CC BY
40Компоненты и технологии, № S'2003 Компоненты
Микроконтроллеры со сверхмалым энергопотреблением
фирмы XEMICS
В настоящее время инженеров-электронщиков трудно удивить техническими новинками, появляющимися на электронном рынке. Тем не менее, из всего этого многообразия хотелось бы выделить микроконтроллеры серии ХЕ8000 фирмы ХЕМ1СБ, отличающиеся рядом уникальных особенностей.
Геннадий Горюнов
gennady.gr@eltech.spb.ru
М
икроконтроллеры серии ХЕ8000 построены низковольтной энергосберегающей СМ08-технологии. Наличие периферийных устройств, таких, как: 16+10 разрядный масштабирующий АЦП (2оот1^АБС), узла ВЩокеу — асинхронного приемопередатчика для управления радиотрансиверами, а также высокопроизводительного ядра СооШКС позволяет использовать микроконтроллеры ХЕМ1С8 в разнообразных приложениях, таких, как:
• Устройства слежения за разрядом аккумуляторных батарей.
• Устройства чтения штрих-кода.
• Бытовая автоматизация.
• Сенсорные устройства.
• Управление электродвигателями.
Таблица 1. Основные технические характеристики микроконтроллеров серии ХЕВ000
XE88LCG1 XE88LCG2 XE88LCG3 XE88LCG5 XE88LCG6
Напряжение питания 2,4 В...5,5 В 1,2 /2,4 В...5,5 В 2,4 В...5,5 В 2,4 В...5,5 В 1,2 /2,4 В...5,5 В
МЭП ОЗУ, байт В В В В В
Потребляемый ток (1 MIPS), мкА 310 310 310 310 310
Потребляемый ток (32 KIPS), мкА 10 10 10 10 10
Потребляемый ток (спящий режим), мкА 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
ОЗУ данных, байт 512 1024 512 512 512
Программируемый RC-генератор + + + + +
Xtal 32 кГц + + + + +
Производительность, MIPS 2 Т/2 2 2 Т/2
Порты вход/выход 24 от 32 до 60 24 24 от 12 до 24
Последовательный интерфейс UART UART,SPI UART UART UART
BitJokey - - - - +
Счетчики-таймеры 4 ЗC 4 ЗC 4 ЗC 4 ЗC 4 ЗC
ШИМ ЦАП 2 2 2 2 2
Двойной буферированный ЦАП - - - + -
МЭП-компараторы - 4 - - 4
ZoomingADC + + - + -
Разрешение АЦП 16+10 16+10 - 16+10 -
ЖКИ-драйверы - 120 сегментов - - -
Корпус LQFP44 LQFP100 SOIC28, TQFP32 LQFP64 TQFP32
Температурный диапазон -40...+В5 "C -40...+В5 "C -40...+В5"C -40...+В5 "C -40...+В5 "C
Радиоуправляемые устройства (дистанционные сенсоры и измерительные устройства, интеллектуальные игрушки, управляемые голосом устройства, построенные на основе ХЕ88ЬС06Л). Измерительные устройства.
Управление 120-сегментным ЖК-индикатором (счетчики электроэнергии, калькуляторы, счетчики автозаправочных станций и т. п. на основе ХЕ88ЬС02).
Портативные приборы.
Системы сбора данных.
Интерфейсы датчиков.
О
= ------Г-| АЦІI_____________
16+10 разр. Масштабирующий
Временные
формирователи
1 S | | 1
І г
е
Рис. 1. Микроконтроллер XE88LC01
1 Только для версии ПЗУ
□
□
Xtal Генератор
RC генератор . 5 і s
1 Гц предделитель if “і
Сторожевой таймер
Сброс при включении
Контроль питания
Регулировка напр. Питания
Спящий режим
Счетчики UART Входы/выходы Прерывания
Рис. 2. Микроконтроллер XE88LC03
Компоненты и технологии, № S'2003
Xtal Генератор
RC генератор
Сторожевой таймер
| Сброс при
х включении
х Контроль питания
s L £.
£
кодер
Прерывания
Регистр сдвига *
декодер 4
Рис. 5. Микроконтроллер XE88LC06
На рис. 1-5 приведены структурные схемы микроконтроллеров серии XE8000
Одним из достоинств серии XE8000 является множество режимов снижения энергопотребления, при этом результирующий ток потребления пропорционален тактовой частоте.
Встроенный RC-генератор может быть настроен на необходимую тактовую частоту. При использовании кварцевого генератора обеспечивается минимальная тактовая частота 32 кГц.
Большинство аналоговых узлов имеет режим снижения энергопотребления: АЦП потребляет ток только на 1/4 от нормального потребления при использовании его на 1/4 от полной скорости. Узлы могут быть индивидуально деактивированы. Технология, на основе которой построено ядро CoolRISC и его периферия, позволяет отключать тактирующие импульсы от деактивированных узлов, что приводит к снижению энергопотребления.
