Валерий Крюков, главный конструктор, к.т.н., АО «НИИЭТ»; Владимир Смерек, нач. лаборатории, АО «НИИЭТ»; Дмитрий Шеховцов, ведущий инженер, к.т.н., АО «НИИЭТ»; Владимир Горохов, зам. главного конструктора, к.т.н., АО «НИИЭТ»

В статье рассматриваются характеристики и эксплуатационные возможности разработанных в АО «НИИЭТ» радиационно стойких 16-разрядных микроконтроллеров (МК) 1874ВЕ7Т, 1887ВЕ6Т, предназначенных для систем управления космической техники и объектов атомной энергетики. Микроконтроллер 1874ВЕ7Т создан на базе усовершенствованной архитектуры MCS-96 (AMCS-96), а 1887ВЕ6Т — на базе процессорного ядра C166. Высокая производительность микроконтроллеров в сочетании с широким набором портов, интерфейсов, встроенных модулей отладки OCDS, а также высокие показатели по радиационной стойкости обеспечивают требуемые функциональные и надежностные характеристики конечных образцов космических объектов и другой специальной техники.

Микроконтроллер 1874ВЕ7Т представляет собой развитие созданной в АО «НИИЭТ» линейки МК серии 1874 на базе архитектуры и системы команд MCS-96 (Intel) [1]. В число микросхем этой серии входит также и радиационно стойкий микроконтроллер 1874ВЕ05Т, производство которого было освоено в 2008 г. данный микроконтроллер применяется в подсистемах ввода-вывода информации общих бортовых систем управления космическими аппаратами (ка), однако его возможности достаточно ограничены из-за отсутствия в его составе многоканального АЦП и ряда важных интерфейсов. с учетом требований разработчиков аппаратуры новый радиационно стойкий микроконтроллер 1874ВЕ7Т содержит 12-разрядный 8/16-канальный АЦП, контроллеры интерфейсов Гост Р 52070-2003, Space Wire, блок ШИМ и еще целый ряд встроенных устройств, что подробно рассматривается далее.

16-разрядный RISC-микроконтроллер1887ВЕ6Т с повышенной стойкостью к СВВФ создан на базе процессорного ядра с архитектурой C166 (Infineon Technologies). В отечественной промышленности микроконтроллеры с подобной архитектурой и системой команд выпускаются в АО «НИИЭТ». В частности, к ним относится МК 1887ВЕ3Т [2], уровень радиационной стойкости которого, однако, недостаточен для аппаратуры космического назначения. В состав встроенных модулей радиационно стойкого микроконтроллера 1887ВЕ6Т входят блок ШИМ, порты USART, интерфейсы SPI, контроллер сдвоенного интерфейса CAN, многофункциональный таймерный модуль, три блока захвата/сравнения (CAPCOM) и др.

Ниже представлены основные технические характеристики микроконтроллеров 1874ВЕ7Т и 1887ВЕ6Т, в т. ч. данные по радиационной стойкости.

Основные технические характеристики МК 1874ВЕ7Т

Общие данные. Как уже отмечалось, микроконтроллер 1874ВЕ7Т создан на базе нового ядра с усовершенствованной архитектурой AMCS-96 разработки АО «НИИЭТ». Такое ядро впервые было
использовано в отечественном 16-разрядном микроконверторе 1874ВЕ96Т [3]. Модель ядра отличается увеличенной производительностью по сравнению с другими ИМС серии 1874 с архитектурой MCS-96 (в среднем на 35–40% при работе на одинаковой частоте). Архитектура микроконтроллера 1874ВЕ7Т ориентирована на создание управляющих систем, функционирующих в режиме реального времени и обладающих возможностью адаптации и модификации под конкретные приложения.

Микроконтроллер с тактовой частотой 24 МГц имеет регистровое ОЗУ объемом 2024 байт, встроенный модуль отладки и сторожевой таймер (WDT). Периферия микроконтроллера представлена трехканальным блоком ШИМ , двумя последовательными портами ввода-вывода UART, блоком высокоскоростного ввода-вывода HSI-HSO, контроллерами интерфейсов SPI, I2C, Space Wire, ГОСТ Р 52070-2003 и 16-канальным 12-разрядным АЦП с возможностью работы с дифференциальными и несимметричными сигналами. В АЦП реализован механизм повышения точности за счет двух дополнительных битов. Напряжение питания цифровой и аналоговой части составляет 3,3 В ±10%, диапазон рабочих температур: –60…85°С.

Специальные конструктивные и схемотехнические решения, реализованные в микроконтроллере 1874ВЕ7Т, обеспечивают его устойчивую работу при уровне накопленной дозы Dγ​ не менее 250 Крад и линейной потери энергии (ТЗ Ч) до 60 МэВ • см2/мг.

Полный набор классификационных параметров МК 1874ВЕ7Т при нормальной температуре представлен в таблице 1, а на рисунке 1 приведена структурная схема микроконтроллера.

Встроенные интерфейсы и модули.
Из анализа структурной схемы микроконтроллера 1874ВЕ7Т следует, что определенная часть встроенных устройств заимствована из микроконвертора 1874ВЕ96Т [3]. К ним относятся порты UART, блоки ШИМ и HSI-HSO, интерфейсы SPI и I2C, периферийный сервер PTS, тактовый генератор, сторожевой таймер и др. К числу новых устройств относятся контроллер интерфейса ГОСТ Р 52070-2003, контроллер интерфейса Space Wire и многоканальный АЦП. Ниже приведены некоторые особенности этих новых устройств.

Модуль контроллера интерфейса ГОСТ Р 52070-2003 представляет собой устройство, поддерживающее обмен данными с другими устройствами (контроллерами) через магистральный последовательный интерфейс (ГОСТ Р 52070-2003), совместимый со стандартом MIL-STD-1553B. На физическом уровне интерфейс представляет собой последовательную шину данных (экранированная витая пара), к которой подключены устройства. Допустимыми устройствами являются: контроллер шины, монитор шины и удаленные терминалы (оконечные устройства). Контроллер шины является ведущим устройством. Он единственный инициирует любой обмен информацией и контролирует работу сети. Контроллер шины может обращаться к любому из удаленных терминалов (макс. количество — 31), каждому из которых присвоен уникальный 5-бит адрес. Монитор шины — пассивное устройство, подключенное к шине данных и занимающееся только отслеживанием и записью передаваемой по шине информации. Модуль магистрального последовательного интерфейса имеет два канала приема/передачи — основной и резервный, которые полностью идентичны. Модуль функционирует в одном из трех режимов: контроллер шины (КШ), удаленный терминал (УТ) и монитор шины (МШ). Установка режима, а также других дополнительных параметров работы осуществляется посредством регистра конфигурации BSICONFIG.

В микросхеме 1874ВЕ7Т реализована также память сообщений контроллера интерфейса ГОСТ Р 52070-2003 объемом 4 Кбайт, которая используется как дополнительное внутреннее ОЗУ.

Контроллер интерфейса Space Wire обеспечивает взаимодействие микроконтроллера с другими устройствами как посредством подключения к сети, так и напрямую по протоколу Space Wire.

Связь осуществляется в полнодуплексном режиме; при этом скорость передачи/приема данных зависит от частоты работы микроконтроллера. Модуль последовательного интерфейса Space Wire имеет следующие основные особенности:
– возможность взаимодействия с устройствами, функционирующими на частоте, отличной от частоты работы модуля;
– 13 источников прерываний и возможность их выборочного включения;
– встроенные FIFO-буферы на передачу и прием;
– контроль состояний FIFO-буферов;
– возможность упрощенной отправки кодов времени;
– возможность корректировки временных соотношений состояний модуля;
– контроль паритета.
Для подробного ознакомления с протоком передачи и организацией сети см. [4].

Модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП) реализован по схеме последовательного приближения и имеет структурную схему, представленную на рисунке 2.

АЦП программируется на работу в режиме однократного/непрерывного преобразования выбранного канала или в режиме последовательного сканирования каналов.

Мультиплексор подключает один из 16 входов к устройству захвата и хранения в режиме однополярного включения входов — таким образом организуются 16 каналов. В режиме дифференциального включения входов организуются восемь каналов, каждый из которых имеет два входа.

Устройство захвата и хранения фиксирует уровень напряжения входного сигнала в момент начала преобразования на входных емкостях и обеспечивает его хранение до окончания преобразования.

