32位MCU

支持5V工作,专用单电机逆变器控制功能和丰富的低引脚数封装

2020 年 3 月 31 日,日本东京讯 ― 全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社(TSE:6723)今日宣布推出32位微控制器(MCU)RX13T产品组,可对消费电子和工业应用中风机或泵用紧凑型电机进行高效逆变器控制,取代传统电机常用的开关类型控制。其中包括注重能效的工厂设备,如排水、供水泵和数据服务器的冷却风扇;以及需要较长运行时间的电池供电类家用电器产品,如电动工具、真空吸尘器等。

全新RX13T产品组集成了为单电机逆变控制而优化的丰富功能,减少芯片外设元件数量,并提供低引脚数封装,为电机控制带来了更高效率和更低BOM成本。

RX13T MCU是首批以32MHz运行并带有浮点运算单元(FPU)的MCU(注1),并传承RX产品家族所具备的强大功能,如逆变器控制计时器(MTU3)、12位A/D转换器、可编程增益放大器(PGA)和数据闪存,从而在单芯片上实现无刷直流电机控制。

瑞萨电子物联网平台业务部副总裁伊藤荣表示:“32位RX产品家族拥有丰富的产品阵容,自10年前推出市场便一直专注于电机控制领域。RX13T展示了瑞萨电子持之以恒地帮助全球客户在每种类型的电机控制解决方案中实现能源和成本效益的承诺。在RX上市10周年之际,我们致力于提供持续的产品创新,以服务使用RX产品家族开发解决方案的客户及合作伙伴。”

RX13T产品组是RX产品家族里首款采用紧凑32引脚LQFP封装和48引脚LFQFP封装的产品。此外,还计划发布更小的32引脚5mm x 5mm及48引脚7mm x 7mm QFN封装版本。在逆变器计时器和引脚分配等方面与RX23T 和 RX24T等现有产品高度兼容,用户可以轻松复用现有硬件及软件设计资源。

瑞萨配备RX13T CPU卡作为开发环境的一部分,支持24V电机控制评估套件(带电机)。具备仿真器功能,用户无需额外的片上调试仿真器,只需通过USB线将CPU卡连接至PC就可以快速启动评估。此外,还提供了用于无传感器矢量控制的电机控制示例代码,并支持Renesas Motor Workbench 2.0 电机控制开发支持工具,以帮助开发人员实现电机控制应用的快速评估和开发。

RX13T产品组的关键特性:

  • RXv1 CPU内核,32 MHz工作频率,性能高达98.56 CoreMark(注2)。
  • 片上FPU可消除执行定点算术运算时对溢出处理的需求,并有助于提高软件代码可读性。
  • 支持2.7V至5.5V的宽电源电压;5V工作电压的支持可大幅提升抗噪性能。
  • 包含用于逆变器控制的MTU3计时器模块。定时器计数器时钟与CPU运行时的高速时钟同频率运行,易于生成逆变器控制所需的具有死区时间的互补PWM输出。
  • 专用通道的采样和保持功能(用于三个通道)允许同时采样三相电流值,从而无需进行纠错并减轻软件负担。v
  • 具备128KB或64KB片上代码闪存、12KB片上SRAM、4KB片上数据闪存,无需外部EEPROM。
  • 丰富的片上外围功能,如三通道PGA、三通道比较器和高速片上谐振器(HOCO,精度为±1.0%),以减少外围元件需求。
  • 支持工作温度范围,-40°C至85°C和-40°C至105°C。满足工业及消费电子领域日益增长的对高温环境运行的需求。

供货信息

RX13T现已上市,根据封装、存储容量和引脚数量不同,产品价格不等。具备64KB ROM的32引脚QFP封装型号产品每10,000片批量单价为每片0.99美元(价格或供货信息若有变更,恕不另行通知)。

更多信息

有关RX13T产品组的更多信息,请访问:https://www2.renesas.cn/products/microcontrollers-microprocessors/rx/rx1...

注释

(注1)来源于瑞萨电子研究数据,截至2020年3月31日。
(注2)CoreMark:美国嵌入式微处理器基准联盟(EEMBC®)专为评估CPU核心性能而开发的基准测试;该值表示运行能力。

关于瑞萨电子株式会社

瑞萨电子株式会社 (TSE: 6723) ,提供专业可信的创新嵌入式设计和完整的半导体解决方案,旨在通过使用其产品的数十亿联网智能设备改善人们的工作和生活方式。作为全球领先的微控制器供应商、模拟功率器件和SoC产品的领导者,瑞萨电子为汽车、工业、家居、办公自动化、信息通信技术等各种应用提供综合解决方案,期待与您携手共创无限未来。更多信息,敬请访问renesas.com。

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我们正在见证,我们人生中最惊心动魄的一段历史。美国也成为全球除中国以外第5个确诊病例数过万的国家,其他4国分别为意大利、伊朗、西班牙、德国。 全球疫情升级,测温方案也在升级。

为何做一把合规的额温枪困难重重?

红外额温枪利用“普朗克黑体辐射定律”,吸收人体的红外辐射来测温。国标要求,16°C到35°C范围内,测温精度达到±0.2℃即可。但额温枪测量的并非理想信号,还需要考虑客观误差、环境影响等因素。所以硬件设计时,要求达到±0.1℃甚至更高的精度。

图为CS32A039红外额温枪单芯片方案示意图

信号链MCU——CS32A039

考虑到硬件的固定误差可以在生产中校准,实际测量误差主要来源于放大器失调电压温漂、增益误差温漂、ADC测量误差、及基准的温漂。所以零漂移放大器、高性能ADC和低漂移基准是红外测温枪设计的关键。为解决痛点,芯海科技推出了新一代信号链MCU——CS32A039,实现了单芯片红外额温枪方案。

