Microchipin uusi digitaalinen signaalinohjain on merkittävä työkalu sulautettujen järjestelmien kehittäjille autoteollisuudessa, teollisuudessa ja kuluttajasektorilla. Tehokkaan ytimen, kattavien oheislaitteiden ja monipuolisten kehitystyökalujen ansiosta dsPIC33A-ohjainpiiri antaa suunnittelijoille mahdollisuuden kehittää monimutkaisia ohjausalgoritmeja, jotka vastaavat jatkuvasti kasvaviin suorituskyvyn, turvallisuuden ja energiatehokkuuden vaatimuksiin.
| Artikkelin kirjoittaja Pramit Nandy toimii Microchip Technologyn moottorinohjaustuotteiden markkinointipäällikkönä. Nandy on työskennellyt yhtiössä vuodesta 2021 lähtien. Hän on aiemmin toiminut muun muassa tuotemarkkinointipäällikkönä Onsemilla, analogisten järjestelmien suunnitteluinsinöörinä NXP:llä sekä ohjausjärjestelmien suunnittelijana useissa muissa yrityksissä. Hänellä on sähkötekniikan M.Sc-tutkinto Arizonan yliopistosta ja B.Sc-tason tutkinto instrumentointi- ja säätötekniikassa College Of Engineering Pune (COEP) Technological Universitystä Intiassa. |
Sulautettujen järjestelmien nopeasti kehittyvällä alueella tarkkojen, energiatehokkaiden ja reaaliaikaisten ohjaussovellusten kysyntä kasvaa jatkuvasti. Mikro-ohjain (MCU) on edelleen kriittinen komponentti näissä sovelluksissa. Sitä hyödynnetään hyvin monenlaisissa kohteissa, kuten autoteollisuudessa, kulutuselektroniikassa, terveydenhuollossa, ilmailu- ja avaruustekniikassa sekä teollisuusautomaatiossa.
Teknologian kehittyessä kompaktit mutta tehokkaat mikro-ohjaimet ovat käyneet läpi merkittäviä muutoksia kyetäkseen vastaamaan alan jatkuvasti kasvaviin vaatimuksiin. Tälle kehitykselle ominaisia ovat useat eri trendit, jotka muokkaavat MCU-tekniikan tulevaisuutta ja lisäävät tarvetta yhä tehokkaammille ohjainpiireille, joiden edistyneet oheislohkot antavat mahdollisuuden tarkkojen ja täsmällisten mittausten suorittamiseen helpottaen samalla ohjainten käyttöönottoa kaiken kattavien kehitysympäristöjen ansiosta.
Suorituskyvyn kasvu tarpeen
Nykyaikaiset mikro-ohjaimet vastaavat monenlaisiin haasteisiin aina ohjelmistojen monimutkaistumisesta hyötysuhteen parantamiseen. Ohjainpiirit tarjoavat myös sirulle integroituja oheislohkoja monitoimintaista käyttöä varten täyttäen samalla tiukkojen turvastandardien asettamat vaatimukset. Seuraavassa syvennytään näiden edistysaskelien yksityiskohtiin ja korostetaan niiden merkitystä digitaalisissa sovelluskohteissa, jotka vaativat mikro-ohjaimilta entistä parempaa suorituskykyä.
Kuva 1. Kehitystrendit sulautettujen järjestelmien markkinoilla.
Ohjelmistot monimutkaistuvat
Mallipohjainen suunnittelu: Mikro-ohjaimet helpottavat nyt prototyyppien nopeaa luomista ja koodin tuottamista mallipohjaisten suunnittelutyökalujen avulla, mikä nopeuttaa monimutkaisten ohjelmistojen kehitystä ja järjestelmän markkinavalmiuden saavuttamista.
Vankka tietoturva: Edistyneitä mikro-ohjaimia varten on luotu kattavat kehitysympäristöt, joihin kuuluvat kryptografiset moduulit, turvallinen käynnistys ja vikasietoinen arkkitehtuuri järjestelmän eheyden varmistamiseksi. Mikro-ohjaimilla on myös oltava riittävästi prosessointitehoa toiminnallisen turvallisuusdiagnostiikan ja tietoturvatoimintojen suorittamiseen samaan aikaan tärkeimpien sovellustoimintojen kanssa.
Laaja muisti ja nopea datankäsittely: Kasvavien ohjelmistotarpeiden täyttämiseksi mikro-ohjaimet tarjoavat yhä suuremman muistitilan ja paremman prosessointitehon, joilla voidaan tukea hyvin monimutkaisia sovelluksia ja moniajoa.
