PSoC™ 4: 設計上の課題を解決

インフィニオンのマイクロコントローラー ラインアップは、Arm^® Cortex^®およびインフィニオンAURIX™ TriCore™アーキテクチャをベースにした32ビット マイクロコントローラー (MCU) を包括的に提供しています (図1参照)。車載、民生、産業、IoTアプリケーションに最適なインフィニオンのマイクロコントローラーは、スケーラブルで高性能、かつ機能安全に対応したラインアップを取り揃え、あらゆる組み込みシステムのニーズに対応します。

 このブログでは、インフィニオンのPSoC™プログラマブル システムオンチップの技術仕様と、問題解決力に優れた PSoC™ 4 MCUファミリーの機能をご紹介します。

2000年代初頭に市場投入されたPSoC™マイクロコントローラーの第一弾である8ビットPSoC™ 1は、プログラマブルでリコンフィギュレーション可能なデジタルおよびアナログ機能を備えた世界初のマイクロコントローラーとなり、最新世代のPSoC™製品においてもなおその地位を維持しています。信頼性が高く、広く採用されているArm Cortex-Mxプロセッサ コア ファミリーをベースにしたPSoC™ 4およびPSoC™ 6製品は、インフィニオンのマイクロコントローラーのラインアップにおいて基本要素となっています。

この20年間で組み込みシステムの導入は急速に増えました。マイクロコントローラーは、組み込みシステムの心臓部に欠かせない演算リソースを提供しますが、もちろんそれだけがマイクロコントローラーの役割ではありません。MCUは、アナログやデジタルのセンサー、その他の周辺I/O信号からのデータ受信に依存しており、機能に特化したICや受動部品が必要です。あらゆる製品の部品表 (BOM) とサプライチェーンの管理は複雑で、必要な部品が増えるほどその複雑さは増していきます。

マイコンから独立して動作するプログラマブルでリコンフィギュレーション可能な複数のアナログおよびデジタル回路を組み込んだPSoC™は、瞬く間に組み込みシステム設計の常識を覆しました。ハードウェア エンジニアは、何十個ものアナログやデジタルのロジックICを追加しなくても、PSoC™のプログラマブル機能を使用することで大幅にBOMを削減できることがわかったのです。部品点数の削減は、BOMの複雑さと部品コストの削減だけでなく、PCBスペースの削減、貴重なスペースの節約、PCBレイアウトの簡素化をもたらします。

PSoC™は生産現場でも効果を発揮します。プログラマブル機能とピン配置をリコンフィギュレーションできるため、PCBのリワークはほぼ不要で、回収不能なエンジニアリング費用や生産時間の損失を大幅に削減します。

プログラマブルな組み込みシステムを構築するPSoC™独自のアプローチは、高性能でリコンフィギュレーション可能、かつBOM効率に優れたポートフォリオとして現在にも引き継がれています。

アナログ機能ブロックには、アナログ デジタル コンバーター (ADC) や低消費電力コンパレーター、オペアンプ、デジタル アナログ コンバーター (DAC) などがあります。これらのリソースを利用して、環境光センサー用のローパス フィルターやシグナル コンディショニング用のフロントエンドなどを設計できます。また、複数のプリミティブなデジタル ロジック機能をユニバーサル デジタル ブロック (UDB) として提供し、特定のロジック機能へのアレンジやステート マシンの作成が可能です。

図2では、PSoC™ 4が今日の組み込みシステムのさまざまな要件に対応している理由の一部を示しています。インフィニオンの次世代CAPSENSE™静電容量式タッチ センサーと誘導式センサー機能を組み込むことで、アプリケーションへのユーザー インターフェースの実装がきわめて容易になります。

PSoC™ 4の包括的な接続オプションには、USB、BLE (Bluetooth low energy)、CAN (Controller Area Network) があり、開発者はアプリケーションに最適な方法を選択できます。PSoC™ 4は、プログラマブルなアナログおよびデジタル ブロックや、センサー固有のアナログ フロント エンド、複雑なデジタル ゲーティング ロジックをすべて同じMCUパッケージに搭載しているため柔軟に設計が可能で、BOMカウントや部品コスト、基板面積を削減可能です。プログラマブルな機能は、ビルド済みのライブラリ関数を使用して設定したり、PSoC™ Creatorソフトウェアを使用して独自に作成したりすることも可能です。

