CC BY
1016
микроконтроллеры
Обзор новой линейки микроконтроллеров SAMG с ядром ARM Cortex-M4F
от компании Atmel
Дмитрий САЗАНОВ
sda@efo.ru
В современных мобильных устройствах устанавливают все большее количество разнообразных датчиков. Наличие в смартфонах и планшетах акселерометра, гироскопа и датчика освещенности уже давно является стандартным. Но многие производители к этому базовому списку добавляют довольно неожиданные датчики, например датчики влажности, а обработку данных с них поручают отдельному устройству. Подобные устройства компания Atmel сводит в группу под названием Sensor Hub. Одним из представителей таких приборов является линейка SAMG, краткий обзор которой дан в статье.
Введение
В современном мире коммуникаций разнообразные датчики используются повсеместно. Если ранее они предназначались только для простого мониторинга, то сейчас задачи обработки данных с датчиков смещаются в сторону анализа состояния и положения устройств, что предполагает одновременный и совместный анализ данных с нескольких разнотипных датчиков. В частности, с датчиков движения: акселерометров, гироскопов, магнитометров; датчиков состояния окружающей среды: яркости и цвета освещения, температуры, давления и влажности. А также с других датчиков и контроллеров сенсорных интерфейсов.
Для удовлетворения таких потребностей компания Atmel в сотрудничестве с лидерами рынка изготовления датчиков создала решение под общим названием Sensor Hub, которое совмещает технологии низкого энергопотребления компании Atmel и опыт производителей датчиков, чтобы разработчик мог получить точные данные в реальном времени для контекстной реакции устройств на внешние воздействия при минимальном энергопотреблении. Такие системы уместны в носимой электронике: ультрабуках, планшетах, смартфонах, устройствах с IoT (Internet of Things — Интернет вещей), а также в игрушках и других подобных применениях. Эти микросхемы находят свое место и в иных приложения, где необходимы сбор и первичная обработка информации или требуются компактные корпуса, в том числе и в задачах с сетевым питанием.
Решения Atmel Sensor Hub включают как законченные устройства со встроенной микропрограммой, так и продукты с пользовательской микропрограммой. Это быстро набирающая популярность линейка SAMD на базе ядра ARM Cortex-M0+ и недавно вышедшая линейка микроконтроллеров SAMG на базе ядра ARM Cortex-M4F со встроенным модулем FPU, наряду с DSP-инструкциями ядра Cortex-M4, доступное в сверхмалых корпусах WLCSP49.
По замыслу инженеров компании Atmel само решение Sensor Hub включает не только кристалл, в том числе беспроводные решения и доступные для OEM-производителей контроллеры сенсорных экранов, но и другие элементы экосистемы разработки Atmel. Со стороны ПО это среда разработки Atmel Studio вкупе с библиотекой Atmel Software Framework, а со стороны аппаратной части — оценочные решения Xplained Pro. Вместе они создают платформу для простой и быстрой разработки приложений.
Особенности линейки SAMG
На текущий момент линейка состоит из двух семейств: SAMG51 и SAMG53. Оба семейства доступны в удобном для пайки корпусе QFP100 и актуальном для носимых применений благодаря малому размеру корпуса WLCSP49 — 3x3 мм. Микроконтроллеры линейки SAMG имеют широкие коммуникационные возможности для такого размера, хорошую аналоговую часть и низкое энергопотребление. Основные отличия между SAMG51 и SAMG53 заключаются в объеме флэш-памяти, наличии функционала
Таблица. Сравнение характеристик семейств SAMG
Параметр SAMG51 SAMG53
FPU + +
Макс. частота, МГц 48 48
Напряжение питания, В 1,62-2 1,62-3,6
SRAM, кбайт 64 96
FLASH, кбайт 256 512
SleepWalking - +
DMAC 18 каналов 28 каналов
EVSYS 3 канала 3 канала
USART/UART 1 + 2 2 + 2
I2C Master 2 при 400 кбит/с 2 при 400 кбит/с
I2C Slave 1 при 3,4 Мбит/с 1 при 3,4 Мбит/с
SPI 1 при 24 Мбит/с 1 при 24 Мбит/с
I2S - 2
PDM - 2
TC/RTT 3х16-битный + 1х32-битный 6х16-битный + 1х32-битный
АЦП 8х12 бит, 800 Кврв 8х2 бит, 800 Кврв
Корпус WLCSP49, QFP100 WLCSP49, QFP100
SleepWalking, максимальном напряжении питания, количестве каналов DMA и наличии некоторых коммуникационных интерфейсов (таблица).
