Snabb 16 Bit A/D för digitala mottagare

Transkript

1 DEL2 TEKNIK Nr Januari BRANSCHTIDNINGEN FÖR NORDENS ELEKTRONIKER Mjukvara: Nätverk vinner 2006 SID 33 DSP INLEDAREN för allt Kommunikation är förmodligen det största tillämpningsfältet där IP-telefoni, även kallad Voice over IP (VoIP), står för mycket av tillväxten. Kommersiellt började VoIP användas internt i telenäten. Hobbyister upptäckte att de kunde ringa gratis med hjälp av datorernas ljudkort och en lämplig programvara. Kvaliteten var oftast dålig och uppkopplingarna var osäkra. Praktiska prov visade att man behövde större bandbredd än vad många först trodde sig behöva. Bredbandsanslutningar har nu öppnat dörren för kommersiell användning på abonnentsidan och vi ser nu hur telekomoperatörerna kämpar för att få lönsamhet när kunderna väljer att basera sin telefoni på bredbandsanslutningar och programvaror som Skype. På marknaden finns exempelvis DECT-telefoner avsedda för bredbandsanslutning och IP-telefoni. Flaskhalsen för digital signalbehandling är i många fall A/D- och D/A-omvandlarnas prestanda. Dessa har pressats till nya nivåer av industrin för mobiltelefoni. Mottagarna i basstationer ställer höga krav på A/Domvandlaren: Stor bandbredd, hög samplingshastighet, god linjäritet och hög upplösning är några nyckeldata. Det spuriosfria, dynamiska området kan ökas med tillsats av dither -brus. Metoden användes till en början i ljudkort för datorer. En av artiklarna i temasektionen beskriver hur tekniken implementerats i en snabb och linjär A/D-omvandlare för just software defined radio. GUNNAR LILLIESKÖLD INNEHÅLL: DSP SID Störningsfri 16-bit A/D SID 21 Digitala filter SID 24 Snabbt med PPI och DMA SID 28 DSP styr stegmotor SID 30 VoIP och video SID 32 Mjukvara 33 Mjukvara för 2006 SID 33 Kortsystem SID Custom i kortserie SID 34 Felsäkra kort SID 36 AMC rullar ut SID 38 Compact PCI Express SID 39 Översikt: Emulatorer SID 41 Snabb 16 Bit A/D för digitala mottagare Fig 3a. En 70 MHz lågnivåsignal med det interna ditherbruset bortkopplat. Lågnivåtoner orsakas av små INL-fel i A/D-omvandlaren. Digitala mottagare ställer stora krav på A/D-omvandlaren: Stor bandbredd, hög samplingshastighet, god linjäritet och upplösning är några nyckeldata. Det spuriosfria, dynamiska området kan ökas med tillsats av dither -brus och slumptals kodning av digitala utdata. Dave Thomas, Linear Technology Corp, beskriver hur A/D-omvandlaren LTC2208 uppfyller dessa kriterier. Dagens kommunikationssystem är i hög grad beroende av hur signalbehandlingen implementeras för att ta hand om komplexa modulationssätt. A/D-omvandlare utgör den kritiska länken mellan RF-kedjan och den digitala processorn. A/D-omvandlarens prestanda påverkar i högsta grad systemets prestanda. Valet av rätt A/D för systemet handlar inte enbart om antalet bitar och samplingshastighet. Dagens snabba A/D-omvandlare är komplicerade system med en myriad av specifikationer och prestandakarakteristik. Linear Technologies nyligen introducerade TLC2208, som är en högpresterande 16 bit 130 MSa/s A/D-omvandlare, är speciellt anpassad för högkänsliga mottagarapplikationer och den förbättrar de parametrar som är viktigast i mottagarkonstruktioner: Digitaliseringsbandbredd Sample/hold-bandbredd Sample/hold-distorsion Drivnivå på ingången Överfunktionens linjäritet Digital motkoppling ÖVERSAMPLING En av de första frågor en konstruktör måste ta hänsyn till är att välja en omvandlare med tillräckligt hög bandbredd. Nyquistteoremet avgör den samplingshastighet som krävs: Samplingshastigheten måste vara dubbelt så hög som mottagarens signalbandbredd. Problemet är att om man väljer en A/D-omvandlare med en Nyquistbandbredd som nästan är densamma som mottagarbandbredden kommer man att behöva branta antivikningsfilter (antialiasing filter) för att hindra att signaler utanför bandet viks in i det önskade frekvensbandet. I praktiken används ofta en A/D med en samplingshastighet som avsevärt överstiger minimikravet för att minska kraven på filtret. Översampling, med högre samplingshastighet, har också den fördelen att det effektiva brusgolvet minskar. Om ett system exempelvis har en signalbandbredd på 30 MHz krävs minst 60 MSa/s samplingshastighet. Men om man i stället använder en A/D med 130 MSa/s översampling och 30 MHz bandbredd skulle det effektiva brusgolvet sänkas med en faktor roten ur (130/60), vilket motsvarar en förbättring på 3,3 db. Med en samplingshastighet på 130 MSa/ s är LTC2208 för närvarande marknadens snabbaste 16 bit omvandlare. LTC2208 är idealisk för att förenkla strikta filterkrav och förbättra systemprestanda i form av ökad förstärkning. HÖG MF-SAMPLING Bandbredden hos en sample and hold - Fig 3b. Samma som i 3a, men med ditherbruset tillkopplat. Lågnivåsignalerna förbättras därför att dithersignalen har jämnat ut överföringsfunktionen. E-nytt SID 43 TEMA: KORTSYSTEM - sid krets (S/H) bestämmer den högsta frekvens som kan tas in av A/D-omvandlaren. Sample/hold-bandbredden är typiskt många gånger större än Nyquistbandbredden. Infrekvenser över den första Nyquistzonen (DC till Fs/2) viks tillbaka till den första Nyquistzonen. Det är omöjligt att bestämma vilken Nyquistzon som gäller på basis av digitala data ut. Därför krävs det ett förselektionsfilter, eller ett anti-viknignsfilter, före A/D-omvandlarens ingång. Den frekvensomvandling som sker på grund av samplingsfunktionerna kan liknas vid en blandare. Genom att direktsampla en mellanfrekvenssignal kan man därför eliminera behovet av ett andra blandarsteg för nedblandning. Det betyder dock att A/D-omvandlarens S/Hkrets måste ha tillräckligt hög bandbredd för mellanfrekvenssignalen (MF) och dessutom låg distorsion på dessa frekvenser. LTC2208 är konstruerar för MF-sampling. Den har en bandbredd på 700 MHz och kan sampla mellanfrekvenser på 250 MHz samtidigt som distorsionsprodukterna undertrycks med 83 dbc (db under bärvågens amplitud). S H FÖR LÅG DISTORSION Vid höga inspänningar och höga infrekvenser kommer distorsionen från S/H-kretsen att dominera. Typiskt genereras här 2a och 3e-tonsdistorion. LTC2208 använder en switchad kondensator i S/H-kretsen: I denna typ av krets kopplas kondensatorn direkt till den analoga ingången under samplingsfasen. S/H-kretsar med switchad kondensator ger lägsta möjliga brus och lägsta möjliga distorsion på låga frekvenser. forts på nästa sida

2 DSP Komponenter Forts sid 24 Snabb 16 bit A/D... forts från föregående sida Dessutom håller sig distorsionen låg, väl upp över frekvensområdet, jämfört med konkurrenternas aktiva S/H-kretsar vars funktion försämras snabbt med stigande frekvens. Fig 1a. SFDR som funktion av innivån för en 14 bit A/D-omvandlare med mindre fel än 1 LSB. PROGRAMMERBAR FÖRSTÄRKNING För direktsamplade MF-system är den erforderliga inspänningen viktig. Om en A/D behöver 4 V p-p insignal för full utstyrning, eller +16 dbm om en 50 ohms källa används. Distorsionen hos A/D-omvandlaren kan bli låg, men det kommer att vara mycket dyrt att förse den med en signal, med låg distorsion, på den nivån. Om exempelvis denna 4 V p-p A/D har en 3e ordningens intermodulationsdistorsion vid -90 db så kommer man att behöva en förstärkare med 61 db 3e ordningens interceptpunkt. Det är inte lätt att åstadkomma. För att minimera drivsignalen in har LTC2208 på ingången en förstärkare med programmerbar förstärkning. Den inre A/D-omvandlaren arbetar med en fast referens på 2,5 V, medan S/H-förstärkaren arbetar med en förstärkning på 10/9 eller 10/6, vilket resulterar i ett inområde på 2,25 V t-t eller 1,5 V t-t. Genom att hålla den interna A/Dreferensen konstant, för att bara ändra S/H-förstärkningen, kan inområdet minskas med minimal påverkan på signal/brus-förhållandet (S/N). Därigenom kan konstruktören välja inområdet till 1,5 V t-t och bara offra litet grand i brusprestanda vid låga insignaler. Detta betyder i sin tur att man sparar rejält med effekt i ingångens drivkretsar. S/H är den dominerande distorsionskällan vid höga insignaler och höga infrekvenser. För lägre infrekvenser, eller för låga signalnivåer (mer än 10 till 20 db under full utstyrning) kommer den huvudsakliga distorsionen från A/D-omvandlarens olinjäritet, INL. Distorsion som orsakas av A/D-omvandlarens olinjäritet Fig 1b. SFDR som funktion av insignalen för en 16 bit A/D-omvandlare med mindre fel än 0,7 LSB INL. Observera den högre linjäriteten på lägre signalnivåer. Detta beror på A/D-omvandlarens högre linjäritet. har ett mindre predikterbart uppförande än den distorsion som orsakas av S/H-kretsar eller andra kretsar på ingången. För analoga kretsar är det normalt att distorsionen förbättras med ökande signalnivåer. Men i fallet INL-fel hos A/D-omvandlaren kan det vara tvärt om. Linjäritetsfel kan resultera i en onoggrann representation av signaler i digitaldomänen. Detta linjäritetsfel i överföringskurvan resulterar i en fast distorsion som är oberoende av insignalens amplitud. Eftersom insignalen är systematiskt reducerad och svept över den olinjära delen 22 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006

3 9405-EIN.qxd 27/10/05 1:06 pm Page 1

4 DSP Komponenter Forts sid 26 Digitala istället för analoga filter Istället för att använda analoga filter som tar stor plats på kretskortet, samt har komponenter som påverkas av tid och temperatur, kan filter implementeras i ett digitalt system som en DSP- eller FPGAkrets. Det finns mycket att tjäna på detta vilket behandlas i denna artikel. En annan viktig aspekt som behandlas är fixtalsproblematiken i rekursiva strukturer. Artikeln är skriven av Johnny Holmberg Omicron Ceti AB. Filter används inom de flesta tillämpningar för att reducera påverkan av oönskade signaler, brus. Brusreducering har traditionellt skett med analoga filter som består av passiva komponenter som exempelvis kondensatorer och aktiva komponenter som operationsförstärkare. Nackdelen med att använda analoga filter är att de tar stor plats på kretskortet, ger ett oflexibelt system samt Fig 1. Analogt filter av typen DIG. att komponenternas egenskaper förändras med tiden och temperaturen. I dag när det finns tillgång till billiga digitala system som FPGA- och DSP-kretsar är det oftast bättre att implementera filter digitalt. I en digital realisering undviks de problemen som motsvarande analoga system har. Istället blir valet av vilken filteralgoritm och aritmetik som ska användas problematisk. I denna artikel presenteras metoder för hur filter kan integreras i digitala system och hur man undviker de problem som kan uppstå. Vi börjar med att presentera ett aktivt analogt filter av typen DIG, distributed infinite gain, som används i jämförelsen. Länken Fig 2. Direktformsfilterstrukturer av IIR-typ. (a): Filterstrukturen. (b): Förenklad struktur. är känd för att ha goda känslighetsegenskaper och kan generera de flesta typer av filterfunktioner som Butterworth, Chebyshev och Cauer. Länkens överföringsfunktion ges av Som vi ser har DIG-länken ett stort antal komponenter och följaktligen många frihetsgrader vilket gör det lågkänsligt. Vid design av filtret beräknas först överföringsfunktionen i ett matematikprogram som förslagsvis Matlab. Efter det matchas komponentvärdena så att den önskade funktionen fås. Vid högre ordningstal än två seriekopplas flera DIG-länkar. Notera att antivikningsfiltret i figur 1 inte kan ersättas med ett digitalt filter. Det används för att ta bort signalkomponenter över halva samplingsfrekvensen som annars viks in vid sampling. se fig 1. DIGITALA FILTER Ett digitalt filter är ett linjärt tidsinvariant tidsdiskret system som kan beskrivas matematiskt med en generell differensekvation Filter brukar visualiseras med hjälp av en signalflödesgraf som består av tre grundblock: adderare, multiplicerare och fördröjningselement (minneselement). Ett tidsdiskret system som beskrivs med en differensekvation har teoretiskt sett ett oändligt antal motsvarande filterstrukturer där varje struktur har unika beräkningsegenskaper. Det finns ett antal filterstrukturer som har visat sig ha bra beräkningsmässiga prestanda som direktformsstrukturen av IIR-typ som illustreras i figur 2a. I de flesta filterfunktionsfall som för Butterworth-, Chebyshev- och Cauer-filter kan strukturen förenklas enligt figur 2b, pga av att alla nollställen ligger på enhetscirklen. Vid högre ordningstal än två serie- eller parallell-kopplas flera strukturer på samma sätt som för DIG-länken. Överföringsfunktionen för strukturen kan skrivas som Det enkla sambandet mellan filterkoefficienterna ( ) och överföringsfunktionen gör att det är trivialt att bestämma deras värden. Överföringsfunktionen beräknas enklast i Matlab. Filterstrukturen av IIR-typ jämförs med den förenklade strukturen i fig 2. Nästa steg i designfasen är att bestämma aritmetiktyp. Man skiljer på fixtalsaritmetik och flyttalsaritmetik. Tal som representeras med flyttalsaritmetik har ett stort talområde och problem som kvantisering och overflow behöver inte behandlas på samma sätt som för fixtalsaritmetik. Flyttalsaritmetik är dock mer beräkningskrävande vilket medför att den sällan används i realtidsimplementationer. I användandet av fixtalsaritmetik bör följande synpunkter beaktas. * Alla signaler skall alltid begränsas till att vara för att undvika overflow vid multiplikation, dvs. talen representeras som en bitsekvens Snabb 16 bit A/D... forts från sid 22 av överföringskurvan kommer distorsionen att minska i förhållande till insignalen. Dessa linjäritetsfel kan uppkomma var som helst på överföringskurvan. Ett fullskaligt 1-tonstest, som typiskt görs av leverantören av A/D-omvandlare, visar inte noggrant hur lågnivåsignaler uppför sig. INL-specifikationerna ger en noggrannare indikation: små linjäritetsfel kommer att resultera i bättre lågnivåprestanda. Men det är många tillverkare av pipeline-a/d-omvandlare som inte specificerar och garanterar INLprestanda. För att vara säker att lågnivådistorsionen kommer att vara låg behöver man en högupplösande A/D-omvandlare med mycket lågt specificerade fel. Ett mått på A/D-linjäriteten och dess effekt på det dynamiska området är det spuriosfria området (SFDR) relativt innivån för en enda signal. Om frekvensen är hög nog för att ge S/H-distorsion kommer SFDR först att öka när signalnivån minskar. När så effektnivån minskar ytterligare kommer SFDR (relativt dbc) att minska med insignalnivån, förutsatt att A/D-omvandlaren är mycket linjär. Om emellertid A/D-omvandlaren har linjäritetsfel kommer SFDR att utveckla sig med en högre hastighet när signalamplituden minskar. Fig 1a visar en högkvalitativ 14 bit A/D-omvandlare med 1 2 LSB linjäritetsfel på grund av olinjäritet i andra stegets pipeline. Det finns två innivåer där SFDR sjunker snabbt på grund av INL-fel. Dessa orsakas av förstärkningsfel i den med pipe-line uppbyggda A/D-omvandlaren. Fig 1b visar LTC2208 med mindre än 0,7 LSB INL-fel på 16 bit nivå. A/D-omvandlare med högre upplösning, med motsvarande mindre linjäritetsfel kommer att leda till förbättringar av SFDR vid lägre signalnivåer. BÄTTRE MED DALLER För vissa applikationer räcker det inte ens till med 16 bit linjäritet för att säkerställa en noggrann signalbehandling. För dessa applikationer kan man använda en Fig 2. Schema för de inbyggda dither -kretsarna. dither -signal (en dallrande signal) för att minska distorsionen vid ännu lägre INL-fel. En dither -signal är en slumpvis analog signal som adderas till insignalen. På så sätt förflyttar den slumpvis insignalens läge på A/D-omvandlarens överföringskurva. Typiskt implementeras denna funktion med hjälp av en bandbreddsbegränsad, amplitudstyrd bruskälla som ligger utanför A/D-omvandlaren. Externa dither -kretsar komplicerar systemet och konsumerar värdefull bandbredd i A/D-omvandlaren samt tar upp utrymme. LTC2208 inkluderar denna funktion, se fig 2, vilket betyder att de minskar komplexiteten i de system där ditherbrus behövs. Fig 3a visar en FFT för LTC2208 med en insignal på 70 MHz vid -25 db under full utstyrning och med den interna dither -källan avstängd. Alla övertoner beror på små INLfel. Fig 3b visar en FFT under samma villkor med den interna ditherbruskällan tillslagen. Lägg märke till minskningen av antalet övertoner. DIGITAL MOTKOPPLING Digital motkoppling från A/Domvandlarens utgångar kan också begränsa SFDR för små signaler. Digital motkoppling kan åstadkommas med kapacitiv återkoppling, jordströmmar eller induktiv koppling. Hänsyn vid kretskortslayouten, sådana som minskade ledningslängder på utgången och ingången samt skärmning kan minska digital koppling. Men detta räcker ofta inte för att eliminera problemen. Om man minskar amplituderna för de digitala signalerna kommer detta att minska kopplingen till de analoga signalerna. LTC2208 erbjuder två utgångsmoder med reducerat sving: lågnivå CMOS eller LVDS. I digital CMOS-mod kan drivkretsarna arbeta på så låga spänningar som 0,5 V utan att hastigheten går ned. LVDS innebär ett differentialpar med 0,35 V t-t sving. Om varken LVDS eller lågvolts CMOS är tillräckligt kan ett tillägg av en digital slumptalsgenerator användas för att koda data. Med den metoden kan avkodningen enkelt ske genom en bank av ELLER-grindar (en för var och en av de översta 15 datalednignarna). Genom att använda denna kodningsmetod kan de resterande toner som orsakas av digital återkoppling minskas med db. BRA FÖR DIGITALA MOTTAGARE LTC2208 ligger på en ny prestandanivå och har en uppsättning funktioner som gör det möjligt att åstadkomma digitala mottagare med goda prestanda. Med marknadens snabbaste sampling för en 16 bit A/D-omvandlare kan denna ta emot signaler med hög bandbredd och ge förbättrade S/N-prestanda genom översampling. LTC2208 har en klar fördel i det att den kan eliminera oväntade, falska signaler (spurioser) som uppstår på grund av små linjäritetsfel vid låga insignalnivåer eller vid digital återkoppling, dels genom den speciella möjligheten till intern ditherbrus -generering, dels genom digital slumptalsgenerering på utgången. DAVE THOMAS, LINEAR TECHNOLOGY CORP 24 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006

5 9443-EIN.qxd 15/12/05 12:53 pm Page 1

6 DSP Komponenter Digitala istället... forts från sid 24 där är teckenbit och talet beskrivs med. Det vanligaste sättet att beskriva negativa tal är med 2-komplementnummersystemet. Ett overflow sker när talet efter en matematisk operation inte kan representeras med talsystemet. Det kan vara förödande och bör därför undvikas. Inget förloras med antagandet att signalen begränsas utan upplösningen kan ökas genom att bitar läggs till i den minst signifikanta delen av bitsekvensen. Multipliceras två binära tal som båda består av bitar behövs det bitar i produkten för att kunna beskriva den exakt. Den ökade ordlängden efter multiplikation måste oftast reduceras i filter. Detta gäller framför allt om algoritmen är rekursiv som för IIR-filter. Kvantiseringsfunktionen kan ge upphov till ett instabilitetsfenomen som heter kvantiserings-limit cycles. Det bästa sättet att minska risken att de uppkommer är att använda magnitudtrunkering vid fördröjningselementen. Magnitudtrunkering fungerar som vanlig trunkering men med skillnaden att för negativa tal adderas till det trunkerade värdet. Fig 3. (a): Filterstrukturen med skalning och kvantisering. (b) PG:n för filtret. Fig 4. Två seriekopplade filter implementerade med interleaving. Overflow-limit cycles är ett annat instabilitetsfenomen som kan uppkomma i rekursiva algoritmer. Ett bra sätt att reducera risken att overflow-limit cycles uppkommer är att skala ner signalnivån in till filtret. Skalning brukar utföras med en skiftning för att den ska vara så enkel som möjligt. Nackdelen med metoden är att upplösningen i signalen minskas om inte bitantalet ökas. I vissa fall kan overflow tolereras om det sker vid fördröjningselementen samt att talet efter addition sättas till det största ( ) eller det minsta -1 beroende på om den tänkta summan är positiv eller negativ. Detta brukar kallas mättningsaritmetik. Signalflödesgrafsbeskrivningen ger en del beräkningsmässig information som exempelvis hur många additioner och multiplikationer som måste utföras för att beräkna ett sampel. Dock är det svårt att få en bra förståelse i vilken ordning de olika beräkningselementen kan exekveras. Därför är det idé att rita om grafen till en annan typ som benämns PG, precendence graph. Metodiken är enkel och går ut på att man flyttar över beräkningselementen från den grafen man arbetar med till PGn. I fig 3(b) visas PGn för direktformfilterstrukturen. Informationen som fås från PG: n är att multiplikatorerna kan exekveras parallellt medan additionerna som beräknar y(n) måste exekveras sekventiellt. Ur grafen kan man även få fram den längsta beräkningsvägen i algoritmen, som benämns, den kritiska vägen. Den avgör hur många processberäkningar som måste utföras innan nästa sampel kan beräknas. I detta fall är den kritiska vägen en multiplicerare och tre adderare,. För att detta verkligen ska uppnås krävas fyra multiplicerare som arbetar parallellt i hårdvara. En filteralgoritm kan omstruktureras för att ge bättre beräkningsmässiga egenskaper utan att dess matematiska beteende förändras. Detta behandlas inte i denna artikel. Valet av hårdvara är nästa steg i designfasen. DSP- och FPGAkretsar skiljer sig mycket åt vad det gäller arkitektur och hur de programmeras. I en DSP används vanligtvis C-kod medan i en FPGA är det VHDL-kod. Det som skiljer en vanlig mikroprocessor från en digitalsignalprocessor, DSP, är att den sist nämnda är anpassad för att behandla data i realtid. Den har bland annat en eller flera MAC-enhet(er), multiply-and-accumelate, som kan multiplicera och addera tal under en klockcykel. Annars jobbar DSP på samma sätt som en mikroprocessor där koden exekveras sekventiellt. I en FPGA-krets har ingenjören större frihet att bygga system med nackdelen att utvecklingstid oftast ökas. System kan arbeta parallellt i en FPGAlösning och skräddarsys bättre än i en DSP-lösning. Vi studerar den först nämnda kretslösningen. I en FPGA-implementation dyker flera frågeställningar upp som ska besvaras innan programmeringsarbetet kan starta. Den första är: vilken typ av dataflöde som ska användas? Data i en DSP flyttas parallellt mellan minnet och den aritmetiska enhet vilket inte är något krav i en FPGA-lösning. Dataflödet kan delas upp så att visa delar av talen skickas parallellt och vissa seriellt. Denna typ kallas digit-seriell aritmetik och den har visat sig, i forskningsresultat, vara fördelaktig i filterimplementationer när det gäller effektförbrukning och storlek. Beräkningshastighetsmässigt är bit-parallell genrellt sett det bästa alternativet. I denna artikel så håller vi oss, för enkelhetens skull, till bit-parallell aritmetik. En annan fråga som ska besvaras är: hur många adderare och multiplicerare ska implementeras i hårdvara? Bara för att en PG innehåller ett antal matematiska operationer så innebär inte det att lika många verkligen behövs i hårdvara. Vi kommer dock att studera fallet när 4 adderare och 4 multiplicerare används i hårdvara. En fördel med denna typ av implementation är att multiplicerarna kan exekveras parallellt och anpassas efter koefficientvärdena. I vissa fall när koefficientvärdet kan beskrivas med få ettor kan multipliceraren förenklas till några additioner och skiftningar. RELATIVT ENKEL KOD Koden för implementationen är i detta fall relativt enkel att programmera. Adderarna och multiplicerarna kodas i den parallella delen och registrerna i den synkrona. Antingen så får syntesverktyget välja kretslösning för beräkningselementen eller så kan de skräddarsys. I denna lösning fick syntesverktyget bestämma. Endast en klock-signal behövs som har en större periodtid än den längsta beräkningsvägen i implementationen. Filtret implementerades i en Spartan 3s400-krets och resultatet efter syntes var att filtret tog upp 38 av kretsens 3584 slices, ca 1 procent. Kretsen har 16 multiplicerare i hårdvara varav filtret, inte helt oväntat, tog upp 4. Notera att realiseras med en skiftning. Däremot skulle alla multiplicerarna vara upptagna så skulle en implemantation av en multiplicerare ta upp 64 slices. Ordlängerna var satta till 16-bitar för signalen och 8-bitar för filterkoefficienterna. Den kritiska vägen i implementation var 5,5ns vilket ger att filtret kan ha en maximal samplingsfrekvens på 180 Mhz. En stor fördel med att implementera filter digitalt är att strukturen kan återanvändas flera gånger om interleaving används. I fig 4 visas ett exempel på hur två serie-kopplade 2:a ordningens system (totalt 4e ordningens) realiseras med en struktur. Den utökade hårdvaran består av tre register samt några mux:ar. I en motsvarande analog implementation med två DIG-länkar skulle 6 operationsförstärkare samt ett stort antal kondensatorer och resistorer behövas. Idén kan vidare utvecklas för ett 6:e ordningens filter osv. OMFATTANDE RAPPORT Implementation av digitala filter är ett omfattande ämne som inte behandlas speciellt ofta. Dock finns det en del att tjäna på att sätta sig in i ämnet. Det finns en mer omfattande rapport i ämnet som jag, vid intresse, kan sända över på förfrågan. JOHNNY HOLMBERG, OMICRON CETI AB jhg@omicron.se 26 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006

7 NA2649-EleINorden-255x370-E-RZ Flash.indd :24:53 Uhr

8 DSP Komponenter Forts sid 30 Snabbare signalbehandling med PPI och DMA Med Parallel Peripheral Interface (PPI) blir det lättare att ansluta snabba omvandlare till DSP-kretsar i trådlösa applikationer. David Katz, Martin Kessler och Rick Gentile -- Analog Devices Inc, beskriver här hur det går till. Trådlösa applikationer kräver snabba D/A- och A/D-omvandlare i signalvägarna för sändare och mottagare. Tidigare har dessa omvandlare vanligtvis varit anslutna till FPGA- eller ASIC-kretsar som i sin tur varit anslutna till generella, digitala signalprocessorer (DSP). Normalt fanns dessa DSP-kretsar enbart med seriella gränssnitt, för anslutning till omvandlare med samplingshastigheter på 1 MSa/s eller lägre, med krav anpassade för ljudapplikationer. I dag kan DSP-klockorna arbeta på 300 MHz eller mer. Följaktligen är de ett verkligt alternativ till FPGA- och ASICkretsar i trådlösa applikationer vars direktblandade omvandlare har mycket höga samplingshastigheter. DSP-kretsar utrustade med direkt minnesaccess (DMA) möjliggör direktöverföring mellan kringutrustning och minne utan att involvera DSP-kärnan. Deras asynkrona minnesgränssnitt kan ofta delas mellan externa minnen och kringutrustningar som LCD-displayer och kommunikationsbryggor. I snabbare realtidsapplikationer, där det är nödvändigt att varje kontinuerlig sampling används, räcker det dock inte med enbart DMA. DMA är inte konstruerat för ett kontinuerligt, externt styrt dataflöde, och är därför olämpligt för att direkt ansluta till snabba A/ D- och D/A-omvandlare. Ett Parallel Peripheral Interface (PPI), som återfinns i DSP-kretsar som ADSP-BF532, stöder emellertid dessa krav från högpresterande omvandlare. I VALET AV SNABBA OMVANDLARE De specifika kraven för en given applikation är avgörande för en snabb omvandlares prestandagränser och funktionsuppsättning. A/D-omvandlare kan till exempel kräva hög bandbredd nedströms, för att stödja undersampling av direkt IF insignaler, och D/A-omvandlarna kan användas för att sampla en frekvens som är tillräckligt hög för att Att ansluta en DSP till en snabb omvandlarkrets förenklas om DSP-kretsen innehåller ett PPI-gränssnitt. Här visas ett duplexgränssnitt för 35 MSa/s, mellan DSP-kretsen ADSP-BF532 Blackfin och kretsen AD9975, som är en bredbandig front end, producerad i en mixed signal -halvledarprocess. minska kraven på analoga filter. Andra faktorer som bör vägas in, vid valet av en snabb omvandlare, är sådana som upplösning, dynamiskt omfång, spurios-nivåer, signalbrusförhållande, signalnivå, användarvänlighet och bandbredd. I kommunikationsupplägg av typen TDMA- och halv duplex delas databussen mellan sändaroch mottagarvägarna. Således är det fördelaktigt att välja en direktblandad front end (MxFE) som kombinerar både A/D- och D/A-funktioner. AD9975, till exempel, är en integrerad, enkelmatad front-end för bredbandsmodem. I kretsens signalväg för sändaren ingår ett interpolationsfilter och en 10-bitars, 100-MSa/s D/A-omvandlare. Mottagarsidan inkluderar en programmerbar effektförstärkare (PGA), ett lågpassfilter (LPF) och en 10-bitars, 50-MSa/s A/D-omvandlare. Den integrerade interpoleraren är viktig eftersom den gör det möjligt att sampla sändsignaler vid frekvenser upp till 100 MHz, samtidigt som den håller nere databussens bandbredd på 50 MSa/ s. Den höga samplingsfrekvensen minskar markant komplexiteten vid filtrering av rekonstruerade analoga signaler. Snabba omvandlare kräver en klocka med lågt jitter som genereras av en extern oscillator eller en kristall. En intern faslåst slinga (PLL) genererar den interpolerade D/A-samplingsfrekvensen. Många direktblandande omvandlare har en extra klocka på utgången som kan driva klockingången på PPIn direkt. PPI PPIn, Parallel Port Interface, är ett flerfunktionellt, parallellt gränssnitt som kan konfigureras till en bredd på mellan 8 och 16 bitar. Det stöder dataflöden i båda riktningarna och inkluderar tre synkroniseringslinjer och ett klockstift för anslutning till en klocka med extern strömförsörjning. PPI-delen kan ta mot data vid klockhastigheter på uppemot 65 MHz. Förutsatt att omvandlarens villkor för hålltider är uppfyllda, är överföringshastigheter på närmare 60 MHz möjliga vid dataöverföring från PPIn. Denna stödjer både videospecifika och generella (GP) parallelldataapplikationer, inklusive konnektivitet till snabba omvandlare. DMA-MOTOR Även om ett parallellt gränssnitt på en DSP förenklar anslutning till snabba omvandlare, så löser detta endast en del av problemet. DSPn ska fortfarande lagra data i minnet, bearbeta dem och skicka resultatet någonstans (antingen till minnet eller ut via kringutrustning). Det är här som en flexibel DMA-motor fyller en viktig funktion. Till att börja är det viktigt att ha minnen med mer än en uppsättning DMA-kanaler, detta för att stödja flera samtidiga minnesöverföringar. En tvåvägskanal kan till exempel stödja överföringar av block med rådata mellan SDRAM- och internt minne, medan en andra kanal kan sända bearbetade data till en enhet på den asynkrona minnesbussen. Dessutom har PPIn en egen, oberoende DMA-kanal. PPIns prestanda försämras därför inte av överföringar minne till minne. Programmerbara DMA-prioriteringar säkerställer även att kringutrustningar som kräver extra bandbredd kan tilldelas detta i realtid och efter behov. Autobuffert -kapacitet innebär att DMA-processer automatiskt kan återaktiveras efter att de har avslutats. Resultatet är mycket låg fördröjning mellan slutförandet av en överföringsprocess och påbörjandet av en annan. Vissa DSP-enheter erbjuder även tvådimensionell DMA - kapacitet, vilket kan vara mycket användbart i trådlösa system. Detta medger i princip överföring av en godtycklig rektangulär region med data, till och från minnet. Det tillåter även interleaving (interfoliering, dvs var annan) och de-interleaving av I- och Q-data eller luminans och krominanskomponenter i videobilder. DYNAMISK EFFEKTHANTERING Konstruktörer av trådlösa och portabla applikationer måste adressera effektförbrukning tidigt i utvecklingscykeln. Dessbättre är det inte längre nödvändigt att offra effekt till förmån för ökad beräkningsprestanda när man väljer att använda en DSP som systemprocessor. Det finns många alternativa metoder som konstruktörerna kan använda för att balansera dessa ofta motstridiga krav. För att tillhandahålla en optimal plattform som möjliggör förverkligandet av portabla trådlösa applikationer måste DSP-enheterna stödja effekthantering i flera nivåer, och där effektnivåerna kan anpassas efter systemkraven. Den dynamiska effektförlusten hos en DSP-kärna är proportionerlig till roten av driftspänningen och linjärt proportionerlig till driftfrekvensen. Med andra ord kommer en sänkning av kärnans frekvens att minska den dynamiska effektförlusten linjärt, medan en sänkning av kärnans spänning minskar effektförlusten exponentiellt. DSP-enheter som möjliggör anpassning av såväl frekvens som spänning sparar ström vid körning av en kodsektion på en lägre frekvens och en lägre spänning, även om exekveringstiden är längre. DSP-kretsen måste hantera övergångarna i spänningsfrekvens med minsta möjliga design overhead. När en ändring programmeras på ADSP- BF532 till exempel, körs en enkel synkroniserad spännings- och frekvensövergång. Andra faktorer som måste vägas in vid valet av en DSP för flexibel effekthantering är bland annat: Stöd för flera effektdomäner, en PLL med stora programmeringsmöjligheter och flera energisparlägen som selektivt kopplar ur delsektioner på DSP-kretsen för att stödja perioder med minimal aktivitet. När det gäller omvandlarna för trådlösa applikationer sänks typiskt effekten hos en D/A-omvandlare på sändarsidan medan effekten höjs igen, precis före en sändningsskur. Genom att koppla förbi det aktiva mottagarfiltret och den programmerbara grindmatrisen för grovinställning (coarse PGA) i omvandlare som AD9975, går det även att minska effektförbrukningen markant. När systemet går på tomgång, och bara väntar på att detektera en dataskur, bör man använda de driftlägen för mottagaren som sänker effektförbrukningen. SYSTEMETS DATAFLÖDE Den fysiska anslutningen mellan DSP-kretsen och omvandlarna via PPIn är mycket enkel. Det räcker närmare bestämt med en klocka och upp till 16 datastift för att skapa detta gränssnitt. Utöver detta används en receive enable-signal när gränssnittet delas mellan en A/D och D/A. Det seriella perifera gränssnittet (SPI) på DSP-kretsen ansluter direkt till SPI-porten på omvandlaren för initiering, konfigurering och styrning av effekt, bandbredd och energisparlägen. I vanliga trådlösa TDMA- /halvduplexapplikationer kan den DSP-baserade sändtagaren ofta växla mellan att ta emot från A/D-omvandlaren och att sända via D/A-omvandlaren. Tiden det tar att byta riktning (insignal gentemot utsignal) på PPIn är endast några få systemklockcykler (en typisk hastighet för en systemklocka är 133 MHz). Användning av en D/A kan kräva att hänsyn tas till ytterligare faktorer, speciellt vid sändning över ett delat medium och med delad bandbredd. Genom att kunna utesluta interpolationsfilter och andra register i datavägen med nollor hindras oönskade signaler från att sändas. AD9975 ta automatiskt bort 28 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006

9

10 DSP Komponenter Scott Reardon, VD för D3 Engineering, beskriver här ett system för sensorlös återkopplad, programmerad motorstyrning av stegmotorer. Konstruktionen ger låga kostnader och höga prestanda. Konstruktörer av elmotordrivna system drar fortfarande nytta av fördelarna med sensorlösa motorstyrningsmetoder. Sensorlös motorstyrning, som först introducerades i borstlösa BLDCmotortillämpningar (Brushless DC) för trefasspänning, ger nu med nya algoritmer möjlighet att använda billiga tvåfasstegmotorer i högpresterande BLDC-tillämpningar. Tack vare den omfattande beräkningskraften och den integration på systemnivå som billiga DSP-baserade (Digital Signal Processor) styrsystem ger, används nu i stegmotorer återkopplad styrteknik som tidigare enbart förknippades med dyrbara servomotorer. Därigenom tar återkopplad motorstyrning steget från storskaliga tillämpningar, som fabriksautomatisering, till mycket mindre system som hushållsapparater. I takt med att kraftfullare DSP-baserade styrsystem tas fram används styrsystem nu för flera motorer, vilket ger billig styrning av flera rörelseaxlar i volymtillämpningar som exempelvis säkerhetskameror. AVA N C E R A D T E K N I K Eftersom sensorlösa styrsystem inte kräver några givare möjliggör de införande av avancerad teknik, t.ex. sensorlös fältorienterad styrning (FOC), som tidigare har använts för AC-induktions- och BLDC-motorer. Dessa intelligenta styrsystem, som på ett ögonblick beräknar och korrigerar rotorns läge och hastighet, kan även göra fininställningar utifrån enskilda motorers egenskaper. Resultatet blir högre vridmoment och enhetligare hastighet, vilket förbättrar motorns verkningsgrad och ger lägre energiförbrukning, minskad värmealstring och högre tillförlitlighet. Tester har visat att nästan dubbelt så höga prestanda kan specificeras tillförlitligt för en motor med givarlös återkopplad styrning, vilket gör att konstruktörer kan använda betydligt mindre motorer i samma tillämpning och spara kostnader, utrymme och vikt i den färdiga utrustningen. Dessutom kan alla dessa fördelar fås till priset av en mycket liten kostnadsökning för DSP styr stegmotor Fig 1. Rörelseinducerad EMF (Electromotive Force) i avkänningslindningar Fig 2. Systemblockschema för styrning av övervakningskamera i höjd- och sidled konstruktion och tillverkning av motorn. SERVO- OCH S T E G M OTO R E R Rörelsestyrning inom tilllämpningar av alla storlekar och volymer behöver intelligentare styrsystem som snabbt kan svara på skiftande belastningar och ge exakt rätt vridmoment. Ett exempel är bläckstråleskrivarens skrivhuvud, som ständigt ändrar riktning och hastighet, medan vi i den andra änden av skalan har industrins transportband, vars vridmoment plötsligt måste korrigeras som svar på belastningsförändringar. Möjliga användningsområden är hushållsapparater eller vitvaror, kontorsmaskiner, säkerhetssystem, bilar, industriutrustning samt system för värme, ventilation och luftkonditionering. Traditionellt har endast avancerade tillämpningar kunnat rättfärdiga de höga kostnaderna för återkopplade servomotorer som kräver information om rotorposition från givare. I jämförelse med motorer utan återkoppling för styrning av motordrivsignalerna är servomotorer mycket exaktare och utnyttjar energin effektivare, men avkänning av ankarets exakta hastighet och läge kräver ofta dyrbara lägesgivare. Dessutom används ofta servostyrning av BLDC-motorer med trapetsformad kommutering, vilket ger betydande problem som inställning av Halleffektgivare och momentrippel på grund av felaktig kommutering. Billig oåterkopplad styrning av 1,8 graders stegmotorer, med fyra eller sex ledare och tvåfasspänning, är det alternativ som oftast väljs för tillämpningar med stora volymer. Denna typ av styrning är enkel att förstå och implementera, och den kostar vanligen mindre att tillverka än mer högpresterande och energieffektiv återkopplingsstyrning med axelsensorer. Vissa blygsamma förbättringar av rörelsekvaliteten har erhållits med hjälp av avancerade H-bryggor som möjliggör mikrostegning och upphackning av spänningen i pulser till en låg kostnad. Nackdelen med oåterkopplade stegmotorer är att inga steg någonsin får gå förlorade, vilket innebär att systemet måste ställas in för att fungera som om sämsta möjliga belastningstillstånd ständigt föreligger, även om mer gynnsamma tillstånd vanligen råder. Även i mer lågpresterande tillämpningar resulterar de marginaler som krävs för att erhålla tillförlitlig positionering i att man använder alltför högpresterande motorer och mekanismer som kan tåla belastningsvariationer men på bekostnad av verkningsgraden. SENSORLÖSA STYRMETODER Innan robusta sensorlösa styrmetoder hade utvecklats tvingades motorkonstruktörer att välja mellan den återkopplade styrningens prestanda och högre kostnader å ena sidan och den oåterkopplade styrningens låga pris och ineffektivitet å den andra sidan. Motorstyrning behöver emellertid inte längre baseras på ett val mellan dessa båda lösningar. I dag medger högpresterande DSP-baserade styrsystem och givarlösa algoritmer implementering av återkopplingsstyrning i billiga stegmotorer med bred användning. Dessa nya, billiga sensorlösa styrmetoder har blivit möjliga tack vare utvecklingen av DSPstyrsystem. Liksom med FOC för AC-induktions- och BLDCmotorer finns det en rad olika algoritmer för beräkning av motoraxelns läge genom mätning av faktiska spänningar. En vanlig metod är att mäta EMF (Electromotive Force) i faslindningarna, vilken är proportionerlig mot axelhastigheten. DSP-styrsystemet integrerar digitalt dessa mätningar av EMF med de avkända fasdrivströmmarna för att uppskatta den momentana rotorpositionen och rotorhastigheten. De axelpositioner och axelhastigheter som erhålls kan användas i traditionella återkopplingsarkitekturer som kontinuerligt justerar motordrivströmmen för att ge rätt vridmoment under alla belastningsförhållanden. EMF från en tvåfasstegmotor med permanentmagnet kan enkelt observeras genom att en icke strömsatt motor vrids manuellt med rampad eller konstant hastighet. De spänningar som produceras vid drivlindningen för varje fas visas nedan i fig 1. De genererade A- och B-signalerna är fasförskjutna 90 grader i förhållande till varandra, och toppamplituden står i direkt förhållande till motoraxelns hastighet. En 1,8-graders stegmotor har 50 faser, så sinus- /cosinusmönstret upprepas 50 gånger per varv. NED TILL NOLL Tack vare sensorlösa flerfas- BLDC-motorer är det nu möjligt att använda en positionsslinga ända ned till hastigheten noll. Detta är ingen obetydlig prestation, eftersom EMF försvinner helt när motorankaret saktar ned och stannar. D3 Engineering erbjuder Kruse-styrning(1), en egen DSP-baserad sensorlös algoritm för tvåfasstegmotorer som steglöst kan övergå från långsam till ingen hastighet och vara kvar i en fast position på obestämd tid. Microcontrollerbaserade implementeringar har haft begränsad framgång på grund av sin relativt låga samplingsfrekvens och be- Snabbare signal... forts från sid 28 dra nytta av PPIns synkroniseringskapacitet för att exakt fånga in en sändningsskur. I detta fall kombinerar en extern ANDgrind sänd- och ramsynkroniseringssignalerna för matning av Tx Enable-anslutnignen. Slutligen går det att direktansluta snabba A/D- och D/Aomvandlare till avancerade DSPenheter. Högre klockhastigheter i DSP-kretsarna, förbättrade alternativ för energibesparing och direktgränssnitt till dataomvandlare är funktioner som är mycket attraktiva för portabla trådlösa system. Med dessa egenskaper får konstruktörer av trådlösa system möjlighet till helt nya alternativ för systemimplementering. DAVID KATZ, MARTIN KESSLER OCH RICK GENTILE, ANALOG DEVICES INC 30 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006

