Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №9

Применение недорогих энергонезависимых программируемых логических устройств в электронных системах


Перевод: Вахитов Артем


Рынок электронных систем охватывает применения в сфере телекоммуникационной инфраструктуры, вычислительных систем, промышленных и медицинских систем высокого технического уровня. Управление последовательностью включения-выключения, контроль напряжения и тока, мостовое сопряжение шин, преобразование уровней напряжения, управление интерфейсами, измерение температуры — вот типичные для этих приложений функции. Проектировщикам систем необходимо укладываться в жесткие графики разработки и реализовывать конструкции с минимальными затратами усилий и риском, обеспечивая при этом максимальную гибкость. Используя подход на базе программируемых логических устройств (ПЛУ, PLD) вместо ряда дискретных устройств или специализированных стандартных изделий (ССИ, ASSP), проектировщики могут сократить сроки выхода изделий на рынок, уменьшить себестоимость и габариты систем, а также повысить степень рыночной дифференциации своей продукции.

Применение ПЛУ в типовой электронной системе

На рис. 1 показана типовая электронная система с использованием ПЛУ, управляющего интерфейсами памяти, последовательностью включения-выключения источников питания, сбросом и последовательными интерфейсами.

Типовая электронная система

Рис. 1. Типовая электронная система с использованием PLD

В этой системе ПЛУ взаимодействует с микроконтроллером, специализированной ИС, специализированным стандартным изделием (ССИ) со светодиодами и Flash-памятью, используя различные уровни напряжения. Микроконтроллер отслеживает состояние системы через банки регистров ПЛУ по интерфейсам I2C, SPI или LPC. ПЛУ обеспечивает индикацию состояния посредством светодиодов и управляет интерфейсами Flash-памяти. Кроме того, ПЛУ управляет последовательностью включения-выключения и сбросом для нескольких ИС и предоставляет интерфейс для аналоговых сигналов. Наконец, оно связывается с другими компонентами на плате через мосты последовательных шин.

Проблемы применения в электронных системах

Перечислим типичные проблемы, решаемые путем применения ПЛУ в электронных системах.

Сопряжение с множеством устройств

С ростом числа устройств на плате увеличивается и количество линий ввода/вывода, необходимых для взаимодействия между этими устройствами. ПЛУ можно использовать для контроля и управления передачей множества сигналов на множество устройств. Кроме того, их можно использовать в сочетании с микроконтроллером или специализированным стандартным изделием для повышения числа доступных пользователю линий ввода/вывода. Благодаря применению передовых технологий удалось существенно уменьшить размеры логических цепей, памяти, ФАПЧ и других базовых функциональных блоков ПЛУ. Вместе с тем структура ввода/вывода остается во многом прежней, так как она требует использования особого рода цепей (например, с защитой от статического электричества), которые не столь хорошо поддаются миниатюризации с повышением разрешающей способности технологического процесса. Это ограничивает число выводов.

Надежная работа в среде с высоким уровнем шумов

Одним из основных требований к ПЛУ, применяемым в электронных системах, является эффективное управление последовательностью включения и выключения устройств на плате. Отсюда следует ряд специфических требований, в числе которых мгновенное включение, поддержка входного гистерезиса, питание от одного источника напряжением 3,3 В и реализация на одном кристалле.

Мгновенное включение

Мосты шин и логические схемы управления должны начинать работу до включения прочих устройств в системе. Это подразумевает, в частности, возможность обеспечивать включение и выключение питания других устройств в заданной последовательности для их надлежащей работы.

Входной гистерезис

В электронных системах часто вырабатываются сигналы с низкой скоростью нарастания напряжения, что обусловлено интенсивным использованием ресурсов разводки сигналов на уровне платы. Устройства с входным гистерезисом обеспечивают помехоустойчивость в условиях медленно растущих входных сигналов, повышая общую надежность системы.

Питание от источника напряжением 3,3 В

В электронных системах ПЛУ обычно питается от вспомогательного источника, так как он первым включается и первым выключается. Во многих системах напряжение на вспомогательной шине питания равно 3,3 В. Возможность непосредственно питать устройство от этой шины позволяет избежать дополнительных расходов и повышения числа компонентов, связанных с использованием дополнительного стабилизатора.

Реализация на одном кристалле

ПЛУ, для которых не требуется дополнительное ППЗУ или устройство конфигурирования, повышают общую надежность системы за счет независимой работы и минимизации числа компонентов.

Уменьшение площади печатной платы за счет функциональной интеграции

Чтобы клиенты могли менять функциональность системы и приспосабливать ее к различным стандартам, перед проектировщиками зачастую ставится задача обеспечить высокий уровень функциональности с возможностями для рыночной дифференциации и одновременно снизить общую себестоимость системы. Применение дискретных устройства и ССИ не дает нужной дифференциации и приводит к повышению числа компонентов и увеличению площади, занимаемой на печатной плате. Применение специализированных ИС (ASIC) обеспечивает возможность индивидуальной адаптации и функциональной интеграции, но отдаляет сроки выхода на рынок и повышает стоимость разработки ввиду дороговизны соответствующих комплектов фотошаблонов. Сейчас на рынке завоевывают популярность решения, которые обеспечивают функциональную интеграцию и рыночную дифференциацию, позволяя при этом сэкономить место на плате и сократить затраты.

Реализация функциональных блоков системы с использованием ПЛУ MachX02

Семейство ПЛУ MachX02 компании Lattice подходит для описанных выше системных применений. Сочетая в себе оптимизированную архитектуру со встроенной Flash-памятью на базе 65-нм технологического процесса, семейство MachX02 представляет собой гибкое универсальное решение для проектирования электронных систем.

ПЛУ семейства MachX02 позволяют проектировщикам систем обеспечить сопряжение с большим числом недорогих линий ввода/вывода, имеющих разные рабочие уровни напряжения, повысить общую надежность системы и увеличить степень функциональной интеграции с помощью всего одного устройства.

Ниже описываются отличительные черты и преимущества семейства MachX02, которые позволяют решать перечисленные проблемы проектирования электронных систем.

Большое число линий ввода/вывода

Устройства MachX02 предоставляют до 335 пользовательских линий ввода/вывода и выпускаются в широком ассортименте корпусов. Линии ввода/вывода совместимы с большим числом стандартов ввода/вывода и имеют ряд других особенностей, таких как включенный по умолчанию «подтягивающий» резистор, возможность «горячей замены» и поддержка входного гистерезиса — все это обеспечивает гибкость в реализации разнообразных конструкций.

Трехуровневое шахматное расположение контактных площадок ввода/вывода

Устройства MachX02 конструктивно ограничены числом контактных площадок. Контактные площадки ввода/вывода размещены по периметру в шахматном порядке в две или три линии, в зависимости от плотности упаковки и, соответственно, размера кристалла для данного числа линий ввода/вывода. Это особенно удобно для таких системных функций, как преобразование напряжения, мостовое сопряжение с шинами и управление интерфейсами, у которых удельное число линий ввода/вывода больше в сравнении с логическими схемами.

Асимметричная структура банков

В электронных системах преобладает ввод/вывод на низковольтной КМОП-логике (3,3 В), а применение других значений напряжения и стандартов ввода/вывода ограничено. Работая с симметричными банками ввода/вывода, проектировщики часто сталкиваются с недоиспользованием низковольтных банков. Устройства MachX02 оснащены асимметричными банками ввода/вывода (рис. 2), что позволяет проектировщикам максимизировать их использование. Это помогает в реализации функций преобразования уровней напряжения и мостового сопряжения, когда для некоторого ограниченного числа линий ввода/вывода требуется другое напряжение питания. Тем самым обеспечивается гибкость и задействуется максимальное число линий.

Асимметричные банки ввода/вывода

Рис. 2. Асимметричные банки ввода/вывода в ПЛУ MachXO2-2000, 4000 и 7000

Недорогие корпуса BGA

Семейство MachX02 выпускается в широком ассортименте недорогих корпусов для экономии места, снижения стоимости в расчете на одну линию ввода/вывода и сокращения производственных издержек. Путем электронного моделирования были найдены такие особенности конструкции подложки, которые при минимальной стоимости обеспечат достижение намеченных характеристик устройства в этих корпусах. Корпуса спроектированы таким образом, что все соединения ввода/вывода и питания разведены по двум-четырем слоям печатной платы. Это позволяет избежать применения при производстве более дорогостоящих технологий, таких как утопленные, слепые и высверленные лазером переходные отверстия. Назначение контактов ввода/вывода в корпусах MachX02 выполнено так, чтобы обеспечить возможность смены плотности упаковки в одном и том же корпусе; тем самым исключаются затраты времени и средств на разработку нового варианта платы при конструктивных изменениях.

Надежная конструкция

Ряд особенностей семейства MachX02 способствуют повышению надежности системы и ее работоспособности в условиях высокого уровня шума.

Мгновенное (менее 1 мс) включение

Сочетание Flash-памяти и СОЗУ в одном устройстве обеспечивает существенные преимущества, связанные с возможностью дистанционного обновления, мгновенным включением и энергонезависимостью. При включении питания биты конфигурации загружаются из энергонезависимой памяти устройства в СОЗУ, благодаря чему оно способно начать работать менее чем через 1 мс после включения.

Входной гистерезис

Паразитные емкость, сопротивление и индуктивность входного тракта и входного буфера замедляют время нарастания и спада входного сигнала. Как показано на рис. 3, если входной сигнал становится слишком медленным, шумовые колебания в окрестности порогового входного напряжения устройства могут приводить к многократным изменениям состояния.

Шумовые колебания

Рис. 3. Шумовые колебания в окрестности порогового входного напряжения

Буферы на триггерах Шмитта, которыми оборудованы устройства MachX02, позволяют преобразовывать медленный или зашумленный входной сигнал в чистый, прежде чем передавать его в ядро ПЛУ. Тем самым обеспечивается надежная работа в условиях высокого уровня шума. Передаточная функция буфера на триггере Шмитта имеет гистерезис, как показано на рис. 4.

Кривая гистерезиса

Рис. 4. Кривая гистерезиса

В процессе нарастания входного напряжения с 0 В до нижнего порога выходное напряжение остается равным 0 В. Только когда входное напряжение превысит верхний порог, выходное напряжение вырастет до VCC. Если на этом этапе входное напряжение снизится, это не приведет к немедленному падению выходного напряжения до нуля. Такое произойдет только в том случае, если входное напряжение станет меньше нижнего порога. Применив теорию гистерезиса к медленному и сильно зашумленному сигналу (рис. 5), можно видеть, что восстановленный из него результирующий выходной сигнал будет почти идеальным.

Применение гистерезиса

Рис. 5. Применение гистерезиса к зашумленному сигналу

Входные буферы с включенными по умолчанию «нижними подтягивающими» резисторами

По умолчанию между контактами ввода/вывода и шиной GND ПЛУ MachX02 подключены подтягивающие нагрузочные резисторы. Это предотвращает проблемы, возникающие при использовании нагрузочных резисторов, «подтянутых» к шине питания, (всплеск сигнала в виде «акульего плавника») в случае сброса подключенных к ПЛУ устройств или их запуска по сигналу с активным высоким уровнем.

Возможность питания от одного источника

Устройствам MachX02 нужен всего один источник питания. Они могут напрямую питаться от одной шины, не требуя дополнительного стабилизатора: в результате уменьшается число компонентов и повышается надежность системы.

Реализация на одном кристалле

Устройства MachX02 содержат в себе СОЗУ и Flash-память конфигурации, что устраняет потребность в ППЗУ и/или дополнительной памяти для конфигурирования.

Высокий уровень функциональной интеграции

ПЛУ MachX02 обеспечивают высокий уровень интеграции за счет таких своих архитектурных особенностей, как пользовательская Flash-память (UFM), генератор, синтезаторы с ФАПЧ, а также аппаратно реализованные интерфейсы I2C, SPI и таймер-счетчик. Тем самым экономится место на плате, уменьшается число компонентов и снижается общая стоимость системы.

