飛思卡爾32位Kinetis E系列MCU帶來綠色安全智能家居方案

智能家居概念及發(fā)展現(xiàn)狀

智能家居是一個(gè)居住環(huán)境，是以住宅為平臺(tái)，裝有智能家居的場(chǎng)所。這個(gè)場(chǎng)所融合了自動(dòng)化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的家居控制系統(tǒng)。智能家居將讓用戶有更方便的手段來管理家庭設(shè)備，比如，通過觸摸屏、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識(shí)別控制家用設(shè)備，更可以執(zhí)行場(chǎng)景操作，使多個(gè)設(shè)備形成互連和互動(dòng);智能家居內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通信，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全。

經(jīng)過近幾年的技術(shù)發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的迅速崛起，給智能家居行業(yè)帶來了全新的面貌，智能家居的定義也變得愈加廣闊。智能家居已經(jīng)不再僅限于視頻監(jiān)控、防盜報(bào)警、智能控制等普通的安防，而是通過物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算結(jié)合整體系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用，把衣食住行的信息植入到智能家居系統(tǒng)。在智能家居細(xì)分領(lǐng)域，智能家電、智能照明、樓宇對(duì)話、家居控制等，各種應(yīng)用在迅速發(fā)酵。中國室內(nèi)裝飾協(xié)會(huì)智能化委員會(huì)秘書長向忠宏指出，智能家居產(chǎn)業(yè)在中國已有十三年的發(fā)展歷程，目前規(guī)模已過百億，在智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)的雙引擎推動(dòng)下，未來十年內(nèi)將成長為數(shù)千億的市場(chǎng)。

基于MCU的智能家居系統(tǒng)呈現(xiàn)新趨勢(shì)

在智能家居系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，必須要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)控制與接入，都需要基于MCU來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于現(xiàn)代生活中的數(shù)據(jù)交互量急劇增長，智能家居對(duì)MCU的處理能力、綠色節(jié)能、安全性也提出了新的要求。

智能家居本身有著高可靠性需求，這要求MCU本身也具有這一特性，以保證在整個(gè)人居建筑中，各個(gè)智能化子系統(tǒng)能二十四小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)的安全性、可靠性和容錯(cuò)能力必須非常好。對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)，應(yīng)以電源、系統(tǒng)備份等方面采取相應(yīng)的容錯(cuò)措施，保證系統(tǒng)正常安全使用，具備應(yīng)付各種復(fù)雜環(huán)境變化的能力。

另外，智能家居的部分應(yīng)用環(huán)境可能會(huì)需要電池供電，這對(duì)MCU的低功耗特性提出更高挑戰(zhàn)。此外，智能家居中的有些應(yīng)用需要更精確的測(cè)量和控制、更好的能效，都需要有更復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)算，這就要求MCU的運(yùn)算速度大幅提升，以滿足能耗和運(yùn)算的需求，因此，在一些解決方案中，MCU也在從8位、16位向32位遷移。

還有一些家居應(yīng)用要求MCU具有更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，如LCD驅(qū)動(dòng)和I/O口的驅(qū)動(dòng)，更強(qiáng)的PWM輸出能力等，甚至使得MCU逐漸向SoC靠攏。

可見，智能家居系統(tǒng)中的MCU，應(yīng)當(dāng)是富有競(jìng)爭(zhēng)力的。

飛思卡爾產(chǎn)品在智能家居中的應(yīng)用

飛思卡爾是智能家居系統(tǒng)中MCU、射頻、傳感器、模擬技術(shù)與電源管理、處理器等產(chǎn)品的領(lǐng)先供應(yīng)商，并致力于向市場(chǎng)提供嵌入式工業(yè)解決方案。在智能家居應(yīng)用中，飛思卡爾可用的、滿足現(xiàn)實(shí)需求的產(chǎn)品和方案不斷增加，在這個(gè)領(lǐng)域積累了很多經(jīng)驗(yàn)。利用這些先進(jìn)的產(chǎn)品系列，飛思卡爾提供更加智能和更具成本效益的解決方案，應(yīng)用涵蓋照明、HVAC、網(wǎng)絡(luò)控制、樓宇接入、監(jiān)控和安全、家居智能能源(家庭能源管理系統(tǒng)、家庭太陽能逆變)、能源利用(商業(yè)太陽能逆變器、離網(wǎng)太陽能逆變等)等。這些方案可以滿足市場(chǎng)在環(huán)境、能源效率、可靠安全方面的需求。

