小尺寸單片機(jī)在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用

摘  要  本文介紹了小尺寸C8051系列MCU在便攜設(shè)備中的應(yīng)用，如手機(jī)中閃信和計(jì)步器應(yīng)用，MCU在TFT彩屏驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，體現(xiàn)了小尺寸MCU在便攜設(shè)備應(yīng)用中的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞  閃信，計(jì)步器，運(yùn)動(dòng)傳感器，嵌入系統(tǒng)，彩色TFT屏驅(qū)動(dòng)

引  言  
    手機(jī)在現(xiàn)代生活中的使用越來(lái)越廣，其功能也是越來(lái)越多，如現(xiàn)在有很多手機(jī)都帶有MP3及照相功能，有的還具有閃信和計(jì)步器功能。手機(jī)閃信需要處理器能完成多路模擬輸入、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理等，原有的手機(jī)很難直接實(shí)現(xiàn)這些功能，就需要MCU配合完成其功能。

    PMP等便攜式設(shè)備大都帶有彩色的TFT屏，而傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)是由白色LED完成的，但其存在色差；現(xiàn)在大都采用RGB三色LED來(lái)背光，同時(shí)需要檢測(cè)背光的效果，克服LED亮度變暗的問(wèn)題。MCU可以協(xié)助主處理器完成這些功能，達(dá)到很好的彩色TFT屏的背光效果。

     便攜式設(shè)備往往由多個(gè)公司共同提供模塊，需要MCU有好的保密功能。因此便攜式設(shè)備對(duì)MCU的要求，大都需要小尺寸，低功耗，實(shí)時(shí)快速響應(yīng)，保密性好，成本低等優(yōu)點(diǎn)。小封裝高集成的MCU，能集成FLASH、ADC、DAC、OSC、SRAM、PWM、溫度傳感器、看門(mén)狗等，同時(shí)便于MCU的編程和升級(jí)。

    該文依次介紹了如下內(nèi)容：手機(jī)閃信和計(jì)步器介紹，手機(jī)閃信對(duì)MCU的需求，手機(jī)閃信中C8051F313的優(yōu)點(diǎn)，彩色TFT屏的RGB驅(qū)動(dòng)方案, 彩色TFT屏C8051F310方案，小尺寸MCU在便攜設(shè)備中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)等。

一、手機(jī)閃信和計(jì)步器介紹

1、手機(jī)中閃信功能
    光線較暗的環(huán)境下，通過(guò)快速左右搖動(dòng)手機(jī)，利用人類視網(wǎng)膜延時(shí)現(xiàn)象，造成視覺(jué)殘像，因而形成連續(xù)的光影信號(hào)，使觀看者視覺(jué)產(chǎn)生連續(xù)信息，這就是閃信的基本原理。實(shí)際處理中，處理器檢測(cè)加速度變化后，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的加速度等在不同的時(shí)刻讓相應(yīng)的LED點(diǎn)亮或熄滅，讓人感覺(jué)到LED中空中出現(xiàn)一幅完整的點(diǎn)陣圖像，一幅圖像或者一串文字在0.1秒內(nèi)顯示出來(lái)效果就會(huì)很好。

2、自動(dòng)翻轉(zhuǎn)
    因?yàn)橹亓铀俣鹊脑颍\(yùn)動(dòng)傳感器能檢測(cè)到重力加速度所加的方向，可以自動(dòng)調(diào)整顯示字符的方向。

3、計(jì)步器功能
    人在行走或者跑步過(guò)程中，其加速度與時(shí)間軸大致成為一個(gè)正弦波；利用加速度傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的加速度，可以計(jì)算走了多少步，還可根據(jù)步幅進(jìn)而估算所走的距離等。

二、手機(jī)閃信對(duì)MCU的要求

    在該應(yīng)用中，MCU需要采樣兩路加速度傳感器的輸入，進(jìn)行計(jì)算分析，在不同時(shí)刻顯示相應(yīng)的LED，分析手機(jī)所持的方向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能。分析加速度值，計(jì)算出持有者走了多少步。完成與手機(jī)間的通訊功能，接收手機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令和顯示數(shù)據(jù)，回傳計(jì)步器的值等。

    由于該模塊需要放入手機(jī)中，對(duì)模塊的尺寸有嚴(yán)格的要求，同時(shí)也需要小封裝能利于散熱。像手機(jī)這類的手持設(shè)備，對(duì)功耗有很高的要求，在手機(jī)加上閃信和計(jì)步器模塊后，不能因此縮短手機(jī)的工作時(shí)間。MCU能直接驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)大電流的多個(gè)IO，比如能驅(qū)動(dòng)16個(gè)電流為15~20mA的高亮LED，而無(wú)需其他驅(qū)動(dòng)芯片，能更好的節(jié)省空間和成本。模塊為適應(yīng)不同手機(jī)的應(yīng)用，盡量提供多種通訊接口，如SMBus(I2C)、UART、SPI等通訊功能。其功能框圖大致如下：



其閃信顯示效果如下：



三、手機(jī)閃信中C8051F313的優(yōu)點(diǎn)

　　在該應(yīng)用中，我們選擇了C8051F313，其資源如上圖，很好的完成了該設(shè)計(jì)，該芯片有如下優(yōu)點(diǎn)。

　　1、體積小，高集成度：其C8051F313大小為5x5mm，如上圖，該MCU包含了8K的FLASH，1K的SRAM，ADC、I2C、UART、SPI、PCA、看門(mén)狗，25個(gè)IO等資源。其QFN28的封裝也有利于散熱。

　　2、保密性好，編程方便：FLASH能支持在線修改，同時(shí)內(nèi)置的編程控制電路可以阻止外部對(duì)FLASH的非法讀寫(xiě)訪問(wèn)；提供不需要連接計(jì)算機(jī)的手持式編程器，通過(guò)C2就可以對(duì)MCU進(jìn)行編程和升級(jí)。

