eng
Выпуск #8/2003
Г.Горюнов.
Микроконтроллеры фирмы Xemics сверхмалого энергопотребления
Микроконтроллеры фирмы Xemics сверхмалого энергопотребления
Просмотры: 2851
Среди многообразия новинок рынка электронных компонентов необходимо выделить микроконтроллеры серии XE8000 компании Xemics, построенные на основе низковольтной энергосберегающей КМОП-технологии и отличающиеся рядом уникальных особенностей. В России швейцарскую компанию Xemics представляет фирма “Элтех”.
Преимущества микроконтроллеров серии ХЕ8000 очевидны при сравнении с аналогичными приборами примерно одинакового класса ведущих фирм-производителей. В табл.1 приведены сравнительные характеристики микроконтроллеров Atmega16L-8AI фирмы Atmel, PIC18LF4320T-I/PT фирмы Microchip и XE88LC01MI027 фирмы Xemics.
Представленные в таблице микроконтроллеры имеют приблизительно одинаковые вычислительные мощности и набор периферийных устройств. Однако видно, что микроконтроллер фирмы Microchip в два раза проигрывает в объеме памяти программ, а фирмы Atmel – имеет самые худшие показатели по энергопотреблению. При конкурентной цене прибор фирмы Xemics превосходит эти микроконтроллеры по характеристикам АЦП и явно лидирует по показателям энергопотребления.
Микроконтроллеры Xemics содержат высокопроизводительное ядро CoolRISCТ, асинхронный приемопередатчик для управления радиотрансиверами BitJokeyTM и периферийное устройство – (16+10)-разрядный масштабирующий АЦП (ZoomingADCTM).Основные технические характеристики четырех моделей микроконтроллеров серии XE8000 приведены в табл.2, а их структурные схемы – соответственно на рис.1–4.
Одно из достоинств микроконтроллеров серии XE8000 – множество режимов снижения энергопотребления, при этом результирующий ток потребления пропорционален тактовой частоте. Встроенный RC-генератор может быть настроен на необходимую тактовую частоту, а при использовании кварцевого генератора обеспечивается минимальная тактовая частота 32 кГц.
Большинство аналоговых узлов контроллеров имеют режим снижения энергопотребления. Так, величина тока, потребляемого АЦП, составляет только 1/4 от его номинального значения при использовании АЦП на 1/4 полной скорости. Узлы могут быть индивидуально деактивированы. Технология, на основе которой построено ядро CoolRISC и его периферия, позволяет отключать тактирующие импульсы от деактивированных узлов, благодаря чему снижается энергопотребление.
Питание на цифровую часть приборов серии XE8000 подается через регулятор напряжения. Это обеспечивает потребление микроконтроллерами минимального значения номинального тока даже при максимальном напряжении питания. Кроме того, при использовании регулятора напряжения максимальная производительность становится независимой от напряжения питания.
Режим остановки (hibernating). Микроконтроллеры XE8000 могут быть полностью остановлены, при этом в режиме остановки генератор и предделитель будут активны.
Спящий режим. В этом режиме микроконтроллер остановлен и генерация тактовых импульсов запрещена. ОЗУ будет хранить данные до тех пор, пока присутствует напряжение питания, при этом ток практически не потребляется (ток "покоя" – около 0,1 мкА при 27°С). Процессор "просыпается" после формирования условий сброса.
ОЗУ малого энергопотребления. К дополнительным периферийным устройствам следует отнести 8-байт микропотребляющее ОЗУ. При программном его использовании вместо обычного ОЗУ энергопотребление становится менее 300 мкА/MIPS.
