下一代MCU實現工業物聯網

Spansion工業市場和應用經理 Wolf Fronauer

下一代MCU實現工業物聯網

Spansion工業市場和應用經理 Wolf Fronauer

隨著在工業應用中日益增加的設備與生產工藝連接，系統開發商正面臨著不斷變化的生產條件。他們需要在更短的時間內，并且如果可能的話，以較低的成本提供靈活和簡化的設計。具有大容量嵌入式閃存并支持CAN FD等新協議的高性能MCU可以幫助滿足這些需求。

物聯網（IoT）要求電子標準模塊和元器件必須在少量和/或恒定的能量消耗限制下工作，同時具備一定的智能和性能。因此無論是在操作過程中還是在待機狀態下，現代MCU都需要以盡可能低的能耗提供最大性能。實際上，尤其是在待機狀態下，元器件消耗的電流應該只有幾微安，因為在一些應用中，MCU僅激活很短的時間以執行計算密集型操作；而在剩下的時間里都處于非激活狀態。在這些情況下，設計人員需要考慮整體的能耗預算：不只是決定計算執行時長的峰值能耗和動態能耗，還有在待機狀態下和狀態切換過程中的能耗。

考慮到這些要求，Spansion公司開發出S6E2C系列MCU，作為其FM4系列產品的一部分。新產品內置浮點運算單元，可以達到200 MHz的操作速度。嵌入式閃存加上集成的閃存加速器可實現高達200 MHz的運行速度而無需等待周期，只需340 μA/MHz的動態功耗，從而獲得新的設計自由度：例如，未使用的資源可以斷開與內部時鐘脈沖的連接以便節省動態能耗。在待機模式（RTC）下FM4的管理功耗小于2 μA。

安全的OTA固件更新

在自動化或機器對機器（M2M）通信的智能電表等應用中，常常需要通過網絡連接或無線方式來更新固件，從而在無需實地操作的情況下保持產品的先進性或擴展更多的功能，比如新版本通信協議的更新。為了安全地更新固件，數據被發送時附加上CRC碼，目標系統隨后據此檢查在傳輸過程中是否產生了錯誤。

FM4 MCU提供一個基于市場現有標準多項式的硬件可編程CRC模塊，而且用戶還可以自己定義多項式。在完整性檢查之后，可以在閃存中對新的固件進行編程。這些都是通過經由任何網絡接收新固件并執行CRC校驗和實際擦寫的引導程序來完成。

圖1 基于ARM Cortex-M4的設計，Spansion S6E2C系列MCU可提供高達2 MB嵌入式閃存和256 KB的RAM，以及200 MHz的最大時鐘速度

但是，在無線等不穩定的網絡連接情況下存在著固件可能無法完全地快速傳輸到目標系統的風險。為了確保安全更新需要特殊的硬件，新產品中包含有設計用于2 MB嵌入式閃存更新的操作模式。在現有固件在第一個1 MB內存中運行的同時，第二個1 MB內存可以被逐個比特的重新編程（見圖2）。在下次系統啟動時新固件才會上線并執行，隨后只需成功完成一次編程和驗證。此時雙閃存交換它們的角色并進行下一步的更新。

圖2 雙組閃存允許一組存儲在下載并驗證固件更新的同時主閃存組在支持系統操作，只有在重啟后該過程才算完成，以便保護系統并優化性能

增加新接口

在工業環境中的聯網有著不同的形式，從經典的CANbus等現場總線，到具有多種特性的基于以太網的總線（如：Profinet、POWERLINK、Modbus TCP等）。最初開發用于汽車電子領域的CANbus最近經歷了引進靈活數據速率CAN（CAN FD）的演變。在無需改變物理層的情況下新的協議提供了一些優勢。通過切換數據傳輸時的速度，CAN FD可以提供比先前版本高8倍的吞吐量，同時允許使用現有的總線拓撲結構（參見圖3）。該S6E2C系列配備了兩個CAN通道和一個CAN-FD通道來向工業市場提供CAN-FD。

