飛思卡爾汽車及標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品部亞太區(qū)高級(jí)市場經(jīng)理黃耀軍表示：“2005年的中國汽車市場對(duì)于基于MCU的嵌入式應(yīng)用來說將是一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)力量。”他指出，第一，隨著中國根據(jù)WTO協(xié)議不斷調(diào)低關(guān)稅(2004年低已調(diào)降到34%)，以及中國經(jīng)濟(jì)繼續(xù)快速增長，2005年的中國汽車市場仍將高速增長；第二，汽車本身對(duì)遠(yuǎn)程信息通信、安全、娛樂和操控的更高需求導(dǎo)致每部車的MCU的應(yīng)用數(shù)量已快速上升到幾十片；第三，汽車電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越多地轉(zhuǎn)入中國。

Cypress(賽普拉斯半導(dǎo)體)公司亞太地區(qū)FAE經(jīng)理Daniel Chao也預(yù)測道：“5年后汽車中的電子器件成本將占總成本的50%，而目前僅為20%。MCU是其中關(guān)鍵的元器件之一。”

根據(jù)Strategy Analytics市場咨詢顧問公司的研究報(bào)告，汽車安全系統(tǒng)、資訊娛樂系統(tǒng)、車身及車燈控制系統(tǒng)在未來五年內(nèi)的年平均復(fù)合增長率分別為13.4%、24%和7.3%，到2007年，這三大系統(tǒng)的市場總量分別為22億、20億和28億美元。

目前，8位MCU因成本優(yōu)勢主宰著車身控制和傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，16位MCU主要用于完成噪聲環(huán)境下的高速、多重?cái)?shù)據(jù)傳輸，32位MCU的應(yīng)用主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)控制、汽車導(dǎo)航、遠(yuǎn)程信息通信和多媒體影音娛樂系統(tǒng)和汽車安全及防盜。

除了汽車以外，電動(dòng)自行車也已在2004年顯露出強(qiáng)勁的增長潛力。Daniel Chao說：“2005年電動(dòng)自行車市場可望有一個(gè)高速增長，從去年的5百萬輛快速增長到今年的8百萬輛。”不過，他認(rèn)為，家用電器對(duì)MCU來說已是一個(gè)成熟市場，其未來的增長將趨于平緩。

根據(jù)WSTS，未來幾年家用電器(如DVD播放機(jī)和數(shù)碼相機(jī))和工業(yè)應(yīng)用市場(如POS機(jī))的銷售量平均增長率分別在30%和14%左右。中國政府稅制改革也將帶來數(shù)百萬的稅控機(jī)新業(yè)務(wù)，因?yàn)樗仁贡姸嗟闹袊静捎没谧x卡器的解決方案，并以稅控機(jī)全面取代現(xiàn)有的POS機(jī)和收款系統(tǒng)。針對(duì)家用PC和企事業(yè)高層用筆記本電腦的USB密鑰也將是一個(gè)非常有發(fā)展?jié)摿Φ拇笫袌觥?/p>

Atmel亞太區(qū)產(chǎn)品支持部高級(jí)總監(jiān)Jim Panfil則看好智能卡的未來。他強(qiáng)調(diào)：“基于MCU的智能卡創(chuàng)造了一系列迅猛發(fā)展的應(yīng)用，從GSM手機(jī)中的SIM卡、身份識(shí)別卡到提供各種金融服務(wù)的銀行卡(包括信用卡和借記卡)。”

自動(dòng)提款機(jī)和零售點(diǎn)POS機(jī)等對(duì)安全性要求極高的MCU應(yīng)用也越來越普及到中國家居、辦公和零售市場的各個(gè)角落，無線POS終端將是該領(lǐng)域的一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展趨勢。Oki先進(jìn)數(shù)字消費(fèi)類業(yè)務(wù)部總經(jīng)理Yoshi Aida認(rèn)為：“2008年北京奧運(yùn)會(huì)將增大無線POS終端和IC讀卡器在中國零售市場的商業(yè)發(fā)展?jié)摿?#xff0c;未來的三年將是中國市場增長的一個(gè)巔峰期，許多領(lǐng)域都將有一個(gè)很大的增長。”

Microchip首席執(zhí)行官Steve Sanghi也指出：“2005年，照相手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和HDTV三大含有MCU的嵌入式應(yīng)用仍將保持目前的高速增長態(tài)勢。一個(gè)值得關(guān)注的新興應(yīng)用是電視手機(jī)。”

