Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 22 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Технологии AdvancedTCA, AdvancedMC и MicroTCA: быстрые интерфейсы и процессоры под соусом стандартизации. Часть 1

Стандарт AdvancedTCA, развивающий основополагающие принципы магистрально-модульной архитектуры CompactPCI — это мощный и удобный инструмент для построения новых телекоммуникационных решений на базе последовательных внутрисистемных интерфейсов. Разработанный специально для рынка телекоммуникаций, стандарт AdvancedTCA позволяет применять высокопроизводительные последовательные каналы на стандартизованной основе и совмещает удобство открытой технологии с эффективностью узкоспециализированных решений. Вместе с тем, сфера применимости как самого стандарта AdvancedTCA, так и его производных (AdvancedMC, MicroTCA), гораздо шире одних лишь телеком-приложений. В статье дан краткий обзор технологий AdvancedTCA, AdvancedMC и MicroTCA. Особое внимание уделено тем свойствам стандартов, которые представляют наибольший интерес для практического применения.

Возможности проектирования системы MicroTCA на базе PCI Express

В статье рассматривается построение миниатюрных и экономичных платформ MicroTCA на базе стандарта PCI Express, который вызывает растущий интерес потребителей. Кроме того, описываются параметры архитектуры платформы для реализации мультипроцессорных решений, в т.ч. автономных систем и кластеров. Статья представляет собой перевод [1].

Быстродействие систем µTCA за счет сохранения высокой целостности сигнала на объединительной плате

Подлинные качества объединительных плат и разъемов для перспективной технологии µTCA, как это часто бывает в жизни, скрыты от посторонних глаз: этот дуэт компонентов, почти не проявляющийся в готовых системах, во многом определяет целостность сигнала. «Узким местом» становятся не электронные чипы, быстродействие которых стремительно растет, а каналы передачи данных. Для объединительных плат это означает, что для требуемой по спецификации скорости передачи 3,125 Гбит/с определяющей является характеристика времени задержки (вплоть до частоты 15,625 ГГц). При этом предел еще далеко не достигнут, поскольку заявлено требование значительного увеличения скорости передачи данных (см. рис. 1).

 

15 мая

Встраиваемые микроэлектронные системы: состояние, проблемы и перспективы

В статье приводятся основные определения, классификация и терминология встраиваемых микроэлектронных систем. Описывается современное состояние в области производства компонентов и разработки программного обеспечения для таких систем. Рассматриваются основные проблемы построения встраиваемых систем и методы их решения, а также анализируются перспективы их развития.





Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Скрыть/показать html версию статьи
background image
20
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
В статье приводятся основные определения, классификация и терми-
нология встраиваемых микроэлектронных систем. Описывается совре-
менное состояние в области производства компонентов и разработки
программного обеспечения для таких систем. Рассматриваются основ-
ные проблемы построения встраиваемых систем и методы их решения, а
также анализируются перспективы их развития.
ВстраиВаемые миКрОЭЛеКтрОННые
системы: сОстОЯНие, ПрОБЛемы
и ПерсПеКтиВы
Михаил Гладштейн, д. т. н, профессор, колледж Орт Брауде, г. Кармиэль, израиль
ОснОвные Определения,
классификация и
терМинОлОГия встраиваеМых
МикрОэлектрОнных систеМ
История развития техники началась
в тот самый момент, когда древний
человек привязал камень к палке и
создал тем самым первый образец тех­
ники — каменный топор. Нет никаких
сомнений, что встраивание камня при
создании этого инструмента повысило
его эффективность. С тех пор прошло
много лет, объекты техники стали слож­
ными системами, однако и там, при вни­
мательном рассмотрении, можно также
обнаружить встраиваемые миниа­
тюрные «камешки» — интегральные
микросхемы, которые содержат сотни
тысяч и даже миллионы транзисторов,
т.е. сами являются сложными система­
ми, выполняющими функции обработки
информации.
Обобщая множество определений,
приведенных в технической литерату­
ре, можно сказать, что ВСТРАИВАЕМАЯ
СИСТЕМА (англ. EMBEDDED SYSTEM [1,
2]) — это специализированная вычис­
лительная система, разработанная для
выполнения одной или нескольких
функций, работающая совместно с дру­
гим оборудованием и размещаемая с
ним в одном конструктиве. В отличие от
универсальных вычислительных систем,
например, персональных компьюте­
ров, к встраиваемым системам предъ­
является ряд специфических требова­
ний, в частности: обработка данных в
режиме реального времени, высокая
надежность, обеспечение микроминиа­
тюризации, минимальное потребление
энергии, работа в жестких условиях.
В настоящее время в эксплуатации
находится огромное множество встраи­
ваемых систем, которые можно клас­
сифицировать по различным призна­
кам [3]. Классификация встраиваемых
микроэлектронных систем (ВМС) по
трем важнейшим признакам приведена
на рисунке 1.
Рис. 1. Классификация встраиваемых микроэлектронных систем
По признаку конфигурации ВМС
можно разделить на автономные и сете­
вые. Последние стали возможными бла­
годаря развитию средств связи и сете­
вых технологий.
По назначению ВМС можно разде­
лить на измерительные и управляющие.
