微控制器靈活的外設可提高設計的經(jīng)濟性和能源效率

嵌入式控制應用的快速增長，對當今的微控制器提出了極為苛刻的要求。由于大量的數(shù)字/模擬輸入信號的復雜控制算法都必須在一個界定的較短響應時間內(nèi)進行處理，而且生成適當?shù)妮敵鲂盘枴Ｇ度胧娇刂茟脤τ陔娐钒蹇臻g、功耗和整體系統(tǒng)成本往往也提出了苛刻的要求。因此，微控制器除需要提供足夠的CPU和DSP性能外，還要求高度系統(tǒng)集成，從而避免擴展額外的外設。此外，它還能提供系統(tǒng)安全機制和降低器件功耗的特性。
　　
支持電機控制設計的捕獲/比較單元
　　
CCU6是一個高分辨率的16位捕獲/比較單元，采用特定應用模式，主要面向交流驅(qū)動控制或變頻器。特殊運行模式支持采用霍爾傳感器或反電勢檢測來控制無刷直流電動機。CCU6還支持通過輸入同時啟動若干個定時器，這是單芯片上的多個CCU6模塊共有的一個重要的特性。CCU6單元由一個包含3個捕獲/比較通道的定時器T12功能塊，與一個包含1個比較通道的定時器T13功能塊組成。T12通道能夠獨立生成PWM信號，或接受捕獲觸發(fā)信號，它們也可以共同生成控制信號序列，以驅(qū)動交流電機或變頻器。以XE166系列控制器為例，它集成了多達4個CCU6模塊，因此使用一片XE166控制器最多可以同時獨立控制4臺三相電機，如圖1所示。



圖1 XE166功能框圖
　　
CCU6 PWM單元可以和兩個高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器緊密聯(lián)動，適用于采用閉環(huán)算法，如磁場定向控制（FOC）的高端電機控制，如圖2所示。閉環(huán)算法需要來自電機的反饋信息，如相電流等。這個相電流值需要在PWM生成的界定狀態(tài)下測定。由定時器T12的三個比較通道可以生成6路PWM信號，加上自動插入死區(qū)時間功能，可以控制三個的功率半橋。再加上計時器T13，CCU6 能夠在已定義的PWM開關狀態(tài)下產(chǎn)生硬件觸發(fā)事件觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。



圖2 CCU6用于電機控制應用，產(chǎn)生自主PWM信號
　　
靈活的串行接口和更低的CPU負荷
　　
通用串行接口通道（USIC）是一個靈活的接口模塊，支持ASC、SSC、LIN、IIC和IIS等協(xié)議，如圖3所示。每個USIC模塊有兩個獨立信道，每個信道均可配置為所支持的協(xié)議之一。以往，客戶不得不使用指定的引腳來實現(xiàn)專用的輸入/ 輸出連接。有了USIC，每個信道的輸入/輸出信號可以單獨地指派至幾個端口引腳，從而進一步提高設計的靈活性。XE 166搭載至多3個USIC模塊，能夠支持6通道的片上輸入/輸出接口。每個信道都可以支持獨立的可編程波特率配置，還可以采用面向發(fā)送和接收的FIFO緩沖器。即使在運行期間，用戶仍然可以選擇或改變所配置的每個協(xié)議，而不需要芯片進行復位操作。USIC可支持以下協(xié)議：UART（異步串行通道（ASC），1.2kBaud～3.5MBaud）；硬件實現(xiàn)的LIN支持（低成本網(wǎng)絡，最高20kBaud）；SSC/SPI（同步串行通道，2kBaud～10MBaud）；IIC（100～400kBaud）；IIS（信息娛樂音頻總線，最高26Mbaud）。



