微控制器靈活的外設(shè)可提高設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和能源效率

嵌入式控制應(yīng)用的快速增長(zhǎng)，對(duì)當(dāng)今的微控制器提出了極為苛刻的要求。由于大量的數(shù)字/模擬輸入信號(hào)的復(fù)雜控制算法都必須在一個(gè)界定的較短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行處理，而且生成適當(dāng)?shù)妮敵鲂盘?hào)。嵌入式控制應(yīng)用對(duì)于電路板空間、功耗和整體系統(tǒng)成本往往也提出了苛刻的要求。因此，微控制器除需要提供足夠的CPU和DSP性能外，還要求高度系統(tǒng)集成，從而避免擴(kuò)展額外的外設(shè)。此外，它還能提供系統(tǒng)安全機(jī)制和降低器件功耗的特性。

支持電機(jī)控制設(shè)計(jì)的捕獲/比較單元

CCU6是一個(gè)高分辨率的16位捕獲/比較單元，采用特定應(yīng)用模式，主要面向交流驅(qū)動(dòng)控制或變頻器。特殊運(yùn)行模式支持采用霍爾傳感器或反電勢(shì)檢測(cè)來控制無刷直流電動(dòng)機(jī)。CCU6還支持通過輸入同時(shí)啟動(dòng)若干個(gè)定時(shí)器，這是單芯片上的多個(gè)CCU6模塊共有的一個(gè)重要的特性。CCU6單元由一個(gè)包含3個(gè)捕獲/比較通道的定時(shí)器T12功能塊，與一個(gè)包含1個(gè)比較通道的定時(shí)器T13功能塊組成。T12通道能夠獨(dú)立生成PWM信號(hào)，或接受捕獲觸發(fā)信號(hào)，它們也可以共同生成控制信號(hào)序列，以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)或變頻器。以XE166系列控制器為例，它集成了多達(dá)4個(gè)CCU6模塊，因此使用一片XE166控制器最多可以同時(shí)獨(dú)立控制4臺(tái)三相電機(jī)，如圖1所示。

圖1 XE166功能框圖

CCU6 PWM單元可以和兩個(gè)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器緊密聯(lián)動(dòng)，適用于采用閉環(huán)算法，如磁場(chǎng)定向控制（FOC）的高端電機(jī)控制，如圖2所示。閉環(huán)算法需要來自電機(jī)的反饋信息，如相電流等。這個(gè)相電流值需要在PWM生成的界定狀態(tài)下測(cè)定。由定時(shí)器T12的三個(gè)比較通道可以生成6路PWM信號(hào)，加上自動(dòng)插入死區(qū)時(shí)間功能，可以控制三個(gè)的功率半橋。再加上計(jì)時(shí)器T13，CCU6 能夠在已定義的PWM開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生硬件觸發(fā)事件觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖2 CCU6用于電機(jī)控制應(yīng)用，產(chǎn)生自主PWM信號(hào)

靈活的串行接口和更低的CPU負(fù)荷

通用串行接口通道（USIC）是一個(gè)靈活的接口模塊，支持ASC、SSC、LIN、IIC和IIS等協(xié)議，如圖3所示。每個(gè)USIC模塊有兩個(gè)獨(dú)立信道，每個(gè)信道均可配置為所支持的協(xié)議之一。以往，客戶不得不使用指定的引腳來實(shí)現(xiàn)專用的輸入/ 輸出連接。有了USIC，每個(gè)信道的輸入/輸出信號(hào)可以單獨(dú)地指派至幾個(gè)端口引腳，從而進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的靈活性。XE 166搭載至多3個(gè)USIC模塊，能夠支持6通道的片上輸入/輸出接口。每個(gè)信道都可以支持獨(dú)立的可編程波特率配置，還可以采用面向發(fā)送和接收的FIFO緩沖器。即使在運(yùn)行期間，用戶仍然可以選擇或改變所配置的每個(gè)協(xié)議，而不需要芯片進(jìn)行復(fù)位操作。USIC可支持以下協(xié)議：UART（異步串行通道（ASC），1.2kBaud～3.5MBaud）；硬件實(shí)現(xiàn)的LIN支持（低成本網(wǎng)絡(luò)，最高20kBaud）；SSC/SPI（同步串行通道，2kBaud～10MBaud）；IIC（100～400kBaud）；IIS（信息娛樂音頻總線，最高26Mbaud）。

圖3 靈活的通信

除了可以靈活選擇通信協(xié)議之外，USIC架構(gòu)還能降低系統(tǒng)負(fù)荷（CPU負(fù)荷），實(shí)現(xiàn)非常高效的數(shù)據(jù)處理（支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸）。每個(gè)USIC通道包含一個(gè)專用波特率生成器。波特率生成既可以基于內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘也可以由外部時(shí)鐘輸入。這種架構(gòu)可支持頻率無法由內(nèi)部生成的數(shù)據(jù)傳輸，例如同步幾個(gè)通信設(shè)備等。再加上非常靈活的信號(hào)引腳接口，USIC為各種應(yīng)用需要提供了完善的通信接口。

模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器

為測(cè)量模擬信號(hào)，XE166集成了包含24個(gè)（16+8）復(fù)用輸入通道的兩個(gè)高速可同步10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC0、ADC1）模塊，每個(gè)模塊分別集成了采樣保持電路。它們使用逐次逼近算法，在80MHz系統(tǒng)時(shí)鐘下實(shí)現(xiàn)低至0.675μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間。采樣時(shí)間（用于電容器加載）和轉(zhuǎn)換時(shí)間都是可編程的，因此可以根據(jù)外部電路進(jìn)行調(diào)整。這些模數(shù)轉(zhuǎn)換器也可以在8位轉(zhuǎn)換模式下運(yùn)行，從而進(jìn)一步縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間。