　　3、高速處理能力：C8051F313采用CIP51的核心技術(shù)，完全支持8051的指令集，能快速的執(zhí)行指令，其中有76條指令是在一到兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢，指令執(zhí)行速度可達(dá)到25MIPS，處理閃信和計(jì)步器已足夠。內(nèi)部可以設(shè)定中斷有14個(gè)，給軟件編程帶來(lái)了方便。

　　4、低功耗：該MCU在1MHz的處理速度下，只需要0.36mA，而且還有空閑和停機(jī)等工作模式，能更多的節(jié)約手機(jī)電能。

　　5、直接驅(qū)動(dòng)：C8051F313可以直接驅(qū)動(dòng)16個(gè)大電流20mA的高亮LED，無(wú)需其他電流驅(qū)動(dòng)芯片，節(jié)省了空間和成本。

　　6、AD采樣：C8051F313帶有17個(gè)模擬AD輸入IO，其AD采樣為10位，采用速度為200K，能完全滿足閃信和計(jì)步器的需求。而且內(nèi)帶溫度傳感器，可以測(cè)試MCU芯片的環(huán)境溫度。

　　7、通訊功能：MCU提供了SMBus(I2C)、UART、SPI通訊功能，使模塊能與手機(jī)進(jìn)行可靠通訊：接收需要顯示的字符或者圖像數(shù)據(jù)，還能接收計(jì)步器控制命令，回傳計(jì)步器的值等等；還可以將加速度的值傳入手機(jī)中，進(jìn)行其他的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，如手機(jī)游戲、音樂(lè)擊鼓器等。

　　8、靈活的IO管理：C8051F313內(nèi)帶CrossBar功能，能將不同的功能管腳，按照一定的優(yōu)先級(jí)配置輸出到相關(guān)的IO腳上；比如將4和5腳可以通過(guò)軟件設(shè)定為UART或者I2C功能管腳。

其軟件配置界面如圖：




 四、彩色TFT屏的RGB驅(qū)動(dòng)方案。

    在便攜式設(shè)備中往往會(huì)使用彩色的TFT屏，在傳統(tǒng)上TFT屏的背光是由白色LED實(shí)現(xiàn)的，而白色的LED實(shí)際上色彩是有偏差的，這樣導(dǎo)致屏的顏色發(fā)生失真或者不夠鮮艷。同時(shí)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，LED的亮度會(huì)變暗，這將導(dǎo)致這個(gè)屏的顯示效果明顯變暗，因此，下面的方案可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。


    背光采用R,G,B三色的LED，LED發(fā)出的光組合成白光，通過(guò)一個(gè)Color Sensor來(lái)檢測(cè)光的亮度和色彩，送給一個(gè)帶有AD功能的小封裝單片機(jī)，該單片機(jī)通過(guò)PWM輸出控制一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)芯片，LED驅(qū)動(dòng)芯片完成對(duì)R,G,B三色LED的控制，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)LED發(fā)出的光的色彩來(lái)調(diào)整PWM輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED色彩的控制。同時(shí)單片機(jī)通過(guò)一個(gè)I2C接口與主CPU通訊，接收主CPU對(duì)亮度調(diào)整的控制命令。

    這個(gè)調(diào)整系統(tǒng)直接和TFT屏集成在一起，這樣屏的生產(chǎn)廠商可以根據(jù)自己屏的特性來(lái)設(shè)計(jì)合理控制方法和其他功能，只需要定義好自己的屏的I2C接口就可以讓主CPU完成對(duì)屏的控制。而屏的色彩和亮度等總能夠保持在用戶設(shè)定的水平。主CPU在整個(gè)過(guò)程中無(wú)須干預(yù)屏的調(diào)整過(guò)程。而且主CPU也不需要支持PWM功能，因?yàn)檫@些功能被集成到了小尺寸MCU中。在TFT彩屏的LED驅(qū)動(dòng)中，一般選擇高性能的AMS LED Driver，其Color Sensor芯片為Avago HDJD-S722-QR999，用以檢測(cè)R、G、B三色的亮度。

五、彩色TFT屏C8051F310方案
    其C8051F310資源如下圖 



    該方案選擇了C8051F310，在彩色的TFT屏驅(qū)動(dòng)中有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、小尺寸，LQFP32，該封裝非常薄，不會(huì)增加顯示屏的厚度。
2、有一個(gè)200K/10位/17通道的ADC，可以檢測(cè)Color Sensor值，測(cè)試溫度和控制電流反饋。
3、有5個(gè)PCA供選擇，對(duì)于控制RGB所需的三個(gè)PWM控制已經(jīng)足夠，而且PWM可以支持硬件直接輸出。
4、內(nèi)部FLASH可以在線自己修改，可以將LED的特性，溫度和使用時(shí)間保存在內(nèi)部。同時(shí)也支持MCU的升級(jí)。
5、保密性好，所有的編程電路全內(nèi)置，一旦芯片被加密，無(wú)法通過(guò)編程接口來(lái)訪問(wèn)加密區(qū)域的內(nèi)容，可以可靠保護(hù)用戶的IP設(shè)計(jì)。
6、無(wú)需外部時(shí)鐘就可以直接工作。

    手持顯示屏驅(qū)動(dòng)應(yīng)用例，如下圖：



六、 總結(jié)
    以上手機(jī)閃信和TFT彩屏驅(qū)動(dòng)方案已經(jīng)被多家廠家和設(shè)計(jì)公司所采用，其Silabs MCU優(yōu)越的性能，在設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用；世強(qiáng)電訊將會(huì)提供更多的技術(shù)解決方案，協(xié)助你共同完成各產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。