小尺寸單片機在便攜式設備中的應用

摘  要  本文介紹了小尺寸C8051系列MCU在便攜設備中的應用，如手機中閃信和計步器應用，MCU在TFT彩屏驅動的應用，體現(xiàn)了小尺寸MCU在便攜設備應用中的優(yōu)越性。
關鍵詞  閃信，計步器，運動傳感器，嵌入系統(tǒng)，彩色TFT屏驅動

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

    PMP等便攜式設備大都帶有彩色的TFT屏，而傳統(tǒng)的驅動是由白色LED完成的，但其存在色差；現(xiàn)在大都采用RGB三色LED來背光，同時需要檢測背光的效果，克服LED亮度變暗的問題。MCU可以協(xié)助主處理器完成這些功能，達到很好的彩色TFT屏的背光效果。

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

    該文依次介紹了如下內容：手機閃信和計步器介紹，手機閃信對MCU的需求，手機閃信中C8051F313的優(yōu)點，彩色TFT屏的RGB驅動方案, 彩色TFT屏C8051F310方案，小尺寸MCU在便攜設備中應用的優(yōu)勢等。

一、手機閃信和計步器介紹

1、手機中閃信功能
    光線較暗的環(huán)境下，通過快速左右搖動手機，利用人類視網膜延時現(xiàn)象，造成視覺殘像，因而形成連續(xù)的光影信號，使觀看者視覺產生連續(xù)信息，這就是閃信的基本原理。實際處理中，處理器檢測加速度變化后，根據(jù)運動的加速度等在不同的時刻讓相應的LED點亮或熄滅，讓人感覺到LED中空中出現(xiàn)一幅完整的點陣圖像，一幅圖像或者一串文字在0.1秒內顯示出來效果就會很好。

2、自動翻轉
    因為重力加速度的原因，運動傳感器能檢測到重力加速度所加的方向，可以自動調整顯示字符的方向。

3、計步器功能
    人在行走或者跑步過程中，其加速度與時間軸大致成為一個正弦波；利用加速度傳感器檢測運動的加速度，可以計算走了多少步，還可根據(jù)步幅進而估算所走的距離等。

二、手機閃信對MCU的要求

    在該應用中，MCU需要采樣兩路加速度傳感器的輸入，進行計算分析，在不同時刻顯示相應的LED，分析手機所持的方向，實現(xiàn)自動翻轉功能。分析加速度值，計算出持有者走了多少步。完成與手機間的通訊功能，接收手機發(fā)送過來的命令和顯示數(shù)據(jù)，回傳計步器的值等。

    由于該模塊需要放入手機中，對模塊的尺寸有嚴格的要求，同時也需要小封裝能利于散熱。像手機這類的手持設備，對功耗有很高的要求，在手機加上閃信和計步器模塊后，不能因此縮短手機的工作時間。MCU能直接驅動瞬時大電流的多個IO，比如能驅動16個電流為15~20mA的高亮LED，而無需其他驅動芯片，能更好的節(jié)省空間和成本。模塊為適應不同手機的應用，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、手機閃信中C8051F313的優(yōu)點

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

　　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、看門狗，25個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，同時內置的編程控制電路可以阻止外部對FLASH的非法讀寫訪問；提供不需要連接計算機的手持式編程器，通過C2就可以對MCU進行編程和升級。

　　3、高速處理能力：C8051F313采用CIP51的核心技術，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時鐘周期內執(zhí)行完畢，指令執(zhí)行速度可達到25MIPS，處理閃信和計步器已足夠。內部可以設定中斷有14個，給軟件編程帶來了方便。

　　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等工作模式，能更多的節(jié)約手機電能。

　　5、直接驅動：C8051F313可以直接驅動16個大電流20mA的高亮LED，無需其他電流驅動芯片，節(jié)省了空間和成本。

　　6、AD采樣：C8051F313帶有17個模擬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步器的需求。而且內帶溫度傳感器，可以測試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，使模塊能與手機進行可靠通訊：接收需要顯示的字符或者圖像數(shù)據(jù)，還能接收計步器控制命令，回傳計步器的值等等；還可以將加速度的值傳入手機中，進行其他的應用開發(fā)，如手機游戲、音樂擊鼓器等。

　　8、靈活的IO管理：C8051F313內帶CrossBar功能，能將不同的功能管腳，按照一定的優(yōu)先級配置輸出到相關的IO腳上；比如將4和5腳可以通過軟件設定為UART或者I2C功能管腳。

其軟件配置界面如圖：




 四、彩色TFT屏的RGB驅動方案。

    在便攜式設備中往往會使用彩色的TFT屏，在傳統(tǒng)上TFT屏的背光是由白色LED實現(xiàn)的，而白色的LED實際上色彩是有偏差的，這樣導致屏的顏色發(fā)生失真或者不夠鮮艷。同時隨著使用時間的增長，LED的亮度會變暗，這將導致這個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問題。


    背光采用R,G,B三色的LED，LED發(fā)出的光組合成白光，通過一個Color Sensor來檢測光的亮度和色彩，送給一個帶有AD功能的小封裝單片機，該單片機通過PWM輸出控制一個LED驅動芯片，LED驅動芯片完成對R,G,B三色LED的控制，單片機通過檢測LED發(fā)出的光的色彩來調整PWM輸出，進而實現(xiàn)對LED色彩的控制。同時單片機通過一個I2C接口與主CPU通訊，接收主CPU對亮度調整的控制命令。

    這個調整系統(tǒng)直接和TFT屏集成在一起，這樣屏的生產廠商可以根據(jù)自己屏的特性來設計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完成對屏的控制。而屏的色彩和亮度等總能夠保持在用戶設定的水平。主CPU在整個過程中無須干預屏的調整過程。而且主CPU也不需要支持PWM功能，因為這些功能被集成到了小尺寸MCU中。在TFT彩屏的LED驅動中，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屏驅動中有以下優(yōu)點：
1、小尺寸，LQFP32，該封裝非常薄，不會增加顯示屏的厚度。
2、有一個200K/10位/17通道的ADC，可以檢測Color Sensor值，測試溫度和控制電流反饋。
3、有5個PCA供選擇，對于控制RGB所需的三個PWM控制已經足夠，而且PWM可以支持硬件直接輸出。
4、內部FLASH可以在線自己修改，可以將LED的特性，溫度和使用時間保存在內部。同時也支持MCU的升級。
5、保密性好，所有的編程電路全內置，一旦芯片被加密，無法通過編程接口來訪問加密區(qū)域的內容，可以可靠保護用戶的IP設計。
6、無需外部時鐘就可以直接工作。

    手持顯示屏驅動應用例，如下圖：



六、 總結
    以上手機閃信和TFT彩屏驅動方案已經被多家廠家和設計公司所采用，其Silabs MCU優(yōu)越的性能，在設計中發(fā)揮了重要的作用；世強電訊將會提供更多的技術解決方案，協(xié)助你共同完成各產品的設計與開發(fā)。