Energiatehokkuus paranee
Mikro-ohjaimiin sisällytetään yhä enemmän edistyneitä ominaisuuksia, joilla voidaan parantaa järjestelmän energiatehokkuutta eli hyötysuhdetta. Näihin kuuluvat innovatiivisten – ja entistä nopeampien – analogisten oheislohkojen integrointi sekä edistyneet arkkitehtuurit koodin suorituskyvyn parantamiseksi. Ne mahdollistavat tehokkaiden järjestelmien suunnittelun moottorien, teholähteiden ja latausjärjestelmien ohjaamiseksi tinkimättä suorituskyvystä ja energiatehokkuudesta.
Lisäksi mikro-ohjaimiin on sulautettu pitkälle kehitettyjä algoritmeja, jotka hallitsevat ja optimoivat energiankulutusta dynaamisesti sekä auttavat varmistamaan järjestelmän huipputehokkaan toiminnan minimaalisella energiankulutuksella. Nämä parannukset pidentävät kannettavien laitteiden akun käyttöaikaa, vähentävät muunnoshäviöitä ja alentavat energiakustannuksia monenlaisissa sovelluksissa.
Yksi ohjain, paljon toimintoja
Monitoiminnallisuus: Ohjain toimii kaikki yhdessä -periaatteella, mikä mahdollistaa toimintojen hallinnan synkronoidusti.
Virtaviivaistettu arkkitehtuuri: Yksinkertaistaa järjestelmän suunnittelua, minimoi ylimääräiset komponentit ja parantaa suorituskykyä.
Integroidut oheislaitteet: Säästää piirilevytilaa, vähentää järjestelmäkustannuksia ja edistää nopeaa toimintaa.
Kompaktius ja kustannustehokkuus: Moderni ohjain helpottaa pienten ja edullisten mutta tehokkaiden elektronisten järjestelmien luomista.
Turvavaatimukset lisääntyvät
Turvanormien mukaisuus: Nykyaikaiset mikro-ohjaimet palvelevat autonvalmistajien, teollisuuden ja kuluttajasektorin tarpeita. Niissä on mukana turvaominaisuuksia, jotka täyttävät standardit ISO 26262, IEC 61508, IEC 60730 ja muut vastaavat normit. Ominaisuuksiin kuuluu vikasietoisuus, virheenkorjaus ja itsetestaus, joiden ansiosta voidaan vähentää järjestelmävikoja ja parantaa käyttäjien turvallisuutta.
Tietoturvan parannukset: Kyberuhkien torjumiseksi mikro-ohjaimet sisältävät kryptografisia kiihdyttimiä, turvatun käynnistyksen ja suojatun pääsynhallinnan tietojen sekä IP-oikeuksien suojaamiseksi.
Tämä tarkoittaa, että ensisijaisen sovelluksen toimintojen lisäksi mikro-ohjainten on nyt suoritettava myös muita toimintoja, jotka varmistavat toiminnan turvallisuuden ja suojaamisen. Tämä vaatii MCU-piirin suorittimelta entistä laajempaa kaistanleveyttä eli ohjaimen koko suorituskyvyn parantamista.
Microchipin DSC-ratkaisut
Sulautettujen järjestelmien sovelluksissa reaaliaikaiset ohjaustoiminnot edellyttävät nopeita ja deterministisiä vasteita tehokkaan toiminnan varmistamiseksi. Digitaaliseen signaalinkäsittelyyn yltävät eli DSP-ominaisuuksilla varustetut uudet mikro-ohjaimet ovat välttämättömiä monimutkaisten algoritmien nopealle, alhaisen latenssin omaavalle datankäsittelylle.
Tämä on ratkaisevan tärkeää reaaliaikaisissa sovelluksissa, kuten moottorinohjauksissa, tehonmuunnoksissa ja anturiliitännöissä, joissa tarvitaan oikea-aikaisia ja tarkkoja järjestelmävasteita. Microchipin kehittämä digitaalisten signaalinohjaimien (DSC) perhe dsPIC on noussut suosituksi ratkaisuksi, joka vastaa reaaliaikaisen ohjauksen monimutkaisiin tarpeisiin suurella tarkkuudella ja hyvällä luotettavuudella.
