中心議題：

• 混合信號 ASSP MCU 解決方案
• 功率監控 (Power Aware) 的應用

解決方案：

• 精確時基所需的穩定性
• 延長電池壽命所需的低功耗
• 高性能所需的速度
• 對事件做出快速反應的靈敏性

大量的消費類應用中同時實現高性能與低成本
，全定製的模擬前端 (AFE) 與yu普pu通tong的de數shu字zi信xin息xi處chu理li器qi相xiang結jie合he是shi唯wei一yi的de選xuan擇ze。為wei了le在zai同tong一yi係xi統tong中zhong同tong時shi滿man足zu高gao性xing能neng模mo擬ni與yu低di成cheng本ben數shu字zi控kong製zhi這zhe兩liang個ge相xiang互hu矛mao盾dun的de需xu求qiu，當dang今jin的de發fa展zhan趨qu勢shi是shi利li用yong專zhuan用yong標biao準zhun產chan品pin (ASSP)。ASSP 的優勢是用一個可重複使用的低成本係統提供高性能模擬、低成本數字控製以及縮短上市進程。

這些 ASSP 提供可配置的混合信號模擬功能作為優化的外設模塊，器件的其餘部分作為許多平台共享可重複使用的模塊。快閃微控製器 (MCU) 是實現共享功能的晶核 (host)。單個 ASSP 除了全部補充有計時器與串行端口等數字外設之外，現在還可集成高精度模數轉換器 (ADC)
、數模轉換器 (DAC)、運算放大器 (OA)、電源電壓監控器 (SVS) 以及液晶顯示驅動器。在圖 1 中我們用 MSP430FG43x 顯示了混合信號快閃 MCU 的集成性能。

憑借基於 ASSP 的混合信號快閃 MCU，設計工程師就不必將他們的資源集中到風險大的全定製硬件實施上
，從而可以開發出能夠快速投放市場的靈活的可編程功能。

混合信號 ASSP MCU 解決方案

ASSP 非常適用於便攜式醫療設備。一台典型的設備需要一個精密傳感器接口電路
、通信功能、實時時鍾功能、患者數據的非易失性存儲器

、較長的電池使用壽命以及在應用中可對快閃 MCU 進行編程的靈活性。圖 2 顯示了單芯片葡萄糖測量儀的結構圖。

用一個生物催化劑試驗片來測量一小份血樣的葡萄糖含量。當血樣加到試驗片上時，將產生 μA （微安）級的小電流，而且與葡萄糖成比例。然後由快閃 MCU 內部的一個 12 位 DAC 向試驗片提供偏置電壓。我們利用以一個集成快閃 MCU deyunsuanfangdaqishishidehuzukangfangdaqi，jiangshengwucuihuajichanshengdedianliuzhuanhuaweidianya。womenliyongyigekebianchengfankuidianzuzhenliejiangyunsuanfangdaqideshuchutiaodaoketongguoqianrushi 12 位 ADC 進行測量的範圍，該可編程反饋電阻陣列可由快閃 MCU 從內部提供，不再需要外部組件。

生物催化劑對溫度很敏感
，由於測量周期可能持續達 30 秒miao，使shi得de這zhe一yi情qing況kuang更geng為wei複fu雜za。例li如ru，測ce量liang周zhou期qi可ke能neng從cong用yong戶hu室shi內nei等deng暖nuan和he的de環huan境jing開kai始shi，而er轉zhuan換huan結jie果guo卻que在zai寒han冬dong的de室shi外wai環huan境jing中zhong完wan成cheng。為wei此ci
，我wo們men用yong內nei部bu溫wen度du來lai衡heng量liang測ce量liang周zhou期qi開kai始shi與yu結jie束shu時shi的de溫wen度du，如ru果guo二er者zhe之zhi間jian的de溫wen差cha過guo大da，讀du數shu將jiang棄qi用yong
，並bing向xiang用yong戶hu報bao警jing。

隨後通常將記錄並傳送患者的測量數據，供用戶或者醫師進行分析。由於快閃 MCU 存儲器是係統內可編程的 (ISP) ，因此一部分快閃被直接分配用於數據記錄。使用 MCU 存儲器的一部分來進行記錄
，就不需要外部數據存儲器了。現代嵌入式快閃可擦除與改編程序多達 10 萬次，高於儀器的工作壽命。

