一文認識ARM微控制器及瑞薩RA系列MCU

第2章初識瑞薩RA系列芯片

2.1什么是ARM微控制器

微控制器

MCU

俗稱單片機，如果有學過微機原理就會很熟悉這個概念了。而ARM微控制器，顧名思義，就是基于ARM的微控制器，或者說搭載了ARM處理器內(nèi)核的微控制器。

ARM處理器是英國ARM公司設(shè)計的一種低功耗RISC微處理器。ARM全稱為AdvancedRISC Machine，而RISC的全稱是“精簡指令集計算機”（reducedinstruction set computer）。

由于RISC處理器支持的指令比較簡單，所以功耗小、價格便宜。同時，ARM處理器經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，也已具備了很高的性能。實際上，ARM公司并不生產(chǎn)其ARM處理器或者ARM微控制器，而是以一種技術(shù)IP授權(quán)的方式，將其設(shè)計的ARM處理器內(nèi)核授權(quán)給芯片生產(chǎn)廠家（比如瑞薩、NXP、ST等半導體公司），讓它們生產(chǎn)實際的ARM芯片。

瑞薩RA系列的微控制器，其處理器內(nèi)核是基于ARMCortex-M，因此也屬于ARM微控制器的范疇。

2.2瑞薩RA系列MCU概覽

發(fā)展狀況

瑞薩的RA產(chǎn)品家族單片機（MCU）于2019年10月推出，豐富了瑞薩的32位MCU系列產(chǎn)品。瑞薩除了RA系列之外的32位MCU產(chǎn)品還有RX系列（CPU使用瑞薩自家RX內(nèi)核）和Renesas Synergy平臺MCU。Renesas Advanced（RA）32位MCU是采用ArmCortex-M33、-M23和-M4處理器內(nèi)核，并經(jīng)過PSACertified1級認證的、行業(yè)領(lǐng)先的32位MCU。

注解:

PSA認證，即面向物聯(lián)網(wǎng)安全的“平臺安全架構(gòu)（PSA）”認證。平臺安全架構(gòu)（PSA）是Arm公司于2017年推出的行業(yè)通用框架，旨在打造各種安全的互聯(lián)設(shè)備。許多業(yè)界領(lǐng)先企業(yè)已宣布支持該架構(gòu)的基礎(chǔ)原則，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和解決方案加入令人信任的安全級別。

RA系列的所有MCU在功能上和大部分引腳上都是兼容的。小型器件上的外設(shè)大體上是大型器件上外設(shè)的子集。這便于實現(xiàn)可擴展性和不同器件之間的代碼重用。對于不同系列的類似封裝，其引腳排列幾乎相同。這樣一來，開發(fā)人員便不必在一開始就選好最終使用的器件，因為后面可以改用其他器件。此外，在PCB布線時在器件封裝內(nèi)創(chuàng)建多種尺寸的封裝，可為最終產(chǎn)品的制造提供靈活的選項。

瑞薩RA系列產(chǎn)品家族包括：

?RA0系列，入門級產(chǎn)品；

?RA2系列，適用于低功耗應(yīng)用；

?RA4系列，適用于需要低功耗、高性能和高安全性的設(shè)備；

?RA6系列，具有卓越的連接性能和安全性能；

?RA8系列，可以為采用人機界面、連接、安全和模擬功能的應(yīng)用提供出色性能。

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具體特性如下：

RA0系列–入門級：

基于Arm Cortex-M23內(nèi)核，1.6V-5.5V的寬電源電壓范圍，超低功耗及超低BOM成本。

RA2系列–低功耗：

基于Arm Cortex-M23內(nèi)核，最高頻率48MHz，擁有高達512KB的閃存和64KB的SRAM。電源電壓范圍為1.6V到5.5V。外設(shè)包括全速USB、CAN、24位∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、電容式觸摸感應(yīng)以及安全功能。

RA4系列–高性能和出色的功耗：

基于支持TrustZone的Arm Cortex-M33F內(nèi)核或Arm Cortex-M4F內(nèi)核構(gòu)建，最高頻率100MHz。高達1MB的閃存和128KB的SRAM。電壓范圍為1.6V到5.5V。外設(shè)包括電容式觸摸感應(yīng)、段碼式LCD控制器、全速USB、CAN、安全功能以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和定時器。RA4W1系列器件還額外配備了Bluetooth低功耗（BLE）5.0。

RA6系列-高性能：

基于支持TrustZone的Arm Cortex-M33F內(nèi)核或ArmCortex-M4F內(nèi)核。最高頻率200MHz。高達2MB的閃存和640KB的SRAM。電壓范圍為2.7V到3.6V。外設(shè)包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、定時器、外部存儲總線、以太網(wǎng)、全速和高速USB、CAN、安全功能、電容式觸摸感應(yīng)和用于TFT顯示的圖形LCD控制器，以及一個2D圖形引擎。RA6T1系列器件帶有用于電機控制的增強型外設(shè)，如高分辨率PWM定時器或高級模擬模塊。

