高能效与连通性

日期:2012-04-26

  作者: Gabriela Born,XMC4000系列产品营销经理,英飞凌科技

  英飞凌充分发挥其在设计面向高实时要求控制应用的微控制器方面深厚的技术专长,将之与行业标准内核的全部优势结合在一起,打造出独一无二的XMC4000微控制器家族。这个基于ARM® Cortex™-M4的32位微控制器平台面向各种工业应用。XMC代表“跨市场微控制器”家族。目标细分市场包括高能效驱动、可再生能源、工业自动化和楼宇自控等。本文阐述了英飞凌在该产品家族的架构决策、产品家族和主要创新设计等方面的动机。

  为了打造出高能效解决方案,该微控制器平台继承了英飞凌闻名遐迩的可配置外设集、嵌入式高速Flash技术、高质量标准、较长的产品生命周期,以及耐受高达125℃环境温度能力等优点,此外还充分发挥了英飞凌作为全球领先的汽车电子器件供应商的优势。加上新一代DAVE™——可减少软件编程工作量的革命性工具DAVE™3,工业系统开发人员能(依托)这个功能强大的微控制器平台开发数量众多的工业产品。

  依托全新XMC4000 (图1)家族——从XMC4500系列开始,英飞凌帮助应对工业传动、自动化和可再生能源领域微控制器应用的三大趋势:提高系统能效的需要、增强系统之间的连通性的需求、降低软件复杂度的挑战——在当今开展的众多项目中,软件复杂度急剧加大。

  图1:依托全新XMC4000家族——从XMC4500系列开始,英飞凌帮助应对工业传动、自动化和可再生能源领域微控制器应用的三大趋势:提高系统能效的需要、增强系统之间的连通性的需求、降低软件复杂度的挑战。

  更高能效

  一方面,我们不断加大发展可再生能源的力度;另一方面,降低二氧化碳排放的最佳方式就是降低整体功耗 ,而电机是用电大户之一。根据德国电气工程师协会(VDE)开展的一项研究,工业和家庭电气传动装置的耗电量占全球总用电量的50%。VDE指出,功率范围从1.1至37 kW的高效三相电机的节能潜力最大。

  微控制器可以通过多种方式来助力提高能效:通过提高计算性能支持更快速的控制环路和更先进的算法;通过优化外设实现对模拟信号的更快速和更准确的测量,以及更快速和适应性更强的PWM生成等。英飞凌全新推出的32位XMC4000微控制器产品家族,具备上述所有特性,能够让设计人员设计出最节能的产品。

  连通性增强

  工业系统连通性的不断增强是另一个主要趋势。这种趋势朝着两个方向发展:高实时要求域内部的连通性和与“外部”世界的连通性。在高实时要求域内部,UART、SPI、IO-Link或专有协议等简单标准十分普及,经济划算且十分可靠。对于更高的带宽要求,实时以太网可能是一个未来趋势,但目前存在专有协议过多,没有统一标准的问题。就实时域与外部世界的连通性而言,有两个主要用例:对于手动代码更新或下载,就需要像USB这样的高速接口或支持数据卡访问的SD/MMC接口;对于远程进程管理、监控或维护而言,以太网正逐步发展成为主要标准。

  软件复杂度降低

  前两个趋势对软件提出了更高要求。多份行业研究报告指出,软件复杂度是嵌入式系统开发工作面临的主要问题之一。对于拥有较小开发团队(十人左右工程师)的中小型企业而言,尤为如此。特别地,通信堆栈、操作系统集成和优化算法的重复使用,是开发人员面临的主要挑战。

  高性能内核

  英飞凌XMC4000产品家族选用ARM Cortex-M4处理器内核。选择M4内核而非M3的主要原因在于,M4内核可支持DSP指令和浮点单元。总之,与16位C166微控制器家族相比,XMC4000的计算性能提高了一倍。16位C166微控制器家族自20世纪90年代初推出以来,被公认为具备领先的实时性能。为实现更佳的实时性能,英飞凌不断投资于TriCore产品家族。XMC4000家族的一个显著优势在于,ARM Cortex M架构作为一种普遍使用的标准内核,拥有一个广泛的生态系统,还有大量的第三方软件。

