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MCU集成傳感器簡化補(bǔ)償設(shè)計(jì)
在工業(yè)控制領(lǐng)域，許多應(yīng)用都要求微控制器能夠以更小的體積集成更豐富的外設(shè)，能夠提供更快的運(yùn)算速度，應(yīng)對實(shí)時(shí)性的要求。例如，在光纖通信、電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用中，需要利用微控制器對被控對象進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制與中斷處理。另外，在這些應(yīng)用中，傳感器、激光器和電源等隨溫度變化引起的參數(shù)變化也需要進(jìn)行補(bǔ)償。
在光學(xué)收發(fā)器模塊、無刷直流電機(jī)控制和傳感器接口等應(yīng)用中，尺寸小、速度快和高性能模擬特性至關(guān)重要。Silicon Labs公司亞太區(qū)MCU市場彭志昌介紹，光學(xué)模塊被廣泛應(yīng)用于光纖通信中，對電信號和光信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。高集成度(溫度傳感器、DAC、晶振)有助于節(jié)約成本和PCB面積。在吸塵器、烘干機(jī)、電風(fēng)扇和胰島素泵等各種消費(fèi)電子產(chǎn)品和醫(yī)療產(chǎn)品中都采用了小型BLDC電機(jī)，高速PWM、ADC和比較器可以使電機(jī)的速度更快、安全性更高。另外，很多傳感器對體積、功耗和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求也都非常高。Silicon Labs的C8051F39x和C8051F37x系列(圖1、圖2)便是針對以上應(yīng)用推出的微控制器產(chǎn)品。
這兩個(gè)MCU系列在小尺寸封裝中集成了多種模擬功能。彭志昌指出，它們是C8051F330/336 MCU的改進(jìn)版本。二者的zui大亮點(diǎn)是在片內(nèi)集成了一個(gè)非常的溫度傳感器。很多應(yīng)用都需要利用溫度傳感器做一些溫度的補(bǔ)償、校正與控制。Silicon Labs在C8051F330/336微控制器中就集成了溫度傳感器，但若能提供一個(gè)更為的溫度傳感器，在設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)候就可以更加方便。該全新的溫度傳感器的精度可以達(dá)到±2℃，工作范圍從-40℃到105℃。在應(yīng)用時(shí)，它們不需要進(jìn)行工廠校準(zhǔn)，無需占用CPU帶寬計(jì)算溫度，從而可以節(jié)省產(chǎn)品成本。另外，它們以℃的方式報(bào)告溫度，可以簡化固件設(shè)計(jì)(其他產(chǎn)品需利用ADC的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析)。
C8051F39x和C8051F37x系列采用了極速的8051 CPU(50MHz)，帶有四個(gè)中斷優(yōu)先級，能夠處理復(fù)雜邏輯和進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與中斷處理。它們提供了更快的外設(shè)和PWM速度，例如16通道、500ksps、10位的差分ADC，兩個(gè)DAC和內(nèi)部電壓參考等。這兩個(gè)系列的區(qū)別在于C8051F37x系列帶有一個(gè)512字節(jié)的EEPROM。C8051F37x的EEPROM提供1M次的擦寫次數(shù)，比一般的flash快很多，比如，在flash上寫一頁需要112ms，而在EEPROM上寫一頁僅需要3.5ms即可。
光模塊對封裝的要求非常嚴(yán)謹(jǐn)(一般不會接受大于5mm×5mm的封裝)，C8051F39x/37x采用的4mm×4mm小封裝會帶來很大的方便(圖3)。50MIPS CPU和4個(gè)中斷優(yōu)先級則能夠?qū)崿F(xiàn)更快的通信速度和低延遲。另外，光模塊中激光的傳輸速度和穩(wěn)定性會根據(jù)不同的溫度改變。溫度補(bǔ)償在光通信中非常重要。C8051F39x/37x提供的的、無需矯正的溫度傳感器能夠簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低測試成本。DAC也是光模塊必須具備的一個(gè)功能，C8051F39x具有的ADC、溫度傳感器及兩個(gè)DAC*符合光模塊對MCU的要求。
電機(jī)控制要求轉(zhuǎn)速的控制越快越好，這對CPU的運(yùn)算能力和ADC的采樣速度提出了較高要求。C8051F39x/37x高速CPU和4個(gè)中斷優(yōu)先級能夠提供快速的中斷處理，實(shí)現(xiàn)平滑的電機(jī)運(yùn)行(圖4)?？焖貯DC能夠快速測量電流、電壓和EMF，獲得更高的電機(jī)速度。6個(gè)高速定時(shí)器和PCA可以方便利用額外時(shí)基控制轉(zhuǎn)換和升級速率。比較器則可提供過壓、過流、過熱和過零檢測，實(shí)現(xiàn)安全和保護(hù)功能。
C8051F39x/37x用于各種傳感器(電阻、壓力、光、加速計(jì)、流量等)接口時(shí)，差分ADC可用于測量微小信號的差分傳感器輸出。很多傳感器對體積、功耗的要求都很高。一般傳感器的信號較小，它們對模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度有較高的要求。差分ADC輸入比傳統(tǒng)的單個(gè)輸入更加準(zhǔn)確。低功耗的MCU(160μA/MHz工作模式)可以延長電池壽命。由于CPU的速度非?？?，在低功耗下喚醒時(shí)，處理數(shù)據(jù)的時(shí)間更短，可以降低整體的功耗。
另外，Silicon Labs在提供C8051F39x/37x MCU時(shí)，還提供了完整的開發(fā)工具(包括IDE和SDCC編譯器)，同時(shí)也支持第三方的工具集(例如Keil、IAR、Raisonance等)。開發(fā)套件包括全功能的開發(fā)套件和低成本的ToolStick套件。針對工程師開發(fā)，該公司還提供一些軟件庫、應(yīng)用檔案和參考檔案等。
zui后，在問及產(chǎn)品開發(fā)可能碰到的問題時(shí)，他表示，C8051F39x/37x使用8051內(nèi)核，碰到的問題并不多，但也確實(shí)存在開發(fā)人員對產(chǎn)品外設(shè)的功能不太了解的情況。比方說ADC，很多客戶不知道ADC還附帶有很多的其他功能，比如它可以用做數(shù)據(jù)采樣，可以確定采樣幾個(gè)通道等。另外，很多模塊功能可能并未采用。因此，讓設(shè)計(jì)人員了解產(chǎn)品內(nèi)部增加的很多功能也是zui需要注意的一個(gè)地方