Главная > Услуги по проектированию СБИС > Микроконтроллер для управления электроприводом

СБИС 32-разрядного микроконтроллера на базе ядра ARM Cortex-M4F

специализированного под задачи управления электроприводом

 
ООО «НПП «Цифровые решения» выполнило работу по разработке СБИС32-разрядного микроконтроллера на базе ядра ARM Cortex-M4F
специализированного под задачи управления  асинхронными электродвигателями и электропривода в целом.  Заказчиком данной работы является ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж.) В состав микроконтроллера вошел широкий набор  как аналоговой, так и цифровой периферии, для  производства СБИС была выбрана фабрика одна из лучших кремниевых фабрик - TSMC (Тайвань).  Используемая технология CE018G (КМОП, 0,18 мкм, Embedded Flash).
 
В результате нашей компанией была разработана микросхема контроллера, содержащая следующие основные блоки: 
  •  процессорное ядро ARM Cortex-M4F с поддержкой набора одноцикловых команд умножения с накоплением (MAC), команд централизованного управления потоком данных (SIMD), арифметических и логических команд и встроенным модулем обработки команд с плавающей запятой (FPU) с одинарной точностью, производительность не менее 125 MIPS (миллионов инструкций в секунду);
  •  встроенную флэш-память программ емкостью 1 Мбайт;
  •  RAM объемом 192 Кбайт;
  •  дополнительную флэш-память данных объёмом 64 Кбайта;
  • контроллер внешней статической памяти (SRAM, PROM, NOR Flash);
  •  32-канальный контроллер прямого доступа к памяти (DMA);
  •  схемы сброса и сторожевой таймер (Watchdog);
  •  часы реального времени (Real Time Clock) с батарейным питанием;
  •  синтезатор частоты на основе ФАПЧ (PLL);
  •  двенадцать 2-канальных 12-разрядных АЦП (2MS/s Sampling Rate at 12-bit Resolution) с режимами цифрового компаратора для каждого из каналов (равно или больше, равно или меньше, попадание в диапазон, выход из диапазона), функция автоматического запуска модулей ШИМ по событию АЦП (окончанию преобразования);
  •  восемнадцать модулей ШИМ (PWM), из них шесть модулей (HRPWM) с режимом «высокого» разрешения (возможность изменения длительности импульсов на величину менее периода тактового сигнала);
  •  шесть модулей захвата/сравнения (CAP);
  •  три аналоговых компаратора, функция автоматического запуска модулей ШИМ по событию сравнения (равно или больше, равно или меньше);
  •  три 32-битных таймера ЦПУ;
  •  два порта CAN 2.0b;
  •  два интерфейса I2C, с поддержкой режима High Speed (более 1 МГц);
  •  два импульсных квадратурных декодера (Enhanced Quadrature Encoded Pulse—eQEP), используемых для обработки сигналов датчика положения ротора в высокопроизводительных системах для определения положения, направления и скорости вращения;
  •  четыре порта SPI;
  •  четыре модуля SCI (UART);
  •  интерфейс USB 2.0 Device / Host с физическим уровнем (PHY);
  •  интерфейс Ethernet 10/100 Мбит/с с интерфейсом MII;
  •  отладочный интерфейс (JTAG and ARM Serial Wire Debug (SWD));
  • не менее 88 выводов общего назначения (GPIO), раздельно программируемых мультиплексированных портов ввода/вывода.
В разработке использовались сложно-функциональные блоки (IP-блоки) ОАО «НИИЭТ», ООО «НПП «Цифровые решения» и др. зарубежных компаний.   В результате работы было налажено сотрудничество со следующими производителями аналоговых и цифровых IP-блоков:
  •  ARM;
  •  TSMC;
  •  S3 Group;
  •  Avnet ASIC Israel;
  •  Arasan;
Для управления электроприводами компанией ООО «НПП «Цифровые решения» была разработана дополнительная периферия: блок контроллера ШИМ в том числе ШИМ высокого разрешения, контроллер блоков АЦП с интерфейсом к контроллеру DMA, блок аналоговых компараторов, модуль захвата/сравнения (CAP), блок импульсного квадратурного декодера (Enhanced Quadrature Encoded Pulse—eQEP), используемого для обработки сигналов датчика положения ротора в высокопроизводительных системах для определения положения, направления и скорости вращения. Все блоки имеют стандартный интерфейс AMBA APB или AHB.
В качестве совместимости и удобства для пользователя использовалась архитектура блоков управления электроприводами, используемая в контроллерах TMS320х компании Texas Instrument, которая была доработана с учетом опыта применения этих контроллеров в системах управления электроприводами. 
Для отладки всей системы и блоков периферии был разработан макет на базе ПЛИС Kintex7, а также совместно с компанией ООО «НПФ Вектор» был разработан стенд для управления асинхронным бесколлекторным электродвигателем. 
Разработанный микроконтроллер имеет встроенную флэш-память программ размером 1МБ, которую можно использовать для  хранения и загрузки пользовательского программного обеспечения. Применение дополнительных алгоритмов предвыборки на шинах I-Code и D-Code процессора ARM позволило значительно повысить скорость чтения информации, что позволяет исполнять пользовательскую программу непосредственно из флэш-памяти без перезаписи ее во внутреннюю память. По результатам тестирования образцов микросхем, скорость выполнения программ из флэш-памяти лишь на 30% ниже скорости работы из внутренней памяти.
Также во флэш-памяти существует особый защищенный раздел, который может быть использован для хранения начального загрузчика. Помимо загрузки программы из внутренней флэш-памяти существует также  возможность загрузки из внешней памяти. 
Помимо флэш-памяти программ микроконтроллер содержит флэш-память данных размером 64 КБ, которая может использоваться для хранения пользовательских данных. Используя специальные алгоритмы записи, возможно значительно увеличить ресурс данной памяти. Кроме данных пользователя флэш-память позволяет хранить загрузочные настройки,  а также настройки доступа к страницам флэш-памяти программ и данных. Так, возможно настроить постраничный запрет стирания отдельных страниц обоих флэш-памятей, а также выбрать способ загрузки микроконтроллера. Данные меры позволяют повысить стойкость микроконтроллера к возможным попыткам загрузки постороннего программного обеспечения, а также стиранию важных областей флэш-памяти.
Система тактирования микроконтроллера позволяет использовать различные источники тактового сигнала, что позволяет расширить набор применений и решаемых задач пользователя. Микроконтроллер может тактироваться от внутреннего RC-генератора с частотой 5 МГц, внутреннего осциллятора с внешним кварцевым резонатором, тактовым сигналом, подаваемым на вход порта ввода-вывода, а также сигналом встроенной PLL. Также существует возможность гибкой настройки тактовых сигналов для блоков периферии (UART, SPI, USB).
Для снижения потребления микросхемы предусмотрена возможность отключения тактовых сигналов отдельных блоков периферии в случае, если они не используются пользователем. При переходе процессора в режим Sleep существует возможность отключения тактового сигнала процессора (в случае директивы процессора WFI), а так и переключения тактового сигнала на низкую частоту (в случае директивы процессора WFE). Для снижения потребления микросхемы при синтезе использовалась технология clock gating.
В результате была разработана топология микроконтроллера и на фабрике TSMC изготовлены тестовые образцы микросхем.
 
По вопросам приобретения данной СБИС обращаться в ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж).