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Effiziente Antriebsregelungen 32-Bit-RISC-Mikrocontroller verbessert Energieeffizenz

| Autor / Redakteur: Joachim Hüpper, Gunther Ewald* / Holger Heller

Noch nie war so viel die Rede von globaler Erwärmung und Energieeffizienz wie heute. In Japan wurden die Energieeffizienzgesetze schon vor ein paar Jahren verschärft, deswegen hat Renesas mit der SH/Tiny-Baureihe 32-Bit-RISC-Mikrocontroller entwickelt, mit denen sich die Effizienz elektrischer Geräte verbessern lässt.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Konstruktion Energie sparender Kühlschränke war bisher möglich, indem man die Styroporisolierung einfach einen Zentimeter dicker machte. Diese Methode ist aber für den nächsten großen Schritt untauglich, denn sie ist in der Sättigung, d.h., noch dickere Wände bringen nichts mehr. Experten sind sich einig: für eine weitere deutliche Verbesserung der Effizienz müssen elektronisch gesteuerte Motoren eingesetzt werden.

Der Markt für kleine elektrische Motoren in Consumeranwendungen, wie weißer Ware, HVAC und Pumpen umfasst in Europa ca. 100 Mio. Stück. Bisher waren aber fast alle dieser Motoren ohne MCU-Steuerung. Ändert sich dies jetzt aufgrund neuer Regeln, steht den elektronischen Antrieben für kleine Motoren ein Riesenboom bevor. Renesas verfügt hier über den Vorteil, dass die Regeln in Japan schon vor geraumer Zeit verschärft wurden und das Unternehmen in Europa einen Marktanteil von 60% bei den großen industriellen Motorsteuerungen aufweist. SH/Tiny ist das Resultat dieses über Jahre hinweg gewonnenen Knowhows, kombiniert mit dem Wissen um die Anforderungen im Bereich der weißen Ware. Renesas verfügt im europäischen Hausgerätemarkt über einen Marktanteil von ca. 40%.

Bildergalerie

SH/Tiny basiert auf dem SH2-Core, einer 32-Bit-RISC-CPU mit 16 General-Purpose-Registern, die jeweils 32 Bit breit sind uns somit eine schnelle Ausführung von C-Code gewährleisten. Schnelle Interrupt-Reaktionszeiten und eine 32 × 32 = 64 Multiply-Accumulate-Hardware. Um sicherzustellen, dass die CPU nicht durch langsames Embedded Flash gebremst wird, kommt hier die schnelle Embedded-Flash-Technologie MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Silicon) zum Einsatz. Die CPU läuft damit ohne Waitstates, ohne Cache und bei vollem Determinismus mit 65 Dhrystone MIPS.

Echtzeitanforderungen erfüllen

Die Peripherie ist aber auch von Bedeutung, da für die Steuerung elektrischer Motoren spezielle Timerstrukturen und A/D-Wandler erforderlich sind. Bei SH/Tiny kommt die MTU2-Timereinheit zum Einsatz, die universell einsetzbar ist und spezielle Modi für die Steuerung elektrischer 3-Phasen-Motoren bietet. Motorsteuerungen haben strenge Echtzeitanforderungen und so bietet der Timer eine Notfall-Aus-Funktion in Hardware. Die MTU2 versteht auch Quadraturencoderfeedback (Phasenzählmodus) und bietet 15-mA-Ausgänge zur direkten Ansteuerung von Optokopplern. Die A/D-Wandler können hardwareseitig mit den Timern synchronisiert werden, um so die Wandlung genau zum notwendigen Zeitpunkt durchzuführen. Die zwei unabhängigen Wandler bieten 10 Bit Auflösung, sind 2 µs schnell und haben jeweils eine Sample&Hold-Einheit, um an zwei Punkten gleichzeitig Messwerte zu nehmen.

Zur Kommunikation mit der Außenwelt stehen drei serielle Schnittstellen zur Verfügung, sowie bis zu 37 digitale Ein-/Ausgänge. Zur weiteren Peripherie zählen ein Watchdog, ein zusätzlicher Compare-Match-Timer, JTAG-Debug und mehr. Die Serie bietet 8 KByte RAM. Wegen der Anforderung an einen hohen Signal-Rausch-Abstand in industrieellen Applikationen hat SH/Tiny eine 5-V-Stromversorgung.

SH/Tiny steht heute in 48- und 64-Pin-Gehäusen und mit 64 oder 128 KByte Flash zur Verfügung. Noch dieses Jahr wird es neue kleinere Gehäuse mit 7 mm x 7 mm Kantenlänge geben und nächstes Jahr vollkompatible 16- und 32-KByte-Flash-Größen. Ferner gibt es in Form weiterer SH2-Mikrocontroller auch einen Aufwärtspfad, z.B. hin zu SH7146, 7149 mit 256 KByte und doppelten Timereinheiten zur Steuerung von zwei Motoren gleichzeitig, über den SH7147F mit zusätzlicher CAN-Schnittstelle, bis hin zur SH7086-Serie mit bis zu 512 KByte und 176 Pins, sowie 3-fach-A/D-Wandler, bei 80 MHz (über 100 Dhrystone MIPS). Ziel ist es, in Europa in wenigen Jahren 10 Mio. SH/Tiny pro Jahr zu verkaufen. Die Hälfte dieser Menge ist bereits durch gewonnene Projekte abgedeckt.

