8-разрядные микроконтроллеры Renesas серии H8300L Super Low Power для применения в электронных счетчиках

Недавно образованная компания Renesas предлагает микроконтроллеры серии H8/300L Super Low Power для устройств со сверхнизким энергопотреблением.

1 апреля 2003 года полупроводниковые производства компаний Hitachi и Mitsubishi Electrics были объединены в единую компанию Renesas. Основой бизнеса является производство микроконтроллеров с разрядностью от 4 до 32. Целью объединения компаний было:

• Увеличение производства микросхем с большой степенью интеграции.
• Снижение затрат на разработку новых изделий.
• Выход на лидирующие позиции в производстве компонентов для сотовых сетей, автомобилей и бытовых цифровых устройств.

В новую компанию перешли только полупроводниковые производства компаний за исключением подразделений, выпускающих DRAM. За рамками компании Renesas остались производство ЖК-дисплеев, которое осталось в Hitachi (подразделение «Дисплеи»), производство силовых модулей (производства остались как в прежней компании Hitachi (подразделение «Силовые компоненты»), так и в Mitsubishi), а также производство усилительных RF-модулей, которое присутствовало в прежней компании Mitsubishi. Таким образом, в Renesas из материнских компаний были перемещены только полупроводниковые производства, не требующие использования каких-либо дополнительных гибридных технологий. Это объединение позволяет новой компании сфокусироваться только на выпуске микроконтроллеров, схем памяти, логических микросхем, аналоговых и дискретных компонентов общего назначения и сразу же занять лидирующие позиции на рынке. По данным аналитической компании Dataquest, объединенная компания Renesas должна стать производителем полупроводников № 2 в мире, уступая только такому монстру, как Intel, а также должна стать производителем № 1 микроконтроллеров для промышленного применения. Вклад Hitachi в новую компанию составляет 55% против 45% у Mitsubishi.

В дальнейшем в статье будет использовано обозначение Renesas (H) для разработок, которые были выполнены инженерами бывшей компании Hitachi, но сейчас предлагаются покупателям под маркой и от имени компании Renesas.

Компания Renesas (Н) разработала серию микроконтроллеров Н8/300L SLP (Super Low Power) специально для новейших микропроцессорных систем, где требуется сверхнизкое энергопотребление. В настоящее время существует более 100 представителей этого семейства, которые предлагаются потребителям с различными типами ПЗУ, разными объемами ОЗУ, периферийных модулей, а также типов корпусов (табл. 1).

Основными областями применения микроконтроллеров семейства H8/300L SLP являются системы, где важна длительность работы системы и индикатора от автономного или ограниченного по мощности источника питания. В частности, такими системами являются:

• автоответчики;
• регистраторы данных;
• пожарные и охранные системы;
• датчики потока;
• электронные однофазные и трехфазные счетчики электроэнергии;
• медицинское диагностическое оборудование: измерители давления, измерители уровня сахара в крови, датчики сердечного ритма;
• телеметрическое оборудование.

В настоящее время в Европе микроконтроллеры серии Н8/300L SLP уже используются в таких приложениях, как электронные счетчики электроэнергии (рис. 1), воды, газа, а также в медицинском оборудовании. Компания Renesas с этой серией микроконтроллеров смогла занять около 70% европейского рынка электрических счетчиков. Успех связан в первую очередь с великолепным набором характеристик, идеально подходящим для электронных счетчиков. Основой микроконтроллера является высокопроизводительное ядро Н8, в контроллер встроена вся необходимая для счетчиков периферия, включая драйвер ЖК-дисплея, часы реального времени и специализированный асинхронный счетчик. Также микроконтроллеры характеризуются сверхнизким энергопотреблением, множеством энергосберегающих режимов и широким диапазоном рабочего напряжения: от 1,8 до 5,5 В. По словам производителя, энергии типовой для счетчиков батареи питания емкостью 1400мА·ч должно хватить более чем на 9 лет автономной работы. Это стало возможным благодаря встроенной функции быстрого запуска осциллятора, за счет чего существенно снижены ненужные потери электроэнергии при переходных процессах.

Для быстрейшего внедрения в производство электронных счетчиков на базе микроконтроллеров H8/300L Super Low Power производитель предлагает базовые эталонные платформы (рис. 2 и 3), а также полный комплект документации, включающий в себя принципиальную схему, исходные коды программ на языке С и т. д. Документация становится доступна заказчикам после подписания договора о неразглашении информации третьим лицам.

