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Der FM3 von Fujitsu: Cortex-M3 mit Mehrwert für das Herz der Applikation

Der FM3 von Fujitsu: Cortex-M3 mit Mehrwert für das Herz der ApplikationGlyn

Sie ist einer der jüngsten Zugänge zur ARM-Familie: Mit der FM3-Reihe (siehe Bild 1) steigt Fujitsu Semiconductor in das Geschäft mit ARM Cortex-M3-Mikrocontrollern ein. In 44 Varianten adressieren die Halbleiterspezialisten die Leistungsspanne vom 16- bis zum 32-Bit-Markt. Während im 16-Bit-Umfeld das Preis-Leistungsverhältnis und geringer Stromverbrauch im Mittelpunkt stehen, zählt im 32-Bit-Markt vor allem hohe Performance. Fujitsu konnte bei der Entwicklung dieser Chips vom hauseigenen ASIC-Erfahrungsschatz profitieren und die Peripheriefunktionen seiner FR-Mikrocontroller nutzen.

Bild 1: Das FM3-Familienkonzept umfasst klassische 16- und 32-Bit-Einsatzfelder, dabei eröffnen sie dem Anwender eine Skalierbarkeit über weite Performance-Bereiche hinweg.

Bild 1: Das FM3-Familienkonzept umfasst klassische 16- und 32-Bit-Einsatzfelder, dabei eröffnen sie dem Anwender eine Skalierbarkeit über weite Performance-Bereiche hinweg.Fujitsu

Fujitsu erweitert damit sein Produktportfolio um vielfältig einsetzbare Bausteine, die sich für anspruchsvolle Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Rechenleistung, wie beispielsweise in der Industrieautomatisierung, genauso eignen wie für Basis-Applikationen in Hausgeräten (Klimaanlagen, Kühlschränke, Waschmaschinen und mehr), digitale Konsumgüter und Medizintechnik.

Für die Kunden optimiert

Fujitsu hat sich Zeit gelassen, bis die Firma in den umkämpften Markt der ARM Cortex-M3-basierten Mikrocontroller eingestiegen ist. Heraus gekommen ist eine Familie von Bausteinen, die sich direkt an den Bedürfnissen der Anwender und Applikationen orientiert und beispielsweise für das wichtige Feld der Motorsteuerung optimierte und erprobte Peripherie mitbringt. Dazu kommen die Vorteile einer Fertigung im Haus statt eines Foundry-Modells, das viele andere Hersteller verfolgen. Kunden haben auch durch die enge Kooperation von Fujitsu mit Glyn wichtige Vorteile, denn der Distributor ist immer auf dem aktuellen Stand und kann die meisten Fragen ohne Umschweife direkt beantworten.

Der Kern der High-Performance-Serie MB9B500/400/300/100 ist so konzipiert, dass er hohe Leistung mit geringem Stromverbrauch verbindet. Die Peripheriefunktionen dieser Serie sind von der FR-Mikrocontroller-Familie abgeleitet und wurden für den Einsatz in Servo-Steuerungen in der Fertigungsautomatisierung und in Inverter-Steuerungen optimiert. Mit seiner High-Speed-CPU und dem schnellen Flash-Speicher arbeitet der Baustein bis 60 MHz ohne Flash-Waitstate. Dazu kommen ein schneller 12-Bit-A/D-Wandler (1,0 µs), mehrere Timer, USB-2.0-Host und -Function, CAN und ein flexibler Betriebsspannungsbereich (2,7 V bis 5,5 V). In der stromsparenden Basic-Serie MB9A100 stehen die Peripheriefunktionen der High-Performance-Serie in eingeschränkter Form zur Verfügung. Die Basic-Serie wurde vor allem für Anwendungen im Hausgerätesektor entwickelt (Klimaanlagen, Kühlschränke, Waschmaschinen, elektronische Konsumgüter und Büromaschinen) und ist leistungsmäßig den konventionellen 16-Bit-Mikrocontrollern überlegen.

Mehrwert-Strategie

Bei der Entwicklung der FM3-Reihe stand bei Fujitsu nicht im Vordergrund, als erster am Markt zu sein, die Firma wollte ihr Produkt vielmehr auf reale Anforderungen optimieren. Folgerichtig haben Applikations- und Vertriebsspezialisten ihr Know-how in das FM3-Konzept einfließen lassen. Damit konnte Fujitsu Kundenwünsche und Kundenanforderungen priorisieren.

