Inteligenţa tehnologică: provocare sau sursă de câştig?

30 APRILIE 2009

Elemente de bază
O aplicaţie modernă, clasică din domeniul electronicii constă în general dintr-un controler central, o memorie de program, o memorie de date, periferii dedicate aplicaţiei, interfeţe de comunicare cu exteriorul (din care pot face parte şi un afişaj sau/şi o tastarură), şi o sursă de alimentare. Vom numi această aplicaţie modul electronic.
Primul criteriu pe care trebuie să-l îndeplinească acest modul electronic este de a supravieţui mediului ambiant în care acesta trebuie să lucreze. Cu alte cuvinte trebuie stabilite domeniul de temperatură, siguranţa în funcţionare, rezistenţa la distorsiuni, protecţia la plagiat şi alte criterii speciale. Majoritatea acestor criterii sunt determinate de domeniul de piaţă în care se încadrează utilizarea practică a modulului electronic. Domeniile de piaţă mai răspândite sunt: articole de consum şi de uz casnic, sisteme informaţionale, sisteme de telecomunicaţii, aplicaţii în automobile, agregate industriale, sisteme de acces şi securitate, aplicaţii militare.
Tot pe baza domeniului de piaţă şi a criteriilor din tabelul de mai jos se alege şi producătorul controlerului central sau al microcontrolerului. De exemplu pentru aplicaţii în domeniul automobilelor se pot alege producători consacraţi ca Renesas, Freescale sau NEC, producători care testează şi garantează produsele lor din punct de vedere al domeniului de temperatură, rezistenţei la distorsiuni şi protecţiei la plagiat. Producători ca Atmel sau Microchip nu au astfel de produse sau au o gamă limitată cu garanţii limitate.

Funcţii cerute de aplicaţii
Al doilea criteriu important pe care trebuie să-l îndeplinească modulul electronic este cel funcţional. Modulul electronic trebuie să asigure funcţiile cerute de aplicaţie într-un mod cât mai complet şi mai performant. Funcţiile depind de periferiile şi de interfeţele aflate pe modulul electronic. Din motive de preţ, de siguranţă în funcţionare, de rezistenţă la distorsiuni şi de simplitate a proiectării trebuie să alegem astfel de microcontrolere şi de circuite periferice care oferă un grad cât mai larg de integrare a funcţiilor cerute.
Doresc să proiectez un contor atunci am nevoie, printre altele, de următoarele funcţii: numărător, afişor, tastatură, interfaţă de citire a datelor, siguranţă în funcţionare, protecţie în caz de manipulare. Ce periferii trebuie să conţină controlerul central? Cel puţin un numărător, drivere pentru un afişor LCD, intrări suficiente şi un “interrupt” pentru tastatură o interfaţă serială pentru citirea datelor, posibilitatea unor calcule simple pentru determinarea consumului total lunar, al consumului mediu etc. Majoritatea producătorilor de microcotrolere oferă o astfel de gamă de periferii integrate pe controler. Criteriul de alegere ar putea fi preţul sau experienţa de hard şi soft a proiectantului.

Conectivitate: Dacă trebuie să implementăm şi proprietatea modernă de citire la distanţă (AMR=automatic meter reading) în contorul nostru lucrurile se complică. Există diferite metode de transmisie a datelor la distanţă: PowerLine Comunication, ZigBee şi GSM.

