新一代32位微控制器走入家庭應(yīng)用

　　新一代32位微控制器(MCU)具有非常高的集成度，具有片上閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和其它的集成外設(shè)。這種集成度結(jié)合增強(qiáng)的處理能力，能提供高性能和具有成本效益的解決方案，可用于很多新的家電產(chǎn)品、白色家電、消費(fèi)電子產(chǎn)品和其它應(yīng)用。設(shè)計(jì)師現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)32位MCU僅僅比16位產(chǎn)品略貴一點(diǎn)，但增加的功能特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了微小的成本差異。很多基于RISCC的32位MCU現(xiàn)在能提供非常高的性能，功耗只相當(dāng)于16位控制器的水平。這些控制器還具有較小的封裝尺寸，因此，在采用32位MCU設(shè)計(jì)時(shí)封裝大小不再是一個(gè)挑戰(zhàn)，即使是在空間受限的應(yīng)用中。

　　盡管大多數(shù)新一代32位MCU基于RISC架構(gòu)構(gòu)建，具有低功耗和高速度，還是有某些版本采用CISC架構(gòu)，從而為設(shè)計(jì)師提供了另外一種選擇。設(shè)計(jì)師使用基于RISC的MCU時(shí)需要特別關(guān)注是否包含擴(kuò)展指令集，這對(duì)于匯編級(jí)別的編程和高級(jí)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)非常有用。如此多的片上外設(shè)進(jìn)一步豐富了MCU的產(chǎn)品類型。仔細(xì)地評(píng)估在特定應(yīng)用中所需要的特性可以幫助選擇最合適于該應(yīng)用的32位MCU。

片上存儲(chǔ)器和通信立即增加價(jià)值

　　其中一個(gè)基礎(chǔ)創(chuàng)新是集成片上存儲(chǔ)器，現(xiàn)在大多數(shù)MCU通常具有最少512KB的閃存和至少32KB的ROM。根據(jù)具體應(yīng)用某些MCU上集成了更多的片上存儲(chǔ)器，每一個(gè)開(kāi)發(fā)者和設(shè)計(jì)師必須考慮的事情是目標(biāo)應(yīng)用的存儲(chǔ)器需求，片上存儲(chǔ)器的存在和大小對(duì)最終選擇產(chǎn)生重大影響。片上閃存允許用戶多次重寫軟件，即使在產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)后，使用戶從傳統(tǒng)的掩模ROM中解脫出來(lái)，掩模ROM存儲(chǔ)器只能編程一次。這樣一來(lái)，閃存在那些需要快速處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用中越來(lái)越重要，如存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器傳輸、外設(shè)資源控制、位管理和直接數(shù)據(jù)命令。

　　在這些先進(jìn)的MCU中的另外一個(gè)重要特性是指令集，這些指令集管理系統(tǒng)控制和I/O訪問(wèn)。這些命令被增強(qiáng)和流水線化，以使他們適合于不同的消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用。例如很多32位器件現(xiàn)在集成了與中央處理器并行工作的高速乘積/和宏單元。這些版本的產(chǎn)品能以33MHz或更高的工作頻率在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行乘積/和運(yùn)算，因此這些器件可以用于圖像處理應(yīng)用中，用于濾波處理或快速傅立葉變換，或者用于聲音處理。設(shè)計(jì)師可以考慮把這些宏單元用在消費(fèi)電子產(chǎn)品中。

　　也有這樣的趨勢(shì)，就是在32位控制器中包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，以通過(guò)以太網(wǎng)物理層(PHY)、USB或者其它接口增加工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的連接能力。這些通信接口可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)到系統(tǒng)的通信，并且采用片上USB，不需要主機(jī)接口，為如需要大量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的工業(yè)控制這樣的應(yīng)用增加了價(jià)值。

　　最新的32位MCU還具有非常高的處理能力，在增加了乘法器、程序計(jì)數(shù)加法器以及桶式移位器的特性下，每個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行超過(guò)1.25個(gè)指令。一組頻率控制和指令，除了通常的存儲(chǔ)器訪問(wèn)以及嵌入式編程指令以外，還包括存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器傳輸、外設(shè)資源控制、位管理以及直接數(shù)據(jù)命令等指令，提供非常高的目標(biāo)效率并減少外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)操作次數(shù)以及高速緩存訪問(wèn)次數(shù)。結(jié)果是減少了CPU總線上的負(fù)載、提高了CPU內(nèi)核和高速緩存的效率。

