Kinetis M微控制器：面向計(jì)量方案的攻城利器

　　如果您觀察周圍，就會發(fā)現(xiàn)日常生活中計(jì)量設(shè)備無處不在。我說的是家里安裝的所有電表、燃?xì)獗?、水表以及?jì)熱表，更別提加油站和購物中心的流量表、秤和注冊系統(tǒng)了。目前生產(chǎn)的計(jì)費(fèi)設(shè)備由微控制器進(jìn)行電子控制。

　　在微控制器控制的典型計(jì)量應(yīng)用中，計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性首先取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度（A/D）、采樣頻率和足夠的計(jì)量計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍。另外，它還取決于軟件的可靠性，所以必須關(guān)注軟件對金融交易的影響。因此，半導(dǎo)體公司的目標(biāo)是，開發(fā)的微控制器不僅能滿足測量精度、計(jì)算吞吐量和能源消耗等基本技術(shù)要求，而且還具有足夠的靈活性，可以提供將“合法”計(jì)量從應(yīng)用的其他部分隔離的選項(xiàng)。

　　2013年10月，飛思卡爾推出了一個(gè)采用ARM® Cortex®-M0+內(nèi)核的全新微控制器系列 — Kinetis® M。除了許多高分辨率的模擬外設(shè)、數(shù)字定時(shí)器、通信接口和帶獨(dú)立電源和溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)時(shí)鐘外，這些微控制器還配備了硬件，控制接入存儲器、外設(shè)和集成在芯片上的I/O端口。

　　特性

　　圖1顯示了Kinetis M微控制器框圖。

圖 1 – 框圖

　　從上圖可以清楚看出，除了32位ARM Cortex-M0+外，微控制器還提供四個(gè)獨(dú)立的24位A/D轉(zhuǎn)換器（SD ADC），內(nèi)置可編程的放大器（PGA），轉(zhuǎn)換速度可達(dá)100 ksps。轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，再加上作原理（二階Sigma-Delta調(diào)制器），支持在所有通道同時(shí)或采用精確定義的延遲來測量雙極模擬信號，范圍從幾微伏到一伏。

　　包含的其他模擬模塊是兩個(gè)高速模擬比較器（HSCMP），擁有可編程的磁滯5-30 MV，一個(gè)12通道的16位SAR A/D轉(zhuǎn)換器，以及一個(gè)擁有精確的1.2 V電壓參考，溫度系數(shù)為33 ppm/°C。設(shè)計(jì)該參考電壓的目的不僅是適用于提到的所有模擬模塊，而且通過一個(gè)內(nèi)部放大器緩沖，它還可以用作板卡上其他電路的電壓參考源。但是，如果內(nèi)部參考電壓的參數(shù)不夠的話，微控制器的模擬模塊可以由外部1.2 V參考電壓供電。

　　飛思卡爾的目標(biāo)是設(shè)計(jì)非常適合計(jì)量應(yīng)用的可編程器件。因此，該Kinetis M微控制器系列不僅包括Kinetis家族的標(biāo)準(zhǔn)模塊，還包括其他產(chǎn)品線的典型模塊。例如，互連矩陣中的內(nèi)部信號、器件的輸入和輸出（XBAR）和四通道定時(shí)器（Quad Timer）是通常用于數(shù)字信號控制器（DSC）中的模塊。這些模塊允許應(yīng)用開發(fā)人員更精密地連接內(nèi)部外設(shè)，定義被測樣品之間的時(shí)間序列，還提供監(jiān)測內(nèi)部外設(shè)工作的選項(xiàng)。片上外設(shè)和I/O引腳連接XBAR模塊如圖2所示。

圖 2 – XBAR 信號和連接

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　　例如，這些模塊在一個(gè)典型的三相電表應(yīng)用中可以用于從相電流測量（三個(gè)24位SD ADC）觸發(fā)相電壓測量（三個(gè)16位SAR ADC通道）。其他使用領(lǐng)域包括自主測量模擬信號周期（頻率），檢測RS-485和RS-232鏈路、調(diào)制的IEC 1107和38K紅外通信的通信速度，連接外部模擬sigma-delta調(diào)制器和生成高穩(wěn)定性的校準(zhǔn)脈沖。

　　內(nèi)部時(shí)鐘生成模塊包含鎖頻環(huán)（FLL）、鎖相環(huán)（PLL）、低頻振蕩器（OSC32K）、高頻振蕩器（OSCMHZ）、32 kHz 和4/2 MHz的內(nèi)部參考時(shí)鐘（IRC）模塊。