Una dintre cele mai sigure şi ieftine metode de transmisie a datelor este PowerLineCommunication. Aceasta este transmisia pe linia de tensiune, metodă pe care Renesas o oferă în cea mai robustă şi cea mai ieftină variantă. Circuitul integrat Renesas M16C6S conţine microcontrolerul M16C62P şi modem-ul Ytran IT800 pe acelaşi chip. M16C6S este conceput să corespundă standardelor internaţionale CENELEC A&B, FCC şi ARIB şi livrat împreună cu pachetul de soft DLL (Data Link Layer) care asigură o comunicare cu o rată până la 7,5Kbit/secundă. Datorită patentului referitor la “Differential Code Shift Keying” (DCSK) şi a filtrelor de zgomot integrate pe acelaşi chip transmisia este una dintre cele mai robuste oferite de tehnologia modernă. Folosirea liniei de curent ca suport al transmisiei la distanţe mai scurte şi preţul deosebit de convenabil al lui M16C6S face din soluţia Renesas o soluţie “low cost”.
Pentru sistemul de transmisie radio ZigBee MSC-Mibatron oferă mai multe soluţii: platforma NEC formată din circuitul RF UY2400 de la Uniband Electronic Corp. şi un microcontroler NEC de 8, 16 sau 32 de biţi după necesitate sau platforma Atmel compusă din AT86RF212 un “transceiver low-power, low-voltage” pentru gamele de 700/800/900 MHz proiectat special pentru “low-cost IEEE 802.15.4, ZigBee” şi rate ridicate de transmisie cerute de aplicaţii ISM şi din AT86RF230/231 pentru ZigBee pe 2,4GHz.
La transmisia GSM vă recomandăm pe lângă microntrolerele necesare modulele GSM/GPRS de la Falcom, Teltonika, Telit şi nu în ultimul rând modulele Siemens (Sinterion).
În general se poate spune că funcţia de conectivitate este asigurată de interfeţe special proiectate pentru diferite distanţe şi diferite viteze de transmisie după cum se vede în figura. Pentru transmisia de date la distanţă foarte mică de exemplu în acelaşi aparat sau în automobil se folosesc interfeţele LIN sau CAN care oferă şi o bună protecţie la distorsiuni. Colectarea datelor de la contoarele unui bloc de apartamente şi transmisia lor la concentratorul din faţa transformatorului de reţea se face prin PowerLine Communication sau Home RF, metode de comunicaţie robuste cu viteză de transmisie mai mare (cca. 7,5 Kbaud). Comunicarea cu lumea exterioară la mică distanţă dar cu rate de transmisie de la 20 la 1000Kbit/sec se face cu interfeţele ZigBee, Bluetooth sau Ethernet. La distanţe mari şi la viteze mari de transmisie se foloseşte W-LAN sau GSM/GPRS.
Alte exemple de funcţii sunt funcţiile computerului industrial ca de exemplu: achiziţia de date, procesarea datelor, afişarea şi acţionarea diferitelor agregate periferice. Pe primul loc în tehnologia modernă a calculatoarelor industriale se află computerul pe un chip de la Renesas care înglobează toate funcţiile de mai sus la un preţ record de sub 10,- EUR la cantităţi medii (ex. 1000 buc.). Microprocesorul SH7203, oferit de MSC-Mibatron, realizează 480 de MIPs la o frecvenţă de tact de 200MHz, şi dispune de o unitate aritmetică cu virgulă flotantă “Floating Point Unit” extrem de eficientă la calculul impus de algoritmi complecşi, un controler pentru un display TFT (VGA), memorie cash, memorie RAM şi memorie RAM cu consum foarte redus pentru alimentare la baterie pe perioada de decuplare de la tensiunea de alimentare, unitate de timere, watchdog timer, unitate “real time clock”, controler pentru accesul direct al memoriei externe (DMAC), convertor A/D şi D/A.
O gamă întreagă de interfeţe facilitează microprocesorului comunicarea cu lumea exterioară. La computerul “chip” se poate ataşa un display TFT, o memorie externă DRAM sau SSD (Solid State Device), o tastatură pe una din interfeţele seriale şi un sistem de operare. Astfel de computere pot prelua date analogice pe care le digitalizează şi le prelucrează în “real time”.
Unitatea aritmetică cu virgulă flotantă poate prelucra datele digitale în “real time” mai performant decât un DSP (Digital Signal Processor), în special atunci când este vorba de algoritmi complecşi (vezi figura).
În principiu, după definirea domeniului de aplicaţie şi a funcţiei corespunzătoare fiecare proiectant trebuie să-şi facă un tabel cu producătorii cei mai importanţi care oferă produse similare la acelaşi nivel de calitate şi în domeniul necesar de temperatură.

Aplicaţie: Contor cu ARM (automatic reading meter)
Memorii cerute de aplicaţii
Tradiţionalele memorii semiconductoare se împart în două categorii: SRAM (static random access memory) şi DRAM (dynamic random access memory). Cele două tipuri de RAM sunt uşor de folosit, au performanţe bune (scriere şi citire rapidă a datelor memorate) dar pierd conţinutul memorat atunci când sunt decuplate de la tensiunea de alimentare. Memoriile semiconductoare “nonvolatile” menţin informaţia memorată şi după decuplarea de la tensiunea de alimentare. Majoritatea acestor memorii provin din tehnologia ROM (read only memory) şi sunt de tipul MaskROM, EEPROM (electrically erasable ROM) şi FLASH (FlashROM). Tipul MaskROM este cel mai ieftin şi se programează direct de către producător în cadrul procesului de producţie al circuitului integrat prin difuzie în cristalul de siliciu.
Tipul EEPROM este şi el învechit deoarece necesită o ştergere a conţinutului memoriei prealabil unui nou proces de memorare. Atât EEPROM-ul cât şi FLASH-ul au nevoie de o tensiune (internă sau externă) de cel puţin 5V pentru programarea lor şi un timp îndelungat (msecunde) în ciclul de scriere a datelor. De asemenea, repetabilitatea scrierii în memoriile FLASH este limitată (de ex. 10000 de scrieri) stabilind destinaţia aplicativă a acestora ca memorie de program. Ca memorie de date aceste tipuri de memorie nu sunt recomandate deoarece limitează numărul de scriere/citire la majoritatea aplicaţiilor. Tehnologia FLASH de ultimă versiune este mai avansată având posibilitatea de scriere la tensiuni de 5V şi oferind un număr mai mare de cicluri scriere/citire (cca.100000 de cicluri). Această proprietate le face folosibile şi ca memorie de date. Durata ciclului lor de scriere rămâne însă relativ mare.
Cele mai noi şi mai evoluate memorii sunt memoriile FRAM (ferroelectric random access memory) care combină atât rapiditatea de scriere/citire şi numărul nelimitat de cicluri de scriere/citire a memoriilor RAM cât şi proprietatea de a menţine datele şi după deconectarea de la tensiunea de alimentare (nevolatilitate). Ele sunt ceva mai scumpe şi au capacităţi până la 4Mbiţi dar funcţionează în domeniul extins de temperatură la tensiuni de 3V sau 5V având un consum foarte redus de curent. Memoriile FRAM sunt ideale ca memorii de date nevolatile şi se utilizează acolo unde timpul disponibil pentru scriere este scurt şi unde este nevoie de acces la modificare octet cu octet (practic sunt EEPROM-uri cu timp de scriere aproape la fel de scurt ca la RAM). De asemenea ele sunt soluţia ideală acolo unde este nevoie de o modificare dinamică a programului unui microcontroler (proprietatea de autoadaptare la schimbările mediului înconjurător sau a modificării datelor de prelucrat) cât şi în cazul unui, tot mai des folosit, service de la distanţă (remote service) sau al autoreparării (selfservice).
Ultimele două proprietăţi sunt din ce în ce mai folosite în electronica modernă deoarece oferă soluţii durabile la costuri reduse. Firma MSC-Mibatron vă poate oferi toate tipurile de memorii şi memoriile FRAM de la RAMTRON.

Siguranţa programelor
Siguranţa programelor se împarte în două categorii clasice: siguranţa în funcţionare şi siguranţa la plagiat. Ambele criterii de siguranţă sunt importante. Dacă programul unui microcontroler nu funcţionează corect produsul final poate deveni neutilizabil. Dacă acest program poate fi copiat uşor riscul ca acest produs să fie copiat şi oferit pe piaţă de altă firmă este mare.

Siguranţa în funcţionare poate fi îmbunătăţită prin următoarele metode:
– test cât mai complet al programului
– folosirea unui microcontroler şi a unei memorii de calitate (cu durată de viaţă lungă)
– utilizarea componentelor în domeniul de temperatură corespunzător aplicaţiei
– folosirea unor rutine de software recomandate de producător sau de alţi programatori
– utilizarea organigramelor la programarea microcontrolerului
– programarea într-un limbaj superior (ex. limbaj C).

Siguranţa la plagiat poate fi asigurată după cum urmează:
-injectarea programului în sistemul hardware deja fabricat şi în propria firmă
– folosirea unor microcontrolere cu memorii protejate la copiat
– folosirea unor codificări de protecţie în hardware şi/sau software
– folosirea de cât mai multe ASIC-uri (Aplication Specific Integrated Circuits)
– folosirea de FPGA (Field Programmeble Gate Array) cu protecţie
– proiectarea integrală a sistemelor pe un chip.

Sisteme pe un singur chip
În afară de Microcontrolerele Renesas de tip SH72XX, care se apropie considerabil de un sistem pe un chip, grupul de firme german MSC/Gleichmann, de care aparţinem, oferă posibilitatea proiectării unor ASICs (Aplication Specific Integrated Circuits) sau chiar a unor SOCs (SistemsOnChip) dedicate unor aplicaţii concrete şi aparţinând exclusiv unui client. După finalizarea proiectului de către client urmează simularea acestuia folosind componente convenţionale cum ar fi: microcontrolere, memorii, interfeţe, intrări, ieşiri etc. Simularea şi testarea în fază convenţională a sistemului asigură buna funcţionare ulterioară a sistemului integrat. Centrul nostru de proiectare ASIC/SOC din Germania facilitează transpunerea sistemului pe un cristal de siliciu printr-o reproiectare adecvată şi realizarea fizică a circuitului integrat complex la unul dintre producătorii noştri contarctuali. Parteneri ai lui MSC cum ar fi: Actel sau Lattice oferă o combinaţie între ASIC şi SOC cu posibilitatea programării la client, numite FPGA (Field Programmable Gate Array).
Sistemele ASIC/SOC în diferitele lor variante oferă cel mai înalt grad de siguranţă în funţionare şi de evitare a plagiatului fiind proiectate şi realizate fizic dedicat unei anumite aplicaţii şi exclusiv pentru un singur proprietar. Aceste circuite speciale pot costa între 2,- şi 500.-EUR bucata în funcţie de nivelul integrării şi de proprietăţile lor.
Preţul întregului sistem poate fi totuşi relativ redus ţinând cont de faptul că dimensiunea/dimensiunile plăcii sau plăcilor imprimate se reduc considerabil. De asemenea circuitul de alimentare se reduce simţitor din cauza puterii scăzute pe care o absoarbe un astfel de ASIC/SOC. Introducerea programului funcţional în memoria circuitului se face de către proprietarul său sau de producător la cererea explicită a proprietarului. De asemenea tot proprietarul activează sistemul de protecţie al cicuitului.
In figura se descrie posibilitatea integrării funcţiilor analoge pe acelaşi chip cu sistemul digital. Până acum lumea analogă se afla în afara sistemului digital, circuitul digital comunicând prin convertoarele A/D şi D/A cu aceasta.
Familia Fusion de la Actel reprezintă în premieră un mix între lumea digitală şi cea analogă pe acelaşi chip. Acest SOC poate fi programat ca orice microcontroler cu memorie FLASH pe acelaşi chip.
Figura de mai jos arată gradul extins de integrare al familiei de SOC numită “Fusion”. Pe lângă funcţiile normale cerute de aplicaţia respectivă acest sistem posedă şi o unitate de “thermal management” adică de protecţie la supraâncălzire, o unitate de “power management” cu alte cuvinte un sistem de minimizare a consumului de energie şi o unitate de “clock management” care poate schimba tactul oscilatorului în funcţie de rapiditatea de procesare cerută şi de reducerea la un minim al consumului.
Blocul FPGA/ASIC este blocul digital de efectuare a operaţiilor logice care poate conţine şi alte funcţii digitale dedicate aplicaţiei cum ar fi: interfaţă pentru afişor, bloc de “timere” pentru măsurarea duratelor sau/şi acţionarea de motoare electrice, block de citire a câmpului de taste, şi altele. SOC-ul are o memorie de executare a programului (DRAM), o memorie de date volatilă foarte rapidă (Cashe SRAM) şi o memorie nevolatilă de date (NV FLASH). Şi toate acestea inclusiv interfeţele cu lumea exterioară pe un singur chip.

Cele descrise mai sus au un caracter general şi pot servi proiectanţilor ca orientare la introducerea unor tehnologii noi în produsele electronice. Cu cât se folosesc componente mai moderne cu proprietăţi deosebite în noile aparate proiectate, cu atât acestea vor fi mai căutate pe piaţă, ele se vor putea vinde la preţuri mai ridicate corespunzător ideilor originale transpuse în practică şi a calităţii lor superioare.

Dr.ing. Alexandru Bălănescu
Director General
MSC-Mibatron s.r.l.
O firmă a grupului MSC Vertriebs GmbH
bucuresti@msc-ge.com
www.msc-ge.com

Str. Barbu Văcărescu nr. 129, Et. 1, B-020272 Bucureşti – 2
Tel./Fax +40 (21) 2302530
Tel +40 (31) 1023466

COMPETENÞÃ ÎN ELECTRONICÃ

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre