利用ASSP實(shí)現成本節約，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程

美國得克薩斯州達拉斯，德州儀器公司總部負責全球市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)及應用的經(jīng)理 Mark Buccini 在許多嵌入式混合信號應用中，為了在同一系統中同時(shí)滿(mǎn)足高性能模擬以及低成本數字邏輯這對相互沖突的要求，手工 (handcrafted) 專(zhuān)用集成電路(ASIC)常常是唯一實(shí)際可用的設計選擇。該概念旨在將作為ASIC的復雜特定用途應用模擬從系統的數字商品部分分離開(kāi)來(lái)。將模擬提取并整合到特定ASIC能夠優(yōu)化復雜特性，并將系統的通用特性進(jìn)行商品化。 盡管會(huì )出現非重復設計(NRE)本以及較長(cháng)的生產(chǎn)間隔時(shí)間等問(wèn)題，但將模擬與數字分開(kāi)在許多情況下還是有其經(jīng)濟意義的。不過(guò)隨著(zhù)如今現代芯片制造技術(shù)已經(jīng)達到或低于0.5um的程度，最低批量達10萬(wàn)套時(shí)，通常完全定制的模擬電路其N(xiāo)RE為50多萬(wàn)美元。此外，經(jīng)濟與額外的設計風(fēng)險以及縮短產(chǎn)品上市進(jìn)程的壓力使手工解決方案幾乎一點(diǎn)都不現實(shí)。 當今潮流是采用專(zhuān)用標準產(chǎn)品 (ASSP) 在單個(gè)系統中平衡高性能模擬、低成本數字以及縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。這些 ASSP 可提供專(zhuān)用混合信號模擬特性作為優(yōu)化外設，同時(shí)實(shí)施的器件可在許多平臺上共享可重復使用的功能?？扉W微控制器 (MCU) 是最佳的共享功能解決方案選擇。設計人員不再需要集中其資源進(jìn)行風(fēng)險極大的定制硬件實(shí)施，而是開(kāi)發(fā)具有靈活性的、可編程的功能以便能迅速將其投入市場(chǎng)。 電子電表解決方案 ASSP能很好發(fā)揮作用的嵌入式混合信號應用的一個(gè)常見(jiàn)實(shí)例是電子電表。電子電表要求電路系統在廣泛的動(dòng)態(tài)范圍內具備精確的電壓與電流轉換、可編程的快速 MCU、計時(shí)功能、非易失存儲，以及靈活的顯示與通信特性。圖1顯示了常見(jiàn)的第一代電子電表的構造塊。

執行能量轉換功能需要具備可編程增益放大器(PGA)的獨立模數轉換器(ADC)。被轉換的線(xiàn)電壓和電流信號可進(jìn)行數字處理，提供能量和線(xiàn)路時(shí)段測量、負電流動(dòng)顯示、峰值電壓與電流等。數字信號處理器(DSP)可執行必要的計算以提供準確的活動(dòng)能量、RMS電壓、電流以及波形采樣。 嵌入式信號處理器 就簡(jiǎn)化的系統設計方法而言，諸如MSP430FE42x電表芯片等混合信號ASSP集成了測量功能，作為隨時(shí)可用的嵌入式信號處理器 (ESP)?？蓪SP看作是一種固定功能外設，是專(zhuān)門(mén)為電子電表應用而量身定制。ESP作為一種外設可提供所有測量功能，如圖2所示。我們使用具備同時(shí)采樣和保持的三個(gè)獨立的16位Δ-Σ ADC-PGA 對。其中一個(gè)ADC用作電流測量，一個(gè)用作電壓測量，第三個(gè)則用作火線(xiàn)與零線(xiàn) (line-to-neutral) 電流比較，以進(jìn)行竄改檢測。

