Arm? Cortex?-M0+MCU如何優(yōu)化通用處理、傳感和控制

嵌入式系統(tǒng)中的微控制器 (MCU) 像是繁忙機(jī)場(chǎng)的空中交通管制系統(tǒng)。MCU 可以感知所在的工作環(huán)境，根據(jù)感知結(jié)果采取相應(yīng)操作，并與相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行通信。MCU 可以管理和控制從數(shù)字溫度計(jì)到煙霧探測(cè)器，再到暖通空調(diào)電機(jī)等幾乎各種電子設(shè)備中的信號(hào)。

為了確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和使用壽命，嵌入式設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中需要更大的靈活性。如果采用目前市面上的 MCU 產(chǎn)品系列，設(shè)計(jì)人員在當(dāng)前和未來設(shè)計(jì)中可以重復(fù)使用的硬件和代碼數(shù)量將很有限，并且計(jì)算、集成模擬和封裝選項(xiàng)也很有限。這種有限的靈活性通常意味著設(shè)計(jì)人員必須向多家制造商采購 MCU，并需要花費(fèi)額外的時(shí)間進(jìn)行重新編程才能滿足每個(gè)設(shè)計(jì)的獨(dú)特需求，因此會(huì)增加開發(fā)成本以及整體系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

MSPM0 Arm? Cortex?-M0+ MCU 為設(shè)計(jì)人員提供更多的選擇、更大的設(shè)計(jì)靈活性以及更直觀的軟件和工具，可幫助解決這些難題。本文將探討所謂的“更”在這里的真正含義，以及這些 MCU 憑借更多的集成模擬選項(xiàng)和處理能力可能適用的潛在應(yīng)用。

更多的計(jì)算選項(xiàng)

雖然 Arm Cortex-M0+ 為 8 位和 16 位應(yīng)用帶來了 32 位計(jì)算能力，但設(shè)計(jì)人員仍在尋求盡可能強(qiáng)大的計(jì)算性能，包括增加軟件抽象層以實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用和延長(zhǎng)壽命，在具有超低時(shí)延要求的算法中加強(qiáng)分析能力，以及提高安全性。

執(zhí)行計(jì)算工作的 MSPM0 MCU 選項(xiàng)有很多，從適用于簡(jiǎn)單應(yīng)用的 32 MHz Arm Cortex-M0+ 中央處理器 (CPU)，一直到具有硬件加速數(shù)學(xué)函數(shù)（包括加速除法、求平方根、乘法累加和三角函數(shù) [正弦、余弦、x 的反正切、y/x 的反正切]）的 80 MHz CPU。

MSPM0 G 系列（包括 MSPM0G3507）MCU 在兩種閃存等待狀態(tài)下具有 80 MHz 的計(jì)算能力，因此可以在如下應(yīng)用中采用此類低成本 MCU：

運(yùn)行頻率大于 30 kHz 的無傳感器磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，由于數(shù)學(xué)加速，控制環(huán)路時(shí)延更低（應(yīng)用示例如圖 1 所示）。

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中的多相電能計(jì)量計(jì)算。

圖 1：FOC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用示例（工業(yè)電機(jī)、無繩電鉆和家用電器）

更多的集成模擬選項(xiàng)

借助于 MSPM0 MCU 的集成構(gòu)建塊以及靈活的可編程片上連接，包括逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、比較器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以幫助提高傳感電路的精度。這些構(gòu)建塊還包括具有零交叉失真的零漂移、斬波穩(wěn)定型、可編程增益運(yùn)算放大器。集成的跨阻放大器具有用于實(shí)現(xiàn)光電二極管電路的超低輸入偏置電流 (150pA)。

在低成本傳感應(yīng)用中，通過降低作為誤差源的輸入失調(diào)電壓，可以實(shí)現(xiàn)更高的傳感器信號(hào)增益，同時(shí)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持較低的殘余輸入失調(diào)電壓誤差（如圖 2 所示），從而提高以下應(yīng)用中的精度：

電力輸送應(yīng)用，如電池充電和電量監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制應(yīng)用，例如電器、電動(dòng)和園藝工具中的有刷直流和無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

醫(yī)療監(jiān)護(hù)信號(hào)鏈，包括血壓監(jiān)測(cè)儀、脈搏血氧儀和溫度計(jì)。

樓宇自動(dòng)化應(yīng)用，包括煙霧探測(cè)器和被動(dòng)紅外傳感器。

圖 2：在最大值 ±2 mV 和 ±300 μV 下的輸入失調(diào)電壓誤差比較

集成的 SAR ADC 支持高達(dá) 4MSPS 的單調(diào) 12 位運(yùn)算和高達(dá) 250kSPS 的 14 位運(yùn)算，并支持同步采樣以同步測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)。此功能可在住宅和企業(yè)應(yīng)用中進(jìn)行能源監(jiān)測(cè)，對(duì)電源電壓和電流進(jìn)行 14 位同步采樣，以及在壓縮機(jī)、泵和風(fēng)扇等電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中進(jìn)行高速低時(shí)延采樣 (250ns)。

結(jié)語

在成本敏感的嵌入式系統(tǒng)中添加和改進(jìn)功能取決于符合設(shè)計(jì)人員預(yù)算的 MCU 的傳感精度和計(jì)算能力。隨著越來越多的設(shè)計(jì)人員采用平臺(tái)軟件開發(fā)方法、對(duì)多個(gè)應(yīng)用使用同一個(gè)軟件框架，基于具有可擴(kuò)展功能的 MCU 產(chǎn)品系列進(jìn)行開發(fā)比以往任何時(shí)候都更加重要，這樣能確保每個(gè)產(chǎn)品都使用具有必要檢測(cè)和處理功能并經(jīng)過成本優(yōu)化的 MCU。采用現(xiàn)代 MCU 產(chǎn)品系列，設(shè)計(jì)人員可以在不增加成本的情況下添加新功能，或者在保留現(xiàn)有功能集的情況下降低成本，同時(shí)還可以開發(fā)在未來設(shè)計(jì)中可重復(fù)使用的可擴(kuò)展軟件。

關(guān)于德州儀器（TI）

德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場(chǎng)。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。