Микроконтроллеры с FRAM от Texas Instruments – новая эпоха для приборов учета

12 сентября 2015

Texas InstrumentsстатьяFRAMMSP430АСУТП

Компания Texas Instruments является одним из лидеров в сфере создания технологий и решений для приборов учета: счетчиков электричества и потока (например, воды/газа), измерителей потребляемого тепла и так далее.

При выборе решений Texas Instruments, разработчику не приходится с нуля создавать сложную измерительную систему. Вместо этого ему предлагается выбрать готовую платформу, объединяющую в себе аппаратную часть, среду разработки, утилиты и программные библиотеки. Основой аппаратной части обычно становится одно из семейств процессоров или микроконтроллеров.

Многофункциональные и малопотребляющие микроконтроллеры MSP уже зарекомендовали себя с самой лучшей стороны. Богатая номенклатура позволяет выбирать оптимальный контроллер с учетом особенностей конкретного приложения. Например, в построении одно- и многофазных электрических счетчиков отлично показали себя MSP430i20 (-xx) и MSP430F67 (-xx) [1, 2]. MSP430i20 (-xx) отличаются наличием до четырех встроенных 24-битных сигма-дельта-АЦП с дифференциальными входами (±928 мВ). Старшие модели MSP430F67 (-xx) имеют еще более развитую аналоговую периферию: до семи 24-битных сигма-дельта-АЦП и дополнительный 10-битный АЦП последовательного приближения.

Говоря о создании микропотребляющих приборов учета, следует обратить внимание на MSP430FR – новое семейство FRAM-микроконтроллеров производства компании Texas Instruments. Их отличает целый ряд достоинств:

  • уникальная FRAM-память со сверхнизким потреблением, высоким быстродействием и практически неограниченным ресурсом циклов перезаписи;
  • доступность специализированной периферии (ESI, ЖК-контроллера, драйверов сенсорных кнопок);
  • богатый выбор стандартной периферии (таймеров, АЦП, портов ввода/вывода);
  • богатый выбор коммуникационных интерфейсов (SPI, I2C, UART);
  • доступность оценочных и отладочных плат;
  • наличие бесплатных программных средств разработки, в том числе – специализированных для создания измерительных систем.

Чтобы продемонстрировать перспективы применения новых контроллеров, необходимо вначале определить наиболее важные требования, предъявляемые к современным счетчикам.

Анализ требований к микроконтроллерам современных приборов учета

В настоящее время существует большое число различных счетчиков: электричества, воды, газа, тепла и так далее. Несмотря на такое разнообразие, все они имеют схожую структуру (рисунок 1). В их состав входят микроконтроллер, датчики и согласующие цепи, коммуникационные интерфейсы, система питания, память для хранения счетных данных и так далее.

Рис. 1. Обобщенная структура современных интеллектуальных счетчиков

Рис. 1. Обобщенная структура современных интеллектуальных счетчиков

Конечно, реализация и состав отдельных блоков отличается от прибора к прибору. Например, для счетчика газа необходим датчик потока, а для счетчика воды потребуется еще и датчик давления и температуры. Система питания также показана обобщенно. Если для счетчика электричества основным источником питания становится сеть, то для счетчиков газа в большинстве случаев используется аккумулятор.

Несмотря на приведенные отличия, можно выделить наиболее важные требования к микроконтроллерам приборов учета: низкое собственное потребление (особенно в случаях с батарейным питанием); наличие специализированной периферии для взаимодействия с измерительными датчиками; наличие интегрированного ЖК-контроллера; наличие коммуникационных интерфейсов; возможность создания простого пользовательского интерфейса.

Крайне важно, чтобы контроллер отвечал перечисленным требованиям, но нельзя забывать еще и о комфорте и скорости разработки в целом. По этой причине также важна доступность средств разработки и отладки.

Компания Texas Instruments учла все возможные трудности на пути создания приборов учета. В результате кропотливой работы компания предоставляет разработчикам не разрозненный набор аппаратных и программных средств, а целостное решение. Основой данного решения стало новое семейство сверхмалопотребляющих FRAM-микроконтроллеров MSP430FR.

Обзор FRAM-микроконтроллеров MSP430FR от Texas Instruments

MSP430FR – первое серийное семейство микроконтроллеров, в которых вместо привычной Flash используется FRAM. FRAM – новый вид энергонезависимой, малопотребляющей и быстродействующей памяти. Ее применение позволяет вывести микроконтроллеры на новый качественный уровень. Говоря о семействе MSP430FR, следует выделить следующие особенности (таблица 1):

  • 16-битное малопотребляющее ядро MSP430, способное работать на частотах до 24 МГц (в случае MSP430FR573 (-x);
  • объем FRAM-памяти для хранения программ и данных до 128 кбайт;
  • объем ОЗУ до 2 кбайт;
  • богатый выбор стандартной периферии (16-битные таймеры, 12/10-битные многоканальные АЦП с мультиплексированием, многоканальные компараторы с мультиплексированием и другие);
  • богатый выбор стандартных коммуникационных интерфейсов (SPI/ UART/ I2C);
  • наличие в старших линейках контроллера прямого доступа памяти DMA с числом каналов до трех и аппаратного умножителя 32×32;
  • наличие микроконтроллеров со специализированным блоком взаимодействия с внешними датчиками (Extended Scan Interface, ESI);
  • наличие представителей с интегрированным ЖК-контроллером;
  • поддержка сенсорных приложений (кнопок, слайдеров и так далее) большинством представителей семейства;
  • диапазон рабочих напряжений 1,8…3,6 В (2,0…3,6 В для MSP430FR57);
  • диапазон рабочих температур: -40…85°C.

Таблица 1. Характеристики различных линеек микроконтроллеров семейства MSP430FR

Параметр Наименование
MSP430FR2 MSP430FR4 MSP430FR57 MSP430FR58 /59 MSP430FR68 /69
Fраб, МГц 16 8/16/24 16
FRAM, кбайт до 15,5 до 16 до 128
ОЗУ, кбайт до 2 1 до 2 2
DMA 0 3
MUL нет 32×32
Cap Touch I/O есть нет есть
ЖК нет есть нет нет/есть
ESI нет нет/есть
I2C/SPI/UART макс. 1/2/1 1/3/2 2/4/2
АЦП 10×10-бит до 12×10-бит до 16×12-бит
COMP 0 до 16
Таймеры 16-бит 2 До 5 5
Tраб., °C -40…85
Корпус TSSOP, LQFP LQFP, TSSOP TSSOP, LQFP, VQFN

Характеристики и набор периферии зависит от конкретного представителя семейства. В настоящий момент семейство MSP430FR объединяет в себе более 90 микроконтроллеров пяти основных линеек (таблица 1):

MSP430FR2 – базовая линейка с наиболее скромной периферией, объемом Flash до 15,5 кбайт и ОЗУ до 2 кбайт. Представители линейки имеют интегрированный 10-битный многоканальный АЦП и поддержку сенсорных приложений.

MSP430FR4 – линейка, имеющая, помимо базового набора периферии, интегрированный ЖК-контроллер наиболее продвинутой версии E.

MSP430FR57 – линейка для приложений с повышенными требованиями к производительности. Ее отличает наличие DMA и аппаратного умножителя 32×32. Данные блоки характерны для старших линеек, в то время как объем периферии и памяти соответствует младшим сериям.

Следует отдельно выделить некоторых «особенных» представителей MSP430FR57:

  • серия MSP430FR573 (-x) с рабочей частотой ядра до 24 МГц;
  • MSP430FR5739-EP – микроконтроллер с рабочей частотой 24 МГц и расширенным диапазоном рабочих температур -55…85°C.

Важно упомянуть и о некоторых особенностях данной линейки. Во-первых, для нее характерен наиболее узкий диапазон рабочих напряжений 2,0…3,6 В. Во-вторых, программирование этих контроллеров настоятельно рекомендуется выполнять только после монтажа на плату. Это связано с возможностью потери данных при нагреве [3].

MSP430FR58 /59 – одна из топовых линеек семейства. Отличается большими объемами FRAM до 128 кбайт, наличием DMA и аппаратного умножителя.

Перечень периферии также внушителен. Помимо базового набора, представители линейки отличаются наличием ESI-интерфейса, 12-битным многоканальным АЦП, многоканальным компаратором.

Версии MSP430FR59 оснащены 128/256-битным блоком криптографии AES.

MSP430FR68 /69 – наиболее развитая линейка семейства. Имеет характеристики объемов памяти и периферии как и у MSP430FR58 /59, но отличается наличием интегрированного ЖК-контроллера версии С.

