Mikrocontroller mit integrierten Wandlern Komplette Signalaufbereitung und Signalverarbeitung in einem Baustein

Autor / Redakteur: Günter Plechinger* / Holger Heller

Die technische Welt ist voll digitalisiert, aber die reale Welt ist analog. Dies zeigt sich mit den Integrationsanforderungen an neue Mikrocontroller: immer genauere A/D-Wandler, immer höher integriert, immer kleinere Gehäuse. Je genauer die Analog/Digitalschnittstelle, desto besser lassen sich digitale Rechenroutinen mittels einer leistungsfähigen CPU umsetzen.

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Bei Anwendungen, wie z.B. in der Mikrosystemtechnik, sind solche Funktionen gefordert: genaue Wandler zur eigentlichen Messgrößenerfassung zusammen integriert mit einer leistungfähigen CPU, die die komplette Signalaufbereitung und Signalverarbeitung in einem Gehäuse erledigen. Somit lassen sich anspruchsvolle Aufgaben ohne externen Rechner erfüllen. Weitere gute Gründe für diesen Lösungansatz sind die Miniaturisierung, Dezentralisierung, die höhere Zuverlässigkeit, geringere Kosten und mehr Flexibilität.

Die 32-Bit-MCUs der H8SX/1622-Serie von Renesas wurde für universelle Applikationen entwickelt, die eine hohe Leistungsfähigkeit, niedrige Stromaufnahme und vielfältige Peripherie benötigen. Der integrierte 16-Bit-Delta-Sigma-Wandler benötigt nur 91,5 µs, um einen Analogwert zu wandeln und verfügt über sechs Analogeingänge (zwei davon mit Differenzialfunktion). Die Eingänge können bis zu achtmal verstärkt werden. Zusätzlich gibt es noch einen 8-Kanal-/10-Bit-A/D-Wandler (Wandelzeit <4 µs) sowie zwei 8-Bit-D/A-Wandler.

Der H8SX/1622 bietet neben seinem präzisen 16-Bit-A/D-Wandler auch flexible Schnittstellen, sowohl zur Analog- als auch zur Digitalwelt. Seine Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich über die folgenden Zielmärkte:

  • verschiedene Industrieapplikationen,
  • hochpräzise „Smart“-Sensoren,
  • optoelektronische und Präzisionsmessgeräte,
  • Gyrosensoren,
  • optische sowie Positions-, Beschleunigungs- und Schallsensoren,
  • Messgeräte in der Medizintechnik,
  • tragbare Konsumeranwendungen wie z.B. Digitalkameras.

Der hier vorgestellte H8SX/1622F ist ein 32-Bit-CISC-Mikrocomputer mit einer maximalen Betriebsfrequenz von 50 MHz. Die MCU kann mit 3,0 bis 3,6 V betrieben werden. Die MONOS-Flash-Technik (50 MHz ohne Waitstate) ermöglicht ohne Cache eine Performance von 50 Dhrystone MIPS. Der integrierte 256 KByte Flash versorgt die CPU ohne Waitstate. Gegenüber der H8S-CPU (siehe Link: Embedded-Mikrocontroller für die LCD-Ansteuerung) haben die H8SX-MCUs mit 50 MHz (zukünftig mit bis zu 80 MHz) einen Geschwindigkeitsvorteil und bieten zusätzliche Architekturmerkmale wie:

  • durchgängig 32-Bit-breite Busse, welche die Instruktionsausführung erhöhen,
  • integrierter 16 × 16 Bit-Multiplizier für MAC-Operationen,
  • Multiplizier/Dividiereinheit zur Beschleunigung arithmetischer Operationen,
  • VBR (Vector Base Register): ermöglicht eine einfache Handhabung von Vektortabellen,
  • SBR-Register (Short-Address-Base-Register): schnelle Zugriffe über den 8-Bit-absoluten Adressierbereich.

MCUs dieser Leistungsklasse (20 ns Instruktionszykluszeit, 256 KByte Flash/24 KByte RAM, eine Vielzahl von 8-/16-Bit-Timermodulen, A/D- und D/A-Wandler etc.) zielen auf Consumer-Applikationen ab. Sie eignen sich aber auch für universelle Produkte in der Industrie. Hier erweist sich die hohe Integration von Peripheriemodulen kombiniert mit Flash als vorteilhaft. DMA und der Data Transfer Controller (DTC), sowie ein 4 GByte großer Adressraum erlauben dem Controller große Datenmengen zu verarbeiten.

Stromspar-Modi für geringe Leistungsaufnahme

Das DTC-Modul unterstützt den Transfer von und zu allen Speichern bzw. On-Chip-Peripheriemodulen, entlastet die CPU und ermöglicht auch so, den Stromverbrauch zu senken. Durch den 16-Bit-breiten externen Adressbus wird ein flexibler Anschluss über den Bus State Controller (BSC) an externe Peripherie oder Speicher realisiert. Die flexiblen Stromsparmodi ermöglichen einen langen Betrieb. Dieser Baustein besitzt sechs Power-Down-Modi: Clock Division, Sleep, Module Stop, All Module Clock Stop, Software Standby und Hardware Standby.

