Kompakte Systemdesigns mit hochintegrierten PIC-MCUs meistern

| Autor / Redakteur: Harsha Jagadish * / Michael Eckstein

Passt zusammen: Dank Core-unabhängiger Peripherie können PIC-Mikrocontroller in vielen Fällen statt leistungsstärkerer MCUs eingesetzt werden.
Passt zusammen: Dank Core-unabhängiger Peripherie können PIC-Mikrocontroller in vielen Fällen statt leistungsstärkerer MCUs eingesetzt werden. (Bild: Microchip)

PIC-Mikrocontroller mit Core-unabhängiger Peripherie ermöglichen einen höhere Integrationsgrad. Sie können helfen, auch schwierige Design-Herausforderungen zu meistern.

Embedded-Systeme sind zu einem unverzichtbaren Bestandteil unseres Lebens geworden. Neueste technologische Errungenschaften eröffnen sowohl Branchengrößen als auch Start-ups spannende Möglichkeiten. Viele Unternehmen sind begeistert von der Chance, beträchtliche finanzielle Erfolge zu erzielen und daher motiviert, in die Entwicklung zukünftiger Produkte zu investieren, die auf diesen neuen Technologien basieren. Dies schafft einen intensiven Wettbewerb in vielen Bereichen.

Um sich in diesen überfüllten Märkten differenzieren zu können, müssen Unternehmen ihr Produktangebot verbessern und die Kosten ihrer Designs optimieren. Entwickler von Embedded-Systemen sehen sich einem ständigen Innovationsdruck ausgesetzt. Ihr Hauptwerkzeug, der Mikrocontroller (MCU), muss dabei mit den sich rasch ändernden Systemanforderungen Schritt halten. Eine Lösung dafür sind programmierbare ICs mit integriertem Mikrocontroller, kurz, PIC-MCUs.

Durch technologische Fortschritte ist es möglich, immer mehr Funktionen darin zu bündeln. Neuere PIC-MCUs integrieren Core-unabhängiger Peripherie (Core Independent Peripherals, CIPs) auf dem Chip. Dies sorgt für mehr Flexibilität, Skalierbarkeit und Leistungsfähigkeit der Bausteine. Zu den wesentlichen Leistungsmerkmalen von CIPs zählen:

- unabhängige Module, die ohne ständige Überwachung der CPU agieren,

- dedizierte Hardware für hohen Durchsatz und fast keiner Latenz,

- direkte Interaktion mit anderer integrierter Peripherie, um selbsttragende Systeme mit einem geschlossenen Regelkreis zu ermöglichen,

- intelligente Module, die fast keine Prozessorressourcen benötigen,

- geringer Stromverbrauch und Energiesparmodi prädestiniert sie für stromsparende Designs.

CIPs sind als Hardware-Design implementiert. So lassen sich ihre Funktionen kosteneffizient umsetzen. Die zusätzlichen Kosten für das Design einer Systemfunktion mit CIPs sind wesentlich geringer als die ähnlicher Implementierungen, etwa einer User-Firmware, die Flash, RAM, die notwendige Prozessorbandbreite und möglicherweise auch externe Bauelemente benötigt. Mit CIPs können PIC-MCUs komplexe und spezielle Aufgaben mit wenig oder gar keiner Interaktion mit der CPU ausführen.

Dies verringert den Stromverbrauch, während gleichzeitig die CPU andere Aufgaben bearbeiten kann. Darüber hinaus sorgt das Weglassen diskreter Bauelemente außerhalb des Chips zu erheblichen Kostensenkungen bei der Stückliste. Durch die frei gewordenen Prozessorressourcen können CIPs Prozesse parallel mit der CPU abarbeiten, so dass keine kostspielige MCU mit höherer Verarbeitungsleistung erforderlich ist.

Peripherie-Integration: Höhere Leistungsfähigkeit mit CIPs

CIPs finden sich in vielen PIC-MCUs, beispielsweise in den Serien PIC16, PIC18, PIC24, dsPIC33 und PIC32MM von Microchip. Einige CIPs der 16-Bit PIC24-MCUs, dsPIC Digital-Signal-Controller (DSCs) und 32-Bit PIC32MM-MCUs enthalten einen Peripheral Trigger Generator (PTG), konfigurierbare Logikzellen (CLC), eine Verschlüsselungs-Engine mit Zufallszahlengenerator (RNG), schnelle Komparatoren mit Ausblendfunktion und Digitalfilter sowie Multiple-Capture/Compare/PWM (MCCP).

