CC BY
54KiT#22(5)_Olia.qxd 4/8/05 3:42 PM Page 102
Компоненты и технологии, № 5'2002
Новые микроконтроллеры серии 8051
с интегрированными АЦП и ЦАП высокого разрешения для высокоскоростных приложений
-ф—
Огромное множество сложных систем контроля нуждается в высокоскоростной прецизионной цифровой и аналоговой периферии. Для этих задач компания Cygnal Integrated Products создала две новые линейки микроконтроллеров серии 8051.
Алексей Бизюков
leon@atos.ru
г>
С8051F040 T1AAHEDA 0132 ЕР
I. Микроконтроллеры С805Ш20/121/122/123
Эти устройства обладают уникальной для контроллеров серии 8051 производительностью 100 М1РБ и содержат 8- и 12-битные АЦП и два 12-битных ЦАП с улучшенными шумовыми характеристиками и малыми искажениями. Кроме того, микроконтроллер С8051Б120 СМ0Б обладает и другими высококачественными аналоговыми функциями. Например, на данный момент доступны версии, содержащие аналоговый мультиплексор, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, два компаратора, прецизионный источник опорного напряжения, датчик температуры, программируемый осциллятор и прецизионный УЭБ монитор — детектор кратковременного пропадания напряжения (рис. 1). Развитие продукции Cygnаl происходит по принципу размещения на одном кристалле качественной аналоговой периферии, устройств смешанного сигнала, 8- и 16-битных микропроцессорных ядер и памяти. Это позволяет уменьшить размер, стоимость и потребляемую энергию систем контроля. Устройства также содержат флэш-память для достижения максимальной гибкости и программируемости «в системе». Предыдущие поколения 8051 микроконтроллеров других производителей также имели встроенные аналоговые функции с высокими характеристиками, но эти характеристики достигались за счет ухудшения свойств цифровой периферии. Используя последнее поколение микроконтроллеров компании Cygnal, разработчики могут размещать высокоуровневую прецизионную аналоговую периферию в 100-мегагерцовые цифровые приложения. Компания тщательно подбирает значения частот для аналоговой и цифровой периферии с целью минимизации воздействия на аналоговую часть помех, возникающих при работе цифровой части. Это позволяет изолировать аналоговую периферию от наиболее шумящих компонент цифровой периферии (таких как флэш-память и статическая память), насколько это возможно. Кроме того, проводники аналогового сигнала полностью изолированы от помех со стороны источников питания.
Принцип «умного» дизайна. Микроконтроллер С8051П20 содержит 12-битный АЦП с регистром по-
следовательной аппроксимации (БАЯ) с гарантированной 12-битной точностью при скорости вычислений 100 кэрэ (килосимволов в секунду) и обладает интегральной (ВДЬ) и дифференциальной (БЫЬ) нелинейностями в пределах ±1 ЬББ (младший значащий бит). Эти характеристики получены благодаря использованию рассчитанной цепочки резисторов и перераспределению заряда. К примеру, отношение сигнал/шум для АЦП равняется 66 дБ. Два встроенных в чип 12-битных ЦАП имеют время отклика (по полной шкале) порядка 10 мкс. ЦАП согласованы по скорости с АЦП с БЫЬ = ±1 ЬББ и имеют диапазон выходного напряжения от 0 до УЯБР-1 ЬББ. Раздельные источники опорного напряжения для ЦАП и 12-битного АЦП позволяют пользователям С8051Б120 использовать ЦАП как устройство корректировки усиления для 12-битного АЦП. В чип интегрированы: дополнительный АЦП (реально — 8-битный) со скоростью вычисления 500 к8р8, 8-канальный мультиплексор, усилитель с программируемыми коэффициентами усиления и компараторы. Используя дополнительный АЦП для выполнения рутинных служебных операций, разработчик освобождает таким образом АЦП с высоким разрешением для решения более важных задач. Все расположенные на кристалле конверторы данных конфигурируются программно через специальные регистры функций. Низковольтные компараторы обеспечивают время отклика 4 мкс с перегрузкой 100 мВ.
