Электронные компоненты №5/2010

содержание

№5/2010 РЫНОК

40 Стефен Олсен Станет ли 2010 г. поворотной точкой для многоядерных СнК?

6 1-я Всероссийская конференция «Датаком» 9 16 ГГц Agilent Technologies!!!

42 Акбер Казми USB и PCI Express: перспективные интерфейсы для встраиваемых систем

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 14 Александр Щеглов Снижение электромагнитных помех в системе с помощью тактовых генераторов с распределенным спектром

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ 50 Валерий Жижин Проектирование измерительной системы для контроллера электромагнитного клапана

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ 22 Александр Колаев Виртуализованное проектирование встраиваемых электронных систем 28 Дмитрий Прыгунов Процессоры Intel Core: новое наступление x86архитектуры на рынке встраиваемых систем

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА 56 Ирина Ромадина Новинки микросхем светодиодных драйверов ON Semi

ЭЛЕКТРОПРИВОД

31 Майкл Паркер Увеличение пропускной способности промышленных приложений с помощью сопроцессора на FPGA 35 Сергей Тихонов Ключевые направления развития процессорных систем

63 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов, Лев Макаров, Андрей Зайцев, Дмитрий Гаронин Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 5. Разработка КТЭО для гибридных транспортных средств в Концерне «Русэлпром»

журнал для разработчиков

19 Роман Кондратюк Применение полимерных клеев и стеклянных припоев в сборке и герметизации ИС и оптоволоконных приборов

46 Леонид Акиншин О новизне процессоров Intel Core i3/i5/i7

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35 тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, прз. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by.

IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согласия редакции. При перепечатке материалов ссылка на журнал «Электронные компоненты» обязательна. Ответственность за достоверность информации в рекламных объявлениях несут рекламодатели. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Подписано в печать 10.06.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

Электронные компоненты

www. elcp.ru

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

68 Наталья Кривандина Микро- и маломощные операционные усилители компании Maxim

АЦП И ЦАП

83 Нарасимхан Венкатеш Принципы беспроводного подключения встраиваемых систем по стандарту 802.11n

ДАТЧИКИ

73 Эндрю Сиска, Менг Хе Состязание двух архитектур преобразователей: АЦП последовательного приближения против сигма-дельта АЦП СОДЕРЖАНИЕ

4

77 Агнес Фейн, Вольфганг Мерик Реализация интрефейса беспроводной сети на FPGA

87 Павел Усачев Современные технологии MEMS открывают путь для новых приложений

ПОСЛЕ РАБОТЫ 90 Александр Каменский Блок обеспечения доступа на основе RFIDтехнологии BM3420

СТАНДАРТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ 81 Леонид Авгуль, Виктор Кряжев, Сергей Курносенко, Сергей Терешко, Леонид Шумов Микросхемы высокочастотных делителей 5861ПЦ1У, 5861ПЦ2У

WWW. ELCP.RU

92 Томас Шерер Балансировочное устройство для заряда аккумуляторов LiPo 94

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 5 / 2 0 1 0 E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #5 2010 ELECTRIC DRIVE

6 The 1st All-Russian Datacom Conference

63 Stanislav Florentsev, Dmitry Izosimov, Lev Makarov, Andrey Zaitsev and Dmitry Garonin Traction Motor in Hybrid Vehicles. Part 5. Designing Drive Engineering Package for Hybrid Vehicles in Ruselprom

9 16 GHz Agilent Technologies!!!

DESIGN AND DEVELOPMENT 14 Alexander Shcheglov Spread-Spectrum-Clock Generators Reduce EMI 19 Roman Kondratyuk Polymeric Adhesives and Glass Solders for Assembly and Encapsulation of IC and Fiber Devices

EMBEDDED

ANALOG 68 Natalya Krivandina Operational Amplifiers from Maxim

ADC/DAC 73 Andrew Siska, Meng He "Golden Gloves" A/D Converter Match: SuccessiveApproximation Register vs. Sigma-Delta Topology

22 Alexander Kolaev Getting a Handle on Virtualization and Putting It to Work 28 Dmitry Prygunov Intel’s Core i7: What It Means to the Embedded Market

77 Agnes Fain, Wolfgang Meryk Implementing Wireless LAN Interface in an FPGA

STANDARD DIGITAL IC AND MEMORY

31 Michael Parker Increasing Bandwidth in Industrial Applications with FPGA Co-Processors 35 Sergey Tikhonov Embedded Processing Trends

81 Leonid Avgul, Victor Kryazhev, Sergey Kurnosenko Sergey Tereshko, and Leonid Shumov High-Frequency Divider 5861PC1U and 5861PC2U

SENSORS 87 Pavel Usachev State-of-the Art MEMS Open a Way to New Apps

40 Stephen Olsen The Multicore SoC — Will 2010 be the Turning Point?

42 Akber Kazmi USB and PCI Express: Advanced, Evolving Interconnects for Embedded Systems 46 Leonid Akinshin Newness of Intel Core i3/i5/i7 Processors

THEORY AND PRACTICE 83 Narasimhan Venkatesh The Basics of Adding 802.11n Wireless Connectivity to Your Embedded Design

AT LEISURE 90 Alexander Kamensky VM3420 RFID-Based Access Unit

TEST AND MEASUREMENT 50 Valery Zhizhin Designing Measuring System for Controller of Electromagnetic Valve

LIGHTING AND OPTOELECTRONICS 56 Irina Romadina New LED Driver ICs from ON Semi

92 Thomas Scherer Balancer for Charging LiPo Batteries

NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET 94

Электронные компоненты №5 2010

5 СОДЕРЖАНИЕ

MARKET

16 ГГц AGILENT TECHNOLOGIES!!! Поводом к интервью послужило феноменальное, на наш взгляд, достижение компании Agilent Technologies — создание чипсета с полосой пропускания аналогового тракта более 16 ГГц. Однако Agilent — мировой лидер по производству измерительных приборов, и было бы неразумно осветить в интервью лишь один аспект деятельности компании. Поэтому в беседе с Дэном Томассоном (Dan Thomasson), директором центра высокочастотных технологий, мы коснулись всех аспектов деятельности Agilent Technologies.

— Укрепилось ли положение компании на российском рынке? Agilent планирует расширение бизнеса в России?

— В прошлом году компания Agilent Technologies отпраздновала 40-летие работы на российском рынке.

Компания Hewlett-Packard (ныне — Agilent Technologies и HP) была первой иностранной фирмой, которая открыла свое представительство в СССР. За последние несколько лет ежегодный рост продаж оборудования Agilent в России составлял двухзначную цифру ежегодно (за исключением, пожалуй, прошлого года, когда в связи с глобальным финансовым кризисом рост существенно замедлился). В целом мы намерены и в дальнейшем наращивать свое присутствие в России, чтобы у нас было и время, и ресурсы для работы с каждым запросом каждого заказчика. Успешно работает наш сервисный центр, ориентированный на обслуживание всех линеек измерительной техники, проданной в России. Более 95% всех приборов обслуживаются в Москве, без вывоза за рубеж, что существенно сокращает сроки проведения ремонта и сервисного обслуживания. Сервисный центр Agilent в Москве, первый среди иностранных производителей контрольно-измерительной техники, получил право проводить поверку контрольно-измерительных приборов Agilent с частотным диапазоном до 18 ГГц. Поверку проводят обученные специалисты Agilent Technologies, аттестованные в качестве поверителей органами Государственной метрологической службы. Результаты поверки средств измерения (СИ), признанных годными к применению, оформляются в виде свидетельства о поверке установленного образца. Кроме того, в 2009 г. по результатам проверки технической компетенции поверочной лаборатории завода Agilent Technologies в Пенанг (Малайзия) Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии и наша компания подписали Протокол о признании результатов заводской калибровки приборов в качестве первичной поверки. В ближайшем будущем сервис-центр Agilent в России планирует получить лицензию на проведение поверочных работ для основных групп приборов с диапазоном до 40 ГГц, в т.ч. для анализаторов сигналов, генераторов сигналов, анализаторов цепей и т.д.

Мы продолжаем работу по сертификации приборов — на сегодняшний день Agilent Technologies имеет сертификаты об утверждении типов средств измерений на более чем 100 категорий продукции, а также более чем 25 сертификатов двойного назначения. Мы продолжаем переводить на русский язык технические описания, брошюры и пресс-релизы. Мы ведем постоянный диалог и проводим встречи с представителями метрологических органов России и уверены, что на российском рынке Agilent Technologies будет занимать лидирующую позицию по основным линейкам продуктам.

— Сегодня во множестве продается относительно недорогое контрольно-измерительное оборудование из стран ЮВА. Составляет ли оно серьезную конкуренцию продукции компании? Имеются ли в продуктовой линейке Agilent экономичные приборы, конкурентоспособные по цене с продукцией компаний ЮВА?

— В 2005 г. компания Agilent Technologies приступила к интенсивному производству и расширению номенклатуры приборов экономкласса. Инновационность, высокое качество и широкие возможности, присущие только приборам Agilent высшей ценовой категории, стали доступны для пользователей бюджетных приборов. Это относится к настольным, ручным, модульным и портативным приборам бюджетной категории, каждый из которых способен полностью удовлетворить требования пользователей. Во всем мире ощущается потребность в качественном контрольноизмерительном оборудовании. При этом требования к недорогим приборам резко изменились. Старый принцип «минимальной достаточности» больше

Электронные компоненты №5 2010

9 РЫНОК

— Мы встречались c Бенуа Нилом, генеральным менеджером Департамента электронных измерений по региону EMEA (Европа, Средняя Азия и Африка), около 2,5 лет назад — в ноябре 2007 г. Какие перемены произошли в компании? Перечислите, пожалуйста, основные.

— Уже второй год Департамент электронных измерений компании Agilent продолжает уверенно работать в сложнейших условиях всемирного экономического спада. Хотя кризис оказал влияние и на наш бизнес, в настоящее время мы ощущаем стабильный рост. Чтобы его обеспечить, мы продолжили инвестировать в исследования и разработки, благодаря чему смогли в 2009 г. предложить заказчикам более 200 новых приборов и приложений в области контрольноизмерительной техники. Мы ощущаем потребность рынка в новых продуктах, в новейших осциллографах и анализаторах цепей, анализаторах спектра и сигналов. Особенно хочется отметить наше лидерство в области тестирования LTE с помощью множества новых программных приложений и аппаратных средств, таких как высокоскоростной анализатор сигналов Agilent PXA. Мы укрепили свои лидирующие позиции в области измерения Х-параметров с помощью анализаторов цепей PNA-X и САПР ADS. Компания располагает лучшим в отрасли высокопроизводительным осциллографом серии Agilent 90000 серии X. Фактически, последние 10 лет мы являемся самым быстроразвивающимся производителем осциллографов в мире. Мы расширили область сбыта через своих дистрибьюторов и партнеров по всему миру, чтобы найти новых заказчиков и проникнуть в регионы, где мы традиционно не были представлены. В целом, мы продолжаем укреплять свои позиции.

не действует. Приборы эконом-класса Agilent вполне конкурентоспособны в ценовом отношении и отличаются многофункциональностью (функции нескольких приборов в одном), портативностью и универсальностью для применения в полевых условиях, точностью, высоким качеством и надежностью, имеют мощную сервисную поддержку независимо от места эксплуатации.

— Охарактеризуйте, пожалуйста, кратко состояние мирового рынка контрольно-измерительного оборудования. Какое положение занимает Agilent?

— Рынок контрольно-измерительного оборудования оценивается в 44 млрд долл. и предоставляет широкие возможности для множества игроков. Наша компания предлагает своим заказчикам наиболее совершенные и передовые решения. Измерения — это основа научного прогресса, а их результаты — ключ к решению самых важных современных технических и социальных проблем. Компания Agilent — главный эксперт и мировой лидер в области измерений, это единственная компания, которая охватывает весь диапазон измерений — от моделирования сигнала до средств генерирования сигнала и его анализа. Все, что мы делаем, направлено на то, чтобы весь мир, все инженеры знали, что мы создаем решения, лидирующие во всех областях. Наша основная цель — предоставить любому инженеру в любой точке мира наиболее совершенное контрольно-измерительное оборудование.

РЫНОК

10

— Agilent развивает два направления: биотехнологии/химический анализ и электронные измерения. Насколько эти приложения связаны друг с другом? Каков удельный вес каждого из них в общем обороте, одинаково ли они выгодны?

— Измерения физических величин, биотехнологии/химический анализ и электронные измерения всегда были независимыми и мало пересекающимися направлениями. Современное положение компании Agilent — ведущего поставщика КИП и эксперта в области измерений — открывает широкие возможности по слиянию решений в области электроники, биотехнологий и химии. Из годового оборота Agilent в 4,5 млрд долл. на биотехнологии приходится 1,2 млрд долл., на химический анализ — 0,9 млрд долл. и на электронные измерения — 2,4 млрд долл.

— Ваша компания — один из инновационных лидеров в своем сегменте рынка. Расскажите подробнее о

WWW.ELCP.RU

дизайн-центрах: их число, география размещения; затраты на них в процентах от общего оборота.

— Agilent — мировой лидер по производству средств измерений. Технологическое лидерство Agilent особенно проявляется в высочайшем качестве приборов, характерном для всей нашей продукции. Для поддержания ведущих позиций Agilent активно финансирует общие и специализированные исследования в своих лабораториях и конструкторских бюро, которые расположены по всему миру: в США (Калифорния, Колорадо), Шотландии, Бельгии, Китае, Индии. Центры Agilent Labs занимаются разработкой в сфере биохтехнологий. Измерительно -исс ледовательские лаборатории, входящие в организацию «Тех но логическое лидерство» (TLO) Департамента электронных измерений, занимаются развитием средств электронных измерений. Департамент электронных измерений Agilent инвестирует в исследования и разработки 12—18 % всего оборота. Специалисты центральных лабораторий создают революционные решения для применения в нашей аппаратуре: от высокочастотных полупроводниковых приборов до специализированных интегральных схем для АЦП, используемых при научных измерениях. Успех наших осциллографов 90000 серии X — свидетельство того, как компания Agilent объединяет разработанные в центральных исследовательских лабораториях революционные технологические достижения с богатейшим опытом своих специализированных конструкторских бюро. Специалисты наших центральных исследовательских лабораторий, создавшие транзистор на основе InP с частотой переключения 200 ГГц, вместе с конструкторами осциллографов разработали чипсет с полосой частот аналогового сигнала 32 ГГц, задающий новый стандарт эффективности осциллографов. Главной ценностью наших лабораторий является персонал, обладающий богатым исследовательским опытом, глубокими знаниями технических дисциплин и умеющий внедрять научные достижения в производство, а также располагающий богатейшим набором научного оборудования и конструкторского инструментария мирового класса.

— Компания Agilent осуществила серьезный технологический прорыв, разработав чипсет с полосой пропускания аналогового тракта свыше 16 ГГц. Как долго шла работа над созданием нового чипсета? Компания выполнила всю разработку своими силами или в кооперации с кем-то?

— Колоссальный опыт специалистов нашей компании позволил разработать чипсет для осциллографа с полосой частот 32 ГГц всего за несколько лет.

Agilent явлется уникальной компаниейпроизводителем КИП, поскольку она разрабатывает и выпускает не только приборы, но и необходимые интегральные схемы. Самостоятельное проектирование и полный цикл изготовления интегральных схем на основе собственной производственной базы обеспечивает лучшую в отрасли производительность, а также позволяет выполнять разработку новой продукции с невиданной гибкостью и скоростью. В своей работе мы не зависим от отношений с поставщиками комплектующих, что способствует неизменно высокой производительности, качеству и скорости разработок. Несмотря на то, что современный рынок предлагает готовые технологии коммерческого производства полупроводников, компания Agilent самостоятельно разработала процесс изготовления ИС на индиево-фосфидных биполярных транзисторах на гетеропереходах с частотой переключения 200 ГГц. Это позволило обеспечить соответствие строгим требованиям качества и надежности, предъявляемым к измерительной аппаратуре. Четыре из шести ИС чипсета определяют основные характеристики осциллографа. Пробник и ИС входного усилителя имеют полосу 32 ГГц и уровень собственных шумов 450 мкВср. кв.. ИС запуска работает по сигналам до 25 ГГц с вероятностью ошибки 10 –9. ИС дискретизатора обеспечивает частоту выборки по одному каналу 80 Гвыб./с, а по двум — 40 Гвыб./с.

— Собирается ли компания дальше работать в этом направлении, например, создавать аналоговые компоненты для СВЧ-цепей?

— Самостоятельная разработка сложных полупроводников для Agilent не в новинку и мы планируем продолжить конструирование собственных СВЧ-элементов, являющихся «изюминкой» нашей продукции. Вот уже двадцать лет Agilent разрабатывает и выпускает собственные интегральные схемы для радиочастотных и СВЧ анализаторов цепей, анализаторов спектра и других приборов. А несколько последних лет Agilent успешно поставляет ИС на основе фосфида индия для различной измерительной аппаратуры. Совершенно понятно, почему Agilent продолжает разработку собственных высокочастотных микросхем. Прогресс в области электроники приводит к увеличению объема информации, передаваемой во все более широкой полосе частот, поэтому возможности измери-

— Чипсет с полосой пропускания аналогового тракта более 16 ГГц — замечательное достижение, но как быть с пассивными компонентами — конденсаторами, резисторами — для таких частот? Не будут ли они источниками дополнительных искажений сигнала?

— Это очень важный вопрос, на примере которого можно понять, почему Agilent занимается собственным производством полупроводников. Нам требуются ИС с рабочей частотой до (и даже более) 110 ГГц, поэтому столь высокочастотные пассивные компоненты должны иметь совершенно другую конструкцию и характеристики. Я не покривлю душой, сказав, что наша уникальная технология производства обеспечивает непревзойденное качество этих изделий, а весь технологический процесс оптимизирован под требования измерительной техники. Таким образом, пассивные элементы (и другая продукция) обладают большей точностью, стабильностью и воспроизводимостью характеристик, чем изделия, изготовленные по общепринятой технологии. Для того чтобы оценить влияние пассивных элементов на характеристики СВЧ-тракта и обеспечить согласование полных сопротивлений, необходимо выполнить соответствующее моделирование, которое само по себе является сложной инженерной задачей.

Именно поэтому мы располагаем лучшей в мире командой специалистов в области моделирования. Эта же команда создала алгоритм моделирования Х-параметров — быстро развивающуюся технологию измерения и симуляции, задающую новые стандарты разработки высокочастотных чипов. Вот почему наше собственное производство ИС по многим параметрам занимает первое место в мире. С учетом менее заметных аспектов, таких как изготовление упомянутых вами пассивных элементов, наши производственные возможности позволяют выпускать надежные и высококачественные средства измерений.

— Широкая полоса частот (свыше 16 ГГц) влечет за собой повышенный уровень шума. Каковы шумовые характеристики тракта?

— Используемые в осциллографах Infiniium 90000 серии X интегральные схемы на фосфиде индия разработаны с учетом требований относительно малых шумов. Высокоскоростные транзисторы позволили разработчикам ИС оптимизировать шумовые характеристики даже при полосе 32 ГГц. Чипсет обеспечивает более широкую полосу частот без сопутствующего увеличения шумов. В результате уровень собственных шумов осциллографа составляет 600 мкВср.кв. при максимальной чувствительности 10 мВ/дел. и максимальном коэффициенте усиления, установленном на входном усилителе.

— Можно ли сформулировать основные направления развития Agilent на ближайшие несколько лет?

— Agilent продолжит работу по ключевым направлениям: биотехнологии, химический анализ и электронные измерения. Опираясь на свой опыт и требования рынка, мы будем искать возможности выхода на новые рынки в смежных областях.

C точки зрения перспективных технологий, из 11 основных произ-

водственных направлений наиболее многообещающим и перспективным явлется выпуск ИС на фосфиде индия. Собственное производство 200-ГГц микросхем обеспечивает лидирующее положение ряда электронных измерительных приборов Agilent, включая осциллографы, отображающие в реальном времени аналоговый сигнал в полосе 32 ГГц, а также анализаторы цепей с граничной частотой 50 ГГц. Исходя из того, что требования к полосе частот будут увеличиваться, мы планируем продолжить разработку InP-технологий и другие исследования в области измерений.

— Какие приложения, на Ваш взгляд, определят развитие электроники в следующие 2—3 года?

— Что касается электронных измерений, увеличивается потребность в приборах общего назначения для промышленного производства, изготовления компьютеров и полупроводниковых устройств. Она вызвана общим улучшением ситуации на рынке полупроводниковой продукции, используемой в других областях, а также стимулированием государственными заказами в аэрокосмической и обороной промышленности, сфере безопасности. Промышленность переходит на новые технологии и приступает к массовому выпуску средств связи четвертого поколения (4G). В результате провала в 2008—2009 гг. непрерывно растущий рынок портативных беспроводных средств связи впервые сократился на 10%. Это показательно потому, что рынок беспроводной портативной электроники был самым быстрорастущим в мире. Так, по сравнению с более чем миллиардом выпущенных сотовых телефонов, было изготовлено около 250 млн ПК. Однако развитие сотовой связи 4G и сопутствующих рынков в ближайшие годы может серьезно улучшить ситуацию. Материал подготовил Леонид Чанов

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ | СИНТЕЗИРОВАН ОРГАНИЧЕСКИЙ МЕТАЛЛ НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНА | Ученые из Института проблем химической физики РАН, Института физики твердого тела РАН, Киотского университета и Университета Мейджо (оба — Япония) синтезировали органический металл на основе фуллерена C60. Химики уже создавали фуллеренсодержащие кристаллы с металлическими свойствами, но обойтись без ионов металла им не удавалось. Авторы работы постарались обойти это ограничение и использовать только атомы углерода, водорода и азота. Для получения кристаллов необходимы органические катионы, крупные нейтральные органические молекулы. Ученые остановили свой выбор на катионах N-метилдиазабициклооктана и нейтральном триптицене (TPC). Синтезированные кристаллы имели черный цвет и форму гексагональных призм довольно больших размеров — до 0,5×2×2 мм. Проводящие слои фуллерена в них чередуются со слоями двух других компонентов, причем металлические свойства, что очень необычно, сохраняются даже при охлаждении до 1,9 К. По мнению исследователей, при варьировании используемых компонентов можно создать еще более интересные кристаллы, которые будут обладать сверхпроводниковыми характеристиками. www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №5 2010

11 РЫНОК

тельных приборов должны опережать это развитие. Таким образом, требования к современным высокоэффективным СВЧ-компонентам ужесточаются. Без собственного производства комплектующих компания-производитель КИП попадает в зависимость от сторонних поставщиков, продукция которых хорошо соответствует собственным требованиям, но плохо приспособлена для измерительной техники. Оставаясь лидерами в области высокочастотных компонентов, мы продолжаем прилагать все усилия к поддержанию высочайшего реноме наших электронных измерительных приборов

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ | GLOBALPLATFORM СОЗДАЕТ ЦЕЛЕВУЮ ГРУППУ ПО IP-СВЯЗИ | GlobalPlatform — международная организация по спецификации смарт-карт — создала рабочую группу по IP-связи в соответствии с растущим спросом на применение IP-технологии в персональных устройствах и в бытовой технике. Эта группа будет добиваться того, чтобы стандарты и конфигурации GlobalPlatform поддерживали технологию смарт-карт и способствовали ее интеграции в IP-архитектуру. Рабочая группа объединит членов GlobalPlatform для обсуждения новых требований бизнеса к объектам с функцией подключения к сети и определит, как усовершенствовать технологию GlobalPlatform таким образом, чтобы она отвечала новым реалиям. Работа технических комитетов организации GlobalPlatform будет направлена на то, чтобы корректировать ее деятельность в соответствии с видением группы, а также стимулировать разработчиков к реализации возможностей смарт-карт, используемых совместно с IP-инфраструктурами (т.н. «Интернет вещей»). Целевая группа приступила к работе вслед за выходом в конце прошлого года спецификации GlobalPlatform Card Networked Framework v1.0, которая позволяет смарт-карте безопасно, эффективно и просто подключаться к интернету.

GlobalPlatform издала документацию с указанием ряда способов обновления программы смарт-карт, позволяющих облегчить подключение к IP-сети в соответствии с требованиями поправки Amendment B к спецификации Card Specification v2.2, вышедшей в 2008 г.

www.russianelectronics.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

НОВОС ТИ

12

| СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ VIRTUTECH SIMICS СТАНОВИТСЯ ПРОДУКТОМ WIND RIVER | Корпорация Intel приобрела компанию Virtutech, и система моделирования цифровых электронных устройств и систем Simics вошла в продуктовый портфель Wind River — подразделения Intel. Компания Virtutech была образована 1998 г. для коммерческого продвижения системы Simics, разработанной в шведском Институте компьютерных наук. В настоящее время в библиотеке моделей Simics сотни микропроцессоров различных архитектур и периферийных устройств (накристальных и дискретных). Модели процессоров настолько точны, что позволяют исполнять на них реальное программное обеспечение в двоичном коде (например, операционную систему или сетевой стек). Процессорная модель в Simics — это не просто симулятор системы команд ISS (Instruction Set Simulator). Моделируются все компоненты, находящиеся на процессоре или вне его: контроллеры памяти и системные контроллеры, контроллеры прерываний и прямого доступа, контроллеры внутренней и внешней шины (PCI), контроллеры последовательных интерфейсов (PCI Express и RapidIO), включая их коммутаторы, сетевые контроллеры (Ethernet, AFDX), последовательные и параллельные порты (RS-232, USB, I2C), дисковые интерфейсы (SCSI), специализированные коммуникационные интерфейсы (FireWire, Spacewire, ARINC 429, MIL-STD-1553) и таймеры. У отладки ПО на моделях имеется множество преимуществ перед отладкой на реальном «железе». Прежде всего, это опережающая разработка ПО. Например, Wind River начала портировать симметричный мультипроцессинг SMP для VxWorks на модель микропроцессора Freescale MPC8641D за год до того, как появился первый работающий кристалл. Однако ранняя разработка ПО — далеко не единственное преимущество отладки ПО на модели. Даже если «железо» готово, модель может быть предоставлена каждому разработчику ПО независимо от количества имеющихся готовых экземпляров оборудования. Модель предоставляет разработчику ПО возможности, недоступные обычным отладчикам и даже средствам JTAG-отладки, например останов по любому событию в системе и всех устройств системы одновременно, запоминание состояния системы и последующее продолжение исполнения с этого состояния. Также возможно реверсивное исполнение ПО для определения первопричины возникшей ошибки, «вброс» аппаратных ошибок при стресстестировании ПО и многое другое. Модель должна быть не только точной, но и быстрой. Никто не будет ждать часы, чтобы промоделировать секунды. Процессорные модели Simics медленнее реальных процессоров всего в 5—10 раз в зависимости от архитектуры микропроцессора и типа исполняемого ПО.

Simics моделирует не только на уровне процессоров. На базе процессорных моделей строятся иерархические модели плат, многоплатные крейты и многокрейтовые системы. При моделировании больших систем модель может быть распределена между несколькими хост-компьютерами. На сегодняшний день в библиотеке моделей Simics более 700 процессоров различных архитектур: ARM (7, 9, 11), x86 (Intel и AMD), MIPS (Cavium, MIPS, PMC-Sierra, RMI), Power (Freescale, IBM, AMCC, BAE Systems), SPARC (v8, v9, LEON2), TI C64/64+, Renesas H8 и SH-4. В библиотеке моделей также более 50 плат различных производителей.

AVD Systems, (499) 148-9677, www.avdsys.ru

WWW.ELCP.RU

СНИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ В СИСТЕМЕ С ПОМОЩЬЮ ТАКТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ СПЕКТРОМ АЛЕКСАНДР ЩЕГЛОВ, техн. консультант, ИД «Электроника» С увеличением быстродействия и сложности электронных устройств уровень помех, генерируемых системой, существенно возрастает, что приводит к проблеме электромагнитной совместимости приборов. В статье описаны преимущества технологии распределенного спектра тактового сигнала по сравнению с такими традиционными методами снижения электромагнитных помех как фильтрация и экранирование. Рассмотрены требования международных стандартов, регламентирующих допустимые уровни электромагнитных помех. Показано, что тактовые генераторы с распределенным спектром позволяют существенно снизить уровень электромагнитных помех и, в то же время, стоимость системы, а также сократить время выхода продукта на рынок. Контроль электромагнитной эмиссии имеет ключевое значение при разработке системы. В современных электронных устройствах основным источником электромагнитных помех является высокочастотный тактовый сигнал. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОМЕХИ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

14

Для того чтобы понять, почему электромагнитные помехи так важны для FCC, выявим причины электромагнитного излучения. При протекании тока в схеме создается электромагнитное поле, величина которого зависит от частоты и амплитуды тока. Это поле излучается за пределы электронного оборудования. Любое излучение или нежелательный побочный продукт работы электрической схемы называется электромагнитными помехами. Хорошо известно, что в процессе разработки системы анализ целостности сигнала и моделирование электромагнитных помех является сложным, требующим больших временных затрат процессом, который может быть ненадежным из-за сложности прогнозирования поведения модели. Эта ситуация ухудшается в еще большей мере с появлением каждого нового поколения устройств из-за постоянного роста частоты тактового сигнала и уменьшения питающего напряжения, что вызывает снижение допустимого уровня помех. Источниками электромагнитного излучения могут быть различные передатчики, например, в сотовых телефонах. Однако такие цифровые системы как персональные компьютеры, КПК, принтеры и сканеры также излучают

WWW.ELCP.RU

электромагнитные волны. В цифровых системах тактовые сигналы являются основным источником электромагнитных помех. Кроме того, управляющие и синхронизирующие сигналы, адресные шины и шины данных, соединительные кабели и разъемы также вносят свой вклад в общий уровень электромагнитных помех. Двумя основными режимами электромагнитного излучения являются дифференциальный режим — результат взаимодействия локальных токовых петель между проводниками печатной платы и слоем земли, и синфазный режим — результат наведения помех на проводники от шин земли и питания за счет емкостной связи. Электромагнитное излучение увеличивается при уменьшении длительности фронта сигнала и увеличении его уровня. Генерируемые помехи ухудшают характеристики оборудования либо влияют на параметры находящегося поблизости устройства. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

Наиболее распространенными методами снижения излучения электромагнитных помех являются экранирование и фильтрация. Экранирование — сравнительно простой способ уменьшения помех. Оно эффективно в системах с сильным электромагнитным излучением, в которых объем, вес и стоимость не очень важны. В большинстве систем, однако, особенно в портативных устройствах, экранирование становится наименее желательным методом борьбы с электромагнитными помехами.

Разработчики широко используют фильтры низких частот (ФНЧ) для снижения электромагнитного излучения, которое генерирует тактовый сигнал. ФНЧ позволяют отфильтровать гармоники высокого порядка. Однако этот способ может быть неприменим для высокоскоростных систем, т.к. приводит к уменьшению критичных временных допусков сигналов и увеличивает вероятность появления «звона» сигнала. Основная проблема фильтрации состоит в том, что этот метод не является систематическим, т.е. снижение электромагнитного излучения в каком-либо узле системы не снижает помехи от других узлов. Из-за того, что разработчики на начальном этапе проектирования не обладают всей информацией о системе, они должны устанавливать фильтры во всех вызывающих подозрение точках, что требует затрат времени и использования дополнительной площади на плате. С увеличением рабочей частоты эффект линий передачи и импеданса земли усиливает излучение и уменьшает длину волны, делая экранирование и фильтрацию менее эффективным. СТАНДАРТЫ FCC

Федеральная комиссия по связи контролирует все коммерческие электронные устройства, продаваемые на рынке США, если они: – используют тактовые генераторы; – работают на частоте свыше 9 кГц; – используют цифровую технологию обработки сигнала. К этим устройствам относятся почти все изделия, которые содержат

Таблица 1. Международные стандарты по электромагнитной совместимости

Общие

Международные стандарты CISPR61000-6-3 (для жилых и торговых зон и зон небольших производственных предприятий) IEC61000-6-4 (для производственных зон)

Компьютеры и периферия, принтеры, дисплеи и т.д.

CISPR22

Химическое, медицинское, радиочастотное оборудование

CISPR11

Системы зажигания для автомобилей, мотолодок и т.д.

CISPR12

Телевизоры, радио-/аудиотехника и т.д. Бытовая техника, портативные электроинструменты Люминесцентные лампы, системы управления освещением

CISPR13 CISPR14 CISPR15

микропроцессор или микроконтроллер. Если источник электромагнитных помех не контролируется каким-либо путем (т.е. с использованием фильтров, экранов или модуляции распределенного спектра), то может излучаться энергия достаточно высокого уровня, вызывая нежелательные эффекты в других устройствах. Существуют стандарты, которые помогают оградить покупателей и заказчиков от проблем с их цифровыми устройствами. Эти стандарты оценивают уровень электромагнитного излучения, который в настоящее время увеличивается повсеместно. Международный специальный комитет по радиопомехам (International Special Committee for Radio Interference, CISPR) устанавливает стандарты по излучаемым и передаваемым электромагнитным помехам в каждой стране, как показано на рисунке 1. CISPR — специальный комитет Международной электротехнической Комиссии (International ElectroTechnical Commission, IEC). Как указано в таблице 1, Европа, Япония, Азия и США имеют разные нормативы на уровни допустимых электромагнитных помех. Для того чтобы продавать электронное устройство по всему миру, оно должно удовлетворять нормативным требованиям каждой страны.

FCC и другие регулирующие органы рассматривают пиковые (не средние) величины электромагнитного излучения. FCC нормирует количество излучаемой энергии по напряжению, расстоянию и частоте. Согласно требованиям FCC, излучение должно быть двух уровней: класса A и класса B (см. табл. 2). Устройства класса A — это цифровые приборы, предназначенные для использования в коммерческих, промышленных и офисных зонах, а не для широкого применения в домашних

Япония

США

Европа EN50081-1 (для жилых и торговых зон и зон небольших производственных предприятий) EN50081-2 (для производственных зон)

Добровольный контрольный совет по помехам (VCCI), Закон по безопасности бытовых FCC раздел 15 EN55022 электроприборов и материалов (Electrical подраздел B Appliances and Materials Safety Law) Закон по безопасности бытовых электроприборов и материалов (Electrical Appliances and FCC раздел 18 EN55011 Materials Safety Law) Японская организация автомобильных Директива о транспортных средствах FCC раздел 15 стандартов (Japanese Automotive Standards с выработанным ресурсом (Directive of подраздел B Organization — JASO) End of Life Vehicle, ELV) FCC раздел 15 EN55013 подраздел B Закон по безопасности бытовых электроприборов и материалов (Electrical Appliances and EN55014 Materials Safety Law) FCC раздел 18 EN55015

условиях. К устройствам класса B относятся цифровые приборы для дома, но, кроме того, их можно использовать везде. В общем случае, требования класса B более жесткие, чем требования класса A. В таблице 2 приведены уровни напряжения, допустимые правилами и нормами FCC (раздел 15) как для класса A (на расстоянии 10 м), так и для класса B (на расстоянии 3 м). Если излучение испытываемого оборудования достигает этих величин, избыточная энергия должна быть снижена в пределах значений, указанных в таблице 2. Снижение избыточной величины электромагнитных помех лишь до величин, указанных в этой таблице, опасно, т.к. отклонения условий эксплуатации и производственного процесса могут вызвать незначительное увеличение энергии излучения. Необходим достаточный запас предельных величин электромагнитного излучения, чтобы гарантировать их допустимые значения при любых условиях. (По этой причине многие компании задают допуски сверх установленных FCC значений). Причины сбоя работы электронных устройств при тестировании на нормы FCC

Можно выделить 10 наиболее распространенных причин, по которым продукты не проходят испытания на требования FCC в первого раза.

1. Игнорирование или преуменьшение значения требований FCC в начальной стадии проектирования устройства.

2. Выбор слишком быстродействующих компонентов и максимальной рабочей частоты в схеме устройства.

3. Использование одно- или двухслойной печатной платы вместо многослойной платы.

4. Разводка тактового сигнала без учета электромагнитного излучения.

Рис. 1. Стандарты по электромагнитным помехам

5. Отсутствие достаточного количества развязывающих конденсаторов.

6. Использование неэкранированных кабелей.

7. Использование разъемов с пластиковым корпусом.

8. Отсутствие ферритов в конструкции кабелей.

9. Отсутствие фильтров на шинах питания.

10. Недостаточно качественное экранирование шасси. Если при тестировании электронный продукт не прошел требования FCC (методика тестирования описана в [1]), то инженеры должны предпринять шаги для устранения избыточных электромагнитных помех, создаваемых устройством. Эти шаги включают тщательное изучение созданной системы, внесение необходимых изменений и проведение повторного тестирования. На рисунке 2 показаны последовательные этапы проектирования устройства, включая испытания на электромагнитные помехи. Эти этапы включают изменение топологии печатной платы, реализацию необходимых фильтров и проведение повторных испытаний на соответствие требованиям FCC. Очевидно, все эти шаги требуют существенных дополнительных затрат времени и денежных средств.

Электронные компоненты №5 2010

15 РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

Приложения

Рис. 2. Этапы проектирования электронного изделия с учетом повторного проведения испытаний на соответствие требованиям по уровню электромагнитных помех Таблица 2. Предельные значения электромагнитного излучения устройств класса A и класса B согласно требованиям FCC Класс A (10 м) Класс B (3 м) Частота, дБ дБ МГц мкВ/м мкВ/м (мкВ/м) (мкВ/м) 30…88

90

39

100

40,0 43,5

88…216

150

43,5

150

216…960

210

46,5

200

46,0

Свыше 960

300

49,5

500

54,0

МЕТОД РАСПРЕДЕЛЕННОГО СПЕКТРА ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

Еще одним методом уменьшения электромагнитного излучения сигналов является модуляция тактового сигнала, известная как распределенный спектр. Использование тактовых сигналов с распределенным спектром в настоящее время распространено в портативных устройствах (например, в навигационных приборах и игровых устройствах), т.к. в компактных устройствах частота тактовых сигналов постоянно растет и увеличивается степень интеграции ЖК-дисплеев высокого разрешения. Поскольку эти устройства должны быть легкими и недорогими, пассивные методы подавления электромагнитных помех, например, использование конденсаторов и экранирование, неприемлемы. При использовании технологии распределенного спектра энергия сигнала распределяется с помощью модуляции в полосе частот, а не концентрируется в одной частоте. В отличие от фильтрации и экранирования, которые подавляют электромагнитные помехи, генераторы с распределенным спекРА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

16

тром подавляют помехи в самом источнике тактового сигнала. Используя этот метод, системные электромагнитные помехи могут быть снижены вплоть до 20 дБ. Наибольшее снижение помех достигается на высших гармонических частотах. Тактовые генераторы с распределенным спектром особенно эффективны для подавления синфазных помех, контролировать которые труднее всего. При использовании метода распределенного спектра частота системного тактового сигнала модулируется намного меньшей частотой, обычно лежащей в пределах 30…120 кГц. Систематическая природа тактовых генераторов с распределенным спектром имеет главное преимущество над другими методами подавления электромагнитных помех, т.к. все сигналы, генерируемые из тактового сигнала с распределенным спектром, модулируются в одинаковой пропорции, что приводит к значительному подавлению электромагнитных помех всей системы. Такой подход создает частотный спектр с гармониками боковой полосы частот. Принудительное расширение узкополосного сигнала одновременно снижает пиковую спектральную энергию как основной, так и гармонической частоты. Частота модуляции выбирается достаточно большой, чтобы быть выше полосы звуковых частот, и достаточно малой, чтобы избежать осложнений с синхронизацией в системе. Модуляция тактового сигнала с распределенным спектром распространяет электромагнитное излучение по более широкой полосе частот. Эту полосу можно расширить с последующим подавлением ненужных частот с помо-

Рис. 3. Скорость изменения частоты при распределении спектра

WWW.ELCP.RU

щью частотной модуляции тактового сигнала микроконтроллера или процессора. Важно определить оптимальный профиль распределения частоты для конкретной системы. На рисунке 3 показано, что в оптимальном частотном профиле скорость изменения частоты выше на минимальной и максимальной пиковой частоте и ниже в центральной части частотного спектра. Как указано в таблице 2, требования FCC по классу B устанавливают, что электромагнитное излучение от тактового сигнала частотой 60 МГц должно быть в пределах 40 дБ (мкВ/м) (см. рис. 3). Частота модуляции тактового сигнала равна 120 кГц. Такая низкая частота модуляции важна по нескольким причинам. Если частота модуляции менее 120 кГц, в системе возможна генерация шума звуковой частоты. Если частота модуляции слишком высока, эффект модуляции может быть аннулирован полосой пропускания фильтров, используемых в ФАПЧ. Кроме частоты модуляции, важно учитывать и другие факторы: – требования по полосе пропускания; – тип модуляции: модуляция с центральным распределением или модуляция со сдвигом несущей частоты вниз; – степень подавления гармоник. При проектировании системы необходимо решить, какой тип модуляции использовать. Как видно из рисунка 4, модуляция с центральным распределением сдвигает несущую частоту выше и ниже основной частоты. Модуляция с распределением вниз сдвигает несущую частоту вниз наполовину размаха модуляции, так

Рис. 4. Модуляция с центральным распределением и модуляция со сдвигом несущей частоты вниз

Рис. 5. Упрощенный цикл проектирования электронного продукта при использовании SSCG

что модулированный сигнал имеет другую несущую частоту. В случае модуляции с центральным распределением средняя системная частота всегда одинакова, так что производительность системы не меняется от платы к плате. Основной недостаток этого метода в том, что могут нарушаться временные соотношения в сигналах в режиме малого потребления мощности. На практике модуляция с центральным распределением частоты не ухудшает характеристик системы при существенном подавлении электромагнитных помех. Преимуществом модуляции со сдвигом несущей частоты вниз является гарантия того, что система никогда не достигнет максимальной тактовой частоты процессора. Однако меньшая средняя тактовая частота слегка ухудшает производительность системы. Следует отметить, что в общем случае метод распределения спектра тактового сигнала имеет минимальное влияние на характеристики системы. Медленная и контролируемая модуляция не вносит существенного роста джиттера. Например, тактовый генератор с распределенным спектром компании Fujitsu [1] имеет джиттер, не превышающий 100 пс, что соответствует величине джиттера тактового сигнала без распределения спектра. Диапазон распределения частоты может быть выбран исходя из минимальной величины периода системного тактового сигнала.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТАКТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ СПЕКТРОМ

Систематическая природа тактовых генераторов с распределенным спектром (Spread Spectrum Clock Generator, SSCG) является их основным преимуществом перед другими методами снижения электромагнитных помех. Тактовые генераторы с распределенным спектром позволяют: – значительно снизить системные электромагнитные помехи; – упростить сертификацию продуктов в соответствии с требованиями FCC, что ускоряет время выхода продукта на рынок; – значительно упростить и снизить количество этапов разработки системы (см. рис. 5); – обеспечить гибкость программирования оптимального профиля модуляции; – снизить затраты на тестирование оборудования на электромагнитные помехи. Современные тактовые генераторы с распределением спектра позволяет сократить количество компонентов в системе и обеспечить сертификацию на требования FCC с первого предъявления без ущерба для характеристик системы. Используя технологию цифровой модуляции частоты, SSCG обеспечивают подавление электромагнитных помех как основной частоты, так и гармоник на уровне более 20 дБ.

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

18

Рис. 6. Пример использования тактового генератора с распределенным спектром в мобильном телефоне

WWW.ELCP.RU

Современные SSCG обеспечивают джиттер тактового сигнала на уровне не более 100 пс и возможность контроля скорости нарастания выходного сигнала. Эти устройства имеют возможность программирования частоты модуляции и профиля спектра для оптимизации подавления электромагнитных помех. Генераторы компании Fujitsu содержат до 8 выходных тактовых сигналов и встроенную память FRAM для гибкого конфигурирования системы. В этих приборах предусмотрена возможность выбора частоты на одном и том же выходе. Возможна установка широкого диапазона выходных напряжений: 3,3; 3,0; 2,5 и 1,8 В. Приборы выпускаются в различных стандартных корпусах, в т.ч. в компактных. Примером применения SSCG может служить использование этих устройств в мобильных телефонах. Как показано на рисунке 6, в данном приложении для синхронизации центрального процессора, GPS-модуля и радиочастотного блока используется несколько тактовых сигналов. Основным источником электромагнитных помех в сотовых телефонах являются линии связи между контроллером, DSP и памятью, а также гибкий кабель, соединяющий дисплей с контроллером. Применение SSCG в мобильных системах радикально снижает электромагнитные помехи и позволяет обеспечить соответствие требованиям FCC. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом, технология распределенного спектра тактового сигнала имеет огромные преимущества перед другими методами снижения электромагнитных помех. Этот метод радикально снижает помехи в системе без какого-либо ухудшения характеристик. Использование SSCG уменьшает затраты на корпус, фильтрацию и экранировку прибора, а также общую стоимость разработки. Наиболее важно то, что использование SSCG сокращает время выхода продукта на рынок, т.к. способствует прохождению сертификационных испытаний с первого раза. Современные SSCG имеют несколько выходов тактового сигнала, обеспечивают возможность программирования и низкий уровень джиттера, что позволяет использовать эти устройства как весьма экономичное решение задачи снижения электромагнитных помех в системе. ЛИТЕРАТУРА 1. How Spread Spectrum Clock Generators Accelerate FCC Certification of System Designs// Fujitsu Microelectronics’ White Paper.

2. Cavit Ozdalga. Spread-spectrum-clock generators reduce EMI and signal-integrity problems//EDN, July 24, issue 15/2008.

3. Steve Bolger, Samer Omar Darwish. Use spread-spectrum techniques to reduce EMI// EDN Design Feature.

Применение полимерных клеев и стеклянных припоев в сборке и герметизации ИС и оптоволоконных приборов РОМАН КОНДРАТЮК, materials@ostec-group.ru Производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем включает в себя множество технологических операций, среди которых особое место занимают сборка и герметизация. От качества сборочных операций зависят стабильность электрических параметров и надежность конечного изделия. Кроме того, выбор метода сборки влияет на суммарную стоимость продукта. В статье рассматриваются современные технологические решения на основе клеев и стеклянных припоев для следующих операций: присоединение кристалла к основанию корпуса; герметизация полупроводниковых ИС путем присоединения крышки корпуса к основанию; фиксация и герметизация оптических волокон. ТИПЫ АДГЕЗИВОВ ДЛЯ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ

Рассмотрим основные типы клеев и стеклянных припоев, применяемых в процессах сборки и герметизации интегральных микросхем и оптоволоконных приборов. Их различают по типу связующего вещества и по типу материала наполнителя. Связующий материал

Органические полимеры, используемые в качестве адгезива, могут быть разделены на две основные категории: реактопласты и термопласты. Все они являются органическими материалами, но существенно отличаются по химическим и физическим свойствам. В реактопластах при нагреве полимерные цепи необратимо сшиваются в жесткую трехмерную сетчатую структуру. Возникающие при этом связи позволяют получить высокую адгезионную способность материала, но при этом ремонтопригодность ограничена. В термопластичных полимерах не происходит отверждения. Они сохраняют способность к размягчению и расплавлению при нагреве, создавая прочные эластичные связи. Это свойство позволяет использовать термопласты в приложениях, где требуется ремонтопригодность. Адгезионная способность термопластичных пластмасс ниже, чем у реактопластов, но в большинстве случаев вполне достаточна. Третий тип связующего вещества — смесь термопластов и реактопластов, объединяющая в себе преимущества двух типов материалов. Их полимерная композиция представляет собой взаимопроникающую сеть термопластичных и реактопластичных структур, что позволяет использовать их для создания высокопрочных ремонтопригодных соединений при относительно низких температурах (150…200°С). Помимо полимерных материалов, для создания теплопроводящих соединений активно применяются неорганические материалы — т.н. стеклянные припои. Стеклянные припои — это материалы, состоящие из оксидов металлов. Они обладают хорошей адгезией к широкому спектру керамики, оксидов, полупроводниковых материалов, металлов и характеризуются высокой коррозионной стойкостью. Эти припои активно применяются для создания вакуум-плотных соединений (герметизация электронных, оптоволоконных микросхем и т.д.), используются при более высоких температурах по сравнению с полимерными клеями. Каждая система имеет свои достоинства и недостатки. Одним из ограничений в использовании термопластичных паст является медленное удаление растворителя в про-

цессе оплавления. Прежде для соединения компонентов с использованием термопластичных материалов требовалось выполнить нанесение пасты (соблюдая плоскостность), сушку для удаления растворителя и только затем установить кристалл на подложку. Такой процесс исключал образование пустот в клеящем материале, но увеличивал стоимость и затруднял использование данной технологии в массовом производстве. Современные термопластичные пасты обладают способностью очень быстрого испарения растворителя. Это свойство позволяет наносить их методом дозирования, используя стандартное оборудование, и устанавливать кристалл на еще не высушенную пасту. Далее следует этап быстрого низкотемпературного нагрева, во время которого растворитель удаляется, и после оплавления создаются адгезионные связи. Долгое время существовали трудности, связанные с созданием высокотеплопроводящих клеев на основе термопластов и реактопластов. Эти полимеры не позволяли увеличить содержание теплопроводящего наполнителя в пасте, поскольку для хорошей адгезии требовался высокий уровень связующего вещества (60—75%). Для сравнения: в неорганических материалах доля связующего вещества могла быть уменьшена до 15—20%. Современные полимерные клеи (Diemat DM4130,DM4232, DM4030, DM5030, DM6030) лишены этого недостатка, и содержание теплопроводящего наполнителя достигает 80—90%. Наполнитель

Основную роль в создании теплопроводящего адгезива играют тип, форма, размер и количество наполнителя. В качестве наполнителя используется серебро (Ag) как химически стойкий материал с наиболее высоким коэффициентом теплопроводности. Современные пасты содержат в себе серебро в виде порошка (микросфер) и хлопьев (чешуек). Точный состав, количество и размер частиц экспериментально подбираются каждым производителем и в значительной степени определяют теплопроводящие и клеящие свойства материалов. В задачах, где требуется диэлектрик с теплопроводящими свойствами, в качестве наполнителя используется керамический порошок. ПРИСОЕДИНЕНИЕ КРИСТАЛЛА К ОСНОВАНИЮ КОРПУСА

Основными требованиями при присоединении кристалла к основанию корпуса полупроводниковой микросхемы являются высокая надежность соединения и высокий уровень передачи тепла от кристалла к подложке.

Электронные компоненты №5 2010

19

Рис. 1. Передача тепла от кристалла к подложке

Рис. 2. Зависимость теплового потока от толщины клеевого шва для разных значений теплопроводности

20

Операцию присоединения проводят с помощью пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов или приклеивания. Традиционные решения на основе сплавов и эвтектики позволяют создавать прочные соединения с высокими теплопроводящими свойствами, но, как правило, требуют предварительной металлизации поверхностей и особых условий технологического процесса (высокая температура, специальная атмосфера, отмывка после оплавления). В связи с этим в некоторых случаях возникает необходимость перехода на использование электро-, теплопроводящих клеев и стеклянных припоев. Среди преимуществ использования теплопроводящих полимерных клеев и стеклянных припоев стоит отметить следующие.

– Повышенная надежность соединения. Увеличение площади соединяемых поверхностей с различными коэффициентами теплового расширения (КТР) приводит к возникновению существенных термомеханических напряжений, что в значительной степени определяет надежность сборки. Использование высокотеплопроводящих полимерных материалов с малыми значениями модуля упругости позволяют скомпенсировать разницу в КТР и минимизировать термомеханические напряжения.

– Низкие температуры процесса (150…250°С). Применение адгезивов позволяет пересмотреть порядок сборки изделий микроэлектроники. Появляется возможность монтировать полупроводниковый кристалл после сборки печатной платы или использовать более дешевые пластиковые корпуса в массовом производстве.

– Снижение стоимости продукции. Применение адгезивов позволяет отказаться от металлизации соединяемых поверхностей, а также от создания специальной атмосферы процесса и очистки после оплавления, что положительно сказывается на стоимости продукта. Рассмотрим подробнее влияние характеристик и базовых особенностей электро-, теплопроводящих клеев и стеклянных припоев на теплопередачу и надежность соединения. Теплопередача

Передача тепла от кристалла к корпусу может быть рассчитана по закону теплопроводности Фурье: ,

(1)

где Q — тепловой поток через клеевую линию между кристаллом и подложкой, Вт; k — коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К); A — площадь соединения, м2; dx — тол-

WWW.ELCP.RU

щина клеевого шва, м; dT — перепад температур между верхней и нижней границами клеевого шва, К (см. рис. 1). Двумя величинами в уравнении 1, непосредственно относящимися к клеящему материалу, являются теплопроводность k и толщина клеевого шва dx. Таким образом, тепловой поток через клеевой шов находится в прямой зависимости от коэффициента теплопроводности адгезива. Это важнейшая характеристика материала, и она оценивается в первую очередь. При выборе адгезионного материала также должна учитываться и толщина клеевого шва. На рисунке 2 показаны результаты расчета теплового потока для адгезионных материалов с разными значениями коэффициентов теплопроводности и толщины клеевого шва. Для примера выбраны три материла: стандартный термопласт/реактопласт на основе эпоксидных смол (k = 3 Вт/(м∙К)); серебросодержащие пасты Diemat на основе термопластов (k = 20 Вт/(м∙К)) и серебросодержащий стеклянный припой Diemat DM3030 (k = 65 Вт/(м∙К)). График рассчитан для кристалла со стороной 10 мм (А = 100 мм2) при температуре кристалла 75°С, присоединенного к подложке с температурой 25°С (dT = 50°С). Как видно из рисунка 2, материалы с низким коэффициентом k и тонким клеевым швом могут обеспечивать тепловой перенос на таком же уровне, как и материалы с высокой теплопроводностью и толстым клеевым швом. Например, серебросодержащий клей Diemat DM 4130Hk (k = 20 Вт/(м.К)) с толщиной клеевого шва 20 мкм обеспечивает такой же теплоперенос, как серебросодержащий стеклянный припой Diemat DM3030 (k = 65 Вт/(м.К)) и толщиной соединительного слоя 70 мкм. При выборе адгезива для соединения кристалла следует обратить внимание на то, что термопласты, как правило, имеют малый модуль упругости (<1500 МПа). Это позволяет соединять компоненты с различными КТР, используя очень тонкий клеевой шов. Напряжение сдвига в таком случае мало. Реактопласты и стеклянные припои имеют гораздо более высокий модуль упругости (3500 МПа), поэтому минимальная толщина шва и размеры соединяемых компонентов для них могут быть ограничены из-за возможности возникновения больших термомеханических напряжений. Тепловой перенос может быть одинаков для систем на основе термопластов и стеклянных припоев, несмотря на большую теплопроводность последних. Надежность

Как упоминалось ранее, полимерные клеи эластичнее, чем припои. Это позволяет создавать надежные соединения между материалами с различными КТР (например, при установке кремниевого кристалла на печатную плату или непосредственно на радиатор охлаждения). Помимо этого, на надежность готового устройства положительно влияют низкие температуры монтажа и отсутствие флюсов. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ

Герметизация полупроводникового кристалла — создание герметичной, механически прочной оболочки для защиты кристалла от воздействия окружающей среды. Герметизация может быть осуществлена с помощью корпуса или в бескорпусном исполнении. Вакуум-плотную герметизацию обеспечивают металлические, стеклянные и керамические корпуса, детали которых (основание и крышку) соединяют с помощью сварки или пайки. Металлические припои в большинстве случаев не смачивают стекло и керамику, поэтому поверхности соединяемых деталей металлизируют. Для герметизации полупроводниковых микросхем современная промышленность предлагает материалы на основе полимерных клеев и стеклянных припоев. Для сборки и герметизации нет необходимости металлизиро-

вать поверхности и создавать специальные условия как для пайки обычными припоями. Это существенно сокращает стоимость технологического процесса. Данные припои оплавляются при низких температурах (300…400°С) и могут поставляться в виде паст или готовых прокладок (преформ). Паста наносится методом трафаретной печати или дозированием, что позволяет автоматизировать процесс герметизации. Преформа заданной конфигурации и размеров помещается между основанием микросхемы и крышкой. После нанесения пасты или после сборки с использованием преформ стеклянный припой оплавляется. При этом создается прочное, надежное и герметичное соединение.

Рис. 3. Преформы Diemat

ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ОПТОВОЛОКОННЫХ ПРИБОРОВ

Герметизация оптоволоконных изделий традиционно осуществляется с использованием золото-оловянных припоев. Для фиксации оптоволокна оно металлизируется и запаивается в металлическую трубку, которая затем устанавливается на металлическую платформу. При использовании данного метода критичными являются адгезия металлизированных слоев к оптоволокну и механические напряжения, возникающие в процессе герметизации. От этого зависят качество и надежность соединения. Преформы для оптоволоконной техники представляют собой стеклянный порошок, запрессованный в форме шайб с добавлением органических растворителей (см. рис. 3). Преформа устанавливается на соединяемые или закрепляемые детали и оплавляется любым из доступных методов нагрева (индукционный, резистивный, инфракрасный, лазерный и т.д.). Стеклянный припой оказывает малое давление на оптическое волокно и позволяет создавать высоконадежные оптоэлектронные сборки. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КЛЕЕВ И СТЕКЛЯННЫХ ПРИПОЕВ

Принимая решение о применении и выборе полимерных клеев и стеклянных припоев, необходимо учитывать следующие особенности технологии и характеристики соединяемых компонентов.

– Длина кристалла определяет величину нагрузки на клеевой шов после охлаждения системы. Во время пайки кристалл и подложка расширяются в соответствии со своими КТР. Для кристаллов большого размера необходимо использовать мягкие (с низким модулем упругости) адгезивы или согласованные по КТР материалы кристалла/ подложки. Если различие КТР слишком велико для данного размера кристалла, соединение может быть нарушено, что приводит к отслаиванию кристалла от подложки. Для каждого типа пасты производитель, как правило, дает рекомендации по максимальным размерам кристалла для определенных значений разницы КТР кристалла/подложки.

– Ширина кристалла определяет расстояние, которое проходит растворитель, содержащийся в адгезиве, до того как покинет клеевой шов. Поэтому размер кристалла должен учитываться и для правильного удаления растворителя.

– Металлизация кристалла и подложки, как уже говорилось ранее, не обязательна. Обычно полимерные клеи и стеклянные припои имеют хорошую адгезию ко многим неметаллизированым поверхностям. Поверхности должны быть очищены от органических загрязнений.

– Толщина клеевого шва. Для всех адгезивов, содержащих тепло-, электропроводящий наполнитель, существует ограничение по минимальной толщине клеевого шва dx (см. рис. 1). Слишком тонкий шов не имеет достаточного количества связующего вещества, чтобы покрыть весь наполнитель и сформировать связи с соединяемыми поверхностями. Кроме того, для материалов с высоким модулем упругости (например, стеклянных припоев) толщина шва может огра-

ничиваться различными КТР для соединяемых материалов. Обычно для клеев на основе термопластов/реактопластов рекомендуемая минимальная толщина шва составляет 20…50 мкм, для стеклянных припоев — 50…80 мкм.

– Время жизни адгезива до установки компонента. Для клеев на основе термопластов/реактопластов необходимо учитывать время жизни до установки компонента. После нанесения адгезива растворитель из пасты начинает постепенно испаряться. Если клей высыхает, то не происходит смачивания и приклеивания соединяемых материалов. Для кристаллов малого размера, где отношение площади поверхности к объему нанесенного клея велико, растворитель испаряется быстро, и время после нанесения до установки кристалла необходимо минимизировать. Как правило, время жизни до установки кристалла для различных клеев варьируется от десятков минут до нескольких часов.

– Время жизни до термического отверждения клея отсчитывается от момента установки кристалла до помещения всей системы в печь. При длительной задержке может происходить расслоение и растекание клея, что негативным образом сказывается на адгезии и теплопроводности материала. Чем меньше размер компонента и количество нанесенного клея, тем быстрее он может высохнуть. Время жизни до термического отверждения клея может варьироваться от десятков минут до нескольких часов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги, еще раз подчеркнем, что использование клеев и стеклянных припоев позволяет: – получать механически прочные соединения при более низких температурах (от 150°С); – соединять различные типы материалов (металлы, керамику, оксиды, полупроводники); – упрощать и делать более гибкими технологические процессы, упрощать конструкцию; – получать композиции с необходимыми электроизоляционными, оптическими, токопроводящими и теплопроводящими свойствами. Также стоит отметить, что использование клеев дает возможность автоматизировать процесс сборки и осуществлять ремонт при низких температурах. Последнее особенно важно в случаях, когда кристалл тестируется в составе устройства или монтируется непосредственно на печатную плату (технология chip-on-board) или на гибкий носитель (chip-on-film). Все это создает дополнительные возможности для настройки технологического процесса с целью увеличения надежности, снижения стоимости конечного изделия и повышения эффективности вашего производства. Более подробную информацию вы можете получить, обратившись в отдел технологических материалов Предприятия Остек по тел. (495) 788-44-44 или по эл. почте materials@ostec-group.ru.

Электронные компоненты №5 2010

21

ВИРТУАЛИЗОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВСТРАИВАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ АЛЕКСАНДР КОЛАЕВ, техн. консультант, «ИД Электроника» Статья посвящена вопросу виртуализации электронных устройств. Дано описание основных подходов к созданию виртуальных платформ. Приведены рекомендации по выбору метода виртуализации встраиваемых систем и советы по организации виртуального проектирования. ВВЕДЕНИЕ

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

22

Виртуализация — многоплановое понятие. В широком смысле виртуализация — это абстракция некоторого процесса или объекта, скрывающая его настоящую реализацию. Продуктом виртуализации является нечто удобное для использования, но на самом деле имеющее более сложную или совсем иную структуру, отличную от той, которая воспринимается объектом. Виртуализация делится на программную и аппаратную. Программная виртуализация основана на создании виртуальной платформы (машины) на базе имеющихся аппаратных и программных средств. Аппаратная виртуализация предполагает комбинирование или упрощение представления аппаратных ресурсов для пользователя и получение пользовательских абстракций оборудования, пространств имен, сетей и т.д. Технологии виртуализации позволяют запускать на одном физическом компьютере (хосте) несколько виртуальных экземпляров операционных систем (гостевых ОС) в целях обеспечения их независимости от аппаратной платформы и сосредоточения нескольких виртуальных машин на одной физической. Виртуализация предоставляет множество преимуществ как для инфраструктуры предприятий, так и для конечных пользователей. За счет виртуализации происходит значительная экономия на аппаратном обеспечении и облуживании, повышается гибкость IT-инфраструктуры, упрощается процедура резервного копирования и восстановления после сбоев. Не зависимые от конкретного оборудования виртуальные машины могут распространяться в качестве предустановленных шаблонов и работать на любой аппаратной платформе поддерживаемой архитектуры. Виртуальная машина (ВМ) — программная система, созданная на основе существующих аппаратно-программных комплексов. Операционная система,

WWW.ELCP.RU

предоставляющая аппаратные ресурсы и программное обеспечение, называется хостовой (host), а симулируемые ей системы — гостевыми (guest). Для стабильной работы гостевых систем необходимо, чтобы программное и аппаратное обеспечение хоста было достаточно надежным и предоставляло требуемый набор интерфейсов для доступа к его ресурсам. Имеется несколько видов виртуализации платформ, в каждом из которых осуществляется свой подход к понятию «виртуализация». В основном они различаются степенью полноты симуляции аппаратного обеспечения (полная, частичная, виртуализация адресного пространства, приложения, ОС и т.д.). Гипервизор, или монитор виртуальных машин (VMM — virtual machine monitor), — программная среда или аппаратная схема, координирующая одновременную работу нескольких ОС на одном физическом компьютере. При этом каждая гостевая ОС работает так, как если бы она была запущена на отдельном компьютере. Гипервизор обеспечивает изоляцию операционных систем друг от друга, защиту и безопасность, разделение ресурсов между запущенными ОС и управление ими. Гипервизор должен поддерживать не только ОС общего назначения, но и ОСРВ, а также уметь эмулировать работу предыдущих версий аппаратной реализации, чтобы отлаживать переход ОС на новую платформу. Аппаратная виртуализация выполняется на уровне архитектуры процессора и заключается в том, что когда гостевая операционная система генерирует исполняемую процессором привилегированную команду, то процессор прерывает свою работу и передает управление гипервизору, который должен решить, выполнять команду или эмулировать ее выполнение другими средствами. Гипервизор способен перехватить не все «проблемные» команды, а только привилегированные.

ОТЛИЧИЕ АППАРАТНОЙ ВИРТУАЛИЗАЦИИ ОТ ПРОГРАММНОЙ

Классическая архитектура программной виртуализации подразумевает наличие хостовой операционной системы, поверх которой запускается платформа виртуализации, эмулирующая работу аппаратных компонентов и управляющая аппаратными ресурсами в отношении гостевой ОС. Реализация такой платформы достаточно сложна и трудоемка и нередко приводит к потере производительности. Безопасность виртуальных машин также находится под угрозой, поскольку получение контроля над хостовой операционной системой автоматически означает его установление над всеми гостевыми системами. В отличие от программной техники, с помощью аппаратной виртуализации можно получить изолированные гостевые системы, управляемые гипервизором напрямую. Такой подход может обеспечить простоту реализации ВМ и увеличить ее надежность при одновременной работе с несколькими гостевыми ОС. Кроме того, благодаря отсутствию потерь быстродействия на обслуживание хостовой системы производительность гостевых ОС близка к производительности реальных. Аппаратная виртуализация имеет следующие преимущества над программной.

– Упрощение разработки платформ виртуализации за счет предоставления аппаратных интерфейсов управления и поддержки виртуальных гостевых систем.

– Возможность увеличения быстродействия платформ виртуализации за счет использования гипервизора.

– Возможность независимой работы нескольких ВМ и переключения между ними на аппаратном уровне. При этом повышается быстродействие и защищенность виртуальных машин.

– Независимость гостевой ОС от архитектуры хостовой платформы и ВМ. Например, с помощью технологий аппаратной виртуализации возмо-

жен запуск 64-битных гостевых ОС на 32-битных хостовых системах. ВИРТУАЛИЗАЦИЯ ВСТРАИВАЕМЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

24

В рассмотренных нами подходах преследовалась одна и та же цель: максимально эффективно использовать имеющиеся аппаратные ресурсы между несколькими ОС. Для встраиваемых систем, где основное значение имеют предсказуемость работы (детерминизм) и возможность взаимодействия с нестандартным или специальным аппаратным обеспечением, требуется другой подход. Главное различие между гипервизором для сервера и встраиваемой системы лежит в способе распределения физических ресурсов между виртуальными машинами. Гипервизор для ВС разделяет циклы ЦП, ячейки ОЗУ и порты ввода-вывода между всеми гостевыми ОС, а не мультиплексирует эти ресурсы между ВМ, как это происходит в случае виртуализации серверов. Такой подход также называют ассиметричной многопроцессорной обработкой. Он применяется там, где необходим детерминизм и высокое быстродействие, а не одинаковый уровень доступа для различных ОС или наиболее полное использование ресурсов имеющихся аппаратных средств. Средства виртуализации, включенные в большинство современных многоядерных процессоров, могут быть использованы для резервирования ресурсов под нужды конкретной ВМ и ее гостевой ОС. Заметим, что модель ассиметричной обработки вовсе не предполагает назначение всех портов вводавывода только одной ВМ. Некоторые из них, например жесткий диск, консоль или адаптер Ethernet, могут быть общими. В этом случае гипервизор создает виртуальные устройства, чтобы упростить разделение аппаратного обеспечения между ВМ. Детерминизм обеспечивается за счет использования многоядерных процессоров, что позволяет гипервизору отвести каждой гостевой ОС свое ядро. При этом отпадает необходимость в разделении ресурсов или времени ЦП, которые нежелательны в системах реального времени. Если в процессоре имеется достаточное количество ядер, то этот подход является самым низкозатратным и простым. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВИРТУАЛИЗИРОВАННЫХ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ

Проектирование виртуализированных встраиваемых систем (VSD — virtualized systems development) позволяет делать то, что раньше было невозможным. Выгоды данного подхо-

WWW.ELCP.RU

да проявляются на всех стадиях проектирования, от определения продукта до его применения. При виртуализованном проектировании разработчики аппаратного и программного обеспечения могут одновременно работать над одними и теми же модулями и взаимодействовать более плотно, что в конечном счете позволяет отслеживать и устранять недоработки на ранней стадии, сокращая затраты и время выхода устройства на рынок. С ростом сложности встраиваемых электронных систем потребность в различных инструментальных средствах проектирования становится более очевидной. Даже небольшие современные устройства могут содержать несколько процессоров, DSP, СБИС, ПЛИС и другие устройства. В дополнение к этому в системе может использоваться сразу несколько операционных систем и стеков приложений. К сожалению, средства разработки не поспевают в развитии за встраиваемыми системами. В результате разработчики сталкиваются с проблемой поиска новых путей для определения системных архитектур, разработки и интеграции миллионов строк кода, а также для создания таких сложных систем. С одной стороны, они должны сократить время разработки, с другой — представить качественный и простой в поддержке и обслуживании продукт. Высокое быстродействие — одно из свойств, отличающих VSD-платформы от САПР и подобных средств. Хотя они и точные, но их быстродействия не хватает для эмулирования работы ОС, приложений или системных программ. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Виртуальные платформы лучше всего охарактеризовать как функциональные модели физического оборудования. Они, как маяки, служат ориентиром и конечной целью разработки программного обеспечения. Эти модели настолько точны, что ПО не сможет отличить их от реального оборудования. Таким образом, для симуляции не требуется писать дополнительный код или вносить изменения в ПО, которые потенциально могут повлиять на работу встраиваемой системы. Кроме того¸ программную и схемотехническую реализацию модуля можно разрабатывать одновременно. В отличие от традиционного, виртуализованное проектирование обладает следующими достоинствами.

1. Гибкость. Виртуальные платформы развиваются и дополняются постепенно, по мере проектирования, помогая разработчикам программного обеспечения на всем пути от идеи устройства до окончательной модели полной системы.

На определенных стадиях такие блоки как устройства ввода-вывода, СБИС и модули памяти удобно или «выкинуть» из системы, или упростить, заменив стандартными компонентами, аналогичными по функциональности. Виртуализованное проектирование позволяет сделать это. Кроме того, группы, разрабатывающие аппаратное и программное обеспечение, могут экспериментировать с новыми архитектурами, создавая несколько виртуальных платформ и сравнивая их характеристики. Впоследствии эти платформы можно использовать при создании прототипа и отладке проекта на стадии определения архитектуры.

2. Упрощенная среда проектирования. Поскольку виртуальная платформа прогоняет те же двоичные файлы программного обеспечения, которые будут запускаться впоследствии готовой физической системой, отсутствует необходимость в создании специальных модулей для кросс-компиляции, симуляции и отладки. Этот аспект виртуализованного проектирования может значительно уменьшить количество версий кода, сократив расходы на обслуживание и снизив риск появления ошибок из-за несовместимости версий.

3. Возможность создания библиотек моделей. Все разработанные виртуальные платформы можно использовать повторно, ускоряя разработку последующих продуктов или обновлений существующих устройств. Однако не всегда использование виртуализованного проектирования оправданно. Чтобы понять, следует ли его применять, необходимо выделить проблемы, возникающие при проектировании, риски и затратность, а затем оценить, насколько виртуализованная реализация поможет снизить эти издержки. Кроме того, важно понимать, что переход на новый принцип проектирования сопровождается фундаментальными изменениями налаженного процесса. Это задача не решается быстро, а требует временных и материальных затрат на внедрение нового подхода, обучение персонала и т.д. Для проектов, имеющих долгосрочные перспективы на рынке, либо очень сложных и дорогостоящих встраиваемых систем, требующих тщательной настройки и отладки, этот переход оправдан, поскольку все затраты быстро окупаются. В целях снижения рисков испытывать виртуализованный метод разработки следует в первую очередь на тех продуктах, которые позволят сделать это проще всего. Например, к ним относятся устройства, состоящие из стандартных и недорогих блоков или имеющие несложную программную реализацию.

разработчиков могли видеть результаты и совместно отлаживать проблемные места кода.

– Контрольные точки и снимки системы. С их помощью можно сохранять и впоследствии полностью восстанавливать состояние системы на определенном этапе. Это позволяет экономить время за счет создания одной многоразовой аппаратно-программной установки для нескольких разработчиков.

– Расширенная отладка — поддержка аппаратных и программных точек останова и выполнения операций в обратном порядке.

– Полный обзор и контроль аппаратных схем. Разработчики должны иметь возможность видеть регистры и данные, которые будут невидимыми на физическом оборудовании.

– Использование скриптов для автоматизации процессов тестирования и оценки системы. ВЫБОР МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Как говорилось выше, существует несколько подходов к созданию виртуальных платформ, каждый из которых имеет свои сильные стороны. Рассмотрим основные вопросы, которые помогут выбрать наилучший метод.

1. Аппаратная или программная виртуализация? Существуют две основные категории виртуальных платформ: программные и аппаратные. В программной реализации на одной виртуальной машине поверх хостовой ОС запускается несколько гостевых, а при аппаратной реализации гипервизор запускает одновременно несколько ВМ и осуществляет контроль над обменом данными на низком уровне без использования ОС хоста. Для большинства встраиваемых приложений больше подходит аппаратная виртуализация, поскольку гипервизоры поддерживают ОСРВ и открывают для гостевой ОС прямой доступ к аппаратным средствам. Для тестирования ПО, находящегося на стадии проектирования, или запуске приложений, рассчитанных для разных ОС, лучше выбрать программную виртуализацию, когда гипервизор работает через хостовую ОС. Существуют два базовых программных метода виртуализации: динамической трансляции и модификации гостевой OC (паравиртуализация). При динамической, или бинарной, трансляции проблемные команды гостевой OC перехватываются гипервизором и модифицируются (заменяются на безопасные), после чего управление возвращается гостевой ОС. В результате гостевая операционная система вместе со всеми приложениями фактически становится одним «обычным» приложением хостовой операционной системы, из-под которой она запущена. При паравиртуализации исходный код гостевой ОС частично подвергается модификации: все проблемные

25 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

РЕКОМЕНДАЦИИ

Для максимальной реализации возможностей виртуализованного проектирования следует придерживаться нескольких правил, которые помогут сделать проект универсальным и годным для многократного применения.

– Использование функции импорта стандартных регистровых языков (например, IP-XACT от SPIRIT Consortium) и моделей (например, TLM-2.0 от SystemC).

– Включение поддержки нескольких языков моделирования для обеспечения гибкости и межоперационной совместимости.

– Использование нескольких уровней абстракции. Для большинства компонентов модели в зависимости от программной задачи, которую они выполняют, требуется различный уровень функциональности. Среда моделирования должна поддерживать различные уровни абстракции, от максимального упрощения представления системы (путем удаления некоторых блоков) до моделирования полной функциональности.

– Создание масштабируемых моделей. Крупные и сложные модели следует собирать из более мелких. При этом предполагается, что инженерные группы имеют доступ не только к собственным моделям, но и к разработанным другими коллективами.

– Разработка интерфейса с физическим оборудованием. Необходимо предусмотреть возможность подключения виртуальных платформ к физическому оборудованию через стандартные интерфейсы связи или RTL-эмуляторы, чтобы расширить сферу применения разработанных виртуальных платформ. Чтобы модели отвечали требованиям, предъявляемым к реальным системам, они должны обладать следующими свойствами.

– Гибкость и модульность. Сложные модели должны состоять из более простых. Следует, однако, иметь в виду, что точные модели физического оборудования могут оказаться слишком сложными и непригодными для использования в других проектах. Чтобы этого избежать, необходимо тщательно проанализировать функции, которые должно выполнять ПО, и определить, какие регистры и процессы должны быть смоделированы отдельно.

– Поддержка различных типов СБИС и многоядерных процессоров.

– Поддержка смешанных архитектур процессоров.

– Использование ОС смешанного типа (поддержка ОСРВ, работа с хостовой ОС и без нее, с гипервизором и без него). Это необходимо для обеспечения работы на любой платформе.

– Поддержка основных стандартов передачи и связи (Ethernet, PCI, PCI-Express, RapidIO, MIL-STD-1553, ARINC 429, SpaceWire, FireWire, USB, ATM, последовательный порт и др.).

– Наличие интерфейса между виртуальной и физической реализациями для обеспечения взаимодействия между ними.

– Возможность установки контрольных точек и точек обратимости, которые позволят вернуться к известному состоянию системы. Это важно для совместной работы инженерных групп. Для удобства разработчиков ПО среда проектирования должна иметь следующие возможности и свойства.

– Наличие привычных инструментов проектирования. Разработчики ПО для виртуальных платформ должны иметь возможность применять те же инструменты разработки программного обеспечения (например, компиляторы, линкеры, отладчики и IDE), что и для программирования физического оборудования.

– Возможность отладки системы в неактивном состоянии.

– Повторяемость. Эта функция позволяет несколько раз моделировать одну и ту же конфигурацию, чтобы несколько

Электронные компоненты №5 2010

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

26

инструкции и спорные места заменяются командами перехода на гипервизор, который генерирует код замещения проблемной команды. Этот метод позволяет добиться более высокой производительности, однако он применим лишь в том случае, если гостевые ОС имеют открытые исходные коды — их можно модифицировать в соответствии с лицензией. Не стоит забывать об обратной стороне использования гипервизора. Обращение к нему требует резервного копирования и восстановления данных о состоянии. Это снижает быстродействие системы и в некоторых случаях недопустимо. Наиболее эффективные виртуализованные решения сводят к минимуму обращения к гипервизору, чтобы минимизировать временные задержки.

2. Какие ОС и наборы инструкций должен поддерживать гипервизор? При проектировании встраиваемой системы следует закладывать в нее возможности расширения и модернизации. Соответствующие изменения в архитектуре (переход на новый процессор, добавление ОС и т.д.) необходимо продумать и учесть заранее.

3. Должны ли ОС иметь возможность взаимодействовать друг с другом? Одно из преимуществ запуска нескольких операционных систем на одном компьютере — это прямые связи между ОС. Как правило, гипервизоры поддерживают два способа обмена данными между ОС: эмулированные интерфейсы и общая память. Эмулированные интерфейсы — это физические или виртуальные устройства, которые гипервизор представляет гостевым ОС. При использовании общей памяти в ОЗУ отводится область, которую используют обе ОС.

4. Следует ли изолировать виртуальные машины друг от друга и в какой степени? Виртуализация всегда хотя бы частично изолирует гостевые ОС. Некоторые гипервизоры гарантируют полное разграничение, когда одна ОС не имеет доступа к данным или командам другой ОС. Полная изоляция является обязательным требованием в таких областях как безопасность,

WWW.ELCP.RU

военная и авиакосмическая промышленность. Хотя большинство встраиваемых систем предназначено для длительной непрерывной работы, необходимо предусмотреть реакцию гостевых ОС на сбой или перезагрузку одной из них. Для осуществления независимой перезагрузки какой-либо из гостевых ОС в виртуальной машине должна быть предусмотрена возможность корректного сброса устройств ввода-вывода без перезагрузки всей машины. Если операционные системы связаны (например, одна ОС имеет доступ к винчестеру через другую), то независимая перезагрузка ОС может оказаться сложной задачей.

5. Какой гипервизор лучше: стандартный (готовый) или требующий настройки? На установку гипервизора низкого уровня может уйти несколько недель или месяцев. Особенно это касается аппаратных гипервизоров и гипервизоров, модифицирующих код гостевой ОС. Такая тонкая настройка позволяет увеличить производительность, поэтому она оправдана для массовых продуктов. В более мелких проектах лучше воспользоваться стандартными версиями, чтобы сэкономить время и облегчить задачу разработчиков.

6. Требуется ли поддержка многопроцессорной обработки? Гипервизоры могут поддерживать симметричную (SMP), асимметричную многопроцессорную обработку (AMP) или обе одновременно. Эти функции используются в электронных системах с несколькими процессорами. Если ядра разные, то необходима поддержка AMP, если одинаковые — то SMP. Если же ВМ использует только один процессор, то для запуска нескольких ОС одновременно применяется разделение процессорного времени. Соответственно, гипервизор должен поддерживать эту функцию.

7. Каковы лицензионные обязательства и условия предоставления технической поддержки? Выше мы рассматривали только технические аспекты, однако имеется и экономическая составляющая. Любое выбранное решение требует покупки лицензии на его использова-

ние. Кроме того, возможна дополнительная оплата каждого проекта или ежегодные комиссии. В случае выбора гипервизора низкого уровня обратите внимание на условия обслуживания и поддержки, поскольку при его настройке у вас, наверняка, появятся вопросы. Кроме того, важным аспектом является обновление гипервизора для поддержки новых ОС и процессоров. Стоимость всех этих услуг следует уточнить заранее. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Виртуальное проектирование дополняет процесс традиционной аппаратно-ориентированной разработки встраиваемой системы и предоставляет большие преимущества, с точки зрения эффективности, качества программного обеспечения, а также сокращения сроков поставки. Однако без полнофункциональной среды моделирования и достаточного набора стандартных и пользовательских моделей все выгоды сводятся на нет. Выбор наилучшего решения зависит от многих факторов: требуемых характеристик, типа виртуальной платформы, количества проектов и т.д. Единого универсального решения нет. Правильно организованный подход позволяет существенно сократить затраты на разработку, упростить взаимодействие между разработчиками и повысить качество самого продукта.

ЛИТЕРАТУРА 1. Paul Fisher. Getting a Handle on Virtualization and Putting it to Work//RTC. Сентябрь. 2008 г.

2. David Beal. Reducing Costs, Risks, Time to Market with Virtualized Systems Development// www.embedded.com/design/222700419.

3. А. Самойленко. «Виртуализация: новый подход к построению IT-инфраструкту ры»//www.ixbt.com/cm/virtuali za tion. shtml.

4. Casey Weltzin. 10 questions to ask when choosing a virtualization solution// www.eetimes.com/news/design/showArticle. jhtml?articleID=224000219.

5. Н. Елманова, С. Пахомов. «Виртуальные машины 2007»//КомпьютерПресс. №9.

2007.

ПРОЦЕССОРЫ INTEL CORE: НОВОЕ НАСТУПЛЕНИЕ x86-АРХИТЕКТУРЫ НА РЫНКЕ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ ДМИТРИЙ ПРЫГУНОВ, техн. консультант, ИД «Электроника» В статье рассматриваются особенности нового семейства процессоров Intel Core, представленных на международной выставке CES 2010 в январе 2010 г. Обсуждаются ключевые преимущества новых процессоров, позволяющие реализовывать на их базе отказоустойчивые встраиваемые системы различного назначения. Приведены сведения о программных средствах разработки и оптимизации программного кода для процессоров данного семейства.

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

28

В течение многих лет разработчики встраиваемых систем были вынуждены выбирать между двумя возможными архитектурами процессоров, имеющими свои преимуществами и недостатками. С одной стороны, специалистов привлекала высокая производительность процессоров Intel, хотя их сравнительно высокое энергопотребление требовало принятия дополнительных мер по уменьшению рассеиваемого тепла, что приводило к удорожанию системы. Следует сказать, что с появлением шин PCI/PCI Express появилась возможность создавать экономически более эффективные решения. К тому же, процессоры Intel поддерживаются не только Windows, но также такими ОС, как Linux и VxWorks, что делает эту архитектуру еще более привлекательной. С другой стороны, компания Freescale всегда ориентировалась на встраиваемые системы и предлагала решения, которые оптимально сочетают производительность и энергопотребление/рассеяние тепла. Кроме того, архитектура PowerPC обеспечивает доступ к AltiVec — набору SIMDинструкций (векторных) для работы с плавающей запятой и целочисленной арифметикой, которые позволяют реализовывать такие сложные приложения, как цифровая обработка сигнала. Продукты Freescale обеспечивают длительный срок поддержки, что необходимо для использования во встраиваемых продуктах, особенно ответственного применения. Ситуация на рынке, однако, меняется. После упорного стремления производителей процессоров увеличить тактовую частоту и пропускную способность систем пришло осознание того, что все это больше не является главенствующим в проектировании процессоров. Почему это произошло? Просто потому, что как на рынке компьютеров,

WWW.ELCP.RU

так и на рынке встраиваемых систем проявилась бесспорная тенденция — интеграция все больших вычислительных возможностей во все более компактном корпусе, для чего необходимо снизить потребляемую мощность и минимизировать рассеиваемое тепло. Когда корпорация Intel представила 7 января 2010 г. семейство Core, в тот же день было объявлено о выходе множества продуктов на базе процессоров Core i7 и i5 в различных форм-факторах: COM Express, XMC, 6U Compact-PCI, VME, VPX и др. Было предложено 12 новых процессоров, предназначенных специально для рынка встраиваемых систем, которые имеют 7-летний срок поддержки. Весьма важно для этого рынка, что эти процессоры могут быть опционально оборудованы памятью с коррекцией ошибок (ECC) и способны выполнять вычисления с плавающей точкой, что является фундаментальным требованием для большинства сложных встраиваемых приложений, таких как радары, сонары и любые системы, в которых нужна цифровая обработка сигнала. Ключевым требованием при разработке новых процессоров семейства Core 2010 г. являлось достижение высокой энергоэффективности. В то же время в них реализованы многие усовершенствованные функции, которые впервые были представлены в семействе Xeon с микроархитектурой Nehalem. Существенное снижение потребляемой мощности получено за счет перехода на 32-нм технологию. Реализация микроархитектуры Nehalem с двумя ядрами по 32-нм технологии наделила новыми возможностями настольные и мобильные компьютеры, а также встраиваемые системы с потребляемой мощностью от 18 до 35 Вт. Уменьшение площади кристалла центрального процессора сделало возможным интеграцию контроллера памяти и графиче-

ского контроллера в так называемом многочиповом корпусе. Это позволяет отказаться от северного моста между центральным процессором и южным мостом. Таким образом, вместо 3-чипового построения системы стала возможна 2-чиповая реализация. Снижение требований к системе по рассеиваемой мощности, в то же время, позволило сохранить частоту тактового сигнала на том же уровне. Появление семейства Core произошло примерно два года спустя после представления 45-нм семейства процессоров Atom, которое ознаменовало собой внедрение x86-архитектуры в маломощные встраиваемые приложения. Сейчас логичным шагом дальнейшего развития процессоров Atom был бы переход с 45-нм технологических норм на 32 нм. Целью такого развития, конечно, является стимулирование использования x86-архитектуры во все более компактных и все более глубоко встраиваемых приложениях, и в конечном итоге — расширение этой архитектуры в сферы применения, которые до настоящего времени занимала архитектура ARM. Если Intel действительно движется в этом направлении, то у этой компании в руках есть серьезное оружие в лице широко доступных инструментов проектирования и армии опытных разработчиков, которые хорошо знакомы с x86-архитектурой. Кроме того, это также позволит использовать единую архитектуру для целого спектра продуктов, например, когда нужно разработать портативную версию данного продукта. Переход на новую, более совершенную версию продукта с низким энергопотреблением может быть выполнен тем же составом разработчиков, с помощью тех же инструментов разработки и даже, возможно, с использованием большей части существующего программного

29 Рис. 1. Во встраиваемых приложениях процессоры Core работают совместно с платформенным контроллером-концентратором QM57 и реализуют 2-чиповое решение, в котором графический процессор и контроллер памяти встроены в процессор

число входят технологии Turbo Boost и Hyper-Threading, а также технология удаленного управления и обеспечения безопасности vPro. Все процессоры поставляются в корпусе BGA, что позволяет уменьшить занимаемую на плате площадь. Кроме того, был представлен платформенный контроллер-концентратор (Platform Controller Hub — PCH) QM57 для 2-чипового решения в мобильных и встраиваемых приложениях.

