ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
ETNdigi-superbanner
2026  # megabox

IN FOCUS

3D-piirit pakottavat suunnittelun huomioimaan lämmön, tehon ja mekaniikan

3D-IC-arkkitehtuureihin siirtyville suunnittelutiimeille suorituskyvyn ja luotettavuuden jatkuva parantaminen tuo mukanaan tuttuja mutta yhä monimutkaisempia haasteita: miten hallitaan tehonkulutusta, poistetaan lämpöä ja otetaan huomioon erilaisten fysikaalisten ilmiöiden monimutkainen vuorovaikutus pinotuissa rakenteissa?

Lue lisää...

ETNtv

 
ECF25 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan
  • Aku Wilenius, CN Rood
  • Tiitus Aho, Tria Technologies
  • Joe Hill, Digi International
  • Timo Poikonen, congatec
  • ECF25 panel
ECF24 videos
  • Timo Poikonen, congatec
  • Petri Sutela, Testhouse Nordic
  • Tomi Engdahl, CVG Convergens
  • Henrik Petersen, Adlink Technology
  • Dan Still , CSC
  • Aleksi Kallio, CSC
  • Antti Tolvanen, Etteplan
ECF23 videos
  • Milan Piskla & David Gustafik, Ciklum
  • Jarno Ahlström, Check Point Software
  • Tiitus Aho, Avnet Embedded
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Pasi Suhonen, Rohde & Schwarz
  • Joachim Preissner, Analog Devices
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Xiphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

ETN

Oct Nov # TME square
TMSNet  advertisement
ETNdigi
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Share on Facebook Share on Twitter Share on LinkedIn

TECHNICAL ARTICLES

MORE OPTIONS WITH 8 AND 16-BIT MICROCONTROLLERS

Tietoja
Kirjoittanut Veijo Ojanperä
Julkaistu: 08.11.2022
  • Devices
  • Embedded

8 and 16-bit MCUs are an invaluable tool for performing small, specialized tasks. The tasks aren’t necessarily complex, but they can be time consuming or time critical. By offloading the tasks, the 32-bit devices can have simpler implementations that improve reliability, reduce memory usage, and lower power consumption.

In today’s world, large 32-bit microcontrollers and microprocessors running a real time operation system (RTOS) are increasingly common. However, a single large microcontroller handling a complex application may run into issues with CPU resources with regards to small housekeeping tasks, which are not complex, but are time consuming.

Smaller devices, like 8 and 16-bit MCUs, can be used to offload these tasks from the 32-bit device. Consider the following example: a 32-bit MCU is used to control the non-safety features of a car, like the entertainment system, ambient lighting, and the A/C. The 32-bit device must allocate its resources to process all of the tasks associated with these features. A few examples include measuring the temperature of the cabin in multiple points, turning on/off the A/C systems, updating the graphical display, processing user inputs, adjusting lighting conditions, and playing music. Even for a large 32-bit device, this is a lot of work.

However, these tasks are more manageable if the 32-bit device offloads some of these tasks to sub processors that handle only 1 or 2 of these tasks but require little supervision in doing so. This frees up CPU resources on the main processor, which reduces software complexity while improving performance and execution time.

This solution is analogous to the benefits of peripherals in microcontrollers. Peripherals are small blocks of specialized hardware that can add new features (such as an operational amplifier or an analog-to-digital converter) or can reduce the amount of work the CPU must perform for a given function. In some cases, peripherals can run independently of the CPU after being initialized.

As an example, to show the benefit of peripherals, consider the generation of a Pulse-Width Modulated (PWM) signal. To generate PWM without a dedicated peripheral, simply set an I/O line HIGH, wait a certain number of cycles, set it LOW, wait some more, and repeat. This eats up a lot of CPU cycles and is difficult for something like an RTOS to execute reliably. A PWM peripheral, by contrast, lets the CPU set the desired waveform parameters while performing other tasks.