　　最后還有重要的一點(diǎn)，我必須提到有助于應(yīng)用安全的模塊，包括符合家用電器安全標(biāo)準(zhǔn)（IEC 60730）的“看門狗”定時(shí)器、循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）加速器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（RNGA）和侵入檢測（Tamper）。

　　Kinetis M微控制器系列提供兩種存儲器配置和三種封裝。應(yīng)用開發(fā)人員可以選擇的存儲器配置有64 KB或128 KB Flash，封裝有44 LGA、64和100 LQFP。采用64和100 LQFP封裝的器件衍生產(chǎn)品均包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LCD控制器，可以處理的LCD段數(shù)分別為160段和288段。制造商保證溫度在–40°C 至+85°C范圍內(nèi)、電源電壓為1.71 V至3.6 V時(shí)，所有零部件都能正常工作。

　　表1列出了該器件的衍生產(chǎn)品、封裝和基本特性。

表1 – 器件的衍生產(chǎn)品和封裝

　　支持明確隔離相關(guān)合法軟件

　　國際法制計(jì)量組織（the International Organization of Legal Metrology，OIML）和歐洲國家法制計(jì)量合作組織（the European Cooperation in Legal Metrology，WELMEC）等國際組織為編寫軟件控制的計(jì)量儀器應(yīng)用程序提供咨詢指導(dǎo)，即針對用軟件將影響計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)的那部分應(yīng)用程序與該應(yīng)用程序的其他部分隔離而制定了條例。如果制造商根據(jù)這些指導(dǎo)方針開發(fā)了一個(gè)計(jì)量儀器，并在初始審核和驗(yàn)證過程中向被通知機(jī)構(gòu)（notified Body）提供了合規(guī)證明，那么它可以修改應(yīng)用程序的其他部分，而不需要重新審核，因而獲得了靈活性，大大節(jié)約了成本。

　　飛思卡爾在器件開發(fā)過程中很好地意識到了這點(diǎn)，因此我們增加了硬件來控制所有集成式存儲器、外設(shè)、I/O端口（參見圖3）的接入，充分利用這一優(yōu)勢。

圖 3 – 平臺

　　Kinetis M平臺由ARM Cortex-M0+內(nèi)核和兩個(gè)DMA控制器組成。這些主動(dòng)模塊（總線主機(jī)）以“用戶”或“特權(quán)”模式接入其他被動(dòng)模塊（總線從機(jī)）。被稱為雜項(xiàng)控制模塊（MCM）的這個(gè)額外模塊根據(jù)進(jìn)程標(biāo)識符（PID）的設(shè)置增加了指示“安全”或“不安全”狀態(tài)的訪問屬性。其結(jié)果是出現(xiàn)了硬件強(qiáng)制的三種狀態(tài)訪問的優(yōu)先模型：特權(quán)（安全）》安全用戶》非安全用戶。在計(jì)量應(yīng)用中，與“合法”計(jì)量相關(guān)的所有任務(wù)以“特權(quán)”模式處理，而應(yīng)用的其他部分以“用戶”模式運(yùn)行。

　　瞬時(shí)訪問由ARM Cortex-M0+內(nèi)核執(zhí)行，DMA控制器由存儲器保護(hù)單元（MPU）、外設(shè)橋（AIPS）和通用輸入輸出（GPIO）模塊進(jìn)行評估， 這樣根據(jù)用戶指定的標(biāo)準(zhǔn)，允許或拒絕訪問芯片硬件，即存儲器段、外設(shè)，I/O端口。

　　如果設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了訪問控制，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)置了訪問屬性，則微控制器平臺將自主排除任何會影響“合法”計(jì)量應(yīng)用部分的其他應(yīng)用部分的訪問。

　　開發(fā)工具

　　對于新的應(yīng)用開發(fā)，飛思卡爾提供TWR-KM34Z50M開發(fā)套件。該套件使用帶內(nèi)置虛擬串口的SWD（OpenSDA） 集成調(diào)試接口，能快速、容易地開發(fā)應(yīng)用。虛擬串口加上FreeMASTER驅(qū)動(dòng)和PC機(jī)應(yīng)用程序可以監(jiān)測在微控制器器件上運(yùn)行的應(yīng)用所出現(xiàn)的任何靜態(tài)變量和全局變量 。

　　除了連接微控制器的連接器，80×90 mm的印刷電路板還包括以下線路：160段LCD，MMA8491Q 三軸加速度傳感器，一個(gè)帶USB接口的七通道可編程正弦波發(fā)生器，NTC型IRDA溫度傳感器，幾個(gè)LED和按鍵。開發(fā)套件可以單獨(dú)使用或與TowerTM模塊系統(tǒng)的其他I/O卡一起使用（見圖4）。