Контроллер памяти теперь встроен внутрь процессора. PCH поддерживает технологию vPro, а также 14 портов USB 2.0, восемь портов PCI Express, порт Gigabit Ethernet PHY, 6 портов SATA, а также видео- и аудиопорты (см. рис. 1). Процессор Core i7 имеет встроенный графический контроллер, что исключает необходимость использования отдельного графического процессора для широкого спектра приложений. Тестирование с помощью пакета 3D Mark

Электронные компоненты №5 2010

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

кода. Экономия средств при продвижении продукта на рынке, на проведение исследований, выполнение верификации проекта, оплату труда и обучение персонала может быть весьма значительной. Использование памяти со встроенной схемой обнаружения и коррекции ошибок (ECC) также имеет весьма существенное значение. Во встраиваемых приложениях всегда необходимо было обеспечить высокий уровень целостности данных, особенно в критически важных системах. Раньше разработчики вынуждены были выбирать между более высоким энергопотреблением и ECC-памятью. Теперь возможность использования памяти с коррекцией ошибок обеспечивается при величине энергопотребления, допустимого для мобильных компьютеров. Этот тип памяти, который обычно использовался в серверных системах, детектирует и корректирует 1-битовые ошибки и обнаруживает 2-битовые ошибки, что предотвращает сбои системы. Это весьма позитивно сказывается на надежности систем, работающих в непрерывном режиме. Особенно это касается приложений, требующих больших объемов памяти, и медицинских систем. Многие технологии микроархитектуры Nehalem весьма полезны для разработчиков встраиваемых систем. В их

Рис. 2. Технология Hyper-Threading позволяет реализовать на 2-ядерном процессоре четыре логических процессора, одновременно обрабатывающих четыре потока

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

30

показало, что уровень производительности при обработке графики сравним с предыдущей платформой, которая использовала отдельный графический чип. Этот уровень производительности сделал возможным использование двух портов DVI, которые могут управлять двумя независимыми дисплеями высокого разрешения. Более высокая степень интеграции чипсета позволила существенно сэкономить площадь на плате. Например, системная шина FSB не проходит по печатной плате, а интегрирована в чипсет. Освобождение дополнительного места на плате особенно важно для производителей одноплатных компьютеров, которые стараются обеспечить максимально возможную функциональность своих изделий. Другое важное преимущество линейки Core заключается в том, что компанией предлагается целое семейство процессоров. Процессоры Core i7 имеют уровень энергопотребления 35, 25 и 17 Вт с тактовой частотой 2,53; 2,0 и 1,06 ГГц соответственно, что позволяет заказчикам выбирать процессоры, исходя из необходимого им соотношения производительности на ватт потребляемой мощности. Технология Turbo Boost представляет собой аппаратную технологию, которая учитывает вычислительную нагрузку на процессор и потребляемую мощность. В 2-ядерных процессорах, например, когда одно из ядер неактивно или недогружено, процессор может увеличить частоту тактового сигнала. Частота тактового сигнала может быть увеличена до двух фиксированных значений: более высокая частота — когда второе ядро неактивно и более низкая частота — если второе ядро активно, но не полностью нагружено. Если вычислительная нагрузка на одном из ядер увеличивается настолько, что могут быть превышены предельные значения по температуре, рассеиваемой мощности и току, процессор переходит на более низкую тактовую частоту. С помощью операционной системы можно определить время работы процессора с наивысшей производительностью, в зависимости от рабочей нагрузки и условий эксплуатации.

WWW.ELCP.RU

Технология Turbo Boost помогает улучшить производительность системы, однако реальные преимущества разработчики получают при оптимизации программного кода для реализации многопотоковой обработки. Многопотоковость обеспечивается в семействе процессоров Core на двух уровнях. Во-первых, имеется возможность реализовать ее между двумя процессорными ядрами на каждом кристалле. Кроме этого, используя технологию Hyper-Threading, можно на основе каждого ядра процессора реализовать два логических процессора, каждое из которых обрабатывает многопотоковый код. Таким образом, можно обрабатывать одновременно четыре потока на каждом чипе процессора (см. рис. 2). При этом каждый логический процессор хранит полный набор состояния архитектуры (два на каждом физическом процессоре). Состояние архитектуры содержит содержимое всех регистров, включая регистры общего назначения, управляющие регистры, регистры, принадлежащие контроллеру прерываний APIC и другие регистры состояний машины. Прерывания, высылаемые данному логическому процессору, обрабатываются только этим процессором. Реализация технологии Hyper-Threading потребовала лишь 5-% увеличения площади кристалла и рассеиваемой мощности. Сбалансированная работа потоков обеспечивается буферным управлением, которое гарантирует, что ни один логический процессор не сможет забрать все доступные ресурсы, когда обрабатываются два активных потока. Кроме того, можно комбинировать разделенные ресурсы, когда активен только один поток. Реализация всех преимуществ нового семейства процессоров, связанных с многопотоковым выполнением алгоритмов, невозможна без соответствующего программного обеспечения. Разработчикам встраиваемых систем необходимо оптимизировать программный код, в результате чего существенно возрастает производительность системы без увеличения мощности процессора. Одна из главных проблем при переходе на многопотоковое выполнение программ заключается в переносе среды разработки и созданного программного кода на параллельную модель без необходимости переписывания огромного массива созданного кода. Одним из доступных инструментов разработки программ параллельной обработки данных является технология Intel Ct. Ct — это совместимая с Cи++ библиотека, которая работает с любым стандартным компилятором Cи++. Библиотека Ct включает все компонен-

ты, необходимые для генерации параллелизованного или векторного кода: компилятор, потоковую среду выполнения программ и менеджер памяти. Другим программным набором инструментов является Intel Parallel Studio, который работает совместно с Microsoft Visual Studio для разработки кода Cи++. С помощью пошаговых рекомендаций пакета Parallel Studio можно определить области в приложениях, которые получат наибольшие преимущества от параллельного выполнения задания. Средство Advisor Lite позволяет расширить возможности Parallel Studio, моделируя и тестируя фрагменты программ прежде, чем передавать их в реальный параллельный код. Существует также Parallel Amplifier для поиска фрагментов программ, в которых процессорные ядра недогружены, а также для блокирования потоков. Инструмент Parallel Inspector предназначен для поиска ошибок, которые могут появиться в коде из-за высокой сложности многопотоковых процессов. В заключение следует сказать, что технологии, использованные в новом семействе процессоров Core, показывают, что корпорация Intel заглядывает далеко за пределы простого увеличения тактовой частоты и уменьшения площади кристалла для улучшения производительности системы. В новом семействе процессоров компания сконцентрировала усилия на повышении удельной производительности процессоров. Возможность коррекции ошибок в памяти и реализация вычислений с плавающей точкой имеют огромное значение для встраиваемых систем. Включение мощного графического контроллера в состав чипсета и достижение высокой степени интеграции позволили сэкономить доступную на плате площадь для увеличения функциональной плотности продуктов. С выходом семейства процессоров Core разработчики встраиваемых систем получили весьма действенные аппаратные и программные средства для многих сфер применения. Компания Freescale, вероятнее всего, останется заметным поставщиком на рынке встраиваемых технологий, однако корпорация Intel обозначила самые серьезные намерения на этом растущем и многопрофильном рынке. ЛИТЕРАТУРА 1. Richard Kirk. Intel’s Core i7: What It Means to the Embedded Market//RTC Magazine, March 2010 2. Tom Williams. New Intel Processor Family Extends the Embedded Span of x86//RTC Magazine, February 2010 3. Peter Lippert. Intel Core i7 processor powers innovative embedded PC solutions// Boards & Solutions, February 2010

УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ СОПРОЦЕССОРА НА FPGA МАЙКЛ ПАРКЕР (MICHAEL PARKER), менеджер по маркетингу, Altera Corp.

В статье освещены вопросы проектирования промышленных приложений с использованием FPGA. Рассмотрены особенности промышленных приложений и способы увеличения пропускной способности системы. Обсуждаются проблемы разделения ресурсов, а также показаны преимущества использования FPGA в качестве аппаратного ускорителя системы. Статья представляет собой перевод [1]. методами, не доступными для обычных DSP-процессоров. В данной статье обсуждаются общие вопросы реализации промышленных приложений цифровой обработки сигналов на FPGA с использованием программных инструментов проектирования. ПРОГРАММНЫЙ ПАКЕТ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

аппаратной части системы без обращения к исходному коду HDL. С помощью метода «указал и выбрал» (point-andclick) разработчик имеет возможность сгенерировать всю систему, смоделировать и верифицировать ее, а также загрузить в FPGA код с персонального компьютера. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Пакет программных средств разработки, упоминаемый в этой статье, состоит из трех основных компонентов: Quartus II, SOPC Builder и DSP Builder. В совокупности эти инструменты образуют платформу автоматизированной разработки системы, которая обеспечивает высокий уровень интеграции проекта и гибкость, которая позволяет инженерам сосредоточить усилия на системном уровне, а не на уровне HDL-программирования и логических блоков. Это инструменты логического уровня, которые поддерживают разработку программного обеспечения встраиваемых процессоров, каналов данных DSP, синтез, размещение элементов и разводку, верификацию и программирование устройства. Они работают как функции низкого уровня, которые выполняют конфигурирование FPGA из набора проектных файлов, полученных инструментами разработки. Инструменты можно использовать раздельно или совместно; они также позволяют выполнять HDL-проектирование (Verilog или VHDL). Системные разработчики не обязаны быть VHDL- или Verilog-программистами. Инструменты автоматизированной генерации системы позволяют определить компоненты, создать межсоединения, смоделировать и выполнить верификацию

Во многих промышленных приложениях, таких как ультразвуковая дефектоскопия, скорость передачи данных от датчиков может достигать 50 MSPS. В других промышленных приложениях скорость передачи данных с датчика может быть значительно меньше (скажем, 100 kSPS), но количество датчиков велико. В любом случае, если цепь обработки данных является сложной, DSP-процессоры часто не обеспечивают пропускную способность, необходимую для работы системы в режиме реального времени. В этом случае обработку приходится выполнять в режиме offline. Трудности при использовании DSPпроцессоров в таких приложениях могут быть различными. Во-первых, DSP-процессоры являются фактически последовательными устройствами, которые обрабатывают один элемент сигнальной цепи в данный момент. В некоторых сложных DSP-процессорах специальные команды могут выполнять синхронную обработку данных, обеспечивая некоторую степень параллелизма. Однако зачастую единственным способом доступа к этим командам является либо создание кода на ассемблере, либо использование специальных режимов компилятора. В обоих случаях это требует большого опыта и делает такой код непригодным для других аппаратных платформ.

Электронные компоненты №5 2010

31 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

Длительное время FPGA использовались как в качестве главного, так и специализированного процессора (сопроцессора) в телекоммуникациях. Цифровая обработка сигнала (DSP) в промышленных приложениях имеет фундаментальные отличия от обычных телекоммуникационных приложений. В телекоммуникации входные данные обычно поступают с высокой частотой, и их обработка должна производиться в режиме реального времени, что требует завершения операций до прихода следующей выборки данных. В DSPпроцессоре может выполняться только несколько десятков операций для выборки входных данных. Подобное ограничение пропускной способности может быть устранено применением нескольких блоков обработки некоторых DSP-процессоров. Однако разработка специального конвейерного кода для полной реализации всех преимуществ параллельной обработки требует ручной оптимизации на ассемблере. Обслуживание, повторное использование и поддержка такого кода может вызывать затруднения и требует больших затрат. Кроме того, в этом случае степень параллелизма (одновременного выполнения задания) сравнительно низка и может не обеспечить требований по времени выполнения задания. Лучшей альтернативой для выполнения операций с высокой пропускной способностью является использование FPGA в качестве сопроцессора, в котором реализованы повторяющиеся, критичные к времени выполнения части алгоритма. Используя программные средства автоматизированного проектирования для FPGA, разработчики получают возможность оптимизировать производительность системы

Рис. 1. Трехмерное пространство оптимизации, доступное с помощью программных инструментов разработки

Рис. 2. Сравнение выполнения алгоритма свертки на DSP-процессоре и FPGA

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

32

В некоторых приложениях могут быть использованы несколько DSPпроцессоров для организации настоящей параллельной обработки, но при этом сложность программного обеспечения и стоимость аппаратных средств резко возрастает. Программное обеспечение для таких систем становится более сложным и непригодным для повторного использования из-за зависимости от структуры данных и наличия определенных схем связи между процессорами. Так что и в этом случае степень истинного параллелизма мала по сравнению с аппаратным решением, а издержки, т.е. время разработки, стоимость комплектующих и скорость выхода изделия на рынок — слишком велики. КАК УВЕЛИЧИТЬ СКОРОСТЬ ОБРАБОТКИ С ПОМОЩЬЮ FPGA В КАЧЕСТВЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОПРОЦЕССОРА

Эти проблемы заставили многих разработчиков обратить внимание на FPGA, которые позволяют преобразовать набор последовательных команд в параллельные команды, выполняющие задание за несколько тактовых

WWW. ELCP.RU

циклов на частоте более 200 МГц. Это и является основным преимуществом технологии FPGA: ускорение выполнения алгоритма путем параллельного выполнения заданий. В большинстве приложений цифровой обработки сигнала, помимо оптимизации с использованием специальных команд ассемблера или при модернизации DSP-процессоров, инженеры имеют несколько возможностей для увеличения производительности. В случае использования FPGA аппаратная часть и программное обеспечение могут быть оптимизированы одновременно. Более того, разработчик может изменить разделение ресурсов системы, возлагая большую часть задач по обработке данных на аппаратную часть, чтобы удовлетворить требованиям по пропускной способности. В результате разработчик получает в свое распоряжение трехмерное пространство оптимизации (см. рис. 1). При неизменной производительности многих DSP-процессоров при тактовой частоте 1 ГГц разработчикам, как правило, остается только одна возможность улучшения пропускной способности системы — оптимизация кода. Широкие возможности программируемых решений помогают создать системы, которые прежде невозможно было спроектировать либо из-за недостатка времени или высокой стоимости элементов, либо из-за того, что обычные DSP-процессоры не могли справиться с вычислительной нагрузкой. Теперь специалист имеет еще одну степень свободы в процессе проектирования — аппаратное ускорение с помощью сопроцессора. Кроме очевидного увеличения скорости выполнения операций, использование FPGA в качестве сопроцессора обеспечивает также следующие преимущества, связанные с возможностью гибкого программирования системы.

1. Увеличение скорости центральных блоков алгоритма уменьшает нагрузку на остальные его части, что снижает общие требования к синхронизации системы и степень необходимой оптимизации. Может быть улучшена и общая масштабируемость, и пропускная способность системы.

2. Высокопроизводительные приложения цифровой обработки сигнала способны быстро израсходовать доступные ресурсы DSP-процессоров, не оставляя возможности для дальнейшего расширения системы. При использовании FPGA в существующую систему можно добавить дополнительные алгоритмы или фильтры, оставляя за процессором выполнение наиболее важных функций.

3. Блоки управления, память и интерфейсы преобразования данных,

которые обычно реализуются вне DSPпроцессора, можно интегрировать в FPGA и объединить с алгоритмом на одном кристалле. Это может сократить время и средства при разработке системной платы, а гибкость FPGA позволяет легко конфигурировать систему.

4. Использование FPGA позволяет модернизировать архитектуру каналов данных аппаратного ускорения после разработки системы. Это выполняется с помощью дистанционного обновления конфигурационного файла FPGA аналогично тому, как происходит обновление микропрограммного обеспечения с помощью удаленной загрузки. В DSP-процессорах с Гарвардской архитектурой операция умножения с накоплением (multiply-accumulate — MAC) может быть эффективно выполнена за один командный цикл. Некоторые DSP-процессоры имеют до восьми блоков MAC, которые могут работать одновременно. Однако для выполнения, например, операции свертки могут понадобиться несколько сотен и тысяч циклов. Использование тактовых циклов в обычных DSP-процессорах может быть продемонстрировано на примере выполнения операции свертки, в сравнении с реализацией той же операции на FPGA семейства Stratix с помощью инструмента разработки DSP Builder. Представим в развернутом виде одну итерацию цикла операции свертки (представлена цветной стрелкой на рис. 2) и поместим ее в программу последовательного DSP-процессора. Если отобразить эти операции в зависимости от числа системных тактов (времени вычисления), то они будут представлены в виде последовательности линий со стрелками (см. рис. 2). В некоторых DSP-процессорах программист имеет возможность создать оптимизированный код на ассемблере для конвейерного выполнения операций. Это уменьшает количество используемых тактовых циклов (см. рис. 2б). Выигрыш в скорости в 5—10 раз можно получить как путем ручной оптимизации, так и путем оптимизации в компиляторе Cи. Но, хотя компилятор Cи может обеспечить некоторую степень параллелизации задачи, наибольший выигрыш в скорости дает оптимизированный ассемблерный код. При необходимости какой-либо модификации алгоритма код должен быть переписан. Явным недостатком такого варианта является то, что затраты времени и стоимость обслуживания такого программного кода могут быть существенными. Используя инструмент разработки DSP Builder и реализуя этот алгоритм на FPGA, фильтр свертки может быть спроектирован таким образом, чтобы эта операция выполнялась за 1—2 так-

(количество логических элементов) в зависимости от стоимости. Преимущества разработки проекта на базе FPGA таковы.

1. Выигрыш в быстродействии по сравнению с оптимизированным ассемблерным кодом на DSP-процессоре часто превышает 100 раз. Крупные FPGA содержат тысячи умножителей, блоков памяти, портов ввода/вывода и связанной с ними программируемой логики.

2. Инструменты разработки имеют графический интерфейс, использующий метод перетаскивания (drag-anddrop). Поэтому время разработки существенно меньше, чем написание кода для DSP-процессора.

3. Если организация фильтра требует интерфейса аппаратного управления внешних устройств или преобразователей данных, то он реализуется на том же кристалле FPGA с помощью того же программного обеспечения, а не путем создания специального кода взаимодействия с прерываниями и шинами в случае DSP-процессора. Во многих системах FPGA уже интегрирована для выполнения интерфейсных задач.

4. Использование современных программных пакетов разработки для FPGA позволяет легко и быстро модифицировать проект и архитектуру системы. Для тех специалистов, которые использует традиционный подход

проектирования FPGA на базе HDLпрограммирования, широко доступны такие IP-ядра как FFT, NCO, FEC, FIR- и CIC-фильтры. Они обычно совместимы со всеми приборами данного семейства FPGA. ЧТО ВЫБРАТЬ — СОПРОЦЕССОР НА FPGA ИЛИ DSP-ПРОЦЕССОР?

Преимущество в быстродействии при использовании FPGA очевидно из рисунка 2. Обработка может осуществляться параллельно, так что отношение вычислительной производительности к числу используемых тактовых циклов весьма велико. Принимая решение использовать сопро цессор на FPGA, разработчик должен учесть следующий ряд факторов. Во-первых, проект должен быть сегментирован на те задания, которые будут размещены в сопроцессоре, и те, которые останутся за DSP-процессором или другим системным процессором. Иногда главный процессор может быть исключен из аппаратной части проекта при использовании программного процессора, построенного на базе FPGA. При решении вопроса о сегментации самым простым способом является разделение проекта на два независимых, но связанных компонента: 1) алгоритм вычислений и 2) конфигурирование и управление этим алгоритмом. Несмотря на то, что эти компоненты

Электронные компоненты №5 2010

33 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

товых цикла, как показано на рисунке 2в (в обоих рассмотренных случаях начальные тактовые циклы, которые требуются для загрузки данных перед выполнением операций, не учитываются). Проектируя систему на FPGA, важно иметь в виду, что ключевые подходы при поиске компромиссного решения по оптимизации системы отличаются от тех, которые применяются для обычных DSP-процессоров. Чтобы увеличить быстродействие DSP-системы, разработчик может использовать несколько вариантов: – создать оптимизированный код (обычно на ассемблере); – выбрать более быстродействующий и более дорогой DSP-процессор; – добавить в систему больше DSPпроцессоров. Для FPGA используются другие подходы. Если разработчику нужно увеличить быстродействие (уменьшить время выполнения задания), то он должен использовать больше логических элементов, умножителей и блоков памяти для того, чтобы обеспечить параллельное выполнение операции. Поскольку каждый логический элемент занимает определенную площадь на кристалле, то обычно находят оптимальное соотношение между скоростью и площадью кристалла. Поэтому наиболее важным решением при проектировании системы FPGA является выбор размера FPGA

взаимозависимы, они могут быть легко разделены с помощью построения простой блок-схемы. Рисунок 3 показывает упрощенный пример сегментации. Эта блок-схема выполняет фильтрацию с конечной импульсной характеристикой (finite impulse response — FIR) высокочастотного сигнала, полученного в режиме реального времени (т.е. реализуется низкочастотный или полосовой фильтр для сигнала датчика с помехами) и отображение полученного параметра (мощности сигнала). В верхнем блоке, который обозначен как «Конфигурация фильтра», вычисляются коэффициенты фильтрации, выбор которых задает характеристику фильтра и частоты среза. Управляющий процессор может загрузить желаемый набор коэффициентов в зависимости от конфигурации. Закрашенная стрелка, направленная к блоку «Конфигурация фильтра», отражает программное управление главным процессором. Во втором блоке система осуществляет управление входными данными, например, преобразуя входные данные для сегментов фильтра. Кроме того, во время формирования данных необходимо передать в АЦП несколько аппаратных сигналов, таких как «Разрешение» и «Подтверждение» (показаны белыми стрелками). В блоке выходных данных также с помощью аппаратного управления формируются выходные данные, и обеспечивается их конечное расположение, например, происходит прямой доступ к памяти (DMA) и запись во внешнюю память SRAM. В последнем блоке вычисляется мощность отфильтрованного сигнала, которая затем отображается.

Теперь проведем сегментацию проекта на те части, которые будут выполняться в FPGA и в главном процессоре. Серая круговая стрелка на блок-схеме представляет скоростную повторяющуюся часть алгоритма. Это часть алгоритма, которая претерпевает незначительные изменения в процессе работы системы. Свертка данных может быть выполнена FIR-фильтром с выбранными пользователем коэффициентами. Это, кроме того, наиболее критичная ко времени выполнения часть алгоритма. Она является наилучшим кандидатом для реализации на FPGA из-за жестких временных требований и статического характера потока данных. Последний блок имеет прерывистую диагональную линию посередине. Это показывает возможность разделения задания на две части. Так как нам следует отобразить значение мощности, требования ко времени выполнения этой части алгоритма весьма низкие (порядка десятков мс). Однако вычисление мощности может стать задачей, требующей интенсивных расчетов, так как содержит операцию возведения в квадрат массива данных, а затем их суммирование. Оставить это за главным процессором или передать в FPGA, зависит от ответов на следующие вопросы.

– Какова нагрузка на главный процессор? Может ли передача задания в FPGA освободить другие ресурсы главного процессора?

– Сколько логических элементов FPGA задействовано в операции фильтрования? Сколько логических элементов FPGA будет использоваться при вычислении мощности?

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

34

Рис. 3. Сегментация процесса FIR-фильтрации в режиме реального времени

WWW. ELCP.RU

– В главном процессоре используются операции с плавающей запятой или целочисленная арифметика? Если целочисленная арифметика, то понадобится масштабирование, чтобы исключить возможное переполнение из-за операции возведения в квадрат. При сегментации проекта разработчики обычно приходят к выводу, что некоторые части алгоритма следует обязательно передать на исполнение в FPGA, тогда как передача других зависит от количества системных ресурсов. Для более сложного кода наилучшим способом определиться с разделением ресурсов является разработка модели кода на языке более высокого уровня (Cи/Cи++ или MATLAB). Для определения времени исполнения задания и поиска той части алгоритма, которая задействует основные ресурсы центрального процессора, могут быть использованы функции профилирования компилятора. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как в любом сложном проекте, решение о том, весь алгоритм или только его часть переносить на FPGAсопроцессор, зависит от многих факторов. Однако это решение сводится к анализу размера и сложности как аппаратных, так и программных компонентов системы. Простой алгоритм, работающий со сравнительно низкой пропускной способностью (например, обработка звука) с использованием недорогих DSP-процессоров не является хорошим кандидатом для портирования на FPGA, если только FPGA уже не находится в составе системы. Однако в тех случаях, когда требуется высокая производительность и пропускная способность (например, при обработке HD-видео), а DSP-процессоры не отвечают этим требованиям, FPGA-сопроцессор, несом ненно, является единственным вы бо ром. Инструменты разработки позволяют эффективно выполнять проектирование системы. Широкий набор автоматизированных средств делает процесс разработки системы на базе FPGA более простым и быстрым. Использование FPGA в качестве сопроцессора в промышленных приложениях обеспечивает существенный выигрыш в скорости по сравнению с высококачественными DSP-процессорами, а системный разработчик получает намного более высокую степень гибкости, чем это возможно при использовании DSPпроцессоров. ЛИТЕРАТУРА 1. Michael Parker. Increasing bandwidth in industrial applications with FPGA co-processors // www.pldesignline.com

КЛЮЧЕВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ СЕРГЕЙ ТИХОНОВ, техн. консультант, ИД «Электроника»

В статье представлен обзор основных тенденций в области встраиваемых процессорных систем. Рассмотрены перспективные виды энергонезависимой универсальной памяти, новые направления разработки гиперинтегрированных устройств, а также некоторые решения, позволяющие создать глубоко встроенные приложения.

ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМАЯ ПАМЯТЬ

В течение последних лет рынок энергонезависимой памяти в основном был ограничен несколькими приложениями, в частности, в автомобильной промышленности, в области смарт-карт, в медицинском и космическом оборудовании, а компаниизаказчики были вынуждены вкладывать дополнительные средства, т.к. процесс производства кристаллов памяти не был достаточно эффективным и дешевым. Однако существует также ряд перспективных приложений, таких как сбор энергии, сети беспроводных датчиков, системы автоматизации и безопасности зданий, а также глубоко встроенные (deeply embedded) системы (где ручное управление системой почти невозможно), в которых требуется память с весьма низким энергопотреблением, высокой надежностью и радиационной стойкостью. Дальнейшее развитие существующих технологии памяти на рынке встраиваемых процессоров и системна-кристалле (СнК) в настоящее время ограничено из-за двух основных проблем. Во-первых, скорость процессора и его эффективность опередили возможности памяти, что вынудило создавать сложные по архитектуре модули, в которых используются нестандартные решения. Во-вторых, многие процессоры сегодня работают при весьма низком

напряжении питания (1…3 В). Наиболее широко распространенная на сегодняшний день флэш-память использует для записи напряжение величиной более 10 В. Это заставляет разработчиков включать в состав микросхем блоки накачки заряда, что увеличивает площадь кристалла и, соответственно, его стоимость. В таблице 1 приведена сравнительная оценка нескольких перспективных технологий памяти, включая память на фазовых переходах (Phase Change Memory), магниторезистивное ОЗУ (Magnetoresistive RAM), сегнетоэлектрическое ОЗУ (Ferroelectric RAM), а также флэш-память со структурой SONOS. В течение следующих нескольких лет определится, какой вид памяти будет развиваться успешно, а какой потерпит поражение. Каждый из этих типов памяти имеет свои преимущества и недостатки. Память на фазовых переходах (PCM)

Базовым принципом функционирования такой памяти является трансформация вещества (из семейства т.н. халькогенидных стекол) из аморфного состояния в кристаллическую структуру при нагреве (путем инжекции тока в кристалле или при воздействии лазера в оптической памяти). Когда материал меняет свое состояние из аморфного в кристаллическое, его сопротивление и отражающая способность резко меняются. В настоящее время на рынке доступны кристаллы PCM или PRAM, однако из-за температурной нестабильности и высокой стоимости пока не удалось

создать PCM, встроенную в процессор. Преимущества у PCM следующие.

1. Время доступа не более 100 нс.

2. Программируемость на уровне произвольных битов (ОЗУ).

3. Скорость записи/стирания в 30 раз превышает этот показатель для флэш-памяти.

4. Не требуется отдельный цикл стирания, но скорость записи меньше, чем у SRAM. 5. Масштабируемость технологии при использовании новых типов литографии.

6. Возможность использования до четырех состояний каждого элемента памяти, что удваивает информационную емкость.

7. Количество циклов записи доходит до 1 млн.

8. Срок хранения данных до 300 лет при температуре 85°C. Недостатки PCM. 1. Высокая плотность тока (не менее 107 А/см2), которая требуется для изменения состояния памяти.

2. Температурная чувствительность, особенно для многобитных ячеек памяти.

3. Программируется только в системе (а не в процессе производства) из-за высоких температур размягчения материала во время процесса стирания.

4. Временной дрейф сопротивления и порогового напряжения (важно для многобитного хранения данных).

5. Экономически эффективное массовое производство для применения в СнК можно запустить не ранее, чем через несколько лет.

Таблица 1. Типы энергонезависимой памяти Стоимость

Быстродействие

Универсальность

ЭнергоНадежность потребление

PCM (PRAM)

*

***

*

**

**

MRAM

**

***

***

**

**

FRAM (FeRAM)

***

***

***

***

***

Флэш-память SONOS

**

**

***

*

***

Электронные компоненты №5 2010

35 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

В настоящее время разработчики встраиваемых систем переходят от постепенного улучшения параметров устройств к стратегии построения более долгосрочных и перспективных решений, которые могут привести к созданию новых классов встраиваемых электронных систем. Многие производители конечного оборудования рассчитывают на то, что разработчики кристаллов смогут сделать качественный технологический прорыв, позволяющий создать продукты следующих поколений.

Магниторезистивное ОЗУ (MRAM)

В данной технологии ячейки памяти также не программируются электрически, а информация определяется соответствующим состоянием намагниченности элемента памяти. Память считывается путем выбора элемента с помощью транзистора, затем измеряется его электрическое сопротивление. В настоящее время несколько компаний производит кристаллы MRAM, а одна из них имеет планы по созданию СнК со встроенной MRAM. Преимущества MRAM. 1. Топология кристалла может быть разработана по 65-нм нормам.

2. Высокая плотность размещения элементов памяти, приближающаяся по этому показателю к DRAM. 3. Универсальная память: нет жесткого разграничения между участками RAM и памятью программ; системная память может быть разделена произвольно.

4. Скорость доступа достигает 150 МГц при использовании 90-нм технологии.

5. Теоретически достижимое время доступа составляет 2 нс.

6. Устойчивость к радиации. Недостатки MRAM. 1. Трудности при изготовлении кристаллов с нормами менее 180 нм из-за сложных методов записи (для 65-нм процесса требуется использовать метод переключения и передачи спинового вращательного момента).

2. Непредсказуемые последствия масштабирования при нормах менее 65 нм.

3. Чувствительность к внешним магнитным полям.

4. Слишком дорогостоящий вид памяти из-за сложной архитектуры и необходимости соблюдения точного расстояния между линиями записи при изготовлении кристалла.

5. Необходимость использования высокого тока для генерирования электрического поля для записи в память.

36

однако существует также несколько видов памяти для смарт-карт, которые производятся Ramtron. На сегодняшний день наиболее сложные СнК имеют встроенную FRAM емкостью лишь 16 Кбайт. Преимущества FRAM. 1. Малая мощность потребления: кристаллы можно программировать напряжением 1,5 В без накачки заряда.

2. Надежность: отсутствие потери данных при провале питания во время работы устройства.

3. Долговечность: до 100 трлн циклов записи.

4. Более высокое быстродействие (в 1000 раз), чем у обычной флэш-памяти (время выборки слова — 50 нс).

5. Компактный элемент памяти (один транзистор — один элемент): малый размер кристалла.

6. Почти нулевая частота появления ошибок: высокая радиационная стойкость.

7. Совместимость с существующей КМОП-технологией и простота перехода на новые технологические нормы.

8. Гибкость: можно использовать как универсальную память (кэш-память, память данных и память программ) из-за ее высокого быстродействия.

9. Безопасность: стойкость к влиянию световых вспышек из-за отсутствия накачки заряда; высокая скорость записи/чтения не позволяет сканировать данные.

10. Высокая плотность размещения элементов памяти: более компактная ячейка памяти, чем у флэш-памяти (6T), но крупнее, чем у DRAM (1T-1C). Недостатки FRAM. 1. Невысокая информационная емкость (на сегодня не более 32 Кбайт встроенной памяти).

2. Разрушающая природа операции считывания, т.е. каждый цикл чтения является также циклом записи (этот недостаток компенсируется чрезвычайно высоким допустимым числом циклов записи). Флэш-память со структурой SONOS

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

Сегнетоэлектрическое ОЗУ (FRAM)

Сегнетоэлектрический эффект, который используется в памяти данного типа, — это возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрические материалы нечувствительны к магнитным полям и рентгеновскому излучению. В настоящее время только две компании предоставляют лицензию на данную технологию и производят FRAM серийно, в т.ч. Texas Instruments. Самая высокая доступная емкость кристалла FRAM, производимая TI для компании Ramtron, равна 4 Мбайт,

WWW.ELCP.RU

Разница между SONOS-памятью и обычной флэш-памятью заключается в том, что в SONOS (Silicon-Oxide-NitrideOxide-Silicon) используется изолирующий слой нитрида кремния Si3N4 вместо слоя поликристаллического кремния. SONOS-транзистор напоминает транзистор МНОП (MNOS). В SONOS-ячейках функцию плавающего затвора и окружающего его изолятора выполняет композитный диэлектрик ONO. Преимущества флэш-памяти SONOS. 1. Технологический процесс изготовления памяти весьма похож на стандартный КМОП-процесс, поэтому для внедрения серийного производства

нужны минимальные изменения технологии (не более 10 дополнительных операций).

2. Масштабируемость технологии до минимальных размеров менее 45 нм.

3. Число циклов записи достигает 1011.

4. Безопасность: нельзя считать память с помощью электронного микроскопа или путем ионного сканирования.

5. Время хранения данных до 15 лет при температуре 85°C, или 100 тыс. циклов записи. Недостатки флэш-памяти SONOS. 1. Требуется повышенное напряжение записи, как и в существующей флэш-памяти, поэтому необходимо применение сложных схем на кристалле.

2. Невысокое быстродействие (время записи до 5…10 мс, время стирания — до 10 мс) требует сложной архитектуры для сопряжения с более быстродействующим ядром процессора, что увеличивает стоимость кристалла.

3. Проблемы безопасности из-за возможности потери заряда. Принимая во внимание преимущества и недостатки рассмотренных технологий памяти, а также возможности сегодняшнего производства, по-видимому, память FRAM наиболее близка к тому, чтобы занять лидирующее положение в этом соревновании. ГИПЕРИНТЕГРИРОВАННЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ

Микроконтроллеры (МК) в настоящее время представляют собой удивительный пример сочетания на одном кристалле самых передовых решений. Современные МК могут содержать до 2 млн вентилей на кристалле и выполнять множество функций. Увеличение степени интеграции МК и других компонентов диктуется стремлением выхода на новые рынки и снижения стоимости существующих приложений. За последние два года такие функциональные узлы и блоки как многоядерные процессоры, ядра с плавающей запятой, различные варианты USB-контроллеров (Host, Device и On-The-Go), беспроводное радио, операционные усилители, высокопроизводительные АЦП/ЦАП и усовершенствованные контроллеры дисплеев (VGA, QVGA) были реализованы на отдельном МК. В течение следующих двух лет появятся новые компоненты, интегрированные на одном кристалле. Ясно, что несколько направлений развития интегрированных СнК ждут хорошие перспективы на рынке. Эти направления включают беспровод-

ные коммуникационные интерфейсы (Zigbee, Bluetooth и WiFi), интегрированные модули управления питанием (многоуровневая система питания на кристалле и вне его), модули для аккумулирования энергии, необходимой для работы кристалла, из внешней среды (системы сбора энергии), а также специализированные модули, подобные медицинским датчикам и аналоговым интерфейсам. Проводные и беспроводные коммуникационные устройства

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

38

Реализация беспроводных коммуникационных устройств (обычно РЧ-устройств) на одном кристалле является, по-видимому, наиболее заметной областью развития интегрированных систем, однако трудной задачей является построение РЧ-схемы на печатной плате, а в масштабе кристалла сложности возрастают на порядки. Маломощная радиочастотная СнК содержит лишь микроконтроллер на базе процессора 8051. Объединение таких совершенно разных узлов на кристалле сопряжено с известными трудностями из-за проблем, связанных с наличием помех, согласованием импедансов, передачей данных и реализацией множества беспроводных протоколов и типов модуляции. Во многих случаях каждое разработанное монолитное устройство, содержащее РЧ-часть и МК, позволяет упростить проектирование кристалла следующего поколения. В перспективе это приведет к росту числа интегрированных РЧ-решений, а также к появлению специализированных устройств данного типа. Кроме того, успехи в разработке 3-мерных многослойных структур и новых корпусов позволили интегрировать больше разнотипных приборов в одном чипе. Например, компания ZeroG Wireless начала создавать маломощные модули WiFi, которые позволяют создавать интеллектуальные электросети. Объединение данной технологии с существующими МК в пределах кристалла является лишь вопросом времени. Интерфейсы для проводной связи уже являются весьма распространенными периферийными устройствами. Несколько различных производителей МК использует интерфейсы CAN, Ethernet 10/100 и full-speed USB на одном кристалле. На рынке имеется даже небольшой 100-МГц МК, в который встроен высокоскоростной интерфейс USB 2.0 (со скоростью передачи 480 Мбит/с). Совершенствование периферии в приборах данного класса происходит не только за счет реализации узлов

WWW.ELCP.RU

аппаратного ускорения, таких как контроллеров PHY- и MAC-уровня и встроенных блоков управления питанием, но и путем внедрения других протоколов, например IEEE 1394, DALI для систем освещения и LIN/FlexRay для автомобилей. Интегрированные устройства для специализированного оборудования

Интегрирование нескольких модулей для специализированного оборудования является в настоящее время одной из важнейших тенденций. Малое время проектирования и быстрое создание прототипов позволили производителям предложить огромное количество интегрированных аналоговых компонентов, так что потребители имеют возможность выбрать те чипы, которые идеально подходят для узкоспециализированных крупносерийных приложений. Конкурентная борьба в этой области настолько сильна, что новые приложения пользуются повышенным спросом еще до появления первых реальных устройств на рынке. Примерами такого развития рынка могут служить персональные медицинские устройства. Идеальный специализированный микроконтроллер для применения в медицинской технике должен обладать следующими свойствами: компактные размеры, чрезвычайно малое энергопотребление, возможность имплантации и питания от системы сбора энергии или компактной батареи, иметь встроенные 8- или 10-разрядные АЦП, операционные усилители для преобразования сигналов, маломощный центральный процессор и даже, возможно, 415-МГц РЧ-блок. Другой интересной областью, в которой происходит интеграция на уровне специализированных устройств, являются системы контроля и учета энергоресурсов. В настоящее время растет интерес к созданию интеллектуальных электросетей, поэтому многие компании включились в конкурентную борьбу на этом рынке. Управление питанием и сбор энергии

Проблема снижения энергопотребления занимает в настоящее время одно из важнейших мест в отрасли. МК всегда были на передовом рубеже борьбы за энергоэффективность, т.к. они интегрируют функции управления питанием, которые традиционно выполняли отдельные микросхемы. Уже существуют устройства с интегрированными стабилизаторами с низким падением напряжения, детекторами провалов напряжения питания, преобразователями напряжения

и многоуровневой системой питания ядра процессора, но эти элементы нельзя было программировать. В перспективе устройства будут использовать несколько уровней напряжения в обычном режиме, причем каждый из них можно изменить через операционную систему или с помощью конечного автомата, запрограммированного в чипе. Встроенное управление питанием — ключевое отличительное качество многих МК, т.к. размер печатных плат уменьшается, количество компонентов на плате увеличивается, а все они требуют напряжения и токи разной величины. Весьма новой и сложной областью является сбор и аккумуляция энергии. Перспективные технологии, такие как тонкопленочные твердотельные элементы питания и компоненты сбора энергии от вибрации, солнца, тепла и РЧ-волн, позволят создать приложения, не требующие батарей и какого-либо обслуживания в течение всего срока службы. Важнейшим элементом эффективного приложения, работающего без батарей, является интеллектуальный маломощный МК. Такие системы должны иметь сложные схемы управления питанием для эффективной работы с элементами сбора энергии. Интегральное решение позволяет включить такие элементы в сеть беспроводных датчиков, которая, например, осуществляет мониторинг состояния здания и его структурную целостность. В конечном счете, рост степени интеграции микросхем определяется несколькими современными тенденциями. Во-первых, центральный процессор и цифровые компоненты современных СнК занимают менее 15% площади кристалла. Большая часть кристалла используется встроенной памятью, и с внедрением новых технологий и уменьшением геометрических размеров памяти появляется дополнительное пространство для размещения других модулей на кристалле без увеличения общей площади СнК. Во-вторых, заказчики требуют все более компактные и, в то же время, дешевые продукты. Это ставит разработчиков чипов перед задачей выбора между построением системы, состоящей из нескольких небольших кристаллов, и проектированием более сложной СнК, которая заменяет пять-шесть обычных чипов. Наконец, полностью интегрированные решения обеспечивают большую надежность и долговечность, что особенно важно в таких областях как имплантируемые устройства, встроен-

ГЛУБОКО ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

В настоящее время встраиваемые решения встречаются повсюду: например, хорошо известны кредитные карты со встроенными чипами и автопокрышки, которые с помощью беспроводной связи передают информацию о состоянии дорожного покрытия, давлении в шинах и температуре. Скоро электроника станет составной частью всех предметов, которых мы касаемся, включая ткани. Ярким примером этой тенденции служат гоночные машины «Формулы 1». Разработчики систем для этих автомобилей столкнулись с проблемой увеличения веса машин из-за необходимости размещения дополнительных электронных блоков для улучшения характеристик двигателей и других узлов. Для снижения веса, габаритных размеров и коэффициента лобового сопротивления инженеры нашли способ встраивания части электронных узлов в раму автомобиля из легкого углеволокна. По существу, имеются два типа глубоко встраиваемых решений, оба из

которых не заметны, но имеют срок службы, измеряемый годами. Первый вид — это новые интеллектуальные функции, которые появляются в привычных устройствах, делая их более удобными и функциональными без каких-либо видимых внешних изменений. К таким усовершенствованиям относятся, например, беспроводное радио в сотовом телефоне, системы биометрической идентификации, медицинские пластыри с монитором показателей деятельности сердца и др. Ко второму типу встраиваемых решений относятся приложения, разработанные на основе внедрения новых технологий. Эти приложения существенным образом улучшают нашу безопасность и предоставляют данные об окружающей среде. Например, системы на основе датчиков, встроенных в стены зданий и мостов для мониторинга состояния конструкций, не требующие замены батарей и обслуживания. Успехи в создании глубоко встраиваемых приложений стали возможными также в связи с существенным уменьшением габаритов корпусов чипов по всем трем координатам, что позволило получить устройства, которые занимают площадь не более 0,1 мм2.

Наиболее яркими примерами развития интегрированных решений во встраиваемых системах служат медицинские приборы и автомобильная техника. Еще одной областью, которая претерпит революционные изменения в связи с внедрением глубоко встраиваемых решений, являются системы безопасности. Биометрические сканеры сделают ненужными замки, ключи и даже пароли. Успехи в создании компактных кристаллов, новых видов корпусов, появление новых видов энергонезависимой памяти, снижение потребляемой мощности и интегрирование аналоговых блоков в СнК позволят проектировать весьма компактные, универсальные и надежные устройства, о которых еще несколько лет назад никто и не мечтал.

ЛИТЕРАТУРА 1. Jacob Borgeson. Embedded Processing Trends//www.embedded.com.

2. Krishnaswamy Ramkumar. Cypress SONOS Technology//www.cypress.com.

3. Shehzaad Kaka. Past, Present, and Future of MRAM//www.thic.org.

4. FRAM — New Generations of NonVolatile Memory, Texas Instruments//focus. ti.com.

Электронные компоненты №5 2010

39 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

ные системы мониторинга состояния строительных конструкций и комплексные домашние сети.

СТАНЕТ ЛИ 2010 г. ПОВОРОТНОЙ ТОЧКОЙ ДЛЯ МНОГОЯДЕРНЫХ СнК? СТЕФЕН ОЛСЕН, разработчик программного обеспечения, отд. встраиваемых систем, Mentor Graphics Corp. .

Прогнозировать тенденции — неблагодарное занятие даже для искушенных экспертов. Но, по крайней мере, одну тенденцию легко проследить: это широкое распространение многоядерных СнК, что связано с несколькими причинами, о чем и пойдет речь в этой статье.

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

40

Во-первых, прошло много лет, с тех пор как в рабочей станции стала применяться архитектура многоядерного процессора для решения таких задач как рост производительности и снижение потребляемой мощности. Если к настоящему времени рабочие станции стали полностью поддерживаться операционными системами общего назначения (ОСОН), разработчики встраиваемых решений ищут методы применения многоядерной архитектуры. Во-вторых, несколько поставщиков СнК предлагает рынку многоядерные решения, в числе которых компании Cavium, Freescale, MIPS и ARM. Однако данные решения ограничены потребностями той или иной сети и используются скорее для того, чтобы улучшить ее производительность, а не для снижения потребляемой мощности. Остальные компании рынка встраиваемых систем ограничили доступные параметры оборудования, исходя из основного определяющего фактора — малой потребляемой мощности. Если процессор ARM 11 MPCore опередил свое время, то для Cortex-A9 MPCore наступил звездный час — этот процессор получает все большее внимание со стороны рынка встраиваемых систем. Как следствие, поставщики СнК приняли Cortex-A9 MPCore в качестве основы своих проектов следующего поколения. Более года назад компания Texas Instruments заблаговременно проанонсировала платформу OMAP

Рис. 1. Гибридная архитектура AMP/SMP на SMPархитектуре

WWW.ELCP.RU

следующего поколения — OMAP 4 с двухъядерным процессором Cortex-A9 MPCore, производство которой намечено на вторую половину 2010 г. ST Microsystems сообщила о выпуске бытовых устройств следующего поколения на базе Cortex-A9 MPCore. В сфере потребительской электроники также возникла потребность в многоядерных платформах в результате растущего спроса на большие вычислительные возможности и более сложные пользовательские интерфейсы. Таким образом, пришло время совершенствования и программного обеспечения, которое должно соответствовать функциональности многоядерного оборудования. РАЗВИТИЕ SMP И AMP

Многоядерные процессоры можно разделить на две категории: асимметричный мультипроцессор (Asymmetric Multi Processor, AMP) и симметричный мультипроцессор (Symmetric Multi Processor, SMP). Как правило, в AMP ядра архитектурно отличаются друг от друга — каждое из них выполняет свою систему команд с соответствующей операционной системой (ОС) или даже без нее. В AMP операционная система, как правило, выполняется на одном ядре в соответствии с некоторым методом (вероятнее всего, собственной разработки) для осуществления взаимодействия между ядрами. Она управляет всеми устройствами, находящимися в ее распоряжении, с минимальным совместным использованием ресурсов. В отличие от AMP, SMP состоит из идентичных ядер центрального процессора, которые обслуживают те же события, имеют одинаковый набор команд, пользуются той же памятью и совместно используют одинаковые устройства, прерывания и контроллер когерентности кэш-памяти. SMP позволяет равномерно распределять нагрузку между ядрами. Операционная система процессора

SMP может использовать все ядра, находящиеся в ее распоряжении, назначая потоки, обслуживающие устройства и прерывания на любом ядре SMP. Можно ли воспользоваться преимуществами AMP на процессоре SMP? Да, это возможно. Нецелесообразно управлять всеми ядрами в режиме SMP только потому, что это SMP-оборудование. В некоторых оптимизациях система может и должна разделяться между несколькими ОС. К такой оптимизации относится реализация функций AMP на процессоре SMP. Гибридный метод (см. рис. 1) может быть идеальным решением в том случае, когда SMP-оборудование делится между несколькими частями ОС, причем каждая из них функционирует на нескольких ядрах. Например, рассмотрим СнК на базе 4-ядерного процессора SMP. Разделим операционную систему на две области, например, ОСРВ (RealTime Operating System, RTOS) и некоторую разновидность ОСОН (General Purpose Operating System, GPOS). Ядра 0 и 1 относятся к области 0, а ядра 2 и 3 — к области 1. Если все ОС поддерживают работу как SMP-, так и AMPпроцессоров, реализуется наиболее совершенная конфигурация. Разработчики приложений или системные интеграторы обычно испытывают трудности, связанные с миграцией кода для одного ядра на несколько ядер SMP-системы. В этой связи возникают два важных вопроса: готов ли код для многоядерного процессора; код учитывает преимущества многоядерной системы? ГОТОВ ЛИ КОД ДЛЯ МНОГОЯДЕРНОГО ПРОЦЕССОРА?

При подготовке кода к запуску на планировщике SMP необходимо учесть все приоритеты, которые могут нарушить порядок исполнения кода. Известны следующие две основные причины потенциальных проблем при исполнении кода на многоядерной системе.

1. Использование мастера прерывания в качестве глобального семафора. Семафор является объектом, который предотвращает одновременный доступ к совместно используемому ресурсу. Однако его, как правило, применяют в ОС на единственном ядре в качестве «быстрого» семафора в масштабе всей системы. Он выглядит следующим образом: Disable Interrupts Access and update the global data structure Enable Interrupts

AMP-СИСТЕМЫ

AMP можно использовать в SMP-оборудовании. На самом деле, это идеальное взаимоотношение между несколькими объектами операционной системы. Исполнение кода одновременно с его разделением между областями операционной системы является эффективным методом повышения ее безопасности и производительности. Такой подход обеспечивает каждую операционную систему детерминистской средой с выделенным кэшем для исполнения. В идеальном случае можно назначить AMP одно или несколько ядер и воспользоваться механизмом межпроцессорной связи (Inter-Processor Communication, IPC) для взаимодействия между разными ОС. Если в системе исполняется одноядерный код безопасности, можно назначить ядро набору потоков, которые должны находиться в одноядерном режиме и использовать IPC для взаимодействия между ядрами. Несмотря на то, что эти действия не позволят полностью распределить нагрузку между ядрами, код действительно будет исполняться, даже если он не предназначен для работы на многоядерных системах. Способность системы присвоить несколько исполняемых потоков определенному ядру из среды планирования SMP реализуется в технологии ограниченных вычислительных областей (Bounded Computational Domains, BCD), раз-

работанной компанией Mentor Graphics для ОСРВ Nucleus. Технология BCD позволяет всей системе работать в качестве единой ОС, гарантируя при этом исполнение на ядре только назначенных ему потоков. Этот метод идеален для унаследованных приложений, которые не в состоянии работать с SMP, но нуждаются в тесной интеграции с другими задачами системы. Большинство операционных систем использует механизм IPC для взаимодействия между областями ОС. Проблема применения IPC-механизмов в том, что они запатентованы и одновременная работа двух операционных систем, например ОСРВ и Linux, с разными методами IPC может оказаться достаточно проблематичной. Для решения проблемы использования запатентованных IPC-механизмов ассоциация Multicore Association создала стандарт на основе API под названием Multicore Communication API (MCAPI). Если поставщики ОСРВ и ОСОН принимают MCAPI, любой код, записанный для API, портируется в другую систему, а все IPC-коды остаются неизменными. Стандарт MCAPI позволяет при необходимости переносить код в соответствии с требованиями к синхронизации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование многоядерных СнК стало привычным решением в 2010 г. Операционные системы быстро приспосабливаются к работе с оборудованием, оснащенным процессорами SMP и AMP. Кроме того, поставщики ОС принимают новые стандарты в отношении механизмов межпроцессорного взаимодействия, к числу которых относится MCAPI. Этот стандарт намного больше облегчает работу нескольких ОС в многоядерной системе, чем поначалу можно было бы ожидать.

Электронные компоненты №5 2010

41 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

Из этого псевдокода видно, что при осуществлении доступа к структуре глобальных данных не выполняется даже прерывание, что хорошо соблюдается для систем с одним ядром и выполняется намного быстрее, чем с помощью семафора. Однако при функционировании двух ядер и выполнении кода прерывания отключены только на том ядре, на котором он выполняется в текущий момент времени, и структура данных открыта для доступа других назначенных ядер SMP. Это условие состязания делает систему открытой для непредсказуемых результатов.

2. Использование приоритета для правильного обслуживания системы. Планирование на основе приоритета, пригодное для системы с одним ядром, может потерпеть неудачу в случае многоядерной платформы, если оно используется только как гарантия исполнения потока с наивысшим приоритетом. При назначении исполнения задачи низшего приоритета на отдельном ядре метод блокировки одновременного доступа двух потоков к данным приводит к возникновению условия состязания. Одним из решений этой проблемы является исключение модификаций структуры глобальных данных с помощью потоков наивысшего приоритета в каждой подсистеме. Общепринятая практика в отношении одного ядра создает потенциально опасное условие состязания для многоядерной системы. Наконец, даже если составлен план работы операционной системы на SMP с несколькими ядрами, необходимо предусмотреть достаточное количество потоков для использования всех ядер. Следует изменить архитектуру приложения таким образом, чтобы нагрузка была равномерно распределена между всеми ядрами. Такой подход не только сделает SMP-систему безопаснее, но и оптимизирует ее работу со всеми ядрами.

USB И PCI EXPRESS: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ДЛЯ ВС ТРАИВАЕМЫХ СИС ТЕМ АКБЕР КАЗМИ (AKBER KAZMI), менеджер сбыта, PLX TECHNOLOGY В статье рассмотрены особенности популярных интерфейсов PCIe и USB и приложения, в которых они используются. Проводится сравнение характеристик PCIe и USB и обсуждаются те их свойства, которые необходимо учитывать разработчикам при построении оптимальной системы межсоединений во встраиваемых приложениях. Статья представляет собой перевод [1].

USB и PCI Express — две интерфейсные технологии, которые за последние 20 лет получили широкое распространение в промышленности, компьютерных системах и потребительской электронике. За это время технологии в соответствии с растущими потребностями рынка прошли несколько этапов увеличения скорости передачи данных и улучшения функциональных возможностей, поддерживая в то же время совместимость с предыдущими поколениями аппаратуры и программного обеспечения. Высокая надежность этих интерфейсов привлекает внимание и другие отраслевые сегменты рынка, например, сегмента встраиваемых систем, в которых с успехом используется широкая доступность и низкая стоимость интерфейсов, обусловленная крупносерийным производством.

USB 3.0 — СВЕРХСКОРОСТНОЙ ИНТЕРФЕЙС USB

USB-технология пережила значительный прогресс с момента появления в 1995 г. в качестве простого интерфейса типа plug-and-play для подключения мыши и клавиатуры. Первая версия интерфейса, известная как USB 1.0, имела скорость передачи данных 1,2— 12 Мбит/с. В начале 2000 г. была представлена версия USB 2.0, которая поддерживает скорость до 480 Мбит/с, что позволило создать множество приложений, требующих высокой передачи данных. В настоящее время интерфейсом USB 2.0 комплектуются видеокамеры, приводы внешнего диска, флэш-устройства, цифровые фотоаппараты, принтеры, сетевые адаптеры и широкий ряд других приложений потребительской электроники. Интерфейс USB – ключевое звено

реализации цифровой революции в потребительской электронике. Использование интерфейса USB 2.0 в таких приложениях, требующих широкой полосы пропускания, как видеоплееры и драйверы высокоскоростных дисков, показало, что в них ввод/вывод данных стал узким местом, поэтому была разработана следующая версия интерфейса — USB 3.0. Эта версия появилась в 2008 г. Она известна также под названием «Сверхскоростной интерфейс USB» (SuperSpeed USB). USB 3.0 обеспечивает десятикратное улучшение быстродействия по сравнению с USB 2.0 и поддерживает скорость 5 Гбит/с. Кроме многократного увеличения скорости, в USB 3.0 реализованы дополнительные возможности, такие как повышенное напряжение питания шины, управление питанием и явная маршрутизация пакетов. В таблице 1

Таблица 1. Сравнение USB 2.0 и USB 3.0 Характеристики Скорость передачи данных Интерфейс данных Транзакции Питание шины

USB 2.0

USB 3.0

12 Мбит/с и 480 Мбит/с Полудуплексный, дифференциальная пара Хост-ориентированная, широковещательная рассылка пакетов Высокий/низкий уровень напряжения питания

5 Гбит/с Двойной симплексный, две дифференциальные пары Хост-ориентированная, маршрутизация пакетов Увеличенное на 50—80% напряжение питания по сравнению с версией 2.0

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

42

Рис. 1. Применение интерфейса USB в системе DAS

WWW. ELCP.COM

Рис. 2. Применение интерфейса USB в системе NAS

ния данных как DAS (Direct Attached Storage) и NAS (Network Attached Storage), в которых USB 3.0 позволяет достичь максимальной производительности (см. рис. 1 и 2).

PCI EXPRESS

Интерфейс PCI Express (PCIe) был представлен, когда производительность и возможности параллельной шины PCI достигли максимума при 64-разрядной ширине шины и тактовой частоте 133 МГц. PCIe представляет собой кардинальное расширение шины PCI. Этот интерфейс реализует последовательную технологию межсоединений типа «точка-точка». Интерфейс PCIe прошел несколько этапов увеличения производительности от 2,5 Гбит/с до 8 Гбит/с и совершенствования функциональных возможностей в соответствии с требованиями встраиваемых, графических, коммуникационных приложений и систем хранения данных. Совершенствуя быстродействие и функционал, интерфейс PCIe каждого нового поколения, как и USB, поддерживает совместимость с предыдущими версиями в трех ключевых для встраиваемых систем требованиях: стеке программ, форм-факторе и протоколе. В таблице

2 приведено сравнение версий интерфейса PCIe 2.0 и 3.0. Ожидается, что устройства на базе PCIe 3.0 со скоростью передачи данных 8 Гбит/с будут выпущены в текущем году. Как и USB, интерфейс PCIe предназначен для приложений все возрастающего числа отраслевых сегментов. Этот интерфейс обеспечивает передачу данных в канале с масштабируемой полосой пропускания между центральным процессором и портами ввода/ вывода сервера; согласует скорость передачи в интерфейсах SAS/SATA и в оптоволоконном канале (Fibre Channel, FC) для устройств хранения данных; обеспечивает высокоскоростные каналы управления или каналы пакетной обработки в коммуникациях; обслуживает каналы аудио/видеопроцессоров реального времени в потребительской электронике и позволяет реализовать широкополосные последовательные каналы во многих встраиваемых приложениях. Серверы, смонтированные в стойках, и блейд-серверы. Эти высококачественные приложения можно разделить на два класса — смонтированные в стойках серверы и блейд-серверы. Графика. Эти приложения являются основной движущей силой технологии

Таблица 2. Сравнение PCIe 2.0 и PCIe 3.0 ХАРАКТЕРИСТИКИ

PCIe 2.0

PCIe 3.0

Скорость передачи сигналов Скорость передачи данных Интерфейс данных Транзакции Питание шины Расширение протокола

5 Гбит/с 4 Гбит/с

8 Гбит/с 7,9 Гбит/с Дуплексный, дифференциальная пара Хост-ориентированное одноранговое соединение Мощность свыше 100 Вт

Расширение r2.1

Включено

Электронные компоненты №5 2010

43 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

сравниваются ключевые особенности USB 2.0 и USB 3.0. Разъемы интерфейса USB 3.0 совместимы с предыдущей версией USB 2.0, что обеспечивает простоту их включения и использования. Хотя разъемы совместимы, в действительности они различаются, т.к. интерфейс USB 3.0 требует дополнительных сигналов для поддержки дуплексной высокоскоростной связи и питания. Имеются некоторые ограничения на длину кабеля USB 3.0 по сравнению с предыдущей версией, поскольку скорость передачи сигналов значительно выше. Хотя производители x86-совместимых процессоров только собираются выпускать устройства с поддержкой USB 3.0, несколько вендоров уже представило такие продукты и реализует их крупными партиями. Высокая скорость, новые функциональные возможности и доступность в кремниевом исполнении обеспечат успешное применение интерфейса USB 3.0 для быстродействующего ввода/вывода данных во встраиваемых системах, приводах жесткого диска, видео высокого разрешения и многоканальных аудиосистемах. Кроме того, в настоящее время получают развитие такие усовершенствованные системы хране-

Рис. 3. Применение интерфейса PCIe в системе видеонаблюдения

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

44

PCIe, т.к. соответствующее серийное производство компонентов снижает их стоимость. Стремительный рост продолжается, например, в области видеоигр, поэтому поставщики графических чипов стараются обеспечить передовые характеристики своей продукции за счет внедрения графических процессоров высокого разрешения. Распределение видеоданных. Главной тенденцией, которая позволяет увеличить производительность и улучшить возможности настольных издательских систем, CAD, CAM, CAID, систем финансового анализа, биржевых продаж, разработки программного обеспечения, моделирования и анимации, является использование нескольких мониторов с помощью интерфейса PCIe. Системы хранения данных. PCIe обеспечивает межсоединение между интерфейсами систем хранения данных, например FC, SCSI и SATA, и управляющими процессорами. Промышленные/встраиваемые приложения. Технология PCIe введена многими органами по стандартизации в промышленные и встраиваемые приложения, например телекоммуникации, системы MicroTCA и AMC-системы.

PCIe-коммутаторы от компании PLX Technology используются для связи встраиваемых и сетевых процессоров благодаря интегрированным в них интерфейсам PCIe. Системы безопасности. При использовании большого числа установленных камер высокого разрешения требуется увеличение пропускной способности системы. Например, устройство захвата изображения принимает сигналы от видеокамер, обрабатывает их и передает информацию на главный компьютер для анализа и выполнения соответствующих процедур (см. рис. 3).

WWW. ELCP.COM

Платы цифровых видеомагнитофонов и ТВ-тюнеры. В настоящее время платы цифровых видеомагнитофонов комплектуются обычными PCI-интерфейсами. Однако в связи с заменой слотов PCI на PCIe платы цифровых видеомагнитофонов следующего поколения будут оснащены PCIeинтерфейсом. СРАВНЕНИЕ ИНТЕРФЕЙСОВ PCIE И USB

Сравнивая интерфейсы PCIe 2.0 и USB 3.0, можно отметить ряд совпадений и отличий, которые следует учитывать при разработке встраиваемых приложений. Одноранговое соединение. USBконцентратор поддерживает множество конечных устройств, однако эти устройства не способны обмениваться трафиком друг с другом. PCIeкоммутаторы поддерживают одноранговую связь. Сконфигурированные главным компьютером, конечные устройства могут непосредственно связываться друг с другом. Однако необходимо тщательно подходить к выбору поставщика коммутатора, т.к. некоторые поставщики требуют поддержки однорангового соединения со стороны центрального процессора. Кабель и разъемы. Кабели и разъемы для USB обеспечивают полную совместимость всех версий. Широкое использование USB-интерфейса в потребительской электронике обеспечило низкую стоимость разъемов и кабелей для всех версий USB. Разработка кабелей и разъемов для PCIe в силу ряда причин была слишком затянута. В результате, создание спецификации на кабель PCIe 1-го поколения заняло слишком много времени и стало весьма сложным, поэтому до настоящего

времени стоимость кабеля и разъемов все еще чрезмерно высока. Хотя интерфейс PCIe 2-го поколения появился в начале 2007 г., разработка спецификации на кабель для данной версии еще не завершена. Это было вызвано желанием вендоров быть в стороне от разработки спецификации на PCIe или проектировать разъемы и кабели для своих нужд. Полоса пропускания. USB 3.0 работает на скорости 5 Гбит/с и обеспечивает 4,8-Гбит/с полосу пропускания в обоих направлениях, что делает их весьма привлекательными для множества потребительских и встраиваемых приложений. PCIe 3-го поколения работает на скорости 8 Гбит/с, обеспечивая эффективную полосу пропускания 7,9 Гбит/с после кодирования, а PCIe 2-го поколения работает на скорости 5 Гбит/с, обеспечивая 4-Гбит/с полосу пропускания после кодирования. PCIe не только превосходит USB по полосе пропускания, но также допускает масштабирование полосы пропускания до 16 раз за счет использования 16 PCIe-трактов в одном канале данных. Увеличить пропускную способность таким способом можно в 2, 4, 8 и 16 раз. Качество сервиса. USB не обеспечивает какой-либо вид сервиса, и он не требуется в большинстве приложений, которые обслуживает интерфейс.

PCIe поддерживает сервис благодаря множеству виртуальных каналов, арбитражу портов и наличию классов трафика. Встраиваемые приложения могут воспользоваться этим сервисом. Восстановление работоспособности. USB не обеспечивает какой-либо механизм восстановления работоспособности системы после сбоя в канале. PCIe поддерживает положи-

адресов вместо широковещательной рассылки через USB-концентратор. Специальная группа PCI-SIG разработала значительный список расширений протокола для того, чтобы разработчики имели возможность улучшать производительность системы и управлять потребляемой мощностью. В заключение следует отметить, что как PCIe, так и USB, являются весьма ценными технологиями для разработчиков встраиваемых систем. Интерфейс USB весьма полезен для организации связи с периферией благодаря недорогому кабелю и разъему и повсеместной доступности. К сожа-

лению, этот интерфейс нельзя масштабировать для канала данных со скоростью выше 4,8 Гбит/с. PCIe обеспечивает недорогую альтернативу для межсоединений во многих встраиваемых приложениях. PCIe хорошо масштабируется для поддержки приложений с широкой полосой пропускания и обеспечивает ряд расширений, по сравнению с простыми каналами данных, например Ethernet.

ЛИТЕРАТУРА 1. Akber Kazmi. USB and PCI Express: Advanced, Evolving Interconnects for Embedded Systems//RTC Magazine. April 2010.

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | КОМПЛЕКТ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОТ TEXAS INSTRUMENTS ПРЕДЛАГАЕТ НОВЫЕ АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ | Компания Texas Instruments (TI) анонсировала версию 2.0 комплекта программного обеспечения для медицинской визуализации, обновленной и расширенной коллекции алгоритмов, оптимизированных для цифровых сигнальных процессоров TMS320C64x+TM. Дополняя широкую номенклатуру аналоговых и встроенных решений TI для медицинской визуализации, обновленный комплект предлагает новые ядра обработки изображений, которые сокращают время разработки продукции и запускают приложения медицинской визуализации в реальном времени, такие как ультразвуковая диагностика и оптическая когерентная томография (ОКГ).

www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №5 2010

45 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

тельное подтверждение приема пакетов данных, пересылаемых между устройствами, и ретранслирует их в случае сбоя. PCIe также поддерживает уменьшение ширины портов и/или скорости в канале, если фиксируется слишком много сбоев. Управление питанием. USB поддерживает некоторые функции управления питанием. PCIe поддерживает все функции управления питанием на уровне устройства, канала и системы. Расширения протокола. В USB 3.0 была проведена некоторая оптимизация протокола для поддержки маршрутизации пакетов на базе

О новизне процессоров Intel Core i3/i5/i7. Часть 1 ЛЕОНИД АКИНШИН, к.ф-м.н.

С точки зрения разработчиков встраиваемых приложений, платформа Intel Core i3/i5/i7 действительно несет с собой новое качество. Выдающиеся базовые эксплуатационные свойства этих ЦП удачно дополняются новыми интегрированными технологиями. Преимущества результирующей комбинации характеристик уже оценили ведущие игроки рынка Embedded, включающие изделия на базе процессоров Intel Core i3/i5/i7 во все основные высокопроизводительные линейки. ЗАИМСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ

46

Платформа Intel Core i3/i5/i7 интересна и необычна уже тем, что число новых встраиваемых разработок на базе Intel Core i3/i5/i7 грозит затмить все, что мы видели до сих пор, причем произойдет это в самое ближайшее время. Подобное развитие событий предопределено тремя факторами разной степени банальности: 1) ростом рынка ВКТ (встраиваемых компьютерных технологий) в целом; 2) все более масштабным перетеканием технологий из индустрии массовых систем на рынок Embedded и 3) ускорением темпов этого перетекания. Первый пункт в особых комментариях не нуждается: ясно, что если рынок растет, то растет и число продуктов на нем, особенно в самых бурно развивающихся сегментах. Второй и третий пункты относятся к разряду вещей, лежащих на поверхности, но не очень серьезно анализируемых. Между тем, процесс заимствования технологий с рынка настольных компьютеров, ноутбуков и серверов идет уже не первое десятилетие, и его влияние на индустрию Embedded колоссально. Во встраиваемых решениях давным-давно используются те же самые полупроводниковые компоненты, шины и внешние интерфейсы, что и в десктопах. Каждый новый процессор, появившийся в сегменте ПК, через некоторое время в обязательном порядке начинает устанавливаться и на встраиваемые платы. Индустрия Embedded мало-помалу утрачивает свою технологическую эксклюзивность, причем это явление приобрело необратимый характер, поскольку с течением времени его темпы лишь растут: процессоры i7 отметились на рынке встраиваемых приложений всего через несколько месяцев после их появления в массовом сегменте. Процессоры Intel Core i3/i5/i7, как и другие популярные решения из индустрии ПК/серверов/ноутбуков, захватывают индустрию встраиваемых приложений только и исключительно потому, что представляют собой недорогие технологии, прошедшие всестороннюю обкатку в миллионах реальных систем. Рынок Embedded охотно принимает подобную комбинацию качеств, поскольку она позволяет экономить деньги и время (т.е., в конечном счете, опять-таки деньги). Если посмотреть на появление процессоров Intel Core i3/i5/i7 в секторе встраиваемых систем под этим углом зрения, можно заметить двойственность ситуации. С одной стороны, для индустрии Embedded это действительно совершенно новые процессоры. Еще никогда прежде в распоряжении разработчиков встраиваемых приложений не было x86-совместимых компонентов с настольно большой производительностью на Ватт потребляемой мощности. Есть основания полагать, что данная особенность платформы Intel Core i3/i5/i7 будет использоваться как для расширения возможностей существующих систем, так и для создания принципиально

WWW.ELCP.RU

новых решений, ориентированных на те прикладные области, где ранее микроархитектура x86 могла иметь лишь ограниченное применение. С другой стороны, появление большого числа Embedded-платформ на базе Intel Core i3/ i5/i7 есть явление вполне естественное и предсказуемое, поскольку игроки рынка встраиваемых систем проявляют сильную заинтересованность в новых процессорах Intel, а компания Intel не делает секрета из планов по выпуску новых x86-совместимых процессоров. Например, холдинг Kontron, ведущий поставщик встраиваемых компьютерных технологий с годовым оборотом около полумиллиарда евро, уже в начале 2010 г. анонсировал интеграцию ЦП Intel Core i5/i7 в свои основные продуктовые линейки, начиная с изделий типа «компьютер-на-модуле» (Computer-OnModule, COM) и заканчивая платами для перспективных магистрально-модульных систем стандарта VPX. В дальнейшем ЦП нового поколения должны появиться на абсолютно всех аппаратных платформах, где использовались высокопроизводительные x86-совместимые процессоры предыдущих серий, поскольку чипы Intel Core i3/i5/i7 являются официально назначенными преемниками семейства Intel Core 2. Можно с уверенностью утверждать, что в зону ответственности продуктов на базе Intel Core i3/i5/i7 войдут и оборонно-аэрокосмический сектор, и все другие сегменты, где уже используются или вскоре будут использоваться высокопроизводительные x86-совместимые решения. Получается, что, несмотря на свою полную предсказуемость, приход процессоров Intel Core i3/i5/i7 в индустрию встраиваемых систем является все же событием не самым заурядным хотя бы в силу его масштабности. ИНТЕГРАЦИЯ ИЛИ НАНОМЕТРЫ?

С архитектурной точки зрения, создав платформу Intel Core i3/i5/i7, инженеры Intel сделали шаг в том же направлении, что и их коллеги из компаний Freescale (www. freescale.com) и AMD (www.amd.com) при разработке топовых моделей своих процессоров. Мы говорим об интеграции в ЦП некоторых ключевых функциональных блоков чипсета, таких как контроллер памяти и видеоподсистема (с недавних пор последняя также воспринимается как часть чипсета). По части мастерства владения данным архитектурным приемом компания Freescale впереди планеты всей: ее новейшие многоядерные процессоры содержат в себе не только контроллеры памяти, но и такие чисто чипсетные функциональные модули как контроллеры PCI Express, Gigabit Ethernet и Serial RapidIO (см. рис. 1). Встраивать в ЦП графическое ядро инженеры Freescale пока не додумались, но к тому все идет, поскольку общий вектор развития процессорной техники ко все большей степени интеграции просматривается уже достаточно отчетливо. Процессоры Intel Core i3/i5/i7 также следуют данной общеотраслевой тенденции.

Помимо интегрированных контроллеров, к числу реализованных в платформе Intel Core i3/i5/i7 нововведений принято относить технологии Hyper-Threading и Turbo Boost. Однако Hyper-Threading, превращающая одно физическое ядро в два виртуальных (а четыре, соответственно, в восемь), является ровесницей процессоров Pentium 4; с не меньшим, если не с большим, основанием можно считать новаторством увеличившиеся объемы кэш-памяти и возросшую тактовую частоту. Прямое отношение к последнему параметру имеет технология Turbo Boost, действие которой можно охарактеризовать как «динамический разгон»: когда от процессора требуется бóльшая производительность, его частота повышается. Время пребывания в состоянии Turbo Boost конечно и определяется необходимостью соблюдения ограничений по максимальному энергопотреблению, или тепловым пакетом (Thermal Design Power — TDP). Однако методы разгона процессоров, в т.ч. разгона динамического, известны человечеству едва ли не с момента появления самых первых процессоров, и тот факт, что в случае Intel Core i5/i7 соответствующая функция интегрирована в сам ЦП, не дает оснований считать ее инновационной. Но если вспомнить, что в мире, где мы живем, технологии и архитектуры вторичны по отношению к финансам и маркетингу, что само существование технологий подчинено задаче удовлетворения потребностей пользователей, можно увидеть иную картину. Не так уж интересно пользователю, что именно находится внутри приобретаемого им продукта либо решения, для него гораздо важнее, какие реальные преимущества этот продукт либо это решение могут дать. Если речь идет о процессоре,

пользователю в первую очередь необходима информация не об особенностях его внутреннего устройства, а о том, 1) насколько быстро данный процессор сможет перемалывать числа в его задачах; 2) какую мощность он при этом будет потреблять и 3) сколько он будет стоить (на практике список несколько шире, однако для простоты мы ограничимся тремя основными пунктами). И вот здесь-то с процессорами Core i3/i5/i7 корпорации Intel тягаться очень трудно: ЦП из данного семейства являются на сегодняшний день абсолютными лидерами рынка как по общей производительности, так и по производительности на Ватт потребляемой мощности. Добиться таких результатов специалисты Intel смогли и за счет оптимизации архитектуры, и, что более важно, за счет успешного освоения технологических процессов с разрешениями 45 и 32 нм. Делать многоядерные чипы умеет не только компания Intel, однако именно эта компания смогла стать первым производителем, освоившим выпуск серийных полупроводниковых устройств по 32-нм процессу. В данном аспекте конкурентной борьбы компания AMD традиционно выступает в роли догоняющей — 45-нм техпроцесс покорился ей лишь год спустя после того, как он был освоен корпорацией Intel, а первые чипы AMD с разрешением 32 нм появятся аж в 2011 г., когда Intel уже перейдет на следующий, 22-нм техпроцесс (см. рис. 2). Впрочем, перед результатами, достигнутыми в гонке нанометров компанией Freescale, меркнут даже «достижения» AMD: процессоры марки Freescale, буквально напичканные разнообразнейшими новациями (см. рис. 1), до сих пор не перешагнули даже 65-нм рубеж!

47

Рис. 1. Основные функциональные модули в составе флагманского двуядерного процессора Freescale PowerPC MPC8641D. Несмотря на высочайшую степень интеграции, данный ЦП изготавливается по технологическим нормам 65 нм

Электронные компоненты №5 2010

Рис. 2. Временной разрыв между Intel и AMD по переходу на новые технологические процессы достаточно стабилен и составляет приблизительно год

Получается, что новации новациями, а значимость значимостью. Процессоры Intel Core i3/i5/i7 представляют собой, безусловно, явление значимое и знаковое: благодаря им, разработчики встраиваемых систем получают устройства с еще большей производительностью в уже привычном многоядерном формате. В этом смысле появление процессоров Intel Core i3/i5/i7 можно расценить не как революционный скачок в развитии, а как толчок, как придание рынку Embedded дополнительного импульса в его движении по многоядерному вектору. НОВЫЕ ПРОЦЕССОРЫ НА МАРШЕ

48

Как мы уже говорили, лидеры рынка ВКТ весьма активно принимают на вооружение процессоры Intel Core i3/ i5/i7. Такой известнейший производитель как Kontron уже устанавливает ЦП серии Intel i7 на платы VPX, а также на мезонины AdvancedMC и модули стандарта COM Express. Также на базе процессоров Intel Core i5/i7 холдинг Kontron анонсировал выпуск одноплатных компьютеров в классическом конструктиве CompactPCI, причем ясно, что этим дело не ограничится. ПЛАТА ФОРМАТА VPX 6U (KONTRON VX6060)

В силу специфики системного стандарта VPX продукт Kontron VX6060, выполненный в виде VPX-платы удвоенной высоты (6U), рассчитан на использование в требовательных приложениях с параллельной обработкой данных и сигналов. По сравнению со своими предшественницами плата Kontron VX6060 работает вдвое быстрее и выделяет при этом вдвое меньше тепла (см. рис. 3). Благодаря двум независимым вычислительным узлам на базе процессоров Intel Core i7 с подключением к мощной коммуникационной инфраструктуре Ethernet/PCI Express, изделие Kontron VX6060 является идеальной строительной единицей для организации интенсивной параллельной обработки данных, в т.ч. в конфигурациях с топологией «полноячеистая сеть». Каждый из двух имеющихся 1

Рис. 3. Сверхпроизводительная плата Kontron VX6060, выполненная в формфакторе VPX 6U, несет на себе два независимых процессора Intel Core i7 с собственными чипсетами и подсистемами памяти

у платы вычислительных узлов образован высокопроизводительным встраиваемым процессором Intel Core i7, в котором уже имеется контроллер памяти и графическое ядро Intel HD Graphics, и чипсетом Intel Platform Controller Hub (PCH) QM57, реализующим поддержку интерфейсов Gigabit Ethernet, Serial ATA, USB 2.0 и PCI Express. При этом Kontron VX6060 подходит для создания защищенных встраиваемых систем, рассчитанных на эксплуатацию в жестких температурных условиях, где ранее применение подобных чипов было неприемлемо в силу ограничений по энергопотреблению и рассеиваемой мощности. Представители холдинга Kontron относят данную плату к категории встраиваемых компьютерных продуктов высшей производительности (High Performance Embedded Computing, HPEC) и считают, что она и ей подобные будут способствовать отказу от процессоров PowerPC с технологией AltiVec, доминировавших в сегментах радаров, сонаров и систем работы с изображениями на протяжении 10 лет1. По их мнению, подобные Kontron VX6060 изделия смогут дать начало новому классу HPEC-приложений, которые будут опираться

Авторам статьи данная точка зрения представляется спорной, подробнее см. ниже.

WWW.ELCP.RU

исключительно на стандартные технологии: микроархитектуру x86, операционные системы и ОСРВ для микроархитектуры x86 и протоколы TCP/IP. Будучи оснащенной двумя многоядерными высокопроизводительными процессорами, плата Kontron VX6060 подходит для создания защищенных встраиваемых систем, рассчитанных на эксплуатацию в жестких температурных условиях, где ранее применение многоядерных чипов было неприемлемо в силу ограничений по энергопотреблению и рассеиваемой мощности. Целевыми рынками для Kontron VX6060 являются радары, сонары, системы работы с изображениями, радиолокаторы истребителей и беспилотных летательных аппаратов. Платы Kontron VX6060 очень хороши для использования в кластерных конфигурациях. С другой стороны, в защищенных многодисплейных консолях и других встраиваемых системах один-единственный модуль Kontron VX6060, занимающий лишь один слот объединительной панели VPX 6U, может заменить собой два независимых одноплатных компьютера, при этом сохраняется возможность запуска двух разных ОС на двух процессорах. Плата Kontron VX6060 доступна в версиях с воздушным и кондуктивным охлаждением, в т.ч. для температурного диапазона –40...85°. Ее программная поддержка включает BSP-пакеты на основе ОС Linux и ОСРВ VxWorks 6 2. Данное изделие подпадает под действие программы долгосрочных поставок холдинга Kontron, которая гарантирует доступность продуктов на протяжении многих лет по окончании их активной рыночной жизни. МЕЗОНИН ADVANCEDMC ОДИНАРНОЙ ШИРИНЫ (KONTRON AM4020)

Изделие Kontron AM4020 является самым мощным из предлагающихся на рынке процессорных модулей формата AdvancedMC одинарной ширины. Несмотря на свои малые габариты, он адресован наиболее требовательным задачам, решаемым при помощи оборудования MicroTCA и AdvancedTCA. Модуль Kontron AM4020 несет на себе мобильный процессор Intel Mobile Core i7 с тактовой частотой до 2,53 ГГц и является превосходным продуктом для наращивания вычислительных и графических возможностей систем стандартов MicroTCA/AdvancedTCA. Благодаря применению процессора нового поколения, Kontron AM4020 не имеет аналогов в своем классе. Данный модуль построен на базе чипсета Intel QM 57 Platform Controller Hub (PCH) и в силу своей компактности позволяет получить весьма значительную вычислитель-

ную мощь в единице объема. Чрезвычайно высокая производительность продукта Kontron AM4020 делает его подходящим для использования в коммуникационных системах MicroTCA и AdvancedTCA, обеспечивающих поддержку функций IP-телевидения, медиа-серверов и медиа-шлюзов, телеконференций и тестирования проводных сетей. Кроме того, изделие Kontron AM4020 может с успехом применяться в медицинских, аэрокосмических и оборонных приложениях, а также в задачах автоматизации и обеспечения безопасности, предполагающих быструю обработку данных. Модуль Kontron AM4020 удовлетворяет требованиям спецификации MicroTCA.1 к продуктам жесткого исполнения, поддерживает температурный диапазон –40...70°C и рассчитан на эксплуатацию в самых неблагоприятных механических и климатических условиях. Продукт может оснащаться процессором Intel Core i7 двух версий: Core i7-620LE (тактовая частота 2,0 ГГц, тепловой пакет 25 Вт) и Core i7-610E (тактовая частота 2,53 ГГц, тепловой пакет 35 Вт). Объем кэша L3 в обоих случаях составляет 4 Мбайт, а интегрированный контроллер памяти обеспечивает прямой двухканальный доступ процессора к ОЗУ типа DDR ECC объемом до 8 Гбайт на частоте 1066 МГц. По сравнению с предыдущими процессорными платами формата AdvancedMC, которые строились на базе ЦП Intel Core 2 Duo, новый продукт обеспечивает прирост общей производительности до 100%. Изделие Kontron AM4020 имеет 8 портов PCI Express x1, которые могут быть сконфигурированы как 2 интерфейса PCI Express x4 либо как 8 одинарных интерфейсов. Кроме того, у модуля есть четыре порта Gigabit Ethernet, два из которых выведены на переднюю панель, а два других — в разъем объединительной панели (спецификация AMC.2), а также 4 интерфейса Serial ATA. Для систем без жестких дисков предусмотрен флеш-накопитель объемом до 32 Гбайт с интерфейсом Serial ATA и надежным винтовым креплением. На передней панели продукта Kontron AM4020 имеются порты DisplayPort и USB 2.0 типа mini. Опциональный последовательный интерфейс может использоваться для организации внешнего управления. Поддерживаются режим «горячей» замены и функции интеллектуального управления IPMI. Новый AdvancedMC-модуль марки Kontron может работать под управлением операционных систем Windows XP, Windows 7, а также ОСРВ VxWorks 6.8 и различных версий ОС Linux, таких как RedHat 5.3, SUSE 11.2 и Wind River Linux PNE 3.X. Продолжение см. в следующем номере.

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | LINARO: ПОСЛЕДНИЙ БОЙ МЕЖДУ ARM И ATOM | Компании ARM, Freescale, IBM, Samsung, ST-Ericsson и Texas Instruments объявили о создании компании Linaro, цель которой — усовершенствование программного обеспечения под Linuxдистрибутивы, такие как Android, MeeGo, webOS и Ubuntu. Первые системы будут оптимизировать Linux под новейшие процессоры ARM семейства Cortex-A. Этот вывод можно сделать из заявления вице-президента ARM, тем более что у всех компаний консорциума есть продукты, основанные на ARM. Изначально Linux была разработана под процессоры Intel («Unix для ПК»), соответственно он может работать и на Intel Atom. Новый консорциум хочет убедиться, что Linux лучше работает на ARM платформах. Сейчас ни один из производителей полупроводников не может поставлять продукцию для нетбуков и смартфонов, не оптимизируя ее под Linux. Объединив свои ресурсы, члены консорциума получат пакет программного обеспечения с достаточно низкой ценой и без добавочной себестоимости. Компании не собираются конкурировать на уровне ОС и ПО. Но в этом также заключается проблема. При одинаковом ПО будет очень трудно разнести продукцию на аппаратном уровне. Производительность и энергопотребление будут разными, но при использовании одинаковых ARM-процессоров эти различия будут минимальны. www.russianelectronics.ru 2

Микроархитектура x86 является фактически «стандартной», и потому ясно, что для платы Kontron VX6060 могут быть без особых проблем разработаны BSP-пакеты на основе ОС Windows Embedded Standard, Windows 7, QNX, LynxOS и других популярных ОС и ОСРВ.

Электронные компоненты №5 2010

49

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЛЕРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КЛАПАНА ВАЛЕРИЙ ЖИЖИН, вед. инженер-разработчик, ЗАО «Криогенная технология» В статье представлен метод проектирования измерительной системы сбора данных для управления высокоэнергетическим электромагнитным клапаном. Приводится анализ применения существующих типов датчиков тока, положения и температуры, дается численная оценка внешнего магнитного поля соленоида и расчет электромагнитной совместимости. Подробно рассмотрен перспективный дистанционный магнитооптический датчик тока для силовой катушки. Представлена структурная схема измерительной системы для контроллера разрабатываемого высокоэнергетического электромагнитного клапана нового поколения.

ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕ ДС ТВА и СИС ТЕМЫ

50

В настоящее время цифровые системы управления повсеместно вытесняют аналоговые. Это связано, прежде всего, с широким распространением цифровых сигнальных процессоров и многофункциональных микроконтроллеров. Их использование позволяет достаточно легко реализовать алгоритм управления практически любой сложности и подстраивать его при изменении внешних факторов. В последние годы тенденция перехода от аналоговых промышленных контроллеров к цифровым коснулась также нефтегазовой и химической промышленности. Вместе с тем, существующая промышленная техника измерений в большинстве своем основывается на аналоговых принципах и зачастую не может обеспечить требуемую точность измерения контролируемых величин в условиях современного производства. Особенно остро это проявляется в трубопроводных комплексах, где используются мощные электромагнитные (ЭМ) клапаны. Они получают все большее распространение, т.к., в отличие от электромоторных, имеют высокое быстродействие и практически незаменимы при устранении аварийной ситуации. Вместе с тем, ЭМ-клапаны имеют следующий ряд особенностей.

– Для управления запорными задвижками используются значительные импульсные токи 5...15 А; – Высокоиндуктивные 2...20-Гн соленоиды запасают магнитную энергию порядка 100…500 Дж и при срабатывании за счет электромагнитной индукции создают сильные электромагнитные помехи в широком спектре (до 100 кГц) на расстояниях порядка длины соленоида. Особенно это характерно для цифровых систем с ШИМ- и ЧИМуправлением. Генерация помех происходит на фронтах и срезах сигналов управления.

WWW.ELCP.RU

– В приводе присутствуют квазистационарные магнитные поля, порождаемые намагниченностью материала сердечника.

– Происходит разогрев обмотки и материала сердечника управляющего соленоида за счет поглощения части магнитного потока (скин-эффект) и теплового действия идущего через соленоид тока. Все перечисленные факторы необходимо учитывать при проектировании блока управления и системы сбора данных с сенсоров клапана. СБОР ДАННЫХ С ДАТЧИКОВ ТОКА И ТЕМПЕРАТУРЫ

В качестве примера проектирования измерительной системы рассмотрим систему для однокатушечного запорного ЭМ-клапана нового поколения, разрабатываемого в настоящее время. Он управляет работой отсечным затвором, регулирующим расход газа. Для данного типа устройства необходимо контролировать значение тока в соленоиде в момент старта и удержания, отслеживать начальное и конечное положение штока, связанного с клапаном (датчики верхнего и нижнего уровней), а также температуру рабочей среды. Сформулируем требования к измерительной системе, состоящей из датчиков и платы сбора данных.

1. Плата сбора данных находится на расстоянии порядка 1 м относительно корпуса электромагнитного клапана и должна быть помещена в экранированный корпус.

2. Измерительная система должна иметь помехоустойчивый канал связи с автономным блоком управления или промышленным контроллером. В качестве интерфейса был выбран стандартный промышленный интерфейс RS-232.

