低功耗混合信號專(zhuān)用標準產(chǎn)品 (ASSP) 實(shí)現成本、性能以及上市進(jìn)程的合理平衡

要在大量的消費類(lèi)應用中同時(shí)實(shí)現高性能與低成本，全定制的模擬前端 (AFE)
與普通的數字信息處理器相結合是唯一的選擇。這種想法就是要使應用模擬最優(yōu)化，同時(shí)以盡可能低的成本使數字部分商品化。但是深亞微米硅技術(shù)通常生產(chǎn)批量最小，多數只有100k，一個(gè)掩模組的非經(jīng)常性工程成本 (NRE) 將近 100
萬(wàn)美元，隨著(zhù)向現代深亞微米硅技術(shù)的升級，除了少量產(chǎn)量極高的應用外，全定制的解決方案過(guò)于昂貴而且不切實(shí)際。

為了在同一系統中同時(shí)滿(mǎn)足高性能模擬與低成本數字控制這兩個(gè)相互矛盾的需求，當今的發(fā)展趨勢是利用專(zhuān)用標準產(chǎn)品 (ASSP)。ASSP 的優(yōu)勢是用一個(gè)可重復使用的低成本系統提供高性能模擬、低成本數字控制以及縮短上市進(jìn)程。這些 ASSP 提供可配置的混合信號模擬功能作為優(yōu)化的外設模塊，該器件的其余部分作為許多平臺共享可重復使用的模塊?？扉W微控制器 (MCU) 是實(shí)現共享功能的晶核 (host)
與精選的解決方案。單個(gè) ASSP 除了全部補充有計時(shí)器與串行端口等數字外設之外，現在還可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)器。我們用 MSP430FG43x 顯示了混合信號快閃 MCU 的集成性能。

憑借基于 ASSP 的混合信號快閃 MCU，設計工程師就不必將他們的資源集中到風(fēng)險大的全定制硬件實(shí)施上，從而可以開(kāi)發(fā)出能夠快速投放市場(chǎng)的靈活的可編程功能。

混合信號 ASSP MCU 解決方案

ASSP 非常適用于便攜式醫療設備。一臺典型的設備需要一個(gè)精密傳感器接口電路、通信功能、實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能、患者數據的非易失性存儲器、較長(cháng)的電池使用壽命以及在應用中可對快閃 MCU 進(jìn)行編程的靈活性。

我們用一個(gè)生物催化劑試驗片來(lái)測量一小份血樣的葡萄糖含量。當血樣加到試驗片上時(shí)，將產(chǎn)生 uA （微安）級的小電流，而且與葡萄糖成比例。然后由快閃 MCU
內部的一個(gè) 12 位 DAC 向試驗片提供偏置電壓。我們利用以一個(gè)集成快閃 MCU
的運算放大器實(shí)施的互阻抗放大器，將生物催化劑產(chǎn)生的電流轉化為電壓。我們利用一個(gè)可編程反饋電阻陣列將運算放大器的輸出調到可通過(guò)嵌入式 12 位 ADC
進(jìn)行測量的范圍，該可編程反饋電阻陣列可由快閃 MCU 從內部提供，不再需要外部組件。

生物催化劑對溫度很敏感，由于測量周期可能持續達 30 秒，使得這一情況更為復雜。例如，測量周期可能從用戶(hù)室內等暖和的環(huán)境開(kāi)始，而轉換結果卻在寒冬的室外環(huán)境中完成。為此，我們用內部溫度來(lái)衡量測量周期開(kāi)始與結束時(shí)的溫度，如果二者之間的溫差過(guò)大，讀數將棄用，并向用戶(hù)報警。

隨后通常將記錄并傳送患者的測量數據，供用戶(hù)或者醫師進(jìn)行分析。由于快閃 MCU 存儲器是系統內可編程的 (ISP) ，因此一部分快閃被直接分配用于數據記錄。使用MCU 存儲器的一部分來(lái)進(jìn)行記錄，就不需要外部數據存儲器了?，F代嵌入式快閃可擦除與改編程序多達 10 萬(wàn)次，高于儀器的工作壽命。

功率監控 (Power Aware) 的應用

為了延長(cháng)工作壽命，工程師在設計電池供電儀器時(shí)必須認識到功率問(wèn)題。正常的運行模式必須是省電的低功耗待機模式。為了節電，必須對整個(gè)系統進(jìn)行分析，只運行必需的任務(wù)。不必要的任務(wù)會(huì )浪費功率，應徹底刪除。不用的外設模塊必須禁用。利用 ASSP，所有的外設模塊均嵌入快閃 MCU 中，并且完全采用軟件控制，易于操作。禁用電路被簡(jiǎn)化為軟件操作，只需在外設控制寄存器中設定位即可。除最低功耗之外，隨選性能以及操作狀態(tài)間的快速切換能力通常都是必需的。系統的計時(shí)必須具有足夠的靈活性，以滿(mǎn)足下列相互矛盾的需要：

•    精確時(shí)基所需的穩定性
•    延長(cháng)電池壽命所需的低功耗
•    高性能所需的速度
•    對事件做出快速反應的靈敏性

最佳的時(shí)鐘解決方案是以下兩種計時(shí)方式的結合：一種是采用外部 32 KHz 表面晶體作為輔助時(shí)鐘(ACLK)，實(shí)現低功耗與穩定性；另一種是采用快速啟動(dòng)、高速片上數控振蕩器 (DCO) 作為系統的主時(shí)鐘(MCLK)。ACLK 始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，只對一個(gè) LCD 驅動(dòng)器以及一個(gè)用于實(shí)時(shí)中斷的計時(shí)器進(jìn)行計時(shí)。高速MCLK 對 CPU 以及高速外設進(jìn)行計時(shí)，以增強處理能力及對事件的快速反應能力。DCO 是一種接近"零時(shí)延"的低 Q、RC 型振蕩器，可在不到 6us 的時(shí)間內啟動(dòng)。

為了實(shí)現 DCO 時(shí)鐘穩定的輸出，不隨溫度和電壓而改變，我們使用了一個(gè)鎖頻環(huán) (FLL)。FLL 是一個(gè)連續的頻率積分器 (frequency integrator)，始終在后臺將 DCO 頻率調整為一個(gè)穩定的參考 ACLK 的分數。將經(jīng)過(guò)調整的 DCO 與ACLK
進(jìn)行比較，反饋至一個(gè)上/下計數器，該計數器可自動(dòng)增加或者減少 DCO 的輸出，使DCO 的頻率與 ACLK 的頻率相匹配。這與將 DCO 頻率增加到 ACLK
頻率的效果相同。

DCO/FLL 的結合勾畫(huà)出功率監控超低功耗活動(dòng)的輪廓，在節電待機模式下可延長(cháng)使用時(shí)間而且還不影響性能。當事件驅動(dòng)中斷需要系統服務(wù)時(shí)，DCO 自動(dòng)啟用，CPU 激活。高速 DCO 時(shí)鐘系統將盡快滿(mǎn)足需求，然后返回待機狀態(tài)。

始終開(kāi)啟的 ACLK 時(shí)鐘計時(shí)器提供了便捷的嵌入式實(shí)時(shí)計時(shí)功能。利用 32 KHz 表面晶體進(jìn)行計時(shí)，計時(shí)器將信號源以 2^15 分隔，正好每秒觸發(fā)一次中斷。因為此時(shí)根本沒(méi)有為 CPU 和軟件計時(shí) DCO 的啟動(dòng)時(shí)間，所以嵌入式實(shí)時(shí)計時(shí)功能可作為一次簡(jiǎn)單的中斷而得以實(shí)現，對整體性能毫無(wú)影響?；緦?shí)時(shí)計時(shí)功能所需的 CPU 周期應低于 100。如果以額定的 1MHz 頻率對 CPU 進(jìn)行計時(shí)，則實(shí)時(shí)計時(shí)功能的工作時(shí)間為每秒鐘 100us（即百分比為 0.0001）。假如處于工作狀態(tài)的 CPU 電流為
250uA，實(shí)時(shí)計時(shí)功能使整個(gè)系統功耗預算的增加不到 25nA。

電池的選擇

便攜儀器使用的電池技術(shù)是一個(gè)重要的決定因素，對系統的工作壽命影響很大。我們廣泛采用一對穩壓的"AAA"1.5V 串聯(lián)堿性電池作為 3V 電源。堿性電池易于更換并且在世界各地均可獲得。

