為手持終端測量應(yīng)用選擇微控制器

為測量應(yīng)用選擇適當?shù)?strong>微控制器 (MCU) 已日益成為一項嚴峻的挑戰(zhàn)，因為各種MCU 在成本、外設(shè)設(shè)計與組合、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?shù)挠脩艚涌冢@些因素決定著哪種 MCU 將成為測量應(yīng)用的最佳選擇。
較長的電池使用壽命
為了盡可能延長電池的使用壽命，設(shè)計方案必須將平均電流消耗最小化。設(shè)計人員不僅應(yīng)考慮操作參數(shù)，而且還應(yīng)計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)計人員可能就會犯下用電方面的錯誤，導(dǎo)致電量消耗過大。目前的低功耗 MCU 可提供有源模式、待機模式及斷電模式等多種操作模式。在主動模式下，所有時鐘都處于工作狀態(tài)；待機模式下，CPU 時鐘處于非工作狀態(tài)，但運行實時時鐘，等待中斷事件喚醒 CPU；通常 MCU 都具有不同級別的待機工作模式。在斷電模式下，所有時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際的操作條件下的情況。為了了解準確的情況，我們在實際應(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。
延長電池使用壽命的另一種辦法，就是盡可能縮短待機或斷電模式到有源模式間的轉(zhuǎn)換時間。一些廠商推出了“隨需即用”型時鐘源，專為中斷斷言后立即提供穩(wěn)定的時鐘源而設(shè)計。
MCU 可用標志輪詢或中斷矢量來喚醒 CPU。中斷驅(qū)動型架構(gòu)可大幅節(jié)約功耗，因為CPU能立即響應(yīng)于任何事件，不必為輪詢外設(shè)而浪費電流。
待機模式的功耗低于有源模式。我們所選的 MCU 必須讓 CPU 的待機電流盡可能減小。專為降低功耗而設(shè)計的MCU能用定時器和數(shù)據(jù)自動觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換，不必通過直接存儲器存取 (DMA) 和緩存采樣來進行 CPU 干預(yù)。CPU 空閑時，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。
最小化漏電流對降低功耗至關(guān)重要。對大多數(shù)便攜式應(yīng)用來說，終端產(chǎn)品大多數(shù)時間都不工作，因此漏電流決定著平均電流消耗的大小。我們要計算整個端口的漏電流，并確保端口配置能夠最小化電流消耗。
我們應(yīng)分別評估 MCU 中的不同功能，以了解其對電流消耗的影響。舉例來說，在集成欠壓保護功能時就要非常小心。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，就可能發(fā)生欠壓。大多數(shù) MCU 都集成了欠壓保護功能，但這會使平均電流消耗增加 20uA～70uA。選擇 MCU 時，要注意避免在增加保護機制時提高電流消耗。
高性能模擬
在進行架構(gòu)決策時，我們要考慮模擬方面的要求。我們要仔細研究 MCU 產(chǎn)品系列提供的外設(shè)，確保它能滿足目前及未來各種需求。舉例來說，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)換器和低功耗運算放大器，因此非適用于合便攜式測量應(yīng)用。選擇 MCU 產(chǎn)品系列時，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)計人員就能得到未來的集成發(fā)展策略。此外，如果現(xiàn)在還沒有能夠提供適當模擬外設(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)計問題，確保其在應(yīng)用過程中充分發(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 16 位寄存器中進行采樣，而 8 位 MCU 則要在兩個 8 位寄存器中處理采樣。
用戶接口
設(shè)計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。鍵盤功能非常簡單，但設(shè)計人員要確保應(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)計人員的需要，不管顯示什么字符和符號，都盡可能減小系統(tǒng)和顯示器所用的電壓。在選擇 MCU 時，要確保不用CPU 定期更新顯示器。設(shè)計人員應(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。我們要認真考慮在MCU 中如何實施通信技術(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，但通常會占用 MCU 一定的資源。
MSP430FG43x 系列是一個很好的例子，反映了我們以上所述的所有問題（見圖1）。在本例中，12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以 4096 步長的分辨率對高精度電壓源傳感器采樣，傳感器信號在采樣滿足所需動態(tài)范圍前已經(jīng)進行了預(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，以實現(xiàn)精密微調(diào)。系統(tǒng)采用電池供電，當電源電壓低于規(guī)定的最小電壓時通過電源電壓監(jiān)控 (SVS) 電路來重設(shè)應(yīng)用。LCD 顯示器向用戶顯示測量結(jié)果。
表1.0
微控制器選擇核對表
延長電池使用壽命：
在實際應(yīng)用環(huán)境中，在多種工作模式下均實現(xiàn)了功耗最小化
最短CPU喚醒時間
中斷驅(qū)動式架構(gòu)
最小漏電流
外設(shè)無需 CPU 干預(yù)就能工作
專為降低功耗而設(shè)計的功能（舉例來說，欠壓復(fù)位時不會造成額外功耗）
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)換器和運算放大器，專為典型的便攜式測量應(yīng)用而優(yōu)化。