“消費(fèi)電子正在創(chuàng)造著下一波電子工業(yè)革命的曙光，其推動(dòng)力將是能夠提供易用性、融合性和互操作性的解決方案。”美國Silicon Labs公司MCU產(chǎn)品部副總裁Derrell Coker表示，“今年，下一代8位8051 MCU將繼續(xù)通過對(duì)消費(fèi)電子設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)分割和集成支持這一演進(jìn)。”該公司改進(jìn)后的8051 MCU的處理能力已提高到100MIPS。

他指出，去年市場對(duì)8位MCU的需求量達(dá)到了歷史最高點(diǎn)，今年預(yù)計(jì)還將繼續(xù)增長。今天很多工業(yè)分析家已經(jīng)預(yù)言，8位MCU市場仍代表著很多的商業(yè)機(jī)會(huì)，2007年8位MCU的出貨量有望超過42億片。

嵌入式應(yīng)用最新技術(shù)趨勢

當(dāng)今嵌入式應(yīng)用正越來越多地集成更多的外設(shè)，如USB2.0、電機(jī)控制模塊和RF模塊。例如，Yoshi Aida就表示：“未來的PHS基帶控制器上將集成一些新的功能，如JPEG或數(shù)字音頻。另外，未來的數(shù)字音頻產(chǎn)品除了要求增加多音頻CODEC和 DRM10功能外，而且還將要求加入JPEG或MPEG解碼功能，以便在LCD屏幕上觀看照片或電影，預(yù)計(jì)這一趨勢還將擴(kuò)展到低端產(chǎn)品上。”

在綠色家用電器領(lǐng)域，智能化和低功耗是兩大技術(shù)發(fā)展趨勢。家用電器總的發(fā)展趨勢是機(jī)電設(shè)計(jì)向固態(tài)嵌入式控制設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，它將主要依靠采用MCU為家用電器 (像烤面包機(jī)、電熨斗、攪拌機(jī)和熱量計(jì)等)增加更多的智能。隨著智能化程度的進(jìn)一步提高，設(shè)計(jì)師將面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要集中在人機(jī)接口和易用性兩方面。此外，集成了一些數(shù)字信號(hào)處理能力的DSC(數(shù)字信號(hào)控制器)越來越多地被用于降低系統(tǒng)總體功耗。

在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，PC外設(shè)將越來越多地采用帶有MCU內(nèi)核的SoC和集成無線通信功能，而32位ARM MCU正開始集成到POS機(jī)中，無線POS終端將會(huì)成為一個(gè)新概念產(chǎn)品。

在汽車電子領(lǐng)域，MCU越來越多地應(yīng)用于低成本的LIN總線連接，以及增強(qiáng)汽車安全性的TPMS(汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng))應(yīng)用。汽車電子市場使用的MCU 最強(qiáng)調(diào)的是可靠性，隨著成本意識(shí)的提高，單片解決方案也已成為一種應(yīng)用趨勢，特別是新興的電動(dòng)自行車應(yīng)用。此外，MCU之間的通信能力和MCU與外部世界的通信能力也日益成為一個(gè)重要的選擇依據(jù)。

Daniel Chao也表示：“MCU的可靠性和成本長期以來一直是關(guān)鍵的判斷依據(jù)，并將進(jìn)一步得到強(qiáng)調(diào)。今后設(shè)計(jì)/制造的靈活性和高集成度將變成選擇MCU的主導(dǎo)因素。”Steve Sanghi也指出：“未來的主要應(yīng)用趨勢是越來越多地使用現(xiàn)場可編程MCU，特別是閃存MCU。其次則是越來越多地使用低功耗MCU，特別是大量基于電池的應(yīng)用。”

總的來說，Jim Panfil認(rèn)為：“設(shè)計(jì)師正在要求MCU具有更高的集成度、更大的存儲(chǔ)空間、更低的功耗、更強(qiáng)的防靜電和EMI能力。”

主要技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案

對(duì)于要求上市周期盡可能短的基于MCU的嵌入式應(yīng)用來說，業(yè)界普遍認(rèn)為，最大的技術(shù)挑戰(zhàn)將主要來自低功耗、低成本、易用性和可靠性。例如，Cypress 的Daniel Chao說：“集成度/靈活度/易用性、低成本和高可靠性是前三大技術(shù)挑戰(zhàn)。”ST公司也認(rèn)為，基于MCU的嵌入式應(yīng)用的前三大技術(shù)挑戰(zhàn)是：電磁干擾、低功耗和固件靈活性。