為了使成本最低同時(shí)徹底免去更換電池的麻煩，設計人員正在探索永久安裝電池的可能性，這是一大市場(chǎng)賣(mài)點(diǎn)，同時(shí)還能免去客戶(hù)更換電池時(shí)錯誤安裝所造成的相關(guān)客戶(hù)服務(wù)及責任。單個(gè)CR2032 鈕扣式鋰電池通常是最佳選擇。選擇鋰電池作為電源的依據在于，此類(lèi)電池具有較平的內在放電曲線(xiàn)以及極低的泄漏。鋰電池較平的放電曲線(xiàn)實(shí)際上使得無(wú)需調節漏電流，就能使用所有的電池容量。

假設一臺儀器的工作電壓為 3V 左右，最低 Vcc 為 2.7V，我們對兩種電池供電的選擇方案進(jìn)行評估：

•   一對 1Ah 1.5 AAA 堿性電池，利用一個(gè)微功耗 20uA 穩壓器進(jìn)行調節。
•   直接用一個(gè) 220mAh CR2032 3V 鋰電池供電。

在這兩種情況下，包括一個(gè)實(shí)時(shí)計時(shí)功能與 LCD 在內，基于 MCU 的超低功耗系統的平均電流消耗大約 2uA。在堿性電池供電的系統中，額外需要 20uA 用于穩壓器，這樣總共需要22uA。由于兩節串聯(lián)堿性電池只能放電到 2.7V，因此只有 20％ 的電池容量能夠被有效利用，總共大約有 400mAh 的容量。該值除以 22uA 的平均電流消耗，得出堿性電池供電應用的工作時(shí)間為兩年。

相反，一個(gè)普通 220mAh CR2032 鈕扣式鋰電池的放電較平穩，可達到總容量的 90%，在降至 2.7V 之前有一段可預測幾乎恒定的 2.8V 輸出電壓。除以只有 2uA 的平均電流消耗，得出單個(gè)鋰電池供電儀器的工作時(shí)間為 10 年以上。使用單個(gè)鋰電池，還可實(shí)現封裝更加小巧的儀器。

混合信號的靈活性

在集成方面混合信號快閃 MCU 的性能令人贊嘆，但是幾乎沒(méi)有應用會(huì )犧牲集成度來(lái)獲得模擬性能以及設計的靈活性。提供應用空間盡可能廣闊的產(chǎn)品獲得更高的投資回報，從芯片制造商的角度看是最理想的。為了解決靈活性問(wèn)題，混合信號快閃
MCU 利用內在的可編程性，提供了對應于固定功能的可配置軟件模擬外設。

嵌入式 ADC 實(shí)現對輸入渠道、采樣時(shí)間、采樣速率以及電壓基準源的完全控制。利用軟件選擇所需的專(zhuān)用功能。DAC 提供了選擇輸出格式、觸發(fā)源、多個(gè) DAC 分組的功能，還提供了配置模擬輸出緩沖器實(shí)現功率與驅動(dòng)最佳平衡的功能。OA 通常是任何設計中最特殊也是最關(guān)鍵的模擬組件之一，它有數個(gè)寄存器，實(shí)現包括建立時(shí)間、軌至軌輸入以及反饋電阻在內的完全可編程性。利用多個(gè)嵌入式 OA，可以很容易地實(shí)現差分放大器與儀器放大器等復雜電路。

借助基于快閃 MCU 的 ASSP，可以為所有模擬與數字外設模塊進(jìn)行軟件配置，這樣可以不斷增強應用直至最終產(chǎn)品出廠(chǎng)。不僅不會(huì )發(fā)生較長(cháng)的 ASIC 供貨周期這樣令人頭痛的事情，而且也不會(huì )產(chǎn)生重新設計的成本。此外，利用基于快閃的配置，相同的硬件可重復用于數種最終產(chǎn)品。例如，可能會(huì )將一種產(chǎn)品提供給要求不同用戶(hù)接口的數個(gè)不同地區。利用快閃存儲器，可以嵌入特定區域配置?；诳扉W的產(chǎn)品還可提供現場(chǎng)升級功能，可在以后對其進(jìn)行編程。

