最新工業(yè)應(yīng)用微控制器（MCU）特性和重要設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

工業(yè)用可攜式裝置須同時(shí)兼具低功耗、高可靠度和高性能要求，因此設(shè)計(jì)人員在開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，須選用支援低電壓操作與具備時(shí)脈監(jiān)控功能的工規(guī)微控制器(MCU)，以延長可攜式產(chǎn)品電池使用壽命，同時(shí)避免因頻率不穩(wěn)而造成性能降低的問題發(fā)生。

工業(yè)領(lǐng)域中的可攜式應(yīng)用均要求低功耗、高可靠度和高性能。這類工業(yè)應(yīng)用的例子包括條碼器、出貨數(shù)據(jù)記錄器、高速公路追蹤設(shè)備、降噪耳機(jī)、小型馬達(dá)控制以及電池充電器。

那么，設(shè)計(jì)人員如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)?本文將介紹最新的工業(yè)應(yīng)用微控制器(MCU)特性和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以協(xié)助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對上述要求。

使微控制器在盡可能長的時(shí)間內(nèi)保持最低功耗是維持電池壽命的主要目標(biāo)。運(yùn)行速度快、喚醒時(shí)間短也就意味著平均功耗低(圖1)。微控制器在高功率狀態(tài)下完成工作的速度越快，保持低功耗狀態(tài)的時(shí)間就越長。

MCU電流消耗與時(shí)間曲線

支援低電壓工作　微控制器省電性能更出色

但是，要延長電池壽命，降低功耗只完成一半，還應(yīng)充分利用電池。為此，採用能支援低電壓工作的微控制器是非常重要的。圖2顯示勁量(Energizer) 提供的鹼性電池和鈕扣式鋰電池在典型數(shù)據(jù)記錄器中的使用壽命。此應(yīng)用大多數(shù)時(shí)間處于低功耗狀態(tài)，偶爾喚醒以處理資訊。鹼性AAAA電池的建議保存期為5 年。可以看到，鹼性電池和鋰電池均從低工作電壓中受益。在此例中，以1.8伏特(V)工作的微控制器與等效的2伏特微控制器相比，1.8伏特的微控制器會(huì)額外增加6個(gè)月的電池壽命，這也顯示出低電壓微控制器在可攜式應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)記錄器電池性能範(fàn)例

時(shí)脈監(jiān)視器提升MCU可靠度

設(shè)計(jì)高性能和穩(wěn)定的工業(yè)應(yīng)用的另一注意事項(xiàng)是微控制器的振蕩器(Oscillator)特性，其重要性經(jīng)常被低估。振蕩器特性會(huì)影響許多方面，包括性能、系統(tǒng)成本、可制造性和可靠性。

新型微控制器以更高的速度工作，并且能夠在沒有外部時(shí)脈源的情況下使內(nèi)部時(shí)脈全速運(yùn)行，內(nèi)部時(shí)脈也可提供多種時(shí)脈頻率的選擇。這樣軟體可以隨著電壓下降而切換到較低頻率，以保持在工作規(guī)范范圍內(nèi)，或者在連接外部電源后提高速度。

制造過程中另一個(gè)常見挑戰(zhàn)是石英晶體振蕩器有時(shí)不能產(chǎn)生可靠的起振或起振時(shí)間過長。造成這問題的常見原因有元件品質(zhì)變化、助焊劑殘留和布線疏忽。選擇高品質(zhì)石英晶體振蕩器以及實(shí)施布線和測試技術(shù)(如負(fù)電阻測試)可以避免很多問題，這些技術(shù)可從石英晶體振盪器和微控制器制造商處獲取。此外，對低頻電路的可配置偏壓亦可解決上述問題。此舉將允許增加偏壓，以確保在各種條件下石英晶體振蕩器均能可靠起振，或者減少偏壓以降低功耗。這些額外的努力將幫助制造商避免類似棘手問題。

故障保護(hù)時(shí)脈監(jiān)視器為提高時(shí)脈振蕩可靠性的出色功能，其可持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)脈振蕩。一旦錯(cuò)過幾次振蕩，它會(huì)自動(dòng)將時(shí)脈源切換到內(nèi)部振蕩器，并讓中央處理器(CPU)進(jìn)入中斷函數(shù)處理此事件，如此一來，微控制器可保持關(guān)鍵功能并執(zhí)行有序關(guān)閉。

盡管低電壓微控制器經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可用于高可靠性應(yīng)用，但有時(shí)仍需要5伏特電壓以維持工作。低電壓微控制器可以簡化電路板布線、提高抗雜訊能力并提高對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的支持，但是，隨著設(shè)計(jì)尺寸減小，新的5伏特微控制器的可用性也在降低。芯片制造商意識(shí)到對這些元件的需求仍然很大，因而開發(fā)出新的高電壓工作技術(shù)，找到了使更小、更廉價(jià)的微控制器以較高電壓運(yùn)行的新方法，這對于尋求5伏特工作優(yōu)勢的設(shè)計(jì)人員來說是個(gè)好消息。

為了進(jìn)一步提高抗雜訊能力，介面和周邊接腳使用多個(gè)輸入緩沖器，盡管緩沖器在同一個(gè)接腳上共用，不同的功能可能有不同的輸入類型。舒密特觸發(fā)器 (Schmitt Trigger)的輸入可提供比同類電晶體-電晶體邏輯(TTL)元件更寬廣的輸入臨界值范圍，并可提高系統(tǒng)的雜訊容限。

較高的端口驅(qū)動(dòng)能力是另一個(gè)重要的電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。這不僅僅直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極體(LED)，較高的端口驅(qū)動(dòng)能力可以防止容易引入雜訊的電路(如開關(guān)式穩(wěn)壓器和高速脈波寬度調(diào)變(PWM)訊號(hào))附近產(chǎn)生無用耦合，但潛在的代價(jià)是會(huì)增大輻射雜訊，接腳上的小型RC濾波器將有助于抵消這些效果，同時(shí)保持高驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)勢。

MCU提供耐用資料EEPROM

值得注意的是，內(nèi)部資料電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)似乎與磁碟機(jī)和八音軌播放機(jī)一樣成為過去，這是制造商轉(zhuǎn)向小型制程技術(shù)尺寸的自然結(jié)果，卻也使整合的成本變得高昂。一些軟體解決方案使用快閃記憶體來模擬資料EEPROM，但是，部分應(yīng)用需要獨(dú)立的資料儲(chǔ)存。最新的微控制器產(chǎn)品可提供高耐用性的資料EEPROM，而且仍保持高性價(jià)比。其額定擦/寫次數(shù)高達(dá)十萬次。使用者唯須注意寫入操作的最小電壓范圍，其有時(shí)會(huì)高于微控制器的最小工作電壓，這會(huì)限制有效的工作范圍。

如圖3所示，流量計(jì)是說明本文涵蓋主題的一個(gè)好例子。微控制器的整合充電時(shí)間測量單元(CTMU)可讀取流量計(jì)的流量、溫度和電容式觸控板。使用12 位差分類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)和參考電壓來監(jiān)控電池電壓。超低功耗喚醒模組執(zhí)行定期喚醒。如此例所示，選擇正確的微控制器將提供穩(wěn)定可靠且內(nèi)部功能強(qiáng)大的低功耗解決方案。

流量計(jì)范例

新近微控制器產(chǎn)品的演進(jìn)已然改變設(shè)計(jì)人員在包括如何最大限度地提高穩(wěn)健性、降低功耗，但同時(shí)維持經(jīng)濟(jì)高效的應(yīng)用全貌。