Comment choisir les périphériques de microcontrôleur pour les applications de traitement du signal numérique

Cet article poursuit une discussion sur les fonctionnalités et les caractéristiques du microcontrôleur qui sont particulièrement importantes lorsque vous pensez en termes de capacités DSP.

Cet article poursuit une discussion sur les fonctionnalités et les caractéristiques du microcontrôleur qui sont particulièrement importantes lorsque vous pensez en termes de capacités DSP.

Les microcontrôleurs peuvent être un moyen pratique et économique d'intégrer le traitement du signal numérique dans les appareils portables, les appareils médicaux, les équipements audio et divers autres produits et systèmes. Cependant, les microcontrôleurs sont principalement conçus pour contrôler (sans surprise) des choses, donc si nous voulons qu'un MCU soit un processeur de signal efficace, nous devons choisir avec soin.

L'article précédent s'est concentré sur les caractéristiques du processeur, à savoir la largeur de bit, la fréquence d'horloge, les cycles d'horloge par instruction et la capacité à virgule flottante. Dans cet article, nous examinerons les modules périphériques et les fonctionnalités qui rendent un microcontrôleur plus adapté à la fonctionnalité DSP.

Support du processeur

Certains modules matériels occupent un juste milieu entre le processeur et les périphériques typiques tels que les minuteries et les comparateurs. Un exemple courant est le multiplicateur matériel.

Multiplication matérielle

Un multiplicateur matériel est le genre de fonctionnalité qui pourrait faire la différence entre le succès et l'échec dans un système DSP en temps réel. Les applications DSP importantes telles que le filtrage numérique et l'analyse spectrale nécessitent de nombreuses opérations de multiplication, et celles-ci doivent être effectuées assez rapidement pour produire des résultats dans un délai raisonnable (du point de vue de l'utilisateur) ou—et c'est à ce moment que les choses peuvent vraiment devenir difficiles —à une vitesse égale ou supérieure à la vitesse à laquelle les données arrivent du système externe.

Les triangles dans cette structure de filtre FIR représentent des opérations de multiplication.

Étant donné qu'une grande partie des applications de microcontrôleur ne nécessitent pas de fonctionnalité de multiplication avancée, il n'est généralement pas logique d'incorporer un multiplicateur dans le cœur du processeur lui-même. Le multiplicateur matériel est donc un module supplémentaire qui reçoit des données du processeur, effectue une multiplication très efficace, puis met les données résultantes à la disposition du processeur.

Les multiplicateurs matériels vont en fait au-delà de la simple multiplication. Les routines DSP nécessitent souvent un processus connu sous le nom de multiplication et accumulation (MAC), qui (comme vous l'avez peut-être deviné) implique de multiplier à plusieurs reprises des nombres et d'ajouter, ou d'accumuler, les résultats des opérations de multiplication. Un module MAC matériel offre encore plus de potentiel pour des performances DSP améliorées.

Le multiplicateur matériel intégré au MAXQ615, un petit microcontrôleur peu coûteux de Maxim, effectue une multiplication 16 bits signée et non signée, une multiplication et une accumulation 16 bits et Multiplier et soustraire 16 bits.

Accès direct à la mémoire (DMA)

J'ai découvert le DMA pour la première fois lorsque je travaillais sur une radio définie par logiciel qui devait exécuter rapidement un algorithme de décodage sur des signaux de bande de base numérisés, et cette expérience m'a définitivement impressionnée la valeur du DMA dans le traitement du signal numérique sensible au temps.

Une unité DMA est essentiellement un processeur séparé qui n'a qu'une tâche :déplacer des données. Cette tâche est simple, donc l'intégration de la fonctionnalité DMA dans votre projet n'augmente pas sérieusement sa complexité, et la puissance DSP du système augmente considérablement car le processeur peut se concentrer sur les chiffres au lieu de mélanger les données entre la mémoire et les périphériques. Si votre application nécessite un DSP en temps réel gourmand en calculs, un contrôleur DMA peut être un ajout particulièrement précieux aux capacités de votre MCU.

Le contrôleur DMA sur un microcontrôleur SAM4S (de chez Atmel) m'a permis de générer cette sinusoïde sans constamment importuner le CPU pour envoyer le prochain point de données au DAC.

Communication

Le traitement du signal numérique nécessite non seulement un processeur, mais également des données numériques à traiter. Dans la plupart des cas, ces données numériques proviendront de l'extérieur du microcontrôleur, ce qui signifie que le transfert de données est un maillon essentiel de la chaîne DSP.

Transfert de données parallèle

J'aime les interfaces parallèles parce qu'elles sont simples, du moins en théorie, mais elles sont moins courantes qu'on ne le pense. Le transfert simultané de huit ou même seize bits semble beaucoup plus efficace que l'envoi d'un bit à la fois, mais les interfaces série sont largement utilisées même dans les systèmes à grande vitesse. Si le transfert de données parallèle est une option dans votre système et que vous souhaitez l'essayer, recherchez un microcontrôleur avec une "interface de mémoire externe" (EMI ou EMIF), une "interface de bus externe" (EBI) ou quelque chose du genre .

Transfert de données en série

Je ² C n'est pas une interface à grande vitesse et l'UART standard a tendance à être utilisé pour des débits de données faibles ou modérés. Recherchez des périphériques qui annoncent des fréquences d'horloge maximales élevées et qui utilisent un signal supplémentaire pour la synchronisation entre le récepteur et l'émetteur (cela permet au signal de données d'être entièrement consacré au transfert de données réel).

Je crois que "USART" est une abréviation assez standard pour le type de module de communication série que je décris (le "S" signifie "synchrone"). Fondamentalement, ce que je recommande ici est un microcontrôleur équivalent au "port série tamponné multicanal" de TI - l'abréviation McBSP (prononcé mic-BSP , comme si le module venait d'Irlande) est logé dans ma mémoire et sera perpétuellement associé dans mon esprit au transfert de données série à haut débit....

Vérification des erreurs

Les applications qui nécessitent une détection d'erreur robuste peuvent bénéficier d'un module CRC matériel.

Ceci est un schéma du module CRC matériel intégré dans un microcontrôleur EFM8 Laser Bee de Silicon Labs. Vous lui donnez une séquence d'octets et il utilise un polynôme CRC standard pour générer un résultat de 16 bits.

Conclusion

Je pense vraiment que les microcontrôleurs sont préférables aux processeurs de signaux numériques dans de nombreuses applications DSP de faible et moyenne intensité, et j'espère que cet article vous aidera à identifier les microcontrôleurs capables d'effectuer de manière fiable les tâches DSP requises par vos projets.

Articles précédents de la série Introduction aux microcontrôleurs :

• Qu'est-ce qu'un microcontrôleur ? Une introduction au composant central dans d'innombrables appareils électroniques
• Comment choisir le bon microcontrôleur pour votre application
• Comment lire une fiche technique de microcontrôleur :introduction et premiers pas
• Comment lire une fiche technique de microcontrôleur :Exploration du matériel