The first example provided shows the benefit of offloading a CPU intensive task. In this case, an 8-bit MCU is used to create an I/O expander. I/O expanders are not complex devices; however, they use a lot of CPU time due to the frequent servicing of interrupts. By using a dedicated MCU for just this task, the larger 32-bit device can reduce it is I/O utilization and the number of interrupts it needs to handle. Additionally, the I/O expander’s feature set is set in software, which allows it to be customized and tuned for the application. 

The second example in this article shows the performance of core-independent peripherals to create a Voltage-to-Frequency (V/F) converter that operates independently of the CPU. The only functionality the CPU has in this example is to initialize the peripherals and to print debug messages to UART. In a larger system, the CPU could perform another simple task while the V/F ran in the background.

Figure 2 - Lookup Table of the Advanced I/O Expander.

I/O EXPANDER

The biggest benefit of creating an I/O expander using an 8-bit MCU is the flexibility. The feature set of an I/O expander ASIC is baked into the device, whereas the MCU defines its behavior based on the software it executes. This flexibility allows the MCU-based version to be adapted to fit the needs of the end application.

IMPLEMENTING THE ADVANCED I/O EXPANDER

Internally, the advanced I/O expander operates on a lookup-table based structure. Before reading or writing, a virtual address is sent. This address does not correlate with registers on the microcontroller – it is only specific to the lookup table. This means that features not in the hardware registers of the microcontroller can be added transparently. Entries in the table can be easily rearranged for specific uses as well. Another benefit of this structure is the ability to add permissions to the lookup table. For instance, to create a read-only register, simply omit the write lookup table entry.

This more complex structure also lends itself to non-standard functionalities. The function “MEM OP” allows the MCU to save or load its current General-Purpose Input and Output (GPIO) configuration to memory.

MEM OP can also reset the GPIO configuration to the parameters set when compiling.

Optionally, the microcontroller can be set to load the saved settings on power-up. If enabled, the microcontroller attempts to load the settings in configuration 0. If the configuration fails checksum validation, then the MCU will revert to the compile time constants. This feature can be disabled in the software, if not desired.

 

Figure 3 - Functionality of MEM OP.

TAKEAWAYS FROM THIS SOLUTION

The advantage of the MCU based solution is in the extreme amount of flexibility. Unlike the ASICs on the market, the MCU can be configured with non-standard functionalities specific to the application in use. This application was developed for the general-purpose PIC16F15244 family of MCUs.

For more information about the implementation or to try out the example, please see the README files in the source repositories. Demonstrations of the advanced I/O expander with an Arduino are also available.

Source Code, Documentation, and Demonstrations: https://github.com/microchip-pic-avr-examples/pic16f15244-family-advanced-i2c-io-expander

Figure 4 - Application Schematic for the TC9400/TC9401/TC9402 10 Hz to 100 kHz V/F Converter.

VOLTAGE-TO-FREQUENCY
(V/F) CONVERTER

The voltage-to-frequency converter improves upon the traditional analog solution by reducing the Bill of Materials (BOM) and thus the design area. Many of the V/F converters on the market require external resistors and capacitors to operate, whereas the microcontroller only requires generic decoupling and pull-up components (required by all MCUs) to function.

Rather than using analog techniques to digitize, the MCU uses a combination of core-independent peripherals and features. The MCU measures the input signal with the internal Analog-to-Digital Converter with Computation (ADCC) then divides a clock signal to create a variable frequency output. In this example, the peripherals have been setup to operate autonomously of the CPU after initialization. This means the CPU could be used for other tasks in the end-application.

One challenge with the MCU based approach is that it does not perform as well as the analog solution does. The resolution of the output is intrinsically limited by the ADCC. Nominally, the ADCC is 12-bits, but with the way the program is configured, the ADCC runs at an oversampled 14-bit resolution. Likewise, the on-board Numerically Controlled Oscillator (NCO) that synthesizes the output frequency has finite resolution and can have jitter in its output, depending on the value measured by the ADC.

