如何使用STM32微控制器進(jìn)行高性能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜，物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)邊緣處理的復(fù)雜度亦水漲船高。因而可能需要使用新系統(tǒng)來升級(jí)現(xiàn)有的端點(diǎn)，這個(gè)系統(tǒng)的微控制器需要更快的時(shí)鐘速度、更大的存儲(chǔ)器，處理器內(nèi)核要更強(qiáng)大。

此外，也許還需要高精度的傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，并且這些器件可能還需要定期校準(zhǔn)。對(duì)于線性誤差，使用公式即可輕松補(bǔ)償。然而，非線性誤差與傳感器讀數(shù)之間不存在任何固定偏差模式，因此不能簡(jiǎn)單地用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行補(bǔ)償。通常，補(bǔ)償固件非線性誤差的最簡(jiǎn)單方法就是，使用數(shù)據(jù)查找表將所需的校正數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。

本文將簡(jiǎn)要介紹傳感器誤差和 ADC 誤差，并討論使用數(shù)據(jù)查找表來校正此類誤差的優(yōu)勢(shì)。此外，本文還將闡釋在基于 STMicroelectronics 的 STM32L496VG 微控制器的系統(tǒng)中，如何使用 ON Semiconductor 的外部 LE25S161PCTXG 串行外設(shè)接口 (SPI) 閃存芯片，來實(shí)現(xiàn)實(shí)用的、高性價(jià)比數(shù)據(jù)閃存查找表。

傳感器誤差

對(duì)于能檢測(cè)溫度、壓力和電壓等模擬量的傳感器，都可能存在非線性誤差。在項(xiàng)目開發(fā)階段，對(duì)照精確基準(zhǔn)來測(cè)試傳感器，并將傳感器數(shù)字輸出與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，這一點(diǎn)尤為重要。由此開發(fā)人員可以盡早確定是否存在任何傳感器基準(zhǔn)值偏離，以及就應(yīng)用要求而言這些偏差可否接受。然后開發(fā)人員就能決定是否有必要補(bǔ)償任何偏差，如有必要，則是否應(yīng)該在硬件或固件中補(bǔ)償偏差。

某些傳感器誤差或許是可預(yù)測(cè)的線性誤差。這類誤差補(bǔ)償很簡(jiǎn)單，只需對(duì)傳感器輸出加上或減去某個(gè)常數(shù)即可。有時(shí)這類誤差可能會(huì)隨傳感器量程而變化。例如，從零到三分之一量程，可能需要加上某個(gè)常數(shù)；從三分之一到二分之一量程，可能就需要不同的常數(shù)。

這些誤差均可進(jìn)行預(yù)測(cè)，顯然也很容易校正，但是，精確讀數(shù)的偏差可能會(huì)隨時(shí)間推移而發(fā)生變化。此外，由于傳感器暴露于極端溫度、環(huán)境濕度大或傳感器老化等原因，日后可能還會(huì)出現(xiàn)新的誤差。是否需要校正這些誤差則始終取決于應(yīng)用?；蛟S有必要在極端溫度、壓力和濕度條件下測(cè)試系統(tǒng)，以確定傳感器性能。汽車、軍事和某些工業(yè)系統(tǒng)等應(yīng)用需要對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。然而，如今許多新的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)已然延伸至傳感器應(yīng)用范圍之外，因此傳感器測(cè)試可能成為一項(xiàng)新要求。

與模擬傳感器一樣，諸如 ADC 之類常用微控制器模擬外設(shè)可能也需要定期進(jìn)行在系統(tǒng)校準(zhǔn)。ADC 誤差并不總是可預(yù)測(cè)，即便可以使用算法校正初始誤差，誤差也可能隨著時(shí)間推移而發(fā)生變化，并可能變得無法通過算法來輕松校正。這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法再以所需精度繼續(xù)運(yùn)行，從而導(dǎo)致高昂的更換成本。

使用數(shù)據(jù)查找表進(jìn)行模擬傳感器誤差校正的優(yōu)勢(shì)

數(shù)據(jù)查找表是一種實(shí)用、有效的方法，可以快速執(zhí)行一些常見計(jì)算，諸如三角函數(shù)等復(fù)雜計(jì)算，或者字節(jié)的位反轉(zhuǎn)或格雷碼轉(zhuǎn)換等簡(jiǎn)單計(jì)算。與在固件中執(zhí)行位反轉(zhuǎn)相比，使用 256 字節(jié)的查找表進(jìn)行字節(jié)位反轉(zhuǎn)速度明顯更快。將此查找表存儲(chǔ)在程序或數(shù)據(jù)閃存中很安全，因?yàn)樗加每臻g很小而且永遠(yuǎn)不需要更改。

此外，將數(shù)據(jù)查找表用于存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，也是一種行之有效的方法。像內(nèi)置 ADC 這樣的微控制器模擬外設(shè)可能需要定期校準(zhǔn)，方法與模擬傳感器校準(zhǔn)完全相同。大多數(shù)微控制器中的 ADC 精度均可達(dá)到 ±2 或 ±3 個(gè)最低有效位 (LSB)。盡管對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言這已足夠，但是對(duì)于要求高精度的系統(tǒng)，定期校準(zhǔn) ADC 意義重大。