ПРОЦЕССОРНОЕ ЯДРО COOLRISCТ
Основу всех контроллеров серии XE8000 составляет процессорное ядро CoolRISC, основными характеристиками которого являются:
· гарвардская RISC-архитектура. Команды процессора хранятся в памяти команд отдельно от памяти данных и регистров периферийных устройств;
· регистровая архитектура данных. Все арифметические операции могут иметь в качестве первого операнда любой из регистров, а в качестве второго операнда – как регистр, так и ячейку памяти. Результат может быть помещен в третий регистр или в любой из регистров-операндов;
· объем памяти. Максимальный объем адресуемой памяти данных – 64 Кбайта. Максимально возможный объем памяти программ – 65536 инструкций, где каждая инструкция имеет разрядность 22 бит;
· трехступенчатый конвейер команд. В течение каждого машинного цикла на конвейер поступает одна команда, которая выполняется максимум за три машинных цикла. Таким образом, производительность процессора составляет – одна инструкция за один машинный цикл (диаграмма работы конвейера приведена на рис.5);
· встроенный умножитель 8х8 бит. Ядро CoolRISC включает в себя узел 8-разрядного умножения, которое также выполняется за один машинный цикл;
· функция понижения тактовой частоты. В режиме снижения энергопотребления может быть включен внутренний делитель тактовой частоты. Коэффициент деления задается программно и может быть равен 2, 4, 8 или 16;
· режим бездействия. Инструкция останова может переключить ядро в режим бездействия, в котором потребление электроэнергии минимально. Внутренний тактовый генератор останавливается. Процессор может быть запущен сигналами прерываний или сброса;
· режим ожидания. Механизм квитирования, встроенный в ядро CoolRISC, позволяет разделять память между несколькими процессорами (или контроллерами с прямым доступом к памяти). В то время как один процессор не может получить доступ к запрашиваемой области памяти, другие процессоры могут считывать или записывать данные в эту область. Распределение памяти происходит по схеме запроса и подтверждения доступа.
УЗЕЛ BITJOKEYTM
BitJokeyTM – это КИМ-кодек, или интерфейс с ВЧ-приемопередатчиком. В обычных микроконтроллерах низкоуровневое кодирование ВЧ-протоколов осуществляется программно, и такие приложения занимают процессорное время для передачи или приема каждого бита. BitJokey значительно упрощает взаимодействие с трансивером на низком уровне, разгружая процессор. На рис.6 приведена структурная схема узла BitJokey, а на рис.7 – его соединение c трансивером.
АНАЛОГОВЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА
Один из самых мощных инструментов микроконтроллеров Xemics – встроенный масштабируемый АЦП (ZoomingADCTM), структурная схема которого приведена на рис.8. Его основные особенности:
· программируемый коэффициент предварительного усиления – от 0,5 до 1000;
· программируемая компенсация смещения характеристик датчиков;
· мультиплексор, позволяющий коммутировать четыре дифференциальных сигнала или восемь одиночных независимых сигналов;
· два входных дифференциальных канала смещения;
· режим энергосбережения;
· внутренний интерфейс АЦП и ядра CoolRISC.
Измерительный тракт может быть подключен к одному из восьми входных каналов, а опорное напряжение – к одной из двух входных дифференциальных пар опорных сигналов.
Основа узла масштабирования – три дифференциальных программируемых усилителя (PGA). После прохождения входных мультиплексоров сигналы UВХ и UОП усиливаются и смешиваются, проходя через три каскада. Программируемый коэффициент масштабирования может достигать 1000. При прохождении ступеней PGA2 и PGA3 уровень входного сигнала может быть смещен; коэффициент смещения задается программно. Любой усилитель может быть исключен из тракта усиления, если это необходимо.
Как и большинство АЦП, специализированных для инструментальных приложений и приложений оцифровки сигналов датчиков, ZoomingADC – это так называемый over-sampled конвертер*. Он обрабатывает двуполярный сигнал.
Зависимость напряжения на входе АЦП – UВХ.АЦП – от входного измеряемого напряжения UВХ имеет следующий вид:
...
где GDTOT – полное усиление канала измеряемого сигнала, а GDoffTOT – полное усиление канала опорного напряжения.
К устройствам аналоговой периферии относятся также ЦАП: сигнальный 4-кГц ЦАП с разрешением 10 бит и 8-битный опорный ЦАП для питания мостовых резистивных датчиков. Оба преобразователя состоят из собственно преобразователя и отдельного буферного усилителя. На основе буферных усилителей можно построить каскады с выходом по току или напряжению, а также различные фильтры. Структурные схемы сигнального и опорного ЦАП представлены на рис.9 и 10.
СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ
Для оценки характеристик и разработки приложений на основе микроконтроллеров серии XE8000 используется широкий спектр программно-аппаратных средств (табл. 3).
