Welcher STM32-Mikrocontroller ist der richtige für Sie?

STMicroelectronics ist einer der beliebtesten Hersteller von Mikrocontrollern in Polen. Sein Renommee verdankt das Unternehmen nicht nur gelungenen Konstruktionen, sondern auch der Einführung neuester Technologien und einem umfangreichen Angebot. In diesem Artikel stellen wir einige der kürzlich eingeführten ST-Bausteine sowie ausgewählte interessante Modelle vor, die seit einiger Zeit bei polnischen Ingenieuren sehr beliebt sind.

ST ist bekannt für seine hochwertigen Produkte, die auf ARM Cortex-Kernen basieren und zur STM32-Familie gehören. Derzeit lohnt es sich, besonderes Augenmerk auf Bauteile aus den Familien STM32L4+, STM32F7 und STM32F4 zu legen.

Die neue Baureihe von STMicroelectronics trägt den Namen STM32L4+ und zeichnet sich durch eine sehr hohe Rechenleistung bei geringem Stromverbrauch aus, die bis zu 150 DMIPS bei einer Taktfrequenz von 20 MHz erreicht. In Bezug auf Konstruktion und Funktionen sind diese Bausteine der etwas älteren Familie STM32L4 sehr ähnlich, aber dank unter anderem höherer Taktfrequenz können sie effizienter arbeiten.

Sie erreichten sogar 233 Punkte im ULPMark-CP-Test. Die STM32L4+-Bausteine basieren auf dem ARM Cortex-M4-Kern und werden für Anwendungen in kleinen, intelligenten Fitnessarmbändern und Uhren, tragbaren medizinischen Geräten, intelligenten Industriesensoren und anderen Geräten empfohlen, die Daten schnell verarbeiten müssen und gleichzeitig einen möglichst geringen Stromverbrauch haben.

Die hohe Rechenleistung der STM32L4+-Mikrocontroller wird durch einen umfangreichen, integrierten Speicher ergänzt. In vielen modernen Anwendungen ist auch der fortschrittliche Grafikcontroller Chrom-GRC von Bedeutung, der eine Eigenentwicklung von STMicroelectronics darstellt. Er wurde so konzipiert, dass Speicherplatz effizient genutzt wird, insbesondere wenn das angeschlossene Display keine rechteckige Form hat. Anstatt Informationen über Pixel zu speichern, die ohnehin nie leuchten, werden die sichtbaren Pixelblöcke nebeneinander angeordnet, wodurch der gesamte Speicher aktiv genutzt wird. Dies spart etwa 20 % Speicher bei vollständig runden Displays. Selbstverständlich unterstützt der Controller auch Displays in klassischen Formen korrekt.Die Leistung, insbesondere im Grafikbereich, wird auch durch den Chrom-ART-Beschleuniger (DMA2D) verbessert, der die CPU entlastet. In der Praxis kann dieser Beschleuniger Transparenzberechnungen und Pixel-Summierungen auf Basis verschiedener Transparenzgrade sowie Pixelformatkonvertierungen doppelt so schnell durchführen. Die STM32L4+-Bausteine enthalten 640 KB SRAM und bis zu 2 MB Flash-Speicher, der in zwei Bänke unterteilt ist. Dadurch können Lese- und Schreiboperationen gleichzeitig durchgeführt werden. Es ist erwähnenswert, dass dies der größte interne Speicher ist, der bei Mikrocontrollern mit ultraniedrigem Stromverbrauch verfügbar ist.Die STM32L4+-Mikrocontroller sind auch für Anwendungen ausgelegt, die erhöhte Sicherheit erfordern. Dafür wurden erweiterte Speicherfehlerkorrekturfunktionen implementiert. Die schnelle Kommunikation mit der Umgebung wird durch die Nutzung eines Dual-Interface Octal SPI gewährleistet, das hohe Durchsatzraten beim Datentransfer von und zu Single/Dual/Quad/Octal SPI-Speichern, HyperBus-Speichern und herkömmlichem Flash oder SRAM ermöglicht.Trotz der hohen Leistung dieser Bausteine sind sie für den Einsatz in Geräten mit sehr geringem Stromverbrauch ausgelegt. Dies wird durch Technologien erreicht, die den Stromverbrauch auf ein Minimum reduzieren, während der SRAM-Speicher sowie die Zustände der Ein- und Ausgangsleitungen aufrechterhalten werden. Im Shutdown-Modus verbrauchen diese Mikrocontroller lediglich 20 nA. Die neuen Mikrocontroller sind zudem mit einem sehr umfangreichen Satz an Peripherieschaltungen ausgestattet.

