业界论坛 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ 全新８位ＭＣＵ外设问世， 突 破嵌入式设计壁垒 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司ＭＣＵ８产品部亚太区业务拓展经理 徐进 不能达到ＣＬＣ那样的灵活性。 引 言 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ最新一代的８位单片机集成了所谓的“独 立于内核的外设”，将设计的灵活性提升到了一个新的水 平。从简单的数字定时器到复杂的ＡＣ／ＤＣ电源，这些可 配置外设与ＭＣＵ集成的智能模拟相配合，可实现均衡的 可定制解决方案来应对许多设计挑战。此外，新一代８位 ＭＣＵ突破了传统８位ＭＣＵ的不足，进一步拓宽了产品 的应用领域。 从４０多年前首款带只读存储器（ＲＯＭ）的ＭＣＵ问世 以来，单片机不断发展，从简单的逻辑控制器到带有模拟功 能的完全集成式的智能ＩＣ，８位ＭＣＵ的发展尤为突出。 另一个可配置模块——数控振荡器（ＮＣＯ）可用作２０ 位定时器或具有高分辨率、可变频控制的ＰＷＭ控制器， 如图１所示。这和传统的ＰＷＭ／定时器不同，彼此性能和 特性几乎完全相反。 ＮＣＯ具有更高的分辨率和线性频率控制功能，可通 过对电路电流的高精度控制来简化广泛应用于许多电源 应用中的复杂控制算法，例如带有调光功能的照明镇流器 控制应用。由于ＮＣＯ可提供变频控制来轻松改变警报声 音的音高，它还可用于驱动烟雾报警器的声音警报。通过 对所产生的频率实施更精细的控制，ＮＣＯ无需任何外部 模拟组件即可对生成声音的音调和音高进行更好的调节。 就传统的８位ＭＣＵ外设而言，每个模块仅设计用于执行 单一功能。而最新一代的８位ＭＣＵ在设计之初即旨在创 这种集成外设可以单独使用，但是把多个模块组合在一 起来创建不同的功能才是其真正的绝妙之处。例如，曼彻斯 建与传统完全不同的产品，这一变化更需要采用全新的终 端产品设计方法。这些新的８位ＭＣＵ集成了若干个独特 的外设，可以按需执行多个功能和任务。同时，设计人员可 特编码广泛应用于各种电信和数据存储应用。传统的曼彻 斯特算法需要大量的固件资源支持，并且要占用ＣＰＵ资源 来进行任务管理，而通过串联使用ＮＣＯ和ＣＬＣ模块构建出 的曼彻斯特解码器，可以完全在硬件环境中运行，无需占用 任何ＣＰＵ资源。顺便提一下，曼彻斯特编码器的设计可以 仅由一个ＣＬＣ模块来实现，而无需进行任何固件位拆裂。 相比于ＣＬＣ或ＮＣＯ模块，诸如角度定时器（ＡＴ）、信 号测量定时器（ＳＭＴ）和数学加速器（ＭａｔｈＡｃｃ）等其他外设 Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝２ ＝ｏ一６５．５３５ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ＝Ｓｔａｙｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ ２” 以通过配置和组合这些外设来创建新的功能，而这些新功 能在其他类型的单片机上是无法或难以实现的。这些新型 外设大多无需内核监管即可独立运行，因而在执行必要的 任务时减少了对ＣＰＵ的依赖。此外，这些外设多数也在休 眠模式下使用，非常适合各类功耗敏感型应用。 使用独立于内核的外设 新器件中最常用的外设之一就是可 Ｆｓｃｏ＝（Ｆｏ￣ １（Ｉｎｃｒｅｔ—ｔｖ ） Ｓｏ廿１ｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔｖｌｕｅ ｆ ｏｒ １．