把32位微控制器性能帶入工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用

系統(tǒng)安全性

對(duì)于工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用，由于系統(tǒng)故障可能造成代價(jià)高昂的后果，甚至可能導(dǎo)致操作人員的傷亡，故安全性是其主要考慮事項(xiàng)。事實(shí)上，相當(dāng)比例的系統(tǒng)都會(huì)遇到時(shí)鐘故障，因而系統(tǒng)必須具有從時(shí)鐘故障中良好恢復(fù)的能力，對(duì)于那些使用壽命預(yù)計(jì)數(shù)十年的工業(yè)系統(tǒng)尤其如此。例如，馬達(dá)控制系統(tǒng)必須能夠在檢測(cè)到時(shí)鐘故障時(shí)就智能化關(guān)斷系統(tǒng)，以保護(hù)馬達(dá)或操作人員避免災(zāi)難性損害。為此，AVR UC3C器件可以檢測(cè)出主要的時(shí)鐘故障，并切換到一個(gè)內(nèi)部115kHz RC振蕩器。系統(tǒng)可以利用備份時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行(同時(shí)觸發(fā)一個(gè)主時(shí)鐘發(fā)生故障的警報(bào))，或執(zhí)行任何必須的關(guān)斷操作，以使系統(tǒng)進(jìn)入故障保護(hù)狀態(tài)。

另一個(gè)重要的安全功能是窗口式看門(mén)狗定時(shí)器。微控制器一般都采用看門(mén)狗定時(shí)器來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。如果應(yīng)用代碼被破壞，看門(mén)狗定時(shí)器就不會(huì)被啟動(dòng)，而一個(gè)軟件復(fù)位被觸發(fā)，警告系統(tǒng)啟動(dòng)失敗。這種機(jī)制在軟件更新后顯得特別重要，以確保更新成功。

不過(guò)，看門(mén)狗定時(shí)器存在一個(gè)問(wèn)題，就是它是通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置和激活的。如果設(shè)置看門(mén)狗定時(shí)器的代碼從未被執(zhí)行，故障保護(hù)中斷就不會(huì)被觸發(fā)。窗口式看門(mén)狗定時(shí)器，如圖3所示，則是一種更為可靠的故障檢測(cè)形式，它定義了一個(gè)較窄的看門(mén)狗啟動(dòng)窗口。這種方案仍然需要定時(shí)器以軟件形式啟動(dòng)，但不會(huì)出現(xiàn)上述看門(mén)狗因是通過(guò)硬件設(shè)置和激活的就無(wú)法被設(shè)置的異常情況，并可防止已破壞的應(yīng)用程序錯(cuò)誤修改看門(mén)狗配置。于是，窗口式看門(mén)狗總是在系統(tǒng)上電時(shí)被設(shè)置和激活，故若應(yīng)用代碼被破壞，在設(shè)置時(shí)間之后，故障保護(hù)中斷將被觸發(fā)。

圖3所示的看門(mén)狗定時(shí)器的作用是，通過(guò)要求應(yīng)用在設(shè)置時(shí)間幀之內(nèi)對(duì)看門(mén)狗定時(shí)器進(jìn)行清零來(lái)確認(rèn)系統(tǒng)是否正常工作。對(duì)于傳統(tǒng)看門(mén)狗定時(shí)器，如果已破壞的系統(tǒng)復(fù)位看門(mén)狗定時(shí)器，若不能首先激活它，就無(wú)法執(zhí)行故障檢測(cè)。而窗口式看門(mén)狗定時(shí)器在系統(tǒng)上電時(shí)以硬件形式被設(shè)置和激活，故可確保系統(tǒng)故障被檢測(cè)到。

圖3 窗口式看門(mén)狗定時(shí)器

窗口式看門(mén)狗定時(shí)器只在某個(gè)時(shí)間幀內(nèi)被啟動(dòng)。例如有一個(gè)中斷，其應(yīng)該在執(zhí)行了一定的周期數(shù)之后才返回到主循環(huán)(啟動(dòng)看門(mén)狗定時(shí)器)。如果中斷返回太快，中斷就沒(méi)有被正確執(zhí)行，因此可能存在某個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題。對(duì)于傳統(tǒng)的看門(mén)狗定時(shí)器，這個(gè)問(wèn)題會(huì)被忽略過(guò)去。而使用時(shí)間幀式看門(mén)狗定時(shí)器的話(huà)，這時(shí)定時(shí)器將被過(guò)快啟動(dòng)，從而觸發(fā)看門(mén)狗中斷。

加速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

今天，在評(píng)測(cè)微控制器架構(gòu)時(shí)，需要考慮的不僅有器件的硬件能力，還包括可使用什么樣的軟件庫(kù)和應(yīng)用就緒應(yīng)用軟件。從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)完整的系統(tǒng)需要大量的開(kāi)發(fā)資源和時(shí)間。反之，利用現(xiàn)有的軟件框架則可以加快上市速度，大幅度減少應(yīng)用開(kāi)發(fā)投資。