CIPs verringern die Allokation von Prozessorressourcen und ermöglichen parallele Prozesse. So kann eine Verschlüsselungs-Engine beispielsweise symmetrische AES-, DES- und 3DES-Verschlüsselung und Entschlüsselung unterstützen. Die Implementierung dieser Routinen in Software erfordert ca. 1 bis 6 KB Flash und 100 bis 400 Byte RAM. Die entsprechende CIP benötigt hingegen fast kein Flash oder RAM – daher stehen diese Ressourcen zur Verfügung, um andere Funktionen auszuführen. Als Hardwaremodul erreicht die Verschlüsselungs-Engine einen sehr hohen Datendurchsatz im Vergleich zu einer ähnlichen Implementierung in Software.

Bei vergleichbarer Energieaufnahme führt sie das Ver- und entschlüsseln etwa 10-mal schneller aus. Dies verbessert die Gesamtenergieeffizienz der Anwendung um etwa das 10-fache. Dies ist ein wesentlicher Faktor in stromsparenden Anwendungen, die einen hochsicheren Datendurchsatz erfordern. Da CIPs auch in Stromsparmodi arbeiten können – wenn sich die CPU im Standby-Modus befindet – verringert sich auch der Stromverbrauch batteriebetriebener IoT-Anwendungen, die hohe Sicherheit erfordern.

Mehr Funktionen, geringerer Verbrauch, weniger Kosten

Mit CIPs lassen sich Systemfunktionen erweitern und fortschrittliche Designs aufbauen. Der Peripheral Trigger Generator (PTG) ist ein einstellbarer Sequenzer, der Trigger mit komplexen Eingängen erzeugt, um den Betrieb anderer Peripherie zu koordinieren und mehrere Systemanforderungen zu bedienen. Er reduziert die Zahl der CPU-Interventionen und bietet Flexibilität und Skalierbarkeit, um mehrere Peripherie-Einheiten zu einem geschlossenen System zu verknüpfen, womit sich die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems erhöht. Der PTG eignet sich z.B. für die integrierte Leistungsfaktorkorrektur (PFC; Power Factor Correction) in Antriebssteuerungen. Dafür sind drei PWM-Kanäle zur Steuerung der Motorfunktion und eine zusätzliche PWM zur Steuerung des PFC-Betriebs erforderlich. Eine einfache Output-Compare-(OC-)Peripherie-Einheit erhöht die Anzahl der PWM-Kanäle, die im Baustein über die Highspeed-PWM-Kanäle hinaus zur Verfügung stehen. Zu beachten ist, dass bei der Leistungsfaktorkorrektur das Synchronisieren der Motorsteuerungs-PWM und PFC-PWM sowie das Triggern des A/D-Wandlers (ADC) und das Schalten der ADC-Kanäle für die Motorsteuerung und PFC-Signale innerhalb eines definierten Zeitfensters erfolgen müssen.

Diese beiden Anforderungen werden über ein einziges PTG-Modul gehandhabt. Damit erübrigt sich ein Design mit zwei ICs, was die Systemkosten verringert. Tragbare Geräte, Handhelds, Wearables und Home Security zählen zu den beliebtesten IoT-Anwendungen. Sie sind akku- oder batteriebetrieben und müssen längere Zeit zwischen dem Aufladen oder dem Batterieaustausch in Betrieb sein. MCUs für diese Anwendungen müssen hinsichtlich ihres Stromverbrauchs optimiert und flexibel genug sein, um energieeffiziente Designs zu ermöglichen. Für derartige Anwendungen hat Microchip seine eXtreme Low Power (XLP) PIC-MCUs mit CIPs entwickelt. XLP-MCUs verfügen über mehrere Low-Power-Modi für verschiedene Designanforderungen. Diese Betriebsarten halten verschiedene Ressourcen der MCU aktiv – vorgegeben durch den Entwickler – während die übrigen Module abgeschaltet sind.

