使用8位MCU的物聯(lián)網(wǎng)控制應(yīng)用

追溯到20世紀(jì)70年代，單片機(jī)（MCU）在控制各種汽車、消費(fèi)品和工業(yè)產(chǎn)品方面發(fā)揮了重要作用。如今，單片機(jī)的應(yīng)用已擴(kuò)展到包括便攜式、無(wú)線和可穿戴物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品。除了物聯(lián)網(wǎng)以外，醫(yī)療保健行業(yè)也出現(xiàn)了大規(guī)模發(fā)展，各種應(yīng)用中都采用了8位MCU。

具有8位MCU的嵌入式電子產(chǎn)品需要在規(guī)模經(jīng)濟(jì)中具有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)備（每個(gè)應(yīng)用需要數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)器件）。例如，在汽車應(yīng)用中，8位MCU控制許多子系統(tǒng)，如電動(dòng)座椅和車窗、智能門把手，甚至輪胎壓力傳感器。這意味著幾美分的價(jià)格差相當(dāng)重要。應(yīng)用成本的另一方面是數(shù)百萬(wàn)設(shè)備的維護(hù)成本，在設(shè)計(jì)階段通常會(huì)忽視這一點(diǎn)?？煽啃院驮O(shè)備耐用性可以通過(guò)簡(jiǎn)化代碼和硬件來(lái)提高，而不需要軟件冗余。

多年來(lái)，8位MCU一直在發(fā)展并保持競(jìng)爭(zhēng)力的原因在于，它能夠?yàn)橛脩籼峁﹥r(jià)值。這是通過(guò)在多個(gè)方面持續(xù)創(chuàng)新而實(shí)現(xiàn)的，特別是存儲(chǔ)器、功耗、封裝和獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）等方面。

8位MCU的顯著改進(jìn)

隨著如今對(duì)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注度的提升，同時(shí)整個(gè)城市都在使用智能設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，大規(guī)模實(shí)現(xiàn)智能的能力對(duì)于許多行業(yè)變得至關(guān)重要。這些升級(jí)包括智能路燈以及每個(gè)停車點(diǎn)的停車場(chǎng)探測(cè)器，而不僅僅是入口處的一個(gè)計(jì)數(shù)器。需要單片機(jī)的某些功能來(lái)打造支持物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境。具體可以歸結(jié)為三個(gè)功能：收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，以及隨后將數(shù)據(jù)傳輸給其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能力。

在許多情況下，數(shù)據(jù)的收集、處理和傳輸可以由具有片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的8位MCU完成，而設(shè)備的內(nèi)核會(huì)保持低功耗模式。例如，智能停車場(chǎng)中的傳感器/指示器、聯(lián)網(wǎng)路燈、自動(dòng)化城市園藝和植物監(jiān)測(cè)都會(huì)用到該方法。當(dāng)系統(tǒng)日夜運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每mW電力乘以數(shù)千倍實(shí)際上可以積累起來(lái)。

小型設(shè)備的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值不僅體現(xiàn)在其降低的功耗方面，更體現(xiàn)在其更小巧的外形上，這使它們非常適合空間受限的便攜式電池供電類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。

最新一代單片機(jī)的開發(fā)正是基于這種價(jià)值理念。這些單片機(jī)采用新的流程，允許以低成本實(shí)現(xiàn)更大的存儲(chǔ)器，在為應(yīng)用提供所需功能的同時(shí)還會(huì)兼顧到用戶的成本。

存儲(chǔ)器

幾年前的單片機(jī)與目前市場(chǎng)上的器件有很大區(qū)別。這些單片機(jī)在當(dāng)時(shí)是革命性的產(chǎn)品，改變了嵌入式電路的適用范圍。如今，由于閃存的迅猛發(fā)展，通過(guò)編程使得單片機(jī)幾乎可以適用所有領(lǐng)域。

隨著應(yīng)用程序越來(lái)越復(fù)雜，新程序需要更多空間/存儲(chǔ)器。因此，新一代MCU在必要時(shí)會(huì)提供更大的存儲(chǔ)器，以滿足日益增長(zhǎng)的代碼空間需求。

