Tervezd részletekben – integráld egyszerűen

Kétmagos digitális jelfeldolgozó vezérlők könnyítik a tervezőcsapatok munkáját

Sokféle előnyt „vehetnek célba” a gyártók a különféle digitális vezérlőeszköz-családok kidolgozásával. Egy olcsó csippel például árat, egy nagy hatékonyságú eszközzel szolgáltatást vagy teljesítőképességet „nyerhet” a végfelhasználó. A jelen cikk szokatlan megközelítést alkalmaz; olyan termékcsaládot mutat be, amelyen a legtöbbet az a rendszertervező „nyerhet”, akinek különböző helyen, esetleg más országban dolgozó tervezőcsapatok munkáját kell összehangolnia.

Korunk mérnökei gyakran szembesülnek azzal a kihívással, hogy egyre bonyolultabb feladatokat kell megoldaniuk egyre rövidebb határidőkkel. Azok a termékkövetelmények, amelyek közül kiemelkedő fontosságúak a funkcionális biztonság szempontjai, és/vagy a komplex kommunikációs képességek, egyre összetettebb termékeket kívánnak, amelyeknek a tervezése is bonyolultabb feladat. Néha ez utóbbit még az is nehezíti, hogy egymástól földrajzi értelemben is távolabb dolgozó mérnökcsoportok együttműködése szükséges a tervezési feladat megoldásához. Például egy automotív felhasználásra készülő, korszerű DC/DC-átalakító projekten dolgozó csoportnak, amely a tápegység firmware-fejlesztésével van megbízva, a saját telephelyéről kell együttműködnie egy másik telephelyen – nem ritkán egy másik országban – működő fejlesztőcsapattal, akik a kommunikációs programverem tervezésén dolgoznak. A két csoport munkáját végül egyesíteni kell ugyanannak a mikrovezérlőnek a szoftverében, amely növeli a határidőcsúszás kockázatát, amit az egymással ugyan együttműködő, de mégis csak eltérő helyen és más tervezők által készített, egymással szoros kölcsönhatásban működő firmware-elemek integrációs nehézségei okoznak.

Bemutatjuk a kétmagos DSC-családot

Azok a rendszertervezők, akik felső kategóriás beágyazott vezérlési alkalmazásokat fejlesztenek egymástól függetlenül dolgozó szoftverfejlesztők munkájának integrálásával, most előnyös megoldást találnak egy új termékcsalád tagjaiban, amelyek egycsipes, kétmagos digitális jelvezérlőket^[1] tartalmaznak. Ez egyszerűsíti a szoftverintegráció folyamatát. A Microchip Technology dsPIC33CH típuscsaládjának egyik magját arra tervezték, hogy a másik mag tevékenységét is koordinálja (master), a másikat pedig az előbbi kiszolgálására szánták (slave) bizonyos speciális részfeladatok végrehajtásában. Ebben a master-slave felépítésben a slave-magot időkritikus vezérlőprogramok futtatására lehet használni, míg a master-mag a rendszerszintű funkciókat látja el (ideértve a felhasználói interfészt, a felügyeletet és végfelhasználói alkalmazáshoz „testre szabott” kommunikációt). A dsPIC33CH-t arra tervezték, hogy megkönnyítse a feladatmegosztást azáltal, hogy egymástól függetlenül lehet fejleszteni az egyes magokon futó firmware-t, ugyanakkor – a munka egy későbbi fázisában – ezeket nagyon könnyű legyen egyesíteni abból a célból, hogy – a végtermékben – egyazon csipen fussanak. Ennek a csipnek az egymástól függetlenül működő magjai egyszerűsítik a firmware-fejlesztést, mivel több, párhuzamosan, egyidejűleg dolgozó fejlesztőcsoport munkamegosztását teszik lehetővé. A futás- vagy válaszidő szempontjából igényes vezérlőhurkokat külön lehet választani az olyan „háztartási” funkcióktól, mint a felhasználói interfész kezelése, a rendszerfelügyelet és diagnosztika, valamint a kommunikáció. Ez felgyorsítja a fejlesztési folyamatot, lehetővé teszi, hogy mindkét mag egymástól elkülönített és hatékonyan optimalizált kódot futtathasson. Ez minimalizálja a két mag működése közötti kölcsönhatásokat és megkönnyíti a hibakeresés munkafolyamatát is.