Измерительные системы бывают как
пассивными, так и активными, т.е. гене­
рирующими необходимые для измере­
ний тестовые сигналы. Управляющие
системы также имеют две основные
разновидности: разомкнутые, т.е. про­
сто генерирующие управляющие сигна­
лы или замкнутые (с обратной связью),
вырабатывающие управляющие сигналы
в зависимости от состояния объекта
управления.
По применению ВМС можно раз­
делить на четыре основные категории:
системы для объектов экономической
инфраструктуры, коммуникационные
системы, системы обеспечения безо­
пасности и системы, встраиваемые в
потребительские товары. Эти категории
можно подразделить на классы и под­
классы, как это показано на рисунке 1.
Примеры изделий со встраиваемыми
микроэлектронными системами в соот­
ветствии с этой классификацией при­
ведены в таблице 1.
Встраиваемые системы широко
применяются для управления произ­
водственным оборудованием, таким
как промышленные роботы и станки
с числовым программным управлени­
ем (ЧПУ). Примером сложной сетевой
встраиваемой системы является гибкая
производственная система (ГПС) [4],
включающая взаимодействующие меж­
background image
background image
22
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
Таблица 1. Примеры изделий со встраиваемыми микроэлектронными системами
Категория
Класс
Подкласс
Изделие со встраиваемой системой
Экономика
Производство
Промышленный робот
Станок с ЧПУ
Термостат
ГПС
Торговля
Считыватель бар-кодов
Коммуникации
Транспорт
Автомобильный
Система электронного зажигания
Система управления двигателем
Тормозная система (антиблокировочная)
Управление траффиком
Связь
Беспроводная
Сотовый телефон
Пейджер
Прибор GPS
Безопасность
Здравоохранение
Измерение
Сердечный монитор
Жизнеобеспечение
Инъекционный насос
Прибор диализа
Протез
Оборона
Вооружение
Крылатая ракета
Беспилотный самолет
Потребительские
товары
Жилье
Питание/гигиена
Холодильник
СВЧ-печь
Стиральная машина
Досуг
Аудио/видео
Телевизор
Видеомагнитофон, DVD-плеер
Фотокамера, видеокамера
Электронные игрушки
Рис. 2. Обобщенная структура встраиваемой микроэлектронной системы
ду собой станки с ЧПУ, промышленные
роботы, автоматизированные скла­
ды и транспортные роботы. Для таких
систем широко используется эквива­
лентный термин — системы промыш­
ленной автоматики, а внедрение таких
систем на производстве называют авто­
матизацией производственных про­
цессов. В настоящее время этот класс
встраиваемых систем сильно развит и
в него входит большое количество под­
классов в соответствии с отраслями
промышленности: системы для авто­
мобильной промышленности, химиче­
ской промышленности, производства
строительных материалов, металлур­
гии, нефтедобывающей и газовой про­
мышленности и т.п.
Несмотря на огромное разнообра­
зие ВМС, все они строятся на основе
единых принципов. Это позволяет пред­
ложить обобщенную структуру такой
системы, показанную на рисунке 2. Для
управления подсистемами ОБЪЕКТА и
получения информации о его состоя­
нии, он должен иметь встроенные в него
актуаторы и датчики.
Актуаторы — это устройства, пре­
образующие электрические сигналы
управления в сигналы другой физиче­
ской природы, например, механические
(линейное или угловое перемещение,
скорость вращения), тепловые (темпера­
тура), гидравлические (давление, расход
жидкости) и т.п. Примерами механиче­
ских актуаторов являются электродви­
гатели разных типов и соленоиды, при­
мерами тепловых — нагреватели и
охладители, гидравлических — насосы
и гидродвигатели.
Датчики — это устройства, преоб­
разующие сигналы различной физиче­
ской природы (механические, тепловые,
гидравлические и т.п.) в электрические
сигналы. Примером механического
датчика угла поворота может служить
резистивный потенциометр, датчика
температуры — термопара, датчика дав­
ления — мембранный переключатель.
Следует отметить, что в зависимости
от типа актуатора или датчика, элек­
трический сигнал может быть непре­
рывным (аналоговым) или дискретным
(цифровым). Кроме того, для управления
актуаторами, как правило, требуется
значительное напряжение и мощность
электрического сигнала. Это приводит
к необходимости использования специ­
альных драйверов — устройств усиле­
ния управляющих сигналов по напря­
жению и мощности. Различные типы
датчиков вырабатывают электрические
сигналы различной амплитуды и формы,
что приводит к необходимости приве­
дения их в соответствие с требования­
ми для входных сигналов микросхем.
Поэтому подключение датчиков требует
использования специальных электрон­
ных компонентов, называемых конди­
ционерами (conditioners).
Центральным элементом ВМС (см.
рис. 2) является блок обработки данных,
на вход которого поступает информа­
ция с датчиков (через кондиционеры
сигналов), а с выхода передается инфор­
мация для управления актуаторами
(через драйверы). Система функцио­
нирует, как правило, в автоматическом
режиме. Взаимодействие ОПЕРАТОРА с
ВМС осуществляется через специализи­
рованный микротерминал, содержащий
элементы управления (кнопки, переклю­
чатели и т.п.) и элементы отображения
(дисплеи, звуковые сигнализаторы и т.п.).
Характерным для встраиваемых систем
является использование так называе­
мого ограниченного ресурса (т.е. огра­
ниченного количества знакомест на
дисплеях, ограниченного количества
кнопок и т.п.). Это напрямую связано с
требованием микроминиатюризации и
приводит к необходимости разработ­
ки специальных методов ввода/вывода
данных для компенсации ограниченно­
го ресурса.