Одним из ключевых достоинств всех контроллеров MSP430 всегда было низкое собственное потребление. Семейство MSP430FR демонстрирует еще большую экономичность (таблица 2). Анализ этой таблицы показывает, что для потоковых вычислений подойдут представители MSP430FR57, для них удельное потребление в активном режиме составляет всего 81 мА/МГц. Для работы в режиме с прерываниями подойдут все остальные семейства – их типовые токи в режиме Standby не превышают 0,4 мкА.

Таблица 2. Потребление микроконтроллеров MSP430FR

Наименование Параметр
Fраб, МГц Uпит, В Iпотр (RUN), мкА/МГц Iпотр (STANDBY), мкА Iпотр (Shutdown), нА TWAKEUP, мкс
MSP430FR2 16 1,8…3,6 126 0,4 15 10
MSP430FR4 16 1,8…3,6 126 0,4 15 10
MSP430FR57 16 (24) 2,0…3,6 81,4 6,4 320 78
MSP430FR58 MSP430FR59 16 1,8…3,6 100 0,4 20 7
MSP430FR68 MSP430FR69 16 1,8…3,6 100 0,4 20 7

MSP430FR идеально подходят для создания счетчиков благодаря наличию малопотребляющей FRAM, ESI, ЖК-контроллера и драйверов сенсорных приложений.

Преимущества новой FRAM-памяти

Сегнетоэлектрическая память FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) – относительно новый вид памяти. С функциональной точки зрения работа индивидуальной ячейки FRAM соответствует работе конденсатора в ячейке ОЗУ (рисунок 2), только вместо заряда и разряда обычного конденсатора используется поляризация кристаллической решетки сегнетоэлектрика – цирконат-титанат свинца Pb(ZrxTi1–x)O3, 0≤x≤1 (Lead-Zirkonate-Titanate, PZT) [4].

Рис. 2. Принцип работы элементарной ячейки FRAM

Рис. 2. Принцип работы элементарной ячейки FRAM

При воздействии внешнего электрического поля структура PZT деформируется особым образом. Это приводит к возникновению электрической поляризации. При этом в случае снятия поля поляризация сохраняется. Для ее снятия необходимо приложить обратное поле. Наблюдаемый гистерезис очень похож на гистерезис при перемагничивании железа. Отсюда и буква «F» (Ferroelectric) в названии FRAM.

Курьез заключается в том, что несмотря на сходство процессов и полученное название, FRAM не содержит железа и никак не связана с магнитными свойствами материалов. Кроме того, FRAM вообще не восприимчива к магнитным полям.

FRAM имеет целый ряд достоинств и по многим параметрам превосходит Flash-память (рисунок 3, таблица 3) [4].

Рис. 3. Демонстрация ключевых преимуществ FRAM перед Flash

Рис. 3. Демонстрация ключевых преимуществ FRAM перед Flash

Таблица 3. Сравнение характеристик различных типов памяти

Параметр Тип памяти
FRAM SRAM Flash EEPROM
Энергонезависимость + + +
Удельный потребляемый ток, мкА/МГц 100 <60 230 50 000
Ток потребления при скорости записи 13 кб/с, мкА 9 2200
Время записи блока 13 кбайт, с 0,01 <0,01 1 2
Число перезаписей 1015 не ограничено 100 000 100 000
Предварительное стирание перед записью нет нет да да
Возможность хранения кода и переменных +
Скорость чтения, МГц 8 до 25

Энергонезависимость. Ячейки PZT сохраняют поляризацию даже после устранения электрического поля, поэтому FRAM может быть использована для хранения кода программ и является альтернативой обычной Flash.

Высокая скорость записи. Программирование FRAM имеет много общего с программированием ОЗУ. Это касается как скорости записи, так и возможности побитового доступа к ячейкам.

По сравнению с Flash скорость записи для FRAM оказывается в 100 раз быстрее.

Низкая потребляемая мощность. Для поляризации PZT во FRAM требуется напряжение всего в 1,5 В, в то время как для Flash требуется до 14 В. Это приводит к значительному снижению уровня потребления. Кроме того, пропадает необходимость во встроенном повышающем регуляторе.

Большой рабочий ресурс. В настоящий момент существующая технология обеспечивает число перезаписей FRAM до 1015 раз, в то время как для Flash данный показатель составляет 105.

Впрочем, нужно отметить одну особенность FRAM. При чтении данных происходит их разрушение. В результате требуется перезапись. Однако за счет гигантского ресурса эта особенность остается маловажной.

