高整合USB微控制器简化嵌入式系统连结设计 - 全文

　　USB连结是许多嵌入式应用的重要规格;高度整合的USB微控制器解决方案，不仅能以最简易的方式为嵌入式系统建立USB连结，还能提供高效能的CPU功能;其所附带的整合式类比周边更有助于降低元件数量和材料清单成本，进一步满足市场需求。　　

 

　　高整合度USB微控制器可以高成本效益，完成嵌入式连结功能设计。

　　加入更多功能/周边　降低整体成本

　　USB在工业和消费应用中迅速获得采用，同时也为嵌入式解决方案的设计人员带来挑战，因为设计人员须把USB连结融入产品中，且还要维持或者降低整体成本。早期版本的USB微控制器是为增设USB介面所开发，但它没有能力支援其他的功能或周边设备。当USB刚推出时，这些元件在推动USB介面的全面普及上扮演重要的角色，即使到今天，这些桥接元件也可当作有效解决方案。只要透过辅助晶片，即可迅速增添全速型USB，而不必重新设计整个系统。不过，对于一些成本敏感的应用，这种做法或许不尽理想。

　　为克服成本上的难题，新一代的USB微控制器加入更多的功能与周边装置。不过，具备不同周边功能的USB微控制器虽然在市场上大幅成长，但还是不及高度整合的解决方案。高整合度的USB解决方案不仅能加入适当组合的周边装置，还能确保这些功能强大到足以支援重要的应用需求。虽然应用需求深受终端产品的特性与功能所影响，但大部分的应用主要须涵盖三个共通的层面。

　　首先是中央处理器(CPU)的效能以及把USB并入周边装置的影响;第二须考量的层面是，在类比功能或周边装置上扮演真实世界讯号连结的要角;最后，由于各种应用对成本几乎都很敏感，因此可消除外部元件需求以降低成本的USB建置便十分理想。

　　CPU主要的功能为执行用户码，所以它能不能及时执行指令并处理资料便至关重要。一般符合成本效益的USB控制器都会采用先进先出(FIFO)的方式来管理进出的封包，而CPU可将资料存取于缓冲器内，并同时执行其他的作业。

　　CPU/USB功能交互作用难题迎刃解

　　在桥接应用的例子中，假设需求是要把序列式的通用异步收发器(UART)桥接到USB的系统上。最简单的方法，CPU应该要能从UART介面撷取资料，并存入USB FIFO中，反之亦然。不过，要是同样此应用须执行其他简单的功能，像是反转字节排序，或者执行复杂的功能，如套用软体过滤程式，该怎么办?一开始的简单作业突然变成极为复杂的运算，而这须要经过特别的处理才能妥善管理，于是对CPU所造成的负担便愈来愈大。

　　一般的协定桥接都是把一个周边装置的资料传往另一个，并且几近即时，所以CPU须具备必要的效能来读写及运作资料，延迟时间也要缩短到能让人接受。芯科实验室(Silicon Labs)推出一系列的微控制器，为低价USB解决方案中较佳的范例，该系列微控制器具备强化的高速CPU，能够在一或二个系统时脉周期就能执行七成的指令。这种效能不仅足以满足协定桥接应用的需求，还能支援其他大部分的高速USB应用。另一个优点是，高速CPU能在较短的时间内执行较多的工作，所以能降低整体的耗电量，并使系统在低功耗模式中维持较长时间运作(图1)。

　　

 

　　图1 高效能微控制器可使系统在低功耗模式下延长作业时间

　　因应不同需求　微控制器内建ADC已成趋势

　　很多应用都有采用类比式的功能或周边装置，像是类比数位转换器(ADC)和比较器，例如从基础的电池管理到高速感测介面中，极为复杂的资料撷取系统，每个应用都须使用ADC和比较器来支援广泛的应用，而ADC和比较器必须具备强大的效能，以因应各种不同的需求，同时还必须价格低廉以便整合到USB微控制器中。

　　有些厂商的微控制器就具备内建高效能的ADC，而这些ADC的转换时间是追踪一次500ksps，并具有能在ADC每次转换后，插入时脉循环的能力。

　　具体来说，当转换的讯号出现后，每次转换前都会有一段三个ADC时脉循环的追踪期(图2)。当有好几个ADC频道在运作时，这种模式就非常有用，因为它能建立正确转换时所不可或缺的适当安定时间。此外，侦测可编程窗口的效能也可用来比对ADC的输出暂存器和使用者所编程的限制。这种效能尤其适用于电池管理的应用，因为使用者可限制电池存量要到多低时才发出警示。另外，由于不须动用到CPU的任何效能，因此延迟期间非常短，可进一步提高电池应用的安全性。

　　

 

　　图2 类比数位转换器追踪模式

　　比较器提供另一种非常有用的类比功能，并广泛运用在许多应用中，如血糖机中的比较器是用来检测试纸的置入，或者像胰岛素泵则须要快速关机机制以防止电泵当机。在这两个例子中，比较器的反应时间与耗电量就显得格外重要。

　　在传统的USB装置中比较器的规格都很宽松，而先进的微控制器可提供可编程反应时间短至100奈秒(ns)。耗电量也可由使用者来选定，以低到1微安培(μA)这点来看，微控制器的装置，其所达到的类比效能数值跟一般的离散式类比积体电路(IC)可说是不相上下。当USB的微控制器整合高效能类比效能时，它就能提供符合成本效益的单晶片解决方案，并替代外部类比元件。

　　确保USB连结可靠性　内建振荡器势在必行

　　若是要把USB整合到单晶片微控制器解决方案里，要如何做才能最佳化系统的设计成本，对于设计人员来说，可能需要不同的想法。比方说，在设计中如果加入USB，可能会对时脉树系统的设计造成不小的影响。如果要确保USB连结时的可靠性，维持USB时脉的准确性就显得更为重要。

　　一般USB微控制器都须要设计人员加入外部晶体和相关元件，才能让USB时脉达到准确度的要求。这种做法不仅会提高解决方案的成本，也会扩大印刷电路板(PCB)设计复杂度与总体尺寸。此外，USB的速度多半要靠外部的终端电阻来确认，这也进一步提高USB的建置成本。

　　将时脉的恢复能力整合到USB微控制器元件中，这是创新效能的最佳典范。它剔除其他USB微控制器常用的外部晶体，并靠内部振荡器针对载入的USB资料串列自行调节。如此一来，透过内部振荡器就能满足USB时脉需求。除移除外部元件降低成本外，剔除外部晶体还有另一个主要好处，即是把跟时脉相关的噪音排放消除后，电磁干扰(EMI)就会大幅减少。此外，这些解决方案所整合的终端电阻完全是靠软体来控制;剔除外部晶体和相关元件以及把终端电阻整合进来是很大相当大的突破，因为当设计人员把USB加入设计中时，这可助于降低成本与复杂性。

　　USB设计还有一个常见的挑战，即软体开发既复杂又费时。而随手可得的USB驱动程式和程式码范例则可克服此难题，并大幅缩短开发时间。比方说，有些厂商的USB微控制器开发工具就包含生产所需的主机和USB装置的驱动程式。使用时并不需要USB协定或主机设备驱动程式的专门技术，使USB连结能以迅速简单的方式来建置。

　　USB连结是许多嵌入式应用的重要需求，高度整合的USB微控制器解决方案不仅能以最简易的方式建立USB连结，为嵌入式系统的开发人员大幅简化设计，还能提供高效能的CPU功能，其所附带的整合式类比效能则有助于降低元件数量和材料清单成本(BOM)，进一步满足市场需求。