工业应用微控制器(MCU)特性和设计

工业用可携式装置须同时兼具低功耗、高可靠度和高性能要求，因此设计人员在开发产品时，须选用支援低电压操作与具备时脉监控功能的工规微控制器(MCU)，以延长可携式产品电池使用寿命，同时避免因频率不稳而造成性能降低的问题发生。

工业领域中的可携式应用均要求低功耗、高可靠度和高性能。这类工业应用的例子包括条码器、出货数据记录器、高速公路追踪设备、降噪耳机、小型马达控制以及电池充电器。

那么，设计人员如何应对这些挑战?本文将介绍最新的工业应用微控制器(MCU)特性和设计注意事项，以协助设计人员应对上述要求。

使微控制器在尽可能长的时间内保持最低功耗是维持电池寿命的主要目标。运行速度快、唤醒时间短也就意味着平均功耗低(图1)。微控制器在高功率状态下完成工作的速度越快，保持低功耗状态的时间就越长。

MCU电流消耗与时间曲线

支援低电压工作　微控制器省电性能更出色

但是，要延长电池寿命，降低功耗只完成一半，还应充分利用电池。为此，採用能支援低电压工作的微控制器是非常重要的。图2显示劲量(Energizer) 提供的硷性电池和钮扣式锂电池在典型数据记录器中的使用寿命。此应用大多数时间处于低功耗状态，偶尔唤醒以处理资讯。硷性AAAA电池的建议保存期为5 年。可以看到，硷性电池和锂电池均从低工作电压中受益。在此例中，以1.8伏特(V)工作的微控制器与等效的2伏特微控制器相比，1.8伏特的微控制器会额外增加6个月的电池寿命，这也显示出低电压微控制器在可携式应用上的优点。

数据记录器电池性能範例

时脉监视器提升MCU可靠度

设计高性能和稳定的工业应用的另一注意事项是微控制器的振荡器(Oscillator)特性，其重要性经常被低估。振荡器特性会影响许多方面，包括性能、系统成本、可制造性和可靠性。

新型微控制器以更高的速度工作，并且能够在没有外部时脉源的情况下使内部时脉全速运行，内部时脉也可提供多种时脉频率的选择。这样软体可以随着电压下降而切换到较低频率，以保持在工作规范范围内，或者在连接外部电源后提高速度。

制造过程中另一个常见挑战是石英晶体振荡器有时不能产生可靠的起振或起振时间过长。造成这问题的常见原因有元件品质变化、助焊剂残留和布线疏忽。选择高品质石英晶体振荡器以及实施布线和测试技术(如负电阻测试)可以避免很多问题，这些技术可从石英晶体振盪器和微控制器制造商处获取。此外，对低频电路的可配置偏压亦可解决上述问题。此举将允许增加偏压，以确保在各种条件下石英晶体振荡器均能可靠起振，或者减少偏压以降低功耗。这些额外的努力将帮助制造商避免类似棘手问题。

故障保护时脉监视器为提高时脉振荡可靠性的出色功能，其可持续监视系统时脉振荡。一旦错过几次振荡，它会自动将时脉源切换到内部振荡器，并让中央处理器(CPU)进入中断函数处理此事件，如此一来，微控制器可保持关键功能并执行有序关闭。

尽管低电压微控制器经过精心设计，可用于高可靠性应用，但有时仍需要5伏特电压以维持工作。低电压微控制器可以简化电路板布线、提高抗杂讯能力并提高对传统设计的支持，但是，随着设计尺寸减小，新的5伏特微控制器的可用性也在降低。芯片制造商意识到对这些元件的需求仍然很大，因而开发出新的高电压工作技术，找到了使更小、更廉价的微控制器以较高电压运行的新方法，这对于寻求5伏特工作优势的设计人员来说是个好消息。

为了进一步提高抗杂讯能力，介面和周边接脚使用多个输入缓冲器，尽管缓冲器在同一个接脚上共用，不同的功能可能有不同的输入类型。舒密特触发器(Schmitt Trigger)的输入可提供比同类电晶体-电晶体逻辑(TTL)元件更宽广的输入临界值范围，并可提高系统的杂讯容限。

较高的端口驱动能力是另一个重要的电路设计注意事项。这不仅仅直接驱动发光二极体(LED)，较高的端口驱动能力可以防止容易引入杂讯的电路(如开关式稳压器和高速脉波宽度调变(PWM)讯号)附近产生无用耦合，但潜在的代价是会增大辐射杂讯，接脚上的小型RC滤波器将有助于抵消这些效果，同时保持高驱动能力的优势。

MCU提供耐用资料EEPROM

值得注意的是，内部资料电子式可清除可编程唯读记忆体(EEPROM)似乎与磁碟机和八音轨播放机一样成为过去，这是制造商转向小型制程技术尺寸的自然结果，却也使整合的成本变得高昂。一些软体解决方案使用快闪记忆体来模拟资料EEPROM，但是，部分应用需要独立的资料储存。最新的微控制器产品可提供高耐用性的资料EEPROM，而且仍保持高性价比。其额定擦/写次数高达十万次。使用者唯须注意写入操作的最小电压范围，其有时会高于微控制器的最小工作电压，这会限制有效的工作范围。

如图3所示，流量计是说明本文涵盖主题的一个好例子。微控制器的整合充电时间测量单元(CTMU)可读取流量计的流量、温度和电容式触控板。使用12 位差分类比/数位转换器(ADC)和参考电压来监控电池电压。超低功耗唤醒模组执行定期唤醒。如此例所示，选择正确的微控制器将提供稳定可靠且内部功能强大的低功耗解决方案。

流量计范例

新近微控制器产品的演进已然改变设计人员在包括如何最大限度地提高稳健性、降低功耗，但同时维持经济高效的应用全貌。