為手持終端測量應用選擇微控制器

為測量應用選擇適當的微控制器 (MCU) 已日益成為一項嚴峻的挑戰，因為各種MCU 在成本、外設設計與組合、CPU 架構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、高性能的模擬外設以及適當的用戶(hù)接口，這些因素決定著(zhù)哪種 MCU 將成為測量應用的最佳選擇。
較長(cháng)的電池使用壽命
為了盡可能延長(cháng)電池的使用壽命，設計方案必須將平均電流消耗最小化。設計人員不僅應考慮操作參數，而且還應計算出所有操作條件下的平均功耗。如果貿然做出決定，那么設計人員可能就會(huì )犯下用電方面的錯誤，導致電量消耗過(guò)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(dòng)模式下，所有時(shí)鐘都處于工作狀態(tài)；待機模式下，CPU 時(shí)鐘處于非工作狀態(tài)，但運行實(shí)時(shí)時(shí)鐘，等待中斷事件喚醒 CPU；通常 MCU 都具有不同級別的待機工作模式。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，我們必須要考慮數據表以外的特性。一些數據表給出的電流消耗是在不切實(shí)際的操作條件下的情況。為了了解準確的情況，我們在實(shí)際應用環(huán)境中，根據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(cháng)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換時(shí)間。一些廠(chǎng)商推出了“隨需即用”型時(shí)鐘源，專(zhuān)為中斷斷言后立即提供穩定的時(shí)鐘源而設計。
MCU 可用標志輪詢(xún)或中斷矢量來(lái)喚醒 CPU。中斷驅動(dòng)型架構可大幅節約功耗，因為CPU能立即響應于任何事件，不必為輪詢(xún)外設而浪費電流。
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(zhuān)為降低功耗而設計的MCU能用定時(shí)器和數據自動(dòng)觸發(fā)模數轉換，不必通過(guò)直接存儲器存取 (DMA) 和緩存采樣來(lái)進(jìn)行 CPU 干預。CPU 空閑時(shí)，可用作其它工作，這有助于提高系統吞吐能力，此外我們也可以關(guān)閉 CPU，以降低應用的平均功耗。
最小化漏電流對降低功耗至關(guān)重要。對大多數便攜式應用來(lái)說(shuō)，終端產(chǎn)品大多數時(shí)間都不工作，因此漏電流決定著(zhù)平均電流消耗的大小。我們要計算整個(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(lái)說(shuō)，在集成欠壓保護功能時(shí)就要非常小心。在插入電池或電源降至正常電源規范以下但又高于接地電壓時(shí)，就可能發(fā)生欠壓。大多數 MCU 都集成了欠壓保護功能，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機制時(shí)提高電流消耗。
高性能模擬
在進(jìn)行架構決策時(shí)，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，確保它能滿(mǎn)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 位模數轉換器、12 位數模轉換器和低功耗運算放大器，因此非適用于合便攜式測量應用。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組合，這樣設計人員就能得到未來(lái)的集成發(fā)展策略。此外，如果現在還沒(méi)有能夠提供適當模擬外設組合的MCU，我們也可以采用外部模擬外設，畢竟性能比集成度更重要。
如果 MCU 集成了外設，那么我們要考慮外設設計問(wèn)題，確保其在應用過(guò)程中充分發(fā)揮其固有的作用。一些 CPU 的數據處理效率更高。一部帶 12 位模數轉換器的16 位 MCU 處理數據的速率快于 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(hù)接口
設計的另一因素就是高效集成應用所需的所有用戶(hù)接口，其中包括鍵盤(pán)、顯示器和通信端口等。鍵盤(pán)功能非常簡(jiǎn)單，但設計人員要確保應用能夠中斷并高效處理鍵盤(pán)按鍵操作。液晶顯示器 (LCD) 通常用于向用戶(hù)提供反饋信息，其成本、功耗都較低。大多數制造商都采用定制的顯示器，以滿(mǎn)足設計人員的需要，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。設計人員應了解 MCU 能支持多少片段，應用又能支持多少片段。
通信端口是另一種用戶(hù)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(shí)施通信技術(shù)。我們可根據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(jiàn)圖1）。在本例中，12 位模數轉換器以 4096 步長(cháng)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(mǎn)足所需動(dòng)態(tài)范圍前已經(jīng)進(jìn)行了預放大。前置放大器的非反相輸入由 12 位模數轉換器偏置，以實(shí)現精密微調。系統采用電池供電，當電源電壓低于規定的最小電壓時(shí)通過(guò)電源電壓監控 (SVS) 電路來(lái)重設應用。LCD 顯示器向用戶(hù)顯示測量結果。
表1.0
微控制器選擇核對表
延長(cháng)電池使用壽命：
在實(shí)際應用環(huán)境中，在多種工作模式下均實(shí)現了功耗最小化
最短CPU喚醒時(shí)間
中斷驅動(dòng)式架構
最小漏電流
外設無(wú)需 CPU 干預就能工作
專(zhuān)為降低功耗而設計的功能（舉例來(lái)說(shuō)，欠壓復位時(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組合
不要為了集成而犧牲外設的性能
要使用不占用CPU資源的外設
要使用數據采樣效率較高的 CPU，如 16 位架構
用戶(hù)接口：
鍵盤(pán)采用中斷驅動(dòng)型端口
使用低功耗液晶顯示器
根據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據轉換器和運算放大器，專(zhuān)為典型的便攜式測量應用而優(yōu)化。