Pour réduire le délai entre l'approbation d'un projet et sa mise en production (et par conséquent sa fabrication en série à moindre coût), les équipes de conception peuvent minimiser la courbe d'apprentissage liée aux technologies de microcontrôleurs et à leurs outils de développement. Parallèlement, le choix de microcontrôleurs dotés de fonctionnalités spécifiques à l'application permet de raccourcir le temps de leur implémentation, laissant ainsi aux concepteurs la possibilité de se concentrer sur leurs compétences fondamentales. Le produit final bénéficiera ainsi d'un avantage concurrentiel maximal.
Ces facteurs alimentent la gamme toujours plus étendue de microcontrôleurs qui combinent des cœurs de traitement standard avec des fonctions intégrées spécifiques à l'application. Proposer des produits dotés de la même architecture de base facilite la prise en compte des nouvelles exigences de conception par les développeurs, grâce à l'exploitation des compétences et des connaissances acquises lors de projets antérieurs et au partage de savoir-faire entre les différentes équipes impliquées. De plus, le choix de microcontrôleurs répondant aux fonctions clés de l'application permet non seulement de réduire le temps de conception des circuits et de programmation logicielle, mais aussi le nombre de composants, ce qui diminue le coût de la nomenclature, optimise l'espace sur la carte et simplifie la fabrication finale.
Les microcontrôleurs ARM Cortex™-M3
figurent parmi les cœurs standards les plus répandus dans l'industrie. Optimisé pour les applications temps réel déterministes, il offre des performances élevées tout en répondant aux enjeux de réduction de la consommation d'énergie, tant dynamique que statique. Ce cœur permet aux microcontrôleurs d'atteindre des performances 32 bits à un coût auparavant associé aux technologies 16 bits. Il exécute le jeu d'instructions Thumb®-2 pour des performances et une taille de code optimales, incluant la division matérielle, la multiplication par cycle simple et la manipulation de champs de bits. Il peut être configuré avec jusqu'à 240 interruptions système, chacune dotée de priorités individuelles et d'une réorganisation dynamique des priorités.
Une fois le cœur ARM Cortex-M3 sélectionné pour la conception, les développeurs doivent choisir le composant le plus adapté parmi une gamme qui s'élargit quotidiennement. Toshiba Electronics, par exemple, propose désormais cinq familles différentes de microcontrôleurs ARM Cortex-M3, chacune conçue pour répondre aux besoins d'un type d'application spécifique. Les 16 composants de ces familles permettent aux concepteurs de choisir la solution idéale pour chaque application, de la gestion d'équipements portables alimentés par batterie au contrôle de moteurs à vitesse variable, de plus en plus utilisés dans les pompes, les ventilateurs et les appareils électroménagers.
Mémoire Flash haute capacité :
Le Toshiba TMPM360 en est un exemple. Premier microcontrôleur 32 bits à combiner un cœur ARM Cortex-M3 et 2 Mo de mémoire flash embarquée (Figure 1), il a été spécialement conçu pour les applications numériques industrielles et grand public exigeant un nombre minimal de composants pour des performances élevées, une faible consommation, une grande capacité de stockage de données et de nombreuses interfaces série.
À l’instar des autres microcontrôleurs de la famille ARM-Cortex, le TMPM360 utilise la mémoire NANO FLASH™ de Toshiba pour sa ROM intégrée. Cette technologie combine les atouts des cellules flash NAND et les avantages des circuits périphériques de la mémoire flash NOR. Il en résulte une mémoire embarquée haute densité, à très faible consommation, offrant des temps de programmation et d’effacement courts, ainsi qu’un accès aléatoire rapide.
Comme illustré sur la figure 1, outre le cœur fonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 64 MHz et la ROM, le TMPM360 intègre 128 Ko de RAM et une connectivité série étendue avec 16 canaux d'entrée/sortie à usage général, configurables en mode synchrone ou jusqu'à 12 UART ; une interface de bus série (SBI) à 5 canaux, fonctionnant en mode I2C ou synchrone ; et une interface de bus série synchrone (SSP), compatible avec les formats SPI, SSI et Microwire. De plus, grâce à une unité de contrôle électronique grand public (CEC) et un préprocesseur de signal de télécommande (RMC), le dispositif simplifie la conception d'applications dotées de fonctions de télécommande. Parmi les autres périphériques intégrés figurent un convertisseur analogique-numérique (CAN) 10 bits haute vitesse, une horloge temps réel (RTC), un temporisateur de surveillance (WDT) et un temporisateur 16 bits à 16 canaux.
Solutions basse consommation :
Pour de nombreux concepteurs, la faible consommation d'énergie est un critère primordial. C'est pourquoi des produits comme le TMPM395FWXBG (Figure 2), à très faible consommation, ont été développés.
Fonctionnant sous une tension minimale de 1,7 V et proposé en boîtier BGA de 6 mm x 6 mm, le TMPM395FWXBG est idéal pour une large gamme d'applications, des appareils portables et alimentés par batterie aux appareils électroménagers et à l'électronique grand public. Son cœur ARM haute efficacité, fonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 20 MHz, et sa conception optimisée garantissent une consommation minimale en fonctionnement. De plus, plusieurs modes veille réduisent la consommation à 1 µA (mode RTC) lorsque le processeur est inactif.