Als erstes Beispiel für diese Strategie ist die Flexibilität bei der Versorgungsspannung zu nennen: Die Entscheidung für Cortex M3 bedeutete bisher ein komplettes Redesign inklusive der Peripherie auf 3,3 V. Fujitsu bietet FM3-Derivate mit einem breiten Vcc von 1,8 V bis 5,5 V. Vorteil für den Kunden: Das Komplett-Redesign der Peripherie kann entfallen.

Immer zuverlässig

Industrie-Kunden wünschen sich die gleiche Qualität und Zuverlässigkeit für Cortex M3 wie bei Automotive-Produkten. Fujitsu fertigt die FM3-Familie auf denselben Produktionslinien wie AEC-Q100-qualifizierte Mikrocontroller. Aufgrund technologisch identischer Prozesse bietet das FM3-Flash-Makro 100 k Schreib-/Löschzyklen und bis zu 20 Jahre Datenerhalt. Die Flash Protection Unit als Ausleseschutz des Speichers beugt zudem Billigkopien der eigenen Applikation vor. Viele von Automotive geforderte, der funktionalen Sicherheit dienende Makros (ECC, CRC und weitere), sind integriert. Für den Kunden bedeutet das: Keine Reklamationen wegen unzuverlässigem Speicher.

Ebenso aus dem Automotive- und Industriesektor bekannt ist der Bedarf an langer Verfügbarkeit. Fujitsu ist bekannt für die Langzeitverfügbarkeit ihrer Mikrocontroller. Die Cortex-M3-MCU-Familie bildet keine Ausnahme, auch diese Produkte werden ab Produktionsstart mindestens zehn Jahre lang angeboten. Das bedeutet: Keine Kosten für Redesigns wegen Abkündigungen.

Kunden wünschen sich Produkte in verschiedenen Performanceklassen, die pinkompatibel ausgeführt sind. Fujitsu bietet pinkompatible FM3-Bausteine in 40, 80 und 144 MHz und verschiedenen Speichergrößen an. Damit ist FM3 eine skalierbare Plattform, die mit den Anforderungen der Kunden wächst. Die FM3-Familie basiert auf einem sehr schnellen Flash-Makro, das bis 60 MHz ohne Waitstates auskommt. Damit entfällt der Aufwand für Controllerwechsel bei geänderten Anforderungen.

Hohe Verfügbarkeit

Immer mehr Hersteller gehen in Richtung Foundry, sprich: statt selbst ihre Halbleiter herzustellen, lassen sie bei anderen Firmen produzieren und konzentrieren sich selbst auf das Entwickeln ihrer Produkte. Gegen diesen Trend wird Fujitsu aber auch weiterhin eigene Fabs unterhalten. Damit hat das Unternehmen den gesamten Prozess unter eigener Regie und kann flexibel je nach Markt­lage agieren. Diese Strategie hat sich in den vergangenen Monaten erneut bewährt: die maximale Lieferzeit bei Mikrocontrollern lag bei 18 Wochen (nach Auftragseingang). Die Standard-Lieferzeiten liegen bei 12 Wochen.

Anstelle der üblichen I²C-, SPI- und UART-Makros hat Fujitsu ein einzigartiges Multi-Function-Serial-Makro entwickelt. Die FM3-Bausteine bieten bis zu acht dieser MFS-Makros. Ob achtfach-I²C oder zweifach-I²C plus fünffach-USART: die MFS-Makros sind frei vom Anwender konfigurierbar. Darüber hinaus sind natürlich auch USB (Host und Function), Ethernet und CAN (Bosch C-CAN) verfügbar.

Motorsteuerung

Die FM3-Serie bietet auf allen Bausteinen der High-Performance- Reihe (80…144 MHz) und der Basis-Gruppe (40 MHz) neben den üblichen Timern (PWM, Capture/Compare, Free Runnning) mindestens zwei dedizierte Motorcontrol-Timer an. Um etwa einen BLDC-Motor anzusteuern, erzeugen die freilaufenden 16-Bit-Timer in Verbindung mit Output-Compare-Blöcken ein PWM-Signal für jede Phase (Bild 2). Die entsprechend komplementären Signale werden ohne Softwareaufwand automatisch von einem Wellenformgenerator erzeugt. Um Querströme zu vermeiden, fügt die Hardware hierbei zusätzlich Totzeiten zwischen die Signalflanken ein – auch das klappt ohne den Einfluss eines Programms.

