采用MCU拯救嵌入式系統(tǒng)設(shè)計新集成度

嵌入式系統(tǒng)已成為生活中不可或缺的一部分。嵌入式系統(tǒng)的各種創(chuàng)新開辟了幾個新的商機(jī)，吸引了行業(yè)巨頭和創(chuàng)業(yè)公司的關(guān)注。不斷增長的業(yè)務(wù)潛力促使公司投資于未來的產(chǎn)品創(chuàng)新。嵌入式設(shè)計師一直面臨著創(chuàng)新的壓力，以滿足這些市場需求。

隨著商業(yè)潛力的增加，許多公司已經(jīng)進(jìn)入這個領(lǐng)域，創(chuàng)造了激烈的競爭。為了實(shí)現(xiàn)差異化，公司正專注于增強(qiáng)產(chǎn)品供應(yīng)和優(yōu)化成本競爭力。

微控制器是嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，必須跟上不斷變化的系統(tǒng)需求的挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致PIC?微控制器的推出與Microchip Technology的集成度達(dá)到了新的水平。

具有內(nèi)核獨(dú)立外設(shè)的PIC單片機(jī)

這些新型PIC單片機(jī)引入了 - 芯片獨(dú)立核心外設(shè)（CIP）提供靈活性，可擴(kuò)展性和增強(qiáng)性能，以滿足不斷變化的創(chuàng)新需求，同時仍保持低功耗和成本競爭力。

CIP提供增強(qiáng)的性能，靈活性和可擴(kuò)展性具有以下功能：

獨(dú)立模塊，無需中央處理單元（CPU）的持續(xù)監(jiān)控即可運(yùn)行

高吞吐量和接近零延遲的專用硬件

與其他片上外設(shè)直接交互以實(shí)現(xiàn)自持式閉環(huán)系統(tǒng)，提供更高的集成度

智能模塊幾乎不需要處理器資源即可運(yùn)行

低功耗消費(fèi)與capabi在節(jié)能模式下運(yùn)行，使其成為低功耗設(shè)計的理想選擇

圖1：Microchip的帶有CIP的PIC單片機(jī)提供多種功能優(yōu)勢

CIP采用硬件設(shè)計，以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。與需要閃存，RAM，必要處理器帶寬和外部組件的用戶固件類似的實(shí)現(xiàn)相比，使用CIP設(shè)計系統(tǒng)功能的增量成本要低得多。 CIP允許PIC MCU執(zhí)行極其復(fù)雜和專用的任務(wù)，幾乎不與CPU交互。這樣可以降低整體功耗，同時還可以釋放CPU來執(zhí)行其他任務(wù)。此外，通過使用集成外設(shè)替換片外分立元件，CIP可顯著節(jié)省BOM成本。此外，CIP使并行處理能夠與CPU一起實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，而無需具有更高處理能力的更昂貴的MCU。

PIC微控制器中的外設(shè)集成

CIP存在于許多PIC MCU上，包括PIC16，PIC18，PIC24，dsPIC33和PIC32MM系列。 16位PIC24和dsPIC33器件中包含的一些CIP包括外設(shè)觸發(fā)發(fā)生器（PTG），可配置邏輯單元（CLC），帶隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（RNG）的加密引擎，帶有消隱和數(shù)字濾波器功能的高速比較器，和多個捕捉/比較/PWM（MCCP）。

圖2：新PIC MCU中的外設(shè)集成

使用CIP提高性能

核心獨(dú)立外設(shè)降低了處理器資源需求并允許并行處理的實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致增強(qiáng)性能。例如，加密引擎能夠支持AES，DES和3DES對稱加密和解密。為了在軟件中實(shí)現(xiàn)這些例程，它需要大約1-6 KB的Flash和100-400字節(jié)的RAM。通過使用加密引擎CIP，幾乎沒有Flash或RAM要求，這些資源可用于執(zhí)行最終應(yīng)用程序的其他功能。