Универсальность для хранения различных типов данных. Возможность быстрой записи и стирания индивидуальных байтов и энергонезависмость делают FRAM пригодной для хранения как кода программы, так и переменных.

Ранее в традиционных Flash-контроллерах для хранения различной информации использовались различные типы памяти с жестко заданными границами: Flash для кода программы, ОЗУ для переменных, EEPROM для хранения констант и переменных (например, показаний счетчика). Такое разделение не всегда удобно по целому ряду причин (рисунок 4).

Рис. 4. Увеличение гибкости распределения памяти для FRAM-контроллеров

Рис. 4. Увеличение гибкости распределения памяти для FRAM-контроллеров

Во-первых, не все контроллеры имеют EEPROM, поэтому часто требуется дополнительная микросхема памяти.

Во-вторых, жестко заданные границы делают невозможным перераспределение между данными и кодом программ (рисунок 4). Например, если в процессе развития ПО от версии А к версии Б потребуется увеличить объем памяти под переменные на 2 кбайт (размер ОЗУ), то это вызовет необходимость сменить контроллер, несмотря на то, что имеется резерв 6 кбайт во Flash. При этом новый контроллер с большим объемом ОЗУ почти всегда будет иметь и больший объем Flash, а значит увеличится и объем неиспользуемой памяти.

В контроллерах с FRAM эти проблемы практически полностью исключены:

  • FRAM исключает необходимость в EEPROM;
  • некоторая часть переменных размещается во FRAM, что приводит к экономии ОЗУ;
  • при необходимости увеличения объема памяти под переменные это можно сделать за счет ресурса FRAM, и смены контроллера не потребуется.

Тем не менее, следует отметить, что полностью отказываться от ОЗУ нецелесообразно, так как ее быстродействие (особенно скорость чтения), пока что выше, чем у FRAM. Таким образом, ОЗУ необходимо использовать для хранения наиболее оперативных переменных.

Еще одним преимуществом MSP430FR является доступность важной для счетчиков периферии: ЖК-контроллера, ESI и драйверов сенсорных приложений (кнопок, слайдеров и так далее).

Взаимодействие MSP430FR с внешними датчиками. Аппаратный модуль ESI

Одним из важнейших элементов любой измерительной системы являются датчики. Их можно классифицировать по различным признакам: по назначению (датчики напряжения, тока, давления, температуры, потока, влажности и так далее); по типу выхода (аналоговые и цифровые). Аналоговые датчики бывают с выходом по напряжению, по току, с импульсными или частотными выходными сигналами и так далее. Цифровые датчики могут иметь последовательный или параллельный интерфейс.

Очевидно, что каждый сенсор имеет свои особенности подключения к микроконтроллеру. Чем больше датчиков поддерживает контроллер, тем больше свободы он дает разработчику при создании измерительных схем. В этом смысле контроллеры MSP430FR являются отличным выбором благодаря поддержке широкого круга датчиков:

  • поддержка аналоговых датчиков за счет интегрированного 10/12-битного АЦП или компараторов;
  • поддержка дискретных датчиков (например, датчиков критической температуры) с помощью стандартных входов общего назначения или компараторов;
  • поддержка цифровых датчиков со стандартными интерфейсами SPI/I2C/UART, а при наличии дополнительных приемопередатчиков – и с интерфейсами RS-485/422 и RS-232;
  • поддержка датчиков с параллельными интерфейсами с помощью портов ввода/вывода;
  • поддержка датчиков движения с помощью ESI.

Приведенный список перекрывает большинство существующих потребностей при создании приборов учета. При этом особое внимание стоит уделить последнему пункту.

С первого взгляда может быть не совсем понятно, какие датчики движения могут быть в электронных стационарных приборах учета. Однако это недоумение проходит, если вспомнить, что многие электронные счетчики по-прежнему остаются механическими по своему устройству. Например, счетчики газа и воды очень часто используют крыльчатку. Частота ее вращения оказывается прямо пропорциональна объему потока воды/газа. В электрических счетчиках до сих пор используются вращающиеся диски.

И в том, и в другом случае контроллер должен фиксировать скорость вращения, а для этого как раз и используются датчики движения. Они могут быть механическими, магнитными с эффектом Холла, резистивными, LC-типа.

