П. Вовк

Микроконтроллеры С8051F04x, C8051F12x и C8051F31x фирмы Cygnal

Спектр микроконтроллеров производства фирмы Cygnal пополнился тремя новыми семействами - С8051F04х, C8051F12х и С8051F31x. Данная статья содержит анонс этих новых семейств. Новые возможности позволяют говорить уже о полноценных системах на кристалле, самостоятельно выполняющих весь спектр возложенных на них задач. Эти системы на кристалле уже доступны к свободной продаже.

Семейства микроконтроллеров Cygnal C8051F02x задумывались как мощные центральные обработчики оцифрованных аналоговых процессов. Для этой цели в них были заложены довольно большой объем памяти программ и памяти данных, большое количество таймеров, интерфейсов, два типа АЦП и другая периферия. Весь этот набор состоит из стандартной компоновки классического измерительного контроллера - точный многоканальный АЦП, предварительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления сигнала, источник опорного напряжения, датчик температуры, компараторы, ЦАПы, многофазные генераторы ШИМ и т.д. Эта стратегия - предоставление инженеру-схемотехнику универсального инструмента для максимально быстрой разработки готового устройства - себя оправдала - семейство C8051F02х заложено в десятки проектов и успешно справляется с возложенными на него задачами. Но практика эксплуатации этого семейства показала, что, несмотря на его фантастическую универсальность, камнем преткновения становится отсутствие аппаратно реализованного контроллера стандартного последовательного интерфейса, пригодного для промышленного использования в условиях повышенного уровня электромагнитных помех, обусловленных длинными линиями связи и спецификой применения.

На сегодняшний день самым распространенным интерфейсом такого типа является интерфейс CAN. Он обеспечивает передачу данных со скоростью до 1 Мбит/с и предназначен для применения в высоконадежных промышленных контроллерах процессов.

В микроконтроллерах семейства C8051F04x, блок-схема которого приведена на рис.1, осуществлена аппаратная реализация контроллера протокола CAN 2.0B, что позволяет этому семейству занять более широкую нишу среди промышленных однокристальных контроллеров. Что же представляет собой новое семейство?

Рисунок 1. Блок-схема микроконтроллеров семейства C8051F04x

На первый взгляд, новизна данного семейства по сравнению с уже широко известным семейством С8051F02x заключается только в добавлении нового контроллера последовательного интерфейса. Но на самом деле это несколько не так. В состав нового микроконтроллера включен высоковольтный операционный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, схема которого приведена на рис. 2, позволяющий оцифровывать двуполярные аналоговые входные сигналы с напряжением от -60 В до +60 В. При этом значение коэффициента усиления может быть в диапазоне от 0,05 В/В до 14 В/В. Для обеспечения нормальной работы усилителя с двуполярными сигналами предусмотрен вход для подключения внешнего источника опорного напряжения. Также для минимизации шумов при усилении предусмотрен вывод, который может выполнять сразу две функции - как вход для подключения конденсатора фильтра низких частот и как выход после первого каскада усиления. Этот усилитель обладает довольно высокими параметрами - CMRR не хуже 70 дБ (типовое значение 72 дБ), напряжение смещения не более 3 мВ, и диапазон усиления не уже 150 кГц при коэффициенте усиления, равном 1 (при Ку=0,05 диапазон усиления расширяется до 3 МГц). Естественно, выход усилителя может быть подключен к входу встроенного 12-разрядного (для микроконтроллеров C8051F41 и С8051F43 - 10-разрядного) АЦП.

Рисунок 2. Схема высоковольтного ОУ с программируемым коэфф-ом усиления

С ростом сложности задач и повышением требований к надежности и скорости обработки больших массивов и потоков данных, современные системы требуют еще большей вычислительной мощности от контроллеров и сами программы, даже максимально оптимизированные, уже не укладываются в стандартные 8, а иногда и в 64 кбайт flash-памяти программ. Понимая обоснованность данных требований современного мира, разработчики фирмы Cygnal представили уникальную систему на кристалле C8051F12х.

