Arm?? Cortex??-M0+ MCU 如何優(yōu)化通用處理、傳感和控制

嵌入式系統中的微控制器 (MCU) 像是繁忙機場(chǎng)的空中交通管制系統。MCU 可以感知所在的工作環(huán)境，根據感知結果采取相應操作，并與相關(guān)系統進(jìn)行通信。MCU 可以管理和控制從數字溫度計到煙霧探測器，再到暖通空調電機等幾乎各種電子設備中的信號。

為了確保系統的經(jīng)濟性和使用壽命，嵌入式設計人員在設計過(guò)程中需要更大的靈活性。如果采用目前市面上的 MCU 產(chǎn)品系列，設計人員在當前和未來(lái)設計中可以重復使用的硬件和代碼數量將很有限，并且計算、集成模擬和封裝選項也很有限。這種有限的靈活性通常意味著(zhù)設計人員必須向多家制造商采購 MCU，并需要花費額外的時(shí)間進(jìn)行重新編程才能滿(mǎn)足每個(gè)設計的獨特需求，因此會(huì )增加開(kāi)發(fā)成本以及整體系統成本和復雜性。

MSPM0 Arm? Cortex?-M0+ MCU 為設計人員提供更多的選擇、更大的設計靈活性以及更直觀(guān)的軟件和工具，可幫助解決這些難題。本文將探討所謂的“更”在這里的真正含義，以及這些 MCU 憑借更多的集成模擬選項和處理能力可能適用的潛在應用。

更多的計算選項

雖然 Arm Cortex-M0+ 為 8 位和 16 位應用帶來(lái)了 32 位計算能力，但設計人員仍在尋求盡可能強大的計算性能，包括增加軟件抽象層以實(shí)現代碼復用和延長(cháng)壽命，在具有超低時(shí)延要求的算法中加強分析能力，以及提高安全性。

執行計算工作的 MSPM0 MCU 選項有很多，從適用于簡(jiǎn)單應用的 32 MHz Arm Cortex-M0+ 中央處理器 (CPU)，一直到具有硬件加速數學(xué)函數（包括加速除法、求平方根、乘法累加和三角函數 [正弦、余弦、x 的反正切、y/x 的反正切]）的 80 MHz CPU。

MSPM0 G 系列（包括 MSPM0G3507）MCU 在兩種閃存等待狀態(tài)下具有 80 MHz 的計算能力，因此可以在如下應用中采用此類(lèi)低成本 MCU：

· 運行頻率大于 30 kHz 的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 電機驅動(dòng)應用，由于數學(xué)加速，控制環(huán)路時(shí)延更低（應用示例如圖 1 所示）。

· 電網(wǎng)基礎設施中的多相電能計量計算。

圖 1：FOC 電機驅動(dòng)應用示例（工業(yè)電機、無(wú)繩電鉆和家用電器）

更多的集成模擬選項

借助于 MSPM0 MCU 的集成構建塊以及靈活的可編程片上連接，包括逐次逼近寄存器 (SAR) 模數轉換器 (ADC)、比較器和數模轉換器，可以幫助提高傳感電路的精度。這些構建塊還包括具有零交叉失真的零漂移、斬波穩定型、可編程增益運算放大器。集成的跨阻放大器具有用于實(shí)現光電二極管電路的超低輸入偏置電流 (150pA)。

在低成本傳感應用中，通過(guò)降低作為誤差源的輸入失調電壓，可以實(shí)現更高的傳感器信號增益，同時(shí)在整個(gè)溫度范圍內保持較低的殘余輸入失調電壓誤差（如圖 2 所示），從而提高以下應用中的精度：

· 電力輸送應用，如電池充電和電量監測。

· 監測和實(shí)時(shí)控制應用，例如電器、電動(dòng)和園藝工具中的有刷直流和無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器。

· 醫療監護信號鏈，包括血壓監測儀、脈搏血氧儀和溫度計。

· 樓宇自動(dòng)化應用，包括煙霧探測器和被動(dòng)紅外傳感器。

圖 2：在最大值 ±2 mV 和 ±300 μV 下的輸入失調電壓誤差比較

集成的 SAR ADC 支持高達 4MSPS 的單調 12 位運算和高達 250kSPS 的 14 位運算，并支持同步采樣以同步測量?jì)蓚€(gè)信號。此功能可在住宅和企業(yè)應用中進(jìn)行能源監測，對電源電壓和電流進(jìn)行 14 位同步采樣，以及在壓縮機、泵和風(fēng)扇等電機驅動(dòng)器中進(jìn)行高速低時(shí)延采樣 (250ns)。

結語(yǔ)

在成本敏感的嵌入式系統中添加和改進(jìn)功能取決于符合設計人員預算的 MCU 的傳感精度和計算能力。隨著(zhù)越來(lái)越多的設計人員采用平臺軟件開(kāi)發(fā)方法、對多個(gè)應用使用同一個(gè)軟件框架，基于具有可擴展功能的 MCU 產(chǎn)品系列進(jìn)行開(kāi)發(fā)比以往任何時(shí)候都更加重要，這樣能確保每個(gè)產(chǎn)品都使用具有必要檢測和處理功能并經(jīng)過(guò)成本優(yōu)化的 MCU。采用現代 MCU 產(chǎn)品系列，設計人員可以在不增加成本的情況下添加新功能，或者在保留現有功能集的情況下降低成本，同時(shí)還可以開(kāi)發(fā)在未來(lái)設計中可重復使用的可擴展軟件。