Микроконтроллеры фирмы Xemics можно использовать в самых разнообразных приложениях:
· устройства слежения за разрядом аккумуляторных
батарей;
· устройства чтения штрих-кода;
· системы автоматизации бытовой техники;
· сенсорные устройства;
· устройства управления электродвигателями;
· радиоуправляемые устройства (дистанционные сенсоры, интеллектуальные игрушки, управляемые голосом устройства, построенные на основе XE88LC06A);
· измерительные устройства;
· устройства управления 120-сегментным ЖК-индикатором (счетчики электроэнергии, калькуляторы, счетчики автозаправочных станций на основе XE88LC02);
· различные портативные приборы;
· системы сбора данных;
· интерфейсы датчиков.
Представленные в таблице микроконтроллеры имеют приблизительно одинаковые вычислительные мощности и набор периферийных устройств. Однако видно, что микроконтроллер фирмы Microchip в два раза проигрывает в объеме памяти программ, а фирмы Atmel – имеет самые худшие показатели по энергопотреблению. При конкурентной цене прибор фирмы Xemics превосходит эти микроконтроллеры по характеристикам АЦП и явно лидирует по показателям энергопотребления.
Микроконтроллеры Xemics содержат высокопроизводительное ядро CoolRISCТ, асинхронный приемопередатчик для управления радиотрансиверами BitJokeyTM и периферийное устройство – (16+10)-разрядный масштабирующий АЦП (ZoomingADCTM).Основные технические характеристики четырех моделей микроконтроллеров серии XE8000 приведены в табл.2, а их структурные схемы – соответственно на рис.1–4.
Одно из достоинств микроконтроллеров серии XE8000 – множество режимов снижения энергопотребления, при этом результирующий ток потребления пропорционален тактовой частоте. Встроенный RC-генератор может быть настроен на необходимую тактовую частоту, а при использовании кварцевого генератора обеспечивается минимальная тактовая частота 32 кГц.
Большинство аналоговых узлов контроллеров имеют режим снижения энергопотребления. Так, величина тока, потребляемого АЦП, составляет только 1/4 от его номинального значения при использовании АЦП на 1/4 полной скорости. Узлы могут быть индивидуально деактивированы. Технология, на основе которой построено ядро CoolRISC и его периферия, позволяет отключать тактирующие импульсы от деактивированных узлов, благодаря чему снижается энергопотребление.
Питание на цифровую часть приборов серии XE8000 подается через регулятор напряжения. Это обеспечивает потребление микроконтроллерами минимального значения номинального тока даже при максимальном напряжении питания. Кроме того, при использовании регулятора напряжения максимальная производительность становится независимой от напряжения питания.
Режим остановки (hibernating). Микроконтроллеры XE8000 могут быть полностью остановлены, при этом в режиме остановки генератор и предделитель будут активны.
Спящий режим. В этом режиме микроконтроллер остановлен и генерация тактовых импульсов запрещена. ОЗУ будет хранить данные до тех пор, пока присутствует напряжение питания, при этом ток практически не потребляется (ток "покоя" – около 0,1 мкА при 27°С). Процессор "просыпается" после формирования условий сброса.
ОЗУ малого энергопотребления. К дополнительным периферийным устройствам следует отнести 8-байт микропотребляющее ОЗУ. При программном его использовании вместо обычного ОЗУ энергопотребление становится менее 300 мкА/MIPS.
ПРОЦЕССОРНОЕ ЯДРО COOLRISCТ
Основу всех контроллеров серии XE8000 составляет процессорное ядро CoolRISC, основными характеристиками которого являются:
· гарвардская RISC-архитектура. Команды процессора хранятся в памяти команд отдельно от памяти данных и регистров периферийных устройств;
· регистровая архитектура данных. Все арифметические операции могут иметь в качестве первого операнда любой из регистров, а в качестве второго операнда – как регистр, так и ячейку памяти. Результат может быть помещен в третий регистр или в любой из регистров-операндов;
· объем памяти. Максимальный объем адресуемой памяти данных – 64 Кбайта. Максимально возможный объем памяти программ – 65536 инструкций, где каждая инструкция имеет разрядность 22 бит;
· трехступенчатый конвейер команд. В течение каждого машинного цикла на конвейер поступает одна команда, которая выполняется максимум за три машинных цикла. Таким образом, производительность процессора составляет – одна инструкция за один машинный цикл (диаграмма работы конвейера приведена на рис.5);
· встроенный умножитель 8х8 бит. Ядро CoolRISC включает в себя узел 8-разрядного умножения, которое также выполняется за один машинный цикл;
· функция понижения тактовой частоты. В режиме снижения энергопотребления может быть включен внутренний делитель тактовой частоты. Коэффициент деления задается программно и может быть равен 2, 4, 8 или 16;
· режим бездействия. Инструкция останова может переключить ядро в режим бездействия, в котором потребление электроэнергии минимально. Внутренний тактовый генератор останавливается. Процессор может быть запущен сигналами прерываний или сброса;
· режим ожидания. Механизм квитирования, встроенный в ядро CoolRISC, позволяет разделять память между несколькими процессорами (или контроллерами с прямым доступом к памяти). В то время как один процессор не может получить доступ к запрашиваемой области памяти, другие процессоры могут считывать или записывать данные в эту область. Распределение памяти происходит по схеме запроса и подтверждения доступа.
