Проектирование встраиваемых микроконтроллерных систем с использованием Reference Design от Freescale/Motorola

Электронные компоненты №7 – 2004  

Татьяна Ремизевич - к.т.н., доцент МЭИМихаил Соколов - аспирант МЭИЕвгений Крылов - технический консультант КТЦ-МК

  Рассматривается новый сервис для проектирования законченных приложений на микроконтроллерах компании Freescale. Сервис Reference Design предоставляет пользователю законченное изделие с полным комплектом документации, которое может быть испытано пользователем, а затем  интегрировано в собственную разработку.

Множество факторов определяют успешность разработки при проектировании нового изделия на МК:

- Актуальность и продуманность технического задания. Технические параметры проектируемого изделия, безусловно, должны соответствовать современным требованиям. Однако следует избегать избыточности функций, которая так легко приобретается устройствами с МК. Избыточное количество режимов работы прибора со множеством назначаемых параметров может привести к недоиспользованию основных технических достижений. - Правильный выбор способа реализации поставленной задачи. Способ измерения или управления должен обеспечивать надежную работу изделия. При этом аппаратные и программные решения должны быть столь просты, насколько это возможно для реализации выбранного способа управления. - Грамотный подбор элементной базы. На этапе выбора типа МК кандидат к применению должен обладать не только набором необходимых встроенных периферийных модулей и ощутимым запасом производительности (особенно для применений с жесткими ограничениями в реальном времени), но и запасом надежности при работе в определенных условиях эксплуатации. - Хорошее знание элементной базы непосредственным разработчиком. В этом случае существенно сокращаются сроки проектирования, поскольку в архиве разработчика уже имеются  готовые узлы и программные фрагменты. Возможность возникновения непредвиденных ситуаций существенно сокращается. - Использование современных развитых инструментальных средств разработки и отладки программного обеспечения.  Высокая степень автоматизации генерации и тестирования программного кода, которую обеспечивают такие средства, в несколько раз ускоряет создание работоспособной версии прикладного программного обеспечения. - Высокопрофессиональное проектирование топологии печатных плат опытных образцов изделия. Нередко является решающим фактором получения не просто работоспособного макета, а полнофункционального образца, пригодного для испытаний на объекте. Но именно по результатам этих испытаний  определяется дальнейшая “судьба” изделия.

Большинство из перечисленных факторов определяются наличием у группы проектировщиков некоторого задела, который включает полученный при создании других изделий опыт работы, кропотливое, достаточно глубокое освоение новых аппаратных и программных продуктов, собственную библиотеку отлаженных аппаратно/программно/топологических модулей (частей схем), которые могут стать элементами новой разработки.

Однако скорость технического прогресса весьма высока. Поэтому для обеспечения высокого качества и коротких сроков разработки проектные подразделения должны постоянно проводить работу по освоению новых принципов управления, перспективных ИС, нарождающихся сетевых технологий, более совершенных инструментариев проектирования. 

С целью продвижения собственных полупроводниковых компонентов [1] компания Freescale Semiconductor (SPS Motorola) решила часть работы по освоению новых продуктов выполнить силами своих сотрудников и предложила новую форму поддержки разработчиков – создание так называемых Reference Design (в пер. - опорные разработки). Что отличает Reference Design от традиционно используемых типов технической документации и аппаратных средств поддержки разработки, таких как Data book, Uses manual, Application Note, Starter Kit?

Data book содержит описание конкретной ИС, алгоритмы ее функционирования, типовые схемы включения, программно-логическую модель для программно управляемых компонентов;

Uses manual – руководство по применению ИС с детальным описанием режимов работы и расчетом номиналов навесных компонентов, фрагментами типовых программ инициализации режимов периферии и исполнения отдельных функций. В той или иной степени содержит комментарии и методические указания специалиста.

Application Note (заметки по применению) – узконаправленные статьи, посвященные решению конкретных технических задач на конкретном типе элементной базы. Следует заметить, что тематика

этих заметок чрезвычайно широка: от рассмотрения на практическом уровне в применении к конкретным моделям компонентов некоторых теоретических вопросов, до конечного программного кода реализации на МК некоторого алгоритма. Несмотря на огромный объем информации, сосредоточенный в

Application Note, нельзя недооценивать важности просмотра содержания близких  по тематике разработки статей, а также полного списка статей.

