Kinetis M微控制器：面向計量方案的攻城利器

　　如果您觀(guān)察周?chē)?，就?huì )發(fā)現日常生活中計量設備無(wú)處不在。我說(shuō)的是家里安裝的所有電表、燃氣表、水表以及計熱表，更別提加油站和購物中心的流量表、秤和注冊系統了。目前生產(chǎn)的計費設備由微控制器進(jìn)行電子控制。

　　在微控制器控制的典型計量應用中，計費數據的準確性首先取決于模數轉換器的精度（A/D）、采樣頻率和足夠的計量計算動(dòng)態(tài)范圍。另外，它還取決于軟件的可靠性，所以必須關(guān)注軟件對金融交易的影響。因此，半導體公司的目標是，開(kāi)發(fā)的微控制器不僅能滿(mǎn)足測量精度、計算吞吐量和能源消耗等基本技術(shù)要求，而且還具有足夠的靈活性，可以提供將“合法”計量從應用的其他部分隔離的選項。

　　2013年10月，飛思卡爾推出了一個(gè)采用ARM® Cortex®-M0+內核的全新微控制器系列 — Kinetis® M。除了許多高分辨率的模擬外設、數字定時(shí)器、通信接口和帶獨立電源和溫度補償的實(shí)時(shí)時(shí)鐘外，這些微控制器還配備了硬件，控制接入存儲器、外設和集成在芯片上的I/O端口。

　　特性

　　圖1顯示了Kinetis M微控制器框圖。

圖 1 – 框圖

　　從上圖可以清楚看出，除了32位ARM Cortex-M0+外，微控制器還提供四個(gè)獨立的24位A/D轉換器（SD ADC），內置可編程的放大器（PGA），轉換速度可達100 ksps。轉換器設計，再加上作原理（二階Sigma-Delta調制器），支持在所有通道同時(shí)或采用精確定義的延遲來(lái)測量雙極模擬信號，范圍從幾微伏到一伏。

　　包含的其他模擬模塊是兩個(gè)高速模擬比較器（HSCMP），擁有可編程的磁滯5-30 MV，一個(gè)12通道的16位SAR A/D轉換器，以及一個(gè)擁有精確的1.2 V電壓參考，溫度系數為33 ppm/°C。設計該參考電壓的目的不僅是適用于提到的所有模擬模塊，而且通過(guò)一個(gè)內部放大器緩沖，它還可以用作板卡上其他電路的電壓參考源。但是，如果內部參考電壓的參數不夠的話(huà)，微控制器的模擬模塊可以由外部1.2 V參考電壓供電。

　　飛思卡爾的目標是設計非常適合計量應用的可編程器件。因此，該Kinetis M微控制器系列不僅包括Kinetis家族的標準模塊，還包括其他產(chǎn)品線(xiàn)的典型模塊。例如，互連矩陣中的內部信號、器件的輸入和輸出（XBAR）和四通道定時(shí)器（Quad Timer）是通常用于數字信號控制器（DSC）中的模塊。這些模塊允許應用開(kāi)發(fā)人員更精密地連接內部外設，定義被測樣品之間的時(shí)間序列，還提供監測內部外設工作的選項。片上外設和I/O引腳連接X(jué)BAR模塊如圖2所示。

圖 2 – XBAR 信號和連接

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　　例如，這些模塊在一個(gè)典型的三相電表應用中可以用于從相電流測量（三個(gè)24位SD ADC）觸發(fā)相電壓測量（三個(gè)16位SAR ADC通道）。其他使用領(lǐng)域包括自主測量模擬信號周期（頻率），檢測RS-485和RS-232鏈路、調制的IEC 1107和38K紅外通信的通信速度，連接外部模擬sigma-delta調制器和生成高穩定性的校準脈沖。

　　內部時(shí)鐘生成模塊包含鎖頻環(huán)（FLL）、鎖相環(huán)（PLL）、低頻振蕩器（OSC32K）、高頻振蕩器（OSCMHZ）、32 kHz 和4/2 MHz的內部參考時(shí)鐘（IRC）模塊。

　　最后還有重要的一點(diǎn)，我必須提到有助于應用安全的模塊，包括符合家用電器安全標準（IEC 60730）的“看門(mén)狗”定時(shí)器、循環(huán)冗余校驗（CRC）加速器、隨機數發(fā)生器（RNGA）和侵入檢測（Tamper）。

