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© farang dreamstime.com Application Notes | 26 September 2014

Neue Mikrocontroller-Architektur für die nächste Generation industrieller Designs

In der Vergangenheit wurden kritische Funktionen industrieller Antriebs- und Steuerungssysteme häufig mit FPGAs implementiert.

{{functions.webify.editors-note}} Dies ist eine gekürzte Version der Application Note Designing the Next Generation of Industrial Drive and Control Systems. Das Original findet sich auf evertiq.COM.
Diese Bauelemente aber sind teuer, schwierig zu programmieren und ergeben eine relativ starre Lösung, die sich ohne Redesign nur schwierig auf andere Applikationen skalieren lässt. Einfacher geht es mit dem Dual-Core-Mikrocontroller C2000 Delfino F2837xD, und dies ohne gravierende Performance-Abstriche: die Berechnung einer Drehmoment-Regelschleife dauert mit ihm teils weniger als 3 µs und liegt damit auf dem Niveau von FPGA-Implementierungen. Mit den Delfino F2837xD-MCUs wird anspruchsvolle Funktionalität auch für Anwendungen der unteren bis mittleren Klasse verfügbar, denn sie bieten mehr Verarbeitungskapazität zu niedrigeren Kosten. Die Architektur der MCUs sorgt außerdem auf deterministische Weise für mehr Performance, zumal häufig vorkommende, rechenintensive Aufgaben von hardwarebasierten Verarbeitungseinheiten übernommen werden. Dank der Einbindung wichtiger Funktionen direkt in die Prozessorarchitektur sind weniger externe Bauteile erforderlich, was die Kosten senkt. Einfach ist zudem die Migration auf neue Designs unter Verwendung von bereits entwickeltem Code. Grundlage der Delfino F2837xD-MCUs sind zwei der bewährten C28x-CPU von TI, die jeweils durch einen Real-time Control Accelerator (CLA) ergänzt werden. Zu jeder CPU gehört außerdem eine Trigonometric Math Unit (TMU). Letztere übernimmt die Verarbeitung rechenintensiver trigonometrischer Funktionen, die beispielsweise bei der Berechnung von Roboterbewegungen häufig vorkommen. Hinzu kommt eine Viterbi Complex Unit (VCU II), die kommunikationsbasierte Algorithmen bis um den Faktor 10 beschleunigt und damit den Betrieb mit geringeren Taktfrequenzen ermöglicht, was die Kosten ebenso senkt wie den Stromverbrauch. OFDM-Operationen, die Viterbi-Decodierung und CRC-Berechnungen gehören zu den Aufgaben der VCU II, mit der sich in industriellen Antrieben Vibrationsanalysen an Motoren vornehmen lassen, um rechtzeitig vorbeugende Wartungsmaßnahmen einleiten zu können. Wichtig für Steuerungs-Anwendungen ist der Determinismus, der unter anderem verlangt, dass bestimmte Worst-Case-Antwortzeiten garantiert werden müssen. Dies gestaltet sich bei der lose gekoppelten Speicherarchitektur eines cachebasierten Prozessors schwierig. Bei den Delfino F2837xD-MCUs erstreckt sich der Determinismus bis auf die Peripheriefunktionen. Die Latenz der ADCs ist beispielsweise ebenso bekannt wie die Zeit, die die CPU zum Aktualisieren der PWMs benötigt. Das Systemdesign vereinfacht sich hierdurch, weil der im ungünstigsten Fall zu veranschlagende Verarbeitungsweg stets bekannt ist. Die fest gekoppelte Speicherarchitektur des Bausteins kommt ohne Cache aus. Sämtliche Speicher-Transaktionen mit SRAMs, Flash-Speichern und Peripheriefunktionen passen in eine finite Bus- und Zyklusstruktur und ergeben damit einen deterministischen Durchsatz. Untermauert wird das effiziente Speichermanagement durch zwei sechskanalige DMA-Funktionen. Eine Besonderheit der Delfino F2837xD-MCUs ist auch die Steuerungs-Peripherie, nämlich die leistungsstarken PWM-Timer, die 32-Bit Enhanced Capture Units (ECAP) und die Quadrature Encoder Pulse-Funktionen (QEP). Für unterschiedliche Genauigkeitsanforderungen ist der Prozessor ferner mit flexiblen ADCs ausgestattet, die wahlweise 16 Bit Auflösung mit 1,1 MSPS oder 12 Bit mit 3,5 MSPS unterstützen. Die vier integrierten ADCs können simultan arbeiten und ermöglichen daher die Echtzeit-Überwachung mehrerer Signale. Bei einem Servoantrieb können beispielsweise Strom und Spannung eines Dreiphasenmotors überwacht werden, während gleichzeitig das Feedback-Signal eines Resolvers per Software decodiert wird. Mit seinen drei gepufferten 12-Bit-DACs kann der Delfino F2837xD analoge Ansteuersignale erzeugen. Zusätzlich sind acht Sigma-Delta-Demodulatoren/Filter vorhanden. Acht Fenster-Komparatoren, die ebenfalls in die Architektur des Prozessors eingebunden sind, können unabhängig von der CPU als eine Art Grenzwertgeber dienen. Sie sind außerdem schnell und lassen sich unter anderem nutzen, um Systeme betriebssicher zu machen, da beim Über- oder Unterschreiten kritischer Grenzwerte eine sofortige Abschaltung erfolgen kann. Wichtig für die Hersteller industrieller Antriebe ist die Möglichkeit, ihre Produkte zu skalieren und einmal entwickelten Code wieder zu verwenden. Auch sollten Architekturverbesserungen reibungslos nutzbar sein. Ein gutes Beispiel ist hier die TMU, die – wenn vorhanden – vom Compiler automatisch genutzt wird, anstatt eine Funktion aus der Math-Bibliothek aufzurufen. Bestehende Designs auf Basis der C28x-CPU können somit direkt von der 5-fachen Performance-Steigerung durch die TMU profitieren. Auch die Migration auf künftige Single-Core-Versionen für eine kostenoptimierte Implementierung ist möglich. Für die Sicherheit des enthaltenen IP sorgt das flexible Code-Schutzkonzept des Speicher-Subsystems. Abgerundet wird das Gesamtpaket durch Softwarebibliotheken, Tools und Entwicklungs-Kits sowie den technischen Support, die TI und seine Partner im Interesse einer schnelleren Entwicklung anbieten. ----- Author: Sam Sabapathy, C2000 Microcontroller Applications, Texas Instruments
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2019.06.17 21:26 V13.3.21-1