采用混合信號控制器進(jìn)行混合工作
——
加入技術(shù)交流群
目前的趨勢不是采用定制的 AFE，而是采用針對具體應用的標準產(chǎn)品 (ASSP)，在低成本、可重復使用的系統中平衡了高性能模擬、低成本數字控制并縮短投放市場(chǎng)的時(shí)間等多項要求。ASSP 作為優(yōu)化的外設提供了可配置的混合信號模擬特性，而設備其他部分則作為可重復使用的功能實(shí)施，可跨越許多平臺共享?？扉W微控制器單元 (MCU) 是共享功能的主機與解決方案。混合信號快閃 MCU 的集成功能顯示于 圖1 的 MSP430FG43x 中。除了作為計時(shí)器及串行端口等數字外設的完全配套之外，我們現在還可以在單一的 ASSP 上集成高精度模數轉換器 (ADC)、數模轉換器 (DAC)、運算放大器 (OA)、電源電壓監控器 (SVS) 以及液晶顯示驅動(dòng)程序等。利用混合信號基于快閃 MCU 的 ASSP，設計工程師不必再為高風(fēng)險完全定制硬件實(shí)施集中投入其資源，而是可以開(kāi)發(fā)靈活的、可編程的功能，并能快速地將其投放市場(chǎng)。
典型的混合信號 MCU 解決方案
ASSP可在其中發(fā)揮很好作用的混合信號應用常見(jiàn)實(shí)例就是手持式醫療設備。典型的手持式醫療設備要求精確的傳感器接口電路、用戶(hù)顯示、日歷功能、非易失性存儲器、通信特性、電源管理以及可編程的快閃 MCU 等。圖2 顯示了現代單片血糖測量?jì)x的結構圖。
我們用生物催化劑試件測量小血樣的葡萄糖含量。應用血樣時(shí)，應用參考電壓將試件生成的電子轉化為電流。用于試件的參考電壓從混合信號快閃 MCU 的兩個(gè)內部 12 位 DAC 之一提供。生物催化劑產(chǎn)生的電流很小，其范圍在 uA 再降至 nA 之內。為了將傳感器的小電流輸出轉化為電壓，我們采用其中的一個(gè)集成運算放大器實(shí)施互阻抗功能。運算放大器的輸出放大至一定的范圍時(shí)，可由采用反饋電阻器的嵌入式 12 位 ADC測量。
試件的化學(xué)反應是溫度敏感型的，而測量周期可能長(cháng)達 30 秒，這也使情況復雜化。例如，血樣可能在溫暖的環(huán)境中放在試件上，比如在用戶(hù)的家中，而轉換結果則是在外部冬天的環(huán)境中完成的。有鑒于此，必須在測量周期開(kāi)始與結束時(shí)測量溫度，而如果二者之間溫差太大，那么測試結果就會(huì )作廢，應當提醒用戶(hù)注意到這種情況。我們采用嵌入式 12 位 ADC 中的集成溫度傳感器測量溫度。
用戶(hù)或用戶(hù)的醫師常常記錄測量日志，下載后存入 PC 進(jìn)行分析。數據日志記錄是采用快閃 MCU 的主要原因。由于快閃是系統內可編程的 (ISP)，因而快閃的一部分用于數據存儲，不再需要外部數據存儲器。先進(jìn)的嵌入式快閃可進(jìn)行高達 10 萬(wàn)次擦寫(xiě)操作與再編程，其壽命比設備壽命還長(cháng)。
管理系統電源的基本要求
與任何其他的電池供電設備一樣，電源管理是至關(guān)重要的。為了降低功耗，首要任務(wù)就是在集成的模擬電路不使用時(shí)將其關(guān)閉。由于所有模擬電路都嵌入在快閃 MCU 中，其完全由軟件控制的，可以方便地進(jìn)行操作。
除了功耗要最低之外，手持醫療機械還必須提供足夠好的性能與功能，能夠在不同的操作狀態(tài)下快速切換。系統時(shí)鐘計時(shí)必須具備相應的靈活性，以滿(mǎn)足以下彼此沖突的要求：
保證正確時(shí)基的穩定性；
低功率可實(shí)現更長(cháng)的電池壽命；
實(shí)現高性能的速度；
快速響應事件的靈活性。
