|
作者：Juan Alvarez，德州仪器
由于各种微控制器 (MCU) 在成本、外设设计与组合、CPU
架构以及板级集成度等方面的多样性日益丰富丰富，因此要为特定的应用选择一款最佳 MCU
也变得更具挑战性。对于便携式工业测量应用而言，为应用选择最佳的 MCU
需要优先满足关键应用需求，如拥有超长电池使用寿命、高性能模拟外设以及丰富的用户接口。
超长电池使用寿命
为了尽可能实现最长的电池使用寿命，设计人员必须将平均电流消耗降至最低。设计人员需要考虑相关运行参数并根据各种工作条件来计算平均功耗。如果设计人员仓促做出决定则可能造成功耗过高。目前的低功耗
MCU 具有多种运行模式，包括工作模式、待机模式以及断电模式。在工作模式下，所有时钟都处于工作状态。在待机模式下，CPU
时钟处于休眠状态，但实时时钟仍在运行，并等待某个中断事件唤醒 CPU；MCU
通常具有不同级别的待机操作模式。在断电模式下，所有时钟全部处于休眠状态，等待某个事件唤醒
CPU。为了解每种运行模式的功耗，我们的研究范围必须超越产品说明书所列的功能。某些产品说明书规定了非实际工作条件下的电流消耗。为了更准确地了解情况，应当对比下列情况下的最大电流消耗，即应用将采用各种运行模式工作电压与工作温度的最大电流消耗。对于采用锂电池的应用，大多数情况下工作电压为
3V、工作温度为 25oC。
另一种延长电池使用寿命的方法是尽可能缩短待机／断电模式与运行模式之间的切换时间。某些厂商提供“按需”时钟源，用于在确定已中断之后立即提供稳定的时钟源。
MCU 可以采用标志轮询 (flag polling) 或中断矢量 (interrupt vector) 来唤醒
CPU。由于 CPU 能够立即响应任何事件并且在轮询外设时不浪费电流，所以由中断驱动的架构可以显著降低功耗。
待机模式比工作模式的功耗低。我们必须选择能够使 CPU 尽可能保持在待机模式的
MCU。专为低功率运行设计的 MCU 可以利用定时器与数据自动触发模数转换，而无需 CPU 通过直接存储器存取(DMA)
与缓冲器的采样进行干预。当 CPU
处于空闲状态时，我们可将它用于实施其他操作，从而提高系统的吞吐能力，另外，它还可以断电以降低应用的平均功耗。
降低功耗的关键是尽可能降低泄漏电流。对大多数便携式应用而言，终端产品一般是成品，因此泄漏电流因素决定平均电流消耗等式。应当计算端口的总泄漏电流，同时确保采用可以最小化电流消耗的端口配置。
应当单独评估 MCU
的每种功能，以便了解其电流消耗的影响。例如，在集成掉电保护功能时就应当慎之又慎。在插入电池过程中或者电源低于正常供电规格但高于接地规格时就可能出现掉电情况。大部分
MCU 都集成了断电保护功能，但是此功能可能会增加 20uA～70uA
的平均电流消耗。在添加上述保护功能时应当选择不增加电流消耗的 MCU。
高性能模拟
在进行架构决策时应当研究模拟要求。应当仔细查看 MCU
产品提供的外设，确保其能够支持当前和未来需求。例如，MSP430 系列中的部分器件为便携式测量应用提供12 位 A／D、12
位 DAC 以及低功耗运算放大器。选择能够提供高性能外设组合的 MCU
产品系列以使设计人员能够确保实现未来的集成策略。另外，如果无法获得能够提供理想模拟外设组合的
MCU，则可以采用外置模拟外设，因为性能比集成更重要。
如果 MCU 已经集成了外设，则应当检查外设的设计，以确保应用能够正常运行。某些 CPU 具有更高的数据处理效率。带
12 位 A／D 的 16 位 MCU 的数据处理速度比8 位 MCU 更快。16 位 MCU 通过一个 16
位寄存器进行采样，而 8 位 MCU 必须利用 2 个 8位寄存器来处理采样。
用户接口
设计的另一个问题是有效集成应用所需的全部用户接口，包括：键盘、显示器以及通信端口。键盘的功能简单明了，但是设计人员需要确保应用能够中断击键操作并且进行高效处理。由于液晶显示器
(LCD)具有较低的成本与功耗，所以常用于为用户提供反馈。大多数制造商根据设计人员的需求定制专用的显示器，以便优化系统使用的最低电压并且显示任何所需的字符与符号。在选择
MCU 时，应当确保 CPU 不会用于定期刷新显示器。设计人员应当了解 MCU 能够支持多少程序段 (segment)
以及相关应用需要支持多少程序段。
用户接口的另一方面是通信端口。我们可以实施各种通信方案，如I2C、RS-232、RS-485 以及 RF
等。应当考虑在 MCU
中如何实现相关通信方案。根据所需波特率研究硬件与软件选项。软件选项可以实现低成本解决方案，但是通常会占用 MCU 的资源。
MSP430FG46xx 系列是能够总结上述各方面讨论的实例（参见图 1）。在本例中，一个 12 位模数控制器负责对分辨率为
4096 步 (step) 的高精度电压源传感器的采样。为满足所需的动态范围，在采样之前预先放大传感器的信号。12
位模数转换器使前置放大器 (pre-amplifier)
的非反相输入发生偏置，以便实现精密校准。系统由电池供电，并采用电源电压监控 (SVS)
电路在电源低于最低指定电压时使应用复位。LCD 可为用户显示测量结果。
微控制器选择清单
延长电池使用寿命：
- 采用实际运行参数尽可能降低多种运行模式的功耗
- 最短的 CPU 唤醒时间
- 中断驱动的架构
- 最低泄漏电流
- 无需 CPU 干预的外设运行
- 低功耗功能（例如：掉电复位不增加功耗）
高性能模拟：
- 采用可支持不同高性能外设组合的产品系列
- 不能为了集成目的而降低外设性能
- 采用独立于 CPU 的外设
- 采用能够进行高速数据采样的 CPU，如 16 位架构
用户接口：
- 采用由中断驱动的键盘端口
- 采用低功耗液晶显示器
- 根据波特率需求选择软、硬件通信端口
图 1：MSP430FG46xx
系列具备集成的高性能数据转换器与运算放大器，是一款非常适用于典型便携式测量应用的优化型解决方案。
|