Наборы Starter Kit содержат в себе лабораторный макет промышленного исполнения с исследуемой ИС в типовом включении и сопроводительную документацию. Если аппаратные средства Starter Kit включают МК, то в него загружена демонстрационная версия программы и предусмотрена возможность занесения собственной программы пользователя.

Набор Reference Design представляет собой комплект аппаратных и программных средств некоторого законченного изделия или целой системы, а также полный комплект документации для воспроизведения этой системы: пояснительную записку, исходный текст управляющей программы и ее загрузочный модуль, файлы топологии  печатных плат. Таким образом, комплект  Reference Design  предоставляет разработчику опытный образец изделия, который может быть детально изучен и испытан с целью определения реально достигнутых технических характеристик. Большинство Reference Design (см. табл. 1) выполнены с применением МК. В этом случае разработчик может дополнить имеющееся прикладное программное обеспечение в соответствии со своими техническими требованиями и испытывать уже “собственный” образец изделия. Условия для полного или частичного повторения аппаратной части обеспечены передачей документации на топологию печатных плат. В результате, время  проведения собственной разработки существенно сокращается.

Чем отличаются новые оригинальные разработки, которые находят широкое применение, от менее успешных конкурентов? Тем, что они содержат в себе некоторые “изюминки”, которые могут придать новое качество всей системе. Такие “изюминки” следует искать:

- На уровне способа преобразования информации в системе. Тогда в их основе лежат базовые теоретические знания или новые научные разработки.- На уровне программного алгоритма, когда повышение точности системы или повышение ее помехозащищенности реализуется программными средствами за счет оригинального алгоритма. - На уровне аппаратного решения, когда за счет реализации на новой элементной базе или при использовании оригинальной схемотехники будет получено новое качество или существенно снижена себестоимость изделия. - На уровне конструкции платы изделия, которая позволит реализовать ранее достигнутые при лабораторных испытаниях технические характеристики в реальных условиях эксплуатации (учет электромагнитных помех, вибраций, температурного дрейфа).

Reference Designs как раз и предоставляют в распоряжение разработчика такие оригинальные решения на элементной базе от Freescale Semiconductor (SPS Motorola). Обратите внимание на тематику Reference Designs, приведенных в таблице 1. Часть из них связана с реализацией новых нарождающихся технологий. Следовательно, в распоряжении разработчика окажется отработанный пакет технических решений разного уровня, от теории до практики, который позволит проделать кратчайший путь по внедрению новых технологий в конечные изделия.     

Обратимся к некоторым, интересным с точки зрения автора, примерам применения.  

Однофазный многотарифный счетчик электрической энергии - Single Phase Digital Power Meter Reference Design.

В этой разработке представлено доведенное до опытного производства оригинальное решение однофазного счетчика электрической энергии низкой стоимости (рис.1). Способ минимизации стоимости на первый взгляд не отличается оригинальностью. Он основан на применении дешевого 8-разрядного МК и предельном сокращении интерфейсных ИС вокруг МК. Однако крайне интересны (и не только с точки зрения применения непосредственно по назначению) методы реализации требуемой по IEC61036 точности прибора, которые достигаются с использованием специальных алгоритмов. На основе теории цифровых измерений обеспечивается увеличение числа достоверных разрядов кодового представления измеряемой величины по отношению к числу разрядов преобразования модуля АЦП. Так в рассматриваемом применении мгновенное значение тока потребления представляется 12-разрядным цифровым кодом, … и при этом используется 10-разрядный АЦП. Таким образом, дополнительная цифровая обработка кодов измеряемых величин, выполненная с применением базовых теоретических положений, позволила предъявить пониженные требования к техническим характеристикам интегральных схем и упростить аппаратное решение проектируемого прибора.

Рис.1. Плата Reference Design однофазного счетчика электрической энергии.

Пояснительная записка (номер документа DRM040/D) достаточно подробно отражает этапы проектирования однофазного счетчика электрической энергии.

