Un metodo che i team di progettazione possono utilizzare per ridurre i tempi tra l'approvazione del progetto e la produzione (e la successiva produzione di massa economicamente vantaggiosa) è quello di minimizzare la curva di apprendimento associata alle tecnologie dei microcontrollori e ai relativi strumenti di sviluppo. Allo stesso tempo, la scelta di microcontrollori con caratteristiche e funzioni specifiche per l'applicazione può abbreviare il tempo impiegato per implementare tali funzioni, consentendo ai progettisti di concentrarsi sulle proprie competenze di progettazione principali, il che conferirà al prodotto finale il massimo vantaggio competitivo.
Questi fattori alimentano la gamma sempre più ampia di microcontrollori che combinano core di elaborazione standard del settore con funzioni integrate specifiche per le applicazioni. Offrire prodotti con la stessa architettura di base semplifica il lavoro degli sviluppatori, consentendo loro di soddisfare i nuovi requisiti di progettazione sfruttando le competenze e le conoscenze acquisite in progetti precedenti e favorendo lo scambio di know-how tra i diversi team coinvolti nel progetto. Inoltre, la scelta di microcontrollori che soddisfino le funzioni chiave dell'applicazione non solo riduce i tempi di progettazione dei circuiti e di programmazione del software, ma diminuisce anche il numero di componenti, con conseguente riduzione dei costi dei materiali, risparmio di spazio sulla scheda e semplificazione della produzione finale.
Microcontrollori ARM Cortex™-M3
Tra i core standard più diffusi nel settore troviamo l'ARM Cortex™-M3 RISC, ottimizzato per applicazioni deterministiche in tempo reale. Offre elevati livelli di prestazioni, affrontando al contempo le sfide legate alla riduzione del consumo energetico dinamico e statico. Questo core consente ai microcontrollori di raggiungere prestazioni a 32 bit a un costo precedentemente associato alle tecnologie a 16 bit. Esegue il set di istruzioni Thumb®-2 per prestazioni e dimensioni del codice ottimali, incluse divisioni hardware, moltiplicazioni di cicli semplici e manipolazione di campi di bit, e può essere configurato con un massimo di 240 interrupt di sistema, ciascuno con priorità individuali e riprioritizzazione dinamica.
Una volta selezionato un core ARM Cortex-M3 per il progetto, gli sviluppatori devono scegliere il dispositivo più adatto da una gamma che si amplia quotidianamente. Toshiba Electronics, ad esempio, offre ora cinque diverse famiglie di microcontrollori ARM Cortex-M3, ciascuna progettata per soddisfare le esigenze di una specifica tipologia di applicazione. I 16 dispositivi appartenenti a queste famiglie consentono ai progettisti di scegliere le soluzioni ideali per qualsiasi scopo, dalla gestione di apparecchiature portatili alimentate a batteria al controllo di motori a velocità variabile, sempre più utilizzati in pompe, ventilatori ed elettrodomestici.
Memoria flash ad alta capacità:
un esempio è il Toshiba TMPM360, il primo microcontrollore a 32 bit a combinare il core ARM Cortex-M3 con 2 MB di memoria flash integrata (Figura 1). Questo dispositivo è stato sviluppato specificamente per applicazioni digitali industriali e di consumo che richiedono un numero minimo di componenti per offrire prestazioni elevate, basso consumo energetico, elevata capacità di archiviazione dati e numerose interfacce seriali.
Come altri microcontrollori della famiglia ARM-Cortex, il TMPM360 utilizza la memoria NANO FLASH™ di Toshiba per la sua ROM on-chip. Questa tecnologia combina le migliori caratteristiche delle celle flash NAND con i vantaggi dei circuiti periferici della memoria flash NOR. Il risultato è una memoria integrata ad alta densità che opera con un consumo energetico estremamente basso e offre tempi di programmazione e cancellazione brevi, nonché un accesso casuale veloce.
Come illustrato in Figura 1, oltre al core, che opera a frequenze fino a 64 MHz, e alla ROM, il TMPM360 dispone anche di 128 KB di RAM integrata e di un'ampia connettività seriale con 16 canali di input/output generici, configurabili in modalità sincrona o fino a 12 UART; un'interfaccia bus seriale (SBI) a 5 canali, operante in modalità I2C o sincrona; e un'interfaccia bus seriale sincrona (SSP), che supporta i formati SPI, SSI e Microwire. Inoltre, grazie a un'unità di controllo dell'elettronica di consumo (CEC) e a un preprocessore di segnale per il controllo remoto (RMC), il dispositivo semplifica la progettazione di applicazioni con funzioni di controllo remoto. Altre periferiche on-chip includono un convertitore analogico-digitale (ADC) ad alta velocità a 10 bit, un orologio in tempo reale (RTC), un watchdog timer (WDT) e un timer a 16 bit e 16 canali.
Opzioni a basso consumo
Per molti progettisti, il basso consumo energetico è il criterio più importante nel loro lavoro. Per questo motivo, sono stati sviluppati prodotti come il TMPM395FWXBG a bassissimo consumo (Figura 2).
