A GigaDevice 32 bites mikrovezérlői IoT alkalmazásokhoz
A most útjára indított cikksorozatunk egy, az IoT alkalmazások elvárásaihoz kiválóan igazodó mikrokontroller család, a GigaDevice 32 bites eszközeinek alkalmazásáról szól.

 

Áttekintjük az ARM Cortex és a RISC-V nyílt architektúrán alapuló vezérlők tulajdonságait, alkalmazhatóságát és néhány mintaalkalmazást is közzéteszünk az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH Ipar Napjai nagydíjas IoT koncepciójának alapját képező IoT végpont egyes megoldásainak ismertetése útján. Megmutatjuk hogyan lehet különféle digitális és analóg szenzorokat illeszteni az eszközökhöz, és hogyan lehet GSM modem integrálásával ezen szenzorok adatait felhő alapú adatbázisba juttatni.

Az ARM (Advanced Reduced Instruction Set Machine) csökkentett utasításkészletű mikroprocesszor technológia mára a beágyazott számítógép ipar meghatározó részévé vált. A processzor-magok lehető legszélesebb kínálatból választhatnak a gyártók az elvárásoknak megfelelő teljesítmény-, energiafogyasztás- és költségszinthez igazított mikrokontroller elkészítésére az elektronika szinte valamennyi területén.  A több, mint 9 milliárd eddig gyártott ARM processzor mára már a legfőbb motorja a beágyazott megoldások hihetetlen fejlődésének.

Természetesen sok félvezetőgyártó tevékenykedik ebben a piaci szegmenben, azonban nagy szükség volt egy komoly, a flashmemóriák piacán már bizonyított távol-keleti gyártó belépésére és az árverseny fenntartására. A GigaDevice a soros NOR/NAND flashmemóriái mellett ARM Cortex és RISC-V mikrovezérlőket is kínál, a GD32 család integrálja azokat a funkciókat, melyeket az egyszerű terméktervezéshez a vevők elvárnak, és melyek segítségével költségtakarékos, mégis innovatív készülékek építhetők. A cikksorozat első része az ARM Cortex vezérlő architektúrájával foglalkozik, később pedig kitérünk a RISC-V lehetőségeire és több alkalmazási példát is bemutatunk.

A GD32 egy új, ARM Cortex-M23, Cortex-M3 vagy Cortex-M4 32 bites RISC magokkal ellátott, alacsony fogyasztású, univerzális, nagyteljesítményű mikrovezérlő család, mely integrálja a tervezés egyszerűsítéséhez és a költségtakarékos, mégis innovatív termék előállításához elvárt funkciókat. A GigaDevice szabadalmaztatott “gFlash” memória technológiával kiegészítve egy komoly mikrovezérlő vonal áll a tervezőmérnökök rendelkezésére. A GD32 család a belépő szintű „Basic”, a maximális teljesítményű „Performance” és a közbülső „Connectivity” termékvonalakat dobja piacra. Ezek lefedik többek között az ipari vezérléstechnika, az ember-gép interfészek, a motorvezérlés, a teljesítménymérés, a biztonságtechnika, a hordozható fogyasztási termékek, a napelemes rendszerek vezérlőelektronikáinak és a PC alkatrészek piacát is.

 

1. ábra | A GD32 mikrovezérlő család különböző tudásszintű sorozatai

 

A GD32 ARM Cortex-M3 mikrokontroller felépítése

Az M3 család minden mikrovezérlője az ARM Cortex-M3 RISC processzormag köré szerveződik. A processzor 108 MHz maximális órajelével és a beépített flashmemória azonnali elérhetőségével (Zero-Wait- State) maximális a hatékonyság. A GD32F10x eszközök ilyen memóriából maximum 3072 KB-al rendelkeznek, melyek kiolvasása 32 bites ciklusonkénti sebességgel, wait state beiktatása nélkül történik, byte, half-WORD (16 bites) és WORD (32 bites) adattípusokkal. Természetesen egyszerre csak az egyik típusú olvasás állítható be. A flashmemória minden lapja egyenként, vagy – az információs blokkok kivételével – egyszerre is törölhető.

A gyártó flash chipek területén szerzett nagy gyártási tapasztalatát átültette az ARM mikrokontroller technológiába is. A GD32F10x sorozat tagjai maximum 96 KB beépített SRAM-al is rendelkeznek, mely a 0x2000 0000 memóriacímen kezdődik és támogatja a byte, half-WORD (16 bites), és a WORD (32 bites) adattípusok használatát is. Ezek mellett került a kontrollerbe egy sor fejlett I/O csatorna, maximum három 12 bites, másodpercenként egymillió mintavételre alkalmas analóg-digitális konverter, maximum 10 általános célú 16 bites, és egy továbbfejlesztett PWM időzítő is. A kommunikációs interfészek között találunk három SPI, két I2Cs, öt USART, egy USB 2.0 OTG FS valamint két CAN vezérlőt is.