Um auch in batteriebetriebenen Geräten zum Einsatz zu kommen, verfügt die MCU über den „Deep-Software-Standby“-Modus, mit dem sich dann Stopp-Phasen von wenigen µA einfügen lassen. Zur weiteren Reduktion der Stromaufnahme bietet sich der Module-Clock-Stopp-Modus an: hier können nicht benötigte Peripheriemodule temporär deaktiviert werden. Zum Erhalt von RAM-Inhalten kann der Deep Standby-Modus genutzt werden: die typische Stomausnahme hier liegt bei 4 µA. Die Stromaufnahme (im Betrieb) ist abhängig vom MCU-Takt und liegt im Bereich von ca. 10 bis 50 mA (50 MHz). Mit dem kleinen LGA-Gehäuse (9 mm × 9 mm) erfüllen die H8SX-Derivate die Anforderungen von Systemen mit hoher Packungsdichte – eine Grundvoraussetzung z.B. für Sensoranwendungen.

Der H8SX/1622 verfügt über eine Reihe an Kommunikationsschnittstellen. Zur Verfügung stehen fünf universelle serielle Schnittstellen (sync./async. mit Smartcard-Option) sowie zwei I²C-Schnittstellen. Für Timeraufgaben erweist die 6-Kanal-TPU mit 16 Input-Capture-/Output-Compare-Leitungen gute Dienste. Für Timerfunktionen, Taktgeber, PWM-Generatoren, Phase-Counting-Funktionen (Drehwinkelgeber) sind 6 × 16-Bit-Timer sowie 4 × 8-Bit-Timer vorhanden. Der programmierbare Pulsgenerator erzeugt flexible 16-Bit-Pulsausgangssignale.

Für eine einfache Softwareentwicklung sind zwei Module für das Debugging implementiert: das UBC- (User Break Controller) und das H-UDI-Modul mit JTAG-Debugfunktion via E10A-USB. Neben den TPU-, PPG-Timerblöcken und dem Watchdog-Timer komplettieren die zwei separaten A/D-Wandler (16 und 10 Bit Auflösung) und ein 8-Bit-D/A-Wandler die Peripheriemodule.

Präziser 16-Bit-A/D-Wandler

A/D-Wandler vom Typ Delta-Sigma haben eine niedrigere Wandelgeschwindigkeit als SAR-Typen (sukzessive Approximation), bieten aber eine hohe Auslösung und vermeiden Eingangsrauschen durch Differenzialeingänge. Auf dem RSK-Evaluierungs-Board werden drei Anschlüsse als Eingänge benutzt. Dabei kommen spezielle SMA-Steckverbinder zum Einsatz. Zusätzlich wird eine separate Stromversorgung für den Analogbereich bereitgestellt, um optimale Betriebsbedingungen für die Wandler zu schaffen.

Als Entwicklungswerkzeuge stehen der E10A-Debugger von Renesas und die HEW-Workbench zur Verfügung, die alle notwendigen Tools zum Erstellen und Debuggen der Software enthält. Die RSK-Starterkits (erhältlich ab 4Q07) bieten einen einfachen Start für Entwicklungen. Über die mitgelieferten Softwarebeispiele lässt sich die Applikation beliebig ändern und anpassen, um den vollen Funktionsumfang der H8SX/1622-Peripheriemodule zu evaluieren.

Die Dokumentation des RSK1622-Starterkits und der beigefügte Sample-Quellcode führen zu einem schnellen Einstieg in die Welt der Embedded-Applikationen und der Ansteuerung des hochauflösenden 16-Bit-A/D-Wandlers. Mitgeliefert wird ein Softwarepaket mit C/C++ Compiler (60 Tage Vollversion, danach bis 64 KByte Code frei), HEW-Debugoberfläche, FDT-Flasherprogramm und Beispielen zu den Peripheriemodulen der MCU.

Zusätzlich erleichtert die enthaltene Software den Entwicklungseinstieg. Der H8SX/1622 lässt sich über den externen Adress-/Daten- und Systembus mittels Steckleisten erweitern. Das kleine LCD ist über eine Adapterplatine mit dem Starterboard verbunden und dient zur Ausgabe von z.B. Statusmeldungen.

Die H8S/SX-Serie: Sicherheit durch Aufwärtskompatibilität

Die H8S/SX-Familie umfasst eine CPU-Leistungsbandbreite bis zu 50 MIPS. Die typischen Anwendungsbereiche sind Peripheriegeräte zum PC aber auch Standard-Embedded-Control-Applikationen. Sie erfordern eine breite Auswahl an On-Chip-Schnittstellenmodulen, um einen möglichst kompakten und kostengünstigen Hardwareaufbau zu realisieren. Zusätzlich ermöglicht das Speicherangebot eine flexible Bausteinauswahl von ROMless-Varianten über MaskROM-Derivaten bis zu hochintegrieren 50 MHz/32-Bit-CISC-Controllern mit 1 MByte Flash. Kommunikationsaufgaben werden über USB oder drahtlose Schnittstellen ausgeführt. Die H8S/SX-MCU-Serie bietet hier eine Vielfalt an Derivaten mit USB- und Ethernet-Schnittstellen an.

*Günter Plechinger ist Produktmarketing-Ingenieur bei Renesas Technology Europe in Dornach/München.

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