“如何最小化電池供電應(yīng)用的功耗、如何通過挖掘MCU的潛力將系統(tǒng)成本降到最小、以及如何在很短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)復(fù)雜的軟件將是工程師面對(duì)的前三大技術(shù)挑戰(zhàn)。”Microchip的Steve Sanghi指出。

Silicon Labs的Derrell Coker也強(qiáng)調(diào)：“工程師在開發(fā)消費(fèi)類電子產(chǎn)品時(shí)面對(duì)的前三大技術(shù)挑戰(zhàn)是，如何在降低系統(tǒng)總成本和加快上市周期的同時(shí)，在更小的空間內(nèi)開發(fā)出更多的功能。”

為了滿足系統(tǒng)靈活性技術(shù)挑戰(zhàn)，Cypress更是提出了可編程系統(tǒng)級(jí)芯片的概念。PSoC 架構(gòu)是集成了微控制器和相關(guān)外圍模擬、數(shù)字外設(shè)功能的可配置混合信號(hào)陣列。在采用易用型開發(fā)工具的情況下，設(shè)計(jì)師選擇可配置、預(yù)先經(jīng)過特性分析的程序庫元素來提供模擬功能(比如放大器、ADC、DAC、濾波器和比較器)和數(shù)字功能(例如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、PWM、SPI和UART)。PSoC的模擬性能是儀表品質(zhì)的，包括軌至軌輸入、可編程增益、14位ADC以及極低的噪聲、輸入漏電流和電壓失調(diào)。

所有的PSoC器件都是可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的，從而使得設(shè)計(jì)人員能夠隨意創(chuàng)建新的系統(tǒng)功能。由于能夠在不同的時(shí)鐘周期將同一硅片重復(fù)應(yīng)用于不同的功能，因此，設(shè)計(jì)人員在許多情況下可以實(shí)現(xiàn)超過120%的硅片利用率。Microchip開發(fā)的全系列PIC MCU和dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器也都能滿足現(xiàn)場可編程要求。

為了滿足更低成本技術(shù)挑戰(zhàn)，供應(yīng)商正在MCU上集成越來越多的功能，包括Flash、LCD驅(qū)動(dòng)器、ADC/DAC、MP3解碼器、存儲(chǔ)控制器和I/O 等。例如，Silicon Labs就在其MCU上完整地集成了ADC和DAC，而且它們的性能完全可以媲美分立模擬解決方案的性能，這使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不必再選用獨(dú)立的模擬IC，從而提高了系統(tǒng)集成度、降低了系統(tǒng)總成本和改善了系統(tǒng)性能。Silicon Labs的MCU上集成的模擬外設(shè)還包括60V可編程增益運(yùn)放、時(shí)鐘恢復(fù)電路和高達(dá)16位的1Msps ADC。

Silicon Labs最新推出的C8051F系列混合信號(hào)MCU集成了100 MIPS的高速8051 CPU內(nèi)核、ISP閃存和JTAG調(diào)試接口。此外，新推出的首款基于雙SAR16位的MCU不僅集成了高速閃存MCU內(nèi)核，還集成了2%精密內(nèi)部振蕩器，無需使用外部晶體或振蕩器。

為了滿足對(duì)更低功耗的要求，Microchip推出了帶有納瓦技術(shù)的PIC 系列及低功耗模擬產(chǎn)品系列。納瓦技術(shù)指的是采用了Microchip獨(dú)有制造工藝的先進(jìn)PMOS電擦除單元(PEEC)處理技術(shù)以及電路設(shè)計(jì)。在納瓦技術(shù)中設(shè)有功耗管理模式，在運(yùn)行時(shí)，開啟CPU和外設(shè)，在空閑時(shí)，開啟外設(shè)、關(guān)閉CPU，而在休眠時(shí)，則關(guān)閉CPU和外設(shè)，這種靈活的方案可用軟件選擇時(shí)鐘以最低功耗實(shí)現(xiàn)要求的性能。Steve Sanghi指出：“納瓦技術(shù)正如它字面上的意思一樣，在待機(jī)狀態(tài)只消耗納安級(jí)電流。”

Atmel則推出了集成一整套電源管理IP模塊的單片電源管理IC，它可替代一定數(shù)量的分離元件，從而減少了印刷板的空間和費(fèi)用。它的微型控制器接口使 MCU 可以優(yōu)化系統(tǒng)的功耗。電源管理IP 模塊包括電池充電控制器、一個(gè)“電源好”的復(fù)位發(fā)生電路、功率放大器和音頻放大器、電源I/Os 和一系列的低壓差電壓調(diào)整器, 其每個(gè)被設(shè)計(jì)成為便攜設(shè)備的一個(gè)具體模塊供應(yīng)電源。

