Für Motorsteuerung in tragbaren Geräten idealer extrem energiesparender Mikrocontroller

Tragbare und batteriebetriebene Geräte sind allgegenwärtig und übernehmen zunehmend die Kontrolle über alltägliche Funktionen. Ein perfektes Beispiel sind diese kleinen Staubsaugerroboter mit Motoren für mechanische Bewegung und Richtungssteuerung. Auch wenn diese Funktionen heute alltäglich erscheinen, stößt die Elektronik in diesen kleinen Robotern immer wieder an die Grenzen des kleinen Formfaktors, des Gewichts und der Energieeffizienz, während sie gleichzeitig eine Vielzahl von Verarbeitungswerkzeugen enthält.

Es ist hilfreich, wenn ein Großteil der erforderlichen Elektronik in einem IC untergebracht werden kann. Das ist bei dem MAX32672GTL+ von Analog Devices der Fall. Dies ist ein sehr kleiner, hoch integrierter 32-Bit-Mikrocontroller mit extrem niedrigem Stromverbrauch, der speziell für batteriebetriebene Geräte und drahtlose Sensoren entwickelt wurde. Er verfügt über einen leistungsstarken ARM-Cortex-M4-Prozessor mit einer Fließkommaeinheit (FPU) und passt aufgrund seiner komplexen Sensorverarbeitung und der Optimierung der Akkulaufzeit genau in die genannten Gerätedesigns.

Zu den Anwendungen für den MAX32672GTL+ gehören, wie Sie sich vorstellen können, Bewegungssteuerung/Motorsteuerung, industrielle Sensoren und batteriebetriebene medizinische Geräte. Seine Anwendung kann auch auf optische Kommunikationsmodule und sichere Funkmodemsteuerungen ausgedehnt werden.

Das Funktionsblockdiagramm des MAX32672GTL+ zeigt die Vielseitigkeit dieses kleinen Kraftpakets (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Blockdiagramm des Mikrocontrollers MAX32672GTL+ gibt einen Hinweis auf seine Leistungsfähigkeit und Flexibilität, angefangen bei seinem Arm-M4-Kern bis hin zu umfangreichem Speicher, Sicherheit, Energieverwaltung und I/O-Unterstützung. (Bildquelle: Analog Devices Inc.)

Der MAX32672GTL+ verfügt über 1 Megabyte (Mbyte) Flash-Speicher und 200 Kilobyte (Kbyte) SRAM. Der interne Flash-Speicher mit Fehlerkorrektur wird zur nichtflüchtigen Programm- und Datenspeicherung verwendet. Er ist in zwei gleich große Bänke unterteilt, um „execute-while-write“-Operationen (Programmausführung während Schreiboperationen) für Live-Firmware-Updates zu ermöglichen.

Der interne 200-KByte-SRAM unterstützt die stromsparende Speicherung von Anwendungsinformationen und zugehörigen Daten. Zur Erhöhung der Systemzuverlässigkeit kann der SRAM als 160 KByte mit Einzelfehlerkorrektur- und Doppelfehlererkennungscodes (SEC-DED) konfiguriert werden, um Speicherbausteine vor Datenverfälschung zu schützen. Die Fehlerkorrekturcodierung ist wichtig: Sie ist im gesamten Flash, im RAM und im Cache implementiert und gewährleistet eine äußerst zuverlässige Codeausführung auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen.

Für die so wichtige Energieverwaltung und -steuerung stehen mehrere Modi zur Verfügung, die eine Mischung aus Hochleistungsoptionen und Optionen für einen geringen Stromverbrauch bieten. Dazu gehören die Überwachung der Versorgungsspannung und des Spannungsabfalls, um den ordnungsgemäßen Betrieb während des Aus- und Einschaltens sowie bei unerwarteten Spannungsspitzen sicherzustellen.

Der MAX32672GTL+ verfügt über eine große I/O-Bandbreite mit mehreren seriellen I/O-Peripheriekomponenten, darunter I²C, I²S, SPI und UART. Die bidirektionalen I²C-Schnittstellen können mit Übertragungsraten von 100 Kilobit pro Sekunde (kbit/s) bis 3400 kbit/s arbeiten. Die SPI-Schnittstellen können mit bis zu 50 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) arbeiten und unterstützen Vollduplex-Betrieb in einer Vier-Draht-Konfiguration. Der bidirektionale I²S-Audiobus arbeitet mit Audioverstärkern und Codecs.

Schließlich bieten die UART-Schnittstellen asynchrone serielle Vollduplex-Kommunikation in Zwei- oder Vier-Draht-Bus-Konfigurationen mit einem unabhängigen Baudratengenerator. Ein stromsparender UART (LPUART) arbeitet im stromsparendsten Schlafmodus, um das Aufwachen ohne Datenverlust zu ermöglichen.

