Smart-Meter, Motorsteuerung oder TFT-Bedieneinheiten?

Eine breite Palette an Lösungsansätzen für die verschiedensten Anwendungen stellen die Produkte dieser Familie bereit. Der RX-Mikrocontroller basiert auf einer erweiterten Harvard-Architektur, die mit integriertem, auf der MONOS-Technologie basierenden Zero-Wait-State-Flash bei Taktraten bis zu 100 MHz eine Leistung von 165 DMIPS/MHz erreicht, bei gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch bis zu 130 µA/DMIPS. Da der RX-Mikrocontroller auf einer CISC-Architektur basiert, sind hier im Vergleich zu einer RISC-Implementierung noch zusätzliche Einsparungen in der Code-Größe zu erwarten. Hohe Echtzeitfähigkeit ist in der Regel eine wichtige Forderung an Embedded-Systeme. Aus diesem Grund bieten die Produkte dieser Familie einen so genannten High Speed Interrupt an, der es ermöglicht, auf Signale innerhalb von fünf Taktzyklen mit einem Interrupt-Einsprung zu reagieren.

Zu den vielfältigen integrierten Sicherheitsmerkmalen zählen unter anderem eine Sicherung des Flashspeichers durch ID-Code, eine integrierte MPU (Memory Protection Unit), ein Schutz der Register gegen versehentliches Überschreiben sowie eine unabhängige Taktspeisung der Watchdog-Funktion. Des Weiteren wurden Hardware-Test-Funktionen implementiert, die es ermöglichen, den I/O-Status von Ports zu überprüfen. Ein ADC-Selbsttest erlaubt die Detektion von externen Signalen. Abgerundet wird das Angebot durch eine CRC-Hardware-Einheit zur Überprüfung von Speicherinhalten und eine Testfunktion zur Überprüfung der Taktquelle. Werden diese Elemente mit einer zertifizierten Quellcode-Bibliothek nach dem IEC60730-Standard kombiniert, gestalten sich Implementierung und Qualifizierung nach diesem Standard äußerst einfach.

Der Kommunikationsknecht

Kommunikation ist der entscheidende Faktor in vielen industriellen Anwendungen. Egal, ob es sich um eine einfache serielle Schnittstelle zur Kommunikation mit einem anderen Modul, einer anderen Periphere-Einheit oder um ein erweitertes Kommunikationsprotokoll wie Ethernet, CAN oder USB handelt, alle ermöglichen dem Benutzer den Zugriff und die Kontrolle mittels dieser Kommunikations-Netzwerke in einer Industrieanlage. Die RX-Familie ist in der Lage, alle wichtigen Kommunikations-Methoden zu unterstützen, wie in Bild 1 dargestellt und anschließend in Tabelle 1 genauer beschrieben.

Für alle in Tabelle 1 aufgeführten Kommunikationsschnittstellen existieren entsprechende Treiber und Protokoll-Stacks, als kostenloses Softwarepaket von Renesas zur Verfügung gestellt. Zusätzlich gibt es eine Vielzahl verschiedener kommerzieller Lösungen, die in Kooperation mit Softwarepartnern entwickelt wurden.

Neben den oben erwähnten Kommunikationsschnittstellen wie USB, Ethernet und CAN bieten die Mikrokontroller dieser Familie eine Vielzahl an weiteren Schnittstellen. Zu erwähnen sind hier unter anderem SPI und I²C als Schnittstelle zu externen Peripherie-Bausteinen, Speicher und drahtlose Kommunikationsmodule wie zum Beispiel Zigbee und Wifi. I²C unterstützt bis zu 1 MByte/s Bandbreite, während das SPI-Interface in der Lage ist, bis zu einer maximalen Datenrate von 25 MByte/s zu kommunizieren. Das SPI-Modul unterstützt Master- und Slave-Modi. Asynchrone, synchrone, Smartcard- und LIN-Bus-Schnittstellen unterstützt das Serial-Communication-Interface (SCI). Dabei ist die Bandbreite auf 8 MByte/s im synchronen Betrieb und 3 MByte/s im asynchronen Betrieb limitiert.