Конвейер инструкций. Новые микроконтроллеры с расширенной структурой ядра практически в четыре раза увеличили свои вычислительные способности, но в то же время сохранили совместимость по кодам с 8051 набором инструкций. На данный момент достигнута скорость 100 М1РБ при тактовой частоте 100 МГц. Однако, если ядро микроконтроллера С8051П20 МСи работает на частоте 100 МГц, то максимальная скорость встроенной флэш-памяти ограничена 25 МГц. Но это не повод для огорчения, так как в микроконтроллеры Cygnal встроена кэш-память и система очередности выполнения команд. Необходимо заметить, что считывание флэш-памятью 32-битного слова (4 байта инструкций) на скорости 25 МГц соответствует считыванию 8-битного слова на скорости 100 МГц. Большинство 1- или 2-байтовых
Компоненты и технологии, № 5'2002
Digital power
Analog power
JTAG Boundary scan
logic Debug hardware
Vdd
monitor
БИ-
External
oscillator
circuit
Watchdog
timer
D
Reset
Internal
oscillator
H—
Vref
xll
phase-
locked
loop
System
clock
И
8051
core
Special (unction register (SFR) bus
128-byte
instruction
cache
128-kbyte
flash
256-byte
RAM
8-kbyte
XRAM
Port I/O configuration
UARTO
UART1
SM Bus
SPI Bus
Programmable counter array
Timers 0, 1,2,4
Timer
3/RTC
PO, PI, P2, P3 latches
Crossbar
configuration
Program mable-gain amplifier
J 2-bit DAC 1
EH-
-^2-bii
T
External data memory bus
bit DAC 0
Programmable gain amplifier
12-Ь»
1 OOksample/s ADC
Temperature sensor
H-
H-
Comparator 0 H^-Comp
8-bit 500-ksample/s ADC
8:1
-El
____Analog
multiplexer
Bus control
Address bus
Data bus
о | Р4 latch І“^Гі t Р4 driver
с о U
1 Р5 latch |—►Гг Р5 driver
w p
"О "О < | Р6 latch I-►р] i Р6
*\У driver
о | Р7 latch |—►Л ( Р 7
о а АХ driver
■ Comparator 1
Рис. 1. Высокоскоростное «сердце» этого микроконтроллера от фирмы Cygnal Integrated Products окружает большой набор аналоговой периферии. Конверторы данных поддерживают заданную точность и линейность при 100 M^
инструкций выполняется на скорости 100 М1РБ (рис. 2). Для последовательного выполнения программ реализован буфер выборки с упреждением. Если следующая инструкция не находилась в очереди, а была вызвана по прерыванию, то проверяется кэш-память. При наличии в кэше данных, содержащих инструкцию, выполнение этой инструкции идет в обход общей очереди. Это означает, что кэш нужен только для хранения одного слова команды в отличие от типичных кэшей, содержащих полную последовательность инструкций. Очень короткие команды могут содержаться в кэше целиком. Однако необходимы только несколько первых инструкций. Тем не менее, если следующая инструкция не находится в кэш-памяти, то происходит задержка, необходимая для чтения инструкции из флэш-памяти. Типичный коэффициент попадания для кэш составляет 90 %. Операции с кэшем и аппаратная поддержка отладчика настраиваются программно.