更優(yōu)的性能表現

將混合信號外設特性直接嵌入基于快閃 MCU 的 ASSP 中可以消除分離外接器件間接口所需的開(kāi)銷(xiāo)，從而提高系統性能。例如，外部數據轉換器與 MCU 之間的共用接口就是一個(gè)同步外設接口 (SPI) 總線(xiàn)。SPI 至少要占用板級空間，并需要帶有四個(gè)信號引腳的 MCU 串行端口，這些信號引腳是：芯片選擇、時(shí)鐘、數據輸入、數據輸出。更高成本在于為 SPI 中斷服務(wù)子程序提供服務(wù)的軟件開(kāi)銷(xiāo)，通常在中斷開(kāi)銷(xiāo)及存儲接收與發(fā)送數據所需的 50 個(gè)系統 CPU 周期范圍內。在 100ksps 的 ADC 采樣率與每樣本 50 個(gè)周期的軟件開(kāi)銷(xiāo)情況下，MCU 必須保留 500 萬(wàn)個(gè)周期或 MIPS。利用嵌入式數據轉換器，軟件服務(wù)就如同讀取單個(gè)寄存器然后將讀取結果傳送至存儲器中一樣簡(jiǎn)單，從而將系統周期縮短 50%,也可將功耗進(jìn)一步降低 50％ 以上。

為了進(jìn)一步提高性能，同時(shí)降低功耗，諸如 MSP430FG43x 等新型 ASSP 均包括了直接內存存取 (DMA) 控制器。DMA 可在嵌入式混合信號外設之間提供最佳結合 (ultimate glue)，從而實(shí)現全面可配置的自動(dòng)化無(wú) CPU 參與數據傳輸。采用諸如數據轉換器這樣的外設可以顯著(zhù)增強 DMA 的性能,這些轉換器可以周而復始地將數據從存儲表中移進(jìn)移出。利用DMA，每次傳輸僅要求兩個(gè)系統周期，與連接外部器件的系統相比，系統開(kāi)銷(xiāo)降低了 25 倍。利用 DMA，可將新的可用系統資源重新分配給更高級的細分功能，或用于實(shí)現顯著(zhù)延長(cháng)的待機時(shí)間間隔，降低延長(cháng)電池使用壽命所需的功耗。

合而為一

如今，開(kāi)發(fā)基于混合信號快閃 MCU、能快速投入市場(chǎng)、具有緊密封裝以及更高精確度模擬的 ASSP 要求富有全新的思維方式。一流的 MCU 式線(xiàn)上電路模擬器 (ICE) 被嵌入式模擬所取代。小型嵌入式模擬邏輯內核駐留在實(shí)際的 ASSP 自身上，通過(guò)業(yè)界標準的 JTAG 接口可對其進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。嵌入式模擬對高性能混合信號系統變得日益重要，這些系統必須保持微伏模擬信號的完整性。笨重的 ICE 幾乎不可能實(shí)現高精度信號的完整性，它對連線(xiàn)干擾非常敏感。

借助嵌入式模擬技術(shù)，從開(kāi)發(fā)一開(kāi)始，固件工程師即可潛心開(kāi)發(fā)實(shí)際的生產(chǎn)系統并進(jìn)行調試。將 ISP 快閃存儲器的卓越靈活性與普通的嵌入式模擬相結合，使設計一開(kāi)始就能夠實(shí)現當今混合信號 ASSP 真正的系統級開(kāi)發(fā)，從而不僅可降低成本而且還能進(jìn)一步簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)工作，加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

作者簡(jiǎn)介

Mark Buccini居住在得克薩斯州的達拉斯，現任 MSP430 與 C2000 全球營(yíng)銷(xiāo)總監。在 TI，Mark Buccini 在模擬、DSP、ASIC 與 MSP430 方面的工藝驗證 (design-in) 與應用方面擁有 18 年的豐富經(jīng)驗。除了負責生產(chǎn)線(xiàn)以外，他還撰寫(xiě)了大量的應用報告、論文以及全球技術(shù)研討會(huì )系列材料。他畢業(yè)于密歇根州羅切斯特市的奧克蘭大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位 (BSEE)。Mark 出生于密歇根州的底特律。與妻子 Donna 結婚12 年，有一個(gè)四歲的兒子，名叫 Vincent。