为电池供电的便携式测量应用选择MCU

技术分类: 电源技术  微处理器与DSP  | 2008-03-01
Zack Albus德州仪器MSP430 MCU 全球应用经理

  随着人们希望烤箱、恒温器以及电表等设备也具备丰富的智能特性,从而带动制造商不断推出日益丰富的嵌入式处理器解决方案。各种终端设备均会重点涉及便携式测量应用,如血糖仪或数字万用表 (DMM) 等,但现有的 MCU 十分有限,因而要选择一款合适的工具可能会比较困难。

图1模拟测量片上系统


  需要准确进行模拟测量的电池供电型应用有着自身重要的嵌入式处理器选择标准。拥有可确保高灵活性与低功耗运行的架构至关重要,而模拟与数字外设的高效集成必须满足应用所需。此外,特性集还要支持高稳定性的系统运行。上述三方面重要因素都需要在产品定义阶段解决。本文将探讨为电池供电型便携式测量应用选择 MCU 时应当考虑的重要因素。

  由于便携式应用的关键要求是实现超长的电池使用寿命,因此,所选 MCU 应当支持灵活的低功耗架构,这也是实现最终产品目标的第一步。时钟分配系统应当为晶振提供外部低功耗输入以作为实时时钟源 (RTC),这一点非常重要。由于在正常工作过程中该时钟一般不会被禁用,因此其流耗必须很低。建议采用工作电流不超过几微安的集成式 RTC。除了始终处于工作状态的低频时钟之外,诸如通信模块与模数转换器 (ADC) 等外设和 C

PU 还需要高速时钟源。在理想的情况下,不但可将高频时钟集成在芯片上,而且其还将支持各种频率设置,并能实现即时调节。如果我们能在片上控制该时钟以根据需要为外设提供时钟源,并无缝支持打开与关闭功能,那么就能更好地实现更低的系统流耗。集成式高速时钟应具备打开时间较快的特点,而且开启之后就能提供稳定而准确的时钟。

  电池供电应用的另一个要求就是不同工作模式能方便进入和离开超低功耗待机状态。中断驱动型架构不再需要可充分利用时钟系统快速进出低功耗模式的标志探询 (flag polling) 与测试,这就能实现最佳的低功耗性能。除了模拟器件之外,CPU 通常是 MCU 中最大的耗电因素,达每 MHz 上百mA 的水平。中断驱动型架构与快速的 CPU 时钟唤醒时间相结合,我们能实现突发模式的 CPU 运行。在这种系统中,在等待内外部时钟源的中断时可以关断 CPU,从而达到节电的目的。一旦发生中断,片上高频时钟自动开启,在 1 到 2 微秒内达到稳定,CPU 会执行必需的中断服务例程指令,然后再返回低功耗待机状态,并关闭集成高速时钟。

  满足低功耗要求之后,接下来还要考虑模、数外设集成的问题。由于模拟测量是目前嵌入式系统的一般性要求,因此具备片上模拟是选择 MCU 时需考虑的重要问题。若 MCU 能支持10位到16位的高性能ADC,采样速率超过100kSps,那么就有助于简化系统设计。如果模拟组件能够进一步扩展成可包含数模转换器和运算放大器,那么就能实现完整的高集成度片上信号链,从而不仅可降低系统复杂性,而且还能进一步缩小系统尺寸、节约成本。这样的集成度还有另一个好处,因为每个模拟功能块都能根据需要在系统中独立加电,因此能降低解决方案的功耗。由于模拟转换器集成在芯片上,因此控制与数据处理仅需要单次指令就能执行,而不需要耗电量大的片外接口与多指令长度数据处理。如果集成式模拟器件支持功耗/性能优化功能的话,那么还能进一步节省电力。如果用户能对转换速度和信号链带宽进行编程,那么就能根据应用最低要求优化电流消耗,从而确保用电量刚好达到任务所需的水平,一点都不会浪费。

  此外,较复杂的系统通常还需要一定的片外通信功能与用户接口支持。这种需求包括针对开关中断与 LED 驱动的输入/输出端口,进而包括数字接口以及其它系统处理器或外设等。无论是通过数字化方式将芯片固定在玻璃上 (COG) 的显示器类型还是芯片直接驱动的分段 LCD,显示驱动器都是大多数便携式测量应用所必需的。选择 MCU 时要确保其在既定设计方案中为相关接口提供适当的 I/O 线路。

  通常需要硬件支持 SPI、I2C 以及 UART 通信,这与软件通信解决方案相比,能够进一步提高 CPU 的利用效率。将应用所需外设的数据速率考虑在内,外设的中断驱动型数据处理架构对保持所需的指令效率和降低系统功耗至关重要。集成片上直接存储器存取控制器 (DMA) 的 MCU 能将数据处理效率提高到一个更高的水平。相对于 CPU 执行指令(CPU 占用率可达几十个百分点),通过 DMA执行重复性处理工作(如数据进出数据转换器)能够显著降低系统功耗。

  对于LCD显示屏而言,支持集成分段驱动器的MCU较为适用。根据应用的不同,我们可能需要根据电池放电补偿显示屏的对比度控制来避免供电电压逐渐降低或环境温度不稳定等造成显示屏模糊或图像不均匀等情况。具备内置充电泵功能的集成式 LCD 驱动器不仅可提高电平,而且还能稳定显示屏的电压,从而进一步扩大了应用的实用范围,并解决了上述问题。

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