Микроконтроллерные сборки фирмы Phytec Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 7'2003

Микроконтроллерные сборки

фирмы PHYTEC

При разработке промышленных контроллерных систем управления при ограниченном времени, отведенном на проект, часто используют готовые контроллерные модули. Оптимальным является сочетание собственной разработки и готового контроллерного ядра, которое позволяет получить требуемые характеристики и избавиться от лишних функций. Хорошим примером такого решения являются высокоинтегрированные мезонинные модули PHYTEC (www.phytec.com), содержащие контроллер и память. Мезонином называется плата, вставляемая в основную плату (носитель) и располагающаяся параллельно плате-носителю. На носителе, в свою очередь, установлены разъемы для мезонинных модулей. Мезонинные платы сочетают высокую функциональность, быстродействие и малые размеры. Большое внимание уделяется сетевым технологиям CAN и CANopen. Фирма PHYTEC выпускает мезонинные контроллеры на базе 8051, 51XA, C166/ST10, Fujitsu 90F40 и 91F364, TriCore, PowerPC, ARM7, PXA255, SC520, STPC.

Сергей Копытин

[email protected]

Преимущества модулей PHYTEC

Компактные и гибкие решения

Модули PHYTEC имеют весьма компактные размеры за счет использования современной многослойной технологии и технологии SMD. Типичными являются модули размером со спичечный коробок или кредитную карточку. Есть совсем миниатюрные модули, выполненные в конструктиве DIP-40, которые вставляются в соответствующую дешевую колодку на плате-носителе. При этом полностью используются вычислительные и управляющие ресурсы микроконтроллера. Разработка и монтаж модулей соответствуют общепринятым стандартам и надежным промышленным технологиям.

За счет дополнительных посадочных мест стандартная конфигурация памяти может быть легко изменена, если требуется больший или меньший объем ОЗУ или ПЗУ. На модуле могут быть установлены дополнительные драйверы CAN, UART или контроллер Ethernet. При количестве от 25 штук может быть реализована заказная конфигурация, в которой присутствуют лишь необходимые компоненты. Гибкость конфигурации позволяет разработчику выбрать модуль, полностью отвечающий поставленным требованиям.

Модульная концепция

Модуль вставляется в ответные разъемы платы-носителя подобно большой микросхеме. Основные сигналы и порты МК выведены на стандартные разъемы, расположенные по краям модуля. Шаг контактов разъема модулей DIPMODUL, microMODUL и miniMODUL составляет 2,54 мм, nanoMODUL — 1,27 мм. В зависимости от сложности модуля phyCORE используется либо стандартный разъем с расстоянием между контактами 2,54 мм, либо высокоинтегрированный SMD-разъем Molex с шагом 0,635 мм, если это необходимо для минимизации размеров печатной платы.

Модули PHYTEC с цанговыми разъемами разработаны с учетом возможности дальнейшего наращивания при подключении периферийных модулей, например, модуля Ethernet для phyCORE-XA.

Для связи с компьютером используется интерфейс RS-232, через который программируется Flash-память. Это позволяет легко загружать и изменять код пользователя в процессе работы. Подключение периферии осуществляется с помощью свободных сигналов Chip-Select.

Уменьшение электромагнитных излучений

Новые модули phyCORE характеризуются большей плотностью упаковки и лучшими характеристиками по электромагнитным излучениям, которые достигаются за счет тщательного проектирования печатной платы. В сильно зашумленной среде функционирования электромагнитное излучение на плате вызывается неэффективным заземлением выводов питания электронных компонентов. Поэтому примерно 20% контактов разъема модуля phyCORE заземлено.

Печатная плата phyCORE имеет следующую структуру: два слоя GND, один слой Vcc и 3-5 сигнальных слоев. Для подавления шумов и наводок на верхнем и нижнем сигнальных слоях установлена сетка фильтрующих конденсаторов емкостью 1 нФ и 100 нФ, подключенных к GND. Восприимчивость к электромагнитным помехам также снижена ввиду малой длины печатных проводников на плате.