經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛汽車測(cè)試的證實(shí)，嵌入式閃存可持續(xù)數(shù)年滿足要求，且具有極高的耐擦寫能力。這些功能為8位單片機(jī)的價(jià)值定位增加了新的維度。如今，8位單片機(jī)的存儲(chǔ)器大小范圍為最低384位到最高128 KB甚至更高，可滿足日益增長(zhǎng)的應(yīng)用數(shù)量要求。

功耗

由于電池供電類應(yīng)用中用到了許多8位MCU，因此出現(xiàn)的重大變化之一是追求最低功耗。

例如，nanoWatt XLP超低功耗PIC^? MCU包括專為電池供電類產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)控電路。這意味著這些單片機(jī)可以為“運(yùn)行”和“休眠”模式提供業(yè)界最低的電流，而超低功耗應(yīng)用中有90%-99%的時(shí)間都處于“運(yùn)行”和“休眠”模式。“外設(shè)模塊禁止”等電路從電源軌和時(shí)鐘樹中完全移除了外設(shè)，以實(shí)現(xiàn)零功耗泄漏。nanoWatt XLP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)包括：

●   休眠電流低于20 nA

●   欠壓復(fù)位電流低至45 nA

●   看門狗定時(shí)器電流低至220 nA

●   實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電流低至470 nA

●   運(yùn)行電流低至50 μA/MHz

●   完全模擬和自寫能力低至1.8V

這些低電流加起來(lái)可以延長(zhǎng)電池壽命，非常適合便攜式應(yīng)用。通過(guò)優(yōu)化的外設(shè)，可以提高節(jié)能效果，這將在后面加以討論。

封裝

8位MCU與16位或32位MCU的另一個(gè)主要區(qū)別是小型封裝，這使8引腳器件非常適合安裝在空間受限的無(wú)線/便攜式和可穿戴產(chǎn)品的狹小空間中。例如，8引腳SOIC或8引腳DFN。常見(jiàn)的封裝是20引腳超薄正方扁平無(wú)引線封裝（VQFN），其尺寸為3x3 mm。因?yàn)樵黾痈喙δ苄枰噙B接和更大封裝，但具有足夠功能的8位MCU可以安裝在無(wú)法使用16位或32位MCU的電路板空間中。

圖1 許多新的PIC^?和AVR^?產(chǎn)品系列提供小到3x3 mm VQFN器件的各種封裝，非常適合空間受限的應(yīng)用

如果由于8位單片機(jī)功能的增加而使系統(tǒng)復(fù)雜性提高，導(dǎo)致需要更大區(qū)域和更多連接，那么也會(huì)使用更大的封裝，包括40引腳PDIP和VQFN以及44引腳TQFP版本。

獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)

將單片機(jī)的某些功能從中央內(nèi)核中分離出來(lái)，可提供獨(dú)立于內(nèi)核的自主性和一些優(yōu)勢(shì)，尤其適合低功耗/低成本設(shè)計(jì)。這些獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)增加了內(nèi)置功能來(lái)降低功耗，并通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了觸摸界面的實(shí)現(xiàn)、傳感器數(shù)據(jù)積累和調(diào)節(jié)，以及將復(fù)雜的軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化到硬件中等。

CIP設(shè)計(jì)了額外的功能來(lái)處理各種任務(wù)，無(wú)需單片機(jī)中央處理單元（CPU）的干預(yù)。這種設(shè)計(jì)方法提供了一種基于外設(shè)的預(yù)封裝式事件編程。例如，事件系統(tǒng)可以在多個(gè)通道上基于通用輸入/輸出（GPIO）或程序中斷來(lái)觸發(fā)事件。

圖2按外設(shè)類別以顏色區(qū)分顯示了8位PIC^?和AVR^?單片機(jī)目前可用的CIP。這八個(gè)類別及其子類別實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效型嵌入式控制器中預(yù)期的大部分功能。請(qǐng)注意，綠色部分為前面提到的部分提供了額外的降低功耗可能性。