Ideális alkalmazási területek

A dsPIC33CH termékcsalád kiválóan használható igényes digitális teljesítményelektronikai, motorvezérlő és más, összetett algoritmusok futtatását igénylő beágyazott alkalmazások megvalósítására. A teljesítményelektronika területén jellegzetes alkalmazásai a vezetékmentes töltés, a szervertápegységek, a DC/DC-átalakítók, a töltők és a feszültségátalakító inverterek. A család ugyancsak nagy népszerűségre tarthat számot a szivattyúk, ventilátorok, drónok, robottechnikai eszközök, elektromos kéziszerszámok és háztartási gépek motorvezérlőjeként való felhasználásban. Nagy teljesítőképességű DSC-ként ezek az eszközök igen alkalmasak automotív elektronikus szenzorok, ipari automatizálási és vezérlési, valamint orvostechnikai diagnosztikai készülékek jelfeldolgozási feladatainak ellátására. A két – közös csipre integrált – maggal ellátott mikrovezérlő előnyeit és teljesítőképességét élvezhetik továbbá a hálózatokat összekapcsoló „átjárókat” (gateway-eket) és IoT-alkalmazások központi vezérlőit tervező mérnökök is. Például egy digitális vezérlésű tápegységben a slave-magon futhatnak a számításigényes algoritmusok, amelyek a firmware-alapú, zárt hurkú szabályozások jelkésleltetésre kényes kompenzáció funkcióit valósítják meg. A másik magon eközben az előbbiektől függetlenül futtatható a PMBus™ protokollverem, és elláthatja a rendszerfelügyelet feladatait is, javítva ezzel az egész rendszer teljesítőképességét és válaszkészségét. Egy automotív célra szolgáló szivattyúban vagy más motorvezérlő alkalmazásban a slave-magra bízhatjuk az időkritikus sebesség- és nyomatékszabályozást, a master-magon pedig a funkcionális biztonság, a CAN-FD^[2] vezérlőhálózaton folyó kommunikáció és olyan más, rendszerszintű funkciók valósíthatók meg, mint a felügyelet és diagnosztika. Más, igényes beágyazott alkalmazásokban, például az IoT-rendszerek elektronikus érzékelőinek jelfeldolgozásánál a slave-mag gyorsítja az olyan számításigényes funkciókat, mint a szenzorról érkező bemeneti jelek DSP-vel megvalósított digitális szűrése, míg a master-mag a biztonságkritikus alkalmazások hibatűréséért és megbízhatóságáért felelő programrészeket futtathatja.