功率監控 (Power Aware) 的應用

為(wei)了(le)延(yan)長(chang)工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)
，工(gong)程(cheng)師(shi)在(zai)設(she)計(ji)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)儀(yi)器(qi)時(shi)必(bi)須(xu)認(ren)識(shi)到(dao)功(gong)率(lv)問(wen)題(ti)。正(zheng)常(chang)的(de)運(yun)行(xing)模(mo)式(shi)必(bi)須(xu)是(shi)省(sheng)電(dian)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)待(dai)機(ji)模(mo)式(shi)。為(wei)了(le)節(jie)電(dian)，必(bi)須(xu)對(dui)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)，隻(zhi)運(yun)行(xing)必(bi)需(xu)的(de)任(ren)務(wu)。不(bu)必(bi)要(yao)的(de)任(ren)務(wu)會(hui)浪(lang)費(fei)功(gong)率(lv)，應(ying)徹(che)底(di)刪(shan)除(chu)。不(bu)用(yong)的(de)外(wai)設(she)模(mo)塊(kuai)必(bi)須(xu)禁(jin)用(yong)。利(li)用(yong) ASSP
，所有的外設模塊均嵌入快閃 MCU 中，並且完全采用軟件控製
，易於操作。禁用電路被簡化為軟件操作，隻需在外設控製寄存器中設定位即可。
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除(chu)最(zui)低(di)功(gong)耗(hao)之(zhi)外(wai)，隨(sui)選(xuan)性(xing)能(neng)以(yi)及(ji)操(cao)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)間(jian)的(de)快(kuai)速(su)切(qie)換(huan)能(neng)力(li)通(tong)常(chang)都(dou)是(shi)必(bi)需(xu)的(de)。係(xi)統(tong)的(de)計(ji)時(shi)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)，以(yi)滿(man)足(zu)下(xia)列(lie)相(xiang)互(hu)矛(mao)盾(dun)的(de)需(xu)要(yao)：

● 精確時基所需的穩定性

● 延長電池壽命所需的低功耗

● 高性能所需的速度

● 對事件做出快速反應的靈敏性

最佳的時鍾解決方案是以下兩種計時方式的結合：一種是采用外部32kHz 表麵晶體作為輔助時鍾 (ACLK)
，實現低功耗與穩定性
；另一種是采用快速啟動、高速片上數控振蕩器 (DCO) 作為係統的主時鍾 (MCLK)。ACLK 始終保持開啟狀態，隻對一個 LCD 驅動器以及一個用於實時中斷的計時器進行計時。高速 MCLK 對 CPU 以及高速外設進行計時
，以增強處理能力及對事件的快速反應能力。DCO 是一種接近“零時延”的低 Q、RC 型振蕩器，可在不到 6μs 的時間內啟動。

為了實現 DCO 時鍾穩定的輸出

，不隨溫度和電壓而改變
，我們使用了一個鎖頻環 (FLL)。FLL是一個連續的頻率 (frequency integrator)
，始終在後台將 DCO 頻率調整為一個穩定的參考 ACLK的分數。將經過調整的 DCO 與ACLK 進行比較，反饋至一個上/下計數器，該計數器可自動增加或者減少 DCO 的輸出，使DCO 的頻率與 ACLK 的頻率相匹配。這與將 DCO 頻率增加到 ACLK 頻率的效果相同。圖 3 顯示了 DCO/FLL 組合。

DCO/FLL 的結合勾畫出功率監控超低功耗活動的輪廓，在節電待機模式下可延長使用時間而且還不影響性能。當事件驅動中斷需要係統服務時，DCO 自動啟用，CPU 激活。高速 DCO 時鍾係統將盡快滿足需求，然後返回待機狀態。

-始終開啟的 ACLK 時鍾計時器提供了便捷的嵌入式實時計時功能。利用 32 kHz 表麵晶體進行計時
，計時器將信號源以 2^15 分隔，正好每秒觸發一次中斷。因為此時根本沒有為 CPU 和軟件計時 DCO 的啟動時間
，所以嵌入式實時計時功能可作為一次簡單的中斷而得以實現，對整體性能毫無影響。基本實時計時功能所需的 CPU 周期應低於 100。如果以額定的 1MHz 頻率對 CPU 進行計時，則實時計時功能的工作時間為每秒鍾 100μs（即百分比為 0.0001）。假如處於工作狀態的 CPU 電流為 250μA，實時計時功能使整個係統功耗預算的增加不到 25nA。

混合信號的靈活性

在集成方麵混合信號快閃 MCU 的de性xing能neng令ling人ren讚zan歎tan，但dan是shi幾ji乎hu沒mei有you應ying用yong會hui犧xi牲sheng集ji成cheng度du來lai獲huo得de模mo擬ni性xing能neng以yi及ji設she計ji的de靈ling活huo性xing。應ying用yong空kong間jian廣guang闊kuo的de產chan品pin可ke獲huo得de更geng高gao的de投tou資zi回hui報bao，從cong芯xin片pian製zhi造zao商shang的de角jiao度du看kan是shi最zui理li想xiang的de。為wei了le解jie決jue靈ling活huo性xing問wen題ti，混hun合he信xin號hao快kuai閃shan MCU 利用內在的可編程性，提供了對應於固定功能的可配置軟件模擬外設。