Питание на цифровую часть контроллеров серии XE8000 подается через регулятор напряжения. Таким образом, микроконтроллеры XE8000 могут потреблять минимальный заявленный ток даже при максимальном напряжении питания. Кроме того, при использовании регулятора напряжения максимальная производительность становится независимой от напряжения питания.
Режим Hibernating. Микроконтроллеры XE8000 могут быть полностью остановлены. При этом генератор и предделитель будут активны в режиме остановки.
Спящий режим. В этом режиме микроконтроллер остановлен и запрещена генерация тактовых импульсов. В этом режиме 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.
Микропотребляющее ОЗУ. К дополнительным периферийным устройствам следует отнести 8 байт микропотребляющего ОЗУ. При программном использовании этого ОЗУ вместо обычного энергопотребление становится менее 300 мкА/М1Р8.
Процессорное ядро СооШБС
Основой всех контроллеров серии ХЕ8000 является процессорное ядро СооШКС. Основные характеристиками ядра:
• Гарвардская ШБС-архитектура. Программы 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 кбайт. Максимальный объем памяти программ — 65536 инструкций, где каждая инструкция имеет разрядность 22 бита.
Трехступенчатый конвейер команд. В течение каждого машинного цикла на конвейер поступает одна команда, которая выполняется максимум за три машинных цикла. Таким образом, производительность ядра — 1 инструкция за 1 машинный цикл. Диаграмма работы конвейера приведена на рис. 6. Встроенный умножитель 8x8 бит. Ядро CoolRISC включает в себя узел 8-разрядного умножения, которое также выполняется за 1 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 (Stand-by mode). Инструкция HALT может переключить ядро в режим бездействия, в этом режиме потребления электроэнергии минимально. Внутренний тактовый генератор останавливается. Процессор может быть запущен сигналами прерываний или сброса.
Режим ожидания (Wait mode). Механизм квитирования, встроенный в ядро CoolRISC, позволяет разделять память между несколькими процессорами (или ПДП-контролле-рами). 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.
CkOutl
Цй[оі1
I
-Г
ци|сл2
А V
ци[слЗ
-Г”
ци[сл4
ци[сл5
ци[сл6
I I
>—г
предвыборка прогр. пам. выб. и декод инструкц. выборка □паранда арифметич. вычисления сохран. 4 резулт. Г 1 1 1 1 1 1
предвыборка прогр. пам. выб. И декод. Инструкц. выборка * операнда арифметич. вычисления сохран. \ резулт. | |
1 предвыборка прогр. пам. выб. и деко^, инструкц. 'флаги выполнение 1 1
1 1 1 1 предвыборка прогр. пам. выб. И декод. выборка инструкц. | операнда арифметич. ' сохран. вычисления | резулт.
II: add гО, (10) 12: subd г2, гО, г! ІЗ: jeg Ox4FOO 14: move гО, (10)
Рис. 6. Диаграмма работы конвейера процессорного ядра CoolRISC
Компоненты и технологии, № S'2003
BitJokey
BitJokey — это PCM-кодек или интерфейс с ВЧ-приемопередатчиком. В обычных микроконтроллерах низкоуровневое кодирование ВЧ-протоколов осуществляется программно. Такие приложения занимают процессорное время для передачи или приема каждого бита. BitJokey значительно упрощает взаимодействие с трансивером на низком уровне, разгружая процессор. На рис. 7 приведена структурная схема узла BitJokey, а на рис. 8 — соединение BitJokey с трансивером.
Аналоговые периферийные устройства
Одним из самых мощных инструментов микроконтроллеров XEMICS является встроенный масштабируемый АЦП — ZoomingADC. Его структурная схема приведена на рис. 9.
Основными особенностями ZoomingADC являются:
• Программируемый коэффициент предварительного усиления от 0,5 до 1000.
• Программируемая компенсация смещения характеристик датчиков.
• Мультиплексор, позволяющий коммутировать 4 дифференциальных сигнала или 8 одиночных независимых сигналов.
• 2 входных дифференциальных канала смещения.
• Режим энергосбережения.
• Внутренний интерфейс АЦП и ядра CoolRISC. Измерительный тракт может быть подключен к одному из восьми входных каналов, в то
время как вход опорного напряжения может быть подключен к одной из двух входных дифференциальных пар опорных сигналов.
Основой узла масштабирования являются три дифференциальных программируемых усилителя (PGA). После прохождения входных мультиплексоров входные сигналы Vin и Vref усиливаются и смешиваются, проходя через три ступени. Программируемый коэффициент масштабирования может достигать 1000. При прохождении ступени 2 и 3 входной сигнал может быть смещен, коэффициент смещения задается программно. Любой усилитель может быть выключен из тракта усиления, если это необходимо.