CAN, Ethernet и Flash

Многие мезонинные модули с микроконтроллерами (МК) Infineon C505CA, C515C, C164CI, C167CR/CS XC161CJ, XC167CI, ST Microelectronics ST10F168, ST10F269, Philips P80C592, P8xC591, XA-C3, Motorola PowerPC MPC555/565, Atmel AT91M55800A, Intel Xscale PXA255 и Fujitsu MB90F40xxx, M91F364G содержат встроенный CAN-контроллер. CAN (Controller Area Network) —

Компоненты и технологии, № 7'2003

это последовательная двухпроводная асинхронная шина с равноправными узлами и подавлением синфазных помех. CAN протокол подобен Ethernet, но, в отличие от Ethernet, схема обнаружения конфликтов в CAN поддерживает безотлагательное прохождение сообщений с высшим приоритетом. Многие 16- и 32-разрядные модули содержат также интерфейс Ethernet.

Flash-память на модулях PHYTEC программируется с помощью утилиты FlashTools. Для программирования модуль следует вставить в ответные разъемы платы разработки Development Board либо платы пользователя, соединить плату с персональным компьютером через COM-порт и подключить питание. При вызове FlashTools на экране монитора появляется соответствующее меню и отображается процесс загрузки кода пользователя во Flash. По завершении загрузки плату можно переключить в исполнительный режим для тестирования программы. Если программа содержит ошибки, можно легко перепрограммировать модуль.

Надежность

Надежность является весьма критичным фактором для встроенных приложений, где время жизни изделия измеряется многими годами. Время наработки на отказ MTBF оценивает жизненный цикл модуля на основе характеристик компонентов, используемых при его изготовлении. Расчет MTBF основан на предсказательной методологии и учитывает множество факторов, включающих обоснованность требований проекта, надежность драйверов, оценку продукта с точки зрения конкуренции, период технического обслуживания, рекламу, маркетинг и т. д. Большинство модулей PHYTEC успешно прошли MTBF-тестирование, получив исключительные результаты не только по итогам расчетов, но и при эксплуатации в полевых условиях.

Быстрая реализация проекта

Для ускорения цикла разработки все модули PHYTEC доступны в варианте поставки Rapid Development Kit, в состав которого кроме программного обеспечения и документации входят: мезонинный модуль, плата разработки Development Board, кабель DB-9 и сетевой адаптер (рис. 1).

Rapid Kit содержит также User's Manuals — документацию по плате и микроконтроллеру. В руководстве по быстрому запуску QuickStart Manual описывается, как подключить модуль, загрузить и выполнить демонстрационные программы. Spectrum CD-ROM содержит утилиту программирования FlashTools, докумен-

Рис. 1. Стартовый комплект Rapid Development Kit

тацию и демо-версии инструментальных средств разработки.

Development Board имеет формат еврокарты (160x100 мм) и служит для программирования модуля и тестирования программного обеспечения. Подключение модуля осуществляется через цанговые (рис. 1) или высокоплотные разъемы. Плата разработки для модулей phyCORE с SMD-разъемами Molex с шагом 0,635 мм представлена на рис. 2.

Development Board содержит джамперы для выбора режимов работы, интерфейсы RS-232 для соединения с PC и RS485/CAN, выведенные на разъем DB-9. Кроме того, на плате установлены: CAN-трансивер Philips 80C251, светодиодные индикаторы, разъем для внешнего адаптера сети, кнопки Reset и начальной загрузки Boot.

В состав Rapid Kit для модулей phyCORE дополнительно входит макетная плата Bare PCB для монтажа схемы пользователя. Development Board для microMODUL, miniMODUL, nanoMODUL и DIPMODUL уже содержит макетное поле. Для быстрого запуска приложений предлагаются также макетные платы расширения Expansion Board, включающие различные устройства для тестирования входов-выходов: кнопки, DIP-переключатели, гнезда для аналоговых входов, светодиоды, потенциометр, моторчик, дисплей LCD.

Покупать или делать самим?

При работе над новым проектом возникает вопрос, как с максимальной эффективностью и при разумных затратах обеспечить качество и скорость разработки. Решением является использование модулей PHYTEC, содержащих контроллер и память. Это значительно выгоднее, чем разработка собственного контроллерного ядра, так как внедрение готовых модулей PHYTEC в качестве управляющего звена во встроенное приложение позволяет сконцентрироваться на периферии и программном обеспечении и забыть о таких трудоемких и сложных стадиях проекта, как:

• отбор комплектующих и их приобретение

(при малых количествах — сложно);

• проектирование аппаратной части (трудоемко);

• разводка и изготовление многослойной

печатной платы (сложно);

• тестирование, отладка и переразводка

(сложно и трудоемко).