嵌入式 ADC 實現對輸入渠道、采樣時間、采樣速率以及電壓基準源的完全控製。利用軟件選擇所需的專用功能。DAC 提供了選擇輸出格式
、觸發源
、多個 DAC 分組的功能
，還提供了配置模擬輸出緩衝器實現功率與驅動最佳平衡的功能。OA 通常是任何設計中最特殊也是最關鍵的模擬組件之一，它有數個寄存器，實現包括建立時間
、軌至軌輸入以及反饋電阻在內的完全可編程性。利用多個嵌入式 OA，可以很容易地實現差分放大器與儀器放大器等複雜電路。

借助基於快閃 MCU 的 ASSP
，可以為所有模擬與數字外設模塊進行軟件配置，這樣可以不斷增強應用直至最終產品出廠。不僅不會發生較長的 ASIC 供gong貨huo周zhou期qi這zhe樣yang令ling人ren頭tou痛tong的de事shi情qing，而er且qie也ye不bu會hui產chan生sheng重zhong新xin設she計ji的de成cheng本ben。此ci外wai，利li用yong基ji於yu快kuai閃shan的de配pei置zhi，相xiang同tong的de硬ying件jian可ke重zhong複fu用yong於yu數shu種zhong最zui終zhong產chan品pin。例li如ru，可ke能neng會hui將jiang一yi種zhong產chan品pin提ti供gong給gei要yao求qiu不bu同tong用yong戶hu接jie口kou的de數shu個ge不bu同tong地di區qu。利li用yong快kuai閃shan存cun儲chu器qi
，可ke以yi嵌qian入ru特te定ding區qu域yu配pei置zhi。基ji於yu快kuai閃shan的de產chan品pin還hai可ke提ti供gong現xian場chang升sheng級ji功gong能neng，可ke在zai以yi後hou對dui其qi進jin行xing編bian程cheng。

更優的性能表現

將混合信號外設特性直接嵌入基於快閃 MCU 的 ASSP 中可以消除分離外接器件間接口所需的開銷，從而提高係統性能。例如，外部數據轉換器與 MCU之間的共用接口就是一個同步外設接口 (SPI) 總線。SPI 至少要占用板級空間
，並需要帶有四個信號引腳的 MCU 串行端口，這些信號引腳是：芯片選擇、時鍾、數據輸入

、數據輸出。更高成本在於為 SPI 中斷服務子程序提供服務的軟件開銷，通常在中斷開銷及存儲接收與發送數據所需的50個係統 CPU 周期範圍內。在 100ksps 的 ADC 采樣率與每樣本 50 個周期的軟件開銷情況下，MCU 必須保留 500 萬個周期或 MIPS。利用嵌入式數據轉換器，軟件服務就如同讀取單個寄存器
，然後將讀取結果傳送至存儲器中一樣簡單

，從而將係統周期縮短 50%,也可將功耗進一步降低 50％ 以上。

為了進一步提高性能，同時降低功耗，諸如 MSP430FG43x 等新型 ASSP 均包括了直接內存存取 (DMA) 控製器。DMA可在嵌入式混合信號外設之間提供最佳結合 (ultimate glue)
，從而實現全麵可配置的自動化無 CPU 參與數據傳輸。采用諸如數據轉換器這樣的外設可以顯著增強 DMA 的性能,這些轉換器可以周而複始地將數據從存儲表中移進移出。利用DMA
，每次傳輸僅要求兩個係統周期
，與連接外部器件的係統相比，係統開銷降低了 25 倍。利用 DMA，可將新的可用係統資源重新分配給更高級的細分功能，或用於實現顯著延長的待機時間間隔
，降低延長電池使用壽命所需的功耗。

如今，開發基於混合信號快閃 MCU、能快速投入市場、具有緊密封裝以及更高精確度模擬的 ASSP 要求富有全新的思維方式。一流的 MCU 式線上電路模擬器 (ICE) 被嵌入式模擬所取代。小型嵌入式模擬邏輯內核駐留在實際的 ASSP 自身上
，通過業界標準的 JTAG 接口可對其進行訪問。嵌入式模擬對高性能混合信號係統變得日益重要，這些係統必須保持微伏模擬信號的完整性。笨重的 ICE 幾乎不可能實現高精度信號的完整性，它對連線幹擾非常敏感。

借助嵌入式模擬技術

，從開發一開始，硬件工程師即可潛心開發實際的生產係統並進行調試。將 ISP 快閃存儲器的卓越靈活性與普通的嵌入式模擬相結合，使設計一開始就能夠實現當今混合信號 ASSP 真正的係統級開發，從而不僅可降低成本而且還能進一步簡化開發工作，加速開發進程。