Промышленная коммуникация с микропроцессорами Sitara

21 октября 2013

Технологии TI дают много новых возможностей для разработчиков систем промышленной автоматизации, позволяя успешно решать коммуникационные задачи, реализовывая промышленные протоколы связи и отвечая строгим требованиям надежности.

В 1993 году компания Texas Instruments стала первым среди крупнейших компаний-производителей лицензиатом ARM, а через десять лет, в 2003 г. — первым лицензиатом ARM CortexTM-A8, ставшего основным ядром микроконтроллеров линейки Sitara.

Появление микропроцессоров семейства SitaraTM, отличающихся высокой производительностью при очень низком энергопотреблении, позволило разработчикам создавать устройства с поддержкой индустриальных протоколов EtherCAT, Ethernet/IP, PROFIBUS, PROFINET, POWERLINK, SERCOS и др. на одном кристалле.

Микропроцессор Sitara ARM Cortex-A8 компании TI является самым высокопроизводительным одноядерным микропроцессором на рынке, и достигает на тактовой частоте 1,56 ГГц производительности в 3000 DMIPS.

Микропроцессоры семейства Sitara построены на ядрах Cortex-A8 и ARM9, их тактовые частоты находятся в диапазоне от 300 МГц до 1,56 ГГц. Используя возможности технологии ARM, а также встроенного набора стандартных периферийных модулей, разработчики могут создавать решения с легко переносимым кодом как внутри семейства процессоров, так и в пределах всего ассортимента ARM-продуктов компании TI. Семейство содержит широкий набор устройств, различающихся тактовой частотой, наличием акселератора 3D-графики, вариантами корпусов, диапазоном рабочих температур. Все это позволяет разработчикам выбрать решение, оптимально подходящее по необходимым параметрам, стоимости и энергопотреблению. Программная, а также аппаратная совместимость (pin-to-pin) внутри серий позволяют расширять или изменять существующий проект без дополнительных затрат.

Компания TI предоставляет значительное количество недорогих инструментов разработки, а также операционные системы Neutrino, Integrity, Windows Embedded CE, Linux, VXWorks, Android в качестве возможной базы для устройств, что позволяет ускорить разработку как аппаратной, так и программной части нового устройства.

Дополнительные услуги доступны через широкую сеть партнерских компаний (third-party network). Отладочные модули (EVM), содержащие полный набор аппаратных и программных средств и документации, доступны для приобретения у самой компании; немало бюджетных плат и инструментов разрабатывается и поставляется независимыми поставщиками.

Основные свойства ARM-про­цес­соров семейства Sitara:

  • Cortex- и ARM9-решения могут быть легко портированы на программно-совместимые микропроцессоры линеек IntegraTM и DaVinciTM.
  • Интеграция основных периферийных модулей.
  • Программируемый модуль реального времени PRU (real-time unit) для обеспечения работы с дополнительными периферийными устройствами.
  • Мощные опции работы с графикой (в том числе и 3D).
  • Оптимизация для низкого энергопотребления (менее 1Вт на 1ГГц), что исключает необходимость применения как активного, так и пассивного охлаждения и позволяет создавать бесшумные и герметично закрытые приборы.
  • Бесплатные для использования порты операционных систем Android, Linux и Windows CE.

 

Микропроцессоры Sitara AM18x

Микропроцессоры серии AM18x представлены четырьмя вариантами: AM1802, AM1806, AM1808 и AM1810. Отличительные особенности этой серии (рисунок 1) — широкий набор интерфейсов и коммуникационных портов и оптимизация для создания графически богатых интуитивных пользовательских интерфейсов.

 

Блок-схема микропроцессора AM1808

 

Рис. 1. Блок-схема микропроцессора AM1808

В основе микропроцессора — ядро ARM9. Микропроцессоры имеют физический интерфейс USB OTG, USB HOST (High-, Full-, и Low-Speed), Ethernet MAC (кроме АМ1806) с возможность подключения к PHY по интерфейсам MII и RMII, способны работать с видеокамерой (кроме АМ1802), RTC, PROFIBUS (только в AM1810), со звуком (АС97) — все это позволяет использовать их для построения промышленной и бытовой автоматики, измерительной техники, портативных терминалов доступа к данным, одноплатных компьютеров, цифровых вывесок и др.