Чтобы попытаться ответить на вопрос, что выгоднее: изготовить собственное контроллерное ядро или купить готовый модуль, необходимо оценить время реализации и затраты проекта.

Стадии разработки

Рассмотрим детально все этапы проекта.

Отбор элементной базы

Важный и достаточно трудоемкий процесс, хотя большая часть компонентов модуля (SRAM, Flash, трансиверы) не привязана к конкретному приложению и строится на базе универсальных типовых микросхем.

Инженерная проработка проекта

При постоянном усложнении микроконтроллеров не является простой задачей. Начальная фаза проекта состоит в разработке электрической схемы, схемы расположения и разводке на основе спецификации и выбранной элементной базы. Часто из-за недоступности элементной базы или при возникновении новых требований приходится в процессе работы над проектом изменять схему и делать переразводку или даже полностью перерабатывать проект. Все это зачастую приводит к существенным дополнительным затратам. Ввиду многоступенчатой оптимизации модули PHYTEC имеют минимальные размеры. Кроме того, за счет тщательного проектирования достигается низкая восприимчивость модулей к электромагнитным помехам. Достичь таких характеристик при собственной разработке в условиях малосерийного производства не представляется возможным.

Изготовление и сборка по многослойной технологии и технологии SMD

Не всегда достижимо при малых и средних партиях. PHYTEC достигает в своих модулях максимальной миниатюризации, осуществляя сборку, сертифицированную по ISO-9001. Производственная линия PHYTEC обеспечивает автоматический монтаж двусторонних печатных плат при классе точности меньшем, чем 0402, лазерную сверловку переходных микроотверстий и монтаж корпусов BGA на печатную плату из 6-12 слоев с гарантированным качеством.

Тестирование, поддержка, техническое обслуживание

Последующие стадии проекта, которые также должны приниматься в расчет. Затраты не заканчиваются с изготовлением кон-

Рис. 2. Плата разработки для модулей phyCORE

О

Компоненты и технологии, № 7'2003

• Модуль размером 55x85 мм

> МК с ядром 8051 Infineon C515C

• 3 разъема с шагом 2,54 мм

> 32 (до 160) кВ SRAM

> 128 (до 512) кВ Flash

> Интерфейсы CAN 2.0B, 1 x RS-232

• 8 каналов АЦП с точностью 10 бит

• 24 линии I/O, 3 сигнала Chip-Select

• Батарейное питание для SRAM, RTC

• MTBF = 1 046 884 часа

• Модуль размером 55x40 мм

> МК 8051 Philips P8xC591 @12 МГц

• 2 разъема с шагом контактов 2,54 мм

> 128 (до 512) кВ Flash

> 128 кВ SRAM

> 4 (до 32) KB I C-EEPROM

• Интерфейс RS-232 или RS-485

. Full CAN 2.0В, трансивер 82C251

• 6 каналов АЦП на 10 бит

• I2C Real Time Clock

> MTBF = 982 234 часа

• Миниатюрный модуль 55x47 мм

. 16-бит МК Philips XAC3 @32 МГц

• 2 разъема с шагом контактов 2,54 мм

> 256 кВ (до 2 MB) Flash

> 256 кВ (до 1 MB) SRAM

> 2 (до 32) кВ SPI-EEPROM

• I2C Real Time Clock . 1 x RS-232/485

. CAN 2.0В и CAN трансивер 82C251

• MTBF = 860 057 часов

> Модуль в формате DIP-40 (24x59 мм) . 16-бит МК Infineon C164CI@20 МГц

> До 24 линий I/O выведены на разъем

> SRAM 32 (до 256) KB

> FLASH 12S (до 256) kB

> 2 (до 64) KB IIC EEPROM

> Интерфейсы Full CAN 2,0 B и RS-232

* 8 каналов 10-разрядного АЦП

* Модуль размером 85x55 мм . 16-бит МК Infineon C167CR/CS или STMicro ST10F16S c 256 KB Flash

> 3 разъема с шагом контактов 2,54 мм

> 256 KB (до 2 MB) SRAM

> 256 KB (до 2 MB) Flash

> Интерфейсы CAN 2.0B и RS-232/485 »16 каналов АЦП на 10 бит

» I2C Real Time Clock.

