STM32-F2 MCU在工廠(chǎng)自動(dòng)化中的應用

引言

工業(yè)環(huán)境正在對嵌入式控制系統開(kāi)發(fā)人員構成日益嚴峻的挑戰，究其主要原因，當前系統和通信協(xié)議棧變得越來(lái)越復雜，系統實(shí)時(shí)性和安全要求越來(lái)越嚴格，同時(shí)，這種趨勢直接影響到半導體元器件的特性和技術(shù)規格。PROFINET是工業(yè)以太網(wǎng)版PROFIBUS總線(xiàn)，而這項技術(shù)被業(yè)界公認為極其耗費資源。意法半導體與Port合作為STM32 F-2系列研發(fā)了一款只需128KB SRAM存儲容量的PROFINET軟件，讓意法半導體的微控制器步入一個(gè)新的應用領(lǐng)域。STM32 F-2與Port PROFINET組合不僅適用于工業(yè)自動(dòng)化應用，例如，工業(yè)編碼器（定位）、工業(yè)驅動(dòng)附件，而且還適用于內置以太網(wǎng)控制功能的安全系統。PROFINET的 STM32 F-2版協(xié)議棧為用戶(hù)提供符合IEC 61158和IEC 61784標準的PROFINET IO兼容通信所需的全部服務(wù)功能，幫助用戶(hù)輕松快速地開(kāi)發(fā)PROFINET IO設備。該解決方案是是通過(guò)一個(gè)硬件抽象層訪(fǎng)問(wèn)硬件，并為用戶(hù)提供能夠連接意法半導體的不同微控制器的驅動(dòng)程序，有無(wú)操作系統均可。為了快速獲得總線(xiàn)使用權限，符合PROFINET的技術(shù)規范，該解決方案對底層以太網(wǎng)驅動(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。為了幫助設計人員輕松快速地開(kāi)發(fā)項目，Port還提供一個(gè)PROFINET設計工具。

為克服這些挑戰，意法半導體在今年初發(fā)布了STM32-F2系列微控制器，以幫助開(kāi)發(fā)人員實(shí)現要求苛刻的工業(yè)應用。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、更大的存儲容量和針對工業(yè)應用優(yōu)化的外設。F2系列產(chǎn)品在一顆芯片上集成了多種功能，例如，控制/調整功能和復雜的通信協(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)應用需要高效的操作系統。因此，軟件棧和操作系統成為選擇微控制器的首要參數。 STM32微控制器基于受到市場(chǎng)廣泛支持的Cortex M3內核，因此，有20多家實(shí)時(shí)操作系統和通信協(xié)議提供商供用戶(hù)選擇。為使STM32微控制器更加完美，意法半導體還增加了一個(gè)兼容CMSIS的硬件抽象層和其它固件庫，例如，支持永磁同步電機(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(chǎng)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針對工廠(chǎng)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，外設接口更加豐富。STM32-F2采用90nm光刻技術(shù)，處理速度達到120MHz，并使運行功耗保持在合理水平(300uA/MHz)。這項光刻技術(shù)的另一個(gè)好處是集成度更高，有助于降低應用的系統級成本。

為了充分發(fā)揮Cortex-M3內核的優(yōu)異性能，意法半導體重新評估了產(chǎn)品架構。新產(chǎn)品在120MHz下釋放150DMIP的強勁性能(Dhrystone 2.1)，CoreMark測試成績(jì)取得254高分(2.120 CoreMark/MHz 通過(guò)EEMBC 認證)， STM32F-2因而進(jìn)入Cortex-M微控制器的第一陣營(yíng)，這個(gè)成績(jì)歸功于自適應實(shí)時(shí)存儲器加速器(ARTTM)，采用這項閃存訪(fǎng)問(wèn)管理技術(shù)后，應用代碼執行不再會(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核本身慢三倍，但是，在代碼執行過(guò)程中不會(huì )出現等待狀態(tài)，即便處理速度達到120MHz時(shí)也是零等待狀態(tài)。因此，新系列產(chǎn)品可大幅縮減設計尺寸，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(fǎng)問(wèn)控制器（MAC）、4kB備用RAM、512字節的一次性可編程存儲器（OTP）。

總線(xiàn)矩陣

除單純的內核計算能力外，微控制器設計人員還必須考慮總線(xiàn)設計，在微控制器不同單元之間實(shí)現并行訪(fǎng)存和數據傳輸，例如，內核和通信外設需要同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)不同的存儲器。因此，主要總線(xiàn)最終被設計成一個(gè)多層AHB總線(xiàn)矩陣，最多支持6個(gè)同步數據流。

STM32-F2系列微控制器共有5個(gè)總線(xiàn)主控制器：

●有3條內核總線(xiàn)的ARM Cortex-M3內核

●2個(gè)DMA控制器

●高速USB主設備控制器

●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(xiàn)結構中總線(xiàn)主控制器與從控制器的全部接口。為提高系統的能效，SRAM存儲器被分成兩個(gè)存儲區SRAM1和SRAM2，SRAM1用于保存基本協(xié)議棧和變量，而SRAM2則用作通信外設的幀緩沖區。以太網(wǎng)和USB外設都占用了幾千字節的FIFO存儲空間，而且分別擁有一個(gè)各自專(zhuān)用的DMA控制器。

除多個(gè)SRAM分區外，該系統還有兩個(gè)AHB總線(xiàn)從控制器。同樣地，這樣的配置準許不同的總線(xiàn)主控制器并行處理和同步訪(fǎng)問(wèn)不同的高速外設，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，這樣設計準許在A(yíng)HB總線(xiàn)上直接連接DMA控制器與高速外設，避免在總線(xiàn)矩陣和二級高速至低速橋上因延遲而降低性能。

外部存儲器接口又稱(chēng)“靜態(tài)存儲控制器”，可直接連接不同的異步和同步存儲器、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(xiàn)頻率最高60MHz，還能通過(guò)指令總線(xiàn)(I-bus)獲取CPU內核指令。

存儲器加速器

意法半導體的自適應實(shí)時(shí)（ART）存儲器加速器（如下圖所示）可讓Cortex-M3內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，引入這項技術(shù)后，STM32-F2以120 MHz的速度從閃存執行代碼無(wú)等待狀態(tài)。