3. Контроль крайних положений штока необходим с точностью ±0,5 мм.

При достижении верхнего положения стартовый сигнал постоянного тока переключается на ШИМ-сигнал удержания.

4. Измерение температуры рабочей среды в диапазоне –55…150°С с точностью ±2°С.

5. Измерение рабочего тока. Стартовые токи в силовых катушках находятся в диапазоне 5…10 А при длительности импульса 1…5 с, а средние токи удержания затвора составляют порядка 0,5...1 А при скважности удерживающего ШИМ- или ЧИМ-сигнала равной 10. Временной диапазон и диапазон значений токов связан с различными энергетическими характеристиками электромагнитных клапанов. Токоизмерительное устройство должно обеспечить измерение указанных величин токов с точностью не хуже 3% и временем обработки и выдачи результата в блок управления не более 1 мс. Точность измерения амплитуды тока связана с требованиями к допустимым флуктуациям магнитомеханической силы старта/удержания, а высокое быстродействие необходимо, т.к. данное устройство дополнительно выполняет функцию аварийного отключения блока управления в случае обрыва или короткого замыкания силовой катушки. Поскольку требуется проводить измерение тока в широком диапазоне и в условиях сильных электромагнитных помех от силовой катушки, с целью повышения помехозащищенности процесса измерения и обработки сигнала были выбраны бесконтактные методы измерения тока соленоида, основанные на измерении вектора магнитной индукции в данной точке с последующим вычислением тока через катушку соленоида. Для выбора способа измерения проведем оценку величины магнитной индукции для токов старта и удер-

ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

В данном электромагнитном приводе используется соленоид со следующими характеристиками: относительная магнитная проницаемость сердечника μ = 2000; ток в режиме старта составляет Is = 10 А, а в режиме удержания требуется средний ток If = 1А. Количество витков обмотки N = 4500 при внешнем и внутреннем радиусах намотки A1 = 62 мм и A2 = 32 мм, соответственно. Высота сердечника соленоида Lm = 115 мм. Сигнал управления в режиме удержания представляет собой ШИМ импульсную последовательность с периодом 100 мс и скважностью 10 (может изменяться системой автоматического регулирования для стабилизации тока удержания If в процессе

работы). Длительность сигнала старта составляет около 2 с.

1. Оценка информационной составляющей магнитного поля (ИМП). ИМП состоит из двух составляющих: собственного поля обмотки; поля намагниченного ферромагнитного сердечника. В [1] предложена оригинальная методика расчета магнитного поля соленоида через магнитные моменты его составляющих. При этом принимается, что наибольший результирующий магнитный момент ЭМ-клапана возникает после срабатывания, когда якорь и сердечник образуют единую ферромагнитную конструкцию. Магнитный момент обмотки создается током, протекающим в ее горизонтальных витках, и определяется формулой: MJ = π∙Is∙N∙(A12 +A1∙A2 + A22)/3, А∙м2. (1) Магнитный момент эквивалентного ферромагнитного сердечника рассчитывается по формуле: MQ = V∙H/[Kr + 1/(μ — 1)], А∙м2,

(2)

где V — объем сердечника, м3; H — напряженность магнитного поля обмотки в сердечнике, А/м; Kr — коэффициент размагничивания сердечника по оси Z.

Величины H и Kr вычисляются по довольно сложным и громоздким формулам и, чтобы не утомлять читателей, мы приводим только конечный результат. Для выбранных характеристик клапана H = 2,7∙(10Е + 5) А/м, Kr = 1,2. С учетом одинакового направления векторов MJ и MQ результирующий магнитный момент определяется выражением: М А = M J + M Q.

(3)

Исходя из особенностей конструкции корпуса привода и для достижения максимальной чувствительности датчика магнитного поля, следует расположить сенсорный элемент параллельно оси соленоида в плоскости Z, как показано на рисунке 1. Величина R составляет порядка 20 мм, поэтому при оценке величин магнитного поля токов и индуктивных наводок можно ограничиться расчетом z-компоненты вектора магнитной индукции, создаваемой силовой катушкой: Bz = 100МА∙(3z2 — r2)/r3∙r2, Тл, где r =

(4)

, м.

Коэффициент 100 учитывает геометрию соленоида, рассеяние магнитного потока вне соленоида, относительную магнитную проницаемость

Электронные компоненты №5 2010

51 ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕ ДС ТВА и СИС ТЕМЫ

жания, а также величины индуктивных наводок на датчик поля. Проведенные предварительные измерения показали, что длительность фронта индуктивного выброса на срезе сигнала управления составляют примерно 100 мкс, что соответствует длине волны излучения ~30000 м, что намного больше размера соленоида, и его эффективность как излучающей антенны близка к нулю. Поэтому в расчетах электромагнитных помех будем учитывать только индуктивную составляющую.

нитного потока по времени. В случае импульсного токового сигнала с длительностью фронта Δt, который создает магнитный поток ΔФ = r t∙Bz∙S перпендикулярно плате датчика площадью S, ЭДС можно оценить по формуле: U = ΔФ/Δt, В.

Рис. 1. Датчик располагается параллельно оси соленоида в плоскости Z

(5),

Коэффициент r t ~ 0,8 учитывает рассеяние магнитного потока в корпусе ЭМ-клапана. При Δt = 100 мкс и S = 1 см2 напряжение U ~ 6 В. Эта величина сравнима с порогов ым напряжением пробоя для 3- и 5-В КМОП-схем, и соответствующие наведенные токовые импульсы могут привести к выходу из строя или временному нарушению работы интегральных датчиков. ВЫБОР ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 1. Датчики положения

Исходя из полученных оценок электромагнитных помех и квазистационарных магнитных полей, представляется нецелесообразным использовать традиционные магнитоконтактные сенсоры (герконы) и дифференциальные датчики положения (LVDT). В данном случае оптимальным вариантом по отношению к показателю функциональность/стоимость явилось применение экранированных щелевых оптронов с апертурой оптической системы 0,25 мм. Оптроны имеют выход с открытым коллектором и подключаются через предохранитель F1 к помехоподавляющей схеме, состоящей из триггера Шмидта на микросхеме 74НСT14, на вход которого включен пассивный Г-образный ФНЧ LC-фильтр и защитные быстродействующие супрессоры серии 1.5КЕ6V8 фирмы Transil (см. рис. 3). Назначение супрессоров — поглощать энергию кондуктивных импульсных помех, которые возникают на шлейфе связи «оптрон — плата сбора данных». Выходы триггеров Шмидта подключаются к цифровым портам микроконтроллера.

Рис. 2а. Зависимость Bz от расстояния вдоль оси у

Рис. 2б. Зависимость Bz смещения по оси z

ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕ ДС ТВА и СИС ТЕМЫ

52

сердечника и магнитную постоянную, Тл∙м/А. При у = R = 0,2 м и рассчитанным МА = 626 А∙м2 получим Bz = 7,9 Тл в импульсе длительностью 10 мс. Следует заметить, что погрешности данного метода расчета магнитной индукции ЭМ-клапанов могут составлять порядка 15—30%, причем большие из них относятся к случаю, когда корпус клапана изготовлен из материалов с относительно высокой магнитной проницаемостью. Установленные элементы внутри ЭМ-клапана подвержены влиянию вибрационных воздействий, возникающих при его работе, в результате чего с течением времени происходит линейное смещение элементов, которое может достигать

WWW.ELCP.RU

1—5 мм. Этот фактор особенно важно учитывать при размещении бесконтактного датчика тока. В противном случае, в процессе эксплуатации изделия придется производить перекалибровку датчика тока, что далеко не всегда возможно. На графике (см. рис. 2а) показана зависимость Bz от расстояния вдоль у. Зависимость Bz от расстояния х аналогична. С помощью графика на рисунке 2б можно оценить погрешность позиционирования датчика в вертикальном направлении z.

2. Оценка величины ЭДС электромагнитной индукции. Как известно из теории электромагнитной индукции, величина наводимой ЭДС определяется производной маг-

2. Температурный датчик

В проектируемой измерительной системе было решено использовать недорогой интегральный полупроводниковый датчик температуры AST 1100 с линейным выходом. Датчик соответствует указанным требованиям и имеет передаточную характеристику U = E/5∙(1,375 + 0,0225T),

(6)

где U — выходное напряжение, В; Е — напряжение питание микросхемы, В; Т — измеряемая температура, °С. Выход AD 1100 подключается через активный повторитель и RC-цепь ко входу 12-разрядного АЦП микроконтроллера (МК) платы сбора данных.

Постоянная времени RC-цепи была выбрана равной 100 мс. Ко входу температурного канала также подключаются защитные диоды 1.5КЕ6V8, а для повышения помехозащищенности в МК программно реализован цифровой КИХ-фильтр Баттерворта четвертого порядка с частотой среза 10 Гц.

3. Датчики тока

В настоящее время в промышленности и технике физического эксперимента получили широкое распространение методы дистанционного измерения постоянных или медленно меняющихся токов, использующие эффект Холла [2], и на основе анизотропного магниторезистивного эффекта (АМР) в тонких пленках [2]. Вместе с тем, благодаря развитию и удешевлению элементной базы оптоэлектроники, появлению дешевого и технологичного в монтаже пластикового (POF) оптоволокна получают распространение и оптические методы измерений, в частности, магнитооптические датчики [3].

1. В бесконтактных датчиках Холла используется кольцевой магнитопровод с зазором, в котором установлен магниточувствительный элемент. Токоведущая жила проходит через центр кольца. При этом все поле сосредоточено в зазоре, и внешнее влияние практически отсутствует. Этот принцип измерения тока реализован в интегральных датчиках компании Allegro Microsystems серии ACS 7xx. Эти компоненты включают в себя электронную схему обработки сигнала и схему термокомпенсации. Интегральный сенсор ACS712ELC015 позволяет измерять токи в диапазоне 0...15 А в частотной полосе 0—50 кГц, имеет линейную передаточную характеристику с коэффициентом нелинейности ±1,5%, что в принципе позволяет его использовать для решения нашей задачи. Передаточная функция датчика ACS712ELC-015 определяется выражением: U = 0,1I + 2,5,

(7)

где U — напряжение на выходе микросхемы, В; I — измеряемый ток, А.

2. Работа анизотропных магниторезистивных датчиков основана на способности длинной пермаллоевой пленки (NiFe) изменять свое сопротивление в зависимости от ориентации протекающего через нее тока и направления вектора намагниченности. Внешнее магнитное поле поворачивает вектор намагниченности пленки на угол θ. Это значение зависит от направления и величины поля. Сопротивление пленки определяется выражением: R = R0 + ΔR∙cos2θ.

(8)

Величина ΔR составляет ~10% от R0. АМР-датчики строятся по мостовой схеме, которая подключается к внешнему измерительному усилителю. Датчики этого типа обладают высокой чувствительностью и линейностью. Предварительные эксперименты, проведенные с одноосевым АМР-датчиком HMC 1001 фирмы Honeywell, показали, что при измерении стартового тока (сильное магнитное поле) происходит насыщение чувствительного элемента, и для измерения более слабых полей (режим удержания) датчик необходимо сбрасывать с помощью дополнительной схемы формирования импульса размагничивания, размещаемой рядом с датчиком. Кроме того, в непосредственной близости (20…50 мм) от микросхемы сенсора должен располагаться и измерительный усилитель, т.к. величина дифференциального сигнала с моста датчика мала (~1...10 мВ). Плата со схемой обработки и усиления сигнала должна быть тщательно экранирована. Таким образом, учитывая необходимость в электронных схемах в составе или вблизи рассмотренных датчиков и рассчитанную выше величину ЭДС наводки электромагнитной индукции, сравнимую с напряжением пробоя

ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕ ДС ТВА и СИС ТЕМЫ

53

Электронные компоненты №5 2010

Рис. 3. Электронная схема защиты датчика положения

Рис. 4. Функциональная схема магнитооптического измерителя тока

ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕ ДС ТВА и СИС ТЕМЫ

54

КМОП-элементов (более 5 В для 3-В элементной базы и более 7 В для 5-В компонентов), приходится значительно усложнять конструкцию датчика тока соленоида.

3). В качестве альтернативы можно использовать магнитооптический метод измерения тока. Данный метод — сравнительно новый способ бесконтактного относительного измерения, основанный на эффекте Фарадея, поэтому подробно рассмотрим его физический принцип и способ реализации токового сенсора. Магнитооптический эффект заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Это открытие М. Фарадея в 1845 г. явилось первым доказательством наличия прямой связи между магнетизмом и светом. Проходящее через среду линейно поляризованное излучение всегда может быть формально представлено как суперпозиция двух поляризованных по правому и левому кругу волн с противоположным направлением вращения. Намагниченное оптически прозрачное вещество в общем случае нельзя охарактеризовать единым показателем пре-

WWW.ELCP.RU

ломления n. Показатели преломления n+ и n– для излучения правой и левой круговых поляризаций становятся различными (магнитная анизотропия). Различие n+ и n– приводит к тому, что поляризованные по правому и левому кругу компоненты излучения распространяются в среде с различными фазовыми скоростями, приобретая разность фаз, которая линейно зависит от оптической длины пути. В результате на выходе из вещества плоскость поляризации монохроматической световой волны поворачивается на угол φ. При этом знак угла поворота плоскости поляризации не зависит от направления распространения света (по вектору магнитной индукции или против него). Существенно лишь, чтобы вектор индукции был параллелен направлению распространения оптической волны. Угол фарадеевского вращения φ при магнитной индукции B и длине оптического пути в веществе L выражается как φ = V∙B∙L, радиан,

(9)

где V — постоянная Верде, учитывающая магнитооптическую активность для данного вещества. Величина постоянной Верде зависит от химического состава вещества, температуры и рабочей длины волны.

Учитывая, как показано выше, что между величиной магнитной индукции B и протекающим в обмотке соленоида током существует однозначная связь, магнитооптический датчик можно использовать для измерения тока. На практике угол поворота плоскости поляризации удобнее всего регистрировать через изменение интенсивности световой волны. Для этого активный магнитооптический кристалл помещают между поляризатором и анализатором, расположенными под углом 45°. Тогда отношение мощности световой волны на выходе ко входу определится соотношением Рout/Рin = exp(–αL)∙(1+sinφ)

(10),

где α — коэффициент поглощения световой волны в кристалле. В технике физического эксперимента для измерения магнитных полей получили распространение магнитооптические монокристаллы железоиттриевого граната. Датчики на их основе обладают чувствительностью порядка 15% от изменения интенсивности света на каждые 100 Э магнитной индукции в частотной полосе ~15 кГц. Колебания амплитуды выходного сигнала составляет около 2% при темпе-

ратуре –30–120°С. Рабочая длина световой волны составляет λ = 1,3 мкм. Данные характеристики вполне удовлетворяют требованиям измерения тока в электромагнитных клапанах. Кроме того, фарадеевские датчики не содержат полупроводниковых компонентов и поэтому нечувствительны к электромагнитным помехам. Таким образом, эти факторы позволяют использовать магнитооптический датчик с волокном в качестве линии передачи для измерения тока силовой катушки в электромагнитном клапане. МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА

Функциональная схема магнитооптического измерителя тока показана на рисунке 4. Для повышения помехозащищенности измеритель работает на гармонической поднесущей 10 кГц. Светодиодный излучатель 1 с выходной стабилизированной оптической мощностью каждые 0,5 с (скважность 2) излучает некогерентные световые волны, которые по волоконно-оптическому кабелю 2 подводятся к магнитооптическому датчику 4, заключенному между поляризатором 3 и анализатором 5. Промодулированное за счет фарадеевского вращения световое поле поступает в фотоприемник 6 на основе малошумящего р-i-n фотодиода, где происходит его преобразование в электрические колебания. Полученный АМ-сигнал выделяется полосовым фильтром 7 и поступает на вход гомодинного синхронного детектора 10, выход которого связан с портом АЦП микроконтроллера. Опорный сигнал формируется из задающего гармонического колебания с помощью цепи фазовращателя 8 и компаратора 9. Фазовращатель обеспечивает синхронизацию опорного и детектируемого сигналов с учетом фазовых задержек в элементах тракта. Применение синхронного детектора позволяет повысить отношение сигнал/шум в тракте измерения примерно на 6 дБ. Программное обеспечение микроконтроллера рассчитывает ток по предварительно снятой для каждой силовой катушки зависимости Рout/Рin = f(I) с учетом температурных коэффициентов. В настоящее время идет макетирование магнитооптического датчика тока для нового электромагнитного клапана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие техники высокоэнергетических электромагнитных клапанов, появление потребности нефтеперерабатывающей и химической промышленности в запорнорегулируемых клапанах с линейным электромагнитным управлением, находящихся в настоящее время на стадии разработки, а также ужесточение требований к отказоустойчивости трубопроводной арматуры диктуют необходимость в создании высокоточных многоканальных помехоустойчивых измерительных систем. Поэтому основное направление развития подобных систем должно быть связано с широким внедрением методов цифровой обработки сигналов и применением датчиков на новых физических принципах — нанофотоники, МЭМС-технологии, магнитных наноматериалах. В 2010 г. отдельные виды этих изделий стали появляться на российском рынке. ЛИТЕРАТУРА 1. С. Щучинский. Проектирование и выбор электромагнитных приводов для трубопроводной арматуры. ЦНИТИХИМНЕФТЕМАШ.

1991 г. с. 49—55.

2. А. Борисов. Современные АМР-датчики. Компоненты и технологии. №7. 2006 г.

3. А. Полищук. Некоторые применения интегральных датчиков Холла. Компоненты и технологии. №7. 2006 г.

4. Т. Окоси и др. Волоконно-оптические датчики. Пер. с японского. Энергоатомиздат. 1991 г. с. 157—161.

55 ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕ ДС ТВА и СИС ТЕМЫ

Рис. 5. Структурная схема измерительной системы

температурного датчика, оптоэлектронный модуль датчика тока и схема преобразования UART — RS-232, соединенная с блоком управления. Сигналы с датчиков обрабатываются 12-разрядными АЦП микроконтроллера. Структурная схема измерительной системы изображена на рисунке 5. Алгоритм работы измерительной системы состоит в следующем.

– Программное обеспечение (ПО) микроконтроллера осуществляет цифровую КИХ- фильтрацию четвертого порядка (реализованы фильтры Баттерворта) для сигналов с температурного и магнитооптического датчиков. Полоса среза фильтров — 10 Гц по уровню –3 дБ. 12-разрядные АЦП работают со скоростью 100 выб./с.

– Сигналы со щелевых оптронов нижнего и верхнего положения штока привода вызывают прерывание основной программы и передачу по RS-232 соответствующих маркеров в блок управления.

– ПО микроконтроллера осуществляет опрос токового и температурного датчиков с частотой 1 Гц. Данные также передаются в блок управления.

– В случае возникновения аварийной ситуации в блок управления передается сигнал аварии с помощью резкого изменения температуры или тока в силовой катушке.

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Измерительная система состоит из платы сбора данных, к которой подключен модуль питания и датчики. На плате сбора данных размещен управляющий микроконтроллер, стабилизированные источники питания датчиков, схемы предварительной обработки сигналов со щелевых оптронов,

Электронные компоненты №5 2010

Новинки микросхем светодиодных драйверов ON Semi ИРИНА РОМАДИНА, бренд-менеджер по продукции ON Semiconductor, «Компэл» Компания ON Semiconductor выпускает широкую номенклатуру светодиодных драйверов с использованием различных технологий преобразования энергии. Номенклатура драйверов ON Semi постоянно обновляется и расширяется в соответствии с требованиями рынка. В статье дается обзор новинок светодиодных драйверов, разработанных компанией ON Semi за последние полгода. В составе новинок — драйверы Flyback для сетевых светодиодных источников, линейные драйверы, драйверы для модулей задней подсветки ЖК-панелей, драйверы для автомобильных светодиодных фонарей. Высокая эффективность преобразования энергии при малых размерах изделий, адекватной цене и высокой степени надежности — ключевые элементы стратегии фирмы. Расширение областей применения светодиодов определяется не только снижением их стоимости, но и стоимости драйверов. Ключевое свойство новинок — низкая цена при высокой функциональности. Разработками драйверов светодиодов в ON Semi занимаются два подразделения: компания Semiconductor Components Industries LLC, вошедшая в состав ON Semi в декабре 2004 г., и фирма Catalyst Semiconductor Inc., которая примкнула к ON Semi в 2008 г. Префиксы NSI, NCL, NUD, NLSF, NCP имеют разработки подразделения компании Semiconductor Components Industries LLC, а микросхемы Catalyst Semiconductor Inc. — префикс CAT. ЛИНЕЙНЫЕ ДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ

Несмотря на то, что линейные драйверы светодиодов не обеспечивают высокой эффективности использования энергии источника, они обладают несомненными преимуществами, к которым относятся простота применения, отсутствие ЭМИ, дешевизна. Во многих применениях, например в автомобильном секторе, эффективность менее важна, чем цена. В секторе линейных драйверов можно выделить двухполюсники с фиксированным значением тока; трехполюсники с регулируемым током и многоканальные драйверы. Выходы линейных драйверов представляют собой генератор тока. Стабильный ток в широком диапазоне входных напряжений обеспечивает постоянную яркость и долговечность светодиодов.

NSI50010YT1G — МАЛОМОЩНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ

56

Особенностью микросхемы генератора тока на 10 мА является то, что это двухполюсник, не требующий каких-либо дополнительных элементов для задания тока. Значение тока постоянное и задается внутренней структурой.

Рис. 1. Эквивалентная схема и корпус драйвера NSI50010YT1G

WWW.ELCP.RU

По сути, это электронный балласт для очень экономичных решений, являющийся отличной альтернативой традиционному токозадающему резистору. Уровень цены электронного балласта практически равен цене мощного SMD-резистора (около 7 центов). Широкий температурный диапазон –55…150°С, а также широкий диапазон входных напряжений (до 50 В) микросхем драйверов обеспечивают возможность использования их как в автомобильном, так и в промышленном секторах. На рисунке 1 показаны эквивалентная схема и корпус драйвера NSI5001YTIG. Для увеличения тока приборы допускают параллельное включение. На рисунке 2 показаны варианты использования электронного балласта для питания светодиодов на основе драйвера NSI50010YT1G. Микросхема найдет широкое применение в цепях питания маломощных светодиодных цепей, в частности, в автомобильном секторе (питание светодиодов приборных панелей, локальных источников подсветки, например ключа зажигания, порогов и прочее). ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

– автомобильный сектор: светодиодная подсветка поворота на боковых зеркалах, подсветка приборной панели; – светодиодные ночники, световые указатели (аварийный выход), декоративная подсветка, подсветка надписей и значков приборных панелей; – генераторы тока для телекоммуникационных модемных цепей (Switch Contact Wetting). В телекоммуникационных сетях довольно часто используются контактные соединения типа «скрутка» или соединители с прижимными контактами. Эти контакты могут окисляться или намокать, приводя к увеличению

Рис. 2. Варианты использования электронных балластов

сопротивления линии и нарушению связи. Использование генераторов тока в модемных линиях позволяет обеспечить прохождение импульсных сигналов в связном канале, несмотря на изменение сопротивления в контактных соединениях.

NSI45060DDT4G И NSI45090DDT4G — РЕГУЛИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ПИТАНИЯ СВЕТОДИОДОВ

Источники тока имеют одинаковые структуры и рассчитаны на больший ток, чем у драйвера NSI50010YT1G. Диапазон регулирования тока в NSI45060DDT4G: 40…100 мА. Диапазон регулирования тока в NSI45090DDT4G: 90…160 мА. Максимальное входное напряжение для обоих драйверов: 45 В. Корпус DPAK обеспечивает рассеяние мощности до 2,7 Вт. Установка тока производится внешним резистором по цепи управления Radj. Эти драйверы, как и NSI50010YT1G, допускают для увеличения тока параллельное включение. Области применения — автомобильный сектор, декоративная подсветка, подсветка световых указателей. Температурный рабочий диапазон микросхем: –55…150°С.

Рис. 3. Эквивалентная схема и корпус источника тока NSI45060/90DDT4G

6-КАНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР-ДРАЙВЕР СВЕТОДИОДОВ CAT4026

Микросхема CAT4026 представляет собой 6-канальный источник тока для питания цепочек светодиодов средней мощности в модулях задней подсветки ЖК-панелей. В драйвере реализованы следующие функции: защита от коротких замыканий, обнаружение обрывов в цепочках, адаптивная обратная связь по SMPS, раздельная регулировка тока по каналам, термозащита, общее диммирование по всем каналам в режиме ШИМ или аналоговом режиме. Микросхема выпускается в корпусе SOIC-28. Драйвер может также использоваться и в светодиодных источниках освещения.

Рис. 4. При использовании светодиодной подсветки в задней фаре можно существенно сократить объем пространства ниши. Оранжевый контур — светодиодный модуль с боковой подсветкой. Оранжевая контурная линия — гибкая плата модуля с прямой подсветкой

NCV7680 — ЛИНЕЙНЫЙ ТОКОВЫЙ РЕГУЛЯТОР И КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОДИОДНОЙ СИСТЕМОЙ ЗАДНЕЙ ФАРЫ АВТОМОБИЛЯ

В заднем фонаре автомобиля размещаются габаритные огни, габаритные сигналы и стоп-сигналы. В одних конструкциях фонарей каждый из световых сигналов представлен отдельным сегментом, которому соответствует свой источник света. Пока доминирующим источником света в задних фонарях остаются лампы накаливания мощностью 5 и 21 Вт. Распространенной является и конструкция заднего фонаря, в которой световые сигналы габаритов и стоп-сигнала реализованы в одном сегменте, а для его подсветки используется двухнитевая лампа накаливания 21/5 Вт яркостью до 300 лм. Нить 5 Вт включается для обозначения габаритов, а 21 Вт — для включения стоп-сигнала. Габаритные огни включаются водителем, а стоп-сигнал связан с педалью торможения. Фары с лампами накаливания имеют массу недостатков: низкая световая эффективность, большая температура в районе цоколя, необходимость использования красных светофильтров уменьшает и без того малый КПД источника света, нити лампы чувствительны к вибрации и тряске. Для формирования заданной световой диаграммы используется отражатель сложной формы, для которого требуется приличная глубина конструкции фонаря. Включение и выключение лампы стоп-сигнала при каждом торможении существенно уменьшают ресурс ламп до нескольких сотен, а то и десятков часов. Смена ламп в заднем фонаре в ряде случаев является непростой операцией, требующей времени и навыков. Для стоп-сигнала существенным является время задержки от момента нажатия на тормоз до получения номинальной яркости свечения нити. Среднее время зажигания лампы составляет около 200 мс.

Рис. 5. Конструкция светодиодной задней фары автомобиля серии BMW 7

Светодиодные фонари лишены всех этих недостатков. Во-первых, в конструкции не требуется красный светофильтр — достаточно использовать красные светодиоды. Световая эффективность красных мощных светодиодов выше, чем у ламп накаливания. Светодиоды не боятся тряски. Их ресурс в тысячи раз больше, поэтому при монтаже светодиодов можно полностью отказаться от ненадежной системы цоколь-патрон. Быстродействие светодиода — несколько сотен микросекунд, поэтому время включения светодиодного стопсигнала на 200 мс меньше, чем сигнала на лампе накаливания. Водитель следующей машины заметит этот световой сигнал и начнет торможение раньше на 200 мс. При торможении на скорости 120 км/ч это даст лишние 6,6 м, которые позволят избежать столкновения. Как правило, в светодиодных задних фонарях используются массивы светодиодов средней мощности. Массив состоит из нескольких цепочек светодиодов. Сигнальный сектор заднего фонаря может содержать до 50 светодиодов. На рисунке 5 показана конструкция светодиодного фонаря автомобиля серии BMW7. Массив светодиодов обеспечивает более эффективное распределение света, не требуя отражателя. Угловая диа-

Электронные компоненты №5 2010

57

Рис. 6. Схема применения драйвера NCV7680 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

– постоянный ток до 75 мА для каждой цепочки светодиодов; – диагностика обрывов цепей (индикация обрыва выходом флага); – управление сигналами ШИМ Slew Rate для снижения уровня ЭМИ; – вход для сигнала внешней модуляции яркости; – встроенный генератор ШИМ 1 кГц для регулировки яркости; – установка внешними резисторами токов для огней «Стоп» и «Габариты»; – защита от перенапряжения. Рис. 7. Расширение функций при индикации световых сигналов «Cтоп» и «Габариты» на секторном светодиодном заднем фонаре

58

грамма распределенного источника света согласована с условиями наблюдения как со стороны дороги, так и со стороны тротуара. Секция стоп-сигнала разделена на две зоны из 15 и 20 отдельных светодиодов. Драйвер NCV7680 спроектирован специально для обеспечения комбинированной функции стопового и габаритного огня в одной фаре и состоит из восьми линейных программируемых источников тока. На рисунке 6 показана схема применения драйвера NCV7680. Драйвер NCV7680 обеспечивает два уровня яркости, меньший уровень — для сигнала габаритов, больший — для стоп-сигнала. Для формирования дополнительных уровней яркости может использоваться и ШИМ-модуляция. Для сигнала «Стоп» используется постоянный ток через светодиоды, а для габаритов — ШИМ. Дополнительный внешний балласт на FET-транзисторе обеспечивает защиту от повышения напряжения в бортовой сети. Таблица 1. Сравнительные параметры задних фонарей на светодиодах и лампах накаливания Параметры Потребление, Вт Глубина отражателя фонаря, мм Температура внутри фонаря, °С Ресурс, ч Надежность и периодичность замены Время включения, мс

WWW.ELCP.RU

Светодиоды 4 50 50 >20000

Лампы 21 150 100 <1000 Необходимо сменить до Обслуживание не 15 ламп за время эксплуатации требуется автомобиля <1мс 200

ОСНОВНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

– управление светом задних фонарей с комбинированием огней «Стоп» и «Габариты» (RCL); – управление светом фонарей дневного света Daytime Running Lights (DRL); – управление светом противотуманных фар (Fog Lights); – управление светом линейки светодиодов заднего центрального фонаря стоп-сигнала; – управление световыми сигналами фонарей поворотников, а также других дополнительных фонарей для обозначения сигнала поворота на крыльях и боковых зеркалах; – модули задней подсветки ЖК-панелей. За счет ШИМ можно регулировать яркость стоп-сигнала в соответствии с силой нажатия на педаль тормоза. Водитель следующей сзади машины может оценить силу торможения и принять решение о степени торможения, чтобы предотвратить столкновение. Это повышает безопасность движения. Использование в задних фарах массивов дискретных светодиодных источников в совокупности с возможностью диммирования позволяют реализовать новые очень полезные функции с позиции повышения комфортности управления и безопасности движения. Предложена новая концепция адаптивных световых сигналов «Стоп» и «Габариты». В зависимости от условий освещенности дороги (день-ночь), погодных условий (туман или сильный дождь), меняется площадь освещенных секторов световых сигналов «Стоп» и «Габариты», а также яркость включенных секторов. Кроме того, стопсигнал может индицировать и силу торможения за счет изменения яркости светодиодных сегментов или же за счет включения дополнительных секторов света в фонаре. На рисунке 7 показан пример реализации концепции

адаптивных сигналов «Стоп» и «Габариты» заднего фонаря современного автомобиля. Драйвер NCV6780 может использоваться для реализации концепции адаптивной яркости задних фонарей как стоп-сигналов, так и сигнала габаритов. В настоящее время в той или иной мере данная концепция находит все большую поддержку у известных автопроизводителей. Во всех новых моделях автогигантов в настоящее время используются только светодиодные задние фонари. На рисунке 8 показана реализация светодиодного заднего фонаря новой модели автомобиля Фольксваген. В заднем фонаре используется матрица из 48 светодиодов. Для драйвера NCV7680 можно увеличить число управляемых светодиодов, если использовать дополнительно повышающий преобразователь напряжения. На рисунке 9 показана схема управления массивом светодиодов 8×8, реализованная на базе 8-канального линейного драйвера NCV7680 и повышающего преобразователя напряжения NCV3163.

Рис. 8. Светодиодные фонари в новой модели Фольксваген

NCL30000 — СВЕТОДИОДНЫЙ ДРАЙВЕР С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ И РЕГУЛИРОВКОЙ ЯРКОСТИ

Микросхема NCL30000 является контроллером обратноходового преобразователя напряжения Flyback — разновидности импульсного преобразователей напряжения с

гальванической развязкой. Его особенность заключается в функции коррекции коэффициента мощности. Контроллер предназначен для реализации сетевых светодиодных источников света низкой и средней мощности до 20 Вт. Выходное напряжение преобразователя позволяет подключать цепочку мощных белых светодиодов от 4 до 15 шт. Режим управления преобразованием CrM (Critical Conduction Mode) позволяет реализовать как топологию flyback, так и режим понижения напряжения (buck). В режиме CrM частота переключения преобразователя изменяется в соответствии с изменением как входного

Рис. 9. Режим с повышением напряжения бортовой сети для увеличения числа светодиодов в матрице фары до 64

59

Рис. 10. Структура схемы Flyback-преобразователя на основе контроллера NCL30000

Электронные компоненты №5 2010

Рис. 11. Структура преобразователя напряжения для питания светодиодных источников света с мощностью 40…150 Вт

Рис. 12. Базовая схема применения драйвера NCP3066

60 Рис. 13. Схема демонстрационной платы NCP3066DFSEPGEVB

напряжения, так и тока в нагрузке, что позволяет уменьшить потери на переключении, а также на выпрямлении во вторичной цепи. Контроллер обеспечивает низкий стартовый ток и малый ток в цепи датчика обратной связи. Микросхема драйвера обеспечивает надежную работу в широком диапазоне температур −40…125°C. NCL30001 — СЕТЕВОЙ СВЕТОДИОДНЫЙ ДРАЙВЕРКОНТРОЛЛЕР ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА МОЩНОСТЬЮ ДО 150 ВТ

Структура этого контроллера отличается от NCL30000. Во-первых, он рассчитан на диапазон большей отдаваемой

WWW.ELCP.RU

в нагрузку мощности — 40…150 Вт. В нем используется режим понижающего преобразования AC/DC с гальванической развязкой и схемой импульсного управления типа CCM (Continuous Conduction) с постоянной частотой преобразования. Частота преобразования может регулироваться в диапазоне 20…250 КГц. Микросхема также обеспечивает уменьшение акустических шумов в цепях нагрузки за счет патентованного алгоритма Soft−Skip™. В микросхеме также используется функция коррекции мощности, как и в драйвере NCL30001. В структуре драйвера имеется встроенная защита от перенапряжения, перегрева и от понижения входного напряжения. Микросхема имеет корпус SOIC-16.

Название демо-платы NCL30000LED2GEVB NCL30000LED3GEVB NCL30001LEDGEVB

Тип драйвера, контроллера NCL30000 NCL30000 NCL30001

NCP3066DFSEPGEVB

NCP3066

NCV7680PWR2GEVB

NCV7680 и NCV3163 (Boost Regulator)

Основные параметры 15 Вт, 4–15 белых светодиодов, ток 350 мА 220/240 Vac Triac Dimmer, PF >0,96 17 Вт, 350 мA, диапазон сетевого напряжения 90…305 Vac, без диммирования 80 Вт, 0,9 PF CC LED DRIVER, диапазон сетевого напряжения 90…265 Vac, выходной ток до 1,5 А DFN SEPIC DB, диапазон входных напряжений до 40 В. Размер платы: 77×37×15мм Матрица светодиодов 8×8. Программирование тока режима «Стоп»

Микросхема драйвера обеспечивает надежную работу в широком диапазоне температур от −40…125°C. Основные области применения — внутреннее и наружное освещение, уличные светильники, ландшафтная и архитектурная подсветка.

NCP3066 — ИМПУЛЬСНЫЙ ДРАЙВЕР СВЕТОДИОДОВ

Драйвер NCP3066 (см. рис. 12) обеспечивает питание цепочки мощных белых светодиодов постоянным током до 1,5 A. Регулятор может работать как в режиме StepDown (Buck), так и в режиме Step-Up (Boost), а также как инвертор напряжения. Широкий диапазон входных напряжений 3…40 В обеспечивает надежную работу при питании от источников 12–36 В. Частота преобразования может подстраиваться вплоть до 250 кГц. Встроенный источник опорного напряжения имеет очень низкий номинал, всего 235 мВ, что обеспечивает низкие потери на датчике тока в цепи обратной связи. Через вывод ON/OFF может обеспечиваться как диммирование источника света, так и перевод в режим энергосбережения с выключением тока в нагрузке. Управление яркостью выполняется с помощью ШИМ или аналогового сигнала. Модификация NCV3066 ориентирована специально на автомобильный сектор и имеет расширенный рабочий температурный диапазон –40…125°С. Микросхема может также использоваться в

качестве источника тока для зарядных устройств аккумуляторов. Схема демонстрационной платы NCP3066DFSEPGEVB приведена на рисунке 13. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПЛАТЫ СВЕТОДИОДНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ И ДРАЙВЕРОВ

Для отладки проектов и оценки возможностей светодиодных регуляторов компания ON Semi разработала серию демонстрационных плат. Демо-платы доступны и для российских разработчиков. Требуемый вариант демо-платы можно выбрать из каталога и заказать через «Компэл». В частности, разработаны демонстрационные платы для оценки возможностей описанных в статье драйверов и контроллеров светодиодов. ЛИТЕРАТУРА 1. Jim Young. AND8448 Configuring the NCL30000 for TRIAC Dimming. ON Semiconductor.

2. И. Ромадина. Драйверы для светодиодных источников света ON Semiconductor. Электронные компоненты. № 12. 2009 г.

3. Jim Young. NCL30000LED1GEVB/D 90–135 Vac up to 15 Watt Dimmable LED Driver Demo Board Operation. ON Semiconductor.

4. Datasheet. NSI50010YT1G Constant Current Regulator & LED Driver. On Semi.

Электронные компоненты №5 2010

61

ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД В ГИБРИДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ. Часть 5. Разработки КТЭО для гибридных транспортных средств в Концерне «РУСЭЛПРОМ» СТАНИСЛАВ ФЛОРЕНЦЕВ, ген. директор, ООО «Русэлпром-электропривод» ДМИТРИЙ ИЗОСИМОВ, зам. ген. директора по науке, ООО «Русэлпром-электропривод» ЛЕВ МАКАРОВ, ген. конструктор, ООО «Русэлпром» АНДРЕЙ ЗАЙЦЕВ, гл. конструктор, ОАО «Русэлпром-НИПТИ ЭМ»* ДМИТРИЙ ГАРОНИН, техн. директор, дивизион «Русские автобусы группа ГАЗ» Окончание. Начало см. в ЭК11, 2009 г. ТЯГОВОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ АВТОБУСА ЛИАЗ 5292ХХ

Комплект тягового электрооборудования автобуса ЛИАЗ 5292ХХ включает: – МГ (асинхронный двигатель); – ТАД (асинхронный двигатель); – СП МГ, СП ТАД (силовые преобразователи с микропроцессорной системой управления); – буферный накопитель; – контроллер верхнего уровня (КВУ) для управления потоками мощности и тягой с органами управления и отображения информации в кабине водителя; – системы охлаждения электрических машин и силовых преобразователей; – системы питания собственных нужд. Силовые преобразователи выполнены на интегральных интеллектуальных силовых преобразователях SKAI фирмы SEMIKRON. Максимальный эффективный фазный ток каждого модуля 300 А

(длительно), максимальное напряжение звена постоянного тока — 900 В. Управление ТАД и МГ реализовано на контроллерах на базе процессоров серии TMS 320 (векторная система управления). Силовые преобразователи объединены в блок силовой электроники (БСЭ) (см. рис. 4). Охлаждение блока силовой электроники жидкостное. Охлаждение МГ и ТАД — воздушное, принудительное. В последующем планируется применять жидкостное охлаждение электрических машин. Установка КТЭО не потребовала переработки конструкции автобуса. ТАД, МГ и блок силовой электроники расположены в заднем свесе автобуса, рядом с ДВС (см. рис. 5), буферный накопитель — на крыше. В качестве накопителей используются суперконденсаторы компании MAXWELL, 21 Ф, 750 В (см. рис. 6). Батареи накопителя имеют последовательно-параллельное соединение модулей и укомплектованы управляющим контроллером для обеспечения контроля за состо-

янием всех модулей накопительной батареи. Контроллер разработан ООО «Русэлпром-электропривод». Схема контроллера и программное обеспечение позволяют управлять процессами заряда/разряда накопительной батареи и вести контроль следующих параметров: – текущее напряжение накопителя (с точностью до 0,5 В); – текущее напряжение каждой из емкостей в сборке (с точностью до 0,2 В);

Рис. 4. Блок силовой электроники с SKAI фирмы SEMIKRON

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

63

Рис. 5. Расположение ДВС, МГ и ТАД на автобусе

Рис. 6. Буферный накопитель — батарея суперконденсаторов Maxwell, 21 Ф, 750 В

1

В разработке устройств КТЭЭО и транспортных средств принимали участие сотрудники Концерна «Русэлпром» и предприятийизготовителей конкретной транспортной техники.

Электронные компоненты №5 2010

– симметричность заряда емкостей; – температура окружающей среды; – температура каждого модуля батареи накопителя. Применение специализированных алгоритмов позволяет вести контроль над внутренним сопротивлением накопителя, учитывая его в балансе мощностей. Тяговый электродвигатель (ТАД) развивает кратковременную мощность 250 кВт, что превышает мощность штатного дизеля серийного прототипа — автобуса ЛиАЗ 5292 (180 кВт), обеспечивая тем самым достойную динамику при разгоне. Долговременная мощность ТАД соответствует долговременной мощности МГ и ДВС — 125 кВт. Пониженная (по сравнению с прототипом) мощность используемого в гибридном автобусе дизеля (Cummins ISBe4+185, 136 кВт, ЕВРО-4) достаточна для движения в городском цикле и равномерного движения на скоростях вплоть до 80…90 км/ч, а недостаток мощности при разгоне емкостным накопителем. В то же время снижение мощности дизеля — одна из составляющих экономии топлива. Другой составляющей экономии топлива, возможной для последовательной схемы, является оптимизация статического режима работы дизеля. В соответствии с необходимой для ТАД мощностью выбирается такое соотношение момента ДВС и скорости его вращения, которое обеспечивает наилучшую топливную экономичность. Распределение энергии осуществляется алгоритмом управления потоками мощности, который обеспечивает основную экономию топлива за счет следующих факторов: – во-первых, необходимая для ТАД мощность разделяется на быстропеременную и медленно меняющуюся составляющие, первая из которых поставляется накопителем, вторая — ДВС; тем самым обеспечивается работа ДВС в режиме, близком к стационарному. При этом минимизируется также токсичность выхлопа.

