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利用整合快閃MCU的混合訊號ASSP實現系統設計

上網時間: 2004年09月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:類比前端  AFE  專用標準產品  ASSP  混合訊號 

定製類比前端電路與微控制器相結合的傳統設計方法已逐漸為以數位MCU為基礎的專用標準產品(ASSP)所替代,此類ASSP具有低成本和可配置特性,能有效降低產品開發風險。本文以手持式醫療設備為例,介紹整合快閃MCU的ASSP典型應用,並分析了系統電源管理、設計靈活性和整體性能方面的特點和優勢。

為了在相同的系統中同時滿足高性能類比電路與低成本的數位控制要求,很多電池供電的嵌入式測量應用中均採用了針對特定應用設計類比前端(AFE)電路與分離的數位微控制器(MCU)相結合的辦法。但是,隨著目前積體電路更多地採用深次微米矽技術,通常這種晶片的最低批量要求為10萬片,一套光罩的一次性工程成本接近100萬美元,加上設計超大規模定製電路的風險以及加速產品上市的壓力,因此專門定製的解決方案除了用於非常大批量的應用之外,在其它情況下都不切實際。

目前的趨勢不是採用定製AFE,而是採用專用標準產品(ASSP),在低成本、可重覆使用的系統中,ASSP平衡了高性能類比、低成本數位設計以及縮短上市時間等多項要求。ASSP作為最佳化的週邊設備提供了可配置的混合訊號類比特性,而元件的其它部份則作為可重覆使用的功能實現,這些功能由多個平台共享。快閃微控制器單元(MCU)就是這些共享平台的主機與解決方案。圖1所示為混合訊號快閃MCU MSP430FG43x的整合功能框圖。在MCU上除了整合計時器以及串列埠等數位週邊設備以外,現在還可以在一個ASSP上整合高精密度類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)、運算放大器(OA)、電源電壓監控器(SVS)以及液晶顯示驅動器等。利用基於混合訊號快閃MCU的ASSP,設計工程師不再擔心完全定製硬體所產生的風險,可以開發出能快速投入市場的靈活可程式功能。

混合訊號MCU的典型應用

採用ASSP的混合訊號應用常見實例就是手持式醫療設備。典型的手持式醫療設備要求精確的感測器介面電路、用戶顯示、日曆功能、非揮發性記憶體、通訊特性、電源管理以及可程式的快閃MCU等,圖2顯示了單片血糖測量儀的實現框圖。

用生物催化劑測試帶來測量小血樣的葡萄糖含量時,測試帶將產生電子,透過一個參考電壓將電子的電量轉換為電流量。該參考電壓由混合訊號快閃MCU的兩個內部12位元DAC之一提供。生物催化劑產生的電流很小,在uA到nA之內。為了將感測器的小電流輸出轉化為電壓,可以利用其中的一個整合運算放大器實現互阻抗功能。運算放大器將輸出訊號放大到可以採用反饋電阻器的嵌入式12位元ADC測量。

測試帶的化學反應對溫度感應,而測量周期可能長達30秒,這麼長的測量時間使問題複雜化。例如,血樣可能在溫暖的環境中放在測試帶上,比如在用戶的家中,而轉換結果則是在冬天的室外環境中完成。因此,必須在測量周期開始與結束時測量溫度。如果二者之間溫差太大,那麼測試結果作廢,並提醒用戶。我們採用了在嵌入式12位元ADC中的整合溫度感測器測量溫度。

用戶或醫生常常記錄測量日誌,並將日誌文件下載到PC進行分析。數據日誌記錄是採用快閃MCU的主要原因。由於快閃記憶體可在線編程(ISP),因而將快閃記憶體的一部份用於數據儲存,這樣就可以不要外部數據記憶體。目前的嵌入式快閃記憶體可進行高達10萬次擦寫與再編程作業,其壽命比整機的壽命還長。

系統電源管理

與任何其它的電池供電設備一樣,電源管理至關重要。為了降低功耗,首先要在整合的類比電路不使用時將其關閉。由於所有類比電路都嵌入在快閃MCU中,並完全由軟體控制,可以方便地進行作業。

除了功耗要最低之外,手持醫療設備還必須能夠在不同的作業狀態下快速切換。系統時脈必須具備滿足以下要求的靈活性:保證正確時基的穩定性;低功率以實現更長的電池壽命;實現高性能的速度;快速響應事件的靈活性。

系統時脈的首選方法是使用32kHz的手表晶振作為輔助時脈(ACLK),實現低功耗與穩定性,並採用快速啟動的高速片上數控振盪器(DCO)作為系統的主時脈(MCLK)。ACLK時脈始終保持開啟狀態,僅作為計時器的時脈以發出即時中斷。高速MCLK作為CPU與高速週邊設備的時脈,能夠實現更強的處理功能和更快的事件響應。DCO是低Q值RC類振盪器,延遲接近於零,啟動時間不到6us。

儘管DCO能快速啟動,但會隨溫度與電壓而改變頻率。為了管理DCO時脈並獲得穩定的輸出,可以採用頻率鎖定環(FLL)。FLL是連續的頻率積分器,持續地在後台將DCO調節到ACLK的約數。分頻的DCO與ACLK相較較,ACLK輸入到10位元的加/減計數器來增加或減少DCO輸出,以使DCO分頻頻率與ACLK頻率相匹配,這實現了DCO與ACLK相乘的效果。圖3顯示了DCO/FLL組合的功能框圖。