Die RX-Motorsteuerungsplattform

In vielen Haushaltsgeräten, wie Waschmaschinen und Spülmaschinen ist die Motorsteuerung eine wichtige Funktion. Die RX-Familie bietet sehr moderne Lösungen für diese Anwendungsbereiche. Sowohl der RX200 als auch der RX600 unterstützen sensorlose Vektorregelung für Einzel- und Drei- Shunt-Methoden und ermöglichen eine effiziente und schnelle Verarbeitung des Motorsteuerungs-Algorithmus bei bis zu 100 MHz. Dies wird unter Beibehaltung der Selbsttestfunktion für einen sicheren Betrieb, der Kommunikation mit einem externen Steuergerät realisiert. In einfachen Anwendungsbereichen ist zusätzlich die parallele Integration der Benutzeroberfläche möglich.

Für kleine bis Mid-Range-Anwendungen eignet sich der RX200 sehr gut. Hierzu bietet die CPU eine äußerst effiziente DSP-Verarbeitung, eine Multiplikations- und Additionseinheit mit einem einzigen Zyklus (MAC) und einen 32 Bit breiten Barrel-Shifter. Wie alle Bausteine dieser Familie gewährleistet er eine gute Code-Effizienz, so dass eine typische Anwendung mit Motoransteuerungsalgorithmus, Selbsttest und Kommunikationsmanagement etwa 30 Prozent weniger Flashspeicher und 25 Prozent weniger On-Chip-RAM benötigt, im Vergleich zu Implementierungen auf anderen herkömmlichen CPUs.

Das System unterstützt Schaltfrequenzen von über 24 und Regelfrequenzen von bis zu 16 kHz. Der Einsatz des On-Chip-Data-Flash eignet sich sehr gut für die Speicherung der für die Motorsteuerung notwendigen Systemparameter.

Im Vergleich dazu weist der RX600 eine höhere Leistung und eine stärkere Integration von motorsteuerungs-typischen Elementen auf. Für High-End-Anwendungen, wie zum Beispiel Premium-Waschmaschinen, Backöfen und industrielle Anwendungen wie Klimaanlagen, Motorensteuerungen und Wechselrichter ist er der passende Baustein. Neben der erhöhten CPU-Geschwindigkeit von bis zu 100 MHz ist der Hauptgrund die Integration einer Hardware-IEEE-754-Floating-Point-Unit (FPU) als Teil des CPU-Kerns. Die speziell auf das Inverter-/Motorsteuerungs-segment ausgelegten Produkte sind der RX62T und der RX63T. RX63T, mit der kleinen Gehäuse-Option, passt bestens für Appliance-Anwendungen. Er ermöglicht eine komplette Motorsteuerung mittels des 12-Bit-ADC mit 1 µs Wandlungszeit und der entsprechenden Timer-Einheit inklusive der Bedienung von Kommunikationsschnittstellen.

Die Bausteine der RX62T-Gruppe sind in der Lage zwei unabhängige Motorsteuerungen zu kontrollieren, da sie auch zwei unabhängige Motorsteuerungs-Timer-Blöcke beinhalten, einen erweiterten ADC mit zwei unabhängigen Einheiten sowie drei integrierte programmierbare Operationsverstärker zur Signalaufbereitung und Skalierung. Drei analoge Fenster-Komparatoren für jeden ADC runden die Einheiten ab. Eine dritte 10-Bit-ADC-Einheit bietet Unterstützung für andere systemrelevante ADC-Wandlungen. Bild 2 zeigt ein typisches Motorsteuerungssystem. Eine äquivalente Motorsteuerungs-anwendung, bestehend aus Motorregelalgorithmus, Benutzerschnittstelle mit GUI und Parameter-Speicher nutzt rund 50 Prozent des Flash-Speichers und 26 Prozent des RAM-Speichers, basierend auf dem kleinsten RX63T mit 32 KB Flash und 8 KB RAM und zeigt damit, dass RX sehr kompakte Lösungen bietet.