　　Kinetis M微控制器系列提供兩種存儲器配置和三種封裝。應用開(kāi)發(fā)人員可以選擇的存儲器配置有64 KB或128 KB Flash，封裝有44 LGA、64和100 LQFP。采用64和100 LQFP封裝的器件衍生產(chǎn)品均包括一個(gè)標準的LCD控制器，可以處理的LCD段數分別為160段和288段。制造商保證溫度在–40°C 至+85°C范圍內、電源電壓為1.71 V至3.6 V時(shí)，所有零部件都能正常工作。

　　表1列出了該器件的衍生產(chǎn)品、封裝和基本特性。

表1 – 器件的衍生產(chǎn)品和封裝

　　支持明確隔離相關(guān)合法軟件

　　國際法制計量組織（the International Organization of Legal Metrology，OIML）和歐洲國家法制計量合作組織（the European Cooperation in Legal Metrology，WELMEC）等國際組織為編寫(xiě)軟件控制的計量?jì)x器應用程序提供咨詢(xún)指導，即針對用軟件將影響計費數據的那部分應用程序與該應用程序的其他部分隔離而制定了條例。如果制造商根據這些指導方針開(kāi)發(fā)了一個(gè)計量?jì)x器，并在初始審核和驗證過(guò)程中向被通知機構（notified Body）提供了合規證明，那么它可以修改應用程序的其他部分，而不需要重新審核，因而獲得了靈活性，大大節約了成本。

　　飛思卡爾在器件開(kāi)發(fā)過(guò)程中很好地意識到了這點(diǎn)，因此我們增加了硬件來(lái)控制所有集成式存儲器、外設、I/O端口（參見(jiàn)圖3）的接入，充分利用這一優(yōu)勢。

圖 3 – 平臺

　　Kinetis M平臺由ARM Cortex-M0+內核和兩個(gè)DMA控制器組成。這些主動(dòng)模塊（總線(xiàn)主機）以“用戶(hù)”或“特權”模式接入其他被動(dòng)模塊（總線(xiàn)從機）。被稱(chēng)為雜項控制模塊（MCM）的這個(gè)額外模塊根據進(jìn)程標識符（PID）的設置增加了指示“安全”或“不安全”狀態(tài)的訪(fǎng)問(wèn)屬性。其結果是出現了硬件強制的三種狀態(tài)訪(fǎng)問(wèn)的優(yōu)先模型：特權（安全）》安全用戶(hù)》非安全用戶(hù)。在計量應用中，與“合法”計量相關(guān)的所有任務(wù)以“特權”模式處理，而應用的其他部分以“用戶(hù)”模式運行。

　　瞬時(shí)訪(fǎng)問(wèn)由ARM Cortex-M0+內核執行，DMA控制器由存儲器保護單元（MPU）、外設橋（AIPS）和通用輸入輸出（GPIO）模塊進(jìn)行評估， 這樣根據用戶(hù)指定的標準，允許或拒絕訪(fǎng)問(wèn)芯片硬件，即存儲器段、外設，I/O端口。

　　如果設計人員設計了訪(fǎng)問(wèn)控制，同時(shí)根據應用需要設置了訪(fǎng)問(wèn)屬性，則微控制器平臺將自主排除任何會(huì )影響“合法”計量應用部分的其他應用部分的訪(fǎng)問(wèn)。

　　開(kāi)發(fā)工具

　　對于新的應用開(kāi)發(fā)，飛思卡爾提供TWR-KM34Z50M開(kāi)發(fā)套件。該套件使用帶內置虛擬串口的SWD（OpenSDA） 集成調試接口，能快速、容易地開(kāi)發(fā)應用。虛擬串口加上FreeMASTER驅動(dòng)和PC機應用程序可以監測在微控制器器件上運行的應用所出現的任何靜態(tài)變量和全局變量 。

　　除了連接微控制器的連接器，80×90 mm的印刷電路板還包括以下線(xiàn)路：160段LCD，MMA8491Q 三軸加速度傳感器，一個(gè)帶USB接口的七通道可編程正弦波發(fā)生器，NTC型IRDA溫度傳感器，幾個(gè)LED和按鍵。開(kāi)發(fā)套件可以單獨使用或與TowerTM模塊系統的其他I/O卡一起使用（見(jiàn)圖4）。

