STM32-F2 MCU在工廠自動(dòng)化中的應(yīng)用

引言

工業(yè)環(huán)境正在對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員構(gòu)成日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，究其主要原因，當(dāng)前系統(tǒng)和通信協(xié)議棧變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和安全要求越來(lái)越嚴(yán)格，同時(shí)，這種趨勢(shì)直接影響到半導(dǎo)體元器件的特性和技術(shù)規(guī)格。PROFINET是工業(yè)以太網(wǎng)版PROFIBUS總線，而這項(xiàng)技術(shù)被業(yè)界公認(rèn)為極其耗費(fèi)資源。意法半導(dǎo)體與Port合作為STM32 F-2系列研發(fā)了一款只需128KB SRAM存儲(chǔ)容量的PROFINET軟件，讓意法半導(dǎo)體的微控制器步入一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。STM32 F-2與Port PROFINET組合不僅適用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，例如，工業(yè)編碼器（定位）、工業(yè)驅(qū)動(dòng)附件，而且還適用于內(nèi)置以太網(wǎng)控制功能的安全系統(tǒng)。PROFINET的 STM32 F-2版協(xié)議棧為用戶提供符合IEC 61158和IEC 61784標(biāo)準(zhǔn)的PROFINET IO兼容通信所需的全部服務(wù)功能，幫助用戶輕松快速地開(kāi)發(fā)PROFINET IO設(shè)備。該解決方案是是通過(guò)一個(gè)硬件抽象層訪問(wèn)硬件，并為用戶提供能夠連接意法半導(dǎo)體的不同微控制器的驅(qū)動(dòng)程序，有無(wú)操作系統(tǒng)均可。為了快速獲得總線使用權(quán)限，符合PROFINET的技術(shù)規(guī)范，該解決方案對(duì)底層以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行了優(yōu)化。STM32 F-2支持PROFINET Conformance Class A，還可以支持PROFINET Realtime Class 1。為了幫助設(shè)計(jì)人員輕松快速地開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，Port還提供一個(gè)PROFINET設(shè)計(jì)工具。

為克服這些挑戰(zhàn)，意法半導(dǎo)體在今年初發(fā)布了STM32-F2系列微控制器，以幫助開(kāi)發(fā)人員實(shí)現(xiàn)要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用。新系列產(chǎn)品誕生于深受市場(chǎng)歡迎的STM32產(chǎn)品家族，擁有更高的性能、更大的存儲(chǔ)容量和針對(duì)工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化的外設(shè)。F2系列產(chǎn)品在一顆芯片上集成了多種功能，例如，控制/調(diào)整功能和復(fù)雜的通信協(xié)議棧。高集成度的優(yōu)點(diǎn)是，縮小印刷電路板空間，避免在不同的控制器之間存在易受到電磁兼容性影響的連接電路，優(yōu)化應(yīng)用成本。

工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的特點(diǎn)是多個(gè)通信協(xié)議并存，實(shí)時(shí)應(yīng)用需要高效的操作系統(tǒng)。因此，軟件棧和操作系統(tǒng)成為選擇微控制器的首要參數(shù)。 STM32微控制器基于受到市場(chǎng)廣泛支持的Cortex M3內(nèi)核，因此，有20多家實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和通信協(xié)議提供商供用戶選擇。為使STM32微控制器更加完美，意法半導(dǎo)體還增加了一個(gè)兼容CMSIS的硬件抽象層和其它固件庫(kù)，例如，支持永磁同步電機(jī)(PMSM)的磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 。本文將介紹兩個(gè)第三方專(zhuān)門(mén)為STM32F-2研發(fā)的工廠自動(dòng)化軟件: IXXAT開(kāi)發(fā)的支持PTP的IEEE1588協(xié)議軟件包和PORT開(kāi)發(fā)的Profinet通信協(xié)議棧。

STM32-F2針對(duì)工廠自動(dòng)化的改進(jìn)的性能

與上一代產(chǎn)品STM32-F1相比，STM32-F2在很多方面加以改進(jìn)，特別是性能更加出色，外設(shè)接口更加豐富。STM32-F2采用90nm光刻技術(shù)，處理速度達(dá)到120MHz，并使運(yùn)行功耗保持在合理水平(300uA/MHz)。這項(xiàng)光刻技術(shù)的另一個(gè)好處是集成度更高，有助于降低應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)成本。

