電子發(fā)燒友網(wǎng)訊:盡管2012年全球MCU市場(chǎng)正經(jīng)歷著快速的轉(zhuǎn)變,甚至所有供應(yīng)商都在加速開發(fā)其下一代產(chǎn)品,但他們對(duì)性能、功耗、安全、性價(jià)比的追求卻是永恒的主題。通過本文介紹,電子發(fā)燒友網(wǎng)編輯將跟大家一起來分享2012年MCU優(yōu)秀產(chǎn)品及相關(guān)解決方案這份饕餮大餐。
傳統(tǒng)的工業(yè)、消費(fèi)電子領(lǐng)域依然是8位、16位MCU的熱土;智能電網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng),醫(yī)療電子,電子儀表測(cè)量,照明等領(lǐng)域的智能控制應(yīng)用將顯著拉動(dòng)高端32位MCU的需求。在接下來的文章中,我們將從不同應(yīng)用或不同行業(yè)優(yōu)勢(shì)來給大家展示不同的MCU優(yōu)秀產(chǎn)品和解決方案(如汽車電子最佳MCU產(chǎn)品和解決方案、功耗最佳MCU產(chǎn)品和解決方案、電機(jī)控制最佳MCU產(chǎn)品和解決方案、工控MCU優(yōu)秀產(chǎn)品和解決方案、集成度最佳MCU產(chǎn)品和解決方案以及最易用開發(fā)工具等等)。希望通過詳細(xì)的闡述和分析,能讓大家對(duì)2012年MCU市場(chǎng)有更全面、更深刻的認(rèn)識(shí)。
圖 MCU市場(chǎng)正在發(fā)生轉(zhuǎn)變
(一)汽車電子最佳MCU產(chǎn)品和解決方案
飛思卡爾S12G系列16位MCU產(chǎn)品簡(jiǎn)介
說到汽車電子最佳MCU產(chǎn)品,我們就不得不給大家介紹飛思卡爾的S12G系列16位微控制器芯片了。MC9S12G系列是經(jīng)過優(yōu)化的汽車級(jí)16位微控制器產(chǎn)品線,具有低成本、高性能、引腳數(shù)量少的顯著特點(diǎn)。MC9S12G系列適合需要CAN或LIN/SAE J2602通信的一般汽車應(yīng)用,如:空間受限的應(yīng)用、電動(dòng)門窗、車門模塊、座椅控制器、HVAC 控制、防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (ABS) 和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPAS)系統(tǒng)、占位檢測(cè)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向模塊。
圖 MC9S12G系列MCU內(nèi)部硬件框圖
MC9S12G系列具有16位MCU的所有優(yōu)點(diǎn)和功效,同時(shí)保留了飛思卡爾現(xiàn)有8位和16位MCU系列用戶所享有的低成本、低功耗、電磁兼容性(EMC)以及代碼效率等優(yōu)勢(shì)。MC9S12G128/96和MC9S12GN32/16是MC9S12G系列在市場(chǎng)上最先推出的四款主要產(chǎn)品。
飛思卡爾汽車自動(dòng)空調(diào)(HVAC)電子控制系統(tǒng)解決方案
飛思卡爾汽車自動(dòng)空調(diào)電子控制系統(tǒng)解決方案為多功能型低功耗解決方案,價(jià)格便宜且可擴(kuò)展,并能根據(jù)客戶在12V或24V汽車HVAC系統(tǒng)中的具體需求進(jìn)行定制。該解決方案集合了飛思卡爾S12G微控制器產(chǎn)品系列和模擬器件(MC33905、MC33932、MC33937),具有可驅(qū)動(dòng)暖通空調(diào)系統(tǒng)中的直流無刷/有刷及步進(jìn)電機(jī)等三種類型電機(jī)的功能。飛思卡爾汽車自動(dòng)空調(diào)(HVAC)電子控制系統(tǒng)模塊圖如下圖所示:
圖飛思卡爾汽車自動(dòng)空調(diào)(HVAC)電子控制系統(tǒng)模塊圖
汽車HVAC控制平臺(tái)
該解決方案是飛思卡爾平臺(tái)上初步推出的產(chǎn)品,該平臺(tái)旨在提供從入門級(jí)到高級(jí)汽車HVAC控制設(shè)計(jì)解決方案。汽車自動(dòng)空調(diào)電子控制系統(tǒng)功能豐富:具有根據(jù)環(huán)境溫度、濕度及空氣質(zhì)量等參數(shù)的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度和吹風(fēng)模式的功能;具有去霧、自動(dòng)切換空氣內(nèi)外循環(huán)等功能;而且,參考設(shè)計(jì)中的液晶屏(由飛思卡爾S08LG微控制器控制)可顯示豐富的內(nèi)容:包括日歷、溫度、風(fēng)速等,從而實(shí)現(xiàn)更加便捷、舒適和安全的駕駛體驗(yàn)。汽車HVAC控制平臺(tái)框圖如下圖所示:
圖 汽車HVAC控制平臺(tái)框圖
由于使用超低功耗的S12G微控制器,并采用可擴(kuò)展的自動(dòng)氣候控制的軟件算法;同時(shí),還采用變頻無刷直流吹風(fēng)電機(jī)替代傳統(tǒng)的直流有刷吹風(fēng)電機(jī),所以該參考設(shè)計(jì)具有節(jié)能、環(huán)保、噪音低等優(yōu)點(diǎn)。該汽車HVAC參考控制解決方案,能夠驅(qū)動(dòng)大多數(shù)的HVAC電機(jī)類型,如無刷直流(BLDC)、DC和步進(jìn)電機(jī);設(shè)計(jì)中包含了節(jié)能模式、低噪音環(huán)境、可配置氣候控制以及HVAC運(yùn)行故障感測(cè)等高級(jí)功能;能夠提供綜合的生產(chǎn)就緒型軟硬件支持,旨在縮短OEM廠商和一級(jí)供應(yīng)商的開發(fā)周期并降低總體研發(fā)成本。
圖 HVAC電機(jī)控制模塊電路框圖
