Rodzina mikrokontrolerów FT51

Pierwszą z rodzin mikrokontrolerów firmy FTDI jest FT51. Nazwa ta nie jest przypadkowa. Układy FT51 to 8-bitowe mikrokontrolery z jednostką obliczeniową kompatybilną z rdzeniem 8051. Zastosowany CPU może pracować z częstotliwością maksymalną 48 MHz. Według zapewnień producenta  układy FT51 plasują się wśród mikrokontrolerów o najwyższej mocy obliczeniowej z jednostką 8051, uzyskując wynik 48 MIPS (milionów instrukcji na sekundę).

Rys. 2. Rysunek promujący mikrokontrolery FT51 [1]

Mikrokontolery FT51 dysponują pokaźną grupą zasobów komunikacyjnych. Podstawę wyposażenia stanowią kontrolery standardowych interfejsów: I2C, SPI oraz UART (warto podkreślić możliwość uzyskania prędkości transmisji informacji aż do 6 Mbit/s). Ponadto firma FTDI wykorzystała przy projektowaniu mikrokontrolerów FTDI swoje bogate doświadczenia z zakresu implementacji sprzętowej USB, zdobyte podczas projektowania układów interfejsowych USB-serial. Dzięki temu w FT51 znaleźć można kontroler USB 2.0 Full-Speed (FT120 firmy FTDI) oraz HUB USB. Zasoby te pozwalają podłączyć do mikrokontrolera FT51 wiele urządzeń peryferyjnych USB. Możliwe jest też zaprojektowanie systemu, w którym wiele mikrokontrolerów FT51 jest połączonych ze sobą kaskadowo przez USB (rysunek 3).

Rys. 3. Schemat połączonych ze sobą za pomocą USB mikrokontrolerów FT51 (połączenie kaskadowe) [2]

Do wyposażenia nowych układów firmy FTDI należą również peryferia analogowe i czasowe/licznikowe. Pierwszą grupę zasobów tworzy 16 komórek „analog IO cells”, które mogą pełnić funkcję przetworników A/C i C/A. Z kolei do drugiej grupy zasobów należą timery, Watchdog oraz 16-bitowy kontroler PWM.

Mikrokontrolery FT51 dysponują zintegrowanym blokiem zarządzającym sygnałem zegarowym. Jego istotną cechą jest możliwość wygenerowania sygnału zegarowego, dzięki czemu do pracy układu nie jest wymagany zewnętrzny oscylator. Z kolei blok zarządzania zasilaniem mikrokontrolera FT51 dysponuje wbudowanymi regulatorami napięcia LDO 3.3  i 1.8 V, co pozwala zasilać układ napięciem 5 V (np. bezpośrednio z gniazda USB). Brak konieczności stosowania dedykowanego dla FT51 zewnętrznego oscylatora i zewnętrznych regulatorów napięcia nie tylko obniża koszt implementacji układu w systemie, ale też pozwala zmniejszyć gabaryty płyty PCB.

Wyposażenie mikrokontrolerów FT51 uzupełnia pamięć. Zasoby pamięci obejmują 8 kB pamięci danych i 16 kB pamięci programu/shadow memory.

Mikrokontrolery FT51 będą oferowane w czterech opcjach obudowy: 24-pinosej SSOP, 32-pinowej WQFN, 44-pinowej LQFP oraz 48-pinowej WQFN. Cena jednostkowa wynosić będzie 1.46 USD dla zamówień 10.000 sztuk (cena dla modelu 32-pinowego).

Schemat budowy wewnętrznej mikrokontrolera FT51 pokazano na rysunku 4.

Rys. 4. Schemat budowy wewnętrznej mikrokontrolera FT51 [2]

Wysoka wydajność obliczeniowa, jak również bogaty zestaw zasobów peryferyjnych sprawiają, że mikrokontrolery FT51 mogą znaleźć zastosowanie w szerokiej gamie aplikacji. Jako rozwiązania docelowe swoich nowych układów firma FTDI wskazuje między innymi systemy sterowania silnikiem, różnego typu przemysłowe urządzenia kontrolno-sterujące (w tym np. przyrządy z interfejsem USB, czytniki kart smartcard, czytniki kodów kreskowych, urządzenia pomiarowe) oraz systemy akwizycji danych. W tej ostatniej grupie produktów FTDI wyróżnia systemy wykonujące akwizycję danych z czujników i daje przykład swojego rozwiązania wykonanego jako platforma demonstracyjna. Schemat blokowy systemu „FT51 Sensor Demo”, będącego systemem sensorycznym dla ludzkiego ciała pokazano na rysunku 5. W systemie tym mikrokontroler FT51 korzysta z zasobów: przetwornika A/C, kontrolera PWM, portów wejścia/wyjścia, kontrolera interfejsu USB, SPI i I2C. Układ realizuje:

