USB Firmware für Mikrocontroller aus Fujitsus FM3-Plattform erstellen

HF-DESIGN: Baugruppen für
LTE-fähige Smartphones –
entwickelt mit AWR-Software
2013
Praxiswissen
für den
professionellen
Entwickler
L
ELEKTRONIK INFORMATIONEN
Titelbild: Fujitsu Semiconductor Europe
Entwicklungskits – was ist
ihre zukünftige Rolle im
EMBEDDED ENGINEERING?
ENTWICKLUNGSTOOLS 16
▲
Wizard vereinfacht den
USB-Einstieg mit Fujitsus
FM3-Mikrocontroller
MEDIZINELEKTRONIK 42
Wie fortschrittliche Point-of-
Load-Regler die medizinische
Bildgebung verbessern
SCHALTUNGSSCHUTZ 46
Wirksame ESD-Maßnahmen
bei hochentwickelten
CMOS-Fertigungsprozessen
45. Jahrgang | € 12,-
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SPEZIAL: EMBEDDED ENGINEERING
Tools
USB FIRMWARE FÜR MIKROCONTROLLER AUS FUJITSUS FM3-PLATTFORM ERSTELLEN
K(l)eine Hexerei
Von der einfachen Peripherieanbindung via USB, wie sie in der PC-Technik gang
und gäbe ist, können auch Embedded-Anwendungen profitieren. Der „USB Wizard“
ist ein zentraler Teil von Fujitsus „FMconnect“-Lösung für Embedded-USB. Er soll
dem Benutzer mit wenigen Klicks zu einer lauffähigen Firmware verhelfen.
WOLF FRONAUER
MANUEL SCHREINER
Der Universal Serial Bus (USB) stellt
in Embedded-Systemen einen
pauschalen Anschluss zum Computer
her (Embedded-System als USB
Device), sorgt aber auch für den Zugang
zu externer Peripherie (Embedded-System
als USB Host). USB ersetzt hierbei schon
seit längerer Zeit die serielle oder parallele
Schnittstelle. USB standardisiert nicht nur
Steckverbinder, Kabel und Datenkommunikation,
sondern Geräteklassifizierungen
KONTAKT
Fujitsu Semiconductor Europe GmbH,
63225 Langen,
Tel. 06103 690-0,
Fax 06103 690-122,
E-Mail usb.fseu@de.fujitsu.com,
http://fujitsu-fm-family.com
Embedded World: 1-306
beschreiben gewisse Gerätetypen inklusive
Protokoll, sodass in vielen Fällen eine
Treiberinstallation entfällt. Beispiele für
treiberlose Geräte sind Tastaturen, Mäuse
und USB-Festplatten. Auch in Embedded-
Systeme lässt sich USB-Peripherie einfach
einbinden.
Historisch gewachsen sind in Embedded-Systemen
die so genannten USB-
Brücken, die einen USB-Anschluss und
beispielsweise eine serielle Schnittstelle
zur Kommunikation mit dem Embedded-
System besitzen. Ein virtueller Com Port
machte die beliebte serielle Schnittstelle
über USB wieder verfügbar. Jedoch kann
16 EL-info Elektronik Informationen 2 | 2013

Tools
SPEZIAL: EMBEDDED ENGINEERING
USB um einiges mehr leisten, und mit
dem Einzug von USB in den Mikrocontroller
ergeben sich neue Möglichkeiten.
Für industrielle Embedded-Applikationen
bietet Fujitsu ARM-Cortex-M3-Mikrocontroller
(„FM3“) mit USB-Option an.
Diese unterstützen immer USB-Funktion
und Host, und es sind bis zu zwei solcher
Schnittstellen an Bord. Zum einen bietet
der Core einen universellen Einstieg in die
ARM-Cortex-M-Serien, zum anderen kann
der Entwickler auf die Technologie von
Fujitsu zugreifen: So bietet Fujitsu einen
schnellen und zuverlässigen Flash, der
bei 72 MHz ohne Waitcycles auskommt
und dank eines Tracebuffers selbst bei
144 MHz MCU-Takt keine Waitcycles benötigt.
Des Weiteren unterstützt die FM3-
Serie Flash Security, Clock Supervisor
und Low-Voltage Detection. Neben USB
besitzen die FM3-Derivate der High-Performance-Gruppe
bis zu acht multifuktionale
serielle Schnittstellen, die als UART,
SPI oder I 2 C konfiguriert werden können.