我們首選的的方法是使用 32 kHz 的表面晶體作為輔助時(shí)鐘 (ACLK)，實(shí)現低功耗與穩定性，并采用快速啟動(dòng)的高速片上數控振蕩器 (DCO) 作為系統的主時(shí)鐘 (MCLK)。ACLK 時(shí)鐘始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，僅作為計時(shí)器的時(shí)鐘以發(fā)出實(shí)時(shí)中斷。高速MCLK作為CPU與高速外設的時(shí)鐘，能夠實(shí)現更強的處理功能和更快的事件響應。DCO 是低 Q 值 RC類(lèi)振蕩器，延遲近于零，啟動(dòng)時(shí)間不到6us。
在 DCO 快速啟動(dòng)的同時(shí)，還可根據溫度與電壓變動(dòng)頻率。為了管理 DCO 時(shí)鐘并獲得穩定的輸出，我們采用頻率鎖定環(huán) (FLL)。FLL是連續的頻率積分器，持久在后臺根據穩定參考的分壓器 ACLK 調節 DCO。分壓的 DCO 與 ACLK 相比較，以 10 比特的加減計數器增加或減少DCO，使分壓的 DCO 頻率與 ACLK 頻率相匹配。這是 DCO 與 ACLK 相乘的結果。圖3 顯示了 DCO/FLL 的組合。
DCO/FLL 組合實(shí)現了事件驅動(dòng)的極低功耗激活特性，電流時(shí)間長(cháng)度較長(cháng)，最小化待機模式，又不降低性能。當中斷要求從系統獲得服務(wù)時(shí)，正常情況下 DCO 在待機狀態(tài)下會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)?？焖夙憫母咚?DCP 時(shí)鐘計時(shí)系統盡快地為請求提供服務(wù)，而后再返回待機狀態(tài)。
始終開(kāi)啟的 ACLK 時(shí)鐘計時(shí)器提供了方便的嵌入式實(shí)時(shí)時(shí)鐘。計時(shí)器每秒鐘觸發(fā)一個(gè)中斷。由于 DCO 幾乎不需要啟動(dòng)時(shí)間，因此嵌入式實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能不需要任何成本就可作為簡(jiǎn)單的軟件功能實(shí)現，而且不會(huì )對整體性能造成影響。一個(gè)基本的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能要求不到 100 個(gè) CPU 周期。CPU 時(shí)鐘速度標量為 1 MHz 時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能的工作時(shí)間為每秒 100us，或 0.0001%。工作中的 CPU 電流為 250uA 時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能向整體系統功率預算添加的不足 25nA 。
保持靈活性
混合信號快閃MCU的功能在集成性方面相當出色，但大多數應用都不會(huì )為了集成而放棄模擬設計的靈活性。從芯片制造商的角度來(lái)看，最希望的是讓產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足盡可能廣泛的應用領(lǐng)域，從而實(shí)現較高的投資回報。為了解決靈活性這一問(wèn)題，混合信號快閃MCU利用了其內在的可編程性，提供了軟件上可配置的模擬外設，而不僅只是固定的功能。
嵌入式ADC就輸入通道、采樣時(shí)間、采樣率以及電壓參考源都提供了完全的控制。只需在控制寄存器中設置一下數字，就可通過(guò)軟件針對應用選擇所需的特性。DAC 可提供選擇輸出格式、觸發(fā)源、多個(gè)DAC分組以及為實(shí)現功率驅動(dòng)的最佳平衡而配置模擬輸出緩沖的功能。運算放大器通常是所有設計中最具體、最關(guān)鍵的模擬組件，具有若干寄存器，可實(shí)現全面的可編程性，其中包括建立時(shí)間、軌至軌輸入以及反饋電阻等。在嵌入多個(gè)運算放大器的幫助下，可輕松實(shí)施諸如差分放大器與測量放大器等復雜的電路。