图为CS32A039的框图

高精度&高集成度

CS32A039集成了24位全差分ΣΔADC、零漂移放大器、低温漂参考电压/LDO,无需额外的外围器件,足以满足高精度红外测温的需求。

芯片还集成12位高速SAR-ADC、温度传感器、电池电压测量通道,可同步测量环境温度、电池电压等参数。

除此之外,CS32A039的信号链IO还支持红外热释电、压力、惠斯通电桥等多种传感器,实现人体感应、压力触控、气压检测等多种功能。

图为高精度红外测温示意图

可靠性高,易过认证

芯片符合IEC60730的可靠性标准,抗干扰能力强,支持Memory硬件校验、安全时钟等多种可靠性措施,可以满足工业控制、医疗等应用场合的可靠性要求。

生态成熟,开发方便

芯片选用ARM Cortex-M0内核,频率48MHz。还包括5通道DMA,内置8KB SRAM和64KB Flash,CRC-32计算模块和96位UNID,处理能力强。开发者可以使用芯海科技32位通用MCU的开发资源,以及网上海量的开发资源,实现快速、灵活的开发和调试。

图为信号链MCU开发套件

外设丰富,扩展性好

芯片集成多个高性能高级定时器、实时时钟(RTC)、PWM、USART、高速SPI、主从I2C等丰富的数字外设,以满足多样的控制、通讯需求。

强大的双ADC信号链MCU,不止测温

疫情终将过去,发展才是根本。相比友商,CS32A039最大的特点就是双ADC架构(高速ADC和高精度24位ADC),以及32位的M0带来的处理能力。除了存储空间大,成熟的开发环境能让更多人轻松上手信号链MCU。强大的芯片加上芯海的算法优势和高级别的产业链安全等级,势必会为全球抗疫物资的补给提供有力的保障。

精准测温绝不是在疫情时期的昙花一现,CS32A039的优势战场不仅在红外额温枪,“志在产业升级”不是一句空话。芯海全系列信号链MCU将在AIoT中发挥“精准感知+精准控制+精准一站式服务”的作用。

有意请联系(微信同号)
陈先生:17190417123
李先生:18666193687

来源:芯海科技

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根据市调机构的分析数据指出,近年来尽管32位MCU异军突起,然而8位MCU每年依然占有全球MCU市场的35%以上市占率。在知名电子产品分销商Mouser的网站上,可供选择的8位MCU数量几乎可与32位MCU相比拟。可见在32位MCU当道之下,8位MCU不仅没有销声匿迹,反而占有另一片天。目前包括了NXP、Microchip、ST、Silicon Labs、ADI、瑞萨、TI等半导体公司,都提供市场大量的8位MCU选择。

8位MCU比起32位MCU,具有超过30年的领先优势,并且在现今的嵌入式系统中依然占据主导地位,对于8位MCU来说,其控制能力比起处理能力更受到市场的关注。尽管过去仍有16位MCU,然而在8位和32位MCU的竞争下,16位MCU不论在规格、功能和优势等方面都受到挤压。

1、8位和32位的抉择

在许多嵌入式设计上,8位MCU比32位拥有更容易设计的优势,依循8位架构的软件和硬件比起32位将更为简易。

回顾多年前,由于价格下降加上性能提升,使得32位MCU开始受到市场关注。这些优异的性能,加上更低的功耗,两相结合使得32位MCU产生一种不可抗拒的吸引力,在许多传统看不到32位的产品上,现在都纷纷可见到32位MCU的身影,例如手表或者家电(如冰箱)等。

一个存在设计人员心中很久的疑问,8位MCU与32位MCU到底差异在哪里?设计时又该如何做出正确选择?

众所周知,8位MCU在物理尺寸、功耗和成本方面优于32位MCU。设计项目本身或系统要求,将决定必须采用哪一种MCU。事实上,8位与32位MCU现阶段在成本方面并没有太大的不同,效能上则是一个比另一个更强大。但是,在设计时要做出正确的选择,了解两个微控制器之间的根本差异就非常重要。

一般来说,8位MCU在任何特定时间都只能进行8位的数据资料处理。而理论上,32位MCU则可以处理四倍的数据量,就技术面来看,32位MCU的确可以提高数据处理效率。但是,在8位和32位MCU之间进行选择,比较大的差异将会是在其资料处理的宽度。

通常面对8位和32位MCU之间抉择的时候,考虑以下几种差异性,将有助于为设计做出最佳决策。

2、成本与尺寸

首先,必须先从几个层面检查系统要求。在某些情况下,很明显8位MCU就足够了,特别是如果最终的程序只需容纳不到8KB的内存,并且预算要求很低,加上系统以及代码和数据量都很小,而且还必须兼顾到成本、物理尺寸和功耗等因素的话,那么8位MCU可能就足够了。

一般来说,8位MCU的成本较低,且尺寸也小于32位MCU,但近年来,32位MCU的成本越来越有竞争力,换句话说,相同价格之下,采用32位MCU可以提供更多的应用可能性。至于在整体功耗方面,处理效能较慢的8位MCU总是会胜过更快的32位MCU。

如果还是做不了决定的话,或许可以从这个角度来观察。基本上,在32位MCU价格竞争力越来越强的情况下,其价格与8位MCU越来越接近,或者可以说,8位MCU的价格就可以买到效能更优异的32位MCU了。

尽管32位MCU可以透过4倍的处理速度来执行更复杂的运算,然而在获取更高运算效能的同时,却也必须付出其他代价,也就是功耗同时将会提高。要知道在嵌入式系统(特别是类似物联网这种采用电池供电的装置)中,每多一份意料之外的耗电量都会成为整体系统的庞大负担。因此,如果所设计的系统对于MCU的需求,是介于8位与32位之间的灰色地带,但同时又对于功耗问题特别在意的话,那么8位MCU的吸引力真的会令设计人员无法抗拒。

3、运算速度和存储

与8位MCU相比,32位MCU的主要优势之一是其更出色的处理速度。典型的8位MCU通常以8 MHz运行,而32位MCU的时脉频率则可达数百MHz。如果只是使用MCU来开启机械继电器,就很可能会忽略到这些数据处理时的速度差异。但是,当运行的是需要大量数据处理的应用程序时,这些速度上的差异就会变得明显。例如,每天要处理上千次工作的门禁控制器,就需要采用32位的MCU。

8位MCU的优势在于价格便宜且易于使用。事实上,在许多应用中,它们已经被使用了40年之久,却仍然非常受欢迎。但是,如果所欲处理的是需要大量内部随机存取存储(RAM)的工作,那么可能就必须采用32位MCU来替换8位。32位MCU的RAM通常比8位产品多8倍。因此,例如工程师需要一个巨大的缓冲区来储存音讯数据的话,那么32位MCU便是最好的应用选择。

