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Redakteur: Holger Heller

Zeitgleich zur Einführung der 32-Bit-Prozessorfamilie DragonFire MCF532x haben Freescale, National Semiconductor und EBV Elektronik ein Applikationspaket entwickelt, das als Referenzboard

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( Archiv: Vogel Business Media )

Zeitgleich zur Einführung der 32-Bit-Prozessorfamilie DragonFire MCF532x haben Freescale, National Semiconductor und EBV Elektronik ein Applikationspaket entwickelt, das als Referenzboard und Linux-Softwareumgebung dient. Was bietet die Referenzplattform COBRA5329 und wie hilft sie Systementwicklern, auf Boardebene eine Aufteilung in digitale und analoge Funktionen vorzunehmen?

Die digitale Revolution stößt einen rapiden Wandel im Bereich des Power-Managements und des analogen Signalpfads an. Mit Hochdruck wird da-ran gearbeitet, die Diskrepanz zwischen dem, was die Hersteller digitaler Systeme hervorbringen und dem, was die Hersteller analoger Produkte liefern können, zu verringern. Bei der Realisierung von Systemlösungen für Embedded-Prozessoren und -Controller war es bisher üblich, sich auf die Softwareaspekte zu konzentrieren. Den externen analogen Erfordernissen dagegen wurde keine besondere Beachtung geschenkt. Schließlich reichte es aus, vorhandene Power-Management-Konzepte aus früheren Projekten zu übernehmen. Diese Vorgehensweise ist allerdings nicht mehr praktikabel, da Systementwickler heute bausteinspezifische Stromversorgungsanforderungen und spezielle Voraussetzungen externer analoger Funktionen berücksichtigen müssen. Damit muss jede Systempartitionierung individuell geplant werden. Das modulare Design der Referenzplattform COBRA5329 ermöglicht es, künftige Erweiterungen der Peripherieausstattung an die Anforderungen der Systempartitionierung (Bild 1) anzupassen.

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Das Base-Carrier-Board (BCB) enthält alle Funktionen und Steckverbinder zum Evaluieren des Prozessormoduls (PM), auf dem sich der MCF5329 befindet. Der auch als DragonFire bezeichnete Baustein von Freescale ist ein 32-Bit-Prozessor auf der Basis der ColdFire-Mikroarchitektur (Version 3) mit 240 MHz Taktfrequenz.

Die Ausstattung umfasst 32 KByte SRAM, einen LCD-Controller, einen USB-Host- und On-The-Go-Controller, einen 2-Bank-SDR/DDR-SDRAM-Controller, einen 16-kanaligen DMA-Controller, drei UARTs, ein mit Queue versehenes SPI-Interface, einen Media-Access-Controller (MAC) und weitere On-Chip-Peripherie. Das Prozessormodul (PM) ist ein Board mit allen erforderlichen Funktionen zum Bau einer eigenständigen MCF5329-Systemlösung. Tabelle 1 enthält dessen wichtigsten Eigenschaften.

Modulare Softwareumgebung mit Compiler und Kernel

Das integrierte, mit Support für die Plattform ausgestattete Linux-Softwarepaket wurde von Emlix entwickelt. Die modulare Softwareumgebung besteht aus einer aktuellen Toolchain mit Compiler, die auf den MCF5329 zugeschnitten wurde, um den Linux-Betrieb zusätzlich zu einem optimierten Kernel mit Root-Dateisystem zu vereinfachen. Das Paket enthält ferner eine auf coLinux basierende Entwicklungsumgebung, mit deren Hilfe das Board direkt aus Windows XP heraus initialisiert werden kann. Mit dem integrierten SVGA-LCD-Controller und einigen Beispielprogrammen für die grafische Benutzeroberfläche Nano-X kann der Systementwickler mit geringem Zeitaufwand eigene grafische Applikationen entwickeln. Die Verantwortung für das Board-Design insgesamt wurde SenTex übertragen, die hauptsächlich auf Sensorsysteme und -applikationen spezialisiert sind und deren Erfahrung im Bereich der Systempartitionierung mindestens so wertvoll war wie ihr Know-how auf dem Gebiet der ColdFire- und DragonFire-Prozessoren.

Diese 32-Bit-Prozessoren sind heute ein unverzichtbarer Bestandteil vieler Anwendungen in den Bereichen Kommunikation, Industrie, Prüf- und Messtechnik sowie Medizintechnik. Der Trend zu höherer 32-Bit-Embedded-RISC-Performance hat auch die Realisierung mehrerer ColdFire-Varianten beschleunigt – jeweils mit einer individuellen Zusammenstellung von On-Chip-Leistungsmerkmalen. Mittlerweile verlangen Embedded-Systeme jedoch auch nach mehreren Versorgungsspannungen (1,5; 3,3 und 5 V), während die integrierten Leistungsmerkmale immer mehr Gates und höhere Taktfrequenzen erfordern, was wiederum die Anforderungen an die Stromversorgung erhöht. Nicht spezifizierte Stromversorgungsparameter erfordern eine genaue Untersuchung, denn viele Entwickler sind auf Parameter, für die ein bestimmter Wert „garantiert“ ist, zwingend angewiesen. Wird hier an falscher Stelle gespart, kann das zu schweren Folgen führen, speziell wenn die „garantierten“ Parameter ihre Gültigkeit verlieren. Es können nur solche Parameter und Spezifikationen als garantiert angesehen werden, die sich aus Referenzdesigns entnehmen lassen.