CIPs machen leistungsfähigere MCUs häufig überflüssig

Unternehmen streben eine Differenzierung ihrer Produkte, ein verbessertes Angebot und geringe Kosten an. Vielseitige CIPs ermöglichen Produktverbesserungen ohne zusätzlichen Aufwand. Um z.B. die Tragfähigkeit von Drohnen zu verbessern, ist ein Motor mit höherer Drehzahl erforderlich. Die Motorsteuerung benötigt daher eine MCU mit einer höheren Verarbeitungsleistung und fortschrittlichen Analogfunktionen wie einer hohen Abtastrate und einem Mehrkanal-ADC. Eine CIP wie der Highspeed-/HS-Komparator mit Ausblendung und Digitalfilter arbeitet mit dem Präzisionsspannungs-Referenzmodul einer MCU. Dies macht eine fortschrittliche, teure MCU überflüssig. Diese Peripheriekombination dient zum Überwachen des Schwellwertsignals, um die Motorparameter effizient zu regeln. Da der HS-Komparator die Abtastrate nicht so stark begrenzt wie ein normaler ADC, kommt die Applikatin ohne Hochgeschwindigkeits-ADC in der MCU aus.

Ein weiteres Beispiel ist die Genauigkeit von Stromzählern. Diese hängt von der Überwachung der Phasendifferenz zwischen Spannungs- und Stromsignal ab, mit der sich der Leistungsfaktor der Last berechnen lässt. Das gebräuchlichste Verfahren zum Messen der Phasendifferenz besteht darin, den Zeitablauf zwischen dem Nulldurchgang der beiden Signale zu vergleichen und die Phasenwinkel zu extrapolieren. Für eine genaue Schätzung der Phasendifferenz sollte die Abtastrate ausreichend hoch sein, um Extrapolationsfehler zu minimieren, die bei einem Hochgeschwindigkeits-ADC auftreten.

Das Ganze wird noch komplizierter, wenn ein einziger ADC alle drei Signale – Spannung, Strom und Neutral – in einem Zeitmultiplex-Umfeld abtasten muss. In diesem Fall erhöht sich die Anforderung an die effektive Abtastrate um das 3-fache. CIPs wie die konfigurierbare Logikzelle (CLC) erhöhen die Genauigkeit der Phasendifferenzmessung, indem sich ein Hardware-Phasendetektor integrieren lässt. Eine Kombination aus CLC und der Input-Capture-(IC-)Peripherie kann die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen derselben Frequenz messen. Damit steht eine höhere Auflösung sowie Informationen über den Vorlauf/Nachlauf bereit. Die Funktionalität CLC-basierter Erweiterungen wird somit erhöht, ohne dass ein Übergang auf eine teurere MCU mit höherer Leistungsfähigkeit erforderlich ist.

Designoptimierung und Kosten im Blick behalten

Differenzierung mag für viele Entwickler ein Hauptanliegen sein – doch dürfen sie auch die Kostenoptimierung auf Systemebene nicht aus den Augen verlieren. PIC-MCUs bieten viele Funktionen dafür. Einige enthalten hochintegrierte Analogmodule, u.a. einen Sigma-Delta-ADC, Hochgeschwindigkeits-SAR-ADC und integrierte Operationsverstärker auf einem einzigen Chip. Diese integrierten Analogmodule erübrigen ein Multi-Chip-Design. Eine Single-Chip-Lösung verringert die Kosten auf Systemebene erheblich und spart Platz auf der Leiterplatte, um platzoptimierte Designs wie Wearables und Sensoranwendungen weiter optimieren zu können. On-Chip-CIPs helfen auch bei der Umsetzung erweiterter Anwendungen und übernehmen deterministische Routinen von der CPU.

Folglich werden weniger Prozessorressourcen wie Bandbreite, Flash und RAM verbraucht. Mit der Entlastung der CPU ermöglichen CIPs mehrere parallele Prozesse ohne teure Multi-Core-MCUs. Als Hardware-Module reagieren CIPs schneller auf Stimuli und ermöglichen eine Zielfunktion mit höherem Durchsatz. Diese Aspekte machen den Einsatz von MCUs mit mehr Arbeitsspeicher und Verarbeitungsleistung oft überflüssig. Da sich die Anforderungen und Herausforderungen für Embedded-Systeme ständig weiterentwickeln, ist Core-unabhängige Peripherie in Microchips PIC-MCUs also die richtige Antwort – nicht nur, um aktuelle Anforderungen zu erfüllen, sondern auch dabei zu helfen, innovative Designs für die Zukunft zu ermöglichen.

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* Harsha Jagadish ist Senior Product Marketing Engineer der Abteilung MCU16 von Microchip Technology.

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