4、增加周边设备

通常来说,采用MCU的系统又称为嵌入式系统。嵌入式系统设计的基础,包括根据项目要求来增加所需要的周边设备。如果所需要的周边包括了以太网络、USB、UART和控CAN总线等介面,那么8位MCU肯定就不太足够。在使用上8位MCU还必须要增加这些通讯介面的芯片,这可能比采用单独的32位MCU还要花费更多。

与8位MCU相比,通常32位MCU的功能更丰富。凭借出色的处理速度,32位MCU可以有效地处理多个外部设备。但是必须注意的是,使用32位MCU将会消耗更多功率,尤其是在所有外部设备都开启运作时。

5、简单就是最大优势

8位MCU特色在于架构简单。相较之下,处理效能更加优异的32位MCU,却同时也背负着架构复杂的原罪。在设计上,有一个很重要的因素,就是简单。8位MCU的简单性创造了以下几项优势:在许多嵌入式设计上,8位比32位拥有更容易设计的优势,依循8位架构的软件和硬件比起32位将更为简易。

另外,开发工具也可以是设计成败的关键,因为特定的MCU可能无法使用免费设计工具,付费工具的成本可能会高到每个几百甚至到几千美元(视设计规模而定)。因此,免费的开放工具将有很大的吸引力。而所选择的MCU社群论坛也可能影响设计的成败,因为这取决于制造商的这款MCU产品有多少使用者支持,越多使用者的社群论坛,就有更多参考价值高的资料库文档。这对于设计的好坏与成败也具有重大的影响性。

本文引用地址: http://www.21ic.com/news/mcu/201901/865661.htm

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该如何对8位以及32位的MCU进行选择?8位和32位MCU在功能上仍是互为辅助、各有千秋,这其中的诀窍就在于,需先了解什么样的应用适合什么样的MCU架构。

本文对比了8位MCU和32位MCU的使用案例,也可作为如何选择这两种MCU架构的指南使用。本文中大部分32位MCU的范例将关注ARM Cortex-M,Cortex-M在不同MCU供应商产品组合中表现得非常相似。鉴于8位MCU有很多种架构,所以很难对8位供应商产品进行类似的比较。为了便于进行比较,我们将使用广泛应用、易于理解的8051 架构,该架构深受嵌入式开发人员的青睐。

8位和32位MCU该如何选择?

有时,当我对比人们所熟知的事物(例如ARM和8051)时,感觉就像在物联网论坛上发出「《星际争霸战》比《星际大战》好看」的帖子一样,很快就能火起来。

事实上,ARM Cortex和8051哪个更好并不是个逻辑问题,就像是在问:吉他和钢琴哪个更好?真正要解决的问题应是哪种MCU能帮我更好地解决当下面临的问题。不同的任务需要使用不同的工具,我们的目的是要了解「如何才能更好地运用我们所拥有的工具」,包括8位和32位MCU。几乎可以肯定地说,那些简单回答「ARM更好」或「8051更好」的人各有其目的,他们也许正在试图销售某种产品。

对不同的设备进行比较,需要对其进行测量。有很多构建工具可供选择,我们尽量选择一些场景,我认为其能够进行最公平的比较,且最能代表开发人员的真实体验。

并非所有的MCU都是一样的

在开始对架构进行比较之前,要注意到并非所有生产的MCU都是一样的,这一点非常重要。如果将基于ARM Cortex-M0+处理器的现代MCU与30年前的8051 MCU进行对比,8051 MCU在性能对比上不会胜出。幸运的是,依然有许多供应商一直在对8位处理器持续投资。在许多应用中,8位内核能依然能够弥补M0+或M3内核不利的地方,甚至在一些方面性能更佳。

开发工具也很重要。现代嵌入式固件开发需要全功能IDE、现成的固件库、丰富的范例、完整的评估和入门套件以及助手应用以简化硬体设定、库管理和量产程式设计之类的工作。当MCU有了现代化的8位内核和开发环境后,在很多情况下,这样的MCU将超越基于ARM Cortex的类似MCU。

系统规模

一般性原则是,ARM Cortex-M内核更适用于较大的系统规模,而8051设备适用于较小的系统规模。中等规模的系统可以选择两种方式,这取决于系统要执行的任务。有必要注意一点,在大多数情况下,外设组合将会发挥重要的作用。如果需要3个UART、1个LCD控制器、4个时钟和2个ADC,你可能并不会在8位MCU上找到所有这些外设。

易用性vs成本和尺寸

对于中等规模的系统来说,使用任何一种架构都可以完成工作,需要权衡的是选择ARM内核带来的易用性,还是8051设备带来的成本和物理尺寸优势。ARM Cortex-M架构具有统一的存储映射模式,并且在所有常见编译器中支持完整的C99,这使得这种架构非常易于写固件。此外,还可得到一系列库和协力厂商代码。当然,这种易用性的代价就是成本。对于高复杂性、上市时间较短的应用或缺乏经验的固件开发人员来说,易用性是个重要因素。

尽管8位与32位组件相比有些成本上的优势,但真正的区别就在于成本级别。大家经常会发现具有2 KB/512 B(Flash/RAM)的小容量8位器件,而却很少见低于8 KB/2 KB的32位器件。在不需要很多资源的系统中,该范围的存储容量能够让系统开发人员获得显著降低成本的解决方案。因此,对成本极为敏感或仅需较小存储容量的应用会更倾向于选择8051解决方案。

通常,8位器件也具有物理尺寸上的优势。例如,某些MCU的32位QFN封装为4 mm×4 mm,而基于8051的8位器件的QFN封装可小至2 mm×2 mm。芯片级封装(CSP)的8位和32位架构之间的差异较小,但却使成本增加,且组装较难。对于空间严格受限的应用来说,通常需要选择8051 MCU来满足限制要求。

通用代码和RAM效率

8051 MCU成本较低的主要原因之一是,它通常比ARM Cortex-M内核更高效地使用Flash和RAM,这允许系统采用更少资源实现。系统越大,这种影响就越小。

但这种8位存储资源的优势并不总是如此,在某些情况下,ARM内核会像8051内核一样高效或比其更高效。例如:32位运算仅需要一条ARM设备指令,而在8051 MCU上则需要多条8位指令。显然,这种代码在ARM架构上有更高的执行效率。