2. ábra | GD32 Cortex-M3 architektúrája

 

A mikrokontroller 2.6 – 3.6 V tápellátást igényel és ipari működési hőmérséklettartományban (–40°C - +85 °C) működtethető. Három energiatakarékos üzemmódja választást kínál a hosszabb éledési idő és a kis energiafogyasztás, illetve a gyors éledés, de nagyobb fogyasztás között. A fogyasztás és a sebesség egymásnak ellentmondó igénye az elemes táplálású készülékek fejlesztői számára a legnagyobb kihívást jelentik és a mindig kompromisszumra késztetik őket, ebben igyekszik segíteni a gyártó a különféle fogyasztáscsökkentő üzemmódok bevezetésével.

Három választás lehetséges a SLEEP, a DEEP-SLEEP és a STANDBY módok. A SLEEP módban a Cortex-M3 órája ki van kapcsolva, DEEP-SLEEP módban az 1.2V-os domén minden órája kikapcsolt állapotú és a HSI, HSE és a PLL sem engedélyezett. Az SRAM és a regiszterek tartalma el van mentve, és az EXTI vonalakról érkező bármely megszakítás (INT), vagy wake-up jel feléleszti a rendszert, a HSI lesz a rendszeróra. Meg kell említeni, hogy amennyiben a beépített LDO alacsony fogyasztású üzemmódban van, további éledési késleltetést tapasztalhatunk. Standby üzemmódban a teljes 1.2V-os domén ki van kapcsolva, az LDO le van állítva, és a HSI, HSE, PLL is le van tiltva.

Standby módból négyféleképp éledhet fel a rendszer, külső resettel az NRST lábon keresztül, RTC alarm jellel, az IWDG resettel, vagy a WKUP lábra érkező jel felfutó élére. A STANDBY üzemmódban realizálható a legkisebb fogyasztás, de innen éled a rendszer a leglassabban. Emellett mind a regiszterek, mind az SRAM tartalma elvész, kivételt ez alól csak a BACKUP regisztertartalom jelent, éledéskor bekapcsolási reset indul. Az ábrán látható módon három tápellátási domén létezik, a VDD/VDDA, az 1.2V-os, és a Backup domén.

A VDD/VDDA tápellátása közvetlenül a külső tápon keresztül valósul meg, így a VDDA és a VSSA a VDD és VSS lábakhoz kapcsolódik. Általánosan elmondható, hogy a digitális áramkörök a VDD-ről, az analóg körök nagy része pedig a VDDA-ról kap feszültséget. Az ADC és a DAC konverziók pontosságénak növelésére és az analóg áramkörök jobb teljesítményre való ösztönzésére a független VDDA tápforrás szolgál. A VDD/VDDA részen beágyazott LDO látja el a megfelelő feszültséggel az 1.2V-os részt. A BACKUP doménhez tartozó teljesítmény-kapcsoló hivatott telepes ellátásra kapcsolni (VBAT lábra kapcsolt feszültségforrás), ha a VDD lábon a feszültség megszűnik.

 

3. ábra | A GD32 Cortex-M3 tápellátása

 

A GD32 sorozatú mikrokontroller használata nem csak a fejlesztők, de a felhasználók számára is sok előnnyel szolgál. Az MCU maximális sebessége a versenytársakénál 50% nagyobbat nőtt. A kódfuttatás hatásfoka ugyanolyan órajel mellett 30%-40%-al nagyobb. Az áramfogyasztás 20%-30%-ot csökkent ugyanolyan frekvencia esetén. Ezek a tulajdonságai teszik lehetővé, hogy alkalmazások széles spektrumán lehessen használni a GD32 sorozatú GigaDevice MCU-kat.

A GD32 Cortec-M3 tulajdonságai:

  • Flexibilis memória konfiguráció maximum 3024 KB beágyazott Flash és maximum 96 KB SRAM memóriával
  • Továbbfejlesztett I/O vonalak és további perifériák illeszkednek a két APB buszhoz
  • Ipari kommunikációs interfészek sorát támogatja az MCU: SPI, I2C, USART, USB 2.0 OTG FS és CAN interfész
  • Maximum 3 12-bit 1Msps ADC, maximum 10 16-bites időzítő, egy PWM időzítő
  • 3 energiakímélő üzemmód áll rendelkezésre az nagy élesztési sebesség és a kis fogyasztással szembeni elvárások optimalizálásához, a vállalható kompromisszum elérésére kis teljesítményű, elsősorban telepes táplálás esetén