該解決方案的主要特點(diǎn)包括:1)超低功耗模式,可通過人機(jī)界面或LIN/CAN總線喚醒系統(tǒng);2)能夠驅(qū)動(dòng)三種類型的電機(jī)(無位置傳感器BLDC、DC和步進(jìn)電機(jī));3)自動(dòng)氣候控制;4)支持多個(gè)溫區(qū);5)CAN/LIN通訊接口;6)帶有兩個(gè)編碼器輸入旋鈕的3x3矩陣鍵盤;7)3x37分段式LCD顯示器,背光可調(diào)節(jié);8)支持溫度、燈光、濕度和空氣質(zhì)量傳感器;9)兩個(gè)用于連接壓縮機(jī)和除霜模塊的邏輯繼電器接口;10)實(shí)時(shí)時(shí)鐘與日期顯示,可調(diào)節(jié)日歷;11)外置觸摸式按鍵板或觸摸屏;12)適用于12V和24V空調(diào)系統(tǒng)。
(二)功耗最佳MCU產(chǎn)品和解決方案
飛思卡爾Kinetis L系列MCU產(chǎn)品簡(jiǎn)介
飛思卡爾Kinetis L系列MCU是最佳功耗MCU產(chǎn)品代表。飛思卡爾Kinetis L系列的推出,為擁有8位和16位傳統(tǒng)架構(gòu)的用戶向32位平臺(tái)遷移提供了良機(jī),并為日常設(shè)備帶來額外的智能,但不會(huì)增加功耗、成本或體積。小家電、游戲配件、便攜式醫(yī)療系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、智能電表、照明和電源控制等應(yīng)用現(xiàn)在可利用32位技術(shù)的能力及可擴(kuò)展性來擴(kuò)展到未來產(chǎn)品線,但價(jià)格和功耗均與8位和16位產(chǎn)品相當(dāng)。8 位和16位架構(gòu)的開發(fā)已經(jīng)走到了盡頭,那些架構(gòu)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求。 Kinetis L系列MCU兼?zhèn)涓吣苄?、低價(jià)格、易于開發(fā)和小巧性以及Kinetis 32位產(chǎn)品組合的增強(qiáng)性能、外設(shè)、支持工具和可擴(kuò)展性,是互連應(yīng)用的理想選擇。
Kinetis L系列節(jié)能外設(shè)即使在MCU處于深度睡眠模式時(shí)也能維護(hù)正常功能,因此可實(shí)現(xiàn)少消耗多工作。在傳統(tǒng)的MCU中,必須激活主時(shí)鐘和處理器內(nèi)核才能執(zhí)行任務(wù),即使是執(zhí)行瑣碎的任務(wù),如發(fā)送或接收數(shù)據(jù)、捕捉或生成波形或模擬信號(hào)采樣時(shí)也是如此。Kinetis L系列外設(shè)不用牽涉內(nèi)核或主要系統(tǒng)就能執(zhí)行這些功能,因而大大降低能耗、延長(zhǎng)電池壽命。Kinetis L系列采用飛思卡爾屢獲殊榮的創(chuàng)新閃存技術(shù),提供業(yè)界最低功耗的閃存部署。這樣,通過建立納米級(jí)硅島而不是采用連續(xù)膠片來存儲(chǔ)電荷,可提高閃存對(duì)數(shù)據(jù)丟失主要因素的防護(hù),從而改進(jìn)了基于硅的傳統(tǒng)電荷存儲(chǔ)方式。Kinetis L系列MCU產(chǎn)品如下圖所示:
圖 Kinetis L系列產(chǎn)品
Kinetis L系列產(chǎn)品采用ARM今年3月最新推出的Cortex-M0+內(nèi)核,直接瞄準(zhǔn)目前的8位/16位市場(chǎng)。ARM Cortex-M0+處理器的能耗大約是現(xiàn)有任何8位或16位處理器的三分之一,但性能卻提高了2到40倍,其CoreMark/MHz值為1.77CoreMark/MHz,工作電壓為1.71V~3.3V,靜態(tài)功耗為深度睡眠模式僅耗電150nA,支持4.6μS快速啟動(dòng)的睡眠模式僅耗電1.4μA。動(dòng)態(tài)功耗為50μA~84μA/MHz。Kinetis L系列主要應(yīng)用領(lǐng)域包括電腦附件、消費(fèi)類電子、樓宇控制、煙感、辦公設(shè)備、驗(yàn)鈔機(jī)等。
飛思卡爾可擴(kuò)展Kinetis之ZigBee? 智慧能源無線解決方案
由于Kinetis L系列解決方案,飛思卡爾官方網(wǎng)站暫未公布,所以以下無線解決方案是基于飛思卡爾Kinetis KW20無線微控制器系列的解決方案。該解決方案也滿足低功耗、高性能的條件。當(dāng)然Kinetis L系列相應(yīng)的解決方案在功耗上的效果就會(huì)更加突出了。(如果大家有相關(guān)的方案,也可以提交到電子發(fā)燒友網(wǎng)站。)
Freescale發(fā)布了首個(gè)ARM? Cortex?-M4處理器在智能能源、智能電表和大樓控制等應(yīng)用的無線解決方案,進(jìn)一步擴(kuò)充了Kinetis微控制器 (MCU) 產(chǎn)品組合。Freescale新一代Kinetis無線解決方案在ZigBee?平臺(tái)上提供高性能及安全性,設(shè)計(jì)者可以根據(jù)他們的特定應(yīng)用來優(yōu)化解決方案。
圖 飛思卡爾可擴(kuò)展Kinetis之ZigBee?平臺(tái)智慧能源無線解決方案模塊
Freescale設(shè)計(jì)Kinetis KW20無線微控制器系列的目的是應(yīng)對(duì)未來ZigBee智能能源和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議規(guī)范所帶來的不斷增長(zhǎng)的處理和內(nèi)存要求。 Kinetis KW20無線微控制器整合了一個(gè)ARM Cortex-M4處理器與MC1323/4 RF收發(fā)器搭配形成一個(gè)強(qiáng)大的功能集,提供了一個(gè)可靠、安全且低功耗的ZigBee平臺(tái)。工程師們可以選擇KW20 MCU的單芯片解決方案,也可以選擇將RF收發(fā)器和相對(duì)應(yīng)的Kinetis MCU結(jié)合在一起,靈活地根據(jù)特定的應(yīng)用需求定制。Kinetis KW20無線微控制器原理框圖如下圖所示:
圖 Kinetis KW20無線微控制器原理框圖
Kinetis KW20無線微控制器提供高性能,滿足智能能源應(yīng)用的內(nèi)存和安全需求,同時(shí)為設(shè)計(jì)師帶來了最大程度的靈活性。Kinetis系列產(chǎn)品融入了ZigBee連接功能后,可以讓用戶的系統(tǒng)永不過時(shí),同時(shí)獲得更高的無線性能和額外的安全性。