Первый раздел посвящен теории измерения и расчета мощности потребления. Наряду с основополагающими формулами для расчета активной мощности, детально обсуждаются вопросы выбора способа измерения:- с какой дискретностью по времени должны производиться выборки мгновенных значений, чтобы достигнуть регламентируемой стандартом точности при наличии искажений гармонических сигналов напряжения и тока; - с какой разрядностью должны формироваться значения напряжения и тока в этих выборках с учетом дальнейшего преобразования по расчетным формулам; - каким образом можно компенсировать погрешность, вносимую невозможностью одновременной выборки отсчета тока и напряжения; - на каком интервале измерения следует производить усреднение результатов оцифровки для того, чтобы снизить шумовую составляющую погрешности измерения, и др.

В результате проведенного анализа погрешностей показано, что для удовлетворения требований стандарта IEC61036 по точности измерения мощности в 1,5% на минимальной пределе шкалы измерений необходимо формировать коды мгновенных отсчетов тока потребления с числом достоверных двоичных разрядов не менее 12.

Во втором разделе рассматривается аппаратное решение счетчика, основным достоинством которого является предельно малое количество используемых ИС. При условии реализации функции многотарифности и организации автоматизированной системы сбора информации посредством того или иного стандарта промышленных сетей, необходимость использования в приборе МК очевидна. Для удовлетворения требований по точности измерений многие современные разработки электронных счетчиков используют внешние по отношению к МК многоразрядные АЦП или специализированные ИС счетчиков электрической энергии [2]. А в предложенном решении эти относительно дорогостоящие ИС отсутствуют, функции точной оцифровки и многоразрядного перемножения выполняет дешевый 8-разрядный МК. При этом модуль АЦП в составе МК всего лишь 10-разрядный, однако итоговая точность аналого-цифрового преобразования составляет требуемые 12 разрядов.

Рис.2. Функциональная схема однофазного счетчика электрической энергии.

На рисунке 2 представлена функциональная схема аппаратных средств счетчика. Измерительные трансформаторы напряжения и тока через схемы преобразования уровней и пассивный фильтр

подключены непосредственно ко входам МК. Цифровые входы-выходы МК управляют специализированным ЖК индикатором, передают информацию по интерфейсу RS-232, обслуживают органы местного управления и реализуют связь с устройством программирования и отладки по отладочному интерфейсу MON08. Модель используемого 8-разрядного МК – HC908LJ12.

Каким способом достигается требуемая точность измерений? Во-первых, используется метод временной передискретизации, при котором для взятия одного цифрового отсчета производится несколько последовательных оцифровок измеряемого сигнала. Последующее программное усреднение позволяет получить достоверные “лишние” разряды кодового представления. Во-вторых, в формировании итоговых кодов отсчетов участвуют не только усредненные коды оцифровки, но и дополнительные коды измерения текущих значений опорных напряжений Vref (рис.2). Соответствующие этим измерениям поправочные коэффициенты приведены в записке.

По-своему интересен раздел программного обеспечения. В первую очередь потому, что приведены все блок-схемы программ, реализующие предложенные алгоритмы измерения. Файл с исходным текстом программы прилагается. Кроме этого, имеется методический раздел по эффективному включению конструкций ассемблера в основной текст программы на языке Си.

В заключительном разделе записки приводятся результаты точностных измерений опытного образца однофазного счетчика. При желании весь комплект “Single Phase Digital Power Meter Reference Design” может быть приобретен и испытан на работоспособность с заявленными техническими характеристиками самостоятельно.  

Беспроводная система ограничения доступа - Radio Frequency Reference Design for Remote Keyless Entry  

Представлен опытный образец беспроводного устройства ограниченного доступа, которое состоит из миниатюрного брелка с радиопередающим устройством и базовой приемной станции (рис.3). Устройство предназначено для дистанционного управления различного рода замками. При модификации программного обеспечения может использоваться для подачи нескольких команд управления гаражным воротам, домашним и садовым механизмам. Перспективной областью применения такого простейшего беспроводного интерфейса могут стать датчики дыма и охранной сигнализации [3,4].

Рис.3. Радиопередающий брелок и контроллер приемной станции Reference Design беспроводной системы ограничения доступа.