Как и большинство АЦП, специализированных для инструментальных приложений и приложений оцифровки сигналов датчиков, ZoomingADC является так называемым oversampfed-конвертором. (Примечание: Over-sam-pled-конвертор работает с частотой выборки fs намного превышающей частоту Найквис-та для входного сигнала (типичные значения для fs превышают в 20-1000 раз полосу входного сигнала). Такие конверторы включают в себя десятичную фильтрацию и применяются для получения высокого разрешения или в приложениях с невысокой частотой измеряемого сигнала.) ZoomingADC обрабатывает двуполярный сигнал. В первом приближении оцифрованный результат является полномасштабным относительным измерением:
FS
ХЕ8000
з
и
О
RegRfrfCmdl
RegRfrfCmd2
RegRfrfCmd3
RegRfifTx
RegRfifTxSta
RegRfifRx
RegRfifRxSta
RegRfifRxSPat
RFIFO
RFIF1
RFIF2
RFIF3
data
Трансвитер
DATAOUT
[clock]
[match]
data
3 CLKOUT j PATTERN -№ DATAIN
Рис. 8. Соединение BitJokey и трансивера
код ОиТлс,с имеет значение от -¥§/2 до +¥§/2, а Утлъс лежит в пределах от — Укев/2 до +Уш?/2.
Зависимость напряжения на входе АЦП У1ЫАГ)С от входного измеряемого напряжения У1Ы имеет следующий вид:
VIN,ADC - GDTOT s VIN - GDofTOT s VREF
где GDTOT — это полное усиление канала измеряемого сигнала, а GDofTOT это полное усиление канала опорного напряжения.
К устройствам аналоговой периферии также относятся ЦАП: сигнальный 4 кГц ЦАП с разрешением 10 бит и 8-битный опорный ЦАП для питания мостовых резистивных датчиков. Оба ЦАП 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.
Сравнительные характеристики микроконтроллеров
В таблице 2 приведены сравнительные характеристики микроконтроллеров примерно одинакового класса ведущих фирм-производите-лей Atmega16L-8AI от Atmel, PIC18LF4320T-I/PT от Microchip и XE88LC01MI027 от XEMICS.
I'll
CPU £ шина
а о +ref
о X О- I с в X С V ЦАП
I?
п
буфер
Рис. 11. Опорный ЦАП
Компоненты и технологии, № S'2003
Таблица 2. Сравнительные характеристики микроконтроллеров
Память мкА (и„Ит3 В) АЦП Диапазон Цена
контроллер команд, К слов байт Рабочий режим производит. 1 MIPS Режим ожидания Спящий режим Входы/ разрядность жения питания, В Корпус >99 шт, $
XE88LC01MI027 8 512+8 310 1 0,1 8+4/16+10 2,4-5,5 LQFP44 6,0
PIC18LF4320T-I/PT 4 512 580 220 0,1 13/10 2,0-5,5 TQFP44 6,39
Atmega16L-8AI 8 1024 1100 350 1 8/10 2,7-5,5 TQFP44 5,52
Таблица 3. Средства разработки микроконтроллеров серии XE8000
XE8000MP XE8000EV101 XE8000EV102 XE8000EV103 XE8000EV104 XE8000EV108 XE8000EV110
XE8000SW
XE8000MP
XE8000EV101
XE8000EV102
XE8000EV103
XE8000EV104
XE8000EV108
XE8000EV110
Интегрированная среда разработки 1?ЮЕ-Рго с компилятором Си и встроенным загрузчиком. Совместно с многоцелевой платой ХЕ8000МР и оценочными платами ХЕ8000ЕУ образуют полный комплект средств разработки.
Многоцелевая плата для соединения среды разработки 1?ЮЕ-Ше или 1?ЮЕ-Рго (XE8000SW) с ХЕ8000ЕУ. Плата реализует алгоритмы программирования, включает в себя источник питания и преобразователи уровней
для интерфейса 1^-232.
Оценочная плата для XE88LC01MI027, используется вместе с XE8000SW и XE8000MP
Оценочная плата для XE88LC03MI015, используется вместе с XE8000SW и XE8000MP
Оценочная плата для XE88LC03MI026, используется вместе с XE8000SW и XE8000MP
Оценочная плата для XE88LC05MI028, используется вместе с XE8000SW и XE8000MP
Оценочная плата для XE88LC06MI026, используется вместе с XE8000SW и XE8000MP
Оценочная плата для XE88LC02MI035, используется вместе с XE8000SW и XE8000MP
Эти микроконтроллеры имеют примерно одинаковые вычислительные мощности и набор периферийных устройств. Из таблицы видно, что микроконтроллер от Microchip в два раза проигрывает в объеме памяти программ. Микроконтроллер от Atmel имеет самые худшие показатели по энергопотреблению. При средней цене микроконтроллер XEMICS превосходит рассмотренные микроконтроллеры по характеристикам АЦП и явно лидирует по показателям энергопотребления.
Средства разработки
Для оценки характеристик и разработки приложений на основе микроконтроллеров серии XE8000 имеется широкий спектр программно-аппаратных средств (табл. 3).
Получить более подробную информацию о микроконтроллерах серии XE8000, а также ознакомиться с продукцией фирмы XEMICS вы можете на сайте www.xemics.com.
е