Uuden polven dsPIC33A-sarja
Vastauksena markkinatrendien kehitykseen, joka osoittaa paremman suorituskyvyn kasvavaa kysyntää, Microchip on proaktiivisesti parantanut dsPIC-perheen digitaalisten ohjainpiirien ominaisuuksia. Kehitystyö on varmistanut piireille erinomaisen suorituskyvyn, laajennetun muistin tulevaisuuden laitteita ajatellen sekä edistyneet tietoturva- ja suojausominaisuudet, jotta ohjaimilla voidaan vastata markkinoiden vaatimuksiin ja haasteisiin. Oheisessa kaaviossa (kuva 2) nähdään dsPIC-perheen tuotteiden kehityspolku, jossa uusi dsPIC33A edustaa jo yhtiön DSC-piirien viidettä sukupolvea.
Kuva 2. Microchipin DSC-piirien dsPIC33-ytimen kehitysvaiheet.
Uusi dsPIC33A-ohjain on merkittäviä edistysaskel mikro-ohjainten teknologiassa. Se tarjoaa vankan ja energiatehokkaan alustan, joka on parhaimmillaan muistinhallinnassa, suoritusten optimoinnissa ja toiminnallisen turvallisuuden tukemisessa.
Yhtenäisen muistiarkkitehtuurin, tehokkaan 32-bittisen suorittimen, tuplatarkkuuteen yltävän liukulukuyksikön (DP-FPU) ja muiden edistyneiden ominaisuuksien ansiosta tämä kehittäjäystävällinen DSC-piirisarja sopii monenlaisiin sovelluksiin varmistaen tarkan reaaliaikaisen ohjauksen ja kyvyn selviytyä monimutkaisista tehtävistä. Ohjainpiiriin integroidut nopeat oheislaitteet ja kattavat turvatoiminnot tekevät siitä houkuttelevan valinnan niille, jotka haluavat hyödyntää mikro-ohjainten uusimpia innovaatioita.
Kuva 3. Yhteenveto dsPIC33A-piirin keskeisistä ominaisuuksista.
32-bittinen suoritin
Piiriperheen uusimmassa dsPIC33A-ohjaimessa on 200 MHz taajuudella toimiva 32-bittinen suoritin ja liukulukujen kaksinkertaiseen tarkkuuteen yltävä FPU-yksikkö. Nämä parantavat järjestelmän suorituskykyä erityisesti digitaalisen tehonsyötön, moottorinohjauksen ja rankkojen teollisuusympäristöjen sovelluksissa.
Ohjainpiiri yksinkertaistaa mallipohjaista suunnittelua ja kolmansien osapuolten työkalujen integrointia, mikä lisää toiminnan tarkkuutta ja kasvattaa järjestelmien kehitysnopeutta.
Liukuluvuissa tuplatarkkuuteen
Kaksinkertaisen tarkkuuden liukulukuyksikkö (DP-FPU) on yhteensopiva standardin IEEE 754-2019 kanssa ja tukee perustarkkuutta sekä tuplatarkkuutta erillisen liukuhihnan kautta. Tämä parantaa ohjelmiston luotettavuutta ja ohjaussilmukan nopeutta vähentäen samalla muuttujien skaalaukseen liittyviä ohjelmavirheitä.
Mukana ovat myös laitepohjaiset sini- ja kosinimuunnokset paremman moottorinohjauksen varmistamiseksi.
Tehostettu DSP-moottori ja CPU
Keskeisiin ominaisuuksiin kuuluu kaksi 72-bittistä akkumulaattoria eli aritmeettis-loogisen ALU-yksikön rekisteriä, jotka takaavat korkean resoluution ja tarkkuuden sekä merkittävästi pienemmän yli- tai alivuotoriskin laskentatuloksissa.
Myös 32-bittiset työrekisterit tarjoavat omalta osaltaan korkean suorituskyvyn ja resoluution sekä minimoivat muuttujien skaalauksen tarpeen, mikä edelleen vähentää yli- tai alivuotoriskiä. Käytettävissä olevat seitsemän kontekstinvaihtorekisteriä minimoivat viiveen reaaliaikaisissa sovelluksissa.
Huippunopeat oheislohkot
Uudessa 33A-piirissä on 12-bittinen AD-muunnin, joka toimii 40 meganäytteen sekuntinopeudella. Operaatiovahvistimilla on 100 MHz vahvistus-kaistanleveys-tulo (GBWP), ja nopeat komparaattorit toimivat 5 nanosekunnin vasteajalla. Tämä parantaa suorituskykyä ja vähentää viivettä monenlaisissa reaaliaikaisissa sovelluksissa: moottorinohjauksissa, digitaalisissa tehonmuunnoksissa, edistyneissä anturiliitännöissä.