Nagy teljesítőképesség

A master-magnak 64 és 128 kbájtos, hibajavító kódos (ECC) flash programmemóriájú változatai léteznek. A RAM mérete 16 kbájt. A slave-mag programtárolója 24 kbájtos, ECC-kódos, RAM- adattárolója pedig 4 kbájtos. A master-mag 180 MHz-es órafrekvenciánál 90 millió utasítás/s (MIPS), a slave-mag pedig 200 MHz-es órajelnél 100 MIPS számítási teljesítményt kínál. Mindkét processzoralrendszernek saját megszakításvezérlője, óragenerátora, I/O-vezérlő logikája és multiplexerei, valamint perifériakivezetést kezelő rendszere (Periperal Pin Select – PPS) van. Az eszköz valójában két teljes, egymástól független dsPIC digitális jelvezérlő egy közös csipre integrálva. A két mag zavartalanul képes egymás mellett működni^[3], amely összetett algoritmusok futtatását teszi lehetővé a hatékonyság és a válaszkészség fokozása érdekében. Ráadásul a dsPIC33CH mindkét processzora önmagában is nagyobb teljesítőképességű a jelenleg elérhető más dsPIC processzormagoknál amiatt, hogy több kontextusvezérelt regiszter szolgálja a programmegszakításokra adott hatékonyabb választ, új utasítások gyorsítják a digitális jelfeldolgozást és gyorsabb az utasítások végrehajtása is. Ha elvégezzük a számítási teljesítőképességnek azt a kalkulációját, amely például sok tápegység-konstrukcióban szükséges, úgy találjuk, hogy az új vezérlő kétszerte gyorsabb az előző generációnál; a latencia (a szabályozóhuroknak az utasítás-végrehajtás által okozott késleltetése) például csupán 280 ns a korábbi generáció 543 ns-os latenciaidejével összehasonlítva. Az elosztott számítási alkalmazásoknál használt kétmagos DSC-megoldások másik kulcsfontosságú előnye az egymagos DSC-kkel szemben a teljesítményelektronikai alkalmazás nagyobb teljesítménysűrűsége, amely az elérhető magasabb kapcsolási frekvenciából adódik. Ez több mint 2 MHz az egymagos vezérlőkkel elérhető, legfeljebb 1 MHz-hez képest. A nagyobb kapcsolási frekvencia pedig a teljesítményelektronikai alkalmazásokhoz szükséges (induktív és kapacitív) alkatrészek kisebb méretét eredményezi. Az eszköz arra is alkalmas, hogy „élő”, működő rendszeren leállás nélkül lehessen a firmware-t lecserélni, ami különösen fontos az olyan nagy rendelkezésre állást igénylő rendszereknél, mint a szervertápegységek. Ráadásul a dsPIC33CH felépítése azt is lehetővé teszi, hogy a két mag egymást felügyelje a funkcionális biztonság növelése érdekében. Ez rendkívül robusztus működésű rendszer kialakítását teszi lehetővé. A rendszerköltséget és a NyÁK-helyigényt csökkentik azok a tipikus, fejlett perifériák – nagy mintasebességű A/D-konverterek, a hullámformák előállítására használható D/A-átalakítók, analóg komparátorok, programozható erősítők és nagy időfelbontású (250 ns-os) impulzusszélesség-modulátorok (PWM) – amelyekhez mindkét processzormag hozzá tud férni. Ez utóbbiak csatornaszáma akár 12 is lehet, ezért a vezérlő jól használható szünetmentes tápegységekben (UPS), DC/DC-konverterekben és AC/DC-tápegységekben. A dsPIC33CH család tagjaival – a Microchip első kétmagos, 16 bites digitális jelvezérlőivel – példátlanul magas alkatrészsűrűség érhető el, ugyanis a legkisebb tokozat csupán 5 × 5 mm helyfoglalású. Ezek egyben a dsPIC-család első tagjai, amelyek a robusztus kommunikációra képes CAN-FD buszprotokollt megnövelt sávszélességgel teszik elérhetővé. A család nyolc tokozat-változatban rendelhető. A fejlesztés támogatására a Microchip ingyenesen letölthető MPLAB-fejlesztőkörnyezete is alkalmas, beleértve a díjnyertes MPLAB X integrált fejlesztőkörnyezetet és az MPLAB Code Configurator alkalmazást is.

Összefoglalás

A Microchip dsPIC33CH csipcsaládot nagy teljesítőképességű, időkritikus beágyazott alkalmazásokra optimalizálták a való világ igényeinek figyelembevételével. A dsPIC33CH család lehetőséget ad a különböző jellegű programrészletek egymástól független fejlesztésére és „varratmentes” integrációjára, miközben csökkenti a rendszerköltséget és a méretet.

Szerző: Tom Spohrer – Microchip Technology. Inc.

www.microchip.com

Még több Microchip

A cikk angol nyelvű változatához kattintson ide.

If you want to read this article in english, click here.

^[1] Magyar nyelvre talán digitális jelvezérlőnek fordíthatnánk a Digital Signal Controller (DSC) kifejezést. Közismert a digitális jelfeldolgozó (Digital Signal Processor – DSP), valamint a mikrovezérlő (Microcontroller) fogalma, melyek egyesítéséből jött létre a DSC kifejezés, amellyel főként a Microchip Technology, Inc. terminológiájában találkozhatunk.
A DSC ugyanis egyfelől megfelel a gyors, ciklikus (főként szorzatösszegeket kiszámító) műveletsorok elvégzésére, ugyanakkor kiegészíti a DSP-k aritmetikai képességeit a mikrovezérlők (MCU-k) bőséges, integrált perifériakínálatával. A kifejezés pontos értelmét tehát a “digitális jelfeldolgozó vezérlő” fordítás adja vissza, de úgy véljük, efogadható könnyítés „digitális jelvezérlőnek” fordítani. – A ford. megj.

^[2] CAN-FD (Controller Area Network Flexible Data Rate) a jellegzetesen járműfedélzeti és ipari alkalmazásokra kidolgozott, nagy megbízhatóságú buszrendszernek (CAN) a különféle adatsebességű feladatokhoz könnyen alkalmazkodó változata. – A ford. megj.

^[3] Értsd: a két processzor között nem keletkezik semmiféle, a felhasználó által nem tervezett kölcsönhatás. – A szerk. megj.