Преобразователь включает в свой состав компаратор, логику преобразования c регистром последовательного приближения и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). В результате преобразования на выходе формируется цифровой код, соответствующий входному напряжению ΔUIN с точностью до одного ULSB. Результат преобразования сохраняется в регистре результата АЦП и может быть считан до конца следующего преобразования.
Формирователь опорных уровней напряжения ЦАП задает диапазон преобразования UFSR на основе входного опорного напряжения UREF_ADC (0…UMID–0,2 В). Настройка диапазона преобразования осуществляется путем изменения коэффициента преобразования KPGA, задаваемого регистром ADC_SET.

Формирователь напряжения средней точки позволяет задать напряжение на уровне приблизительно ½UCC2 с одновременной выдачей этого напряжения на вывод ADC_VMID. Напряжение средней точки также может задаваться внешним источником через вывод ADC_VMID. При использовании внешнего источника напряжения средней точки внутренний источник должен быть отключен.

Блок управления с программируемым делителем частоты fADC позволяет осуществлять дискретную подстройку частоты преобразования fCLK_ADC. Коэффициент деления задается с помощью регистра ADC_SET.

Отдельно следует остановиться на особенностях еще одного встроенного модуля, входящего в состав микросхемы 1874ВЕ7Т, а именно, модуля отладки OCDS. Он предназначен для упрощения отладки программного обеспечения пользователя, а также для контроля хода выполнения программы. Блок формирует несколько типов откликов по нескольким типам событий. События могут быть следующие:
– обращение к адресам внешней памяти;
– появление на шине адресов заданного адреса операнда;
– появление на шине данных заданного слова;
– появление на шине данных заданного младшего и старшего байта;
– превышение значения основного счетчика команд заданной величины;
– точное совпадение значения основного счетчика команд с заданной величиной.

При обнаружении того или иного из указанных событий может формироваться отклик:
– прерывание DEBUG (2060h);
– переход в режим IDLE;
– аппаратный сброс микроконтроллера.
Схема работы модуля отладки представлена на рисунке 3.

Программно-аппаратные средства.
Для написания и отладки программ для микроконтроллера 1874ВЕ7Т доступны следующие программно-аппаратные средства:

  1. Интегрированная среда разработки Codemaster-96 с возможностью написания программ на языках Ассемблер и Си и возможностью отладки ПО на программной модели ядра.
  2. Макетно-отладочная плата КФДЛ.421457.001.

Основные технические характеристики МК 1887ВЕ6Т

Микросхема 1887ВЕ6Т представляет собой радиационно стойкий 16-разрядный RISC-микроконтроллер с высокопроизводительным процессорным ядром архитектуры C166 и большим количеством современных интерфейсов, позволяющих не только организовывать каналы обмена между различными микроконтроллерами, но и управлять микросхемами внешних периферийных устройств — АЦП, EEPROM и др. Тактовая частота микроконтроллера составляет 25 МГц.
Поддержка сетевого протокола обмена CAN- и DSP-функций позволяют использовать МК 1887ВЕ6Т в легко масштабируемых помехоустойчивых сетях обмена и обработки данных. Внутренние средства отладки OCDS/CERBERUS через отладочный JTAG-интерфейс обеспечивают быструю разработку программного обеспечения и интеграцию систем.

Общие данные.
Архитектура микроконтроллера 1887ВЕ6Т объединяет в себе хорошо сбалансированные между собой преимущества архитектур процессоров RISC и CISC. Микроконтроллер не только имеет мощное процессорное ядро и набор периферийных модулей, но и эффективную систему взаимодействия между ними. Наравне с другими шинами в микроконтроллере используется внутренняя шина Х-периферии (шина XBUS), обеспечивающая стандартный способ интеграции в микроконтроллер специальных блоков для различных систем. На рисунке 4 показана структурная схема микроконтроллера.

Встроенные устройства и модули.
Ниже представлены краткие характеристики основных устройств и блоков (модулей), входящих в состав МК.

Центральное процессорное устройство (ЦПУ) с четырехступенчатым конвейером команд имеет следующие характеристики:
– время умножения двух 16-разрядных чисел составляет 400 нс на частоте 25 МГц;
– время деления 32-разрядного числа на 16-разрядное составляет 800 нс на частоте 25 МГц;
– многочисленные внутренние шины данных с высокой пропускной способностью;
– переключение банков регистров общего назначения (контекста) одной командой;
– 16 Мбайт адресного пространства для кода и данных (архитектура фон Неймана);
– системный стек с аппаратным контролем переполнения/опустошения.