  具备可扩展特性的五个产品系列

  XMC4000家族由五个产品系列组成:XMC4100、XMC4200、XMC4400、XMC4500和XMC4700(图2a)。这些产品系列在频率、内存、IO数量和外设类型与数量方面均可进行扩展(图2b)。该家族的所有成员都采用搭载高性能Flash的基本架构——也用于英飞凌的汽车级TriCore微控制器,配备一个高速总线矩阵和两个外设总线(图3)。所有外设都针对高级软件编程进行了优化。它们基于灵活的硬件模块,这些模块可采用软件进行配置,以满足特定应用的需求。因此,整个XMC4000产品家族具备良好的可扩展性和兼容性,允许客户从一个产品系列轻松迁移至另一个系列。集成式解析执行器和Δ-Σ解调器是该产品家族众多独特特性的两个例子,这些特性有助于压缩物料清单(BOM),缩减系统成本,降低系统复杂度。

  图2a和2b:英飞凌全新推出的XMC4000产品家族,具备出色的可扩展性。

  图3:XMC4000产品家族的所有成员的基本架构完全一样,搭载大容量Flash存储器、一个高速总线矩阵和两个外设总线。主要优势在于外设。

  节能外设

  XMC4000配备多个创新外设(图4),比如,支持PWM生成的全新开发的定时器单元,为实现各类电机和逆变器的高效控制创造了条件。XMC4000配备的这个外设,立足于英飞凌在定时器设计方面的广博知识与丰富经验——CCU6是英飞凌大概10年前推出的一个16位微控制器产品家族,现在它仍被公认为电机控制的领先器件。TriCore产品家族成员配备的GPTA单元,被誉为引擎控制的一流器件。立足于这些经验,英飞凌现在开发出面向工业应用的增强型定时器模块。全新CCU4和CCU8定时器模块的关键优势在于:它们包括几个完全相同、可轻松串联的“捕获/比较单元”。它们的寄存器组和硬件的对称性,可以轻松实现将高级数据结构映射到硬件,或将来自一个单元的代码重定位到另一个单元的操作。定时器之间硬件结构完全相同,因而支持软件复用。其他增强特性包括:支持更高分辨率且电磁辐射得以改善的抖动PWM、浮动预分频器、非对称PWM生成、面向上升沿和下降沿的不对称死区时间生成等。XMC4400、XMC4200系列将包含分辨率为150ps的高分辨率PWM单元。这是一种专用外设,能够让电源或太阳能逆变器实现所需的最高功率转换能效。

  图4:XMC 4000搭载创新外设,比如,四个并行12位ADC、Δ-Σ解调器和全新定时器(CCU4/CCU8)。

  XMC4000最多提供两个定位接口模块支持正交编码器、霍尔传感器或多通道定位信息。该单元提供输入过滤、边缘检测功能,并为PMW单元提供控制信号。

  XMC4000家族最多配备四个并行的12位ADC,其采样时间为70ns,转换时间为500ns。总体而言,这四个ADC模块可提供26个高速ADC通道。利用过采样算法,分辨率可被提升至14位。ADC经过优化,可支持广泛的自主运行模式,从而可以减少外部组件数量,或降低处理器负载。具体特性包括:快速比较模式、过零检测、可编程序列中的多个信号转换、信号可信度检查、注入转换仲裁、结果数据处理(IIR/FIR过滤)等。如果要求进行高精度或电隔离ADC测量,XMC4000最多可提供四个Δ-Σ接口来解调和过滤最多四个数据流。有了这个经过优化的ADC功能,XMC4000可广泛用于各类电机或可再生能源发电逆变器控制应用。