В основе брелка МК MC68HC908RF2, который объединяет в одном корпусе МК и полностью интегрированный радиопередатчик. Как видно из рисунка 3, число навесных компонентов радиопередатчика предельно мало, выбор частотного диапазона его работы определяется только частотой  кварцевого резонатора и кодами установок инициализации.

Контроллер принимающей станции выполнен на основе МК общего применения MC68HC908GP32. Модуль приемника с миниатюрной антенной  устанавливается на плату контроллера, как наездник. Такое конструктивное решение чрезвычайно удобно для проведения собственных разработок. Модуль приемника является наиболее сложным с точки зрения топологии печатной платы. Поэтому целесообразно на первых этапах собственной разработки убедиться в ее работоспособности с заведомо исправной приемной частью, а затем добиваться аналогичного качества приема аналогичного модуля собственного изготовления.

Интересно также программное обеспечение контроллера принимающей станции. Использован алгоритм восстановления информации с переменным кодовым ключом, при котором каждая следующая кодовая посылка, разрешающая доступ владельца брелка к охраняемому объекту, отличается от предыдущей. В результате гарантируется с большой степенью вероятности блокирование доступа стороннего наблюдателя с радиосканером.  

Интерфейс DALI для дистанционного управления  освещением - Digital Addressable Lighting

Interface (DALI) for Lighting Networks Reference Design 

Содержит прототип информационной промышленной сети с протоколом DALI. Сеть включает 4 ведомых устройства, которые должны входить составной частью в электронные пуско-регулирующие аппараты (ЭПРА) ламп освещения, и одно ведущее устройство. Ведущее устройство получает команды от ПК и транслирует их в двухпроводную сеть DALI. Каждый пакет обмена по сети содержит в себе адрес устройства-получателя и команду для исполнения: включить, выключить, установить мощность на заданном уровне. Ведомые устройства выполнены на основе 16-выводного МК MC68HC908KX2, ведущий контроллер – с использованием MC68HC908KX8. Конструктивное исполнение ведомых устройств таково, что они могут быть подключены к двухпроводной линии без дополнительных разъемов. Поэтому сеть DALI интересующей разработчика протяженности может быть создана и испытана в течение одного рабочего дня.  

Полный перечень Reference Design читатель пока может найти на сайте http://e-www.motorola.com, используя  следующий путь навигации:

Products>Microcontrolles>Reference Designs.

В ближайшем будущем адрес сайта изменится на http://www.freescale.com. Множество Reference Designs разбито на категории: автомобильные приложения, промышленные применения, бытовые приборы, электропривод, устройства с USB интерфейсом, проводные сетевые технологии, беспроводные технологии. В таблице 1 перечислена лишь небольшая часть этого множества, которую авторы сочли интересной для широкого круга читателей. В заключение следует заметить, что использование Reference Design не обязательно должно сопровождаться приобретением комплекта с указанным в таблице 1 номером. Часть документов, в частности пояснительная записка, находится в свободном доступе и может быть использована как  обычная статья по применению.   

Литература.

1.      И. Шагурин. Статья в 7.2004 2.      Микросхема трехфазного счетчика электрической энергии. – Электронные компоненты и системы №3(67), с.48. 3.      Д. Панфилов, Т. Ремизевич, М. Соколов, Е Крылов. Система пожарной сигнализации с радиоканалом. – Электронные компоненты №9, 2003., с. 80-86. 4.      А. Абрамов, Д. Панфилов. Интеллектуальные системы контроля давления воздуха в шинах. – Электронные компоненты №2, 2003, с. 72-75.  

Табл.1. Перечень Reference Design на основе МК Freescale Semiconductor.

