтроллеры со встроенной независимой от ядра периферией (Core Independent Peripherals, CIP) с улучшенными рабочими характеристиками обладают функциональной гибкостью и масштабируемостью при малом энергопотреблении, что делает их оптимальным выбором по соотношению цена/качество во множестве приложений. Перечислим некоторые наиболее заметные характеристики периферийных устройств в составе МК:

• независимые модули, которые функционируют без помощи центрального процессора (ЦП);

• специализированное оборудование, обеспечивающее высокую пропускную способность с почти нулевой задержкой;

• непосредственное взаимодействие с другими встроенными периферийными устройствами, позволяющее реализовать независимые системы с замкнутым контуром, благодаря чему повышается степень интеграции;

• интеллектуальные модули, для работы которых почти не требуются процессорные ресурсы;

• малое энергопотребление с возможностью работы в энергосберегающих режимах, что делает МК идеальным решением в приложениях с низкой потребляемой мощностью.

Независимая от ядра периферия реализована аппаратно, что оптимизирует затраты на обеспечение заданного функционала. Дополнительные расходы на проектирование системы с использованием CIP-устройств значительно ниже требуемых для реализации тех же функций, но с использованием встраиваемого ПО, которому необходима флэш-память, ОЗУ, ресурсы процессора и внешние компоненты. Независимая от ядра периферия позволяет МК PIC выполнять очень сложные и специализированные задачи без вмешательства ЦП. В результате снижается общее энергопотребление, а также высвобождаются ресурсы процессора для выполнения других задач. Кроме того, замена внекристальных дискретных компонентов интегрированной периферией позволяет существенно сократить перечень расходуемых материалов. Независимая от ядра периферия позволяет выполнять функции одновременно с задачами процессора без помощи дорогостоящего микроконтроллера.

  

Интеграция периферии

 

Независимая от ядра периферия используется во многих микроконтроллерах серии PIC, в т.ч. в семействах PIC16, PIC18, PIC24, dsPIC33 и PIC32MM. В состав этой периферии некоторых семейств 16-разрядных МК PIC24, цифровых сигнальных контроллеров dsPIC и 32-разрядных МК PIC32MM входит генератор запуска и синхронизации периферии (PeripheralTriggerGenerator, PTG), конфигурируемые логические ячейки (ConfigurableLogicCells, CLC), модуль шифрования с генератором случайных чисел (Random Number Generator, RNG), быстродействующие компараторы с функциями гашения и цифровой фильтрации, а также многовыходной модуль захвата/сравнения/ШИМ (Multiple Capture/Compare/PWM, MCCP) (см. рис. 1).

 

 

Рис. 1. Периферийные устройства, интегрированные в новые микроконтроллеры серии PIC

  

Повышение эффективности за счет CIP-периферии

 

Использование независимой от ядра периферии смягчает требования к процессору и позволяет реализовать параллельное выполнение задач, что повышает эффективность приложения. Например, модуль шифрования поддерживает симметричное шифрование и дешифрование AES, DES и 3DES. Для реализации этих алгоритмов в программном обеспечении требуется около 1–6 Кбайт флэш-памяти и 100–400 байт ОЗУ (см. рис. 2). Поскольку модулю шифрования независимой от ядра периферии почти не требуется эта память, она высвобождается под другие функции приложения.

 

Рис. 2. Требования к флэш-памяти и ОЗУ для операций шифрования и дешифрования

 

У модуля шифрования как у аппаратного устройства – очень высокая пропускная способность по сравнению со схожими программными реализациями. Этот модуль выполняет операции примерно в 10 раз быстрее, чем программный блок шифрования при практически том же уровне энергопотребления. В результате суммарная энергоэффективность приложения повышается примерно в 10 раз. Это очень важный показатель для приложений с ограничениями по питанию и требованиями обеспечить очень высокую пропускную способность безопасного канала передачи данных. Поскольку данный периферийный модуль также работает в режимах низкого потребления, когда ЦП находится в режиме ожидания, уменьшается общее энергопотребление приложений интернета вещей с батарейным питанием, где требуется обеспечить безопасность.

  

Расширение возможностей системы и экономия расходов

 

Поскольку требования к современным приложениям не стоят на месте, независимые от ядра периферийные устройства позволяют расширить возможности приложений за счет инновационных решений. Генератор запуска и синхронизации периферии представляет собой программируемый пользователем блок для реализации последовательного выполнения функций периферийных устройств в соответствии с нуждами системы. Благодаря этому блоку уменьшается потребность во вмешательстве ЦП, обеспечивается функциональная гибкость и масштабирование при взаимодействии многих периферийных устройств в системе с замкнутым контуром, что расширяет возможности приложений.

PTG-генератор можно эффективно использовать в таких приложениях как коррекция коэффициента мощности (ККМ) при управлении электроприводом. В этом приложении задействованы три ШИМ-канала для управления функциями электродвигателя и еще один ШИМ-канал – для контроля над операциями по ККМ. Помимо высокоскоростных ШИМ-каналов можно использовать режим сравнения вывода (Output Compare, OC), позволяющий увеличить число ШИМ-каналов в устройстве.

В приложениях по ККМ очень важно своевременно завершить выполнение следующих задач:

• синхронизацию ШИМ-управления приводом и ККМ с ШИМ-модуляцией;

• запуск работы АЦП и коммутацию его каналов для управления приводом и сигналами ККМ.

Оба этих требования успешно выполняются с помощью единственного модуля PTG-генератора. При использовании этого генератора для интеграции ККМ в блок управления приводом исключается необходимость в схеме на двух кристаллах, что значительно сокращает стоимость на уровне системы.