Обеспечивается высокоэффективная система команд, в т.ч.:
– базовая, непосредственная, косвенная, непосредственно-косвенная адресация для работы с битами, байтами и словами;
– улучшенные логические операции для управления периферией и работы с флагами пользователя;
– аппаратный механизм обнаружения исключительных и ошибочных ситуаций;
– поддержка языка высокого уровня для управления операциями семафора и эффективного доступа к данным.

Входящий в ЦПУ контроллер внешней шины имеет следующие функции:
– мультиплексная/демультиплексная конфигурируемая шина с возможностью переключения между режимами 8- и 16-разрядной шины данных;
– возможность сегментации и формирования сигнала выбора внешнего устройства;
– изменяемые временные параметры циклов шины для пяти программируемых адресных окон.

16-канальный контроллер периферийных событий (прерываний) обеспечивает прерывание работы ЦПУ на один машинный цикл для передачи данных, компоновку каналов и исключение лишних действий на сохранение и восстановление состояния системных регистров во время операций обслуживания прерываний. Имеется также счетчик числа передач (прерывание ЦПУ после запрограммированного количества передач PEC). Общее число источников прерываний составляет 77, каждый со своим независимым вектором.

Как уже отмечалось, в состав микроконтроллера 1887ВЕ6Т входит большое количество интегрированных периферийных модулей. К их числу относятся:
– девять параллельных портов;
– многофункциональный 16-разрядный таймерный модуль;
– часы реального времени (RTC);
– блоки захвата/сравнения (CAPCOM1, CAPCOM2);
– блок захвата/сравнения и ШИМ (CAPCOM6);
– два асинхронных/синхронных последовательных приемо-передатчика USART;
– два высокоскоростных синхронных последовательных приемопередатчика с поддержкой интерфейса SPI;
– контроллер сдвоенного интерфейса CAN;
– программируемый сторожевой таймер (WDT);
– блок управления выходом из режимов пониженного энергопотребления;
– отладочная система OCDS/CERBERUS и интерфейс JTAG.

Особенности работы и состав основных периферийных модулей подробно описаны в работе [2].

Напряжение питания МК составляет 3,3 В ±10%, диапазон рабочих температур: — 60…85°С. По стойкости к воздействию специальных факторов обеспечивается уровень не менее 250 Крад по накопленной дозе, а по эффекту отказов при воздействии ТЗ Ч (тиристорный эффект) пороговое значение линейных потерь энергии составляет не менее 60 МэВ • см2/мг.

К числу дополнительных возможностей микросхемы относятся три режима пониженного энергопотребления, отключение ядра и внутренней периферии, а также отключение только ядра при работе внутренней периферии.

Программно-аппаратные средства.
В качестве программно-аппаратных средств для микроконтроллера 1887ВЕ6Т можно рекомендовать макетно-отладочную плату КФДЛ.421457.003 разработки АО «НИИЭТ» (см. рис. 5), а в качестве средств разработки — Keil 166 Development Tools.

Макетно-отладочная плата предназначена для освоения, изучения МК 1887ВЕ6Т и построения систем на ее основе. С помощью платы обеспечивается подключение внешних элементов к выводам и оценка прикладных программ. Макетно-отладочная плата имеет развитую систему коммутации, которая позволяет выборочно подключать к линиям портов микроконтроллера устройства ввода-вывода и формировать аппаратную конфигурацию микроконтроллерной системы в соответствии с требованиями проекта.

В состав макетно-отладочной платы входят основная плата с разъемами портов ввода-вывода и макетным полем, плата модуля с микроконтроллером 1887ВЕ6Т, плата модуля внешней флэш-памяти (64К 16-разрядных слов), модуль CAN-интерфейса и источник питания.

Литература

  1. Ачкасов В., Медведев Н., Потапов И., Горохов В., Хорошунов В. Новые отечественные 16-разрядные микроконтроллеры серии 1874 для встраиваемых систем управления//Chip News. №10. 2007.
  2. Смерек В., Шеховцов Д., Медведев Н., Горохов В., Потапов И. 16-разрядный RISC-микроконтроллер 1887ВЕ3Т на базе ядра C166 SV1.2//Электронные компоненты. № 7. 2011.
  3. Смерек В., Потапов И., Крюков В., Горохов В. Первый отечественный 16-разрядный микроконвертор на базе MCS-96//Электронные компоненты. № 12. 2010.
  4. Спецификация ECSS-E-ST-50-12C. Space Wire — Links, nodes, routers and networks. 31.07.2008.