• pomiar ciśnienia (nacisku): przez odczyt sygnału analogowego z rezystora pomiarowego,
• pomiar pulsu serca: przez świecenie diodą LED w tkankę i odczytywanie poziomu zmierzonego natężenia światła z fotodetektora,
• pomiar temperatury ciała: przez odczyt wartości z czujnika temperatury,
• wizualizację wyników pomiarów: prezentowanie na wyświetlaczu LCD wartości ciśnienia, pulsu serca i temperatury, sterowanie jasnością świecenia diody LED, impulsowa sygnalizacja diodą LED,
• obsługę interfejsu użytkownika: odczyt stanu dwóch przycisków,
• logowanie wyników pomiarów: wysyłanie do komputera wartości ciśnienia, pulsu serca i temperatury ciała.

Urządzenie cyklicznie realizuje pomiar ciśnienia, temperatury i pulsu serca, a następnie wysyła te informacje do komputera. Istnieje możliwość połączenia ze sobą przez USB do czterech takich urządzeń w celu zwiększenia możliwości pomiarowych systemu.

Rys. 5. Schemat blokowy systemu demonstracyjnego „FT51 Sensor Demo” [3]

Rodzina mikrokontrolerów FT900

Druga rodzina mikrokontrolerów firmy FTDI nosi nazwę FT900. Są to układy 32-bitowe, zaprojektowane w architekturze RISC i mogące pracować z częstotliwością maksymalną 100 MHz.

Rys. 6. Rysunek promujący mikrokontrolery FT900 [1]

Mikrokontrolery FT900 zostały opracowane z myślą o aplikacjach wymagających efektywnego (a więc szybkiego) przetwarzania informacji i wykonywania zadań obliczeniowych, również skomplikowanych, w krótkim czasie. Układy firmy FTDI z pewnością sprawdzą się w takich zastosowaniach, gdyż ich jednostka obliczeniowa wyróżnia się bardzo wysoką wydajnością obliczeniową – 2.93 DMIPS/MHz (293 DMIPS @ 100 MHz). Aby zobrazować przewagę FT900 nad rozwiązaniami konkurencji, firma FTDI przygotowała odpowiednie zestawienie porównawcze. Na rysunku 7 i rysunku 8 pokazano wyniki wydajności obliczeniowej uzyskiwanej przez FT900 i inne, popularne CPU.

Rys. 7. Porównanie wydajności obliczeniowej różnych CPU [4]

Rys. 8. Porównanie wydajności obliczeniowej różnych CPU [4]

Drugą mocną stroną mikrokontrolerów FT900 są zasoby komunikacyjne. W układzie FTDI zintegrowano kontrolery interfejsów UART, SPI, I2C, I2S i karty pamięci. Oczywiście nie zabrakło również peryferiów do obsługi USB (zarówno host i device). W FT900 znajdują się dwa kontrolery USB 2.0 Hi-speed (480 Mb/s) z funkcją BCD (Battey Charge Detection). Ponadto wyposażenie uzupełniają kontrolery przemysłowych standardów transmisji danych: CAN 2.0 oraz 10/100 Ethernet.

Wśród zasobów mikrokontrolerów FT900 szczególną uwagę zwraca równoległy interfejs kamery.  Umożliwia on odbiór obrazu w jakości VGA (640 x 480 pikseli).

Oprócz wymienionych zasobów projektanci z firmy FTDI przewidzieli również w układach FT900 szereg innych peryferiów. Są to: 10-bitowe przetworniki A/C i C/A, timery, Watchdog, zegar RTC, moduł DMA i kontroler PWM.

Mikrokontrolery FT900 dysponują 64 kB pamięci danych oraz 256 kB pamięci programu/shadow RAM.

Mikrokokontrolery FT900 oferowane będą w 76- i 100-pinowej obudowie QFN. Układy dostępne będą w dwóch wersjach: z kontrolerem CAN (model FT900) i bez kontrolera CAN (FT901). Cena jednostkowa FT900 wynosi 4.25 USD, a FT901 3.90 USD (cena dla zamówień 10.000 sztuk).

Schemat budowy wewnętrznej mikrokontrolera FT900 pokazano na rysunku 9.

Rys.9. Schemat budowy wewnętrznej mikrokontrolera FT900 [2]

Tak jak układy FT51 wyróżniały się wydajnością obliczeniową i bogatym zestawem peryferiów na tle innych rodzin mikrokontrolerów 8-bitowych, tak układy FT900 również wyróżniają się tymi cechami wśród rodzin mikrokontrolerów 32-bitowych. Firma FTDI jako systemy docelowe tych układów wymienia rozwiązania wymagające przetwarzania obrazu i dźwięku. Mogą to być przykładowo urządzenia video over IP, urządzenia audio wysokiej jakości, urządzenia monitoringu (np. kamery) i inne.

Firma FTDI przygotowała trzy platformy demonstracyjne, każda z nich wykorzystuje nie tylko mikrokontroler FT900, ale też inny produkt z oferty szkockiego producenta – układ FT800 (EVE). Systemy te nie tylko pokazują możliwości mikrokontrolerów FT900, ale też mogą służyć również jako projekty referencyjne. Pierwszą platformą demonstracyjną jest „FT900 Local Camera Demo” (rysunek 10). FT900 odczytuje dane z kamery CMOS za pomocą interfejsu równoległego. Następnie mikrokontroler przetwarza obraz i przesyła interfejsem SPI do układu FT800, który wyświetla go na wyświetlaczu QVGA lub WQVGA (frame rate 15 fps).

Rys. 10. Schemat blokowy platformy „FT900 Local Camera Demo” [5]

Drugim projektem demonstracyjnym jest „FT900+FT800 MP3 Player Application” (rysunek 11). Mikrokontroler FT900 odczytuje z karty pamięci SD pliki muzyczne w formacie MP3. Dane te są przesyłane do kodeka audio, który odtwarza muzykę lub dźwięk zapisany w pliku. Jednocześnie FT900 komunikuje się z układem FT800, za pomocą którego realizowany jest interfejs użytkownika (wyświetlanie informacji o odtwarzanym pliku, przyciski sterujące odtwarzaniem).

Rys. 11. Schemat blokowy platformy „FT900+FT800 MP3 Player Application” [6]

Ostatnią platformą demonstracyjną jest „FT900 Remote Camera Application” (rysunek 12). Jest to rozszerzenie projektu „FT900 Local Camera Demo”. Zastosowano tu nie jeden, a dwa mikrokontrolery FT900, każdy w osobnym urządzeniu. Pierwszym urządzeniem jest kamera IP. Mikrokontroler FT900 odczytuje dane z kamery CMOS i przesyła je interfejsem Ethernet. Układ FT900 w drugim urządzeniu odbiera przez Ethernet dane z kamery IP i przy pomocy układu FT800 wyświetla obraz na wyświetlaczu.

Rys. 12. Schemat blokowy platformy FT900 Remote Camera Application [7]

Narzędzia dewelopersie dla mikrokontrolerów FT51 i FT900

Firma FTDI zapowiedziała narzędzia deweloperskie dla swoich mikrokontrolerów. Pierwszą grupą narzędzi będą platformy sprzętowe. Dla układów FT51 przewidziana jest płytka wyposażona w gniazda USB (dwa porty jako hub USB, jeden port mini-USB jako host), gniazdo dla debugera i gniazda dające dostęp do peryferiów mikrokontrolera. Dla układów FT900 przewidziane są trzy platformy sprzętowe:

• płytka w wersji podstawowej, dysponująca gniazdami dostępu do peryferiów i gniazdem na kartę SD,
• płytka dla aplikacji video, wyposażona w gniazda dostępu do peryferiów, gniazda dla interfejsów Ethernet i USB, gniazdo dla kamery, gniazdo na kartę SD,
• płytka dla aplikacji przemysłowych, dysponująca gniazdami dostępu do peryferiów, gniazdami dla interfejsów CAN, USB i Ethernet, gniazdem na kartę SD.

Drugą grupą narzędzi będą narzędzia programistyczne. Podstawę stanowić będzie platforma Eclipse z kompilatorem GCC. W celu obsługi przez Eclipse układów FT51 i FT900 firma FTDI opracuje dedykowane wtyczki (plug-ins). Ponadto dla nowych mikrokontrolerów firmy FTDI dostępna będzie wersja systemu operacyjnego czasu rzeczywistego FreeRTOS. Wszystkie udostępniane przez producenta kody źródłowe i biblioteki będą dystrybuowane jako open source.

Literatura