Некоторые сравнительные характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики серии АМ18х   

Параметры Наименование
AM1802 AM1806 AM1808 AM1810
Рабочая частота, МГц   300   375…456  
L1, кбайт   32  
L2, кбайт   32   128  
Дисплей   —   LCD  
DRAM, бит   16 (DDR2/LPDDR) SDRAM  
USB   1   1   2   2  
Ethernet   10/100       —   10/100   10/100  
SATA   —   —   1   1  
MMC/SD   1   2   2   2  
UART (SCI)   3  
PWM (Ch)   —   2   2   —  
I2C   1   2   2   2  
uPP   1  
McBSP   —   2   2   2  
McASP   1  
SPI   2  
DMA (Ch)   32-Ch EDMA  

Микропроцессоры работают при питании 1,8…3,3 В. Температурный режим, в зависимости от исполнения — от -40 до 105°С (АМ1802 — до 90°С). Корпус — 361 PBGA.

 

Микропроцессоры Sitara AM35x

Эта серия представлена двумя вариантами: AM3505 и AM3517 (рисунок 2). Основное различие между этими микропроцессорами — наличие 3D-акселератора у AM3517.

 

Блок-схема микропроцессоров AM3517/05

 

Рис. 2. Блок-схема микропроцессоров AM3517/05

Микропроцессоры выполнены на ядре ARM Cortex-A8 с тактовой частотой до 600 МГц. Высокая производительность (до 1200 MIPS) обеспечена наличием субсистемы MPU, построенной на сопроцессорах NEONTM SIMD и Vector floating point, имеют широкий спектр интерфейсов: USB 2.0 (OTG), Ethernet MAC и High-End Can Controller (HECC).

Основные характеристики этой серии:

  • 3xUSB 2.0 Host;
  • 1xUSB 2.0 OTG;
  • 1xEthernet MAC 10/100;
  • 1xCAN;
  • 4xUART (SCI);
  • 3xI2C;
  • 4xSPI;
  • 5xMcBSP;
  • 3xMMC/SD;
  • Crypto HW Accelerators;
  • 32KB On-Chip L1 Cache (16КB instruction cache + 16KB data cache)
  • 256 KB On-Chip L2 Cache;
  • General Purpose Memory: 1×16-bit GPMC, 1×32-bit (SDRC, Async SRAM, NAND flash, NOR flash, OneNAND flash);
  • DRAM: LPDDR1, DDR2;
  • 32 Ch SDMA.

Выполненный на ядре Mentor, контроллер USB способен работать в режимах HS/FS/LS и поддерживает протоколы OTG, SRP и HNP.

Связь модуля Ethernet MAC c PHY осуществляется через RMII.

CAN-контроллер доступен в двух различных реализациях, которые полностью соответствуют требованиям протокола CAN версии 2.0B (различие — только в контроллерах сообщений).

В состав модуля CAN входят:

  • Common CAN protocol kernel (CPK) для выполнения задач протокола;
  • Standard CAN controller (SCC) для стандартных CAN-приложений (16 фильтруемых сообщений);
  • High-end CAN controller (HECC) для сложных приложений (32 сообщений).

AM35x работают при питании 1,8…3,3 В. Температурный режим, в зависимости от исполнения — от -40 до 105°С и от 0 до 90°С). Доступны в двух корпусах: 484 BGA и 491 NFBGA.

 

Микропроцессоры Sitara AM37x

Следующая серия микропроцессоров ARM компании TI представлена, так же, как и предыдущая (AM35x), двумя вариантами AM3703 и AM3715 (рисунок 3). И точно так же есть одно основное различие: 3D-акселератор у AM3715.

