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Toshiba

Von der Consumerelektronik über Bürogeräte bis hin zu industriellen Systemen und Automotive-Designs – die heute zunehmend verbundene Welt fordert die Entwickler von Embedded-Systemen heraus, Anwendungen mit einer Vielzahl möglicher Schnittstellen- und Datenanbindungsoptionen bereitzustellen. Gleichzeitig sollen sich die Kosten, der Platzbedarf, der Energieverbrauch und die Entwicklungsdauer auf ein Minimum reduzieren. Entwickler stehen daher unter Druck, Lösungen zu finden, mit denen sich die Leistungsfähigkeit als auch die Effizienz optimieren lässt, die Bauteilanzahl verringert und das Design, Prototyping und Testen vereinfacht.

Ausgefeilte Datenanbindung

In Industrieanlagen ist der RS-232/485-Anschluss die standardmäßig externe Verbindung für Wartungsaufgaben. Viele Anlagen bieten heute aber auch einen USB-Anschluss. Damit vereinfacht sich die Anbindung von Peripherie oder das Hoch-/Herunterladen von Daten. Eine größere Zahl an Anwendern kann somit mit der Anlage interagieren, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Darüber hinaus ermöglicht eine Ethernet-Anbindung komplexer industrieller Anlagen wie Druck-, CNC-Maschinen oder Telekommunikations-Switches an ein unternehmensweites LAN-Netzwerk neue Möglichkeiten, Leistungs- oder Nutzungsdaten zu sammeln und eine kosteneffiziente Fernwartung durchzuführen.
Die Datenanbindung in Automotive-Systemen wird ebenfalls ständig weiterentwickelt. Die Nachfrage nach zusätzlichen Komfort- und Sicherheitsmerkmalen, Fahrerassistenzsystemen und Steuerungsnetzwerken wie CAN und LIN steigt – selbst in Fahrzeugen der Mittel- und Kleinwagenklasse. Diese Netzwerke verbinden Subsysteme wie das Motor-Management und Mechatronik-Module miteinander und bieten Vorteile wie erhöhte Modularität, Gewichts-/Kosteneinsparungen und eine einfachere Erfassung von Diagnosedaten. Der robuste Charakter des CAN-Busses hat sich hier als Standard herausentwickelt, der vom Automotive-Bereich nun in viele industrielle Anwendungen übertragen wird.
Netzwerke wie CAN und LIN teilen sich zunehmend den Platz mit Consumer-Datenanbindungen wie USB und DVI, da Autokäufer heute ihre Geräte wie Handys, Spielekonsolen und DVD-Player für Unterhaltung und Information auch unterwegs nutzen wollen. Automotive Ethernet ist eine weitere Entwicklung, die derzeit immer mehr an Zugkraft gewinnt. Bei der Anbindung des Fahrzeugs an Heimnetzwerke könnte dies ein weiterer Schritt nach vorn sein, wobei Dateien mit Musik-, Video- oder Telefonbuch-Inhalten synchronisiert werden. Da auch Elektroautos immer mehr an Fahrt gewinnen, gäbe es noch mehr Gründe für eine solche Verbindung zwischen Fahrzeug und Heim, anstatt nur die Batterie zu laden.
Die Entwickler von Embedded-Systemen müssen auf die steigenden Anforderungen in Sachen komfortabler und nahtloser Datenanbindung in diesen und anderen Bereichen reagieren. Embedded-Mikrocontroller müssen z.B. heute viele Arten von Datenverbindungsmöglichkeiten unterstützen, damit Entwickler ihre Designs vereinfachen, die Codegröße verringern, die Größe der Leiterplatte reduzieren und die Markteinführung beschleunigen können.