Появление ВЧ­ и СВЧ­микросхем
предоставило возможность примене­
ния в ВМС элементов связи (проводной
или беспроводной), как это показано
на рисунке 2. Именно это достижение
создало основу для построения сетевых
(распределенных) ВМС, таких как сети
беспроводных датчиков (Wireless Sensor
Networks), системы сотовой телефонной
связи, ГПС, отдельные подсистемы кото­
рых взаимодействуют через телефонные
каналы связи, Интернет и т.п.
Для разработки ВМС микроэлектрон­
ная промышленность производит все
типы требуемых компонентов и типовых
узлов в соответствии с обобщенной схе­
мой, приведенной на рисунке 2.
background image
background image
24
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
кОМпОненты и типОвые узлы
для встраиваеМых систеМ
Центральным блоком ВМС является
блок обработки данных. Характерным
требованием для этого блока является
наличие цифровых и аналоговых вхо­
дов/выходов. Такой блок в современ­
ной ВМС, реализованный в виде одно­
го компонента, представляет собой
большую (БИС) или сверхбольшую
интегральную схему (СБИС), содержа­
щую сотни тысяч или даже миллионы
транзисторов.
В принципе, такой блок может быть
изготовлен как заказная БИС (ASIC).
Однако разработка и производство
заказных БИС — процесс очень доро­
гостоящий, требующий специального
программного обеспечения и преци­
зионного оборудования. Такое реше­
ние имеет смысл, если предполагается
массовое производство (миллионы
штук в год) изделий с ВМС. В случае
серийного или единичного производ­
ства используют программируемые
БИС: программируемые логические
интегральные схемы — ПЛИС (CPLD
или FPGA) или микроконтроллеры
(МК). Первые имеют гораздо большее
быстродействие, чем вторые, т.к. обе­
спечивают аппаратную реализацию
требуемых функций, что очень важно,
например, для обработки видеосигна­
лов. Вторые, однако, обладают гораз­
до большими функциональными воз­
можностями, ограниченными только
объемом памяти программ. Поэтому
многие производители ПЛИС включа­
ют в поставляемые средства проек­
тирования код популярных процессо­
ров на языках описания аппаратных
средств (VHDL или Verilog), что позво­
ляет дополнять аппаратную реализа­
цию встраиваемым процессором.
Все эти три варианта реализации, в
последнее время, ориентируются на
технологию «Система на кристалле»
(System­on­a­Chip — SoC), для чего
определенная часть площади кристалла
отводится для аналоговой части, вклю­
чающей, как правило, аналого­цифровые
и цифро­аналоговые преобразователи
(АЦП и ЦАП), аналоговые компараторы и
другие элементы.
Основные разновидности архи­
тектуры блока обработки данных,
характерные для ВМС [5], показаны
на рисунке 3. Характерным для ВМС
является значительный удельный вес
операций ввода/вывода по обслужи­
ванию цифровых и аналоговых входов/
выходов. Архитектура, показанная на
рисунке 3а, построена на основе цен­
трального процессора (CPU), выпол­
няющего функции обработки данных,
сохраняемых в оперативном запо­
минающем устройстве (ОЗУ), в соот­
ветствии с программой, записанной
в постоянном запоминающем устрой­
стве (ПЗУ). Операции ввода/вывода
выполняются интерфейсным сопро­
цессором. Такой интерфейсный сопро­
цессор мо жет содержать, например,
контроллер ЖК­дисплея с сенсорной
клавиатурой, АЦП и ЦАП, контрол­
леры последовательного интерфей­
са, прямого доступа к памяти и т.п.
Именно такая архитектура положена в
основу проблемно­ориен ти ро ванных
(Application Focus) микроконтролле­
ров на базе процессоров ARM7 и 8052
фирмы Analog Devices [6].
Архитектура, показанная на рисун­
ке 3б, кроме основного цифрового
процессора содержит DSP­процессор.
Каждый из процессоров работает по
своей программе (программа основ­
ного процессора размещена в ПЗУ1,
DSP­процессора — в ПЗУ2), однако они
используют общие данные из ОЗУ. Такая
архитектура может быть реализована
также с помощью одной микросхемы,
например, двойного процессора (dual­
processor) фирмы Zilog Z89175, содержа­
щего процессорное ядро Z8 и 16­раз­
рядный DSP [7].
Увеличение производительности
встраиваемых процессоров позволило
разработать также архитектуру, приве­
денную на рисунке 3в. Эта архитектура
основана на использовании единого
CPU/DSP­процессора с единым потоком
команд, хранимых в ПЗУ, и едиными дан­
ными, размещенными в ОЗУ. Построение
такого универсального процессора
реализуется путем добавления к тради­
ционному арифметико­логическому
уст ройству (АЛУ), работающему со
сверх оперативной памятью в виде
банка регистров, схемы умножителя­
аккумулятора (УАК), выполняющей опе­
рации цифровой обработки сигнала
параллельно с работой АЛУ. Многие
производители выпускают микросхе­
мы в соответствии с этой архитекту­
рой, например семейства C8051F12x,
C8051F13x фирмы Silicon Laboratories [8].