用于校正 24 位數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)查找表片段可能如表 1 所示。

此例中，原始輸入值是需要進(jìn)行誤差校正的源讀數(shù)。然后，原始值將作為 24 位地址用于查找相應(yīng)的 32 位校正值，其中最高有效字節(jié)始終為 00h。如果查找表不是從地址零開始的，則可以為原始輸入值添加偏移。

在決定查找表的存儲(chǔ)位置之前，務(wù)必確定查找表的大小及是否需要重寫。這兩點(diǎn)都重要。若永遠(yuǎn)不需要重寫，則可以將查找表存儲(chǔ)于微控制器的可用片上閃存中。但是如果傳感器需要定期重新校準(zhǔn)，那么就要重寫內(nèi)部閃存，即要求擦除數(shù)據(jù)表所在的整個(gè)閃存扇區(qū)并重新編程。

如果該閃存扇區(qū)與程序存儲(chǔ)器共用空間，則可能需要重新編譯代碼。即使查找表位于獨(dú)立專用扇區(qū)，日后存儲(chǔ)器要求可能會(huì)更改或需要擴(kuò)展，從而導(dǎo)致部分查找表扇區(qū)空間重新調(diào)整用于其他代碼。這使現(xiàn)場(chǎng)傳感器校準(zhǔn)變得復(fù)雜，而且要求通過網(wǎng)絡(luò)下載重新編譯的代碼，也會(huì)使物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)無法獨(dú)立進(jìn)行自校準(zhǔn)。如果涉及多個(gè)傳感器，那么問題將進(jìn)一步復(fù)雜化。

對(duì)于片上閃存程序存儲(chǔ)器而言，使用大型查找表（如含 16,777,216 個(gè)條目）進(jìn)行 24 位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)校準(zhǔn)是不現(xiàn)實(shí)的，甚至無法實(shí)現(xiàn)。如果隔一個(gè)條目存儲(chǔ)一次，并將缺失條目插入現(xiàn)有的表數(shù)據(jù)，則可將查找表大小減半。這種方法帶來的性能損失較小，精度損失可能為 ±1 LSB。但是，即便是含 8,388,608 個(gè)條目的查找表也不可能存儲(chǔ)在內(nèi)部閃存中。

在基于微控制器的系統(tǒng)中，使用這種大型數(shù)據(jù)查找表的最佳解決方案是使用外部閃存。這為添加數(shù)兆字節(jié)的查找表提供了簡(jiǎn)便方法，而不會(huì)犧牲內(nèi)部閃存程序存儲(chǔ)器。同時(shí)，系統(tǒng)也能輕松重寫查找表，而不會(huì)影響微控制器的內(nèi)部閃存。

對(duì)于高性能系統(tǒng)，添加外部并行閃存來擴(kuò)展程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是常用方法。但是，這要求微控制器具有外部數(shù)據(jù)總線。額外的地址和數(shù)據(jù)總線以及所需的控制信號(hào)需要占用微控制器 36 個(gè)或更多引腳。這項(xiàng)要求限制了應(yīng)用可用的微控制器。此外，外部總線會(huì)占用更多印刷電路板空間，可能還會(huì)增加系統(tǒng)的電磁干擾 (EMI)。

對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，最佳解決方案是使用外部串行數(shù)據(jù)閃存。這類閃存使用串行外設(shè)接口 (SPI) 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，只需占用四個(gè)微控制器引腳。

ON Semiconductor 的 LE25S161PCTXG 就是這種閃存器件的典型實(shí)例。這款 16 Mbit 串行閃存器件支持 70 MHz 的 SPI 時(shí)鐘。同時(shí)，還支持雙通道 SPI 模式，數(shù)據(jù)傳輸速度最快可達(dá) 140 Mb/s。內(nèi)部狀態(tài)寄存器可用于配置器件的讀、寫和低功耗模式。

LE25S161PCTXG 的 SPI 信號(hào)通常用于時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和片選（圖1）。它還具有兩個(gè)額外引腳。WP\ 是低電平有效寫保護(hù)信號(hào)，用于防止寫入器件的狀態(tài)寄存器。這可用于防止低優(yōu)先級(jí)固件任務(wù)未經(jīng)授權(quán)重寫設(shè)備。HOLD\ 可暫停正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。如果微控制器在數(shù)據(jù)傳輸過程中必須執(zhí)行中斷，這一功能將十分有用。數(shù)據(jù)傳輸將暫停直至中斷處理完畢，然后從中斷處繼續(xù)傳輸。

若要讀取存儲(chǔ)于此器件中的簡(jiǎn)單兩列查找表，最簡(jiǎn)單的方法是獲取傳感器讀數(shù)，添加存儲(chǔ)器偏移，然后讀取該地址位置對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器內(nèi)容。該地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器內(nèi)容表示傳感器校正讀數(shù)。