多個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器、可選擇的中斷請(qǐng)求以及高度靈活的轉(zhuǎn)換序列，提高了XE166的可編程性，滿足不同應(yīng)用的要求。兩個(gè)模塊可以同步，支持兩個(gè)輸入通道的并行采樣。對(duì)于需要更多模擬輸入通道的應(yīng)用，外部模擬多路復(fù)用器可以自動(dòng)控制。對(duì)于需要較少模擬輸入通道的應(yīng)用，多余的通道輸入可以用作數(shù)字輸入端口引腳。

極限/邊界檢查或結(jié)果累加等減少數(shù)據(jù)的特性，可以減少CPU的調(diào)用次數(shù)，從而即使在CPU速度很低的情況仍可實(shí)現(xiàn)精確的模擬輸入評(píng)估（高轉(zhuǎn)換率）。運(yùn)用極限檢查可減少中斷負(fù)荷（例如溫度測(cè)量或過載檢測(cè)），因?yàn)橹挥性诳删幊踢吔缰獾霓D(zhuǎn)換結(jié)果才會(huì)導(dǎo)致中斷。

電源

XE166支持/提供非常獨(dú)特的3～5.5V的靈活輸入/輸出電壓，并可允許選擇兩個(gè)不同的電平（5V面向模擬精度、3.3V面向標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)IC），如圖4所示。內(nèi)核工作電源電壓為1.5V。片內(nèi)已嵌入專用的調(diào)壓器，從輸入/輸出供電電壓直接為內(nèi)核提供穩(wěn)壓，因此無須另外配備一個(gè)穩(wěn)壓器。這種設(shè)計(jì)的好處在于為模擬信號(hào)（將5V的傳感器信號(hào)連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和數(shù)字功能（數(shù)字邏輯、ASIC等）都提供了最佳的供電方式。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，這可省去用于板上不同電壓級(jí)別之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換的電平轉(zhuǎn)換器。

圖4 靈活的具有兩個(gè)獨(dú)立工作電平的電源

輸入/輸出供電電壓通過一個(gè)具備內(nèi)部上電檢測(cè)功能的看門狗監(jiān)視器進(jìn)行監(jiān)控，而且該器件無須外部上電復(fù)位電路便可啟動(dòng)。兩個(gè)完全獨(dú)立的閾值電平和比較器用來驗(yàn)證用戶設(shè)定的欠壓和過壓電平。在2.9V和5.5V之間有共計(jì)16個(gè)閾值電平可供選擇。供電電壓看門狗還監(jiān)控EVR的電源電壓是否足以在所有運(yùn)行條件生成一個(gè)有效的內(nèi)核電壓。外部電壓監(jiān)測(cè)功能只需使用一個(gè)低成本的調(diào)節(jié)器，而無須額外的狀態(tài)信號(hào)。此外XE166還支持VDDI引腳上的短路保護(hù)。

靈活可靠的時(shí)鐘源

圖5 靈活可靠的時(shí)鐘模式，可在外部石英晶體失效時(shí)啟動(dòng)片上振蕩器

XE166系列的時(shí)鐘采用一種非常靈活的設(shè)計(jì)理念，提供多個(gè)時(shí)鐘源，以確保安全運(yùn)行，如圖5所示。時(shí)鐘生成單元基于一個(gè)多預(yù)分頻器的可編程片上鎖相環(huán)電路（PLL），以非常靈活的方式為XE166生成時(shí)鐘信號(hào)。系統(tǒng)時(shí)鐘可以從若干個(gè)內(nèi)部和外部時(shí)鐘源（如晶體振蕩器）提取。外設(shè)可以可時(shí)鐘信號(hào)暫時(shí)斷開以節(jié)省功率；如果它們一直沒有被使用，也可永久斷開。片上高精度振蕩器電路（OSC-HP，4～25MHz，最高精度0.5mA）可連接一個(gè)外部晶體或輸入一個(gè)高精度的外部時(shí)鐘信號(hào)。其他時(shí)鐘源來自一個(gè)電流控制的片上振蕩器（OSC-LP，5MHz，快速啟動(dòng)）。因此，用戶可以選擇最適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘模式，獲得相關(guān)時(shí)鐘信號(hào)確保穩(wěn)定運(yùn)行。不同時(shí)鐘源模式之間的切換是由軟件實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)內(nèi)部“緊急”時(shí)鐘源可以保證在任何情況下都能提供時(shí)鐘信號(hào)（而不需要使用一個(gè)外部晶體）。振蕩器看門狗（OWD）監(jiān)控輸入時(shí)鐘并在輸入時(shí)鐘出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況下啟動(dòng)緊急時(shí)鐘。

結(jié)論

基于增強(qiáng)型C166S V2架構(gòu)的XE166系列微控制器，不僅具有出色的CPU性能、更強(qiáng)的輸入輸出能力和靈活的電源選擇，而且支持USIC等全新外設(shè)。該系列包含多種型號(hào)，廣泛適用于諸如電機(jī)控制、電源、運(yùn)輸和通信等要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。片內(nèi)集成的穩(wěn)壓器、使用了額外閃存模塊的仿真EEPROM和多個(gè)時(shí)鐘源優(yōu)化了系統(tǒng)成本。此外，這一系列還得到了全套開發(fā)工具的支持，包括評(píng)估板、調(diào)試器、編譯器和相關(guān)文檔。此外，英飛凌的合作伙伴Altium公司提供一年免許可費(fèi)的Tasking XE166編譯工具。