 

Блок-схема микропроцессоров AM3715/03

 

Рис. 3. Блок-схема микропроцессоров AM3715/03

Серия AM37x построена на ядре ARM Cortex-A8 с тактовой частотой до 1 ГГц (но может работать и на более низких частотах: 300, 600 и 800 МГц). Производительность 2000 MIPS.

Основные характеристики этой серии:

  • 4xUSB 2.0
  • 4xUART (SCI);
  • 4xI2C;
  • 4xSPI;
  • 5xMcBSP;
  • 3xMMC/SD;
  • 64 KB On-Chip L1 Cache (32КB instruction cache + 32 KB data cache)
  • 256 KB On-Chip L2 Cache;
  • General Purpose Memory: 1×16-bit GPMC, 1×32-bit (SDRC, Async SRAM, NAND flash, NOR flash, OneNAND flash);
  • DRAM: LPDDR;
  • 32 Ch SDMA.

Как видно, в отличие от AM35x, у этой серии отсутствуют порты Ethernet и CAN, однако увеличено число портов USB и I2C. Кроме того, серия AM37x имеет порт подключения видеокамеры (параллельный). В целом, микропроцессоры серии AM37x ориентированы на устройства, требовательные к возможностям мультимедиа.

Микропроцессоры доступны в двух корпусах (423FCBGA и 515POP-FCBGA) с тремя температурными режимами: -40…105°С, -40…90°С и 0…90°С).

 

Микропроцессоры Sitara AM335x

Серия AM335x, представленная шестью вариантами (три из которых — с 3D акселератором), в наибольшей степени ориентирована на использование различных коммуникационных протоколов благодаря наличию подсистемы индустриальных интерфейсов PRU-ICSS (о которой более подробно будет описано ниже). Блок-схема серии AM335x представлена на рисунке 4.

 

Блок-схема микропроцессоров AM335x

 

Рис. 4. Блок-схема микропроцессоров AM335x

MPU AM335x построен на одном 32-разрядном ядре ARM Cortex-A8.

Основные характеристики:

  • тактовая частота процессора и производительность:
    • AM3356/7 — 300, 600, 800 МГц, 1600 MIPS;
    • AM3352 — 300, 600, 800, 1000 МГц, 2000 MIPS;
    • AM3354/8 — 600, 800, 1000 МГц, 2000 MIPS;
    • AM3359 — 800 МГц, 1600 MIPS;
  • NEON SIMD-сопроцессор;
  • кэш:
    • L1 — 32 кбайт инструкций и 32 кбайт данных с Single-Error Detection (parity);
    • L2 — 256 кбайт c Error Correcting Code (ECC);
    • L3 — 64 кбайт On-Chip Memory Controller (OCMC) RAM доступная всем периферии с режимом «мастер» и с поддержкой сохранения данных для быстрого Wake-Up;
    • 176 кбайт On-Chip Boot ROM;
  • 3D графический акселератор SGX530 у AM3354/8/9.

Внешняя память обеспечена интерфейсами 16-бит mDDR(LPDDR-400), DDR2-532, DDR3-800, DDR3L и NAND, NOR, SRAM (16-бит ECC);

Микропроцессор содержит модуль управления LCD (макс. 2048×2048) с контроллером Touch screen, часы реального времени (RTC) с внутренним 32.768-кГц резонатором, многоканальный аудиопорт, три порта MMC SD.

Коммуникационные возможности обеспечены следующими интерфейсами:

  • подсистема PRU-ICSS;
  • два физических интерфейса USB 2.0 High-Speed OTG;
  • два интерфейса Industrial Gigabit Ethernet MAC:
    • 10, 100, 1000 Mbps;
    • встроенный коммутатор;
    • каждый MAC поддерживает MII, RMII, RGMII, Domain Switch-Off Sequencing, Wake-Up, MDIO;
    • интерфейсы Ethernet MAC и коммутатор могут работать независимо от других функций;
    • IEEE 1588v2 Precision Time Protocol (PTP);
  • два порта CAN (CAN Version 2 Parts A and B);
  • шесть портов UART (UART1 имеет полную модемную реализацию);
  • 2х McSPI 48MГц;
  • 3х I2C (100, 400кГц);

Работа с внешними устройствами и обработка сигналов достигается наличием трех модулей Enhanced Capture (eCAP), трех модулей Enhanced High-Resolution PWM (eHRPWM), трех 32-битных модулей Enhanced Quadrature Encoder Pulse (eQEP), 12-битным Successive Approximation Register (SAR) ADC и четырьмя банками GPIO (32 GPIO и два внешних прерывания на каждый банк).