為了滿足更高系統(tǒng)可靠性的技術(shù)挑戰(zhàn)，各供應(yīng)商采取了不同的抗電磁干擾措施，有的公司在內(nèi)部增加了抗EMI電路與“看門狗”的性能；有的則推出了低噪聲的 LN系列MCU；有的公司從可編程存儲(chǔ)器入手，開發(fā)防止未經(jīng)許讀取數(shù)據(jù)的保護(hù)功能，增加了防止未經(jīng)許可讀取數(shù)據(jù)的安全性。可有的在還有的公司在MCU的 I/O端口上采用了抗干擾技術(shù)：如去毛刺功能、中耐壓輸入緩沖和對(duì)大功率輸出引腳采用小功率管并聯(lián)技術(shù)等。

EFT技術(shù)就是上述所提到的一種抗干擾技術(shù)。在振蕩電路的正弦信號(hào)受到外界干擾時(shí)，其波形上會(huì)迭加各種毛刺信號(hào)，如果使用施密特電路對(duì)其整形，則毛刺會(huì)成為觸發(fā)信號(hào)干擾正常的時(shí)鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時(shí)，就可以消除這些毛否則令其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)正常工作。這樣，就提高了單片機(jī)工作的可靠性。

而MCU的防靜電(ESD)和電磁干擾(EMI)能力則隨著MCU時(shí)鐘頻率的提高，逐漸成為供應(yīng)商考慮的問題。松翰科技的總經(jīng)理熊健怡透漏，強(qiáng)化MCU的抗干擾與低耗電功能，是松翰一直以來追求的重點(diǎn)，并取得了一定結(jié)果。

對(duì)于具有變頻功能的洗衣機(jī)、空調(diào)等白色家電以及電動(dòng)車等需要馬達(dá)控制功能的應(yīng)用來說，MCU除了必須具有通用控制器的功能外，還必須有專用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的特殊功能，如波形發(fā)生、驅(qū)動(dòng)電路等，并且還需要非常精確及極具能源效益的操作。

ST針對(duì)這類應(yīng)用推出的 8位ST7MC專門用于控制三相感應(yīng)和永磁無刷電機(jī)(包括壓縮機(jī))，其最大特色就是單片電機(jī)控制外設(shè)MTC。MTC主要由一個(gè)通過6個(gè)高反向電流輸出進(jìn)行多路傳輸?shù)娜嗝}寬調(diào)制器組成，還包括一個(gè)高度靈活的對(duì)永磁直流無刷電機(jī)進(jìn)行無傳感器控制的反電動(dòng)勢(BEMF)零交檢測器及協(xié)處理器。MTC的輸入引腳還可以進(jìn)行霍爾、轉(zhuǎn)速計(jì)或編碼器的傳感配置，此外，復(fù)合濾波器及設(shè)置還可以通過各種控制拓?fù)鋪砜刂迫魏?2到240V的星形或三角形繞組電機(jī)。

Microchip也推出了針對(duì)馬達(dá)控制應(yīng)用的8位PIC18Fxx31系列Flash MCU，它們能夠提供先進(jìn)仿真和數(shù)碼回饋，以及三相互補(bǔ)脈沖寬度調(diào)制(PWM)的控制。該系列MCU的特色在于三個(gè)專為先進(jìn)運(yùn)動(dòng)及功率控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的模塊，功率控制模塊配備三相PWM結(jié)構(gòu)；動(dòng)態(tài)回饋模塊包含正交編碼器接口；而第三個(gè)模塊則由快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成，工作頻率為200ksps，并可與PWM同步操作。

最近有著強(qiáng)大計(jì)算能力的DSP在馬達(dá)控制中也大顯身手。針對(duì)馬達(dá)用的MCU與DSP在特征上各有不同，MCU側(cè)重于I/O接口的數(shù)量和可編程存儲(chǔ)器的大小，所以MCU非常適用于有大量I/O操作的場合；而DSP特長高速運(yùn)算，側(cè)重于運(yùn)算速度。將DSP與MCU結(jié)合的MCU架構(gòu)也將是微控制器的一種發(fā)展趨勢。