ESI (Extended Scan Interface) – уникальный малопотребляющий цифро-аналоговый блок для аппаратного определения линейных и вращательных перемещений. ESI имеет сложную структуру, включающую в себя входные аналоговые цепи для питания датчиков и нормирования их сигналов (усилители, мультиплексоры, ЦАП, компараторы и так далее), препроцессор (PPU), автомат состояний (PSM), автомат временных состояний (TSM) (рисунок 5). Данный блок может хранить результаты измерений, взаимодействовать с таймером общего назначения (TIMER A), формировать прерывания.

Рис. 5. Структура блока ESI

Рис. 5. Структура блока ESI

Особенностями ESI являются:

  • поддержка различных типов датчиков (LC, резистивных, магнитных с эффектом Холла, оптических и других);
  • поддержка цифровых датчиков;
  • поддержка квадратурных энкодеров;
  • поддержка аналоговых датчиков;
  • возможность измерения амплитуды аналоговых сигналов;
  • возможность измерения огибающей переменного сигнала.

Особенно стоит отметить возможность работы ESI с LC-датчиками (рисунок 6).

Рис. 6. Принцип действия LC-датчиков

Рис. 6. Принцип действия LC-датчиков

Эти датчики представляют собой LC-звено. При заряде конденсатора начинается переходной колебательный процесс. Если вблизи такого звена находится вращающийся диск с частичной металлизацией (одной половины), то амплитуда колебаний будет зависеть от того, приближается или удаляется металлическая часть [5]. Таким образом, направление и частота вращения могут быть определены по параметрам огибающей частотных колебаний. ESI позволяет запитать датчик, измерить его обратный сигнал, произвести необходимые вычисления параметров огибающей, определить частоту и направление вращения диска.

Для настройки и работы с ESI рекомендуется использовать утилиту FlowESI GUI с графическим интерфейсом.

Особенности ЖК-контроллеров MSP430FR

Очевидно, что ЖК-дисплей – один из необходимых элементов для приборов учета. Для управления им необходим ЖК-контроллер.

Интегрированный ЖК-контроллер доступен для двух линеек MSP430FR: MSP430FR4 оснащаются контроллером версии LCD_E, MSP430FR6 – контроллером версии LCD_C. На настоящий момент это наиболее совершенные версии контроллеров среди доступных у MSP430 (таблица 4) [7].

Таблица 4. Сравнение характеристик версий ЖК-контроллеров MSP430

Параметр Версия ЖК-контроллера
LCD LCD_A LCD_B LCD_C LDC_E
Число сегментов ЖК 128/4-MUX 160/4-MUX 160/4-MUX 320/8-MUX 448/8-MUX
Число выводов контроллеров до 4×46 до 4×50 до 4×60
до 8×46 до 8×56
Настройка выводов по 16 по 4 по 4 индивидуально
Назначение выводам функций COM/SEG фиксированное положение COM свободное
Источник тактирования ACLK ACLK ACLK, VLO ACLK, VLO XT1, ACLK, VLO
Число источников прерывания 0 0 4 4 3
Аппаратная поддержка индивидуального мерцания сегментов + + +
Возможность программирования частоты мерцания + + +
Поддержка двух блоков экранной памяти + + +
Наличие интегрированного резистивного делителя + + + +
Наличие встроенного повышающего регулятора + + + +
Работа в режиме Stanby (LPM3.5) + + +

Версии LCD_C и LCD_E имеют множество преимуществ: до восьми каналов мультиплексирования, гибкую систему тактирования, интегрированный повышающий регулятор с гибкой системой настройки, возможность работы с внешним и внутренним резистивными делителями для задачи напряжений смещения, возможность работы в режимах пониженного потребления вплоть до LPM3.5.

В дополнение к этому LCD_E получил независимое расположение каналов COM/SEG по выводам и отличается поддержкой максимального числа сегментов до 448.

Широкие возможности ЖК-контроллеров позволяют поддерживать сложные и высокоинформативные дисплеи и при этом обеспечивать чрезвычайно низкое потребление.

Реализация сенсорных приложений с помощью MSP430FR

Перспективность использования сенсорных приложений, таких как кнопки, слайдеры и так далее, не вызывает сомнений. Отсутствие механических частей, практически неограниченный срок службы, простота обеспечения герметичности – это лишь часть их преимуществ над механическими компонентами. Расплатой за перечисленные достоинства становится относительная сложность схемной реализации.

