通用 32 位微控制器 （MCU） 在我們生活的互連、傳感器豐富的嵌入式世界中無處不在。嵌入式智能和連接性在我們生活的幾乎所有方面的激增導(dǎo)致了功能越來越強(qiáng)大的 32 位 MCU 和更的板載傳感器的出現(xiàn)。

使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 的電機(jī)控制、無線電控制、音頻樣本生成和波形生成是需要 MCU 具有更高精度模擬功能的典型應(yīng)用。由于 MCU 不是無線電的天然配套設(shè)備，因此它們通常需要專用的高精度模擬組件或外圍設(shè)備才能在無線電信號存在時“表現(xiàn)良好”。涉及無線電或電機(jī)控制技術(shù)的終端產(chǎn)品通常受益于使用具有高精度外設(shè)和系統(tǒng) IP 的 MCU。

例如，具有高精度脈寬調(diào)制 （PWM） 發(fā)生器的電機(jī)控制器能夠更有效地控制電機(jī)，從而節(jié)省電力并延長電機(jī)的使用壽命。具有包含精細(xì)可控鎖相環(huán) （PLL） 的 MCU 的無線電系統(tǒng)需要更少的外部資源來減少信號干擾，從而帶來更好的終用戶體驗和更高的價值。簡而言之，具有一流精密模擬外設(shè)的 32 位 MCU 可以為廣泛的應(yīng)用賦予更高的價值。

具有高分辨率能力和安全狀態(tài)功能的 PWM 引擎

典型的 MCU 幾乎總是包含一個 PWM 信號發(fā)生器。這些信號發(fā)生器在與外部電阻電容 （RC） 網(wǎng)絡(luò)耦合以生成音頻音調(diào)或其他正弦波形時非常有用。PWM 信號還用于驅(qū)動電機(jī)控制電路。因此，PWM 邊沿的放置對于生成具有更精細(xì)頻率和相位控制的更平滑的正弦波形以及將電機(jī)控制到更高的效率至關(guān)重要。

典型的具有電機(jī)控制能力的 PWM 引擎會生成中心對齊和邊緣對齊的 PWM 信號。它還支持具有死區(qū)時間插入的差模功能，適用于需要“先斷后合”功能的應(yīng)用。典型的 PWM 信號發(fā)生器應(yīng)至少具有設(shè)備工作頻率的分辨率。

例如，對于 Silicon Labs 的 SiM3U1xx/SiM3C1xx Precision32 MCU，PWM 發(fā)生器以 50 MHZ 的頻率運行，允許以 20 ns 的分辨率生成 PWM 邊沿。這些 32 位 MCU 還實現(xiàn)了一種模式，在該模式下，PWM 邊沿可以放置在器件工作頻率時鐘的兩個邊沿上，從而產(chǎn)生 10 ns 的邊沿分辨率，如圖 1所示。這種分辨率對于大多數(shù)與電源無關(guān)的應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。

圖 1. PWM 發(fā)生器的 10 ns 邊沿分辨率

電機(jī)控制（或其他高速控制）系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵功能是能夠在遇到一些災(zāi)難性的外部或內(nèi)部事件（例如過流情況）時關(guān)閉電機(jī)。這種“終止”功能應(yīng)關(guān)閉 PWM 引擎，將控制信號置于已知的良好狀態(tài)并將 I/O 焊盤配置為已知的良好狀態(tài)，以防止損壞外部電路。

SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 包含六個高驅(qū)動墊，每個墊能夠驅(qū)動高達(dá) 150 mA 或總計 400 mA。如果同時驅(qū)動所有焊盤并且不受控制，則可能會損壞外部電路。高驅(qū)動墊可與 PWM 引擎結(jié)合使用，直接驅(qū)動小型電機(jī)。在收到終止信號的情況下，高驅(qū)動焊盤具有“安全狀態(tài)”功能，可使焊盤恢復(fù)到三種預(yù)編程狀態(tài)之一：三態(tài)、上拉或拉低。這些安全狀態(tài)配置寄存器僅在系統(tǒng)上電時重置，否則一旦被軟件寫入并鎖定后將保持不受干擾。任何其他重置都不會影響它們。

精細(xì) PLL 調(diào)整功能

在典型的 MCU/無線電集成設(shè)備中，噪聲抑制是有效使用無線電的關(guān)鍵考慮因素。在這些集成應(yīng)用中，通常會發(fā)現(xiàn)當(dāng)無線電處于接收模式時微控制器完全關(guān)閉，這取決于發(fā)射模式的用例，以避免 MCU 的噪聲污染。如果無線電是經(jīng)常使用的設(shè)備，對 MCU 性能的影響可能會很嚴(yán)重。

減輕這種影響的一種方法是改變 MCU 的工作頻率，以確保其時鐘產(chǎn)生的任何噪聲雜散出現(xiàn)在感興趣的無線電頻段之外。這意味著在 MCU 的 PLL 中具有微調(diào)粒度，以便可以修改其頻率以將這些噪聲雜散置于無線電感興趣的頻帶之外。

Precision32 MCU 中使用的 PLL 能夠在 23 和 80 MHz 之間以大約 200 kHz 的步長移動其工作頻率。這種精細(xì)的分辨率簡化了 SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 與任何無線電設(shè)備的集成，而不會因操作頻率或事件循環(huán)的大幅降低而導(dǎo)致性能損失。

DMA 到一切

直接內(nèi)存訪問 （DMA） 是一種常用于在內(nèi)存和外圍設(shè)備之間移動數(shù)據(jù)的機(jī)制。這種技術(shù)減輕了 CPU 的這種瑣碎任務(wù)，并釋放了更多的 MIPS 用于其他有用的工作。

MCU 上的典型 DMA 實現(xiàn)在設(shè)備上具有固定數(shù)量的源和目標(biāo)，因此限制了 DMA 引擎的實用性。鑒于通用 MCU 的性質(zhì)，很難預(yù)測哪些外設(shè)需要 DMA。一般規(guī)則是將 DMA 應(yīng)用于高帶寬外設(shè)并忽略所有其他外設(shè)。然而，在實時系統(tǒng)中，無論帶寬如何，為機(jī)器上的所有地址提供 DMA 訪問可能是有益的。

例如，SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 就實現(xiàn)了這樣一個系統(tǒng)。雖然只有一定數(shù)量的外設(shè)具有明確的 DMA 支持（即，它們可以配置為具有 FIFO 和中斷邏輯的 DMA 主機(jī)以支持詳細(xì)的帶寬管理），但所有外設(shè)都可以通過 DMA 訪問。那些沒有顯式 DMA 支持的外設(shè)必須在軟件中進(jìn)行帶寬管理，并且在緩沖區(qū)錯誤情況下不會有向 CPU 發(fā)回信號的機(jī)制。例如，端口脈沖發(fā)生器可以由這樣的系統(tǒng)通過一些軟件開銷來控制，從而實現(xiàn)可以更地控制的任意波形發(fā)生器。

該 DMA 引擎還可用于使用基于無線電流量的 DMA 鏈接來控制 MCU 的 PLL。例如，如果無線電通知 MCU 它即將發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，則可以使用軟件 DMA 觸發(fā)器發(fā)出 DMA 請求，該請求將向 PLL 加載相關(guān)參數(shù)以改變其頻率，從而減少其無線電干擾足跡。

更高精度的電流 DAC

當(dāng)出現(xiàn)數(shù)字代碼時，ADAC 會生成模擬電壓。根據(jù)設(shè)計，非典型 DAC 將具有可以實現(xiàn)的特定位精度。因此，10 位 DAC 會將 10 位數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換為給定范圍內(nèi)的電壓（或電流）。

集成在 MCU 上的 DAC 可用于多種用途，例如偏置電流發(fā)生器、任意波形發(fā)生器，或者在電流 DAC（也稱為 IDAC）的情況下，用作相對抗噪聲的通信介質(zhì)。

給定 DAC 的波形生成能力，典型的實現(xiàn)允許 DAC 具有 DMA 可訪問性，并作為 DMA 主機(jī)和伴隨的 FIFO 運行。例如，這種安排允許使用 DMA 從內(nèi)存中定義的波形生成波形。

SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 將此 DAC 概念更進(jìn)一步。FIFO 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)循環(huán)功能，通過在相鄰的 10 位值之間進(jìn)行插值而無需 DMA 干預(yù)，以四分之一的數(shù)據(jù)速率將 IDAC 的精度從 10 位擴(kuò)展到 12 位。例如，如果 IDAC 輸出三個相同的“x”值和第四個值“x+1”，則在封裝引腳處測量的 IDAC 輸出將是一個 12 位精度值，如圖 2所示。此功能可用于生成 12 位偏置電流。

圖 2.12 位 IDAC 輸出

結(jié)論

擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模擬能力精度的技術(shù)增加了 32 位混合信號 MCU 在涉及無線電和電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用中的價值。高精度 PWM 引擎、精細(xì) PLL 調(diào)整和高精度 IDAC 體現(xiàn)了擴(kuò)展精度能力，提供32 位 MCU 在這些設(shè)備無法提供的應(yīng)用程序中具有更多功能。DMA-to-everything 是一種為 MCU 提供更精細(xì)的控制和外設(shè)使用以進(jìn)一步提升價值的功能。在當(dāng)今的 32 位 MCU 中實現(xiàn)的更高精度幾乎總是會通過更好的可用性和適用性帶來更高的價值。