物聯(lián)網(wǎng) MCU：小尺寸產(chǎn)生大影響

　　MCU 幾乎是每一個(gè)聯(lián)網(wǎng)設備的關(guān)鍵元件，并有望推動(dòng)數百萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng) （IoT）“終端節點(diǎn)”的部署。每個(gè)終端節點(diǎn)都包括各種不同的元件，如表計、傳感器、顯示器、預處理器，以及將多種功能合并在單一器件中的數據融合元件。IoT 終端節點(diǎn)的常見(jiàn)要求是小尺寸，因為這些器件通常被限制在很小的基底面內。例如，當考慮可穿戴設備時(shí)，體積小和重量輕是獲得客戶(hù)認可的關(guān)鍵。

　　小封裝 MCU 是控制體積受限型 IoT 終端節點(diǎn)應用的理想元件。許多 MCU 還有其它功能，能讓我們將一個(gè)功能非常強大的設計輕松放入引腳受限的形狀內。靈活的引腳分配、自主運行以及智能化外設互連器件就是小引腳數 MCU 先進(jìn)特性的一些示例，它們進(jìn)一步提升了MCU 的能力，對尺寸受限型應用產(chǎn)生很大的影響。

　　小引腳數封裝

　　在 IoT 端點(diǎn)允許的狹窄板空間內，將 MCU 放入其中的關(guān)鍵促成要素是小型封裝?？纱┐髟O備的空間尤其有限，但仍需要強大的處理和存儲能力來(lái)執行傳感器、感測聚合器和控制器要求的各種前端功能。芯片級封裝 （CSP） 的外形超小，不需要特殊的制造能力。例如，Freescale 的 Kinetis KL03 20 引腳 CSP MCU 系列采用 20 引腳 CSP 型 1.6 x 2.0 mm 雙封裝尺寸。如圖 1 所示，這種 20 引腳在細間距下采用 20 個(gè)焊球，可適合最小的板空間。

圖1：采用芯片級封裝的 Freescale KL03 系列 MCU

　　不過(guò)，小封裝未必表示處理能力也小。KL03 擁有強大的 48 MHZ 32 位 ARM Cortex-M0 處理器內核，以及 32 KB 片上閃存和 2 KB 片上 SRAM。多個(gè)串行接口（LPUART、SPI、I²C）能讓 MCU 和輕松連接標準外設。一個(gè)帶有模擬比較器和內部電壓基準的 12 位 ADC 能滿(mǎn)足常見(jiàn)的感測要求。為支持 IoT 中極為常見(jiàn)的定時(shí)運行，還采用了一個(gè)低功耗定時(shí)器和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。也可采用脈寬調制 （PWM） 定時(shí)器來(lái)簡(jiǎn)化機械控制應用。在非常小的 20 引腳 CSP 格式內實(shí)現如此眾多的功能，對于設計人員來(lái)說(shuō)這就是一個(gè)可用的大能力的典范。

　　智能集成

　　然而，MCU 制造商不會(huì )僅僅滿(mǎn)足于在小裝內放入功能強大的 CPU。增加智能集成——能夠將外部輔助器件數量降至最少的專(zhuān)門(mén)化硬件，是在小型板空間內實(shí)現大量功能的又一種途徑。舉例來(lái)說(shuō)，您每經(jīng)過(guò)多長(cháng)時(shí)間就需要將少數幾個(gè)超簡(jiǎn)單的元件與外部功能組合，使其能夠放入引腳有限的器件中？當由 CPU 管理的位檢測回路過(guò)慢或者消耗過(guò)多寶貴的 CPU 時(shí)間時(shí)，您是否也需要通過(guò)這樣做來(lái)加快輸入信號處理速度。通過(guò)添加用戶(hù)片上邏輯器件，MCU 制造商正開(kāi)始滿(mǎn)足這些要求，以集成更多的邏輯器件。

　　例如，Microchip PIC16(＄1.2500)（L）F1503(＄0.3645) MCU 就屬于此類(lèi)型智能集成。該器件包含少量使用所謂的可配置邏輯單元 （CLC） 的可配置邏輯器件。這些邏輯單元可用于從器件輸入和內部信號來(lái)構建簡(jiǎn)單的邏輯功能?？稍谄骷敵龆耸褂?CLC 輸出，或者將其與內部外設配合使用。圖 2 所示為 CLC 邏輯圖。