Блок обработки данных для слож­
ных ВМС может быть выполнен в виде
микроминиатюрного печатного моду­
ля, содержащего несколько микро­
схем. В подавляющем большинстве
случаев в архитектуре блока имеется
центральный процессор. В качестве
встраиваемых процессоров чаще всего
используются процессоры, перечис­
ленные в таблице 2. Они производят­
ся в виде микропроцессоров (т.е. без
периферийных узлов и памяти), либо в
виде микроконтроллеров, поддержи­
вающих технологию SoC. Необходимо
отметить, что среди популярных
встраиваемых процессоров имеются
процессоры как с сокращенной систе­
мой команд RISC, так и с комплексной
системой команд CISC. Обращает на
себя внимание, что все эти процес­
соры производятся с 80—90­х годов
Рис. 3. Основные разновидности архитектуры блока обработки данных
а)
б)
в)
background image
background image
26
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
прошлого столетия. Это свидетель­
ствует о том, что в области встраивае­
мых процессоров имеет место опреде­
ленная стандартизация, существенно
упрощающая проблему разработки
программного обеспечения. Что каса­
ется вариантов аппаратной реализа­
ции этих традиционных архитектур, то
они постоянно совершенствуются, и те
образцы «стандартных» процессоров,
которые производятся сегодня, значи­
тельно опережают классические вари­
анты по всем параметрам, в частности
по быстродействию и энергетической
экономичности, что очень важно для
встраиваемых систем.
Современные встраиваемые систе­
мы могут использовать самые различ­
ные типы датчиков [9]. Однако выходные
сигналы датчиков, как правило, нужда­
ются в кондиционировании, которое
включает масштабирование сигнала,
компенсацию нелинейности передаточ­
ной характеристики датчика, компен­
сацию температурной погрешности.
Масштабирование сигнала выполняется
прецизионными малошумящими усили­
телями, а для линеаризации и темпера­
турной компенсации требуется доста­
точно сложная обработка информации.
Без сомнения, такая обработка может
быть выполнена блоком обработки дан­
ных, однако это потребует использова­
ния ресурсов центрального процессора
или DSP­процессора в виде программ­
ной памяти и времени. Если в системе
используется достаточно большое число
датчиков, то это создаст значительную
загрузку процессора на фазе ввода
данных. Поэтому многие изготовители
электронных компонентов предлагают
разработчикам встраиваемых систем
специальные микросхемы — кондицио­
неры сигналов.
В качестве примера на рисунке 4
представлена структурная схема кон­
диционера MAX1478 для пьезорези­
стивного датчика давления фирмы
Maxim [10]. Пьезорезистивные датчики
давления широко применяются в авто­
мобильной промышленности. Такой
датчик представляет собой резистив­
ный мост из резисторов с положитель­
ным ТКС (температурным коэффици­
ентом сопротивления) с достаточно
большим разбросом параметров, тре­
бующих предварительной калибровки.
Микросхема кондиционера содержит
усилитель с программируемым коэф­
фициентом усиления (УПКУ) и управля­
емый источник тока для питания рези­
стивного моста датчика. Кроме этого,
микросхема кондиционера включает в
себя электрически стираемое програм­
мируемое постоянное запоминающее
устройство (ЭСППЗУ) на 128 бит, куда
заносится информация при калибров­
ке датчика, и регистр конфигурации,
управляющий узлами кондиционера.
Чтение и запись ЭСППЗУ и регистра
конфигурации осуществляется через
последовательный интерфейс. Данные
ЭСППЗУ управляют работой 3­разряд­
ного ЦАПа грубой коррекции смеще­
ния характеристики датчика (на входе
УПКУ) и четырех 12­разрядных ЦАПов:
смещения и диапазона характеристи­
ки датчика, смещения и диапазона
кривой температурной компенсации
(ТК). Выходы ЦАПов смещения непо­
средственно воздействуют на УПКУ, а
выходы ЦАПов диапазона — управля­
ют генератором тока (ЦАП диапазона
ТК через внутренний или внешний, в
зависимости от конфигурации, мас­
штабирующий резистивный делитель).
С выхода кондиционера OUT снимает­
ся полезный сигнал в диапазоне пита­
ющего напряжения c погрешностью
1%. Применение таких кондиционеров
позволяет разгрузить блок обработки
данных, адаптировать характеристики
датчиков и упростить процесс проек­
тирования ВМС.
Весьма интересной является техно­
логия прямого подключения датчиков
(DSiT — Direct Sensor Interface Tech­
no logy) к МК фирмы Silicon Labo rato­
ries. Микроконтроллер C8051F350 [11],
использующий эту технологию, допуска­
ет прямое подключение датчиков, гене­
рирующих сигналы на уровне несколь­
ких микровольт.
Основной задачей при передаче сиг­
налов на актуаторы является уменьше­
ние энергетических потерь при усилении
сигналов по мощности. Для достижения
минимальных потерь в современных
ВМС отказываются от линейных усили­
телей и используют мощные электрон­
ные ключи, управляемые сигналами
с широтно­импульсной модуляцией
(ШИМ). В качестве ключей ис пользуют
полевые транзисторы со структурой
металл­окисел­полупроводник (MOSFET)
или биполярные транзисторы с изоли­
рованным затвором (IGBT). Первые при­
меняются для напряжений менее 500 В и
токов до десятков ампер, вторые — для
напряжений до 6 кВ и токов до 1200 А.
