基于傳感器的系統(tǒng)的核心引擎——微控制器

　　微控制器正在成為工業(yè)和商業(yè)系統(tǒng)中基于傳感器的系統(tǒng)的核心引擎。為傳感器應(yīng)用創(chuàng)建核心平臺并僅實(shí)施低成本軟件和基于固件的更改的能力推動了開發(fā)板的可用性和多樣性的提高。雖然主要通過串行端口連接，但模擬和混合信號傳感器會影響微控制器的性能、操作系統(tǒng)的選擇以及整體設(shè)計(jì)的功率/性能。使用特定應(yīng)用開發(fā)板可簡化設(shè)計(jì)任務(wù)并有助于及時完成設(shè)計(jì)。

　　傳感器控制和接口

　　嵌入式系統(tǒng)越來越多地使用多個傳感器對其環(huán)境進(jìn)行采樣。大量這些傳感器使用簡單的串行接口，產(chǎn)生數(shù)字輸出，可以直接由微控制器處理。其中一些系統(tǒng)使用在傳感器之間多路復(fù)用的傳統(tǒng)串行接口，為控制器提供一次僅處理一個輸入的結(jié)構(gòu)（GPIO、I2C、SPI、RS232、RS422 等）。其他串行傳感器設(shè)備包含 USB 接口的完整協(xié)議管理以及該接口的多設(shè)備管理方法。

　　雖然與傳感器的通信是數(shù)字的，但大多數(shù)傳感器都是模擬的。模擬傳感器包括光和紅外探測器、熱電偶、觸摸控制器、聲音和外部區(qū)域運(yùn)動傳感器、設(shè)備位置和運(yùn)動傳感器以及溫度和壓力傳感器。模擬傳感器的分辨率和精度水平不僅決定了數(shù)據(jù)存儲的大小和字長，還決定了 MCU 的速度和數(shù)學(xué)處理能力。

　　由于有許多不同類型的傳感器，系統(tǒng)開發(fā)的主要方法包括選擇一個核心控制器，然后在軟件中編程一個應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序調(diào)用正在使用的特定傳感器的接口軟件例程。使用這種方法，設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建一個通用設(shè)計(jì)平臺和 GUI，同時將特定傳感器和應(yīng)用的最終優(yōu)化步驟留到設(shè)計(jì)周期的最后階段。大多數(shù) MCU 軟件開發(fā)套件 （SDK） 旨在支持此方法，并包含針對此方法優(yōu)化的開發(fā)板。

　　優(yōu)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　由于目前使用的大多數(shù)傳感器都是模擬標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，例如ADUC7060（參見圖 1）來自 Analog Devices，它為標(biāo)準(zhǔn)化的 ARM7? 內(nèi)核 MCU 帶來了高性能信號路徑。這些單芯片解決方案具有多種功能，旨在解決高傳感器數(shù)量的工業(yè)應(yīng)用空間。

　　圖 1：Analog Devices 的 ADUC7060 框圖。（由模擬設(shè)備公司提供。）

　　Analog Devices 的 ADuC7060 是一款完全集成的 8 ksps 24 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包含高性能多通道 Σ-Δ （Σ-Δ） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），以及片上振蕩器和 PLL產(chǎn)生高達(dá) 10.24 MHz 的內(nèi)部高頻時鐘。MCU 內(nèi)核是 ARM7TDMI，16 位/32 位 RISC 機(jī)器，提供高達(dá) 10 MIPS 的峰值性能；4 kB 的 SRAM；和 32 kB 非易失性 Flash/EE 存儲器，均在片內(nèi)提供。ARM7TDMI 內(nèi)核將所有內(nèi)存和寄存器視為單個線性陣列。

　　數(shù)據(jù)采集??和傳感器接口子系統(tǒng)由一個 5 通道主 ADC 和一個最多 8 通道輔助 ADC 組成。ADC 在單端或差分輸入模式下運(yùn)行。片上提供單通道緩沖電壓輸出 DAC。DAC 輸出范圍可編程為兩個電壓范圍之一。