Tools und Systeme

Mit drei neuen Carrier-Boards gibt es jetzt die Möglichkeit, sich einfach und schnell in die SH/Tiny Serie einzuarbeiten (siehe Bilder 1 bis 3). In kurzer Zeit können preiswert auf Lochrasterplatine, Steckboard oder dem zusätzlichen EVBSH7125-Target-Board eigene Applikationen erstellen werden. Das Debuggen von unterwegs ist auch praktikabel, da die Boards über USB mit Strom versorgt werden. Weitere Hardware oder eine zusätzliche Spannungsversorgung wird nicht benötigt.

Technische Daten der Carrier-Boards:

  • Debugschnittstelle: Seriell über USB (38.400 Bd), Seriell mit E8 (250.000 Bd) oder über JTAG mit E10A (2.500.000 Bd)
  • Hardware: SH7125-MCU (SH2) getaktet mit 40 MHz
  • Quarz: 10 MHz
  • Stromversorgung: 4,0 bis 5,5 V DC über USB
  • Statusinformationen über zwei LEDs
  • Reset-Taster
  • 2 × 32 pol. 2,54-mm-Kontaktreihen, um alle 64 MCU-Anschlüsse zu kontaktieren.

Mit dem EVBSH7125-Target-Board lassen sich die Funktionen des SH7125 ausprobieren. Es verfügt über eine 3-Phasen-BLDC-Ansteuerung, Hallgeber-Eingang, RS232-Schnittstelle, SD-Karten-Slot, 2 × 16 Character-Display, Seiko RTC, EEPROM, Thermometer, LEDs etc. Das EVBSH7125-Carrier-Board (USB, E8 oder E10A) wird einfach auf das Target-Board aufgesteckt.

Für die SH2-/SH2A-Familien gibt es zwei C-/C++-Compiler: Den Renesas-Compiler, der sich in der mitgelieferten Trial-Version nach 60 Tagen auf 256 KByte limitiert und der KPIT-GNU-Compiler, der sich in die HEW-Debugoberfläche integriert und frei von Einschränkungen ist. Der GNU-Compiler ist kostenlos unter www.kpitgnutools.com erhältlich.

MCU-Programmierung leicht gemacht

Um die MCUs später in der fertigen Schaltung zu programmieren, gibt es zwei Möglichkeiten: Man verwendet entweder die serielle Schnittstelle COM1 und programmiert die MCU seriell asynchron mit bis zu 115.200 Bd oder man benutzt die JTAG-Schnittstelle der MCU. Für die erstgenannte Möglichkeit genügt ein MAX232 als Pegelwandler oder der E8- bzw. E8A- Debugger, zum Programmieren über die JTAG-Schnittstelle benötigt man einen E10A.

Neben diesen drei Boards gibt es von Renesas noch die Möglichkeit, ohne Einschränkung der UART-Schnittstellen den SH7125 zu debuggen. Dazu wird der funktionskompatible SH7086 mit 176 Pins an einen E10A-USB-LITE oder E10A-USB-AUD Debugger angeschlossen und die 48- bzw. 64 Pins für die Emulation auf ein Sockeladapter rausgeführt.

Man hat hier sogar noch erweiterte Trace-Möglichkeiten und kann ebenfalls einen Lauterbach-Emulator anschließen. Das derzeitige Flaggschiff unter den Emulatoren ist der E200F der ebenfalls ohne jegliche Einschränkungen der Peripherie arbeitet und noch einiges mehr an Debug-Funktionen bietet. Die drei Boards sind ab Lager lieferbar und einfach über den Glyn-Boardshop zu bestellen.

MONOS-Flash von Renesas

MONOS steht für „Metal Oxide Nitride Oxide Silicon“; das Besondere daran ist das Nitrid-Floatinggate, welches das Bit speichert. Das Nitrid bewirkt, dass im Falle einer temporären Störung nur die Elektronen an der Stelle der Störung abfließen. Das Floatinggate droht also nicht leer zu laufen. Damit lässt sich die Zelle bei hoher Zuverlässigkeit sehr klein auslegen, und klein bedeutet schnell. Ferner lassen sich mit MONOS-Flash Module bis zu 3,75 MByte realisieren, wie es in den neuesten Powertrain-SH-MCUs der Fall ist.

Verlosungsaktion: Gewinnen Sie eines von 50 SH-2/Tiny Carrierboards!

Glyn, Renesas und ELEKTRONIKPRAXIS verlosen 50 Carrierboards für den schnellen Einstieg in die SH-2/Tiny-Serie im Gesamtwert von ca. 1000 €. Folgende Board-/Debug-Varianten stehen zur Verfügung:

  • EVBSH7125-Carrier-USB: Debuggen über USB Schnittstelle
  • EVBSH7125-Carrier-E8: Debuggen über RENESAS E8 bzw. E8A
  • EVBSH7125-Carrier-E10: JTAG-Debuggen über RENESAS E10A

So können Sie ein Carrierboard gewinnen: Füllen Sie einfach das Teilnahmeformular „Renesas SH-2/Tiny-Carrierboard“ aus und beantworten Sie die folgende Frage: Wie heißt das Glyn-Targetboard (Typenbezeichnung), das für die o.g. Carrierboards angeboten wird?

Zum Gewinnspiel

Bitte geben Sie die Artikelbezeichnung Ihrer gewünschten Carrierboard-Variante an. Teilnahmeschluss ist der 30. November 2007. Der Rechtsweg ist ausgeschlossen. Viel Glück wünscht Ihnen die ELEKTRONIKPRAXIS-Redaktion!

*Joachim Hüpper ist Marketing Manager bei Renesas Technology Europe in Dornach; Gunther Ewald ist Section Manager Application bei Glyn in Idstein.

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