Como escolher periféricos de microcontrolador para aplicações de processamento de sinal digital

Este artigo continua uma discussão sobre recursos e características do microcontrolador que são particularmente importantes quando você está pensando em termos de recursos de DSP.

Este artigo continua uma discussão sobre os recursos e características do microcontrolador que são particularmente importantes quando você está pensando em termos de recursos de DSP.

Microcontroladores podem ser um meio conveniente e econômico de incorporar processamento de sinal digital em vestíveis, dispositivos médicos, equipamentos de áudio e vários outros produtos e sistemas. No entanto, os microcontroladores são projetados principalmente para (não surpreendentemente) controlar coisas, portanto, se quisermos que um MCU seja um processador de sinal eficaz, precisamos escolher com cuidado.

O artigo anterior enfocou as características da CPU, ou seja, largura de bits, frequência de clock, ciclos de clock por instrução e capacidade de ponto flutuante. Neste artigo, veremos os módulos periféricos e os recursos que tornam um microcontrolador mais adequado para a funcionalidade DSP.

Suporte ao processador

Alguns módulos de hardware ocupam um meio-termo entre a CPU e periféricos típicos, como temporizadores e comparadores. Um exemplo comum é o multiplicador de hardware.

Multiplicação de Hardware

Um multiplicador de hardware é o tipo de recurso que pode significar a diferença entre o sucesso e o fracasso em um sistema DSP em tempo real. Aplicativos DSP importantes, como filtragem digital e análise espectral requerem inúmeras operações de multiplicação, e devem ser realizadas com rapidez suficiente para produzir resultados em um período de tempo razoável (da perspectiva do usuário) ou - e é aí que as coisas podem realmente se tornar desafiadoras —A uma taxa igual ou mais rápida do que a taxa de chegada dos dados do sistema externo.

Os triângulos nesta estrutura de filtro FIR representam operações de multiplicação.

Como uma grande proporção de aplicativos de microcontroladores não requer funcionalidade de multiplicação avançada, geralmente não faz sentido incorporar um multiplicador ao próprio núcleo do processador. O multiplicador de hardware, então, é um módulo suplementar que recebe dados da CPU, realiza multiplicações altamente eficientes e, então, disponibiliza os dados resultantes para a CPU.

Os multiplicadores de hardware vão além da mera multiplicação. As rotinas DSP geralmente requerem um processo conhecido como multiplicação e acumulação (MAC), que (como você deve ter adivinhado) envolve a multiplicação repetida de números e a adição ou acumulação dos resultados das operações de multiplicação. Um módulo MAC de hardware oferece ainda mais potencial para desempenho DSP aprimorado.

O multiplicador de hardware incorporado no MAXQ615, um microcontrolador pequeno e barato da Maxim, realiza multiplicação de 16 bits com e sem sinal, multiplicação e acumulação de 16 bits e Multiplicação e subtração de 16 bits.

Acesso direto à memória (DMA)

Aprendi sobre o DMA pela primeira vez quando estava trabalhando em um rádio definido por software que precisava executar rapidamente um algoritmo de decodificação em sinais de banda base digitalizados, e essa experiência impressionou-me permanentemente com o valor do DMA no processamento de sinais digitais com sensibilidade ao tempo.

Uma unidade DMA é essencialmente um processador separado que tem uma função:mover dados. Esta tarefa é simples, então incorporar a funcionalidade DMA em seu projeto não aumenta seriamente sua complexidade, e o poder DSP do sistema aumenta drasticamente porque a CPU pode se concentrar em processar números em vez de embaralhar dados entre a memória e os periféricos. Se o seu aplicativo requer DSP em tempo real intensivo de computação, um controlador DMA pode ser uma adição particularmente valiosa para os recursos do seu MCU.

O controlador DMA em um microcontrolador SAM4S (da Atmel) me permitiu gerar este senoide sem incomodar constantemente a CPU para enviar o próximo ponto de dados para o DAC.

Comunicação

O processamento de sinal digital requer não apenas um processador, mas também os dados digitais para serem processados. Na maioria dos casos, esses dados digitais serão originados fora do microcontrolador e isso significa que a transferência de dados é um elo crítico na cadeia DSP.

Transferência de dados paralela

Gosto de interfaces paralelas porque são simples, pelo menos em teoria, mas são menos comuns do que você pode imaginar. Transferir oito ou até dezesseis bits simultaneamente parece muito mais eficiente do que enviar um bit por vez, mas as interfaces seriais são amplamente utilizadas mesmo em sistemas de alta velocidade. Se a transferência paralela de dados for uma opção em seu sistema e você quiser experimentá-la, procure um microcontrolador com uma "interface de memória externa" (EMI ou EMIF), "interface de barramento externo" (EBI) ou algo parecido .

Transferência de dados em série

I ² C não é uma interface de alta velocidade e o UART padrão tende a ser usado para taxas de dados baixas ou moderadas. Procure por periféricos que anunciam altas taxas de clock máximas e que usam um sinal adicional para sincronização entre o receptor e o transmissor (isso permite que o sinal de dados seja inteiramente dedicado à transferência real de dados).

Eu acredito que "USART" é uma abreviatura bastante padrão para o tipo de módulo de comunicação serial que estou descrevendo (o "S" significa "síncrono"). Basicamente, o que estou recomendando aqui é um microcontrolador equivalente à "porta serial com buffer multicanal" da TI - a abreviação McBSP (pronuncia-se mic-BSP , como se o módulo fosse da Irlanda) está armazenado em minha memória e será perpetuamente associado em minha mente com a transferência de dados seriais de alta velocidade ....

Verificação de erros

Os aplicativos que requerem detecção de erros robusta podem se beneficiar de um módulo CRC de hardware.

Este é um diagrama do módulo CRC de hardware integrado em um microcontrolador EFM8 Laser Bee da Silicon Labs. Você o alimenta com uma sequência de bytes e ele usa um polinômio CRC padrão para gerar um resultado de 16 bits.

Conclusão

Eu realmente acho que os microcontroladores são preferíveis aos processadores de sinal digital em muitos aplicativos DSP de baixa e média intensidade, e espero que este artigo ajude você a identificar microcontroladores que podem executar com segurança as tarefas DSP que seus projetos exigem.

Artigos anteriores da série Introdução aos microcontroladores:

• O que é um microcontrolador? Uma introdução ao componente central em incontáveis ​​dispositivos eletrônicos
• Como escolher o microcontrolador certo para sua aplicação
• Como ler uma folha de dados de um microcontrolador:introdução e primeiros passos
• Como ler uma folha de dados de um microcontrolador:explorando o hardware