В чем же ее уникальность? Во-первых, внутренняя частота ядра составляет 50 или 100 МГц! Вспомним, что микроконтроллеры Cygnal выполняют более 70% команд за 1 или 2 такта и тогда становится ясно, что на сегодняшний день это самый быстрый микроконтроллер общего назначения с классической архитектурой. Такая частота реализована при помощи внутреннего синтезатора частоты (PLL). Поскольку блок flash-памяти программ пока не может работать на такой частоте, несколько изменена логика работы блока выборки из памяти программ. Вычитывается сразу 4 программных слова, которые исполняются с максимальной тактовой частотой, но частота выборок из памяти программ осталась прежней - 25 МГц.

Во-вторых, вдвое увеличены объемы памяти программ и данных до 128 кбайт и 8448 байт соответственно. Это позволит, совместно с повышенным быстродействием, использовать более сложные и объемные алгоритмы обработки данных и заменить дорогостоящие одноплатные компьютеры или убрать с печатной платы дополнительные внешние элементы, призванные уменьшить нагрузку на процессорное ядро.

И, в-третьих, как известно, проблема надежности паяных соединений встает все более серьезно и это основная причина отказов в процессе эксплуатации устройства. Системы на кристалле от Cygnal не стали исключением из общей тенденции к повышению степени интеграции и таким образом значительно уменьшена опасность сбоев, связанных с передачей данных от внешних элементов к процессору через паяные и разъемные соединения. Уменьшена радикальным способом - их просто нет. Все необходимые периферийные элементы находятся внутри этой системы на кристалле под названием C8051F12x. Их полный перечень в составе блочной схемы приведен на рис. 3. Кроме этого, сохранены все функции предыдущих семейств, включая возможность записи и чтения из памяти программ, внутрисхемное программирование и отладка.

Рисунок 3. Блок-схема микроконтроллеров семейства C8051F12x

В таблице 1 приведены основные параметры систем на кристалле серии C8051F12x.

Таблица 1. Основные параметры систем на кристалле серии C8051F12x

Очень большой интерес в свое время вызвало появление семейства сверхминиатюрных микроконтроллеров серии C8051F30x. При размерах корпуса 3х3 мм. они обладают всеми свойствами и возможностями более крупногабаритных своих собратьев, но имели иной интерфейс программирования и отладки. Теперь Cygnal Integrated выпустил два микроконтроллера, поддерживающих тот же интерфейс, но обладающих более серьезными возможностями. Прежде всего - это 10-разрядный АЦП и увеличенное до 29 (C8051F310) и 25 (C8051F311) количество линий ввода-вывода. При этом микроконтроллеры выпускаются в корпусах LQFP32 и MLP28 размером 5х5 мм. Кроме этого, в состав контроллеров включены аппаратные интерфейсы SMBus/I2C, SPI и UART. Частота (24,5 МГц) и точность (±2%) встроенного тактового генератора позволяют использовать UART без тактирования от внешнего генератора или кварцевого резонатора.

В таблице 2 приведены основные параметры систем на кристалле серии C8051F3хx.

Таблица 2. Основные параметры систем на кристалле серии C8051F12x

Несколько слов о вечном споре между профессиональными программистами и их заказчиками. Суть спора состоит в том, что заказчик требует работающую систему в кратчайшие сроки, а программист ценит свой труд и свой имидж и не желает выпускать «сырую», не отлаженную или не оптимизированную программу. Оптимизация программного обеспечения требует большого количества времени. Оно пропорционально количеству внешних элементов и сложности всего проекта в целом. И вот здесь системы на кристалле Cygnal показывают себя с самой лучшей стороны. Внутрисхемное программирование и внутрисхемная же отладка кристалла с использованием протокола JTAG позволяют в кратчайшие сроки ввести любые изменения в программное обеспечение и проверить правильность работы всей системы.

Литература:

1. http://www.eltis.kiev.ua/cl_index.htm
2. http://www.cygnal.com/datasheets/c8051f04x.pdf
3. http://www.ecnmag.com/ecnmag/issues/2002/04012002/SEMICONDUCTORS/ec24cv05_.asp
4. http://www.elecdesign.com/Articles/Index.cfm?ArticleID=17000&Extension=pdf
5. http://www.cygnal.com/datasheets/Bosch_CAN_User’s_Guide.pdf