Freescale的KW20無線MCU和MC13233/4 RF收發(fā)器通過低功耗和增加回路預(yù)算提供先進(jìn)的RF性能。收發(fā)器是天線型分集收發(fā)器,可以增強(qiáng)RF可靠性,特別是在出現(xiàn)干擾的情況下。KW20無線MCU和MC13233/4 RF收發(fā)器的設(shè)計(jì)可以降低傳輸和接收功率,其低功耗運(yùn)行模式可以優(yōu)化能源的利用。MC1323/4 RF收發(fā)器原理框圖如下圖所示:
圖 MC1323/4 RF收發(fā)器原理框圖
KW20無線MCU和MC13233/4 RF收發(fā)器具有獨(dú)特的特性,提供雙重個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)支持,能夠使用同一組件和兩個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信。此外,F(xiàn)reescale在組件中內(nèi)含高端處理器中罕見的高級(jí)安全功能,滿足客戶對(duì)更先進(jìn)的加密方法、密鑰、安全內(nèi)存及篡改偵查功能的需求。安全閃存保護(hù)代碼和數(shù)據(jù)免遭非法入侵和修改,篡改偵查可以偵察到擦除事件,還可以異步擦除安全RAM并產(chǎn)生中斷,使組件可以采取其他行動(dòng),包括系統(tǒng)重啟。MMCAU(內(nèi)存映像的加密加速單元)支持一套專門的操作來增強(qiáng)加密和解密操作的吞吐量以及消息摘要功能。自Freescale發(fā)布第一個(gè)32位ZigBee平臺(tái)選擇了IAR Systems的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)直到現(xiàn)在,IAR System能夠?qū)崿F(xiàn)最有效的程序優(yōu)化。
BeeKit 研發(fā)平臺(tái):無論開發(fā)者選擇單芯片Kinetis KW20無線MCU解決方案,還是使用帶有MC13233/4 RF收發(fā)器的多芯片解決方案,他們可以享用Kinetis MCU產(chǎn)品組合工具和軟件。ZigBee協(xié)議軟件已整合到Kinetis開發(fā)工具中,可以進(jìn)一步加速開發(fā)時(shí)間。支持包括BeeKit無線連接工具箱,基于Eclipse?的CodeWarrior 集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。Freescale MQX軟件解決方案,和Tower System模塊開發(fā)平臺(tái),可以快速提供原型產(chǎn)品。我們廣闊的ARM生態(tài)系統(tǒng)還可以提供第三方開發(fā)支持,包括IAR的IDE。BeeKit 研發(fā)平臺(tái)原理框圖如下圖所示:
圖 BeeKit 研發(fā)平臺(tái)原理框圖
(三)電機(jī)控制最佳MCU產(chǎn)品和解決方案
RX系列MCU是基于RX CPU架構(gòu)的新一代MCU,集成了原先瑞薩科技的32位CISC MCU的優(yōu)秀特性。
RX62T單片機(jī)集成了增強(qiáng)的定時(shí)器單元(MTU3,GPT)、12位AD轉(zhuǎn)換器(1微秒轉(zhuǎn)換時(shí)間),每個(gè)AD轉(zhuǎn)換單元還集成可調(diào)增益運(yùn)放和窗口比較器,適用于各種電機(jī)控制和變頻器應(yīng)用。以100MHz運(yùn)行的高集成度RX62T MCU可以在大幅度提升產(chǎn)品性能的同時(shí)有效的降低系統(tǒng)成本。
瑞薩電子基于RX系列單片機(jī)的先進(jìn)電機(jī)控制算法解決方案
瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法集電機(jī)控制技術(shù)和單相交流電源功率因數(shù)校正技術(shù)于一體,配合瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法程序框架,為用戶整體系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)平臺(tái)和友好的用戶接口。以空調(diào)室外機(jī)為例,基于瑞薩的RX高性能單片機(jī),開發(fā)者可以很容易的編寫室外機(jī)控制程序,構(gòu)建具備高質(zhì)量、高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功率因數(shù)校正功能的室外單芯片方案。
圖 瑞薩電機(jī)控制平臺(tái)圖
低能耗和舒適性已經(jīng)是當(dāng)今中國(guó)空調(diào)市場(chǎng)的主旋律,消費(fèi)者希望找到物有所值的、高性價(jià)比的高質(zhì)量、高性能產(chǎn)品。瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法和RX單片機(jī)的結(jié)合為客戶提供了最終的選擇。過去幾年里,瑞薩中國(guó)在默默的磨練電機(jī)控制工程方面的能力,如今向世界展示一個(gè)完全在中國(guó)開發(fā)的先進(jìn)電機(jī)控制解決方案??蛻艉腿鹚_簽訂協(xié)議后,就可以得到長(zhǎng)期而穩(wěn)定的本地支持資源,通過高性能單片機(jī)和先進(jìn)電機(jī)控制算法的緊密結(jié)合,設(shè)計(jì)出最好的產(chǎn)品。
瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法和RX單片機(jī)相結(jié)合,不但可以提供業(yè)界最精簡(jiǎn)的BOM,還可以在不增加BOM成本的情況下實(shí)現(xiàn)更多的功能。瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法有4大關(guān)鍵技術(shù),詳見下文。
關(guān)鍵技術(shù)之一:高級(jí)脈沖幅值調(diào)制技術(shù) (Advanced Pulse Amplitude Modulation technology)
