新闻要點 

• 新唐科技推出 M2L31 微控制器

• 低功耗 MCU

• 采用 Arm Cortex-M23 

• 正常运行电流为 60 μA/MHz

• 深度掉电模式下功耗仅0.5 μA

• 新型高性能 ReRAM (电阻式内存)

• 支持 USB Type-C PD 3.0

• 内建 64 到 512 Kbytes 的 ReRAM

• 多种封装选项

在能效至关重要的时代，新唐科技宣布推出全新的 Arm Cortex-M23 M2L31 微控制器系列。为满足对高效能嵌入式计算需求日益增长的需求，M2L31 系列以其低功耗和高效能脱颖而出，运行速度可达 72MHz，能提供卓越的处理能力。

新唐 NuMicro M2L31 微控制器，采用 Arm Cortex-M23 核心，并配有 64 到 512 Kbytes 的 ReRAM（电阻式内存）和 40 到 168 Kbytes 的 SRAM，是一款为可持续性和优异能效设计的低功耗产品。M2L31 系列支持两个 CAN FD 和两个 USB Type-C PD 3.0 接口，并优先考虑稳健的安全功能来保护宝贵的数据数据。

低功耗高性能应用的微控制器

NuMicro M2L31 系列对于电池管理、工业自动化和消费性接口设备等需高能效的应用而言，是一个突破性产品。卓越的低功耗能力显著提升电池寿命，减少频繁更换电池的需求。

M2L31 提供三种低功耗模式：正常掉电、待机掉电和深度掉电。这些模式根据应用需求量身定制，在降低能耗的同时，并确保不影响功能的正常运行。微控制器的典型运行电流在正常模式下仅为 60 μA/MHz，而在深度掉电模式下更是降至 0.5 μA。其在无需 CPU 干预的情况下，通过低功耗串行接口独立处理外围数据采集和数据处理的能力，为高效能自动化设立了新的标准。

芯片内建 ReRAM 优于传统闪存

M2L31 系列超越了传统的 MCU，整合了基于与台积电合作开发的制程技术的 ReRAM。这种新型非挥发性内存透过避免传统闪存中耗时的「擦除后写入」过程，加速了写入操作，同时提供了更低的能耗和更好的耐用性。

过去ReRAM 主要用于 DRAM 或 NAND 闪存市场。随着新唐科技下一代 M2L31 微控制器的推出，工业和消费性领域的开发人员也能享受到 ReRAM 的诸多优势。

广泛的周边接口与程序开发支持

为满足多样的设计需求并降低尺寸和成本，M2L31 系列支持广泛的 I/O 和外围设备，包括 UART、I²C、SPI/ I²S 和多个 USB 选项，并支持多达 16 通道的电容触控。多种芯片封装选项确保了与其他新唐产品的兼容性，满足大多数应用需求。

新唐科技致力于为开发人员提供强大的生态系统，包括 M2L31 NuMaker 开发板和 Nu-Link 除错器。M2L31 系列兼容多种 IDE，如 Keil MDK、IAR EWARM 和 NuEclipse IDE，使用 GNU GCC 编译程序。还支持多种程序更新方法，如 ISP 和 IAP，简化系统升级和软件更新，为开发人员和使用者提供了最大的灵活性和便利性。

本文将深入介绍备用电池单元（BBU）中微控制器的软件，该软件主要负责确保进程平稳运行，从而为BBU的高效率和容量提供保障。硬件和软件必须顺畅协作，才能实现满足规范要求的系统级解决方案。将良好的管理方式放在优先位置，可以确保电路具有优异安全性和性能，此方法简单而有效，不容小觑。

每个BBU模块均采用一个微控制器和一个电池管理系统(BMS)微控制器。在ADI公司的参考设计中，超低功耗Arm®微控制器MAX32690充当微控制器，负责执行六个重要进程（见图1）。MAX32625微控制器充当参考设计的BMS微控制器。BMS微控制器负责与ADBMS6948芯片通信，并将所有测量数据传递给微控制器。

图1.主控制器的管理操作周期1

微控制器的六个进程如下

• 执行管理任务和通过I2C协议与各种外设进行通信。

• 处理由背板电压数据提供的放电序列。

• 选择恒流模式或恒压模式处理电池的充电工作。

• 转变BBU模块的充放电状态。

• 故障处理和响应。

• 作为Modbus从机响应Modbus命令。

01、微控制器进程

执行管理任务和通过I2C与各种外设通信

在众多辅助器件连接到模块电路的情况下，微控制器用作I2C主器件。核心微控制器收集并保存来自辅助器件的数据，同时充当I2C主器件。为了推进各种任务顺利进行，微控制器还负责控制各种I2C辅助器件。多款I2C辅助器件示例如下：

• BMS微控制器采用MAX32625。
  

• LTC2971,双通道电源系统管理器。

• MAX31760,精密风扇速度控制器。

• 24AA512T/EEPROM，用作数据存储器，可检索和存储重要数据。

• LTC2991温度传感器。

BMS微控制器(MAX32625)

微控制器定期与BMS微控制器(MAX32625)通信，接收有关各个电池包的电芯电压、充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、电芯温度以及电池包可能出现的任何故障的更新信息。更新每四分钟进行一次，因为电芯电压、SOC、SOH和温度预计不会快速变化。如果发生任何故障，两个微控制器之间的共享引脚将置为高电平，并触发微控制器上的中断，进而立即读取BMS微控制器，获取有关故障的信息。微控制器中有专用I2C端口，仅用于与BMS微控制器通信，以支持两个微控制器之间快速通信。

LTC2971（电源管理IC）

微控制器时常通过电源管理总线(PMBUS)协议与LTC2971通信，检查电压、电流和温度测量结果以及有无警告和故障。当测量背板输出电压参数时，LTC2971起到快速反馈作用，以便微控制器调整其例程。此外，该器件会调整电源变换器的反馈电压，并允许其将输出电压下调1%，从而确保放电工作模式下输出电压处于调节范围内。

MAX31760（风扇控制器）

MAX31760负责调节BBU模块的风扇速度。脉冲宽度调制的占空比由微控制器配置，以通过I2C调节风扇的速度。微控制器根据温度以及背板负载电流或电池包负载电流，计算并调整所需的风扇速度

24AA512TT（EEPROM⁄数据存储）

板载EEPROM充当整个BBU模块的外部存储器件。微控制器通过I2C写入闪存页，定期将电池电压水平、SOC、SOH、电芯类型和型号年份以及电路板温度等重要信息保存到EEPROM中。该数据每小时更新一次，用户可以在维护和故障排除期间访问。

LTC2991（数字板载温度监测）

LTC2991是一款八通道电压、电流和温度传感器。该器件借助放置在电池模组内部重要位置的各种数字传感器，监测电池模块的温度。根据温度读数，微控制器可以调节风扇速度，确保电源板和电池堆的工作温度保持在适当水平，并且始终低于40°C。

02、选择恒流模式或恒压模式处理电池的充电

微控制器还负责处理电池的充电模式。开始时，电芯的电压容量非常低，微控制器允许以最大5A的电流为电芯充电。一旦电芯处于稳定状态，微控制器就会将充电电流调整为2A，此时每个电芯的电压尚未达到4V。利用来自BMS微控制器的数据持续监测电芯电压，并使用模数转换器外设测量整个电池层电压，微控制器便可以判断所有电芯是否都已达到4V，如达到4V，微控制器便会将充电模式切换为恒压模式。这需要将充电电流限制为仅0.5A。微控制器将继续监测整个电池层电压水平，同时从BMS微控制器获取数据，检查所有电池是否充满电。如图2所示。

图2.恒流和恒压充电算法

03、电源变换器充放电状态的转变

充分了解BBU在电源中断期间如何从待机模式转变到电池供电模式至关重要。为了防止任何意外断电和数据丢失，模块的微控制器密切监视背板电压水平。LT8228的默认充电模式设置在49V至53V左右，但如果微控制器检测到背板电压在2ms内降至48.5V以下，则会立即将LT8228方向引脚从充电模式切换到放电模式，这种模式持续四分钟以处理停电情况。这四分钟里模块将持续放电，以确保供电不间断。如果电芯的条件允许且背板电压供应仍未恢复，模块将再等待一分钟，以便电芯冷却，然后再次进入放电模式。电源恢复后，BBU将切换回主电源，并开始为电池充电。有关如何操作和维护BBU的具体说明，请参考图3了解此过程。

图3.充放电模式转换的处理操作

04、故障处理和响应

制定明确的故障处理计划非常重要。为了避免产生压力和得到不好的结果，提前发现潜在问题并制定处理方案至关重要。如需确保系统操作顺利运行，了解即将发生的情况，那么与相关系统中集成的器件进行顺畅通信也是非常必要的。请记住，错误和故障难以完全避免，而应对方式才是决定结果的关键。因此，微控制器经过专门设计，可减少OCP指定故障的误报发生率。微控制器中的固件程序执行算法检查以检测可能触发故障的前兆现象。检测到相关征兆后，算法将执行验证检查，只有在问题连续发生或在设定的周期数内发生时，才会确认故障。这种做法非常明智，可以确保识别和解决真正的故障。

05、作为Modbus从机响应Modbus命令

Modbus功能代码对于在Modbus网络的器件之间建立通信至关重要。这些代码确定器件之间发送的请求或响应的类型，例如读取或写入数据。一些比较常见的Modbus功能代码包括模块指标、模块工作状态、模块寄存器地址和故障状态。

Modbus命令的处理完全由微控制器控制。微控制器可以为OCP规范认为必要的所有基本Modbus命令提供支持。这些命令有权更改模块的设置，或提供有关电池SOC、运行状况、电芯电压水平、充电和放电电流以及其他参数的重要信息。微控制器验证消息后，就会根据收到的命令做出响应。

微控制器利用ADM2561和ADM30611收发器，通过UART协议处理来自各种外设的数据，并将其传输到机架微控制器，如图4所示。采用隔离型收发器的优点在于，它不受系统级电磁干扰的影响，并且符合OCP制定的电磁兼容性(EMC)标准。此外，机架到PC的通信是通过ADM2561完成的，ADM2561通过DB9(D-Subminiature)连接器和RJ45互联网端口连接到主机PC。

图4.模块到机架通信和机架到PC通信框图

06、总结

控制器架构必须要满足稳健可靠、高效且适应性强的要求，同时应该具有明确定义的输入和输出，并可以处理复杂算法例程。该架构应该是模块化的，以便支持无缝的算法更改和更新。此外还应内置有安全机制，以防范系统故障或事故，并能轻松处理意外事件。总的来说，高质量的控制器架构应提供可靠且高效的系统控制，同时可以降低错误或故障发生的概率。

博客作者：Mark Harris

微控制器依赖于其时钟源。处理器、总线和外围设备都使用时钟来同步它们的操作。时钟决定了处理器执行指令的速度，因此它对性能至关重要。但是，时钟源到底有多重要？微控制器中的时钟频率是什么？它的精度有多重要？简单来说，这取决于……微控制器正在执行的任务及其接口。

需要考虑的两个要素是：时钟的速度，它决定了事情发生的快慢；以及时钟的准确度，它决定了每个时钟周期之间的一致性，以及时钟随时间可能发生的变化。

为什么时钟源很重要

微控制器的中央处理器可以被认为是执行特定功能的同步逻辑块链。如果系统微控制器时钟运行得太慢，则处理时间会更长。如果时钟运行得太快，则可能没有足够的时间在下一组开始之前完成所需的操作——处理器与从动态内存到接口引脚等一系列不同的元件模块连接。时钟速度的任何显著误差都会对微控制器内部操作产生不可预测的后果。

数据采样

微控制器时钟信号将控制任何模数操作的转换速率。时钟的速度将决定对模拟信号进行采样的最大速率；时钟的精度将决定采样率的准确性。假设您每秒记录两次带有时间戳的样本。在该情况下，时钟频率出现1%的误差（在内部振荡器中并不少见）很快就会消除样本时间戳与挂钟上显示的时间之间的任何关联。如果时钟源有1%的恒定偏移，您的样本时间戳每天将误差超过14分钟。

波形生成

在数据采样方面，微控制器的时钟信号将控制任何数模操作的转换速率。时钟的速度将决定可以为模拟信号生成的最大频率。时钟的准确性将决定生成波形的准确性。

异步串行通信

微控制器时钟信号的一个关键应用是管理异步通信，其中时钟信号决定何时对输入数据流进行采样，一旦接收到起始位，并确定输出数据流中每个数据位之间的转换时间波形。

在异步通信中，发射器和接收器依赖于相同的时钟速度来编码和解码数据流。但这些时钟不需要同步；它们只需要有足够的相等时钟频率。这是因为接收器在检测到信号线上的第一个边缘时开始处理传入的数据流。然后它需要在数据流的持续时间内保持正确的时钟速度，以便在正确的时间对数据位进行采样。所需精度将取决于必须对数据进行采样的窗口。每个数据位都可能具有其信号的上升沿和下降沿，其中数据的值是不确定的，当数据有效并且可以被采样时，就会在边缘之间留下周期。

这个采样周期将取决于通信链路的类型和长度。长传输距离和高电容电缆会增加上升和下降时间。噪声的存在也可能增加信号稳定所需的时间。

它还将取决于时钟速度和消息格式。对于短数据流，精度要求可能相对宽松，因为每次接收到新数据流时采样时钟都会重置。然而，对于具有长数据流的高速串行通信，所需的精度可能会变得更加精确。例如，CAN总线协议使其对系统时钟偏移非常敏感，以至于使用任何非晶体时钟信号源都可能存在问题。

以UART设备为例，我们可以看到绝对时钟速率并不重要，因为UART接收器会在每一帧开始时自行同步。该问题简化了可以容忍的发送和接收UART时钟之间的差异。

时钟源选项

在为特定微控制器选择时钟源时，通常有几个不同的选项可供选择。具体选项将取决于您将使用的微控制器时钟的品牌和型号，因此我们将在这里讨论所有标准选项。

这些不同的选项主要通过其准确性、成本和元件数量来区分。使用所有优质微控制器都包含的内部时钟源将是最便宜且最简单的选项，但通常也最不准确。使用外部时钟源将提高精度，但代价是需要将额外的元件添加到电路板并增加设计的复杂性。

选择哪个选项将取决于您需要什么样的性能以及您在电路板空间和预算方面的限制。由于为任何给定微控制器生成时钟信号总是有几个备选方案，因此请研究您的特定器件的数据手册。这通常会提供一些有关您可以使用哪些类型的时钟源以及如何最好地实现它们的有用信息。

内部振荡器

微控制器通常带有一个内部电阻电容振荡器，以产生一个基本的时钟信号和一个锁相环以提供频率倍增功能。然而，使用内部振荡器的问题是它们的精度远低于频率稳定性较差的外部振荡器。微控制器芯片内部的任何RC电路都不是理想的位置，这是由于RC电路对高温的依赖性和元件公差固有的较大范围。通常，具有良好热管理的微控制器可以提供精度在1%到5%范围内的时钟信号。这对于一些较慢的异步通信总线和管理低频模拟信号处理来说可能已经足够好了。尽管如此，在大多数典型应用中，这仍然不够准确。

可能值得一提的是，通过使用锁相环，可以用更准确的外部时钟信号校正内部时钟信号，以提高内部振荡器的性能。然而，如果外部时钟信号可用，那么使用它而不是内部时钟更有意义，除非微控制器有任何特定的约束条件会阻止这样做。

外部振荡器

微控制器的时钟源有两种主要类型：机械谐振器，包括晶体和陶瓷谐振器，以及无源RC振荡器。

振荡器的最基本形式是RC电路，它仿效内部振荡器电路，但使用精度值更高的元件，并使用热管理技术将元件与微控制器时钟和电路的任何其他热元件产生的热量隔离开来。虽然这可以将精度提高至少一个数量级，但对于外部振荡器来说，这仍然是最不准确的选择，并且对于相对相似的成本和封装尺寸，还有更好的解决方案可供选择。RC电路生成的时钟也会受到电源电平波动的影响，并且容易受到电气干扰，从而限制了它们在大多数典型应用中的实用性。

晶体振荡器是最常见的外部振荡器，需要精确的时钟信号。石英晶体和支持电路提供了出色的稳定性和精度。典型的低成本晶体振荡器的精度可以优于百万分之一，除最具时间敏感性的应用以外，可满足所有应用的要求。但是，石英晶体可能会受到环境因素的影响，需要额外的保护。石英晶体的支持电路也可能导致高阻抗输出，需要与电路的其余部分进行额外的阻抗匹配。如果预算允许，使用现成的晶体振荡器模块而不是离散元件可以降低对环境影响的敏感性，并使电路板设计更加简单。它们通常提供低阻抗方波输出，从而简化了与电路设计其余部分的集成，其精度与使用离散晶体非常相似。

另一种选择是基于IC谐振器电路的硅振荡器，它易于实现，精度约为0.05%。比外部RC电路略好，但远不及晶体振荡器。然而，硅振荡器比晶体振荡器更坚固可靠，非常适合器件可能受到严重机械振动的操作环境。

最后，还有陶瓷谐振器可供选择，其精度虽然不如晶体振荡器，但比硅振荡器更精确。它们基于压电式陶瓷材料，使用谐振机械振动来生成时钟信号。其主要优势在于采用简单的集成封装，比晶体振荡器及其支持元件占用空间更小。然而，与晶体振荡器一样，它们对环境因素很敏感，包括温度、湿度、振动和电气干扰。

在选择外部振荡器时，功耗可能是一个重要的决定性因素。离散振荡器电路的功耗主要由反馈放大器的电源电流及其电容值决定。一个典型的晶体振荡器电路会消耗数十毫安电流。陶瓷谐振器电路通常需要比晶体振荡器更大的负载电容值，因此需要更多的功率。硅振荡器的功耗主要与工作频率成正比。不过，它们有多种选项可供选择，从消耗几毫安电流的低功耗设备到消耗数十毫安的标准设备。

结论

总而言之，您需要为微控制器使用的时钟信号类型主要取决于其嵌入的器件性质及其操作环境。与高速异步通信总线和高频模拟信号的接口将需要精确的时钟信号。假设器件需要在恶劣的环境中运行，无论是在广泛的温度范围内，还是在高电磁干扰水平下，或是受到机械振动的影响，这都可能限制可选方案。对于没有如此时间敏感或环境挑战性的微控制器时钟，可以采用更便宜的解决方案。