為手持終端測(cè)量應(yīng)用選擇微控制器

為測(cè)量應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)奈?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/控制器">控制器 (MCU) 已日益成為一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)楦鞣NMCU 在成本、外設(shè)設(shè)計(jì)與組合、CPU 架構(gòu)及板上集成度等方面的差別日趨增大。就便攜式工業(yè)測(cè)量應(yīng)用而言，人們最看重的因素是電池的使用壽命、高性能的模擬外設(shè)以及適當(dāng)?shù)挠脩艚涌冢@些因素決定著哪種 MCU 將成為測(cè)量應(yīng)用的最佳選擇。
較長(zhǎng)的電池使用壽命
為了盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命，設(shè)計(jì)方案必須將平均電流消耗最小化。設(shè)計(jì)人員不僅應(yīng)考慮操作參數(shù)，而且還應(yīng)計(jì)算出所有操作條件下的平均功耗。如果貿(mào)然做出決定，那么設(shè)計(jì)人員可能就會(huì)犯下用電方面的錯(cuò)誤，導(dǎo)致電量消耗過(guò)大。目前的低功耗 MCU 可提供有源模式、待機(jī)模式及斷電模式等多種操作模式。在主動(dòng)模式下，所有時(shí)鐘都處于工作狀態(tài)；待機(jī)模式下，CPU 時(shí)鐘處于非工作狀態(tài)，但運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘，等待中斷事件喚醒 CPU；通常 MCU 都具有不同級(jí)別的待機(jī)工作模式。在斷電模式下，所有時(shí)鐘都處于非工作狀態(tài)，等待中斷事件喚醒 CPU。為了了解不同工作模式的功耗，我們必須要考慮數(shù)據(jù)表以外的特性。一些數(shù)據(jù)表給出的電流消耗是在不切實(shí)際的操作條件下的情況。為了了解準(zhǔn)確的情況，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用環(huán)境中，根據(jù)特定的工作電壓與工作溫度情況來(lái)比較不同操作模式下的最大電流功耗，通常就鋰離子電池而言，電壓為 3V，工作溫度為 25oC。
延長(zhǎng)電池使用壽命的另一種辦法，就是盡可能縮短待機(jī)或斷電模式到有源模式間的轉(zhuǎn)換時(shí)間。一些廠商推出了“隨需即用”型時(shí)鐘源，專為中斷斷言后立即提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源而設(shè)計(jì)。
MCU 可用標(biāo)志輪詢或中斷矢量來(lái)喚醒 CPU。中斷驅(qū)動(dòng)型架構(gòu)可大幅節(jié)約功耗，因?yàn)镃PU能立即響應(yīng)于任何事件，不必為輪詢外設(shè)而浪費(fèi)電流。
待機(jī)模式的功耗低于有源模式。我們所選的 MCU 必須讓 CPU 的待機(jī)電流盡可能減小。專為降低功耗而設(shè)計(jì)的MCU能用定時(shí)器和數(shù)據(jù)自動(dòng)觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換，不必通過(guò)直接存儲(chǔ)器存取 (DMA) 和緩存采樣來(lái)進(jìn)行 CPU 干預(yù)。CPU 空閑時(shí)，可用作其它工作，這有助于提高系統(tǒng)吞吐能力，此外我們也可以關(guān)閉 CPU，以降低應(yīng)用的平均功耗。
最小化漏電流對(duì)降低功耗至關(guān)重要。對(duì)大多數(shù)便攜式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，終端產(chǎn)品大多數(shù)時(shí)間都不工作，因此漏電流決定著平均電流消耗的大小。我們要計(jì)算整個(gè)端口的漏電流，并確保端口配置能夠最小化電流消耗。
我們應(yīng)分別評(píng)估 MCU 中的不同功能，以了解其對(duì)電流消耗的影響。舉例來(lái)說(shuō)，在集成欠壓保護(hù)功能時(shí)就要非常小心。在插入電池或電源降至正常電源規(guī)范以下但又高于接地電壓時(shí)，就可能發(fā)生欠壓。大多數(shù) MCU 都集成了欠壓保護(hù)功能，但這會(huì)使平均電流消耗增加 20uA～70uA。選擇 MCU 時(shí)，要注意避免在增加保護(hù)機(jī)制時(shí)提高電流消耗。
高性能模擬