高級(jí)脈沖幅值調(diào)制技術(shù)保證輸入功率因數(shù)》90%。在保證變頻器正常輸出的情況下,高級(jí)脈沖幅值調(diào)制技術(shù)可以跟隨負(fù)荷變動(dòng),精確輸出最低的直流母線電壓。此外,高級(jí)脈沖幅值調(diào)制技術(shù)不需要交流電壓過零點(diǎn)或幅值檢測(cè)的硬件電路,可以降低系統(tǒng)成本。
圖 瑞薩高級(jí)脈沖調(diào)幅技術(shù)隨負(fù)荷變動(dòng)圖
關(guān)鍵技術(shù)之二:先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)
瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法實(shí)現(xiàn)了180度正弦波電機(jī)驅(qū)動(dòng)和矢量控制,并提供了與眾不同的力矩控制技術(shù)。
G-type力矩控制(負(fù)荷波動(dòng)補(bǔ)償),將電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)減到最低,擴(kuò)大了系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的低頻范圍; M-type力矩控制(恒力矩輸出),保證恒力矩輸出,降低電機(jī)相電流波形峰值,降低諧波與功率損耗,效率提升。具體對(duì)比圖如下所示:
圖 G-type和M-type力矩控制時(shí)的相電流波形對(duì)比圖
圖 no torque力矩控制時(shí)的相電流波形
圖 M-Type力矩控制時(shí)的相電流波形圖
關(guān)鍵技術(shù)之三:過調(diào)制技術(shù)
使用瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法獨(dú)創(chuàng)的過調(diào)制技術(shù),在滿足諧波失真度<10%的情況下,調(diào)制度可達(dá)200%。與高級(jí)脈沖幅值調(diào)制技術(shù)技術(shù)相配合,提高直流母線電壓的利用率。
關(guān)鍵技術(shù)之四:弱磁控制技術(shù)
瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法的弱磁控制功能可以避免變頻器輸出電壓飽和,在電源電壓有限的情況下,保證輸出要求的力矩?;赗X62T高性能32位CISC單片機(jī),使用瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法實(shí)現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)控制時(shí),可以實(shí)現(xiàn)如下系統(tǒng)規(guī)格:
表 瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法實(shí)現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)控制時(shí)可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)規(guī)格
由于RX62T是基于RX CPU架構(gòu),并集成了增強(qiáng)的定時(shí)器單元(MTU3、GPT)、12位AD轉(zhuǎn)換器(1μs轉(zhuǎn)換時(shí)間),每個(gè)AD轉(zhuǎn)換單元還集成可調(diào)增益運(yùn)放和窗口比較器,因此它適用于各種電機(jī)控制和變頻器應(yīng)用。瑞薩電子也推出了相關(guān)的先進(jìn)電機(jī)控制算法,其關(guān)鍵技術(shù)包括高級(jí)脈沖幅值調(diào)制技術(shù)、先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等?;赗X62T高性能32位CISC MCU,使用瑞薩先進(jìn)電機(jī)控制算法實(shí)現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)控制時(shí),可以實(shí)現(xiàn)如下系統(tǒng)規(guī)格:適用空調(diào)器制冷量范圍《8000W,低頻振動(dòng)最高振幅《300μm,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1~150rps,功率因數(shù)額定工況》0.9,滿載高達(dá)100%,調(diào)制度《200%,電流檢測(cè)方式為單電阻檢測(cè)。它不但可以提供業(yè)界最精簡(jiǎn)的BOM,還可以在不增加BOM成本的情況下實(shí)現(xiàn)更多的功能。
注:【 瑞薩電子基于RX62T單片機(jī)的PMSM電機(jī)位置控制英文資料下載鏈接: 瑞薩電子基于RX62T單片機(jī)的PMSM電機(jī)位置控制?】
?。ㄋ模┕た豈CU優(yōu)秀產(chǎn)品和解決方案
恩智浦LPC1800系列MCU產(chǎn)品簡(jiǎn)介
LPC1800 MCU是具有業(yè)界性能最高的ARM Cortex-M3的微控制器,是工控MCU優(yōu)秀作品典型代表。
LPC1800系列MCU具備的優(yōu)勢(shì):LPC1800采用恩智浦90nm超低漏電制程技術(shù)工藝,帶來低功耗高性能的大容量存儲(chǔ)器,具有運(yùn)行速度更快、動(dòng)態(tài)功耗更低的特點(diǎn),獨(dú)有的低漏電最佳化設(shè)計(jì)將待機(jī)模式下的漏電流降低10-100倍;LPC1800為Cortex-M3提供業(yè)界最大的片內(nèi)SRAM,多單元最高可達(dá)200KB,每個(gè)單元都有獨(dú)立總線訪問,具有更高吞吐量,可分別進(jìn)行關(guān)斷控制進(jìn)入低功耗工作模式;雙單元1MB Flash架構(gòu)提供最可靠的應(yīng)用中重新編程,支持不間斷的Flash操作;LPC1800具有無縫高速四路SPI接口和可配置定時(shí)器子系統(tǒng);LPC1800的其他外設(shè)包括兩個(gè)高速USB控制器、片內(nèi)高速PHY、高分辨率彩色LCD控制器和AES解密算法;它集存儲(chǔ)、外設(shè)、架構(gòu)以及ARM核技術(shù)于一體并予以整體優(yōu)化,在引腳和軟件方面極易升級(jí)兼容。