DCO/FLL組合實現了事件驅動的極低功耗,最小化待機模式,但又不降低性能。當中斷要求從系統獲得服務時,在正常的待機情況下DCO會自動啟動。由高速DCO提供時脈的快速響應系統將快速地為請求提供服務,而後再返回待機狀態。

始終執行的ACLK時脈計時器提供了方便的嵌入式即時時脈,計時器每秒鐘觸發一個中斷。由於DCO不需要啟動時間,因此嵌入式即時時脈能用簡單的軟體功能來實現,不需要增加任何成本,而且不會影響整體性能。一個基本的即時時脈功能需要不到100個CPU周期。在CPU時脈速度為1MHz條件下,即時時脈功能的工作時間為每秒100us,或0.0001%。CPU工作電流為250uA時,即時時脈功能增加整體系統功率預算低於25nA。

保持設計靈活性

混合訊號快閃MCU在功能整合方面相當出色,但大多數應用都不會為了功能整合而放棄類比設計靈活性。從晶片製造商的角度來看,他們最希望產品能滿足更廣泛的應用領域,因而實現較高的投資回報。為了解決靈活性這一問題,混合訊號快閃MCU利用了其內在的可程式特性,提供了軟體上可配置的類比週邊設備,而不僅只是固定功能。

嵌入式ADC在輸入通道、採樣時間、採樣率以及電壓參考源上都提供了完全的控制。工程師只需設置控制暫存器中相應的位元,就可透過軟體針對應用選擇所需的特性。DAC可提供選擇輸出格式、觸發源、多個DAC封包以及為實現功率-驅動的最佳平衡而配置類比輸出緩衝的功能。運算放大器通常是所有設計中最具體、最關鍵的類比組件,具有幾個暫存器,可實現全面的可程式特性,其中包括設立時間、軌對軌(rail to rail)輸入以及反饋電阻等。在嵌入多個運算放大器的幫助下,可輕鬆實現諸如差分放大器與測量放大器等複雜電路。

由於所有所需的類比與數位特性都由基於快閃記憶體內的軟體進行配置,因此只有在最終產品出貨之前才可以最佳化設計。現在不再有較長的研製周期問題和重新設計成本問題。此外,利用基於快閃記憶體的配置,相同的硬體可用在幾種不同的產品上。例如,某產品須向幾個不同的地區出貨,要求不同的用戶介面,利用快閃記憶體可以將特定地區的配置嵌入到產品中,而所有其它特性都保持相同,基於快閃記憶體的產品還具備售後可升級特性。

進一步提高性能的方法

在混合訊號快閃MCU中嵌入類比功能消除了分離元件之間介面的開銷,因而提高了系統性能。數據轉換器與MCU之間的公共介面是同步週邊設備介面(SPI)匯流排,SPI介面佔用的板級空間極少,僅要求具有四個訊號接腳的MCU串列埠:晶片選擇、時脈、數據輸入以及數據輸出。更大的成本產生在為SPI中斷提供常規服務時產生的軟體開銷,通常中斷和接收與發送數據的儲存將產生50個系統CPU時脈周期開銷。在ADC採樣率為100ksps、每個採樣開銷為50時脈周期情況下,MCU必須每秒預留5百萬個時脈周期。另一方面,利用嵌入式數據轉換器的服務非常簡單,只需讀取一個暫存器,再將結果放到記憶體即可,因而可減少系統時脈開銷和功耗達50%以上。

為了進一步提高性能並降低功耗,目前的ASSP如MSP430FG43x還包括直接記憶體存取(DMA)控制器。DMA在嵌入式混合訊號週邊設備之間提供了最終的存取連接,可以實現完全可配置的自動化數據傳輸,並且不佔用CPU。對重覆性將數據移進移出儲存表的數據轉換器等週邊設備而言,DMA對性能的提升非常明顯。利用DMA,每次傳輸只需兩個系統周期,和那些與週邊設備相連的系統相較,減少的系統開銷高達25倍。利用DMA,最新的可用系統資源可以再次分配,實現更先進、更多樣化的特性,也可顯著延長待機間隔時間,降低功耗以延長電池壽命。

本文小結

目前,基於快閃MCU的混合訊號ASSP的開發要做到快速投入市場、緊密的封裝以及更精確的類比功能,必須要求新的設計思維方式。標準的MCU在線模擬器(ICE)已被嵌入式模擬所取代,嵌入式模擬邏輯的小核心駐留於ASSP上,採用業界標準的JTAG介面可以進行串列存取。隨著高性能混合訊號系統的出現,必須保證微伏級類比訊號的完整性,嵌入式模擬的重要性也更加明顯。應用繁雜的ICE幾乎不可能實現這樣精確的訊號完整性,因為ICE對纜線串擾太過感應。

利用嵌入式模擬,韌體工程師從開發的第一天起就可以毫無阻礙地在實際的產品系統中進行開發和故障除錯。由於結合了ISP快閃記憶體以及無障礙的嵌入式模擬的靈活性,目前的混合訊號ASSP從設計一開始就實現了真正的系統級開發,不但降低了成本,避免了重覆開發,而且還加速了開發進程。

Mark Buccini


MSP430、C2000產品全球行銷總監


德州儀器公司




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