На рис. 6 показано, как одно устройство MachX02 объединяет в себе множество дискретных логических компонентов, таких как расширитель ввода/вывода, преобразователь уровней напряжения, мост к шине, стабилизатор напряжения, источник тактового сигнала и устройство конфигурирования.

Интеграция функциональных блоков

Рис. 6. Интеграция функциональных блоков в ПЛУ MachX02

Интеграция внешней энергонезависимой памяти

Устройства MachX02 оборудованы встроенной Flash-памятью объемом до 256 кбайт. Эта пользовательская Flash-память на кристалле (UFM) позволяет интегрировать ПЛУ MachX02 с внешней энергонезависимой памятью, и ее можно использовать для разных целей, в том числе для хранения части конфигурационного образа и данных ППЗУ или в качестве пользовательской Flash-памяти общего назначения.

Уменьшение числа генераторов

Устройства MachX02 имеют внутренний генератор с номинальной погрешностью ±5%, который можно использовать как источник тактового сигнала в системе, при этом нет необходимости во внешнем генераторе.

Аппаратно реализованные контроллеры SPI, l2C и таймер-счетчик

Контроллеры SPI и I2C, а также таймеры-счетчики — наиболее часто реализуемые функциональные блоки электронных систем. Нередко проектировщики реализуют расширение шины SPI или I2C на базе ПЛУ. Распространено также применение тайме-ров-счетчиков для генерации сигналов состояния. Все устройства MachX02 содержат в себе аппаратные реализации этих часто используемых функций. Имея в своем распоряжении аппаратно реализованные контроллеры I2C, SPI и таймер-счетчик, проектировщики могут сэкономить до 600 LUTs ячеек (таблиц подстановки) для реализации дополнительной логики в своих конструкциях.

В таблице 1 показана экономия, которую можно реализовать за счет аппаратной реализации часто используемых функциональных блоков управления.

Таблица 1. Типичная экономия ячеек LUTs за счет использования аппаратно реализованных контроллеров I2C, SPI и таймера-счетчика

Функциональный блок Типичное необходимое количество таблиц подстановки в ПЛУ Типичное необходимое количество таблиц подстановки в ПЛУ MachX02
Контроллер SPI (Master) 115 0
Контроллер I2C (Master) 234
Таймер-счетчик 50–80

Бесплатные средства проектирования, сокращающие время разработки

Начать проектирование систем на базе ПЛУ MachX02 можно с помощью програм-много обеспечения Lattice Diamond 2.0, которое можно бесплатно загрузить с веб-сайта компании Lattice. Кроме того, с веб-сайта Lattice можно загрузить обширный пакет примеров.

В таблице 2 перечислены примеры для ПЛУ MachX02, оптимизированные для применения в различных системах.

Таблица 2. Примеры на базе ПЛУ MachX02

Управление системами Процессоры и периферия Контроллеры памяти
Последовательный интерфейс канала управления Микроконтроллер Lattice Mico8 Compact Flash
ΣΔ-АЦП Контроллер ЖКД (совместим с WISHBONE) SDRAM с режимом быстрого доступа к страницам
ШИМ-контроллер вентилятора Контроллер шины I2C для ЭСППЗУ NOR Flash
Контроллер I2S Контроллер SPI (совместим с WISHBONE) Контроллер SD с шиной SD Bus
Контроллер PMBUS Главный контроллер I2C (совместим с WISHBONE) NAND Flash
Интерфейс однопроводного датчика температуры UART (совместим с WISHBONE) SDR DRAM
Контроллер SMBUS Драйвер светодиодов (в том числе органических) Контроллер Flash-памяти с выравниванием износа

Заключение

ПЛУ MachX02 оптимально подходят для реализации типовых функциональных блоков в телекоммуникационной инфраструктуре, вычислительных системах, высокоуровневых промышленных и медицинских системах. Они отличаются рядом важных преимуществ, позволяющих снизить общую себестоимость системы. Бесплатные средства проектирования и примеры образуют в совокупности удобное комплексное решение для быстрого и эффективного проектирования систем, а также их дальнейшей модификации.

Сообщить об ошибке