表 LPC1800系列 MCU 選型表
恩智浦LPC1800MCU硬件框圖如下圖所示:
圖 恩智浦LPC1800硬件框圖
LPC1800系列MCU的標(biāo)準(zhǔn)特性:該系列所有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)特性包括含有啟動(dòng)代碼的32 KB ROM和On-chip軟體驅(qū)動(dòng)器、8通道通用DMA (GPDMA)控制器,兩個(gè)10位元ADC (Analog-to-Digital Converter)和一個(gè)轉(zhuǎn)換採(cǎi)樣速率為400k/s的 10位元ADC、馬達(dá)控制PWM和正交編碼器介面、4個(gè)UART、2個(gè)快速模式I2C、I2S、2個(gè)SSP/SPI、智慧卡介面、4個(gè)計(jì)時(shí)器、視窗監(jiān)視計(jì)時(shí)器、警報(bào)計(jì)時(shí)器、具256位元電池供電備份暫存器的超低功耗RTC以及高達(dá)80個(gè)通用I/O引腳。
恩智浦LPC1800 MCU關(guān)于嵌入式閃存選型解決方案
目前恩智浦開發(fā)出一種新型外設(shè)接口技術(shù),該技術(shù)在基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的最新LPC1800微控制器上已得到成功應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員利用該技術(shù)可將串行閃存取代并行閃存,縮小封裝尺寸,降低系統(tǒng)成本。這種稱為SPI閃存接口(SPIFI)的技術(shù)目前已申請(qǐng)專利,通過該技術(shù)可將外部串行閃存映射到微控制器內(nèi)存,實(shí)現(xiàn)片上內(nèi)存讀取效果。SPIFI為設(shè)計(jì)人員提供了一種創(chuàng)新解決方案,在保持系統(tǒng)性能的同時(shí)達(dá)到簡(jiǎn)化配置、縮小封裝體積、減少板載空間占用和節(jié)約系統(tǒng)成本的目的。
外部閃存的作用
采用32位微控制器(MCU)的嵌入式應(yīng)用目前越來越復(fù)雜,需要完成多媒體、照片和其他各種數(shù)據(jù)密集型內(nèi)容的管理任務(wù)。特別是人機(jī)接口系統(tǒng),用戶現(xiàn)在都希望有圖形顯示,通過窗口、圖片、動(dòng)畫、聲音和其他多媒體方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。此外,隨著市場(chǎng)的國(guó)際化,產(chǎn)品需要滿足多國(guó)語言要求,支持各種字母和字符。所有這些都對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)資源提出了更高要求。
大部分32位微控制器都配有片上閃存,用于支持各種數(shù)據(jù)密集型功能,但是這種內(nèi)存容量有限,通常無法滿足整體應(yīng)用要求。片上閃存通常不足1Mb,雖然能夠解決主要應(yīng)用代碼存儲(chǔ),卻無法滿足其他應(yīng)用資料的保存要求,比如:查找表單、圖像、照片、聲音文件、多國(guó)語言等。為此,設(shè)計(jì)人員通常要使用外部閃存。
與片上閃存相比,外部閃存成本要低很多,而且通常都有8Mb以上的現(xiàn)貨。使用外部閃存可以增加系統(tǒng)靈活性,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能夠更新升級(jí)軟件。
并行閃存與串行閃存的艱難選擇:對(duì)于外部閃存選型(串行和并行),設(shè)計(jì)人員通常要綜合評(píng)估,折衷考慮。并行閃存的速度通常比串行閃存快,但需要使用更多管腳、PCB布線和板載空間。
圖 串行和并行閃存的典型傳輸速率
上圖給出了串行和并行閃存典型的數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)于并行閃存,圖中假定無緩沖,固定存取時(shí)間為90ns?;谏鲜鰲l件,16位并行閃存的最大傳輸速率22Mb/s。對(duì)于串行閃存,最大時(shí)鐘頻率80MHz的每位傳輸速率為80Mb/s,四通道串行閃存最大傳輸速率為40Mb/s。雖然該計(jì)算忽略了控制位,但四通道SPI閃存支持burst位,而SPIFI接口支持該功能,因此SPIFI接口可以達(dá)到上述傳輸速率。上圖的分析,通過下表可以明顯看出。
表 串行和并行閃存的典型傳輸速率
如上表所示,典型的16位并行閃存每秒傳輸速率為22Mb。對(duì)于使用32位微控制器和32位外部閃存通信總線的系統(tǒng)(如恩智浦產(chǎn)品),設(shè)計(jì)人員可以選擇使用兩個(gè)16位并行閃存達(dá)到40Mb/s的傳輸速率。但是,增加速度的同時(shí)也會(huì)增加成本。這種配置使用兩個(gè)獨(dú)立的并行閃存,每個(gè)閃存有數(shù)十個(gè)封裝管腳,無論是封裝尺寸、管腳數(shù)量,還是PCB空間占用,都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)人員的承受范圍。
串行閃存通常使用簡(jiǎn)單的四針串行外設(shè)接口(SPI),從空間占用、功耗和成本等因素考慮是并行閃存的理想替代產(chǎn)品,但是傳輸速率非常低。通過上圖和上表我們可以看到典型SPI閃存50MHz的傳輸速率僅為5Mb/s,而采用兩個(gè)16位并行閃存配置系統(tǒng)的傳輸速率是其8倍。另一個(gè)問題就是大多數(shù)微控制器SPI接口都與MCU外設(shè)矩陣連接,處理器訪問數(shù)據(jù)前必須先由驅(qū)動(dòng)器代碼接收到內(nèi)容并保存在板載RAM中。由于每次讀取串行閃存都要通過SPI軟件層,因此速度無法提高。對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口的外部閃存應(yīng)用,速度可能無法滿足要求。
