为手持终端测量应用选择微控制器

电子工程师 2009-04-22 482

处理器/DSP

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描述

为测量应用选择适当的微控制器 (MCU) 已日益成为一项严峻的挑战，因为各种MCU 在成本、外设设计与组合、CPU 架构及板上集成度等方面的差别日趋增大。就便携式工业测量应用而言，人们最看重的因素是电池的使用寿命、高性能的模拟外设以及适当的用户接口，这些因素决定着哪种 MCU 将成为测量应用的最佳选择。
较长的电池使用寿命
为了尽可能延长电池的使用寿命，设计方案必须将平均电流消耗最小化。设计人员不仅应考虑操作参数，而且还应计算出所有操作条件下的平均功耗。如果贸然做出决定，那么设计人员可能就会犯下用电方面的错误，导致电量消耗过大。目前的低功耗 MCU 可提供有源模式、待机模式及断电模式等多种操作模式。在主动模式下，所有时钟都处于工作状态；待机模式下，CPU 时钟处于非工作状态，但运行实时时钟，等待中断事件唤醒 CPU；通常 MCU 都具有不同级别的待机工作模式。在断电模式下，所有时钟都处于非工作状态，等待中断事件唤醒 CPU。为了了解不同工作模式的功耗，我们必须要考虑数据表以外的特性。一些数据表给出的电流消耗是在不切实际的操作条件下的情况。为了了解准确的情况，我们在实际应用环境中，根据特定的工作电压与工作温度情况来比较不同操作模式下的最大电流功耗，通常就锂离子电池而言，电压为 3V，工作温度为 25oC。
延长电池使用寿命的另一种办法，就是尽可能缩短待机或断电模式到有源模式间的转换时间。一些厂商推出了“随需即用”型时钟源，专为中断断言后立即提供稳定的时钟源而设计。
MCU 可用标志轮询或中断矢量来唤醒 CPU。中断驱动型架构可大幅节约功耗，因为CPU能立即响应于任何事件，不必为轮询外设而浪费电流。
待机模式的功耗低于有源模式。我们所选的 MCU 必须让 CPU 的待机电流尽可能减小。专为降低功耗而设计的MCU能用定时器和数据自动触发模数转换，不必通过直接存储器存取 (DMA) 和缓存采样来进行 CPU 干预。CPU 空闲时，可用作其它工作，这有助于提高系统吞吐能力，此外我们也可以关闭 CPU，以降低应用的平均功耗。
最小化漏电流对降低功耗至关重要。对大多数便携式应用来说，终端产品大多数时间都不工作，因此漏电流决定着平均电流消耗的大小。我们要计算整个端口的漏电流，并确保端口配置能够最小化电流消耗。
我们应分别评估 MCU 中的不同功能，以了解其对电流消耗的影响。举例来说，在集成欠压保护功能时就要非常小心。在插入电池或电源降至正常电源规范以下但又高于接地电压时，就可能发生欠压。大多数 MCU 都集成了欠压保护功能，但这会使平均电流消耗增加 20uA～70uA。选择 MCU 时，要注意避免在增加保护机制时提高电流消耗。
高性能模拟
在进行架构决策时，我们要考虑模拟方面的要求。我们要仔细研究 MCU 产品系列提供的外设，确保它能满足目前及未来各种需求。举例来说，MSP430 系列中的某些产品包括 12 位模数转换器、12 位数模转换器和低功耗运算放大器，因此非适用于合便携式测量应用。选择 MCU 产品系列时，要确保该产品系列能提供高性能的外设组合，这样设计人员就能得到未来的集成发展策略。此外，如果现在还没有能够提供适当模拟外设组合的MCU，我们也可以采用外部模拟外设，毕竟性能比集成度更重要。
如果 MCU 集成了外设，那么我们要考虑外设设计问题，确保其在应用过程中充分发挥其固有的作用。一些 CPU 的数据处理效率更高。一部带 12 位模数转换器的16 位 MCU 处理数据的速率快于 8 位 MCU。16 位 MCU 可以在一个 16 位寄存器中进行采样，而 8 位 MCU 则要在两个 8 位寄存器中处理采样。
用户接口
设计的另一因素就是高效集成应用所需的所有用户接口，其中包括键盘、显示器和通信端口等。键盘功能非常简单，但设计人员要确保应用能够中断并高效处理键盘按键操作。液晶显示器 (LCD) 通常用于向用户提供反馈信息，其成本、功耗都较低。大多数制造商都采用定制的显示器，以满足设计人员的需要，不管显示什么字符和符号，都尽可能减小系统和显示器所用的电压。在选择 MCU 时，要确保不用CPU 定期更新显示器。设计人员应了解 MCU 能支持多少片段，应用又能支持多少片段。
通信端口是另一种用户接口。我们可采用多种通信方案，其中包括I2C、RS-232、 RS-485 和 RF 等。我们要认真考虑在MCU 中如何实施通信技术。我们可根据所需波特率选择软硬件，其中包括低成本的软件解决方案，但通常会占用 MCU 一定的资源。
MSP430FG43x 系列是一个很好的例子，反映了我们以上所述的所有问题（见图1）。在本例中，12 位模数转换器以 4096 步长的分辨率对高精度电压源传感器采样，传感器信号在采样满足所需动态范围前已经进行了预放大。前置放大器的非反相输入由 12 位模数转换器偏置，以实现精密微调。系统采用电池供电，当电源电压低于规定的最小电压时通过电源电压监控 (SVS) 威廉希尔官方网站来重设应用。LCD 显示器向用户显示测量结果。
表1.0
微控制器选择核对表
延长电池使用寿命：
在实际应用环境中，在多种工作模式下均实现了功耗最小化
最短CPU唤醒时间
中断驱动式架构
最小漏电流
外设无需 CPU 干预就能工作
专为降低功耗而设计的功能（举例来说，欠压复位时不会造成额外功耗）
高性能模拟：
产品系列支持不同的高性能外设组合
不要为了集成而牺牲外设的性能
要使用不占用CPU资源的外设
要使用数据采样效率较高的 CPU，如 16 位架构
用户接口：
键盘采用中断驱动型端口
使用低功耗液晶显示器
根据波特率要求选择软硬件通信端口
图 1. MSP430FG43x 系列集成了高性能数据转换器和运算放大器，专为典型的便携式测量应用而优化。

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