> MTBF = SS6 129 часов

» Миниатюрный модуль 60x53 мм

> 16-бит МК Infineon C167CS или STMicro ST10F269 @ 40 МГц

» 2 разъема Molex по 100 контактов » Ethernet контроллер C5S900A

> 256 KB (до 2 MB) SRAM

> 256 KB (до 2 MB) Flash

> 4 KB (до 32 ri) IIC- EEPROM . 2 x RS-232/485, RTC

»2 x CAN 2.0B и 2 трансивера 82C251 »16 каналов АЦП на 10 бит

> MTBF = 941 2S2 часа

» Миниатюрный модуль 60x53 мм » 2 разъема Molex по 100 контактов . МК Infineon XC167CI @ 40 M^

»256 KB SRAM (опционально 1 MB)

» 512 KB fast-SRAM с доступом 15 ns

> 256 KB (до 2 MB) Flash

> 4 KB (8, 32 ri) IIC- EEPROM

> 2 x RS-232, Ethernet CSS900A

»2 x CAN 2.0B и 2 трансивера 82C251 »IIC Real-Time Clock с резонатором » Интерфейс отладки JTAG/OCDS

miniMODUL-515C

модуль 8051 с CAN

• - „ .тт.r.t. > " ;;

■щ 5 Щ ІУІІІ

■bsiE 5 1 лЖ .ооо

!|! ,|V:...SSS

phyCORE-591

модуль 8051 с CAN

phyCORE-XACx

16-бит модуль с XAC3 и CAN

DIPmodul-164

16-бит модуль DIP-40

sp’ З £

ЇМ і

, ИНН»

Г.) Г ; і»«> .

...| І .

miniMODUL-167

16-бит модуль с CAN

phyCORE-167/ST10 HS/E

High-Speed Ethernet

phyCORE-XC167CI

16-бит модуль с CAN и Ethernet

» Модуль размером 53x60 мм » 32-bit Infineon TC1775 @ BGA-329 » 2 разъема Molex по 80 контактов »256 КВ (до 4МВ) стандартная Flash »256 КВ (до 4Мв) синхр. Burst Flash »256 КВ (до 2 МВ) SRAM » 4 ^ (до 32 ^) IIC-EEPROM »IIC Real Time Clock с резонатором » 2 x RS-232, Ethernet 10BaseT »2 x CAN 2.0B, 2 трансивера 82C251 »Интерфейс отладки JTAG/OCDS

• размером 72x57 мм

• 32-бит Motorola MPC555@40 МГц

• 2 разъема Molex по 80 контактов

• 256 кВ (до 8 MB) BURST-SRAM

• До 8 MB внешняя Flash

• 28 кВ — встроенная в МК SRAM

• 448 кВ — встроенная в МК Flash

• 2 x CAN 2.0В с трансивером 82C251

• Дуальный UART/SPI-порт, IIC RTC

• 2 16-канальных АЦП на 10 бит

• Интерфейс отладки BDM

• Рабочая температура от -40... +85 °C

• MTBF = 750 000 часов

» Модуль размером 84x57 мм »32-бит Motorola MPC565@40 МГц »SRAM: до 16 MB 32-Bit Burst RAM » FLASH: 4 MB Burst +8 MB станд.

»IIC-EEPROM: от 4 до 32 ri к 10Mbit/s Ethernet, IIC RTC » 3 x CAN 2.0B и 2 трансивера 82C251 » 4 x UART, 2 x SPI, 1 x J1850 » 40-канальный АЦП на 10 бит »Интерфейс отладки JTAG/BDM » Рабочая температура -40... +85 °C

» Модуль размером 53x60 мм » 32-bit RISC МК Atmel AT91M55S00A в корпусе pBGA со встроенным RTC » 2 разъема Molex по 100 контактов к До 16 MB Flash в корпусе pBGA