Bild 2: Der Multi-Function-Timer kann verschiedene Wellenformen für die Motorsteuerung erzeugen, ohne den CPU-Kern damit zu belasten.

Bild 2: Der Multi-Function-Timer kann verschiedene Wellenformen für die Motorsteuerung erzeugen, ohne den CPU-Kern damit zu belasten.Fujitsu

Für die Phasenstrommessung wurde die FM3-Serie mit drei unabhängigen ADCs (12 Bit, 1 µs Conversion Time) ausgestattet. Darüber hinaus stellt der FM3 zur Verarbeitung von Encoder-Signalen einen Quadratur-Decoder mit Revolution Counter bereit. Die Vielfalt an spezifischen Makros ermöglicht dem Anwender hocheffiziente Motorsteuerung zu realisieren. Eine vollwertige Vektorregelung mit Drehzahl, Drehmoment, Positionsregelung und Encoder-Auswertung benötigt auf einem mit 80 MHz betriebenen FM3 nur etwa 20 Prozent der CPU-Rechenleistung.

Speziell für Motorsteuerungen wurde ein Notaus-Eingang implementiert. Wird dieser Eingang aktiv, schalten die PWM-Pins auf einen programmierbaren sicheren Zustand. Die Leistungsstufe kann sicher in einen definierten Zustand überführt werden. Dieses erhöht die Betriebssicherheit des Systems.

Bild 3: Die zweistufige Brown-Out-Erkennung reagiert auf zwei Spannungswerte: Beim höheren Wert bereitet sich die Applikation darauf vor, dass eventuell ein Reset folgt, aber erst bei der zweiten Schwelle schaltet die Applikation ab.

Bild 3: Die zweistufige Brown-Out-Erkennung reagiert auf zwei Spannungswerte: Beim höheren Wert bereitet sich die Applikation darauf vor, dass eventuell ein Reset folgt, aber erst bei der zweiten Schwelle schaltet die Applikation ab.Fujitsu

Ebenfalls in Richtung hohe Sicherheit geht die zweistufige programmierbare Brown Out Detection des FM3 (Bild 3). Sie ermöglicht es dem Anwender, eine Art Vorwarnsystem zu implementieren, so dass seine Applikation im Vorfeld des zu erwartenden Resets wichtige Daten sichern kann. Takt- und Spannungsüberwachung, Motor-Not-Aus, Speicherschutz, On-Chip-RC sowie CRC- und ECC-Tests schützen die Anwendung.

Professioneller Distributionssupport

Der Fujitsu-Vertragspartner Glyn bietet für die FM3-Familie seinen bekannten First-Class-Premium-Support. So werden 95 Prozent aller Fragen über das Glyn-Expertennetzwerk direkt beantwortet, ohne den Hersteller mit einbinden zu müssen. Glyn sichert Distributionskunden zudem den schnellen Start in die FM3-Welt: Die verfügbaren Evaluationboards von IAR, Keil und Fujitsu werden auf die Anforderung des Kunden ausgewählt und von eigenen Experten betreut. Es gibt die bekannten Entwicklungsoberflächen von IAR und Keil sowie eine auf GNU/Eclipse aufbauende Lösung. Durch die direkte Zusammenarbeit mit dem Hersteller ist der Kunde bei Glyn immer auf dem neuesten Stand zu Fujitsus Cortex M3. Kostenfreie Seminare sind für Glyn-Kunden selbstverständlich und werden bei Fujitsu in Langen/Frankfurt als Hands-on-Workshop oder bei Bedarf auch vor Ort abgehalten.

Mit seiner konsequent auf die Bedürfnisse der Anwender ausgerichteten FM3-Familie steigt Fujitsu in die Welt der ARM Cortex-M3-Mikrocontroller ein und hilft, reale Applikationen zu optimieren. Mit der Unterstützung eines Distributors wie Glyn haben Kunden den direkten Draht.

Peter Dörwald und Eric Dauß

: Peter Dörwald ist Field Application Engineer bei Glyn in Idstein. Eric Dauß ist Regional Distribution Manager Central Europe & Benelux bei Fujitsu in Langen.

(lei)

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