Ｆｏｓｃ ｆ ｏｒ Ｊ Ｔｈｕｓ ｇｉｖｉｎｇｙｏｕ ａｌｎｅａｒｃｈａｎｇｅｉｉｎＮＣＯｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ Ｖａｌｕｅ 配置逻辑单元（ＣＬＣ），它是一个非常简单 但功能强大的模块，可提供标准的逻辑 功能，如ＡＮＤ、０Ｒ、Ｘ０Ｒ、ＳＲ锁存器和 Ｊ—Ｋ触发器，用户可对这些功能进行配 置以创建用于信号调理的逻辑ｆ－ｊ。ＣＬＣ 模块的输入、输出信号可以经由内部连 接与任何一个Ｉ／Ｏ、外设或寄存器相连， 它可以用作一个简单的信号路由器、粘 ＰＰ２ ｉｓ ｎｏｔ ｃｏｎｓｔａｎｔ ＰＲ２＝２。＝０￣２５５ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ＝Ｓｔａｙｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ ２２０ Ｆ ｛ ｌ￣ｏｓ ｃ｝ Ｓｏ，ａｓ也ｅＰＲ２ ｆ ｏｒ Ｉ．Ｆｏｓｃ ｆ Ｏ１＂Ｉ Ｔｈｕｓｇｉｖｉｎｇｙｏｕ ａｎｏｎｌｉｅａｒ ｃｈａｎｇｅｉｎＰＷＭｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 合逻辑或控制唤醒的智能状态机。传统 的单片机需要外部的可编程逻辑器件 （ＰＬＤ）或额外的编码来实现所需的逻辑 控制功能，然而即便是这样的设置也并 图１数控振荡器应用实例 敬请登录网站在线投稿 ２０１６年第４期 《平哼机 嵌入式彖瓴ｌ应冈》 ３ ｉ 善 则较为复杂。无论电机速度还是信号频率，ＡＴ均可用于 测量电机控制和ＡＣ电源应用中任意一种周期信号——如 光学编码器、过零检测器和霍尔传感器。ＡＴ模块可在纯 硬件环境中执行时间／角度域瞬间转换，且同样没有任何额 查找表的大小，这样就限制了可用数值的数量，进而导致近 似值和差错。而ＡＴ模块可以直接根据设计人员配置的相 角值自动生成中断和事件，此外，ＡＴ模块还有三个比较／ 捕捉／ＰＷＭ（ＣＣＰ）功能供用户自行支配。 外的ＣＰＵ开销。而传统单片机处理这一任务则往往需要 多个定时器来计算和测量时间单位，然后借助数学计算（通 过固件）将数值转换成相角域；如果周期已知的话，则需要 存储在程序存储器中的查找表。传统方法需要进行更多的 对比传统方法与独立于内核的设计 另一个通过组合多个外设以简化任务的实例便是广 泛应用于小型内燃机中的电容放电式点火（ＣＤＩ）控制系 统，如图２所示。 固件设置和更多的ＣＰＵ资源来进行数学计算，还需要约束 图２使用集成角度定时器外设的电容放电式点火系统 在数字控制ＣＤＩ系统中，单片机有两大主要任务： 如表ｌ所列，运用ＡＴ方法，执行时间和ＣＰＵ使用率减少 ◆基于各个传感器提供的信息，确定火花塞的点火 提前角； 了５０ 以上，代码空间也减少了４Ｏ ，大大提升了系统性能。 有许多方式可以生成ＰＷＭ信号，或通过固件或通过 ◆通过设置ＰＷＭ信号占空比将触发脉冲传送至 ＤＣ—ＤＣ转换器，以实现火花点火功能。 硬件，然而涉及到测量和从ＰＷＭ输入信号中提取信息 时，选择范围就比：较有限了。典型的方法是使用定时器和 ＣＣＰ，以及大量的ＣＰＵ周期来确定脉冲、周期或占空比 由于相关外设可有效管理ＲＰＭ计算任务和控制发 动机火花塞的点火时间，而只需要极少的ＣＰＵ干预，设计 人员无需掌握内燃发动机控制系统的所有设计细节，即可 将ＡＴ、ＣＩ Ｃ及诸如ＳＭＴ和ＭａｔｈＡＣＣ等其他一些外设组 值。