Neben den seriellen Schnittstellen umfasst der Peripheriemix bis zu 42 GPIO-Pins (General Purpose I/O), bis zu vier 32-Bit-Timer, bis zu zwei stromsparende 32-Bit-Timer und einen 12-kanaligen 12-Bit-SAR-Analog/Digital-Wandler (ADC).

Die Kombination aus seriellen Datenverbindungen, I/O-Pins und ADC macht den MAX32672GTL+ zu einem leistungsstarken Controller für Motoren und andere rotierende Maschinen, die eine umfangreiche Datenverarbeitung erfordern.

Flexible Unterstützung beschleunigt Steuerungs- und Robotikdesigns

Ohne gute Hilfsmittel ist die Hardware nur die Hälfte wert. Im Falle des MAX32672GTL+ ist das kein Problem. Zu den anwendungsspezifischen Tools gehört die Möglichkeit, sowohl analoge als auch digitale Sensoren zu überwachen, um pulsbreitenmodulierte Signale zu erzeugen und Daten von Quadratur-Drehgebern zu dekodieren. Ich mag Werkzeuge, die auf Motorsteuerungs- und Robotikanwendungen abzielen: Sie beseitigen einen Großteil der Komplexität und machen es viel einfacher, ein Projekt zum Laufen zu bringen.

Die Quadraturdecoder-Schnittstelle dekodiert den Wellenwinkel und die Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Maschinenwelle auf Basis der zweiphasigen Signalleitungen (QEA und QEB) und des Indexsignals (QEI) eines Drehgebers. Zur Steuerung der Winkelauflösung des Dekodiervorgangs stehen benutzerdefinierte Countdowns von X1, X2 oder X4 zur Verfügung. Die Drehung der Welle wird auf einem 32-Bit-Positionszähler (QDEC) zusammen mit bestimmten Ereignissen, wie dem Erreichen einer voreingestellten Position, verfolgt. Der QDEC-Wert zeigt die aktuelle Winkelposition der Welle an. Andere Ausgaben zeigen Bewegung, Richtung und eine Änderung der Drehrichtung an (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die vom Quadraturtaktgeber getakteten Quadratureingänge QEA und QEB erhöhen oder erniedrigen den QDEC-Zähler je nach Drehrichtung. Die Ausgangssignale zeigen die Bewegung (QDEC_INTFL), die Richtung (QDIR) und eine Richtungsänderung (QDEC_INTRL) an. (Bildquelle: Analog Devices Inc.)

Der MAX32672GTL+ verfügt über AES-Hardware (Advanced Encryption Standard) zur Sicherung der Komponente. Die AES-Schlüssel werden automatisch von der Software generiert und zum Schutz vor Manipulationen in einem speziellen Flash-Bereich gespeichert. Er enthält einen echten Zufallszahlengenerator (TRNG), der Zufallszahlen für kryptografische Seeds oder starke Verschlüsselungscodes zur Gewährleistung des Datenschutzes liefert.

Die gesamte Verarbeitungsleistung ist in einem kleinen 40-poligen TQFN-EP-Gehäuse untergebracht, das nur 5 mm x 5 mm x 0,4 mm misst. Die Komponente verfügt über fünf verschiedene Stromversorgungsmodi, die große Flexibilität beim Betrieb bieten und gleichzeitig den Stromverbrauch minimieren. Der Mikrocontroller wird mit einer Versorgungsspannung von 1,1 Volt betrieben und verbraucht im aktiven Modus nur 61,5 Mikroampere (mA) pro Megahertz (MHz) bis zu seiner maximalen Taktrate von 100 MHz.

Das Evaluierungskit MAX32672EVKIT# von Analog Devices bietet eine Plattform, um die Fähigkeiten des Mikrocontrollers MAX32672GTL+ zu testen (Abbildung 3). Für alle, die diesen Mikrocontroller einsetzen möchten, ist dieses Evaluierungsboard ein hervorragender Ausgangspunkt für das Design.

Abbildung 3: Das Evaluierungskit MAX32672EVKIT# von Analog Devices enthält einen MAX32672GTL+ mit einer vorprogrammierten Demonstration und Zugang zu benutzerentwickelten Programmen. (Bildquelle: Analog Devices Inc.)

Beim ersten Einschalten führt das Evaluierungsboard ein Demonstrationsprogramm aus. Darüber hinaus bietet das Evaluierungsboard Zugriff über seine internen I/O-Ports, und es sind Software Development Kits (SDKs) zum Schreiben eigener Programme erhältlich.

Fazit

Der MAX32672GTL+ ist eine kleine, stromsparende, leistungsstarke und flexible Lösung für Motor- und Bewegungssteuerung, industrielle Sensoren und batteriebetriebene medizinische Geräte: Roboterstaubsauger sind ein perfektes Beispiel. Dank des Evaluierungskits und der umfangreichen Tool-Unterstützung wird es vermutlich bald viele weitere interessante Entwürfe geben, die auf diesem System basieren. Lassen Sie es mich wissen, wenn Sie eine Idee haben.