為了充分發(fā)揮Cortex-M3內(nèi)核的優(yōu)異性能，意法半導(dǎo)體重新評(píng)估了產(chǎn)品架構(gòu)。新產(chǎn)品在120MHz下釋放150DMIP的強(qiáng)勁性能(Dhrystone 2.1)，CoreMark測(cè)試成績(jī)?nèi)〉?54高分(2.120 CoreMark/MHz 通過(guò)EEMBC 認(rèn)證)， STM32F-2因而進(jìn)入Cortex-M微控制器的第一陣營(yíng)，這個(gè)成績(jī)歸功于自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器(ARTTM)，采用這項(xiàng)閃存訪問(wèn)管理技術(shù)后，應(yīng)用代碼執(zhí)行不再會(huì)受閃存本身固有的等待狀態(tài)的影響。雖然閃存的速度比內(nèi)核本身慢三倍，但是，在代碼執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)等待狀態(tài)，即便處理速度達(dá)到120MHz時(shí)也是零等待狀態(tài)。因此，新系列產(chǎn)品可大幅縮減設(shè)計(jì)尺寸，降低功耗和閃存的EMC影響，確保最高的產(chǎn)品性能。

STM32-F2的主要特性如下: 最高1MB的閃存、128kB RAM、6個(gè)UART(7.5Mbps)、3個(gè)SPI接口 (30Mbps)、支持IEE1588 PTP V2的以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器（MAC）、4kB備用RAM、512字節(jié)的一次性可編程存儲(chǔ)器（OTP）。

總線矩陣

除單純的內(nèi)核計(jì)算能力外，微控制器設(shè)計(jì)人員還必須考慮總線設(shè)計(jì)，在微控制器不同單元之間實(shí)現(xiàn)并行訪存和數(shù)據(jù)傳輸，例如，內(nèi)核和通信外設(shè)需要同時(shí)訪問(wèn)不同的存儲(chǔ)器。因此，主要總線最終被設(shè)計(jì)成一個(gè)多層AHB總線矩陣，最多支持6個(gè)同步數(shù)據(jù)流。

STM32-F2系列微控制器共有5個(gè)總線主控制器：

●有3條內(nèi)核總線的ARM Cortex-M3內(nèi)核

●2個(gè)DMA控制器

●高速USB主設(shè)備控制器

●10/100以太網(wǎng)MAC控制器

上圖中的黑點(diǎn)代表在這個(gè)7層總線結(jié)構(gòu)中總線主控制器與從控制器的全部接口。為提高系統(tǒng)的能效，SRAM存儲(chǔ)器被分成兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)SRAM1和SRAM2，SRAM1用于保存基本協(xié)議棧和變量，而SRAM2則用作通信外設(shè)的幀緩沖區(qū)。以太網(wǎng)和USB外設(shè)都占用了幾千字節(jié)的FIFO存儲(chǔ)空間，而且分別擁有一個(gè)各自專(zhuān)用的DMA控制器。

除多個(gè)SRAM分區(qū)外，該系統(tǒng)還有兩個(gè)AHB總線從控制器。同樣地，這樣的配置準(zhǔn)許不同的總線主控制器并行處理和同步訪問(wèn)不同的高速外設(shè)，例如，加密處理器和通用輸入輸出端口。AHB從控制器和DMA控制器都是雙端口，這樣設(shè)計(jì)準(zhǔn)許在AHB總線上直接連接DMA控制器與高速外設(shè)，避免在總線矩陣和二級(jí)高速至低速橋上因延遲而降低性能。

外部存儲(chǔ)器接口又稱(chēng)“靜態(tài)存儲(chǔ)控制器”，可直接連接不同的異步和同步存儲(chǔ)器、NOR/NAND閃存、SRAM、偽SRAM，甚至還能連接一個(gè)液晶顯示器控制器，外存接口總線頻率最高60MHz，還能通過(guò)指令總線(I-bus)獲取CPU內(nèi)核指令。

存儲(chǔ)器加速器

意法半導(dǎo)體的自適應(yīng)實(shí)時(shí)（ART）存儲(chǔ)器加速器（如下圖所示）可讓Cortex-M3內(nèi)核釋放最高的處理性能，雖然閃存本身需要等待狀態(tài)，但是，引入這項(xiàng)技術(shù)后，STM32-F2以120 MHz的速度從閃存執(zhí)行代碼無(wú)等待狀態(tài)。