為了滿足新興的電子身份識(shí)別市場的需要，Atmel最新推出了獨(dú)特的AVR MCU解決方案AT90SC12872RCFT，該片接觸/非接觸式安全MCU特別強(qiáng)調(diào)安全性，具有容量為72KB防篡改非易失性EEPROM內(nèi)存，用于存儲(chǔ)身份數(shù)據(jù)。也可以用小一部分存儲(chǔ)程序，剩余64KB多的容量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。因而適合于靈活的Java Card操作系統(tǒng)。這種控制器芯片還具有128KB ROM和5Kb RAM內(nèi)存。它也具備Atmel的secureAVR系列產(chǎn)品共有的特點(diǎn)，包括性能良好的8位/16位RISC核心，強(qiáng)大的安全機(jī)制、防電力分析攻擊的 DES/TripleDES引擎以及Atmel 能實(shí)現(xiàn)性能和功耗之間平衡的新型AdvX密碼加速器。

目前，ST正在與一些合作伙伴就POS機(jī)的完全解決方案進(jìn)行研究，并于前不久發(fā)布了一款帶有2KB EEPROM的非接觸智能卡微控制器——ST19WR02。ST19WR02帶有高速ISO14443快速非接觸式接口，片上安全性能與加密硬件，采用 0.18微米工藝技術(shù)制造。除了2KB EEPROM版外，新器件還包括內(nèi)置64KB ROM和1KB用戶RAM版本。程序庫支持對(duì)稱算法的硬件DES加密處理器配備一套高級(jí)存儲(chǔ)和防入侵安全功能。

而在汽車電子市場，MCU需要在極苛刻的環(huán)境下運(yùn)行，如可能要工作在-40度到+120度的環(huán)境中，這就要求車用MCU有很高的可靠性和穩(wěn)定性。除此外，內(nèi)置閃存、支持控制器局域網(wǎng)(CAN)和本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)總線標(biāo)準(zhǔn)、以及復(fù)雜化都是車用MCU發(fā)展的趨勢。

飛思卡爾已將車用32位MCU的內(nèi)置閃存容量提高到了1MB，而且針對(duì)車用MCU的不同需求，提出了不同解決方案。以CAN網(wǎng)絡(luò)為例，對(duì)于動(dòng)力總成系統(tǒng)，飛思卡爾的32位MCU采用了TouCAN或FlexCAN硬件模塊，來與CAN總線進(jìn)行通信；而對(duì)于車身電子這類不可預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)，則采用可擴(kuò)展CAN (msCAN)架構(gòu)。為滿足多種類型的CAN物理層的需求，飛思卡爾提供了一系列CAN物理層器件，來滿足或超越ISO或SAE制訂的性能標(biāo)準(zhǔn)。不僅如此，飛思卡爾還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)。SBC集成了CAN物理層所需要的電壓調(diào)整、獨(dú)立的看門狗定時(shí)器、本地激活電路，以便能用更少的元器件獲得更大的靈活性。

ST近日也推出了集成了CAN和LIN總線接口和60KB閃存的8位微控制器ST72F561。該產(chǎn)品具有功能強(qiáng)大的CAN單元，完全支持29位標(biāo)識(shí)符，有增強(qiáng)的信息濾波功能，以降低在復(fù)雜的CAN網(wǎng)絡(luò)中的軟件動(dòng)態(tài)備份空間和CPU負(fù)載，并提供優(yōu)異的聯(lián)網(wǎng)性能。視窗看門狗(Window Watchdog)提供了比傳統(tǒng)簡單看門狗模塊更高的系統(tǒng)監(jiān)視功能；有內(nèi)置LIN協(xié)議幀中斷支持的兩個(gè)LINSCI接口；與基于UART解決方案相比，還提供了降低CPU加載的LIN通信。LIN是用在汽車通信的主/從配置總線，有12V智能傳感器和執(zhí)行器。目前，ST已開發(fā)出下列基于MCU的完整參考設(shè)計(jì)方案：車用空調(diào)、電動(dòng)自行車、PFD和數(shù)字電表。

Cypress則針對(duì)汽車和家用電器應(yīng)用市場的人機(jī)接口開發(fā)了CY8C21x34系列，它帶有8KB閃存和多路復(fù)用器，非常適合于實(shí)現(xiàn)電容性觸摸輸入板。

作者：唐曉琪，陳路

圖1:

圖2: OKI的Yoshi Aida: 2008年北京奧運(yùn)會(huì)將增大無線POS終端和IC讀卡器在中國零售市場的商業(yè)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3: SL的Darrell Coker: 下一代8位8051 MCU會(huì)繼續(xù)對(duì)消費(fèi)電子設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)分割和集成。