圖3 內置以太網接口特別適合于IoT應用，提供10/100 Mbps支持，可以控制MII或RMII的PHY，并有自己的TX/RX FIFO和DMA總線

許多制造商提供現成的解決方案包，可以快速啟動開發自定義應用，并且非常適合于快速的可行性研究。“FM連接以太網”解決方案包的框架支持ProfiNET Conformance Class B、以太網 POWERLINK、Modbus TCP和基于Web瀏覽器的用戶界面，也可提供預配置的Web服務器（無論是基于uIP還是LwIP的）。例如，使用AJAX對象可以增加通過網絡服務器來訪問設備上現有用戶界面的新方式。有趣的是，兩種方式的訪問可以同時進行，這意味著通過遠程維護終端對設備所做的調整將在設備上立即可見，反之亦然。

USB使操作變輕松

雖然算不上新技術，但是與曾經應用廣泛而現在卻很難找到的老式RS232接口相比，USB接口在工業應用中正變得越來越流行。USB安全地簡化了設備與普通PC系統的連接。用戶可以通過標準USB閃存方便記錄數據或更新固件，或者干脆用標準鍵盤操作用戶界面，而無需定義自己的按鍵。

這是一項強大而復雜的技術。為了便于使用，Spansion公司提供了名為“FM連接USB”的解決方案包。主要內容是“USB向導”。該PC程序以輸入的基本數據為基礎，為FM4 MCU創建一個完整的模板。除了啟動代碼，它還包含對主機或設備上最多兩個USB接口，以及首選的USB應用程序API的全部設置。

當FM4 MCU設為主機模式時，可以選擇海量存儲類（USB驅動器）、鍵盤、鼠標和自定義類；當USB接口設置為設備模式時，可以從虛擬COM端口選擇LibUSB以及海量存儲類。

該S6E2C系列提供外部總線接口，支持NOR閃存、NAND閃存、SRAM和SDRAM存儲器。可通過四SPI（QSPI）接口選擇外接從4 Mb到高達1 Gb的閃存。S6E2C SD卡接口提供了其他的可能選擇。SD卡因其高密度適用于存儲HMI圖形數據等用途而受到廣泛歡迎。通過輕松更換SD卡用戶就可以更新HMI圖形文件。當然，SD卡還可以用于記錄數據或參數。最后，SD卡的標準WLAN模塊非常適合于通過WIFI連接來裝配定制的模塊化應用程序。

其他解決方案選項

為了簡化集成，除了前面提到的“FM連接以太網”和“FM連接USB”，MCU產品線還包括解決方案包。FM逆變器為操作帶與不帶編碼器或霍爾傳感器反饋的不同類型變頻電機提供算法和采樣軟件。S6E2C系列還具有三重多功能定時器，用以產生互補的脈寬調制（PWM）信號、添加停滯時間、觸發3個12位A/D轉換器，并執行其他所有的電機驅動的具體硬件任務。6.25 ns的最大分辨率能夠改善細節、創建非對稱PWM，并提供在出錯情況下采取時鐘獨立的緊急停機的異步急停端口。

FMtouch提供電容式觸摸的補充功能，以按鈕、滑塊、滾輪或X/Y矩陣的方式來操作MCU的32個端口。該模塊可提供優于10 fF的靈敏度、自動偏移和串擾抑制，同時最大限度地減少CPU的負荷以及對測試應用程序的影響。該軟件包包括一個特殊的固件庫和PC的配置及設定程序caltool。再加上觸屏的樣本布局和安全設計技巧構成了完整的軟件包。

無論是在功能性還是在產品差異化方面，越來越多的工業產品采用TFT型人機界面。FM彩包集成了直接從MCU驅動TFT的必要算法。S6E2C MCU可直接驅動分辨率高達WQVGA的顯示器。名為“TFT向導”的工具使得設計人員能夠在PC上創建簡單的場景，然后在FM系列的固件中實現它們。

專為物聯網設計的MCU提供了工業網絡所需的性能。一整套的解決方案包讓開發人員能夠輕松地利用這些基于ARM Cortex-M的MCU來開發原型、生產出更好的產品并更快地推向市場。諸多優勢和特殊的技術特性使得這些產品在到處涉及可擴展平臺、快速設計和良好技術支持的工業市場中成為有吸引力的不錯選擇。

2015-03-01）