由于所有所需的模擬與數字特性都由基于快閃的軟件進(jìn)行配置，因此我們直到在最終產(chǎn)品出貨之前都可以不斷模擬優(yōu)化設計，不必為較長(cháng)的研制周期 ASIC 而頭疼，也不會(huì )出現再設計成本。此外，利用基于快快閃的配置，相同的硬件可就幾種不同的最終產(chǎn)品重復使用。舉例而言，某產(chǎn)品須向幾個(gè)不同的地區出貨，要求不同的用戶(hù)界面。利用快快閃，我們就可以嵌入具體地區的配置，而所有其他特性都是相同的?；诳炜扉W的產(chǎn)品還具備售后可升級性。
更高的性能
在混合信號快閃MCU中嵌入模擬功能消除了分離設備之間彼此接口的開(kāi)銷(xiāo)，從而提高了系統性能。數據轉換器與 MCU之間的通用接口是同步外設接口（SPI）總線(xiàn)。SPI接口占用的板級空間極少，僅要求帶有四個(gè)信號引腳的MCU串行端口：芯片選擇、時(shí)鐘、數據輸入以及數據輸出。更大的成本是為SPI中斷提供常規服務(wù)時(shí)發(fā)生的軟件開(kāi)銷(xiāo)，通常中斷造成的開(kāi)銷(xiāo)在50個(gè)系統CPU周期范圍內，此外還須存儲接收與傳遞的數據。在A(yíng)DC采樣率為100ksps、每個(gè)采樣開(kāi)銷(xiāo)為50周期情況下，MCU必須每秒保持5,000,000個(gè)周期。在另一方面，利用嵌入式數據轉換器，服務(wù)非常簡(jiǎn)單，只需讀取單一的寄存器，再將結果移動(dòng)至存儲器即可，從而可減少系統周期和功耗達50% 以上。
為了進(jìn)一步提高性能并降低功耗， （如MSP430FG43x）還包括直接內存存取 (DMA) 控制器。DMA 在嵌入式混合信號外設之間提供了最終的訪(fǎng)問(wèn)連接，可以實(shí)現完全可配置的自動(dòng)化數據傳輸，并且不占用 CPU。對重復性將數據移進(jìn)移出存儲表的數據轉換器等外設而言，DMA的性能提升非常明顯。利用DMA，每次傳輸只需兩個(gè)系統周期，與那些與外部設備相連的系統相比，減少的系統開(kāi)銷(xiāo)高達25倍。利用DMA，最新可用的系統資源可以再次分配，實(shí)現更先進(jìn)、更多樣化的特性，也可用顯著(zhù)延長(cháng)等待間隔，減少功耗，以延長(cháng)電池壽命。
多方面工作的結合
目前基于快閃 MCU 的混合信號 ASSP 的開(kāi)發(fā)要做到快速投放市場(chǎng)、封裝致密以及更精確的模擬，這就要求新的思維方式。經(jīng)典的 MCU 風(fēng)格在線(xiàn)仿真器 (ICE) 已被嵌入式仿真所取代。嵌入式仿真邏輯的小內核駐留于實(shí)際的 ASSP 上，采用業(yè)界標準的 JTAG 接口可以進(jìn)行串行訪(fǎng)問(wèn)。隨著(zhù)高性能混合信號系統的出現，必須保證單位為微伏的模擬信號的完整性，嵌入式仿真的重要性更加明顯。笨拙的 ICE 幾乎不可能實(shí)現這樣精確的信號完整性，因為 ICE 對電纜串擾太過(guò)敏感。
從開(kāi)發(fā)的第一天起，利用嵌入式仿真，固件工程師就可以毫無(wú)阻礙地在實(shí)際生產(chǎn)系統中進(jìn)行開(kāi)發(fā)和故障調試。由于結合了ISP快閃存儲器以及無(wú)障礙的嵌入式仿真的靈活性，因此目前的混合信號ASSP從設計一開(kāi)始就實(shí)現了真正的系統級開(kāi)發(fā)，不但降低了成本，避免了重復開(kāi)發(fā)，而且還加速了開(kāi)發(fā)進(jìn)程。
評論