Для осуществления питания TI предлагает несколько исполнений контроллеров питания: TPS65910A, TPS65217 и TPS650250. Микросхема TPS650250 имеет три понижающих конвертера, три LDO-регулятора и супервизор напряжения. Реализация питания AM335x с помощью предлагаемых решений позволяет достичь высокой степени интеграции и экономичности по энергопотреблению конечного устройства. Типовая схема подключения отображена на рисунке 5.

 

Типовая схема подключения контроллера питания TPS650250

 

Рис. 5. Типовая схема подключения контроллера питания TPS650250

 

Программируемый модуль реального времени для промышленных коммуникаций PRUSS

Большинство микропроцессоров семейства Sitara имеет модуль PRUSS (Programmable Real-time Unit SubSystem), который позволяет реализовать промышленные стандарты передачи данных, такие как PROFIBUS, Modbus, CAN, EtherCAT, PROFINET, Ethernet/IP, SERCOS III, PowerLink; при этом передача данных происходит без затрат мощностей основного ядра.

Серия AM18x (за исключением AM1802) содержит PRUSS, состоящий из: двух модулей PRU0 и PRU1, выполненных по архитектуре 32-Bit Load-Store RISC с RAM 4 кбайт инструкций и 512 байт данных для каждого модуля; контроллера прерываний, позволяющего генерировать события для основного процессора; коммутатора ресурсов (SCR) для подключения внешних и внутренних интерфейсов к ресурсам PRUSS.

Оба модуля могут работать как совместно, так и независимо друг от друга. При необходимости, PRUx могут работать совместно с центральным ядром. Модули оптимизированы для выполнения встроенных задач, которые требуют манипуляций с упакованными структурами данных, обработки системных событий с жесткими ограничениями для систем реального времени. PRU программируются на ассемблере, содержат небольшой, детерминированный набор команд, большинство из которых выполняется за один цикл без кэширования (при частоте ядра модуля 200 МГц время выполнения цикла — 5 нс). Блок-схема модуля PRU показана на рисунке 6.

 

Блок-схема модуля PRUSS

 

Рис. 6. Блок-схема модуля PRUSS

Серия AM335x содержит модуль PRU-IСSS, представляющий собой второе поколение PRUSS. Его блок-схема представлена на рисунке 7.

 

Блок-схема модуля PRU-IСSS

 

Рис. 7. Блок-схема модуля PRU-IСSS

Так же, как и модуль предыдущего поколения, PRU-IСSS состоит из двух 32-разрядных модулей PRU. Тактовая частота ядра PRU — 200 МГц. В сравнении с модулем PRUSS AM18x, этот модуль имеет ряд преимуществ:

  • память данных увеличена до 8кбайт (вместо 512байт);
  • память инструкций- 8кбайт (вместо 4кбайт);
  • 12кбайт общей RAM;
  • Enhanced GPIO (EGPIO) с 16 выходами и 17 входами общего назначения, захват serial-, parallel- и MII-данных с портов PRU;
  • Внутренние периферийные модули (UART, eCAP, MII_RT, MDIO, and IEP)

Как и в предыдущем поколении, модули PRU имеют доступ ко всем ресурсам SoC через Interface/OCP Master port (у каждого PRU — свой), а центральный процессор и устройства могут получить доступ к ресурсам PRU-IСSS через Interface/OCP Slave port.

