Bei der Entwicklung von High-End-Anwendungen wie Robotik, industriellen Antrieben oder bei Applikationen für elektrische Fahrzeuge stehen Energie, Leistung, Effizienz und Sicherheit an erster Stelle. Die Wahl des optimalen Mikrocontrollers trägt erheblich dazu bei, diese Ziele zu erreichen. Dieser muss qualitativ hochwertig, flexibel und leistungsstark sein, effizient arbeiten und über Funktionen verfügen, mit denen sie sich an eine anspruchsvolle Umgebung anpassen kann, die sich ständig verändert.
Die Anforderungen an die Steuerungen in modernen Industrieanlagen werden immer komplexer und die zu verarbeitenden Datenmengen immer größer. Dies stellt Entwickler und Entwicklerinnen von solchen Steuerungen vor enorme Herausforderungen. Die Systeme müssen diese Datenmengen sowohl effizient verarbeiten als auch die Integrität der Daten wahren. Dabei sind eine effiziente Verwaltung und Zuweisung von Ressourcen innerhalb der CPU sowie die Nutzung des internen und externen Speichers von großer Bedeutung.
Darüber hinaus gibt es in industriellen Anwendungen verschiedene Echtzeitvorgaben. Damit alle Aufgaben sicher innerhalb dieser Zeiten ausgeführt werden, müssen Verzögerungen oder Fehler auf ein absolutes Minimum begrenzt werden. Bei einer Rund-um-die-Uhr-Produktion kann das in der Praxis schwer umsetzbar sein, z. B. aufgrund regelmäßiger Software-Updates, deren Turnus und Dauer nicht immer bekannt ist.
Für einen unterbrechungsfreien Betrieb des gesamten Systems in einem industriellen Umfeld sind mehrere Schlüsselfunktionen und Integrationen erforderlich, um die Zuverlässigkeit, Leistung und Kompatibilität mit den spezifischen Anforderungen der Anwendungen zu gewährleisten. Dazu gehört es, Komponenten in Industriequalität einzusetzen, welche sich durch eine lange Lebensdauer sowie einen erweiterten Temperatur- und Spannungsbereich auszeichnen. Der Mikrocontroller muss außerdem die richtigen Schnittstellen und die dazugehörigen Kommunikationsprotokolle unterstützen und mit einer breiten Palette an industriellen Software-Tools und -Bibliotheken kompatibel sein.
Ein Baustein, der diese Kriterien erfüllt, ist der 32-Bit-Mikrocontroller XMC7000 von Infineon. Er basiert auf dem Arm® Cortex®-M7-Prozessorkern und wurde in erster Linie für industrielle Zwecke entwickelt. Hierfür ist er mit verschiedenen Peripherien, wie z. B. CAN-FD, TCPWM und Gigabit-Ethernet, sowie mit Features für die Hardware-Sicherheit ausgestattet. Seine Low-Power-Modi reichen bis hinunter auf 8 µA. Durch seinen breiten Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C bietet der XMC7000 eine hohe Widerstandsfähigkeit in rauen Industrieumgebungen. Um die Designanforderungen möglichst genau zu erfüllen, bietet der XMC7000 mit vier verfügbaren Package/Pin-Types und 17 Varianten eine hohe Skalierbarkeit in Bezug auf die Anzahl der Prozessorkerne und die Größe des Flash-Speichers und des RAMs.
Für eine zuverlässige und sichere Interoperabilität aller wichtigen Komponenten zur Motor- und Leistungssteuerung, wie Motoren, Antriebe, Steuerungen oder Sensoren, ist ein robustes lokales Kommunikationsnetzwerk erforderlich. Hierfür bringt der XMC7000 standardisierte Kommunikationsschnittstellen wie CAN-FDs, Serielle Kommunikationsbausteine (SCB) und Ethernet-Schnittstellen mit. Ein externer Speicher, eine SDHC-Schnittstelle, eine I2S/TDM-Schnittstelle und zahlreiche I/Os erleichtern die Integration und Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten und Plattformen.
Meist müssen Aufgaben, wie die Erfassung von Sensordaten oder die Ansteuerung von externen Leistungshalbleitern, in Echtzeit erfolgen. Um solchen Anforderungen gerecht zu werden, ist der XMC7000 mit bis zu zwei Arm Cortex-M7-Kernen mit Taktraten von bis zu 350 MHz, bis zu 8 MByte Flash und bis zu 1 MByte SRAM ausgestattet. Hinzu kommen 256 kByte Work-Flash, der im Gegensatz zum Code-Flash für eine deutlich häufigere Neuprogrammierung optimiert ist.
Schutz gegen Cyberbedrohungen
Die zunehmende Konnektivität und der umfangreiche Datenaustausch in Fertigungs- und Automatisierungsumgebungen führen zwangsläufig zu Cyber-Bedrohungen. Motor- und Leistungssteuerungssysteme sind hierfür besonders anfällig, Angriffe können die Produktionsprozesse empfindlich stören und eine Gefahr für sensible Daten darstellen.
Angesichts dieser Risiken sind Sicherheitsmaßnahmen wie Secure-Over-The-Air- (SOTA) Firmware-Upgrades und Secure-Boot entscheidend, sodass die richtige Firmware sicher ausgeführt wird. Feste Verankerungen inklusive Verschlüsselung, Zugangskontrollen sowie Systeme zur Erkennung von Eindringlingen tragen ebenfalls zum Schutz gegen diese Bedrohungen bei. Diese Funktionen übernimmt der integrierte Arm Cortex M0+, der diese Aufgaben in Echtzeit ausführt.
A/D-Wandler, Timer/Counter und PWMs (TCPWM) sind essentielle Komponenten
Zur Unterstützung von Anwendungen mit Mehrachsenantrieben und synchronem Sampling von analogen Sensorsignalen besitzt die MCU drei unabhängige ADCs mit vorgeschalteten Multiplexer nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation (SAR) mit geringsten Latenzzeiten für das Echtzeit-Sampling. Der XMC7000 verfügt außerdem über eine hohe Anzahl an flexibel einsetzbaren TCPWM-Blöcken. Zum Beispiel für die Ansteuerung von Drehstromasynchron-Motoren kann durch geschickte Anpassung des Tastverhältnisses des PWM-Signals die durchschnittlich an den Motor angelegte Spannung fein abgestimmt werden, um damit eine optimale Leistung und Reaktionsfähigkeit zu erreichen. Hierfür sind die TCPWM-Blöcke auf Hardwareebene miteinander verbunden und bieten eine Vielzahl and Möglichkeiten zur Parametrierung. Hinzu kommen spezielle PWM-Module für die Motorsteuerung, welche Funktionen wie eine erweiterte Quadratur, eine asymmetrische PWM-Erzeugung und die Totzeiteinstellung mitbringen.
Darüber hinaus verfügt der XMC7000 über weitere, spezielle I/O-Eigenschaften, sogenannte SMART I/Os. Diese können als digitale Verbindungslogik (AND, OR, XOR und vordefinierte LookUp-Tables) parametriert werden. Eingangssignale lassen sich somit ohne Eingriff der CPU verarbeiten. Damit lässt sich z. B. im Energiesparmodus des Controllers ein bestimmtes Muster an einem oder mehreren Pins erkennen und darauf reagieren (Sicherheitsschaltung).
Entwicklungswerkzeuge
Für den XMC7000 gibt es viele Softwarelösungen, die dem Anwender die Entwicklung z. B. von Motorsteuerungen oder Anwendungen zur Energieumwandlung erleichtern. Infineon stellt dafür die Entwicklungsplattform ModusToolbox™ zur Verfügung, dieSoftware-Tools und Ressourcen zur Verfügung stellt, die den Design-Prozess vereinfacht. Sie lässt sich eigenständig oder vollständig in die Eclipse-basierte IDE integriert einsetzen. Ihr nutzerfreundlicher Geräte-Konfigurator ermöglicht die konsistente Entwicklung über verschiedene Industriestandardkonforme Plattformen hinweg, etwa Eclipse, VS-Code oder IAR. Außerdem gehört eine Reihe an Entwicklungswerkzeugen, Bibliotheken und embedded Runtime-Assets zu ModusToolbox. Sie ist kostenfrei erhältlich und unterstützt viele weitere Infineon-Produkte.
Demonstration der Steuerung eines Roboterarms mit dem XMC7000: https://www.youtube.com/watch?v=Su1ZCZ-LtoY
Hauptmerkmale des XMC7000 32-Bit-MCU
- als Single- oder Dual-Core auf Basis des 350-MHz-Arm-Cortex-M7 und 100-MHz-Arm-Cortex-M0+ für Kryptografie
- bis zu 8 MB Flash, bis zu 1 MB SRAM und I/D-Cache
Spannungsbereich: 2,7 - 5,5 V
Erweiterter Temperaturbereich von bis zu 125 °C
Schnittstellen
- CAN FD mit bis zu zehn Kanälen, SCB mit bis zu elf Kanälen
- eMMC, SMIF (QSPI/HS-SPI), 10/100/1000-Mbit-Ethernet mit bis zu zwei Kanälen
AD-Wandler
- bis zu 96 Kanälen auf Basis von 3x 12-Bit-ADC-Units nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation (SAR ADC)
Timer
- Motor-Control mit bis zu 15 Kanälen, 87-kanalige 16-Bit-TCPWM (Timer/Counter/Pulse-Width Modulation), 16-Kanal-32-Bit-TCPWM
- Timer für Ereignisgenerierung
Gehäuse: 100-/144- und 176-Pin TQFP, LFBGA-272
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