11 DSP gränsade digitala beräkningskraft. För att uppväga dessa brister kräver de ytterligare analog stödjande maskinvara som inte enkelt kan ställas in så att den skiljer mellan integratorläckage och verklig rörelse. Eftersom konventionella åttabitars microcontrollers kräver ytterligare stödjande maskinvara kostar DSP-styrsystem faktiskt mindre som systemlösning. Traditionella microcontrollers saknar de beräkningsfunktioner som krävs för beräkning av läges- och hastighetsvektorer i realtid, så de tvingas förlita sig på mindre exakta uppslagstabeller. DSP-styrsystem kan däremot snabbt beräkna läges- och hastighetsvektorer för kontinuerliga indatajusteringar vid uppdateringsfrekvenser på 40 khz och mer. Dessutom ger DSP-styrsystem ytterligare beräkningskraft för implementering av funktioner som systemstyrning, kommunikation och effektfaktorkorrigering, när dessa krävs. Resonanser i mellanbandet har alltid utgjort ett problem för konstruktörer som försöker använda återkopplingsstyrning av stegmotorer genom att lägga till axelgivare. De diskreta motorstegen tenderar att excitera det mekaniska systemets naturliga resonanser och orsaka oönskade vibrationer som ofta resulterar i svängning. DSP-styrsystem stöder emellertid styrslingor med hög samplingsfrekvens som ger jämn och stabil drift med hjälp av första och andra ordningens slingkompensatorer. I avancerade FOC-algoritmer behandlas exempelvis hela det magnetiska fältet som en enda vridmomentvektor som kan styras nästan omedelbart för att upprätthålla maximal drivning i rotorn, samtidigt som vridmomentresonanser elimineras. KOSTNADSEFFEKTIV STYRNING I jämförelse med traditionell servostyrning är DSP-baserad sensorlös styrning mycket billig att lägga till i standardstegmotorer. I varje stegmotor med sex ledare finns det en drivnings- och avkänningslindning för varje fas. En noggrann undersökning av den interna motorlindningen visar att varje faslindning består av två halvlindningar, förbundna i serie, där den gemensamma anslutningen förs ut som en enda ledare. Om du kopplar bort dessa båda halvlindningar och tar fram varje ledare för sig har du skapat en hybridstegmotor med åtta ledare. Om du vill optimera användningen av koppartråd för att ge motorvridmoment kan du ange att avkänningslindningen ska lindas med tråd av mindre diameter, eftersom den inte har någon drivström. De flesta motortillverkare erbjuder standardmodeller av hybridmotorer för prototypframställning och i olika produktionskvantiteter, vilket innebär att extrakostnaden blir försumbar. Den maskinvara som kopplas till DSPn är minimal. Använd samma oåterkopplade H-brygga med dubbelriktad strömavkänning, lägg till ytterligare fyra operationsförstärkare för matning av fasavkänningsspänningarna och drivströmmen till en AD-omvandlare i kretsen, så har du undanröjt behovet av en axelgivare. DSP-styrsystem med möjlighet att driva en enda axel kan fås för mindre än 2 dollar i måttliga mängder. Dessa enheter spar utrymme och komponenter genom att ge fullständiga lösningar för motorstyrning med integrerade funktioner som pulsbreddsmodulerade utgångar, flashminne, AD-omvandlare och stöd för CAN-bussen. OKOMPLICERAD PROGRAMUTVECKLING Programutvecklingen för DSPstyrsystem är okomplicerad, vilket underlättar för tillverkare att snabbt få ut sina produkter på marknaden. Integrerade utvecklingsmiljöer och högeffektiva C-kompilatorer gör att programmerare känner sig hemmastadda och att utvecklare snabbt kan uppnå topprestanda. Integrerade utvecklingsmiljöer för DSP-styrsystem gör också att programmerare snabbt kan skapa kod med hjälp av välkända modellerings- och simuleringsverktyg som Matlab, Simulink och Labview. Färdiga programmoduler, inklusive FOC-algoritmer, kan fås från DSP-leverantörer och tredjepartsleverantörer. Många moduler kräver endast inmatning av systemparametrar, vilket eliminerar behovet av att utveckla matematiskt komplexa algoritmer från grunden. Den redan tillgängliga programvaran underlättar utveckling av återkopplingsstyrning, och valmöjligheterna blir allt fler. Medan trenden mot återkopplingsstyrning växer i styrka blir mer information tillgänglig om prestandaegenskaper för olika stegmotorer, vilket gör att programutvecklare kan skapa bättre algoritmer för finjustering av driftstyrning i enskilda motorer. TILLÄMPNINGSEXEMPEL Schemat i fig 2 visar systemet, och fig 3 visar styrslingan för rörelse i höjd- eller sidled genom återkopplingsstyrning av två 1,8 graders tvåfasstegmotorer med åtta ledare som används i en övervakningskamera, där kameran vrids i höjd- och sidled genom olika axlar. DSPn, det digitala styrsystemet TMS320LF28x från Texas Instruments med 150 MHz driftfrekvens, ger upp till 150 MMACS (miljoner multiply-accumulate operations per second), vilket räcker för att vid behov styra upp till tre axlar. I övervakningskameran styr DSPn i själva verket även zoomning förutom rörelse i höjd- och sidled, vilket ger en tredje styraxel som inte beskrivs här. F28x-styrsystemet ger fyra pulsbreddsmodulerade utgångar (PWM) och fyra AD-omvandlaringångar per axel (vilket ger ytterligare outnyttjade men tillgängliga PWM och AD-omvandlare). PWM-utgångar styr dubbla H-bryggor med dubbelriktad strömavkänning, och en fyrdubbel operationsförstärkare mäter EMF och drivströmmar. Dessa värden matas direkt in i DSPns inbyggda 12-bitars ADomvandlare för körning av en PID-positionsslinga (Proportional Integral Differential) med en uppdateringsfrekvens på 40 khz. Detta 32-bitars F28x-styrsystem möjliggör även en mer komplicerad fasttalsrepresentation av decimaltal, som stöds av TIs IQMath -verktyg. Bestämningen av ankarläget beror på motorlindningarna och det effektiva CPR-antalet (Counts Per Revolution), som är relaterat till antalet bitar som digitaliseras av AD-omvandlaren. Kostnaden för axelgivare ökar betydligt när CPR går över De 12-bitars AD-omvandlare som finns i LF28x ger en inkrementell givare med CPR. I konstruktionen används en sensorlös algoritm som licensierats för användning i TIs digitala signalstyrsystem av D3 Engineering. Algoritmen är självkommuterande, vilket innebär att det inte krävs några Halleffektsensorer. Algoritmen kräver bara 40 procent av den tillgängliga beräkningskraften, eftersom alla beräkningar för framtagning av nya kommandon för motorvridmoment kan göras på cirka 10 µs. Var 25e µs får H-bryggorna ett nytt par PWM-vridmomentkommandon från DSP-styrsystemet. De positioneringsprestanda som erhålls motsvarar en mikrostegsupplösning på en hundradel per steg, och vridmomentet anpassas efter belastningen. Tester som genomförts av D3 Engineering har visat att denna algoritm kan röra en stegmotor från helt stillastående läge till ett nytt läge 180,00 grader bort, inom ±0,05 grader, på mindre än 50 ms (verifierat med hjälp av en oberoende optisk givare med CPR). Sekvensen upprepades sedan kontinuerligt, med 50 millisekunders fördröjning mellan halva varv, för att visa att algoritmen fungerar vid hastigheten noll. Återkopplingssystemet kan genomföra rörelsesekvensen som beskrivs ovan på halva den tid det tar för ett jämförbart oåterkopplat system, och med betydligt lägre energiförbrukning. När en störning av vridmomentet infördes i testerna gick steg förlorade när metoden utan återkoppling användes. I själva verket har ett DSP-styrsystem med sensorlös algoritm omvandlat den enkla, billiga stegmotorn Fig 3. Kruse-styralgoritm med återkoppling för rörelse av övervakningskamera i höjd- eller sidled till en högpresterande exakt styrd servomotor. RÄTT MOTORSTORLEK Några av de långsiktiga fördelarna med återkopplingsstyrning är lägre energiförbrukning, mindre värmealstring och högre tillförlitlighet. Även om dessa fördelar är viktiga är de beroende av tillämpningen och tillståndet och därför svåra att mäta. En mätbar fördel är emellertid den mindre motorstorlek som krävs för en given tillämpning. Utifrån omfattande studier av kundernas verksamhet har D3 Engineering upptäckt att 50 procent av en motors prestandaklassificering i en given tillämpning normalt utgör en extra marginal för att klara förändringar av belastning och andra faktorer. I motsats till detta kräver en motor med återkopplingsstyrning utan givare en marginal på endast 5 till 10 procent för att ge samma prestanda. En motors prestandaklassificering för en given tillämpning kan sålunda nästan halveras, med åtföljande besparingar. Tack vare högpresterande DSPstyrsystem lanseras nu billiga stegmotorer med avancerad styrning som tidigare endast kunde fås till ett högre pris. DSP-baserade sensorlösa algoritmer där EMF används för beräkning av läge och hastighet utgör ett billigt och exakt alternativ till oåterkopplad styrning med microcontrollers, som inte bara är mindre effektiva utan även kräver dyrbara givare för ankarläge. DSP-styrsystem kan ge nästan omedelbar styrning, samtidigt som de ger den prestandamarginal som krävs för ytterligare funktioner som självinställning och kommunikation. De mer kraftfulla DSPstyrsystemen kan även styra flera rörelseaxlar i system med mer än en motor. Samtidigt innehåller DSP-styrsystemen funktioner på systemnivå som bidrar till att hålla nere priset på stegmotorer. Det är alltså föga förvånande att dagens systemutvecklare utformar sina produkter så att de utnyttjar den exakta styrning, låga energiförbrukning, tillförlitlighet och storleksanpassning som möjliggörs genom stegmotorer med avancerad styrteknik. SCOTT REARDON, VD FÖR D3 ENGINEERING (1) Amerikanska patent: 5,134,349 * 5,202,613 * 5,321,342 ELEKTRONIK I NORDEN 1/

12 DSP Komponenter forts på sidan 40 Voice over IP (VoIP) utövades tidigare av hobbyister med hjälp av fria programvaror. Resultatet blev ofta osäkra internationella telefonsamtal. Nu har tekniken för VoIP blivit huvudspåret för framtidens kommunikation. Mark Quartermain, technical marketing engineer hos Freescale Semiconductor, ger här en inblick i vad som är möjligt idag. Enligt rapporter från Deloitte&Touch har över två tredjedelar av världens 2000 största företag börjat installera utrustning för VoIP. Det största motivet för att välja VoIP är kostnaden för röstsamtal, men på längre sikt överväger möjligheterna att använda samma IP baserade nätverk för alla typer av media. Den låga underhållskostnaden och flexibiliteten hos Internet gör det lättare att addera nya tjänster. Det skulle vara fel att åberopa för många rationell tekniska förklaringar. Det är väl även så att Internet fanns på plats vi rätt tid, då ny teknik behövdes. Den explosiva utvecklingen av bredbandsaccess för hemmen ger tillgång till VoIP och en tjänst för röstsamtal enligt Skypes lösning ger de traditionella operatörerna något att brottas med. Avreglering av teletrafiken i en mängd länder och lagstiftarnas svårigheter att hänga med den snabba utvecklingen av VoIP hjälper ITSP ( Internet Service Providers) att snabbt bryta in i telekomoperatörernas hemvist och vinna marknad. TEKNISK UTMANING Men det är en teknisk utmaning att överföra realtidsmedia som tal över Internet. Trots bilden om Internet som den mest moderna teknologien bygger mycket av grunderna på beslut gjorda för Internets föregångare för nästan 50 år sedan, nämligen ARPAnet. Det amerikanska försvarsdepartementet låg bakom de grundläggande kraven för robusthet för att klara en fiendeattack. Med detta var valet av ett paketbaserat, löst kopplad nätverksarkitektur givet. ARPAnet utvecklades snabbt till protokollstacken TCP/IP, som idag är grunden för Internet. Eftersom dedikerade, fasta kommunikationskanaler ej upprättas uppstår svagheter när man kommer till hantering av realtid. Tillgänglig bandbredd, olika vägar för routing och varierande fördröjningar gör att IP paketen kommer fram i oordning. En router kan även kassera paket, som för gamla, vilket gör att de VoIP och video med skalbara DSP-lösningar Fig 1. Runt 2002 skedde en förändring i utvecklingen: Klockfrekvensen, som tidigare ökat 40 procent per år, förväntas bli 12 procent i framtiden genom begränsningar i halvledaretekniken. Samma sak gäller för pipeline-tekniken. ej alls kommer fram. Internets grundläggande QoS ( Qulity of Service) är långt från tillräcklig för att klara realtidskommunikation. Varför är man då intresserad av att använda ett sådant nätverk när fast kopplade koncept som de klassiska PSTN eller ATM automatiskt ger utmärkt QoS? Svaret är ekonomi: Röstkommunikationen kommer i skurar, med pauser när ingen information behandlas. Vad som också är normalt i de flesta sammanhangen är att man undviker att tala när man är tilltalad. Att ta mot en 64 kbit/s kanal i båda riktningarna är därför en lyx. Paketbaserade nätverk kan skära bort tystnaden och bara sända den användbara information, vilket i grunden är effektivt. Icke att förundras över är att en räcka teknik har utvecklats för att förbättra QoS för Internettrafik. RTP (Real-Time Protocol), som använder det anpassade UDP (User Datagram Protocol) för transport, ger rekonstruktion av tid, avkänning av förlust av data, säkerhet och identifikation av innehåll. Diffserv-protokollet (Differented Services) ger prioritering och definierar ett gemensamt sätt att översätta och använda TOSfältet (Type of Service) inom IPheadern för att prioritera trafik. En annan väg är att reservera nätverksbandbredd. RSVP (Resource Resevation Protocol) ger möjlighet att begära en specfik nivå av service. Och med MPLS (Multi Protocol Label Switching) finns en mekanism där paketbaserad internet kan emulera ett Fig 2. Principuppbyggnaden för signalprocessorn MSC8122. virtuellt kopplad nätverk a la ATM. KRAFTFULL SIGNALBEHANDLING För att öka effektiviteten hos nätverket används kraftfull signalprocessteknik. Denna minskar kraven på den bandbredd som behövs för att överföra olika typer av realtidsmedia. Därmed reduceras även kostnaden. Tag som exempel vanlig röstöverföring i dagens switchade infrastruktur. Överföringen bygger på 8 khz sampling med 8 bitar per sampel, dvs vår välkända 64 kbit/ s som är basen i ITUs standard G711. Med digital signalprocessorteknologi och användningen av predikterande algoritmer som modellerar mänsklig röst kan bandbredden utnyttjas effektivare, i så kallade vocoders. En G729-vocoder använder som exempel kodteknik för att reducera bitöverföringen till 8 kbit/s och ger nästan lika bra resultat som G711 vid lyssnartester. En bandbreddsförbättring av 8:1 är klart attraktivt. VIDEO VIA IP Video är näst på listan för överföring över IP-nätverken. Medan kompression av röst kan förbättra nätverkens effektivitet är kompression ett måste för att överföra digital rörlig video. Vid upplösningen 1024x768 skall 786k pixel hanteras per bild. Med 24 bitar per pixel får vi 18 Mb och med 25 bilder/s blir den råa videoströmmen 472 Mb/s. Att tilldela en optisk fiber länk för en enkel videokommunikation är en omöjlighet och kompression är lösnigen. Videokompressionsteknik söker att använda både temporära eller spatiala överflöd för att reducera den mängd information som skall överföras. Man drar nytta av det faktum att ett flöde av videoramar sannolikt liknar varandra. Grundprincipen är att subtrahera en given ram från följande ramar och skapar skillnad mellan ramarna och då med mindre information att förmedla. DATAREDUKTION Spatiala överflöden kan också behandlas på olika sätt. Först används DCT ( Discrete Cosine Transformation), då typiskt på 8x8 pixelblock basis. Metoden används för att identifiera högfrekventa, spatiala detaljer i blocket som ögat ej är känsligt för. Därefter avgörs hur mycket information som kan utelämnas beroende på vilken kvalitet som bilden behöver. Sista steget är att ta en lösare syn på kodning, eftersom originalversionen inte kan rekonstrueras på en kodad version. Efter det görs ytterliggare rundningar av operationer som man kan undvara. Som tur är ögat förlåtande för såna operationer och en acceptabel videokvalitet kan nås även vid aggressiv komprimering. MPEG-komprimeringen försöker också att identifiera de delar av bilden som rör sig mot bakgrunden. I stället för att försöka koda element direkt from varje ram deriverar man förväntad rörelsevektorer för dessa ramar, vilket är effektivare. Men att förutse rörelsevektorer kräver stor processorkraft. Den nyligen standardiserade H.264/MPEG-4 AVC (ISO14496 del 10) innebär ett signifikant steg framåt beträffande videokomprimeringsteknik och standarden kommer att få vittomfattande användning. Dessa effektivare komprimeringar ställer dock signifikant tuffare krav på realtidsförmågan. När man tar de mängden av data som behövs för högupplösningsvideo, börjar begränsningarna hos traditionella DSP-kretsar visa sig. FLERA KÄRNOR DSPer med fler kärnor på samma chip är den mest lovande lösnigen för att möta behoven. Men dessa arkitekturer skapar också nya utmaningar för utvecklarna, med frågor som Hur partitionerar man en algoritm över de olika processorerna? att besvara. Vid Freescale har algoritmutvecklare arbetat med principen med symmetrisk allokering, 32 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006

13 MJUKVARA Mjukvara under 2006 Nätverk och Internet ändrar förutsättningarna Idag är nätverket och Internet-anslutningen mycket viktigare än dator och datorarkitektur. PC-datorn står inte längre i centrum och det kan leda till att låsningar vid operativsystem och datorarkitektur försvinner. Vinnarna i år kan bli nätverksanslutna apparater för diverse olika funktioner och kanske det till och med är dags för nätverksdatorn igen. För drygt femton år sedan skrev jag en artikel om PC-utvecklingen och roade mig då med att lägga in PC-datorernas pris/prestanda i ett diagram med logaritmisk y-axel. Sedan dess har jag med några års mellanrum fyllt på diagrammet och frapperats av hur nya datorer hela tiden hamnat på samma räta utvecklingslinje. Pris/prestandautvecklingen har varit otroligt snabb. Dagens datorer är ungefär 1000 gånger snabbare, har ca 1000 gånger mer primärminne och uppåt gånger större hårddiskar. Att de sedan inte upplevs som så mycket snabbare får vi väl skylla på de dramatiskt mycket större operativsystemen och applikationsprogrammen. Men samtidigt som utvecklingen varit fantastisk har den också varit lite tråkig. Det mesta har handlat om ökad klockfrekvens, ökat minnesutrymme och möjligheter att göra samma sak snabbare. De mest intressanta förändringarna har haft att göra med nya effektivare sätt att kommunicera och naturligtvis anslutningen till Internet. Men det finns orsak att tro på stora förändringar redan det kommande året. NÄTVERKET ÄR VIKTIGAST Den stora nyheten är egentligen många år gammal. Internet och lokala nätverk har funnits sedan före åttiotalet. När vi diskuterade Internet som bäst i slutet av nittiotalet kunde man lätt få för sig att alla hushåll hade bredbandsuppkoppling mot Internet och att de flesta hade lokalt hemmanätverk. Så var det inte alls. Faktum är att hemmanätverken inte tagit fart förrän de senaste två åren. Men idag, med billiga trådlösa nätverk överallt, finns äntligen den infrastruktur som är förutsättningen för nästa steg. Det viktigaste är inte längre valet av operativsystem eller ordbehandlingspaket. Det i särklass viktigaste är nätverks- och Internetanslutningen. APPARATER I STÄLLET FÖR PC Här har vi de senaste åren fått se en intressant utveckling, bort från generella datorer och till förmån för dedikerade apparater. För några år sedan var det normala sättet att ordna nätverksfunktionalitet som brandväggar, nätverksöversättning, IP-hantering etc att lasta in program i en generell PC. Idag köper man den funktionaliteten i form av en billig apparat. Vilket operativsystem som körs och vilket program som körs är fullständigt ointressant. Resultatet har blivit en dramatisk kostnadsreduktion, mycket högre tillförlitlighet, enklare hantering, mindre utrymmesbehov och lägre effektförbrukning. Nästa steg i den här utvecklingen ser vi redan. De billiga portabla USB/Firewire-diskar som började dyka upp för ett par år sedan ersätts nu med nätverksdiskar. Behovet av en filserver i form av en PC-dator minskar eller försvinner. På köpet följer ofta en inbyggd web- och FTPserver som går att nå både inifrån det lokala nätverket och utifrån Internet. Återigen blir hanteringen enklare och dessutom blir det lättare att ansluta datorer eller apparater av olika slag och med olika operativsystem. Under året kommer säkerligen de nätverksanslutna ljudanläggningar, som hittills varit i dyraste laget, att sjunka kraftigt i pris. När väl hemmanätverken finns på plats är det nätverket som är centrum inte PC-datorn. Nätverksanslutna konsumentprodukter lär bli betydligt vanligare än konsumentanpassade PC-datorer. NÄTVERKSDATORN TILLBAKA? Här kanske det också blir dags att återuppväcka den gamla bekantingen nätverksdatorn. Den har flera datorföretag försökt få liv i under många år, men ingen har egentligen lyckats. Ett grundproblem var hela tiden att man försökte sälja en dator med begränsad funktionalitet till ett högre pris. Det gick inget vidare. Men nu ryktas det att Google skall vara på gång med en egen dator där det mesta hanteras via Web-browsern och nerladdningsbara Java-program. En sådan nätverksdator skulle kunna bli mycket billig och kan baseras på godtyckligt operativsystem. Användaren behöver knappast ens se operativsystemet. På samma sätt spelar det ingen större roll vilken processor som väljs. Pris/ prestanda/effektförbrukning blir de viktigaste faktorerna. Det som talar för nätverksdatorn är bland annat att allt fler nu har flera datorer i sina hem. En enkel dator behöver inte kunna allt. De få gånger man behöver redigera video eller göra mera avancerade uppgifter kan man sparka igång den effektkrävande och högljudda PC-datorn. Men för att kolla , söka på Internet eller skriva normala dokument räcker en liten fläktlös lågprisapparat utmärkt. Ett viktigt argument för nätverksdatorn är också att platta bildskärmar blivit så billiga. Bildskärmen är inte längre en dyrbar central resurs. Den är inte heller en platskrävande enhet som kräver specialmöbler. Det enklaste sättet att ge en apparat ett grafiskt gränssnitt är att ge den en egen bildskärm. Det är inte längre nödvändigt att koppla upp sig mot TV-apparater eller PC-datorer. Och när vi tittar på olika plattformar kan det vara intressant att lyfta blicken ytterligare. Sony PSP (Portable Playstation) är till exempel en intressant plattform med bra grafik och inbyggt nätverk. Kanske 2006 kan bli det år då vi inser att det inte handlar bara om Windows, Linux eller Mac. Det viktigaste är att vi kan komma ut på Internet. STANDARDGRÄNSSNITT Men om vi skall kunna använda många olika plattformar krävs det standardiserade och öppna gränssnitt. Här har man ibland förväxlat Open Source (öppen källkod) med öppna gränssnitt, men öppna gränssnitt är betydligt viktigare än öppen källkod (även om det också kan vara nog så praktiskt). På hårdvarusidan har man kommit långt i utvecklingen mot öppna gränssnitt. Ethernet, WLAN, USB, PCI Express är bara några exempel på standardgränssnitt som är plattformsoberoende och tillverkaroberoende. Bland tillverkarna har Intel varit föregångare, ända från Ethernetsamarbetet (med 3COM och DEC) till PCI, USB och PCI Express. I de senare fallen har man utvecklat tekniken och sedan skänkt bort den till standardiseringsgrupper med förutsättningen att alla skall kunna använda tekniken och ingen skall behöva betala licensavgifter. På Internetsidan har också standardiseringen kommit mycket långt. Där har alla tillgång till de viktigaste standarderna. På samma sätt har dokumentformatet PDF löst många problem inom t ex tryckindustrin. Adobe valde att göra formatet öppet tillgängligt genom att lägga ut det på en fristående organisation. Det största problemet idag är kanske Microsofts gränssnitt för dokument och kalkyler. Där har en enda tillverkare en mycket stor dominans, samtidigt som gränssnitten varken är öppet tillgängliga eller ens öppet dokumenterade. Under 2005 lanserades ett XML-baserat standardgränssnitt, Open Document, från standardiseringsgruppen OASIS, men Microsoft har naturligt nog inte varit så intresserade. Officepaketet Open Office har skiftat över till Open Document-format som internformat. MULTIPROCESSOR Slutligen har multiprocessorteknik de senaste åren gått från tanke till handling. Nästan alla processortillverkare har multiprocessor-implementationer på produktprogrammet och alla är rörande överens om att prestanda för en enstaka processorkärna knappast går att öka mer. Faktum är att det snarare blir tvärtom. Dagens snabbaste processorer med en CPU-kärna är redan de alltför snabba för att vara effektiva. En effektförbrukning runt 100 W per processor är alldeles för mycket i förhållande till prestanda. Det gäller i stort sett alla tillämpningar, från PC-datorer till serverdatorer och telefonväxlar. Problemet är, som vi skrivit om många gånger, att ökad klockfrekvens i CMOS ger en exponentiell ökning av effektförbrukningen. Två processorkärnor med halva klockfrekvensen ger samma totalprestanda, men mycket lägre effektförbrukning. Men det stora problemet med multiprocessorimplementeringar ligger inte i hårdvara utan i mjukvara. Att skriva tillämpningar så att de drar nytta av multiprocessorer är svårt och det kommer att ta många år innan alla program skrivits om till verklig multiprocessorfunktion. Innan det är klart blir det svårt att sänka prestanda för enstaka processorkärnor. Det spelar mindre roll om en dator har hundra processorer och våldsamma totalprestanda om programmet ändå bara körs på en processorkärna. Därför får vi nog vänta på massivt parallella processorer ett tag till, åtminstone för mera generella datoruppgifter. I stället blir det två, fyra eller åtta CPUkärnor, där var och en är ungefär lika snabb som dagens processorer. Intels nya Yonah-processor är ett bra exempel där man fått ner effektförbrukningen kraftigt per CPU-kärna och nu lanserar två och senare fyra processorkärnor per chip. Om man tittar på prestandahöjningen i en PC med två eller fyra processorkärnor kan man lätt tro att alla program redan är skrivna för flera trådar. I många fall ökar prestanda mer än antalet kärnor. Men ännu så länge beror det på att operativsystem som Windows XP har så många prestandakrävande processer igång att avlastningen ger en linjär förbättring. Om en processorkärna blir ledig att köra applikationsprogrammet kan de andra köra operativsystemsoverhead och virushantering. Om det sedan är vettigt att låta operativsystem och administrationsprogram konsumera så mycket dator kraft kan vi diskutera en annan gång. GÖTE FAGERFJÄLL ELEKTRONIK I NORDEN 1/