RA8系列-更高性能、人機界面、物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算

2.2.1 瑞薩RA系列MCU能做什么

瑞薩RA系列通用MCU包含豐富的功能以滿足各個領(lǐng)域的不同應(yīng)用需求。最常見的應(yīng)用場景包括：低功耗應(yīng)用場景、電機控制應(yīng)用、無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等等。我們在瑞薩官網(wǎng)中挑了兩個產(chǎn)品應(yīng)用的成功案例，通過簡單講解這些應(yīng)用實例，來舉例說明瑞薩RA系列MCU的具體應(yīng)用。

示例1：電機控制和機器人——高功率BLDC電機驅(qū)動

應(yīng)用項目簡介：

該項目屬于電機控制和機器人領(lǐng)域，用于倉庫機器人的BLDC電機驅(qū)動。

RA6T2 MCU和RAA227063三相智能柵極驅(qū)動器為處理速度和功率效率提供了完美組合，有助于解決受到極小外形尺寸限制并具有高功率需求的牽引電機的相關(guān)問題。該解決方案使用兩個感應(yīng)式位置傳感器，因此客戶可以更換大型且昂貴的光學編碼器。

如下圖所示為“高功率BLDC電機驅(qū)動”應(yīng)用項目的系統(tǒng)框圖。

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圖中的系統(tǒng)由以下幾個部分組成：

1主控芯片選用的是RA系列的RA6T2MCU?！癛A6T2”中的字母“T”代表了該型號為電機控制增強型，具有豐富的電機控制功能。

2MOS橋驅(qū)動器芯片采用的是瑞薩RAA227063三相智能柵極驅(qū)動器。RAA227063具備電源管理功能，可直接使用電池為驅(qū)動器和MCU供電，從而減少整體電路。其可編程性讓客戶能夠優(yōu)化逆變器的功率級，并通過簡單地更改MOSFET和使用軟件調(diào)整轉(zhuǎn)換速率、死區(qū)時間和柵極驅(qū)動來處理不同的功率水平。

3三相MOS橋可提供換相的電路機制，以實現(xiàn)驅(qū)動三相無刷電機。

4傳感器采用的是IPS2200感應(yīng)式位置傳感器。它可以提供絕對位置信息，并利用RA6T2 MCU12位ADC中的四位來提供分辨率高達17位的增量位置感測。

5電源調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路，為圖中的各個芯片進行供電。

6工業(yè)用途的CAN總線接口連接著CAN收發(fā)器，可實現(xiàn)較遠距離的可靠通信。

該系統(tǒng)優(yōu)勢在于：

? 小型：RA6T2MCU和RAA227063三相驅(qū)動器均采用7mmx7mm的48引腳QFN封裝；

? 模擬集成：包括電源管理和電源驅(qū)動器，并使用電池直接為MCU提供支持；

? 可編程性允許為逆變器進行最佳調(diào)諧：電機感應(yīng)模式、死區(qū)時間、轉(zhuǎn)換速率和柵極驅(qū)動電壓；

? 加速器：提供優(yōu)化后的電流矢量控制、濾波操作和減少主CPU內(nèi)核（Cortex-M33）負載，以支持附加功能；

? 兩個IPS2200感應(yīng)式位置傳感器可以提供絕對和增量轉(zhuǎn)子位置；

? 該系統(tǒng)旨在最大限度地降低整體BOM成本、縮減尺寸并替換在電機中占用大量空間且價格高昂的光學編碼器。

示例2：智能家居——語音識別和智能控制

應(yīng)用項目簡介：

語音識別正成為當今新型數(shù)字生活方式的一個重要功能。我們可以利用語音控制房間的照明、空調(diào)、窗簾和其他電器。出于衛(wèi)生原因，只需與語音識別控制器通話，即可避免接觸酒店或辦公場所的表面，從而實現(xiàn)非接觸控制。瑞薩電子通過執(zhí)行實時控制（第三方語音識別引擎）的離線語音識別算法，成功構(gòu)建成功組合。高級語音命令識別引擎同時支持兩種語言和語音響應(yīng)。有34種全球語言可供選擇，可輕松集成到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中。

如下圖所示為“語音識別和智能控制”應(yīng)用項目的系統(tǒng)框圖。

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圖中最主要的兩大部分如下：

1主控部分。芯片選用的是RA系列的RA6M5MCU。它的主要功能為接受并處理用戶語音數(shù)據(jù)，再根據(jù)語音識別結(jié)果做出相應(yīng)的用戶操作和語音反饋。

2執(zhí)行器部分。主控芯片通過RS485將指令發(fā)送到執(zhí)行器，由執(zhí)行器做出實際的控制，比如通過繼電器控制照明燈的開關(guān)、通過WiFi控制家電等。

該系統(tǒng)優(yōu)勢在于：

? 瑞薩電子的語音識別解決方案可以實現(xiàn)與現(xiàn)有酒店空調(diào)、照明控制系統(tǒng)、家用電器的輕松集成。

? 語音命令可通過高級語音命令識別引擎和算法進行自定義。

? 支持雙語言和觸發(fā)器命令。

? 低成本。