Одним з найбільш ефективних способів скоротити до мінімуму терміни проектування є застосування готових рішень. Як них можуть виступати не тільки модулі, опорні розробки або набори, але навіть інтегральні схеми, якщо в їх архітектурі враховані вимоги конкретних застосувань і виробник надає всебічну технічну підтримку, спрямовану на популяризацію його продукції в цих цілях. У разі сімейства мікроконтролерів STM32 їх виробник, STMicroelectronics, зробив ставку на такі застосування:
- пристрою управління електродвигунами;
- ергономічні пристрої особистого користування;
- керуюча електроніка для побутового електрообладнання, що відповідає стандарту IEC60335.
Мікроконтролери STM32 в пристроях управління електродвигунами
З огляду на високу популярність таких типів електродвигунів, як синхронний двигун на постійних магнітах (СДПМ) і асинхронний двигун (АД), творці МК STM32 подбали про максимальній відповідності їх архітектури вимогам сучасних систем управління даними двигунами. Власне популярність цих двигунів обумовлена їх конструкцією - в ній відсутня щітковий вузол, а, отже, їхня робота, за умови виконання електронною системою управління всіх необхідних захисних функцій, буде практично безвідмовної.
До числа особливостей мікроконтролерів STM32, які важливі для реалізації систем управління електродвигуном, відносяться:
- високоефективна архітектура ЦПУ, яка дозволяє за невеликий час виконувати складні алгоритми управління (наприклад, для виконання алгоритму векторного керування 3-фазним СДПМ з непрямою оцінкою положення ротора потрібно до 24 мкс);
- багатофункціональний таймер для генерації ШІМ-сигналів;
- шість виходів;
- генерація паузи неперекритих (виключає протікання короткочасного наскрізного струму в двотактному силовому каскаді);
- генерація прямокутних імпульсів з вирівнюванням по фронту або по центру;
- можливість спільної роботи з АЦП;
- 12-бітний АЦП з двома ПВЗ для одночасної вибірки і запам'ятовування двох аналогових сигналів і їх подальшої послідовної оцифровки (час перетворення 1 мкс);
- таймери для обробки сигналів датчиків швидкості / положення;
- сумісність архітектури МК до вимог стандарту EN / IEC60335-1 (більш детально про це піде мова в останній частині статті).
Функціональна схема пристрою векторного керування трифазним СДПМ / АД на основі МК STM32 показана на малюнку 1 [1].
Мал. 1. Функціональна схема пристрою векторного керування електродвигуном на основі МК STM32
На ній зеленим кольором виділені апаратні блоки МК STM32, а помаранчевим - програмні блоки, що реалізують алгоритми векторного керування. Однак виробник і тут подбав про полегшення життя розробника і пропонує безкоштовні бібліотеки векторного управління СДПМ / АТ, причому з підтримкою різних способів визначення положення ротора: без датчиків (по зворотної ЕРС), за допомогою датчиків Холла або енкодера. Ця функція має відношення тільки до СДПМ. У разі АТ оцінюється тільки частота обертання за допомогою тахометра. Також підтримуються різні способи контролю струму: шунтовой або за допомогою ізольованих датчиків. Оцінити можливості цієї бібліотеки програм можна в складі спеціального оціночного набору STM3210B-MCKIT. У стані поставки даний набір повністю готовий до спільної роботи з електродвигуном (входить в комплект): для цього достатньо подати напругу живлення. Крім того, деякі плати набору можна використовувати як готову платформу для управління різними типами СДПМ / АТ. Необхідні перенастроювання можна зробити через спеціально передбачений графічний користувальницький інтерфейс на основі РКІ або шляхом внесення змін у вхідні в комплект вихідні коди. В документації на STM3210B-MCKIT також можна знайти готові схемні рішення та рекомендації щодо вибору параметрів вузлів сполучення мікроконтролера із зовнішніми сигналами.
Таким чином, мікроконтролери STM32 з урахуванням доступності безкоштовної бібліотеки векторного управління СДПМ / АД можна вважати завершеною платформою для реалізації високоякісних і високонадійних регульованих електроприводів для різних застосувань. До них можна віднести побутові (пральні машини, посудомийні машини, холодильники, кондиціонери та ін.) І промислові (електромобілі, приводи малої і середньої потужності, офісна автоматика, вентилятори, виконавчі механізми HVAC-систем, насоси, компресори, торговельне обладнання, банкомати та ін.) застосування.
STM32 Primer - готова платформа для створення ергономічних пристроїв особистого користування
В аматорській і професійній практиці часто виникає бажання створити якусь «розумне» і корисний пристрій, в основу якого покладено власна ідея або навіть «ноу-хау» автора. Але от якщо на створення робочого макета такого пристрою автору можливо вистачить сил, то з реалізацією завершеного пристрою, який відрізняє оригінальний дизайн, можуть виникнути складності. Подолати ці проблеми допоможе STM32 Primer [2]. І хоча він формально носить назву оціночного кошти, його можна чудово використовувати як завершену і ергономічну платформу для створення власних пристроїв особистого користування. Безліч підтверджень можна знайти на веб-порталі спільноти користувачів STM32 Primer (www.stm32circle.com), де викладені опису різних варіантів використання STM32 Primer, в т.ч. в якості ігрової консолі, вимірювального приладу, годин і навіть електрокардіографа.
Зовнішній вигляд STM32 Primer із зазначенням складових його основу компонентів показаний на малюнку 2.
Мал. 2. Зовнішній вигляд STM32 Primer
Він виконаний в ергономічному пластиковому корпусі кільцевої форми з розбірної конструкцією. На лицьовій стороні встановлено кольоровий графічний дисплей (в центрі) і кнопка, яка може використовуватися для включення / відключення, а також для активізації команд меню графічного призначеного для користувача інтерфейсу (ДПІ). Крім того, на лицьовій стороні крізь напівпрозорий пластик видно два світлодіодних індикатора червоного і зеленого кольорів світіння. На тильній стороні є два роз'єми USB-портів (оцінний і робочий) і, крім того, під пластиковою кришкою знаходяться звуковий випромінювач, два NiMH-акумулятора (номінальну напругу 2,4 В), посадкові місця для монтажу IrDA-трансивера і контактні ламелі, пов'язані з невикористовуваними висновками МК.
Основою STM32 Primer є МК із сімейства STM32: STM32F103B6. Він виконаний на основі нового 32-бітного ядра ARM Cortex-M3 і характеризується наступними можливостями:
- Продуктивність ЦПУ 90 DMIPS на тактовій частоті 72 МГц (1,25 DMIPS / МГц);
- 128 кБ флеш-пам'яті, 20 кбайт статичного ОЗУ;
- Налагодження інтерфейси SWD і JTAG;
- Швидкодіючий введення-виведення (до 80 ліній введення-виведення), АЦП, ЦАП;
- Вбудовані комунікаційні інтерфейси: USB 2.0, CAN, USART, SPI, I2C, LIN;
- Кілька таймерів, сторожові таймери, генерація ШІМ-сигналів, системний таймер.
Для відображення інформації у STM32 Primer передбачений кольоровий графічний дисплей, виконаний на основі ЖК-модуля PZG15BW-SCLW-1 (Palm Technology) з роздільною здатністю 128х128 пікселів і можливістю відображення 64 тис. Квітів, а також на основі контролера ST7637 (Sitronix).
Однак «родзинкою» STM32 Primer все ж є не кольоровий дисплей, а трьохкоординатний датчик прискорення LIS3LV02D (STMicroelectronics). З його допомогою можна організувати оригінальний ДПІ, в якому графічний курсор буде управлятися нахилами STM32 Primer в ту чи іншу сторону. Саме таким способом ми управляємо становищем кульки в дитячих іграшках-лабіринтах. До слова, саме ця гра і демонструється в стані поставки STM32 Primer (див. Рисунок 2).
Система електроживлення. У стані поставки STM32 Primer налаштований на харчування від будь-якого з USB-портів. Щоб включити в роботу вбудовані акумулятори, необхідно зняти кришку і встановити перемичку JP1. З цього моменту після підключення USB-портів буде також здійснюватися заряд акумуляторів. Для повного перезарядження акумуляторів необхідно близько 16 годин, а тривалість роботи від повністю заражених акумуляторів складе близько 2 годин. Продовжити цей час можна зниженням активності використання STM32 Primer або зниженням яскравості підсвічування РКІ.
Операційна система CircleOS. Ще однією перевагою STM32 Primer є те, що він виконаний на основі власної міні-операційної системи CircleOS. Її використання істотно прискорить створення власних додатків, так як CircleOS підтримує безліч функцій, в тому числі графічні функції, функції управління звуковим випромінювачем і світлодіодами, функції зчитування стану кнопки і обробки даних датчика прискорення, функції меню користувача і ін. Крім того, CircleOS має можливість завантаження декількох незалежних додатків. Після запуску будь-якого з цих додатків йому виділяється весь незайнятий ОС обсяг оперативної пам'яті (16 кбайт).
Таким чином, STM32 Primer можна розглядати як завершену апаратно-програмну платформу для створення ергономічних приладів особистого користування з можливостями організації призначеного для користувача меню, навігації по ньому і доповнення новими додатками. Для цього у STM32 Primer передбачена апаратна можливість підключення зовнішньої плати розширення через спеціальні контактні ламелі, а також програмна можливість (підтримується CircleOS) завантаження і запуску програмних додатків користувача.
Мікроконтролери STM32 для реалізації пристроїв, що відповідають класу В за стандартом IEC60335
З жовтня 2007 року вступило в силу нове четверте видання стандарту IEC60335, в якому викладені більш жорсткі вимоги до електронних блоків управління, які використовують програмне забезпечення (ПО). Класифікація ПЗ та вимоги до нього наведені в іншому міжнародному стандарті IEC 60730-1. На території РФ діє аналогічний стандарт ГОСТР Р МЕК 60730-1, що є повною автентичної версією міжнародного. У додатку Н «Вимоги до електронних керуючих пристроїв» ПО розділяється на три класи: А, В і С.
Якщо ПЗ не впливає на безпеку застосування обладнання, то його відносять до класу А (приклади: регулятори освітлення, таймери, реле часу, кімнатні термостати). Якщо ж ПО відповідає за безпеку роботи керованого устаткування, то його відносять до класу В (приклади: температурний захист обладнання, блокування дверей пральної машини). Нарешті, до класу С відносять ПО, що відповідає за безпеку в особливих випадках (приклади: пристрої електронного управління газовими пальниками, Термовимикачі не вентильованих систем нагріву).
У пристроях з ПО класів В і С повинні бути реалізовані апаратні або програмні методи тестування внутрішніх ресурсів мікроконтролера, в т.ч .:
- Регістри ЦПУ;
- Лічильник програм ЦПУ;
- Обробка і виконання переривань;
- Синхронізація;
- Всі типи запам'ятовуючих пристроїв;
- Адресація (внутрішня і зовнішня);
- Внутрішні маршрути передачі даних;
- Зв'язок із зовнішніми пристроями;
- таймери;
- Пристрої введення-виведення;
- АЦП і ЦАП;
- Аналогові мультиплексори.
Використання мікроконтролерів STM32 істотно полегшить сертифікацію обладнання класу В на відповідність зазначеним стандартам, тому що багато їх положення враховані на рівні архітектури [3]. Крім того, компанія ST за запитом на безоплатній основі також пропонує бібліотеку підпрограм самотестування внутрішніх ресурсів МК STM32, таких як ОЗУ, флеш-пам'ять, зовнішня синхронізація і ЦПУ. Більш того, дана бібліотека пройшла процедуру сертифікації в німецькому інституті електротехніки, електроніки та інформатики (VDE). Таким чином, використання цієї бібліотеки не тільки спростить розробку продукції, але і прискорить її сертифікацію.
Особливості архітектури мікроконтролерів STM32 в частині відповідності стандарту МЕК 60335 відображені на малюнку 3 (pdf Class B, стор. 1). Тут представлена система синхронізації і система контролю черговості виконання програми на основі двох сторожових таймерів. Один сторожовий таймер носить назву віконного. Він синхронізується системним сигналом синхронізації і призначений для точної оцінки тимчасових характеристик виконуваних гілок програми. На апаратному рівні він реалізований, як 7-бітний циклічний лічильник зворотного відліку. Даний сторожовий таймер генерує сигнал скидання при виході за межі однієї з двох кордонів (одна - фіксована, інша - програмована). Інший сторожовий таймер носить назву незалежного. Він синхронізується окремим вбудованим низькочастотним генератором і відрізняється більшим ступенем автономності та захищеності. Завдяки роботі від окремого генератора він дозволяє реагувати на збої в основній системі синхронізації.
На малюнку 3 також показані різні джерела синхронізації і їх з'єднання всередині кристалу МК.
Мал. 3. У мікроконтролери STM32 інтегровані відмовостійка система синхронізації і два сторожових таймера
Важливо звернути увагу, що годинник реального часу можуть синхронізуватися від внутрішнього НЧ-генератора RC-типу. Завдяки цьому їх можна використовувати для контролю відхилення частоти зовнішньої синхронізації.
Нарешті, деякі процедури зі згаданої вище бібліотеки програм використовують вбудований в МК STM32 блок арифметики CRC32, який дозволяє істотно прискорити алгоритми тестування запам'ятовуючих пристроїв за рахунок значного зменшення реально-тимчасових характеристик мікроконтролера.
Таким чином, особливості архітектури мікроконтролерів STM32 з урахуванням доступною програмної бібліотеки дозволяють розглядати дані МК як готову платформу для створення електронних пристроїв управління побутових електроприладів, що відносяться до класу В стандарту IEC60335. Їх застосування дозволить скоротити її витрати часу і коштів на створення IEC60335-сумісних схемних рішень і ПО, а й на проходження процедури сертфікаціі, тому що пропонована програмна бібліотека вже пройшла сертифікацію в інституті VDE.
література
1. Motor control with STM32 32-bit ARM®-based MCU // Brochure, STMicroelectronics, 2007. - 8 p.
2. STM32-Primer // User Manual, Raisonance, 2007. - 21 p.
3. STM32 (CORTEX M3) - Self-test routines Class B norm certification // Веб-сторінка на сайті компанії STMicroelectronics, http://www.st.com/mcu/inchtml-pages-stm32_classb.html .
Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка -
e-mail: [email protected]
Про компанію ST Microelectronics
Компанія STMicroelectronics є №1 виробником електроніки в Європі. Компоненти ST широко представлені в оточуючих нас споживчих товарах - від iPhone до автомобілів різних марок. Лідери індустріального ринку вибирають компоненти ST за їх надійність і видатні технічні параметри. У компанії ST працює 48 000 співробітників в 35 країнах. Виробничі потужності розташовані в 12 країнах світу. Понад 11 тисяч співробітників зайняті дослідженнями і розробками - інноваційне лідерство ... читати далі