Компания ООО «НПФ Вектор» г. Москва Разработка встраиваемых систем управления Электропривод и автоматика Доклад: опыт работы с ARM микроконтроллером НИИЭТ NT32M4F1 1

Производительность TMS320F240 TMS320LF240xA ШИМ + Датчики положения + АЦП F281x F2833x CAN F28M3x F2837D Периферийные устройства Улучшенный ШИМ Ethernet + USB Достаточная производительность Достаточный функционал Тенденции развития встроенных систем управления на примере МК Texas Instruments 2

Микроконтроллер NT32M4F1 ARM 100 MHz (НИИЭТ Воронеж) Производительность TMS320F240 TMS320LF240xA ШИМ + Датчики положения + АЦП F281x F2833x CAN F28M3x F2837D Периферийные устройства Улучшенный ШИМ Ethernet + USB Достаточная производительность Достаточный функционал NT32M4F1 3

Texas Instruments TMS320F2810 С28 150МГц НИИЭТ NT32M4F1 ARM 100МГц Сделать контроллер полностью на отечественных компонентах в тех же габаритах и посадочных местах взамен контроллера на импортных комплектующих? Это возможно! 4

МК40.1 – контроллер на отечественных компонентах на базе ОАО «НИИЭТ» NT32M4F1 с ARM ядром Cortex-M4F 100МГц Микроконтроллер NT32M4F1 – 100МГц, 1 МБ flash-памяти, 192 КБ ОЗУ 16 каналов ШИМ, 16 каналов АЦП 8 каналов приема аппаратных аварий Два CAN, два RS-485 (гальваническая изоляция!) Часы реального времени Пользовательский EEPROM 3 канала модуля захвата для датчика положения Контроллер используется для тягового электропривода 5

Разработка программного обеспечения для NT32M4F1 Какие эмуляторы JTAG подходят? Подходят любые JTAG для Cortex-M4F! Нами были успешно испытаны: J-link v8 оригинального производства Segger Качественный аналог J-link – Jet-link v8 Недорогой аналог J-link (за 800 р) v8 ST-link из отладочной платы по протоколу SWD Все эмуляторы успешно работают! Отличается только максимальная скорость обмена. 6

Какую среду разработки и компиляторы выбрать для программирования на языке C/C++? GCC+Eclipse+ OpenOCD IAR EWARM Keil uVision Подходят любые средства разработки для ARM Cortex-M4F: NT32M4F1 соответствует стандартам Популярные коммерческие среды разработки с собственными компиляторами. Цена на 2015 г – около 400 т.р. за одно рабочее место Инструментарий с открытым исходным кодом. По удобству превосходит платные аналоги, однако имеет высокий порог вхождения (сложно настроить и разобраться) 7

Программирование flash-памяти NT32M4F1 Есть одна проблема: работа с ядром ARM стандартизирована, но процесс программирования flash-памяти у каждого производителя свой собственный – свои регистры Необходимо научить среду разработки «прожигать» flash нашего МК! Как обычно проходит процесс программирования flash-памяти? 1. Среда разработки через JTAG грузит в ОЗУ МК «загрузчик» ̶ небольшую предварительно разработанную программу, которая умеет работать с регистрами программирования flash-памяти конкретного МК. 2. Дает через JTAG загрузчику команду на стирание flash-памяти. 3. Загружает через JTAG в ОЗУ МК фрагмент программного кода для прошивки. 4. Дает через JTAG загрузчику команду на «прожиг» фрагмента кода во flash. 5. После окончания процесса грузит следующую часть кода и запускает «прожиг» дальше и т.п. 8

IAR EWARM IAR EWARM – содержит возможность написать свой программатор. Программатор реализован и имеется у ОАО «НИИЭТ»! Keil uVision Keil uVision – содержит возможность написать свой программатор. Программатор пока не написан (можно попробовать написать самим – это не так сложно!) GCC+Eclipse+OpenOCD GCC+Eclipse+OpenOCD – для поддержки своего алгоритма программирования flash необходимо доработать OpenOCD. Программатор реализован ООО «НПФ Вектор»! Программирование flash-памяти NT32M4F1 Как это делается для популярных сред разработки? 9

Разработка программного обеспечения для NT32M4F1 Заголовочные файлы Следующий фактор успешной разработки – наличие заголовочных файлов для работы с регистрами периферии МК! В заголовочных файлах должны быть описаны адреса и поля всех регистров. Заголовочные файлы для NT32M4F1 есть у НИИЭТ в двух видах: 1. Все регистры описаны в виде вложенных структур данных и битовых полей (struct и union) по аналогии с заголовочными файлами Texas Instruments – удобно, но иногда возникают нетривиальные ошибки. 2. Все регистры описаны в виде констант с адресами регистров и масок их битовых полей – крайне неудобно, но надежно. 10

А что с производительностью? Сравним типичный Мotorcontrol МК c NT32M4F1 Texas Instruments TMS 320F2810 ядро C28 150МГц НИИЭТ NT32M4F1 ядро Cortex M4F 100МГц VS 11

Как сравнить вычислительную производительность? Всё зависит от используемых компиляторов и вида вычислений. На какой вычислительной задаче сравнивать? Рассмотрим классическую структуру векторного управления электродвигателем. 12

Какие вычислительные задачи решает микроконтроллер для векторного управления электродвигателем? 13

Какие библиотеки использовать? Для ядра Texas C28 есть оптимизированная и написанная на ассемблере библиотека целочисленных вычислений в формате Q24 (и других) – IQmath. Для ядра Cortex-M4F есть библиотека CMSIS-DSP, которую делает ARM. Но: 1. Она медленная! 2. Из целочисленных там только форматы 1.15 и 1.31 – они неудобны! 14