> До S MB SRAM, 2MB с 0 Wait States

> 1-8 ri SPI-EEPROM

»16-bit внешняя шина данных » 3 x RS-232, Ethernet 10BaseT »2 x CAN и 2 трансивера TLE6250 » Интерфейс JTAG для отладки

• 400 MHz ARM Core Version 5TE ISA с 2 x (1кВ+32кВ) Cache

• SDRAM: max. 128 MB

• Sync. FLASH: max. 64 MB

• Async. FLASH: max. 4 MB

• Memory Management Unit (MMU)

• Сигналы CS для RAM и Flash

• 2 интерфейса для карт MMC или SD

• Сигналы управления для 2xPCMCIA

• LCD -контроллер для STN и TFT

• Full UART c IrDA для Bluetooth

• Разъемы USB-Client и AC97/IIS

• SPI/IIC, CAN, 10/100 MBit Ethernet

» Миниатюрный модуль 72x57 мм к МК AMD Elan SC520@133 МГц » 2 разъема Molex по 100 контактов »до 16 MB Flash с поддержкой BIOS к 16 (до 64) MB SDRAM к 1KB (до 8 ri) IIC-EEPROM к COM1...COM4 с уровнями TTL, IrDA » Привод флоппи, порт LPT1, IDE » Интерфейсы клавиатуры и мыши » Контроллер Ethernet (опционально)

» Шины PCI и ISA, 8 входов-выходов » 6 CS, 9 прерываний, 2 канала DMA к System BIOS, GS Dos, Linux, Win CE »Встроенный интерфейс AMDebug

phyCORE-TC1775

32-бит модуль TriCORE, 2xCAN

phyCORE-MPC555

Модуль PowerPC

phyCORE-MPC565

PowerPC с 64-bit FPU

phyCORE-ARM7

32-Bit RISC МК в корпусе pBGA

phyCORE-PXA255

Модуль с ядром ARM@400MHz

phyCORE-SC520

Модуль с CPU 586

Компоненты и технологии, № 7'2003

троллерного ядра, так как тестирование и сопровождение часто отнимают много времени и сил, особенно если в проекте была допущена скрытая ошибка.

Анализ затрат

Хотя комплектация стоит дешевле, чем готовый модуль, конечная стоимость изделия определяется исходя из суммарных затрат. Общая стоимость, кроме стоимости комплектующих и материалов, включает затраты на их отбор и приобретение, проектирование, разводку, изготовление, тестирование, а также накладные расходы. Чтобы оценить соотношение этих затрат, можно воспользоваться экспертной оценкой для 16-разрядного контроллерного ядра при количествах 100-500 штук: Отбор и приобретение комплектующих 4% Проектирование и обучение 59%

Сборка микроконтроллерного ядра 5% Тестирование/верификация 5%

Техническое сопровождение изделия 2% Накладные расходы 25%

Итого 100%

Конечно, основываясь исключительно на анализе затрат на приобретение комплектующих, проектирование, производство, тестирование и сопровождение, не всегда удается оценить реальную картину. Тем не менее, стоимость комплектующих и материалов для изготовления печатной платы в данном случае колеблется в пределах от 50 до 100% от стоимости работ.

Естественно, сами комплектующие стоят дешевле, чем готовый модуль РИУТЕС. И если даже согласиться с бытующим у нас в стране мнением, что своя собственная работа мало что стоит, остаются такие аргументы, как существенно худшее качество модуля, изготовленного самостоятельно, и значительное время выхода готового изделия на рынок. Разработка собственного контроллерного ядра часто приводит к астрономическим финансовым и временным затратам.

Использование готовых модулей РИУТЕС предполагает незначительные начальные затраты и в наших условиях является экономически выгодным при количествах в несколько сотен штук в год.

Заключение

Одноплатные контроллеры РИУТЕС позволяют реализовать новый проект в предельно сжатые сроки, уделяя больше внимания аппаратной и программной части проекта, его тестированию и верификации. Для проекта с использованием мезонинного модуля очевиден выигрыш по времени разработки, трудоемкости и издержкам. Высокоинтегрированные модули являются весьма надежным решением за счет массового производства и заводского тестирования.

Внедрение готовых модулей экономически выгодно для серийного производства при малых и средних партиях и как прототип для собственной разработки.