圖3：加密/解密的閃存和RAM要求

作為硬件模塊的加密引擎與軟件中的類似實(shí)現(xiàn)相比具有非常高的吞吐量。加密引擎CIP執(zhí)行加密和解密的速度大約是軟件加密實(shí)現(xiàn)的十倍，同時消耗的功率幾乎相同。這些是需要高度安全數(shù)據(jù)吞吐量的功耗敏感應(yīng)用的重要因素。幾乎相同功耗下的高吞吐量將應(yīng)用的整體能效提高了大約十倍。由于此CPU在CPU處于待機(jī)狀態(tài)時也能夠在低功耗模式下運(yùn)行，因此可以在需要安全性的電池供電應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)整體較低的系統(tǒng)功耗，例如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用。

用于系統(tǒng)功能擴(kuò)展和成本節(jié)約的CIP

隨著需求的發(fā)展和促進(jìn)創(chuàng)新，CIP有助于擴(kuò)展系統(tǒng)功能。外設(shè)觸發(fā)發(fā)生器（PTG）是一個用戶可編程的序列發(fā)生器，可以生成具有復(fù)雜輸入的觸發(fā)器，以協(xié)調(diào)其他外設(shè)的操作。作為“核心獨(dú)立”，PTG在一個外圍設(shè)備中滿足多個系統(tǒng)需求。 PTG減少了對CPU干預(yù)的需求，并帶來了將多個外設(shè)連接到閉環(huán)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，從而擴(kuò)展了整個系統(tǒng)的功能。

PTG可以有效地用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制中的集成功率因數(shù)校正等應(yīng)用。該應(yīng)用需要三個PWM通道來控制電機(jī)功能，另外還需要一個PWM來控制功率因數(shù)校正（PFC）操作?？梢允褂煤唵蔚妮敵霰容^（OC）外設(shè)來增加器件上可用的PWM通道數(shù)量，超出高速PWM通道。但是，在PFC等應(yīng)用中，最佳執(zhí)行時間對于在給定的時間窗口內(nèi)完成以下任務(wù)非常重要：

同步電機(jī)控制PWM和PFC PWM

觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）動作和切換用于電機(jī)控制和PFC信號的ADC通道

這些要求，同步以及ADC觸發(fā)生成都得到有效解決通過單個PTG模塊。通過PTG實(shí)現(xiàn)PFC與電機(jī)控制的集成，它還消除了對雙芯片設(shè)計的需求，從而顯著降低了系統(tǒng)級成本。

能效

便攜式設(shè)備，手持設(shè)備，可穿戴設(shè)備和家庭安全是一些最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。這些應(yīng)用由電池供電，必須在充電或更換之間延長使用壽命。在這些應(yīng)用中使用的微控制器必須經(jīng)過功率優(yōu)化和靈活，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計。采用CIP的新一代極低功耗（XLP）PIC MCU提供業(yè)界最佳的低功耗規(guī)范，以滿足低功耗設(shè)計要求。

圖4：XLP PIC MCU提供同類最佳的電源規(guī)格

XLP MCU提供一系列低功耗模式，以滿足各種設(shè)計要求。 XLP模式根據(jù)用戶配置保持MCU的不同資源處于活動狀態(tài)，而其余模塊則關(guān)閉。

圖5：省電模式XLP PIC MCU的實(shí)現(xiàn)

為了增強(qiáng)功耗，XLP PIC MCU中的CIP也消耗最少的功率，以幫助實(shí)現(xiàn)低功耗實(shí)現(xiàn)。

使用CIP提升產(chǎn)品

由于激烈的競爭，許多嵌入式公司都在尋求差異化產(chǎn)品和增強(qiáng)產(chǎn)品，同時最大限度地降低成本。多功能CIP可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品增強(qiáng)，無需額外開銷。例如，在提高無人機(jī)的承載能力的情況下，需要更高的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）馬達(dá)。較高轉(zhuǎn)速的電機(jī)控制通常要求MCU具有更高的處理能力和先進(jìn)的模擬功能，如高采樣率和多通道ADC。然而，具有消隱和數(shù)字濾波器功能的高速比較器（HS比較器）等CIP的存在以及MCU中的精密電壓參考模塊消除了遷移到先進(jìn)，成本更高的MCU的需要。外圍組合用作閾值信號監(jiān)視器并有效地監(jiān)視電動機(jī)參數(shù)。由于HS比較器沒有正常ADC的低采樣率限制，因此無需在MCU中使用高速ADC。如前所述，CIP的所有這些優(yōu)勢減少了對額外處理器資源的需求，并且無需遷移到更昂貴的MCU。