TFT-Bedieneinheiten basierend auf RX

Der Trend zur Integration von intelligenten Benutzer-Interfaces mittels Display-Anzeigen ist ungebrochen. Realisiert werden kann dies oftmals durch ein einfaches Segment- oder Matrix-Display. In letzter Zeit kommen jedoch immer häufiger Grafik-Displays, also TFT-Displays zum Einsatz. In diesen Fällen ist die Verwendung eines Grafik-Controllers in der Regel sehr aufwändig und für die Anwendung häufig zu teuer. Basierend auf den RX-Mikrocontrollern werden verschiedenste Ansätze verfolgt, um eine kostenoptimierte Lösung zu offerieren. Mittels des RX200 ist es beispielsweise möglich, ein Standard-QVGA-TFT-Panel mit RGB-Interface mit bis zu acht Farben (3-bpp) unter Zuhilfenahme von drei synchronen SCI-Kanälen mit DMA und I/O-Port-Steuerung für die HSync-, VSync-Signalgenerierung anzusteuern. Etwa 30 KByte internen RAM benötigt die Lösung für den Videopuffer. Die Vorteile liegen unter anderem im schnellen Einschaltverhalten, so dass Daten im Moment des Systemstarts auf dem Bildschirm sichtbar sind. Hierzu wird weniger als 40 Prozent der CPU-Leistung benötigt und die Systemkosten sind niedrig, da keine externen Komponenten erforderlich sind. Renesas stellt entsprechende Anwendungssoftware zusammen mit Demos und Anwendungshinweisen bereit.

Auch der RX600 ist in der Lage, ein TFT-Panel direkt anzusteuern. Aufgrund der höheren Leistung und zusätzlicher Peripherie bietet er einen größeren Funktionsumfang. Hierzu zählen ein zusätzlicher externer DMA-Controller (exDMAC), um die RGB-Daten zu übertragen. Die Videodaten werden hier im externen SRAM- oder SDRAM-Speicher abgelegt. Lösungen für QVGA- (320 x 240) und WQVGA-Auflösung (480 x 272) mit bis zu 16 Bit Farben pro Pixel und einer Bildwiederholungsfrequenz von 60 Hz verspricht dieser Ansatz. Um ein statisches Bild anzuzeigen, liegt die CPU-Auslastung für den RX600 bei nur etwa fünf Prozent, dadurch stehen genügend Ressourcen für andere Anwendungsfunktionen, wie Konnektivität und Touch-Screen-Decodierung, zur Verfügung. Aufgrund des geringen CPU-Overhead können auch kleinere bis mittlere Animationen, wie Knöpfe, Schieberegler, Anzeigen und so weiter auf dem TFT umgesetzt werden.

Alle diese TFT-Ansteuerungskonzepte sind dokumentiert und mit entsprechender kostenloser Beispielsoftware verfügbar. Zudem werden entsprechende kommerzielle Lösungen von Softwarepartnern bereitgestellt.

Smart-Meter-Applikationen mit dem RX

Intelligente Stromzähler-Lösungen von heute erfordern genauere Messungen, einen geringeren Stromverbrauch und mehr Features, einschließlich der Möglichkeit zur Datenerfassung und drahtgebundenen oder drahtlosen Kommunikation über verschiedene Medien. An den zentralen Mikrocontroller stellt dieser erweiterte Anforderungskatalog hohe Ansprüche. Die hier vorgestellten Bausteine können fortschrittliche Lösungsansätze für diesen Applikationsbereich aufzeigen. Insbesondere der neue RX21A zeichnet sich durch die Einführung einer neuen Technologie als echte Single-Chip-Lösung speziell für den Stromzählermarkt aus. Der Vorteil dieser Produktgruppe liegt In der Integration von bis zu sieben unabhängigen 24-Bit-Delta-Sigma-ADC-Einheiten mit den jeweiligen programmierbaren Verstärkern. Diese Einheiten bieten Differential- und Single-Ended-Eingänge. Zusätzlich sind noch ein sieben-kanaliger 10-Bit-ADC und zwei 10-Bit-DACs integriert. Der RX21A verfügt zusätzlich über viele weitere Peripherie-Funktionen, wie zum Beispiel serielle Schnittstellen (SCI), leistungsstarke 16-Bit-Timer und ein RTC-Kalender-System mit integrierter Manipulationsüberwachung. Das Beispiel einer typischen Poly-Phasenmeßgerät-Lösung basierend auf dem RX21A zeigt Bild 4.

Ein RX21A- basiertes Mess-System kann durch eine Kombination von peripheren Funktionen, wie die 16-Bit-MTU-Timer-Einheit, dem Event-Link-Controller (ELC) und der Nutzung des Data Transfer Controllers (DTC) automatisiert werden. Hierdurch ist die Steuerung, das Auslesen und die Speicherung der durch den 24-Bit-Delta-Sigma-ADC gewandelten Daten als auch die Auswertung weitestgehend ohne Zuhilfenahme des RX-Kerns möglich. Der RX21A bietet ebenfalls eine Reihe von Produkten an, die optimiert für den einphasigen Stromzählermarkt ausgelegt sind.

(ah)