圖3 靈活的通信
　　
除了可以靈活選擇通信協(xié)議之外，USIC架構(gòu)還能降低系統(tǒng)負荷（CPU負荷），實現(xiàn)非常高效的數(shù)據(jù)處理（支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸）。每個USIC通道包含一個專用波特率生成器。波特率生成既可以基于內(nèi)部系統(tǒng)時鐘也可以由外部時鐘輸入。這種架構(gòu)可支持頻率無法由內(nèi)部生成的數(shù)據(jù)傳輸，例如同步幾個通信設備等。再加上非常靈活的信號引腳接口，USIC為各種應用需要提供了完善的通信接口。
　　
模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器
　　
為測量模擬信號，XE166集成了包含24個（16+8）復用輸入通道的兩個高速可同步10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC0、ADC1）模塊，每個模塊分別集成了采樣保持電路。它們使用逐次逼近算法，在80MHz系統(tǒng)時鐘下實現(xiàn)低至0.675μs的轉(zhuǎn)換時間。采樣時間（用于電容器加載）和轉(zhuǎn)換時間都是可編程的，因此可以根據(jù)外部電路進行調(diào)整。這些模數(shù)轉(zhuǎn)換器也可以在8位轉(zhuǎn)換模式下運行，從而進一步縮短轉(zhuǎn)換時間。
　　
多個獨立的轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器、可選擇的中斷請求以及高度靈活的轉(zhuǎn)換序列，提高了XE166的可編程性，滿足不同應用的要求。兩個模塊可以同步，支持兩個輸入通道的并行采樣。對于需要更多模擬輸入通道的應用，外部模擬多路復用器可以自動控制。對于需要較少模擬輸入通道的應用，多余的通道輸入可以用作數(shù)字輸入端口引腳。
　　
極限/邊界檢查或結(jié)果累加等減少數(shù)據(jù)的特性，可以減少CPU的調(diào)用次數(shù)，從而即使在CPU速度很低的情況仍可實現(xiàn)精確的模擬輸入評估（高轉(zhuǎn)換率）。運用極限檢查可減少中斷負荷（例如溫度測量或過載檢測），因為只有在可編程邊界之外的轉(zhuǎn)換結(jié)果才會導致中斷。
　　
電源
　　
XE166支持/提供非常獨特的3～5.5V的靈活輸入/輸出電壓，并可允許選擇兩個不同的電平（5V面向模擬精度、3.3V面向標準外設IC），如圖4所示。內(nèi)核工作電源電壓為1.5V。片內(nèi)已嵌入專用的調(diào)壓器，從輸入/輸出供電電壓直接為內(nèi)核提供穩(wěn)壓，因此無須另外配備一個穩(wěn)壓器。這種設計的好處在于為模擬信號（將5V的傳感器信號連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和數(shù)字功能（數(shù)字邏輯、ASIC等）都提供了最佳的供電方式。對大多數(shù)應用而言，這可省去用于板上不同電壓級別之間的信號轉(zhuǎn)換的電平轉(zhuǎn)換器。



圖4 靈活的具有兩個獨立工作電平的電源
　　
輸入/輸出供電電壓通過一個具備內(nèi)部上電檢測功能的看門狗監(jiān)視器進行監(jiān)控，而且該器件無須外部上電復位電路便可啟動。兩個完全獨立的閾值電平和比較器用來驗證用戶設定的欠壓和過壓電平。在2.9V和5.5V之間有共計16個閾值電平可供選擇。供電電壓看門狗還監(jiān)控EVR的電源電壓是否足以在所有運行條件生成一個有效的內(nèi)核電壓。外部電壓監(jiān)測功能只需使用一個低成本的調(diào)節(jié)器，而無須額外的狀態(tài)信號。此外XE166還支持VDDI引腳上的短路保護。
　　
靈活可靠的時鐘源
　　
XE166系列的時鐘采用一種非常靈活的設計理念，提供多個時鐘源，以確保安全運行，如圖5所示。時鐘生成單元基于一個多預分頻器的可編程片上鎖相環(huán)電路（PLL），以非常靈活的方式為XE166生成時鐘信號。系統(tǒng)時鐘可以從若干個內(nèi)部和外部時鐘源（如晶體振蕩器）提取。外設可以可時鐘信號暫時斷開以節(jié)省功率；如果它們一直沒有被使用，也可永久斷開。片上高精度振蕩器電路（OSC-HP，4～25MHz，最高精度0.5mA）可連接一個外部晶體或輸入一個高精度的外部時鐘信號。其他時鐘源來自一個電流控制的片上振蕩器（OSC-LP，5MHz，快速啟動）。因此，用戶可以選擇最適當?shù)臅r鐘模式，獲得相關時鐘信號確保穩(wěn)定運行。不同時鐘源模式之間的切換是由軟件實現(xiàn)的。一個內(nèi)部“緊急”時鐘源可以保證在任何情況下都能提供時鐘信號（而不需要使用一個外部晶體）。振蕩器看門狗（OWD）監(jiān)控輸入時鐘并在輸入時鐘出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況下啟動緊急時鐘。



圖5 靈活可靠的時鐘模式，可在外部石英晶體失效時啟動片上振蕩器
　　
　　結(jié)論
　　
　　基于增強型C166S V2架構(gòu)的XE166系列微控制器，不僅具有出色的CPU性能、更強的輸入輸出能力和靈活的電源選擇，而且支持USIC等全新外設。該系列包含多種型號，廣泛適用于諸如電機控制、電源、運輸和通信等要求苛刻的工業(yè)應用領域。片內(nèi)集成的穩(wěn)壓器、使用了額外閃存模塊的仿真EEPROM和多個時鐘源優(yōu)化了系統(tǒng)成本。此外，這一系列還得到了全套開發(fā)工具的支持，包括評估板、調(diào)試器、編譯器和相關文檔。此外，英飛凌的合作伙伴Altium公司提供一年免許可費的Tasking XE166編譯工具。