在家庭能源管理系統(tǒng)中，通常需要提供綜合用戶界面和廣泛連接功能。飛思卡爾具有多種基于業(yè)界領(lǐng)先Power Architecture和ARM處理器的解決方案，非常適用于這種應(yīng)用，系統(tǒng)方案示例見下圖。利用通信處理器、電源管理器件、無線收發(fā)器、圖形處理等廣泛的產(chǎn)品線，如MPC8308、MC13224、S08QE、I.MX233、I.MX6S等，飛思卡爾的解決方案使智能家居中的各個(gè)點(diǎn)都可以通過一個(gè)集中的點(diǎn)連接和控制，實(shí)現(xiàn)高能效和能源優(yōu)化。

在部署具有通信功能的電表后，可以向業(yè)主提供許多應(yīng)用，以便優(yōu)化整體能源管理。對(duì)電力公司來說，這可以作為一種管理電網(wǎng)負(fù)荷并防止電力需求激增的方式。此外，家庭能源管理系統(tǒng)的功能還可以包括：從智能電表中采集實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)，從各種家電中采集功耗數(shù)據(jù);控制家電的開啟/關(guān)閉;生成儀表板，以提供關(guān)于能源使用情況的反饋信息;提供控制菜單，對(duì)家電進(jìn)行有效控制;提供與電力公司和/或互聯(lián)網(wǎng)之間的鏈接……目標(biāo)應(yīng)用包括家庭局域網(wǎng)絡(luò)(HAN)、家庭能源網(wǎng)關(guān)以及家庭自動(dòng)化等。

基于飛思卡爾廣泛產(chǎn)品線的家庭能源管理系統(tǒng)示例

家庭太陽能逆變系統(tǒng)中，飛思卡爾的處理器、微控制器產(chǎn)品，如MC56F84XXX、MC56F82XX、56F803X等等產(chǎn)品，為整個(gè)系統(tǒng)帶來可行、高效、可靠的電源轉(zhuǎn)換方案。

基于飛思卡爾MCU和DSC的家庭太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

上述幾種智能家居方案示例實(shí)際應(yīng)用中已被采用。

32位Kinetis E系列帶來綠色安全智能家居方案

飛思卡爾具有完善的8位、16位和32位MCU系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)、能源、汽車、醫(yī)療、消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域。Kinetis E系列器件是飛思卡爾極具特色的MCU系列之一，也是業(yè)界最具擴(kuò)展能力的ARM Cortex-M0+ MCU產(chǎn)品，智能家居應(yīng)用是其發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的一大市場(chǎng)。該系列MCU具有強(qiáng)大的系統(tǒng)電磁抗噪能力(過去只有8位和16位MCU具有這種能力)，是白色家電和工業(yè)應(yīng)用，如洗碗機(jī)、冰箱、家庭和樓宇控制系統(tǒng)、電機(jī)控制風(fēng)機(jī)、工業(yè)轉(zhuǎn)換器，以及通常在高噪聲環(huán)境中運(yùn)行的其他應(yīng)用的理想選擇。

利用Kinetis E系列的耐用設(shè)計(jì)和32位處理能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以只采用一個(gè)器件，而不是以前所需的多個(gè)MCU。此外，大間距封裝選件和高靜電放電保護(hù)性能支持單層板設(shè)計(jì)，減少其他電路保護(hù)組件的需求，從而降低系統(tǒng)成本。

該系列產(chǎn)品可在復(fù)雜電氣噪聲環(huán)境和要求高可靠性的應(yīng)用中保持高穩(wěn)定性，而且有豐富的內(nèi)存、外設(shè)和產(chǎn)品包可供選擇。它們具有通用的外設(shè)和引腳數(shù)量，使開發(fā)人員能夠輕松實(shí)現(xiàn)相同MCU系列內(nèi)或多個(gè)MCU系列間的遷移，以利用更多存儲(chǔ)器或特性集成。這種可擴(kuò)展性使開發(fā)人員能夠在Kinetis E系列上實(shí)現(xiàn)其終端產(chǎn)品平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化，最大程度地提高硬件和軟件的再利用，縮短產(chǎn)品上市所需的時(shí)間。

