使用8位MCU的物聯(lián)網(wǎng)控制應(yīng)用

追溯到20世紀(jì)70年代，單片機(MCU)在控制各種汽車、消費品和工業(yè)產(chǎn)品方面發(fā)揮了重要作用。如今，單片機的應(yīng)用已擴展到包括便攜式、無線和可穿戴物聯(lián)網(wǎng)(IoT)產(chǎn)品。除了物聯(lián)網(wǎng)以外，醫(yī)療保健行業(yè)也出現(xiàn)了大規(guī)模發(fā)展，各種應(yīng)用中都采用了8位MCU。

具有8位MCU的嵌入式電子產(chǎn)品需要在規(guī)模經(jīng)濟中具有競爭力的設(shè)備(每個應(yīng)用需要數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個器件)。例如，在汽車應(yīng)用中，8位MCU控制許多子系統(tǒng)，如電動座椅和車窗、智能門把手，甚至輪胎壓力傳感器。這意味著幾美分的價格差相當(dāng)重要。應(yīng)用成本的另一方面是數(shù)百萬設(shè)備的維護成本，在設(shè)計階段通常會忽視這一點?？煽啃院驮O(shè)備耐用性可以通過簡化代碼和硬件來提高，而不需要軟件冗余。

多年來，8位MCU一直在發(fā)展并保持競爭力的原因在于，它能夠為用戶提供價值。這是通過在多個方面持續(xù)創(chuàng)新而實現(xiàn)的，特別是存儲器、功耗、封裝和獨立于內(nèi)核的外設(shè)(CIP)等方面。

8位MCU的顯著改進

隨著如今對物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注度的提升，同時整個城市都在使用智能設(shè)備進行升級，大規(guī)模實現(xiàn)智能的能力對于許多行業(yè)變得至關(guān)重要。這些升級包括智能路燈以及每個停車點的停車場探測器，而不僅僅是入口處的一個計數(shù)器。需要單片機的某些功能來打造支持物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境。具體可以歸結(jié)為三個功能：收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，以及隨后將數(shù)據(jù)傳輸給其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能力。

在許多情況下，數(shù)據(jù)的收集、處理和傳輸可以由具有片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的8位MCU完成，而設(shè)備的內(nèi)核會保持低功耗模式。例如，智能停車場中的傳感器/指示器、聯(lián)網(wǎng)路燈、自動化城市園藝和植物監(jiān)測都會用到該方法。當(dāng)系統(tǒng)日夜運轉(zhuǎn)時，每mW電力乘以數(shù)千倍實際上可以積累起來。

小型設(shè)備的優(yōu)勢和價值不僅體現(xiàn)在其降低的功耗方面，更體現(xiàn)在其更小巧的外形上，這使它們非常適合空間受限的便攜式電池供電類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。

最新一代單片機的開發(fā)正是基于這種價值理念。這些單片機采用新的流程，允許以低成本實現(xiàn)更大的存儲器，在為應(yīng)用提供所需功能的同時還會兼顧到用戶的成本。

存儲器

幾年前的單片機與目前市場上的器件有很大區(qū)別。這些單片機在當(dāng)時是革命性的產(chǎn)品，改變了嵌入式電路的適用范圍。如今，由于閃存的迅猛發(fā)展，通過編程使得單片機幾乎可以適用所有領(lǐng)域。

隨著應(yīng)用程序越來越復(fù)雜，新程序需要更多空間/存儲器。因此，新一代MCU在必要時會提供更大的存儲器，以滿足日益增長的代碼空間需求。

經(jīng)過嚴(yán)苛汽車測試的證實，嵌入式閃存可持續(xù)數(shù)年滿足要求，且具有極高的耐擦寫能力。這些功能為8位單片機的價值定位增加了新的維度。如今，8位單片機的存儲器大小范圍為最低384位到最高128 KB甚至更高，可滿足日益增長的應(yīng)用數(shù)量要求。

功耗

由于電池供電類應(yīng)用中用到了許多8位MCU，因此出現(xiàn)的重大變化之一是追求最低功耗。

例如，nanoWatt XLP超低功耗PIC® MCU包括專為電池供電類產(chǎn)品而設(shè)計的系統(tǒng)監(jiān)控電路。這意味著這些單片機可以為“運行”和“休眠”模式提供業(yè)界最低的電流，而超低功耗應(yīng)用中有90%-99%的時間都處于“運行”和“休眠”模式?！巴庠O(shè)模塊禁止”等電路從電源軌和時鐘樹中完全移除了外設(shè)，以實現(xiàn)零功耗泄漏。nanoWatt XLP技術(shù)的優(yōu)勢包括：

· 休眠電流低于20 nA

· 欠壓復(fù)位電流低至45 nA

· 看門狗定時器電流低至220 nA

· 實時時鐘/日歷電流低至470 nA

· 運行電流低至50 μA/MHz

· 完全模擬和自寫能力低至1.8V

這些低電流加起來可以延長電池壽命，非常適合便攜式應(yīng)用。通過優(yōu)化的外設(shè)，可以提高節(jié)能效果，這將在后面加以討論。

封裝

8位MCU與16位或32位MCU的另一個主要區(qū)別是小型封裝，這使8引腳器件非常適合安裝在空間受限的無線/便攜式和可穿戴產(chǎn)品的狹小空間中。例如，8引腳SOIC或8引腳DFN。常見的封裝是20引腳超薄正方扁平無引線封裝(VQFN)，其尺寸為3x3 mm。因為增加更多功能需要更多連接和更大封裝，但具有足夠功能的8位MCU可以安裝在無法使用16位或32位MCU的電路板空間中。