The MCU based solution can be split into three distinct blocks of peripherals – an analog sampling block, an output oscillator block, and a duty cycle generator.

ANALOG SAMPLING BLOCK

The analog sampling block is responsible for the analog-to-digital conversion. For an output of 100 kHz to be possible with the frequency limits of the device, the ADCC has been configured to oversample, then average down to get a 14-bit result.

A downside to this oversampling is the extra statistical noise added to the result. The noise is compensated for by averaging the oversample and adding hysteresis. To implement hysteresis, the threshold interrupt feature of the ADCC is used. (For simplicity, only the specifics of how this example uses the threshold interrupt feature will be covered.)

When the ADCC finishes computing the averaged oversample, the resulting value is compared to a setpoint register in the peripheral. If the difference between the two is greater than or less than set thresholds, then an interrupt is triggered. The CPU masks this interrupt and is unaffected, however this interrupt triggers a Direct Memory Access (DMA) copy of the averaged oversample result to the setpoint register of the ADCC, creating hysteresis. If the thresholds are not exceeded, then the DMA copy will not occur, which will not trigger the output oscillator block’s DMA to update.

Figure 5 - Analog Sampling Block Implementation.

OUTPUT OSCILLATOR BLOCK

The output oscillator block (pictured left) of this solution is responsible for generating a clock signal at the desired output frequency. This output signal is internally connected to the duty cycle generator, which halves the frequency of the output but creates a 50% duty cycle output. Due to this, the output oscillator block runs at twice the frequency of the output.

The heart of the output oscillator block is a Numerically Controlled Oscillator (NCO). The NCO peripheral works by adding an increment value to an accumulator on the rising edge of an input clock. The accumulator overflow is used to derive the output of the peripheral. (For the full explanation on the NCO, please consult the datasheet.)

In this example, NCO2 has been setup to internally create the required input clock frequency to get a 100 kHz output from a 14-bit input. The 14-bit result is used because the native 12-bit result from the ADCC is not large enough to generate the 100 kHz output without an external clock source.

DUTY CYCLE GENERATOR

The Duty Cycle Generator block of this solution (pictured right) is responsible for the creation of a 50% duty cycle output. This feature is optional – the output from the NCO can be used directly, although the duty cycle will vary to a much larger degree.

This generator is implemented using one of the Configurable Logic Cells (CLC). The CLCs are small blocks of discrete configurable logic, similar to a single cell of an Field Programmable Gate Array (FPGA). CLCs can be used as discrete logic gates, such as AND-OR or OR-XOR. They can also be configured as latches or flip-flops. In this solution, a CLC was implemented as a J-K flip-flop with Reset. J and K are kept at logic HIGH.

The output oscillator block is used as the clock for the flip-flop. Every input clock pulse causes the output to toggle, which generates a 50% duty cycle. Note: frequency jitter from the output oscillator block will affect the duty cycle.

Timer 6 is used as an astable “watchdog” timer. If the output does not produce an edge (rising or falling), then the timer will overflow and generate a clock pulse to the CLC. This controls the low side of the output frequency range. Rather than reaching DC, the output toggles at the half of the frequency of the timer, for an output of 6 Hz. 

TAKEAWAYS FROM THIS SOLUTION

This example demonstrates the use of hardware peripherals to create a core-independent function that ordinarily would have to be created with an external integrated circuit. One of the biggest benefits to this configuration is that the peripheral operation is setup in software, making it easy to adjust the example to the end-application. For implementing the example, the PIC18-Q43 family of MCUs was selected due to the large number of peripherals in use. 

For more information about this example, please see the README document in the example repository. The example repository also contains an implementation of a frequency-to-voltage converter that can be implemented on the same device as the voltage-to-frequency converter.

Table 1: Ideal Outputs of the 100kHz V/F Converter, with Watchdog Turned Off.

Table 2: Ideal Outputs of the 10kHz V/F Converter, with Watchdog Turned Off.