Можно сделать свою библиотеку функций с нужной точностью и эффективностью В интернете можно найти множество реализаций вычисления различных функций с разной точностью. Большинство реализаций – на Си. Соответственно, эффективность работы таких функций сильно зависит от оптимизирующих свойств используемого компилятора. Сравним компиляторы и готовые библиотеки на базе вычисления функции синуса. 15

Оценка производительности компиляторов на функции аппроксимированного синуса в целочисленной арифметике с фиксированной точкой в формате 8.24 int32 _IQ24sinPU(int32 x) { int32 c, y; static const int32 qN= 13, qA= 12, B=19900, C=3516; x=x>>9;//from 8.24 c= x<<(30-qN); // Semi-circle info into carry. x -= 1 cosine calc x= x<<(31-qN); // Mask with PI x= x>>(31-qN); // Note: SIGNED shift! (to qN) x= x*x>>(2*qN-14); // x=x^2 To Q14 y= B - (x*C>>14); // B - x^2*C y= (1 >16); // A - x^2*(B-x^2*C) y=y<<12;// to 8.24 return c>=0 ? y : -y; } алгоритм работы данной аппроксимации GCCIARC28 TI IQmath Q24 CMSIS-DSP Q15 Число ассемблерных команд Число тактов Честный точный табличный синус! 16

Оценка производительности компиляторов на функции целочисленного умножения в формате 8.24 inline int32 _IQ24mpy(int32 inArg0, int32 inArg1) { return (int32)(((int64)inArg0 * inArg1)>> 24); } GCCIARC28 TI IQmath Число команд 667 Число тактов 887 Лучшие компиляторы для ядра Cortex-M4F проигрывают всего один такт ядру C28 Texas Instruments, где умножение реализовано в виде оптимизированной библиотечной функции 17

Промежуточные выводы Современные компиляторы очень эффективны Свою библиотеку функций реализовать можно Там, где не требуется высокая точность готовых библиотек, своя библиотека будет быстрее! Мы реализовали свою библиотеку целочисленных вычислений с функциями умножения, деления, синуса, косинуса, atan2, квадратного корня и других на Си. Проведем комплексное сравнение компиляторов и библиотек! 18

Комплексная задача: вычисление сложного программного модуля, который включает в себя синус, косинус, множество формул, функцию арктангенса и деление. Тест имитирует среднестатистический набор вычислений, требуемый для задач векторного управления. Такты. больше-хуже. Где расположен код: Тип данных: Компилятор/ядро: 19

Интерпретация результатов теста Вычисления во float отстают, несмотря на аппаратную поддержку float в ядре: из-за того, что для вычислений float в этом тесте использовались стандартные библиотеки компиляторов, а для IQ 8.24 – библиотека с быстрыми приближенными вычислениями. С разработанной «НПФ Вектор» библиотекой целочисленных вычислений МК NT32M4F1 удалось приблизиться к результатам МК TMS320F2810 с фирменной библиотекой IQmath по числу тактов. Однако из-за более низкой частоты итоговое отставание NT32M4F1 больше. 20

Как мы проверяли микроконтроллер NT32M4F1 Motorcontrol функции проверялись при помощи сервопривода: двигатель с постоянными магнитами, векторное управления с двумя датчиками положения, векторный ШИМ, программный контур тока на базе встроенного АЦП и работа по протоколу CANopen. 21

Выводы – страница 1 Можно относительно «безболезненно» перенести программное обеспечение с TI TMS320F2810 на НИИЭТ NT32M4F1 в целочисленной арифметике, реализовав собственные библиотечные функции на Си – проигрыш в вычислениях не более 20%. С учетом более низкой частоты ядра, придется оптимизировать ПО. При использовании стандартных библиотек работы с плавающей точкой, встроенных в компиляторы, вычисление происходит медленнее, чем с целыми числами в формате Использовать плавающую точку имеет смысл при разработке ПО с нуля, при этом требуется найти «быструю» библиотеку функций синуса, арктангенса, квадратного корня и т.п. Бесплатный компилятор с открытыми исходными кодами GCC вместе со средой Eclipse представляют собой превосходный инструментарий для разработки, однако непростой в конфигурировании. 22

Выводы – страница 2 Удалось разработать контроллер полностью на отечественных компонентах (или сделанных в странах таможенного союза) взамен контроллера на импортных компонентах! + В тех же габаритах + Выполняет те же функции управления электродвигателем + Имеет тот же температурный диапазон работы + Разработка ПО в Eclipse: более, чем очень удобно! – Требуется чуть более оптимизировать вычисления из-за более медленного ядра 23

Немного рекламы ООО «НПФ Вектор» предлагает решения для микроконтроллера НИИЭТ NT32M4F1 Контроллер МК 40.1 на базе NT32M4F1 для задач электропривода и источников питания Средства разработки для NT32M4F1: оптимизированную сборку GCC+Eclipse+OpenOCD с функциями программирования flash-памяти Быструю библиотеку приближенных целочисленных вычислений в IQ24 Библиотеку цифрового управления электродвигателями и источниками питания: ПИД-регулятор, цифровой фильтр первого порядка, фазные и координатные преобразования, блок кривой U/f, задатчик интенсивности и другие модули. Отдельные программные модули: модуль векторной ШИМ, драйвер CANopen, драйвер MODBUS, модуль обработки датчика положения ротора типа энкодер. Демонстрационное программное обеспечение, включающее сразу несколько описанных выше модулей для скалярного или векторного управления синхронным или асинхронным электродвигателем (по заказу) (495) НПФ Вектор Москва 24