Zunehmende Datenverarbeitung

Um die genannten Forderungen zu erfüllen, muss die Datenverarbeitungskapazität erhöht werden, damit die Vielzahl der I/O-Kanäle und Protokollstandards gehandhabt werden kann. Durch die zunehmende Ad-hoc-Datenanbindung ist auch mehr Sicherheit in Form von Authentifizierung und Verschlüsselung erforderlich – und das bei immerwährendem Zeit- und Kostendruck.
Der ARM-Cortex-M3-Prozessor erfüllt die Anforderungen in diesem Embedded-Markt, da er mehr Leistungsfähigkeit, Effizienz und eine einfache Handhabung mit sich bringt. Mit ARMs Erfahrung im Bereich mobiler Anwendungen ist der Core äußerst energieeffizient und verfügt über einen kompakten Befehlssatz, der eine kleine Codegröße und somit geringere Chipkosten ermöglicht. Die 32-Bit-Cortex-M-Architektur liefert mehr Performance pro MHz als andere Embedded-Prozessoren, womit Entwickler mehr Leistungsmerkmale bei geringerer Stromaufnahme implementieren können.
Für Anwendungen, die eine schnelle Datenverbindung oder den Betrieb mehrerer Schnittstellen gleichzeitig erfordern, kann der Cortex-M3 die nötigen Aufgaben ohne signifikante Erhöhung der Taktfrequenz durchführen und seine Stromspar-Modi voll ausnutzen. Die meisten 8- oder 16-Bit-Prozessoren benötigen in der Regel eine höhere Taktrate oder längere Zeit im aktiven Zustand, um die gleichen Befehle abzuarbeiten.

Alles in einem

Eine weitere Stärke des ARM Cortex-M3 ist sein nahezu De-facto-Standard bei hochleistungsfähigen Embedded-Anwendungen. Als einer der führenden Cortex-M3-Lizenznehmer verwendet Toshiba den Core in seinen MCUs der TMPM36x-Reihe. Die Bausteine vereinen Peripherie, die für Anwendungen in den Bereichen Industrie, Consumer und Automotive optimiert ist. Die Mehrzahl dieser MCUs bietet verschiedenste I/Os, die zahlreiche Standards in diesen Marktsegmenten abdecken. Bild 1 zeigt die Roadmap der jeweiligen Datenanbindungsmöglichkeiten.

Bild 1

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Als Beispiel dient der TMPM366 für Anwendungen wie industrielle Steuerungen und Bürotechnik. Diese MCU bietet eine Kombination aus einem USB-Device-Controller; 2-Kanal serielle Busschnittstelle, die für S- oder Synchron-Modus-Kommunikation konfiguriert werden kann; 3-Kanal synchrone serielle Schnittstelle (SSP/SPI); 2-Kanal universelle serielle Schnittstelle, die UART- oder Synchron-Modi unterstützt; und einen Einkanal-UART, der UART und IrDA 1.0 unterstützt. Diese Schnittstellen sind zusammen mit Überwachungs- und Steuerungsperipherie wie einem 12-Kanal-/12-Bit-ADC mit 1 µs Wandlungsdauer, einem 16-Bit-Timer und einem Watchdog-Timer implementiert.
Für Embedded-Anwendungen in Bürogeräten und industriellen Steuerungen, in denen eine niedrige Stromaufnahme, geringe Bauteilanzahl und Datenanbindung entscheidende Designkriterien sind, hat Toshiba die MCUs TMPM361 und TMPM363 entwickelt (Bild 2).

Bild 2: TMPM36x-Mikrocontroller.

Bild 2: TMPM36x-Mikrocontroller.Toshiba

Beide bieten eine 5-Kanal universelle Serial-I/O-Schnittstelle (SIO) und ein 3-Kanal Serial Bus Interface (SBI). Zwei ähnliche Bausteine, der TMPM362 und TMPM364, bieten hier zwölf bzw. fünf Kanäle. Ein dritter SBI-Kanal beim TMPM361 und TMPM363 lässt sich für I2C konfigurieren, während der TMPM363 und TMPM364 dafür CAN und USB bieten.
Alle Bausteine verfügen über eine synchrone serielle Busschnittstelle (SSP), die SPI-, SSI- und Microwire-Formate unterstützt. Zur weiteren Peripherie zählen ein 10-Bit-ADC, bis zu 16 Stück 16-Bit-Timer und ein Watchdog-Timer. Eine CEC-Einheit (Consumer Electronics Control) und ein RMC (Remote Control Signal Pre-Processor) beschleunigen die Entwicklungsarbeit und ermöglichen eine Fernsteuerungsfunktion.