 

By Robert Perkel, Microchip Technology

 

Originally published in ETNdigi issue 2-2022

MORE NEWS

Datakeskusten energiantarve puhutti Energiamessuilla

Datakeskusten kasvava sähkönkulutus, energian varastointi ja teollisuuden sähköistyminen nousivat keskeisiksi aiheiksi Tampereella järjestetyillä Energiamessuilla. Kolmipäiväinen tapahtuma kokosi yhteen 7800 energia-alan ammattilaista ja asiantuntijaa.

Tämä työkalu löytää virheet, jotka jäävät testeissä piiloon

Sulautettu järjestelmä voi läpäistä kaikki testit ja sisältää silti virheitä, jotka aiheuttavat ongelmia vasta todellisessa käytössä. Ruotsalainen Percepio pyrkii löytämään tällaiset piilevät ongelmat ennen tuotteiden päätymistä asiakkaille. Nyt tekniikka on tuotu myös Zephyr-reaaliaikakäyttöjärjestelmän kehittäjien ulottuville.

Renesas vaihtaa flashin MRAM-muistiin uusissa ohjaimissaan

Renesas ottaa merkittävän askeleen 32-bittisten mikro-ohjaintensa kehityksessä. Uudet RX74M- ja RX74N-piirit ovat RX-perheen ensimmäiset 22 nanometrin prosessilla valmistettavat mikro-ohjaimet, joissa perinteinen sulautettu flash-muisti on korvattu MRAM-muistilla. Samalla kellotaajuus nousee 600 megahertsiin, mikä on yli kaksinkertainen edeltäjiin verrattuna.

60 gigahertsin tutkat voidaan testata ilman mittauskammiota

Millimetriaaltotutkien tuotantotestaus voi jatkossa onnistua ilman suuria ja kalliita kaiuttomia mittauskammioita. Japanilaiset Anritsu ja Candox Systems ovat osoittaneet, että 60 gigahertsin tutkien mittaukset voidaan tehdä lähikenttäanturilla siten, että tulokset vastaavat riittävän hyvin virallisissa hyväksyntätesteissä käytettäviä kaukokenttämittauksia.

Yksi verkkopyyntö voi riittää palvelimen kaappaamiseen

Kahdesta kriittisestä PHP-haavoittuvuudesta voi muodostua vakava uhka valtavalle määrälle verkkosivustoja ja verkkokauppoja. PHP2Shell-nimellä tunnetut haavoittuvuudet saattavat mahdollistaa palvelimen kaappaamisen yhdellä verkkopyynnöllä ilman käyttäjätunnuksia tai salasanaa. Korjauspäivitykset on jo julkaistu, mutta suuri määrä palvelimia käyttää edelleen vanhoja PHP-versioita.

Nokian Hotard: Tekoälyverkkojen kysyntä ylittää jo tarjonnan

Toimitusjohtaja Justin Hotard ei usko tekoälyinfrastruktuurin kysynnän jäävän lyhytaikaiseksi kasvupiikiksi. Nokian myynti tekoäly- ja pilviasiakkaille kasvoi kolmannella neljänneksellä 123 prosenttia. Yhtiö ennustaa optisten verkkojen ja IP-verkkojen yhteenlasketun liiketoiminnan kasvavan ensi vuonna jopa 30 prosenttia.

Lovable vie vibekoodauksen yritysten omiin pilviin

Ruotsalainen AI-yhtiö Lovable haluaa tehdä vibekoodauksesta yritysten tuotantokelpoisen ohjelmistokehityksen työkalun. Uuden Deploy on AWS -ratkaisun avulla tekoälyllä luodut sovellukset voidaan ajaa yrityksen omassa pilviympäristössä. Ensimmäisten suurasiakkaiden joukossa on Deutsche Telekom.

Donut Labin kylmätestissä kovat tulokset

Donut Labin kiinteän elektrolyytin akku säilytti lähes 97 prosenttia kapasiteetistaan 30 asteen pakkasessa. VTT tekemässä testissä tulos saavutettiin ilman akun eristystä, lämmitystä tai aktiivista lämmönhallintaa. Tulos jää hieman CES-messuilla luvatusta 99 prosentista, mutta on poikkeuksellisen hyvä verrattuna perinteisiin litiumioniakkuihin.