Как уже говорилось, новая линейка SAMG построена на базе процессорного ядра ARM Cortex-M4F, которое является развитием Cortex-M3. Ядро Cortex-M4 получило ряд инструкций DSP, а в Cortex-M4F дополнительно установлен модуль вычислений с плавающей точкой (FPU), что делает его применимым для сравнительно сложных вычислений при обработке данных, полученных с датчиков перед отправкой в центральное устройство. Базовая производительность, заявленная компанией ARM, составляет 3,4 CoreMark/МГц. Соответственно, поскольку ядро стало сложнее, немного увеличилась площадь кристалла и незначительно выросло его энергопотребление по сравнению с ARM Cortex-M3.
микроконтроллеры i 17
Системная периферия
РЮ А/В
ФАПЧ И1аЯ
3-20 МГц XTAL
RCOSC 8/16/24 МГц номер кристалла
Управление энергосбережением
[ W,U ) í ШЯ)Г-
I
RCOSC 32 кГц
8 регистров резервирования данных
Вспомогательный блок
JTAG Boundary Scan
JTAG ICE & SWD ITM
ARM Cortex-M4F SRAM Flash
Контроллер прерываний 96 Кбайт 512 кбайт
I BdillB чип
t
t
t
3-слойная матрица шин
t t
Периферийный мост Периферийный контроллер DMA: 28 каналов
_L
г±ттт
PDC *
I т/с PDMIC I 16 бит х2 I хЗ
I/O I Т/С х38 I 16 бит хЗ
Real-Time Event
Рис. 1. Блок-схема микроконтроллера SAMG53
Периферия
Микроконтроллеры линейки SAMG оснащены богатым набором периферии, особенно если учитывать размеры корпуса WLCSP49.
Микроконтроллер имеет 28 линий ввода/вывода, содержит шесть 16-битных таймеров-счетчиков и один 32-разрядный таймер реального времени RTT. Для снижения нагрузки на ядро и в целях энергосбережения установлены контроллер DMA на 28 каналов и система событий на 3 канала. В младшем семействе снижено количество каналов DMA и отсутствует система событий.
Система тактирования разбита на два основных домена: медленный и быстрый. Последний имеет функционал определения сбоев тактирования. Оба домена могут тактироваться как от внешних резонаторов, так и от внутренних RC-генераторов. Также присутствует PLL, источником тактирования которого выступает медленный домен.
В старших микросхемах, SAMG53 (рис. 1), для коммуникации можно задействовать следующие коммуникационные модули:
• быстрый, до 24 Мбит/с SPI;
• I2C: два master на 400 кбит/с и один slave на 3,4 Мбит/с;
• I2S, два канала;
• USART + SPI;
• 2xUART;
• PDM с возможностью подключения двух микрофонов.
В младшем семействе отсутствует I2S и PDM, остальная коммуникационная периферия установлена.
Аналоговая часть представлена восьми-канальным АЦП с разрешением до 12 бит
и с частотой оцифровки до 800 000 отсчетов в секунду. Модуль поддерживает DMA, систему событий и логику сравнения. Также модуль имеет оптимизированное энергопотребление и быстро выходит из сна.
Энергопотребление
Поскольку данные семейства в первую очередь ориентированы на батарейное питание, энергосбережению уделено существенное внимание. В частности, в старшем семействе применены следующие решения.
Технология SleepWalking для трех коммуникационных модулей, модуль DMA с большим количество каналов и система событий, охватывающая три периферийных модуля: АЦП и два таймера. Эти три решения позволяют значительно снизить количество пробуждений ядра.
