為手持終端測量應用選擇微控制器

為測量應用選擇適當的微控制器 (MCU) 已日益成為一項嚴峻的挑戰，因為各種MCU 在成本、外設設計與組合、CPU 架構及板上集成度等方面的差別日趨增大。就便攜式工業測量應用而言，人們最看重的因素是電池的使用壽命、高性能的模擬外設以及適當的用戶接口，這些因素決定著哪種 MCU 將成為測量應用的最佳選擇。
較長的電池使用壽命
為了盡可能延長電池的使用壽命，設計方案必須將平均電流消耗最小化。設計人員不僅應考慮操作參數，而且還應計算出所有操作條件下的平均功耗。如果貿然做出決定，那么設計人員可能就會犯下用電方面的錯誤，導致電量消耗過大。目前的低功耗 MCU 可提供有源模式、待機模式及斷電模式等多種操作模式。在主動模式下，所有時鐘都處于工作狀態；待機模式下，CPU 時鐘處于非工作狀態，但運行實時時鐘，等待中斷事件喚醒 CPU；通常 MCU 都具有不同級別的待機工作模式。在斷電模式下，所有時鐘都處于非工作狀態，等待中斷事件喚醒 CPU。為了了解不同工作模式的功耗，我們必須要考慮數據表以外的特性。一些數據表給出的電流消耗是在不切實際的操作條件下的情況。為了了解準確的情況，我們在實際應用環境中，根據特定的工作電壓與工作溫度情況來比較不同操作模式下的最大電流功耗，通常就鋰離子電池而言，電壓為 3V，工作溫度為 25oC。
延長電池使用壽命的另一種辦法，就是盡可能縮短待機或斷電模式到有源模式間的轉換時間。一些廠商推出了“隨需即用”型時鐘源，專為中斷斷言后立即提供穩定的時鐘源而設計。
MCU 可用標志輪詢或中斷矢量來喚醒 CPU。中斷驅動型架構可大幅節約功耗，因為CPU能立即響應于任何事件，不必為輪詢外設而浪費電流。
待機模式的功耗低于有源模式。我們所選的 MCU 必須讓 CPU 的待機電流盡可能減小。專為降低功耗而設計的MCU能用定時器和數據自動觸發模數轉換，不必通過直接存儲器存取 (DMA) 和緩存采樣來進行 CPU 干預。CPU 空閑時，可用作其它工作，這有助于提高系統吞吐能力，此外我們也可以關閉 CPU，以降低應用的平均功耗。
最小化漏電流對降低功耗至關重要。對大多數便攜式應用來說，終端產品大多數時間都不工作，因此漏電流決定著平均電流消耗的大小。我們要計算整個端口的漏電流，并確保端口配置能夠最小化電流消耗。
我們應分別評估 MCU 中的不同功能，以了解其對電流消耗的影響。舉例來說，在集成欠壓保護功能時就要非常小心。在插入電池或電源降至正常電源規范以下但又高于接地電壓時，就可能發生欠壓。大多數 MCU 都集成了欠壓保護功能，但這會使平均電流消耗增加 20uA～70uA。選擇 MCU 時，要注意避免在增加保護機制時提高電流消耗。
高性能模擬
在進行架構決策時，我們要考慮模擬方面的要求。我們要仔細研究 MCU 產品系列提供的外設，確保它能滿足目前及未來各種需求。舉例來說，MSP430 系列中的某些產品包括 12 位模數轉換器、12 位數模轉換器和低功耗運算放大器，因此非適用于合便攜式測量應用。選擇 MCU 產品系列時，要確保該產品系列能提供高性能的外設組合，這樣設計人員就能得到未來的集成發展策略。此外，如果現在還沒有能夠提供適當模擬外設組合的MCU，我們也可以采用外部模擬外設，畢竟性能比集成度更重要。
如果 MCU 集成了外設，那么我們要考慮外設設計問題，確保其在應用過程中充分發揮其固有的作用。一些 CPU 的數據處理效率更高。一部帶 12 位模數轉換器的16 位 MCU 處理數據的速率快于 8 位 MCU。16 位 MCU 可以在一個 16 位寄存器中進行采樣，而 8 位 MCU 則要在兩個 8 位寄存器中處理采樣。
用戶接口
設計的另一因素就是高效集成應用所需的所有用戶接口，其中包括鍵盤、顯示器和通信端口等。鍵盤功能非常簡單，但設計人員要確保應用能夠中斷并高效處理鍵盤按鍵操作。液晶顯示器 (LCD) 通常用于向用戶提供反饋信息，其成本、功耗都較低。大多數制造商都采用定制的顯示器，以滿足設計人員的需要，不管顯示什么字符和符號，都盡可能減小系統和顯示器所用的電壓。在選擇 MCU 時，要確保不用CPU 定期更新顯示器。設計人員應了解 MCU 能支持多少片段，應用又能支持多少片段。
通信端口是另一種用戶接口。我們可采用多種通信方案，其中包括I2C、RS-232、 RS-485 和 RF 等。我們要認真考慮在MCU 中如何實施通信技術。我們可根據所需波特率選擇軟硬件，其中包括低成本的軟件解決方案，但通常會占用 MCU 一定的資源。
MSP430FG43x 系列是一個很好的例子，反映了我們以上所述的所有問題（見圖1）。在本例中，12 位模數轉換器以 4096 步長的分辨率對高精度電壓源傳感器采樣，傳感器信號在采樣滿足所需動態范圍前已經進行了預放大。前置放大器的非反相輸入由 12 位模數轉換器偏置，以實現精密微調。系統采用電池供電，當電源電壓低于規定的最小電壓時通過電源電壓監控 (SVS) 電路來重設應用。LCD 顯示器向用戶顯示測量結果。
表1.0
微控制器選擇核對表
延長電池使用壽命：
在實際應用環境中，在多種工作模式下均實現了功耗最小化
最短CPU喚醒時間
中斷驅動式架構
最小漏電流
外設無需 CPU 干預就能工作
專為降低功耗而設計的功能（舉例來說，欠壓復位時不會造成額外功耗）
高性能模擬：
產品系列支持不同的高性能外設組合
不要為了集成而犧牲外設的性能
要使用不占用CPU資源的外設
要使用數據采樣效率較高的 CPU，如 16 位架構
用戶接口：
鍵盤采用中斷驅動型端口
使用低功耗液晶顯示器
根據波特率要求選擇軟硬件通信端口
圖 1. MSP430FG43x 系列集成了高性能數據轉換器和運算放大器，專為典型的便攜式測量應用而優化。