Одним из ведущих производителей
драйверов мощных нагрузок является
Таблица 2. Популярные встраиваемые процессоры
Уровень
интеграции
Процессор Архитектура Шина дан-
ных, бит
Год начала
произв.
Фирма-изготовитель
первых образцов
Микропроцессоры
ARM
RISC
32
1985
Acorn Computers
MIPS
RISC
32/64
1984
MIPS Computer Systems
Power PC
RISC
32/64
1991
Apple-IBM-Motorola
x86
CISC
32/64
1985
Intel
Микроконтроллеры
8051
CISC
8
1980
Intel
AVR
RISC
8/32
1996
Atmel
PIC
RISC
8/16
1985
MicroChip Technology
Z8
CISC
8
1979
Zilog
Рис. 4. Кондиционер сигнала для пьезорезистивного датчика давления
background image
background image
background image
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
29
электронные компоненты №5 2008
фирма STMicroelectronics. Эта компания
производит микросхемы для управле­
ния всеми типами электродвигателей:
коллекторных и бесколлекторных дви­
гателей постоянного тока, однофазных
и трехфазных электродвигателей пере­
менного тока, шаговых электродвигате­
лей и т.п. [12].
Типовая структурная схема драй­
вера электродвигателя приведена на
рисунке 5а. Кроме силовых ключей,
обеспечивающих подключение обмо­
ток электродвигателя к источнику
напряжения питания, силовой каскад
драйвера содержит преобразователи
уровня напряжения для управления
ключами и регуляторы тока. Как пра­
вило, в состав драйвера включается и
маломощная управляющая логическая
схема, формирующая управляющие
сигналы в соответствии с типом двига­
теля и методом управления. На рисун­
ке 5б показано «энер гетическое поле»
технических ре шений драйверов. Для
драйверов, ра ботающих в диапазоне
токов в несколько ампер и напряже­
ния в несколько десятков вольт фирма
STMicroelectro nics предлагает монолит­
ное решение Smart Power (дословно,
умная мощность), где все вышеуказан­
ные компоненты драйвера выполне­
ны на одном кристалле микросхемы.
Примером такого драйвера является
микросхема L6258E — универсальный
драйвер [13], позволяющий управлять
шаговым электродвигателем в различ­
ных режимах, включая режим микро­
шага, или двумя электродвигателями
постоянного тока. При этом напряже­
ние питания электродвигателя может
быть от 12 до 40 В, а ток в каждой из
обмоток — до 1,2 А. Кроме того, такой
драйвер содержит схемы температур­
ной защиты и защиты от перегрузки
по току.
Выпускает эта фирма и электронные
твердотелые реле, которые широко
применяются сейчас взамен электро­
магнитных. Например, микросхема
VN340SP­33­E [14] представляет собой
счетверенное электронное реле,
коммутирующее независимо ток 1 А
в каждом из каналов при напряже­
нии 36 В. Это устройство также имеет
схемы температурной защиты и защи­
ты по току.
Электронные компоненты для
микротерминалов (см. рис. 2) — это,
главным образом, дисплеи и клавиату­
ры. В практике проектирования ВМС
находят применение два основных
типа дисплеев: светодиодные индика­
торы (СДИ) и жидкокристаллические
индикаторы (ЖКИ). Основным преиму­
ществом первых является более высо­
кий уровень яркости, а преимуществом
вторых — незначительное энергопо­
требление. Для построения клавиатур
используют различные технологии,
большая часть которых основывает­
ся на использовании механических
контактных пар. Однако в последнее
время интенсивно развиваются техно­
логии оптических и сенсорных клавиа­
тур. Микроминиатюризация изделий с
ВМС, расширение их математических
возможностей привели к тому, что
наметилась тенденция к объедине­
Рис. 5. Драйвер электрического двигателя: а) структурная схема; б) методы реализации
а)
б)
background image
30
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
нию функций ввода и отображения
информации в одном модуле. К таким
модулям относятся, прежде всего, сен­
сорные экраны. Пользователь имеет
возможность указать на графическом
изображении, выведенном на экран,
определенный фрагмент (в том числе
и изображение кнопки виртуальной
клавиатуры) путем прикосновения
(пальцем или специальным указате­
лем при малых размерах экрана). В
качестве сенсорных экранов чаще
всего используются ЖКИ, а в каче­
стве сенсора — резистивная пленка,
установленная между двумя прово­
дящими поверхностями, отделенная
от них слоями микроизоляторов. Для
определения координат точки каса­
ния резистивная пластина запитывает­
ся поочередно по оси X и Y. При этом
образуются два резистивных делителя
напряжения, величина выходного ана­
логового сигнала с каждого из кото­
рых пропорциональна искомым коор­
динатам. Все эти операции могут быть
выполнены обычным МК смешанного
сигнала, однако промышленностью
выпускаются и специальные контрол­
леры сенсорных экранов.
Структурная схема такого контролле­
ра MXB7843 [15] фирмы Maxim приведе­
на на рисунке 6. Контроллер содержит
коммутатор питания резистивного слоя,
аналоговый мультиплексор и 12­разряд­
ный АЦП. Кроме измерения напряжений
с выходов резистивного сенсора воз­
можно измерение напряжения с двух
дополнительных входов IN3 и IN4, что
позволяет вести мониторинг напря­
жений питания. Управление контрол­
лером реализуется через последова­
тельный интерфейс. Микросхема имеет
программируемое разрешение (8 или
12 бит) и рассчитана на использова­
ние в микромощных системах. Диапазон
напряжения питания контроллера от
2,375 до 5,25 В. При отсутствии нажатий
микросхема автоматически переходит в
резервный режим с током потребления
2 мкА. В рабочем режиме на макси­
мальной скорости 125 Квыб/с ток потре­
бления составляет всего 270 мкА. При
нажатии микросхема генерирует запрос
прерывания (PENIRQ).