Hinzu kommen bis zu zwei CAN- und zwei
Ethernet-Schnittstellen. Multifunctional
Timer für Inverter Motor Control sowie bis
zu drei unabhängige 12-Bit-A/D-Wandler
gehören zur serienmäßigen Ausstattung.
Der leichte USB-Einstieg
Zusätzlich zu USB-Hardware und -Stack
verhilft Fujitsus USB Wizard mit nur wenigen
Klicks zur eigenen USB-Applikation
(„USB Click & Go“, Bild 1). Zunächst werden
Hardware-spezifische Einstellungen
vorgenommen, wie der genaue Typ des
Mikrocontrollers oder Evaluierungsboards,
und man bestimmt, ob USB-Host oder/
und -Device genutzt werden sollen. Neben
diesen Hardware-Vorgaben können
auch diverse Softwarepakete ausgewählt
werden wie Evaluation Board Support für
LEDs, Taster, Kommunikation, Low-Level
Library und Filesystem-Nutzung.
Wurde die USB-Device-Nutzung mit
ausgewählt, lassen sich in den nächsten
Schritten Device-spezifische Einstellungen
vornehmen. Zunächst kann die Art des
USB-Devices bestimmt werden: Virtual
Com Port, LibUSB-Kommunikation, HID-
Kommunikation, USB Mouse oder USB
Joystick. Das USB Device kann dann noch
genauer durch Teile des Device Descriptors
und Configuration Descriptors konfiguriert
werden. Die vorgegebenen Werte funktionieren
auf Anhieb, sind aber zum Zweck
der Kompatibilität anpassbar. Wurde USB-
Host-Nutzung ausgewählt, sind Treiber an-
1
VORGEHENSWEISE
Bild 1. Einfacher Einstieg in die USB-Firmware-Erstellung mittels USB Click & Go
und abwählbar, die das Embedded-System
als Host unterstützen sollen. Fujitsus Embedded
USB Host unter stützt folgende
Geräte: Mouse, Tastatur, HID-Datenkommunikation
und Mass Storage (mit Filesystem).
Zuletzt kann der Speicherort und der
Name des Projekts vergeben werden.
Das Ausgabeformat ist ein kompletter
C-Sourcecode, der als Projekt direkt
mit der „IAR Workbench“ oder mit „Keil
μVision“ zu öffnen ist und so direkt als
Binary umgesetzt werden kann. Generell
2
kann der Quellcode auch mit jeder anderen
IDE genutzt werden oder mit jedem
anderen C-Compiler, der die FM3-Serie
unterstützt. Neben dem Source-Code liegt
dem Ausgabeformat – wenn benötigt –
zusätzliche Treibersoftware, Fujitsus USB-
Bibliothek und PC-Software bei, mit der
man das Embedded Device direkt ansteuern
kann. Eine tiefere Dokumentation ist
mit dem USB Wizard direkt abrufbar und
kann einfach und übersichtlich in Form
von Application Notes bezogen werden.
Bild 2. Im Beispiel wird die USB-Device-Unterstützung aus- und die Host- sowie Filesystem-Unterstützung
abgewählt
EL-info Elektronik Informationen 2 | 2013 17

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USB-Wizard
USB-Library frei verfügbar
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FM3connect verknüpft USB-, Ethernet- und CAN-Kommunikation mit intelligenten
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SPEZIAL: EMBEDDED ENGINEERING
Tools
3
Peripherie wie Taster und LEDs. Wird
ein Mikro controller mit einem verfügbaren
Evaluation Board ausgewählt,
so ordnet der Wizard automatisch das
richtige Board zu. Neben der externen
Peripherie kann auch die Fujitsu-eigene
Low-Level-Bibliothek eingebunden werden,
um die interne Peripherie einfacher
anzusteuern. Im Beispiel des Virtuellen
Com Ports wird nur USB-Device-Unterstützung
aus- und die USB-Host-Unterstützung
sowie der Filesystem-Support
abgewählt (Bild 2).
FAZIT
Bild 3. Vendor- und Produkt-ID eingeben und Vorgaben zum Strombedarf definieren
USB Wizard in der Anwendung
Das Beispiel des Virtuellen Com Ports soll
die Funktionsweise des USB Wizard in
wenigen Schritten verdeutlichen:
WISSENSWERT
4
Bild 4.
Übersicht
der möglichen
Aktionen,
nachdem
das Projekt
erstellt ist
Auswahl der Hardware-Plattform
Die Hardware ist die Grundlage für die
erste eigene USB-Anwendung. Zu dieser
Grundlage gehört der genaue Typ
des Mikrocontrollers, aber auch externe
Mehr Support für die FM-Familie. FMconnect USB ist nur eines von Fujitsus
Angeboten rund um die FM3-Mikrocontroller. Weitere Lösungen für diese
Baustein familie sind:
„FMconnect Ethernet“, denn die FM3 Familie bietet bis zu zwei unabhängige
Ethernet-Schnittstellen pro MCU an,
„FMinverter“ für Motoranwendungen vom Kompressorantrieb bis zum
Industrie servomotor,
„FMtouch“ ermöglicht die kapazitive Touch-Eingabe mit allen FM3-Mikrocontrollern.
Die von Fujitsu bereits angekündigten Familien „FM4“ mit Cortex-M4-Kern und
„FM0+“ mit Cortex-M0+-Kern werden dank ihrer Kompatibilität zu FM3 nicht
nur dazu beitragen, eine große skalierbare Cortex-M-Plattform mit über 700 ver -
schiedenen Derivaten zu formen, sondern auch die Unterstützung durch die
schon vorhandenen Lösungen ist sichergestellt.
USB Click & Go. Die ARM-Cortex-
M3-Mikrocontroller der FM3-Familie
stellen den Entwicklern industrieller
Embedded-Anwendungen eine
USB-Option mit jeweils zwei
dieser Schnittstellen zur Verfügung.
Neben Hardware und Stack bietet
Fujitsu einen Wizard für den Schnell -
einstieg an, der mit nur wenigen
Klicks zum fertigen USB-Projekt
führt.
Auswahl der
USB-Device-Anwendung
Normalerweise muss der Entwickler das
USB Device mit den so genannten USB-
Deskriptoren beschreiben und ein USB-
Klassenprotokoll aufsetzen. Für den Virtuellen
Com Port existiert im USB Wizard
bereits eine Vorlage, die Deskriptoren
schon vorkonfiguriert und das Klassen-
Kommunikationsprotokoll beinhaltet.
Feinabstimmung
der USB-Deskriptoren
Falls dem Entwickler eigene Vendor-ID
und Produkt-ID vorliegen, können diese
nun eingetragen werden (Bild 3). Sollte
dies nicht der Fall sein, so sind für das
konkrete Beispiel schon Vendor- und Produkt-ID
von Fujitsu ausgewählt. Für kleine
Serien von bis zu 5000 Stück können bis
zu vier Produkt-IDs unter der Vendor-ID
von Fujitsu bezogen werden. Andernfalls
kann beim USB Implementers Forum
unter www.usb.org auch eine Vendor-ID
bezogen werden, unter der man 64.000
Produkt-IDs nutzen kann. Neben Vendorund
Produkt-ID können nun noch Einstellungen
zur Stromaufnahme vorgenommen
werden, die der Computer vor allem
dann benötigt, wenn das Embedded-
Gerät über den Bus mit Strom versorgt
werden soll.
18 EL-info Elektronik Informationen 2 | 2013

Tools
SPEZIAL: EMBEDDED ENGINEERING
Projektnamen und
Speicherort festlegen
Nun können Projektname und Speicherort
angegeben werden. Der Wizard erstellt im
Anschluss daran ein vollständiges Projekt
und benennt dieses anhand der eingestellten
Parameter. Für die IAR Workbench
und Keil μVision erzeugt er Projekte, die
komplett alle Linker- und Compiler-Einstellungen
beinhalten. Generell ist der
erzeugte C-Sourcecode auch mit jedem
anderen Compiler zu verwenden; jedoch
müssen die Compiler- und Linker-
Einstellungen dann von Hand vorgenommen
werden.
Nachdem alle Dateien erzeugt sind,
können nun verschiedene Aktionen ausgelöst
werden (Bild 4): die Readme-Datei
lesen, die USB-Dokumentation öffnen,
das erzeugte Projekt im Explorer anzeigen,
das Projekt mit der IAR Workbench
oder in Keil μVision öffnen oder Treiber
für den Virtuellen Com Port automatisch
installieren.
(ml)
www.EL-info.de 762001
DIE AUTOREN
WOLF FRONAUER
ist Manager Embedded
Marketing and Application
bei FSEU.
MANUEL SCHREINER
ist dort als Application
Engineer tätig.