以標準週邊推動32位元MCU設計創新

當今的32位元微控制器(MCU)設計整合了多種標準週邊元件，例如類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)、通用同步/非同步傳送器(USART)和計時器等。雖然這些週邊元件整合可因應各種類型的通用應用，但嵌入式開發人員一般把晶片週邊認為是‘備選’項目，而且建置這種週邊元件整合最後所提供的價值也很有限。

此外，週邊元件之間也缺乏智慧互連，使設計人員還得增加一定數量的附加邏輯，才能確保MCU特性的正常使用，從而造成不必要的開發成本和系統複雜性。

標準MCU週邊支援各種類型的通用嵌入式應用。然而，在將週邊元件整合於32位元MCU設計時，一般很少去思考如何用於更具成本效益或更簡單的應用中。接下來讓我們一起看看標準MCU週邊如何建置才能提供系統級的價值和應用優勢，以協助設計人員有效使用MCU的每一個特性，並且減少材料清單(BOM)、簡化嵌入式設計。標準MCU週邊元件的創新型建置，例如具有決定性脈衝產生和電平轉換的I/O、為可靠性通訊而增加的USART輸入雜訊濾波器、電容感測破壞偵測系統、使用互連數位類比轉換器(IDAC)實現的電流通訊以及同步電流-電壓轉換器系統，都將為32位元嵌入式設計帶來顯著價值。

具有脈衝產生和電平轉換的I/O

有些32位元應用需要具有精確控制脈衝寬度的一個或多個脈衝訊號。例如針對外部事件的觸發，或者在特定時間窗口內激勵外部元件的測試脈衝。一般軟體建置的I/O切換不能確保脈衝寬度，因為軟體容易受到中斷和延遲干擾，而使用計時器會消耗掉接腳受限的資源。

針對此類設計問題，創新的解決方案是在I/O級上建置脈衝產生。系統可在32位元暫存器(允許透過單一32位元字元寫入作業設置初始和最終值)以及遮罩暫存器中任意時間啟用多個接腳和可程式的5位元延遲時間。一旦初始化完成，在驅動預編程的最終值到I/O接腳之前，脈衝產生器等待由延遲時間設定的週邊元件時脈循環，因而提供簡單而有效的確定性脈衝產生。圖1顯示這個特性在暫存器級上的實際示例。

圖1：脈衝產生暫存器建置

3V-5V電平轉換

在工廠自動化和工業控制應用中，另一個常見挑戰是如何與傳統的5V I/O系統進行連結。雖然5V相容的I/O提供對5V輸出訊號的接收方法，然而雙向通訊要有驅動5V邏輯電平的能力。為了解決這個問題，系統設計人員必須增加外部附加邏輯，例如外部電平轉換，而這將會導致PCB佈局佈線更複雜以及增加BOM成本。

直接在同一元件內互連的3V I/O和5V驅動I/O，可實現整合的多功能電平轉換系統，他提供3V-5V的電平轉換能力。因此，開發人員可透過晶片內轉換到5V驅動器的外部導線，連接到以往無法連接到5V驅動器的任意輸出週邊。

圖2顯示工作在3V電壓域中的計時器輸出，在晶片外連接計時器輸出到3V I/O的輸入，同時3V I/O輸入在晶片內連接到5V驅動輸出，因而實現電平轉換。對應的5V驅動輸出提供5V計時器輸出。

圖2：電平轉換系統內部

採用IDAC實現基於電流的通訊

對於必須支援可在工廠等嘈雜環境中的應用開發，面臨的主要挑戰是在高雜訊環境下如何提供可靠通訊。典型的通訊介面，例如USART、SPI和I2C僅能提供一定程度的可靠性。然而，這些應用往往超過其規格極限。一種解決方案是使用IDAC建置基於電流的通訊，從而實現具有高雜訊抑制力的通訊協定。

為了建置這種解決方案，開發人員必須使用電流模式的IDAC。典型的DAC透過電流輸出提供電壓輸出，而由智慧計時器控制的IDAC能夠協助通訊協定產生時序控制。另外，IDAC上的FIFO緩衝器能夠在FIFO傳送完最後一個數據字元後中斷，因而允許軟體載入下一個要傳送的數據封包到FIFO，如圖3所示。

圖3：使用IDAC實現基於電流的通訊

(下一頁：用於嘈雜通訊環境的輸入濾波器)

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