ELEKTRONIK INFORMATIONEN

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1 HF-DESIGN: Baugruppen für LTE-fähige Smartphones entwickelt mit AWR-Software 2013 Praxiswissen für den professionellen Entwickler L ELEKTRONIK INFORMATIONEN Titelbild: Fujitsu Semiconductor Europe Entwicklungskits was ist ihre zukünftige Rolle im EMBEDDED ENGINEERING? ENTWICKLUNGSTOOLS 16 Wizard vereinfacht den USB-Einstieg mit Fujitsus FM3-Mikrocontroller MEDIZINELEKTRONIK 42 Wie fortschrittliche Point-of- Load-Regler die medizinische Bildgebung verbessern SCHALTUNGSSCHUTZ 46 Wirksame ESD-Maßnahmen bei hochentwickelten CMOS-Fertigungsprozessen 45. Jahrgang 12,-

2 SPEZIAL: EMBEDDED ENGINEERING Tools USB FIRMWARE FÜR MIKROCONTROLLER AUS FUJITSUS FM3-PLATTFORM ERSTELLEN K(l)eine Hexerei Von der einfachen Peripherieanbindung via USB, wie sie in der PC-Technik gang und gäbe ist, können auch Embedded-Anwendungen profitieren. Der USB Wizard ist ein zentraler Teil von Fujitsus FMconnect -Lösung für Embedded-USB. Er soll dem Benutzer mit wenigen Klicks zu einer lauffähigen Firmware verhelfen. WOLF FRONAUER MANUEL SCHREINER Der Universal Serial Bus (USB) stellt in Embedded-Systemen einen pauschalen Anschluss zum Computer her (Embedded-System als USB Device), sorgt aber auch für den Zugang zu externer Peripherie (Embedded-System als USB Host). USB ersetzt hierbei schon seit längerer Zeit die serielle oder parallele Schnittstelle. USB standardisiert nicht nur Steckverbinder, Kabel und Datenkommunikation, sondern Geräteklassifizierungen KONTAKT Fujitsu Semiconductor Europe GmbH, Langen, Tel , Fax , Embedded World: beschreiben gewisse Gerätetypen inklusive Protokoll, sodass in vielen Fällen eine Treiberinstallation entfällt. Beispiele für treiberlose Geräte sind Tastaturen, Mäuse und USB-Festplatten. Auch in Embedded- Systeme lässt sich USB-Peripherie einfach einbinden. Historisch gewachsen sind in Embedded-Systemen die so genannten USB- Brücken, die einen USB-Anschluss und beispielsweise eine serielle Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Embedded- System besitzen. Ein virtueller Com Port machte die beliebte serielle Schnittstelle über USB wieder verfügbar. Jedoch kann 16 EL-info Elektronik Informationen