14 KORTSYSTEM Konstruktion/Systemkomponenter INLEDAREN Make versus buy Det handlar en hel del om kampen mellan standardkort och kundspecifika kort den här gången. Men egentligen är det väl inte någon riktig kamp längre. I stort sett alla korttillverkare producerar kundanpassade kort och allt fler säljföretag tar fram kundspecifika lösningar. Det intressanta med Uppsalaföretaget Hectronic är att de lägger ribban så lågt för övergången från standard till kundspecificerat. Kundspecifika lösningar med kortbaserade system är annars som sagt inget nytt. En stor spelare sedan flera år är Data Respons, där mycket av framgångarna baseras på en kombination av standardkort och egenutvecklade kort. Nytt sedan några dagar är också att Memstore har dragit igång en egen grupp för konstruktion och certifiering av industridatorer. Här satsar man speciellt på marin och militär certifiering. Ett intressant mellansteg mellan traditionella kort och kundspecifika lösningar är dotterkortsmodulen (mezzanine card). En intressant ny standard på den sidan heter AMC och är egentligen en del av ATCA-systemet. ATCA har väl inte riktigt fått fart ännu och den totala inriktningen mot telekom begränsar förstås marknaden, tillsammans med det något våldsamma kortformatet. AMC-standarden däremot är kompakt och har förutsättningar för att bli något så när billig. Därför är det intressant att se intresset för micro- ATCA, som egentligen bara är ett sätt att använda AMC-moduler direkt på ett bakplan. Ett µatca-chassie med ett antal AMC-moduler har tillräcklig funktionalitet för de flesta och rationaliserar bort både bärarkort och ATCA-chassie. GÖTE FAGERFJÄLL Specialkort blir billigast Uppsalaföretaget Hectronic är ett av de få nordiska företag som tillverkar egna kortsystem. Men det viktigaste målet med de egna korten är att förenkla vägen från standardkort till kundspecifika kort. En av våra stora kunder har en produkt som tillverkas i ca 250 enheter per år säger Kjell Brunberg, vd för Hectronic. De använde tidigare två eller tre standard PC/104-kort i produkten, men tyckte att det blev lite för dyrt. Vi föreslog att de skulle gå till ett full custom-kort och de blev mycket förvånade när kalkylen visade att det skulle löna sig redan efter ett år. Då tog vi ändå fullt betalt direkt för utvecklingskostnaden. Debatten om make versus buy, alltså om man skall tillverka egna kort eller köpa standardkort, rasade som bäst under åttiotalet och början av nittiotalet. Sedan insåg i stort sett alla korttillverkare att man måste ha bådadera, alltså både standardkort för låga- och medelstora volymer och anpassade eller helt kundspecifika kort för större volymer. Det gäller också Hectronic, men där har man vänt på begreppen och ser kundanpassade kort som huvudprodukten. Vi skiljer oss från de stora kortföretagen bland annat i att vi kan göra kundanpassade konstruktioner i mycket mindre serier. Övriga korttillverkare brukar kräva mycket stora serier, medan vi kan få lönsamhet i serier från något hundratal. S TA N D A R D B LO C K Kombinationen av standardkort och kundanpassade kort är viktig på flera sätt. Standardkorten gör det lätt för en kund att komma igång med prototyp och lågvolymproduktion. Om projektet sedan resulterar i större volymer är det lätt att ta steget till kundanpassning. Här är det viktigt att vi har den djupa produktkompetensen, eftersom vi faktiskt har utvecklat allt från grunden. Vi har alla byggblock, inte bara som kort utan också som kortlayout och chipset. Det gör att vi lätt kan göra kundspecifika produkter med samma funktionalitet, men utan onödiga kontaktdon eller funktioner som inte används. Det här innebär att modultänkandet inte bara finns på kortnivå utan också på layout- och komponentnivå. Nästa steg blir också ett modultänkande på FPGA-nivå, med allt fler I/O-funktioner och signalbehandlingsfunktioner i form av färdiga IP-block. Pentium M används allt oftare i projekten. Här i Hectronics egen COM-modul i PC/104-format. Något som skiljer oss från vanliga konsultföretag är att vi vill ha så låg utvecklingskostnad som möjligt, säger Kjell Brunberg, vd för Hectronic. Det är viktigt i vår affärsmodell att utvecklingsarbetet går snabbt och att det snabbt blir lönsamt att gå över till kundspecifika lösningar. Baksidan på den egna COM-modulen innehåller alla nödvändiga bussar och gränssnitt. I nästa generation kommer också PCI Express. Mats Arnlund är utvecklingschef för både hård- och mjukvara. Det kundanpassade kortet till höger är framtaget till ett stort svenskt företag. Det finns tre grundnivåer, där den första utgår helt från standardkort och den tredje innebär en ren fullcustom-lösning. Däremellan finns COM-lösningar av olika slag, alltså standardiserade datormoduler plus kundspecifika bärarkort med I/O-funktioner etc. Vi har en egen COM-modul baserad på PC/104 som går att kombinera med kundspecifika kort, men vi kan också använda ETX, COM Express eller SIMmoduler. Att utgå från en processormodul kombinerad med ett kundspecifikt I/O-kort låter som en optimal modell för de flesta, men så är det inte. Förvånansvärt ofta lönar det sig med verklig fullcustom. COM-modulerna är fortfarande dyra och en tvåkortslösning kostar mer än en enkortslösning. Men det viktigaste är ändå att en optimerad lösning, med eller utan COM-modul, blir effektivare, mera strömsnål och billigare i volym än en lösning baserad på standardkort. SYSTEMSTANDARD För något tiotal år sedan låg mycket av fokus på busstandarder och kortformat. Valet av kortsystem var grundläggande och samma kortsystem användes sedan i alla projekt. De senaste årens explosion vad gäller kortformat och bussar har flyttat fokus bort från kortstandarden. Det är inte längre lika viktigt hur ett system ser ut internt. Specifikationen ligger allt oftare på systemnivå och beställarna bryr sig mindre om vilka kortstandarder som används. Det finns fortfarande en del beställare som har detaljkrav som är mindre relevanta, men den typen av krav försvinner allt mer. Allt fler system baseras därför på en kombination av flera kortstandarder, kundanpassade kort kombinerat med standardkort eller helt kundanpassade kort utan några synliga kortstandarder. Standardkommunikationen finns på lådans utsida och består ofta av Ethernet-kommunikation, USB eller någon annan seriell standard. Då är det viktigare att ha standarder vad gäller programvara och operativsystem och där använder Hectronic nästan alltid x86- plattformen och oftast något av operativsystemen Windows XP/ Windows CE eller Linux. Den interna kompetensen är mycket hög både på Linux-, Windowsoch BIOS-nivå. Däremot undviker man att ge sig in på marknaden för applikationsprogramvara. Åtminstone på sätt och vis. Vi är fortfarande lite anspråkslösa. Vi undviker i och för sig att utveckla program som ligger ovanför operativsystemsnivå, men samtidigt lägger vi mycket av det som andra placerar på applikationsprogramnivå på operativsystemsnivå eller BIOS-nivå. Att lägga in viktiga grundfunktioner på BIOS-nivå har stora fördelar. Säkerhetskritiska detaljer blir inte beroende av operativsystemet eller applikationsprogrammen och problemen kan lösas på en låg nivå i stället för på en hög nivå. Det här är grundläggande i embeddedsystem och borde kanske vara det också i vanliga datorsystem. OUTSOURCING KOMMER TILLBAKA Hectronic blir också allt intressantare som samarbetspartner för storföretag. Det beror både på att företaget har en väl genomtänkt arbetsmodell och att man har bra kontakter med elektronik- 34 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006

15 KORTSYSTEM tillverkare både inom landet och i Fjärran Östern. Företaget drar nu nytta av att pendeln i outsourcingdebatten delvis har svängt tillbaka. För ungefär tio år sedan gjorde alla elektronikföretag allting internt, men för en del år sedan började man titta på möjligheten att outsourca delar av verksamheten, i första hand organisation och produktion. Det gav lägre priser och högre flexibilitet. För några år sedan insåg man också att en del av utvecklingen kunde läggas ut för att öka effektiviteten. Sedan kom IT-kraschen och allt gick överstyr. Alla försökte lägga ut så mycket som det bara var möjligt och på kort tid försvann en stor del av svensk elektronikindustri. Det var mycket tråkigt. Vår roll i det hela ser ut som så att vi arbetar med teknisk utveckling och styrning. Vi har tidigare svävat lite fritt i elektronikindustrin, eftersom organisationerna tidigare hade alla de har funktionerna internt. Men idag är allt uppluckrat och borta. Vi har krupit uppåt i värdekedjan och idag diskuterar vi snarare med produktavdelningar än med utvecklingsavdelningar. Det handlar mera om kompletta koncept än om enstaka produkter. Outsourcing av produktion gav i många fall stora kostnadsbesparingar, men en del projekt tas nu delvis tillbaka. Förlorad kontroll och kopiering gav för stora nackdelar. När de stora elektronikföretagen flyttade all elektronikproduktion till Asien skadades en del viktiga produktlinjer. Kontrollen försvann och teknik läckte ut till konkurrenter. Det gick i en del fall att köpa konkurrerande produkter med samma teknik samtidigt som nya produkter lanserades. Ett sätt att hantera det här är att ta tillbaka en större del av teknikutvecklingen, men ändå se till att produktionen sker till ett så lågt pris som möjligt. För oss har det inneburit att vi får hand om mycket större projekt. GREY BOX Det normala sättet var tidigare att det stora elektronikföretaget specificerade allt, från komponentnivå och uppåt och byggde allt internt. Därifrån tog man det stora steget till att köpa färdiga externa apparater från någon form av ODM-tillverkare. Man började köpa svarta lådor, där en yttre part bestämmer arkitektur, pris, modellbyten etc. Det gäller även högvolymprodukter. Vad man tittar på idag är en korsning mellan internutveckling/produktion och black box. Man vill ha full kontroll, men ändå ha en extern leverantör. Modellen kan kallas grey box. För oss innebär det att vi tar hela ansvaret för en produkt, inklusive produktionen. Det ger enkla och rena gränssnitt för beställaren, både ekonomiskt och ansvarsmässigt. Ett annat och mera traditionellt sätt att hantera utvecklingen är förstås att lägga ut utvecklingsuppdragen på ett konsultföretag och sedan hantera produktionen via kontraktstillverkare. Det är gammalmodigt, glöm det, så såg det ut för fem år sedan. Då hade företagen egna inköpare som köpte konsulttjänster och produktion, men det fanns ingen som tog förvaltningsansvaret. Det krävs en mängd anställda för att hålla ordning på allt och det blir dyrt och komplicerat. För fem år sedan gick vi ut och sålde totallösningar från konstruktion till produktion för att hantera det problemet. Men sedan dess har det hänt mycket. Idag kommer företagen till oss och vill diskutera modeller för samarbete. LÅG UTVECKLINGSKOSTNAD En viktig sak som skiljer oss från vanliga konsultföretag är att vi vill ha så låg utvecklingskostnad som möjligt. Det är viktigt i vår affärsmodell att utvecklingsarbetet går snabbt och att det snabbt blir lönsamt att gå över till kundspecifika lösningar. Konsultföretagen vill givetvis få in så mycket pengar som möjligt på själva utvecklingsuppdraget. Det här löser vi genom att använda så mycket färdiga och utprovade moduler som möjligt. Konsultföretagen börjar från grunden varje gång, medan vi utgår från färdiga konstruktioner överallt där det är möjligt. Vi hade till exempel ett projekt där vi konkurrerade med ett stort konsultföretag och där beställaren tyckte att vi var lite för små. Konsultföretaget höll på i fyra år och det kostade massor av pengar, men produkten blev inte tillräckligt bra och vid det laget hade flera av de chipset som konsulten valt redan gått ur produktion. Efter fyra år fick vi tillbaks projektet och gjorde om alltsammans på ett kundspecifikt kort. Det gick på några månader och kostade kronor, vilket vi tyckte var dyrt. Men det var säkert mindre än en tiondel av vad det misslyckade projektet hade kostat. GÖTE FAGERFJÄLL ELEKTRONIK I NORDEN 1/

16 KORTSYSTEM Konstruktion/Systemkomponenter Hög tillgänglighet i olika kortformat Hög tillgänglighet är kritiskt i en rad tillämpningar, från telekom till avancerad övervakning. Magnus Frykholm från Kontrons nordenkontor visar här hur nya system som Advanced MC µtca och Advanced TCA löser problemen, men också hur Compact PCI kan fortsätta att samexistera med de nya standarderna. PICMG (Tillverkargruppen för PCI-industridatorer) är sedan flera år Institutionen med stort I för inbäddad datorteknik i sin egenskap av tillverkaroberoende standardiseringskommitté för industridatorsystem. För att uppfylla kraven för vissa användningsområden vidareutvecklades t ex PCI-standarden till industrianpassad CompactPCI. Compact- PCI är idag standard, vad gäller konstruktion av särskilt robusta och tillförlitliga totallösningar. Med AdvancedTCA (PICMG 3.x) och de AdvancedMC-baserade MicroTCA-system som är på väg ser det nu ut som om CompactPCI-systemen får konkurrens. Vid närmare påseende har de dock bara i viss mån överlappande användningsområden resp. är de utpräglade specialister inom sitt fackområde. Gemensamt för alla är dock önskemålet om högsta tillgänglighet för totallösningen. FELTOLERANT Feltoleranta datorsystem med hög tillgänglighet efterfrågas i många branscher. Antingen vill slutanvändaren kunna förlita sig på att utrustningen fungerar 24 timmar per dygn, 7 dagar i veckan, t ex inom energiförsörjning, telekommunikation (telefon, e- post), informationsteknik (radio, tv, Internet), eller i tillämpningar som kräver hög säkerhet som livsuppehållande medicinsk teknik, reaktorsäkerhet, spårburen trafik, flyg eller andra styr- och övervakningssystem för viktiga processer. I många fall fordras i dessa branscher tillgänglighet som mäts med fem eller rent av sex nior, dvs 99,999 respektive 99,9999 procents tillgänglighet. Räknat på ett år får ett sådant system med 6 nior bara vara ur funktion i genomsnitt ca 32 s - inklusive schemalagda service- och underhållsarbeten. (365 dagar x 24 timmar x 60 minuter = minuter/ x 0, = 31,536 sekunder). Sedan CompactPCI-standarderna infördes, garanteras en så hög tillgänglighet för systemplattformar genom å ena sidan feltolerant redundant dimensionering av system och komponenter (kort, nätenheter, RAID-hårddiskar, fläktar etc), å andra sidan genom enheter med hot-swapmöjlighet och IPMI-baserad systemhantering som standardiserats i specifikationen PICMG 2.9, vilken implementeras på alla komponenter i systemet. IPMI är en övervakningslösning för varje enskild komponent som är oberoende av själva systemet. Tillståndet i systemet övervakas kontinuerligt med avseende på maskinvara, temperatur, fläktar och nätenhet. Informationen är tillgänglig centralt och möjliggör enkel övervakning av komplexa och/eller distribuerade system så att tiden när systemet är ur funktion kan minskas genom förebyggande underhåll. Alla dessa krav uppfylls av de tre standarderna i PICMG: CompactPCI (PICMG 2.16), AdvancedTCA (PICMG 3.x) och MicroTCAsystem baserade på AdvancedMC (AMC.x). Men hur skiljer sig då dessa standarder från varandra? COMPACTPCI MED MÅNGA FUNKTIONER CompactPCI-systemen är etablerade sedan många år och finns i 3HE och 6HE. De används både inom telekom och andra branscher tack vare sina robusta stöt- och vibrationståliga stickkontakter och det utvidgade temperaturintervallet (tillval), samt ett brett utbud av industriella I/O-enheter. Specifikationen Compact- PCI 2.16 som kompletteras av PICMG 2.x har dessutom slagit igenom i området 6HE. Dessa system erbjuder förutom alla standardfunktioner i Compact- PCI ytterligare redundanta 10/ 100/1000 Mbps Ethernet-portar via J3-kontakten till den passiva Packet Switched Backplane. I jämförelse med 3HE CompactPCI-systemen är dessa ännu flexiblare i dimensioneringen och dessutom tolerantare mot enstaka fel (SPOF, Single Point of Failure) i kommunikationen mellan korten. En redundant dimensionering av hela systemet är möjlig med två CPU-enheter och dubbel Ethernet-kommunikation. Med denna avancerade funktionalitet CPCI används allmänt i tillämpningar som sträcker sig från kommunikation till regeringsarbete och medicinsk teknik t ex vid datorstödda operationer och laseroperationer samt datortomografi. Därutöver är CompactPCI etablerad inom industriell automation och trans- Processormodulen AM4001 följer Advanced MC-standarden och baseras på en 2,0 GHz Intel Pentium M 760-processor. port samt alla andra användningsområden med höga krav på stöt- och vibrationstålighet och utvidgat temperaturområde som kommunikationstillämpningar i fordon (t ex mobila TETRA-anläggningar), flygplan och fartyg. I tillämpningar utanför kommunikationsanläggningar behövs dock sällan ethernetbaserade Packet Switched Backplanes. Här används i allmänhet standardmässiga CompactPCI-system. Lokala I/O-funktioner kan stickas in i 6HE CompactPCIkort eller -hållare med upp till två PMC- eller PrPMC-dotterkort. Dessa serietillverkas ofta och hela enheten byts ut i händelse av fel, dvs även om bara ett dotterkort fallerar, byts i regel i löpande drift hela den hot-swap-anpassade enheten med blad eller bärmodul. Vidareutveckling inom området CompactPCI håller på att ske på basis av den nya seriella busstandarden PCI-express. Det finns därför många nya innovationer för CompactPCI att se fram emot. ADVANCED TCA: TELEKOMSTANDARD AdvancedTCA resp ATCA är förkortningar för Advanced Telecommunications Computing Architecture. Som namnet anger är ATCA speciellt definierat för telekom-tillämpningar och talrika tillverkare och transportörer av telekomutrustning har deltagit i upprättandet av denna specifikation som potentiella användare. Prognoserna utgår från att ATCA nästan uteslutande används inom området telekominfrastruktur. Högst 20 procent kan hänföras till andra tillämpningar. Potentiella användningsområden för ATCA-system med hög tillgänglighet försörjda med 48 V DC finns inom nästan alla områden som har att göra med infrastruktur för professionella telekommunikationsnät. På samma sätt som den förväntade infrastrukturutvecklingen inom området telekommunikation används ATCA-baserade system i trådlösa infrastrukturnät t ex som nätslussar för HSDPA, efterföljaren till UMTS, eller i kabelnät som DSL-nätsluss, för att bara nämna två förekommande eller populära tillämpningar. ATCA är en vidareutveckling av CompactPCI-standarden som blev tillgänglig i mitten av 90-talet. Väsentliga förändringar i jämförelse med 6HE CompactPCI är den ungefär 2,4 gånger större formfaktorn för mönsterkortet och 6 istället för 4 delenheter, samt en ny kommunikationsstandard via backplane och från ett chassi till ett annat. Kommunikationen för AdvancedTCA baseras i första hand på redundant dimensionerade 10/100/1000Base-T Ethernet- Kraftfullt! Komponenter för kraftelektronik Puls- och drivtrafo SMPS switchtrafo Diodbryggor Strömtrafo Induktorer Kylflänsar Telefon Telefax info@inductive.se 36 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006