圖4:

圖5: Atmel的Jim Panfil: MCU要具有更高的集成度、更大的存儲(chǔ)空間、更低的功耗、更強(qiáng)的防靜電和EMI能力。

PDA是系統(tǒng)復(fù)雜性迅速增加的一個(gè)好例子，正如它們的命運(yùn)顯示的那樣，盡管電池性能幾乎沒有什么進(jìn)步，但對(duì)這類電池供應(yīng)用的要求卻在不斷增加。而要成功應(yīng)對(duì)這一功能不斷增加的挑戰(zhàn)，固件或軟件工程師必須完全理解目前市場上的商業(yè)MCU處理內(nèi)核開發(fā)工具，同時(shí)硬件設(shè)計(jì)師理解今天市場上商用解決方案的效率。

模擬和數(shù)字部分要協(xié)同努力

如果你能夠很好地理解MCU的硬件配置和手頭上的開發(fā)工具，那么你就能夠降低功耗，從而能夠再添加一些應(yīng)用功能。降低功耗的一個(gè)方向是控制嵌入式應(yīng)用的電源電壓幅度。你可能需要在程序執(zhí)行過程中的某些點(diǎn)上與真實(shí)模擬世界進(jìn)行交互，如果的確有這個(gè)需要，你的設(shè)計(jì)中必須包含模擬電路。對(duì)模擬電源電壓的要求要高于對(duì)數(shù)字電源電壓的要求。要記住，模擬噪聲容限比數(shù)字的小得多，而且模擬噪聲水平不隨工作電壓的降低而減小。

例如，在5V工作電壓狀態(tài)，12位AD轉(zhuǎn)換器能進(jìn)行優(yōu)異可靠的轉(zhuǎn)換。同樣的12位AD轉(zhuǎn)換器，在2V工作電壓狀態(tài)下，不受噪聲影響位數(shù)的輸出會(huì)變少。這是因?yàn)?#xff0c;LSB(最低有效位)的位數(shù)變小了，而噪聲大小不變。這個(gè)問題的解決方案是，當(dāng)僅進(jìn)行模擬操作時(shí)，采用更高的電源電壓；而當(dāng)僅進(jìn)行數(shù)字操作時(shí)，切換為更低的電源電壓。

圖1展示了一個(gè)簡單的、基于MCU的電池供電系統(tǒng)，是圍繞Microchip的PIC18F1320閃存MCU而設(shè)計(jì)的。PIC18F1320具有多種空閑模式以及雙時(shí)鐘啟動(dòng)功能等特性，對(duì)低功耗設(shè)計(jì)很有幫助。

在硬件方面，為了追求更低功耗表現(xiàn)，MCU的外部外設(shè)和內(nèi)部外設(shè)都在不斷發(fā)展。MCU的外部外設(shè)可通過降低芯片工作電壓及優(yōu)化電路設(shè)計(jì)來降低功耗。圖1所示的簡單例子，就整合了低功耗運(yùn)放、AD轉(zhuǎn)換器以及可調(diào)穩(wěn)壓電荷泵。

圖1中，MCP6041型運(yùn)放采用CMOS工藝制造，這種運(yùn)放可以將工作電壓降的很低。MCP6041運(yùn)放由Microchip制造，帶寬為14 kHz，電流為600 nA，供電電壓在1.4V至5.5V之間。降低的工作電壓與降低的靜態(tài)電流結(jié)合，為電池供電設(shè)備的電源管理提供了良好的解決方案。

集成了內(nèi)部或外部AD轉(zhuǎn)換器的MCU，轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比IC設(shè)計(jì)創(chuàng)新對(duì)MCU功耗的影響更大。例如，同Δ-∑AD轉(zhuǎn)換器相比，SAR(逐次逼近寄存器) A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間和消耗電流之比就低得多。在電池供電應(yīng)用中往往采用SAR模式的A/D轉(zhuǎn)換器，除非是需要分辨率和精度更高的應(yīng)用。

圖1的電源是可調(diào)的。5V電壓用于模擬處理相得益彰，2V電壓用在數(shù)字電路恰倒好處。圖1的可調(diào)節(jié)電源轉(zhuǎn)換器在低輸出電流、鋰離子電池供電(4.2V到 2.8 V)情況下，具有很高的效率。基于這些原因，該設(shè)計(jì)采用了一款穩(wěn)壓可調(diào)的電荷泵式DC/DC轉(zhuǎn)換器(型號(hào)為MCP1252-ADJ)。

