飛思卡爾全系列MCU全新解讀嵌入式應(yīng)用
摘要： 飛思卡爾亞太區(qū)市場營銷和業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理黃耀君所指出——隨著應(yīng)用復(fù)雜度的增加，32位微控制器(MCU)正在很多領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的8位和16位MCU。而該轉(zhuǎn)變趨勢背后，還有很多難以從8位、16位和32位這樣簡單數(shù)字變化所能包含的更多技術(shù)發(fā)展新趨勢。
關(guān)鍵字： 飛思卡爾， 微控制器， MCU， 嵌入式應(yīng)用
如果要回顧2012年以及展望2013年，智能終端，移動互聯(lián)必然是電子行業(yè)最熱門的關(guān)鍵詞。近年來，無論是政府還是企業(yè)，都在力主推廣各種智能化概念——智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、智能監(jiān)控……同時，基于各種智能便攜式終端的移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層出不窮?？v觀不久前閉幕的2013年消費(fèi)電子展(CES2013)，最熱門的展品幾乎無不與這兩個關(guān)鍵詞相關(guān)——今年CES最熱門的產(chǎn)品為智能手機(jī)和平板電腦，各種智能家電產(chǎn)品也數(shù)不勝數(shù)，甚至還有吃飯的叉子和湯匙也“被智能化”。
智能化和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢帶動了傳統(tǒng)的電器產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)變，正如在近期召開的易維訊“2013產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望媒體研討會”的主題演講中，飛思卡爾亞太區(qū)市場營銷和業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理黃耀君所指出——隨著應(yīng)用復(fù)雜度的增加，32位微控制器(MCU)正在很多領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的8位和16位MCU。而該轉(zhuǎn)變趨勢背后，還有很多難以從8位、16位和32位這樣簡單數(shù)字變化所能包含的更多技術(shù)發(fā)展新趨勢。
超過50%的新推MCU基于ARM平臺
正如黃耀君所言，32位微控制器越來越多地進(jìn)入傳統(tǒng)8位和16位控制器所長期占據(jù)的市場，特別是近年來智能終端的爆發(fā)下，這種趨勢尤其明顯。“32位控制器成本的迅速降低也促成了這種轉(zhuǎn)變，目前一些32位微控制器成本已經(jīng)進(jìn)入50美分以下的區(qū)間。除了替代8/16位控制器外，一些中端、高端的MCU產(chǎn)品也正在一些傳統(tǒng)DSC具有優(yōu)勢的領(lǐng)域中逐漸占據(jù)上風(fēng)。”黃耀君指出，“目前全球新推的32位MCU中，幾乎超過50%的產(chǎn)品是基于ARM平臺的。”
復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)將涉及到實時操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用程序、硬件電路，等等，幾乎沒有一家公司能完成所有的設(shè)計，只有基于像ARM這樣的開放的公共處理器平臺才能形成如此良好、豐富的生態(tài)系統(tǒng)，所有的公司一起貢獻(xiàn)良好的開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)快速的系統(tǒng)設(shè)計和創(chuàng)新。“例如以前基于8位/16位控制器設(shè)計，如果因為供貨原因需要修改設(shè)計，將會很麻煩，而基于ARM內(nèi)核的32位處理器很方便，有大量第三方提供技術(shù)支持?！秉S耀君指出。
飛思卡爾針對不同的應(yīng)用需求，提供豐富的微控制器產(chǎn)品系列
