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 的de運yun算suan放fang大da器qi實shi施shi的de互hu阻zu抗kang放fang大da器qi，將jiang生sheng物wu催cui化hua劑ji產chan生sheng的de電dian流liu轉zhuan化hua為wei電dian壓ya。我wo們men利li用yong一yi個ge可ke編bian程cheng反fan饋kui電dian阻zu陣zhen列lie將jiang運yun算suan放fang大da器qi的de輸shu出chu調tiao到dao可ke通tong過guo嵌qian入ru式shi 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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chuzuidigonghaozhiwai，suixuanxingnengyijicaozuozhuangtaijiandekuaisuqiehuannenglitongchangdoushibixude。xitongdejishibixujuyouzugoudelinghuoxing
，yimanzuxialiexianghumaodundexuyao：

● 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 dexingnenglingrenzantan，danshijihumeiyouyingyonghuixishengjichengdulaihuodemonixingnengyijishejidelinghuoxing。yingyongkongjianguangkuodechanpinkehuodegenggaodetouzihuibao
，congxinpianzhizaoshangdejiaodukanshizuilixiangde。weilejiejuelinghuoxingwenti
，hunhexinhaokuaishan 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 gonghuozhouqizheyanglingrentoutongdeshiqing，erqieyebuhuichanshengzhongxinshejidechengben。ciwai，liyongjiyukuaishandepeizhi
，xiangtongdeyingjiankezhongfuyongyushuzhongzuizhongchanpin。liru，kenenghuijiangyizhongchanpintigonggeiyaoqiubutongyonghujiekoudeshugebutongdiqu。liyongkuaishancunchuqi，keyiqianrutedingquyupeizhi。jiyukuaishandechanpinhaiketigongxianchangshengjigongneng，kezaiyihouduiqijinxingbiancheng。

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。