Gateway-Bausteine

Ein weiteres Derivat, der TMPM369, bedient erstmals drei große Datenanbindungsstandards für Embedded-Anwendungen: USB Device/Host, CAN2.0B und 10/100 Ethernet – zusammen in einem Baustein (Bild 3).

Bild 3: Blockdiagramm des TMPM369.

Bild 3: Blockdiagramm des TMPM369.Toshiba

Zur Standardperipherie zählen auch ein 12-Bit-ADC, ein 10-Bit-DAC, 16-Bit-Timer und Unterstützung für mehrere Interrupt-Quellen. Mit der hohen Leistungsfähigkeit des Cortex-M3 können Entwickler auch Antriebssteuerungs-, Benutzer- und Displayschnittstellen-Funktionen auf der MCU realisieren – und das in Anwendungen, die von Haushaltsgeräten, Modulen für intelligente Gebäudetechnik über Patientenüberwachung, Ausstattungen für den Einzelhandel bis hin zur industriellen Automatisierung reichen. Die Integration eines Mehrzweck-Timers, der eine 3-Phasen-PWM-Steuerung mit einem ADC-Trigger und einem Schutzschaltkreis vereint, ist zudem in Antriebssteuerungen von Interesse.
Toshiba wird auch eine Familie voll qualifizierter Automotive-MCUs auf den Markt bringen, die für Anwendungen wie Audiowiedergabe von MP3-Playern und externen USB-Speichern oder SD-Karten ausgelegt sind. Diese Bausteine kombinieren bis zu 1 MByte NANO-Flash-Speicher von Toshiba, Peripherie wie einen 10-Bit-ADC und Timer mit umfangreichen Datenanbindungsmöglichkeiten wie USB 2.0, CAN, einer seriellen Busschnittstelle für I2C oder Synchronbetrieb und universelle serielle I/Os (SIO).
Zu dieser Baureihe zählt auch der TMPM327C3D auf der Basis eines ARM Cortex-M3, der mit einer Taktfrequenz bis 144 MHz arbeitet. Neben seinen integrierten USB 2.0 High Speed Host Control, SDHC Control, I2C- und I2S-Schnittstellen verwaltet der Baustein auch visuelle I/O-Anwendungen wie die Darstellung von Bildern einer Fahrzeug-Rückfahrkamera (Bild 4).

Bild 4: Der ARM-Cortex-M3-Prozessor eignet sich ideal für Anwendungen, die hohe Anforderungen an die Datenanbindung stellen.

Bild 4: Der ARM-Cortex-M3-Prozessor eignet sich ideal für Anwendungen, die hohe Anforderungen an die Datenanbindung stellen.Toshiba

Dabei verringern eine integrierte Grafik-Engine, ein Videoeingang und digitaler RGB-Ausgang die Anzahl externer Bauteile, während eine spezielle Busstruktur die CPU-Last während der Display- und Audioansteuerung verringert.

Fertige Lösungen für den Markt

Um die Entwicklung von Embedded-Designs, die mehrere anspruchsvolle Schnittstellen und hohe Funktionalität bieten müssen, zu beschleunigen, bieten sich zahlreiche neue Entwicklungswerkzeuge an. Darunter fällt das kürzlich angekündigte Toolpaket TrueSTUDIO/TX V2.0 von Atollic, das alle ARM-basierten MCUs von Toshiba unterstützt, einschließlich Cortex-M3- und ARM9-Bausteine.