将ＣＩ Ｃ和ＮＣＯ模块组合起来，并进行一些额外的编 码Ｔ作，也有可能完成这些任务。 然而，前文例子中提及的ＳＭＴ外设是一个带有高级 时钟和门控逻辑功能的２４位计数器／定时器，可支持不同 的采集模式。这些模式包括自动测量并存储周期和占空 比值，且无需内核的监管或任何额外的计算。ＳＭＴ外设 合起来实现基于ＰＩＣ１６Ｆ１６１Ｘ ＭＣＵ的ＣＤＩ，大幅提升整体 性能。如果想对这一设计进行更深入的分析，请参阅参考 文献中列出的应用笔记ＡＮ１９８０。 表１就使用传统方法与采用独立于内核的外设来设 计ＣＤＩ系统做了一个对比。 对任何一个需要测量ＰＷＭ信号的设计而言都是非常有 用的，比如电机控制应用。 ４ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｅｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １６年第４期 ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ 表１ 电容放电式点火系统实现方法对比 ＷｉｔｈＡｎｇｕｌａｒＴｉｍｅｒ Ｐａｍｍｅｔｅｒｓ Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ ＣＰＵ 总之，最新一代的８位ＭＣＵ比 Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｍｅｔｈｏｄ Ｅｘｅｃｕｄｏｎ ＣＰＵ 传统的８位ＭＣＵ功能更多、更强 大。与以软件为中心的３２位ＭＣＵ Ｔｉｍｅ／ｇｓ Ｌｏｎｇ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｆｉｒｉｎｇ－Ａｎｇｌｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ＴｉｍｅｒＣｏｕｎｔｔｏＤｅｇｒｅｅ ＩＳＲ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｃｏｍｍａｎｄｓ Ｔｏｔａｌ １５Ｏ １５Ｏ Ｏ ５０ ３５０ Ｕｓａｇｅ／％ ７．５ ７．５ Ｏ ２．５ １７．５ Ｔｉｍｅ／ｇｓ ２００ ３５０ ２００ ５０ ８００ Ｕｓａｇｅ／％ １０ １５．５ １０ ２．５ ４０ 相比，它们往往可以借助集成的、独 立于内核的硬件执行许多功能，在性 能上提升至新的高度。此外，独立于 内核的外设为设计人员提供了更大 的灵活性，他们可以通过配置和组合 若干外设来创建多种应用功能而无 需牺牲ＣＰＵ性能或功耗。这些新型 硬件外设消除了传统设计对内核的 。ｌ Ｆ ｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ（ｗｏｒｄｓ） ＲＡＭ（ｂｙｔｅｓ） １９９４ ６５ ３３４７ ２３３ 依赖，同时增强了系统整体设计的决 定性。＿置 参考文献 尽管这些高级外设具有更多的功能，设计人员的顾虑 之一是：如何管理有限的Ｉ／Ｏ及可用的ＭＣＵ资源以实现 器件性能最优化。模块太多，引脚却不够，一直是限制传 统低引脚数８位ＭＣＵ功能的短板之一。