Производители микросхем пред­
лагают множество различных компо­
нентов проводной и беспроводной
связи (см. рис. 2) для ВМС. По мере
удешевления электронных компонен­
тов, беспроводная связь становится все
более доступной. С точки зрения ВМС
наибольшее значение имеет связь на
короткие расстояния, т.к. именно этот
вид связи позволяет строить распре­
деленные системы. Такими системами
являются беспроводные сети датчиков
производственных зданий, жилых поме­
щений, отдельных объектов управле­
ния. В международной классификации
они называются беспроводными пер­
сональными сетями (WPAN). Разработан
ряд стандартных спецификаций для
протоколов всех уровней этих сетей.
Наиболее популярными из них явля­
ются Bluetooth и ZigBee (см. табл. 3).
Вторая из них, хотя и уступает по ско­
рости, является более экономичной
по энергопотреблению, что позволяет
строить беспроводные сети датчиков
с автономным питанием, широко при­
меняемые в производственных ВМС.
Трансиверы Bluetooth и ZigBee работают
в так называемом ISM­диапазоне частот
(Industrial, Science and Medicine — про­
мышленность, наука и медицина), не
требующем лицензирования. В Европе
это — 868…868,8 МГц, в Северной
Америке — 902…928 МГц, общеми­
ровой диапазон — 2400…2483,5 МГц.
Многие известные производители
предлагают как отдельные микросхе­
мы, так и миниатюрные модули для реа­
лизации этих видов связи. Например,
фирма STMicroelectronics предлагает
трансиверы как для Bluetooth, напри­
мер [16], так и ZigBee, например [17].
разрабОтка прОГраММнОГО
Обеспечения встраиваеМых
систеМ
Разработка программного обес­
печения ВМС является сложной про­
блемой. Для ее решения используются
метод модульного программирования
и определенные языковые средства.
Программное обеспечение слож­
ных ВМС разрабатывается с расчетом
использования операционных систем
реального времени.
Среди языковых средств не исклю­
чается использование языка ассембле­
ра, который не имеет ограничений на
форматы данных и позволяет оптими­
зировать программный код. Из языков
высокого уровня широко используется
C и C++. Имеется даже специальная
версия этого языка для встраиваемых
систем — Embedded C++ [18]. Особое
значение для встраиваемых систем
имеет скриптовый язык Java. Этот язык
поддерживает принципы объектно­
ориентированного программирова­
ния, а также после предварительной
компиляции дает промежуточный код
(bytecode), который интерпретируется
виртуальной машиной, работающей на
базе какого­либо встраиваемого про­
цессора. Использование виртуальной
машины, «понимающей» язык высоко­
го уровня, позволяет резко упростить
процесс разработки встраиваемых
приложений. Для этой цели имеется
ряд специальных версий языка Java,
например версия JControl [19], ори­
ентированная на программирование
систем измерения, управления и авто­
матики на базе 8­разрядных МК. Для
программирования DSP­процессоров
можно использовать математические
пакеты, например, MATLAB [20], позво­
ляющие генерировать программный
код на языке C.
Таблица 3. Спецификации беспроводных персональных сетей
Наи ме но ва-
ние специ-
фи ка ции
Стандарт
физического
уровня
Даль ность
связи, м
Рабочая
частота, ГГц
Скорость пере-
дачи, Кбит/с
Год начала
разра ботки
Поддержи вающая
органи зация
(год создания)
Bluetooth
IEEE 802.15.1
1…100
2,4
1000…3000
1994
Bluetooth Special Interest
Group (1998)
ZigBee
IEEE 802.15.4
10…75
0,868
20
1998
ZigBee Alliance (2004)
0,915
40
2,4
250
Рис. 6. Контроллер сенсорного экрана
background image
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
31
электронные компоненты №5 2008
Из операционных систем реального времени широко
используется Windows CE [21] и Embedded Linux [22] (под­
держиваются платформами ARM, MIPS, x86 и др.) и µCLinux [23]
(поддерживается 32­разрядными МК, а также «программными
процессорами» фирм­поставщиков ПЛИС Altera и Xilinx). Для
простейших систем на базе 8­разрядных МК с архитектурой
8051, в составе профессионального набора средств разработ­
ки фирмы Keil, например, поставляется ядро малой операци­
онной системы реального времени — RTX­51 Tiny Real­Time
Kernel [24] объемом всего 900 байт, которое можно эффектив­
но использовать для разработки программного обеспечения.
Важным преимуществом использования операционной
системы реального времени при проектировании распреде­
ленной ВМС является то, что она содержит средства поддерж­
ки определенных протоколов для локальных сетей. Особенно
важно это для создания высоконадежных производственных
систем. В таблице 4 приведены наиболее часто применяемые
промышленные протоколы для локальных сетей (Industrial
Ethernet Protocol) по данным опроса 263 компаний [25].
