Entwurf von eingebetteten Mixed-Signal-Systemen
Ein praktischer Leitfaden für den Cypress PSoC
- 2024
- Buch
- Verfasst von
- Edward H. Currie
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Dieses Lehrbuch führt den Leser in das Mixed-Signal-Embedded-Design ein und bietet an einem Ort einen Großteil der grundlegenden Informationen, um ein ernsthaftes Mixed-Signal-Design mit PSoC von Cypress durchzuführen. Das Design mit der PSoC-Technologie kann ein anspruchsvolles Unterfangen sein, besonders für den Anfänger. Dieses Buch vereint eine Fülle von Informationen, die aus einer Vielzahl von Quellen zusammengetragen wurden, mit den Grundlagen des Mixed-Signal-Embedded-Designs und macht so den Aufstieg auf der PSoC-Lernkurve deutlich weniger schwierig. Das Buch behandelt Sensoren, digitale Logik, analoge Komponenten, PSoC-Peripheriegeräte und Bausteine sehr detailliert, und jedes Kapitel enthält anschauliche Beispiele, Übungen und eine umfangreiche Bibliographie.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Kapitel 1. Einführung in eingebettete Systeme
Edward H. CurrieDer Fachbeitrag behandelt die Einführung und Entwicklung von eingebetteten Systemen, beginnend mit den frühen Trägheitsnavigationssystemen der 1950er Jahre. Diese Systeme, wie das VERDAN-Computer, waren wegweisend für die moderne Mikrocontroller-Technologie. Der Text erläutert die Architektur und Funktionsweise dieser frühen Systeme und zeigt auf, wie sie die Grundlage für heutige Mikrocontroller und Mikroprozessoren bilden. Besonders interessant ist die Darstellung der technischen Herausforderungen und Lösungen, die zur Entwicklung dieser Systeme führten, sowie die Evolution der Speichertechnologien und Peripheriegeräte. Der Beitrag bietet einen tiefgehenden Einblick in die Geschichte und die technischen Innovationen, die die Grundlage für die moderne Elektronikindustrie legten.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
ZusammenfassungDieses Kapitel bietet einen kurzen Überblick über die Geschichte der eingebetteten Systeme, Mikroprozessoren und Mikrocontroller. Ebenfalls vorgestellt werden grundlegende Konzepte programmierbarer logischer Schaltungen, Überblicke über den 8051-Mikrocontroller, kurze Beschreibungen einiger der beliebteren und derzeit verfügbaren Mikrocontroller, die weit verbreitet sind, und Einführungen in eine Reihe von Themen, die mit Mikrocontrollern und eingebetteten Systemen zusammenhängen, z. B. Arten von Rückkopplungssystemen, die in eingebetteten Systemen verwendet werden, Mikrocontroller-Subsysteme, Speichertypen von Mikroprozessoren/Mikrocontrollern, Leistungskriterien für eingebettete Systeme, Interrupts, einführende Stichprobenthemen usw.Die Architekturen der frühen Mikroprozessoren werden kurz diskutiert, ebenso wie die Rolle von Polling, Interrupts und Interrupt-Service-Routinen (ISR), die in späteren Kapiteln ausführlicher besprochen werden. DMA-Controller und Tri-State werden ebenfalls eingeführt.Es kann gesagt werden, dass die Entwicklung des eingebetteten „Mixed-Signal-Systems“ mit der Einführung des weltweit ersten vollständig soliden Computers durch Autonetics, dem VERDAN (Goldstein et al., Calif. Digit Comput Newslett 9(2–9):2 − via DTIC, 1957), begann und ebenso, dass die Entwicklung des modernen Mikrocomputers mit der Einführung des Altair im Januar 1975 begann. (Dieser wurde von H. Edward Roberts entwickelt, der den Begriff „Personal Computer“ in den allgemeinen Sprachgebrauch brachte.) Während A/D- und D/A-Wandler schon in den 1930er-Jahren verfügbar waren, wurden Hochgeschwindigkeitswandler erst in den 1950er-Jahren weit verbreitet, als Folge der Einführung eines Hochgeschwindigkeits-/Präzisions-A/D-Designs durch Bernard Marshall Gordon im Jahr 1953 (Hochgeschwindigkeits-D/A-Wandler folgen als natürliche Konsequenz der Verfügbarkeit von Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandlern.). Die Entwicklung einer großen Familie von A/D-Wandlern auf Basis der Festkörpertechnologie zu einem niedrigen Preis machte es praktisch möglich, eingebettete Systeme auf Basis von Mikroprozessoren/Mikrocontrollern, A/D- und D/A-Wandlern, Operationsverstärkern usw. zu schaffen, die in der Lage waren, sehr komplexe Systeme sowohl für kommerzielle als auch für militärische Anwendungen zu steuern und zu überwachen. -
Kapitel 2. Mikrocontroller-Subsysteme
Edward H. CurrieDas Kapitel 'Mikrocontroller-Subsysteme, PSoC 3 und PSoC 5LP: Grundfunktionalität' vergleicht die gemeinsamen und unterschiedlichen Funktionalitäten der Mikrocontroller PSoC 3 und PSoC 5LP. Beide Mikrocontroller haben eine identische Pin-out-Konfiguration und unterstützen eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen wie USB, I2C und UART. Sie teilen auch eine gemeinsame Entwicklungsumgebung, PSoC Creator, und bieten leistungsstarke analoge Funktionalitäten wie 20-bit-ADC und -DAC. Der PSoC 3 basiert auf einem 8-bit-8051-Kern, während der PSoC 5LP auf einem 32-bit-ARM Cortex-M3-Prozessor basiert. Die Architekturen beider Mikrocontroller werden detailliert beschrieben, einschließlich der CPU-Subsysteme, Logikarrays und Kommunikationsbusse. Besonders bemerkenswert ist die Integration analoger und digitaler Systeme sowie die Unterstützung für Programmierung und Debugging über JTAG und SWD. Die detaillierte Analyse der Unterschiede und Gemeinsamkeiten der beiden Mikrocontroller bietet tiefgehende Einblicke für Entwickler und Ingenieure, die mit diesen Technologien arbeiten.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel konzentriert sich die Diskussion auf Subsysteme, die PSoC 3 und PSoC 5LP (PSoC 3 Architecture Technical Reference Manual. Dokument Nr. 001-50235 Rev. *M. Cypress Semiconductor, 8. April 2020; PSoC 5LP Architecture Technical Reference Manual. Dokument Nr. 001-78426 Rev. *G. Cypress Semiconductor, 6. Nov 2019) als illustrative Beispiele für die grundlegenden Aspekte aktueller Mikrocontroller-Architekturen (J.A. Borrie, Modern control systems – a manual of design methods. Prentice Hall, London, 1986) verwenden. Enthalten ist eine detaillierte Diskussion des 8051-Befehlssatzes, des Wrapper-Konzepts, wie es in PSoC 3 zur Integration eines 8051-Kerns in die PSoC-Umgebung verwendet wird, grundlegende Konzepte von Interrupts und Interrupt-Handling, DMA-Transferkonzepte einschließlich der Verwendung verschiedener DMA-Funktionen in Verbindung mit einem Peripherie-Hub zum Übertragen von Daten und zu/von Peripheriegeräten, Taktquellen und Taktverteilung, interne und externe Speichernutzung, Energiemanagement, Schlaf-/Hibernationsberücksichtigung, Implementierung einer RTC, Hardwaretest und -debugging usw. In den folgenden Kapiteln konzentriert sich die Diskussion auf Mikrocontroller, digitale und analoge Peripheriegeräte, die Entwicklungsumgebung und Module wie Delta-Sigma-Wandler, PWM, OpAmps usw. und schließt schließlich mit einer detaillierten Implementierung eines digitalen Voltmeters ab. Verschiedene für Mikrocontroller übliche Subsysteme, wie z. B. die CPU, Interrupt-Controller, DMA-Funktionalität, Busse, Speicher, Taktung, allgemeine I/O (GPIO), Energiemanagement und Hardwaredebuggingunterstützung von PSoC 3 und PSoC 5LP sind auch Themen in diesem Kapitel, um die Schlüsselkonzepte, die in jedem dieser Themen involviert sind, zu veranschaulichen. (Es sollte angemerkt werden, dass die grundlegenden Architekturen von PSoC 3 und PSoC 5LP recht ähnlich sind, aber aufgrund der tiefgreifenden Unterschiede in den Mikroprozessorkernen, die in jedem Fall verwendet werden, sind die Implementierungsdetails einiger Aspekte dieser programmierbaren Systeme auf einem Chip recht unterschiedlich. Solche Unterschiede sind jedoch nicht der primäre Fokus dieses Kapitels und werden, wenn überhaupt, anderswo in diesem Lehrbuch ausführlich behandelt.) -
Kapitel 3. Sensoren und Sensorik
Edward H. CurrieDas Kapitel 'Sensoren und Sensorik' behandelt grundlegende Konzepte und Anwendungen von Sensoren. Es erklärt, wie Sensoren physikalische Parameter wie Temperatur, Druck und Beschleunigung in digitale oder analoge Signale umwandeln. Besondere Aufmerksamkeit wird den verschiedenen Sensortypen und Technologien geschenkt, darunter drahtlose Sensoren, ultraniedriger Stromverbrauch und MEMS-basierte Sensoren. Das Kapitel geht auch auf die Herausforderungen bei der Genauigkeit und Präzision von Sensoren ein und diskutiert Methoden zur Kalibrierung und Signalverarbeitung. Weiterhin werden spezifische Sensoren wie optische und magnetische Sensoren detailliert beschrieben. Ein weiteres Highlight ist die Diskussion über die Integration von Sensoren in eingebettete Systeme und die damit verbundenen Designüberlegungen. Das Kapitel bietet somit eine umfassende und tiefgehende Einführung in die Welt der Sensorik, die sowohl für Forscher als auch für Ingenieure von großem Interesse ist.KI-Generiert
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ZusammenfassungSensoren und Sensortypen, Dehnungsmessstreifen-/Thermoelement-/Thermistorsensorik und Messverfahren werden in diesem Kapitel ausführlich besprochen. Da Sensoren ein integraler Bestandteil nahezu jedes eingebetteten Systems sind, wird viel Diskussion darauf verwendet, einige der beliebteren Sensortypen zu identifizieren und zu charakterisieren (Kannan, Chen, PSoC 3, PSoC 4 und PSoC 5LP – temperature measurement with a diode. AN60590. Dokument Nr. 001-60590 Rev. *K 1 Cypress Semiconductor, 2020). Die in diesem Kapitel besprochenen Sensortypen stellen jedoch nur eine kleine Auswahl der derzeit verfügbaren Typen dar. Bei der Entwicklung für eine spezifische Anwendung und insbesondere für eine bestimmte Umgebung, eine Reihe von Umgebungen und/oder Umgebungsbedingungen, wird dem Leser empfohlen, die Literatur sorgfältig nach den am besten geeigneten Sensortypen für die Anwendung und die damit verbundenen Umgebungsbedingungen/Einschränkungen zu durchsuchen. Es wird in diesem Kapitel davon ausgegangen, dass, sobald die ausgewählten Sensoren für eine gegebene Anwendung ausgewählt sind, PSoC 3 und PSoC LP5 verwendet werden, um auf die Sensordaten über A/D oder andere PSoC-bezogene Mittel zuzugreifen, um die Daten zu verarbeiten, die notwendige Logik anzuwenden und eine angemessene Kontrolle auszuüben, z. B. mit PSoC D/A-Komponenten. -
Kapitel 4. Verarbeitung und I/O-Protokolle von eingebetteten Systemen
Edward H. CurrieDas Kapitel behandelt die Verarbeitung und I/O-Protokolle von eingebetteten Systemen, die in der Lage sind, verschiedene Arten von Funktionalitäten bereitzustellen, einschließlich Datenerfassung, -verarbeitung und -übertragung. Mikrocontroller müssen eine Vielzahl von niedrigstufigen Rechenaufgaben durchführen, darunter Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division, sowie Bitmanipulationen und Schiebeoperationen. Für komplexe Berechnungen können digitale Signalprozessoren (DSPs) eingesetzt werden, die speziell für die Berechnung komplexer Algorithmen optimiert sind. Das Kapitel diskutiert auch die Verwendung von FPGAs und PSoCs, die parallele Verarbeitung und eine hohe Flexibilität bieten. Besondere Aufmerksamkeit wird der PSoC-Architektur von Cypress gewidmet, die eine hochkonfigurierbare System-on-Chip-Architektur bietet und sowohl analoge als auch digitale Schaltungen integriert. Die PSoC-Architektur ermöglicht es Entwicklern, komplexe eingebettete Mixed-Signal-Anwendungen zu adressieren und bietet eine benutzerfreundliche Entwicklungsumgebung. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über verschiedene Kommunikationsprotokolle wie RS232, USB, I2C und CAN, die in eingebetteten Systemen verwendet werden.KI-Generiert
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ZusammenfassungEingebettete Systeme sind in der Lage, verschiedene Arten von Funktionalitäten bereitzustellen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Datenerfassung/-verarbeitung/-übertragung. Da viele eingebettete Systeme Datenverarbeitung auf Daten durchführen, die entweder als digitale Daten begannen oder anschließend in das digitale Äquivalent eines analogen Signals oder Signale übersetzt wurden, müssen Mikrocontroller in der Lage sein, eine Reihe von verschiedenen niedrigstufigen Rechenaufgaben wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division sowie Bitmanipulationen, Schiebeoperationen, Bitprüfungen, Überlauf- und Unterlaufbehandlungen, Array-Manipulationen, zusammen mit verschiedenen Schleifen- und Verschachtelungsfunktionen durchzuführen. -
Kapitel 5. System- und Softwareentwicklung
Edward H. CurrieDer Fachtext behandelt die Entwicklung und Realisierung eingebetteter Systeme auf Basis von PSoC 3 und PSoC 5LP. Es werden verschiedene Designmodelle wie Wasserfall, Top-down, Bottom-up und Spiralmodell vorgestellt und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Die einzelnen Phasen des Entwicklungsprozesses werden detailliert beschrieben, beginnend mit der Definition des physischen Systems und der Anforderungen, über die Erstellung von Funktionsblockdiagrammen und Schemata, bis hin zur Implementierung und dem Testen des Systems. Besondere Aufmerksamkeit wird der Modellierung und Simulation von eingebetteten Systemen gewidmet, wobei verschiedene Techniken und Ansätze zur Systemmodellierung erläutert werden. Signalflussdiagramme und Signalgraphen werden als wichtige Werkzeuge zur Analyse und Optimierung von Systemen vorgestellt. Schließlich wird die Bedeutung von Kopplung und Kohäsion in der Systemarchitektur betont und verschiedene Techniken zur Verbesserung der Systemstabilität und Robustheit diskutiert.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel werden empfohlene Designphasen diskutiert, einschließlich Signalfluss. Die integrierte Designumgebung (IDE) von Cypress PSoC, die Komponentenbibliothek, der PSoC-Debugger und der Designregelprüfer werden ebenfalls ausführlich beschrieben. Die Erstellung von benutzerdefinierten Komponenten wird auch hinsichtlich der Ergänzungen zur standardmäßigen Komponentenbibliothek, die vom PSoC Creator bereitgestellt wird, diskutiert. Es werden auch Vorschläge für das Portieren von Anwendungen zwischen den verschiedenen PSoC-Inkarnationen gegeben. Das Intel Hex-Format, das das Protokoll ist, das beim Herunterladen des kompilierten ausführbaren Programms auf das Ziel-PSoC-Gerät verwendet wird, wird ebenfalls beschrieben. Ebenfalls beschrieben werden ablaufinvarianter Code, Assembler-Codierung, big-endian versus small-endian und 8051-Codeoptimierung. Eine kurze Diskussion wird über die Implementierung eines Echtzeitbetriebssystems bereitgestellt, das mit PSoC kompatibel ist und Multithreading und Nebenläufigkeit unterstützt. -
Kapitel 6. Hardwarebeschreibungssprachen
Edward H. CurrieDer Beitrag behandelt die Rolle von Hardwarebeschreibungssprachen (HDL) in der Entwicklung eingebetteter Systeme. Es wird erläutert, wie HDLs Designs mit Zehntausenden von Gattern unterstützen und verschiedene Modellierungstechniken wie Datenfluss, diskrete Ereignisse und Zustandsmaschinen integrieren. Besondere Aufmerksamkeit wird der VHSIC-Hardwarebeschreibungssprache (VHDL) gewidmet, die durch ihre Fähigkeit, komplexe Logik zu beschreiben und geräteunabhängige Designs zu erstellen, hervorsticht. Der Beitrag beschreibt den Designfluss von der initialen Beschreibung bis zur Implementierung und Simulation, wobei die Vorteile von VHDL in Bezug auf Modularität, Hierarchie und Simulationsfähigkeiten hervorgehoben werden. Ein praktisches Beispiel eines 1-bit-Volladdierers und dessen Erweiterung auf 8-Bit veranschaulichen die Anwendung von VHDL in der Praxis. Der Beitrag bietet somit eine umfassende Einführung in die Nutzung von HDLs und insbesondere VHDL in der digitalen Schaltungsentwicklung.KI-Generiert
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ZusammenfassungVLSI-Digitalschaltungen umfassen oft Hunderte von Logikzellen und vielleicht Tausende von Verbindungen. Die damit verbundene Schwierigkeit, solche PDL-Anwendungen zu entwickeln, die komplexe Funktionen ausführen können, hat zu sogenannten Hardwarebeschreibungssprachen geführt, die es dem Entwickler ermöglichen, digitale Systeme zu modellieren. Diese HDL-Sprachen werden von Entwicklungsumgebungen unterstützt, die in der Regel Schaltplanentwurf, Simulationen/Verifizierungen bieten und ermöglichen, das Design in eine „Konfigurationsdatei“ umzuwandeln und dann auf das Zielgerät herunterzuladen. Die HDL-Form eines Designs ist eine zeitliche und räumliche Beschreibung des Designs und beinhaltet Ausdrücke, die die digitalen Logikschaltungen des Designs formal beschreiben. Die Beschreibungen sind textbasiert, beinhalten explizite Zeitabhängigkeiten und berücksichtigen Verbindungen zwischen Blöcken, die in einer hierarchischen Reihenfolge ausgedrückt werden. Die Umwandlung von der Beschreibung einer Logikschaltung in eine Implementierung, die in Bezug auf Gatter definiert ist, wird als Synthese bezeichnet. Das Ergebnis des Syntheseprozesses ist eine Netzliste. (Eine Netzliste ist eine textbasierte Beschreibung der in der Konstruktion verwendeten Gatter und ihrer Verbindungen.) -
Kapitel 7. PSoC Creator
Edward H. CurriePSoC Creator ist eine kostenlose, Windows-basierte integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) von Cypress, die speziell für die Entwicklung mit PSoC-Mikrocontrollern entwickelt wurde. Die IDE bietet eine umfassende Schaltplanerfassung und einfache Verkabelungstools, sowie über 150 vorgeprüfte, produktionsbereite Komponenten. Sie unterstützt eine vollständige Kommunikationsbibliothek, die Protokolle wie I2C, USB, UART, CAN, Bluetooth Low Energy und mehr umfasst. Zudem bietet sie einen leistungsstarken Debugger, der sowohl Hardware- als auch Softwareentwicklung in einem einzigen Tool integriert. Die IDE ermöglicht eine nahtlose Entwicklung von Hardware- und Softwarekomponenten und bietet umfangreiche Unterstützung für analoge Signalwege, Verstärker, Filter und ADC/DAC. Der PSoC Creator-Framework kombiniert grafische Designtools mit integrierten Werkzeugen für schnelle Tests und Debugging, was die Entwicklung von Embedded-Systemen erheblich erleichtert.KI-Generiert
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ZusammenfassungPSoC Creator (Kannan, PSoC 3 and PSoC 5LP Interrupts. AN54460. Document No. 001-54460 Rev. *K. Cypress Semiconductor, 2020) ist eine integrierte Entwicklungsumgebung („integrated design environment“, IDE), die ein gleichzeitiges Bearbeiten von Hard- und Firmware, Kompilieren und Debuggen von PSoC-Systemen ermöglicht. Diese IDE ermöglicht zusammen mit einem voll integrierten System zur Schaltplanerfassung die Entwicklung von Anwendungen, die mehr als 150 vorgeprüfte, produktionsreife Peripheriekomponenten nutzen (PSoC Creator bietet auch Komponenten, die PSoC 3- und PSoC 5LP-UDB-Datenpfadmodule [„universal digital block“, UDB] verwenden, die zur Implementierung gängiger Funktionen, z. B. UART, Zähler, PWM etc., sowie zur Bewältigung von Datenmanagementaufgaben, die sonst CPU-Zyklen verbrauchen würden, genutzt werden [Dust und Reynolds, Designing PSoC Creator components with UDB datapaths. AN82156. Dokument Nr. 001-82156 Rev. *I. Cypress Semiconductor, 2018].) Die von PSoC Creator unterstützten Komponenten sind robuste analoge/digitale Peripheriegeräte und beinhalten benutzerdefinierte Komponenten, um dem Entwickler die Erstellung von kundenspezifischen Komponenten zu ermöglichen (Der Entwickler kann Zustandsdiagramme [Kathuria und Keeser, Implementing state machines with PSoC 3, PSoC 4, and PSoC 5LP. AN62510. Dokument Nr. 001-62510 Rev. *F1. Cypress Semiconductor, 2017] oder Verilog verwenden, um die Hardware und den Stromverbrauch weiter zu optimieren.). Der Benutzer zieht lediglich die entsprechenden Komponenten in den Schaltplanbereich von PSoC Creator. Der Benutzer kann dann die verschiedenen Parameter, die mit solchen Komponenten verbunden sind, festlegen, um die Designanforderungen einer breiten Palette von Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Jede Komponente im umfangreichen Mixed-Signal-Komponentenkatalog von Cypress verfügt über einen vollständigen Satz dynamisch generierter API-Bibliotheken und einen Einrichtungsdialog. Nach der Konfiguration aller Peripheriegeräte kann die Firmware innerhalb von PSoC Creator geschrieben, kompiliert und debuggt oder zu führenden Drittanbieter-IDEs wie IAR Embedded Workbench®, ARM®Microcontroller Development Kit und EclipseTM exportiert werden. Die von der IDE bereitgestellte Suite von PSoC-Komponenten ist energieoptimiert, so dass nur die benötigte Funktionalität bereitgestellt wird und somit die Stromanforderungen des Designs minimiert werden. -
Kapitel 8. Programmierbare Logik
Edward H. CurrieProgrammierbare Logikgeräte, insbesondere FPGAs und PLDs, sind zentrale Komponenten in eingebetteten Systemen. Diese Geräte ermöglichen es, Hardware- und Softwarefunktionen zu kombinieren und bieten Vorteile wie Kosteneffizienz und schnelle Reaktionszeiten. Allerdings stellen sie auch Herausforderungen dar, wie die Notwendigkeit der Optimierung mehrerer Designaspekte und die Schwierigkeit, Softwarekomponenten vor der Markteinführung gründlich zu testen. Das Kapitel erläutert, wie diese Geräte in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können, und hebt die Bedeutung von Tools wie PSoC Creator hervor, die die Implementierung von programmierbaren Logikarrays und universellen digitalen Blöcken erleichtern. Es wird auch auf Techniken wie Boundary-Scanning eingegangen, die zur Testbarkeit dieser Geräte beitragen. Insgesamt bietet das Kapitel einen tiefgehenden Einblick in die Welt der programmierbaren Logikgeräte und ihre Anwendung in modernen eingebetteten Systemen.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel wird die Aufmerksamkeit auf die Vorzüge von programmierbaren Logikgeräten, Boundary-Scanning-Techniken zur Prüfung programmierbarer Geräte, boolesche Funktionen und deren Vereinfachung mit Hilfe von Karnaugh-Karten gelenkt. Es wird gezeigt, dass Makrozellen und Logik-Arrays die Grundlage für UDB bilden, und es wird ausführlich darauf eingegangen. Die erforderlichen Schritte zur Vereinfachung von booleschen Ausdrücken werden detailliert dargestellt. Programmierbare Logikgeräte, die auf Kombinationen von Makrozellen und Logik-Arrays basieren, werden in einigen Details besprochen sowie ihre Verwendung in einer Inkarnation in Form von universellen digitalen Blöcken. Ein integraler Bestandteil der Verwendung solcher Geräte ist die Fähigkeit, boolesche Ausdrücke zu bilden und zu vereinfachen, die aus Wahrheitstabellen oder Karnaugh-Karten abgeleitet sind und die erforderliche Logik darstellen.Eine einfache, aber direkte Technik wird vorgestellt, um Karnaugh-Karten zu bewerten, vorgeschlagen von Mendelson (Schaum’s Outline of Theory and Practice of Boolean Algebra, McGraw-Hill, 1970), Harbort und Brown (https://www.slideshare.net/hangkhong/karnaugh, 2001) et al., die boolesche Ausdrücke vereinfacht, um die Hardwareanforderungen in den nachfolgenden Implementierungen zu minimieren. Der universelle digitale Block von PSoC 3/5LP wird in Bezug auf seine interne Architektur und die Beziehung/Interaktion mit dem Datenpfad diskutiert. Die Backus-Naur-Notation wird im Kontext einer Diskussion über HDL und die grundlegenden Konstrukte von VHDL, Verilog und WARP eingeführt und anhand eines Beispiels veranschaulicht. Darüber hinaus werden endliche Zustandsmaschinen vorgestellt, und ein Beispiel für eine Zustandsmaschinenimplementierung eines UART mit Verilog wird präsentiert. Die Architekturdetails und die Funktionalität von PSoC 3/5LP werden in diesem Kapitel verwendet, um Schlüsselaspekte des vorgestellten Materials zu veranschaulichen. -
Kapitel 9. Kommunikationsperipherie
Edward H. CurrieDer Fachbeitrag beleuchtet die Bedeutung und Anwendung verschiedener Kommunikationsprotokolle in eingebetteten Systemen. Es wird erklärt, warum es so viele Protokolle gibt und wie sie sich im Laufe der Zeit entwickelt haben, um verschiedene Herausforderungen zu adressieren. Ein besonderer Fokus liegt auf dem Inter-Integrated Circuit Bus (I2C), dessen Funktionsweise und Implementierung detailliert beschrieben werden. Das I2C-Protokoll ermöglicht die Kommunikation zwischen mehreren Geräten in einer Master-Slave-Konfiguration und bietet Mechanismen zur Fehlererkennung und -korrektur. Die Vorteile und Einschränkungen des I2C-Protokolls werden diskutiert, und es wird gezeigt, wie es in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden kann. Der Beitrag bietet auch praktische Hinweise zur Implementierung von I2C in PSoC 3 und PSoC 5LP Systemen, einschließlich der Verwendung von APIs und der Konfiguration von I2C-Komponenten.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel bietet eine Diskussion über eine Reihe der wichtigeren Kommunikationsprotokolle, die in Verbindung mit eingebetteten Systemen verwendet werden. Es war nicht möglich, jedes dieser Protokolle im Detail zu behandeln, aber es wurde versucht, dem Leser einen breiten Überblick über solche Protokolle zu geben und in geringerem Maße einige relative Vergleiche zwischen ihnen zu liefern. Jedes der diskutierten Protokolle bietet bestimmte Vorteile gegenüber den anderen und alle sind derzeit weit verbreitet. Der Leser wird ermutigt, die in diesem Kapitel für diese Protokolle zitierten Standards zu überprüfen, um zusätzliche Einblicke in ihre jeweiligen Architekturen und Implementierungsdetails zu gewinnen. Themen wie Fehlererkennung/-behebung, Implementierungskosten, Anzahl der erforderlichen Kommunikationswege, unterstützte Übertragungsgeschwindigkeiten, Codierungskomplexität, unterstützte Master/Slave-Konfigurationen und Übertragungsmodi werden im Detail erörtert. -
Kapitel 10. Phasenregelschleifen
Edward H. CurriePhasenregelschleifen (PLL) sind entscheidende Komponenten in der Elektronik, die zur Erzeugung stabiler Oszillatoren verwendet werden. Hochstabile Oszillatoren wie Quarzoszillatoren sind oft auf spezifische Temperaturumgebungen beschränkt, weshalb PLLs eingesetzt werden, um stabile Oszillatoren außerhalb dieser Bereiche bereitzustellen. PLLs können in vier Hauptkategorien unterteilt werden: analoge PLLs, Software PLLs, voll digitale PLLs und digitale PLLs. Während analoge PLLs weit verbreitet sind, gewinnen digitale PLLs aufgrund ihrer erhöhten Zuverlässigkeit, kleineren Größe, geringeren Kosten und verbesserten Leistung zunehmend an Bedeutung. Der Beitrag erläutert die Funktionsweise von PLLs, einschließlich der Phasendetektion und der Verwendung von spannungsgesteuerten Oszillatoren. Weiterhin werden die Schlüsselparameter von PLLs, wie die Schleifenbandbreite und das Einschwingverhalten, detailliert beschrieben. Besondere Aufmerksamkeit wird der PSoC 3- und PSoC 5LP-Phasenregelschleife geschenkt, die eine flexible und effiziente Möglichkeit bietet, Taktsignale zu erzeugen. Der Beitrag schließt mit praktischen Übungen, die das Verständnis der PLL-Technologie vertiefen sollen.KI-Generiert
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ZusammenfassungPhasenregelschleifen („phase-locked loops“, PLL) (zwei grundlegende Arbeiten sollten bei der Untersuchung des Ursprungs von Phasenregelschleifen berücksichtigt werden, nämlich E.V. Appleton, Proc Camb Philos Soc 21[Teil III]:231, 1922–1923 und H. de Bellescize, L’Onde Electrique 11:230–240, 1932) sind elektronische Schaltungen, die eine negative Rückkopplung verwenden, um die Ausgangsphase eines Signals auf die Eingangsphase des Signals zu sperren, indem sie den Phasenfehler zwischen Eingang und Ausgang ermitteln und den resultierenden Fehler auf 0 reduzieren. (Für die Zwecke dieser Diskussion und im gegenwärtigen Kontext bedeutet 0, den Fehler auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren.) Ein spannungsgesteuerter Oszillator („voltage-controlled oscillator“, VCO) (zwei Arten von Oszillatoren werden häufig in PLL verwendet, nämlich harmonische – sinusförmige Wellenformen – und Relaxationsoszillatoren – Sägezahn- oder Dreieckswellenformen) wird verwendet, um den Phasenfehler auf 0 zu reduzieren. (Es sollte beachtet werden, dass das Eingangssignal und/oder das Referenzsignal, das vom VCO erzeugt wird, sinusförmig sein kann.) Der einfachste Phasendetektor besteht aus einem XOR-Gatter, das wie in Abb. 10.3 gezeigt konfiguriert ist. Phasenregelschleifen werden weit verbreitet in HF-Anwendungen, Telekommunikation, einer Vielzahl von digitalen Schaltungen, digitalen Computern und in vielen anderen Anwendungen eingesetzt. Sie können verwendet werden, um ein Signal zu demodulieren, ein Signal aus einem rauschbehafteten Kommunikationskanal wiederherzustellen, eine stabile Frequenz vom Vielfachen einer Eingangsfrequenz zu erzeugen (Frequenzsynthese; U.L. Rhode, Digital PLL frequency synthesizers, 1983) oder präzise getaktete Taktimpulse in digitalen Logikschaltungen wie Mikroprozessoren zu verteilen. -
Kapitel 11. Analoge Signalverarbeitung
Edward H. CurrieDas Kapitel beleuchtet die Entwicklung der Mixed-Signal-Technologie und die historische Bedeutung der analogen Signalverarbeitung. Vor 1970 dominierten Vakuumröhren und analoge Technologien die Elektronik, bis die Transistor-Transistor-Logik (TTL) und später die Serie 7400 von Texas Instruments die digitale Technologie vorantrieben. Die Kombination von analogen und digitalen Techniken in eingebetteten Systemen wurde notwendig, um die Anforderungen komplexer Systeme zu erfüllen. Operationsverstärker, wie der μA741, spielen eine zentrale Rolle in dieser Entwicklung. Das Kapitel beschreibt die verschiedenen Anwendungen und Konfigurationen von Operationsverstärkern, einschließlich ihrer Verwendung in Filtern und Verstärkern. Es wird auch auf die Bedeutung von Signal-Rausch-Verhältnissen und verschiedenen Rauschquellen eingegangen. Die detaillierte Darstellung der Laplace-Transformation und anderer mathematischer Werkzeuge zur Analyse von Systemen rundet das Kapitel ab. Der Text bietet einen umfassenden Überblick über die Geschichte und aktuelle Anwendungen der Mixed-Signal-Technologie und ist besonders interessant für Leser, die tiefere Einblicke in die Funktionsweise und Entwicklung elektronischer Systeme suchen.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel liegt die Diskussion auf der Mischsignalverarbeitung (Es war jedoch in diesem Lehrbuch nicht möglich, eine detaillierte Diskussion über Signalverarbeitung zu führen. Stattdessen werden bestimmte gängige Signalverarbeitungsanwendungen diskutiert, z. B. Mischen und andere Beispiele, die sowohl analoge als auch digitale Signalverarbeitung beinhalten, die häufig in eingebetteten Systemen anzutreffen sind.) und insbesondere den verschiedenen Komponenten, die oft in ein eingebettetes System integriert sind, um die notwendige Funktionalität für eine bestimmte Anwendung zu bieten. Wie in den vorangegangenen Kapiteln dient PSoC 3/5LP in diesem Kapitel zur Veranschaulichung der wichtigsten Konzepte. Es sollte beachtet werden, dass viele der Blöcke, die auch als „Module“ bezeichnet werden, die in Geräten wie PSoC 3 und PSoC 5LP gefunden werden, in Wirklichkeit wiederholte Instanziierungen einiger grundlegender Hardwarekomponenten mit Variationen sind, deren Eigenschaften durch Register gesteuert und/oder definiert werden. Daher wird in der Diskussion gelegentlich auf die Steuerungs- und andere zugehörige Register verwiesen, um die Funktionalität auf einer niedrigeren Abstraktionsebene hervorzuheben und die Tatsache zu betonen, dass das Verhalten der verschiedenen Module dynamisch unter Programmkontrolle und in Echtzeit geändert werden kann. -
Kapitel 12. Digitale Signalverarbeitung
Edward H. CurrieDigitale Signalverarbeitung und Filtertechniken sind zentrale Themen in der modernen Elektronik. Der Beitrag untersucht die Vor- und Nachteile digitaler Filter im Vergleich zu analogen Filtern. Digitale Filter bieten Vorteile wie bessere Passbandwelligkeit, geringere Dämpfung im Sperrband und höhere Stabilität, sind jedoch in Bezug auf die Reaktionsfähigkeit und den Dynamikbereich eingeschränkt. Die Anwendung und Konfiguration von digitalen Filtern in eingebetteten Systemen wird detailliert erläutert, wobei verschiedene Filtertypen wie FIR und IIR sowie deren Implementierung in Systemen wie dem PSoC 3/5LP beschrieben werden. Besondere Aufmerksamkeit wird der Konfiguration und dem Design von digitalen Filtern geschenkt, einschließlich der Nutzung von Fensterfunktionen und der Berücksichtigung von Quantisierungsfehlern. Der Beitrag bietet praktische Hinweise und theoretische Grundlagen, die für Ingenieure und Systementwickler von großem Nutzen sind.KI-Generiert
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ZusammenfassungVor dem Aufkommen des Mikroprozessors basierte vieles, was als Signalverarbeitung betrachtet werden könnte, stark auf analogen Techniken, im Gegensatz zur digitalen Signalverarbeitung. Analoge Komponenten unterliegen Temperaturabhängigkeiten, Drift, Alterung, Abhängigkeiten/Variationen der Umgebungsfeuchtigkeit, elektromagnetischen Feldern und einer Vielzahl anderer Störungen, ganz zu schweigen von Abweichungen in den von Herstellern gelieferten Bauteilwerten usw. In der heutigen Welt gibt es jedoch trotz der Verfügbarkeit einer Vielzahl digitaler Komponenten (Van Eß et al., Laborhandbuch für die Einführung in das Mixed-Signal-Embedded-Design. Cypress University Alliance. Cypress Semiconductor, 2008), die relativ unbeeinflusst von solchen Überlegungen sind, immer noch einen Bedarf an der Verarbeitung analoger Signale mit analogen Komponenten und Geräten. Zum Beispiel kann die analoge Filterung sehr effektiv durchgeführt werden, indem oft Verarbeitungszeit und Wortlängenprobleme vermieden werden. Digitale Filterung kann in einigen Fällen viel bessere Filtereigenschaften bieten und dabei die Phasenverschiebung minimieren. Dieses Kapitel hat einige der klassischeren, analogen Ansätze zur Signalverarbeitung überprüft. Die PSoC-Gerätefamilie ermöglicht es dem Entwickler, beliebig komplexe Mixed-Signal-Systeme zu erstellen (Ashby, Meine ersten fünf PSoC 3 Designs. Spec. £001-58878 Rev. *C. Cypress Semiconductor, 2013; Narayanasamy, Entwurf eines effizienten PLC mit einem PSoC, 2011). -
Kapitel 13. Der Pierce-Oszillator
Edward H. CurrieDer Pierce-Oszillator basiert auf der Piezoelektrizität und wurde erstmals von Walter Cady und später von G.W. Pierce entwickelt. Der Beitrag erläutert die historische Entwicklung und die physikalischen Prinzipien hinter der Piezoelektrizität, die die Grundlage für den Oszillator bilden. Besondere Aufmerksamkeit wird der Reziprozität und der Anwendung von Druckänderungen zur Erzeugung von elektrischen Polarisationen geschenkt. Der Pierce-Oszillator wird in verschiedenen Schaltkreistypen verwendet, darunter der Pierce-, Colpitts- und Clapp-Oszillator, wobei jeder Typ spezifische Vorteile und Anwendungsbereiche hat. Die Frequenzstabilität und Temperaturabhängigkeit sind wichtige Parameter, die bei der Auswahl und Optimierung von Quarzresonatoren berücksichtigt werden müssen. Der Beitrag behandelt auch die automatische Verstärkungsregelung und Fehlererkennung in modernen Oszillatoren, die die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Schaltungen verbessern. Die Verwendung von Keramikresonatoren als Alternative zu Quarzresonatoren wird ebenfalls diskutiert, wobei deren Vorteile und Nachteile im Hinblick auf Frequenzgenauigkeit und Kosten abgewogen werden. Schließlich wird auf die praktischen Aspekte der Implementierung und Optimierung von Oszillatoren in PSoC-basierten Systemen eingegangen, einschließlich der Reduzierung des Stromverbrauchs und der Verbesserung der Anlaufzeit.KI-Generiert
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ZusammenfassungDer Pierce-Oszillator (Pierce, Elektrisches System, US-Patent 2.133.642, eingereicht am 25. Februar 1924, erteilt am 18. Oktober 1938) hat eine Reihe von wünschenswerten Eigenschaften. Er funktioniert bei jeder Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 200 MHz. Er hat eine sehr gute Kurzzeitstabilität, weil die Quellen- und Lastimpedanzen des Quarzes hauptsächlich kapazitiv statt resistiv sind, was zu einer hohen Güte (Q) führt. Die Schaltung liefert ein großes Ausgangssignal und treibt gleichzeitig den Quarz mit einer geringen Leistung an. Große Shuntkapazitäten gegen Masse auf beiden Seiten des Quarzes machen die Oszillationsfrequenz relativ unempfindlich gegen Streukapazitäten und verleihen der Schaltung eine hohe Störfestigkeit. Die Pierce-Konfiguration hat jedoch einen Nachteil, nämlich, dass sie einen Hochleistungsverstärker benötigt, um die relativ hohen Verstärkungsverluste in den Quarz umgebenden Schaltkreisen auszugleichen. Quarzkristalle sind durchaus in der Lage, gut in den 300+-MHz-Bereich (für AT-Schnitt-Quarze) und bis hinunter zu 0,5 Hz zu schwingen, je nachdem, wie der Quarz „geschnitten“ wurde (Lee et al., A 10-MHz micromechanical resonator Pierce reference oscillator for communications, in Digest of Technical Papers, the 11th International Conference on Solid-State Sensors & Actuators (Transducers’01), Munich, June 10–14 (2001), pp. 1094–1097). Quarzkristalle können auf mehreren verschiedene Arten schwingen, die durch den „Schnitt“ bestimmt werden. Wie in Abb. 13.6 gezeigt, gibt es mehrere Möglichkeiten, den Quarz zu „schneiden“ und einen dünnen ebenen Quarzkristall zu erzeugen. AT ist der am häufigsten verwendete Schnitt und er arbeitet in einem Dickenscherschwingungsmodus. -
Kapitel 14. PSoC 3/5LP-Designbeispiele
Edward H. CurrieDas Kapitel befasst sich mit PSoC 3/5LP-Designbeispielen und insbesondere mit der Spitzenwertdetektion. Es erklärt, wie Spitzenwertdetektoren funktionieren und wie sie in verschiedenen Anwendungen nützlich sein können. Ein Spitzenwertdetektor erkennt die Spitzenwerte einer Eingangswellenform und erzeugt eine Ausgabe basierend auf den erkannten Werten. Die Ausgabe kann digital oder analog sein und hängt von der Art des verwendeten Detektors ab. Positive und negative Spitzenwerte werden durch spezifische Signale dargestellt, die durch einen Komparator und einen Abwärtsmischer erzeugt werden. Die Wahl der Taktfrequenz ist entscheidend für die korrekte Funktion der Schaltung. Das Kapitel beschreibt auch das Problem des Schalterprellens und bietet Lösungen sowohl in Hardware als auch in Software. PSoC Creator bietet nützliche Komponenten wie den Entpreller, um dieses Problem zu lösen. Darüber hinaus werden Amplitudenmodulation und -demodulation sowie die Verwendung der WaveDAC8-Komponente für die Erzeugung von Wellenformen detailliert beschrieben. Diese Themen werden durch praktische Beispiele und Schaltpläne veranschaulicht, die das Verständnis und die Anwendung der beschriebenen Techniken erleichtern.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel enthält mehrere anschauliche Beispiele für Designs, die häufig in eingebetteten Systemen anzutreffen sind, die PSoC verwenden:-
Spitzenwertdetektion basierend auf einer Abtast-Halte-Technik,
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Vollwellengleichrichtung,
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Analog-digital-Umwandlung,
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Wellenformgenerierung und
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Signalmodulation/-demodulation.
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Kapitel 15. PSoC Creator-Funktionsaufrufe
Edward H. CurrieDer Beitrag behandelt den Delta-Sigma Analog-zu-Digital-Konverter (ADC_DelSig) in der PSoC 3-Familie von Geräten. Der ADC_DelSig bietet eine stromsparende und geräuscharmen Frontend für Präzisionsmessungen und unterstützt sowohl Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit mittlerer Auflösung (8–16 bit) als auch Niedriggeschwindigkeitsanwendungen mit hoher Auflösung (16–20 bit). Der Konverter verwendet Oversampling, um das Quantisierungsrauschen zu verteilen und bietet verschiedene Modi wie Einzelabtastung, Mehrfachabtastung und kontinuierlichen Modus. Die Abtastrate kann zwischen 10 und 384.000 Abtastungen pro Sekunde eingestellt werden, abhängig vom Modus und der Auflösung. Der ADC_DelSig besteht aus drei Blöcken: einem Eingangsverstärker, einem Delta-Sigma-Modulator und einem Dezimierer. Besondere Merkmale umfassen wählbare Auflösungen, verschiedene Eingangsbereiche und Abtastraten sowie Energieverwaltungsfunktionen wie Sleep und Wakeup. Diese Funktionen machen den ADC_DelSig zu einer vielseitigen Komponente für eine Vielzahl von Anwendungen in der Elektronikindustrie.KI-Generiert
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ZusammenfassungPSoC Creator unterstützt eine breite Palette von Komponenten, die ein Entwickler bei der Entwicklung von eingebetteten „Mixed-Signal-Systemen“ verwenden kann. Jede Komponente wird durch Funktionsaufrufe unterstützt, die es dem Entwickler ermöglichen, die Funktionalität des zugrunde liegenden Blocks zu steuern. In diesem Kapitel werden die Funktionsaufrufe im Hinblick auf die spezifischen Funktionen detailliert beschrieben, die von jeder PSoC Creator-Komponente unterstützt werden. Die Leser werden ermutigt, die in PSoC Creator als PDF-Dateien enthaltenen Datenblätter von Cypress Semiconductor zu verwenden, um die spezifischen Details zur Implementierung jeder Komponente zu erlernen. PSoC 3 und PSoC 5LP besitzen eine Reihe von Komponenten, die beiden gemeinsam sind. Es gibt jedoch einige Unterschiede in dem Gefolge von Komponenten, die für jeden bereitgestellt werden. Zum Beispiel ist der Delta-Sigma-analog-digital-Wandler in PSoC 3 zu finden, und nicht in PSoC, der stattdessen ein „successive approximation register“ (SAR) und ein sequenzielles SAR bereitstellt. Letzteres kann verwendet werden, wenn mehrere Quellen abgetastet werden.Dieses Kapitel beginnt mit PSoC Creator-Komponenten, die einzigartig für PSoC 3 sind, und behandelt dann diejenigen, die sowohl PSoC 3 als auch PSoC 5LP gemeinsam sind. Die Abschn. 15.1 bis 15.16.2 beschreiben die von PSoC Creator für PSoC 3 unterstützten Komponenten und ihre jeweiligen Funktionen/Funktionsaufrufe. Ebenso beschreiben die Abschn. 15.17 bis 15.127.1 Komponenten, die sowohl PSoC 3 als auch PSoC 5LP gemeinsam sind, und ihre jeweiligen Funktionen/Funktionsaufrufe. -
Backmatter
- Titel
- Entwurf von eingebetteten Mixed-Signal-Systemen
- Verfasst von
-
Edward H. Currie
- Copyright-Jahr
- 2024
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-031-51488-3
- Print ISBN
- 978-3-031-51487-6
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-031-51488-3
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