而如今在增添 了外设引脚选择（ＰＰＳ）等功能以后，设计人员现在无需使 Ｅｌｉ独立于内核的外设设计中心． Ｅ２３ ＤＳ４１６３１Ｂ—Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｅｌｌ Ｔｉｐｓ‘ｎ Ｔｒｉｃｋｓ． Ｅ３３ ＡＮ１９８０一Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ａｎｇｕｌａｒ Ｔｉｍｅｒ． Ｅ４］ＡＮ１４７０一使用ＣＬＣ和ＮＣＯ实现曼彻斯特解码器． Ｅ５］ＡＮ１４７６一结合ＣＬＣ和ＮＣＯ实现高分辨率ＰＷＭ． Ｅ６］ＡＮ１７７９——Ｓｅｎｓｏｒｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ——Ｐｈａｓｅ ＢＬＤＣ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｒ ｕｓｉｎｇ ＰＩＣ１６Ｆ１６１３． 用任何外部组件即可将任意的数字信号实时发送到任意 一个Ｉ／０引脚。而需要多个ＵＡＲＴ的传统设计则需要一 个具备多个ＵＡＲＴ模块的高引脚数单片机来实现。现在 有了新一代的８位ＭＣＵ，任何一款单片机只需拥有一个 ［７］ＴＢ３１２９一ＰＩＣ单片机的信号测量定时器． Ｅ８］ＡＮ１４７３一多种计算脉冲与占空比的方法． Ｅ９］Ｌｕｃｉｏ Ｄｉ Ｊａｓｉｏ．Ｔｈｉｓ ｉｓ（ｎｏｔ）ｒｏｅｋｅｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ． （责任编辑：杨迪娜 收稿日期：２０１６—０３—１１） ＵＡＲＴ和ＰＰＳ或ＣＬＣ来轻松发送通信信号至多个引脚， 便可完成这项任务。 ＳＴ携手艾迈斯半导体保证新的ＡＲＭ删能桷ＮＦＣ和被控黼器功能 穿戴式参考设计中ＮＦＯ交易的安全 艾迈斯半导体公司以及意法半导体，共同宣布ＡＲＭ新的穿戴式参考设计选用两家公司的ＮＦｅ解决方案，来提供安全 高性 由意法半导体和艾迈斯半导体共同开发的ＮＦＣ解决方案包含：意法半导体的ＳＴ５４Ｅ，其系统级封装具有ＮＦＣ控制器（ＮＦ— ＣＣ）和一个符合ＧｌｏｂａｌＰｌａｔｆｏｒｍ标准ｖ２．２的安全元件；以及艾迈斯半导体具有增强型ＮＦＣ技术的Ａｓ３９２３０ ＮＦＣ模拟前端。该 ＮＦＣ解决方案尤为适合穿戴式设备和智能手机等特别小巧且电池供电的产品。 １．艾迈斯半导体的增强型ＮＦＣ技术克服了传统ＮＦＣ设备试图通过一个微小天线在一个不利射频传榆的环境中所面临的操 作难题。即使是使用小于１００ ｍｍ 的小天线，整合解决方案也能满足在非接触式支付中对射频性能的ＥＭＶＣｏ要求。 ２．意法半导体的ＳｉＰ为所有重要的ＮＦＣ全球安全标准提供了全面的支持，确保了ＡＲＭ ｏｂｅｄ穿戴式参考设计可以支持物联 ｒ网（１ｏＴ）应用所需要的安全支付方式，包括非接触式支付、自动售检票和访问控制等诸多应用。 ３．艾迈斯半导体和意法半导体的整合解决方案实现了非常低的平均功耗，帮助延长电池充电后的运行时间。这些都得益于增 强型ＮＦＣ前端和ＮＦＣＣ的完全可配置电源循环。 ｍｂｅｄ穿戴式参考设计提供了一个模型，穿戴式设备原始制造商可以快速复制以实现高性能ＮＦＣ卡模拟 由于整合解决方案提供了 一个由意法半导体开发的完整ＮＦＣ软件栈，系统设计者可以尤为容易地进行操作。该软件栈与ＡＲＭｍｂｅｄ物联网设备平台相兼容 此外，整合解决方案的高射频性能确保了ＮＦＣ甚至能在最苛刻的操作环境中发挥作用。ＮＦＣ系统利用了艾迈斯半导体 ＡＳ３９２３０的独特功能，实现了有源负载调制。这增强了ＮＦＣ前端的信号传输到一个“工作场”。在这个空间里面穿戴式设备可以 与ＮＦＣ读卡器耦合，媲美或者超过一张ｊ｝接触式卡片，通常此类卡片会有一个４Ｏ倍大的天线。由艾迈斯半导体和意法半导体提 供的整合解决方案也为ｍｂｅｄ穿戴式参考设计的天线进行了优化，使其免受穿戴式参考设计中蓝牙和ＧＰＳ无线电的干扰。 敬请登录网站在线投稿 ２０１６－＃－ｇ ４期 《平 机 嵌入式彖碗应同》