圖2 獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)適用于各種8位MCU設(shè)計(jì)領(lǐng)域

CIP通過(guò)降低代碼開銷來(lái)提高可靠性。利用硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功能避免了潛在的軟件沖突。此外，硬件中的外設(shè)互連減少了外部連接，從而提高了終端系統(tǒng)的可靠性。隨著組件可靠性的提高，整個(gè)項(xiàng)目生命周期內(nèi)的成本也會(huì)降低。

許多新的8位系列在存儲(chǔ)器和引腳數(shù)方面提供了大量選項(xiàng)。這些選項(xiàng)允許在大型設(shè)備上完成開發(fā)，并且實(shí)際代碼大小經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，可將生產(chǎn)規(guī)模降低為適合使用小型設(shè)備。

例如，在用于成本敏感型傳感器和實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的各種產(chǎn)品中，PIC16F152XX單片機(jī)系列的簡(jiǎn)化功能集包括10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、外設(shè)引腳選擇（PPS）、數(shù)字通信外設(shè)和定時(shí)器。存儲(chǔ)器功能包括存儲(chǔ)器訪問(wèn)分區(qū)（MAP），可在數(shù)據(jù)保護(hù)和自舉程序中為用戶提供支持。

加速和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)導(dǎo)入的設(shè)計(jì)工具 

隨著開發(fā)工具的進(jìn)步，許多必須硬編碼的過(guò)程可通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)工具簡(jiǎn)化和產(chǎn)生，例如MPLAB^?代碼配置器（MCC）。這樣可帶來(lái)諸多好處，不但有助于減少開發(fā)應(yīng)用程序所需的時(shí)間，還能夠?qū)崿F(xiàn)更精簡(jiǎn)的代碼，這樣開發(fā)人員便無(wú)需進(jìn)行多次代碼迭代或從頭開始編寫匯編代碼即可進(jìn)行開發(fā)。例如，具有完整編程和調(diào)試功能的PIC16F15244 Curiosity Nano評(píng)估工具包（部件編號(hào)：EV09Z19A）可為新設(shè)計(jì)提供全面支持。

圖3  Curiosity Nano評(píng)估工具包簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)中的PIC16F15244 Curiosity Nano評(píng)估板和兩個(gè)100 mil，1x15引腳排針

最后，MPLAB X集成開發(fā)環(huán)境（IDE）為8位（以及16位和32位）MCU代碼開發(fā)提供了免費(fèi)的開發(fā)環(huán)境，用來(lái)模擬、與硬件工具接口和訪問(wèn)Microchip以及第三方插件。

廣闊（和經(jīng)濟(jì)高效的）前景        

單片機(jī)歷史悠久，8位MCU通過(guò)在存儲(chǔ)器、功耗、封裝和外設(shè)方面的進(jìn)步展示出巨大的靈活性和應(yīng)用創(chuàng)新。它們不僅具有復(fù)雜應(yīng)用所需的較大存儲(chǔ)器，而且還能提供用于簡(jiǎn)化復(fù)雜應(yīng)用的各種方法。這種簡(jiǎn)化既可以減少開發(fā)項(xiàng)目所花費(fèi)的金錢/時(shí)間，也可以降低MCU投入生產(chǎn)時(shí)的成本。

如今，8位MCU不僅僅局限于數(shù)據(jù)收集，還支持在大量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中收集、處理和傳輸數(shù)據(jù)。全新的8位產(chǎn)品顯著增加了存儲(chǔ)器大小并優(yōu)化了外設(shè)，可滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用需求。不過(guò)，小型和經(jīng)濟(jì)高效型設(shè)計(jì)（包括傳感器和簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)控制應(yīng)用）均可從8位PIC16F152xx系列的簡(jiǎn)化功能集中受益。憑借其獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)，這些MCU顯然是大多數(shù)設(shè)計(jì)人員的理想選擇。