Stromversorgungsdesign mit kostenlosem Online-Tool

National Semiconductor stellt kostenlose Online-Tools für das Design von Stromversorgungen für den DragonFire unter Verwendung seiner Schaltregler- und LDO-Spannungsreglerbausteine zur Verfügung. WEBENCH, die Online-Umgebung für das Stromversorgungsdesign, bietet Funktionen für die Auswahl der Bauelemente und die thermische Simulation sowie das Erstellen individueller EVA-Boards. Die Frage, ob für das Board COBRA5329 ein LDO oder ein Schaltregler zu bevorzugen war, wurde mit Blick auf die Systemlösung selbst, die Systemkosten und das verfügbare Budget entschieden. LDOs werden in Applikationen bevorzugt, in denen der Platz auf der Leiterplatte knapp ist und die Ausgangsspannung besonders rauscharm sein muss. LDOs sind für geringe bis mittlere Ausgangsströme geeignet und bewähren sich hervorragend in Systemen, die rasch auf Änderungen der Eingangsspannung und auf Transienten reagieren müssen. In der Regel sind am Ein- und Ausgang Kondensatoren erforderlich, um die Induktivität zu kompensieren, das Rauschen zu mindern, Spannungsspitzen abzumildern und die Stabilität des Systems insgesamt zu verbessern. Zu den Nachteilen dieser einfachen Power-Management-Lösung gehören thermische Restriktionen, ein geringer Wirkungsgrad, das Fehlen jeglicher Softstartfunktionalität und die Tatsache, dass jeder LDO einen speziellen Ausgangskondensator benötigt.

Schaltregler werden bevorzugt, wenn es auf den Wirkungsgrad ankommt und das System hohe Ausgangsströme erfordert wie im Falle des COBRA5329 Base-Carrier-Boards. Der LM3671 (Bild 3), ein Buck-Schaltregler mit 2,2 MHz Schaltfrequenz, kommt mit einer Induktivität von nur 2,2 µH aus. Er eignet sich für Embedded-Applikationen auf DragonFire-Basis, die sich längere Zeit im Stand-by-Modus befinden. Durch den automatischen Wechsel der Betriebsart (z.B. von PWM auf PFM) stellt dieser Baustein bezogen auf den Ausgangsstrom eine geeignete Lösung dar. Der LM3671 erzielt bis zu 85% Wirkungsgrad bei 500 µA Ausgangsstrom. Auch über einen Strombereich von 2 bis über 350 mA kommt der IC auf einen Wirkungsgrad von über 90%.

Der 10/100-MBit/s-Ethernet-PHY-Transceiver DP83848 von National dient als Schnittstelle zum integrierten MAC des MCF5329 (Bild 4). Der Energy-Detection-Modus (EDM) des DP83848 bietet eine Stromsparmöglichkeit und erhöht die Systemleistungsfähigkeit. Bei aktiviertem EDM wird der DP83848 in einen Low-Power-Status versetzt und nur dann aufgeweckt, wenn auf dem Übertragungsmedium Energie registriert wird. Die entsprechenden Erkennungsgrenzwerte können mithilfe eines Steuerregisters so eingestellt werden, dass Störungen auf der Leitung nicht als Nutzsignal fehlinterpretiert werden. Von Zeit zu Zeit aktiviert sich der PHY, um kurze Energy-Detect-Impulse auszusenden und sicherzustellen, dass keine anderen PHY-Transceiver die gleiche EDM-Aktivität auf der Leitung versuchen. Die Fähigkeit des PHY-Transceivers, einen Interrupt am MAC-Block des MCF5329 auszulösen, stellt sicher, dass die Verlustleistung der CPU minimal ausfällt. Dank der AutoMDIX-Funktion des DP83848 können wahlweise normal verdrahtete oder Crossover-Kabel des Typs Cat-5 verwendet werden, wodurch das Risiko einer falschen Verkabelung praktisch entfällt.

Da sowohl für die Datenübertragung als auch für die Stromversorgung bestehende Cat-5-Ethernet-Kabel gemäß IEEE 802.3af genutzt werden dürfen, kann auf ein separates Stromversorgungskabel zwischen Host und Slave verzichtet werden, wenn der Power-over-Ethernet-(POE-)Controller LM5072 (Bild 5) von National verwendet wird. Der LM5072 stellt eine Kombination aus Power-Interface-Port und PWM-Schaltregler dar. Sein Interface entspricht der IEEE-802.3af-Spezifikation, und sein Current-Mode-Schaltregler ermöglicht die Versorgung von PDs (Powered Devices) an POE-Systemen.

National Semiconductor, Tel. +49(0)8141 351312

*Alan Hutton ist Channel Marketing Manager Europe bei National Semiconductor in Fürstenfeldbruck/München.

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