Отладка. При отладке данного микроконтроллера не используются дорогие внутрисхемные эмуляторы. Вместо этого чип имеет встроенный JTAG-интерфейс, аппаратные прерывания и ограниченные возможности отслеживания, что позволяет упорядочить отладку и снизить стоимость разработки аппаратных систем отладки. Отладка в устройстве требует только недорогого JTAG-интерфейса, который входит в комплект разработчика. Поддержка
отслеживания ограничена сохранением меток инструкций и прекращается при аппаратном прерывании. После этого трассировочный буфер удерживает адрес инструкции, выполнявшейся до прерывания. В действительности трассировочный буфер содержит метки инструкций для любых переходов, вызовов или прерываний, и они доступны при любой остановке ЦПУ. Хотя микроконтроллер С8051Н20 имеет максимальную скорость работы 100 МГц, имеющаяся в наличии система фазовой автоподстройки частоты (РЬЬ) и система управления внешними источниками тактового сигнала позволяет реализовать программный контроль над
тактовой частотой. Работа на меньших значениях тактовой частоты позволяет уменьшить расход энергии без перехода микроконтроллера в спящий режим. Внутренний осциллятор выдает частоты от 2 до 25 МГц с 2-процентной точностью, а работа на более высоких скоростях требует наличия внешнего кристалла или источника тактового сигнала. Внутренняя память ЯАМ содержит обычную для 8051 семейства сверхоперативную память объемом 256 байт и дополнительную память емкостью 8 Кбайт. Также существует возможность подключения внешней памяти. Общая цифровая периферия работает на частоте 100 МГц, что со-
25 MHz
100 MHz
128-kbyte flash
'32
25-MHz
oscillator
64-entry cache
Prefetch buffer
4x phase-locked loop (100 Mhz)
Instruction decode Analog peripherals
100-MHz 8051 core Digital peripherals
8-kbyte RAM JTAG de bug
Рис. 2. Кэш и буфер выборки с упреждением в микроконтроллере Cygnal 8051, работающем на 100 MГц, получают инструкции из 128-килобайтной 25-мегагерцовой флэш-памяти программ
Є
Компоненты и технологии, № S'2002
ответствует частоте работы процессорного ядра. Периферия состоит из 64 портов ввода—вывода общего назначения, портов SMBus/I2C и SPI и двух последовательных портов UART. Все счетчики 16-битные. Также имеется специализированный сторожевой таймер и двунаправленная схема перезапуска, позволяющая перезапускать процессор от внешнего источника. Система перепрограммирования выводов (crossbar) позволяет подключать различную периферию к выбранным портам ввода—вывода. Микроконтроллер разработан для диапазона напряжений от 2,7 до 3,6 В. Цифровые порты ввода—вывода совместимы с 5-вольто-вой логикой. Также имеется 22 вектора прерываний.
II. Микроконтроллеры C8051F040/041/042/043
Эти устройства построены на 8051 ядре, работают на скорости 25 MIPS и полностью поддерживает интерфейс CAN BUS 2.0B с 32 объектами сообщений. PGA позволяет контролировать 12-битный АЦП (скорость преобразований 100 ksps) во входном диапазоне 60 В. Микроконтроллер разработан для применения в промышленной автоматике и сенсорных системах, основанных на CAN-интерфейсе. Модель C8051F040 содержит:
• процессор 25 MIPS;
• CAN BUS 2.GB со специализированной RAM для 32 объектов сообщений;
• два порта UART;
• порт SMBus;
• порт SPI;
• пять 16-битных таймеров общего назначения;
• шестиканальный PCA;
• флэш-память 64 Кб, программируемая «в системе»;
• интерфейс подключения модулей внешней памяти;
• 12-битный АЦП со скоростью преобразований 1GG ksps;
• два 12-битных ЦАП;
• 60-вольтовый входной PGA с коэффициентами усиления от G,G5 до 16;
• компараторы;
• температурный сенсор и сенсор опорного сигнала;
• В-битный АЦП со скоростью преобразования 5GG ksps;
• отладчик, работающий по интерфейсу JTAG и не требующий эмулятора.
Рабочий температурный диапазон для всех моделей микроконтроллеров не хуже -4G...+B5 °C. Микроконтроллеры поставляются в двух корпусных исполнениях — 1GG- и 64-пиновый TQFP.