– во-вторых, накопитель может принимать энергию рекуперации при торможении, обычно теряемую в механических тормозах; это особенно существенно для маршрутных транспортных средств с относительно частыми остановками (городские автобусы). Управление потоками мощности является функцией КВУ, он же осуществляет управление движением, включая логическую обработку входных сигналов кабины водителя, датчиков, измерение аналоговых сигналов, управление режимами движения автобуса, а также обработку и фиксацию аварийных ситуаций. КВУ имеет четыре независимых CAN-интерфейса передачи данных, широко применяемого в автомобильной промышленности. Два из CAN-интерфейсов работают по протоколу CANOpen и осуществляют связь с контроллерами мотор-генератора, тягового двигателя, накопителя и табло водителя со скоростью 1 Мбит/с. По ним КВУ получает всю необходимую информацию и осуществляет управление элементами электрической трансмиссии. Третий канал CAN работает по протоколу SAE J1939 со скоростью 250 ЭЛЕК ТРОПРИВОД

64

WWW.ELCP.RU

Кбит/с. Контроллер верхнего уровня включен в общую сеть J1939 автобуса и имеет возможность получать всю информацию о состоянии ДВС, контроллеров ABS и ASR. По данному каналу связи КВУ посылает задание частоты вращения ДВС. Контроль над основными параметрами и аварийными ситуациями ДВС возложен на КВУ. Если один из параметров вышел за допустимые границы или произошла аварийная ситуация, то КВУ выдает предупреждающее сообщение на табло водителя. КВУ ведет запись в энергозависимую память состояния всех органов управления, исполнительных устройств, а также уставок ПО управления через определенные, относительно небольшие моменты времени. На пункте технического обслуживания инженеры могут увидеть всю последовательность действий водителя при работе. При возникновении аварийной ситуации в контроллерах МГ и ТАД осуществляется запись соответствующего аварийного лога во внутреннюю память этих контроллеров. Впоследствии информация о развитии аварийной ситуации по каналу CAN считывается и записывается в КВУ с кодом этой ситуации. КВУ также записывает свой лог, предшествующий аварийной ситуации. Это позволяет иметь полную картину состояний всех устройств электрической трансмиссии за несколько секунд до аварии и выявить причину неисправности. Аварийные логи могут быть переписаны в сервисную вычислительную систему для сохранения их на внешнем носителе; с помощью СВС можно получить графики поведения того или иного параметра системы перед аварией. Основными режимами перемещения автобуса являются движение вперед, назад и парковка (удержание автобуса в определенном положении). Имеется режим стабилизации текущей скорости и два уровня ограничения скорости (60 и 20 км/ч). В режиме аварийного движения возможно продолжение движения в ряде некритических аварийных ситуаций, однако возможности управления при этом ограничены (нет стабилизации скорости) и ограничена скорость движения. Педаль тормоза объединяет две тормозные системы — электрическое торможение с рекуперацией (в начале хода педали) и механическое торможение (в конце хода педали). Электрическое торможение может осуществляться до полной остановки автобуса; более того, при этом автоматически выполняется переход к режиму парковки, и автобус удерживается в одном положении без нажатия на педаль тормоза или включения стояночного тормоза (даже на спуске или подъеме). Для возобновления движения достаточно нажать на педаль газа. Структура программного обеспечения КВУ показана на рисунке 7. Стоимость КТЭО при серийности более 100 комплектов в год — не более 1,5 млн. руб. Специалистами ООО «Русэлпром-электропривод» разработано специальное программное обеспечение для сопровождения, наладки и диагностики ошибок — сервисная вычислительная система (СВС), которая предназначена для визуализации параметров рабочих характеристик КТЭО; предоставления и обработки графической информации; загрузки, сохранения и отображения в графической и табличной форме файлов аварийных логов КВУ, МГ и ТАД. Оно может быть установлено на любой персональный компьютер (минимальные требования — Windows XP; 1,4 ГГц или выше; ОЗУ 512 Мбайт, объем жесткого диска — 100 Мбайт; слот PCI-Express, 2×USB 2.0). СВС предназначено для визуализации параметров рабочих характеристик КТЭО. Программа СВС состоит из следующих функциональных частей (экранов). Экран «Мониторинг» — отображение таких основных параметров системы управления как: – обороты ДВС; – ток и момент мотор-генератора; – напряжение и мощность накопителя;

– ток и момент ТАД; – обороты ТАД; – момент ДВС; – положение педали газа; – датчики давления педали тормоза; – авария; – пробой; – перегрев; – аварийное движение; – аварийное отключение; – отображение состояние и направления движения автобуса (нейтраль, вперед, парковка, назад); – отображение параметров термозащиты (МГ, ТАД, СП ТАД, СП МГ); – КПД электрической трансмиссии; – состояние стояночного тормоза. СВС позволяет в значительной мере упростить процесс наладки и контроля КТЭО, а также анализ аварийных логов, что позволяет ускорить поиск и устранение неисправностей. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ АВТОБУСА ЛИАЗ 5292ХХ

Рис. 7. Структура программного обеспечения контроллера верхнего уровня

65 ЭЛЕК ТРОПРИВОД

До установки на автобус штатный комплект тягового электрооборудования прошел наладку и всестороннее исследование на полноразмерном стенде с расширенным составом измерительных приборов. Стенд реализован в Цехе испытаний НИПТИЭМ. Блоксхема стенда приведена на рисунке 8. Кроме штатных устройств КТЭО автобуса — МГ, ТАД, БСЭ, БН, КВУ, СВС, систем охлаждения и систем питания электроники — стенд содержит имитатор ДВС (управляемый привод переменного тока фирмы KEB) и имитатор нагрузки ТАД (также управляемый привод переменного тока фирмы KEB). Наладка оборудования стенда и проведение испытаний осуществлялись с помощью специально написанной программы — автоматизированного рабочего места (АРМ). АРМ выполняет роль задатчика скорости для ТАД и для имитатора ДВС, момента для имитатора нагрузки, а также фиксирует результаты эксперимента. При этом используются минимальные дополнительные аппаратные средства — переходник USBCAN, данные передаются/принимаются КВУ по каналу CAN. В программе имеется возможность установить желаемый цикл движения (до 12-ти участков с задаваемой постоянной скоростью на каждом из них и с желаемыми углами наклона дороги на каждом участке). Задаются также коэффициенты сопротивления трения качения шин, аэродинамическое сопротивление и настроечный коэффициент для имитации загрузки автобуса. После отладки и настройки оборудования были проведены: – статические испытания КТЭО;

Рис. 8. Блок-схема стенда

Электронные компоненты №5 2010

Рис. 9. Прохождение испытательного маршрута, состоящего из трех участков разгона

Рис. 10. Движение в цикле НАМИ II

– тепловые испытания; – динамические испытания (имитация циклов движения автобуса); – проверка систем защит оборудования;

– проверка системы регистрации состояния устройств. Момент инерции автобуса моделировался эквивалентным моментом нагрузки, рассчитываемым по задан-

Таблица 2. Варианты конденсаторных систем ЭЛТОН в сравнении с системой Maxwell Вариант 2

4×6×BMOD0063-Р125 2×25×20ЭК404 36×10ЭК303 Maxwell ЭЛТОН ЭЛТОН

Тип системы Диапазон рабочих напряжений, В

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

66

Вариант 6

750…375

750…375

540…270

Емкость, Ф

42

48

139

Запасаемая энергия, МДж

8,86

10,1

15,2

Масса, т

1,39

1,20

1,22

Габаритный объем, м3

2,38

0,97

0,84

Плотность запасаемой энергии, Вт∙ч/кг (Вт∙ч/л)

1,8 (1,0)

2,3 (3,2)

3,4 (5,0) 8,2

Отдаваемая энергия при мощности 360 кВт, МДж

8,2

7.4

Время разряда при мощности 360 кВт, с

23

21

23

Цена опытного образца с учетом НДС, млн руб.

?

3,96

3,68

Цена при промышленном производстве, млн руб.

?

1,0—1,3

1,1—1,9

Таблица 3. Тягово-динамические расчеты Автобус Грузовик

Параметр Мощность ДВС, кВт Мощность ТАД, кВт

ПАЗ-3237 ЭГ«Валдай»

90 км/ч 0% 92,6

10 км/ч 20% 86,3

60 км/ч 1,75% 89,7

Цикл НАМИ-2 0% 28,3 (средняя)

85

63,1

79

165 (максимальная)

Сила тяги, Н

3400

16700

4800

12000 (разгон)

Момент ТАД, Нм

198,6

998

213,6

522 (разгон)

Скорость ТАД, об./мин

5440

604

3623

3020 (50 км/ч)

WWW.ELCP.RU

ному ускорению, вместе с расчетным сопротивлением шин, силой скатывания и аэродинамическим сопротивлением. Момент нагрузки имитировался нагрузочным управляемым приводом в моментном режиме. Результаты отдельных испытаний приведены на рисунках. На рисунке 9 показано прохождение испытательного маршрута, состоящего из трех участков разгона до 20, 30 и 40 км/ч, соответственно, с торможением до остановки после каждого из них. На рисунке 10 показано движение в цикле НАМИ II с разгоном до 50 км/с за 20 с при движении на подъеме 2%. Из графиков 1 следует, что желаемый график движения (заданная скорость движения, зеленый цвет) выдерживается (фактическая скорость обозначена черным цветом), хотя необходимая для этого мощность ТАД (третий график) может принимать значения, значительно превосходящие возможности МГ-ДВС. На втором графике показан момент ТАД. Таким образом, автобус со сниженной мощностью ДВС обеспечивает необходимый темп разгона и не будет являться помехой в транспортном потоке. Были также проведены измерения КПД (совокупный КПД МГ — ТАД от вала имитатора ДВС до вала ТАД в режиме максимальной мощности составил около 0,85, что представляется достаточным для первого образца КТЭО — имеются резервы повышения КПД), проверено функционирование систем защит, проведены тепловые испытания КТЭО; МГ и ТАД выдерживают длительный режим 100 кВт (для МГ) и 750 Нм (для ТАД). В процессе стендовых испытаний КТЭО был проверен алгоритм реакций КВУ на аварийные ситуации. Испытания показали: – время реакции КВУ на аварию составляет 3 мс; – время записи аварийных логов КВУ, МГ и ТАД в файлы составляет 5 с. В процессе отладки совместной работы СВС и КВУ получены следующие результаты: – на основном экране СВС отображаются все основные параметры КТЭО, необходимые для контроля его работы; – время обновления основных параметров составляет 10 мс; – СВС также отображает направления потоков мощности во всей системе; – проверена возможность отображения параметров КВУ в виде графиков в реальном времени; – СВС позволяет записывать с определенной частотой и заданной длительностью данные в буфер и отображать их в виде графиков; – система дает возможность расчета КПД КТЭО за требуемый промежуток времени.

Стендовые испытания подтвердили соответствие основных характеристик оборудования КТЭО проектным значениям. После завершения стендовых испытаний оборудование КТЭО смонтировано на шасси автобуса. В настоящее время концепт автобуса ЛИАЗ 5292ХХ проходит испытания на топливную эффективность при типовом движении по улицам города (г. Ликино). ПРОЕКТЫ СОЗДАНИЯ ДРУГИХ ГОРОДСКИХ АВТОБУСОВ

было бы желание. Внедрение гибридной транспортной техники может являться достойным примером инновационного выхода отрасли транспортного машиностроения из экономического кризиса. Существенно, что создание энергосберегающих, дружественных к окружающей среде транспортных средств возможно на коммерческой основе, без привлечения средств инновационной поддержки, хотя, разумеется, финансовая и организационная помощь государственных органов не была бы лишней. ЛИТЕРАТУРА 1. Станислав Флоренцев, Лев Макаров, Владимир Менухов, Игорь Варакин. Экономичный, экологичный городской гибридный автобус//Электронные компоненты. №12, 2008 г. С. 1–9.

2. С.Н. Флоренцев, Д.Л. Гаронин, И.К. Воробьев, Л.И. Гордеев. Городской маршрутный автобус ЛИАЗ 5292ХХ с комбинированной энергоустановкой. Часть I. Общие характеристики автобуса ЛИАЗ 529ХХ. Электротехника. №7. 2009 г. С. 20–25.

3. Д.Б. Изосимов, С.В. Журавлев, С.В. Байда, А.А. Белоусов. Городской маршрутный автобус ЛИАЗ 5292ХХ с комбинированной энергоустановкой. Часть II. Стендовые испытания комплекта тягово-энергетического оборудования автобуса ЛИАЗ 529ХХ. Электротехника. №8. 2009 г. С. 2–7.

4. Stanislav N. Florentsev. From Russia with Automotive. AC electric drive-train of a hybrid city bus//Power System Design Europe (PSDE). July/ August 2009. P.50–51.

5. Stanislav N. Florentsev. Traction Electric Equipment Set for AC Electric Transmission Various Vehicles//Proceedings of International Exhibition & Conference “Power Electronics, Intelligent Motion. Power Quality” (PCIM-2009). 12–14 May 2009. Nurenberg. Germany. P. 625–627.

6. Изосимов Д.Б., Флоренцев С.Н. Комплекты тягового электрооборудования (КТЭО) транспортных средств. Международный научнопрактический семинар «Проблемы и тенденции развития автоматизированного электропривода», Москва, Экспоцентр, 10.06.2008 г.

Электронные компоненты №5 2010

67 ЭЛЕК ТРОПРИВОД

Специалистами ООО «Русэлпром-Электропривод» проведены тягово-динамические расчеты и оценки характеристик основных силовых узлов КТЭО для ряда различных городских автобусов, выпускаемых предприятиями России и Белоруссии: – 9-м ПАЗ-3237, «Богдан»; – 12-м 4202А («Белкоммунмаш»), МАЗ-203; – 15-м 627006 («Волжанин»); – 18-м ЛиАЗ-6292, МАЗ-205. Специалистами концерна «Русэлпром» выполнено проектирование всех компонентов тягового электрооборудования: электрических машин, силовой и управляющей электроники, вспомогательных систем питания и охлаждения для указанных выше различных автобусов. Предприятия концерна готовы к изготовлению комплектных КТЭО. Что касается вариантов систем буферных накопителей, то отметим, во-первых, что «Русэлпром» проработал вариант использования отечественных суперконденсаторов (см. табл. 2). Во-вторых, в «Русэлпром» имеются проработки использования в качестве буферного накопителя литиево-ионной аккумуляторной батареи. В качестве примера приведем тягово-динамические расчеты (см. табл. 3) автобуса ПАЗ-3237 и развозного грузовика «Валдай» (данные взяты из заявки, поданной «Русэлпром» в августе 2009 г. в Министерство промышленности и торговли РФ по конкурсу КД «Олимпиада»). По этим данным определены исходные требования к электрическим машинам, ДВС и буферному накопителю, который должен обеспечить автономное движение с питанием от АБ не менее 25 км (в городском цикле движения). Емкость буферного накопителя должна быть не менее 24 кВт∙ч. Характеристики литиево-ионной батареи, удовлетворяющей поставленным условиям, уже приводились ранее (см. первую статью цикла). Поскольку такая аккумуляторная батарея «привязана» к конкретному проекту транспортного средства, нелишне будет повторить ее характеристики: – количество аккумуляторов (в т.ч. в запас) — 240 (260); – масса 385 кг; – максимальное зарядное напряжение — 850 В; – минимальное разрядное напряжение — 720 В; – энергоемкость номинальная — 30,7 кВт; – энергоемкость в конце службы — 25 кВт; – энергоемкость при 70% DOD в конце службы — 17,5 кВт; – стоимость с тестированием и подбором аккумуляторов, комплектом силовых перемычек и конструктивом — 2,5 млн руб. Таким образом, концерн «Русэлпром» готов к разработке, изготовлению и поставкам КТЭО для различных городских автобусов и развозных грузовиков в комплектации, отвечающей требованиям заказчиков. Имеющихся наработок достаточно не только для выполнения отдельных инновационных проектов, но и для модернизации, что представляется необходимым ввиду многообразия требований и условий применения транспортных средств. Сопоставляя характеристики, структуру и состав КТЭО отечественных гибридных автобусов и их зарубежных аналогов, можно с полным основанием утверждать, что отечественные производители транспортной техники в состоянии в кратчайшие сроки выйти на передовые рубежи в создании современного общественного городского транспорта нового поколения,

Микро- и маломощные операционные усилители компании Maxim НАТАЛЬЯ КРИВАНДИНА, менеджер по бренду MAXIM, ЗАО «Компэл» У разработчиков электронной аппаратуры компания Maxim Integrated Products ассоциируется в т.ч. как один из ведущих производителей аналоговых интегральных схем. В статье предлагается обзор микро- и маломощных операционных усилителей (ОУ), выпускаемых компанией Maxim, а также некоторые соображения, позволяющие сделать оптимальный для конкретного приложения выбор из широкой номенклатуры изделий компании. В настоящее время номенклатура ОУ более чем широка. Каждый из ведущих производителей выпускает более сотни (а иногда и несколько сотен) типов операционных усилителей. Так, линейка ОУ компании Maxim Integrated Products содержит около 150 типов микросхем (не учитывая исполнения в разных корпусах). На фоне этого изобилия разработчику сложно сделать оптимальный выбор микросхемы для конкретного приложения. Решение проблемы выбора предполагает определить несколько ключевых параметров, критичных для разрабатываемого изделия и, тем самым, ограничить список возможных вариантов до разумных пределов. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

68

Параметры, которые определяют качество ОУ, принято разделять на три группы: эксплуатационные, точностные и динамические. К основным эксплуатационным параметрам относят: – минимальное и максимальное напряжение питания; – потребляемый ток (для сдвоенных и счетверенных усилителей дается на один канал); – наличие свойств Rail-to-Rail по входу и выходу; – наличие входа Shutdown (отключение от нагрузки). К основным точностным параметрам относят: – напряжение смещения нуля VOS; – коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС); – коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (КППНП), или другое название — коэффициент ослабления влияния нестабильности источников питания (КОНИП); – входной ток IBIAS; – спектральную плотность шума по напряжению en. К основным динамическим параметрам относят: – частоту единичного усиления (GBW); – скорость нарастания выходного напряжения r. Ограниченный объем статьи не позволяет пояснить физический смысл данных параметров. Однако они достаточно подробно разобраны во всех монографиях, посвященных принципам работы операционных усилителей, например в [1]. КЛАССИФИКАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ПО НАЗНАЧЕНИЮ

В теории ОУ [1] используется термин «идеальный операционный усилитель». В реальности приходится учитывать: высокий, но все-таки конечный коэффициент усиления, ненулевой входной ток, ненулевое выходное сопротивление, ограниченную полосу пропускания и т.д. Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, их параметры «приближаются к идеальным». Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно (не говоря уже о нецелесообразности подобных мероприятий из-за стоимости полученного решения). Для того чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в

WWW.ELCP.RU

каждом из которых один или несколько параметров являются доминирующими, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, т.к. в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Компания Maxim использует следующую классификацию ОУ по назначению.

– Операционные усилители со сверхмалым энергопотреблением (микромощные). К этой категории компания Maxim относит ОУ, типовой потребляемый ток которых не превышает 20 мкА.

– Операционные усилители с малым энергопотреблением (маломощные). К этой категории большинство производителей относит ОУ с максимальным потребляемым током не более 500 мкА.

– Низковольтные операционные усилители — ОУ, минимальное напряжение питания которых не превышает 1,8 В. Очень часто микро- и маломощные ОУ попадают в категорию низковольтных.

– Малошумящие операционные усилители. Усилители, спектральная плотность шума которых менее 15 нВ/ .

– Прецизионные операционные усилители. К данной категории относят ОУ, напряжение смещения нуля в которых не превышает 200 мкВ.

– Высокоскоростные операционные усилители. Это усилители, у которых скорость нарастания выходного сигнала превышает 10 В/мкс, а частота единичного усиления — более 5 МГц.

– Высоковольтные операционные усилители. Операционные усилители с максимальным напряжением питания более 20 В. Как правило, минимальное напряжение питания у этой группы также выше обычного.

– Операционные усилители общего назначения. Речь идет об изделиях, при проектировании которых ни один из параметров не считался доминирующим. С другой стороны, предполагалось, что ни один из параметров не будет завален «ниже нижнего». В силу этого изделие может быть востребовано в самых разнообразных приложениях, в тех фрагментах схемы, в которых к параметрам усилителя не предъявляются какие-то повышенные требования. Очевидно, что одно и то же изделие зачастую может быть отнесено к двум и более группам одновременно, если оно удовлетворяет требованиям по ключевому критерию. В рамках данной статьи будут рассмотрены линейки микро- и маломощных операционных усилителей, предлагаемые компанией Maxim. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ СО СВЕРХМАЛЫМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ

Линейка ОУ со сверхмалым энергопотреблением и их параметры приведены в таблице 1. В последнее время растет интерес к ОУ, которые, в отличие от традиционных двухполярных источников питания, используют однополярный источник, причем, все чаще низковольтный. Их распространение связано с

Электронные компоненты №5 2010

ICL7631 ICL7632 ICL7641 ICL7642 MAX4036 MAX4037 MAX4038 MAX4039 MAX4040 MAX4041 MAX4042 MAX4043 MAX4044 MAX406 MAX407 MAX409 MAX417 MAX418 MAX419 MAX4240 MAX4241 MAX4242 MAX4243 MAX4244 MAX4289 MAX4464 MAX4470 MAX4471 MAX4472 MAX4474 MAX9910 MAX9911 MAX9912 MAX9913 MAX9914 MAX9915 MAX9916 MAX9917

3 3 4 4 1 1 2 2 1 1 2 2 4 1 2 1 2 4 4 1 1 2 2 4 1 1 1 2 4 2 1 1 2 2 1 1 2 2

V V V V V V V V V V V V V V V V V V V

V V V V V V V V V

Усилителей в Одно Изделие корпусе питание

V V V V V V V V

V V V V V

V V V V V

Входы

V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V

Выходы V V

Rail-To-Rail

Мин.

2 2 2 2 1,4 1,4 1,4 1,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8

Макс.

16 16 16 16 3,6 3,6 3,6 3,6 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 10 10 10 10 10 10 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5

Напряжение питания, В

Таблица 1. Номенклатура и параметры микромощных ОУ компании Maxim

69

Тип.

6 6 6 6 0,8 1,9 0,8 1,4 12 12 12 12 12 1 1 1 1 1 1 14 14 14 14 14 9 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 4 4 4 4 20 20 20 20

Макс.

15 15 15 15 1,2 2,4 1,2 2 20 20 20 20 20 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 18 18 18 18 18 14 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 5 5 5 5 25 25 25 25

Потребляемый ток, мкА

Напряжение Коэффициент подаЧастота Скорость нарассмещения Коэффициент осла- вления пульсаций Входной единичного тания выходного Спектральная плотность нуля, мкВ бления синфазной напряжения пита- ток, нА усиления, напряжения, В/ шума, нВ/VГц составляющей, дБ ния, дБ мГц мкс Макс.

2000 80 80 0,05 0,044 0,016 100 2000 80 80 0,05 0,044 0,016 100 2000 80 80 0,05 0,044 0,016 100 2000 80 80 0,05 0,044 0,016 100 2000 70 82 0,01 0,004 0,0004 500 2000 70 84 0,01 0,004 0,0004 500 2000 70 82 0,01 0,004 0,0004 500 2000 70 84 0,01 0,004 0,0004 500 1500 94 85 10 0,09 0,04 70 1500 94 85 10 0,09 0,04 70 1500 94 85 10 0,09 0,04 70 1500 94 85 10 0,09 0,04 70 1500 94 85 10 0,09 0,04 70 500 80 86 0,01 0,004 0,005 150 3000 80 74 0,01 0,008 0,005 150 500 80 86 0,01 0,15 0,08 150 3000 80 74 0,01 0,15 0,08 150 4000 80 74 0,01 0,008 0,005 150 4000 80 74 0,01 0,15 0,08 150 1400 94 85 6 0,09 0,04 70 750 94 85 6 0,09 0,04 70 880 94 85 6 0,09 0,04 70 880 94 85 6 0,09 0,04 70 880 94 85 6 0,09 0,04 70 2000 85 75 15 0,017 7000 95 90 1,5 0,04 0,02 120 7000 95 90 1,5 0,009 0,002 120 7000 95 90 1,5 0,009 0,002 120 7000 95 90 1,5 0,009 0,002 120 7000 95 90 1,5 0,04 0,02 120 1000 80 95 0,01 0,2 0,1 400 1000 80 95 0,01 0,2 0,1 400 1000 80 95 0,01 0,2 0,1 400 1000 80 95 0,01 0,2 0,1 400 1000 80 85 0,01 1 0,5 160 1000 80 85 0,01 1 0,5 160 1000 80 85 0,01 1 0,5 160 1000 80 85 0,01 1 0,5 160 V

V

V

V

V

V

V

V

V

Вход Исполнение Shutdown Automotive

распространением устройств с батарейным питанием, в которых используются как аналоговые, так и цифровые компоненты. Заметим, что значительная часть номенклатуры ОУ со сверхмалым энергопотреблением обеспечивает возможность работы от одного источника питания. Экономичность при батарейном питании может оказаться ключевым критерием. В ряде приложений требуется непрерывная работа изделия без замены батареи или перезарядки в течение длительного времени. В связи с этим следует отметить микросхемы MAX4464/70/71/72/74 — операционные усилители с потребляемым током 0,75 мкА. Это значение на текущий момент является одним из лучших в отрасли. Кроме того, данные микросхемы обеспечивают достаточно высокие для своего класса значения КОСС и КППНП. Основной сферой применения предполагаются портативные приборы с батарейным питанием. Близкие по энергопотреблению параметры (1 мкА и менее) обеспечивают усилители MAX4036/38 и MAX406/40. При этом

указанные микросхемы выигрывают по таким параметрам как напряжение смещения нуля и входной ток, но уступают по коэффициентам КОСС и КППНП и динамическим характеристикам. Хорошие динамические характеристики (опять же для своего класса) обеспечивают семейства MAX9910/11/12/13 и MAX9914/15/16/17. Кроме того, эти микросхемы имеют минимальную в данной категории цену и могут быть востребованы в экономичных приложениях. Достаточно сбалансированные параметры семейства MAX406/07/09/17/18/19 позволяют считать их в рассматриваемом классе в качестве усилителей общего назначения. Следует отметить также тенденцию к использованию миниатюрных корпусов интегральных схем. Так, рассмотренные одинарные (один в корпусе) усилители MAX4464/70, MAX9910/11 и MAX9914/15 выполнены в корпусах SC70 размером 2×2 мм, что также является достоинством для мобильных устройств с габаритными ограничениями.

Таблица 2. Номенклатура и параметры маломощных ОУ компании Maxim НапряжеПотребля- ние сме- КоэффиНапряжение Усили- Rail-To-Rail циент емый ток, щения питания, В телей мкА нуля, ослабления Изделие в корсинфазной мкВ пусе составляюВхо- Выхощей, дБ Мин. Макс. Тип. Макс. Макс. ды ды

70

Скорость Частота Коэффициент нарас- СпектральВход- единичподавления тания ная плотной ного Вход Исполнение пульсаций выходноность ток, усилеShutdown Automotive напряжения го напря- шума, нВ/ нА ния, питания, дБ жения, В/ VГц мГц мкс

MAX4076

1

V

2,5

5,5

45

60

3500

95

95

0,2

0,23

0,09

110

—

MAX4077

2

V

2,5

5,5

45

60

3500

95

95

0,2

0,23

0,09

110

—

MAX4078

4

V

2,5

5,5

45

60

3500

95

95

0,2

0,23

0,09

110

—

MAX4091

1

V

V

2,7

6

115

165

1400

90

100

180

0,5

0,2

12

V

MAX4092

2

V

V

2,7

6

115

165

1400

90

100

180

0,5

0,2

12

V

MAX4094

4

V

V

2,7

6

115

165

1400

90

100

180

0,5

0,2

12

V

MAX4162

1

V

V

2,5

10

25

40

3000

100

110

0,1

0,2

0,115

80

—

MAX4163

2

V

V

2,5

10

25

40

4000

100

110

0,1

0,2

0,115

80

—

MAX4164

4

V

V

2,5

10

25

40

5000

100

110

0,1

0,2

0,115

80

—

MAX4236

1

V

2,4

5,5

350

440

50

103

120

0,5

1,7

0,3

14

V

—

MAX4236A

1

V

2,4

5,5

350

440

20

103

120

0,5

1,7

0,3

14

V

—

MAX4237

1

V

2,4

5,5

350

440

50

103

120

0,5

7,5

1,3

14

V

—

MAX4237A

1

V

2,4

5,5

350

440

20

103

120

0,5

7,5

1,3

14

V

—

MAX4281

1

V

2,5

5,5

300

500

2000

90

90

10

2

0,7

90

—

MAX4282

2

V

2,5

5,5

300

500

2000

90

90

10

2

0,7

90

—

MAX4284

4

V

2,5

5,5

300

500

2000

90

90

10

2

0,7

90

—

MAX4291

1

V

V

1,8

5,5

100

225

2500

90

100

55

0,5

0,2

70

—

MAX4292

2

V

V

1,8

5,5

100

225

2500

90

100

55

0,5

0,2

70

—

MAX4294

4

V

V

1,8

5,5

100

225

2500

90

100

55

0,5

0,2

70

—

MAX4330

1

V

V

2,4

6,5

245

325

700

87

88

65

3

1,5

28

—

MAX4331

1

V

V

2,4

6,5

245

325

700

93

92

65

3

1,5

28

—

MAX4332

2

V

V

2,4

6,5

245

325

1000

93

90

65

3

1,5

28

—

MAX4333

2

V

V

2,4

6,5

245

325

1000

93

90

65

3

1,5

28

—

V

—

MAX4334

4

V

2,4

6,5

245

325

1000

92

90

65

3

1,5

28

MAX4480

1

V

2,5

5,5

45

100

5500

86

92

0,1

0,14

0,08

100

MAX4481

1

V

2,5

5,5

45

100

5500

86

92

0,1

0,14

0,08

100

MAX4482

2

V

2,5

5,5

45

100

5500

86

92

0,1

0,14

0,08

100

V V

V V

MAX4483

4

V

2,5

5,5

45

100

5500

86

92

0,1

0,14

0,08

100

V

MAX492

2

V

V

2,7

6

150

170

500

90

110

60

0,5

0,2

25

—

MAX494

4

V

V

2,7

6

150

170

500

90

110

60

0,5

0,2

25

—

MAX9617

1

V

V

1,8

5,5

59

78

10

135

135

0,14

1,5

0,7

42

—

MAX9618

2

V

V

1,8

5,5

59

78

10

135

135

0,14

1,5

0,7

42

MAX9619

1

V

V

1,8

5,5

59

78

10

135

135

0,14

1,5

0,7

42

MAX9620

1

V

V

1,8

5,5

59

78

10

135

135

0,14

1,5

0,7

42

WWW.ELCP.RU

— V

— —

Кроме того, необходимо отметить, что, по сравнению с другими ведущими производителями ОУ, компания Maxim в данном классе приборов выгодно отличается широкой номенклатурой предлагаемых изделий. На момент написания статьи Maxim предлагает 38 типов микросхем ОУ с током потребления менее 20 мкА. Компания Texas Instruments предлагает 34 модели, Analog Devices — 12, National Semiconductor — 10 и Intersil — 6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С МАЛЫМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ

Операционные усилители с малым энергопотреблением и их параметры приведены в таблице 2. Ряд производителей (например, National Semiconductor) относит к этой категории ОУ с потребляемым током до 1,5 мА. Возможно, этот критерий был обоснован 5—10 лет назад, но сегодня он явно устарел. Так, из 148 моделей ОУ, предлагаемых компанией Maxim, этому критерию соответствуют 123 изделия, т.е. более 80% от всей номенклатуры должны считаться маломощными. Критерию 20…500 мкА соответствуют 34 микросхемы, что представляется более разумным. Естественно, что в рамках этого типа ОУ окажутся микросхемы, которые можно отнести и к другим разделам (например, к малошумящим или прецизионным ОУ). Обратим внимание на усилители MAX4236/36A/37/37A. По своим параметрам их можно отнести также к малошумящим и прецизионным. Значения коэффициентов КОСС и КППНП также существенно выше средних. Динамические характеристики MAX4237/37A, конечно же, не дотягивают до характеристик высокоскоростных ОУ, но в своем типе являются одними из лучших. Все в совокупности делает эти микросхемы этого семейства лидером в классе маломощных усилителей.

Семейство MAX9617/18/19/20 — низковольтные прецизионные ОУ. По параметру «напряжение смещения нуля» в линейке Maxim они уступают только усилителям MAX4238/39 (2 мкВ), которые являются одними из лучших прецизионных микросхем в отрасли. Усилители MAX9617/18/19/20 по значению коэффициентов КОСС и КППНП также немного уступают только MAX4238/39. Из всего сказанного следует вывод, что микросхемы MAX9617/18/19/20 — идеальное решение для тех измерительных приложений, где требуются не только высокие точностные параметры, но и разумное энергопотребление. Малошумящие MAX4091/92/94 обеспечивают лучшие в данном типе значения спектральной плотности шума, но по совокупности характеристик уступают упомянутым выше MAX4236/36A/37/37A. К достоинствам MAX4091/92/94 можно отнести наличие их модификаций в исполнении Automotive. Микросхемы MAX4330/31/32/33 являются наиболее скоростными в данной группе. Семейства MAX4291/92/94 и MAX4480/81/82/83, не отличаясь особыми параметрами, являются наиболее дешевыми решениями в рамках данного класса ОУ. Таким образом, подводя итоги рассмотрению линейки маломощных ОУ компании Maxim, можно сделать вывод, что их параметры позволяют не только подобрать решение с заданной потребляемой мощностью, но и обеспечить вполне высокий уровень по одному или нескольким дополнительным параметрам. ЛИТЕРАТУРА 1. Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналогоцифровых устройств. — М.: Додека-XXI, 2005.

Электронные компоненты №5 2010

71

СОСТЯЗАНИЕ ДВУХ АРХИТЕКТУР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ: АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ ПРОТИВ СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП ЭНДРЮ СИСКА (ANDREW SISKA), старший инженер по применению, Cypress Semiconductor Corp. МЕНГ ХЕ (MENG HE), менеджер продукта, Cypress Semiconductor Corp. .

В статье сравниваются две архитектуры преобразователей: АЦП последовательного приближения и сигма-дельта АЦП. Обсуждаются их преимущества и недостатки, а также особенности их применения. Рассмотрены базовые принципы реализации двух топологий АЦП в микроконтроллерной архитектуре с помощью среды программирования аналоговых компонентов. Статья представляет собой перевод [1]. Начнем состязание. В левом углу — нынешний чемпион, АЦП последовательного приближения, в противоположном углу — относительный новичок, сигма-дельта АЦП. Это будет матч, состоящий из семи раундов, каждый из которых соответствует следующим категориям.

1. Точность преобразования.

2. Скорость преобразования.

3. Ошибки линейности.

4. Точность преобразования в начале и конце шкалы.

5. Дифференциальная нелинейность.

6. Интегральная нелинейность.

7. Ошибка квантования.

Кто завоюет звание чемпиона в этом состязании? Будет ли это АЦП последовательного приближения со своим «лишним весом» (в виде схемы выборки и хранения), высокой скоростью и неустойчивым процессом преобразования — или «легкий» сигмадельта АЦП с интегрирующей схемой, методичным и точным «мыслительным процессом»? РАУНД 1: ТОЧНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Точность преобразования отражает погрешности коэффициента усиления и нелинейности. Отклонение коэффициента усиления от идеального значе-

ния обсуждаются в данном разделе, а ошибки нелинейности будут рассмотрены в раундах 5 и 6. Имеются два вида ошибок коэффициента усиления. Отклонение сигнала из-за масштабирования вызывается колебаниями опорного напряжения и коэффициента усиления между входом схемы и АЦП, что приводит к возникновению ошибки, пропорциональной уровню сигнала. Погрешность смещения вызывается рассогласованием входных каскадов во входных усилителях и операционном усилителе, который используется в интеграторе/компараторе АЦП.

АЦП И ЦАП

73

Рис. 1. Топологии сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения

Электронные компоненты №5 2010

Рис. 2. Некоторые аналоговые компоненты, доступные в программируемой аналоговой микроконтроллерной архитектуре. Разработчики имеют возможность реализовать компоненты, которые лучше подходят для данного приложения

АЦП И ЦАП

74

На рисунке 1 показан сигма-дельта модулятор (интегратор, компаратор, 1-разрядный ЦАП и цифровой фильтр). Сигма-дельта АЦП может содержать усилитель с регулируемым коэффициентом усиления на входе. Изменение коэффициента усиления меняет величину входной емкости. Из-за колебаний этой емкости коэффициент усиления может отличаться от значений, которые требуется обеспечить при калибровке АЦП. Для компенсации ошибок смещения и коэффициента усиления вводятся корректирующие коэффициенты для нулевого результата преобразования, а также результатов преобразования для крайних значений шкалы. С другой стороны, точность преобразования АЦП последовательного приближения зависит от точности опорного напряжения, внутреннего ЦАП и компаратора. Погрешности внутреннего ЦАП и компаратора АЦП должны соответствовать общей погрешности системы — любые отклонения приводят к появлению ошибок линейности, которые не могут быть скомпенсированы путем калибровки. Таким образом, раунд 1 выигрывает сигма-дельта АЦП ввиду присущего ему монотонного характера преобразования.

WWW.ELCP.RU

РАУНД 2: СКОРОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

В сигма-дельта АЦП для завершения преобразования требуется 2n выборок, следовательно, скорость преобразования является функцией разрешения, и поэтому более высокое разрешение требует более длительного времени преобразования. Обычные сигма-дельта преобразователи, которые используются в цифровой аудиоаппаратуре, имеют полосу пропускания около 22 кГц. В последнее время на рынке появились сигма-дельта преобразователи с полосой пропускания 1—2 МГц и разрешением 12—20 разрядов. Они, как правило, содержат сигмадельта модулятор 4-го порядка (или выше) с многоразрядными ЦАП в цепи обратной связи. В начале цикла преобразования АЦП последовательного приближения ЦАП устанавливается на половину шкалы, и производится сравнение измеряемого напряжения с выходным напряжением ЦАП. На каждом последующем шаге ЦАП обновляется, выбирается следующий разряд, и снова производится сравнение. Цифровое представление входного напряжения находится методом двоичного поиска делением пополам (последовательное приближение).

Раунд 2 выигрывает АЦП последовательного приближения из-за более быстрого алгоритма преобразования. РАУНД 3: ОШИБКИ ЛИНЕЙНОСТИ

Оба типа нелинейности — дифференциальная и интегральная — зависят от топологии преобразователя. Ошибки дифференциальной и интегральной нелинейности не могут быть откалиброваны как ошибки коэффициента усиления и смещения. Точность сигма-дельта АЦП зависит от времени установления операционного усилителя (ОУ) в интеграторе/ компараторе. Если модулятор переключается слишком быстро и ОУ не может это отследить, то возникают нелинейности. Сигма-дельта АЦП по своей природе является монотонным преобразователем, независимо от того, какое у него разрешение. Параметры этого АЦП заложены в топологию и не зависят от точных номиналов компонентов или согласования элементов. В АЦП последовательного приближения погрешности линейности связаны с точностью внутреннего ЦАП и компаратора. Погрешность вследствие нелинейности в таких АЦП является побочным эффектом

РАУНД 4: ТОЧНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В НАЧАЛЕ И КОНЦЕ ШКАЛЫ

Сигма-дельта преобразователь демонстрирует повышенную нелинейность при определенных выходных кодах. Это определяется КИХфильтром, который используется в качестве дециматора преобразователя. Нелинейность проявляется наиболее заметно в конечных точках шкалы. Нелинейность в конечных точках не имеет значения при обработке непрерывного потока данных, как, например, в цифровом аудио; однако в системах, в которых требуются линейные измерения сигнала полного размаха, сигмадельта-преобразователи использовать сигма-дельта-преобразователи не следует. АЦП последовательного приближения не проявляет заметную нелинейность в конечных точках шкалы, которая наблюдается в сигма-дельтапреобразователях. Точность АЦП в этих точках зависит от способности внутреннего ЦАП и компаратора отслеживать напряжение полного размаха.

Раунд 4 закончился победой АЦП последовательного приближения за его высокую точность в конечных точках шкалы. РАУНД 5: ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ

Дифференциальная нелинейность — это разница между реальной величиной ступеньки преобразования и идеальным значением одного наименьшего значащего разряда (НЗР). Следовательно, если ширина или высота ступеньки преобразования равна точно одному НЗР, то дифференциальная нелинейность равна нулю. Если дифференциальная нелинейность превышает 1 НЗР, то преобразователь может стать немонотонным. Это означает, что величина выходного кода не всегда соответствует входному значению напряжения. Кроме того, в АЦП также есть вероятность пропуска кодов, т.е. один или более из возможных 2n двоичных кодов никогда не появятся на выходе. Сигма-дельта АЦП по своей природе монотонны независимо от того, какое у них разрешение. Его характеристики заложены в конфигурацию и не зависят от точных номиналов

компонентов или согласования элементов. АЦП последовательного приближения не является монотонным преобразователем, и его характеристики зависят от точности номиналов компонентов и согласования элементов. Раунд 5 выигрывает сигма-дельта АЦП. РАУНД 6: ИНТЕГРАЛЬНАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ

Интегральная нелинейность — это отклонение значений реальной передаточной функции от прямой линии. Эта линия может либо максимально совпадать с прямой так, чтобы минимизировать отклонения, либо соединять конечные точки передаточной характеристики таким образом, чтобы свести к нулю ошибки коэффициента усиления и смещения. Для АЦП эти отклонения измеряются при переходе от одной ступеньки преобразования к другой, а термин «интегральная нелинейность» отражает то, что сумма дифференциальных нелинейностей от нижней точки шкалы до текущей ступеньки определяет величину интегральной нелинейности на данной ступеньке. Раунд 6 выигрывает сигма-дельта АЦП, так как его топология не зависит от точного соблюдения номиналов

Электронные компоненты №5 2010

75 АЦП И ЦАП

топологии АЦП последовательного приближения. Раунд 3 выигрывает сигма-дельта АЦП.

Рис. 3. С помощью среды совместного проектирования аппаратных и программных средств, например, PSoC Creator компании Cypress Semiconductor, разработчики могут построить сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения, которые оптимизированы для данного приложения

компонентов. В АЦП последовательного приближения, напротив, требуется весьма точный ЦАП и компаратор. РАУНД 7: ОШИБКА КВАНТОВАНИЯ

АЦП И ЦАП

76

Ошибка квантования обусловлена ограниченным разрешением АЦП и неизбежным несовершенством всех типов АЦП. Это — ошибка округления при преобразовании аналогового входного напряжения АЦП в выходной оцифрованный код. Шум является нелинейным и зависящим от сигнала. Сигма-дельта-преобразователи не требуют использования фильтров с крутым спадом частотной характеристики на аналоговых входах для устранения эффектов наложения спектра из-за того, что частота выборки превышает эффективную полосу пропускания АЦП. Передискретизация обеспечивает усреднение любых системных помех на аналоговых входах. В сигма-дельтапреобразователях скорость приносится в жертву высокому разрешению. Основными преимуществами АЦП последовательного приближения являются малое энергопотребление, высокое разрешение и точность. В АЦП последовательного приближения увеличение разрешения сопровождается увеличением стоимости более точных внутренних компонентов. В раунде 7, по-видимому, можно зафиксировать ничью. РЕШЕНИЕ СУДЕЙСКОЙ КОЛЛЕГИИ

Хотя сигма-дельта АЦП победил в большинстве раундов, по итогам матча

WWW.ELCP.RU

голоса судей разделились поровну. Оба преобразователя добиваются превосходства в определенных приложениях. При выборе из этих двух видов АЦП необходимо учитывать тип сигнала, который требуется оцифровывать, скорость и точность преобразования, цену. Следует также учитывать особенности каждого приложения. Будь это потребительская и автомобильная электроника или медицинские и промышленные устройства — во всех этих приложениях аналоговые сигналы необходимо детектировать с помощью датчиков, усилить, согласовать и преобразовать с помощью АЦП в цифровую форму. Сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения, каждый со своими преимуществами и недостатками, реализуются на базе специфических требований к приложению. Каждый из этих типов АЦП способен проявить себя наилучшим образом при решении конкретной задачи. Учитывая этот факт, в различных архитектурах микроконтроллеров предусматривают возможность гибкой реализации блоков АЦП на основе встроенных средств программирования аналоговых компонентов, что позволяет создавать несколько сигмадельта АЦП, АЦП последовательного приближения и даже сочетать оба типа АЦП в одном проекте. На рисунке 2 показано множество программируемых аналоговых компонентов, доступных в такой микроконтроллерной архитектуре. Система аналогового программирования

позволяет разработчикам создавать специфические комбинации как из стандартных, так и из усовершенствованных блоков обработки аналоговых сигналов. Эти блоки в дальнейшем соединяются между собой, обеспечивая высокий уровень гибкости проектирования и IP-безопасности. Используя графический редактор проекта, разработчики имеют возможность работать в среде совместного проектирования аппаратных и программных средств, чтобы создавать уникальную схему. Конфигурируя соединения между портами ввода/вывода общего назначения и различными аналоговыми ресурсами, а также между самими аналоговыми узлами, разработчик может построить схему, например, АЦП последовательного приближения, которая обычно содержит ЦАП, компаратор и цифровую логику (см. рис. 3). Программируемые аналоговые блоки обеспечивают не только гибкость и возможность быстрого внесения изменений в проект, но также позволяют создать платформу, на базе которой разработчики могут испытывать свои идеи и оперировать различными дискретными аналоговыми компонентами для построения в высшей степени оптимизированной системы. ЛИТЕРАТУРА 1. Andrew Siska, Meng He. “Golden Gloves” A/D Converter Match: Successive-approximation register vs. sigma-delta topology // www. industrialcontroldesignline.com.

РЕАЛИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ НА FPGA АГНЕС ФЕЙН (AGNES FAIN), ст. инженер-разработчик, Wipro-NewLogic ВОЛЬФГАНГ МЕРИК (WOLFGANG MERYK), ст. менеджер по маркетингу продукта, Wipro-NewLogic В статье обсуждаются проблемы разработки контроллера беспроводной сети стандарта IEEE 802.11 на базе FPGA. Рассмотрены особенности построения платформы интерфейса беспроводной сети с использованием FPGA Virtex-4. Показано, что выполнение совместной верификации проекта на FPGA и ASIC позволяет создать высоконадежный конечный продукт, который полностью готов к сертификации на требования стандарта IEEE 802.11. Статья представляет собой перевод [1]. Каждая компания, проектирующая такой сложный и быстродействующий IP-блок как контроллер беспроводной сети стандарта IEEE 802.11, сталкивается с проблемой проверки работоспособности и характеристик проекта. Изготовление тестового кристалла играет важную роль, поскольку только он может показать, что все заложенные в IP-блоке функции реализованы в кремнии. Но тестовый чип способен зафиксировать состояние аппаратной части проекта только в определенный момент времени. Между тем, необходимо, чтобы IP-блок поддерживал различные конфигурации и приложения. Беспроводная сеть выдвигает дополнительные требования к возможности гибкой модификации системы, т.к. в этом секторе рынка постоянно появляются новые спецификации (Wi-Fi, ETSI/

FCC), и некоторые из них требуют изменений в аппаратной части. В компании Wipro-NewLogic для решения данной проблемы было решено использовать платформу на базе FPGA. Результатом разработки стало создание платы WiLDSYS, название которой отражает наименование IP-блока беспроводной сети — WiLD a/b/g. Для данного проекта было сформулированы несколько ключевых требований. Во-первых, IP-блок беспроводной сети должен был работать на полной скорости (скорость передачи данных в эфире 54 Мбит/с согласно стандартам 802.11a и 802.11g). Во-вторых, необходимо было создать общую базу данных для FPGA и ASIC. В-третьих, разработчикам проекта требовалось убедиться в том, что результаты тестирования и выявленные ошибки при реализации IP-блока на FPGA

применимы для ASIC. Наконец, необходимо было реализовать внешние интерфейсы с управляющим компьютером и радиоканалом на FPGA, чтобы минимизировать количество внешних компонентов и использовать возможность программирования FPGA для модернизации этих интерфейсов в будущем. В процессе разработки было обнаружено, что платформа FPGA не только позволяет осуществить все эти цели, но и обеспечивает возможность полной аттестации платы WiLDSYS в соответствии с требованиями спецификации Wi-Fi. Остановимся вначале на общем обзоре платформы WiLDSYS и выборе типа FPGA. ОБЩИЙ ОБЗОР ПЛАТФОРМЫ WILDSYS

На рисунке 1 показана блок-схема платформы WiLDSYS, реализованная в

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

77

Рис. 1. Блок-схема платформы WiLDSYS

Электронные компоненты №5 2010

первоначальном варианте. Ядро WiLD (слева на блок-схеме) включает в себя MAC-контроллер стандарта 802.11 a/b/g и модем. Функции MAC-контроллера распределяются между процессором передачи пакетов WiLD (блок управления буфером/контроллер DMA) и потоковым процессором WiLD, который выполняет RC4- и AES-кодирование. Оба блока являются ведущими устройствами центральной развитой высокопроизводительной шины (Advanced High-Performance Bus, AHB) и не являются критичными к синхронизации устройствами. Модем WiLD обеспечивает обработку сигнала по технологиям CCK/DSSS и OFDM в соответствии со стандартом 802.11 a/b/g. Блоки обработки сигнала, разработанные для ASIC, не так просто реализовать на FPGA. Связанные с этим проблемы и решения подробнее будут описаны ниже. Система содержит также полную процессорную платформу на базе ARM7, на которой работает программное обеспечение MAC уровня 2 с поддержкой режима точки доступа и режима станции. Размещение кристалла ARM7 на одной плате с FPGA обеспечивает заказчикам, не имеющим лицензии ARM, возможность использовать эту плату. Кроме того, предусмотрена возможность подключения внешней памяти SRAM для приложений, использующих память большего объема, чем предусмотрено в FPGA, а также загрузочное флэш-устройство. На плате размещено достаточное число разъемов для доступа к выводам FPGA через внешние интерфейсы, а также с целью отладки. Для возможности последующей модернизации платы предусмотрено посадочное место для второго чипа FPGA, хотя до настоящего времени оно не было использовано. На рисунке 2 показано фото платы WiLDSYS.

Рис. 2. Микросхема FPGA Virtex-4 расположена в центре платы WiLDSYS

беспроводной сети компании WiproNewlogic, работающей на частоте 240 МГц. Поскольку одной из задач проекта было использование общей базы данных для ASIC и FPGA, следовало поместить код ASIC в FPGA, не оптимизируя его для максимального задействования ресурсов. Обычно код ASIC использует более длинные комбинационные пути, и потребовалось найти оптимальное соотношение между максимальной рабочей частотой FPGA и тактовой частотой системы. Компания Xilinx существенно усовершенствовала блоки обработки сигнала в семействе FPGA Virtex-4. Особенно это коснулось умножителей. Для умножения и сложения были оптимизированы специализированные блоки DSP48. Использование ресурсов DSP48 обеспечило преимущества при работе модема стандарта 802.11 a/g на частоте 80 МГц.

FPGA Virtex-4 позволяет задействовать линии глобального тактового сигнала. В Virtex-4 LX200 используются 32 буфера глобального тактового сигнала, 8 из которых не привязаны к

определенной области FPGA. Поскольку можно разместить триггеры, связанные с одним из этих восьми буферов, в любом месте FPGA, появляется больше возможностей для распределения элементов и разводки проекта. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ОБЩЕЙ БАЗЫ ДАННЫХ

Известно, что проверка заложенного в FPGA кода эффективна, если ее результаты можно сопоставить с кодом, реализованным на ASIC. Код проекта, размещенный в FPGA, должен изменяться в соответствии с любыми вариациями и исправлениями кода, заложенного в ASIC. С другой стороны, любая коррекция, произведенная при проверке кода FPGA, должна отражаться в ASIC, а также должна быть смоделирована с использованием среды верификации ASIC. Для того чтобы эффективно этим управлять, потребовалось создать и поддерживать общую базу данных для проектов на FPGA и ASIC. При реализации этой задачи иногда возникали трудности, и в некоторых

ВЫБОР FPGA

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

78

В этом проекте использовалася микросхема FPGA Virtex-4 компании Xilinx. Данное семейство было выбрано из-за высокого быстродействия и большого числа специализированных ресурсов FPGA, включая блоки DSP, встроенную память, конфигурируемые порты ввода/вывода и блок синхронизации. Из этого семейства FPGA было выбрано устройство Virtex-4 LX200, которое обеспечивает необходимую емкость, т.к.

IP-блок платформы WiLD включает 700 тыс. вентилей (эквивалентных NAND2). В таблице 1 представлены данные об использовании ресурсов FPGA. FPGA Virtex-4 поддерживает частоту тактового сигнала до 500 МГц. Такая рабочая частота необходима для реализации высокоскоростного интерфейса с РЧ-кристаллом поддержки

WWW.ELCP.RU

Таблица 1. Использование ресурсов Virtex-4 LX 200 для проекта WiLDSYS 2-портовые ОЗУ (RAM16x1D) 64×1 ПЗУ (ROM64×1) 256×1 ПЗУ (ROM256×1) Число блоков ОЗУ Число триггеров секций Число 4-входовых LUT Число занятых секций Общее число 4-входовых LUT Число связанных буферов вводавывода Число буферов BUFG/BUFGCTRL Число блоков памяти FIFO16/RAMB16 Число блоков DSP48 Число блоков DCM ADV

Использование ОЗУ/ПЗУ 140 12 138 211 из 336 Использование логических элементов 52943 из 178176 133498 из 178176 Распределение логических элементов 83217 из 89088 137384 из 178176

62% 29% 74% 93% 77%

361 из 960

37%

8 из 32 214 из 336 17 из 96 1 из 12

25% 63% 17% 8%

clock manager, DCM) FPGA Virtex-4 для замены блока ФАПЧ, который обычно используется при разработке проекта для беспроводной сети на ASIC. DCMблок формирует требуемую частоту 240 МГц из 40- или 50-МГц входной частоты генератора, в точности как на ASIC. IP-блок для платформы WiLD ориентирован на приложения с малым энергопотреблением, поэтому была поставлена задача реализации поддержки управления тактовым сигналом и раздельных областей питающего напряжения. 8 буферов глобального тактового сигнала, которые не привязаны к определенной области FPGA Virtex-4 LX200, не обеспечивали достаточных ресурсов для создания всего набора тактовых частот и всех функций управления тактовым сигналом, возможных для ASIC. Было решено реализовать управление тактовым сигналом для корректного функционирования системы, а не только для снижения энергопотребления. Для упрощения иерархической схемы синхронизации была использована функция преобразования управления тактовым сигналом, доступная в инструменте синтеза FPGA Synplify Pro. Этот инструмент позволяет удалить управляющие вентили с линий тактового сигнала и разместить их на входе разрешения или на входе данных триггера. Для управления такто-

вым сигналом использовались буферы BUFG и BUFGCE, поэтому для разводки их выходных линий применялся высокоскоростной глобальный тактовый сигнал FPGA Virtex-4. Ресурс BUFGMUX позволяет реализовать бессбойное мультиплексирование тактовых сигналов для активного режима и режима низкого энергопотребления. В проекте было реализовано несколько областей питающего напряжения, которое можно включать и отключать в различное время. Такая сложная конфигурация была проверена на Virtex-4, хотя данная микросхема FPGA содержит только одну область напряжения питания. Область схемы, которая переходит в режим отключения, должна быть сброшена при включении питания. На FPGA было смоделировано состояние отключения питания области с последующим сбросом схемы. Хотя этот метод полностью не проверяет соединения в области напряжения питания, разработчикам удалось обнаружить ошибки, которые нельзя было бы выявить при ограниченном по времени моделировании ASIC. Платформа WiLD построена на базе архитектуры AHB с четырьмя ведущими устройствами шины, разделяющими доступ к периферии, в частности, к памяти и подсистеме усовершенствованной периферийной шины (Advanced Peripheral Bus, APB). Было обнаружено,

Электронные компоненты №5 2010

79 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

случаях единственным решением была модификация кода ASIC. Некоторые логические цепочки в OFDM-модеме не отвечали требованию по максимальной частоте в 80 МГц для Virtex-4. Поэтому было решено разорвать комбинационные цепочки за счет включения дополнительных триггеров. Это увеличило общее время задержки модема, но оно все еще находилось в допустимых пределах. После решения проблемы с временными параметрами FPGA была проведена соответствующая модификация базы данных ASIC, и выполнен полный регрессионный тест. После синтеза кода обнаружилось, что при реализации на ASIC модифицированного кода был даже получен выигрыш по площади, т.к. более мягкие требования к синхронизации позволили инструментам синтеза ASIC использовать меньшее число буферов и более компактные комбинационные элементы. Контроллер тактового сигнала — один из самых важных блоков ASIC и, кроме того, его код весьма трудно преобразовать для FPGA. В конечном итоге, в ходе разработки было решено создать специальный блок для реализации только на FPGA. Был разработан синтезирующий скрипт отдельно для ASIC и FPGA для выбора оптимального блока в каждом типе реализации. Были задействованы ресурсы менеджера цифрового тактового сигнала (digital

что критичным участком, с точки зрения синхронизации, являются соединения адресных линий и линий данных. Данная проблемы была преодолена путем размещения центрального процессора и памяти в FPGA, вместо использования внешних устройств. В данном случае использовались преимущества больших блоков встроенной памяти Virtex-4, что существенно уменьшило задержку на линиях межсоединений. Кроме того, с помощью инструмента разработки Synplify Pro удалось собрать данные о параметрах синхронизации из файлов списка соединений памяти (EDN). Блоки обработки сигнала, разработанные для ASIC, не так просто реализовать на FPGA, т.к. они оптимизированы для многократного использования аппаратных модулей на каждом цикле синхронизации, когда скорость передачи данных меньше частоты тактового сигнала. При синтезе FPGA эту проблему решают, применяя повторную синхронизацию и логическое дублирование. В данном проекте был задействован компоновщик Xilinx PlanAhead для размещения критичных блоков OFDM-модема в заданной области FPGA, с тем чтобы уменьшить задержку на соединениях внутри и между блоками. ВНЕШНИЕ ИНТЕРФЕЙСЫ

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

80

Реализованная на FPGA платформа WiLDSYS имеет возможность простой адаптации к изменениям во внешних интерфейсах благодаря поддержке различных характеристик портов ввода/ вывода Virtex-4. Все сигналы интерфейсов были сгенерированы на FPGA без внешних компонентов и разведены на соответствующие разъемы. В первоначальном варианте проекта в качестве главного интерфейса применялась шина CardBus. Выводы FPGA были определены как PCI 3.3V и поочередно соединялись с разъемом CardBus. После того как заказчики попросили разработчиков изменить главный интерфейс на MII и SDIO, были задействованы те же выводы Virtex-4 для непосредственной связи с этими интерфейсами. В собственно плату WiLDSYS не потребовалось вносить каких-либо изменений, а для интерфейсов MII и SDIO были спроектированы новые адаптеры к разъемам. Тот же принцип применялся при разработке РЧ-интерфейса. Вначале плата WiLDSYS была спроектирована для связи с РЧ-кристаллом компании Wipro-NewLogic через специально разработанный высокоскоростной последовательный интерфейс. В этом интерфейсе должны были использоваться дифференциальные LVDSдрайверы, а максимальная такто-

WWW.ELCP.RU

вая частота составлять 240 МГц. Интерфейс с такими жесткими требованиями можно было реализовать полностью на FPGA, т.к. микросхема Virtex-4 содержит встроенные LVDSпорты. На выводах этих портов были размещены триггеры, чтобы обеспечить жесткие требования 240-МГц тактовой частоты. При портировании IP-блока потребовалось лишь назначить для цифровых I/Q-сигналов стандартные выводы FPGA и развести их к разъемам, к которым подсоединялась плата расширения с АЦП и ЦАП. СОВМЕСТНАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ FPGA И ASIC

Общая база данных для ASIC и FPGA позволила выполнить совместную верификацию FPGA и ASIC. Создание единой базы данных аппаратных блоков предполагало поддержку только одной версии программного обеспечения для MAC беспроводной сети для обоих типов кристаллов. Плата на базе FPGA могла работать как в режиме станции, так и в режиме точки доступа, а также взаимодействовать с другими узлами беспроводной сети. Верификация системы на базе FPGA началась с тестирования полной системы на базе ASIC, которое включало проверку всего функционала, в т.ч. тестовые сценарии, рекомендуемые альянсом Wi-Fi Alliance. Эти тесты включали проверку на разделение полосы частот, кодирование и качество сервиса. При обнаружении какой-либо неполадки на FPGA-платформе вначале ее исследовали с помощью специальных средств FPGA. Интерфейс логического анализатора платы WiLDSYS обеспечивает намного более широкие возможности отладки, чем ASIC, из-за ограниченного числа выводов в ASIC. Разработчики платы WiLDSYS использовали порты ввода/вывода общего назначения (GPIO) для сигналов диагностики этого интерфейса и проверяли внутренние сигналы FPGA с помощью редактора Xilinx FPGA Editor. Этот инструмент представляет в графическом виде полный проект на FPGA со всеми соединениями. Разработчик может выбрать любой внутренний проводник и соединить его с неиспользуемым выводом этого устройства. Редактор FPGA Editor может непосредственно модифицировать соединения FPGA, исключая длительный процесс повторной разводки проекта. Проверка соответствующих сигналов позволяет локализовать источник проблемы с точностью, достаточной для RTL-моделирования на ASIC с последующей ее коррекцией. После этого достаточно запустить синтез FPGA и создать новый bitmap-файл. Финальная верификация проекта была выполнена

на плате FPGA путем повторного выполнения тестовых сценариев и некоторых регрессионных тестов. Возможность работы IP-блока на полной скорости передачи данных в эфире и соединения с другим узлом беспроводной сети обеспечила тестирование с возрастающей нагрузкой, включая длительные испытания (overnight testing). Было приобретено оборудование с испытательной площадки альянса Wi-Fi Alliance, которое позволило провести все виды испытаний на совместимость. В результате удалось выполнить значительно больше видов испытаний, что позволило достичь более высокой надежности как аппаратных, так и программных средств. Ключевым моментом всех испытаний стало представление платы на базе FPGA для сертификации в официальное учреждение Wi-Fi, в результате которой эта система прошла не только все основные испытания по стандарту 11 a/b/g, но и дополнительные тесты на качество сервиса (WMM) согласно 802.11d и 802.11h. Было получено окончательное подтверждение, что совместная верификация FGPA и ASIC обеспечивает весьма высокую степень надежности системы на базе ASIC при эксплуатации платы WiLDSYS у заказчика. Полная верификация системы на базе FPGA, которая включала многие тесты на системном уровне и Wi-Fi-тесты до запуска в производство, позволила получить работоспособные образцы кристаллов с первого раза. В проекте потребовалось преодолеть несколько трудностей, чтобы достичь поставленных задач: достичь полной скорости работы IP-блока беспроводной сети без FPGA и обеспечить надежность проекта на базе FPGA при верификации системы. Использование FPGA Virtex-4 и инструментов Xilinx позволило выполнить обе эти задачи. В конечном итоге, разработка платы WiLDSYS способствовала созданию чрезвычайно полезного устройства для применения во многих проектах. Полученный положительный опыт позволил использовать плату на базе FPGA Virtex-4 вместе с различными платами расширения при разработке IP-блока Bluetooth 2.1EDR. Поскольку потребность в устройствах стандарта 802.11 a/b/g растет, в настоящее время исследуется возможность реализации этого IP-блока на микросхеме Spartan-6, т.к. это новое семейство компании Xilinx обеспечивает необходимые ресурсы при меньшей стоимости, чем Virtex-4. ЛИТЕРАТУРА 1. Agnes Fain, Wolfgang Meryk.

Implementing Wireless LAN Interface in an FPGA// Xcell Journal. Issue 69. Fourth Quarter. 2009.

МИКРОСХЕМЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ 5861ПЦ1У, 5861ПЦ2У ЛЕОНИД АВГУЛЬ, к.т.н., заместитель генерального директора по научной работе, НТЦ «ДЭЛС» ВИКТОР КРЯЖЕВ, начальник отдела, НТЦ «ДЭЛС» СЕРГЕЙ КУРНОСЕНКО, к.т.н., начальник отдела, НТЦ «ДЭЛС» СЕРГЕЙ ТЕРЕШКО, к.т.н., генеральный директор, НТЦ «ДЭЛС» ЛЕОНИД ШУМОВ, начальник сектора, ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей» В статье представлено техническое описание микросхем высокочастотных цифровых делителей частоты с коэффициентами деления два (5861ПЦ1У) и пять (5861ПЦ2У). Отличительными особенностями микросхем является наличие двух независимых каналов деления (с аналоговым входом и цифровым входом), возможность запирания каналов, широкий рабочий диапазон температур (–60…125°С), напряжение питания 4,5…5,5 В.

Микросхемы 5861ПЦ1У и 5861ПЦ2У — высокочастотные цифровые делители частоты. Микросхемы предназначены для деления частоты поступающих на их входы последовательностей импульсов или синусоидального сигнала с коэффициентами деления два (5861ПЦ1У) и пять (5861ПЦ2У). Микросхемы изготавливаются по КМОП-технологии, имеют ТТЛсовместимые входы и выходы и обеспечивают возможность согласования по выходам с уровнями ТТЛ и 50-Ом линией. Конструктивно они выполнены в планарном металлокерамическом корпусе типа Н04.16-1В с четырехсторонним расположением выводов. Назначение выводов микросхем приведено в таблице 1, а их основные параметры — в таблице 2. Микросхемы 5861ПЦ1У, 5861ПЦ2У могут быть использованы как при разработке новой, так и при модернизации серийно выпускаемой радиоэлектронной аппаратуры (например, для замены микросхем серии 193). СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

Структурная схема микросхем 5861ПЦ1У и 5861ПЦ2У приведена на рисунке 1. Микросхемы содержат два канала деления: канал с аналоговым входом CT1 и канал с цифровым ТТЛ-входом CT2. Каждый канал содержит: – входной буфер; – делитель частоты с коэффициентом деления два (5861ПЦ1У) или пять (5861ПЦ2У); – выходной буфер. Выходы каждого из каналов Q1 и Q2 имеют возможность работы на ТТЛнагрузку и 50-Ом линию.

Каналы имеют независимые управляющие входы, сигналы на которых определяют состояние выхода. При установке сигнала на управляющем входе в состояние логической единицы осуществляется запирание соответствующего канала (см. рис. 2). При этом

обеспечиваются характеристики ослабления входного и выходного сигнала в соответствии с таблицей 2. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Подача входных сигналов на микросхемы и их снятие допускается только

Рис. 1. Структурная схема микросхемы. C1—C4 — конденсаторы емкостью 0,1 мкФ; R1, R4, R5 — резисторы сопротивлением 50 Ом; R2, R3 — резисторы сопротивлением 240 Ом. Таблица 1. Назначение выводов микросхем Номер вывода 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16

Обозначение GND Q2 NC EN1 VСС Q1 NC GND VСС CT1 GND GND VСС VСС EN1 CT2

Назначение Общий вывод Выход канала с цифровым входом Вывод свободный Вход управления каналом с аналоговым входом Вывод питания от источника напряжения Выход канала с аналоговым входом Вывод свободный Общий вывод Вывод питания от источника напряжения Вход аналоговый Общий вывод Общий вывод Вывод питания от источника напряжения Вывод питания от источника напряжения Вход управления каналом с цифровым входом Вход цифровой

Электронные компоненты №5 2010

81 С ТА Н Д А Р Т Н Ы Е Ц И Ф Р О В Ы Е МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Таблица 2. Основные параметры микросхем Обозначение параметра

Напряжение питания, В Ток потребления, мА Динамический ток потребления, мА

UCC ICC IОCC

Мощность сигнала на аналоговом входе CT1, дБм

Pin CT1

10,0

20,0

Мощность выходного сигнала, дБм Максимальная частота сигнала на аналоговом входе CT1, МГц Максимальная частота сигнала на цифровом входе CT2, МГц Минимальная частота сигнала на аналоговом входе CT1, МГц: 5861ПЦ1У 5861ПЦ2У Минимальная частота сигнала на цифровом входе CT2, МГц: 5861ПЦ1У 5861ПЦ2У Уровень ослабления входного сигнала в режиме запирания, дБ Уровень ослабления выходного сигнала в режиме запирания, дБ Уровень вносимых фазовых шумов в спектр выходного сигнала, дБ/Гц Время включения (выключения), нс Температурный диапазон, °С

Pout fmax CT1 fmax CT2

9,0 — —

– 500 400

fmin CT1

— —

10 30

fmin CT2

— — 30 90 — — –60

10 30 – – -140 50 125

KISR KOSR Fn ton(toff ) Ta

Рис. 2. Временная диаграмма запирания канала с аналоговым входом CT1

Рис. 3. Схема включения

С ТА Н Д А Р Т Н Ы Е Ц И Ф Р О В Ы Е МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ

82

Норма параметра не менее не более 4,5 5,5 — 40,0 — 150

Наименование параметра, ед. измерения

при включенном источнике питания. В случае, когда в микросхеме используется только один канал деления (цифровой или аналоговый), неиспользуемый канал следует выключать (запирать) путем подачи на соответствующий вход управления сигнала лог. «1».

Неиспользуемый аналоговый вход CT1 необходимо оставлять свободным, а неиспользуемый цифровой вход CT2 следует подключать к общему выводу. Допускается подача сигнала с выхода делителя с аналоговым входом Q1 непосредственно на вход делителя с цифровым входом CT2.

Использование в одной микросхеме двух каналов деления c разными частотами не допускается, так как это приводит к наслаиванию гармоник обеих частот на выходе как аналогового, так и цифрового каналов деления. При использовании в микросхеме обоих каналов деления их запирание необходимо осуществлять одновременно одним сигналом. Форма выходного сигнала наиболее симметрична при нагрузке 50 Ом. Допускается использование нагрузки с сопротивлением до сотен Ом с ухудшением формы выходного сигнала. Неиспользуемые выходы микросхемы необходимо оставлять свободными. Рекомендуемая схема включения микросхем делителей частоты показана на рисунке 3. По шине питания микросхемы необходимо устанавливать электролитический конденсатор емкостью 220 мкФ. У каждого вывода питания микросхемы необходимо устанавливать керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Если на входы управления и сигналы подаются с выходов ТТЛ- или КМОПмикросхем, то конденсаторы C2, C3 и резисторы R2, R3 (см. рис. 3) можно не устанавливать.

СОБЫТИЯ РЫНКА | SAMSUNG ELECTRONICS ИНВЕСТИРУЕТ 3,6 МЛРД ДОЛЛ. В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО НА ТЕРРИТОРИИ США | Южнокорейский электронный гигант планирует расширить производственные мощности предприятия, расположенного на территории США (Остин, шт. Техас). На решение этой задачи Samsung Electronics выделяет 3,6 млрд долл., сообщает источник. Дополнительные мощности, развернутые на единственной фабрике Samsung Electronics по выпуску микросхем, которая расположена за пределами Южной Кореи, будут задействованы для изготовления больших интегральных схем. В настоящее время предприятие Samsung Austin Semiconductor, главным образом, специализируется на выпуске флэш-памяти типа NAND. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

ПРИНЦИПЫ БЕСПРОВОДНОГО ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ ПО СТАНДАРТУ 802.11n НАРАСИМХАН ВЕНКАТЕШ (NARASIMHAN VENKATESH), вице-президент, отд. передовых технологий, Redpine Signals

В статье рассматривается вопрос об интеграции модуля беспроводной связи стандарта IEEE 802.11n во встраиваемые системы для обеспечения универсальной IP-сети в рамках концепции «Интернет вещей».

СТАНДАРТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ

Типовая архитектура встраиваемой системы представлена на рисунке 1. Основные функциональные возможности по управлению реализованы в МК, а специализированные аппаратные интерфейсы и периферия обеспечивают специальные функции, требующиеся в той или иной системе. Например, к специальным компонентам системы можно отнести датчик температуры, привод, вспомогательную клавиатуру, ЖК-дисплей или фотокамеру. Поскольку применение этих устройств в большой степени зависит от нужд конкретного приложения, в них используется минимальный набор необходимых компонентов. Как следствие, объем памяти ограничен, а параметры МК, в т.ч. тактовая частота, количество бит и интерфейсов, рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить требуемую функциональность приложения. Следовательно, применение механизма подключения к беспроводной сети во многих случаях представляется возможным, только если он влечет за собой не слишком большие издержки. Связь устанавливается несколькими способами — например, путем переда-

чи данных пользовательского формата по фиксированному каналу (hardwired link); с помощью прямой линии последовательной передачи собственных данных или IP-сети для передачи данных внутри предприятия или по интернету. Понятно, что стандартная IP-сеть передачи данных обеспечивает наибольшую гибкость для встраиваемых систем, однако это преимущество оборачивается сложностью реализации. Многие встраиваемые устройства питаются от батарей, что определяется природой приложений, в которых эти устройства используются. Для постоянной связи устройств требуется беспроводной канал передачи данных.

Наилучшим выбором в таком случае могла бы стать беспроводная энергоэффективная IP-сеть. На рисунке 2 показана встраиваемая система с прямой линией последовательной передачи данных и их форматы. Линия последовательной передачи данных физически соединяет встроенное устройство с контроллером. При этом возникают очевидные ограничения, связанные с близостью двух устройств и недостаточной гибкостью в установлении функции управления другими блоками оборудования. Эти ограничения преодолеваются с помощью IP-сети. В нашем распоряжении имеется несколько вариантов реализации беспроводного соединения. Мы выберем

83 Рис. 1. Компоненты типовой встраиваемой системы

Рис. 2. Связь встраиваемого устройства с линией последовательной передачи данных

Электронные компоненты №5 2010

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

Каждая встраиваемая система в миллиардах окружающих нас электронных устройств решает конкретную задачу в широком ряду приложений — например, в приборах медицинской диагностики и для геологических исследований, системах видеонаблюдения, кассовых аппаратах и т.д. Во всех этих приборах применяются микроконтроллеры (МК), многие из которых взаимодействуют с внешним миром — с другими устройствами или системами управления. Беспроводная связь обеспечивает большую гибкость встраиваемым системам, во многих случаях являясь единственным возможным средством коммуникации.

полностью реализуются, только когда все узлы беспроводной сети имеют возможность работать на основе этого стандарта или совместимы с ним. Наличие в сети унаследованных узлов 802.11a/b/g вынуждает другие узлы 802.11n использовать защитные механизмы для сохранения целостности сети, что снижает ее пропускную способность на 30% и более. Рис. 3. Встраиваемая система с интерфейсом WLAN, подключенная к локальной сети

Рис. 4. Компоненты автономной подсистемы беспроводной локальной сети

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

84

беспроводную локальную сеть (Wireless LAN) IEEE 802.11n, но сначала в двух словах обсудим стандарты Bluetooth и ZigBee. Bluetooth — протокол беспроводной передачи данных для обмена на небольших расстояниях. Он пользуется большой популярностью для передачи аудиоданных в наушники. ZigBee — стандарт маломощной беспроводной связи, предназначенный, в основном, для датчиковых сетей. Оба эти протокола, однако, страдают двумя недостатками. Во-первых, они обеспечивают лишь невысокие скорости передачи данных по сравнению с другими протоколами, например WLAN (БЛС). В целом, при использовании Bluetooth и ZigBee при передаче определенного количества информации расходуется больше энергии. Во-вторых, в этих протоколах применяется сложный сетевой стек, особенно в тех случаях, когда требуется IP-интерфейс. На рисунке 3 представлен сценарий, в котором встраиваемое устройство оснащено интерфейсом WLAN, благодаря которому оно может подключаться к своему контроллеру, находящемуся в любой точке IP-сети. Последовательный или UARTинтерфейс микроконтроллера системы подключен к модулю WLAN (см. рис. 3). В других случаях используется интерфейс SPI, который обеспечивает синхронную линию последовательной передачи данных со значительно более высокими скоростями, чем

WWW.ELCP.RU

UART. В зависимости от применяемого микроконтроллера, тактовая частота SPI может достигать 50 MГц и выше. ПРЕИМУЩЕСТВА IEEE 802.11N

Большинство встраиваемых устройств с интегрированным блоком 802.11 WLAN использует унаследованные стандарты 802.11b или 802.11g. Скорости передачи данных, обеспечиваемые этими технологиями, считались достаточными для обмена относительно небольшими объемами информации между этими устройствами. Однако все чаще на предприятиях стали разворачиваться беспроводные сети 802.11n. Стандарт IEEE 802.11n определяет характеристики физического и MAC-уровней, позволяя конечному пользователю работать при значительно большей пропускной способности определенного частотного канала. Кроме того, этот стандарт определяет средства достижения высокой пропускной способности в намного более широком диапазоне, чем традиционная сеть WLAN. Благодаря большой пропускной способности стандарт 802.11n очень часто ассоциируют с высокоскоростными линиями связи между высокопроизводительными вычислительными платформами. Менее известным, но в равной степени значительным, обстоятельством является то, что эта технология позволяет намного эффективнее использовать имеющийся частотный спектр. При этом преимущества 802.11n

ИНТЕГРАЦИЯ 801.11N

Подключение подсистемы WLAN к микроконтроллеру устройства требует учета нескольких факторов, включая физические параметры и технические условия на электротехническое оборудование, выбор интерфейса, нагрузку на ведущий узел, архитектуру программного обеспечения, механизмы энергосбережения, эксплуатационные показатели сети и аттестацию. Основными компонентами подсистемы WLAN является контроллер доступа к среде (Medium Access Controller, MAC), процессор канала прямой передачи (Baseband Processor, BBP), аналоговый внешний каскад, РЧ-трансивер, усилитель мощности и другие РЧ-компоненты внешнего каскада (см. рис. 4). Для работы подсистемы требуется стабильная опорная частота, которую, как правило, обеспечивает кварцевый генератор. В некоторых случаях источник опорной частоты коллективно используется несколькими функциональными подсистемами. РЧ-связь осуществляется с помощью внутренней или внешней антенны. Усилия по монтажу модуля WLAN можно свести к минимуму, выбрав автономный блок. Такой выбор сулит несколько преимуществ. Модуль WLAN уже подготовлен к беспроводной передаче данных и откалиброван. Поскольку он экранирован и имеет все необходимые РЧ-блоки, его интеграция во встраиваемую систему не ухудшает рабочие параметры. В результате упрощается монтаж блока. Даже в случае использования внешней антенны подключение к ней упрощается за счет миниатюрного коаксиального разъема и РЧ-кабеля. Автономный модуль отдельно от всей подсистемы сертифицируется как конечный продукт. В идеальном случае источник тока имеет единственный выход по напряжению, тогда как все остальные напряжения генерируются блоком управления электропитанием (БУЭ) внутри этого модуля. БУЭ также позволяет управлять отдельным электропитанием различных блоков подсистемы в режиме энергосбережения. Имеется несколько возможностей выбора интерфейса микроконтроллера. Такие

Рис. 6. Компоненты программного обеспечения для беспроводной передачи данных 802.11

дачи в несколько Мбит/с большинство реализаций ограничено пределом в 115,2 Кбит/с и менее. UART предусматривает передачу сигналов управления или данных с помощью специальных АТ-команд или индикаторов. Архитектура системы программного обеспечения является важным аспектом интеграции WLAN во встраиваемую систему. Протокол беспроводной локальной сети накладывает собственные требования по управлению данными и соединением, тогда как нагрузка со стороны дополнительного программного обеспечения выражается в форме сетевого стека TCP/IP и настройки конфигурации сети. На рисунке 6 показан полный типовой программный стек при передаче данных по беспроводной локальной сети WLAN 802.11. Представленная на рисунке 6 архитектура заключает значительную долю програм мной функциональности, реализуемой в хост-процессоре. Необходимость в обновлении функции проводной связи встраиваемого устройства до стека WLAN и IP-сети особенно остро возникает при интеграции дополнительного

ПО. По этой причине часто наилучшим выбором является использование WLAN-модуля, который полностью реализует все необходимое программное обеспечение. На рисунке 7 в схематичном виде показаны функциональные возможности программного обеспечения для работы хостмикроконтроллера и WLAN-модуля. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ МОДУЛЯ WLAN

Функциональные средства встраиваемого устройства, связанные с беспроводным подключением, можно и далее минимизировать с помощью механизма обновления беспроводной конфигурации в подсистеме WLAN. При вводе устройств в эксплуатацию беспроводное подключение устанавливается в соответствии со стандартной

Электронные компоненты №5 2010

85 Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

интерфейсы как USB, PCI или PCIe используются в системах с высокой пропускной способностью, например в запоминающих устройствах, беспроводных маршрутизаторах и ноутбуках. При использовании встраиваемых систем, однако, выбор делается в пользу одного из нескольких маломощных интерфейсов, к которым относятся SDIO, SPI и UART. Интерфейс SDIO (Secure Digital I/O) определяет 1- или 4-битную передачу данных по синхронной шине с использованием стандартного протокола. SDIO обеспечивает высокую пропускную способность при возможных значениях частоты синхронизации до 50 МГц и применяется во встраиваемых системах с относительно широкими возможностями, преимущественно в тех, которые передают большие объемы данных — видео или графики. Высокопроизводительные мик роконтроллеры обеспечивают SDIO-интерфейс почти всегда совместно с резидентной операционной системой, тогда как для стандартных 16- или 8-битных МК подобное невозможно. В последних случаях интеграторы беспроводной локальной сети выбирают между SPI и последовательным интерфейсом UART. SPI может использоваться для передачи блоков данных в байтовом формате «адрес вслед за данными». Как правило, конфигурация этого интерфейса определяется прошивкой, и потому он потенциально может немного отличаться в зависимости от типа микроконтроллера. SPI — маломощный интерфейс, обеспечивающий довольно высокую пропускную способность до 15 Мбит/с и выше. Не всегда микроконтроллерные приложения с SPI-интерфейсом используют операционную систему как часть своей программной среды. Синхронная природа SPI предусматривает уникальный механизм энергосбережения во время малой активности беспроводной передачи данных. При этом большинство блоков WLANмодуля может находиться в спящем режиме с отключенной тактовой частотой, тогда как хост-интерфейс по-прежнему остается активным и использует тактовую частоту SPI для получения данных от хоста. Некоторые модули WLAN помимо других режимов энергосбережения имеют возможность работать с максимальной энергоэффективностью. Асинхронный последовательный интерфейс UART является самым распространенным механизмом передачи данных в микроконтроллерах. По этой причине встраиваемые устройства интегрируют WLAN-модули, как правило, через этот интерфейс. Пропускная способность UART ограничена: при возможной скорости пере-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОЦЕНОЧНЫХ КОМПЛЕКТОВ

Рис. 7. Архитектура системы программного обеспечения встраиваемого устройства и модуля WLAN

конфигурацией беспроводной инфраструктуры. После установления этого соединения можно обновить конфигурацию с помощью прошивки, скорректировав параметры соединения. Далее подключение устанавливается в соответствии с новой назначенной беспроводной сетью. Функциональные возможности программного обеспечения WLAN-модуля в идеальном случае должны быть следующими: – совместимость с технологиями 802.11b/g и Single Stream 802.11n; – все функции протокола и конфигурации при WLAN-подключении работают в безопасных режимах Open и WPA/WPA2; – наличие последовательных интерфейсов UART или SPI; – наличие портов TCP и UDP, а также кодонезависимого последовательного модема; Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

86

– обновление конфигурации с помощью UART или беспроводных средств; – наличие специализированных режимов и режима инфраструктуры для обеспечения максимальной эксплуатационной гибкости; – реализация мелкомодульных энергосберегающих методов; – наличие механизмов роуминга для прямого подключения внутри предприятия; – автоматическая настройка скорости передачи данных в расширенном рабочем диапазоне. В тех случаях, когда встраиваемая система уже создана с использованием сетевого стека TCP/IP, WLANмодуль должен обладать возможностью игнорировать свой сетевой стек и обрабатывать только данные WLAN.

Каким бы простым ни было назначение встраиваемого устройства, оно представляет собой большую совокупность аппаратных и программных компонентов. Лишь в редких случаях разработчикам, решающим такие задачи как проектирование платы, выбор компонентов, конфигурация подсистем, определение рабочих характеристик, создание достоверных сред и т.д., все удается сделать правильно с первой попытки. По этой причине очень часто большинство из них использует многофункциональные средства разработки или оценочные комплекты, поставляемые ведущими производителями. Эти комплекты являются идеальной платформой, позволяющей решить задачи проектирования. Разработчики пользуются оценочными платами от поставщиков модулей WLAN, которые обеспечивают уже готовые интерфейсы для подключения к выбранному микроконтроллерному комплекту разработки. Эти платы поставляются вместе с уже портированным или легко устанавливаемым на МК-платформу программным обеспечением. В стандартный набор комплекта разработки также входит точка беспроводного доступа с заданной конфигурацией, благодаря чему WLANинтерфейс включается в состав среды разработки и используется уже на этапе проектирования, испытания и оптимизации встраиваемого устройства. Таким образом, в ближайшие годы концепция «Интернет вещей» затронет миллиарды устройств. Беспроводные сети на основе стандарта IEEE 802.11n станут основным средством подключения этих устройств, и потому выбор системными разработчиками микроконтроллерной платформы и Wi-Fiмодуля становится первостепенной задачей успешного ввода системы в эксплуатацию на этом многообещающем рынке.

НОВОСТИ СИСТЕМ НАВИГАЦИИ | БЮДЖЕТНЫЙ НАВИГАТОР TEXET TN-300 — неплохая функциональность менее чем за 3000 руб | Компания «Электронные системы «Алкотел» расширила свой ассортимент навигаторов бюджетной моделью teXet TN-300. Этот GPS-навигатор, как утверждает производитель, отличается оптимальным соотношением качества и цены. Действительно, это решение попадает в ценовую категорию до 3000 руб. Но при этом устройство оснащено ярким сенсорным 3,5-дюймовым дисплеем и заключено в корпус с приятным на ощупь и нескользящим покрытием soft-touch. Навигатор отличается небольшой толщиной — всего 13 мм. teXet TN-300 построен на процессоре SiRF Atlas IV с тактовой частотой 500 МГц и оснащен 64-канальным GPS-приемником. Объем оперативной памяти составляет 64 Мбайт. Кроме того, навигатор оснащен датчиком освещенности для автоматической подстройки яркости дисплея. teXet TN-300 комплектуется полным пакетом карт России с бесплатными обновлениями: «Навител Навигатор 3» (версия 3.2.6.) либо CityGuide 3 (версия 3.7), в зависимости от региона продаж. А кроме навигационных возможностей у teXet TN-300 имеется встроенный медиаплеер с поддержкой форматов MPEG, MPG, ASF, WMV, AVI, MP3, WMA. Также с экрана можно читать файлы в текстовом формате TXT. Новинка поступит в продажу в ближайшее время. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ MEMS ОТКРЫВАЮТ ПУТЬ ДЛЯ НОВЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ ПАВЕЛ УСАЧЕВ, техн. консультант, ИД «Электроника»

До недавнего времени автомобильная электроника была главной движущей силой рынка MEMS. Однако постепенно MEMS-приборы все шире внедряются и в иные приложения, например, в такие критически важные как контроль прочности крупных конструкций. В статье рассматриваются особенности некоторых новых технологий MEMS, которые позволяют существенно улучшить характеристики этих приборов, в частности, уровень шума, стабильность и динамический диапазон, одновременно уменьшая их стоимость.

УМЕНЬШЕНИЕ УРОВНЯ ШУМА И РАСШИРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

Используя опыт применения нанотехнологий при создании печатающих головок с высокой плотностью форсу-

нок и высокой энергоэффективностью, компания Hewlett Packard разработала запоминающее устройство на базе MEMS. В процессе разработки была создана технологическая платформа для производства нового поколения инерциальных MEMS-датчиков. Такое запоминающее устройство позволяет реализовать систему, подобную CD-RW, на кристалле. Вращающийся диск и лазер были заменены на координатный манипулятор — микродвижитель (micromover) и электронные прожекторы с холодным катодом. В обоих устройствах для хранения данных используется среда с фазовыми переходами. Микродвижитель, созданный с помощью технологии травления, при использовании которой высота в несколько раз превышает ширину линий и сращивания пластин, позволил кардинально преобразовать конструкцию инерциального MEMS-датчика. Не случайно, что созданные на базе микродвижителя MEMS-датчики имеют высокие характеристики, ведь требования к устройствам памяти и инерциальным датчикам сходны. Рассмотрим эти требования.

1. Температурная стабильность. Самый важный параметр любого устройства хранения данных или инерциального датчика — способность выдерживать изменения температуры без ухудшения характеристик. Для того чтобы обеспечить температурную стабильность устройства, разработчики используют конструкцию в виде единого кристалла кремния с минимумом металлических и диэлектрических слоев для уменьшения возможных напряжений при изменении температуры.

2. Большая чувствительная масса. Емкость устройств хранения информа-

ции определяется площадью запоминающей среды. Для увеличения емкости необходимо создать более крупный микродвижитель. В датчике увеличение массы является ключевым фактором уменьшения термомеханического шума. Поэтому, создавая компактные датчики, необходимо учитывать такие факторы как термомеханический шум, который ограничивает разрешение датчика. Почти всегда можно найти компромисс между малым форм-фактором и высокими характеристиками датчика.

3. Межосевая изоляция. Для устройств хранения информации критичным фактором является точный контроль зазора между средой хранения и электронным пучком. Среда хранения должна быть в фокальной плоскости к электронному пучку для того, чтобы надежно считывать и записывать данные. Для создания гибкого подвеса с поперечной устойчивостью, что обеспечивает точный контроль зазора, используется травление пластин, при котором высота линий в несколько раз превышает их ширину. Для инерциальных датчиков это позволяет добиться межосевой изоляции и увеличения чувствительной массы.