17 De senaste Compact PCI-korten från Kontron är fläktlösa och baserade på 2 GHz Intel Pentium M-processorer. Bilden visar 6E-kortet CP6000. förbindelser mellan korten. De benämns Base Interface Connections (grundläggande gränssnittsanslutning) som upprättas via det passiva bakplanet. Därmed kan redundanta dual star-konfigurationer realiseras. Därutöver förutser specifikationen ytterligare så kallade fabric switches som tillval. Flera alternativ stöds här: Ethernet och Fibre Channel (spec. 3.1), InfiniBand (spec. 3.2), Star Fabric (spec. 3.3) samt PCI-express (spec. 3.4). Med fabric switches är både dual star- och full-mesh-koncepten möjliga med upp till 10 Gbit/s trafik i fullduplexläge. Jämfört med standard-compactpci är kommunikationsmöjligheterna alltså otroligt mycket större. Grundversionen av ATCA är jämförbar med CompactPCI 2.16-baserade system. Dock erbjuder ATCA en betydligt högre prestationstäthet än 6HE CompactPCI-system, varför man kan förvänta sig fredlig samexistens mellan ATCA och CompactPCI i 3HE och 6HE. AdvancedTCAsystem erbjuder möjligheten att konfigurera och byta flera hotswap-anpassade, frontladdade AdvancedMC-dotterkort på blad och bärare i löpande drift, utan att behöva dra ut blad eller bärare. Detta sparar mycket tid och pengar vid service. AMC: AVANCERADE DOTTERKORT Advanced Mezzanine Cards (förkortat AdvancedMC eller AMC) utvecklades ursprungligen som en flexibel utvidgningsmöjlighet för ATCA-kort på samma sätt som PMC för CompactPCI. För att telekombranschen ska kunna åtnjuta ännu mer bekvämlighet jämfört med PMC utformades dotterkorten med hotswap-möjlighet på framsidan på samma sätt som bärarkorten. Beteckningen dotterkort för AdvancedMC-enheter är egentligen en underdrift. Inga hittills existerande dotterkort eller modulära datorer har varken haft hot-swap-funktion eller varit utdragbara på framsidan, utan de har alltid varit avsedda att tas ut tillsammans med bärarkortet. Det har inte heller funnits någon egen chassistandard för något dotterkortsstandard. Detta utvecklas för närvarande för AdvancedMC under namnet MicroTCA eller ännu mer förkortat µtca. Specifikationen för bakplan och hölje beräknas offentliggöras senare under 2006 och det kommer sannolikt att dröja ytterligare en tid tills system blir tillgängliga. Hur µtca kommer att inordna sig i serien ATCA och CPCI kan ännu inte förutses med säkerhet. Användningsområden ser dock ut att finnas framför allt i mindre telekomtillämpningar. I och för sig finns det även telekomlösningar som idag med fördel utförs med CompactPCI, t ex mobila TETRA-lösningar för säker radiotrafik inom polisen, brandkåren m fl säkerhetsinriktade myndigheter och organisationer Det blir intressant att se hur marknadens efterfrågan kommer att utveckla sig. AMC EVERYWHERE Vid sidan av användningen i ATCA- och i framtiden i µtcasystem är AdvancedMC särskilt intressant för tillverkare, som hittills har utvecklat egna proprietära KORTSYSTEM infrastruktursystem för telekom. De kan först och främst köpa till COTS-delar (Commercial Of The Shelf) till sina system, och förlänga livslängden för systemen bara genom utformningen av enkla bärarkort, innan ett fullständigt byte till en öppen arkitektur som ATCA eller utca genomförs. Motsvarande efterfrågan kunde Kontron notera redan i början av utvecklingen av ATCA/AdvancedMC. Totalt sett finns det följaktligen tre användningsområden för AdvancedMC, vilket gör det särskilt attraktivt för tillverkare av telekomutrustning. Diverse studier underbygger denna betydelse hos marknaden och förutsäger en marknadsandel för AdvancedMC på ca procent av hela marknaden för ATCA/AdvancedMC. Kontrons senaste nytillskott inom området AdvancedMC efter processorkortet AM4001 med 2,0 GHz Intel Pentium M 760-processor är AdvancedMC- Quad-Gigabit-Ethernet-modulen AM4300 och högkapacitets-sata-minnesmodulen AM4500. Kontrons AdvancedMC AM4300 är lämpad för användningsområden som kräver flera Gigabit-Ethernet-portar som är direkt kopplade till t ex ett AdvancedTCA-processorkort. AM4300 är utrustat med formfaktorn full-height/single-width med fyra 10/100//1000Base-T Ethernet-portar. Kortet stöder PCI-express x8-, x4-, x2- och x1- länk och erbjuder enkel systemhantering genom IPMI v1.5. Som minnesfunktion i öppna modulära kommunikationslösningar finns Kontrons AM4500-modul med formfaktorn full-height/ single-width med upp till 120 GB minneskapacitet. AM4500 uppfyller specifikationen i likhet med både AMC.0 och AMC.3. Det erbjuder Native Command Queuing (NCQ), för att hålla och organisera upp till 32 kommandon i en väntesubrutin, och hanteras via IPMI v1.5. MAGNUS FRYKHOLM, KEY ACCOUNT MANAGER KONTRON AG NORDIC AdvancedTCA-CPU-kortet och hubb. ATCA-CPU-korten AT8001 baseras på en 2,8 GHz Xeon-processor med låg matningsspänning. Därutöver finns nu ATCA-hubbkortet AT ELEKTRONIK I NORDEN 1/

18 KORTSYSTEM Konstruktion/Systemkomponenter AMC rullar ut Dotterkortsstandarden AMC ser ut att bli betydligt större än vad som var tänkt från början. Förutom att fungera som dottermoduler till ATCA får standarden också en mera fristående tillvaro i µtca-standarden. I artikeln går Jürgen Eder från SBS igenom förutsättningar och möjligheter för AMC. När Advanced TCA introducerades som öppen standard år 2002 var många skeptiska till framtidsmöjligheterna. Men sedan dess har nya produkter lanserats nästan varje vecka, både hårdvara, mjukvara och system. ATCA är visserligen fortfarande i sin utvecklingsfas, men det har funnits tillgängliga produkter ett bra tag. Ett nytt ekosystem är under uppbyggnad och ser ut att ha ett tillräckligt momentum för att ligga till grund för en ny systemarkitektur. Det kommersiella genombrottet väntas under AMC När man talar om ATCA är det också viktigt att titta på dotterkortsstandaren AMC (Advanced Mezzanine Card). AMC-modulerna är de minsta definierade plug-in-modulerna för ATCAsystemet. De har stora likheter med de kända PMC-modulerna (PCI Mezzanine Card) och behöver därför bärarkort för att fungera i ett ATCA-system. En del kanske undrar varför man måste ersätta de väletablerade PMC-modulerna. Och faktum är att de första ATCA-korten tillverkades med PMC-moduler. Men de här korten togs fram för att testa ATCA på ett tidigt stadium och innan AMC-standarden och de nödvändiga komponenterna fanns tillgängliga. En stor skillnad mellan AMC och PMC är bussen. PMCmodulerna är baserade på en parallell PCI-buss, men parallella bussar räcker inte längre för att klara kraven hos ATCA-system. Världen har skiftat över till seriella bussar i switch fabrics och AMC är baserad på den typen av datakommunikation, via PCI Express, Rapid I/O och andra standarder. Ethernet används primärt som kontrollbuss. En annan skillnad är Hot Swap. AMC-modulerna kan pluggas i och ur under körning. Bärarkortet, som i sig också klarar Hot Swap, kan fortsätta att köras samtidigt som en eller flera AMCmoduler byts ut. Beroende på storlek går det att ha upp till åtta AMC-moduler per bärarkort. Det förutsätter den minsta formfaktorn (73,4 x 173 mm). De individuella modulerna kan vara mera avancerade än PMC-moduler eftersom den tillgängliga och tillåtna matningseffekten är större för AMC. ATCA-system tillåter olika typer av kommunikationsprotokoll i kombination med Hot Swap. Det innebär att Hot Swapprocessen måste övervakas noga. En AMC-modul för Rapid I/O kanske av misstag pluggas in i ett ATCA-system som konstruerats för PCI Express. Alternativt kanske så många effektkrävande AMC-moduler pluggas in i ett bärarkort att den maximala effektbudgeten på 200 W per kort överskrids. Den här typen av fel skulle kunna leda till systemkrascher och det måste undvikas till varje pris. Samtidigt måste systemets flexibilitet vara så stor som möjligt. Därför innehåller ATCA- AMC-arkitekturen en autonom övervakningsinfrastruktur, baserad på IPMI (Intelligent Platform Management Interface). Både bärarkort och AMC-moduler har samma övervakningssystem, vilket gör det lätt att hantera konfigurationsdata. Systemet fungerar så att bärarkortet först kontrollerar om AMC-kortet över huvud taget kan accepteras i systemet. Bärarkortet kontrollerar effektbudget, kommunikationsprotokoll och andra parametrar. Fig 2 visar hur infrastrukturen ser ut. De viktigaste delarna i Hot Swap-processen är: 1. Bärarkortet detekterar via en insignal att en AMC-modul är på väg att pluggas in. Funktionaliteten är ännu inte känd och bara övervakningsdelen av modulen får matningsspänning (Enable# Signal). 2. Modulen aktiverar den blåa lysdioden på frontpanelen och läser in numret på den kortplats som tilldelats. MMC-enheten hos modulen skickar ett IPMImeddelande till bärarkortets IPMI-enhet (IPMC) för att indikera att ett Hot Swap har inträffat. 3. När Hot Swap-switchen aktiveras skickar modulen meddelandet Module Hot Swap Handle Closed till bärarkortet. 4. Bärarkortet returnerar meddelandet Set Module LSD State Command och den blåa lysdioden börjar blinka. Operatören är nu informerad om att systemet kan konfigurera modulen. 5. Bärarkortet väntar på ett godkännande från kortrackets Skillnader mellan PMC-moduler och AMCmoduler. övervakningssystem (shelf management controller) för att fortsätta konfigureringen. 6. När godkännandet är klart hämtar bärarkortet data från modulen om effektbehov, och andra parametrar (E-Keying). Informationen läses av modulens MMC-enhet från ett lokalt minne (FRU) och skickas till bärarkortets IPMC. Därifrån vidarebefordras det till kortrackets övervakningssystem. 7. Först när systemets övervakningssystem har verifierat och godkänt AMC-modulens effektkrav kan bärarkortet fortsätta med konfigureringen. I annat fall avslutas konfigureringsprocessen. 8. Bärarkortets IPMC tolkar nu modulens E-Keying -data och kontrollerar till exempel att överföringsprotokollen är kompatibla. Det garanterar till exempel att PCI Express möter PCI Express och inte Serial Rapid I/O. 9. När det är klart att modulen och bärarkortet är kompatibla skickar IPMC meddelandet Set Module LED State Command till MMC. AMC-modulen släcker då den blå lysdioden och bärarkortet lägger ut spänningsmatning till modu- Systemövervakning i ATCA och AMC. 38 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006

