采用混合信号控制器进行混合工作

为了在相同的系统中满足高性能模拟与低成本数字控制这对相互矛盾的要求，我们在许多电池供电的嵌入式测量应用中均采用了专门针对应用设计的模拟前端 (AFE) 电路与分离数字微控制器 (MCU) 相结合的办法。这种提取并将模拟功能集成到特殊电路中的办法既优化了专门的功能集，又实化了系统通用的数字控制。但是，随着现代深亚微米硅技术的到来，通常其最低量产为 10 万单位，一套掩模的一次性工程设计成本 (NRE) 接近 100 万美元，加上设计超大型的定制电路有风险，而且也面临着加快产品上市时间的压力，因此专门定制的解决方案对除了用于少数高容量应用之外，在其他情况下都是不现实的。

目前的趋势不是采用定制的 AFE，而是采用针对具体应用的标准产品 (ASSP)，在低成本、可重复使用的系统中平衡了高性能模拟、低成本数字控制并缩短投放市场的时间等多项要求。ASSP 作为优化的外设提供了可配置的混合信号模拟特性，而设备其他部分则作为可重复使用的功能实施，可跨越许多平台共享。快闪微控制器单元 (MCU) 是共享功能的主机与解决方案。混合信号快闪 MCU 的集成功能显示于 图1 的 MSP430FG43x 中。除了作为计时器及串行端口等数字外设的完全配套之外，我们现在还可以在单一的 ASSP 上集成高精度模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC)、运算放大器 (OA)、电源电压监控器 (SVS) 以及液晶显示驱动程序等。利用混合信号基于快闪 MCU 的 ASSP，设计工程师不必再为高风险完全定制硬件实施集中投入其资源，而是可以开发灵活的、可编程的功能，并能快速地将其投放市场。

典型的混合信号 MCU 解决方案

ASSP可在其中发挥很好作用的混合信号应用常见实例就是手持式医疗设备。典型的手持式医疗设备要求精确的传感器接口电路、用户显示、日历功能、非易失性存储器、通信特性、电源管理以及可编程的快闪 MCU 等。

我们用生物催化剂试件测量小血样的葡萄糖含量。应用血样时，应用参考电压将试件生成的电子转化为电流。用于试件的参考电压从混合信号快闪 MCU 的两个内部 12 位 DAC 之一提供。生物催化剂产生的电流很小，其范围在 uA 再降至 nA 之内。为了将传感器的小电流输出转化为电压，我们采用其中的一个集成运算放大器实施互阻抗功能。运算放大器的输出放大至一定的范围时，可由采用反馈电阻器的嵌入式 12 位 ADC测量。

试件的化学反应是温度敏感型的，而测量周期可能长达 30 秒，这也使情况复杂化。例如，血样可能在温暖的环境中放在试件上，比如在用户的家中，而转换结果则是在外部冬天的环境中完成的。有鉴于此，必须在测量周期开始与结束时测量温度，而如果二者之间温差太大，那么测试结果就会作废，应当提醒用户注意到这种情况。我们采用嵌入式 12 位 ADC 中的集成温度传感器测量温度。

用户或用户的医师常常记录测量日志，下载后存入 PC 进行分析。数据日志记录是采用快闪 MCU 的主要原因。由于快闪是系统内可编程的 (ISP)，因而快闪的一部分用于数据存储，不再需要外部数据存储器。先进的嵌入式快闪可进行高达 10 万次擦写操作与再编程，其寿命比设备寿命还长。

管理系统电源的基本要求

与任何其他的电池供电设备一样，电源管理是至关重要的。为了降低功耗，首要任务就是在集成的模拟电路不使用时将其关闭。由于所有模拟电路都嵌入在快闪 MCU 中，其完全由软件控制的，可以方便地进行操作。

除了功耗要最低之外，手持医疗机械还必须提供足够好的性能与功能，能够在不同的操作状态下快速切换。系统时钟计时必须具备相应的灵活性，以满足以下彼此冲突的要求：

保证正确时基的稳定性；

低功率可实现更长的电池寿命；

实现高性能的速度；

快速响应事件的灵活性。

我们首选的的方法是使用 32 kHz 的表面晶体作为辅助时钟 (ACLK)，实现低功耗与稳定性，并采用快速启动的高速片上数控振荡器 (DCO) 作为系统的主时钟 (MCLK)。ACLK 时钟始终保持开启状态，仅作为计时器的时钟以发出实时中断。高速MCLK作为CPU与高速外设的时钟，能够实现更强的处理功能和更快的事件响应。DCO 是低 Q 值 RC类振荡器，延迟近于零，启动时间不到6us。

在 DCO 快速启动的同时，还可根据温度与电压变动频率。为了管理 DCO 时钟并获得稳定的输出，我们采用频率锁定环 (FLL)。FLL是连续的频率积分器，持久在后台根据稳定参考的分压器 ACLK 调节 DCO。分压的 DCO 与 ACLK 相比较，以 10 比特的加减计数器增加或减少DCO，使分压的 DCO 频率与 ACLK 频率相匹配。这是 DCO 与 ACLK 相乘的结果。