　　由于該器件專為實(shí)時傳感器接口和信號解釋而設(shè)計(jì)，因此 ADuC7060 包含一個高級中斷控制器。矢量中斷控制器 （VIC） 允許為每個中斷分配一個優(yōu)先級。它還支持每個 IRQ 和 FIQ 最多 8 個嵌套中斷。當(dāng) IRQ 和 FIQ 中斷源組合在一起時，總共支持 16 個嵌套中斷級別。片上工廠固件支持通過 UART 串??行接口端口進(jìn)行在線串行下載和通過 JTAG 接口進(jìn)行非侵入式仿真。這些部件的工作電壓為 2.375 至 2.625 V，工業(yè)溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

　　數(shù)字接口傳感器和控制器開發(fā)選項(xiàng)

　　除了需要數(shù)據(jù)采集模塊的模擬接口外，還有以SPI、RS232、USB格式出現(xiàn)的傳統(tǒng)串行數(shù)據(jù)接口。德州儀器（TI） 的MSP-EXP430FG4618實(shí)驗(yàn)板等評估和開發(fā)系統(tǒng)專為通用數(shù)字輸入和一到兩個模擬傳感器應(yīng)用而設(shè)計(jì)。圖 2 顯示了帶有嵌入式電容觸摸板的評估板。圖 3 顯示了該設(shè)計(jì)的功能框圖。

　　圖 2：TI 帶有觸摸傳感器的 MSP-EXP430FG4618 實(shí)驗(yàn)板（德州儀器提供）。

　　圖 3：TI 的 MSP-EXP430FG4618 實(shí)驗(yàn)板功能框圖（由 Texas Instruments 提供）。

　　該實(shí)驗(yàn)板針對外部數(shù)字接口進(jìn)行了優(yōu)化，具有大多數(shù)嵌入式控制應(yīng)用所需的典型模塊。這些模塊包括一個 4-Mux LCD 顯示屏、兩個瞬時開啟按鈕開關(guān)、四個可用于顯示狀態(tài)的 LED，其中兩個可跳線以用于低功率應(yīng)用、一個從數(shù)字 I/ 運(yùn)行的蜂鳴器O 端口，一個“4”形電容式觸摸板，連接到用于單點(diǎn)觸摸感應(yīng)的數(shù)字 I/O 端口，一個帶 UART 的 RS-232 端口；和一個 I2S/SPI 連接，用于通過兩個 JTAG 端口進(jìn)行處理器間通信。在模擬端，有一個麥克風(fēng)輸出到一組模擬濾波器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及驅(qū)動模擬輸出的有源 LPF 和緩沖放大器。該模擬信號鏈如圖 4 所示。最后，

　　圖 4：TI 的 MSP-EXP430FG4618 實(shí)驗(yàn)板模擬信號路徑（由 Texas Instruments 提供）。

　　該板設(shè)計(jì)有一個中央處理塊，該塊是軟件編程用于管理嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序。直接數(shù)字輸入直接到達(dá)處理器并利用中斷控制器。在從模擬域轉(zhuǎn)換后，同一內(nèi)核對來自圖 4 所示模擬路徑的信號進(jìn)行數(shù)字處理。該評估/開發(fā)板可用作多個項(xiàng)目的平臺，因?yàn)榇蜷_系統(tǒng)功能的接口代碼和開銷獨(dú)立于最終應(yīng)用程序。這允許軟件核心模塊處理通用 GUI 和開發(fā)方法，以便媒體控制、工業(yè)控制、機(jī)器人和環(huán)境控制系統(tǒng)都可以使用相同的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　擴(kuò)展無線開發(fā)