新型四通道SPI閃存采用改進(jìn)的6針SPI配置,數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的SPI接口。如表所示,四通道SPI每秒最大傳輸速率可達(dá)40Mb,與兩個(gè)16位并行閃存速度相當(dāng)。由于減少了管腳數(shù)量和封裝尺寸,與并行方案相比,四通道SPI串行閃存可有效降低成本。雖然四通道SPI閃存完全可替代嵌入式系統(tǒng)中的并行閃存,但目前32位微控制器設(shè)計(jì)并不支持四通道SPI閃存的最大傳輸速率。這主要是因?yàn)樗耐ǖ繱PI接口與傳統(tǒng)的SPI接口連接方式相同,直接連接了微控制器外設(shè)矩陣。
恩智浦新開發(fā)的SPI閃存接口(SPIFI)可以徹底解決并行/串行閃存的選型困擾。已申請(qǐng)專利的SPIFI外設(shè)可以將低成本SPI和新型四通道SPI閃存映像到ARM Cortex-M3內(nèi)存中。與外部并行閃存方案相比,使用SPI外部閃存的MCU性能損失非常小。由于外部SPI閃存完整的內(nèi)存空間可以映像到MCU內(nèi)存中,微控制器對(duì)外部閃存直接訪問,無需使用軟件API或庫。
例如,使用四通道SPI閃存,SPIFI外設(shè)傳輸速率可達(dá)40Mb/s。設(shè)計(jì)人員可以選擇更便宜的SPI閃存器件,在保證性能的基礎(chǔ)上縮小腳位尺寸,簡(jiǎn)化配置。由于系統(tǒng)無需針對(duì)外部并行閃存使用龐大的接口設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)人員還可以選擇體積更小、成本更低的微控制器。嵌入式系統(tǒng)采用SPIFI外設(shè)可以提高內(nèi)存資源利用率,縮小尺寸,提高效率,降低系統(tǒng)總成本。
SPIFI外設(shè)是恩智浦LPC1800系列ARM Cortex-M3微控制器率先采用的一種專用技術(shù)。此外,即將面市的新產(chǎn)品還包括低成本Cortex-M0系列和Cortex M4數(shù)字符串行控制器(DSC)。
SPIFI支持目前市場(chǎng)上大部分串行閃存器件(含四通道讀/寫產(chǎn)品),配置編程非常簡(jiǎn)便,采用4/6引腳設(shè)計(jì)(取決于串行閃存類型),支持小型寄存器組,優(yōu)化內(nèi)存事務(wù),其軟件指令可降低CPU開銷,提高內(nèi)存數(shù)據(jù)交換效率。
SPIFI工作原理:下圖給出了SPIFI外設(shè)的功能框圖。SPIFI功能塊與微控制器應(yīng)用的高速總線(AHB)矩陣連接,后者主要用于處理器內(nèi)核和片上內(nèi)存。SPIFI將外部SPI閃存內(nèi)容映射到微控制器內(nèi)存中。當(dāng)片上ROM啟動(dòng)代碼激活SPIFI接口后,外部SPI內(nèi)存與核心處理單元上的片上內(nèi)存功能完全相似。
圖 SPIFI外設(shè)功能框圖
初始化序列:SPFI接口的所有驅(qū)動(dòng)程序全部保存在ROM中。對(duì)于讀取操作,只需一個(gè)例程調(diào)用指令即可啟動(dòng)SPIFI外設(shè)。初始化序列結(jié)束后,整個(gè)SPI閃存可以象正常內(nèi)存一樣由處理器和/或DMA通道按字節(jié)、半字、整字訪問。擦除和編程通過簡(jiǎn)單的API指令訪問ROM命令調(diào)用即可,因此,使用外部SPI閃存與片上內(nèi)存幾乎沒有差別。
從SPIFI啟動(dòng):對(duì)于需要微控制器從外部串行閃存啟動(dòng)的系統(tǒng),恩智浦LPC1800微控制器已配置了SPIFI啟動(dòng)功能。啟動(dòng)源的選擇有兩種方法:第一種是使用微控制器引腳確定啟動(dòng)源的接口;第二種由用戶在非易失性內(nèi)存中編程選擇啟動(dòng)接口。使用非易失性內(nèi)存編程可保留引腳的雙重功能。
物理接口:下圖給出了SPIFI外設(shè)的物理接口。本示例對(duì)于傳統(tǒng)SPI閃存采用了標(biāo)準(zhǔn)的4引腳配置,如果是四信道SPI閃存,還需要增加兩個(gè)引腳以支持四信道功能。
圖 SPIFI外設(shè)物理接口
不同的串行閃存廠商和產(chǎn)品需要不同的命令和命令格式。SPIFI外設(shè)為此提供了足夠的支持,可兼容大部分SPI閃存及衍生產(chǎn)品,確保今后產(chǎn)品的兼容性。
小寄存器組:SPIFI外設(shè)小寄存器組既保證了接口的功能又簡(jiǎn)化了操作,通過8個(gè)寄存器控制SPIFI功能,連接外部SPI閃存,保存和檢索數(shù)據(jù)以及監(jiān)控操作。由于設(shè)置、編程、擦除等工作均由集成的ROM API處理,因此外部SPI內(nèi)存操作只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)用命令??傮w來看,SPIFI外設(shè)配置簡(jiǎn)單,應(yīng)用方便。
軟件命令:當(dāng)軟件讀取內(nèi)存映射的串行閃存內(nèi)容時(shí),外部閃存可以識(shí)別并接受微控制器軟件發(fā)送的和SPIFI外設(shè)自動(dòng)發(fā)送的命令。這些命令可分為操作代碼、地址、中間和數(shù)據(jù)等字段,其中。地址、中間和數(shù)據(jù)字段為可選字段,這主要取決于操作代碼。部分閃存支持“讀”命令解釋操作代碼模式,以提高系統(tǒng)性能。根據(jù)操作代碼不同,數(shù)據(jù)字段可進(jìn)一步分為輸入和輸出數(shù)據(jù)字段。所有發(fā)送到外部SPI閃存的命令都可以通過調(diào)用ROM API指令進(jìn)行處理。SPIFI ROM API驅(qū)動(dòng)器允許通過簡(jiǎn)單的加載命令訪問外部SPI閃存內(nèi)容,保證應(yīng)用操作代碼延續(xù)其緊湊和易寫的特點(diǎn)。