При разработке проектов ВМС большой интерес представ­
ляет вопрос о соотношении стоимости разработки программ­
ного обеспечения и стоимости разработки аппаратных средств.
С учетом современных микроэлектронных технологий ответ на
этот вопрос нетривиален и требует специальных экономиче­
ских исследований. По данным американских ученых [26] это
соотношение зависит, главным образом, от степени исполь­
зования ресурсов (времени работы и памяти) центрального
процессора системы. Если ресурсы использованы на 90% (т.е.
все основные функции реализуются программным путем), это
соотношение приближается к 4 (т.е. на разработку программно­
го обеспечения приходится 80% затрат). При наличии в системе
дополнительных аппаратных средств загрузка центрального
процессора снижается, а программное обеспечение упроща­
ется. Так, при загрузке в 40% это соотношение равно 2. Следует
однако отметить, что на стадии производства соотношение
имеет обратный характер, т.к. затраты на тиражирование про­
граммных средств ничтожно малы по сравнению с затратами на
тиражирование аппаратных средств.
ОснОвные прОблеМы пОстрОения встраиваеМых
систеМ
Процесс проектирования ВМС включает в себя разработку
технических требований, разработку архитектуры системы,
разработку и тестирование аппаратных средств, разработку
и тестирование программных средств, интеграцию средств,
тестирование изделия, а также выпуск технической доку­
ментации. В процессе проектирования разработчики ВМС
решают ряд задач, типичных для встраиваемых систем, таких
как: разработка алгоритмов управления; обеспечение задан­
ных параметров точности и быстродействия; обеспечение
надежности и безопасности; снижение энергопотребления;
снижение себестоимости.
При разработке алгоритмов используют метод математиче­
ских моделей (конечные автоматы, сети Петри и т.п.), классиче­
скую теорию автоматического управления (пропорционально­
интегрально­дифференцальные регуляторы), нечеткую логику
(fuzzy logic).
Для обеспечения заданных параметров точности и быстро­
действия разработчику необходимо, прежде всего, выбрать
Таблица 4. Наиболее часто применяемые промышленные протоколы для
локальных сетей
Наименование протокола
Частота применения, %
TCP/IP
73
EtherNet/IP
73
Modbus/TCP
48,5
UDP
23,6
HSE
20
background image
32
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
оптимальное процессорное ядро и дру­
гие аппаратные средства. Кроме того,
необходимо соответствующим образом
выбрать компоненты аналоговой части
системы, чтобы вносимая ими погреш­
ность и их быстродействие также соот­
ветствовали заданным требованиям.
Решение этой проблемы бывает доста­
точно сложным и требует применения
моделирования с помощью, например,
программного прототипа.
Проблема обеспечения надеж­
ности решается на основе широко
известных аппаратных и программ­
ных методов повышения надежности,
таких как резервирование, применение
кодов, корректирующих ошибки и т.п.
Характерным для ВМС является при­
менение аппаратных средств контроля
функционирования центрального про­
цессора, таких как сторожевой таймер
и детектор пропадания синхронизации,
как правило, имеющихся во всех типах
МК [27]. Проблема обеспечения безопас­
ности имеет два основных аспекта: без­
опасное управление объектом (в случае
аварийно­опасного объекта) и инфор­
мационная безопасность. Первый из них
связан непосредственно с алгоритмами
управления, которые дополняются алго­
ритмами обработки возможных аварий­
ных ситуаций, а второй связан с «утеч­
кой» информации из системы. Особенно
узкое место в этом плане находится
в устройствах беспроводной связи.
Именно поэтому стандартные протоко­
лы связи предусматривают специальные
меры защиты.
Задача снижения энергопотребления
актуальна для всех ВМС с батарейным
питанием. Основные методы решения
этой проблемы описаны автором в
отдельной статье [28].
Снижение себестоимости важно
для любого изделия и здесь ВМС не
исключение. Методы решения этой зада­
чи, такие как использование дешевых
надежных компонентов, повышение сте­
пени интеграции, применение прогрес­
сивных технологий производства и др.
хорошо известны. Особенностью здесь
является лишь то, что стоимость тиражи­
рования аппаратных средств, в опреде­
ленной степени, пропорциональна их
сложности, а стоимость тиражирования
программных средств ничтожно мала.
Однако усложнение программного обе­
спечения чревато увеличением количе­
ства программных ошибок и, как след­
ствие, резким возрастанием расходов
на сопровождение продукта в эксплуа­
тации. Эта ситуация может быть усугу­
блена использованием так называемых
программ с открытым кодом (например,
операционных систем), не прошедших
достаточно серьезных испытаний и рас­
пространяемых бесплатно без всяких
гарантий.
перспективы развития
встраиваеМых систеМ
В ближайшей перспективе, прежде
всего, следует ожидать расширения обла­
сти применения ВМС. «Умные» кристал­
лы будут встраиваться в самые различ­
ные предметы потребления. Например,
фирма Adidas уже анонсировала крос­
совки, в которых встроенный МК 5 мил­
лионов раз в секунду измеряет давление
между ступней бегуна и землей и с помо­
щью электродвигателя и тягового шнура
деформирует стельку для создания мак­
симального комфорта [29].