3 Tools SPEZIAL: EMBEDDED ENGINEERING USB um einiges mehr leisten, und mit dem Einzug von USB in den Mikrocontroller ergeben sich neue Möglichkeiten. Für industrielle Embedded-Applikationen bietet Fujitsu ARM-Cortex-M3-Mikrocontroller ( FM3 ) mit USB-Option an. Diese unterstützen immer USB-Funktion und Host, und es sind bis zu zwei solcher Schnittstellen an Bord. Zum einen bietet der Core einen universellen Einstieg in die ARM-Cortex-M-Serien, zum anderen kann der Entwickler auf die Technologie von Fujitsu zugreifen: So bietet Fujitsu einen schnellen und zuverlässigen Flash, der bei 72 MHz ohne Waitcycles auskommt und dank eines Tracebuffers selbst bei 144 MHz MCU-Takt keine Waitcycles benötigt. Des Weiteren unterstützt die FM3- Serie Flash Security, Clock Supervisor und Low-Voltage Detection. Neben USB besitzen die FM3-Derivate der High-Performance-Gruppe bis zu acht multifuktionale serielle Schnittstellen, die als UART, SPI oder I 2 C konfiguriert werden können. Hinzu kommen bis zu zwei CAN- und zwei Ethernet-Schnittstellen. Multifunctional Timer für Inverter Motor Control sowie bis zu drei unabhängige 12-Bit-A/D-Wandler gehören zur serienmäßigen Ausstattung. Der leichte USB-Einstieg Zusätzlich zu USB-Hardware und -Stack verhilft Fujitsus USB Wizard mit nur wenigen Klicks zur eigenen USB-Applikation ( USB Click & Go, Bild 1). Zunächst werden Hardware-spezifische Einstellungen vorgenommen, wie der genaue Typ des Mikrocontrollers oder Evaluierungsboards, und man bestimmt, ob USB-Host oder/ und -Device genutzt werden sollen. Neben diesen Hardware-Vorgaben können auch diverse Softwarepakete ausgewählt werden wie Evaluation Board Support für LEDs, Taster, Kommunikation, Low-Level Library und Filesystem-Nutzung. Wurde die USB-Device-Nutzung mit ausgewählt, lassen sich in den nächsten Schritten Device-spezifische Einstellungen vornehmen. Zunächst kann die Art des USB-Devices bestimmt werden: Virtual Com Port, LibUSB-Kommunikation, HID- Kommunikation, USB Mouse oder USB Joystick. Das USB Device kann dann noch genauer durch Teile des Device Descriptors und Configuration Descriptors konfiguriert werden. Die vorgegebenen Werte funktionieren auf Anhieb, sind aber zum Zweck der Kompatibilität anpassbar. Wurde USB- Host-Nutzung ausgewählt, sind Treiber an- 1 VORGEHENSWEISE Bild 1. Einfacher Einstieg in die USB-Firmware-Erstellung mittels USB Click & Go und abwählbar, die das Embedded-System als Host unterstützen sollen. Fujitsus Embedded USB Host unter stützt folgende Geräte: Mouse, Tastatur, HID-Datenkommunikation und Mass Storage (mit Filesystem). Zuletzt kann der Speicherort und der Name des Projekts vergeben werden. Das Ausgabeformat ist ein kompletter C-Sourcecode, der als Projekt direkt mit der IAR Workbench oder mit Keil μvision zu öffnen ist und so direkt als Binary umgesetzt werden kann. Generell 2 kann der Quellcode auch mit jeder anderen IDE genutzt werden oder mit jedem anderen C-Compiler, der die FM3-Serie unterstützt. Neben dem Source-Code liegt dem Ausgabeformat wenn benötigt zusätzliche Treibersoftware, Fujitsus USB- Bibliothek und PC-Software bei, mit der man das Embedded Device direkt ansteuern kann. Eine tiefere Dokumentation ist mit dem USB Wizard direkt abrufbar und kann einfach und übersichtlich in Form von Application Notes bezogen werden. Bild 2. Im Beispiel wird die USB-Device-Unterstützung aus- und die Host- sowie Filesystem-Unterstützung abgewählt EL-info Elektronik Informationen

4 USB-Code in nur 30 Minuten! USB-Wizard USB-Library frei verfügbar Low-Cost Starterkit USB-Wizard + Software Library Die USB-Funktionalität ist bei FUJITSU s Cortex-M3 Serie gratis dabei. FM3connect verknüpft USB-, Ethernet- und CAN-Kommunikation mit intelligenten Hard- und Software-Tools: USB-Wizard (GUI) lauffähiger USB-Code in nur 30 Minuten Umfangreiche USB-Library frei verfügbar Low-Cost Starterkit für den schnellen Einstieg In unseren Workshops lernen Sie, wie leicht Sie FM3connect in Ihre Applikationen integrieren. Hier klicken und anmelden:

5 SPEZIAL: EMBEDDED ENGINEERING Tools 3 Peripherie wie Taster und LEDs. Wird ein Mikro controller mit einem verfügbaren Evaluation Board ausgewählt, so ordnet der Wizard automatisch das richtige Board zu. Neben der externen Peripherie kann auch die Fujitsu-eigene Low-Level-Bibliothek eingebunden werden, um die interne Peripherie einfacher anzusteuern. Im Beispiel des Virtuellen Com Ports wird nur USB-Device-Unterstützung aus- und die USB-Host-Unterstützung sowie der Filesystem-Support abgewählt (Bild 2). FAZIT Bild 3. Vendor- und Produkt-ID eingeben und Vorgaben zum Strombedarf definieren USB Wizard in der Anwendung Das Beispiel des Virtuellen Com Ports soll die Funktionsweise des USB Wizard in wenigen Schritten verdeutlichen: WISSENSWERT 4 Bild 4. Übersicht der möglichen Aktionen, nachdem das Projekt erstellt ist Auswahl der Hardware-Plattform Die Hardware ist die Grundlage für die erste eigene USB-Anwendung. Zu dieser Grundlage gehört der genaue Typ des Mikrocontrollers, aber auch externe Mehr Support für die FM-Familie. FMconnect USB ist nur eines von Fujitsus Angeboten rund um die FM3-Mikrocontroller. Weitere Lösungen für diese Baustein familie sind: FMconnect Ethernet, denn die FM3 Familie bietet bis zu zwei unabhängige Ethernet-Schnittstellen pro MCU an, FMinverter für Motoranwendungen vom Kompressorantrieb bis zum Industrie servomotor, FMtouch ermöglicht die kapazitive Touch-Eingabe mit allen FM3-Mikrocontrollern. Die von Fujitsu bereits angekündigten Familien FM4 mit Cortex-M4-Kern und FM0+ mit Cortex-M0+-Kern werden dank ihrer Kompatibilität zu FM3 nicht nur dazu beitragen, eine große skalierbare Cortex-M-Plattform mit über 700 ver - schiedenen Derivaten zu formen, sondern auch die Unterstützung durch die schon vorhandenen Lösungen ist sichergestellt. USB Click & Go. Die ARM-Cortex- M3-Mikrocontroller der FM3-Familie stellen den Entwicklern industrieller Embedded-Anwendungen eine USB-Option mit jeweils zwei dieser Schnittstellen zur Verfügung. Neben Hardware und Stack bietet Fujitsu einen Wizard für den Schnell - einstieg an, der mit nur wenigen Klicks zum fertigen USB-Projekt führt. Auswahl der USB-Device-Anwendung Normalerweise muss der Entwickler das USB Device mit den so genannten USB- Deskriptoren beschreiben und ein USB- Klassenprotokoll aufsetzen. Für den Virtuellen Com Port existiert im USB Wizard bereits eine Vorlage, die Deskriptoren schon vorkonfiguriert und das Klassen- Kommunikationsprotokoll beinhaltet. Feinabstimmung der USB-Deskriptoren Falls dem Entwickler eigene Vendor-ID und Produkt-ID vorliegen, können diese nun eingetragen werden (Bild 3). Sollte dies nicht der Fall sein, so sind für das konkrete Beispiel schon Vendor- und Produkt-ID von Fujitsu ausgewählt. Für kleine Serien von bis zu 5000 Stück können bis zu vier Produkt-IDs unter der Vendor-ID von Fujitsu bezogen werden. Andernfalls kann beim USB Implementers Forum unter auch eine Vendor-ID bezogen werden, unter der man Produkt-IDs nutzen kann. Neben Vendorund Produkt-ID können nun noch Einstellungen zur Stromaufnahme vorgenommen werden, die der Computer vor allem dann benötigt, wenn das Embedded- Gerät über den Bus mit Strom versorgt werden soll. 18 EL-info Elektronik Informationen

6 Tools SPEZIAL: EMBEDDED ENGINEERING Projektnamen und Speicherort festlegen Nun können Projektname und Speicherort angegeben werden. Der Wizard erstellt im Anschluss daran ein vollständiges Projekt und benennt dieses anhand der eingestellten Parameter. Für die IAR Workbench und Keil μvision erzeugt er Projekte, die komplett alle Linker- und Compiler-Einstellungen beinhalten. Generell ist der erzeugte C-Sourcecode auch mit jedem anderen Compiler zu verwenden; jedoch müssen die Compiler- und Linker- Einstellungen dann von Hand vorgenommen werden. Nachdem alle Dateien erzeugt sind, können nun verschiedene Aktionen ausgelöst werden (Bild 4): die Readme-Datei lesen, die USB-Dokumentation öffnen, das erzeugte Projekt im Explorer anzeigen, das Projekt mit der IAR Workbench oder in Keil μvision öffnen oder Treiber für den Virtuellen Com Port automatisch installieren. (ml) DIE AUTOREN WOLF FRONAUER ist Manager Embedded Marketing and Application bei FSEU. MANUEL SCHREINER ist dort als Application Engineer tätig.