Номер комплекта Reference Design Название

Интеллектуальные датчики и измерители

RD1950MPXM2010D   Water Level Reference Design  

Измеритель уровня жидкости

RD1979MPXM2102A   Altimeter Barometer Reference Design  

Широкодиапазонный измеритель атмосферного давления (барометр)

RD1986MMA2260D   TRIAX Board 3-Axis Acceleration Sensing Demo  

Датчик ускорения трехкоординатный

RD68HC908AM   Low-Cost Accelerometer Reference Design  

Измеритель ускорения низкой стоимости

RDHC08DPM   Single Phase Digital Power Meter Reference Design  

Однофазный счетчик электрической энергии

RD68HC908LBC   Li-ion Battery Charger Reference Design  

Устройства заряда аккумулятора

RD68HC908NBC   NiMH Battery Charger Reference Design  

Устройство заряда аккумулятора

Интерфейсы информационных промышленных сетей RD68HC908CAN   Control Area Network (CAN)

Reference Design  Контроллер CAN узла на основе МК семейства HC908

RDHCS12CANIOMOD   Industrial CAN I/O Module  Модуль удаленного ввода/вывода с контроллером CAN сети

RD68HC08PIR  Passive Infra Red (PIR) for Security Peripherals and Other Remote Networks  

Пассивный ИК приемник для дистанционного управления

RD68HC908WLSMOD   Wireless HC08 Modem   Беспроводной модем на основе

МК семейства HC908

RD68HC908RKE  Radio Frequency Reference Design for Remote Keyless Entry  

Беспроводная система ограничения доступа

RDHC908KX8DALI  Digital Addressable Lighting Interface (DALI) for Lighting Networks Reference Design  

Интерфейс DALI для дистанционного управления  освещением

RDDSP56F8PLMOD  Power Line modem with DSP56F801 CENELEC band "B"  

Модем для связи по линиям питания

Компьютерная периферия

RD68HC908USBMSE  High Data Rate Wireless USB Optical Mouse Reference Design  

Высокоскоростной беспроводной интерфейс USB для манипулятора “мышь” оптического

RD68HC908USBMKEYBD   USB/PS2 Dual Protocol Multimedia Keyboard  

Клавиатура для ПК с комбинированным интерфейсом USB/PC2

RD68HC908BLDCFPC   MC68HC908QT2 BLDC Fan for PCs Reference Design  

Управление вентилятором для ПК на основе МК MC68HC908QT2

RD68HC908WOMK24  2.4GHz Wireless Optical Mouse and Multimedia Keyboard Reference Design  

Клавиатура и оптический манипулятор “мышь” с беспроводным интерфейсом  2.4 ГГц

RDHCS12PCCANINT   PC CAN Interface   Интерфейс CAN для ПКСистемы управления электроприводом

RDHC08ACIM  PWM Control of the Single-Phase A.C. Induction Motor Using the MC68HC908QT4 MCU  

Система управления однофазным двигателем переменного тока на основе МК MC68HC908QT4

RD68HC908ACIMDTC  3-Phase AC Induction Motor Drive with Dead Time Distortion Correction Using the MC68HC908MR32  

Система управления трехфазным асинхронным электроприводом с алгоритмом коррекции “мертвого времени” на основе МК MC68HC908MR32

RD68HC908ACIMVHD  3-Phase AC Induction Motor Drive with Tachogenerator Using MC68HC908MR32  

Система управления трехфазным асинхронным электроприводом с тахогенератором в контуре обратной связи на основе МК MC68HC908MR32

RD68HC908BLDCHS   3-Phase BLDC Drive Control with Hall Sensors  

Система управления трехфазным бесколлекторным двигателем постоянного тока с использованием датчиков Холла

RD68HC908BLDCMOTOR  BLDC Motor Control Board for Industrial and Appliance Applications  

Модуль управления трехфазным бесколлекторным двигателем постоянного тока для бытовых электроприборов

RD68HC908BLDCZC  Sensorless BLDC Motor Control Using the MC68HC908MR32  

Бездатчиковое управления бесколлекторным двигателем постоянного тока на основе МК MC68HC908MR32

RDDSP56F8ACVCD   3-Phase AC Induction Motor Vector Control Using 56F805

Система векторного управления трехфазным асинхронным двигателем на основе гибридного МК DSP56F805

RDDSP56F8SRDHS  3-Phase SR Motor Control with Hall Sensors Reference Design  

Система управления трехфазным вентильно-индукторным двигателем с использованием датчиков Холла

RDDSP56F8SRDS   3-Phase SR Motor Sensorless Control Reference Design  

Бездатчиковое управления вентильно-индукторным двигателем