  针对逆变器控制进行优化

  XMC4000经过优化,适用于电气传动和可再生能源系统的逆变器控制(图5)。提高逆变器的效率需要同时测量三相电流,此外,还需要同时测量输入电流或其他环境参数。借助多达四个并行12位ADC,XMC4000可以很好地解决这个问题。ADC每秒可采样350万次,不仅非常快速,而且还可以借助数字滤波器对数据进行后处理,譬如,在硬件中实现过采样算法。一方面,这可以减轻处理器的负载,另一方面,还能提高实时性能,因为外设可以在没有任何软件开销的前提下启动。电隔离的电流测量,由集成的Δ-Σ解调器提供支持:当与外部的隔离式Δ-Σ ADC配合使用时,这可以压缩系统成本,而且,与当前设计不同的是,无需加装额外的接口IC。

  除12位高速ADC外,全新XMC4000家族还搭载最先进的PWM单元和定时器,实现高效驱动。英飞凌所有微控制器产品家族的一个共同优势在于,PWM生成单元与ADC之间的紧密耦合。特别是对于电机控制而言,这是一个关键特性,因为这可以显著降低处理器的中断负荷,缩短响应时间。在XMC4000家族中,这些功能还得到进一步增强:不再采用固定的硬件连接方式,而是提供一个连接矩阵,允许在硬件模块的不同输出触发信号和输入触发信号之间实现类似FPGA这样的连接。

  图5:XMC4000专门针对电气传动和可再生能源系统的逆变器控制进行了优化。

  良好连接

  连通性是工业应用的一大趋势,所以,XMC4000家族支持广泛的通信标准(图6):通过USB OTG、以太网和SD/MMC外设,建立与管理维护层的连接。XMC4000的不同系列采用不同的USB:高速/全速,主机/设备。以太网包含IEEE 1588时间戳功能,该功能支持实时以太网软件实现。此外,借助高达3个MultiCAN节点和高达6个通用串行接口通道,嵌入式系统内部组件可实现彼此连接。两个硬件模块高度灵活,通过对消息进行预过滤或者对消息进行缓冲,可以显著减轻CPU的负载。软件可将通用串行接口通道定义为以下任何一种协议:UART、SPI、Quad-SPI、IIC、IIS、LIN。这可以帮助软硬件设计人员显著提高灵活性,并让他们设计出长期可扩展的平台解决方案。此外,XMC4000还提供一个高速并行外部总线接口,用于接驳外部存储器和存储器映射IO设备。

  图6:XMC4000支持广泛的通信标准。

  完备的工具链

  除许多商用第三方开发工具外,英飞凌还提供了DAVE 3,这是一个免费的基于Eclipse的软件框架。全新推出的DAVE包括一个免费工具链和一个可扩展的自动代码生成器,便于使用能以图形化方式选择和组合的预定义软件组件。相对于包含库和代码示例的先进手段,这种新方法的软件抽象度更高,集成和维护更轻松。DAVE 3是一个开放式平台,可以轻松扩展和调整,譬如,通过第三方基于SDK加装应用。DAVE库让用户与日益壮大的开发人员社区建立联系:可下载和共享经过测试的低层驱动程序、RTOS、软件堆栈和更高级的应用。尽管主要由免费软件组件组成,但DAVE 3也可集成第三方商用软件组件。除免费提供的编译器、连接器、调试器和Flash烧录器外,DAVE 3还可提供来自商用化软件工具供应商的插件。这让用户可以充分受益于如下理念:继续使用他们首选的集成开发环境(IDE),同时充分利用DAVE 3的自动编码生成功能。

  供货情况

  XMC4500 系列的样片自2011年8月开始供应。在经过广泛的测试后,客户试用将于2012年3月开始。英飞凌DAVE™3、各种第三方工具和评估套件将同时推出。XMC4500系列器件将于2012年第二季度投入量产。XMC4400、XMC4200、XMC4100系列将于2013年第一季度投入生产,样片将于2012年第四季度开始供应。

  关于XMC4000系列及所有型号、应用示例和订货信息的更多详情,请访问www.infineon.com/xmc。DAVE的下载地址为:www.infineon.com/dave。

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