Kinetis E系列是32位MCU。32位MCU一直以來都以低電壓運(yùn)行，人們通常會(huì)認(rèn)為，32位MCU在工廠等惡劣電磁環(huán)境中甚至很多家庭中并不可靠。但是Kinetis E系列打破這一認(rèn)知開創(chuàng)新局面，將低成本、高性能、先進(jìn)的電磁兼容性(EMC)和靜電放電(ESD)保護(hù)功能完美結(jié)合，符合工業(yè)級(jí)的可靠性和溫度要求。

Kinetis E系列特性：

 32位ARM Cortex-M0+ 內(nèi)核

 存儲(chǔ)空間可以從8 KB閃存/1 KB SRAM擴(kuò)展到128 KB閃存/16 KB SRAM

 具備片上模擬比較器和12位ADC，具有精確的混合信號(hào)處理能力

 強(qiáng)大的定時(shí)器，面向包括電機(jī)控制在內(nèi)的廣泛的應(yīng)用

 串行通信接口，如UART、SPI、I²C等

 高安全性，帶有內(nèi)部看門狗和可編程CRC模塊

 單電源(2.7–5.5 V)，具備完整的閃存編程/擦除/讀取功能

 工作環(huán)境溫度范圍：-40℃–105℃

根據(jù)產(chǎn)品特性可以看出，飛思卡爾智能家居解決方案可為市場(chǎng)帶來綠色、安全、節(jié)能、靈活等優(yōu)勢(shì)。

以Kinetis子系列KE02 MCU為例來看。KE02 MCU以ARM Cortex-M0+為內(nèi)核，該內(nèi)核以其低功耗特性深獲市場(chǎng)贊譽(yù)。KE02也是Kinetis E系列的入門級(jí)產(chǎn)品，引腳與整個(gè)E系列兼容，擴(kuò)展靈活，另外，它們還與8位S08P系列兼容。

這個(gè)子系列擁有一系列強(qiáng)大的外設(shè)，其中包含模擬、通信、定時(shí)器與控制等，同時(shí)也有多種規(guī)格的閃存和引腳。該系列是提供低功耗、高耐用性和高能效的MCU，為開發(fā)人員提供適合的入門級(jí)32位解決方案。

作為新一代MCU解決方案，該系列特別增強(qiáng)了ESD/EMC性能，廣泛適用于強(qiáng)電氣干擾環(huán)境下對(duì)成本、高可靠性有特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)合中，比如家用電器、DC風(fēng)機(jī)、計(jì)量/PLC、后備式UPS、模擬電源、DC/DC等。其中，電源管理模塊(PMC)提供三種電源模式：運(yùn)行、等待和停止模式，可以在保障能源效率的情況下運(yùn)行。內(nèi)置看門狗和可編程CRC模塊、每芯片64位唯一識(shí)別碼(ID)可提供更高的安全性。

KE02 MCU家族框圖

飛思卡爾的設(shè)計(jì)資源

對(duì)各系列MCU，飛思卡爾為工程師提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)資源，對(duì)Kinetis E系列也不例外。這些資源包括FRDM-KE02Z Freescale Freedom開發(fā)平臺(tái)、Processor Expert軟件以及軟件開發(fā)工具包，可輕松訪問樣本軟件庫。采用低成本Freescale Freedom開發(fā)平臺(tái)，客戶可以輕松、快速評(píng)估并原型設(shè)計(jì)飛思卡爾MCU。此外，Kinetis E系列MCU還獲益于廣泛的ARM生態(tài)體系支持，包括現(xiàn)成軟件、工具和培訓(xùn)，以及合作伙伴開發(fā)的解決方案，如IAR Embedded Workbench和Keil MDK-ARM微控制器開發(fā)工具包。其他開發(fā)資源包括具有高性能和最佳功率效率CoreMark®/mA的中間件和軟件庫。在Kinetis MCU社區(qū)，工程師還可以實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)入門指導(dǎo)。