ARM架构在Flash/RAM尺寸较小时的两个主要缺点是:代码空间效率和RAM使用的可预测性。首要也是最明显的问题是通用代码空间效率。8051内核使用1位组、2位组或3位组指令,而ARM内核使用2位组或4位组指令。通常情况下,8051指令更小,但这一优势因实际上花费许多时间而受到削弱,ARM内核比8051在一条指令下能做更多工作,32位运算就是这样一个范例。实践起来,指令宽度是能在8051上产生适度的更密集代码。

代码空间效率

在含有分散式访问变数的系统中,ARM架构的载入/存储架构通常比指令宽度更为重要。试想讯号量的实现,一个变数需要在代码周围的多个不同位置进行减量(分配)或者增量(释放)。ARM内核必须将变数载入到寄存器,对其进行操作并重新存储,这需要3条指令。另一方面,8051内核可以直接在记忆体位置上进行操作,且仅需1条指令。随着每次对变数完成工作量的增大,由于载入/存储而产生的消耗就变得微不足道。但对于每次仅完成一点工作的情况来说,载入/存储能产生重要影响,让8051获得明显的效率优势。

尽管讯号量在嵌入式软件中并非常见,但简单的计数器和标志讯号量却广泛应用于控制导向的应用中并起着相同的作用。许多常见的MCU代码都属于这一类型。

另一个原因是,ARM处理器比8051内核拥有更多的自由使用栈空间。通常情况下,8051设备针对每次函式呼叫仅在栈上存储返回位址(2位组),通常通过分配给栈的静态变数处理大量的任务。

在某些情况下,这会产生问题,因为这会造成函数预设不可重入。然而,这也意味着必须保留的栈空间很小,且完全可预测,这在RAM容量有限的MCU中至关重要。

架构细节

现在,我们来说基本情景。假设有基于ARM和基于8051的MCU各一个,配有所需的外设,那么对于较大的系统或需要重点考虑易用性的应用来说,ARM设备是更好的选择。如果首要考虑的是低成本/小尺寸,那么8051设备将是更好的选择。下面我们对于每种架构更擅长的应用进行更详细的分析,同时也划分出一般原则。

(1) 延时

两种架构的中断和函式呼叫延时存在很大差异,8051比ARM Cortex-M内核更快。此外,高级外设汇流排(APB)配备的外设也会影响延时,这是因为资料必须通过APB和AMBA高性能汇流排(AHB)传输。最后,当使用高频内核时钟时,许多基于Cortex-M的MCU需要分配APB时钟,这也增加了外设延时。

我做了1个简单的实验,实验中的中断是通过I/O引脚触发的。该中断对引脚发出一些信号,并根据引发中断的引脚更新标志。然后我测量了一些参数显示了32位的实现。

简单说明这个实验结果,8051内核在中断服务程式(ISR)进入和退出时显示出优势。但是,随着中断服务程式(ISR)越来越大和执行时间的增加,这些延迟将变得微不足道。和已有原则一致,系统越大,8051的优势越小。此外,如果中断服务程式(ISR)涉及到大量资料移转或大于8位的整数资料运算,中断服务程式(ISR)执行时间的优势将转向ARM内核。例如,一个采用新样本更新16位或32位移动平均的ADC ISR可能在ARM设备上执行得更快。

(2) 控制vs处理

8051内核的基本功能是控制代码,其中对于变数的访问是分散的,并且使用了许多控制逻辑(if、case等)。8051内核在处理8位资料时也是非常有效的,而ARM Cortex-M内核擅长资料处理和32位运算。此外,32位资料通道使得ARM MCU复制大包的资料更加有效,因为它每次可以移动4个位组,而8051每次仅能够移动1个位组。因此,那些主要把资料从一个地方移动到另一个地方(例如UART到CRC或者到USB)的流资料处理的应用更适合选择基于ARM处理器的系统。

这并不意味着有大量资料移动或32位运算的应用不应该选择8051内核完成。在许多情况下,其他方面的考虑将超过ARM内核的效率优势,或者说这种优势是不相关的。考虑使用UART到SPI桥接器,该应用花费大部分时间在外设之间复制资料,而ARM内核会更高效地完成该任务。

然而,这也是一个非常小的应用,可能小到足以放入一个仅有2 KB存储容量的器件就足够合适。尽管8051内核效率较低,但它仍然有足够的处理能力去处理该应用中的高资料速率。对于ARM设备来说,可用的额外周期可能处于空闲回圈或「WFI」(等待中断),等待下一个可用的资料片到来。在这种情况下,8051内核仍然最有意义,因为额外的CPU周期是微不足道的,而较小的Flash封装会节约成本。如果我们要利用额外的周期去做些有意义的工作,那么额外的效率将是至关重要的,且效率越高可能越有利于ARM内核。这个例子说明,清楚被开发系统所关注的环境中的各种架构优势是何等重要。做出这个最佳的决定是简单但却重要的一步。

(3) 指针

8051设备没有像ARM设备那样的统一的存储映射,而是对存取码(Flash)、IDATA(内部RAM)和XDATA(外部RAM)有不同的指令。为了生成高效的代码,8051代码的指标会说明它指向什么空间。然而,在某些情况下,使用通用指标可以指向任何空间,但是这种类型的指标是低效的访问。例如,将指标指向缓冲区并将该缓冲区资料输出到UART的函数。如果指标是XDATA指标,那么XDATA阵列能被发送到UART,但在代码空间中的阵列首先需要被复制到XDATA。通用指标能同时指向代码和XDATA空间,但速度较慢,并且需要更多的代码来访问。

专用区域指标在大多情况下能发挥作用,但是通用指标在编写使用情况未知的可重用代码时非常灵活。如果这种情况在应用中很常见,那么8051就失去了其效率优势。

(4) 通过选择完成工作

我已经注意到多次,运算倾向于选择ARM,而控制倾向于选择8051,但没有应用仅仅着眼于计算或控制。我们怎样才能表征广义上的应用,并计算出它的合适范围呢?让我们考虑一个由10%的32位计算、25%的控制代码和65%的一般代码构成的假定的应用,它不能明确地归于8位或32位类别。

这个应用也更注重代码空间而不是执行速度,因为它并不需要所有可用MIPS,并且必须为成本进行优化。成本比应用速度更为重要的事实在一般代码情形下将给8051内核带来微弱优势。此外,8051内核在控制代码中有中间等级的优势。ARM内核在32位计算上占上风,但是这并非是很多应用所考虑的。考虑到所有这些因素,这个特殊的应用选择8051内核更加合适。

如果进行细微的改变,假设该应用更关心执行速度而非成本,那么通用代码不会倾向于哪种架构,并且ARM内核在计算代码中全面占优势。在这种情况下,虽然有比计算更多的控制代码,但是总的结果将相当均衡。显然,在这个过程中有很多的评估,但是分解应用,然后评估每一元件的技术将?明并确保我们了解在哪种情况下哪种架构有更显著的优势。

功耗

当查阅资料手册时,很容易根据功耗资料得出哪个MCU更优的结论。虽然睡眠模式和工作模式电流性能在某些类型MCU上更优,但是这一评估可能会非常具有误导性。占空比(在每个电源模式上分别占用多少时间)将始终占据功耗的主导地位。除非两个器件的占空比相同,否则资料手册中的电流规格几乎是没有意义的。最适合应用需求的核心架构通常具有更低的功耗。

假设有一个系统,在设备被唤醒后添加一个16位ADC样本到移动平均,然后返回到休眠状态,直到获取下一个样本时才又被唤醒。该任务涉及到大量16位和32位计算。ARM设备将能够进行计算,并比8051设备更快返回到休眠状态,这会让系统功耗更低,即使8051具有更好的睡眠和工作模式电流。当然,如果进行的任务更适合8051设备,那么MCU功耗由于相同的原因而对系统有利。

8位或32位?我仍然不能决定!

如果考虑到所有这些变数后,仍然不清楚哪些MCU架构是最好的选择,会怎样?那好吧!这说明,它们都是很好的选择,你使用哪种体系结构并不是紧要的事情。如果没有明确的技术优势,那么过去的经验和个人喜好在你的MCU架构决定中也起到了很大的作用。

此外,你也可以利用这个机会去评估可能的未来项目,如果大多数未来专案更适合ARM设备,那么选择ARM,如果未来项目更侧重于降低成本和尺寸,那么就选择8051。

这到底意味着什么呢?

8位MCU仍然可以为嵌入式开发人员提供许多功能,并且越来越关注物联网。当开发人员开始设计时,重要的是确保从工具箱中获得合适的工具。虽然我还是很乐意把8051出售给可能更适合选择32位设备的客户,但是我不禁想象,如果开发人员仅仅花费1个小时思考就作出决定,那么他们的工作将会更加容易、最终的产品将会更好。

实际上的难题是,不能仅仅依赖于一些演示文件中的一两个要点,就得出选择MCU架构的结论。然而,一旦你有正确的资讯,并愿意花一点时间应用它,就不难作出最佳选择。(文章来源:新电子)

转自:嵌入式资讯精选

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作者: 新唐科技

1、前言

传统的低功耗MCU设计都是以8位MCU为主,因为8位内核逻辑门数相对较少,运行或泄露电流低,售价也相对低廉。但是,许多新兴的应用都需要比8位内核更大的处理效率。近年智能生活的抬头、物联网的建立,便携式消费性电子产品与无线功能需求越来越高、设计越来越复杂,要提高性能的同时又要兼顾低功耗,需要有一款高性能低功耗的主控MCU来作为平台。另一方面,工业上的智能化也在展开,如远程监控、数字化、网络化等。简单说来,就是人物连接(云端应用)、物物连接(物联网)需求越来越多,导致产品功能越来越复杂,计算量越来越高,2009年ARM发表了32位Cortex-M0内核,提供给MCU厂商一个强而有力的平台,加上工艺微缩技术的进步,嵌入式闪存工艺普及化及降价,主要成本来自内存大小及模拟外设和IO引脚数量,CPU内核的成本差异已大幅缩短,更促进了高性价比32位低功耗MCU的快速发展。

2、MCU功耗来自何处?

在开始讨论低功耗MCU设计前,必须先探讨MCU功耗的来源,其主要由静态功耗及运行功耗两部分组成。考虑实际的应用,最后决定系统功耗性能指针则必须计算平均功耗。

2.1 运行功耗

现代MCU已集成相当多的模拟外设,不能单纯考虑数字电路的动态功耗。MCU运行时的总功耗由模拟外设功耗和数字外设的动态功耗相加而得。模拟电路的功耗通常由工作电压及其性能要求指针来决定,例如100ns传输延迟(Propogation Delay)的比较器工作电流可能约为40微安,当允许传递延迟规格为1μs时,工作电流有机会降到几个微安。

数字电路的动态功耗主要来自开关频率、电压及等效负载电容,其计算公式如下:

PDynamic(动态功耗) ~ f(工作频率) x CL(等效负载电容) x VDD2(工作电压)

由以上公式可以理解到降低动态功耗最直接的方式是降低工作电压及工作频率。但MCU实际应用通常要求更宽广的工作电压及更高的性能。在降低工作电压方面,可以选择更新的工艺,并通过LDO让CPU内核、数字电路及与引脚输入输出电压无关的模拟外设在低压工作,IO引脚及需要与其他外部电路连接的模拟外设则在较高的系统电压工作。如此可以兼顾低功耗及宽工作电压的需求。在降低工作频率这项参数上,一个设计优良的32位MCU更能突显其性能优势,除了直觉的MIPS比较之外,32位总线也代表更高的数据存取带宽,能以更低的工作频率达到相同的性能,进而降低整体功耗。另外,如果MCU内置与工作频率相关的模拟外设,例如石英晶体振荡电路、嵌入式闪存或电流式DAC,其电流消耗与转换频率成正比,也要纳入低功耗MCU的动态功耗设计考虑。

2.2静态功耗

传统静态功耗的定义是指系统时钟源关闭时数字电路的漏电流。但是在混合信号低功耗MCU的设计中要同时考虑下列多种漏电流来源,包含数字电路漏电流、SRAM漏电流、待机时已关闭的仿真电路漏电流(例如ADC,嵌入式闪存)、待机时不关闭的仿真电路工作电流(例如LDO、BOD)及IO引脚的漏电流。因为时钟源已关闭,影响静态功耗的主要参数为工艺、电压及温度。因此,降低静态功耗必须选择超低功耗工艺,但是低功耗工艺通常伴随较高的Vt,导致低电压模拟外设设计困难。另外,以MCU待机电流1微安的规格,代表数字电路漏电 + RAM保持电流 + LDO工作电流 + BOD(掉电检测或重置电路)工作电流总和必须小于1微安,对于Flash,RAM越来越大及功能越来越多的低功耗MCU设计厂商而言,是十分艰巨的挑战。

2.3平均功耗

在系统级要兼顾低功耗及高性能,必须考虑实际应用的需求,例如无线环境传感器可能让MCU主时钟及CPU关闭,只开启低频时钟,定时唤醒外围电路进行检测,当符合设定条件的事件发生时快速启动CPU进行处理,即使没有任何事件发生,也必须定时激活CPU维持无线传感器网络的联机。在遥控器的应用中,则可能完全将所有时钟源都关闭,当用户按键时快速唤醒时钟源及CPU进行处理。另外,许多应用都会加入一个MCU作为主机处理器的协处理器,用于监控键盘或红外线输入、刷新显示器、控制主处理器电源以及智能电池管理等任务。此时平均功耗比单纯的运行功耗或待机功耗更具指标性意义。

平均功耗由下列主要参数组合而成:运行功耗及运行时间,静态待机功耗及待机时间,不同运行模式之间的切换时间。兹以下图进行说明:

32位低功耗MCU的设计

32位低功耗MCU的设计

因为进入待机模式时间很短,忽略此段时间的电流消耗,公式可以简化为:
32位低功耗MCU的设计

由以上公式观察到除了降低运行电流及静态待机电流外,降低运行时间、唤醒时间及高低速运行模式切换时间也是降低整机功耗的重要手段。另外,上图同时指出,低功耗MCU支持动态切换运行时钟频率是必要的功能。

3、低功耗MCU设计考虑

3.1 工艺选择

为了达到低功耗的运作,并能有效地在低耗电待机模式下达到极低的待机功耗,可以通过对工艺的选择而达到基本的要求门槛。在不强调速度极致的某些工艺分类,选择极低组件截止电流工艺(如下图)进行逻辑门制作,并进行数字设计是方法之一。选择这种策略的额外效益是,通常也能在降低动态工作电流上,达到较好的表现。另外,由于高温大幅增加静态电流,当温度由摄氏25度增加到摄氏85度时,一个典型比例约增加10倍的静态电流,以非低功耗0.18微米工艺开发的32位MCU,逻辑门数200K、4KB SRAM在核心电压1.8V、摄氏25度的静态耗电约为5~10微安,当温度升高到摄氏85度时,静态待机电流将会飙升到50~100微安。而低功耗工艺在摄氏85度仅约10微安静态电流。

32位低功耗MCU的设计

3.2 低功耗高性能的CPU内核

早期低功耗MCU受限于成本及工艺技术,大都选择8位CPU内核,但随着工业上的智能化也在展开,如远程监控,数字化、网络化等。简单说来,就是人物连接(云端应用)、物物连接(物联网)的需求越来越多,导致产品功能越来越复杂,计算量越来越高,8位MCU已逐渐无法满足性能需求。为了兼顾低功耗高性能,选择适用的32位CPU内核是大势所趋。

选择低功耗CPU内核,除了单位频率耗电流外,还需要综合考虑紧凑的低内存代码,相同功能所需的代码越长,除了增加内存成本,也代表更长的运行时间及功耗。另外,由于软件开发成本在后期将会越来越高,大量的参考代码及更多的第三方开发商的支持,都可以有效降低软件的开发时间及成本。所以选择一款更多人使用的CPU内核也是重要的考虑之一,ARM Cortex-M0逻辑门数仅27K,使用的电量在1.8V,超低泄漏180ULL (Ultra Low Leakage)仅约50μA/MHz。M0内核采用Thumb2指令集架构,产生出非常紧凑的低内存代码,进一步降低了电源需求。ARM自2009年发表了32位Cortex-M0内核以来,包括NXP、新唐科技、ST、Freescale等多家国内外MCU大厂相继投入Cortex-M0 MCU开发,不论供货或者品种的齐全度都已十分成熟,投入Cortex-M0的MCU开发商也在持续增加中。

3.3 低功耗数字电路

对于一般的同步数字电路设计,要使数字单元有效降低工作电流,通过控制时钟的频率或截止不需要的时钟跳动,也是重要的方法。低功耗MCU通常配备丰富的时钟控制单元,可对个别的数字外设单元依照需求做降频或升频的工作调整,在达到工作能力的同时,用最低的频率来运行。但为了达到更弹性的时钟源配置,可能导致CPU内核和外围电路时钟不同步的现象,此时必须仔细考虑电路设计,保证跨时钟领域数据存取的正确性。

另外,为了尽量降低CPU介入处理的时间或降低CPU工作频率而节省下来的功耗,可以提供DMA或外围电路相互触发电路进行数据的传递,例如Timer定时自动触发ADC或DAC,并通过DMA进行数据由ADC到RAM或者RAM到DAC的搬移,同时在ADC的输入可以增加简单的数字滤波及平滑化电路,这样可不需要CPU经常介入处理,也不会因为需要实时处理ADC或DAC事件导致中断程序占用太多时间,降低系统的实时性及稳定性。

3.4 支持多种工作模式

为了配合不同的应用需求,并达到系统平均功耗的最小化,低功耗MCU需要提供多种工作模式,让用户灵活调配应用,常见的工作模式有下列几种:

● 正常运行模式:CPU内核及外设正常工作,能实时改变CPU及外设的工作频率(On the Fly)或关闭不需要的时钟源以获得最佳的工作性能。

● 低频工作模式:CPU内核及外设工作于低频的时钟源,例如32.768K晶振或内部低频10K RC振荡器。通常此时最大的耗电来源为嵌入式闪存及LDO本身的耗电流。如果此时的执行程序不大,可以考虑将程序运作于RAM以降低平均功耗。请注意并不是所有MCU都能支持在RAM执行程序。

● Idle模式:CPU内核停止,时钟源和被致能的外围电路持续工作,直到外围电路符合设定条件唤醒CPU进行数据处理或控制执行流程。通常高频的运行模式,CPU及嵌入式闪存消耗相当大比例的电流,故Idle模式能有效降低平均功耗。

● 待机RAM保持模式:CPU内核及所有时钟源关闭,内置LDO切换到低耗电模式,但是RAM及IO引脚持续供电,维持进入待机之前的状态。

● RTC模式:CPU内核及高频时钟源关闭,内置LDO切换到低耗电模式,由于此时LDO供电能力降低,仅能提供低耗电的外围电路运行,例如32.768K晶振、RTC(实时时钟计数器)、BOD(掉点检测或重置电路)、TN单色LCD直接驱动电路等。

● 深层待机模式:CPU内核及所有时钟源关闭,关闭RAM及LDO、BOD等所有外围电路的电源,仅IO引脚(或部分IO引脚)持续供电,由IO引脚或重置(Reset)引脚唤醒CPU。因为此模式下,RAM的数据已丢失,通常会进行内部电源切割,提供数十个状态记录缓存器作为系统重启时的初始状态参考源。此模式的优点是更低的静态电流,通常仅需100nA~500nA,其缺点是并非所有的应用都可以忍受RAM数据丢失及系统重启。

3.5 电源系统的考虑

在多电源系统的应用上,必须考虑低功耗MCU的内部电源规划或自动切换,以下以市电/备用电池双电源系统及内置USB接口,但平常由电池供电的移动设备来举例说明。

● 市电/备用电池双电源系统:MCU平常由市电经由交直流转换电路供电,当市电断电时,经由连接在备用电源的独立供电引脚进行供电,同时在MCU内部进行电源切割,并提供一个可靠的备用电源自动切换开关,确保市电正常供电时备用电池不会持续被消耗。但仔细考虑,其实有两种状况可能发生,一种是备用电池仅供电给部分低耗电的外围电路,例如32.768K晶振、RTC时钟电路、数据备份寄存器等。当市电来时MCU将重新启动。另外一种状况是当市电断电时,有可能MCU及部分外围电路会被唤醒工作,然后再次进入待机模式。智能型电表就是此类应用的典型代表。在此种应用中,备用电池需要供电给整颗MCU,所以电源自动切换开关必须能承受更高的电流,相对成本也较高。

● 内置USB接口移动设备:此类设备平时由两节电池供电或锂电池供电,工作电压可能为2.2V到3V,当连接到USB时,USB接口转由VBUS供电。此类低功耗MCU如果没有内置5V转3V的USB接口LDO将会产生下列问题,当连接USB时必须由外挂的LDO将USB VBUS的5V电源转换为3V电源同时提供给MCU VDD及USB接口电路,但又必须避免LDO输出的3V电源与脱机工作时的电池电源发生冲突,将会需要外加电源管理电路,增加系统成本及复杂度。

3.6 丰富的唤醒机制及快速唤醒时间

有许多的系统应用场合,需要由外部的单一信号、键盘或甚至串行通信信号来激发MCU启动整体系统的运作。在未被激发的时候,微控制器或甚至大部分的整机需要处于最低耗电的待机状态,以延长电池的寿命。能够在各种需求下被唤醒,也成为微控制器的重要特征。MCU能拥有各式不同的唤醒方式,包括各I/O可作为激发唤醒的通道,或是由I2C、UART、SPI的信道作为被外界组件触发唤醒,或使用内、外部的超低耗电时钟源,通过Timer来计时唤醒。诸多的唤醒机制,只要运用得当,并配合微控制器的低功耗工作切换模式,可以使MCU几乎时时处于极低功耗的状况。

配有快速、高效率内核的MCU,可以在每次唤醒的当下短暂时间里,完成应有的工作与反应,并再次进入深层的低待机模式,以此达到平均耗能下降的目的。但是,如果唤醒后开始执行微指令的时间因为某些因素而拖延得很长,将会使降低总体耗电的目标大打折扣,甚至达不到系统反应的要求。因此,有些MCU,配合起振时间的改进,逻辑设计的配合,使得唤醒后执行指令的时间至少降到数个微秒之内。

3.7 低功耗模拟外设及内存

低功耗MCU在运行时除了CPU内核及被使能的数字外围电路在工作外,越来越多被集成到内部的模拟外围电路也是耗电的主要来源。以最简单的while (1);执行语句来分析运行功耗,共包含下列耗电来源:CPU内核、时钟振荡器、嵌入式闪存内存、及LDO本身的消耗电流。代入以下典型值数据将会更清楚显示各个部分对耗电的影响:

● 工作频率12MHz,MCU电压3V,LDO输出1.8V供给CPU内核、内存及其他数字电路

● 低功耗Cortex-M0内核:600μA

● 嵌入式闪存内存:1.5mA

● 低功耗12MHz晶振电路:230μA

● LDO本身的静态消耗电流:70μA

● 总和 = 0.6 + 2 + 0.23 + 0.07 = 2.4mA,平均功耗约200μA/MHz

其中耗电比例最高的是嵌入式闪存内存。如果要工作在更高频率,通常会启动内置的PLL提供更高频率的时钟源,在1.8V供电的典型PLL,12MHz输入输出48MHz工作电流约为1~2mA,如果不能有效降低PLL耗电,对高频工作的低功耗MCU将是一大电流负担。

LDO的最低静态功耗、32.768kHz晶振电路、BOD及TN LCD驱动电路的工作电流,都会大大影响到待机或RTC模式的功耗指针。以低功耗应用的热能表为例,RTC加LCD显示的功耗要求在3V/8μA以下,这代表可以预估分配给下列电路的电流预算为:LDO静态功耗0.5μA + 32.768kHz晶振及RTC电路1μA + BOD 1μA + TN LCD驱动4μA + LCD玻璃1μA + 所有数字电路及模拟外设漏电流0.5μA。这些模拟外设除了低耗电要求,同时必须兼具要求批量生产及温度变化时的一致性,这对模拟设计人员将是一大挑战。

快速唤醒这个性能指针也会影响到下列模拟外设的稳定时间。当MCU从低耗电的待机模式唤醒时,首先要将LDO快速切换到高供电模式,启动内部高速RC振荡器,使能嵌入式闪存及CPU,以上所有电路的稳定时间总和必须在数个微秒内完成,才能符合快速唤醒的需求。