在進(jìn)行架構(gòu)決策時(shí)，我們要考慮模擬方面的要求。我們要仔細(xì)研究 MCU 產(chǎn)品系列提供的外設(shè)，確保它能滿足目前及未來(lái)各種需求。舉例來(lái)說(shuō)，MSP430 系列中的某些產(chǎn)品包括 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低功耗運(yùn)算放大器，因此非適用于合便攜式測(cè)量應(yīng)用。選擇 MCU 產(chǎn)品系列時(shí)，要確保該產(chǎn)品系列能提供高性能的外設(shè)組合，這樣設(shè)計(jì)人員就能得到未來(lái)的集成發(fā)展策略。此外，如果現(xiàn)在還沒(méi)有能夠提供適當(dāng)模擬外設(shè)組合的MCU，我們也可以采用外部模擬外設(shè)，畢竟性能比集成度更重要。
如果 MCU 集成了外設(shè)，那么我們要考慮外設(shè)設(shè)計(jì)問(wèn)題，確保其在應(yīng)用過(guò)程中充分發(fā)揮其固有的作用。一些 CPU 的數(shù)據(jù)處理效率更高。一部帶 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的16 位 MCU 處理數(shù)據(jù)的速率快于 8 位 MCU。16 位 MCU 可以在一個(gè) 16 位寄存器中進(jìn)行采樣，而 8 位 MCU 則要在兩個(gè) 8 位寄存器中處理采樣。
用戶接口
設(shè)計(jì)的另一因素就是高效集成應(yīng)用所需的所有用戶接口，其中包括鍵盤、顯示器和通信端口等。鍵盤功能非常簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)人員要確保應(yīng)用能夠中斷并高效處理鍵盤按鍵操作。液晶顯示器 (LCD) 通常用于向用戶提供反饋信息，其成本、功耗都較低。大多數(shù)制造商都采用定制的顯示器，以滿足設(shè)計(jì)人員的需要，不管顯示什么字符和符號(hào)，都盡可能減小系統(tǒng)和顯示器所用的電壓。在選擇 MCU 時(shí)，要確保不用CPU 定期更新顯示器。設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解 MCU 能支持多少片段，應(yīng)用又能支持多少片段。
通信端口是另一種用戶接口。我們可采用多種通信方案，其中包括I2C、RS-232、 RS-485 和 RF 等。我們要認(rèn)真考慮在MCU 中如何實(shí)施通信技術(shù)。我們可根據(jù)所需波特率選擇軟硬件，其中包括低成本的軟件解決方案，但通常會(huì)占用 MCU 一定的資源。
MSP430FG43x 系列是一個(gè)很好的例子，反映了我們以上所述的所有問(wèn)題（見圖1）。在本例中，12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以 4096 步長(zhǎng)的分辨率對(duì)高精度電壓源傳感器采樣，傳感器信號(hào)在采樣滿足所需動(dòng)態(tài)范圍前已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)放大。前置放大器的非反相輸入由 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器偏置，以實(shí)現(xiàn)精密微調(diào)。系統(tǒng)采用電池供電，當(dāng)電源電壓低于規(guī)定的最小電壓時(shí)通過(guò)電源電壓監(jiān)控 (SVS) 電路來(lái)重設(shè)應(yīng)用。LCD 顯示器向用戶顯示測(cè)量結(jié)果。
表1.0
微控制器選擇核對(duì)表
延長(zhǎng)電池使用壽命：
在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，在多種工作模式下均實(shí)現(xiàn)了功耗最小化
最短CPU喚醒時(shí)間
中斷驅(qū)動(dòng)式架構(gòu)
最小漏電流
外設(shè)無(wú)需 CPU 干預(yù)就能工作
專為降低功耗而設(shè)計(jì)的功能（舉例來(lái)說(shuō)，欠壓復(fù)位時(shí)不會(huì)造成額外功耗）
高性能模擬：
產(chǎn)品系列支持不同的高性能外設(shè)組合
不要為了集成而犧牲外設(shè)的性能
要使用不占用CPU資源的外設(shè)
要使用數(shù)據(jù)采樣效率較高的 CPU，如 16 位架構(gòu)
用戶接口：
鍵盤采用中斷驅(qū)動(dòng)型端口
使用低功耗液晶顯示器
根據(jù)波特率要求選擇軟硬件通信端口
圖 1. MSP430FG43x 系列集成了高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器，專為典型的便攜式測(cè)量應(yīng)用而優(yōu)化。