Auswahl von Mikrocontroller-Peripheriegeräten für digitale Signalverarbeitungsanwendungen

Dieser Artikel führt eine Diskussion der Mikrocontroller-Funktionen und -Eigenschaften fort, die besonders wichtig sind, wenn Sie an DSP-Fähigkeiten denken.

In diesem Artikel werden die Funktionen und Eigenschaften von Mikrocontrollern weiter diskutiert, die besonders wichtig sind, wenn Sie an DSP-Funktionen denken.

Mikrocontroller können ein bequemes und kostengünstiges Mittel sein, um digitale Signalverarbeitung in Wearables, medizinische Geräte, Audiogeräte und verschiedene andere Produkte und Systeme zu integrieren. Mikrocontroller sind jedoch (nicht überraschend) hauptsächlich für die Steuerung von Dingen konzipiert. Wenn wir also möchten, dass eine MCU ein effektiver Signalprozessor ist, müssen wir sorgfältig auswählen.

Der vorherige Artikel konzentrierte sich auf CPU-Eigenschaften, nämlich Bitbreite, Taktfrequenz, Taktzyklen pro Befehl und Gleitkommafähigkeit. In diesem Artikel betrachten wir Peripheriemodule und Funktionen, die einen Mikrocontroller für die DSP-Funktionalität besser geeignet machen.

Prozessorunterstützung

Einige Hardwaremodule nehmen einen Mittelweg zwischen der CPU und typischen Peripheriegeräten wie Timern und Komparatoren ein. Ein gängiges Beispiel ist der Hardware-Multiplikator.

Hardware-Multiplikation

Ein Hardware-Multiplikator ist die Art von Funktion, die in einem Echtzeit-DSP-System über Erfolg und Misserfolg entscheiden kann. Wichtige DSP-Anwendungen wie digitale Filterung und Spektralanalyse erfordern zahlreiche Multiplikationsoperationen, und diese müssen schnell genug durchgeführt werden, um in angemessener Zeit (aus Sicht des Benutzers) Ergebnisse zu liefern oder – und hier kann es wirklich schwierig werden —mit einer Rate, die gleich oder schneller ist als die Rate, mit der Daten vom externen System ankommen.

Die Dreiecke in dieser FIR-Filterstruktur stellen Multiplikationsoperationen dar.

Da ein Großteil der Mikrocontroller-Anwendungen keine erweiterte Multiplikationsfunktionalität erfordert, ist es normalerweise nicht sinnvoll, einen Multiplikator in den Prozessorkern selbst zu integrieren. Der Hardware-Multiplikator ist also ein ergänzendes Modul, das Daten von der CPU empfängt, eine hocheffiziente Multiplikation durchführt und dann die resultierenden Daten der CPU zur Verfügung stellt.

Hardware-Multiplikatoren gehen tatsächlich über die reine Multiplikation hinaus. DSP-Routinen erfordern oft einen Prozess, der als Multiply-and-Accumulate (MAC) bekannt ist und (wie Sie vielleicht erraten haben) wiederholt Zahlen multipliziert und die Ergebnisse der Multiplikationsoperationen addiert oder akkumuliert. Ein Hardware-MAC-Modul bietet noch mehr Potenzial für eine verbesserte DSP-Leistung.

Der im MAXQ615 integrierte Hardware-Multiplikator, ein kleiner und kostengünstiger Mikrocontroller von Maxim, führt vorzeichenbehaftete und vorzeichenlose 16-Bit-Multiplikation, 16-Bit-Multiplikation und -Akkumulation durch und 16-Bit multiplizieren und subtrahieren.

Direkter Speicherzugriff (DMA)

Ich lernte DMA zum ersten Mal kennen, als ich an einem softwaredefinierten Radio arbeitete, das schnell einen Decodierungsalgorithmus für digitalisierte Basisbandsignale ausführen musste, und diese Erfahrung hat mich dauerhaft vom Wert von DMA für die zeitkritische digitale Signalverarbeitung geprägt.

Eine DMA-Einheit ist im Wesentlichen ein separater Prozessor, der eine Aufgabe hat:Daten zu verschieben. Diese Aufgabe ist unkompliziert, sodass die Integration der DMA-Funktionalität in Ihr Projekt die Komplexität nicht ernsthaft erhöht, und die DSP-Leistung des Systems steigt dramatisch, da sich die CPU auf die Verarbeitung von Zahlen konzentrieren kann, anstatt Daten zwischen Speicher und Peripheriegeräten zu verschieben. Wenn Ihre Anwendung rechenintensive Echtzeit-DSP erfordert, kann ein DMA-Controller eine besonders wertvolle Ergänzung der Fähigkeiten Ihrer MCU sein.

Der DMA-Controller auf einem SAM4S-Mikrocontroller (von Atmel) ermöglichte es mir, diese Sinuskurve zu generieren, ohne die CPU ständig zu belästigen, um den nächsten Datenpunkt an den DAC zu senden.

Kommunikation

Die digitale Signalverarbeitung erfordert nicht nur einen Prozessor, sondern es müssen auch digitale Daten verarbeitet werden. In den meisten Fällen stammen diese digitalen Daten von außerhalb des Mikrocontrollers, was bedeutet, dass die Datenübertragung ein kritisches Glied in der DSP-Kette ist.

Parallel Datenübertragung

Ich mag parallele Schnittstellen, weil sie zumindest theoretisch einfach sind, aber weniger verbreitet sind, als Sie vielleicht denken. Das gleichzeitige Übertragen von acht oder sogar sechzehn Bits scheint viel effizienter zu sein als das gleichzeitige Senden eines Bits, aber serielle Schnittstellen werden sogar in Hochgeschwindigkeitssystemen häufig verwendet. Wenn die parallele Datenübertragung in Ihrem System eine Option ist und Sie es ausprobieren möchten, suchen Sie nach einem Mikrocontroller mit einer „externen Speicherschnittstelle“ (EMI oder EMIF), „externen Busschnittstelle“ (EBI) oder ähnlichem .

Serielle Datenübertragung

I ² C ist keine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle, und Standard-UART wird normalerweise für niedrige oder mittlere Datenraten verwendet. Suchen Sie nach Peripheriegeräten, die hohe maximale Taktraten anbieten und die ein zusätzliches Signal zur Synchronisation zwischen Empfänger und Sender verwenden (dadurch kann das Datensignal vollständig der eigentlichen Datenübertragung gewidmet werden).

Ich glaube, dass „USART“ eine ziemlich übliche Abkürzung für die Art von seriellem Kommunikationsmodul ist, die ich beschreibe (das „S“ steht für „synchron“). Grundsätzlich empfehle ich hier einen Mikrocontroller, der dem „multichannel Buffered Serial Port“ von TI entspricht – die Abkürzung McBSP (ausgesprochen mic-BSP .). , als ob das Modul aus Irland käme) ist in meinem Gedächtnis gespeichert und wird für immer mit serieller Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung in Verbindung gebracht....

Fehlerprüfung

Anwendungen, die eine robuste Fehlererkennung erfordern, können von einem Hardware-CRC-Modul profitieren.

Dies ist ein Diagramm des Hardware-CRC-Moduls, das in einen EFM8 Laser Bee-Mikrocontroller von Silicon Labs integriert ist. Sie füttern es mit einer Folge von Bytes und es verwendet ein Standard-CRC-Polynom, um ein 16-Bit-Ergebnis zu generieren.

Schlussfolgerung

Ich denke wirklich, dass Mikrocontroller in vielen DSP-Anwendungen mit niedriger und mittlerer Intensität digitalen Signalprozessoren vorzuziehen sind, und ich hoffe, dass dieser Artikel Ihnen hilft, Mikrocontroller zu finden, die die DSP-Aufgaben, die Ihre Projekte erfordern, zuverlässig ausführen können.

Vorherige Artikel in der Serie Einführung in Mikrocontroller:

• Was ist ein Mikrocontroller? Eine Einführung in die zentrale Komponente unzähliger elektronischer Geräte
• So wählen Sie den richtigen Mikrocontroller für Ihre Anwendung aus
• So lesen Sie ein Mikrocontroller-Datenblatt:Einführung und erste Schritte
• So lesen Sie ein Mikrocontroller-Datenblatt:Erkundung der Hardware