Несколько слов об архитектуре микроконтроллеров и их периферии. Микроконтроллеры семейства H8/300L SLP имеют общее для всех 8-разрядных микроконтроллеров Renesas (H) 8/16-разрядное ядро H8/300 и полностью совместимы по коду со всеми старшими членами семейств H8 компании Renesas (H). Полная программная совместимость дает пользователю возможность при необходимости легко перейти с 8-разрядного микроконтроллера на более передовой 16-разрядный (семейства H8/300H или H8S). Этот переход может быть необходим в дальнейшем, когда понадобится более производительный микроконтроллер с увеличенными объемами ОЗУ и ПЗУ. В случае такого перехода не возникнет необходимости снова разрабатывать систему, затрачивать средства на отладочные системы и т. д.

Как и во всех других микроконтроллерах Renesas (H), ядро микроконтроллеров семейства H8/300L SLP специально разработано для программирования на языках высокого уровня. Микроконтроллер обладает линейным адресным пространством с возможностью адресации до 64 К ячеек ПЗУ, а также регистрами общего назначения (РОН). РОН могут использоваться или как 8 16-разрядных регистров или как 16 8-разрядных регистров (рис. 4).

Ядро характеризуется следующими показателями производительности:

• все основные команды, к которым относятся и математические команды, выполняются за 2–4 такта;
• 8- или 16-разрядные операции по сложению или вычитанию «регистр-регистр» выполняются за 0,67 мкс (на тактовой частоте 3 МГц);
• умножение 8×8-бит: 4,67 мкс (на тактовой частоте 3 МГц);
• деление 16ч8-бит: 4,67 мкс (на тактовой частоте 3 МГц);

Все микроконтроллеры серии H8/300L SLP, за исключением новейшего Н8/3802 и его клонов с flash-памятью Н8/38004 и Н8/38002, имеют очень близкий набор периферийных устройств.

Основные параметры микроконтроллеров:

• Напряжение питания — от 1,8 до 5,5 В.
• Встроенный в микроконтроллер драйвер ЖКИ (25×4, 32×4 или 40×4).
• Один 16-разрядный таймер.
• Три 8-разрядных таймера (один в Н8/3802 и клонах).
• Один сторожевой таймер (нет в Н8/3802 и клонах).
• Один асинхронный таймер для подсчета внешних событий.
• Два USART (один в Н8/3802 и клонах).
• Для реализации часов реального времени есть возможность подключения к МК второго кварца с частотами 32,768 кГц или 38,4 кГц.
• От 4 каналов АЦП для Н8/3802 и его клонах до 10–12 каналов 10-разрядного АЦП со временем преобразования 15,5 мкс на канал при тактовой частоте 2 МГц.
• Встроенный в микроконтроллер Н8/3802 и его клоны интерфейс Е10Т, предназначенный для внутрисхемной отладки и программирования. Данный интерфейс отсутствует у микроконтроллеров с ОТР-ПЗУ.

В настоящее время производитель массово выпускает микроконтроллеры семейства H8/300L SLP первого поколения (см. рис. 5). Базовыми микроконтроллерами были Н8/3887 и Н8/3867, являющиеся наиболее высокотехнологичными изделиями. Оба этих микроконтроллера имеют на кристалле 5-В источник напряжения для нужд LCD-драйвера. Продолжением серии являются микроконтроллеры Н8/3847 и Н8/3827 полностью совместимы с вышеуказанными «соответственно» по выводам и программно, но являются более дешевыми по причине отсутствия некоторых особенностей. Все эти микроконтроллеры работают на максимальной частоте до 6 МГц.

Н8/3847R и Н8/3827R разработаны для приложений, где нужна более высокая производительность, но, в то же время, необходимо сверхнизкое потребление энергии. Эти микроконтроллеры также полностью совместимы по выводам с Н8/3887 и Н8/3867 соответственно. Кроме того, их максимальная тактовая частота составляет 16 МГц, и они не имеют встроенного источника напряжения для LCD-драйвера.

Самые младшие микроконтроллеры семейства H8/300L SLP Н8/3802, Н8/38024, а также выпущенный на рынок в сентябре 2003 года микроконтроллер Н8/38004 являются наиболее простыми и дешевыми. Кроме того, микроконтроллеры Н8/38024 и Н8/38004 в отличие от Н8/3802, который предлагается с масочной или ОТР-памятью, предлагаются также и с flash-ПЗУ (объем 32 кбайт). Микроконтроллеры также оснащены модулем E10T для внутрисхемной отладки и программирования, который поддерживается новейшими существенно более дешевыми средствами отладки. Помимо внутрисхемной отладки интерфейс E10T позволяет производить внутрисхемное и внутрисистемное программирование и перепрограммирование. Это функция обычно очень востребована в приложениях, где необходимо периодическое обновление программного обеспечения (удаленная телеметрия, охранные системы и т. д.).

Все микроконтроллеры серии H8/300L Super Low Power имеют на кристалле встроенную цепь понижения напряжения до 1,5 В независимо от напряжения V_сс. Работа этого преобразователя разрешается и запрещается программно. Результатом работы этого понижающего преобразователя является сверхнизкое потребление тока независимо от напряжения V_сс, которое может находиться в диапазоне от 1,8 до 5,5 В. Рис. 6 поясняет влияние этого встроенного понижающего преобразователя, а также показывает зависимость максимальной тактовой частоты от напряжения питания.

Во время работы встроенного понижающего преобразователя таковая частота микроконтроллера может составлять от 0,4 до 2 МГц при V_сс = 2,2…5,5 В и от 0,4 до 1 МГц при V_сс = 1,8… 2,2 В.

Работа понижающего преобразователя не влияет на работу встроенного LCD-контроллера, на работы источника питания для LCD или на работу АЦП. Для напряжений ниже 1,8 В или выше 5,5 В производитель не гарантирует правильность работы преобразователя. Типовые значения тока потребления для некоторых микроконтроллеров в зависимости от режима работы приведены в таблице 2.

Очень важным элементом в различных электронных счетчиках является асинхронный счетчик внешних событий. Разумеется, основной обязанностью асинхронного таймера, присутствующего в микроконтроллерах серии H8/300L SLP, является именно подсчет событий. Счетчик умеет производить подсчет внешних событий независимо от тактовой частоты и частоты делителя. Счетчик имеет 16-разрядную конфигурацию и может производить подсчет до 65536 внешних событий. Также асинхронный счетчик может быть сконфигурирован как 2 независимых 8-разрядных счетчика. Перезагрузка и остановка счетчика происходит программно, в случае возникновения переполнения счетчика происходит автоматический вызов соответствующего прерывания, обслуживающего асинхронный счетчик. В случае, если в данный момент счетчик не используется, его можно программно отключить, дополнительно снизив энергопотребление микроконтроллера.

В качестве основного средства отладки микроконтроллеров с flash-памятью производитель предлагает универсальный внутрисхемный эмулятор Е7 (название для заказа HS0007TCU01H). Этот эмулятор использует функции самого микроконтроллера, а именно встроенный в микроконтроллер интерфейс Е10Т, являющий развитие интерфейса JTAG, который в настоящее время присутствует в 8-разрядных микроконтроллерах серии H8/300L Super Low Power, а также в 16-разрядных микроконтроллерах H8/300Н Tiny. Как и всякий эмулятор реального времени, эмулятор Е7 позволяет проводить трассировку в режиме реального времени, используя высокоскоростное соединение, а также проводить отладку и загрузку программ в память микроконтроллера.

К особенностям эмулятора относится следующее:

• простота соединения с компьютером через последовательный порт USB 2.0;
• возможность быстрой загрузки программ в память микроконтроллера (скорость передачи через USB — до 12 МБ/c);
• 255 программных точек останова, а также одна аппаратная точка останова;
• буфер трассировочного счетчика программ (до 4 ветвей);
• бесплатный С-компилятор, пригодный для использования с микроконтроллерами H8/300L Super Low Power и H8/300Н Tiny;
• интегрированная среда разработки Highperformance Embedded Workshop (HEW), включающая в себя отладчик, ассемблер и менеджер проектов
• генератор проектов, позволяющий создавать базовые программы инициализации микроконтроллера и создающий код на С;
• симулятор для программ, созданный для ядер Н8.

Производитель также обеспечивает всех заказчиков бесплатной поддержкой и бесплатными новыми версиями программного обеспечения по мере их выхода в свет.

Эмулятор работает на компьютерах с операционными системами Microsoft Windows 98SE, 2000, ME и XP. Для работы необходима шина USB 2.0.

Входящая в комплект поставки среда разработки HEW является общей для всех микроконтроллеров 8-, 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров от Renesas (H). Среда является достаточно простой в обращении, обладая в тоже время большими возможностями. Бесплатную полнофункциональную среду отладки HEW версии 2.2 можно найти на сайте www.gnuh8.com. Там же можно найти бесплатные компиляторы для всех существующих в настоящее время микроконтроллеров производства Renesas (H) от стороннего производителя программного обеспечения KPIT. Подключение того или иного компилятора производится через меню среды разработки, обеспечивая таким образом универсальность системы для всех микроконтроллеров производства Renesas (H).

В настоящее время эмулятор Е7 поддерживает следующие типы микроконтроллеров:

• 8-разрядные МК серии H8/300L Super Low Power: 38024F, 38004F;
• 16-разрядные МК серии H8/300Н Tiny: 3664F, 3664N, 3672F, 3670F, 3684F, 3687F, 3694F, 36014F, 36024F, 36037F, 36057F.

Производитель собирается и в дальнейшем изготовлять микроконтроллеры со встроенным отладочным интерфейсом Е10Т, что позволит использовать эмулятор Е7 и с другими новейшими микроконтроллерами.

Более полную информацию о внутрисхемном эмуляторе Е7 можно найти на сайте производителя по адресу http://www.eu.renesas.com/products/mpumcu/tool/e7.