Обзор новой линейки микроконтроллеров SAMG с ядром ARM Cortex-M4F от компании Atmel

№ 7’2014
PDF версия
В современных мобильных устройствах устанавливают все большее количество разнообразных датчиков. Наличие в смартфонах и планшетах акселерометра, гироскопа и датчика освещенности уже давно является стандартным. Но многие производители к этому базовому списку добавляют довольно неожиданные датчики, например датчики влажности, а обработку данных с них поручают отдельному устройству. Подобные устройства компания Atmel сводит в группу под названием Sensor Hub. Одним из представителей таких приборов является линейка SAMG, краткий обзор которой дан в статье.

Введение

В современном мире коммуникаций разнообразные датчики используются повсеместно. Если ранее они предназначались только для простого мониторинга, то сейчас задачи обработки данных  с датчиков смещаются в сторону анализа состояния и положения устройств, что предполагает одновременный и совместный анализ данных с нескольких разнотипных датчиков. В частности, с датчиков движения: акселерометров, гироскопов, магнитометров; датчиков состояния окружающей среды: яркости и цвета освещения, температуры, давления и влажности. А также с других датчиков и контроллеров сенсорных интерфейсов.

Для удовлетворения таких потребностей компания Atmel в сотрудничестве с лидерами рынка изготовления датчиков создала решение под общим названием Sensor Hub, которое совмещает технологии низкого энергопотребления компании Atmel и опыт производителей датчиков, чтобы разработчик мог получить точные данные в реальном времени для контекстной реакции устройств на внешние воздействия при минимальном энергопотреблении. Такие системы уместны в носимой электронике: ультрабуках, планшетах, смартфонах, устройствах с IoT (Internet of Things — Интернет вещей), а также в игрушках и других подобных применениях. Эти микросхемы находят свое место и в иных приложения, где необходимы сбор и первичная обработка информации или требуются компактные корпуса, в том числе и в задачах с сетевым питанием.

Решения Atmel Sensor Hub включают как законченные устройства со встроенной микропрограммой, так и продукты с пользовательской микропрограммой. Это быстро набирающая популярность линейка SAMD на базе ядра ARM Cortex-M0+ и недавно вышедшая линейка микроконтроллеров SAMG на базе ядра ARM Cortex-M4F со встроенным модулем FPU, наряду с DSP-инструкциями ядра Cortex-M4, доступное в сверхмалых корпусах WLCSP49.

По замыслу инженеров компании Atmel само решение Sensor Hub включает не только кристалл, в том числе беспроводные решения и доступные для OEM-производителей контроллеры сенсорных экранов, но и другие элементы экосистемы разработки Atmel. Со стороны ПО это среда разработки Atmel Studio вкупе с библиотекой Atmel Software Framework, а со стороны аппаратной части — оценочные решения Xplained Pro. Вместе они создают платформу для простой и быстрой разработки приложений.

 

Особенности линейки SAMG

На текущий момент линейка состоит из двух семейств: SAMG51 и SAMG53. Оба семейства доступны в удобном для пайки корпусе QFP100 и актуальном для носимых применений благодаря малому размеру корпуса WLCSP49 — 3×3 мм. Микроконтроллеры линейки SAMG имеют широкие коммуникационные возможности для такого размера, хорошую аналоговую часть и низкое энергопотребление. Основные отличия между SAMG51 и SAMG53 заключаются в объеме флэш-памяти, наличии функционала SleepWalking, максимальном напряжении питания, количестве каналов DMA и наличии некоторых коммуникационных интерфейсов (таблица).

Таблица. Сравнение характеристик семейств SAMG

Параметр

SAMG51

SAMG53

FPU

+

+

Макс. частота, МГц

48

48

Напряжение питания, В

1,62–2

1,62–3,6

SRAM, кбайт

64

96

FLASH, кбайт

256

512

SleepWalking

+

DMAC

18 каналов

28 каналов

EVSYS

3 канала

3 канала

USART/UART

1 + 2

2 + 2

I2C Master

2 при 400 кбит/с

2 при 400 кбит/с

I2C Slave

1 при 3,4 Мбит/с

1 при 3,4 Мбит/с

SPI

1 при 24 Мбит/с

1 при 24 Мбит/с

I2S

2

PDM

2

TC/RTT

3×16-битный + 1×32-битный

6×16-битный + 1×32-битный

АЦП

8×12 бит, 800 ksps

8×2 бит, 800 ksps

Корпус

WLCSP49, QFP100

WLCSP49, QFP100

Как уже говорилось, новая линейка SAMG построена на базе процессорного ядра ARM Cortex-M4F, которое является развитием Cortex-M3. Ядро Cortex-M4 получило ряд инструкций DSP, а в Cortex-M4F дополнительно установлен модуль вычислений с плавающей точкой (FPU), что делает его применимым для сравнительно сложных вычислений при обработке данных, полученных с датчиков перед отправкой в центральное устройство. Базовая производительность, заявленная компанией ARM, составляет 3,4 CoreMark/МГц. Соответственно, поскольку ядро стало сложнее, немного увеличилась площадь кристалла и незначительно выросло его энергопотребление по сравнению с ARM Cortex-M3.

 

Периферия

Микроконтроллеры линейки SAMG оснащены богатым набором периферии, особенно если учитывать размеры корпуса WLCSP49.

Микроконтроллер имеет 28 линий ввода/вывода, содержит шесть 16‑битных таймеров‑счетчиков и один 32‑разрядный таймер реального времени RTT. Для снижения нагрузки на ядро и в целях энергосбережения установлены контроллер DMA на 28 каналов и система событий на 3 канала. В младшем семействе снижено количество каналов DMA и отсутствует система событий.

