新一代32位微控制器走入家庭應用

　　新一代32位微控制器(MCU)具有非常高的集成度，具有片上閃存、模數轉換器和其它的集成外設。這種集成度結合增強的處理能力，能提供高性能和具有成本效益的解決方案，可用于很多新的家電產(chǎn)品、白色家電、消費電子產(chǎn)品和其它應用。設計師現在發(fā)現32位MCU僅僅比16位產(chǎn)品略貴一點(diǎn)，但增加的功能特性遠遠超過(guò)了微小的成本差異。很多基于RISCC的32位MCU現在能提供非常高的性能，功耗只相當于16位控制器的水平。這些控制器還具有較小的封裝尺寸，因此，在采用32位MCU設計時(shí)封裝大小不再是一個(gè)挑戰，即使是在空間受限的應用中。

　　盡管大多數新一代32位MCU基于RISC架構構建，具有低功耗和高速度，還是有某些版本采用CISC架構，從而為設計師提供了另外一種選擇。設計師使用基于RISC的MCU時(shí)需要特別關(guān)注是否包含擴展指令集，這對于匯編級別的編程和高級應用程序開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)非常有用。如此多的片上外設進(jìn)一步豐富了MCU的產(chǎn)品類(lèi)型。仔細地評估在特定應用中所需要的特性可以幫助選擇最合適于該應用的32位MCU。

片上存儲器和通信立即增加價(jià)值

　　其中一個(gè)基礎創(chuàng )新是集成片上存儲器，現在大多數MCU通常具有最少512KB的閃存和至少32KB的ROM。根據具體應用某些MCU上集成了更多的片上存儲器，每一個(gè)開(kāi)發(fā)者和設計師必須考慮的事情是目標應用的存儲器需求，片上存儲器的存在和大小對最終選擇產(chǎn)生重大影響。片上閃存允許用戶(hù)多次重寫(xiě)軟件，即使在產(chǎn)品設計已經(jīng)實(shí)現后，使用戶(hù)從傳統的掩模ROM中解脫出來(lái)，掩模ROM存儲器只能編程一次。這樣一來(lái)，閃存在那些需要快速處理大量數據的應用中越來(lái)越重要，如存儲器到存儲器傳輸、外設資源控制、位管理和直接數據命令。

　　在這些先進(jìn)的MCU中的另外一個(gè)重要特性是指令集，這些指令集管理系統控制和I/O訪(fǎng)問(wèn)。這些命令被增強和流水線(xiàn)化，以使他們適合于不同的消費產(chǎn)品應用。例如很多32位器件現在集成了與中央處理器并行工作的高速乘積/和宏單元。這些版本的產(chǎn)品能以33MHz或更高的工作頻率在一個(gè)周期內執行乘積/和運算，因此這些器件可以用于圖像處理應用中，用于濾波處理或快速傅立葉變換，或者用于聲音處理。設計師可以考慮把這些宏單元用在消費電子產(chǎn)品中。

　　也有這樣的趨勢，就是在32位控制器中包含標準的通信接口，以通過(guò)以太網(wǎng)物理層(PHY)、USB或者其它接口增加工業(yè)標準的連接能力。這些通信接口可以實(shí)現系統到系統的通信，并且采用片上USB，不需要主機接口，為如需要大量遠程數據采集的工業(yè)控制這樣的應用增加了價(jià)值。

　　最新的32位MCU還具有非常高的處理能力，在增加了乘法器、程序計數加法器以及桶式移位器的特性下，每個(gè)時(shí)鐘周期可以執行超過(guò)1.25個(gè)指令。一組頻率控制和指令，除了通常的存儲器訪(fǎng)問(wèn)以及嵌入式編程指令以外，還包括存儲器到存儲器傳輸、外設資源控制、位管理以及直接數據命令等指令，提供非常高的目標效率并減少外部存儲器訪(fǎng)問(wèn)操作次數以及高速緩存訪(fǎng)問(wèn)次數。結果是減少了CPU總線(xiàn)上的負載、提高了CPU內核和高速緩存的效率。