作為全球最大的微控制器產(chǎn)品提供商之一，飛思卡爾公司的PX系列Power Architecture架構(gòu)微控制器、ColdFire等已經(jīng)在業(yè)界獲得廣泛應(yīng)用，甚至已經(jīng)成為一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。“但這并不影響飛思卡爾提供基于ARM平臺的領(lǐng)先控制器，”黃耀君指出，“而且我們是業(yè)內(nèi)率先推出基于Cortex-M0+和M4控制器產(chǎn)品的半導(dǎo)體公司。飛思卡爾的Kinetis系列MCU產(chǎn)品組合共提供了超過200個基于ARM Cortex-M結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能、可兼容的微控制器?！?/P>
“我們的Kinetis系列從入門級到功能豐富的產(chǎn)品，都提供可支持飛思卡爾塔式開發(fā)工具平臺以及付贈的MQX RTOS和基于Processor Expert 的CodeWarrior IDE編碼自動發(fā)生器的高精度混合信號、FlexMemory(EEPROM)，低功耗、連接性、人機(jī)互交(HMI)和安全等等特性，以及非常齊全的外設(shè)選擇。并獲得業(yè)界領(lǐng)先的IAR系統(tǒng)、KEIL、Green Hills以及許多其他合作伙伴的支持。”黃耀君表示。
基于開放的公共處理器平臺，良好的生態(tài)系統(tǒng)將促進(jìn)更快的產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新。
廣泛的產(chǎn)品組合+更高的產(chǎn)品特性滿足設(shè)計需求升級
面對快速變化的市場需求，嵌入式系統(tǒng)廠商對半導(dǎo)體產(chǎn)品方案也提出越來越多不同于以往的產(chǎn)品功能和特性需求?！翱蛻舻囊笤絹碓礁?，例如功耗越來越低，封裝尺寸越來越小，多個串口，部分應(yīng)用要求把高壓驅(qū)動、安全功能、無線模塊等功能加入進(jìn)去?！秉S耀君指出。在演講中，他總結(jié)了近年來客戶對控制器的需求變化的幾大趨勢：
要求免費(fèi)的的操作系統(tǒng)支持，例如Linux、uCOSII、FreeRTOS、MQX，等.
免費(fèi)的高質(zhì)量中間件支持，以及免費(fèi)提供各種程序及算法庫資源
控制器所集成的RAM與FLASH的比例要求已經(jīng)從1/32、1/16逐漸上升到1/8、1/6，甚至1/4
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允許通過串口和USB接口實現(xiàn)程序加載，支持固件在線升級
更強(qiáng)的EMC兼容性——IEC61000-4-4和IEC61000-4-2分別要求最低4.8KV EFT和8KV ESD，一些應(yīng)用要求10KV、12KV
可靈活擴(kuò)展的通用控制器，滿足各種存儲器大小要求以及管腳兼容，以便隨系統(tǒng)要求的提高輕松升級
為滿足大批量應(yīng)用提供專用MCU，這些MCU需要盡量多實現(xiàn)功能集成(例如智能電表應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，等)
無線MCU——以SoC或SiP形式，支持各種無線通信方式，如Sub-GHz、ZigBee、藍(lán)牙，等
具備更強(qiáng)的DSP功能以及更多的外設(shè)功能，例如集成DSP協(xié)處理器、多內(nèi)核功能
集成人機(jī)界面(HMI)及多媒體功能
事實上，設(shè)備商在不斷追求更強(qiáng)大的功能和極致性能的過程中，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計對控制器平臺提出了越來越苛刻的要求，幾乎所有的嵌入式微控制器產(chǎn)品都在試圖滿足這些需求趨勢，當(dāng)然每款控制器產(chǎn)品的側(cè)重點(diǎn)會有不同。在演講中，黃耀君重點(diǎn)分享了飛思卡爾的Kinetis通用MCU系列以及專用MCU系列的在滿足這些市場需求方面的主要技術(shù)特性：[!--empirenews.page--]
Kinetis L系列微控制器不僅汲取了新型ARM Cortex-M0+處理器的卓越能效和易用性，而且體現(xiàn)了Kinetis 32位微控制器產(chǎn)品優(yōu)越的性能、多元化的外設(shè)、廣泛的支持和可擴(kuò)展性。同時將出色的動態(tài)和停止電流與卓越的工藝處理性能、選擇廣泛的片內(nèi)閃存密度與豐富的模擬、連接和HMI外設(shè)選項相互結(jié)合，從8位和16位MCU的限制中釋放了關(guān)鍵的功耗設(shè)計能力。Kinetis L系列MCU還能夠和基于ARM Cortex-M4 Kinetis K系列的硬件和軟件相互兼容，為提供性能、存儲和特性集成擴(kuò)展遷移路徑。
