美國(guó)得克薩斯州達(dá)拉斯，德州儀器公司總部負(fù)責(zé)全球市場(chǎng)營(yíng)銷及應(yīng)用的經(jīng)理  Mark Buccini

在許多嵌入式混合信號(hào)應(yīng)用中，為了在同一系統(tǒng)中同時(shí)滿足高性能模擬以及低成本數(shù)字邏輯這對(duì)相互沖突的要求，手工 (handcrafted) 專用集成電路(ASIC)常常是唯一實(shí)際可用的設(shè)計(jì)選擇。該概念旨在將作為ASIC的復(fù)雜特定用途應(yīng)用模擬從系統(tǒng)的數(shù)字商品部分分離開來(lái)。將模擬提取并整合到特定ASIC能夠優(yōu)化復(fù)雜特性，并將系統(tǒng)的通用特性進(jìn)行商品化。

盡管會(huì)出現(xiàn)非重復(fù)設(shè)計(jì)(NRE)本以及較長(zhǎng)的生產(chǎn)間隔時(shí)間等問題，但將模擬與數(shù)字分開在許多情況下還是有其經(jīng)濟(jì)意義的。不過(guò)隨著如今現(xiàn)代芯片制造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到或低于0.5um的程度，最低批量達(dá)10萬(wàn)套時(shí)，通常完全定制的模擬電路其NRE為50多萬(wàn)美元。此外，經(jīng)濟(jì)與額外的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)以及縮短產(chǎn)品上市進(jìn)程的壓力使手工解決方案幾乎一點(diǎn)都不現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)今潮流是采用專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP) 在單個(gè)系統(tǒng)中平衡高性能模擬、低成本數(shù)字以及縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。這些 ASSP 可提供專用混合信號(hào)模擬特性作為優(yōu)化外設(shè)，同時(shí)實(shí)施的器件可在許多平臺(tái)上共享可重復(fù)使用的功能?？扉W微控制器 (MCU) 是最佳的共享功能解決方案選擇。設(shè)計(jì)人員不再需要集中其資源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)極大的定制硬件實(shí)施，而是開發(fā)具有靈活性的、可編程的功能以便能迅速將其投入市場(chǎng)。

電子電表解決方案

ASSP能很好發(fā)揮作用的嵌入式混合信號(hào)應(yīng)用的一個(gè)常見實(shí)例是電子電表。電子電表要求電路系統(tǒng)在廣泛的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具備精確的電壓與電流轉(zhuǎn)換、可編程的快速M(fèi)CU、計(jì)時(shí)功能、非易失存儲(chǔ)，以及靈活的顯示與通信特性。圖1顯示了常見的第一代電子電表的構(gòu)造塊。

執(zhí)行能量轉(zhuǎn)換功能需要具備可編程增益放大器(PGA)的獨(dú)立模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。被轉(zhuǎn)換的線電壓和電流信號(hào)可進(jìn)行數(shù)字處理，提供能量和線路時(shí)段測(cè)量、負(fù)電流動(dòng)顯示、峰值電壓與電流等。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)可執(zhí)行必要的計(jì)算以提供準(zhǔn)確的活動(dòng)能量、RMS電壓、電流以及波形采樣。

嵌入式信號(hào)處理器

就簡(jiǎn)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法而言，諸如MSP430FE42x"電表芯片"等混合信號(hào)ASSP集成了測(cè)量功能，作為隨時(shí)可用的嵌入式信號(hào)處理器 (ESP)?？蓪SP看作是一種固定功能外設(shè)，是專門為電子電表應(yīng)用而量身定制。ESP作為一種外設(shè)可提供所有測(cè)量功能，如圖2所示。我們使用具備同時(shí)采樣和保持的三個(gè)獨(dú)立的16位Δ-Σ ADC-PGA 對(duì)。其中一個(gè)ADC用作電流測(cè)量，一個(gè)用作電壓測(cè)量，第三個(gè)則用作火線與零線 (line-to-neutral) 電流比較，以進(jìn)行竄改檢測(cè)。

我們可對(duì)嵌入式16位DSP進(jìn)行編程，該器件采用優(yōu)化的CPU、硬件乘法器、RAM以及ROM。也集成了精確的電壓參考與溫度感應(yīng)器，用以減少外部組件。對(duì)設(shè)計(jì)工程師而言，ESP可方便地初始化，而無(wú)需應(yīng)用軟件。與主要的16位CPU的通信是通過(guò)現(xiàn)有的存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)地址總線作為可讀寫郵箱寄存器完成的。數(shù)字校準(zhǔn)在制造過(guò)程中執(zhí)行，無(wú)需其它的軟件支持。