Nokia lyhentää piirisuunnittelun kuukausista päiviin tekoälyllä

Nokia ottaa käyttöön Cadencen tekoälyagentteihin perustuvan suunnitteluympäristön, jonka avulla monimutkaisia piirisuunnittelun ja analyysin työvaiheita voidaan nopeuttaa jopa viisinkertaisesti. Cadencen mukaan aiemmin kuukausia vaatineita suunnittelukierroksia voidaan lyhentää päiviin.

Muratan lämpötila-anturi on lähes näkymätön

Murata on kehittänyt maailman pienimmäksi kutsumansa NTC-termistorin. Uuden NCU01-sarjan komponentin mitat ovat vain 0,25 × 0,125 millimetriä. Niin pientä anturia on jo vaikea erottaa paljaalla silmällä.

Komponenttikauppa käy kuumana – Digikey kasvaa ja investoi

Elektroniikkakomponenttien jakelija Digikey kertoo kasvavansa tänä vuonna yli 50 prosenttia. Voimakkaan kasvun jatkuessa yhtiö investoi seuraavien 18 kuukauden aikana 100 miljoonaa dollaria jakelukeskuksensa kapasiteettiin ja automaatioon.

TI mittaa tekoälypalvelimen sähköhäiriöt nanosekunnin tarkkuudella

Tekoälypalvelimien GPU- ja prosessorikorttien tehonsyötössä voi esiintyä nanosekuntien mittaisia jännitehäiriöitä, jotka aiheuttavat toimintahäiriöitä ja pahimmillaan laitevikoja. Texas Instrumentsin uusi AD-muunnin tekee nämä häiriöt näkyviksi ja mahdollistaa niiden jatkuvan etävalvonnan.

600 megabittiä satelliitin sisällä

Satelliittien sisäinen tiedonsiirto vaatii nopeuden lisäksi poikkeuksellista luotettavuutta ja säteilynkestoa. STMicroelectronics on esitellyt uuden RHFLVDS42-vastaanotinpiirin, joka siirtää dataa jopa 600 megabitin sekuntinopeudella ja kestää avaruuden ankarat olosuhteet.

ISM-taajuuksille entistä pienempi tehovahvistin

Brittiläinen CML Micro on julkistanut ISM-taajuusalueiden langattomiin laitteisiin tarkoitetun CMX90A002-tehovahvistimen. Uusi GaAs-pohjainen piiri tuottaa jopa 1,8 watin lähtötehon, ja sen kotelo vie 44 prosenttia vähemmän pinta-alaa kuin aiemmissa malleissa.

Tekoäly vauhdittaa piirisuunnittelun työkalumarkkinoita

Piirisuunnittelun työkalumarkkinat jatkavat vahvaa kasvuaan. SEMIn tuoreiden lukujen mukaan elektronisen suunnittelun markkinat kasvoivat toisella vuosineljänneksellä 12,2 prosenttia 5,71 miljardiin dollariin. Kasvun taustalla vaikuttaa myös tekoäly, joka lisää sekä uusien piirien suunnittelutarvetta että suunnittelutyökalujen suorituskykyä.

Kalliit muistit ajavat halvat älypuhelimet ahdinkoon

Älypuhelinmarkkinat ovat ajautuneet jyrkkään laskuun muistipiirien ja tallennusmuistien kallistumisen vuoksi. Tutkimusyhtiö Omdian mukaan maailmanlaajuiset älypuhelintoimitukset supistuivat heinä–syyskuussa peräti 20 prosenttia vuodentakaisesta. Erityisen kovaa hintapaine iskee edullisiin puhelimiin, joiden valmistuksessa katteet ovat jo ennestään pieniä.

