MSP430 z pamięcią FRAM w przykładach. Zestaw startowy LaunchPad

Tabela 1. Mikrokontroler MSP430FR5969

Pierwszymi mikrokontrolerami MSP430 z pamięcią FRAM produkowanymi przez Texas Instruments były układy z serii MSP430FR57xx. Następnie firma rozpoczęła realizację projektu pod nazwą Wolverine. W ramach projektu powstały nowe serie MSP430 z pamięcią FRAM o oznaczeniach MSP430FR58xx, MSP430FR59xx.

W porównaniu do układów z serii MSP430FR57xx mikrokontrolery z rodziny Wolverine charakteryzują się mniejszym poborem prądu (ok. 0,5 mA w trybie zegara RTC) oraz mają większe zasoby pamięci FRAM (do 128 kB pamięci).

Aby promować mikrokontrolery z serii Wolverin, firma Texas Instruments opracowała układ startowy LaunchPad wyposażony w mikrokontroler z serii MSP430FR59xx. Dodatkowo, zaprojektowano płytę rozszerzeń BoosterPack z wyświetlaczem LCD. W artykule zaprezentujemy możliwości nowego układu LaunchPad, oraz płyty rozszerzeń BoosterPack.

LaunchPad

Zestaw startowy LauchPad dla mikrokontrolerów MSP430 z pamięcią FRAM składa się z: płytki startowej LaunchPad, przewodu USB-A/mikro-B oraz skróconej instrukcji użytkownika. Zawartość zestawu pokazano na rysunku 1. Jego najważniejszym elementem jest płytka LaunchPad. Na płytce zainstalowano mikrokontroler z serii Wolverine o oznaczeniu: MSP430FR5969. Parametry mikrokontrolera umieszczono w tabeli 1.

Tabela 2. Opcje zasilania modułu LaunchPad

Poza mikrokontrolerem na płytce startowej LaunchPad umieszczono 3 przyciski (dwa użytkownika oraz przeznaczony do zerowania), 2 diody LED ( zielona i czerwona), gniazdo USB (komunikacja UART przez USB), dwa złącza rozszerzenia (20-pinowe w standardzie BosterPack), kwarc zegarkowy o częstotliwości 32768 Hz, oraz superkondensator o pojemności 0,1 F (do podtrzymania zasilania po wyłączeniu głównego napięcia zasilającego). Płytka startowa ma zintegrowany układ programatora/emulatora eZ-FET. Wygląd płytki startowej LaunchPad MSP-EXP430FR5969 pokazano na rysunku 2.

Moduł startowy LaunchPad może być zasilany z jednego z pięciu niezależnych źródeł. Dostępne opcje konfiguracji źródła zasilania modułu opisano w tabeli 2.

Pobór prądu modułu LaunchPad (mikrokontrolera oraz modułu BoosterPack) mierzymy włączając amperomierz w miejscu zworki J9 (measure current). Aby linie UART nie miały wpływu na wynik pomiaru, należy w złączu J13 zdemontować zworki RTS, CTS, TX, RX.

BoosterPack

Rysunek 1. Zestaw startowy LaunchPad

Płytę rozszerzeń BosterPack o oznaczeniu 430BOOSTSHARP96 wyposażono w energooszczędny wyświetlacz graficzny LCD produkowany przez Sharp Electronics (1,3", 96×96 pikseli).

Dodatkowo, na płycie zainstalowano wejścia pojemnościowe, które tworzą dwa paski nawigacji (slidery - suwaki, każdy złożony z trzech wejść pojemnościowych). Wygląd płyty rozszerzeń BoosterPack 430BOOST-SHARP96 pokazano na rysunku 3.

FRAM w MSP430

Rysunek 2. Płytka startowa LaunchPad MSP-EXP430FR5969

Pamięcią FRAM w MSP430 zarządza moduł RFCTL (FRAM Controller). Schemat blokowy modułu pokazano na rysunku 4. Dostęp do pamięci może być 8- bądź 16-bitowy (bajt/słowo). Operacja zapisu nie wymaga wcześniejszego kasowania komórki pamięci. Przypomnijmy, że w pamięci Flash można zmienić poziom logiczny z "1" na "0", natomiast zmiana z "0" na "1" wymaga wcześniejszego skasowania całego sektora pamięci, którego wielkość w MSP430 wynosi 512 bajtów).

W momencie przerwania zapisu do pamięci (zanik zasilania), dane (bajt/słowo) zapisywane są poprawnie. Kontroler pamięci wyposażono w mechanizm wykrywania i korekty błędów zapisu do pamięci ECC (Error Correction Code logic). Jeśli wystąpił błąd, który można skorygować, dane w pamięci są poprawiane i jest ustawiana flaga przerwania CBDIFG. Wystąpienie błędu, którego nie można poprawić powoduje ustawienie flagi przerwania UBDIFG. Obie flagi można "przechwycić" i w procedurze obsługi przerwania odpowiednio zareagować na błąd zapisu do pamięci.

Rysunek 3. Płytka rozszerzeń BoosterPack BOOSTXLSENSHUB

Integralną część modułu FRCTL stanowi układ MPU (Memory Protection Unit). Korzystając z układu MPU możemy podzielić pamięć FRAM mikrokontrolera na sektory i nadać im prawa dostępu: wykonanie, tylko odczyt, odczyt/zapis. Po starcie mikrokontrolera MPU jest wyłączony, a pamięć FRAM ma prawa umożliwiające odczyt, zapis i wykonanie.

W momencie niedozwolonego dostępu do pamięci, np. przy próbie zapisu danych do sektora z prawami tylko do odczytu, jest ustawiana flaga przerwania informująca o zaistniałym zdarzeniu. Można też w taki sposób skonfigurować MSP430, aby naruszenie praw dostępu do pamięci wywoływało restart mikrokontrolera.

Rysunek 4. Schemat blokowy kontrolera pamięci FRAM

Maksymalna prędkość dostępu do pamięci FRAM (odczyt / zapis) wynosi 8 MHz. Transmitując dane 16-bitowe oraz korzystając z mechanizmu DMA możemy uzyskać prędkość zapisu danych równą 16 MB/s.

Dopuszczalna liczba cykli zapisu pamięci FRAM wynosi 10¹⁵. Trzeba jednak pamiętać, że odczyt komórki pamięci wiąże się z koniecznością zmiany pozycji ładunku w obrębie dipola, co jest tożsame z operacją wykonywaną podczas zapamiętywania danych, więc odczyt fizycznie zużywa pamięć. Przykładowo, gdyby komórka pamięci była odczytywana z częstotliwością 1 MHz, to uległaby zniszczeniu po około 3 latach.

W praktyce taka sytuacja jest mało prawdopodobna. Energooszczędne aplikacje (a w takich stosowane są MSP430) przez większość czasu swojego działania przebywają w trybie uśpienia. Uwzględniając to założenie inżynierowie z Texas Instruments przeprowadzili obliczenia, z których wynika, że w typowej aplikacji low-power trwałość pamięci FRAM to 80 lat użytkowania.

Podsumowanie

W jednym z najbliższych numerów EP zaprezentujemy projekt rejestratora temperatury z zapisem próbek do pamięci FRAM mikrokontrolera. Za bazę sprzętową posłuży nam moduł startowy LaunchPad oraz płyta rozszerzeń BoosterPack z modułem L CD omawiane w dzisiejszym artykule. Do zasilania rejestratora wykorzystamy superkondensator zamontowany na płycie LaunchPad.

Łukasz Krysiewicz, EP