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上海长方光学仪器有限公司

选择32位单片机简化开发工作

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【导读】传统上,选择32位单片机(MCU)的关键因素在于中央处理单元(即内核CPU)的选择。直到最近,32位MCU已有基于多种内核(包括某些情况下的专有架构)的产品。因此,嵌入式设计人员要...

传统上,选择32位单片机(MCU)的关键因素在于ZY处理单元(即内核CPU)的选择。直到Z近,32位MCU已有基于多种内核(包括某些情况下的专有架构)的产品。因此,嵌入式设计人员要么继续使用一种内核,要么需要花费更多时间学习新的硬件知识和移植现有软件代码。过去几年里,MCU产品中ARMCortex内核的出现改变了嵌入式的原有状态。开发人员把注意力从专用32位内核向基于ARMCortex处理器的MCU转移,这样可以改变向单一供应商订购MCU的局面。基于ARM处理器的MCU的生态系统已经日益壮大,这包括第三方编译器、实时操作系统、软件协议栈、LCD图形显示等。目前,大多数主流MCU供应商都生产基于ARM处理器的产品,这使得ARMCortex内核成为了32位MCU事实上的标准。

选择基于标准内核的32位MCU提供了较以往更多的选择,因此,为特定应用选择合适的MCU需要考虑多种因素,困难大大增加。首先,开发人员需要基于多个关键参数减少备选MCU的数量,例如存储大小、输入输出引脚数量和通信接口等。可能有多个供应商的基于ARM处理器的MCU产品能够满足基本需求清单,因此,开发人员需要通过其他重要因素进一步缩小选择范围,例如:混合信号集成度、可配置性、功耗和开发难度等。

选择集成通用器件的32位MCU能够帮助开发人员减少整体系统成本、降低设计复杂度并缩短开发时间。例如,SiliconLabsPrecision32混合信号MCU具有多种其他MCU通常不具备的集成特性,例如USB振荡器、5V稳压器、6个可编程高驱动能力引脚(可提供高达300mA电流),以及16个电容感应输入通道(用于触摸按键或滑动条)。高集成度可以减少多个分立元器件,提供更加灵活的供电选择,从而节省BOM成本,简化开发流程。

为了解使用高集成度混合信号MCU所带来的好处,我们来研究一下典型的条形码扫描仪。为了读取条形码,扫描仪向由电机提供动力的振动反射镜发射激光(见图1)。激光照射到条形码,然后条形码图像被电荷耦合器件(CCD)传感器捕获。CCD传感器类似照相机,一次能够捕获一行像素,比如1×1024像素。模拟光强度信号Z后传输到模数转换器(ADC)。具有大电流驱动能力的MCU消除了过去用于驱动激光和电机的功率晶体管。选择可为CCD传感器提供时钟同步接口的MCU也可以简化设计人员的工作。

Z好的情况是,MCU的ADC能够与快速的CCD摄像头保持同步(通常大于1MSPS)。对于5V的CCD传感器,电源管理IC在大多数设计中也必不可少,它为传感器提供输入电压,MCU和其他器件则需要3.3V输入电源。

在这个条形码范例中,Precision32SiM3U1xxUSBMCU可以驱动同步时钟到传感器,轻松做到与快速CCD采样速率同步,同时能够通过3.3-5VDC-DC升压控制器为传感器提供电源,从而进一步降低系统元器件数量。此外,在USB供电的扫描仪中,Precision32MCU具有片内稳压器,可以直接从USB获取电源;片内48MHz振荡器具有能够锁定USB信号的创新时钟恢复电路,精度高于0.25%,使USB运行无需外部晶体。条形码扫描仪中还集成了其他功能:当扫描成功时可直接驱动蜂鸣器提醒用户;使用电容触摸按键代替机械按键;以及为无线扫描仪提供硬件加密数据保护。

