工程師分享：適用于智能電池的微控制器存儲器技術(shù)

大多數(shù)智能電池都要用到微控制器(MCU)。MCU的體系結(jié)構(gòu)不但會影響電池本身的性能,甚至?xí)g接影響到電池供電的設(shè)備。因此,設(shè)計人員在選擇MCU時 不能掉以輕心,必須要考慮到多方面的因素,像價格、處理速度、代碼兼容性、可移植性,以及是否有實用的應(yīng)用資料、在相關(guān)產(chǎn)品中的應(yīng)用情況、開發(fā)環(huán)境的多寡都是決策時的重要依據(jù)。

程序存儲器的類型——如ROM,EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)和Flash—— 也是要考慮的一個因素。對于某一類應(yīng)用,各種存儲器都有其優(yōu)點和不足。顯然,如果一個微控制器廠商的產(chǎn)品品種比較全,包含了各種類型的存儲器,那么在選用 其器件時的余地就很大,可以最大程度地滿足具體項目的需要。

有些電池的充電算法和控制程序一旦確定就不會輕易改變,這種電池適合使用帶ROM(只讀存儲器)的MCU。ROM的內(nèi)容是由器件廠商在生產(chǎn)過程中用掩膜的方式編程的,根據(jù)訂貨周期和制造成本的不同,掩膜的工藝會有一些差別。通常,源程序送交 器件廠商后4到6周即可拿到樣片,正式產(chǎn)品的訂貨周期為6到12周,而且有最小批量的要求(10~20千只)。ROM的制作工藝復(fù)雜度最低,硅片處理費用 也是最低的。由于掩膜后芯片內(nèi)容不能更改,所以這種方式制成的芯片只能供特定的用戶、特定的產(chǎn)品使用。這種技術(shù)非常適合那些技術(shù)成熟、生產(chǎn)周期長、更新?lián)Q代慢、不需要任何改進(jìn)的產(chǎn)品。

很多時候,電池供電產(chǎn)品本身需要不斷改進(jìn),而且要適應(yīng)不同電池廠商的電池,為了提高設(shè)計的靈活性,比如經(jīng)常調(diào)整充電算法,就需要使用能夠自行編程的MCU微控制器,OTP(一次性可編程)技術(shù)和 Flash技術(shù)應(yīng)運而生。

OTP類型的MCU使用起來比較靈活,既可以由MCU廠商掩膜生產(chǎn),也可以在產(chǎn)品裝配時逐個編程,即使器件已經(jīng)裝配到電路板上,也可以對其編程。由于OTP MCU是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,因此訂貨批量方面也比較靈活。OTP技術(shù)非常適合用于市場變化快、開發(fā)周期短、更新?lián)Q代迅速、產(chǎn)品市場壽命短并且不需要大規(guī)模改動的產(chǎn) 品。OTP MCU采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的在線編程(in-circuit programming,ICP)技術(shù),對程序的改動可以存放在EPROM空閑的存儲單元中,這為可編程應(yīng)用產(chǎn)品增加了適應(yīng)性。

Flash類型的MCU可以多次編程,使用時更加靈活,升級換代時也更加方便。一個系統(tǒng)產(chǎn)品運行一段足夠長的時間后(通常不短于3年),維護(hù)就會成為很重要的問題。在進(jìn)行局部改進(jìn)前應(yīng)該全面考慮各種因素,比如要開發(fā)改進(jìn)程序、設(shè)計更多的接口、防止編程失敗時系統(tǒng)崩潰以及更新過程中的容錯/糾錯等等。智能電池常常要調(diào)整內(nèi)部MCU的充電算法和剩余容量測量算法,因此Flash技術(shù)適用于 SMBus(Smart Battery Bus,智能電池總線)這樣的應(yīng)用。