32位MCU進(jìn)入家用電器設(shè)備應(yīng)用

　　這種新一代32位MCU增長(zhǎng)速度最快的一個(gè)應(yīng)用是家用電器設(shè)備，例如空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱以及更小的白色家電。在過(guò)去的設(shè)計(jì)中，一個(gè)通用的8位MCU通常就足夠了，但是現(xiàn)在開(kāi)始強(qiáng)調(diào)節(jié)約能量和功耗、要求開(kāi)發(fā)出更加安靜、效率更高的設(shè)備。通過(guò)集成的功能特性，例如多功能定時(shí)器、高速A/D轉(zhuǎn)換器、過(guò)流保護(hù)電路，MCU可以減少會(huì)影響產(chǎn)品性能的振動(dòng)和噪聲。

　　在這些新的MCU中增加的新的特性可以使用高效的矢量控制功能，使得MCU可以監(jiān)控和調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和電機(jī)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)和電機(jī)，32位的MCU可以配置以下這些功能單元：矢量驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用控制、高速處理和高速A/D轉(zhuǎn)換。

　　這些功能需要32位MCU來(lái)驅(qū)動(dòng)矢量同時(shí)控制應(yīng)用、保持脈寬調(diào)制輸出、執(zhí)行高速A/D轉(zhuǎn)換。在這些嵌入式應(yīng)用中使用高速12位A/D轉(zhuǎn)換器提供了對(duì)最小變化的敏感度，允許非?？焖俚捻憫?yīng)。轉(zhuǎn)換器與靈活的脈寬調(diào)制單元一起工作，實(shí)現(xiàn)平滑精確的控制，并且降低功率要求以及節(jié)省運(yùn)行成本。

　　家用電器的另外一個(gè)趨勢(shì)是使用來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)用于控制，例如在微波爐中使用多個(gè)溫度監(jiān)控和另外的蒸汽以獲得不同食物最好的加熱效果。在新的家用電器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)了新的要求，這些要求包括在微波爐和電磁爐表面的精確溫度控制以及空調(diào)、洗衣機(jī)、干衣機(jī)和洗碗機(jī)更高效的工作。滿足這些要求需要能實(shí)時(shí)地處理來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并提供精細(xì)的控制。

　　對(duì)于電機(jī)控制，新一代的32位MCU可以集成自由運(yùn)行的定時(shí)器。把這些定時(shí)器分配給每個(gè)相位，通過(guò)在三相逆變器控制中將不同定時(shí)器用于每個(gè)獨(dú)立的相位，它們能實(shí)現(xiàn)載波頻率的產(chǎn)生。逆變器控制將直流電源變成交流電，對(duì)于實(shí)現(xiàn)降低功率和降低工作噪聲來(lái)說(shuō)，逆變器功能是非常重要的。逆變器應(yīng)用的實(shí)例是空調(diào)設(shè)備；現(xiàn)在能用逆變器的其它家用電器包括洗衣機(jī)和電冰箱。

　　32位MCU通過(guò)確定電機(jī)的最佳驅(qū)動(dòng)力，可以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后在負(fù)載波動(dòng)太大時(shí)以及產(chǎn)生不連續(xù)和低效率的操作時(shí)快速地反饋數(shù)據(jù)。例如，因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)或衣服的運(yùn)動(dòng)，洗衣機(jī)的電機(jī)負(fù)載不斷地波動(dòng)，因此調(diào)整驅(qū)動(dòng)力矩是控制的必要部分。通過(guò)提供快速的中斷響應(yīng)時(shí)間以及能在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算，這些MCU能有效地精細(xì)調(diào)整電機(jī)控制，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的功耗最低。

　
圖1：富士通32位MCU框圖 

　　這些功能大大地增強(qiáng)了32位MCU在家用電器中的價(jià)值。另外一個(gè)令人興奮的應(yīng)用現(xiàn)在開(kāi)始出現(xiàn)了：完全聯(lián)網(wǎng)的家用電器，與上網(wǎng)的家庭環(huán)境相連接。在32位MCU控制的幫助下，電冰箱將能告訴消費(fèi)者某類食物儲(chǔ)量什么時(shí)候比較低或者何時(shí)將售完，連接到家庭網(wǎng)絡(luò)的家用電器將能讓消費(fèi)者知道出現(xiàn)故障或者需要維修。隨著各種消費(fèi)電子產(chǎn)品都實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)，32位MCU將能使這些聯(lián)網(wǎng)功能得以實(shí)現(xiàn)。

　　富士通微電子公司現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了很多這些功能，并將它們集成到32位控制器中，滿足在合理的價(jià)格下不斷提高的性能要求，為從8位和16位MCU向32位MCU轉(zhuǎn)移做好了準(zhǔn)備。設(shè)計(jì)師將不斷地看到越來(lái)越多的32位MCU產(chǎn)品類型和選擇以及32位MCU將擴(kuò)展到的應(yīng)用。

作者：Sandhya Mallikarjun

設(shè)計(jì)工程師

富士通微電子(美國(guó))公司