A Renesas RA0E1 mikrovezérlő megkönnyíti az ár és a teljesítmény közötti egyensúly megteremtése jelentette tervezési kihívások legyőzését

A „zöld lámpás” jóváhagyás és az elektronikus készülékek sikere filléreken múlhat. Ezért a megfelelő mikrovezérlő (MCU, microcontroller unit) kiválasztásakor a mérnökök gyakran szembesülnek a teljesítmény és az ár közötti egyensúlyozás kínzó kihívásával. A Renesas Electronics Corporation célja, hogy megkönnyítse ezt a választást egy rendkívül kis fogyasztású, ARM®-alapú mikrovezérlővel, amely a költségérzékeny beágyazott eszközöket célozza meg.

Nehéz túlbecsülni a mérnökökre nehezedő nyomást, amely arra irányul, hogy energiatakarékos és alacsony költségű készülékeket fejlesszenek ki. A piaci verseny jelentette gondok, a fogyasztók és az üzleti ügyfelek elvárásai, valamint az újítások gyors üteme megnöveli annak esélyét, hogy a késztermék költségeivel vagy a mikrovezérlő teljesítményével kapcsolatos legkisebb hiba is aláássa a sikert.

A mikrovezérlő csak egy alkatrész, de rendkívül fontos, amikor a teljes rendszer költségeinek felméréséről van szó. Gondoljon arra, hogy egy egységenként 50 centes árkülönbség egy 100 000 darabos tervezett gyártási sorozat esetében további 50 000 dollárt jelenthet.

Ez talán csak a jéghegy csúcsa: a fejlesztőknek a mikrovezérlő tényleges egységenkénti költségén kívül számos olyan rejtett költségtényezőt is figyelembe kell venniük, amelyek hatással lehetnek a projekt költségvetésére, ilyenek például a következők:

• a szoftvereszközök és fejlesztési környezetek licencdíjai
• képzési idő
• tesztelés és hibakeresés
• perifériás alkatrészek szükségessége
• firmware létrehozása
• energiagazdálkodás
• megfelelés és tanúsítás

Még a sokkal kisebb gyártási darabszámok esetében is, ahol a mikrovezérlők árkülönbsége nem feltétlenül tesz ki nagy összeget, a kapcsolódó többletköltségek gyakran viszonylag magasabbak lesznek a kisebb gyártási darabszámra történő leosztás miatt. Ez akár el is lehetetlenítheti a projekt jóváhagyását.

A fogyasztás csökkentése és a hűtési igények is megnehezíthetik a megfelelő mikrovezérlő kiválasztását.

Minél több energiát fogyaszt a mikrovezérlő, annál valószínűbb, hogy a tervezőnek további alkatrészeket és esetleg drágább akkumulátorokat kell beépítenie a hordozható készülékekbe. Ehhez kapcsolódik, hogy minél nagyobb a fogyasztás, annál több hő keletkezik, ami esetleg további hűtési technikákat igényel.

Senki sem akar többet fizetni olyan alkatrészekért, amelyek a szükségesnél nagyobb teljesítményt nyújtanak. De olyan készüléket sem akar senki létrehozni, amely a használat során nem nyújtja az elvárt teljesítményt. Ezért a költségek és a teljesítmény közötti optimális egyensúly megtalálása is dönthet a készülék sikeréről.

Az optimális egyensúly elérése

A mikrovezérlő kiválasztásának természetesen meg kell felelnie a tervezett készülék sajátos jellemzőinek és funkciókkal kapcsolatos követelményeinek. Emellett a mikrovezérlőnek a tervezett költségvetésbe is bele kell férnie, különösen, ha valamilyen árérzékeny készülékről van szó. Ehhez meg kell találni a teljesítmény, a fogyasztás és a beépített perifériák optimális keverékét.