19 KORTSYSTEM Forts nästa sida Från Compact PCI till Compact PCI Express AMC-kortet Telum ASLP10 från SBS. len. Modulen är nu integrerad i systemet och kan börja fungera. EFFEKT OCH KYLNING Som väntat tillåter AMC-specifikationen en betydligt större effektbudget än PMC. Men fortfarande måste man vara noggrann vid konstruktion av Processor-AMC-moduler eftersom nya processorer, chipset, minnen och till och med spänningsmatningsenheter snabbt kan fylla effektbudgeten. Då gäller det också att vara noggrann med kylningen. Att hantera värmeavledningen i ATCA-system och AMC-moduler är kritiskt viktigt. SBS Technologies har här bland annat strategin att bara använda inlödda minnen och inte minnesmoduler. Minnesmoduler behöver ett kontaktdon och det blockerar luftflödet och leder till turbulens och luftkuddar. Komponenter som monteras bakom minnesmodulen kyls inte optimalt. Dessutom är lödda komponenter mycket mindre känsliga för vibration och chock och modulens MTBF blir därför större. Telum ASLP10 är ett exempel på en modul som konstruerats med tanke på extra hög tillförlitlighet. EFTER ATCA Förutom ATCA finns ytterligare en mycket intressant specifikation under utveckling kallad MicroTCA. Den stora skillnaden mellan ATCA och µtca är att AMC-modulerna i µtca pluggas direkt in i ett bakplan och inte i bärarkort. Kortracken är mindre och µtca är avsedd för tillämpningar där ATCA är för stor och där den kompletta ATCA-funktionaliteten inte behövs. Standarden, som den ser ut idag, tillåter antingen två vertikalt stackade enkelbredds AMC-moduler eller en dubbelbredds AMC-modul per kortplats. Horisontellt får sedan ett stort antal AMC-moduler plats i ett 19-tumssystem, men också mindre formfaktorer diskuteras. JÜRGEN EDER, MARKNADSCHEF SBS TECHNOLOGIES Exempel på AMC-kort från SBS Telum ASLP10 AMC-modul med Intel Pentium M-processor och max 2 Gbyte minne. PCI Express x8 (AMC.1 Type 8), Gbit Ethernet x2 (AMC.2 Type E2), 2 x SATA (AMC.3 Type S2). Enkelbredd, fullhöjd. Telum 1001-O12 OC-12 (622Mbps) full-duplex ATM-modul (AMC.1) för singel- eller multimodfiber. PCI Express x4. Telum OC-3 (155Mbps) full-duplex ATM-modul (AMC.1) med fyra portar. PCI Express x4. Telum 2001-VGA AMC-grafikmodul med 1280 x 1024 upplösning. PCI Express x1, enkelbredd, halvhöjd. Telum FC Gbit/s Fibre Channel Host Bus Adapter med två anslutningar (optisk/koppar). PCI Express x4, enkelbredd, fullhöjd. Telum GE-QT 4-ports Gbit Ethernet-modul (AMC.1). PCI Express x4, enkelbredd, halvhöjd. Telum 628-TEJ 8-ports full-duplex E1/T1/J1 via RJ-48C-kontaktdon med integrerad CSU/DSU för nätverkshantering. PCI Express x4, enkelbredd, fullhöjd. AMC-7S-Chassi AMC-chassi med en plats för processor-amc och sju lediga AMC-platser (AMC.1). 19 tum bredd och 2U högt. PCI Express. PCIE-AMC-7S Komplett expansionssystem för PCI Express-baserade AMC-moduler med processoramc-modul och sju lediga AMC-platser. Steget uppåt från CompactPCI har hittills varit ATCA, men det kräver ganska radikal omkonstruktion och svårigheter att behålla gamla delar. Därför finns nu också CompactPCI Express. Andrew Brown från Inova beskriver här den nya standarden. För bara några månader sedan publicerades specifikationen för Compact PCI Express för både 3U- och 6U-kort. Standarden gör det möjligt att använda nuvarande parallella Compact PCI-periferienheter i så kallade hybrid slots. I och med det kan gammalt blandas med nytt och generationsgapet överbryggas utan att de senaste 10 årens investeringar i Compact PCI blir värdelösa. Och framför allt finns nu en väg att dra nytta av moderna seriebussarkitekturer. FRÅN PCI I början av 90-talet utvecklade Intel PCI-bussen eftersom de då vanliga datorbussarna helt enkelt inte räckte till. ISA-bussen, EISAbussen och de industriella SMP och ISA96 hade inte tillräckliga prestanda och utvecklingsmöjligheter. Ytterligare en orsak var att EISA-bussen krävde licensiering. Motivationen bakom PCI-bussen kom från behovet av kraftigt ökade dataöverföringshastigheter och multiprocessorsupport. Dessutom måste kostnaderna hållas så låga som möjligt, samtidigt som användarvänligheten måste vara hög, framför allt via mjukvarukonfiguration. Eftersom det tänkta användningsområdet var så stort gällde det att konstruera en processoroberoende miljö utan licenser. Resultatet blev en specifikation som kunde användas av många tillverkare och som hade ett väldefinierat elektriskt och mekaniskt gränssnitt och ett väldefinierat bussprotokoll. När specifikationen väl var färdig överläts den till PCI-SIG (PCI Special Interest Group), som garanterade att vidareutvecklingen skulle vara licensfri och tillverkaroberoende. Tillägg till den första PCIspecifikationen gav till exempel en fördubbling av bandbredden via en 64-bitsversion av bussen och en ytterligare fördubbling av bandbredden via en dubblad bussfrekvens (från 33 till 66 MHz). 1995, bara några år efter Överföringshastighet i olika bussystem. Hybridkortplatsen gör det möjligt att använda både CompactPCIkort (a) och CompactPCI Express-kort (b). introduktionen kom sedan industrivarianten Compact PCI. TILL PCI EXPRESS PCI Express utvecklades också av Intel och kallades från början 3GIO (tredje generationens I/O). Här tog man steget till ett helt nytt bussystem där data överförs via seriella höghastighetslänkar från punkt till punkt. Länkarna kallas lanes. I PCI Express-världen består varje lane av två differentiella ledarpar. Det ena används för sändning och det andra för mottagning. Individuella lanes kan kopplas samman i upp till 32 lanes för att öka överföringshastigheten. Eftersom varje lane klarar en samtidig överföringshastighet på 250 Mbyte/s i vardera riktningen innebär det en maximal hastighet på 8 Gbyte/s samtidigt i vardera riktningen. CompactPCI Express är specificerad för busstrukturer från fyra lanes upp till 16 lanes per kanal. Det ger dataöverföring upp till 4 Gbyte/s (2 Gbyte/s i varje riktning). Det är en imponerande ökning från dagens 133 Mbyte/s som är maximum för Compact- PCI. Möjligheten att köra data samtidigt i bägge riktningar är en stor skillnad från dagens bussystem. Syntaxen för att beskriva arkitekturen är: (antal kanaler) x (antal lanes). 2x4 lanes betyder alltså två oberoende kanaler per lane och totalt fyra sammankopplade lanes. Om ett kort inte kan dra nytta av alla tillgängliga lanes deaktiveras de oanvända kanalerna automatiskt under initialiseringen. KOMPATIBELT Dataöverföringen i CompactPCI Express är tillräckligt okritisk för att man skall kunna använda vanliga FR4-material i mönsterkorten. Ledarlängderna på ett kort kan vara upp till 50 cm. Eftersom kommunikationen är seriell till sin natur är det lätt att använda CRCberäkningar för felkontroll och felkorrektion. Signalerna överförs differentiellt, vilket undviker jordslingor och kanalerna har inbyggt stöd för hot-plug. Expansionskort kan bytas ut utan att spänningsmatningen först måste kopplas bort. Eftersom kommunikationen alltid går från punkt till punkt är det nödvändigt att ha bestämda kortplatser för att ansluta konventionella parallella Compact- PCI-kort. Men överföringen ELEKTRONIK I NORDEN 1/

20 KORTSYSTEM Konstruktion/Systemkomponenter Från Compact PCI... forts från föregående sida mellan PCI och PCI Express är transparent för operativsystemets vidkommande, förutsatt att korten ansluter sig till PCI 2.2-specifikationen. För att använda de utökade funktioner som finns i PCI Express, till exempel förbättrad felhantering eller effekthantering måste däremot operativsystemet ha utökat stöd. De existerande PCI-avbrotten hanteras av PCI Express och befintliga drivrutiner behöver inte ändras. De första 256 bytes konfigurationsminne i PCI Express är identiska med traditionella PCI-register. Eftersom operativsystemet ser en root eller switch i PCI Express som en virtuell PCI-brygga kan också äldre operativsystem konfigurera PCI Express-enheter. BIOS måste däremot ha fullt stöd för PCI Express, eftersom sådana enheter har ett relativt stort konfigurationsminne. NYA KONTAKTDON För att dra nytta av PCI Express i industrimiljö krävdes speciella kontaktdon. Totalt sett har tre extra kontaktdon utvecklats för att fungera parallellt med de vanliga CompactPCI-kontaktdonen. Dataöverföringen på hög frekvens hanteras via differentiella ADF-kontaktdon (Advanced Differential Fabric). Dessa har en egenimpedans på 100 Ohm och en dämpning mindre än 1 db vid 3 GHz. Eftersom de här kontaktdonen främst används för HF-signaler behövs också separata kontaktdon för spänningsmatningen. Där används UPM-kontaktdon (Univer- Bitströmmar 1 1x1 lanes och 1x4 lanes. sal Power Connector), med 7 individuella kontakter för systemkortet 1 x 3,3 V, 1 x 5,0 V, 2 x 12,0 V och 3 x jordanslutning. Varje kontakt klarar 15 A, vilket teoretiskt ger maximalt 340 W per kort. En skillnad mellan Compact- PCI och CompactPCI Express är att i den förra kom huvuddelen av effekten via 5 V-matningen, medan CompactPCI Express får större delen av effekten via 12 V-matningen. Eftersom processorspänningarna ligger betydligt under 5 V krävs spänningsomvandling i bägge fallen, men förlusterna blir betydligt mindre om man utgår från 12 V. -12 V-matningen finns inte längre i kontaktdonen till de rena CompactPCI Express-kortplatserna. Däremot finns spänningen i hybridkonfigurationer för äldre kort. Det förutsätter dock att kraftaggregatet kan leverera spänningen. Ett speciellt ehm-kontaktdon (enriched Hard Metric) används för ytterligare I/O-signaler och en del spänningsmatning. De här kontaktdonen är nycklade och hindrar till exempel PXI-kort från att användas i konfigurationer där I/O-expansionen görs bakåt. Totalt finns fyra olika nyckelkombinationer som definierar oanvända I/O-pinnar, bakåtexpanderat I/O, utvidgat bakåtexpanderat I/O, PLX-utvidgningar och bussorienterade sidbandssignaler. Alla kombinationer har stöd för hotswap och wake-up. När I/O inte expanderas bakåt finns ytterligare spänningsmatning med 12 V, 3,3 V och 5 V (VAUX 1 A) tillgängliga. Här finns en liten skillnad mellan CompactPCI Express och PCI Express, där VAUX ligger på CompactPCI Express-specifikationen definierar sju olika typer av kortplatser. OSI-lagermodellen för CompactPCI Express kan illustreras så här. 3,3 V och maximalt 375 ma. I CompactPCI Express används VAUX primärt för wake-up och spänningen finns tillgänglig också när den vanliga spänningsmatningen har slagits från. Till- och frånslag av ett CompactPCI Expressystem kan göras VoIP och video... forts från sid 32 där den kärna som står i tur i MSC8122 tilldelas nästa ram. Det, tillsammans med dynamisk balansering av last, gör att de olika kärnorna blir ungefär lika belastade. En viktig fördel med denna princip blir är att mängden data som skall flyttas reduceras, eftersom varje kärna processar data för sin ram inom sitt lokalminne. Exempel på lösningar för IP-system med PowerQUICC kommunikationsprocessors och Vericall programvaror applikation från Trinity Converegence finns på den webb-adresserna och om EXTREMT KRÄVANDE Det behövs kraftfulla signalprocessorer för att klara realtidskraven för dessa algoritmer. När hundra eller tusentals kanaler skall hanteras parallellt vid Media Gateways kräver den totala lösningen extremt höga processorprestanda. Tidigare betydde detta stora mängder signalprocessorkraft, med i sin tur stora mängder av DSPer, arrangerade i så kallade DSP-farmar. Dessa gav hög materialkostnad, effekthanteringsproblem och oacceptabel fysisk yta. Applikationer för VoIP teknologi skall kunna skalas både uppåt och nedåt. Typiska applikationer för små PABX kan ha kanaltäthet om kanaler. En IAD( Integrated Acees Device), för mycket små kontor, kan ha 4 kanaler och för hemmet räcker det med en kanal. Detta i kontrast till Media Gateways, för publik kommunikation och mobiltelefonsystem, där man strävar efter kanaltäthet i tusental. Oavsett applikation är problematiken densamma med att överföra olika komplexa programvaruprotokoll för olika standarder. Man skall kunna erbjuda skalbara lösningar där man slipper göra för stora ändringar i program eller maskinvara för att möta olika behov. Från applikationer för flerkärne-dsp, avsedd för de krävande applikationerna, är det naturligt och enkelt att skala nedåt till en enkärne DSP för de enklare tilllämpningar. Freescales enkärnefamilj, baserad på StarCore kompletterar MCS812x familjen, är exempel på detta. INTE BARA HALVLEDARTEKNIK Kiselteknologin möjliggör integration av allt transistorer, med möjlighet att bygga allt kraftfullare DSPer, med djupare pipelines men också med integrerade periferiblock som Ethernet, RapidIO eller andra funktioner. Men om vi skall följa historisk och framtida utveckling räcker det inte enbart med halvledarteknologi för att nå der resultat vi förväntar oss. Fig 1 visar att runt omkring 2002 skedde det en förändring i utvecklingen. Klockfrekvensen, som tidigare ökat 40 procent per år, förväntas bli 12 procent i framtiden genom begränsningar i halvledaretekniken. Samma sak gäller för pipeline-tekniken. Vad man vinner med ökad klockfrekvens går förlorad i linjefördröjningar och förbindningar, både inom och mellan chippen. Skall om vi skall nå det förväntade resultatet så måste gapet fyllas med något annat. Ett kraftfullt alternativ är att dra nytta av teknolgin för distribuerande processorlösningar. DSPer med flera kärnor, så kallade Multi-Core DSP, tillåter lägre klockfrekevens för en given tillämpning och resulterar i en utomordentligt bra relation mellan prestanda och effektförbrukning. VIKTIGT UTNYTTJA MINNENA Men ekvationen att fylla gapet omfattar många fler ingredienser, som exempelvis hur minnena skall utnyttjas. Minne finns på olika nivåer, vilka inkluderar även instruktions-cache. Det är viktigt att analysera behoven för den specifika applikationen eftersom minnesutnyttjande är en av de viktigaste faktorerna att nå prestanda. Andra faktorer är hur man hanterar multithreading (operativsystemets förmåga att samtidigt kunna hantera olika delar av programmen) och hur man skyddar de kärnor som arbetar med samma resurser och med periferienheter samt hur kärnorna kommunicerar med andra processorer. FYRA KÄRNOR Ett bra exempel på en arkitektur som fyller gapet är MSC8122 från Freescale som innehåller fyra självständiga DSP-kärnor från StarCore, som tillverkade med 90 nm teknolgi ger 2 GHz prestanda tillsammans vid 500 MHz klockfrekvens. En ansenlig mängd av parallellism kan nås eftersom var och en kärnorna samtidigt kan hantera fyra multiplikation/ ackumulering. Förutom flerkärnekonceptet finner vi cacheminnen, DMA och systemblock som Ethernet och TDM. MCS8122/6 representerar andra generationen flerkärne DSP byggd på StarCore-teknologi, som ger prestanda, effektförbrukning och fysisk storlek som tradionella enkärne DSPer har svårt att nå. Med efterföljare under utveckling understryker Freescale sin tro att flerkärnelösning är framtiden för lösning för de prestandakrävande mediatillämpningarna. Skalbarhet nedåt nås med enkärne-dsp i MCS711x familjen. MARK QUARTERMAIN, TECHNICAL MARKETING ENGINEER, FREESCALE 40 ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006