圖 4 – TWR-KM34Z50M 開發(fā)套件

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　　可以通過支持ARM Cortex-M0+內(nèi)核的開發(fā)工具輕松地配置微控制器。例如，您可以使用面向ARM 6. 70的IAR Embedded Workbench開發(fā)工具。即，該工具的Kickstart版（IAR系統(tǒng)免費(fèi)提供），使您能夠創(chuàng)建一個(gè)16KB或更小的應(yīng)用。對于代碼達(dá)64KB的更高應(yīng)用，您可以使用CodeWarrior® IDE for MCU’s 10.5特別版。免費(fèi)工具包含一個(gè)C編譯器、匯編器、鏈接器和調(diào)試器工具，可從Eclipse IDE內(nèi)獲得（見圖5）。

圖5 – CodeWarrior IDE for MCU’s 10.5 開發(fā)環(huán)境

　　CodeWarrior開發(fā)工具的商業(yè)版以及免費(fèi)版的一個(gè)主要部分是處理器專家（Processor Expert®）軟件。使用該工具，您只需用鼠標(biāo)選擇參數(shù)就可以編寫應(yīng)用程序。處理器專家軟件建模工具不斷檢查參數(shù)設(shè)置、生成C代碼。不僅初學(xué)者，就連有經(jīng)驗(yàn)的程序員也經(jīng)常使用該工具來預(yù)置微控制器。使用該工具，您可以創(chuàng)建一個(gè)簡單的應(yīng)用，無需架構(gòu)知識和特定微控制器的寄存器。此外，所生成的代碼不會包含過多的冗余代碼。

　　顯然，使用處理器專家軟件建模工具，，您可以不用像利用C預(yù)處理器親手編寫程序一樣編寫那樣的有效代碼。這種類型的編程主要供那些掌握了微控制器架構(gòu)和片上外設(shè)的有經(jīng)驗(yàn)的用戶使用。如果您屬于這一類程序員，您肯定會同意我的看法：要開發(fā)一個(gè)應(yīng)用程序，有一個(gè)包括“啟動(dòng)”模塊、中斷矢量定義表、連接器命令文件并經(jīng)良好測試的軟件示例以及片上外設(shè)裸金屬軟件驅(qū)動(dòng)就夠了。

　　被稱為“Kinetis M裸金屬驅(qū)動(dòng)和軟件示例” 安裝軟件包提供眾多軟件示例。當(dāng)前版本（EAR2.2）支持CodeWarrior IDE for MCU’s 10.5、IAR Embedded Workbench for ARM 6.70和Rowley CrossWorks for ARM 2.3開發(fā)工具。

　　片上外設(shè)軟件驅(qū)動(dòng)已被寫入，主要關(guān)注快速代碼執(zhí)行，與實(shí)例一起以源代碼的形式提供。安裝軟件包還能簡單實(shí)用地創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目。圖6顯示一張包含部分安裝軟件包的示例表。

圖 6 – 軟件示例表

　　小結(jié)

　　飛思卡爾Kinetis M微控制器系列基于90-nm的薄膜存儲器（TFS）工藝技術(shù)。它由時(shí)鐘頻率高達(dá)50 MHz的ARM Cortex-M0+內(nèi)核控制。內(nèi)部時(shí)鐘生成模塊包括鎖頻環(huán)（FLL）、鎖相環(huán)（PLL）、低頻振蕩器（OSC32K）、高頻振蕩器（OSCMHZ）和32 kHz和4/2 MHz的內(nèi)部參考時(shí)鐘（IRC）模塊。除了許多用于處理模擬信號的外設(shè)、數(shù)字定時(shí)器、LCD控制器、通信接口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘外，這些器件還包括一個(gè)“看門狗”定時(shí)器、16／32位CRC加速器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和一個(gè)用于侵入檢測的電路。Kinetis M微控制器系列提供64/128KB兩種存儲器配置和三種封裝：44 LGA、64和100 LQFP。

　　片上外設(shè)、封裝選項(xiàng)，以及最重要的、用于將影響計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)的那部分應(yīng)用與其他應(yīng)用部分隔離的硬件，使這些微控制器特別適合計(jì)費(fèi)計(jì)量設(shè)備。飛思卡爾目前提供一些參考設(shè)計(jì)，在單相、兩相和三相電表應(yīng)用中證明了這些器件的能力。

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