小尺寸单片机在便携式设备中的应用

摘  要  本文介绍了小尺寸C8051系列MCU在便携设备中的应用，如手机中闪信和计步器应用，MCU在TFT彩屏驱动的应用，体现了小尺寸MCU在便携设备应用中的优越性。
关键词  闪信，计步器，运动传感器，嵌入系统，彩色TFT屏驱动

引  言  
    手机在现代生活中的使用越来越广，其功能也是越来越多，如现在有很多手机都带有MP3及照相功能，有的还具有闪信和计步器功能。手机闪信需要处理器能完成多路模拟输入、数据的实时处理等，原有的手机很难直接实现这些功能，就需要MCU配合完成其功能。

    PMP等便携式设备大都带有彩色的TFT屏，而传统的驱动是由白色LED完成的，但其存在色差；现在大都采用RGB三色LED来背光，同时需要检测背光的效果，克服LED亮度变暗的问题。MCU可以协助主处理器完成这些功能，达到很好的彩色TFT屏的背光效果。

     便携式设备往往由多个公司共同提供模块，需要MCU有好的保密功能。因此便携式设备对MCU的要求，大都需要小尺寸，低功耗，实时快速响应，保密性好，成本低等优点。小封装高集成的MCU，能集成FLASH、ADC、DAC、OSC、SRAM、PWM、温度传感器、看门狗等，同时便于MCU的编程和升级。

    该文依次介绍了如下内容：手机闪信和计步器介绍，手机闪信对MCU的需求，手机闪信中C8051F313的优点，彩色TFT屏的RGB驱动方案, 彩色TFT屏C8051F310方案，小尺寸MCU在便携设备中应用的优势等。

一、手机闪信和计步器介绍

1、手机中闪信功能
    光线较暗的环境下，通过快速左右摇动手机，利用人类视网膜延时现象，造成视觉残像，因而形成连续的光影信号，使观看者视觉产生连续信息，这就是闪信的基本原理。实际处理中，处理器检测加速度变化后，根据运动的加速度等在不同的时刻让相应的LED点亮或熄灭，让人感觉到LED中空中出现一幅完整的点阵图像，一幅图像或者一串文字在0.1秒内显示出来效果就会很好。

2、自动翻转
    因为重力加速度的原因，运动传感器能检测到重力加速度所加的方向，可以自动调整显示字符的方向。

3、计步器功能
    人在行走或者跑步过程中，其加速度与时间轴大致成为一个正弦波；利用加速度传感器检测运动的加速度，可以计算走了多少步，还可根据步幅进而估算所走的距离等。

二、手机闪信对MCU的要求

    在该应用中，MCU需要采样两路加速度传感器的输入，进行计算分析，在不同时刻显示相应的LED，分析手机所持的方向，实现自动翻转功能。分析加速度值，计算出持有者走了多少步。完成与手机间的通讯功能，接收手机发送过来的命令和显示数据，回传计步器的值等。

    由于该模块需要放入手机中，对模块的尺寸有严格的要求，同时也需要小封装能利于散热。像手机这类的手持设备，对功耗有很高的要求，在手机加上闪信和计步器模块后，不能因此缩短手机的工作时间。MCU能直接驱动瞬时大电流的多个IO，比如能驱动16个电流为15~20mA的高亮LED，而无需其他驱动芯片，能更好的节省空间和成本。模块为适应不同手机的应用，尽量提供多种通讯接口，如SMBus(I2C)、UART、SPI等通讯功能。其功能框图大致如下：



其闪信显示效果如下：



三、手机闪信中C8051F313的优点

　　在该应用中，我们选择了C8051F313，其资源如上图，很好的完成了该设计，该芯片有如下优点。

　　1、体积小，高集成度：其C8051F313大小为5x5mm，如上图，该MCU包含了8K的FLASH，1K的SRAM，ADC、I2C、UART、SPI、PCA、看门狗，25个IO等资源。其QFN28的封装也有利于散热。

　　2、保密性好，编程方便：FLASH能支持在线修改，同时内置的编程控制电路可以阻止外部对FLASH的非法读写访问；提供不需要连接计算机的手持式编程器，通过C2就可以对MCU进行编程和升级。