Lisäksi erikoistuneet oheislohkot, kuten QEI (Quadrature Encoder Interface) ja BiSS-liitäntä (Bidirectional Serial Synchronous), mahdollistavat pyörivien akselien asennon reaaliaikaisen seurannan ja tiedonvälityksen keskeyttämättä datavirtaa. Ydintoiminnoista riippumattomat oheislaitteet, kuten CLC (Configurable Logic Cells) ja PTG (Peripheral Trigger Generator), puolestaan optimoivat suorittimen tehokkuutta käsittelemällä tehtäviä itsenäisesti, jolloin suoritin voi keskittyä kriittisempiin toimintoihin.
Paranneltu suojaus ja muistiarkkitehtuuri
Tietoturvaa vahvistetaan IRT-suojamekanismin (Immutable Root of Trust), turvallisen virheenkorjauksen ja flash-segmentin rajoitetun käyttöoikeuden avulla. Koko muistin kattava virheenkorjauskoodi (ECC), suorituskyvyn valvonta ja paranneltu kellonvalvonta parantavat nekin turvaominaisuuksia omalta osaltaan. Yhtenäinen muistiarkkitehtuuri ja kaksi RAM-lohkoa optimoivat suorituskyvyn ja yksinkertaistavat suoraa muistinkäyttöä.
Helppo kehitysympäristö
Uusi dsPIC33A-sarja virtaviivaistaa sulautettujen järjestelmien kehitystä mallipohjaisella suunnittelulla, jonka käskykanta-arkkitehtuuri (ISA) on yhteensopiva aiempien 33-sarjan DSC-ohjainten kanssa sujuvan siirtymän varmistamiseksi. Uusi ohjainpiiri integroituu vaivattomasti MPLAB XC-DSC -kääntäjään ja graafiseen MPLAB Code Configurator -ohjelmointiympäristöön.
Sarjaa tukee kokeilusta kiinnostuneille tarkoitettu evaluointialusta EV74H48A, joka sisältää moottorinohjaukseen, digitaaliseen tehonohjaukseen ja muihin sulautettuihin sovelluksiin räätälöityjä moduuleja. Kehitysympäristö laajenee jatkuvasti parantaakseen mallipohjaisen suunnittelun, moottorinohjauksen ja DSP-algoritmien tukea edistyneessä anturitekniikassa, digitaalisessa tehonohjauksessa ja muissa vastaavissa sovelluksissa sekä tehostaakseen toiminnallista turvallisuutta.
Kuva 4. dsPIC33A-ohjainperheen ekosysteemi.
Sovellukset ja markkinat
Uusi DSC-piirien dsPIC33A-sarja auttaa parantamaan lukuisten reaaliaikaisten ohjaussovellusten suorituskykyä eri toimialoilla:
Moottorinohjaus: Olipa kyse sitten teollisuusautomaatiosta, autoteollisuudesta tai robotiikasta, dsPIC-sarjan DSC-piirit tarjoavat tarkan moottorinohjauksen, joka mahdollistaa sujuvan ja tehokkaan toiminnan.
Tehoelektroniikka: Tehoelektroniikan sovelluksissa, kuten inverttereissä, muuntimissa ja teholähteissä, dsPIC-sarjan DSC-piireillä on keskeinen rooli sähkötehon tarkassa ohjauksessa ja säätämisessä.
Anturiliitännät: Anturidatan reaaliaikainen käsittely on elintärkeää lukuisissa sovelluksissa kuten instrumentoinnissa ja valvonnassa. dsPIC-sarjan DSC-piirit käsittelevät tehokkaasti eri antureista saatavaa dataa varmistaen nopeat ja tarkat vasteet sekä hyödyntäen ohjainpiirin tehokasta ydintä ja nopeita analogisia oheislohkoja.
Kuva 5. Tyypillisiä sovelluskohteita dsPIC33A-sarjan ohjainpiireille.
Uuden sarjan ensimmäinen piiri
Uuden 33A-sarjan ensimmäinen piiriversio dsPIC33AK128MC1xx sisältää 128 kilotavun flash-muistin ja laajan kokoelman oheislaitelohkoja. Ohjainpiirejä on saatavissa useissa eri koteloissa, mukaan lukien SSOP-, VQFN- ja TQFP-vaihtoehdot 28–64-nastaisilla koteloilla, joiden mitat ovat pienimmillään 4 x 4 mm. Myöhemmin sarjaan on tulossa valikoimaa laajentamaan ohjainversioita, joissa on vielä enemmän muistia ja oheislaitelohkoja sekä vastaavasti suurempi nastamäärä.
Kuva 6. dsPIC33A-ohjainpiirin lohkokaavio.