另外一个容易被忽略的设计是外围电路启动电流,因为相当多的便携设备采用CR2032小型锂电池,瞬间推动力仅有数mA,尤其使用一段时间瞬间推动力会更低,当MCU被唤醒时果外围电路启动电流总和太大时,将会导致CR2032输出电压骤降而导致MCU重置(Reset)或工作不正常。为了避免此问题,除了降低外围电路的启动电流,另一种方法是分时分段启动外围电路,不要集中开启太多耗电的电路。

4、平均功耗计算范例

为了让读者更具体了解平均功耗的计算,以新唐科技的低功耗32位MCU Nano系列及血糖计应用为例,进行使用年限的预估。新唐的Nano系列低功耗32位MCU的CPU内核为Cortex-M0,具有200uA/MHz低运行功耗、待机电流仅需1uA、7uS快速唤醒、多重时钟信号来源及多种工作模式,多达128KB Flash、16K SRAM及12位ADC、12位DAC、SPI、I2C、I2S、UART、LCD、Touch Key等丰富外设,符合低功耗、高性能MCU应用需求。

此血糖计范例采用CR2032 230mAh电池,使用方式、运行功耗及静态功耗如下表所示。

32位低功耗MCU的设计

使用年限的计算方式请参考下表。量测时间比例、显示时间比例及待机时间比例可由上表求得。例如,量测时间比例为“6次 x 0.25分钟 / (60 x 24)分钟 = 0.1%”。其余时间比例依此类推。量测平均电流为“量测时间比例 x (MCU工作耗电流 + 外部量测电路耗电流 + 待机(含RTC)耗电流 + LCD耗电流 + CR2032自放电)”。显示平均电流为“显示时间比例 x (待机(含RTC)耗电流 + LCD耗电流 + CR2032自放电)”。待机平均电流为“待机时间比例 x (待机(含RTC)耗电流 + CR2032自放电)”。最后计算出使用年限约为2.77年。由于待机时间比例高达99%,故血糖计应用待机电流为延长使用年限最重要的参数。
32位低功耗MCU的设计

5、结论

低功耗MCU设计是一个需要多面向考虑的复杂工作,本文仅阐述基本设计理念。开发低功耗MCU产品时,不只要挑战电路设计的高困难度,更要由客户应用的角度考虑性价比,功能最强的不一定是最好的。往往性价比最适合的才能在市场上取得成功。由于智能电网、物联网、远程控制、自动化管理等低功耗高性能应用需求量持续增加,在可以预见的未来,32位低功耗MCU将逐渐取代8/16位低功耗MCU,成为市场主流。

转自: xiahouzuoxin

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基于RX65N、RX130和RX231 MCU的目标板,助力快速启动触控式家电以及楼宇和工业自动化应用领域的嵌入式设计

全球领先的半导体解决方案供应商萨瑞电子株式会社(TSE:6723)今天宣布推出三款基于RX65N、RX130和RX231微控制器(MCU)的新型目标板,旨在帮助工程师快速启动其家电、楼宇和工业自动化应用的设计。目标板定价在30美元以下,从而降低了价格门槛,可以让更多系统设计人员从瑞萨电子众多的32位RX MCU系列产品的优势中获益。

RX目标板为嵌入式设计人员提供了一个便宜的切入点,用于开始评估,原型设计和产品开发。每个目标板套件都具有片上调试工具,无需购买额外工具即可进行应用设计。通孔引脚头提供了所有MCU信号引脚的接口,使客户可以轻松连接到标准面包板以实现快速原型设计。

瑞萨电子高级MCU业务高级总监Tim Burgess表示:“RX目标板评估概念的独特之处在于将同样的PCB用于所有MCU产品的创新方法。由于瑞萨RX MCU系列的每个产品都有共同的引脚分配,客户可以使用相同的PCB封装版本在不同的RX组以及RX组内各系列之间实现平滑移植。对于RX目标板而言,我们在板上内置了广泛使用的100 引脚LQFP封装。”

RX目标板为设计人员提供了开发板和演示板所需的一切,包括电路板电路图和材料清单、演示源代码、用户手册和操作说明。且不久之后,还将推出其它类型的目标板,以全面覆盖从低功率RX100系列到高性能RX700系列的完整RX系列。

RX65N MCU的主要特点

RX65N MCU Group集成了增强的RX CPU内核架构,运行速率为120 MHz,可实现4.55 CoreMark / MHz的处理能力。MCU包括集成的TSIP、增强且高可靠性闪存以及运用于工业物联网(IIoT)边缘的工业和网络控制系统的人机界面(HMI)。RX65N MCU集成了嵌入式TFT控制器和2D图形加速器等先进功能,非常适合于IIoT边缘设备或系统控制应用中的TFT显示。此外,RX65N MCU还包括嵌入式通信处理外设,如以太网、USB、CAN、SD主/从接口以及四通道SPI等。

RX130 MCU的主要特点

RX130系列MCU的运行速率为32MHz,闪存容量最高达512KB,封装引脚数最多达100,可以提供更高性能,并与支持触控技术的RX231/RX230系列MCU兼容。超低功率且低成本RX130系列MCU为需要3V或5V系统控制以及低功耗的触控式应用提供了更高的响应能力和更强大的功能。新型32位RX130 MCU采用新型电容式触控IP、具有更高的灵敏度和稳健性,配备了全面的产品评估环境,非常适合用于具有挑战性的非传统触摸材料设计的设备,或需要在诸如厨房,浴室或工厂地板等潮湿或不洁环境下工作的设备。

RX231 MCU的主要特点

RX231系列MCU的运行速率为54MHz,将32位RXv2 CPU内核和改进的DSP/FPU相结合,实现超高功效。甚至在低电流供电条件下,也可执行高性能数字滤波、浮点运算及其他处理功能。RX231系列产品提供多种通信安全和加密功能,配备了兼具高灵敏度和高噪声容限的电容式触摸传感器,还提供SD主接口、USB和CAN通信功能。

定价和供货

RX目标板现已开始通过瑞萨电子全球分销商供货,建议零售价低于30美元。如需了解更多信息,请访问 www.renesas.com/rxtb

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