Cómo elegir periféricos de microcontrolador para aplicaciones de procesamiento de señales digitales

Este artículo continúa una discusión de las características del microcontrolador y las características que son particularmente importantes cuando piensa en términos de capacidades DSP.

Este artículo continúa una discusión sobre las características del microcontrolador y las características que son particularmente importantes cuando piensa en términos de capacidades DSP.

Los microcontroladores pueden ser un medio conveniente y rentable de incorporar el procesamiento de señales digitales en dispositivos portátiles, dispositivos médicos, equipos de audio y varios otros productos y sistemas. Sin embargo, los microcontroladores están diseñados principalmente para (como es lógico) controlar cosas, por lo que si queremos que un MCU sea un procesador de señal eficaz, debemos elegir con cuidado.

El artículo anterior se centró en las características de la CPU, a saber, ancho de bits, frecuencia de reloj, ciclos de reloj por instrucción y capacidad de punto flotante. En este artículo, veremos los módulos periféricos y las características que hacen que un microcontrolador sea más adecuado para la funcionalidad DSP.

Compatibilidad con procesadores

Algunos módulos de hardware ocupan un término medio entre la CPU y los periféricos típicos, como temporizadores y comparadores. Un ejemplo común es el multiplicador de hardware.

Multiplicación de hardware

Un multiplicador de hardware es el tipo de característica que podría marcar la diferencia entre el éxito y el fracaso en un sistema DSP en tiempo real. Las aplicaciones DSP importantes, como el filtrado digital y el análisis espectral, requieren numerosas operaciones de multiplicación, y estas deben realizarse con la suficiente rapidez para producir resultados en un período de tiempo razonable (desde la perspectiva del usuario) o, y aquí es cuando las cosas pueden volverse realmente difíciles. :A una velocidad igual o más rápida que la velocidad a la que llegan los datos del sistema externo.

Los triángulos en esta estructura de filtro FIR representan operaciones de multiplicación.

Dado que una gran proporción de aplicaciones de microcontroladores no requieren una funcionalidad de multiplicación avanzada, por lo general no tiene sentido incorporar un multiplicador en el núcleo del procesador en sí. El multiplicador de hardware, entonces, es un módulo suplementario que recibe datos de la CPU, realiza una multiplicación altamente eficiente y luego hace que los datos resultantes estén disponibles para la CPU.

Los multiplicadores de hardware en realidad van más allá de la mera multiplicación. Las rutinas DSP a menudo requieren un proceso conocido como multiplicar y acumular (MAC), que (como habrás adivinado) implica multiplicar números repetidamente y sumar o acumular los resultados de las operaciones de multiplicación. Un módulo MAC de hardware ofrece aún más potencial para mejorar el rendimiento de DSP.

El multiplicador de hardware incorporado en el MAXQ615, un microcontrolador pequeño y económico de Maxim, realiza multiplicaciones de 16 bits con y sin signo, multiplicación y acumulación de 16 bits y Multiplica y resta de 16 bits.

Acceso directo a memoria (DMA)

Aprendí sobre DMA por primera vez cuando estaba trabajando en una radio definida por software que tenía que realizar rápidamente un algoritmo de decodificación en señales de banda base digitalizadas, y esa experiencia me impresionó permanentemente el valor de DMA en el procesamiento de señales digitales sensibles al tiempo.

Una unidad DMA es esencialmente un procesador separado que tiene un trabajo:mover datos. Esta tarea es sencilla, por lo que incorporar la funcionalidad DMA en su proyecto no aumenta seriamente su complejidad, y la potencia DSP del sistema aumenta drásticamente porque la CPU puede concentrarse en procesar números en lugar de mezclar datos entre la memoria y los periféricos. Si su aplicación requiere un DSP en tiempo real intensivo en computación, un controlador DMA puede ser una adición particularmente valiosa a las capacidades de su MCU.

El controlador DMA en un microcontrolador SAM4S (de Atmel) me permitió generar esta sinusoide sin molestar constantemente a la CPU para que envíe el siguiente punto de datos al DAC.

Comunicación

El procesamiento de señales digitales requiere no solo un procesador, sino también datos digitales para ser procesados. En la mayoría de los casos, estos datos digitales se originarán fuera del microcontrolador, y esto significa que la transferencia de datos es un eslabón crítico en la cadena DSP.

Transferencia de datos en paralelo

Me gustan las interfaces paralelas porque son simples, al menos en teoría, pero son menos comunes de lo que piensas. Transferir ocho o incluso dieciséis bits simultáneamente parece mucho más eficiente que enviar un bit a la vez, pero las interfaces seriales se utilizan ampliamente incluso en sistemas de alta velocidad. Si la transferencia de datos en paralelo es una opción en su sistema y quiere probarla, busque un microcontrolador con una "interfaz de memoria externa" (EMI o EMIF), "interfaz de bus externo" (EBI), o algo por el estilo. .

Transferencia de datos en serie

Yo ² C no es una interfaz de alta velocidad y UART estándar tiende a usarse para velocidades de datos bajas o moderadas. Busque periféricos que anuncien altas velocidades de reloj máximas y que utilicen una señal adicional para la sincronización entre el receptor y el transmisor (esto permite que la señal de datos se dedique por completo a la transferencia de datos real).

Creo que "USART" es una abreviatura bastante estándar para el tipo de módulo de comunicación en serie que estoy describiendo (la "S" significa "sincrónico"). Básicamente, lo que recomiendo aquí es un microcontrolador equivalente al "puerto serie con búfer multicanal" de TI:la abreviatura McBSP (que se pronuncia mic-BSP , como si el módulo fuera de Irlanda) está alojado en mi memoria y estará asociado perpetuamente en mi mente con la transferencia de datos en serie de alta velocidad ....

Error al comprobar

Las aplicaciones que requieren una detección de errores sólida pueden beneficiarse de un módulo CRC de hardware.

Este es un diagrama del módulo CRC de hardware integrado en un microcontrolador EFM8 Laser Bee de Silicon Labs. Lo alimenta con una secuencia de bytes y utiliza un polinomio CRC estándar para generar un resultado de 16 bits.

Conclusión

Realmente creo que los microcontroladores son preferibles a los procesadores de señales digitales en muchas aplicaciones DSP de baja y media intensidad, y espero que este artículo lo ayude a identificar microcontroladores que puedan realizar de manera confiable las tareas DSP que sus proyectos requieren.

Artículos anteriores de la serie Introducción a los microcontroladores:

• ¿Qué es un microcontrolador? Una introducción al componente central en innumerables dispositivos electrónicos
• Cómo elegir el microcontrolador adecuado para su aplicación
• Cómo leer una hoja de datos de un microcontrolador:Introducción y primeros pasos
• Cómo leer la hoja de datos de un microcontrolador:exploración del hardware