Firma Freescale wprowadziła na rynek nową rodzinę mikrokontrolerów opartych o rdzeń ARM Core Cortex – M0+, nazwanych Kinetis M. Mikrokontrolery Kinetis M prócz wielu przetworników A/C o wysokiej rozdzielczości, timerów, interfejsów komunikacyjnych, zegara czasu rzeczywistego (RTC) z niezależnym zasilaniem i kompensacją temperaturową zawierają również sprzętowy kontroler dostępu do wszystkich bloków pamięci, urządzeń peryferyjnych i portów I/O zintegrowanych na chipie.

Często, dopiero przy rozliczaniu należności za energię zdajemy sobie sprawę, że prawie na każdym kroku naszego codziennego życia jesteśmy otoczeni różnego rodzaju urządzeniami pomiarowymi i rejestrującymi. Mam na myśli nie tylko wszystkie liczniki energii elektrycznej, gazu, wody i ciepła w domach, ale również dystrybutory na stacji paliw, wagi i systemy rejestracji w centrach handlowych. Obecnie produkowane przyrządy do pomiarów rozliczeniowych są sterowane elektronicznie za pomocą mikrokontrolera.

Dokładność danych billingowych w typowej aplikacji pomiarowej na bazie mikrokontrolera zależy przede wszystkim od dokładności przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), częstotliwości próbkowania i zakresu dynamiki obliczeń metrologiczych. Ponadto, z powodu finansowych skutków pomiaru musi być zapewniona niezawodności i bezpieczeństwo danych i oprogramowania.

Z tego powodu wiele firm półprzewodnikowych stawia sobie za cel opracowanie dedykowanego mikrokontrolera w którym oprócz spełnienia podstawowych wymagań technicznych niezbędnych dla precyzyjnego pomiaru, dużej mocy obliczeniowej i niskiego zużycia energii będzie również zapewniona wystarczająca elastyczność konfiguracji i możliwość wydzielenia „fiskalnej” metrologii od pozostałych części aplikacji.

Opis mikrokontrolerów Kinetis M

Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy mikrokontrolerów Kinetis M.

Rys. 1. Schemat blokowy mikrokontrolerów Kinetis M

Ze schematu wynika, że oprócz 32-bitowego rdzenia ARM Cortex-M0+ taktowanego z częstotliwością do 50 MHz mikrokontroler posiada cztery niezależnie 24-bitowe przetworniki A/D (ADC SD) z wbudowanym programowalnym wzmacniaczem (PGA) zapewniające szybkość konwersji do 100 ksps. Taka konstrukca przetworników (modulator sigma-delta drugiego rzędu) umożliwia pomiar bipolarnych sygnałów analogowych w zakresie od kilku mikrowoltów (mV) do jednego V na wszystkich kanałach jednocześnie lub z precyzyjnie określonym opóźnieniem.

Pozostałe bloki analogowe to dwa szybkie komparatory analogowe (CMP) z programowaną histerezą w zakresie 5…30 mV, 16-bitowy, 12-kanałowy przetwornik A/D typu SAR z precyzyjnym źródłem napięcia odniesienia 1,2 V o współczynniku temperatury 33 ppm/°C

To napięcie odniesienia jest przeznaczone nie tylko dla wszystkich wymienionych bloków analogowych, ale za pośrednictwem wewnętrznego wzmacniacza może również służyć jako źródło napięcia odniesienia do innych układów na płytce. Jednakże, jeśli wewnętrzne parametry napięcia odniesienia nie są wystarczające, to można dołączyć zewnętrzne źródło napięcia odniesienia 1,2 V.

Celem konstruktorów było stworzenie programowalnego kontrolera, które byłyby optymalny dla aplikacji pomiarowych. Dlatego mikrokontrolery serii Kinetis M zawierają nie tylko standardowe bloki spotykane w rodzinie Kinetis, ale także rozwiązanie typowe dla innych linii produktowych. Na przykład pole komutacyjne (XBAR) łączące sygnały wewnętrzne i linie wejściowe z czterokanałowym licznikiem jest tradycyjnie używane przez Freescale w cyfrowych kontrolerach sygnałowych (DSC). To właśnie te bloki umożliwiają konstruktorom projektowania bardziej skomplikowanych wewnętrzne połączeń urządzeń peryferyjnych, definiowanie sekwencji czasowych pomiędzy próbkami, i co nie mniej ważne, zapewniają również możliwość monitorowania działania wewnętrznych bloków peryferyjnych z poziomu wyprowadzeń mikrokontrolera.

Podłączanie urządzeń peryferyjnych i wyprowadzeń mikrokontrolera do modułu XBAR przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Sygnały krosownicy XBAR i możliwe połączenia

Bloki mogą być użyte np. w typowym rozwiązaniu 3-fazowego licznika energii do wyzwolenia (synchronizowania) pomiaru napięć fazowych (trzy kanały 16-bitowego ADC SAR) poprzez pomiar prądów fazowych (trzy 24-bitowe SD ADC). Inne obszary zastosowania obejmują niezależny pomiaru okresu (częstotliwość) sygnału analogowego, detekcję prędkości komunikacji RS-485 i RS-232, modulowaną komunikację IR (IEC 1107 i 38K), dołączenie zewnętrznych modulatorów analogowych sigma-delta, oraz generowanie impulsów kalibracji z wysoką stabilnością.

Wewnętrzny moduł częstotliwości taktującej jest reprezentowany przez bloki: generatorów o sprzężeniu częstotliwościowym i fazowym (FLL i PLL), generator niskiej częstotliwości (OSC32K), generator wysokiej częstotliwości (OSCMHZ) oraz wewnętrzny zegar referencyjny (IRC) o częstotliwościach 32 kHz i 4/2 MHz.