Рис. 7. Принцип опроса емкостных сенсоров

Рис. 7. Принцип опроса емкостных сенсоров

Как известно, в случае емкостной технологии прикосновения определяются по изменению суммарной емкости печатного сенсора. Значение емкости, в свою очередь, определяется по скорости заряда. Для этого ее необходимо периодически заряжать и разряжать (рисунок 7). Если суммарная емкость меняется – меняется и скорость заряда.

Очевидно, что механизм периодических перезарядов можно реализовать и с помощью обычных портов ввода/вывода и таймеров. Также очевидны недостатки этого способа. Во-первых, необходимо тратить время процессора на обработку сенсорных кнопок. Во-вторых, повышенный объем вычислений сказывается на потреблении.

В MSP430FR проблема была решена кардинально. Большинство портов ввода/вывода (за исключением микроконтроллеров MSP430FR57) были снабжены аппаратной поддержкой сенсорных каналов. Эта поддержка включает схему автоматической генерации циклов заряда/разряда без дополнительных выводов, прерываний и внешних компараторов. При этом счетные импульсы после каждого заряда подаются на таймер общего назначения.

Пользователю остается организовать периодические прерывания и считывать число циклов перезаряда. Если число циклов возросло (емкость уменьшилась), значит, произошло касание сенсора.

Таким образом, MSP430FR объединяют в себе малое потребление и широкий выбор специализированной периферии. Это делает их идеальным выбором при использовании в целом ряде приложений.

Области применения MSP430FR

Среди типовых областей применения MSP430FR следует выделить те, в которых на первом месте стоит требование минимального потребления. Это касается приборов с автономным питанием от батарей или суперконденсаторов.

Очевидно, что нет проблемы с заменой батарейки в одном автономном датчике или приборе. А что если таких датчиков много? А если они расположены в труднодоступных местах, как, например, датчики состояния инженерных конструкций (мосты, здания)? Именно для таких случаев и понадобятся микропотребляющие MSP430FR.

Приведем лишь некоторые примеры использования MSP430FR:

  • стационарные приборы учета (счетчики электричества, воды, газа, тепла);
  • портативные приборы регистрации различных данных (мониторы кровяного давления, кардиорегистраторы и так далее);
  • распределенные сети датчиков (датчики состояния инженерных сетей мостов, опор линий электропередач и тому подобное);
  • системы управления преобразователями альтернативных источников энергии (солнечные панели, харвестеры виброэнергии, приемники энергии радиоизлучения и так далее);
  • множество других вариантов применения.

Следует отметить, что создание вышеперечисленных приборов – достаточно сложная задача. Чтобы помочь инженерам, компания Texas Instruments предлагает целую систему средств разработки: оценочные и отладочные наборы, среду разработки ПО MSP430 Code Composer Studio, программные утилиты и библиотеки общего назначения, специализированные утилиты для создания измерительных систем.

Оценочные и отладочные наборы для микроконтроллеров MSP430FR

Рис. 8. Внешний вид отладочной платы набора MSP-EXP430FR6989

Рис. 8. Внешний вид отладочной платы набора MSP-EXP430FR6989

В настоящий момент для микроконтроллеров MSP430FR доступно почти два десятка отладочных наборов: от стартовых наборов (LaunchPad) до готовых референсных решений. Рассмотрим два из них более подробно.

MSP-EXP430FR6989 LaunchPad™ Development Kit – стартовый набор для ознакомления с микроконтроллерами MSP430FR на примере MSP430FR6989 (рисунок 8). Он содержит все необходимое для быстрого начала работы, включая встроенный программатор и отладчик. Основными особенностями набора являются:

  • 16-битный контроллер MSP430FR6989 с 128 кбайт FRAM;
  • встроенный программатор eZ-FET с возможностью поддержки EnergyTrace++;
  • ЖК-дисплей;
  • две кнопки и два светодиода для нужд пользователя;
  • выводы ESI, выведенные на отдельную колодку.

Для того чтобы оценить возможности того же контроллера MSP430FR6989 и его блока ESI в составе законченной измерительной системы, следует обратить свое внимание на отладочный набор EVM430-FR6989. В него входят три платы: основная, плата LC-датчика и плата привода с вращающимся диском (рисунок 9).

Основная плата имеет следующие особенности: микроконтроллер MSP430FR6989, встроенный программатор eZ-FET с возможностью поддержки EnergyTrace++, ЖК-дисплей, кнопки и светодиоды, колодку для подключения радиомодулей (например, CC112xEM), колодку для подключения платы датчиков.