Kinetis K 系列MCU組合更強(qiáng)調(diào)高性能和可兼容性，有超過200個基于ARM® Cortex™-M結(jié)構(gòu)的低功耗產(chǎn)品。它的設(shè)計具有可擴(kuò)展性能，集成連接性、通信、人機(jī)互交(HMI)和安全等等特性。這個系列的產(chǎn)品的特性是高集成，它包含多種快速16位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器和可編程增益放大器，以及強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)有效的信號轉(zhuǎn)換器。還支持飛思卡爾塔式開發(fā)工具平臺和免費(fèi)提供的MQX實時操作系統(tǒng)。
飛思卡爾Kinetis系列通用微控制器為各種嵌入式應(yīng)用提供了豐富的選擇。
Kinetis X系列是業(yè)界基于ARM® Cortex™-M4內(nèi)核構(gòu)建、速度最快的微控制器。該器件系列具有先進(jìn)的連接特性和HMI外設(shè)，內(nèi)含軟件可以支持帶有強(qiáng)大圖形用戶界面的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Kinetis X系列MCU配置了一系列的軟件和工具，其中包括飛思卡爾的塔式系統(tǒng)開發(fā)平臺、附贈的MQX RTOS和基于Processor Expert的CodeWarrior IDE自動代碼生成器和來自IAR Systems、KEIL、Green Hills和其他合作伙伴的廣泛支。
Kinetis W 系列專用微控制器主要針對物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等應(yīng)用。增加了無線連接性支持，擴(kuò)展了Kinetis K系列基于ARM® Cortex™ -M4的成功之處，將業(yè)界領(lǐng)先的 sub-1 GHz和2.4 GHz 射頻收發(fā)器與Cortex™-M4內(nèi)核成功集成，并針對無線應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，提供了一個強(qiáng)大、可靠、安全的和低功耗的嵌入式無線解決方案。提供了一個可測量移動路徑的更高性能的儲存器和特征集合。
Kinetis M 系列專門支持廣泛的經(jīng)濟(jì)高效的單相或兩相電表設(shè)計而設(shè)計，基于32位ARM Cortex-M0+內(nèi)核微控制器。所有 Kinetis M 系列微控制器都包含一個模擬前端，使 CPU 的電源計算可以達(dá)到 0.1% 的精確度。為適應(yīng)多個地區(qū)，模擬前端是可配置的，它包含4個24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩個低噪聲可編程增益放大器，支持2000至1的動態(tài)范圍、一個帶有較低漂移溫度范圍和相移補(bǔ)償?shù)木茈妷簠⒖家院喕_的功率計算。
Vybrid系列提供基于ARM Cortex A5+Cortex M4多核或ARM Cortex A5單核的產(chǎn)品選擇，涵蓋產(chǎn)品讓客戶由Kinetis MCU入門級產(chǎn)品升級到帶有片上SRAM的MPU，以及適用于工業(yè)市場高度集成、異構(gòu)雙核的MPU產(chǎn)品。 每一種Vybrid系列器件都含有成套參考設(shè)計、應(yīng)用筆記、板級支持包(BSP)和中間件。Vybrid平臺支持客戶構(gòu)建既可以單獨(dú)或同時運(yùn)行如Linux或MQX等高級操作程序的系統(tǒng)。這樣，結(jié)合豐富域與實時域之間的通信API，以及便于調(diào)試這類系統(tǒng)的工具鏈，可以顯著縮短客戶實現(xiàn)收入的時間。
應(yīng)用案例分析——Kinetis K53在心電監(jiān)測儀上的應(yīng)用