Egyes készülékek árérzékenyebbek, mint mások. A dolgok internetére kapcsolódó (IoT) otthoni eszközökre például gyakran erős árversenynyomás nehezedik, ami az olcsóbb eszközök iránti fogyasztói elvárásokat tükrözi. Az ipari automatizálásba szánt termékeknek általában strapabíróbbaknak és rendkívül megbízhatóaknak kell lenniük a gyakran felügyelet nélküli használathoz, de valószínűleg továbbra is számít a versenyben az ár és egyéb szempontok is.

Az ár és a teljesítmény közötti kellő egyensúly megtalálása a megfelelő mikrovezérlő kiválasztásával kezdődik, amely teljesíti a teljesítménykövetelményeket, energiatakarékos, és rugalmasságot kínál a készülék tervezői számára.

A nagyobb teljesítményű készülékeknek jellemzően nagyobb a feldolgozási teljesítményük, magasabb az órajel-frekvenciájuk, és összetettebb feladatok elvégzésére képesek. Ezek a drágább mikrovezérlők jellemzően több beépített perifériát tartalmaznak, ami csökkenti a további alkatrészek szükségességét, bár gyakran magasabb szoftverfejlesztési és hibakeresési költségekkel jár.

A költségérzékeny felhasználási területekre tervezett mikrovezérlőkben gyakran kevesebb a beépített periféria, korlátozott a memória, és kisebb tervezési rugalmasságot engednek meg. Előnyük azonban a kisebb fogyasztás és a hosszabb akkumulátor-üzemidő.

A Renesas funkciógazdag mikrovezérlőket kínál az árérzékeny felhasználási területekre

A Renesas az alacsony költségű készülékek kiválasztási folyamatának egyszerűsítéséhez kínálja a RA0E1 termékcsoportot, egy rendkívül kis fogyasztású és optimalizált perifériákkal felszerelt, funkciógazdag mikrovezérlő termékcsaládot, amely lehetővé teszi a fejlesztőknek, hogy kisebb anyagköltséggel fejlesszék a készülékeiket.

Az energiatakarékos ARM Cortex-M23 maggal és beépített időzítők, soros kommunikáció, analóg funkciók, valamint biztonsági és védelmi funkciók lenyűgöző készletével megépített RA0E1 mikrovezérlők közvetlenül a költségérzékeny készülékek piacát célozzák meg.

Az ARM Cortex-M23 processzort belépő szintű 32 bites processzornak tervezték, amely képes energiatakarékos működésre is. Az egyszerű, könnyen megtanulható és programozható architektúrával rendelkező mikroprocesszormag tartalmazza az ARM TrustZone biztonsági technikáját, a készülékek diagnosztizálására és optimalizálására szolgáló hibakeresési és nyomonkövetési funkciókat, valamint az energiatakarékos, kis fogyasztású üzemmódok támogatását.

A RA0E1 aktív üzemmódban 84,3 μA/MHz áramot fogyaszt, alvó üzemmódban pedig 0,82 mA-t, így kiválóan alkalmas akkumulátoros és energiaérzékeny készülékekbe. Funkciókészlete sokoldalúságot és jó hatásfokot kínál a legkülönbözőbb felhasználási területekre, beleértve a szórakoztatóelektronikát, az ipari automatizálást, a dolgok internetére kapcsolódó biztonságos eszközöket, az épületautomatizálást és a kisgépeket.

Az 1,6 V és 5,5 V közötti tápfeszültséggel a tervezők a RA0E1-et logikaiszint-eltoló és feszültségszabályozó nélkül használhatják az 5 V-os rendszerekben. A RA0E1 tartalmaz egy IC-n belüli nagy pontosságú oszcillátort is, amely lehetővé teszi a tervezők számára, hogy ne kelljen külső oszcillátort használniuk a készülékeikben. A mikrovezérlő oszcillátora javítja az adatátviteli sebesség pontosságát, és –40 °C és +105 °C közötti hőmérsékleten ±1,0%-os pontosságot nyújt.