Flash存儲器的編程時間比較長(通常10ms,EPROM為10 μs),會影響大批量生產(chǎn)的速度。為了獲得與OTP器件相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)率,生產(chǎn)商必須大大提升編程工序的效率。另外,Flash存儲器雖然在可多次編程方面優(yōu)于OTP存儲器,但是,實現(xiàn)系統(tǒng)級MCU存儲器讀寫會增加產(chǎn)品的復(fù)雜度,因此到目前為止,并沒有多少產(chǎn)品用到Flash存儲器的現(xiàn)場更新功能。使用這種功能的產(chǎn)品必須要能適應(yīng)更新過程中可能發(fā)生的各種情況,比如調(diào)制解調(diào)器信道中斷,或者電源在擦除操作前/后中斷等等。采用Flash技術(shù)的產(chǎn)品在進(jìn)行更新 時,通常需要廠家指派現(xiàn)場工程師來配合,以解決各種可能出現(xiàn)的問題。在構(gòu)思現(xiàn)場可編程設(shè)計方案時應(yīng)該知道,出眾的CPU性能對于MCU的應(yīng)用靈活性是至關(guān)重 要的。業(yè)界有一種觀點，認(rèn)為微控制器中的CPU只是用于控制外圍電路完成控制功能，于是將微控制器硅片的大部分面積都設(shè)計成外圍模塊，CPU性能則較低。 另外一些微控制器的技術(shù)路線正好相反，將設(shè)計重點放在了CPU性能上，利用空閑的I/O引腳和程序存儲器實現(xiàn)軟件模擬功能，可以用軟件來模擬諸如 UART、PWM發(fā)生器等外圍電路，增加功能的同時并沒有增加成本。

假如要對已經(jīng)安裝在電路板上的OTP器件或Flash器件進(jìn)行編程操作，那么在線串行編程(In-Circuit Serial Programming，ICSP)技術(shù)是非常理想的選擇。有了ICSP技術(shù)，產(chǎn)品在裝配前不再必須經(jīng)過編程過程，可以加快生產(chǎn)速度。

要讓用戶發(fā)揮現(xiàn)場編程器件的靈活性，必要的一點就是提供通用的、多種語言版本的開發(fā)工具。如果用戶總是要花費很多時間去熟悉同一種器件的不同版本的開發(fā)工具，那么用戶的應(yīng)用水平就難以很快提高。

用同樣數(shù)目的引腳提供更大的內(nèi)存空間，這是一項很好的功能。近幾年來，用戶對于程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量的需求在迅速擴(kuò)大，不過很多MCU系列并沒有推出改進(jìn)型產(chǎn)品。這里再次提醒讀者，應(yīng)該選擇那些能提供多種程序存儲器類型和大小的生產(chǎn)商。

設(shè)計智能電池時，除了要注意選擇恰當(dāng)?shù)腗CU存儲器之外，還要認(rèn)真考慮集成的外圍電路。 目前有不少微控制器廠商都在MCU內(nèi)集成了成熟的模擬電路，例如PIC16C774型MCU就帶有1個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個可編程節(jié)電復(fù)位器、1個可編 程電源電壓監(jiān)測器和1個電壓基準(zhǔn)。采用這些功能完善的芯片，可以在顯著提高產(chǎn)品綜合性能的同時，減少器件數(shù)目，縮小電路板尺寸，降低產(chǎn)品綜合成本。除了那些帶有模擬電路的器件外，還有些模擬集成電路可以獨立實現(xiàn)某種充電算法，只需要改變外接電阻的大小就可以調(diào)整充電參數(shù)。當(dāng)然，采用類似MCU內(nèi)核的專用電 池充電芯片也已經(jīng)出現(xiàn)，不過這種芯片不能由用戶編程。

智能電池的設(shè)計者在選擇MCU的存儲器類型時要考慮多方面的因素，因為ROM、OTP和Flash三種技術(shù)各有其優(yōu)點和不足。有經(jīng)驗的設(shè)計者會選擇那些能夠提供多種存儲器類型的廠商，為產(chǎn)品選出最恰當(dāng)?shù)腗CU。