Производительное ядро, быстро выходящее из режимов энергосбережения, снижает необходимое время своей работы, а малопотребляющие источники тактирования и оптимизированная периферия сокращают энергопотребление периферии. В частности, АЦП потребляет 360 мкА в активном режиме и 2 мкА в режиме ожидания, при этом время пробуждения заявлено равным 5 мкс. Само ядро потребляет от 100 мкА/МГц в работе и от 7 мкА в режиме энергосбережения и выходит из сна за 3 мкс. Также нужно отметить, что существует возможность выбирать количество обновляемой памяти SRAM и вся периферия, ядро и функционал самопрограммирования флэш-памяти функционируют на минимальном напряжении в 1,7 В.
Средства разработки
Для работы со всем ассортиментом микроконтроллеров Atmel, включая SAMG, компания предлагает свою бесплатную интегральную среду разработки Atmel Studio. Среда ориентирована на полный цикл разработки и отладки приложений на языке C/C++ и языке ассемблера для 8- и 32-битных микроконтроллеров Atmel AVR, беспроводных SoC Atmel SAMR и линеек микроконтроллеров SAM3, SAM4, SAMD и SAMG с ядром ARM Cortex-M. Поддержка рассматриваемого семейства введена в среду разработки начиная с версии 6.2. В состав среды включены следующие компоненты:
• Atmel Software Framework (ASF).
• C/C++ компилятор GCC с поддержкой командной строки для микроконтроллеров с ядром AVR и ARM.
• Дебаггер с расширенным функционалом.
• Редактор с подсветкой синтаксиса.
• Extension Manager — менеджер расширений для Atmel Studio.
• Atmel QTouch Composer — набор средств для разработки и отладки сенсорных интерфейсов.
• Wireless Composer — средства для отладки беспроводных приложений.
• Atmel Spaces — облачный защищенный сервис для обмена проектами с функционалом репозитория.
ASF также доступна в виде библиотеки для среды разработки Embedded Workbench от компании IAR.
В качестве аппаратных средств отладки для своих продуктов Atmel предлагает внутрисхемные отладчики ATMEL-ICE и AT91SAM-ICE (рис. 2). Первый ориенти-
I_II I
Рис. 2. Аппаратные средства отладки
рован на работу с устройствами на базе ядер AVR и ARM Cortex-M. AT91SAM-ICE является клоном популярнейшего внутрисхемного отладчика J-Link от компании Segger и ориентирован на работу с ядрами ARM7, ARM9 и ARM Cortex-A5.
Для ускоренного освоения новых микроконтроллеров предлагаются новые недорогие оценочные наборы серии XPlained Pro на базе SAMG53 (рис. 3). Как и другие платы данной серии, они имеют реализованный на дополнительном микроконтроллере внутрисхемный отладчик на плате и опциональные модули расширения:
• ATPROTO1-XPRO — макетное поле;
• ATIO1-XPRO — плата с датчиками и microSD-слотом;
• ATOLED1-XPRO — плата с OLED-графическим индикатором;
• ATEPD-XPRO — контроллер E-INK-дисплея.
Рис. 3. Оценочная плата ATSAMG53-XPRO
Платы имеют прозрачную поддержку в Atmel Studio и содержат средства идентификации для среды разработки как базовых плат, так и опциональных, что облегчает первые этапы знакомства со средой и оценочными платами.
Заключение
Экосистема Sensor Hub, включающая как средства сбора информации, в том числе семейство SAMG, так и программные продукты и средства отладки, упрощает разработку подсистем сбора информации в задачах, критичных к энергопотреблению, в частности, в различных мобильных устройствах. Микроконтроллеры линейки SAMG, имеющие до десяти коммуникационных интерфейсов, АЦП, ядро ARM Cortex-M4F, различные механизмы энергосбережения и упакованные в сверхмалые корпуса размером 3x3 мм, являются крайне интересным продуктом, применимым как в качестве устройства в рамках Sensor Hub, так и для других задач, в том числе и задач общего назначения. ■
Новый продукт семейства Honeywell UmitlessTM беспроводной бесконтактный переключатель серии WLS
Компания И о пеу иге11 \ пд & Сотго I представляет новый беспроводный бесконтактный переключатель серии 1ЛИ.5. Данный продукт будет востребован в различных приложениях дистанционного мониторинга, когда прокладка электрических проводов и их дальнейшее обслуживание физически невозможно или экономически невыгодно.
Переключатели серии используются для бесконтактного обнаружения наличия или отсутствия различных видов магнитов в исполнительных механизмах, установленных в промышленном оборудовании.