圖1. 許多新的PIC®和AVR®產(chǎn)品系列提供小到3x3 mm VQFN器件的各種封裝，非常適合空間受限的應(yīng)用

如果由于8位單片機功能的增加而使系統(tǒng)復(fù)雜性提高，導(dǎo)致需要更大區(qū)域和更多連接，那么也會使用更大的封裝，包括40引腳PDIP和VQFN以及44引腳TQFP版本。

獨立于內(nèi)核的外設(shè)

將單片機的某些功能從中央內(nèi)核中分離出來，可提供獨立于內(nèi)核的自主性和一些優(yōu)勢，尤其適合低功耗/低成本設(shè)計。這些獨立于內(nèi)核的外設(shè)增加了內(nèi)置功能來降低功耗，并通過模塊化設(shè)計簡化了觸摸界面的實現(xiàn)、傳感器數(shù)據(jù)積累和調(diào)節(jié)，以及將復(fù)雜的軟件實現(xiàn)簡化到硬件中等。

CIP設(shè)計了額外的功能來處理各種任務(wù)，無需單片機中央處理單元(CPU)的干預(yù)。這種設(shè)計方法提供了一種基于外設(shè)的預(yù)封裝式事件編程。例如，事件系統(tǒng)可以在多個通道上基于通用輸入/輸出(GPIO)或程序中斷來觸發(fā)事件。

圖2按外設(shè)類別以顏色區(qū)分顯示了8位PIC®和AVR®單片機目前可用的CIP。這八個類別及其子類別實現(xiàn)了經(jīng)濟高效型嵌入式控制器中預(yù)期的大部分功能。請注意，綠色部分為前面提到的部分提供了額外的降低功耗可能性。

圖2. 獨立于內(nèi)核的外設(shè)適用于各種8位MCU設(shè)計領(lǐng)域

CIP通過降低代碼開銷來提高可靠性。利用硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的功能避免了潛在的軟件沖突。此外，硬件中的外設(shè)互連減少了外部連接，從而提高了終端系統(tǒng)的可靠性。隨著組件可靠性的提高，整個項目生命周期內(nèi)的成本也會降低。

許多新的8位系列在存儲器和引腳數(shù)方面提供了大量選項。這些選項允許在大型設(shè)備上完成開發(fā)，并且實際代碼大小經(jīng)過優(yōu)化后，可將生產(chǎn)規(guī)模降低為適合使用小型設(shè)備。

例如，在用于成本敏感型傳感器和實時控制應(yīng)用的各種產(chǎn)品中，PIC16F152XX單片機系列的簡化功能集包括10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、外設(shè)引腳選擇(PPS)、數(shù)字通信外設(shè)和定時器。存儲器功能包括存儲器訪問分區(qū)(MAP)，可在數(shù)據(jù)保護和自舉程序中為用戶提供支持。

加速和簡化設(shè)計導(dǎo)入的設(shè)計工具

隨著開發(fā)工具的進步，許多必須硬編碼的過程可通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計工具簡化和產(chǎn)生，例如MPLAB®代碼配置器(MCC)。這樣可帶來諸多好處，不但有助于減少開發(fā)應(yīng)用程序所需的時間，還能夠?qū)崿F(xiàn)更精簡的代碼，這樣開發(fā)人員便無需進行多次代碼迭代或從頭開始編寫匯編代碼即可進行開發(fā)。例如，具有完整編程和調(diào)試功能的PIC16F15244 Curiosity Nano評估工具包(部件編號：EV09Z19A)可為新設(shè)計提供全面支持。

圖3. Curiosity Nano評估工具包簡化設(shè)計中的PIC16F15244 Curiosity Nano評估板和兩個100 mil，1x15引腳排針

最后，MPLAB X集成開發(fā)環(huán)境(IDE)為8位(以及16位和32位)MCU代碼開發(fā)提供了免費的開發(fā)環(huán)境，用來模擬、與硬件工具接口和訪問Microchip以及第三方插件。

廣闊(和經(jīng)濟高效的)前景

單片機歷史悠久，8位MCU通過在存儲器、功耗、封裝和外設(shè)方面的進步展示出巨大的靈活性和應(yīng)用創(chuàng)新。它們不僅具有復(fù)雜應(yīng)用所需的較大存儲器，而且還能提供用于簡化復(fù)雜應(yīng)用的各種方法。這種簡化既可以減少開發(fā)項目所花費的金錢/時間，也可以降低MCU投入生產(chǎn)時的成本。

如今，8位MCU不僅僅局限于數(shù)據(jù)收集，還支持在大量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中收集、處理和傳輸數(shù)據(jù)。全新的8位產(chǎn)品顯著增加了存儲器大小并優(yōu)化了外設(shè)，可滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用需求。不過，小型和經(jīng)濟高效型設(shè)計(包括傳感器和簡單實時控制應(yīng)用)均可從8位PIC16F152xx系列的簡化功能集中受益。憑借其獨立于內(nèi)核的外設(shè)，這些MCU顯然是大多數(shù)設(shè)計人員的理想選擇。