我們可對嵌入式16位DSP進(jìn)行編程，該器件采用優(yōu)化的CPU、硬件乘法器、RAM以及ROM。也集成了精確的電壓參考與溫度感應器，用以減少外部組件。對設計工程師而言，ESP可方便地初始化，而無(wú)需應用軟件。與主要的16位CPU的通信是通過(guò)現有的存儲器和數據地址總線(xiàn)作為可讀寫(xiě)郵箱寄存器完成的。數字校準在制造過(guò)程中執行，無(wú)需其它的軟件支持。 為了滿(mǎn)足嚴格的準確性要求，測量功能可在1000至1的動(dòng)態(tài)電流范圍內提供精確到 0.1% 的能量測量，大大超過(guò)了典型機械電表 2% 的一般精確度。由于具備每秒4096的高采樣率，可以以數字的方式去除第20階的50或60Hz市電電源諧波，特別是在快速開(kāi)關(guān)瞬變負載環(huán)境中實(shí)現了更高的精確度。由于完全通過(guò)ESP管理關(guān)鍵的能量計算，用戶(hù)可以使用MCU來(lái)實(shí)施獨特的特性，如顯示和自動(dòng)讀表(AMR)。 單片方法 從芯片角度看，除了專(zhuān)用ESP之外，ASSP的主要吸引力還在于將所有其他功能可作為通用外設提供。在電表芯片實(shí)例中，主CPU可以完全訪(fǎng)問(wèn)32kB系統內部可編程 (isp) 閃存和1kB RAM，以開(kāi)發(fā)應用特性。憑借ISP，一般用作校準和單元識別序列號的外部非易失存儲器可以取消，而代之以保存在正常的閃存中。周期性消耗數據也可記錄在 ISP閃存中。 圖3顯示了完整的片上電表。兩款業(yè)界標準的16位計時(shí)器、USART串行通訊接口以及LCD驅動(dòng)器可為每個(gè)應用實(shí)施獨特的特性。作為業(yè)界標準的外設，一般軟件庫可重復使用，從而減少了總體項目開(kāi)發(fā)時(shí)間。

就長(cháng)期可靠性而言，系統中發(fā)生故障的最常見(jiàn)的項目之一就是晶體 (crystal)，其本質(zhì)上是一種機械元素。因此，電表ASSP只使用單個(gè)低頻率的32 kHz 表面晶體 (watch crystal) 作為計時(shí)之需，并能在斷電情況下進(jìn)入超低功耗的睡眠模式。高速系統時(shí)鐘獨立于晶體在片上進(jìn)行數字生成，如果發(fā)生外部晶體故障，它可提供故障安全模式，以允許MCU在最小級別上繼續工作。對于諸如電表等應用而言，可靠性是最優(yōu)考慮的因素，因為這需要部署數十年之久。 與離散解決方案相比，電表ASSP將芯片數從五片降至了一片。芯片數的降低不僅節約了成本，而且還優(yōu)化了制造，改善了長(cháng)期可靠性。 合而為一 如今，開(kāi)發(fā)基于嵌入式 MCU、能快速投入市場(chǎng)、具有緊密封裝以及更高精確度模擬的 ASSP 要求富有全新的思維方式。一流的 MCU 式線(xiàn)上電路模擬器 (ICE) 被嵌入式模擬所取代。小型嵌入式模擬邏輯內核駐留在實(shí)際的 ASSP 自身上，通過(guò)業(yè)界標準的 JTAG 接口可對其進(jìn)行不間斷訪(fǎng)問(wèn)。嵌入式模擬對高性能混合信號系統變得日益重要，這些系統必須保持微伏模擬信號(如電子電表)的完整性。笨重的 ICE 幾乎不可能實(shí)現信號完整性，它對連線(xiàn)干擾非常敏感。 從開(kāi)發(fā)一開(kāi)始，固件工程師就在默默地開(kāi)發(fā)實(shí)際的生產(chǎn)系統并進(jìn)行調試。將ISP閃存的卓越靈活性與普通的嵌入式模擬相結合，使設計一開(kāi)始就實(shí)現了系統級開(kāi)發(fā)，從而減少了反復開(kāi)發(fā)工作與時(shí)間。如果需要的話(huà)，還可在生產(chǎn)系統中進(jìn)行最后一分鐘軟件升級，并不管在是否經(jīng)過(guò)遠程計劃安排的情況下都可進(jìn)行更新。 作者簡(jiǎn)介 Mark Buccin是 MSP430的全球產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理，負責應用與戰略市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)。在TI的模擬、DSP、ASIC和MSP430等領(lǐng)域的實(shí)際設計和應用方面擁有 15年的豐富經(jīng)驗。除了負責產(chǎn)品線(xiàn)而外，他還撰寫(xiě)了大量應用報告、論文以及四份年度全球研討會(huì )系列材料。他擁有奧克蘭大學(xué)(密歇根州Rochester)的電子工程學(xué)士學(xué)位。