Рис. 9. Отладочный набор EVM430-FR6989

Рис. 9. Отладочный набор EVM430-FR6989

Плата датчиков достаточно проста и содержит LC-сенсоры, которые подключаются к ESI микроконтроллера.

Плата привода необходима для управления вращением диска. Привод построен на базе микроконтроллера MSP430G2553 и драйвера двигателя DRV8837. Скорость вращения задается с помощью потенциометра, либо с помощью команд переданных по I2C. Стоит отметить наличие возможности перепрограммирования резидентного контроллера MSP430G2553.

Отладочные наборы используются в исследовательских целях, имеют широкий функционал и не всегда пригодны для встраивания в готовые разработки. Кроме них, компания Texas Instruments предлагает и готовые референсные разработки с узкой специализацией, оптимизированные для конкретного приложения. Например, TIDM-FRAM-WATERMETER – законченный счетчик потребления воды с ЖК-экраном на базе MSP430FR4133.

Не стоит забывать и об онлайн-библиотеке бесплатных референсных разработок, которые содержат готовые решения для самых разнообразных приложений – от счетчиков электроэнергии/воды/газа до преобразователей альтернативной энергии. При этом к услугам разработчиков предоставляются готовые принципиальные схемы, перечни элементов и топологии печатных плат.

В дополнение к аппаратной поддержке, Texas Instruments предоставляет целый арсенал программных средств, утилит и библиотек для использования совместно с MSP430FR.

Программные средства разработки

Дадим краткое описание основных программных средств разработки.

Code Composer Studio (CCS) – интегрированная среда разработки для создания резидентного ПО для контроллеров Texas Instruments (в том числе и для MSP430 FR). CCS имеет вариант с фирменным компилятором С/С++ и бесплатной лицензией с ограничением по коду. При использовании открытого GCC-компилятора создание программ становится абсолютно бесплатным.

MSPWare – набор, включающий библиотеку драйверов (MSP Driver Library), документацию, программные примеры, законченные высокоуровневые библиотеки и другие ресурсы для всех контроллеров MSP. Набор MSPWare может быть бесплатно скачан в комплекте с CCS или в виде отдельного архива.

EnergyTrace++™ – технология, позволяющая в реальном времени в процессе отладки контролировать энергопотребление некоторых контроллеров. EnergyTrace++ – итог развития предыдущих технологий (таблица 5). В отличие от ранних версий, ее возможности значительно расширены. Теперь она позволяет не только проводить измерения тока, но и контролировать состояние ядра и периферии.

Таблица 5. Сравнительный анализ поколений технологии EnergyTrace

Характеристика Технология
EnergyTrace EnergyTrace+ EnergyTrace++
Измерение тока + + +
Мониторинг состояния ядра (PC) + +
Мониторинг состояния периферии +
Поддерживаемые контроллеры все MSP430 все MSP432P4x MSP430FR59/69
Необходимая аппаратная часть MSP-FET XDS110-ET MSP-FET или eZ-FET (доступно на MSP-EXP430FR6989 и EVM430-FR6989)

EnergyTrace++ доступна для всех контроллеров MSP430FR59 /69.

ULP (Ultra-Low Power) Advisor – утилита, представляющая собой анализатор кода. Ее главное предназначение – оптимизация кода с точки зрения потребляемой мощности. В процессе анализа ULP Advisor определяет неэффективные куски программы и маркирует их. Пользователю предоставляется справка о причинах неэффективности кода, а также пути решения проблемы. Таким образом программистам удается побороться за каждый наноампер потребляемого тока.

FlowESI GUI – специализированная графическая утилита, позволяющая пользователю настраивать ESI-интерфейс для работы с LC-сенсорами. На выходе получается код, который легко интегрируется в любую среду разработки (CSS или IAR).

MSP430 Energy Library – специализированная библиотека, содержащая реализацию стандартных функций по определению и вычислению основных электрических величин (среднеквадратичных и пиковых значений токов/напряжений, активной и реактивной мощности, средней мощности, коэффициента мощности и так далее).

Capacitive Touch Software Library – бесплатная С-библиотека для реализации сенсорных приложений на базе микроконтроллеров MSP430.

MSP430 Touch Pro GUI – графическая утилита для отладки сенсорных приложений на базе MSP430.

Приведенный перечень программных средств является далеко не полным. Существуют и другие решения, в том числе – и сторонних компаний. Тем не менее, иногда возникают различные проблемы. В таких случаях разработчикам предоставляются услуги других пользователей, например, форумы и блоги e2e на сайте Texas Instruments.

