[TECH REPORT] Cortex-M0+ MCU가 범용 처리 및 감지, 제어를 최적화하는 방법

[텍사스인스트루먼트=월터 슈노어 시스템엔지니어링 매니저] 임베디드 시스템의 마이크로컨트롤러(MCU)는 바쁜 공항의 항공 교통 관제탑과 같다. MCU는 운영환경을 감지하고 감지한 내용에 따라 조치를 취하고 관련 시스템과 통신한다.

이 제품은 디지털 온도계부터 연기 감지기, 난방, 환기 및 에어컨 모터에 이르기까지 거의 모든 종류의 전자 제품에서 신호를 관리하고 제어한다. 임베디드 설계자는 시스템의 경제성과 수명을 유지하기 위해 설계할 때 더 높은 유연성을 필요로 한다.

현재 사용 가능한 MCU 포트폴리오로는 설계 엔지니어들이 현재 및 미래 설계에 걸쳐 재사용할 수 있는 하드웨어 및 코드의 양과 컴퓨팅, 통합 아날로그 및 패키징 옵션이 제한적이다.

이처럼 유연성이 제한되는 것은 곧 설계자가 여러 제조업체에서 MCU를 소싱하고 각 설계의 고유한 요구 사항을 충족하기 위해 추가 시간을 재프로그래밍해야 하며 개발비용은 물론 전반적인 시스템 비용 및 복잡성도 추가해야 한다는 것을 의미한다.

MSPM0 Arm Cortex –M0+ MCU는 설계자에게 더 많은 옵션과 더 높은 설계 유연성, 더 직관적인 소프트웨어 및 툴을 제공해 이러한 과제를 해결하는 데 도움을 준다. 이 글을 통해 이런 맥락에서 ‘더 많은’ 것은 무엇을 의미하는지 그리고 MCU가 더 광범위한 통합 아날로그 옵션 및 처리 기능 측면에서 활용할 수 있는 잠재적 애플리케이션에 대해 알아보고자 한다.

▶더 많은 컴퓨팅 옵션
Arm Cortex-M0+는 8비트 및 16비트 애플리케이션에 32비트 컴퓨팅 기능을 제공했지만 설계자들은 여전히 가능한 한 많은 컴퓨팅 성능을 필요로 하고 있다.

이러한 요구사항에는 코드 재사용 및 수명을 지원하는 더 많은 소프트웨어 추상화 계층과 매우 낮은 지연 시간 요구 사항을 통해 알고리즘에 더 많은 분석을 도입하는 것과 더 높은 보안 성능에 대한 필요성 등이 포함된다.

컴퓨팅을 위한 MSPM0 MCU 옵션은 간단한 애플리케이션을 위한 32MHz Arm Cortex-M0+ CPU에서 시작하고 분할 및 제곱근, 곱셈 누적, 삼각(사인, 코사인, 아크 탄젠트 x, y/x의 아크 탄젠트)를 포함한 하드웨어 가속 수학 함수를 사용해 80MHz까지 확장할 수 있다.

MSPM0G3507을 포함한 MSPM0 G 시리즈는 두 개의 플래시 대기 상태에서 80MHz의 컴퓨팅 성능을 지원하는 MCU를 통해 다음과 같은 애플리케이션에 저비용 MCU를 구현할 수 있게 해 준다.

• 수학 가속으로 인해 제어 루프 지연 시간이 더 낮은 30kHz 이상으로 실행되는 무센서 FOC(자속 기준 제어) 모터 드라이브 애플리케이션(<그림 1>에 표시된 애플리케이션 예제)
• 그리드 인프라에서 다상 에너지 계량 계산

▶더욱 통합된 아날로그
MSPM0 MCU의 통합 구성 요소를 활용하면 SAR(연속 근사 레지스터) ADC(아날로그-디지털 컨버터), 콤퍼레이터 및 디지털-아날로그 컨버터를 포함한 유연한 프로그래머블 온칩 연결과 함께 감지 회로의 정확도를 개선할 수 있다.

이런 구성 요소에는 크로스오버 왜곡이 없는 제로 드리프트, 초퍼 안정화, 프로그래머블 게인 연산 증폭기도 포함된다. 통합 트랜스임피던스 증폭기에는 포토다이오드 회로를 구현하기 위한 초저 입력 바이어스 전류(150pA)가 있다.

저비용 감지 애플리케이션에서 오류 소스로 입력 오프셋을 줄이면 더 높은 센서 신호 게인을 적용하는 동시에 온도 전반에 걸쳐 낮은 잔류 입력 오프셋 오류를 유지해<그림 2> 정확도를 개선하는 데 도움이 된다.

• 배터리 충전 및 게이징과 같은 전력 공급 애플리케이션
• 가전제품 및 전원, 정원 공구의 브러시드 DC 및 브러시리스 DC 모터 드라이브와 같은 모니터링 및 실시간 제어 애플리케이션
• 혈압 모니터, 맥박 산소 측정기 및 온도계를 포함한 의료 모니터링 신호 체인
• 연기 감지기 및 패시브 적외선 센서를 포함한 건물 자동화 애플리케이션

통합형 SAR ADC는 최대 4MSPS에서 단조 12비트 작동과 최대 250kSPS에서 14비트 작동을 지원하며 두 신호의 동기화된 측정을 위한 동시 샘플링을 사용할 수 있다.

이 기능을 통해 컴프레서, 펌프, 팬과 같은 모터 드라이브에서 14비트 주전원 전압과 전류의 동시 샘플링과 고속 저지연 샘플링(250ns)을 통해 주거용 및 기업용 애플리케이션의 에너지 모니터링을 지원한다.

▶결론
비용에 민감한 임베디드 시스템의 기능 추가 및 개선은 설계자의 예산에 맞는 MCU의 감지 정확도 및 컴퓨팅 기능에 따라 제한된다.

더 많은 설계자들이 플랫폼 소프트웨어 개발 접근 방식을 취하면서 하나의 소프트웨어 프레임워크를 여러 애플리케이션에 적용함에 따라 모든 제품이 필요한 센서 및 처리 기능과 함께 비용이 최적화된 MCU를 사용하도록 하기 위해 확장 가능한 기능을 갖춘 MCU 포트폴리오를 기반으로 개발하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌다.