愛(ài)特梅爾AVR®軟件框架可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，它支持各種最優(yōu)化接口驅(qū)動(dòng)器、外設(shè)固件和應(yīng)用代碼，包括大量的馬達(dá)控制算法、電容式觸摸驅(qū)動(dòng)器、先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法(即FFT，以及帶通、高通及低通濾波器)、常用音頻與圖像編解碼器(如MP3)、語(yǔ)音識(shí)別引擎、顯示驅(qū)動(dòng)器、CAN/LIN服務(wù)，以及FAT12/16/32文件系統(tǒng)等等。利用該框架實(shí)現(xiàn)外設(shè)或接口驅(qū)動(dòng)器可大大簡(jiǎn)化固件開(kāi)發(fā)，并縮短在AVR產(chǎn)品系列上移植應(yīng)用程序所需的時(shí)間。譬如，可用3個(gè)UART驅(qū)動(dòng)器支持RS-232與RS-485接口，還可以覆蓋一個(gè)CAN接口。同樣的，創(chuàng)建一個(gè)USB驅(qū)動(dòng)器就和選擇一個(gè)器件類(lèi)別一樣簡(jiǎn)單，而且該框架提供有對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器代碼和協(xié)議堆棧。這個(gè)框架還包含了一個(gè)完整的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(freeRTOS)，并支持眾多流行產(chǎn)品，如uC-OS/II、embOS、ThreadX和openRTOS。愛(ài)特梅爾可免費(fèi)向客戶(hù)提供AVR軟件框架。

利用廣義的軟件框架有助于縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，加快上市速度。AVR軟件框架提供有業(yè)界范圍最廣的生產(chǎn)就緒的軟件驅(qū)動(dòng)器及程序庫(kù)選擇，并包含了一組豐富的范例應(yīng)用完備文檔代碼。AVR微控制器可支持實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作的完全可視化。此外，AVR微控制器每季都進(jìn)行更新，推出新功能。

利用直觀(guān)的GUI式愛(ài)特梅爾AVR Studio®開(kāi)發(fā)環(huán)境可以快速配置驅(qū)動(dòng)器和接口，這樣一來(lái)，只需數(shù)分鐘而不是數(shù)個(gè)月就可以實(shí)現(xiàn)首個(gè)原型，如圖4所示?？焖儆趾?jiǎn)單的外設(shè)配置對(duì)工業(yè)市場(chǎng)而言是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@樣一來(lái)，整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)得以把主要精力集中在應(yīng)用開(kāi)發(fā)上，而不是浪費(fèi)在另一個(gè)UART驅(qū)動(dòng)器的編碼上。AVR Studio是業(yè)界最完善的8位和32位應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，可為所有AVR微控制器提供全面的編譯器和調(diào)試器支持。由于利用AVR軟件框架來(lái)配置外設(shè)，故不同AVR器件之間的移植是真正無(wú)縫的。AVR Studio與AVR軟件框架完全集成，二者都可免費(fèi)或免權(quán)益金獲取。

圖4所示為愛(ài)特梅爾AVR Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境，可為所有外設(shè)提供驅(qū)動(dòng)器和接口固件。采用這種方法，無(wú)需數(shù)個(gè)月，數(shù)分鐘就可以配置出首個(gè)原型。

圖4 愛(ài)特梅爾AVR Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境

愛(ài)特梅爾還提供有廣泛的硬件式系統(tǒng)內(nèi)編程、調(diào)試和評(píng)測(cè)工具。例如，愛(ài)特梅爾AT32UC3C-EK評(píng)測(cè)工具套件就具有開(kāi)箱即用的簡(jiǎn)便性，可為愛(ài)特梅爾AVR® UC3C 32位微控制器架構(gòu)的大量功能提供使用入口。它能夠接入每一個(gè)引腳和片上資源，以簡(jiǎn)單的過(guò)程直接驗(yàn)證AVR UC3C出色的低功耗特性。該評(píng)測(cè)工具套件還有愛(ài)特梅爾QTouch®電容式觸摸能力，以及用于無(wú)線(xiàn)連接的RF4CE、ZigBee、Wi-Fi和藍(lán)牙插件板。

真正的系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不是把各種不同的芯片或子系統(tǒng)簡(jiǎn)單地組合起來(lái)。現(xiàn)在的嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是包含了眾多功能性組件的復(fù)雜系統(tǒng)。向32位架構(gòu)轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)整合在單個(gè)微控制器上，而這種32位微控制器架構(gòu)針對(duì)高性能、低功耗、實(shí)時(shí)處理與系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了優(yōu)化。此外，這時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可以在單個(gè)協(xié)調(diào)環(huán)境中完成，從而加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試進(jìn)程。

AVR UC3C是業(yè)界首款專(zhuān)為工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的32位處理器。UC3C整合了浮點(diǎn)計(jì)算能力和外設(shè)事件系統(tǒng)，支持32位性能，它提供的性能與處理能力能夠?yàn)檫@些系統(tǒng)引入先進(jìn)的功能性，并創(chuàng)建新的市場(chǎng)機(jī)遇。再結(jié)合適當(dāng)?shù)母呔韧庠O(shè)組合、原生5V I/O、安全Flash和最完善的設(shè)計(jì)環(huán)境，加之針對(duì)馬達(dá)控制、傳感器監(jiān)控以及數(shù)字信號(hào)處理功能的生產(chǎn)就緒代碼，UC3C成為那些需要實(shí)時(shí)可靠性、高性能及高功效的應(yīng)用的理想MCU選擇。