　　雖然 MSP430FG4618 以核心處理器路徑中的多個傳感器控制為目標(biāo)，但 Texas Instruments 的eZ430-RF2500開發(fā)套件是一款基于 USB 的無線開發(fā)產(chǎn)品，使用相同的 MSP430 應(yīng)用開發(fā)軟件。該套件是一個完整的無線開發(fā)工具，提供用于評估 MSP430F2274 微控制器和 CC2500 2.4 GHz 無線收發(fā)器的所有硬件和軟件。

　　eZ430-RF2500 使用 IAR Embedded Workbench? IDE 或 TI 的 Code Composer Essentials （CCE） 來編寫、下載和調(diào)試應(yīng)用程序。調(diào)試器不顯眼，允許用戶使用硬件斷點(diǎn)全速運(yùn)行應(yīng)用程序，同時提供單步執(zhí)行功能并且不消耗額外的硬件資源。

　　TI的eZ430-RF2500T目標(biāo)板是一種開箱即用的無線系統(tǒng)，可與 PC 的 USB 調(diào)試接口一起使用，作為帶或不帶外部傳感器的獨(dú)立系統(tǒng)，或者可以合并到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中。 新的 USB 調(diào)試接口使 eZ430-RF2500 能夠使用 MSP430 應(yīng)用 UART 從 PC 遠(yuǎn)程發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

　　eZ430-RF2500（參見圖 5）具有 USB 調(diào)試和編程接口，具有無驅(qū)動安裝和應(yīng)用反向通道，共有 21 個用于外部連接的可用開發(fā)引腳，具有 16 MHz 性能的超低功耗 MSP430 MCU，兩個通用數(shù)字 I/O 引腳連接到綠色和紅色 LED，以及用于用戶反饋的中斷按鈕。

　　圖 5：TI 的 eZ430-RF2500 USB 無線開發(fā)套件。（德州儀器提供。）

　　這種無線優(yōu)化的 MSP430 設(shè)計(jì)包含一個芯片天線和完整的無線系統(tǒng)，以及一個具有通用軟件控制的模擬傳感器子系統(tǒng)。模擬傳感器子系統(tǒng)包括一個 200 ksps 10 位 SAR ADC、兩個內(nèi)置運(yùn)算放大器、一個看門狗定時器、16 位 Timer_A3 和 Timer_B3、一個支持 UART/LIN、SPI、I2C 或 IrDA 接口的 USCI 模塊以及軟件低功耗模式的控制，導(dǎo)致待機(jī)模式下的電流消耗低至 700 nA。

　　eZ430-RF2500 開發(fā)套件隨附一張 CD，其中包含兩種不同的 MSP430 開發(fā)軟件工具：IAR Embedded Workbench KickStart 和 Code Composer Essentials （CCE）。KickStart 版本是完整 CCE 工具的縮減內(nèi)存子集。CCE 工具可用于購買任何 MSP430 系列 MC。

　　高速連接開發(fā)

　　遵循多傳感器和多輸入系統(tǒng)統(tǒng)一開發(fā)的趨勢，Zilog已將其核心 Z80 處理器更新為連接優(yōu)化 ASSP 中的單板計(jì)算機(jī) （SBC） 系統(tǒng)。EZ80F917050SBCG（參見圖 6）是用于 eZ80AcclaimPlus！? 連接 ASSP 的 Zilog 的 Zdots? SBC 的實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的開發(fā)系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)針對媒體和互聯(lián)網(wǎng)/內(nèi)聯(lián)網(wǎng)控制和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了優(yōu)化。

　　用于連接 ASSP 的 SBC 具有帶 RJ45 連接器的 10/100 Base-T 以太網(wǎng) PHY、512 KB 快速 SRAM 以及 256 KB 片上閃存、1 MB 片外 NOR 閃存、電池供電實(shí)時時鐘; 具有 32 個通用 5V 容限 I/O 引腳的輸入/輸出連接器和 Zilog 的 ZHX1810 IrDA 收發(fā)器。板載連接器為 I/O 總線提供外部外圍連接（IRQ、CS、24 地址和 8 個數(shù)據(jù)），并通過兩個 2x30 針接頭和 3.3 V 電源提供與載板的低成本連接。