Система тактирования разбита на два основных домена: медленный и быстрый. Последний имеет функционал определения сбоев тактирования. Оба домена могут тактироваться как от внешних резонаторов, так и от внутренних RC-генераторов. Также присутствует PLL, источником тактирования которого выступает медленный домен.

В старших микросхемах, SAMG53 (рис. 1), для коммуникации можно задействовать следующие коммуникационные модули:

  • быстрый, до 24 Mбит/с SPI;
  • I2C: два master на 400 кбит/с и один slave на 3,4 Мбит/с;
  • I2S, два канала;
  • USART + SPI;
  • 2×UART;
  • PDM с возможностью подключения двух микрофонов.
Блок-схема микроконтроллера SAMG53

Рис. 1. Блок-схема микроконтроллера SAMG53

В младшем семействе отсутствует I2S и PDM, остальная коммуникационная периферия установлена.

Аналоговая часть представлена восьмиканальным АЦП с разрешением до 12 бит и с частотой оцифровки до 800 000 отсчетов в секунду. Модуль поддерживает DMA, систему событий и логику сравнения. Также модуль имеет оптимизированное энергопотребление и быстро выходит из сна.

 

Энергопотребление

Поскольку данные семейства в первую очередь ориентированы на батарейное питание, энергосбережению уделено существенное внимание. В частности, в старшем семействе применены следующие решения.

Технология SleepWalking для трех коммуникационных модулей, модуль DMA с большим количество каналов и система событий, охватывающая три периферийных модуля: АЦП и два таймера. Эти три решения позволяют значительно снизить количество пробуждений ядра.

Производительное ядро, быстро выходящее из режимов энергосбережения, снижает необходимое время своей работы, а малопотребляющие источники тактирования и оптимизированная периферия сокращают энергопотребление периферии. В частности, АЦП потребляет 360 мкА в активном режиме и 2 мкА в режиме ожидания, при этом время пробуждения заявлено равным 5 мкс. Само ядро потребляет от 100 мкА/МГц в работе и от 7 мкА в режиме энергосбережения и выходит из сна за 3 мкс. Также нужно отметить, что существует возможность выбирать количество обновляемой памяти SRAM и вся периферия, ядро и функционал самопрограммирования флэш-памяти функционируют на минимальном напряжении в 1,7 В.

 

Средства разработки

Для работы со всем ассортиментом микроконтроллеров Atmel, включая SAMG, компания предлагает свою бесплатную интегральную среду разработки Atmel Studio. Среда ориентирована на полный цикл разработки и отладки приложений на языке C/C++ и языке ассемблера для 8‑ и 32‑битных микроконтроллеров Atmel AVR, беспроводных SoC Atmel SAMR и линеек микроконтроллеров SAM3, SAM4, SAMD и SAMG с ядром ARM Cortex-M. Поддержка рассматриваемого семейства введена в среду разработки начиная с версии 6.2. В состав среды включены следующие компоненты:

  • Atmel Software Framework (ASF).
  • C/C++ компилятор GCC с поддержкой командной строки для микроконтроллеров с ядром AVR и ARM.
  • Дебаггер с расширенным функционалом.
  • Редактор с подсветкой синтаксиса.
  • Extension Manager — менеджер расширений для Atmel Studio.
  • Atmel QTouch Composer — набор средств для разработки и отладки сенсорных интерфейсов.
  • Wireless Composer — средства для отладки беспроводных приложений.
  • Atmel Spaces — облачный защищенный сервис для обмена проектами с функционалом репозитория.

ASF также доступна в виде библиотеки для среды разработки Embedded Workbench от компании IAR.

В качестве аппаратных средств отладки для своих продуктов Atmel предлагает внутрисхемные отладчики ATMEL-ICE и AT91SAM-ICE (рис. 2). Первый ориентирован на работу с устройствами на базе ядер AVR и ARM Cortex-M. AT91SAM-ICE является клоном популярнейшего внутрисхемного отладчика J‑Link от компании Segger и ориентирован на работу с ядрами ARM7, ARM9 и ARM Cortex-A5.

Аппаратные средства отладки

Рис. 2. Аппаратные средства отладки

Для ускоренного освоения новых микроконтроллеров предлагаются новые недорогие оценочные наборы серии XPlained Pro на базе SAMG53 (рис. 3). Как и другие платы данной серии, они имеют реализованный на дополнительном микроконтроллере внутрисхемный отладчик на плате и опциональные модули расширения:

  • ATPROTO1‑XPRO — макетное поле;
  • ATIO1‑XPRO — плата с датчиками и microSD-слотом;
  • ATOLED1‑XPRO — плата с OLED-графическим индикатором;
  • ATEPD-XPRO — контроллер E‑INK-дисплея.
Оценочная плата ATSAMG53 XPRO

Рис. 3. Оценочная плата ATSAMG53 XPRO

Платы имеют прозрачную поддержку в Atmel Studio и содержат средства идентификации для среды разработки как базовых плат, так и опциональных, что облегчает первые этапы знакомства со средой и оценочными платами.

 

Заключение

Экосистема Sensor Hub, включающая как средства сбора информации, в том числе семейство SAMG, так и программные продукты и средства отладки, упрощает разработку подсистем сбора информации в задачах, критичных к энергопотреблению, в частности, в различных мобильных устройствах. Микроконтроллеры линейки SAMG, имеющие до десяти коммуникационных интерфейсов, АЦП, ядро ARM Cortex-M4F, различные механизмы энергосбережения и упакованные в сверхмалые корпуса размером 3×3 мм, являются крайне интересным продуктом, применимым как в качестве устройства в рамках Sensor Hub, так и для других задач, в том числе и задач общего назначения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *