고성능과 저가격화 내세운 32비트 MCU가 모터 제어까지 주도한다!

MCU(마이크로컨트롤러) 시장은 8비트에서 16비트, 그리고 32비트로 급속히 변화해 왔다. 전자기기를 중심으로 변화해온 이런 시장의 추세는 고성능과 저가격화를 전면에 내세운 32비트 MCU가 끊임없는 기술의 진화를 요구하는 시장을 충족시킴으로써 다양한 분야의 적용으로 산업 및 모터제어까지 시장을 확대하고 있다.
단순한 가능성과 시장의 확대를 모색하는 것이 아닌 실질적인 어플리케이션의 적용을 위한 다양한 방법을 효율적으로 제시함으로써 32비트 MCU는 첨단 기술중심의 새로운 시장을 차지하고 있다. 이렇듯 시장을 주도하고 있는 MCU의 특장점을 살펴본다.
글·이진수 기자(LJS@motioncontrol.co.kr)

8, 16, 32비트 MCU
단일 개발환경에서 지원

마이크로칩 테크놀로지(이하 마이크로칩)는 기존 마이크로칩의 16비트 MCU/DSC 제품군과 핀, 주변장치 및 소프트웨어 호환성을 유지하는 동시에 성능 및 메모리는 더욱 향상된 32비트 마이크로컨트롤러(MCU)인 PIC32 제품군을 출시함으로써 단일 개발환경에서 지원되는 8비트, 16비트, 32비트의 라인업을 구축했다. 특히 마이크로칩은 마이그레이션이 용이할 뿐 아니라 툴에 대한 투자를 보호할 수 있도록 자사의 무료 MPLAB 통합 개발 환경(IDE)에서 완벽하게 지원한다. 즉, 8, 16, 32비트 디바이스 포트폴리오 전체의 호환성을 제공하고 있는 것.

PIC32 USB 블록 다이어그램

7가지 범용 제품으로 출발한 PIC32 제품군은 최대 72MHz로 동작하며 최대 512KB 플래시 및 32KB RAM의 충분한 코드 및 데이터 공간 사양을 제공한다. 또한 PIC32 제품군에는 다양한 주변장치가 통합되어 있어 전반적인 설계 복잡성과 비용을 대폭 낮출 수 있다. 여기에는 여러가지 통신 주변장치, 추가 메모리 및 디스플레이를 지원하는 16비트 PMP(Parallel Master Port)는 물론 단일 전압 공급형 온칩 전압 조정기 등이 포함된다.
PIC32 제품군은 산업 표준 MIPS32 아키텍처를 기반으로 하며 고성능, 저전력 소비, 빠른 인터럽트 응답 및 광범위한 산업 툴 지원과 같은 업계 선도적인 사양을 제공한다. 고성능 MIPS32 M4K 코어는 효율적인 명령어 아키텍처, 5단계 파이프라인, 하드웨어 MAC(Multiply/Accumulate) 장치 및 최대 8세트의 32 코어 레지스터를 통해 동급 최강인 1.5DMIPS/MHz의 성능을 달성할 수 있다. 또한 PIC32는 시스템 비용을 낮추기 위해 코드 크기를 최대 40%까지 줄일 수 있는 MIPS16e 16비트 ISA를 지원한다.

PIC24FJ256GA1 블록다이어그램

32비트 제품과 마이크로칩은 더불어 8비트, 16비트 제품에 대한 저전력화, 대용량 메모리 뿐만 아니라 USB, USB OTG 등 다양한 기능을 통합한 제품들을 공급하고 있다.
16비트 MCU인 PIC24F는 2.6μA 대기 전류와 최고 256KB 플래시 및 16KB RAM의 대용량을 자랑한다. 또한 통합형 CTMU (Charge Time Measurement Unit) 주변기기와 함께 로열티가 없는 mTouch Sensing Solution 소프트웨어 개발 키트를 갖춰 디자이너는 추가적인 부품없이 용량성 터치 유저 인터페이스를 쉽게 이용할 수 있다. 더불어 마이크로칩의 무료 그래픽 소프트웨어 라이브러리(Graphics Software Library)가 결합될 경우 엔지니어는 비용효율적인 통합형 사용자 인터페이스 솔루션을 쉽게 이용할 수 있다.
저가 8비트 플래시 PIC 제품군인 28핀 및 40핀 PIC16F722/ 3/4/6/7(PIC16F72X) MCU는 최대 1.8V에서 동작할 수 있고, 16MHz 내부 오실레이터, 14개의 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 채널, 통신(SPI, I2C, AUSART) 및 2개의 CCP(Capture, Compare and PWM) 모듈 및 mTouch 센싱 솔루션 주변장치 등을 적용했다. 이 고집적 칩은 어플라이언스, 산업, 소비자가전 등 다양한 범용 어플리케이션에 적합하다.

PIC24FJ256GA1 블록다이어그램

마이크로칩은 단일 통합 개발 환경(무료 MPLAB IDE)에서 개발 가능한 8, 16, 32 비트 USB 마이크로컨트롤러(MCU) 제품군까지 라인업을 확장했다. 또한 USB 2.0 OTG 기능이 통합된 새로운 저가형 제품 및 7종의 범용 제품을 대량 공급하고 있다. 이로써 마이크로칩은 8, 16 및 32비트까지 28핀 PIC18에서 100핀 80MHz PIC32에 이르는 37종의 USB PIC 마이크로컨트롤러를 제공하고 있다.

클래스B의 IEC60335 준수
모터 제어에 최적화된 솔루션

ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)의 32비트 STM32 MCU 제품군은 2007년 6월에 출시된 이후, 광범위한 고용량 어플리케이션 분야를 선도하는 여러 업체의 디자인에 채택되었다. 32비트 ARM Cortex-M3 CPU에 기반으로 하는 STM32 제품군은 72MHz 클록 주파수를 갖춘 ‘성능’ 라인과 37MHz 클록 주파수를 갖춘 ‘액세스’ 라인, 그리고 ‘USB’ 라인으로 구성되어 있다.

STM8S 블록 다이어그램

ST의 최경화 부장은 “STM32의 환경은 개발자들이 대규모 소프트웨어 및 툴 환경에서 작업함으로써 표준 코어에 기반한 어플리케이션을 구축할 수 있게 한다.”며, “개발자를 위한 지원으로는 최신 출시 모델을 위한 ST의 새로운 평가 보드, 소프트웨어 및 펌웨어 라이브러리, 광범위한 호환가능 써드파티 툴 등이 있다.”고 설명했다.
현재 ST는 STM32 MCU에 최대 512Kbytes의 온-칩 플래시, 더 커진 SRAM 및 디스플레이, 사운드, 스토리지 및 첨단 제어 등의 추가 기능들을 제공하기 위해 STM32 제품군을 확장하고 있다.
ST는 STM32 제품군에 로우엔드용 36핀 패키지 및 하이엔드용 144핀 패키지를 포함한 28개의 새로운 소자를 추가했으며, 이 제품들은 코드 및 데이터 스토리지를 위한 256Kbytes, 384Kbytes 또는 512Kbytes의 임베디드 플래시를 제공하여, 개발자들이 새로운 기능을 구현하고 기존 제품 플랫폼의 성능을 향상시킬 수 있다.

STM32F10x 포트폴리오

256Kbytes 및 그 이상의 플래시 메모리 용량을 갖춘 MCU에 내장된 추가 주변장치로는 NOR 및 NAND 플래시를 지원하는 FSMC(Flexible Static-Memory Controller), SRAM 및 컴팩트플래시 (CompactFlash) 메모리 등이 있다. 또한 FSMC는 LCD 컨트롤러와의 병렬 인터페이스를 위한 인텔 8080 및 모토로라 6800 모드를 지원한다. 게다가 SD(Secure Digital), SDIO(Secure Digital Input/Output) 및 48MHz에서 8비트 데이터 전송을 위한 멀티미디어카드 시스템 규격을 충족하는 MMC(Multi-Media Card) 등의 착탈식 미디어용 호스트 인터페이스 기능도 제공한다.
이 외에도, 마스터 및 슬레이브 모드를 지원하는 I2S 포트와 8kHz에서 48kHz까지의 오디오 샘플링 주파수뿐만 아니라 2채널 12비트 DAC 및 디버그 성능 향상을 위한 ETM(Embedded Trace Macrocell)이 통합하였다. 통합된 표준 주변장치에는 최대 5개의 UARTs/USARTs, 3개의 SPI 및 2개의 I2C 버스 인터페이스가 포함되어 있다. 이 새로운 주변장치의 결합으로 STM32 제품군은 최상의 접속 및 추가적인 제어를 필요로 하는 새로운 시장에 부응하고 있다.

STM32 모터 컨트롤 라이브러리

ST는 싱글-션트 센서리스 제어, IPM(Internal Permanent Magnet) 모터 제어 및 PMSM 모터용 약계자(Field-Weakening) 제어를 지원하는 턴키 알고리즘의 32비트 STM32 MCU를 통해 전자 모터의 벡터 컨트롤을 지원하는 성능 라이브러리를 확장했다. ST의 Cortex-M3 기반 STM32 MCU는 약 40여개 고객사의 모터 컨트롤 어플리케이션에 이미 채택된 성과를 달성했다.
ST의 최경화 부장은 “ST가 추가 알고리즘의 제공함으로써 개발자들은 1개의 MCU로 최대 2개의 브러시리스 모터를 동시 제어할 수 있도록 2개의 3상 PWM 타이머를 통합한 STM32의 풍부한 모터 제어 주변 장치들을 활용할 수 있다.”고 강조하며, “모터당 1개 MCU의 기존 방식을 깨뜨림으로써, 설계자들은 STM32를 사용하여 성능 저하없이 비용, 크기 및 전력을 절감할 수 있을 뿐 아니라 고정밀 모터 드라이브를 위한 3중 S/H(Sample-and-Hold) 전류 취득을 지원할 수 있는 최대 3개의 ADC도 통합하고 있다.”고 덧붙였다.
ST는 Cortex-M3 코어에 기반한 센서리스 자속기준(Field-Oriented) 모터 제어 솔루션을 제공한다. 이 킷트는 STM32가 코어 및 전용 모터 제어 주변기기로부터 충분한 전력을 제공해 드라이브를 최적화하고 전체 시스템 비용을 최소화하는 것을 보여준다. 3상 브러쉬리스 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) 모터를 위한 통합형 센서리스 벡터 제어 알고리즘은 25마이크로초 미만으로 실행되며, 대부분의 어플리케이션을 위해 30% 미만의 CPU리소스를 사용하고, 필요하다면 다른 어플리케이션 작업을 위해 충분한 처리 성능을 남겨둔다. PMSM 솔루션의 코드 크기는 16Kbytes 미만이다.
ST가 제공하는 DSP 라이브러리를 통해 개발자들은 동일한 코어 상에서 호스트 신호 처리 및 제어 기능에 대해 STM32의 이점을 완벽하게 활용할 수 있다. STM32 DSP 라이브러리는 별도의 라이선스와 로열티 지급이 필요하지 않으며, C 또는 어셈블리 언어로 코딩된 수많은 유용한 기능들을 제공한다. 이러한 기능으로는 PID 컨트롤러, 푸리에 변환(Fourier Transform) 기능, 그리고 16비트 FIR, IIR DF(Direct-Form), IIR CF(Canonical-Form) 필터 등과 같은 디지털 필터에 대한 선택 기능 등이 있다.
특히 ST는 8비트 MCU 시장의 대응을 위해 특화된 STM8S 제품군을 제공한다. 8비트 STM8 코어는 32비트 메모리 인터페이스와 3단계 파이프라인을 보유하며, 24MHz에서 20MIPS 피크 프로세싱 성능을 달성한다. 스택 포인터와 16비트 인덱스 레지스터는 도표 조작을 향상시키고, 코어의 16M 바이트 리니어 메모리 어드레스 공간은 64K바이트 이상의 페이지 동작을 효율화한다.
ST의 최경화 부장은 “STM8S 개발 환경은 코드 프로파일링 및 도달 범위와 같은 복잡한 기능을 포함한 고기능 에뮬레이터 뿐만 아니라 무료 IDE 및 무료 16K바이트 버전의 C 컴파일러를 제공하는 저가형 디버깅 툴 제품도 지원한다.”고 말하며, “펌웨어의 수많은 레퍼런스 사례와 함께 클래스 B의 IEC 60335 표준을 준수하는 전용 라이브러리가 포함되어 개발자들은 새로운 안전 규제를 위한 인증 과정을 준수할 수 있다.”고 강조했다.

에너지 효율에 특화
실시간 컨트롤 기능

TI의 32비트 MCU인 Piccolo F2802x/F2803x는 38핀에서 시작되는 패키지 사이즈로 첨단 아키텍처 및 향상된 주변 기기를 갖추고 있어 일반적으로 비용에 민감한 어플리케이션에도 32비트의 실시간 컨트롤의 장점과 가격의 장점을 제공한다.
실시간 컨트롤은 태양열 마이크로 인버터, LED 조명, 가전 제품 및 하이브리드 자동차 배터리 등의 산업용, 컨수머, 오토모티브 어플리케이션에 최첨단 알고리즘을 구현함으로써 시스템의 효율과 정밀도를 향상시킨다.

Piccolo 블록 다이어그램

TI 코리아의 구자룡 부장은 “32비트 성능, 향상된 주변기기, 소형 패키지를 조합함으로써 설계자는 어플리케이션에 단 하나의 MCU로 실시간 컨트롤 및 시스템 관리 기능을 추가할 수 있다.”며, “크기가 작고 가격이 저렴하기 때문에 ‘Piccolo’라는 명칭을 붙였으며, Piccolo와 함께 C2000 옵션 숫자는 배로 증가되었고 이는 성장하고 있는 TI MCU 포트폴리오를 바탕으로 구축되었다.”고 설명했다.
Piccolo F2802x/F2803x 컨트롤러는 전자제품의 전력관리를 가능케 하면서도 전반적인 시스템 가격을 낮추기 위해 다양한 전자부품을 대체할 수 있다. 예를 들면 다양한 주파수의 에어컨에서 하나의 F2802x/F2803x 컨트롤러로 2개의 3-페이즈 모터를 정밀하게 컨트롤하고 PFC (Power Factor Correction) 계산을 수행할 수 있다. 현재 유럽, 중국, 일본, 인도 등 세계 시장의 약 30%에서 요구되는 PFC는 부하의 효율을 향상시킴으로써 기기의 전력을 최대한 사용할 수 있다.

MSP430 블록 다이어그램

Piccolo 시리즈는 메인 TMS320C28x CPU의 복잡한 고속 컨트롤 알고리즘을 없애기 위해 설계된 프로그래머블, Floating-Point CLA(Control Law Accelerator) 등의 첨단 기능을 갖추고 있다. F2803x 시리즈부터 이용 가능한 CLA는 CPU가 처리하는 I/O 및 피드백 루프 메트릭스를 대신 처리할 수 있어, 일반적인 폐쇄형 루프 어플리케이션의 성능을 5배까지 향상시킨다.
TI 코리아의 구자룡 부장은 “TI 고유의 강화 진폭변조기(ePWM)는 150ps까지 업계 최고 해상도의 진폭 변조를 지원함으로써 더 많은 고조파 컨트롤이 가능하고 Sample-to-Output 지연 현상을 감소시키는데 이는 신호의 폴링 에지 결손을 예방하기 위한 핵심 요소”라고 강조하며, “Piccolo 디바이스의 온칩 12비트 ADC는 뛰어난 정확도 및 성능을 달성하면서도 복잡도와 프로세스 설계 비용을 줄이며, 4.6MSPS에서 경쟁 제품보다 최대 4배가 빠르다.”고 전했다.
최초의 Piccolo MCU, F2802x 시리즈는 40~60MHz 범위, 최고 128KB의 플래시 메모리, 12비트 ADC, ePWM 및 다양한 주변기기(통신 프로토콜, 온-칩 오실레이터, 아날로그 콤퍼레이터, 범용 I/O 등)를 포함하며, 오는 12월에 샘플을 이용할 수 있다.
구자룡 부장은 “F2802x 디바이스는 대량 구매 시 개당 미만의 저렴한 가격으로 제공될 예정”이라며, 가격경쟁력을 강조하며, “2009년에 출시될 디바이스들은 성능과 메모리가 더욱 향상될 것이며, 더불어 CLA, LIN, CAN 통신 주변장치들을 갖추게 될 것”이라고 말했다.

C2000 Piccolo

또한 TI는 업계에서 최저전력을 지원하는 획기적인 디바이스 MSP430 MCU 제품군을 제공하고 있다. 이 제품은 최고 25MHz 피크 성능, 플래시 및 RAM 메모리 향상, 주변기기(RF, USB, 암호화, LCD 인터페이스 등)의 통합 등의 특징을 제공한다. 160μA/MHz의 낮은 활성 소비전력과 1.5μA 대기 전력을 갖춘 MSP430F5xx MCU는 배터리 수명을 연장시키며, 휴대형 기기에서 더욱 작은 배터리를 사용할 수 있도록 지원한다. 뿐만 아니라 태양열, 진동 에너지, 체온으로 동작하는 에너지 축적 시스템 등 배터리 없이 동작하는 휴대형 어플리케이션의 구현을 가능하게 한다.
한편 TI는 최저전력의 단일 칩 RF 솔루션을 제공하는 신형 CC430 기술 플랫폼을 발표했다. CC430 플랫폼은 시스템 복잡성을 낮추고 패키지 및 PCB 크기를 최대 50%까지 줄이고 RF 설계의 편의성을 강화함으로써 RF 네트워킹, 에너지 획득, 산업용 모니터링 및 탬퍼 감지(Tamper Detection), 개인용 무선 네트워크, AMI(Automatic Metering Infrastructure) 등과 같은 어플리케이션의 혁신을 지원할 수 있다.
구자룡 부장은 “TI의 16비트 MSP430F5xx MCU와 저전력 RF 트랜시버의 탁월한 조합으로 10년 이상 배터리 교체 없이 동작하는 무선 네트워킹 어플리케이션을 지원할 수 있을 정도로 낮은 전류가 흐른다.”고 설명했다.

주요기사