Zu den Funktionen gehören USB-Ports mit Unterstützung für Host-, Device- und OTG-Modi, bis zu 17 Timer, Schnittstellen wie SPI, SAI und CAN sowie schnelle, konfigurierbare digitale Filter zur Implementierung von DSP-Algorithmen. In vielen Anwendungen werden auch die integrierten Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler nützlich sein, die mit präzisen Referenzquellen arbeiten, sowie Komparatoren und Operationsverstärker.

STM32F7 i STM32F4

Die zweite moderne Familie der 32-Bit-Mikrocontroller von STMicroelectronics, die auf ARM-Kernen basiert, ist die STM32F7-Serie. Diese Bausteine verwenden die sehr leistungsstarken Cortex-M7-Kerne, die etwa eineinhalb Mal, in manchen Fällen sogar doppelt so schnell sind wie die Cortex-M4-Kerne bei gleichem Takt. Die Cortex-M7-Kerne ähneln in ihrer Konstruktion den Cortex-M4-Kernen, wurden jedoch zusätzlich für die Zusammenarbeit mit schnellem internem SRAM TCM, Daten- und Instruktionscache sowie Pipeline-Verarbeitung mit Vorhersage und einer Aufteilung in sechs Stufen optimiert. ST war der erste Hersteller, der Cortex-M7-Kerne in seinen Mikrocontrollern einsetzte. Um die begrenzte Bandbreite beim Zugriff auf den Flash-Speicher zu vermeiden, wird ein Hardware-Beschleuniger namens ART (Adaptive Real-Time) verwendet, der 128-Bit-Wörter aus dem Flash-Speicher in 16- oder 32-Bit-Wörter zerlegt, die in einem lokalen Cache zwischengespeichert werden. Die STM32F7-Bausteine können mit einer Taktfrequenz von bis zu 216 MHz betrieben werden. Trotz der fortschrittlichen Architektur dieser Komponenten hat der Hersteller die Kompatibilität in Bezug auf Pin-Belegung und elektrische Signalcharakteristik mit den Mikrocontrollern der STM32F4-Serie beibehalten. Dadurch sollte eine eventuelle Modernisierung älterer Projekte keine großen Probleme bereiten. Wenn das zu entwickelnde Gerät eine höhere Leistung als die der STM32L4- und STM32L4+-Bausteine erfordert, aber der Einsatz von Cortex-M7-Kernen nicht notwendig ist, sollte man die etwas ältere, aber bewährte STM32F4-Familie in Betracht ziehen, die auf dem Cortex-M4-Kern basiert. Diese Bausteine verfügen nicht über so fortschrittliche Energiesparfunktionen wie die STM32L4- und STM32L4+-Familien, bieten jedoch eine gute Leistung zu niedrigen Preisen.

Entwicklungskits

STMicroelectronics hat auch eine Reihe von Starterkits entwickelt, die den Einstieg in die Arbeit mit Mikrocontrollern auf Cortex-M4- und Cortex-M7-Kernen sowie das Prototyping von darauf basierenden Geräten erleichtern. Die verfügbaren Entwicklungskits lassen sich in drei Gruppen unterteilen: Nucleo, Discovery und Eval. STM32 Nucleo Boards ermöglichen es praktisch jedem, schnell neue Ideen mit nahezu allen STM32-Mikrocontrollern zu testen. Das Pin-Layout der Nucleo Boards ist standardisiert, sodass zusätzliche Hardware-Module problemlos angeschlossen werden können. Die Boards sind auch mit den Pins von Arduino kompatibel, was eine nahtlose Integration mit diesen beliebten Modulen ermöglicht. Außerdem verfügen sie über einen eingebauten Debugger/Programmierer ST-Link, sodass keine zusätzlichen Werkzeuge erforderlich sind. Das Ganze wird durch umfangreiche Software unterstützt, einschließlich umfangreicher Programmbibliotheken und Beispielquellcodes. Nucleo Boards arbeiten mit Software von IAR, Keil, mbed und anderen zusammen. STM32 Discovery Kits sind ebenfalls kostengünstige, aber vollständige Lösungen, die zum Testen und Überprüfen der Möglichkeiten von STM32-Mikrocontrollern entwickelt wurden. Sie sind nicht so standardisiert wie die Nucleo-Module, enthalten jedoch alles, was benötigt wird, um bestimmte spezifische Eigenschaften einer ausgewählten Bauteilgruppe zu demonstrieren. Sie werden mit den entsprechenden Programmbibliotheken und einer Reihe von Beispielprogrammen geliefert, die die Fähigkeiten der Mikrocontroller vollständig demonstrieren. Auch sie verfügen über integrierte Debugger und Programmierer.

Die fortschrittlichsten und damit auch etwas teureren Kits sind die Eval-Serien, die die Möglichkeiten der STM32-Mikrocontroller umfassend präsentieren und deren Testen ermöglichen. Sie sind als Referenzprojekte konzipiert, die mit den Daten der Mikrocontroller und den zugehörigen Komponenten aufgebaut sind.

Beispielkits

Zu den interessantesten Kits der Nucleo-Serie, die gleichzeitig gute Vertreter dieser Produktgruppe sind, gehören Modelle mit den Mikrocontrollern STM32F746ZG (1 MB Flash, 340 KB RAM) und STM32F767ZI (2 MB Flash, 512 KB RAM). Diese Kits beinhalten:

• ST-Link/v2-1 Programmer-Debugger (kann als virtueller COM-Port, Massenspeichergerät, Debugging-Interface arbeiten), kompatibel mit mbed.org
• USB OTG-Interface mit Micro-AB-Anschluss
• Ethernet-Interface IEEE-802.3-2002
• Drei LEDs
• Zwei Tasten, darunter eine für Benutzeranwendungen
• Zwei Sets von Peripherieanschlüssen: ST Zio (kompatibel mit Arduino Uno v3) und ST Morpho

Dank ihrer einfachen Bauweise sind diese Kits sehr preiswert. Als Beispiele für Discovery-Kits können zwei Modelle mit Mikrocontrollern der STM32F7-Familie genannt werden. Diese sind das STM32F746G-DISCO und das STM32F769I-DISCO, wobei letzteres auch in der Version STM32F769I-DISC1 ohne LCD-Display erhältlich ist. Das STM32F746G-DISCO-Kit ist mit einem 128 Mb SDRAM (wovon der Mikrocontroller 64 Mb nutzt), 128 Mb Quad-SPI Flash-Speicher, zwei MEMS-Mikrofonen, einem Ethernet-Interface nach IEEE 802.3-2002 und einem 4,3-Zoll-Display mit einer Auflösung von 480×272 Pixeln und einem kapazitiven Touchpanel ausgestattet. Zusätzlich verfügt das Kit über einen CCD-Kameraanschluss, einen Audio-Treiber und -Verstärker, USB OTG HS und USB OTG FS Schnittstellen mit Micro-AB-Anschlüssen, einen Micro-SD-Kartensteckplatz und eine Benutzertaste. Interessanterweise bietet das Kit Anschlüsse für Arduino UNO v3 kompatible Module und einen eingebauten ST-Link/v2-1 Programmier-Debugger, der unter anderem mit mbed.org kompatibel ist.

Das STM32F769I-DISCO-Kit scheint auf den ersten Blick dem oben genannten Kit sehr ähnlich zu sein, unterscheidet sich jedoch in der Praxis erheblich in der Ausstattung. Neben einem anderen Mikrocontroller bietet das STM32F769I-DISCO:

• Vier statt zwei MEMS-Mikrofone, die an das DFSDM-Interface angeschlossen sind,
• Ein Ethernet-Interface, das PoE (IEEE 802.3af) unterstützt und die Stromversorgung von Geräten mit bis zu 3 W über Netzwerkkabel ermöglicht,
• Ein LCD-Display mit MIPI-DSI Interface, integriert mit einem kapazitiven Touchscreen.

Unter den Beispielen für Software, die für diese Kits entwickelt wurde, finden sich unter anderem Multimedia-Player, Audio-Rekorder, ein Netzwerk-VNC-Server sowie Benutzeroberflächen, die auf den Grafikbibliotheken TouchGFX und Embedded Wizard basieren.

Zusammenfassung

Die in diesem Artikel präsentierten Produkte gehören wahrscheinlich zu den interessantesten Bausteinen und Kits aus der sehr beliebten STM32-Serie. Es lohnt sich, sie als erste Wahl in Betracht zu ziehen, wenn neue Anwendungen entwickelt werden. Alle sind direkt ab Lager von Micros erhältlich, das auch eine Vielzahl anderer Produkte von STMicroelectronics sowie Wettbewerbsprodukten führt. Im Angebot von Micros finden sich auch Mikrocontroller aus den Familien STM32F0, STM32F1, STM32F2, STM32F3, STM32L0, STM32L1, STM8S, STM8L und vielen anderen.

Quelle: "Elektronik" 2018/09, S. 100-103.