4. Широкий динамический диапазон. Чем на большее расстояние перемещается микродвижитель, тем больший объем данных доступен для электронного пучка при каждой операции считывания/записи. Увеличение диапазона перемещения позволяет уменьшить количество электронных пушек и, в результате, снизить сложность и стоимость системы, т.к. число параллельных каналов уменьшается. Для увеличения диапазона перемещений была разработана конструкция электростатического поверхностного

Электронные компоненты №5 2010

87 Д АТ Ч И К И

Впервые коммерческий успех MEMS-устройства завоевали в качестве детекторов столкновений в автомобильных подушках безопасности. Уменьшение стоимости, размеров и потребляемой мощности современных датчиков, а также расширение базы производителей позволило MEMSустройствам выйти на рынок потребительской электроники. Например, в ноутбуках используются 3-координатные акселерометры для защиты жесткого диска при случайном ударе. В смартфонах и мобильных телефонах MEMS-акселерометры позволяют упростить пользовательский интерфейс. В игровых устройствах MEMS-системы помогают определить пространственное положение игрового контроллера. Тем не менее такие параметры MEMS-устройств как уровень шума и стабильность, которые являются ключевыми для навигационных систем, не претерпели существенных улучшений, по сравнению с их стоимостью, размерами и энергопотреблением. В последнее время такие технологии производства MEMS-устройств как травление линий, в которых высота в несколько раз превышает ширину линии (high-aspect-ratio etching), сращивание пластин (wafer bonding) и корпусирование получили дальнейшее развитие. Появились также совершенно новые подходы в производстве MEMS-устройств, которые позволят этим приборам выйти на рынок критически важных приложений и потребительской электроники.

Рис. 1. Увеличенная чувствительная масса снижает тепловой вибрационный шум, что обеспечивает более точное измерение ускорения

мощными, чтобы минимизировать обслуживание системы после ее установки. Использование датчиков с более низким уровнем шума (для улучшения чувствительности) и большей стабильностью (для лучшего разрешения низкочастотных вибраций, характерных для крупных конструкций) позволяет оптимизировать систему мониторинга прочности конструкции. Эти датчики могут быть также использованы в геофизических приложениях для контроля движения во время сейсмических явлений, таких как землетрясение. Информация, полученная в режиме реального времени во время землетрясения, может быть использована для быстрого определения степени безопасности конструкции. ИНТЕГРАЦИЯ MEMS И КМОП В СТАНДАРТНОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

Рис. 2. Сравнение технологии создания MEMS-структуры внутри КМОП-пластины компании Baolab с обычным MEMS-устройством, сформированным сверху пластины

Д АТ Ч И К И

88

электрода, радикально отличающаяся от гребенчатого электрода, который ранее применялся в MEMS-актуаторах. Этот подход позволил точно контролировать зазор и другие размеры с помощью метода сращивания пластин и литографии, что обеспечило широкий диапазон плотности силы актуатора или изменения емкости при измерении ускорения. Самым важным преимуществом такой конструкции, однако, является то, что диапазон перемещения поверхностных электродов не ограничен, т.к. они имеют пальчиковую конфигурацию (см. рис. 1). Таким образом, новый подход кроме высокого разрешения обеспечивает более широкий динамический диапазон. Например, такой микроакселерометр имеет диапазон измерений, превышающий 10g. Измерения показали, что использование новой технологической платформы может обеспечить на порядок лучший уровень шума, динамический диапазон и стабильность при сохранении таких традиционных преимуществ MEMS-датчиков как низкая стоимость, компактные размеры и малая потребляемая мощность. Повышенная гибкость системы позволяет создавать

WWW.ELCP.RU

акселерометры и гироскопы на одном кристалле, которые могут производить измерения по всем шести координатам движения, т.е. X, Y, Z, крену, тангажу и рысканью (roll, pitch и yaw). Интеграция датчиков в одном кристалле обеспечивает точное выравнивание по координатам, а также снижает затраты на корпусирование по сравнению с другими технологиями. Внедрение данной технологии позволит создать сверхчувствительные датчики для некоторых критичных приложений, в которых требуются низкий уровень шума и большой динамический диапазон. Например, разработчикам, занимающимся системами контроля состояния конструкций, требуются датчики, которые способны контролировать в режиме реального времени колебания конструкций моста. Крупный мост может использовать сотни и тысячи сенсорных блоков, оборудованных акселерометрами, которые способны удаленно отслеживать процесс старения конструкций и генерировать специальные сигналы в случае какоголибо отклонения от штатного режима. Эти датчики должны быть компактными, надежными, недорогими и мало-

Интеграция MEMS и КМОП-процесса обеспечивает ряд преимуществ, таких как уменьшение размера кристалла и большое число качественных межсоединений. Однако существующие решения представляют собой либо формирование структуры на поверхности пластины после окончания КМОП-процесса, либо создание выемки для MEMS-структуры в пластине с использованием обычных методов обработки по технологии MEMS. Оба подхода дороги и требуют больших затрат времени и специального оборудования, которое, как правило, малопроизводительно. Компания Baolab Microsystems потратила несколько лет на разработку патентованной технологии создания MEMS-устройств в пластине, используя стандартные высокопроизводительные линии, что существенно облегчает и ускоряет производство, т.к. количество необходимых операций уменьшается. Если несколько различных MEMSустройств формируются на одном и том же кристалле, их стоимость снижается на две трети и более. В технологии NanoEMS™ компании Baolab для формирования MEMSструктуры с помощью стандартных шаблонов используются существующие металлические слои в КМОПпластине (см. рис. 2). Диэлектрик, расположенный между слоями металла, удаляется через окна в слое пассивации при травлении в HF в паровой фазе (vHF-травление). Для травления используется оборудование, которое доступно для массового производства, а сам процесс занимает менее часа, что весьма незначительно увеличивает общее время изготовление прибора. Вытравленные углубления затем

радиочастотные MEMS-ключи являются важнейшими компонентами для нового сектора рынка радиоприемников для мобильных телефонов, который по прогнозам вырастет до 1,4 млрд долл. к 2015 г. В сотовых 3G/4G-телефонах радиочастотные MEMS-устройства позволяют работать в нескольких частотных диапазонах (около десяти) за счет различных методов модуляции. Эти функции обеспечиваются с помощью радиочастотных MEMS-ключей, которые позволяют гибко конфигурировать архитектуру системы. Технология NanoEMS позволяет легко создать на одном КМОПкристалле необходимое количество ключевых элементов на обычных производственных линиях с помощью традиционных методов. За счет этого существенно снижается стоимость компонентов для многополосных и многорежимных сотовых телефонов следующего поколения. ПЕРВЫЕ ИНТЕГРИРОВАННЫЕ MEMS-УСТРОЙСТВА ДЛЯ ESP

Еще одним примером внедрения новых технологий в MEMS-устройства является интегрированный модуль инерциального датчика компании Bosch, содержащий датчик угловой скорости рысканья и ускорения, расположенный поверх кристалла ASIC в 16-выводном пластмассовом корпусе SOIC. Данное устройство было разработано в рамках программы развития электронных систем динамической стабилизации автомобиля (Electronic Stability Program, ESP), в которых применяются MEMS-акселерометры и MEMS-датчики давления. Первые поколения этих устройств не позволяли интегрировать датчики угловой скорости и ускорения в схему считывания в отдельном компактном корпусе. С выпуском комбинированного инерциального датчика для системы ESP SM1540 компания Bosch решила эту проблему (см. рис. 3). Разработанное устройство состоит из двух кристаллов MEMS-датчиков с микрообработкой поверхности — один для измерения угловой скорости, другой для измерения ускорения, которые расположены на кристалле ASIC для считывания данных. Чувствительным элементом для измерения угловой скорости является вибрационный гироскоп с электростатическим приводом. Он изготовлен с помощью микрообработки поверхности кремния с использованием слегка модифицированного процесса компании Bosch со слоем поликремния толщиной 11 мкм, из которого формируются движущиеся части микроструктуры. Датчик содержит две почти идентичные массы, соединенные пружиной для

Рис. 3. Интегрированный инерциальный датчик для системы ESP SM1540 компании Bosch

того, чтобы гарантировать синхронные колебания всей структуры. Устройство имеет рамку привода, расположенную на внешнем контуре, рамку Кориолиса и рамку детектирования. Все рамки соединены U-образными пружинами, а внешняя и внутренняя рамки прикреплены также с помощью U-образных пружин к подложке. Приводная рамка возбуждается на резонансных колебаниях частотой около 15 кГц с помощью электростатических гребенчатых приводов, двигающихся антипараллельно вдоль координаты X. Датчики работают в обычном автомобильном диапазоне температур –40…120°C, а максимальные значения уровня шума составляют ±0,1°/с. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новые технологии позволят MEMS проникнуть в такие системы как приборы сбора энергии, микроэлементы питания и микрозеркала. Интеграция различных MEMSустройств в одном модуле обещает бурное развитие рынка MEMS-приложений за счет новых возможностей, например, благодаря созданию приборов с девятью степенями свободы — комбинацией 3D-акселерометра, 3D-гироскопа и 3D-магнитометра. Кроме того, такие приложения как беспроводные сети датчиков получат дальнейшее развитие за счет интегрирования радиочастотных каскадов, устройств сбора энергии и чувствительных элементов. Эволюция технологий MEMS существенно влияет на способы получения данных из окружающей среды и взаимодействия с ней. Технология нанодатчиков позволяет создавать сетевые системы датчиков, которые сочетают отличные характеристики, малые размеры и стоимость, что требуется для критически важных приложений. ЛИТЕРАТУРА 1. Peter G. Hartwell. Rethinking MEMS sensor design for the masses//Electronic Engineering Times Europe, March 2010.

2. Josep Montanya i Silvestre. MEMS now inside the CMOS wafer//Electronic Engineering Times Europe, March 2010.

3. Patrick Mannion. ISSCC: Bosch unveils integrated MEMS automotive sensor//www. eetimes.com.

4. Benedetto Vigna. Making MEMS: A short guide//www.automotivedesignline.com.

Электронные компоненты №5 2010

89 Д АТ Ч И К И

покрываются защитным слоем, а кристалл заключается в корпус. Поскольку используется только стандартный КМОП-процесс, MEMS-устройство, созданное по технологии NanoEMS, можно непосредственно интегрировать с активной схемой. Компания Baolab успешно создала MEMS-устройство, используя стандартные 8-дюймовые пластины, изготовленные по 0,18-мкм КМОП-технологии с четырьмя и более металлическими слоями, и получила 200-нм минимальные размеры элементов. Это на порядок меньше, чем может быть достигнуто в обычных MEMS-устройствах. Таким образом, технология NanoEMS обеспечивает создание наноMEMS-устройств, что позволяет получить дополнительные преимущества из-за уменьшения размеров, снижения потребляемой мощности и повышения быстродействия. Хотя эта новая патентованная технология кажется простой, компании Baolab пришлось преодолеть ряд трудностей. Например, довольно сложно было контролировать зону травления из-за возможности перетрава, разрушения пассивационного слоя и выхода из строя всей структуры. Компания Baolab снизила остроту этой проблемы до минимума, обеспечив контроль той части диэлектрика, которая должна быть удалена, по изменению показателя преломления пассивационного слоя SiN. Другой проблемой были тонкие металлические слои, не оптимизированные для применения в конструкции MEMS. Эту задачу можно было бы решить путем внесения изменений в КМОП-процесс, однако компания Baolab захотела найти решение, которое не зависело бы от производственной линии. В результате была разработана конструкция, которая допускает такие параметры слоев металла. Большая работа была также проведена для решения проблемы текучести металла. Компания Baolab планирует производить дискретные MEMS-устройства, включая РЧ-ключи, электронные компасы и акселерометры, а также предлагает решения, которые сочетают несколько функций на одном кристалле. Эти компоненты предназначены для разработчиков и производителей мобильных телефонов, а также для рынка модулей усилителей мощности и радиочастотных входных каскадов. Согласно исследованиям Yole Research, в течение ближайших трех лет совокупные темпы годового роста мировых продаж радиочастотных MEMS-ключей составят более 80%, что в основном определяется рынком сотовых телефонов. Кроме того, недорогие

Блок обеспечения доступа на основе RFID-технологии BM3420 АЛЕКСАНДР КАМЕНСКИЙ В статье описан принцип работы электронного замка ВМ3420. Блок BM3420 предназначен для организации ограничения доступа в помещение с помощью технологии RFID. Главным элементом набора является считывающее устройство, осуществляющее проверку валидности RFID-карточек стандарта Mifare (13,56 МГц, 106 Кбит/с). ТЕХНОЛОГИЯ RFID

П О С Л Е РА Б О Т Ы

90

Технология радиочастотной идентификации (RFID — radio frequency identification) появилась еще во времена второй мировой войны, однако бурное развитие RFID началось лишь четверть века назад. Широкие возможности технологии RFID позволяют использовать ее во многих отраслях: торговля, промышленность; имеются даже примеры применения в военной технике. RFID-метки наносят на товары в магазинах, книги в библиотеках, железнодорожные вагоны и т.д. В последнее время некоторые популярные модели телефонов оснащаются RFID-интерфейсом. Простейшая RFID-система состоит из двух устройств, а именно транспондера и считывающего устройства, осуществляющих обмен данными. Транспондерами называют микрочипы с прикрепленной антенной. Они обычно имеют до 2 Кбайт встроенной памяти и бывают активными, пассивными или полупассивными. Самыми дешевыми являются пассивные чипы, их стоимость начинается от нескольких центов. Самые дорогие — активные, их цена может достигать 100 долл. Основным «интеллектуальным» элементом RFID-системы является считывающее устройство (reader — ридер, который в настоящее время часто называют «валидатор»). Ридером чаще всего является стационарный терминал.

Обычно процесс обмена данными происходит по инициативе считывающего устройства (в случае с пассивными транспондерами). Оно несколько раз в секунду производит опрос окружающего пространства (до нескольких сантиметров при использовании пассивных транспондеров и до нескольких метров в случае с активными транспондерами) и при обнаружении RFID-устройства начинает одно- либо двухсторонний обмен данными. В технологии RFID в зависимости от страны и области применения используется множество радиочастот, среди которых самыми распространенными являются 125 кГц, 13,56 МГц, 850…900 МГц и 2,45 ГГц. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

Внешний вид устройства приведен на рисунке 1. Схема подключения блоков и внешних компонентов приведена на рисунке 2. Основным управляющим элементом системы является процессорный блок, который организует проверку валидности RFID-карточек стандарта Mifare. В нем установлена процессорная плата и рамочная антенна, выполненная печатным монтажом. В качестве процессора используется микроконтроллер ATMEGA16L-8AI. В его задачи входит: – управление RFID-каналом; – реализация хранения базы данных карточек, а именно проверка валидности, добавление, изменение или удаление информации о карточках; – индикация состояния системы; – организация двусторонней связи с персональным компьютером через интерфейс RS-232;

– поддержка сетевого протокола взаимодействия. Блок управления замком выполняет следующие задачи: – питание процессорного блока; – питание системы от резервного источника питания; – поддержка сетевого протокола; – управление подачей питающего напряжения на обмотку замка. Управление данным блоком и поддержка сетевого протокола взаимодействия с процессорной платой осуществляется с помощью микроконтроллера ATtiny2313V-10SU. Преобразователь физических уровней собран на микросхеме MAX3075EESA+. Основное питающее напряжение системы подается через разъем XS2 DJK-02A. Внешний источник, предоставляющий резервное питание, подключается к разъему XS1 Con 15EDGR-02. Схема управления подачей на обмотку замка питающего напряжения собрана на транзисторах IRFL014NPBF и IRFL9014PBF. С целью защиты от перенапряжения питания в схеме установлен диод VD1 MBRS340T3G. На процессорную плату напряжение питания поступает через разъем XS7 Con 15EDGR-02. К разъему XS8 Con 15EDGR-02 подключаются информационные линии, а к XS3 — кнопка открытия замка. Разъем XS5 PLS-3 является управляющим. В случае необходимости к замку можно подключить линии 12 В и общей земли (GND). Бесплатный заказ продукции «Мастер Кит» по тел.: 8-800-200-0934 (с 9.00 до 18.00, кроме выходных). Задать вопрос или получить консультацию можно по электронной почте: infomk@masterkit.ru. Табл. 1. Технические характеристики

Рис. 1. Внешний вид печатной платы блока электронного замка BM3420

WWW.ELCP.RU

Рис. 2. Блок-схема устройства

Параметр Напряжение питания, В Макс. потребляемый ток (без замка), А Макс. потребляемый ток замка, А Возможность подключения резервного источника питания Габаритные размеры процессорного блока, мм Габаритные размеры блока управления замком, мм Количество запоминаемых карточекключей, шт.

Значение 12,0 ±5% 0,2 0,5 есть 90×65×30 72×50×28 126

АНОНС НОВИНОК МАСТЕР КИТ

– – – – –

| BM500 — МЕДИАПЛЕЕР C HDMI-ВЫХОДОМ | Устройство BM500 предназначено для воспроизведения фильмов, фотографий (слайд-шоу), музыки, находящихся на картах памяти (SD, MMC, MS); USB-накопителе; внешнем жестком USB-диске, а также на внутреннем жестком диске (в комплект не входит, для его подключения внутри устройства имеется стандартный SATA-разъем). Устройство имеет несколько видеовыходов (стандартный AV (тюльпаны), HDMI, компонентный YPbPr). Технические характеристики BM500: – напряжение адаптера питания +5 В; – ток адаптера питания 2 А; – поддерживаемые форматы изображения DAT, AVI, VOB, MPG, MPEG, MP4, MP3, WMA, GPG; поддерживаемые кодеки DivX, Xvid, MPEG1, MPEG2, MPEG4; поддержка внутреннего 2,5-дюймового жесткого диска, FAT32, NTFS SATA-разъем; поддержка USB 2.0 со скоростью 480 Мбит/с, 12 Мбит/с; поддержка внешнего жесткого USB-диска FAT32, NTFS; габаритные размеры 140×80×20 мм.

| MK356 — АВТОМОБИЛЬНЫЙ ОТПУГИВАТЕЛЬ КРЫС И МЫШЕЙ | Устройство предназначено для защиты автомобиля и помещений от крыс и других грызунов. Особенностью MK356 является постоянное изменение частотных и временных параметров излучаемого ультразвукового сигнала, что исключает привыкание грызунов к ультразвуковому сигналу. Устройство работает в двух чередующихся режимах.

– Режим «Работа». В течение 3 мин излучается ультразвук, который раздражает грызунов.

– Режим «Пауза». В течение 3 мин уши грызунов могут немного отдохнуть. Грызуны очень умные, поэтому они не живут там, где им некомфортно. Они вынуждены покинуть помещение, где установлен MK356 в течение первых дней его работы. Технические характеристики: – напряжение питания — постоянное (батарея типа «Крона»); – ток потребления в режиме «Работа» — 3 мА; – ток потребления в режиме «Пауза» — 1,5 мА; – время работы до замены батареи питания — 14 дней; – площадь эффективного воздействия — до 80 м2; – диапазон излучаемых частот — до 50 кГц; – потребляемая мощность — до 7 Вт/ч; – уровень ультразвукового давления на расстоянии 1 м — до 95 дБ; – габаритные размеры — 90×65×35 мм. | РУЧКА-МАССАЖЕР МТ1011 | На конце ручки расположен элемент, который вибрирует при нажатии. Помассировав им активные точки тела (точки акупунктуры), можно за несколько минут снять головную боль, избавиться от стресса, взбодриться и привести свой организм в нормальное, бодрое и рабочее состояние.

СОБЫТИЯ РЫНКА

www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №5 2010

91 П О С Л Е РА Б О Т Ы

| GARTNER: ДОХОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ БУДЕТ РАСТИ ДО 2014 Г. | Согласно последним прогнозам Gartner Inс. В 2010 году будет наблюдаться постоянный рост доходов полупроводниковой промышленности. По прогнозам аналитиков, прирост доходов в 2010 г. по сравнению с 2009 г. составит 27,1% и достигнет уровня 290 млрд долл. В 2011 г. эта цифра вырастет до 307 млрд долл. Агентство Gartner заявило, что рост продолжится до 2014 г. По предварительным оценкам, рост продаж в I кв. 2010 г. превысил ожидаемые 19,9%. Gartner объяснило это стремительным выходом из кризиса во всех областях и большинстве товарных категорий. «Развитие схем на полупроводниках было существенным последние пять кварталов — намного выше сезонных норм, и производства загрузились до предела», — заявил Брайан Льюис (Bryan Lewis), вице-президент по исследованиям в Gartner. — «Объем продаж чипов растет быстрее, чем объем продаж систем, и это становится проблемой. Gartner прогнозирует, что во второй половине 2010 г. рост будет ниже среднего, т.к. ожидается небольшая коррекция в продажах полупроводников за счет электронной системы продаж. Но даже с этими незначительными коррекциями мы прогнозируем очень высокий рост продаж полупроводниковых приборов в 2010 г.». В обновленном прогнозе этого квартала агентство Gartner подняло прогнозы объемов производства для ПК, мобильных телефонов, автомобильных систем. В частности, на ПК и мобильные телефоны придется около 40% роста рынка полупроводниковых приборов в 2010 г. На рынке ПК средняя цена на процессоры укрепляется, и ожидается, что рост прибыли составит порядка 15,5% по сравнению с 10% в предыдущих прогнозах. «Заметный рост ПК в сочетании с ростом цен на DRAM вызовет рост рынка DRAM в 2010 г. на 78%, что сделает его ведущим рынком полупроводниковых устройств», — отмечает Gartner. «Аналитики считают, что спрос на такие планшеты как iPad от Apple заметно повлияет на рынок ПК к 2013 г., что лишь усилит рост этого сегмента. Однако в ближайшее время такие устройства будут иметь минимальное влияние на рынки ПК и смартфонов».

Балансировочное устройство для заряда аккумуляторов LiPo ТОМАС ШЕРЕР (THOMAS SCHERER), инженер, Elektor В статье предложена схема автоматического балансировочного устройства для выравнивания потенциалов 2—5 литиевых аккумуляторов.

Достоинств у литиево-полимерных аккумуляторов (LiPo) гораздо больше, чем у любых других: небольшой вес, высокая плотность энергии, малый ток разряда, относительно быстрый процесс заряда (1—3 ч). Однако в случае перезаряда или неправильных условий заряда они могут взорваться или ухудшить характеристики, поэтому для литиевых батарей требуется специализированное зарядное устройство со схемой мониторинга и балансировки тока. БАЛАНСИРОВКА ТОКА

При заряде литиево-полимерных батарей необходимо соблюдать несколько правил: сила тока должна поддерживаться на уровне 0,5С…1С 1,

Рис. 1. Внешний вид печатной платы

а напряжение аккумулятора не должно превышать 4,1…4,2 В. Если в сборке присутствует несколько последовательно соединенных элементов, то небольшие отклонения в одном из них со временем приводят к преждевременной порче аккумуляторов, если схема не сбалансирована. Этот эффект не наблюдается у аккумуляторов NiCd или NiMh. Как правило, в сборке все элементы имеют близкую, но не одинаковую, емкость. Если два элемента с разными емкостями соединены последовательно, то элемент с меньшей емкостью заряжается быстрее, чем с большей. Поскольку процесс заряда происходит до тех пор, пока не зарядится элемент с самой большой емкостью, то аккумулятор с меньшей емкостью будет перезаряжен. Во время разряда, наоборот, элементы с меньшей емкостью разряжаются быстрее. Это приводит к тому, что после многих циклов зарядаразряда различие емкостей увеличивается, а из-за частого перезаряда элементы с самой малой емкостью быстро приходят в негодность. Эту проблему легко можно устранить, если контролировать потенциал элементов и следить, чтобы все элементы в блоке имели абсолютно одинаковое напряжение. Самый простой способ балансировки — «в лоб», то есть полностью раз-

П О С Л Е РА Б О Т Ы

92

Рис. 2. Выравнивание потенциалов двух элементов 1

Сила тока в пересчете на емкость. При токе 1C аккумулятор разрядится за 1 ч.

WWW.ELCP.RU

ряжать элементы после каждых двух циклов заряда. Тогда все аккумуляторы в сборке будут приведены к одному потенциалу, а накопленные отклонения устранятся. Недостаток этого подхода заключается в том, что энергия, выделяющаяся при разряде, рассеивается впустую. Кроме того, перед следующим использованием требуется зарядить батареи. В ноутбуках обычно состояние аккумулятора контролируется микроконтроллером, который проверяет напряжение каждого элемента и регулирует силу зарядного тока. Мы предлагаем читателям альтернативный способ с автоматической балансировкой и малым расходом энергии. Внешний вид устройства показан на рисунке 1. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

Для балансировки потенциалов двух элементов потребуется операционный усилитель (ОУ) класса В и три резистора (см. рис. 2). В центральной точке делителя R1—R2 напряжение равно половине суммы напряжений верхнего и нижнего аккумуляторов. Когда напряжение верхнего аккумулятора превышает напряжение нижнего, ток течет в нижнее плечо до тех пор, пока они не сравняются. Для расчета схемы требуется только подобрать номинал R3 так, чтобы сила тока составляла 0,02…0,1С. Если в сборке присутствует больше элементов, то необходимы дополнительные ОУ. Например, для балансировки пяти аккумуляторов требуются четыре ОУ класса В. Вместо ОУ можно использовать составные транзисторы, что позволяет снизить стоимость схемы. На рисунке 3 показана полная принципиальная схема балансировочного устройства для 2—5 элементов емкостью 2…10 А.ч. Кабель балансировки подключается к разъему К1 на плате (см. рис. 4). С помощью перемычек JP2—JP5 задается количество элементов (2—5), напряжение которых требуется выровнять. На первый вывод перемычки подается напряжение аккумулятора, а на вто-

Рис. 4. Размещение элементов схемы

рой — эталонное напряжение. Для сборок из 2—4 элементов необходимо установить две перемычки, а если в сборке пять элементов, то одну. Полностью заряженная батарея из 5 элементов имеет напряжение до 21 В (по 4,2 В на элемент). ОУ сравнивает текущее напряжение каждого элемента с эталонным. Если они различаются, то усилитель переключает один из составных транзисторов на заряд (если потенциал элемента ниже) или разряд. В итоге напряжение всех элементов выравнивается. Рассмотрим верхний каскад. Если выравнивающий ток больше 20 мА, то соответствующий светодиод горит. В зависимости от степени заряда загорается диод D1 или D5. Падение напряжения на светодиоде составляет около 1,8 В. Вычитая падение напряжения на D10 и D11 и падение напряжения эмиттерного перехода составных транзисторов (примерно 1,0…1,1 В), получаем, что на резистор в цепи эмиттера приходится около 0,2…0,3 В, поэтому выходной ток составляет примерно 250 мА. КОНСТРУКЦИЯ

Печатная плата устройства показана на рисунке 4. Видно, что на плате

нет компонентов с поверхностным монтажом (SMD), а все элементы располагаются на достаточном расстоянии друг от друга. Таким образом, собрать схему не представляет труда. На плате установлен алюминиевый профиль (см. рис. 1), который служит теплоотводом для выходных транзисторов. В случае необходимости транзисторы можно расположить вертикально, чтобы освободить место для радиатора большего размера. Важно убедиться, что транзисторы гальванически развязаны с теплоотводом с помощью слюды или другого диэлектрика и изолирующей втулки на крепежных винтах. Для лучшего отвода тепла под транзисторы также кладется немного теплопроводящего вещества. Готовую схему перед подключением следует проверить на целостность цепей. Затем необходимо задать коли-

По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: anton@elcp.ru, тел.: (495) 741-77-01. Оформить бесплатную еженедельную подписку на новостную рассылку от издания Elektor можно на сайте www.elektor.com.

Табл. 1. Перечень элементов Резисторы Конденсаторы Полупроводниковые Другие

R1—R5 = 10 кОм (0,1%), R6—R9 = 1,5 кОм, R10—R13 = 1,2 Ом, R14—R17 = 1 Ом, R18 = 8,2 кОм С1—С4 = 10 нФ (шаг выводов 5 мм), С5, С6 = 100 нФ (шаг выводов 5 мм) Светодиоды с малым рабочим током, 5 мм: D1 — D4 = зеленый, D5 — D8 = желтый, D9 = красный; D10—D17 = 1N4148, Т1—Т4 = TIP120, T5—T8 = TIP125, IC1 = LM324 или LM348N К1 = 6-выводной разъем, шаг выводов 2,54 мм, JP2-1—JP4-2, JP5 = штырьевой двухрядный разъем, шаг выводов 2,54 мм; 14-контактный держатель для IC1, алюминиевый теплоотвод

Электронные компоненты №5 2010

93 П О С Л Е РА Б О Т Ы

Рис. 3. Принципиальная схема устройства

чество элементов в сборке. Для определенности будем считать, что у нас 5 элементов, поэтому соединяем контакты JP5 (см. рис. 1). Установим выходное напряжение источника питания (ИП) на уровне 10 В и подсоединим его к крайним выводам разъема К1, соблюдая полярность. При этом должен загореться диод D9. Если все в порядке, увеличиваем напряжение до 20 В. Диод станет гореть ярче, а напряжение на выводах 2—5 разъема К1 примет значения 4, 8, 12 и 16 В, соответственно. Установив на ИП ограничение тока на уровне 0,5 А, соединим накоротко любые два вывода К1. Потечет ток примерно 200 мА. После проверки схемы ее можно подключать к выводу балансировки аккумулятора (предварительно следует задать количество элементов в сборке). Процесс выравнивания потенциалов идет до тех пор, пока все светодиоды, кроме D9, не погаснут. Проводить балансировку достаточно один раз на 10 циклов заряда. С помощью предлагаемого устройства можно выравнивать потенциал двух сборок по 5 соединенных последовательно элементов. При этом следует установить перемычку на выводы JP2. Для двух сборок из 4 элементов или одной из пяти в качестве IC1 можно использовать микросхему LM324, выдерживающую до 32 В. В остальных случаях лучше поставить LM348, выдерживающую до 44 В.

Новые компоненты на российском рынке АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Новые автономные трансиверы LIN 2.1/SAE J2602 от Microchip отвечают самым строгим требованиям автомобильных приложений

Компания Microchip анонсирует автономные LINтрансиверы MCP2003 и MCP2004 (MCP2003/4). Эти, сертифицированные по AEC-Q100, a также утвержденные по 3rd party-LIN/J2602, устройства удовлетворяют жестким требованиям автомобильных приложений. Трансиверы отвечают стандартам LIN Bus 1.X/2.0/2.1 и SAE J2602 и имеют ведущие в отрасли показатели устойчивости к электростатическим разрядам и электромагнитной совместимости, что обеспечивает надежную связь в жестких условиях эксплуатации. Их потребление тока является самым низким на рынке LINтрансиверов, что позволяет увеличить срок службы батареи питания и обеспечить более высокую эффективность в приложениях, работающих при выключенном зажигании автомобиля. Трансиверы MCP2003/4 являются третьим поколением трансиверов LIN/SAE J260 после предыдущего семейства MCP2021/2 с интегрированным стабилизатором напряжения. Трансиверы MCP2003/4 позволяют снизить стоимость системы, так как требуют минимум внешних компонентов Трансиверы MCP2003/4 предназначены, в первую очередь, для автомобильных приложений, включая датчики дождя, электролюки, стеклоподъемники и множество других устройств. Трансиверы также могут применяться в других областях, включая системы промышленного назначения (электронные замки, системы сбора информации и др.), медицинские устройства (управление двигателями и управляющие панели) и бытовую технику (стиральные машины, кухонная техника и датчики). Новые трансиверы MCP2003/4 поддерживаются отладочной платой PICDEM™ CAN-LIN 3 (номер для заказа DM163015), дочерними платами ECAN™/LIN PICtail™ Plus (номер для заказа AC164130) и анализатором протокола LIN Serial Analyzer (номер для заказа APGDT001).

Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Высокопроизводительный модуль стандарта COM Express с поддержкой 45-нм процессоров от Avalue

94

Компания Avalue предлагает новый высокопроизводительный вычислительный модуль ESM-GM45 стандарта COM Express с поддержкой процессоров, выполненных по 45-нм технологии. В качестве чипсета в модуле ESM-GM45 используется Mobile Intel® GM45 Express с графическим ускорителем GMA4500, а в качестве южного моста — Intel CH9. Благодаря такому набору системной логики и поддержке технологии Intel® Clear Video Technology, новый вычислительный модуль ESM-GM45 обеспечивает обработку 3D-графики, а также способен воспроизводить видео высокого качества. Так как частота системной шины составляет 1066 МГц, а два 200-контактных разъема поддерживают в общей сложности до 4 Гбайт оперативной памяти DDR2 с частотой 800 МГц, то обеспечивается быстрая работа в ресурсоемких задачах (к примеру, в методах линейной оптимизации).

WWW.ELCP.RU

Эти параметры делают данный модуль идеальной основой для построения компактных серверов и кластерных систем. Характеристики нового модуля ESM-GM45: – Поддержка 45 нм процессоров Intel® Core™ 2 Duo или Celeron® M CPU (Penryn).

– Чипсет Intel® GM45/ICH9-M – 2×200-контактных разъема SODIMM с поддержкой до 4 Гбайт DDR2 667/800 SDRAM. – Поддержка нескольких экранов Dual View (CRT + LVDS, CRT + TV, LVDS + TV), 2 х 18/24-разрядный LVDS, TV-выход, HDTV. – 1 Гбайт/сек Ethernet Intel®.

– Интерфейсы: 4 PCI, 4 PCIex1, 1 PCIex16, 4 SATA, 8 USB, 8-разрядный GPIO. – Размеры модуля: 125 × 95мм. Новый вычислительный модуль ESM-GM45 поддерживает все популярные ОС: Windows 7, Windows XP, Windows XPe, Windows CE и Linux. Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Компактные DC/DC-преобразователи мощностью 15 Вт c ультрашироким диапазоном входных напряжений от Murata-PS

Компания MurataPS расширила линейку новых компактных DC/ DC-преобразователей, выпустив серию BEI15 мощностью 15 Вт с двухполярным выходом.

DC/DC-преобразователи BEI15 работают в ультрашироком диапазоне входных напряжений (9…36 В или 18…75 В), имеют стандартное расположение выводов и предназначены для монтажа на печатную плату в отверстия. Малые шумы и отличные динамические характеристики позволяют применять их для питания DSP, FPGA, ASIC и любых микроконтроллеров. Применение синхронного выпрямления позволило достичь КПД до 86%. Преобразователи способны отдавать в нагрузку до 15 Вт в диапазоне температур –40…85°С. Серия BEI12 состоит из моделей с выходными напряжениями ±5, ±12 и ±15 В, имеющих вход дистанционного включения/выключения по отрицательному или положительному уровню управляющего сигнала. Особенности DC/DC-преобразователей: – Низкопрофильный компактный дизайн (24,4×27,9× ×8,9 мм).

– Высокая устойчивость к броскам входного напряжения длительностью до 100 мс (50 В для входа 9…36 В и 100 В для входа 18…75 В).

– Электрическая прочность изоляции вход-выход: 2250 В DC. – Защита от превышения выходного напряжения; короткого замыкания и перегрузки на выходе; перегрева; понижения входного напряжения.

– Стандартное расположение выводов.

– Соответствие международным стандартам: IEC/EN/UL/ cUL 60950-1, CSA-C22.2 No. 60950-1, FCC part 15, class B, EN55022.

Murata-PS www.murata-ps.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

КВАРЦЕВЫЕ ПРИБОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ

Новые высокочастотные малошумящие прецизионные кварцевые генераторы от ОАО «Морион»

ОАО «Морион» (г. Санкт-Петербург) представляет новые высокочастотные малошумящие прецизионные кварцевые генераторы. ГК218-ТС — миниатюрный термостатированный кварцевый генератор в корпусе 25×25×10 мм. Поставляется с частотами от 48 до 500 МГц, однако в дальнейшем планируется расширение этого диапазона до 1 ГГц. Характеризуется высокой температурной стабильностью частоты (до 5.10 –8) в широком диапазоне рабочих температур, высокой долговременной стабильностью частоты (до 2.10 –7 за год) и низким уровнем фазовых шумов:до –167 дБ/Гц для частоты 100 МГц при отстройке 10 кГц. ГК218-ТС имеет выходной сигнал SIN и напряжение питания 12 или 5 В. Характерной особенностью новой модели является малое время установления частоты — не более 60 с. Доступен вариант исполнения в корпусе с SMA разъемом. ОАО «Морион» завершает также разработку кварцевого генератора ГК219-ТС с теми же габаритноприсоединительными размерами, как и у описанного выше ГК218-ТС. Обладая схожими электрическими характеристиками, ГК219-ТС будет иметь существенно более высокую стойкость к внешним воздействующим факторам. Предназначен для специальных применений и будет поставляться в категории качества «ВП». Уникальные характеристики делают указанные генераторы эффективным решением для применения в различных типах радиолокационного оборудования, а также для любых видов синтезаторов частот. Дополнительная информация об этих и других новых приборах доступна на обновленном сайте www.morion.com. ru. ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Микроминиатюрные высококачественные MEMS-микрофоны от Analog Devices

Компания Analog Devices анонсировала новые микроминиатюрные ненаправленные микрофоны ADMP404 и ADMP405, изготовленные по технологии MEMS. Они отличаются от аналогичных изделий других фирм низкой ценой, высоким качеством преобразования звука (плоская амплитудно-частотная характеристика в полосе 100 Гц…15 кГц), а также высоким соотношением сигнал/шум и малым энергопотреблением. Новые микрофоны найдут применение в телефонии, радиостанциях и гарнитурах, звукозаписывающей и бытовой аппаратуре. Краткие технические характеристики: – сверхминиатюрный корпус: 3,35×2,50×0,88 мм; – отношение сигнал/шум: 62 дБА;

– высокая чувствительность: -38 дБн; – полоса рабочих частот: 100 Гц…15 кГц (ADMP404) и 200 Гц…15 кГц (ADMP405); – номинальное напряжение питания: 1,5…3,6 В; – номинальный ток потребления: менее 250 мкА; – аналоговый выход. Микрофоны доступны для заказа в образцах, серийное производство запланировано на июнь 2010 года.

Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Мощные светодиоды серии Shwo от компании Everlight

Перспективная серия мощных светодиодов Shwo производства компании Everlight привлекает внимание разработчиков своими превосходными фотометрическими и конструктивными параметрами. Белые светодиоды Everlight по оттенкам подразделяются на три основные группы: белые теплые (цветовая температура 2580…3710К), белые нейтральные (3710…4745К) и белые холодные (4745…7050К). По сравнению с традиционным делением оттенков светодиодов на теплые и холодные, такой подход позволяет пользователям более точно подбирать тональность освещения в зависимости от характера освещаемого помещения или объекта, а также варьировать освещение произвольным образом. Высокий коэффициент цветопередачи светодиодов (CRI = 75) дает возможность достоверно воспринимать цвета освещаемых объектов. Кроме оттенков белого представлена широкая палитра красного, оранжевого, зеленого, синего и фиолетовых цветов для различных приложений основного и вспомогательного освещения. Выбор мощности от 0,3 до 15 Вт в сочетании с миниатюрными габаритами SMT-корпуса (3,5×3,5×1,85 мм) обеспечивают решение практически любых задач современной светотехники.

Everlight Electonics www.everlight-electronics.ru

Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО

Новые сверхъяркие светодиоды FM-3528 от Nationstar

Известный китайский производитель Nationstar расширяет линейку сверхъярких светодиодов FM-3528. Широкий спектр светодиодов всех цветов и оттенков, включая полноцветные RGB-светодиоды для уличных телевизионных экранов и динамической подсветки, постоянно пополняется новыми изделиями благодаря технологическому прогрессу в производстве сверхъярких светодиодов. В качестве последней разработки компании следует отметить светодиод FM-3528WD-460U. При рабочем токе в 20 мА типовая мощность светового потока соответствует 2700 мкд, что является превосходным показателем для светодиода с широким углом обзора 110 градусов. Подобные фотометрические параметры позволяют создавать на основе FM-3528WD460U компактные и экономичные световые приборы, не

Электронные компоненты №5 2010

95

требующие специальных мер для отвода тепла, которые требуются при использовании мощных светодиодов. Типовое рабочее напряжение 3,1 В значительно ниже, чем у большинства белых светодиодов, что ощутимо снижает нагрузку на блок питания. Малые размеры корпуса 3,2×2,8×1,9 мм, герметичное исполнение и широкий рабочий температурный диапазон предоставляют разработчикам большие возможности для создания источников как основного так и специализированного освещения, различных фонарей, напольных и настенных светильников, а также интерьерной, рекламной и ландшафтной подсветки.

Nationstar www.nationstar.ru

Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО

Драйвер мощных светодиодов Macroblock MBI6652

Срок службы мощных светодиодов зависит от стабилизированного источника тока, рабочая величина которого должна точно соответствовать требованиям технической документации. Создание подобных источников тока значительно упрощается при использовании специализированных микросхем драйверов, разработанных с учетом всех особенностей эксплуатации мощных цепей питания. Компания Macroblock предлагает оптимальные решения для таких задач. Новая микросхема MBI6652 является продолжением семейства импульсных драйверов MBI6650/6651. Высокая степень интеграции позволила создать однокристальный контроллер, сочетающий в себе стабилизатор тока и полный комплекс защиты светодиодных цепей. Минимальное количество внешних компонентов позволяет создать на основе этого драйвера блок питания с КПД около 96%. Надежность светового источника обеспечивается встроенными схемами плавного включения, защитой при обрыве или коротком замыкании, элементами термоконтроля и аварийным отключением при снижении входного напряжения ниже допустимого минимума. Варианты конструктивного исполнение драйвера включают корпуса SOT-23-6L и MSOP-8L. Микросхемы обеспечивают возможность регулировки яркости нагрузки с рабочим током до 750 мА. Широкий диапазон напряжения входного питания от 6 до 30 В и устойчивая работа при низких температурах позволяют использовать устройство в автомобиль-

ных источниках света, а также в разнообразных приборах уличной и интерьерной подсветки.

Macroblock Inc. www.macroblock.ru

Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Модуль для вычисления параметров синусоидального сигнала

В модуле применен алгоритм, обладающий следующими особенностями: – без сглаживающего окна; – без Фурье-анализа и преобразования Гильберта; – работает в режиме реального времени. Области применения модуля: – UPS с HotSync; – быстродействующие блоки для защиты от бросков напряжения; – быстродействующие анализаторы качества электроэнергии; – измерители амплитуды и частоты переменного напряжения/тока/мощности с высокой частотой обновления показаний. algorithmist@mail.ru

Microchip Technology Тел.: (812) 325-5115 sale@gamma.spb.ru www.microchip.com «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru «Политекс», ООО 123308, Москва, Хорошевское ш., 43-В Тел./факс: (495) 755-91-15 box@radiodetali.ru www.radiodetali. ru «Элтех», ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

96

| СПРАВОЧНЫЕ И ТОРГОВЫЕ КИОСКИ СОБЕРЕТ СПЕЦЭКСПОЗИЦИЯ | В рамках российской выставки средств и систем отображения информации DISPLAY-2010, которая пройдет в Москве осенью 2010 г, будет организована специализированная экспозиция «Справочные и торговые киоски и терминалы». В последние 5 лет информационные и платежные киоски являлись самым массовым продуктом, в котором использованы новые дисплейные технологии. Надежные всепогодные дисплеи с сенсорным экраном являются одновременно элементом HMI и носителем рекламной информации. Однако прогресс не стоит на месте — на рынке появляются технические и технологические новинки, а также новые области приложения интерактивных терминалов: торговые сети с элементами Digital Signage; государственные и образовательные учреждения; системы оплаты проезда на транспорте, АЗС, в сетях общественного питания; информационные сети бизнес-центров, жилых домов и поселков; автосалоны, развлекательные комплексы и т.д. Экспозиция «Справочные и торговые киоски и терминалы» соберет на одной площадке все многообразие киосков и платежных терминалов — серийно выпускаемых и перспективных изделий. К участию приглашены отечественные производители и зарубежные поставщики. Выставка DISPLAY проводится в рамках Российской недели электроники — крупнейшего мероприятия страны в области электроники и информационных технологий. Выставка DISPLAY: www.display-expo.ru. Российская неделя электроники: www.russianelectronicsweek.ru. Для контактов: Константин Морозов, дирекция выставки DISPLAY-2010 +7 (495) 287-4412, info@display-expo.ru

WWW.ELCP.RU