Коммутатор ресурсов SCR (Switched Central Resource) осуществляет соединение ресурсов внутренних модулей PRU-IСSS и обеспечивает доступ внешних модулей к ресурсам PRU-IСSS. Контроллер прерываний INTC управляет событиями ввода и генерирует события для устройств центрального процессора. В ближайшее время TI планирует поддержку программирования PRUSS и PRU-ICSS на языке «С».

Наличие у PRU-ICSS двух физических портов позволяет аппаратно реализовывать индустриальные протоколы EtherCAT и PROFIBUS. Аппаратная реализация EtherCat возможна не во всех представителях сериях AM335x, в этом случае TI предлагает следующие решения физического интерфейса 10/100: TLK100,TLK105, TLK106 и DP83848. TLK100 имеет интерфейс MII; TLK105, TLK106 — MII, RMII; DP83848 — MII, RMII, SNI.

Благодаря достаточной документированности и готовым примерам программ на веб-сайте компании TI работа с модулем PRU-ICSS не займет много времени, в то время как сам модуль сократит время разработки устройств с дискретной реализацией и сделает их применение максимально гибким.

 

Средства разработки и отладки

Для ускорения разработки решений, связанных с индустриальными коммуникационными протоколами, компания TI предлагает различные варианты аппаратных средств, одно из которых — TMDSICE3359.

Плата TMDSICE3359 (ICE — Industrial Communications Engine) (рисунок 8) предназначена для разработки систем, которые позволят использовать все возможности промышленных коммуникаций процессоров Sitara ARM ® Cortex AM335x TM-A8.

 

Отладочная плата TMDSICE3359

 

Рис. 8. Отладочная плата TMDSICE3359

 

Основанная на микропроцессоре AM3359 ARM Cortex-A8 с модулем PRU, данная плата позволяет реализовать множество протоколов коммуникаций, используемых в промышленной автоматике. TMDSICE3359 имеет два переключаемых порта PRU — GbE, OLED-дисплей, интерфейсы для работы с памятью DDR3. Помимо установленной флэш-памяти, имеется возможность работы с более емкой NOR Flash.

В комплект поставки входит необходимое программное обеспечение SYS/BIOS, оптимизированное для поддержки промышленных протоколов связи в реальном времени, таких как EtherCAT, PROFIBUS, Ethernet/IP и других.

Кроме официальных отладочных инструментов от TI, существуют и решения сторонних производителей, выгодно отличающиеся, в первую очередь, по стоимости. BeagleBone Black — один из таких инструментов (рисунок 9). Это уже вторая версия данного одноплатного компьютера сообщества beagleboard.org. Являясь открытой отладочной платформой, она дает широкие возможности для разработчиков.

 

Отладочная плата TMDSSK3358

 

Рис. 9. Отладочная плата TMDSSK3358

 

Характеристики BeagleBone Black:

  • AM335x 1GHz ARM® Cortex-A8
  • 512MB DDR3 RAM
  • 2GB 8-bit eMMC on-board flash storage
  • USB client for power & communications
  • USB host
  • Ethernet
  • HDMI
  • 2×46 pin headers
  • Ångström Linux, Android, Ubuntu, Cloud9 IDE on Node.js w/ BoneScript library
  • +5V

Функциональные возможности BeagleBone Black могут быть улучшены с помощью дополнительных плат расширения.

Немаловажная особенность платы BeagleBone — легкость приобретения. BeagleBone можно приобрести без предварительного заказа в большинстве магазинов средств разработки, например в Терраэлектронике. Это может существенно сократить срок разработки. Кроме того, поддержка этой платы осуществляется сообществом, что иногда помогает найти более оригинальное решение задачи.

 

Программные средства

Компания Texas Instruments предлагает большой выбор программных средств, благодаря которым можно оптимально подойти к разработке необходимого решения. Наличие SDK (Software Development Kit) нескольких вариантов операционных систем (Linux, Android, SYS/BIOS, Windows Embedded CE и др.) позволяет сразу же начть работу с аппаратной платформой и разрабатывать собственные приложения. В случае, когда операционная система не требуется, компания TI предоставляет пакет StarterWare (Windows и Linux), поддерживающий портируемость программных блоков для работы с периферией на различных процессорах, компиляторов GCC и IAR, и содержащий инструментарий для С-кода, графическую библиотеку, USB-стек.