Микроэлектронная технология непре­
рывно совершенствуется, размеры тран­
зисторов уменьшаются, а их количество
на кристалле увеличивается. Кроме того,
совершенствуются средства автоматиза­
ции проектирования БИС. Развиваются и
совершенствуются технологии програм­
мирования. Происходит определенное
слияние технологий в области вычисли­
тельной техники и связи. Это значит, что
в перспективе следует ожидать услож­
нение и интеграцию функций ВМС, появ­
ление многофункциональных приборов.
Например, в израильских средствах мас­
совой информации анонсирован новый
сверхтонкий сотовый телефон (толщина
7,8 мм, масса 40 г), занесенный в книгу
рекордов Гиннеса. Этот телефон ­ нечто
вроде универсального микрокомпьюте­
ра с памятью на 1 Гбайт, на который
можно надевать различные оболочки и
получать навигатор GPS, фотоаппарат,
плейер и т.п.
Развитие средств связи, увеличе­
ние пропускной способности каналов,
совершенствование сетевых техноло­
гий приведут к интеграции всех видов
связи (телефон, факс, электронная почта,
радио, телевидение, Интернет и т.п.) в
одном аппарате, сделают возможным
легкий и дешевый доступ ко всем видам
информации, включая образовательные
базы знаний, из любой точки планеты и
в любое время.
И наконец, переход микроэлектро­
ники на другой уровень — в наноэлек­
тронику, позволит уменьшить разме­
ры сложной встраиваемой системы до
размера булавочной головки. И тогда
уже вполне реальными могут стать,
например, медицинские нанороботы,
способные «ремонтировать» отдель­
ные клетки живой ткани внутри чело­
веческого организма, и многие дру­
гие сказочные объекты, как например,
шапка­невидимка, сапоги­скороходы
или ковер­самолет…
ЛитеРатуРа
1. Heath S. Embedded Systems Design.
Newnes, 2003. P. 430.
2. Noergaard T. Embedded Systems Archi tec­
ture: A Comprehensive Guide for Engineers and
Pro grammers. Newness, 2005. P. 640.
3. Karjalainen J. A Classification Scheme for
Embedded Control Systems//Industrial Electronics
Society, IECON ’88 Proceedings, 1988. V.2. P. 427—
435.
4. Шишмарев В.Ю. Автоматизация произ­
водственных процессов в машиностроении.
Академия, 2007, с. 368.
5. Schlett M. Trends in Embedded­Micro­
processor Design//Computer, 1998. V. 31. №8.
P. 44—49.
6. Precision Analog Microcontrollers. Ana log
Devices, Inc., 2007 (www.analog.com/micro cont­
roller).
7. www.zilog.com/products/partdetails.
asp?id=Z89175.
8. C8051F120/1/2/3/4/5/6/7, C8051F130/1/2/3
Mixed Signal ISP Flash MCU Family. Data Sheet.
Silicon Laboratories, Inc., 2006. (www.silabs.com).
9. Звонарев Е. Коммерческая классифика­
ция датчиков физических величин//Элек трон­
ные компоненты, 2003, №2, с. 9—12.
10. 1% Accurate, Digitally Trimmed, Rail­to­
Rail Sensor Signal Conditioner. Data Sheet. Maxim
Integrated Products, 1999. (www.maxim­ic.com).
11. C8051F350/1/2/3 8k ISP Flash MCU Fa mi­
ly. Data Sheet. Silicon Laboratories, Inc., 2006.
(www.silabs.com).
12. Motor Control. A Reference Guide. STMic ro­
electronics, 2004. (www.st.com).
13. L6258E. PWM Controlled High Current
DMOS Uni versal Motor Driver. Data Sheet. STMic­
ro electronics, 2007. (www.st.com).
14. VN340SP­33­E. Quad High Side Smart Power
Solid State Relay. Data Sheet. STMicroelectronics,
2007. (www.st.com).
15. 2.375V to 5.25V, 4­Wire Touch Screen
Controller. Data Sheet. Maxim Integrated Products,
2005. (www.maxim­ic.com).
16. STLC2690. Bluetooth V2.1 and FM RDS
Trans ceiver System­on­Chip. Data Brief. STMicro­
electronics, 2008. (www.st.com).
17. SN250. Single­Chip ZigBee® 802.15.4 Solu­
tion. STMicroelectronics, 2007. (www.st.com).
18. www.embedded.com/97/feat9712.htm.
19. www.jcontrol.org/index_en.php.
20. www.mathworks.com/products/matlab.
21. w w w.msdn2.microsof t.com /en­ us/
embedded/aa731407.aspx.
22. www.elinux.org/Main_Page.
23. www.uclinux.org.
24. www.keil.com/rtx51tiny.
25. www.controleng.com/index.asp?lay
out=article&articleid=CA6396565&article_
prefix=CA&article_id=6396565.
26. Debardelaben J., Madisetti V., Gadient A.
Incorporating Cost Modeling in Embedded­System
Design//IEEE Design & Test of Computers, July­
September 1997, pp. 24—35.
27. Гладштейн М. 16­битные микрокон­
троллеры: состояние, перспективы и при­
менение//Электронные компоненты, 2006,
№11.
28. Гладштейн М. Энергосберегающие
технологии для встроенных микроэлектрон­
ных систем//Электронные компоненты, 2007.
№12.
29. www.encyclopedia2.thefreedictio na ry.
com/Embedded+system.
background image
Оцените материал:

Автор: Михаил Гладштейн, д. т. н, профессор, колледж ОРТ Брауде, г. Кармиэль, Израиль



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты