Отечественные встраиваемые ARM7-модули от компании «Терраэлектроника»

Современный этап развития микроконтроллеров связан с появлением широкого круга задач, требующих увеличения разрядности процессорного ядра до 32 и перехода на языки программирования высокого уровня. Все чаще прикладные задачи решаются с помощью операционных систем реального времени, функционирующих на микроконтроллерных платформах. Высокопроизводительные микроконтроллеры с архитектурой ARM занимают большой сегмент рынка 32-разрядных приборов, поскольку обеспечивают высокую скорость вычислений и имеют большой набор периферийных блоков.
Компания NXP на основе архитектуры ARM производит несколько семейств микроконтроллеров. Ее изделия отличаются повышенной тактовой частотой, быстрой выборкой кода из внутренней флэш-памяти, оптимизированной структурой внутренних шин.

В 2008 г. компания NXP выпустила на рынок микроконтроллер LPC2478, который стал старшей моделью в семействе ARM7. Его важным преимуществом является наличие контроллера LCD, который поддерживает статические дисплеи с разрешением до 1024×768 пикселов, монохромные с 15-ю градациями серого и TFT-панели с 24-разрядным цветом. Среди набора периферийных блоков имеются 8-канальный 10-разрядный АЦП и 10-разрядный ЦАП. В набор интерфейсов входят порт USB Device/Host/OTG, порт Ethernet 10/100 с прямым доступом к памяти, четыре порта UART, два порта CAN, три порта I²C, порты SPI, SSP, I²S.

Сочетание производительного 32-разрядного ядра с контроллером дисплея и большим набором интерфейсов позволяет использовать микроконтроллер LPC2478 в качестве ядра встраиваемых микроконтроллерных систем для применения в промышленных, бытовых, торговых и медицинских устройствах, использующих LCD-дисплеи и поддерживающих высокоскоростные функции связи в локальной сети или сети интернет.

При разработке модулей на основе микроконтроллера LPC2478 мы руководствовались тезисом, что их функциональный состав и конструктивное исполнение должны определяться технологией проектирования встраиваемой микроконтроллерной системы, а также назначением и особенностями целевого (target) микроконтроллера.

Технология проектирования микроконтроллерных систем на основе встраиваемых модулей предусматривает предварительное макетирование аппаратной компоненты с использованием серийного модуля. Наиболее сложный и быстродействующий фрагмент аппаратуры в отлаженном виде используется и в макете и далее при производстве системы. Таким образом, можно применять современную элементную базу с высокими тактовыми частотами и в микроминиатюрных корпусах. Отлаженный проект включает описание (внешние спецификации) модуля, принципиальную схему аппаратуры, не входящей в модуль, и текст программы. Далее необходимо разработать печатную плату, после монтажа и установки модуля повторно проверить работу всей системы. При наличии модуля с достаточным набором периферии и интерфейсных функций разработки дополнительной аппаратуры может и не потребоваться. В таком случае это самый быстрый и бюджетный способ создания микроконтроллерной системы.

Такой подход представляется весьма перспективным в связи с увеличением вычислительных и функциональных возможностей 32-разрядных микроконтроллеров с одной стороны, и проблемами при монтаже микроминиатюрных компонентов, с другой стороны.

Реализовать преимущества технологии встроенных модулей возможно, если определен их оптимальный функциональный состав. Набора функциональных блоков встроенного модуля должно быть достаточно для решения типовых задач предметной области. Увеличить этот набор можно с помощью плат расширения. Неоправданно большой набор функциональных блоков увеличивает стоимость, габариты и энергопотребление модуля. Встроенный микроконтроллерный модуль, в отличие от одноплатного компьютера (SBC — single board computer), должен иметь встроенные интерфейсы отладки.
На основе анализа значительного числа разнообразных микроконтроллерных средств в компании «Терраэлектроника» (www.terraelectronica.ru) разработана архитектура модульных встраиваемых систем на основе ARM-микроконтроллеров, а также два встраиваемых модуля на основе микроконтроллера LPC2478. Модули представляют собой завершенные решения, готовые для установки в изделия в качестве управляющих и измерительных микроконтроллерных систем. Модули используют преимущества микроконтроллера LPC2478, имеющего в своем составе контроллер TFT-дисплея.
Младшая модель, модуль TE-LPC2478LCD, включает микроконтроллер, внешнюю память, коммуникационные интерфейсы. Этот модуль в комплекте с дисплеем, имеющим сенсорный экран, дает возможность разработчику получить бюджетное законченное решение микроконтроллерной системы для интеграции в промышленные, торговые, бытовые терминалы и устройства, которые для управления требуют обработки в реальном времени (τ ~ 10 мс) большого количества (до 160-ти) входных и выходных цифровых сигналов, формирования цветных графических изображений и интерактивной связи с оператором. Например, большое количество выводов микроконтроллера позволяет с его помощью контролировать управление мощной нагрузкой, дублируя медленную встроенную защиту интеллектуальных ключей.

Старшая модель, TE-LPC2478ADC, кроме перечисленного выше включает блоки 24-разрядного АЦП и 16-разрядного ЦАП, а также порт Ethernet. Этот модуль в комплекте с дисплеем ориентирован на применение в научных, медицинских и торговых приборах, имеющих функции прецизионного измерения физических величин, обработки данных с использованием 32-разрядного процессора, формирования аналоговых сигналов и отображения параметров процессов на цветном графическом дисплее, обмене данными через интернет.
На рис. 1 представлен модуль TE-LPC2478LCD от компании «Терраэлектроника» с подключенным 3,5-дюймовым цветным графическим дисплеем.

Рис. 1. Модуль TE-LPC2478LCD от компании «Терраэлектроника»

На плате модуля установлен микроконтроллер LPC2478FBD208 в 208-выводном LQFP-корпусе, внешняя память, коммуникационные интерфейсы, слот карты SD/MMC, разъем для подключения 3,5-дюймового цветного графического дисплея. Модуль TE-LPC2478LCD ориентирован на работу с цветным графическим дисплеем PH320240T, который имеет диагональ 3,5 дюйма и разрешение 320×240 пикселов (см. рис. 2).

Рис. 2. Дисплей с сенсорным экраном делает модуль TE-LPC2478LCD завершенным встраиваемым решением

Заметим, что при создании микроконтроллерного уст­ройства с цветным графическим дисплеем кроме необходимости иметь контроллер для управления стоит также за­дача монтажа миниатюрного высокоточного разъема (в данном случае 54-контактного с шагом 0,5 мм). Са­мо­сто­ятельная установка такого разъема на макетную плату для многих разработчиков представляет значительные сложности (см. рис. 3).

Рис.3. Подключить современный дисплей — не простая задача (разъем на 54 линии с шагом 0,5 мм)

Рис. 4. Микроконтроллер LPC2478 имеет 208 выводов, все его порты доступны на контактных площадках, в т.ч. интерфейсы UART, CAN, I2C, SPI, SSP, I2S

Слот карты SD/MMC является средством работы с накопителем данных большой емкости и часто устанавливается в интеллектуальных модулях графических дисплеев для хранения файлов изображений.
В качестве внешней памяти на плате установлена NOR флэш-память объемом 32 Мбит и SDRAM объемом
256 Мбит. Внешняя память используется при формировании изображений на дисплее и работе под управлением операционной системы реального времени.
Все порты микроконтроллера выведены на две трехрядные группы контактных площадок. На них, в т.ч. доступны интерфейсы UART, CAN, I²C, SPI, SSP, I²S микроконтроллера (см. рис. 4). При установке в отверстия контактных площадок штыревых разъемов эти разъемы могут служить конструктивными и электрическими соединителями для подключения мезонинных плат расширения, а также для установки самого модуля на материнскую плату.

Модуль имеет порт USB-device и мост USB-UART, который позволяет осуществлять загрузку кода программы во внутреннюю флэш-память микроконтроллера. Для целей комплексной отладки аппаратуры и разрабатываемого программного обеспечения имеется разъем JTAG принятого для ARM-микроконтроллеров формата 2×10 выводов (см. рис. 5).

Рис. 5. Модуль имеет порт microUSB, мост USB-USART и разъем отладочного интерфейса JTAG

На рис. 6 представлен модуль TE-LPC2478ADC от компании «Терраэлектроника». Этот встраиваемый модуль на основе микроконтроллера LPC2478FBD208 отличается наличием блока цифрового преобразования сигналов на основе 24-разрядного АЦП и 16-разрядного ЦАП, а также порта Ethernet.

Рис. 6. Модуль TE-LPC2478ADC от компании «Терраэлектроника»

В сочетании с цветным графическим 3,5-дюймомым дисплеем этот модуль дает законченное решение встраиваемой микроконтроллерной системы с развитыми функциями измерения параметров сигналов и формирования сигналов, интерактивного взаимодействия с оператором, отображения информации и обмена по скоростным каналам связи. Этот модуль также имеет развитые функции отладки: установлен разъем JTAG, загрузка кода программы во флэш-память микроконтроллера может быть выполнена через мост USB-UART.
На плате модуля установлен микроконтроллер LPC2478FBD208, внешняя память NOR флэш-память и SDRAM, порты Ethernet и microUSB, мост USB-UART, слот карты SD/MMC, блок цифрового преобразования сигналов, разъем дисплея.

Модуль TE-LPC2478ADC ориентирован на работу с цветным графическим дисплеем PH320240T, который имеет диагональ 3,5 дюйма, разрешение 320×240 пикселов и сенсорный экран.

Рис. 7. Схема питания блока преобразования сигналов, 24-разрядный АЦП и 16-разрядный ЦАП

Блок цифрового преобразования сигналов включает 24-разрядный сигма-дельта АЦП ADS1271 компании Texas Instruments и 16-разрядный ЦАП AD5542 компании Analog Devices.
Преобразователь ADS1271 объединяет преимущества промышленных дельта-сигма АЦП, имеющих малый дрейф, с широкой полосой пропускания АЦП для аудиоприменений. Его характеристики: полоса пропускания 50 кГц, температурный дрейф напряжения смещения 1,8 мкВ/°C, соотношение сигнал/шум (SNR) до 109 дБ — обеспечивают новое качество измерений в медицинской, промышленной и автомобильной технике.

Разработчик может выбрать один из трех режимов работы преобразователя: оптимизированный по скорости (105 Квыб./с), разрешению (SNR 109 дБ) или потребляемой мощности (35 мВт).
Обмен с микроконтроллерной системой может осуществляться через интерфейс SPI или интерфейс с кадровой синхронизацией (FSSI — frame-sync serial interface).
Цифро-аналоговый преобразователь AD5542 имеет разрешение 16 разрядов, его выход не буферизован и допускает работу на нагрузку 60 кОм. Он имеет малое время установления выходного напряжения и малое энергопотребление от единственного источника питания 5 В.

Блок цифровой обработки сигналов имеет отдельное питание, топология этого фрагмента платы выполнена в соответствии с рекомендациями производителей элементной базы. Аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи подключены к микроконтроллеру через интерфейс SPI.

В отличие от отладочных плат, для встраиваемых микроконтроллерных модулей весьма важна техническая поддержка в течение всего жизненного цикла: при производстве модуля, в период макетирования и разработки системы с применением модуля, при работе модуля в период эксплуатации системы.

Для модулей TE-LPC2478 создан набор тестирующих программ, который используется при производстве. Исполняемые микроконтроллером коды программ передаются вместе с модулями разработчику. Применение тестирующих программ описано в документе «Руководство пользователя» каждого модуля. Таким образом, модули могут быть проверены как в процессе разработки системы, так и в процессе ее эксплуатации.

Модуль TE-LPC2478LCD разработан как основа набора аппаратных и программных средств. В состав аппаратных средств планируется включить сенсорную клавиатуру, радиомодуль, модуль на основе MEMS-микрофона, плату расширения на основе аудиодекодера и стерео-ЦАП. Конструктивное объединение аппаратных средств набора предусматривается на основе двух штыревых трехрядных разъемов, установленных в плату микроконтроллерного модуля. Возможна разработка и производство модулей расширения по спецификациям заказчиков.

Набор программных средств будет включать процедуры обслуживания каждого устройства расширения. На основе этих процедур и набора тестирующих программ микроконтроллерного модуля в настоящее время разрабатывается демонстрационная библиотека, которая станет доступна разработчикам в исходных текстах.