A több funkciót egyetlen IC-ben egyesítő mikrovezérlők drasztikusan csökkenthetik a további alkatrészek szükségességét. Ez az összeépítés egyszerűsíti a tervezést, csökkenti a mikrovezérlőnek a nyomtatott áramköri lapon elfoglalt helyét, és végső soron csökkenti a rendszer teljes költségét. A külső perifériák számának minimálisra csökkentése érdekében a RA0E1 számos alkatrészt tartalmaz beépítve, többek között a következőket:

• akár 64 kB beépített kódtároló flashmemória és 12 kB nagy sebességű SRAM memória paritásbittel
• analóg perifériák, többek között egy 12 bites analóg–digitális átalakító (ADC), egy hőmérséklet-érzékelő és egy belső referenciafeszültség
• kommunikációs perifériák: 3 UART illesztőfelület, 1 aszinkron UART illesztőfelület, 3 egyszerűsített soros perifériás illesztőfelület (SPI, serial peripheral interface), 1 integrált áramkörök közötti (IIC) illesztőfelület és 3 egyszerűsített IIC illesztőfelület
• biztonsági funkciók, egyebek mellett SRAM-paritásellenőrzés, az érvénytelen memória-hozzáférés felismerése, frekvenciaérzékelés, analóg–digitális (A/D) teszt, felülírhatatlan tárhely, ciklikus redundancia-ellenőrző (CRC, cyclic redundancy check) számítóegység és a regiszterek írásvédelme
• biztonsági funkciók, például egyedi azonosító, valódi véletlenszám-generátor (TRNG, true random number generator) és flashmemória-olvasás elleni védelem

A fejlesztési környezet és a felfelé kompatibilitás

A Renesas a fejlesztőknek egy közös tervezési környezetet kínál, a Flexible Software Package szoftvercsomagot, amely gyártásra kész illesztőprogramokat, Azure RTOS és FreeRTOS valós idejű operációs rendszert és egyéb köztesszoftver-csomagokat tartalmaz. A fejlesztőknek lehetőséget ad arra is, hogy alkalmazásaikat nagyobb teljesítményű RA mikrovezérlőkre költöztessék át.

Az ARM processzormagoknak nagyfokú a kompatibilitásuk. A Cortex-M23 az Armv8-M utasításkészletet használja, amely kompatibilis a többi Cortex-M magarchitektúra által használt utasításkészletekkel.

A Renesas RA01E mikrovezérlők láb- és perifériakompatibilisek a Renesas RA2E1 mikrovezérlő termékcsaláddal, amelyek egy akár 128 kB kódtároló flashmemóriát és 16 kB SRAM-ot is tartalmazó, 48 MHz-es ARM Cortex-M23 mag köré épülnek. Ez lehetővé teszi a RA0E1 mikrovezérlővel készült eszközök nagyobb teljesítményű mikrovezérlőkre történő továbbfejlesztését.

A Renesas az FPB-RA0E1 Fast Prototyping Board prototípuskészítő kártyát (1. ábra) is kínálja a RA0E1 mikrovezérlőre épülő készülékek kiértékeléséhez, valamint ilyen prototípusok készítéséhez és fejlesztéséhez.

1. ábra: A RA0E1 mikrovezérlőre épülő készülékek prototípusának elkészítésében segítséget nyújtó Renesas FPB-RA0E1 kártya (kép Renesas)

A fejlesztőkártya tartalmaz egy Arduino UNO R3 illesztőfelületet és két Pmod csatlakozót. Ezen kívül a fejlesztők kihasználhatják a beépített SEGGER J-Link™ emulátor-áramkör előnyeit, amely további eszközök nélkül lehetővé teszi programok írását és hibakeresését.

Összegzés

A Renesas RA01E mikrovezérlő lenyűgöző funkciókat és beépített perifériákat kínál a rendkívül kis fogyasztású, költségérzékeny készülékek anélküli fejlesztéséhez, hogy kompromisszumot kellene kötni az ár és a teljesítmény között. Többféle csatlakozási lehetőséggel van ellátva, és gazdag ökorendszer tartozik hozzá átfogó fejlesztői környezettel, amely segítheti az alacsonyabb anyagköltségű készülékek létrehozását, és lehetőséget kínál az alkalmazások később nagyobb teljesítményű eszközökre történő áttelepítésére.