對(duì)不同的操作控制采用不同的工作電壓僅是低功耗設(shè)計(jì)工作的一半。如時(shí)刻將低功耗銘記于心，就會(huì)希望在維持MCU某些部分工作的同時(shí)，關(guān)斷其它部分。例如，你可以獨(dú)立運(yùn)行MCU中的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器或USART通信接口，這些部分僅需局部供電就可以正常工作。

對(duì)外接設(shè)備的能耗優(yōu)化同樣重要。此外，將MCU內(nèi)、外部的外設(shè)與MCU的編程能力結(jié)合考慮，會(huì)切實(shí)降低系統(tǒng)功耗。例如，在MCP1252-ADJ中，可以把一個(gè)新的電路切換到電阻反饋系統(tǒng)中，這樣MCU就能夠控制電壓。為了確保模擬電路的最佳工作條件，需要電荷泵輸出高電壓。而MCU的數(shù)字電路部分在較低的電壓下就能工作。如，PIC18F1320的輸出電壓為2V至5.5V。通過直接對(duì)比電荷泵的兩種輸出電壓就可計(jì)算節(jié)省的功率。如果把MCU外部外設(shè)的供電切斷，加在I/O端口上的供電電壓又比較低，這樣就可以進(jìn)一步降低功耗。

控制時(shí)鐘

當(dāng)設(shè)計(jì)師試圖降低嵌入式系統(tǒng)電路的整體功耗時(shí)，常常忽略的一個(gè)問題就是：在MCU脫離睡眠模式時(shí)，如何對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行管理。

如圖2所示，一個(gè)MCU可以有多個(gè)時(shí)鐘源，最明顯的是一個(gè)外部時(shí)鐘源。在此例中，可以將晶振、陶瓷諧振器、內(nèi)部控制器時(shí)鐘或一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器連接到適當(dāng)?shù)钠骷苣_。除了這些生成時(shí)鐘信號(hào)的部件外，MCU可整合前后分頻FLL(鎖頻環(huán))。前后分頻器對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻，FLL還可以倍頻輸入時(shí)鐘頻率。

在RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))中，當(dāng)系統(tǒng)短時(shí)喚醒后又進(jìn)入長時(shí)間的睡眠狀態(tài)，配備時(shí)鐘管理機(jī)制就顯得至關(guān)重要。如在喚醒時(shí)間小于1秒的系統(tǒng)中采用晶振或壓電陶瓷諧振器，從睡眠模式喚醒到開始執(zhí)行指令之間會(huì)有一段延時(shí)。MCU在此延時(shí)和啟動(dòng)期間不會(huì)執(zhí)行指令，而應(yīng)用電路仍會(huì)消耗功率。

例如，圖3顯示了4 MHz晶振的典型啟動(dòng)時(shí)間。在圖3中顯示該時(shí)間大約為450毫秒。假設(shè)該晶振是MCU連接的唯一時(shí)鐘源，分配的程序執(zhí)行時(shí)間是1秒，那么，實(shí)際的程序執(zhí)行時(shí)間將比預(yù)計(jì)的長45%。在時(shí)鐘啟動(dòng)期間，電路在消耗電能，但又不執(zhí)行代碼。

在此類應(yīng)用中，選用內(nèi)時(shí)鐘來執(zhí)行程序更為明智。內(nèi)時(shí)鐘幾乎與電源同時(shí)啟動(dòng)，對(duì)4MHz的內(nèi)時(shí)鐘而言，幾微秒的啟動(dòng)時(shí)間是很正常的。圖4顯示了內(nèi)時(shí)鐘的啟動(dòng)時(shí)間。

與圖3所示的4MHz晶振相比，圖4所示的內(nèi)時(shí)鐘啟動(dòng)速度約有5萬倍的提高。從這個(gè)數(shù)據(jù)人們或許可以得出結(jié)論，針對(duì)此類應(yīng)用，內(nèi)時(shí)鐘是恰當(dāng)?shù)倪x擇。其實(shí)，內(nèi)時(shí)鐘的功耗與晶振功耗大體相當(dāng)，只要不要求MCU運(yùn)行諸如USART通信或定時(shí)一個(gè)精準(zhǔn)脈沖這類對(duì)時(shí)間有苛刻要求的操作，選用外時(shí)鐘源也是可行的。