圖 4 – TWR-KM34Z50M 開(kāi)發(fā)套件

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　　可以通過(guò)支持ARM Cortex-M0+內核的開(kāi)發(fā)工具輕松地配置微控制器。例如，您可以使用面向ARM 6. 70的IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)工具。即，該工具的Kickstart版（IAR系統免費提供），使您能夠創(chuàng )建一個(gè)16KB或更小的應用。對于代碼達64KB的更高應用，您可以使用CodeWarrior® IDE for MCU’s 10.5特別版。免費工具包含一個(gè)C編譯器、匯編器、鏈接器和調試器工具，可從Eclipse IDE內獲得（見(jiàn)圖5）。

圖5 – CodeWarrior IDE for MCU’s 10.5 開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　CodeWarrior開(kāi)發(fā)工具的商業(yè)版以及免費版的一個(gè)主要部分是處理器專(zhuān)家（Processor Expert®）軟件。使用該工具，您只需用鼠標選擇參數就可以編寫(xiě)應用程序。處理器專(zhuān)家軟件建模工具不斷檢查參數設置、生成C代碼。不僅初學(xué)者，就連有經(jīng)驗的程序員也經(jīng)常使用該工具來(lái)預置微控制器。使用該工具，您可以創(chuàng )建一個(gè)簡(jiǎn)單的應用，無(wú)需架構知識和特定微控制器的寄存器。此外，所生成的代碼不會(huì )包含過(guò)多的冗余代碼。

　　顯然，使用處理器專(zhuān)家軟件建模工具，，您可以不用像利用C預處理器親手編寫(xiě)程序一樣編寫(xiě)那樣的有效代碼。這種類(lèi)型的編程主要供那些掌握了微控制器架構和片上外設的有經(jīng)驗的用戶(hù)使用。如果您屬于這一類(lèi)程序員，您肯定會(huì )同意我的看法：要開(kāi)發(fā)一個(gè)應用程序，有一個(gè)包括“啟動(dòng)”模塊、中斷矢量定義表、連接器命令文件并經(jīng)良好測試的軟件示例以及片上外設裸金屬軟件驅動(dòng)就夠了。

　　被稱(chēng)為“Kinetis M裸金屬驅動(dòng)和軟件示例” 安裝軟件包提供眾多軟件示例。當前版本（EAR2.2）支持CodeWarrior IDE for MCU’s 10.5、IAR Embedded Workbench for ARM 6.70和Rowley CrossWorks for ARM 2.3開(kāi)發(fā)工具。

　　片上外設軟件驅動(dòng)已被寫(xiě)入，主要關(guān)注快速代碼執行，與實(shí)例一起以源代碼的形式提供。安裝軟件包還能簡(jiǎn)單實(shí)用地創(chuàng )建一個(gè)新項目。圖6顯示一張包含部分安裝軟件包的示例表。

圖 6 – 軟件示例表

　　小結

　　飛思卡爾Kinetis M微控制器系列基于90-nm的薄膜存儲器（TFS）工藝技術(shù)。它由時(shí)鐘頻率高達50 MHz的ARM Cortex-M0+內核控制。內部時(shí)鐘生成模塊包括鎖頻環(huán)（FLL）、鎖相環(huán)（PLL）、低頻振蕩器（OSC32K）、高頻振蕩器（OSCMHZ）和32 kHz和4/2 MHz的內部參考時(shí)鐘（IRC）模塊。除了許多用于處理模擬信號的外設、數字定時(shí)器、LCD控制器、通信接口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘外，這些器件還包括一個(gè)“看門(mén)狗”定時(shí)器、16／32位CRC加速器、隨機數發(fā)生器和一個(gè)用于侵入檢測的電路。Kinetis M微控制器系列提供64/128KB兩種存儲器配置和三種封裝：44 LGA、64和100 LQFP。

　　片上外設、封裝選項，以及最重要的、用于將影響計費數據的那部分應用與其他應用部分隔離的硬件，使這些微控制器特別適合計費計量設備。飛思卡爾目前提供一些參考設計，在單相、兩相和三相電表應用中證明了這些器件的能力。

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