図3は、PSoC™ 4のプログラマブルなアナログ ブロックを示しています。各UDBは、2つの小型PLD、データパス モジュール、ステータス/制御ロジックで構成されています (図5参照)。データパス モジュールは、インクリメント、デクリメント、加算、減算、ビット演算、シフト機能を実行できる8ビット演算装置を中心に搭載しています。こうした組み合わせにより、カウンターやPWM、シフター、UART、I2Cインターフェースなど、使用頻度の高い機能を迅速に実装できます。PSoC™ CreatorにはUDB Editorが搭載されています。また、FPGAを使用した仕様設計に慣れたハードウェア エンジニアには、Verilogの使用も可能です。

図5は、PSoC™ 4のプログラマブルSoCマイクロコントローラーのラインアップを示しています。エントリー レベルのPSoC™ 4000ファミリーからPSoC™ 4700 「Sense Anything」 (あらゆる環境のセンシングに簡単に対応) MCUまで、PSoC™ 4の製品ラインアップを紹介しています。

PSoC™ 4000 エントリー レベル ファミリー

PSoC™ 4000とPSoC™ 4000Sは、Arm Cortex-M0またはArm Cortex-M0+コアを搭載し、コストを最適化したMCUのラインアップになっています。最大48 MHzのクロック、最大32 KBのフラッシュ、最大4 KBのSRAMを備え、すべての製品でリアルタイムWCO (Watch Crystal Oscillator) クロックを搭載しています。CAPSENSE™静電容量式センサー技術を搭載したPSoC™ 4000ファミリーは、ボタン、スライダー、近接センサーを使用するウェアラブル機器やパーソナルケア機器への低コストで高性能なユーザー インターフェースの実装に最適です。

プログラマブルな搭載機能:

アナログ ブロック:

• 10ビット 11.6 Ksps ADC
• 最大2つのローパワー コンパレーター
• CAPSENSE™相互静電容量式センシング

デジタル ブロックとI/O:

• 最大5つのタイマー/カウンター/PWM (TCPWM) ブロック
• 最大2つのシリアル コンフィグレーション ブロック
• 最大36個のGPIO

PSoC™ 4100 インテリジェント アナログ ファミリー

PSoC™ 4100にはアナログおよびデジタル ブロックが搭載されており、最大256 KBのフラッシュと32 KBのSRAMを内蔵しています。このファミリーはArm Cortex-M0およびArm Cortex-M0+コアが搭載されています。

プログラマブルな搭載機能:

アナログ ブロック:

• 最大12ビット1 Msps SAR ADC
• 最大6個のローパワー コンパレーター
• 最大4つの電流出力iDAC
• 最大4つのオペアンプ
• VDACは最大２つ
• インフィニオンCAPSENSE™ (SmartSenseオート チューニング搭載)

デジタル ブロックとI/O:

• 最大8つのタイマー/カウンター/PWMブロック
• 最大5個のシリアル コンフィグレーション ブロック (SCB) を搭載可能
• セグメントLCD駆動
• 最大55個のGPIO

図6は、PSoC™ 4100インテリジェント アナログ ファミリーの機能アーキテクチャを示したものです。このファミリーの代表的なアプリケーションには、ウェアラブル機器、家電製品、産業機器、IoT機器などのユーザー インターフェースがあります。

PSoC™ 4200: プログラマブル デジタル ファミリー

PSoC™ 4200ファミリーはArm Cortex-M0コアベースのMCUで、コア速度が最大48 MHz、フルスピードUSB 2.0 コントローラーと2つのCANインターフェースを搭載しています。また、カスタム デジタル機能作成用に最大8つのユニバーサル デジタル ブロック (UDB) を備えています。PSoC™ 4200BLは、低消費電力のインフィニオンAIROC™ Bluetooth low energy (BLE) 2.4 GHzトランシーバー サブシステムとロイヤリティフリーのBLEプロトコル スタックを搭載しています。

プログラマブルな搭載機能:

アナログ ブロック:

• 最大4つのオペアンプ
• 12ビット1 Msps SAR ADC
• 最大6個のローパワー コンパレーター
• 最大4つの電流出力iDAC
• CAPSENSE™ (SmartSenseオートチューニング搭載)

デジタル ブロックとI/O:

• ユニバーサル デジタル ブロック (UDB) 最大8個
• 最大8つのタイマー/カウンター/PWMブロック
• 最大4個のシリアル コンフィグレーション ブロック (SCB) を搭載可能
• セグメントLCD駆動
• 最大98個のGPIO

PSoC™ 4500: モーターおよび電源制御ファミリー

48 MHzのArm Cortex-M0+コアを搭載し、除算と平方根計算のための2つのアクセラレーター ブロックを備えたPSoC™ 4500ファミリーは、電動工具、家電、産業用アプリケーションのモーター制御用に最適化されています。

プログラマブルな搭載機能:

アナログ ブロック:

• 最大3つのオペアンプをプログラマブル ゲイン アンプまたはコンパレーターとしてコンフィギュレーション可能
• 12ビット1 Msps SAR ADC×2
• 最大2つのローパワー コンパレーター
• 7ビット電流出力型iDAC
• CAPSENSE™ (SmartSenseオートチューニング搭載)

デジタル ブロックとI/O:

• 最大8つのタイマー/カウンター/PWMブロック
• 最大5つのシリアル コンフィグレーション ブロック (SCB) を搭載可能
• セグメントLCD駆動
• 最大53個のGPIO

PSoC™ 4500の機能ブロック図は図7に示すとおりです。

PSoC™ 4700: 「Sense Anything」ファミリー

48 MHzのArm Cortex-M0+コアを使用し、最大64 KBのフラッシュと8 KBのSRAMを組み込んだのが PSoC™ 4700ファミリーです。家電製品や産業機械におけるさまざまな物体検出やユーザー インターフェース アプリケーション向けに設計された本ファミリーは、CAPSENSE™ 静電容量式および MagSense産業用センシング ブロックを搭載しています。

プログラマブルな搭載機能:

アナログ ブロック:

• 10ビット1 Msps SAR ADC
• 最大2つのローパワー コンパレーター
• 2つの7ビット電流出力iDACは、単一の8ビットiDACとして構成可能
• CAPSENSE™
• MagSense

デジタル ブロックとI/O:

• 最大5つの16ビットタイマー/カウンター/PWMブロック
• シリアル コンフィグレーション ブロック (SCB) 2個
• 最大36個のGPIO

Automotive PSoC™ 4

民生用および産業用PSoC™ MCUのラインアップを補完する製品に、Automotive PSoC™ 4ファミリーがあります。AEC-Q100に準拠の本製品は、12 V動作に対応し、コックピット インフォテインメントHMIアプリケーションや車載用バッテリー管理システム (BMS) 制御アプリケーションなど、さまざまな自動車アプリケーションに最適です。Automotive PSoC™ は、SENT、LIN、CAN、CAN-FD などの自動車向けインターフェースに対応し、PSoC™のプログラマブル機能および再構成可能機能とともに、車載用アプリケーション向けの強力なシングルチップ アプローチを実現します。

プリンター タッチスクリーン ソリューションの要件 (図8)

• 1 m離れたところから人を検知してシステムを起動できる静電容量式近接センサー
• シングルタッチおよびマルチタッチに対応したシングル レイヤー タッチスクリーン インターフェースを低コストで実現
• 画面およびフロントパネルの静電容量式タッチコントロールの使用
• 誘導式センサー用のフォースタッチボタン

IHクッキング ヒーターの条件 (図9)

• 統合メイン コントローラー ソリューションの実装
• 複数のセンサー入力を読み取る
• クッキング ヒーター用IGBTドライバー、冷却ファン、圧電ブザーの制御
• クッキング ヒーターを安全に制御するクラスBの認証を取得
• ユーザー インターフェース: 
  • タッチボタン、スライダー、近接センサー
  • 複数の調理プロファイルをメモリに保存可能
  • 統合メイン コントローラー ソリューションの実装

洗濯機インバーター制御の条件 (図10)

• 高性能CPUと充実したアナログ機能
  • モーター制御の高速計算
  • モーター相電流の正確なセンシング
  • 安定した効率的なモーター制御アルゴリズム
• 安全規格 Class B準拠

PSoC™ 4を使用して新しいデザインのプロトタイプ設計が非常に簡単に行えます。

まず、ModusToolbox™をダウンロードしましょう。これは、PSoC™製品のハードウェア コンフィギュレーションとコード開発が同時に行えるツールです。ModusToolbox™は、Eclipseスタイルの開発環境を提供し、ボード サポート パッケージ、ミドルウェア、コードサンプルなど、設計に必要なものをツールチェーンに統合しています。

次に、PSoC™ 4 開発ボードの豊富なラインアップの中からお好みのボードを選びましょう。ラインアップには、PSoC™ 4 Bluetooth LE Pioneer kit (CY8CKIT-042-BLE-A) や低価格のPSoC™ 4 M-Series Pioneer Kit (CY8CKIT-044) などがあります。

ゼロからアプリケーションを設計する前に、690種を超えるサンプルコードのなかから選択しましょう。アプリケーション開発に役立つチュートリアル ビデオを参照することも可能です。また、PSoC™ Communityでは、24時間365日、設計上の疑問をサポートしています。