最新工業(yè)應(yīng)用微控制器（MCU）特性和重要設(shè)計注意事項 - 全文

　　工業(yè)用可攜式裝置須同時兼具低功耗、高可靠度和高性能要求，因此設(shè)計人員在開發(fā)產(chǎn)品時，須選用支援低電壓操作與具備時脈監(jiān)控功能的工規(guī)微控制器（MCU），以延長可攜式產(chǎn)品電池使用壽命，同時避免因頻率不穩(wěn)而造成性能降低的問題發(fā)生。

　　工業(yè)領(lǐng)域中的可攜式應(yīng)用均要求低功耗、高可靠度和高性能。這類工業(yè)應(yīng)用的例子包括條碼器、出貨數(shù)據(jù)記錄器、高速公路追蹤設(shè)備、降噪耳機、小型馬達控制以及電池充電器。

　　那么，設(shè)計人員如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)？本文將介紹最新的工業(yè)應(yīng)用微控制器（MCU）特性和設(shè)計注意事項，以協(xié)助設(shè)計人員應(yīng)對上述要求。

　　使微控制器在盡可能長的時間內(nèi)保持最低功耗是維持電池壽命的主要目標(biāo)。運行速度快、喚醒時間短也就意味著平均功耗低（圖1）。微控制器在高功率狀態(tài)下完成工作的速度越快，保持低功耗狀態(tài)的時間就越長。

　　圖1 MCU電流消耗與時間曲線

　　支援低電壓工作　微控制器省電性能更出色

　　但是，要延長電池壽命，降低功耗只完成一半，還應(yīng)充分利用電池。為此，採用能支援低電壓工作的微控制器是非常重要的。圖2顯示勁量（Energizer）提供的鹼性電池和鈕扣式鋰電池在典型數(shù)據(jù)記錄器中的使用壽命。此應(yīng)用大多數(shù)時間處于低功耗狀態(tài)，偶爾喚醒以處理資訊。鹼性AAAA電池的建議保存期為5 年?？梢钥吹?，鹼性電池和鋰電池均從低工作電壓中受益。在此例中，以1.8伏特（V）工作的微控制器與等效的2伏特微控制器相比，1.8伏特的微控制器會額外增加6個月的電池壽命，這也顯示出低電壓微控制器在可攜式應(yīng)用上的優(yōu)點。

　　圖2 數(shù)據(jù)記錄器電池性能範(fàn)例　資料來源：Energizer @Eveready Battery Company， Inc.

　　時脈監(jiān)視器提升MCU可靠度

　　設(shè)計高性能和穩(wěn)定的工業(yè)應(yīng)用的另一注意事項是微控制器的振蕩器（Oscillator）特性，其重要性經(jīng)常被低估。振蕩器特性會影響許多方面，包括性能、系統(tǒng)成本、可制造性和可靠性。

　　新型微控制器以更高的速度工作，并且能夠在沒有外部時脈源的情況下使內(nèi)部時脈全速運行，內(nèi)部時脈也可提供多種時脈頻率的選擇。這樣軟體可以隨著電壓下降而切換到較低頻率，以保持在工作規(guī)范范圍內(nèi)，或者在連接外部電源后提高速度。

　　制造過程中另一個常見挑戰(zhàn)是石英晶體振蕩器有時不能產(chǎn)生可靠的起振或起振時間過長。造成這問題的常見原因有元件品質(zhì)變化、助焊劑殘留和布線疏忽。選擇高品質(zhì)石英晶體振蕩器以及實施布線和測試技術(shù)（如負電阻測試）可以避免很多問題，這些技術(shù)可從石英晶體振盪器和微控制器制造商處獲取。此外，對低頻電路的可配置偏壓亦可解決上述問題。此舉將允許增加偏壓，以確保在各種條件下石英晶體振蕩器均能可靠起振，或者減少偏壓以降低功耗。這些額外的努力將幫助制造商避免類似棘手問題。

　　故障保護時脈監(jiān)視器為提高時脈振蕩可靠性的出色功能，其可持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)時脈振蕩。一旦錯過幾次振蕩，它會自動將時脈源切換到內(nèi)部振蕩器，并讓中央處理器（CPU）進入中斷函數(shù)處理此事件，如此一來，微控制器可保持關(guān)鍵功能并執(zhí)行有序關(guān)閉。

　　盡管低電壓微控制器經(jīng)過精心設(shè)計，可用于高可靠性應(yīng)用，但有時仍需要5伏特電壓以維持工作。低電壓微控制器可以簡化電路板布線、提高抗雜訊能力并提高對傳統(tǒng)設(shè)計的支持，但是，隨著設(shè)計尺寸減小，新的5伏特微控制器的可用性也在降低。芯片制造商意識到對這些元件的需求仍然很大，因而開發(fā)出新的高電壓工作技術(shù)，找到了使更小、更廉價的微控制器以較高電壓運行的新方法，這對于尋求5伏特工作優(yōu)勢的設(shè)計人員來說是個好消息。

　　為了進一步提高抗雜訊能力，介面和周邊接腳使用多個輸入緩沖器，盡管緩沖器在同一個接腳上共用，不同的功能可能有不同的輸入類型。舒密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）的輸入可提供比同類電晶體-電晶體邏輯（TTL）元件更寬廣的輸入臨界值范圍，并可提高系統(tǒng)的雜訊容限。

　　較高的端口驅(qū)動能力是另一個重要的電路設(shè)計注意事項。這不僅僅直接驅(qū)動發(fā)光二極體（LED），較高的端口驅(qū)動能力可以防止容易引入雜訊的電路（如開關(guān)式穩(wěn)壓器和高速脈波寬度調(diào)變（PWM）訊號）附近產(chǎn)生無用耦合，但潛在的代價是會增大輻射雜訊，接腳上的小型RC濾波器將有助于抵消這些效果，同時保持高驅(qū)動能力的優(yōu)勢。

　　MCU提供耐用資料EEPROM

　　值得注意的是，內(nèi)部資料電子式可清除可編程唯讀記憶體（EEPROM）似乎與磁碟機和八音軌播放機一樣成為過去，這是制造商轉(zhuǎn)向小型制程技術(shù)尺寸的自然結(jié)果，卻也使整合的成本變得高昂。一些軟體解決方案使用快閃記憶體來模擬資料EEPROM，但是，部分應(yīng)用需要獨立的資料儲存。最新的微控制器產(chǎn)品可提供高耐用性的資料EEPROM，而且仍保持高性價比。其額定擦/寫次數(shù)高達十萬次。使用者唯須注意寫入操作的最小電壓范圍，其有時會高于微控制器的最小工作電壓，這會限制有效的工作范圍。

　　如圖3所示，流量計是說明本文涵蓋主題的一個好例子。微控制器的整合充電時間測量單元（CTMU）可讀取流量計的流量、溫度和電容式觸控板。使用12位差分類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）和參考電壓來監(jiān)控電池電壓。超低功耗喚醒模組執(zhí)行定期喚醒。如此例所示，選擇正確的微控制器將提供穩(wěn)定可靠且內(nèi)部功能強大的低功耗解決方案。