УЗЕЛ BITJOKEYTM
BitJokeyTM – это КИМ-кодек, или интерфейс с ВЧ-приемопередатчиком. В обычных микроконтроллерах низкоуровневое кодирование ВЧ-протоколов осуществляется программно, и такие приложения занимают процессорное время для передачи или приема каждого бита. BitJokey значительно упрощает взаимодействие с трансивером на низком уровне, разгружая процессор. На рис.6 приведена структурная схема узла BitJokey, а на рис.7 – его соединение c трансивером.
АНАЛОГОВЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА
Один из самых мощных инструментов микроконтроллеров Xemics – встроенный масштабируемый АЦП (ZoomingADCTM), структурная схема которого приведена на рис.8. Его основные особенности:
· программируемый коэффициент предварительного усиления – от 0,5 до 1000;
· программируемая компенсация смещения характеристик датчиков;
· мультиплексор, позволяющий коммутировать четыре дифференциальных сигнала или восемь одиночных независимых сигналов;
· два входных дифференциальных канала смещения;
· режим энергосбережения;
· внутренний интерфейс АЦП и ядра CoolRISC.
Измерительный тракт может быть подключен к одному из восьми входных каналов, а опорное напряжение – к одной из двух входных дифференциальных пар опорных сигналов.
Основа узла масштабирования – три дифференциальных программируемых усилителя (PGA). После прохождения входных мультиплексоров сигналы UВХ и UОП усиливаются и смешиваются, проходя через три каскада. Программируемый коэффициент масштабирования может достигать 1000. При прохождении ступеней PGA2 и PGA3 уровень входного сигнала может быть смещен; коэффициент смещения задается программно. Любой усилитель может быть исключен из тракта усиления, если это необходимо.
Как и большинство АЦП, специализированных для инструментальных приложений и приложений оцифровки сигналов датчиков, ZoomingADC – это так называемый over-sampled конвертер*. Он обрабатывает двуполярный сигнал.
Зависимость напряжения на входе АЦП – UВХ.АЦП – от входного измеряемого напряжения UВХ имеет следующий вид:
...
где GDTOT – полное усиление канала измеряемого сигнала, а GDoffTOT – полное усиление канала опорного напряжения.
К устройствам аналоговой периферии относятся также ЦАП: сигнальный 4-кГц ЦАП с разрешением 10 бит и 8-битный опорный ЦАП для питания мостовых резистивных датчиков. Оба преобразователя состоят из собственно преобразователя и отдельного буферного усилителя. На основе буферных усилителей можно построить каскады с выходом по току или напряжению, а также различные фильтры. Структурные схемы сигнального и опорного ЦАП представлены на рис.9 и 10.
СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ
Для оценки характеристик и разработки приложений на основе микроконтроллеров серии XE8000 используется широкий спектр программно-аппаратных средств (табл. 3).
Микроконтроллеры фирмы Xemics можно использовать в самых разнообразных приложениях:
· устройства слежения за разрядом аккумуляторных
батарей;
· устройства чтения штрих-кода;
· системы автоматизации бытовой техники;
· сенсорные устройства;
· устройства управления электродвигателями;
· радиоуправляемые устройства (дистанционные сенсоры, интеллектуальные игрушки, управляемые голосом устройства, построенные на основе XE88LC06A);
· измерительные устройства;
· устройства управления 120-сегментным ЖК-индикатором (счетчики электроэнергии, калькуляторы, счетчики автозаправочных станций на основе XE88LC02);
· различные портативные приборы;
· системы сбора данных;
· интерфейсы датчиков.
Отзывы читателей