作為全球最主要的微控制器供應(yīng)商之一，飛思卡爾的微控制器產(chǎn)品研發(fā)上具有豐富IP和應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗，特別是在各種算法資源、OS(免費(fèi)提供強(qiáng)大的MQX RTOS)以及強(qiáng)大的技術(shù)支持團(tuán)隊上?！帮w思卡爾200多款Kinetis系列微控制器廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子、工業(yè)控制、醫(yī)療保健和網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域，這些產(chǎn)品針對主要的應(yīng)用在外設(shè)集成、功能和性能優(yōu)化上均有業(yè)界領(lǐng)先的優(yōu)勢?！秉S耀君指出。在研討會上，黃耀君還重點(diǎn)分享了幾個典型的應(yīng)用案例，下面介紹其中基于Kinetis K53的心電圖儀應(yīng)用。
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如圖所示，通過飛思卡爾Kinetis K53處理器，患者不需要去醫(yī)院里面去做心電圖，只需要用蘋果的iPhone智能手機(jī)或iPad平板電腦，通過飛思卡爾的控制板以及幾根電極，就可以輕松地實現(xiàn)心電圖的自我檢測應(yīng)用，把心電圖形和心率在手機(jī)中清楚地顯示出來。
通過飛思卡爾的控制板以及幾根電極，就可以輕松地實現(xiàn)心電圖的自我檢測
該Demo針對的應(yīng)用主要是實現(xiàn)心電監(jiān)測的家用便攜式醫(yī)療保健產(chǎn)品，便攜式產(chǎn)品的首要要求就是低功耗和便攜性，Kinetis K50系列針對便攜式醫(yī)療應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的一些獨(dú)特的功能特性優(yōu)勢使其成為此類應(yīng)用的理想之選。Kinetis K50系列基于Cortex-M4內(nèi)核，在實現(xiàn)了高性能和高集成度條件下，本身就具備了非常好的低功耗特性。所集成的DSP和浮點(diǎn)單元功能讓設(shè)計工程師可以實現(xiàn)輕松快速實現(xiàn)復(fù)雜算法，較短的時間內(nèi)實現(xiàn)心電圖監(jiān)測，使設(shè)備大部時間內(nèi)處于休眠模式從而節(jié)省功能。
Kinetis K50系列高集成度還使其在便攜式醫(yī)療應(yīng)用上具備整體尺寸以及BOM成本上的優(yōu)勢。內(nèi)部集成了模擬測量引擎，包括嵌入運(yùn)算放大器與跨阻抗放大器，以及高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供了所有心電監(jiān)測或類似家庭健康監(jiān)測應(yīng)用所需的高分辨率和精確度。而K50內(nèi)置的運(yùn)算放大器和跨阻抗放大器可以很方便設(shè)計師實現(xiàn)采集信號的調(diào)理，不僅設(shè)計上更簡單，而且有助于降低噪聲干擾。
K50系列器件內(nèi)含128～512KB的Flash，以及最多128KB的SRAM，并且結(jié)合飛思卡爾在K50系列中使用的創(chuàng)新FlexMemory技術(shù)，可以將這部分設(shè)置為EEPROM和/或Flash，并可以同時作為主程序的存儲器。這對于像心率監(jiān)測儀、血糖儀等便攜式醫(yī)療設(shè)備而言非常重要，因為必須持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的寫入。
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Kinetis K50微控制器系列內(nèi)部集成了大量便攜式醫(yī)療應(yīng)用所需的外設(shè)。
小結(jié)
“2013年，32位MCU的性能將進(jìn)一步提高：內(nèi)核方面，Cortex-M0會向M0+升級，Cortex-M3會向M4升級;資源上向多核和多存儲方向演進(jìn)，而高端的Cortex-A8/A9/A15會向A5X(ARM V8架構(gòu))升級?！秉S耀君指出，“目前飛思卡爾已經(jīng)有相關(guān)的新品研發(fā)，相信很快就會有新產(chǎn)品推出?！痹絹碓截S富的ARM生態(tài)系統(tǒng)正在為工程師帶來便利，我們期待飛思卡爾在新的一年有更給力的微控制器產(chǎn)品提供給工程師。
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