利用ASSP實現(xiàn)成本節(jié)約，加速產品上市進程

　　美國得克薩斯州達拉斯，德州儀器公司總部負責全球市場營銷及應用的經(jīng)理  Mark Buccini

　　在許多嵌入式混合信號應用中，為了在同一系統(tǒng)中同時滿足高性能模擬以及低成本數(shù)字邏輯這對相互沖突的要求，手工 (handcrafted) 專用集成電路(ASIC)常常是唯一實際可用的設計選擇。該概念旨在將作為ASIC的復雜特定用途應用模擬從系統(tǒng)的數(shù)字商品部分分離開來。將模擬提取并整合到特定ASIC能夠優(yōu)化復雜特性，并將系統(tǒng)的通用特性進行商品化。

　　盡管會出現(xiàn)非重復設計(NRE)本以及較長的生產間隔時間等問題，但將模擬與數(shù)字分開在許多情況下還是有其經(jīng)濟意義的。不過隨著如今現(xiàn)代芯片制造技術已經(jīng)達到或低于0.5um的程度，最低批量達10萬套時，通常完全定制的模擬電路其NRE為50多萬美元。此外，經(jīng)濟與額外的設計風險以及縮短產品上市進程的壓力使手工解決方案幾乎一點都不現(xiàn)實。

　　當今潮流是采用專用標準產品 (ASSP) 在單個系統(tǒng)中平衡高性能模擬、低成本數(shù)字以及縮短產品上市時間。這些 ASSP 可提供專用混合信號模擬特性作為優(yōu)化外設，同時實施的器件可在許多平臺上共享可重復使用的功能?？扉W微控制器 (MCU) 是最佳的共享功能解決方案選擇。設計人員不再需要集中其資源進行風險極大的定制硬件實施，而是開發(fā)具有靈活性的、可編程的功能以便能迅速將其投入市場。

電子電表解決方案

　　ASSP能很好發(fā)揮作用的嵌入式混合信號應用的一個常見實例是電子電表。電子電表要求電路系統(tǒng)在廣泛的動態(tài)范圍內具備精確的電壓與電流轉換、可編程的快速MCU、計時功能、非易失存儲，以及靈活的顯示與通信特性。圖1顯示了常見的第一代電子電表的構造塊。

　　執(zhí)行能量轉換功能需要具備可編程增益放大器(PGA)的獨立模數(shù)轉換器(ADC)。被轉換的線電壓和電流信號可進行數(shù)字處理，提供能量和線路時段測量、負電流動顯示、峰值電壓與電流等。數(shù)字信號處理器(DSP)可執(zhí)行必要的計算以提供準確的活動能量、RMS電壓、電流以及波形采樣。

嵌入式信號處理器

　　就簡化的系統(tǒng)設計方法而言，諸如MSP430FE42x"電表芯片"等混合信號ASSP集成了測量功能，作為隨時可用的嵌入式信號處理器 (ESP)?？蓪SP看作是一種固定功能外設，是專門為電子電表應用而量身定制。ESP作為一種外設可提供所有測量功能，如圖2所示。我們使用具備同時采樣和保持的三個獨立的16位Δ-Σ ADC-PGA 對。其中一個ADC用作電流測量，一個用作電壓測量，第三個則用作火線與零線 (line-to-neutral) 電流比較，以進行竄改檢測。

　　我們可對嵌入式16位DSP進行編程，該器件采用優(yōu)化的CPU、硬件乘法器、RAM以及ROM。也集成了精確的電壓參考與溫度感應器，用以減少外部組件。對設計工程師而言，ESP可方便地初始化，而無需應用軟件。與主要的16位CPU的通信是通過現(xiàn)有的存儲器和數(shù)據(jù)地址總線作為可讀寫郵箱寄存器完成的。數(shù)字校準在制造過程中執(zhí)行，無需其它的軟件支持。

　　為了滿足嚴格的準確性要求，測量功能可在1000至1的動態(tài)電流范圍內提供精確到 0.1% 的能量測量，大大超過了典型機械電表 2% 的一般精確度。由于具備每秒4096的高采樣率，可以以數(shù)字的方式去除第20階的50或60Hz市電電源諧波，特別是在快速開關瞬變負載環(huán)境中實現(xiàn)了更高的精確度。由于完全通過ESP管理關鍵的能量計算，用戶可以使用MCU來實施獨特的特性，如顯示和自動讀表（AMR）。

單片方法

　　從芯片角度看，除了專用ESP之外，ASSP的主要吸引力還在于將所有其他功能可作為通用外設提供。在電表芯片實例中，主CPU可以完全訪問32kB系統(tǒng)內部可編程 (isp) 閃存和1kB RAM，以開發(fā)應用特性。憑借ISP，一般用作校準和單元識別序列號的外部非易失存儲器可以取消，而代之以保存在正常的閃存中。周期性消耗數(shù)據(jù)也可記錄在ISP閃存中。

　　圖3顯示了完整的片上電表。兩款業(yè)界標準的16位計時器、USART串行通訊接口以及LCD驅動器可為每個應用實施獨特的特性。作為業(yè)界標準的外設，一般軟件庫可重復使用，從而減少了總體項目開發(fā)時間。

　　就長期可靠性而言，系統(tǒng)中發(fā)生故障的最常見的項目之一就是晶體 (crystal)，其本質上是一種機械元素。因此，電表ASSP只使用單個低頻率的32 kHz 表面晶體 (watch crystal) 作為計時之需，并能在斷電情況下進入超低功耗的睡眠模式。高速系統(tǒng)時鐘獨立于晶體在片上進行數(shù)字生成，如果發(fā)生外部晶體故障，它可提供故障安全模式，以允許MCU在最小級別上繼續(xù)工作。對于諸如電表等應用而言，可靠性是最優(yōu)考慮的因素，因為這需要部署數(shù)十年之久。

　　與離散解決方案相比，電表ASSP將芯片數(shù)從五片降至了一片。芯片數(shù)的降低不僅節(jié)約了成本，而且還優(yōu)化了制造，改善了長期可靠性。

合而為一

　　如今，開發(fā)基于嵌入式 MCU、能快速投入市場、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際的 ASSP 自身上，通過業(yè)界標準的 JTAG 接口可對其進行不間斷訪問。嵌入式模擬對高性能混合信號系統(tǒng)變得日益重要，這些系統(tǒng)必須保持微伏模擬信號（如電子電表）的完整性。笨重的 ICE 幾乎不可能實現(xiàn)信號完整性，它對連線干擾非常敏感。

　　從開發(fā)一開始，固件工程師就在默默地開發(fā)實際的生產系統(tǒng)并進行調試。將ISP閃存的卓越靈活性與普通的嵌入式模擬相結合，使設計一開始就實現(xiàn)了系統(tǒng)級開發(fā)，從而減少了反復開發(fā)工作與時間。如果需要的話，還可在生產系統(tǒng)中進行最后一分鐘軟件升級，并不管在是否經(jīng)過遠程計劃安排的情況下都可進行更新。

作者簡介

　　Mark Buccin是 MSP430的全球產品線經(jīng)理，負責應用與戰(zhàn)略市場營銷。在TI的模擬、DSP、ASIC和MSP430等領域的實際設計和應用方面擁有 15年的豐富經(jīng)驗。除了負責產品線而外，他還撰寫了大量應用報告、論文以及四份年度全球研討會系列材料。他擁有奧克蘭大學（密歇根州Rochester）的電子工程學士學位。