獨(dú)立于CPU的運(yùn)行:SPIFI軟件可讀取外部閃存數(shù)據(jù),并將其寫入RAM或外設(shè),無需CPU支持。比如,對(duì)于集成LCD控制器的微控制器,此功能可以提高系統(tǒng)性能,節(jié)約功耗。外部閃存可以保存圖像并通過LCD控制器讀取。由于LCD控制器大多數(shù)按地址順序讀取數(shù)據(jù),SPIFI外設(shè)可根據(jù)需要預(yù)先獲取地址,無需等待。整個(gè)操作無需CPU參與,也不用將圖像加載到片上RAM,而由LCD控制器直接獲取。因此,系統(tǒng)對(duì)微控制器片上RAM的容量要求不高,或者可將現(xiàn)有RAM釋放出來用于完成其他任務(wù)。由于LCD控制器直接獲取圖像,LCD顯示屏圖像刷新速度更快,簡(jiǎn)單的開關(guān)窗口等操作顯得更加平滑流暢。另外,為降低功耗,系統(tǒng)還可以使用低時(shí)鐘速率運(yùn)行,不會(huì)對(duì)顯示性能有太大影響。
直接執(zhí)行代碼:從軟件的角度看,微控制器可以直接執(zhí)行外部SPI閃存中的代碼。直接執(zhí)行代碼有利于在線升級(jí)或者更新片上閃存的出廠功能。外部閃存可以存放通過驗(yàn)證的升級(jí)代碼。例如,如果系統(tǒng)功能地址保存在片上閃存的表單中,通過外部閃存的例程地址即可對(duì)該表單重新編程?;蛘?,如果包含原始例程起始信息的內(nèi)存頁保存在片上閃存中,通過外部分支長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)到外部閃存的新例程即可更新內(nèi)存頁。對(duì)于上述兩例,由于SPIFI外設(shè)可以實(shí)現(xiàn)外部閃存代碼直接執(zhí)行,因此新代碼無需加載到片上RAM。
通過外部閃存執(zhí)行代碼的速度遠(yuǎn)不及片上內(nèi)存。SPIFI外設(shè)設(shè)計(jì)并非針對(duì)需要峰值性能的實(shí)時(shí)運(yùn)行功能,但是對(duì)于執(zhí)行非關(guān)鍵代碼序列,SPIFI具有很大的吸引力。
寫/執(zhí)行并行操作功能:SPIFI支持寫功能和執(zhí)行功能同時(shí)進(jìn)行,換句話說,即使處理器正在執(zhí)行片上閃存代碼,也可以快速方便地對(duì)外部閃存進(jìn)行編程和擦除。由于SPIFI外設(shè)可以獨(dú)立運(yùn)行,不受CPU影響,因此在外部串行閃存編程的同時(shí),系統(tǒng)可以繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。
由于系統(tǒng)在執(zhí)行關(guān)鍵應(yīng)用代碼的同時(shí)可以對(duì)外部閃存進(jìn)行寫操作,因此該功能可用于在線軟件更新。例如,智能電表即使在更新軟件時(shí)也需要不間斷工作。利用SPIFI,公用工程公司可以配置系統(tǒng),向外部閃存寫入任何代碼,無需中斷智能電表的計(jì)量工作,最后再將新代碼集成到系統(tǒng)中。同樣,對(duì)于使用USB端口的系統(tǒng),新代碼可以先保存在便攜式USB驅(qū)動(dòng)器中,再傳輸?shù)酵獠块W存,無需中斷重要操作。
恩智浦LPC1800 ARM Cortex-M3微控制器首次采用的SPI閃存接口技術(shù)可以將外部閃存映射到微控制器內(nèi)存中,實(shí)現(xiàn)片上內(nèi)存功能。此項(xiàng)技術(shù)為設(shè)計(jì)人員帶來更多的外置閃存選擇機(jī)會(huì),同時(shí)降低系統(tǒng)成本,縮小封裝尺寸。SPIFI外設(shè)為設(shè)計(jì)人員提供了一種新的解決方案,可以利用低成本串行閃存替代昂貴的并行閃存,在縮小尺寸的同時(shí)仍能保證系統(tǒng)性能。串行閃存的低成本、小尺寸和簡(jiǎn)化配置等眾多優(yōu)勢(shì)從此得以應(yīng)用,而對(duì)系統(tǒng)性能的影響非常小。利用SPIFI,設(shè)計(jì)人員還可以選擇無并行接口的微控制器,以小型低成本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所需性能。恩智浦的SPIFI技術(shù)可以推廣到其他Cortex-M產(chǎn)品上,包括低端Cortex-M0和即將上市的Cortex-M4數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)。
(五)集成度最佳MCU產(chǎn)品和解決方案
恩智浦LPC4300系列MCU產(chǎn)品方案
LPC4300是迄今為止集成度最佳的MCU產(chǎn)品,也是速度最快的ARM Cortex-M4微控制器。LPC4300是全球首款同時(shí)采用Cortex-M4和Cortex-M0內(nèi)核的Cortex-M架構(gòu)這種雙核架構(gòu)既提高了系統(tǒng)性能,簡(jiǎn)化了代碼劃分,同時(shí)不會(huì)增加太多成本、復(fù)雜度及功耗。
圖 恩智浦LPC4300系列MCU硬件框圖
雙核性能:LPC4300采用獨(dú)特的非對(duì)稱雙核架構(gòu),內(nèi)置兩個(gè)ARM處理器:一個(gè)Cortex-M4內(nèi)核用于實(shí)時(shí)處理,而另一個(gè)Cortex-M0內(nèi)核則用于實(shí)時(shí)控制,兩個(gè)內(nèi)核均可在204 MHz下運(yùn)行。
圖 LPC4300獨(dú)特的非對(duì)稱雙核架構(gòu)
便于大家理解這種獨(dú)特的非對(duì)稱雙核架構(gòu),我們舉了一個(gè)例子。下圖表示的是LPC4000對(duì)音頻信號(hào)處理時(shí),Cortex-M4內(nèi)核和Cortex-M0內(nèi)核各自所實(shí)現(xiàn)的職能:在對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理時(shí),首先由Cortex-M0內(nèi)核通過USB接口控制音頻信號(hào)的輸入;然后再由Cortex-M4內(nèi)核對(duì)信號(hào)盡心處理;經(jīng)處理后的信號(hào)通過I2S總線由Cortex-M0內(nèi)核控制輸出。