Operando a tensioni fino a 1,7 V e fornito in un package BGA da 6 mm x 6 mm, il TMPM395FWXBG è ideale per un'ampia gamma di applicazioni, dai dispositivi portatili e alimentati a batteria agli elettrodomestici e all'elettronica di consumo. Il core ARM ad alta efficienza, operante a frequenze fino a 20 MHz, e un design ottimizzato garantiscono un consumo energetico minimo durante il funzionamento. Inoltre, diverse modalità di standby riducono la corrente a livelli minimi di 1 µA (modalità RTC) quando il processore è inattivo.
Come il TMPM360, anche questo microcontrollore integra le funzioni CEC e RMC. Inoltre, un rilevatore di frequenza di oscillazione (OFD) fornisce il monitoraggio hardware del clock della CPU (Figura 3) e rileva automaticamente il funzionamento anomalo del clock senza richiedere complessi programmi software, semplificando notevolmente il rispetto dei requisiti dello standard di sicurezza IEC60730 (Classe B). Questo è un aspetto importante nella progettazione di molti elettrodomestici.
Il TMPM395FWXBG è dotato di 128 KB di memoria flash e 8 KB di RAM e integra un ADC a 10 bit e 12 canali, un RTC, un timer a 16 bit e 10 canali e un WDT. Incorpora inoltre un rilevatore di tensione e un oscillatore interno ad alta velocità da 10 MHz. La connettività include un'interfaccia seriale generica a 3 canali, configurabile in modalità UART o sincrona, e un'interfaccia bus seriale a 2 canali, selezionabile tra modalità I2C o sincrona. Dispone inoltre di un'interfaccia SSP a 4 canali, che offre una modalità SPI con tolleranza di 3 V. Per aiutare i progettisti a ottimizzare l'efficienza energetica, il TMPM395FWXBG include quattro modalità di sospensione: 'idle', 'slow', 'sleep' e 'back-up stop', e tre modalità operative del sub-clock (32,768 kHz): 'slow', 'sleep' e 'RTC'. In modalità RTC, il consumo di corrente è di appena 1 µA.
Controllo dei motori:
un'area applicativa che ha acquisito sempre maggiore importanza nello sviluppo di soluzioni embedded è il controllo dei motori. I produttori di apparecchiature originali (OEM) si trovano ad affrontare imperativi commerciali e legislativi sempre più stringenti per migliorare l'efficienza e la funzionalità di applicazioni che spaziano dalle pompe e ventilatori industriali alle lavatrici e lavastoviglie. Ciò ha spinto verso la progettazione di motori a velocità variabile, basati su motori brushless a corrente continua (BLDC) trifase. I motori a velocità variabile richiedono tecniche di regolazione e controllo molto più complesse rispetto ai motori a velocità costante convenzionali, soprattutto se progettati per il funzionamento senza sensori. Per questo motivo, i progettisti sono alla ricerca di soluzioni basate su microcontrollori che consentano loro di affrontare queste complesse sfide senza dover dedicare più tempo o risorse del necessario.
Il controllo vettoriale, noto anche come controllo orientato al campo (FOC), è generalmente preferito nei sistemi con motori brushless. Questa complessa tecnica di controllo manipola le correnti e le tensioni del motore per mantenere un campo statorico costante in quadratura con il campo del rotore, il che ha comportato costi aggiuntivi significativi per lo sviluppo e l'implementazione del software. Tuttavia, sono recentemente diventati disponibili microcontrollori dedicati che integrano il controllo vettoriale nell'hardware. Questi microcontrollori non solo minimizzano la necessità di programmazione software e di memorizzazione del codice, ma possono anche migliorare le prestazioni complessive del controllo del motore.
Un esempio è la serie TMPM370 di Toshiba, basata sul core ARM Cortex-M3 operante a 80 MHz. Questo semplice circuito integrato a 100 pin integra il sistema di controllo motore programmabile proprietario PMD3+ di Toshiba e un motore vettoriale (VE), come mostrato in Figura 4.
La serie TMPM370 è ideale per compressori, ventilatori e altre applicazioni che richiedono il controllo di motori BLDC con o senza sensori, nonché per progetti di elettrodomestici basati sul controllo di motori a induzione trifase. Il suo semplice funzionamento a 5 V, combinato con un OFD integrato, lo rende interessante anche per i progettisti di elettrodomestici. Le funzioni PMD e VE gestiscono la generazione della forma d'onda PWM, il controllo della velocità e la stima della posizione, liberando il core ARM per la gestione di altri elementi delle soluzioni embedded. Funzionalità integrate come un ADC a 12 bit, un comparatore, un amplificatore e un encoder, insieme a un'ampia gamma di interfacce, riducono la necessità di componenti aggiuntivi.
Supporto allo sviluppo
Quando si seleziona il microcontrollore più adatto a una determinata applicazione, è importante considerare anche la disponibilità di strumenti di sviluppo e materiali di supporto aggiuntivi. Tutti i microcontrollori descritti in precedenza dispongono di specifici kit di avvio, progettati per consentire agli ingegneri di iniziare rapidamente lo sviluppo in produzione. A seconda del processore di destinazione, questi kit includono schede di valutazione; hardware specifico per l'applicazione (nel caso del TMPM370, ad esempio, motore e controllo del motore); note applicative dettagliate; strumenti di sviluppo software, come emulatori in-circuit (ICE) e debugger; e documentazione completa, incluse note applicative, progetti di riferimento e informazioni sulla distinta base.
L'autore
Roland Gehrmann dirige il dipartimento di marketing dei circuiti integrati per il settore consumer e industriale presso Toshiba Electronics Europe.