　　與 TI 器件一樣，Zilog ASSP 具有內(nèi)部閃存、多種低功耗模式、兩個獨(dú)立的 UART、I2C 和 SPI 接口以及獨(dú)立的時鐘發(fā)生器、符合 IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的紅外編碼器/解碼器、片上實(shí)時時鐘振蕩器、四個 16 位計(jì)數(shù)器/定時器、一個看門狗定時器、JTAG 和 ZDI 調(diào)試接口以及 32 位 GPIO。主要區(qū)別包括具有 8 KB 幀緩沖區(qū)的 10/100 Mbps 以太網(wǎng) MAC 和單周期取指令流水線 eZ80 CPU 內(nèi)核。圖 7 顯示了 ASSP 的框圖。

　　圖 ：Zilog 的 eZ80AcclaimPlus！ASSP 功能框圖。（由 Zilog 提供。）

　　eZ80 內(nèi)核的架構(gòu)和 SBC 的一般應(yīng)用都需要包含快速緩沖器。快速緩沖器的存在是為了防止由于模塊外部 Flash 的慢關(guān)斷時間與 eZ80F91 的快速總線周轉(zhuǎn)時間之間的時序差異而發(fā)生的總線爭用。在 NATIVE eZ80 模式下使用 eZ80 系列微處理器時與總線爭用相關(guān)的問題在 eZ80F91 的開發(fā)套件和產(chǎn)品規(guī)范中有詳細(xì)記錄。

　　當(dāng)兩個或更多設(shè)備驅(qū)動一個公共總線（例如多個 GPIO 通道、UART 或以太網(wǎng)控制器）時，就會發(fā)生總線爭用。一些外部設(shè)備比 eZ80F91 的本機(jī)單周期執(zhí)行時間要慢。這可能導(dǎo)致閃存關(guān)閉時間比總線周期時間長三到四倍，進(jìn)而導(dǎo)致閃存輸出驅(qū)動器進(jìn)入高阻模式。這將導(dǎo)致 eZ80F91 對 Flash 的讀取訪問將 CPU 周期時間加上 Flash 關(guān)閉時間的總和作為 Flash 停止驅(qū)動數(shù)據(jù)總線之前的活動時間。此時，eZ80F91 器件已經(jīng)進(jìn)入下一個總線周期，導(dǎo)致數(shù)據(jù)爭用。由于總線上混合了高速以太網(wǎng)流量和標(biāo)準(zhǔn)低速傳感器信號，而且傳感器流量是異步的，

　　本文中描述的通用平臺開發(fā)方法需要統(tǒng)一的軟件代碼庫以及可以處理多個外部傳感器的應(yīng)用開發(fā)板。這些傳感器具有多種接口，包括模擬和數(shù)字接口。這些接口不僅在發(fā)送數(shù)據(jù)的大小和精度方面有所不同，而且在速度方面也有所不同。在保持通用 GUI、應(yīng)用程序界面和存儲在軟件中的獲取數(shù)據(jù)的同時控制和調(diào)整系統(tǒng)時序是從單個 MCU 基礎(chǔ)開發(fā)多個產(chǎn)品的關(guān)鍵。

　　概括

　　隨著基于傳感器的系統(tǒng)功能的增加，嵌入式微控制器的結(jié)合正在成為一種主流趨勢。這些設(shè)備具有對固件和軟件進(jìn)行現(xiàn)場編程的能力，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。這些系統(tǒng)在系統(tǒng)核心使用基于 FPGA 的核心微控制器和低功耗獨(dú)立微控制器的組合。然而，傳感器和物聯(lián)網(wǎng) （IOT） 世界需要信號處理應(yīng)用程序，因此，它們需要在適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)原型中進(jìn)行實(shí)際測試，以檢查它們的實(shí)時性和設(shè)計(jì)的信號完整性。大多數(shù)供應(yīng)商和眾多第三方合作伙伴都創(chuàng)建了基于微控制器的開發(fā)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)與 SDK 一起作為核心處理器組件提供。