32位MCU進(jìn)入家用電器設備應用

　　這種新一代32位MCU增長(cháng)速度最快的一個(gè)應用是家用電器設備，例如空調、洗衣機、冰箱以及更小的白色家電。在過(guò)去的設計中，一個(gè)通用的8位MCU通常就足夠了，但是現在開(kāi)始強調節約能量和功耗、要求開(kāi)發(fā)出更加安靜、效率更高的設備。通過(guò)集成的功能特性，例如多功能定時(shí)器、高速A/D轉換器、過(guò)流保護電路，MCU可以減少會(huì )影響產(chǎn)品性能的振動(dòng)和噪聲。

　　在這些新的MCU中增加的新的特性可以使用高效的矢量控制功能，使得MCU可以監控和調節壓縮機和電機。對于驅動(dòng)壓縮機和電機，32位的MCU可以配置以下這些功能單元：矢量驅動(dòng)、應用控制、高速處理和高速A/D轉換。

　　這些功能需要32位MCU來(lái)驅動(dòng)矢量同時(shí)控制應用、保持脈寬調制輸出、執行高速A/D轉換。在這些嵌入式應用中使用高速12位A/D轉換器提供了對最小變化的敏感度，允許非?？焖俚捻憫?。轉換器與靈活的脈寬調制單元一起工作，實(shí)現平滑精確的控制，并且降低功率要求以及節省運行成本。

　　家用電器的另外一個(gè)趨勢是使用來(lái)自多個(gè)傳感器的數據用于控制，例如在微波爐中使用多個(gè)溫度監控和另外的蒸汽以獲得不同食物最好的加熱效果。在新的家用電器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中出現了新的要求，這些要求包括在微波爐和電磁爐表面的精確溫度控制以及空調、洗衣機、干衣機和洗碗機更高效的工作。滿(mǎn)足這些要求需要能實(shí)時(shí)地處理來(lái)自多個(gè)傳感器的數據，并提供精細的控制。

　　對于電機控制，新一代的32位MCU可以集成自由運行的定時(shí)器。把這些定時(shí)器分配給每個(gè)相位，通過(guò)在三相逆變器控制中將不同定時(shí)器用于每個(gè)獨立的相位，它們能實(shí)現載波頻率的產(chǎn)生。逆變器控制將直流電源變成交流電，對于實(shí)現降低功率和降低工作噪聲來(lái)說(shuō)，逆變器功能是非常重要的。逆變器應用的實(shí)例是空調設備；現在能用逆變器的其它家用電器包括洗衣機和電冰箱。

　　32位MCU通過(guò)確定電機的最佳驅動(dòng)力，可以控制電機運轉，然后在負載波動(dòng)太大時(shí)以及產(chǎn)生不連續和低效率的操作時(shí)快速地反饋數據。例如，因為水的運動(dòng)或衣服的運動(dòng)，洗衣機的電機負載不斷地波動(dòng)，因此調整驅動(dòng)力矩是控制的必要部分。通過(guò)提供快速的中斷響應時(shí)間以及能在單位時(shí)間內進(jìn)行運算，這些MCU能有效地精細調整電機控制，使電機運轉時(shí)的功耗最低。

　
圖1：富士通32位MCU框圖 

　　這些功能大大地增強了32位MCU在家用電器中的價(jià)值。另外一個(gè)令人興奮的應用現在開(kāi)始出現了：完全聯(lián)網(wǎng)的家用電器，與上網(wǎng)的家庭環(huán)境相連接。在32位MCU控制的幫助下，電冰箱將能告訴消費者某類(lèi)食物儲量什么時(shí)候比較低或者何時(shí)將售完，連接到家庭網(wǎng)絡(luò )的家用電器將能讓消費者知道出現故障或者需要維修。隨著(zhù)各種消費電子產(chǎn)品都實(shí)現連網(wǎng)，32位MCU將能使這些聯(lián)網(wǎng)功能得以實(shí)現。

　　富士通微電子公司現在開(kāi)發(fā)了很多這些功能，并將它們集成到32位控制器中，滿(mǎn)足在合理的價(jià)格下不斷提高的性能要求，為從8位和16位MCU向32位MCU轉移做好了準備。設計師將不斷地看到越來(lái)越多的32位MCU產(chǎn)品類(lèi)型和選擇以及32位MCU將擴展到的應用。

作者：Sandhya Mallikarjun

設計工程師

富士通微電子(美國)公司