Vastamelutekniikka haastaa kännyköiden RF-suodattimet

Brittiläinen Forefront RF tuo matkapuhelimiin vastamelukuulokkeista tutun periaatteen. Sen uusi RF-piiri muodostaa lähettimestä vastaanottimeen vuotavasta signaalista vastakkaisvaiheisen kopion, joka kumoaa häiriön. Näin useita kiinteitä RF-dupleksereita voidaan korvata yhdellä säädettävällä moduulilla.

Elektrobit vähentää käsityötä autojen ECU-koodissa

Elektrobit ja amerikkalainen Microchip Technology ryhtyvät yhteistyöhön autojen ECU-ohjainyksiköiden ohjelmistokehityksen nopeuttamiseksi. Tavoitteena on vähentää AUTOSAR-ohjelmistojen integrointiin liittyvää käsityötä ja tarjota autonvalmistajille entistä valmiimpia ohjelmistoalustoja.

Google kehittää kevyempää virheenkorjausta kvanttilaskentaan

Kvanttitietokoneiden kehityksen suurimpia ongelmia on virheenkorjauksen vaatima valtava laskentakapasiteetti. Google on nyt osoittanut Willow-kvanttiprosessorillaan menetelmän, joka vähentää tiettyjen kvanttilaskennassa tarvittavien tilojen virheitä 40-kertaisesti. Tulos voi auttaa rakentamaan käytännössä hyödyllisiä kvanttitietokoneita nykyistä huomattavasti pienemmällä kubittimäärällä.

PCIe 7.0 yltää 128 gigasiirtoon sekunnissa – nyt yhteyksiä päästään testaamaan

Tekoälypalvelimien kasvava tiedonsiirtotarve vauhdittaa PCI Express -väylän kehitystä. Uusin PCIe 7.0 kaksinkertaistaa siirtonopeuden 128 gigasiirtoon sekunnissa kaistaa kohti. Keysight on nyt esitellyt testausratkaisun, jolla uuden sukupolven yhteyksiä voidaan analysoida ja niiden toimivuus varmistaa jo piirien kehitysvaiheessa.

2026  # mobox för megabox
Oct Nov   # puffbox mobox till square
TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Reaaliaikainen moottorinsäätö irrotetaan prosessorin tehtävistä

ETN - Technical articleHumanoidirobottien servokäyttöjen on ohjattava nivelten liikkeitä tarkasti ja nopeasti. Samalla niiden mikro-ohjaimilta vaaditaan yhä enemmän tiedonsiirtoa, diagnostiikkaa ja muita järjestelmätason toimintoja. Ratkaisuna on erottaa aikakriittinen moottorinsäätö muista prosessorin tehtävistä ja siirtää se erillisen laitteiston hoidettavaksi.

Lue lisää...

OPINION

Googlen jätti-investointi: aika on kypsä uudelle ydinvoimalle

Googlen 13 miljardin euron investointi Suomeen on valtava uutinen. Vielä suurempi uutinen saattaa kuitenkin olla se, mitä investointi kertoo Suomen sähköntarpeesta. Tekoäly tarvitsee sähköä. Paljon sähköä, tasaisesti ja ympäri vuorokauden.

Lue lisää...

 

LATEST NEWS

  • Datakeskusten energiantarve puhutti Energiamessuilla
  • Tämä työkalu löytää virheet, jotka jäävät testeissä piiloon
  • Renesas vaihtaa flashin MRAM-muistiin uusissa ohjaimissaan
  • 60 gigahertsin tutkat voidaan testata ilman mittauskammiota
  • Yksi verkkopyyntö voi riittää palvelimen kaappaamiseen

NEW PRODUCTS

  • Muratan lämpötila-anturi on lähes näkymätön
  • 600 megabittiä satelliitin sisällä
  • ISM-taajuuksille entistä pienempi tehovahvistin
  • Uusi anturi mittaa satojen ampeerien virtoja ilman mittausvastusta
  • Sama anturi mittaa korkeuden vuoristossa ja syvyyden veden alla
 
 

Section Tapet