GD32 ARM Cortex-M4 MCU

A GD32F4 eszközök a GD32 sorozat felső teljesítmény osztályba sorolt tagjai. (PERFORMANCE LINE). A kínálat legújabb és legjobb ár/érték arányú mikrokontrollerei, a 32-bites általános célú MCU-k a nagy számítási teljesítményű ARM Cortex-M4 RISC rendszermag köré integrált perifériákkal es minimalizált fogyasztással jellemezhetők. A Cortex-M4 mag mellett helyett kapott az egyszeres pontosságú lebegőpontos matematikai számításokat felgyorsító FPU (Floating Point Unit) is, amely támogatja az az összes egyszeres pontosságú ARM parancsot és adattípust.

A teljes beágyazott digitális jelfeldolgozó utasításkészlet (DSP-Digital Signal Processing) lehetővé teszi a piac e szegmensének egyszerű kiszolgálását is. A továbbfejlesztett alkalmazásbiztonságot és hibakeresést szolgáló memóriavédelmi egység (Memory Protection Unit -MPU) és követési technológia a programozók dolgát könnyíti meg. A GD32F4 MCU-k alkalmazhatók az ipari vezérléstechnika és folyamatirányítási területen, a fogyasztói elektronika területén és az elemes táplálású hordozható készülékek területén, beágyazott számítógépekben, HMI, biztonságtechnikai és kijelzés technikai készülékekben, gépjármű és drón GPS rendszerekben és az IoT területén is.

 

4. ábra | GD32 Cortex-M4 architektúrája

 

Jellemzői:

  • Flexibilis memória konfiguráció max. 3024 KB beágyazott Flash és max. 96 KB SRAM memóriával
  • Továbbfejlesztett I/O vonalak és további perifériák illeszkednek a két APB buszhoz
  • Ipari kommunikációs interfészek sorát támogatja az MCU: SPI, I2C, USART, USB 2.0 OTG FS és CAN interfész
  • Max. 3 12-bit 1Msps ADC, max 10 16-bites időzítő, egy PWM timer
  • 3 energia kímélő üzemmód vállalható kompromisszum elérésére az élesztési sebesség és a fogyasztás optimalizálásához kis teljesítményű, telepes tápláláshoz

Fejlesztőeszközök

A GD32 család integrálja azokat az MCU jellemzőket, amik lehetővé teszik a gyors, könnyű és professzionális beágyazott rendszertervezést, es a fejlesztők kezébe ad egy megfizethető és bizonyítottan innovatív, komplex félvezető-gyártási technológián alapuló MCU eszközt. A programozáshoz, hibakereséshez és ellenőrzéshez szükséges komplex fejlesztőkörnyezetek számos változata érhető el GD32 támogatással. A  Keil (http://www2.keil.com/gigadevice), az IAR (https://www.iar.com/iar-embedded-workbench/partners/gigadevice/ ), a Rowley Crossworks for ARM, az ingyenes eszközök közül az Eclipse környezetre épülő Nuclei Studio IDE és a Microsoft Visual Studio Code-ra épülő PlatformIO IDE ad támogatást a GD32 kontrollerek programozásához. Bizonyos megkötésekkel még az Arduino IDE is használhazó egyszerűbb programfejlesztésre.

 


A sorozat következő részében tovább folytatjuk a GD32 ARM Cortex architektúra bemutatását a kis energiafogyasztású M23 mag köré épülő eszközökkel, valamint a RISC-V architektúrával is megismerkedünk.

A vállalatok jelentős részénél hiányzik az adatstratégia
Át kell gondolni az adatmenedzsment stratégiát, hogy profitáljunk az elmúlt évek digitális befektetéseiből – hívja fel a figyelmet „The Data Imperative” felmérésében a KMPG.
Adatvezérelt működés az iparban
Az adat teremti meg a kommunikációt nemcsak a gépek, hanem az emberek és a gépek között is.
Biztonságos felhőalapú adatmegosztás
Az Európai Unió adatvédelmi irányelveivel összhangban létrehozott, biztonságos és átlátható adatmegosztást lehetővé tevő digitális ökoszisztémához, a Gaia-X-hez a SZTAKI révén Magyarország is csatlakozott április végén.
Virtuális magánhálózatok védelme
Alaposan megfizethetünk a digitális világban a másokkal megosztott privát adatainkért: a magánéletünk lehet az ára.
Az iparvállalatok egy része a termelés teljes leállásával is számol
A gázellátás hosszabb ideig tartó zavarai a termelés érezhető csökkenéséhez és következésképpen munkahelyek megszűnéséhez vezetnének - különösen az iparban.