圖 LPC4000在對(duì)音頻信號(hào)處理時(shí)非對(duì)稱雙核架構(gòu)的表現(xiàn)
更多內(nèi)存:LPC4300提供雙組閃存來提高效率,此外還提供一個(gè)超大的DSP友好型SRAM。雙組閃存既可作為單個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)域一起使用,也可分開使用以同時(shí)支持不同的操作模式。SRAM共有五個(gè)存儲(chǔ)塊,不僅有專門優(yōu)化用于DSP功能、可通過Cortex-M4的高速總線進(jìn)行訪問的塊,也有與標(biāo)準(zhǔn)AHB矩陣連接的塊。這種分割塊/總線架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)CPU和DMA同時(shí)訪問,且可避免存儲(chǔ)器爭(zhēng)用問題。
高級(jí)外設(shè):LPC Cortex-M4系列延續(xù)了恩智浦增加更多外設(shè)選項(xiàng)的一貫思路,配備了所有客戶熟悉并喜愛的接口,包括:兩個(gè)高速USB 2.0接口,一個(gè)內(nèi)置了PHY;高分辨率全彩LCD接口;10/100以太網(wǎng)接口,支持硬件TCP/IP校驗(yàn)和計(jì)算;專用馬達(dá)控制功能
獨(dú)有可配置外設(shè):LPC4300還為您提供了其他同類產(chǎn)品無法企及的功能選項(xiàng);四通道SPI閃存接口(SPIFI) - 是增加閃存載荷的低成本方式;狀態(tài)可配置定時(shí)器(SCT) - 是用于高級(jí)定時(shí)/PWM生成的靈活系統(tǒng);串行通用IO (SGPIO) - 是用于創(chuàng)建任何串行/2b/4b/字節(jié)寬接口的可配置I/O。
(六)最易用開發(fā)工具
富士通半導(dǎo)體MB2100-01-E調(diào)試開發(fā)工具
MB2100-01-E是業(yè)內(nèi)第一款實(shí)現(xiàn)了通過JasPar進(jìn)行片上調(diào)試的開發(fā)工具;業(yè)內(nèi)第一款單線調(diào)試工具;USB2.0 HS bus與PC通信;從仿真工具到MCU的連線長(zhǎng)度可達(dá)10m,高達(dá)25Mbps通信速度;迷你尺寸(長(zhǎng)×寬×高)∶84.8mm×53.6mm×21.3mm;無需通過CPU操作,直接進(jìn)行內(nèi)存讀寫;可無縫支持16位和32位系列MCU。
圖 富士通半導(dǎo)體MB2100-01-E調(diào)試工具應(yīng)用圖示
該開發(fā)工具軟件下載速度極快,接口簡(jiǎn)單易用,體積小,采購(gòu)成本低。目前在富士通的針對(duì)汽車市場(chǎng)的16位MCU及32位MCU系列產(chǎn)品中,幾乎全部客戶都使用了該開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)。
系統(tǒng)配置:具體系統(tǒng)配置如下圖所示。
圖 富士通半導(dǎo)體MB2100-01-E調(diào)試開發(fā)工具系統(tǒng)配置圖
電子發(fā)燒友網(wǎng)編輯小結(jié):
提到智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、汽車電子,人們不會(huì)再陌生,這些領(lǐng)域正成為當(dāng)下的熱門應(yīng)用。這些應(yīng)用領(lǐng)域從概念到現(xiàn)實(shí)、再到直觀的體會(huì),然而MCU卻是整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程所必備的。正是有了MCU,這些熱門領(lǐng)域的智能化才真正成為可能。同時(shí),為了滿足當(dāng)前這些熱門應(yīng)用,MCU正朝著高集成度、低功耗、低成本的方向發(fā)展,而且是融合與分離并駕齊驅(qū)。
MCU的融合主要表現(xiàn)在向SoC方向發(fā)展。MCU接口越來越多,片上集成度越來越高。而且MCU將從單一產(chǎn)品向應(yīng)用場(chǎng)景下的集群轉(zhuǎn)變,從而實(shí)現(xiàn)功能的更加強(qiáng)大、多樣和高效。MCU的分離則表現(xiàn)在細(xì)分產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用上。一方面,MCU開始從通用型轉(zhuǎn)向細(xì)分的行業(yè)應(yīng)用上。此外,對(duì)性能的需求使得由原來的8位和16位MCU為主流的市場(chǎng)進(jìn)一步向32位MCU為主流過渡。MCU給我們帶來的智能生活,深入認(rèn)識(shí)、了解它對(duì)我們來說是非常必要的。
優(yōu)秀MCU廠商都是經(jīng)過市場(chǎng)和客戶的多重優(yōu)勝劣汰才能走到今天,并確立其超然地位的。但是想要在競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的MCU市場(chǎng)中繼續(xù)立于不敗之地或保持霸主地位,那就得找準(zhǔn)定位也能踏上屬于自己的“陽關(guān)道”(即:堅(jiān)持做出自己的特色,保持著對(duì)產(chǎn)品性能、功耗、安全、性價(jià)比等方面的追求)。然而無論怎樣出招,歸根結(jié)底就是要用新產(chǎn)品、新技術(shù)帶給客戶更多的價(jià)值。因?yàn)榭蛻舨辉谝馐鞘裁垂に嚕歉雨P(guān)心能夠降低多少功耗、增加什么性能、減少多少投入、提高多少開發(fā)易用性、縮短多少上市時(shí)間。
以上就是電子發(fā)燒友網(wǎng)編輯帶來的2012年MCU優(yōu)秀產(chǎn)品及相關(guān)解決方案相關(guān)介紹。希望能對(duì)大家有所幫助,同時(shí)也歡迎大家積極參與討論。文中有哪些好的、不好的、需要完善或者論點(diǎn)出現(xiàn)偏差的地方,大家多多指正。
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