Необходимую информационную помощь разработчик может легко получить на ресурсе http://processors.wiki.ti.com/index.php/Sitara.

Данный ресурс сделан максимально удобно для оперативного доступа к необходимой информации и программному обеспечению для серий микропроцессоров AM335x, AM37x, AM35x и AM18x.

 

Заключение

Имея уникальное низкое потребление мощности (менее 1 Вт), высокую производительность, широкую периферию и возможность работы с индустриальными стандартами передачи данных, семейство микропроцессоров ARM Sitara с ядром Cortex-A8 по праву занимает лидирующее положение в своем классе. Поддержка TI своих процессоров, в том числе в mainstream Linux, позволяет быть уверенным в своевременном выходе патчей и драйверов периферии, что уменьшает сроки вывода продуктов, разрабатываемых базе данных процессоров, на рынок.

Невысокая стоимость, полная информационная поддержка производителя, наличие аппаратных и программных решений от сторонних компаний и легкость программного переноса позволяют в кратчайшие сроки осуществить переход с более старых версий ARM, создавая устройства, отвечающие современным требованиям.

 

Литература

1. http://www.ti.com/ww/ru/embedded/arm/  

2. Алексей Бойков Sitara aM335X — недорогая замена ARM 9 для систем автоматики «Новости электроники» № 10, 2012

3. http://beagleboard.org/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: mcu.vesti@compel.ru

 

 

TM4C123GH6PZI — новый контроллер на базе ядра Cortex-M4

Компания Texas Instruments представила новое семейство микроконтроллеров на базе ядра ARM Cortex M4 — TIVA. Данное семейство высокопроизводительных контроллеров с поддержкой вычислений с плавающей точкой реализовано по 65-нм технологии, которая обеспечивает оптимальный баланс между высокой производительностью и низким энергопотреблением. Серия C семейства Tiva позволяет разработчикам увеличить уровень возможных подключений к одному контроллеру, не влияя на производительность, потребление энергии и стоимость.

Микроконтроллер TM4C123GH6PZI является первым представителем семейства TIVA. Контроллер содержит 256 Кбайт Flash-памяти, 32 Кайта SRAM и 2 Кбайта EEPROM. Максимальная частота тактирования ядра — 80 МГц. Имеется поддержка энергосберегающих режимов, находясь в которых, контроллер потребляет не более 1,6 мкА.

16 выводов ШИМ-модулей, большое количество последовательных интерфейсов, модуль Full Speed USB on-the-go и два CAN-контроллера делают семейство контроллеров TIVA идеальным базовым вариантом для реализации различных приложений. Процессор поддерживается операционной системой реального времени TI-RTOS.

 

Технические характеристики

  • Ядро: ARM Cortex-M4, 80 МГц.
  • Память: 256 Кбайт Flash, 32 Кбайт SRAM, 2 Кбайт EEPROM, модуль защиты памяти, загрузчик и библиотека функций в ПЗУ.
  • Встроенные часы реального времени.
  • 2 сторожевых таймера.
  • Встроенный LDO-стабилизатор.
  • ШИМ: 16 выводов (2 модуля, 4 генератора).
  • Коммуникационные возможности:

GPIO: 69 выводов (5 В tolerant); UART: 8 каналов; SPI/SSI: 4 канала; CAN MAC: 2 канала; шина I2C: 6 каналов; USB: OTG;

  • Аналоговая перефирия:

АЦП: 12 бит, 1 MSPS, 22 канала (2 модуля); компаратор: 16 каналов (3 модуля); датчик температуры: 1;

  • Корпус: LQFP-100.
  • Диапазон рабочих температур: -40…85°C.

Наличие на складе, подробности на сайте http://www.compel.ru/  

•••

Наши информационные каналы