À l'instar du TMPM360, ce microcontrôleur intègre également les fonctions CEC et RMC. De plus, un détecteur de fréquence d'oscillation (OFD) assure la surveillance matérielle de l'horloge du processeur (figure 3) et détecte automatiquement les anomalies de fonctionnement de cette horloge sans nécessiter de logiciels complexes, ce qui simplifie considérablement la mise en conformité avec la norme de sécurité IEC 60730 (classe B). Il s'agit d'un aspect important dans la conception de nombreux appareils.
Le TMPM395FWXBG est doté de 128 Ko de mémoire flash et de 8 Ko de RAM. Il intègre un convertisseur analogique-numérique (CAN) 10 bits à 12 canaux, une horloge temps réel (RTC), un temporisateur 16 bits à 10 canaux et un détecteur de tension d'alimentation (WDT). Il comprend également un détecteur de tension et un oscillateur interne haute vitesse de 10 MHz. La connectivité inclut une interface série 3 canaux à usage général, configurable en mode UART ou synchrone, et une interface bus série 2 canaux, sélectionnable entre les modes I2C et synchrone. Il dispose également d'une interface SSP 4 canaux, offrant un mode SPI tolérant 3 V. Pour aider les concepteurs à optimiser la consommation d'énergie, le TMPM395FWXBG propose quatre modes de veille (« inactif », « lent », « veille » et « arrêt de secours ») et trois modes de fonctionnement à fréquence réduite (32,768 kHz) : « lent », « veille » et « RTC ». En mode RTC, la consommation de courant est minimale : 1 µA.
Commande de moteurs : La
commande de moteurs est un domaine d'application qui a pris une importance croissante dans le développement des solutions embarquées. Les équipementiers sont confrontés à des impératifs commerciaux et législatifs de plus en plus stricts pour améliorer l'efficacité et la fonctionnalité d'applications allant des pompes et ventilateurs industriels aux lave-linge et lave-vaisselle. Ceci a favorisé la conception de moteurs à vitesse variable, basés sur des moteurs triphasés à courant continu sans balais (BLDC). Les moteurs à vitesse variable nécessitent des techniques de régulation et de commande bien plus complexes que les moteurs à vitesse constante classiques, notamment s'ils sont conçus pour un fonctionnement sans capteur. C'est pourquoi les concepteurs recherchent des solutions à microcontrôleur qui leur permettront de relever ces défis complexes sans consacrer plus de temps ni de ressources que nécessaire.
La commande vectorielle, également appelée commande orientée champ (FOC), est généralement privilégiée dans les systèmes de moteurs sans balais. Cette technique de commande complexe manipule les courants et les tensions du moteur afin de maintenir un champ statorique constant en quadrature avec le champ rotorique, ce qui a engendré des coûts importants de développement et d'implémentation logicielle. Cependant, des microcontrôleurs dédiés intégrant la commande vectorielle au niveau matériel sont désormais disponibles. Ces microcontrôleurs minimisent non seulement le besoin de programmation et de stockage de code, mais améliorent également les performances globales de la commande moteur.
La série TMPM370 de Toshiba, basée sur le cœur ARM Cortex-M3 cadencé à 80 MHz, en est un exemple. Ce circuit intégré simple à 100 broches intègre le système de commande moteur programmable propriétaire PMD3+ de Toshiba et un moteur vectoriel (VE), comme illustré sur la figure 4.
La série TMPM370 est idéale pour les compresseurs, les ventilateurs et autres applications nécessitant une commande de moteur BLDC avec ou sans capteurs, ainsi que pour les appareils électroménagers basés sur la commande de moteurs à induction triphasés. Son fonctionnement simple sous 5 V, associé à un OFD intégré, la rend également attrayante pour les concepteurs d'appareils. Les fonctions PMD et VE gèrent la génération de signaux PWM, la régulation de vitesse et l'estimation de position, libérant ainsi le cœur ARM pour la gestion d'autres éléments des solutions embarquées. Des fonctionnalités intégrées telles qu'un CAN 12 bits, un comparateur, un amplificateur et un codeur, ainsi qu'une large gamme d'interfaces, réduisent le besoin de composants supplémentaires.
Assistance au développement :
Lors du choix du microcontrôleur le plus adapté à une application donnée, il est essentiel de prendre en compte la disponibilité des outils de développement et des ressources d'assistance. Tous les microcontrôleurs mentionnés ci-dessus disposent de kits de démarrage spécifiques, conçus pour permettre aux ingénieurs de démarrer rapidement le développement en production. Selon le processeur cible, ces kits comprennent des cartes d'évaluation ; du matériel spécifique à l'application (dans le cas du TMPM370, par exemple, un moteur et sa commande) ; des notes d'application détaillées ; des outils de développement logiciel, tels que des émulateurs intégrés (ICE) et des débogueurs ; et une documentation complète, incluant des notes d'application, des schémas de référence et la nomenclature des composants.
L'auteur,
Roland Gehrmann, dirige le département marketing des circuits intégrés grand public et industriels chez Toshiba Electronics Europe.