　　3、高速处理能力：C8051F313采用CIP51的核心技术，完全支持8051的指令集，能快速的执行指令，其中有76条指令是在一到两个时钟周期内执行完毕，指令执行速度可达到25MIPS，处理闪信和计步器已足够。内部可以设定中断有14个，给软件编程带来了方便。

　　4、低功耗：该MCU在1MHz的处理速度下，只需要0.36mA，而且还有空闲和停机等工作模式，能更多的节约手机电能。

　　5、直接驱动：C8051F313可以直接驱动16个大电流20mA的高亮LED，无需其他电流驱动芯片，节省了空间和成本。

　　6、AD采样：C8051F313带有17个模拟AD输入IO，其AD采样为10位，采用速度为200K，能完全满足闪信和计步器的需求。而且内带温度传感器，可以测试MCU芯片的环境温度。

　　7、通讯功能：MCU提供了SMBus(I2C)、UART、SPI通讯功能，使模块能与手机进行可靠通讯：接收需要显示的字符或者图像数据，还能接收计步器控制命令，回传计步器的值等等；还可以将加速度的值传入手机中，进行其他的应用开发，如手机游戏、音乐击鼓器等。

　　8、灵活的IO管理：C8051F313内带CrossBar功能，能将不同的功能管脚，按照一定的优先级配置输出到相关的IO脚上；比如将4和5脚可以通过软件设定为UART或者I2C功能管脚。

其软件配置界面如图：




 四、彩色TFT屏的RGB驱动方案。

    在便携式设备中往往会使用彩色的TFT屏，在传统上TFT屏的背光是由白色LED实现的，而白色的LED实际上色彩是有偏差的，这样导致屏的颜色发生失真或者不够鲜艳。同时随着使用时间的增长，LED的亮度会变暗，这将导致这个屏的显示效果明显变暗，因此，下面的方案可以很好地解决这个问题。


    背光采用R,G,B三色的LED，LED发出的光组合成白光，通过一个Color Sensor来检测光的亮度和色彩，送给一个带有AD功能的小封装单片机，该单片机通过PWM输出控制一个LED驱动芯片，LED驱动芯片完成对R,G,B三色LED的控制，单片机通过检测LED发出的光的色彩来调整PWM输出，进而实现对LED色彩的控制。同时单片机通过一个I2C接口与主CPU通讯，接收主CPU对亮度调整的控制命令。

    这个调整系统直接和TFT屏集成在一起，这样屏的生产厂商可以根据自己屏的特性来设计合理控制方法和其他功能，只需要定义好自己的屏的I2C接口就可以让主CPU完成对屏的控制。而屏的色彩和亮度等总能够保持在用户设定的水平。主CPU在整个过程中无须干预屏的调整过程。而且主CPU也不需要支持PWM功能，因为这些功能被集成到了小尺寸MCU中。在TFT彩屏的LED驱动中，一般选择高性能的AMS LED Driver，其Color Sensor芯片为Avago HDJD-S722-QR999，用以检测R、G、B三色的亮度。

五、彩色TFT屏C8051F310方案
    其C8051F310资源如下图 



    该方案选择了C8051F310，在彩色的TFT屏驱动中有以下优点：
1、小尺寸，LQFP32，该封装非常薄，不会增加显示屏的厚度。
2、有一个200K/10位/17通道的ADC，可以检测Color Sensor值，测试温度和控制电流反馈。
3、有5个PCA供选择，对于控制RGB所需的三个PWM控制已经足够，而且PWM可以支持硬件直接输出。
4、内部FLASH可以在线自己修改，可以将LED的特性，温度和使用时间保存在内部。同时也支持MCU的升级。
5、保密性好，所有的编程电路全内置，一旦芯片被加密，无法通过编程接口来访问加密区域的内容，可以可靠保护用户的IP设计。
6、无需外部时钟就可以直接工作。

    手持显示屏驱动应用例，如下图：



六、 总结
    以上手机闪信和TFT彩屏驱动方案已经被多家厂家和设计公司所采用，其Silabs MCU优越的性能，在设计中发挥了重要的作用；世强电讯将会提供更多的技术解决方案，协助你共同完成各产品的设计与开发。