 

Энергоэффективность

 Переносные и мобильные устройства, носимая электроника и системы обеспечения безопасности жилищ – самые востребованные приложения интернета вещей. Микроконтроллеры, которые используются в этих приложениях с батарейным питанием, должны иметь очень малое энергопотребление и достаточную гибкость для реализации энергоэффективных решений. Микроконтроллеры eXtreme Low Power (XLP) PIC нового поколения с независимой от ядра периферией имеют наилучшие в отрасли показатели по потребляемой мощности, в полной мере отвечая требованиям систем с низким энергопотреблением (см. рис. 3).

 

Рис. 3. 16-разрядные МК серии XLP PIC имеют наилучшие в своем классе показатели по потребляемой мощности

 

МК серии XLP поддерживают целый ряд энергосберегающих режимов, отвечая требованиям разных приложений (см. рис. 4). Разработчик определяет уровень энергопотребления МК в разных режимах при отключенном питании остальных модулей. Для реализации малого потребления независимая от ядра периферия в МК серии XLP PIC тоже потребляет минимальное количество энергии.

 

Рис. 4. Энергосберегающие режимы микроконтроллеров XLP PIC

 

Расширение ассортимента продукции

 В условиях жесткой конкуренции компании стремятся расширить функциональность предлагаемой продукции, минимизировав при этом ее стоимость. Универсальная CIP-периферияпозволяет это сделать без лишних расходов. Например, чтобы повысить грузоподъемность дронов, применяются двигатели с большей частотой вращения. Для управления таким двигателем, как правило, используется микроконтроллер с высокой производительностью и современными аналоговыми функциями, которые осуществляются с помощью многоканального АЦП с высокой частотой дискретизации.

Однако использование высокоскоростного компаратора (HS Comparator) с функциями гашения и фильтрации, а также прецизионного модуля ИОН в микроконтроллере исключает необходимость в поисках более дорогостоящего МК с лучшими характеристиками. Такая комбинация периферийных устройств обеспечивает контроль над пороговым сигналом, позволяя эффективно управлять параметрами электродвигателя. Поскольку у высокоскоростного компаратора отсутствует ограничение по меньшей скорости дискретизации для стандартного АЦП, устраняется необходимость в быстродействующем микроконтроллерном аналого-цифровом преобразователе.

В качестве еще одного примера расширения продуктовой линейки является появление в ней электросчетчиков с повышенной точностью. Точность измерения энергии этих приборов зависит от точности контроля над разностью фаз между сигналами напряжения и тока, которая используется в расчете коэффициента мощности нагрузки. Самым распространенным методом измерения разности фаз между двумя сигналами является вычисление временного промежутка между моментами пересечения нуля двух сигналов и экстраполяция фазовых углов (см. рис. 5). Для точной оценки разности фаз необходимо, чтобы частота выборки была достаточно высокой, что позволяет минимизировать погрешности экстраполяции с помощью высокоскоростного АЦП.

 

Рис. 5. Счетчик измеряет фазовый сдвиг, чтобы определить коэффициент мощности

 

Ситуация усложняется в еще большей мере, когда одному АЦП требуется оцифровать все три сигнала – напряжения, тока и нейтрали при мультиплексировании с разделением времени. В этом случае требования к эффективной частоте выборки троекратно возрастают. Чтобы повысить точность измерения разности фаз, применяется конфигурируемая логическая ячейка, которая позволяет реализовать аппаратный фазовый детектор (см. рис. 6). Сочетание конфигурируемой логической ячейки с периферийным модулем захвата (Input Capture, IC) позволяет измерять разность фаз между двумя сигналами, имеющими одинаковую частоту. Эта реализация обеспечивает лучшее разрешение и более точную информацию об опережении или отставании. Благодаря большему функционалу на основе использования конфигурируемых логических ячеек исключается необходимость в более дорогостоящих и быстродействующих МК.

 

Рис. 6. ИС фазового детектора позволяет повысить точность измерения разности фаз

 

Оптимизация приложений

 Повышение конкурентоспособности изделия за счет привлекательных функций не должно идти в ущерб оптимизации стоимости на системном уровне. МК серии PIC предоставляют немало возможностей для реализации этого требования. В некоторые из этих устройств интегрированы аналоговые модули, в т.ч. сигма-дельта АЦП, высокоскоростные АЦП последовательного приближения и операционные усилители. Эти модули позволяют обойтись без других кристаллов. Однокристальное решение значительно сокращает стоимость всей системы и уменьшает площадь платы, улучшая оптимизацию таких приложений с ограничениями по размерам как носимая электроника и датчиковые сети.

Независимая от ядра периферия, установленная на один кристалл, также позволяет реализовать приложения с расширенными функциональными возможностями и разгрузить ЦП от выполнения многих детерминистских процедур. В результате уменьшается ширина полосы пропускания, объем флэш-память и ОЗУ. Благодаря меньшей нагрузке на ЦП появляется возможность с помощью CIP-периферии параллельно осуществлять другие процессы, не прибегая к использованию многоядерных МК. Периферийные аппаратные модули быстрее реагируют на поступающие сигналы и исполняют требуемую функцию при более высокой пропускной способности. Эти качества независимой от ядра периферии исключают необходимость в использовании МК с большим объемом памяти и лучшими возможностями обработки, что оптимизирует проектные расходы.

Независимая от ядра периферия в микроконтроллерах серии PIC не только отвечает требованиям современных встраиваемых систем, но и позволит создавать инновационные решения в будущем. На сайте www.microchip.com можно ознакомиться с широким рядом изделий компании и получить высококвалифицированную техническую поддержку, которая позволит вам не отставать от тенденций проектирования завтрашнего дня.