设计中需要考虑的另一个重要因素是灵活性能够快速而轻松地适应变化,并且不增加开发成本。为了加快研发进度,设计人员通常在之前项目的基础上进行修改设定以适应新的需求。然而,要想有效达到设计要求,重要的是能够选择和修改MCU外设及其布局。大多数MCU为外设提供了预置位置和固定的替代选择。预置引出线通常会导致引脚冲突,迫使开发人员改变其设计,或改用更大、更昂贵的封装。理想的方案是采用SiliconLabsZL技术双crossbarMCU架构(如图2所示),开发人员可以首先选择所需外设,然后再决定外设引脚的位置,这赋予开发人员更大的灵活性。

选择Z佳的所需外设通常意味着可以采用体积更小、性价比更高的封装。例如,在需要4个带流量控制UART(16个引脚)和2个SPI(6个引脚)的通信集线器中,开发人员仅需选择一款略高于22个I/O的MCU即可。然而,如果使用标准的固定架构,4个UART和3个SPI可能需要64引脚甚至100引脚的封装才能满足合适的外设组合。采用灵活可配置的crossbar技术,开发人员可以很容易地在40引脚封装中实现这种外设组合,另外还有几个引脚空闲。此外,通过优化外设位置,开发人员可以把外设放置到其连接电路的附近,这样既可以缩短导线长度,也可以潜在地减少PCB的设计层数。Z重要的是,Z终设计变动可以通过软件轻松实现。例如,如果通信集线器需要带SPI接口的另一IC,没有问题只需修改软件,就可以轻松地将第三个SPI端口添加到同一封装中。

灵活的crossbar架构会带来许多好处,那么高可配置的crossbar架构MCU有没有缺点呢?一些开发人员担心crossbar架构会导致编程更复杂。为了简化开发人员的工作,SiliconLabs提供了创新的AppBuilder工具用于简化初始化和配置的免费软件开发工具。基于GUI的AppBuilder工具能够使开发人员快速地以图形化的方式选择其外设组合、配置外设属性、设定时钟模式和自定义引脚功能,所有这些都无需阅读数据手册。AppBuilder甚至能够产生用于主流编译器的源代码,例如Keil、IAR和GCC。

选择32位MCU的Z后一个重要因素是电源效率。实际上,超低功耗已经成为各种嵌入式应用中Z为关心的一个问题。现在随着人们对“绿色环保”和降低能耗的重视,设计人员必须密切关注其整体功耗预算。许多方法都可以降低能耗,如何有效降低能耗取决于Z终应用。例如,血糖监测仪,患者每日使用的次数很少,绝大多数时间监测仪都处于深度休眠状态。因此,在这个应用中,尽量降低休眠模式的功耗尤为重要。

另一方面,对于传感器节点设备,需要不间断地监测事件状态。如果传感器节点连续监测事件,就必须一直处于工作模式。真是这样么?事实并非如此!传感器节点可以进入休眠模式,快速唤醒,检测事物(例如检测烟雾)是否正在发生,然后再进入休眠状态。在类似的系统中,重要的是具有支持实时时钟(RTC)唤醒的低功耗休眠模式,可以进行有规律的唤醒,例如每100μs。快速唤醒时间也非常重要,处理器可以快速运行固定的命令去检测是否有事件正在发生。

而有些应用不能进入休眠模式,例如工厂生产线设备。在这些应用中,使用具有低功耗有功电流的MCU就显得非常重要。另外,还可以运用其他诀窍节省功耗,例如,降低运行频率,只采用满足特定任务所需的处理速度。

很难找到能同时满足超低功耗休眠模式、活动模式、唤醒时间和动态频率改变特性的32位MCU。Precision32MCU系列产品通过提供多种低功耗选择来满足这些要求,如图3所示。Precision32MCU系列产品可以在低于100nA电流下运行,包括掉电检测和4kBRAM保持功能;如果要启动实时时钟,则需额外增加250nA电流;选用模拟比较器则需要另外消耗400nA,甚至还可选用低功耗定时器和脉冲计数器。MCU能够在数微秒内从低功耗休眠模式中唤醒。另外,Precision32MCU拥有极低的275μA/MHz的活动模式电流,具有复杂的能够锁频到1~80MHz中任意频率的PLL,使开发人员可以优化功耗。


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2004-09-14 09:23:06
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