為手持式測(cè)量應(yīng)用選擇最佳的微控制器(06-100)

　　由于各種微控制器 (MCU) 在成本、外設(shè)設(shè)計(jì)與組合、CPU 架構(gòu)以及板級(jí)集成度等方面的多樣性日益豐富，因此要為特定的應(yīng)用選擇一款最佳 MCU 也變得更具挑戰(zhàn)性。對(duì)于便攜式工業(yè)測(cè)量應(yīng)用而言，為應(yīng)用選擇最佳的 MCU 需要優(yōu)先滿足關(guān)鍵應(yīng)用需求，如擁有超長(zhǎng)電池使用壽命、高性能模擬外設(shè)以及豐富的用戶接口。

　　超長(zhǎng)電池使用壽命

　　為了盡可能實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的電池使用壽命，設(shè)計(jì)人員必須將平均電流消耗降至最低。設(shè)計(jì)人員需要考慮相關(guān)運(yùn)行參數(shù)并根據(jù)各種工作條件來(lái)計(jì)算平均功耗。如果設(shè)計(jì)人員倉(cāng)促做出決定則可能造成功耗過(guò)高。目前的低功耗 MCU 具有多種運(yùn)行模式，包括工作模式、待機(jī)模式以及斷電模式。在工作模式下，所有時(shí)鐘都處于工作狀態(tài)。在待機(jī)模式下，CPU 時(shí)鐘處于休眠狀態(tài)，但實(shí)時(shí)時(shí)鐘仍在運(yùn)行，并等待某個(gè)中斷事件喚醒 CPU；MCU 通常具有不同級(jí)別的待機(jī)操作模式。在斷電模式下，所有時(shí)鐘全部處于休眠狀態(tài)，等待某個(gè)事件喚醒 CPU。為了解每種運(yùn)行模式的功耗，我們的研究范圍必須超越產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)所列的功能。某些產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規(guī)定了非實(shí)際工作條件下的電流消耗。為了更準(zhǔn)確地了解情況，應(yīng)當(dāng)對(duì)比下列情況下的最大電流消耗，即應(yīng)用將采用各種運(yùn)行模式工作電壓與工作溫度的最大電流消耗。對(duì)于采用鋰電池的應(yīng)用，大多數(shù)情況下工作電壓為 3V、工作溫度為 25℃。

　　另一種延長(zhǎng)電池使用壽命的方法是盡可能縮短待機(jī)/斷電模式與運(yùn)行模式之間的切換時(shí)間。某些廠商提供“按需”時(shí)鐘源，用于在確定已中斷之后立即提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源。

　　MCU 可以采用標(biāo)志輪詢 (flag polling) 或中斷矢量 (interrupt vector) 來(lái)喚醒 CPU。由于 CPU 能夠立即響應(yīng)任何事件并且在輪詢外設(shè)時(shí)不浪費(fèi)電流，所以由中斷驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)可以顯著降低功耗。

　　待機(jī)模式比工作模式的功耗低。我們必須選擇能夠使 CPU 盡可能保持在待機(jī)模式的 MCU。專(zhuān)為低功率運(yùn)行設(shè)計(jì)的 MCU 可以利用定時(shí)器與數(shù)據(jù)自動(dòng)觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換，而無(wú)需 CPU 通過(guò)直接存儲(chǔ)器存取(DMA) 與緩沖器的采樣進(jìn)行干預(yù)。當(dāng) CPU 處于空閑狀態(tài)時(shí)，我們可將它用于實(shí)施其他操作，從而提高系統(tǒng)的吞吐能力，另外，它還可以斷電以降低應(yīng)用的平均功耗。

　　降低功耗的關(guān)鍵是盡可能降低泄漏電流。對(duì)大多數(shù)便攜式應(yīng)用而言，終端產(chǎn)品一般是成品，因此泄漏電流因素決定平均電流消耗等式。應(yīng)當(dāng)計(jì)算端口的總泄漏電流，同時(shí)確保采用可以最小化電流消耗的端口配置。

　　應(yīng)當(dāng)單獨(dú)評(píng)估 MCU 的每種功能，以便了解其電流消耗的影響。例如，在集成掉電保護(hù)功能時(shí)就應(yīng)當(dāng)慎之又慎。在插入電池過(guò)程中或者應(yīng)當(dāng)單獨(dú)評(píng)估 MCU 的每種功能，以便了解其電流消耗的影響。例如，在集成掉電保護(hù)功能時(shí)就應(yīng)當(dāng)慎之又慎。在插入電池過(guò)程中或者電源低于正常供電規(guī)格但高于接地規(guī)格時(shí)就可能出現(xiàn)掉電情況。大部分 MCU 都集成了斷電保護(hù)功能，但是此功能可能會(huì)增加 20mA～70mA 的平均電流消耗。在添加上述保護(hù)功能時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇不增加電流消耗的 MCU。

　　高性能模擬

　　在進(jìn)行架構(gòu)決策時(shí)應(yīng)當(dāng)研究模擬要求。應(yīng)當(dāng)仔細(xì)查看 MCU 產(chǎn)品提供的外設(shè)，確保其能夠支持當(dāng)前和未來(lái)需求。例如，MSP430 系列中的部分器件為便攜式測(cè)量應(yīng)用提供12 位 A/D、12 位 DAC 以及低功耗運(yùn)算放大器。選擇能夠提供高性能外設(shè)組合的 MCU 產(chǎn)品系列以使設(shè)計(jì)人員能夠確保實(shí)現(xiàn)未來(lái)的集成策略。另外，如果無(wú)法獲得能夠提供理想模擬外設(shè)組合的 MCU，則可以采用外置模擬外設(shè)，因?yàn)樾阅鼙燃筛匾?/p>

　　如果 MCU 已經(jīng)集成了外設(shè)，則應(yīng)當(dāng)檢查外設(shè)的設(shè)計(jì)，以確保應(yīng)用能夠正常運(yùn)行。某些 CPU 具有更高的數(shù)據(jù)處理效率。帶 12 位 A／D 的 16 位 MCU 的數(shù)據(jù)處理速度比8 位 MCU 更快。16 位 MCU 通過(guò)一個(gè) 16 位寄存器進(jìn)行采樣，而 8 位 MCU 必須利用 2 個(gè) 8位寄存器來(lái)處理采樣。