圖2：PIC 片上可配置邏輯器件框圖

　　這里可選擇多達 16 個(gè)輸入，然后就可形成一個(gè)邏輯功能，用來(lái)構建四個(gè)生成的輸出。根據具體用途，可單獨對每個(gè)輸出進(jìn)行使能、極性選擇、邊緣探測或者寄存。八個(gè)可能的邏輯功能包括 AND-OR、OR-XOR 、鎖存器和寄存器等精選功能，這些都是引腳受限型器件所需的常見(jiàn)功能。例如，您可將電路板上的一些簡(jiǎn)單的門(mén)集成到 MCU 中，或者也可構建一些簡(jiǎn)單的功能，以消除常用來(lái)合并或調節器件輸入的 CPU 周期。

　　請注意，我們現在可以使用硬件而非 CPU 密集型輪詢(xún)和“位拆裂”技術(shù)來(lái)合并外設。這樣，簡(jiǎn)單的外設搖身一變成為智能型外設，不必在 CPU 監管下工作?，F在，ADC、定時(shí)器、中斷控制器都可以輕松集成到一個(gè)完整的感測子系統中，且僅在子系統發(fā)出請求時(shí)才需要 CPU 介入，此時(shí)也許是出現了超時(shí)或者越界。

　　高效的引腳分配

　　為 IO 引腳分配正確的功能是使用小引腳數 MCU 時(shí)面臨的問(wèn)題之一。在許多 MCU 中，多個(gè)外設共會(huì )用一個(gè)輸出引腳，而且您希望使用的外設還可能與 IO 分配相沖突。這樣，就很難在最小的封裝中實(shí)現您希望的功能數量。根據您的具體資源組合，您可能需要采用較大的封裝。IO 分配也可能影響電路板布局和信號布線(xiàn)。如果引腳分布在不方便的位置，則可以采用比理想情況更多的板空間或者信號層來(lái)解決。

　　一些 MCU 制造商正通過(guò)提高引腳布局靈活性來(lái)消除這些限制。例如，NXP 為此增加了能夠用于“交換”引腳位置的 IO 引腳陣列，以應對各種不同的片上外設信號。在 NXP 提供的 LPC82x 系列器件中（圖 3），IO 切換陣列使 29 個(gè)引腳具有了交換功能。GPIO 信號、定時(shí)器、串行外設或者甚至是模擬輸入都能任意切換至您希望連接的器件引腳。

圖3：NXP LPC82x 系列器件上的 IO 引腳切換陣列

　　這種切換陣列具有全連接功能，可以把 29 個(gè) IO 引腳中的任何一個(gè)連接至任何內部外設。 （不過(guò)也有少數例外，例如，當該器件處于邊界掃描模式且 PIO_4 用于從深度省電狀態(tài)喚醒時(shí)。JTAG 引腳始終分配給引腳 PIO_0 至 PIO_4。由于相關(guān)的功能針對性特別強，因此這些例外也是可以理解的。） 這種切換陣列如此靈活，您甚至可以把多個(gè)外設輸入分配給相同的器件引腳，以更多地減少引腳數量。在 LPC82x MCU 上增加切換陣列可以極大地提高設計能力，讓您從正確的引腳上獲取正確的信號，從而在具體應用中采用最小化的封裝和板空間。

　　外設自主運行

　　借助能夠將輸入引腳與外設連接的 MCU 引腳，即可高效地使用 MCU 引腳。 這樣，我們就可構建引腳高效的自主運行外設，而且僅需 CPU 稍加介入或者根本不需要 CPU 介入。 我們來(lái)考慮 Renesas 的 RL78/G13 MCU 系列（以其中的 R5F1007DANA(＄1.4632)#U0 為例），該器件具有事件鏈路控制器 （ELC），可選取不同的事件（如外部輸入中斷、內部中斷、定時(shí)器中斷或者比較匹配結果），然后將其通過(guò)硬件與所需的外設輸入連接。如圖 4 所示，該器件采用外部中斷來(lái)觸發(fā)模數轉換。無(wú)需 CPU 參與即可實(shí)現該功能，此時(shí) CPU 甚至可以處于低功耗睡眠模式。這樣就能高效使用 IO 資源，同時(shí)保持盡可能低的功率耗散，后者是大多數 IoT 應用的另一個(gè)關(guān)鍵要求。

圖4：Renesas 的 RL78/G13 MCU 系列上事件鏈路控制器的使用

　　總結

　　小引腳數封裝是許多 IoT 應用的理想選擇，且使用這些小封裝時(shí)您仍能獲得強大的處理能力。通過(guò) IO 切換陣列、事件鏈路控制器或片上可配置邏輯單元實(shí)現的高效率引腳映射，能提高引腳利用效率，確保您在大多數尺寸有限的 IoT 應用中使用最小的板空間。