為了滿足嚴(yán)格的準(zhǔn)確性要求，測(cè)量功能可在1000至1的動(dòng)態(tài)電流范圍內(nèi)提供精確到 0.1% 的能量測(cè)量，大大超過(guò)了典型機(jī)械電表 2% 的一般精確度。由于具備每秒4096的高采樣率，可以以數(shù)字的方式去除第20階的50或60Hz市電電源諧波，特別是在快速開關(guān)瞬變負(fù)載環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了更高的精確度。由于完全通過(guò)ESP管理關(guān)鍵的能量計(jì)算，用戶可以使用MCU來(lái)實(shí)施獨(dú)特的特性，如顯示和自動(dòng)讀表（AMR）。

單片方法

從芯片角度看，除了專用ESP之外，ASSP的主要吸引力還在于將所有其他功能可作為通用外設(shè)提供。在電表芯片實(shí)例中，主CPU可以完全訪問32kB系統(tǒng)內(nèi)部可編程 (isp) 閃存和1kB RAM，以開發(fā)應(yīng)用特性。憑借ISP，一般用作校準(zhǔn)和單元識(shí)別序列號(hào)的外部非易失存儲(chǔ)器可以取消，而代之以保存在正常的閃存中。周期性消耗數(shù)據(jù)也可記錄在ISP閃存中。

圖3顯示了完整的片上電表。兩款業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的16位計(jì)時(shí)器、USART串行通訊接口以及LCD驅(qū)動(dòng)器可為每個(gè)應(yīng)用實(shí)施獨(dú)特的特性。作為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)，一般軟件庫(kù)可重復(fù)使用，從而減少了總體項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間。

就長(zhǎng)期可靠性而言，系統(tǒng)中發(fā)生故障的最常見的項(xiàng)目之一就是晶體 (crystal)，其本質(zhì)上是一種機(jī)械元素。因此，電表ASSP只使用單個(gè)低頻率的32 kHz 表面晶體 (watch crystal) 作為計(jì)時(shí)之需，并能在斷電情況下進(jìn)入超低功耗的睡眠模式。高速系統(tǒng)時(shí)鐘獨(dú)立于晶體在片上進(jìn)行數(shù)字生成，如果發(fā)生外部晶體故障，它可提供故障安全模式，以允許MCU在最小級(jí)別上繼續(xù)工作。對(duì)于諸如電表等應(yīng)用而言，可靠性是最優(yōu)考慮的因素，因?yàn)檫@需要部署數(shù)十年之久。

與離散解決方案相比，電表ASSP將芯片數(shù)從五片降至了一片。芯片數(shù)的降低不僅節(jié)約了成本，而且還優(yōu)化了制造，改善了長(zhǎng)期可靠性。

合而為一

如今，開發(fā)基于嵌入式 MCU、能快速投入市場(chǎng)、具有緊密封裝以及更高精確度模擬的 ASSP 要求富有全新的思維方式。一流的 MCU 式線上電路模擬器 (ICE) 被嵌入式模擬所取代。小型嵌入式模擬邏輯內(nèi)核駐留在實(shí)際的 ASSP 自身上，通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口可對(duì)其進(jìn)行不間斷訪問。嵌入式模擬對(duì)高性能混合信號(hào)系統(tǒng)變得日益重要，這些系統(tǒng)必須保持微伏模擬信號(hào)（如電子電表）的完整性。笨重的 ICE 幾乎不可能實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性，它對(duì)連線干擾非常敏感。

從開發(fā)一開始，固件工程師就在默默地開發(fā)實(shí)際的生產(chǎn)系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試。將ISP閃存的卓越靈活性與普通的嵌入式模擬相結(jié)合，使設(shè)計(jì)一開始就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)開發(fā)，從而減少了反復(fù)開發(fā)工作與時(shí)間。如果需要的話，還可在生產(chǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行最后一分鐘軟件升級(jí)，并不管在是否經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)劃安排的情況下都可進(jìn)行更新。

作者簡(jiǎn)介
Mark Buccin是 MSP430的全球產(chǎn)品線經(jīng)理，負(fù)責(zé)應(yīng)用與戰(zhàn)略市場(chǎng)營(yíng)銷。在TI的模擬、DSP、ASIC和MSP430等領(lǐng)域的實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面擁有 15年的豐富經(jīng)驗(yàn)。除了負(fù)責(zé)產(chǎn)品線而外，他還撰寫了大量應(yīng)用報(bào)告、論文以及四份年度全球研討會(huì)系列材料。他擁有奧克蘭大學(xué)（密歇根州Rochester）的電子工程學(xué)士學(xué)位。