可進(jìn)行評(píng)測的第3個(gè)時(shí)鐘是壓電陶瓷諧振器。圖5顯示了諧振器的啟動(dòng)時(shí)間。

有一個(gè)可供使用的時(shí)鐘系統(tǒng)優(yōu)于上述三種時(shí)鐘源的任一種，最好的做法是迅速確定電路是否需要精準(zhǔn)時(shí)鐘。如果MCU需要精準(zhǔn)時(shí)鐘，則啟動(dòng)外接晶振或陶振；若非如此，則關(guān)斷。MCU從睡眠模式喚醒后，要迅速做出決定。如能將內(nèi)時(shí)鐘與外接晶振或陶振結(jié)合在一起，就能迅速做出這樣的決定。用兩個(gè)時(shí)鐘源替代單一時(shí)鐘源，能夠顯著降低功耗。

該技術(shù)被稱為“雙時(shí)鐘啟動(dòng)策略”，也就是說在硬件/固件配置中，MCU使用了2個(gè)時(shí)鐘。在睡眠模式，2個(gè)時(shí)鐘全部關(guān)斷。喚醒時(shí)，內(nèi)時(shí)鐘啟動(dòng)并迅速判定是否需要晶振。如需要晶振，內(nèi)時(shí)鐘仍將持續(xù)執(zhí)行程序直至晶振啟動(dòng)。此時(shí)，MCU將時(shí)鐘源切換為晶振，并關(guān)斷內(nèi)時(shí)鐘。

從數(shù)字角度處理睡眠模式

低功率設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵在于有一個(gè)具有多種睡眠模式和時(shí)鐘模式的MCU。用戶可以通過使MCU進(jìn)入休眠或空閑模式來降低系統(tǒng)功耗。在空閑模式，MCU關(guān)斷CPU，但允許10位A/D轉(zhuǎn)換器這樣的功能繼續(xù)工作，而睡眠模式則徹底關(guān)斷MCU。

當(dāng)MCU時(shí)鐘進(jìn)行狀態(tài)切換時(shí)，MCU內(nèi)的不同邏輯門都會(huì)吸取電流。檢查MCU耗電時(shí)，應(yīng)首先檢查時(shí)鐘的功耗。通過對(duì)系統(tǒng)各種時(shí)鐘源進(jìn)行比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)，與同頻率的晶振、振蕩器或陶振相比，內(nèi)部振蕩器功耗最低。

某些MCU有3種基本的工作模式。第一種是完全工作模式，所有模塊都上電工作。第二種是空閑或等待模式，MCU外設(shè)工作，而MCU不工作。第三種，同時(shí)對(duì)低功耗的電池供電來說也是最重要的一種，就是睡眠或停止模式。睡眠模式下設(shè)備完全停止功耗。睡眠模式通常關(guān)斷系統(tǒng)時(shí)鐘，如果也一同切斷外部時(shí)鐘源，系統(tǒng)功耗會(huì)進(jìn)一步降低。

以下是完善低功耗設(shè)計(jì)的一些建議。將不用的I/O管腳拉高或拉低；只要可能，盡量采用內(nèi)振蕩器，它們是低功耗的選擇；切斷所有不用的外設(shè)，例如PWM(脈寬調(diào)制器)、ADC、USART等；在程序中盡量用查詢表代替CPU運(yùn)算；檢查所有外圍器件的功耗，例如，計(jì)算電路全部外圍電阻的壓降；降低驅(qū)動(dòng)串行 EEPROM或外圍模擬器件等外設(shè)的I/O管腳驅(qū)動(dòng)電平。點(diǎn)亮的LED功耗可能出乎你的意料，一只小小的LED能使你的低功耗設(shè)計(jì)努力前功盡棄。總之，一定要注意電流消耗。

本文小結(jié)

低功耗設(shè)計(jì)對(duì)電池供電的應(yīng)用來說至關(guān)重要。MCU的可編程性能對(duì)降低功耗大有裨益，通過調(diào)節(jié)電荷泵穩(wěn)壓源的輸出電壓可做到這點(diǎn)。其次關(guān)斷不使用的非關(guān)鍵外設(shè)。還有就是對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行控制，以得到最佳的性能/功耗比。集成電路制造商在不斷降低器件靜態(tài)電流和供電電源的同時(shí)，一直在努力改進(jìn)這些外設(shè)器件的動(dòng)態(tài)性能。而MCU制造商則通過為MCU增加諸如空閑和睡眠等模式來降低長時(shí)間工作時(shí)的平均功耗。將低功耗外設(shè)與MCU的各種降耗模式結(jié)合在一起，將為低功耗的電池供電設(shè)備提供更多的選擇。

作者：Bonnie C. Baker
Microchip Technology Inc.