DCO/FLL 组合实现了事件驱动的极低功耗激活特性，电流时间长度较长，最小化待机模式，又不降低性能。当中断要求从系统获得服务时，正常情况下 DCO 在待机状态下会自动启动。快速响应的高速 DCP 时钟计时系统尽快地为请求提供服务，而后再返回待机状态。

始终开启的 ACLK 时钟计时器提供了方便的嵌入式实时时钟。计时器每秒钟触发一个中断。由于 DCO 几乎不需要启动时间，因此嵌入式实时时钟功能不需要任何成本就可作为简单的软件功能实现，而且不会对整体性能造成影响。一个基本的实时时钟功能要求不到 100 个 CPU 周期。CPU 时钟速度标量为 1 MHz 时，实时时钟功能的工作时间为每秒 100us，或 0.0001%。工作中的 CPU 电流为 250uA 时，实时时钟功能向整体系统功率预算添加的不足 25nA 。

保持灵活性

混合信号快闪MCU的功能在集成性方面相当出色，但大多数应用都不会为了集成而放弃模拟设计的灵活性。从芯片制造商的角度来看，最希望的是让产品能够满足尽可能广泛的应用领域，从而实现较高的投资回报。为了解决灵活性这一问题，混合信号快闪MCU利用了其内在的可编程性，提供了软件上可配置的模拟外设，而不仅只是固定的功能。

嵌入式ADC就输入通道、采样时间、采样率以及电压参考源都提供了完全的控制。只需在控制寄存器中设置一下数字，就可通过软件针对应用选择所需的特性。DAC 可提供选择输出格式、触发源、多个DAC分组以及为实现功率驱动的最佳平衡而配置模拟输出缓冲的功能。运算放大器通常是所有设计中最具体、最关键的模拟组件，具有若干寄存器，可实现全面的可编程性，其中包括建立时间、轨至轨输入以及反馈电阻等。在嵌入多个运算放大器的帮助下，可轻松实施诸如差分放大器与测量放大器等复杂的电路。

由于所有所需的模拟与数字特性都由基于快闪的软件进行配置，因此我们直到在最终产品出货之前都可以不断模拟优化设计，不必为较长的研制周期 ASIC 而头疼，也不会出现再设计成本。此外，利用基于快快闪的配置，相同的硬件可就几种不同的最终产品重复使用。举例而言，某产品须向几个不同的地区出货，要求不同的用户界面。利用快快闪，我们就可以嵌入具体地区的配置，而所有其他特性都是相同的。基于快快闪的产品还具备售后可升级性。

更高的性能

在混合信号快闪MCU中嵌入模拟功能消除了分离设备之间彼此接口的开销，从而提高了系统性能。数据转换器与 MCU之间的通用接口是同步外设接口（SPI）总线。SPI接口占用的板级空间极少，仅要求带有四个信号引脚的MCU串行端口：芯片选择、时钟、数据输入以及数据输出。更大的成本是为SPI中断提供常规服务时发生的软件开销，通常中断造成的开销在50个系统CPU周期范围内，此外还须存储接收与传递的数据。在ADC采样率为100ksps、每个采样开销为50周期情况下，MCU必须每秒保持5,000,000个周期。在另一方面，利用嵌入式数据转换器，服务非常简单，只需读取单一的寄存器，再将结果移动至存储器即可，从而可减少系统周期和功耗达50% 以上。

为了进一步提高性能并降低功耗， （如MSP430FG43x）还包括直接内存存取 (DMA) 控制器。DMA 在嵌入式混合信号外设之间提供了最终的访问连接，可以实现完全可配置的自动化数据传输，并且不占用 CPU。对重复性将数据移进移出存储表的数据转换器等外设而言，DMA的性能提升非常明显。利用DMA，每次传输只需两个系统周期，与那些与外部设备相连的系统相比，减少的系统开销高达25倍。利用DMA，最新可用的系统资源可以再次分配，实现更先进、更多样化的特性，也可用显著延长等待间隔，减少功耗，以延长电池寿命。

多方面工作的结合

目前基于快闪 MCU 的混合信号 ASSP 的开发要做到快速投放市场、封装致密以及更精确的模拟，这就要求新的思维方式。经典的 MCU 风格在线仿真器 (ICE) 已被嵌入式仿真所取代。嵌入式仿真逻辑的小内核驻留于实际的 ASSP 上，采用业界标准的 JTAG 接口可以进行串行访问。随着高性能混合信号系统的出现，必须保证单位为微伏的模拟信号的完整性，嵌入式仿真的重要性更加明显。笨拙的 ICE 几乎不可能实现这样精确的信号完整性，因为 ICE 对电缆串扰太过敏感。

从开发的第一天起，利用嵌入式仿真，固件工程师就可以毫无阻碍地在实际生产系统中进行开发和故障调试。由于结合了ISP快闪存储器以及无障碍的嵌入式仿真的灵活性，因此目前的混合信号ASSP从设计一开始就实现了真正的系统级开发，不但降低了成本，避免了重复开发，而且还加速了开发进程。