【導讀】基于標準內核的32位MCU為工程師提供了較以往更多的選擇，而針對于特定應用選擇合適的MCU，就需要考慮多種因素，困難大大增加。今天為大家介紹選擇集成通用器件的32位MCU的好處，它能夠幫助開發人員減少整體系統成本、降低設計復雜度并縮短開發時間，設計更加靈活。
傳統上，選擇32位單片機(MCU)的關鍵因素在于中央處理單元(即內核CPU)的選擇。直到最近，32位MCU已有基于多種內核(包括某些情況下的專有架構)的產品。因此，嵌入式設計人員要么繼續使用一種內核，要么需要花費更多時間學習新的硬件知識和移植現有軟件代碼。過去幾年里，MCU產品中ARM Cortex內核的出現改變了嵌入式的原有狀態。開發人員把注意力從專用32位內核向基于ARM Cortex處理器的MCU轉移，這樣可以改變向單一供應商訂購MCU的局面。基于ARM處理器的MCU的生態系統已經日益壯大，這包括第三方編譯器、實時操作系統、軟件協議棧、LCD圖形顯示等。目前，大多數主流MCU供應商都生產基于ARM處理器的產品，這使得ARM Cortex內核成為了32位MCU事實上的標準。
選擇基于標準內核的32位MCU提供了較以往更多的選擇，因此，為特定應用選擇合適的MCU需要考慮多種因素，困難大大增加。首先，開發人員需要基于多個關鍵參數減少備選MCU的數量，例如存儲大小、輸入輸出引腳數量和通信接口等。可能有多個供應商的基于ARM處理器的MCU產品能夠滿足基本需求清單，因此，開發人員需要通過其他重要因素進一步縮小選擇范圍，例如：混合信號集成度、可配置性、功耗和開發難度等。
選擇集成通用器件的32位MCU能夠幫助開發人員減少整體系統成本、降低設計復雜度并縮短開發時間。例如，Silicon Labs Precision32混合信號MCU具有多種其他MCU通常不具備的集成特性，例如USB振蕩器、5V穩壓器、6個可編程高驅動能力引腳(可提供高達300mA電流)，以及16個電容感應輸入通道(用于觸摸按鍵或滑動條)。高集成度可以減少多個分立元器件，提供更加靈活的供電選擇，從而節省BOM成本，簡化開發流程。
為了解使用高集成度混合信號MCU所帶來的好處，我們來研究一下典型的條形碼掃描儀。為了讀取條形碼，掃描儀向由電機提供動力的振動反射鏡發射激光(見圖1)。激光照射到條形碼，然后條形碼圖像被電荷耦合器件(CCD)傳感器捕獲。CCD傳感器類似照相機，一次能夠捕獲一行像素，比如1×1024像素。模擬光強度信號最后傳輸到模數轉換器(ADC)。具有大電流驅動能力的MCU消除了過去用于驅動激光和電機的功率晶體管。選擇可為CCD傳感器提供時鐘同步接口的MCU也可以簡化設計人員的工作。
圖1：典型的條形碼掃描儀原理圖
最好的情況是，MCU的ADC能夠與快速的CCD攝像頭保持同步(通常大于1MSPS)。對于5V的CCD傳感器，電源管理IC在大多數設計中也必不可少，它為傳感器提供輸入電壓，MCU和其他器件則需要3.3V輸入電源。
在這個條形碼范例中，Precision32 SiM3U1xx USB MCU可以驅動同步時鐘到傳感器，輕松做到與快速CCD采樣速率同步，同時能夠通過3.3-5V DC-DC升壓控制器為傳感器提供電源，從而進一步降低系統元器件數量。此外，在USB供電的掃描儀中，Precision32 MCU具有片內穩壓器，可以直接從USB獲取電源；片內48MHz振蕩器具有能夠鎖定USB信號的創新時鐘恢復電路，精度高于0.25%，使USB運行無需外部晶體。條形碼掃描儀中還集成了其他功能：當掃描成功時可直接驅動蜂鳴器提醒用戶；使用電容觸摸按鍵代替機械按鍵；以及為無線掃描儀提供硬件加密數據保護。
[member]
[page]
設計中需要考慮的另一個重要因素是靈活性——能夠快速而輕松地適應變化，并且不增加開發成本。為了加快研發進度，設計人員通常在之前項目的基礎上進行修改設定以適應新的需求。然而，要想有效達到設計要求，重要的是能夠選擇和修改MCU外設及其布局。大多數MCU為外設提供了預置位置和固定的替代選擇。預置引出線通常會導致引腳沖突，迫使開發人員改變其設計，或改用更大、更昂貴的封裝。理想的方案是采用Silicon Labs專利技術雙crossbar MCU架構(如圖2所示)，開發人員可以首先選擇所需外設，然后再決定外設引腳的位置，這賦予開發人員更大的靈活性。
圖2：采用Silicon Labs專利技術雙crossbar MCU架構
選擇最佳的所需外設通常意味著可以采用體積更小、性價比更高的封裝。例如，在需要4個帶流量控制UART(16個引腳)和2個SPI(6個引腳)的通信集線器中，開發人員僅需選擇一款略高于22個I/O的MCU即可。然而，如果使用標準的固定架構，4個UART和3個SPI可能需要64引腳甚至100引腳的封裝才能滿足合適的外設組合。采用靈活可配置的crossbar技術，開發人員可以很容易地在40引腳封裝中實現這種外設組合，另外還有幾個引腳空閑。此外，通過優化外設位置，開發人員可以把外設放置到其連接電路的附近，這樣既可以縮短導線長度，也可以潛在地減少PCB的設計層數。最重要的是，最終設計變動可以通過軟件輕松實現。例如，如果通信集線器需要帶SPI接口的另一IC，沒有問題——只需修改軟件，就可以輕松地將第三個SPI端口添加到同一封裝中。
靈活的crossbar架構會帶來許多好處，那么高可配置的crossbar架構MCU有沒有缺點呢？一些開發人員擔心crossbar架構會導致編程更復雜。為了簡化開發人員的工作，Silicon Labs提供了創新的AppBuilder工具——用于簡化初始化和配置的免費軟件開發工具。基于GUI的AppBuilder工具能夠使開發人員快速地以圖形化的方式選擇其外設組合、配置外設屬性、設定時鐘模式和自定義引腳功能，所有這些都無需閱讀數據手冊。AppBuilder甚至能夠產生用于主流編譯器的源代碼，例如Keil、IAR和GCC。
[page]
選擇32位MCU的最后一個重要因素是電源效率。實際上，超低功耗已經成為各種嵌入式應用中最為關心的一個問題。現在隨著人們對“綠色環保”和降低能耗的重視，設計人員必須密切關注其整體功耗預算。許多方法都可以降低能耗，如何有效降低能耗取決于最終應用。例如，血糖監測儀，患者每日使用的次數很少，絕大多數時間監測儀都處于深度休眠狀態。因此，在這個應用中，盡量降低休眠模式的功耗尤為重要。
另一方面，對于傳感器節點設備，需要不間斷地監測事件狀態。如果傳感器節點連續監測事件，就必須一直處于工作模式。真是這樣么？事實并非如此！傳感器節點可以進入休眠模式，快速喚醒，檢測事物(例如檢測煙霧)是否正在發生，然后再進入休眠狀態。在類似的系統中，重要的是具有支持實時時鐘(RTC)喚醒的低功耗休眠模式，可以進行有規律的喚醒，例如每100μs。快速喚醒時間也非常重要，處理器可以快速運行固定的命令去檢測是否有事件正在發生。
而有些應用不能進入休眠模式，例如工廠生產線設備。在這些應用中，使用具有低功耗有功電流的MCU就顯得非常重要。另外，還可以運用其他訣竅節省功耗，例如，降低運行頻率，只采用滿足特定任務所需的處理速度。
很難找到能同時滿足超低功耗休眠模式、活動模式、喚醒時間和動態頻率改變特性的32位MCU。Precision32 MCU系列產品通過提供多種低功耗選擇來滿足這些要求，如圖3所示。Precision32 MCU系列產品可以在低于100nA電流下運行，包括掉電檢測和4kB RAM保持功能；如果要啟動實時時鐘，則需額外增加250nA電流；選用模擬比較器則需要另外消耗400nA，甚至還可選用低功耗定時器和脈沖計數器。MCU能夠在數微秒內從低功耗休眠模式中喚醒。另外，Precision32 MCU擁有極低的275μA/MHz的活動模式電流，具有復雜的能夠鎖頻到1~80MHz中任意頻率的PLL，使開發人員可以優化功耗。
圖3：Precision32 MCU致力于實現所有模式下的超低功耗
一段時間以來，許多主流MCU供應商推出使用相同內核、相似存儲容量、多I/O引腳和串行外設的32位器件，這讓設計人員通常認為嵌入式設計中選擇MCU并不是什么難題。然而，通過為特定設計選擇恰當的MCU，開發人員能夠顯著減少開發時間，降低功耗和整體系統成本，同時，提供的設計靈活性使得即使是最終設計有所變動，也無需進行大幅度的修改設計。總之，從一開始就選擇具有靈活架構的32位MCU是明智之舉，這可以極大簡化開發人員工作。