產(chǎn)品增強(qiáng)的另一個方案是提高公用事業(yè)電表的準(zhǔn)確性。公用事業(yè)儀表中的能量測量精度取決于監(jiān)測電壓和電流信號之間的相位差的精度，以計算負(fù)載功率因數(shù)。測量兩個信號之間相位差的最常用方法是比較兩個信號的零交叉和外推相位角之間的時間間隔。為了準(zhǔn)確估計相位差，采樣率應(yīng)足夠高，以最大限度地減少外插誤差，如高速ADC。當(dāng)單個ADC需要采用時分復(fù)用方法對所有三個信號（電壓，電流和中性信號）進(jìn)行采樣時，情況會變得更加復(fù)雜。在這種情況下，有效采樣率要求增加了三倍。

圖6：在公用事業(yè)儀表中測量相移以確定功率因數(shù)

可配置邏輯單元（CLC）等CIP通過擴(kuò)展其實(shí)現(xiàn)硬件相位檢測器的能力，有助于提高相位差測量的精度。具有輸入捕捉（IC）外設(shè)的CLC可以測量相同頻率的兩個信號之間的相位差。 CIP的組合提供更好的分辨率并提供超前/滯后信息。這擴(kuò)展了CLC使能增強(qiáng)功能，無需遷移到更昂貴，更高性能的MCU。

圖7：相位檢測器CIP有助于提高相位差測量的準(zhǔn)確度

設(shè)計優(yōu)化

嵌入式公司的差異化，系統(tǒng)級成本優(yōu)化的目標(biāo)不能受到影響。 PIC MCU通過各種功能實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

Microchip的PIC MCU與CIP一起，還包括集成模擬外設(shè)，如片內(nèi)sigma-delta ADC，高速SAR ADC和集成運(yùn)算放大器具有內(nèi)置控制功能的芯片可在不需要CPU干預(yù)的情況下做出明智的決策。這些集成的模擬模塊無需創(chuàng)建多芯片外部組件設(shè)計。集成的單芯片解決方案顯著降低了系統(tǒng)級成本，節(jié)省了PCB空間，提供了更好的優(yōu)化。該解決方案占地面積小，甚至可以滿足空間受限應(yīng)用（如可穿戴設(shè)備和傳感器應(yīng)用）的要求。

此外，片上CIP有助于實(shí)現(xiàn)多個擴(kuò)展應(yīng)用并卸載許多應(yīng)用。來自CPU的確定性例程。因此，使用CIP的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)需要較少的處理器資源，如帶寬，閃存和RAM。通過從CPU中移除負(fù)載，CIP可以在沒有昂貴的多核MCU的情況下實(shí)現(xiàn)多個并行進(jìn)程。作為硬件模塊的CIP對刺激響應(yīng)更快，并以更高的吞吐量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。 CIP的所有這些屬性減少了遷移到更高內(nèi)存，更高處理能力的MCU的需求，并優(yōu)化了設(shè)計成本。

結(jié)論

隨著Microchip專注于創(chuàng)新，PIC MCU不斷發(fā)展更好地滿足客戶現(xiàn)在和未來的需求。目標(biāo)不僅是解決未來嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)要求，還要解決整體業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)。 PIC單片機(jī)中的核心獨(dú)立外設(shè)解決了嵌入式系統(tǒng)中的新興需求和挑戰(zhàn)，并為開發(fā)人員提供了創(chuàng)建突破性應(yīng)用的靈活性。