Не стоит забывать и о наличии профессиональной поддержки со стороны компании КОМПЭЛ, которая не только является официальным дистрибьютором Texas Instruments в России, но и выступает в качестве мощного консультационного центра.

Заключение

Новое семейство MSP430FR выводит популярные микроконтроллеры MSP430 на новый уровень. Рекордно низкие питающие токи MSP430FR достигаются, в первую очередь, за счет использования уникальной FRAM-памяти вместо привычной Flash. Преимуществами FRAM являются сверхнизкое потребление, высокое быстродействие и практически неограниченный ресурс по числу циклов перезаписи.

Микроконтроллеры MSP430FR являются идеальным выбором при создании малопотребляющих систем, в первую очередь, автономных датчиков и приборов учета. Помимо сверхнизкого потребления, MSP430FR обладают всем необходимым набором периферии:

  • специализированным интерфейсом ESI для работы с датчиками движения;
  • ЖК-контроллером;
  • драйверами сенсорных кнопок в большинстве портов ввода/вывода;
  • стандартными таймерами, АЦП, портами ввода/вывода;
  • популярными интерфейсами (SPI, I2C, UART).

Семейство MSP430, оценочные и ознакомительные наборы, бесплатные программные средства разработки образуют целостную платформу. С ее помощью разработчикам максимально быстро удается не только начинать работу с MSP430FR, но и создавать собственные устройства.

Литература

  1. Mekre Mesganaw, Bart Basile. Implementation of One- or Two-Phase Electronic Watt-Hour Meter Using MSP430i20xx. Texas Instruments, 2014.
  2. Bart Basile, Stefan Schauer, Kripasagar Venkat. Implementation of a Single-Phase Electronic Watt-Hour Meter Using the MSP430F6736(A). Texas Instruments, 2015.
  3. FRAM FAQs. SLAT151. Texas Instruments, 2014.
  4. Volker Rzehak. Low-Power FRAM Microcontrollers and Their Applications. Texas Instruments, 2011.
  5. Thomas Kot. LC Sensor Rotation Detection With MSP430™ Extended Scan Interface (ESI). Texas Instruments, 2014.
  6. Thomas Kot. Method to Select the Value of LC Sensor for MSP430™Extended Scan Interface (ESI). Texas Instruments, 2014.
  7. Katie Pier. Designing With MSP430™ MCUs and Segment LCDs. Texas Instruments, 2014.
  8. http://www.ti.com/.
MSP430

MSP432 – производительный как TIVA, энергоэффективный как MSP430

Компания Texas Instruments представила новое семейство микроконтроллеров MSP432, отличительным свойством которого является высокая производительная мощность, объединенная с ультранизким энергопотреблением.

Контроллер MSP432 реализован на базе производительного ядра Cortex-M4F с поддержкой вычислений с плавающей точкой и DSP-инструкций. Производительность – 1,196 DMIPS/МГц. Потребление тока – 95 мкА/МГц в активном режиме и 25 нА в режиме глубокого сна.

MSP432 содержит 14-разрядный АЦП последовательного приближения, на два разряда опережая существующие решения с аналогичной вычислительной мощностью. Входы АЦП могут работать как в несимметричном, так и в дифференциальном режиме. Помимо АЦП, в MSP432 встроен источник опорного напряжения со стабильностью 10-ppm/°C и два аналоговых компаратора.

Помимо пяти режимов энергосбережения, контроллер MSP432 содержит два встроенных регулятора напряжения: линейный LDO и импульсный DC/DC. LDO более эффективен в режимах энергосбережения, а DC/DC – при высокой нагрузке ядра. Для оптимизации энергопотребления в MSP432 применена технология EnergyTrace+, отражающая потребление тока и режим работы ядра в реальном времени. Технология EnergyTrace+ поддерживается новым программатором MSP-FET.

Встроенная в ПЗУ библиотека драйверов периферии и разделение Flash-памяти на два банка, работающих одновременно, дополнительно снижают интегральное потребление энергии, делая MSP432 уникальным решением для портативных высокопроизводительных устройств.

На сегодняшний день доступна отладочная плата MSP-EXP432P401R формата LaunchPad для проверки возможностей MSP432.

Подробнее о микроконтроллере – в записи тренинга «Подключение к облаку с MSP432».

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонен ...читать далее