微控制器正在成為工業和商業系統中基于傳感器的系統的核心引擎。為傳感器應用創建核心平臺并僅實施低成本軟件和基于固件的更改的能力推動了開發板的可用性和多樣性的提高。雖然主要通過串行端口連接，但模擬和混合信號傳感器會影響微控制器的性能、操作系統的選擇以及整體設計的功率/性能。使用特定應用開發板可簡化設計任務并有助于及時完成設計。

　　傳感器控制和接口

　　嵌入式系統越來越多地使用多個傳感器對其環境進行采樣。大量這些傳感器使用簡單的串行接口，產生數字輸出，可以直接由微控制器處理。其中一些系統使用在傳感器之間多路復用的傳統串行接口，為控制器提供一次僅處理一個輸入的結構（GPIO、I2C、SPI、RS232、RS422 等）。其他串行傳感器設備包含 USB 接口的完整協議管理以及該接口的多設備管理方法。

　　雖然與傳感器的通信是數字的，但大多數傳感器都是模擬的。模擬傳感器包括光和紅外探測器、熱電偶、觸摸控制器、聲音和外部區域運動傳感器、設備位置和運動傳感器以及溫度和壓力傳感器。模擬傳感器的分辨率和精度水平不僅決定了數據存儲的大小和字長，還決定了 MCU 的速度和數學處理能力。

　　由于有許多不同類型的傳感器，系統開發的主要方法包括選擇一個核心控制器，然后在軟件中編程一個應用程序，該應用程序調用正在使用的特定傳感器的接口軟件例程。使用這種方法，設計人員可以創建一個通用設計平臺和 GUI，同時將特定傳感器和應用的最終優化步驟留到設計周期的最后階段。大多數 MCU 軟件開發套件 （SDK） 旨在支持此方法，并包含針對此方法優化的開發板。

　　優化的數據采集系統

　　由于目前使用的大多數傳感器都是模擬標準產品數據采集系統，例如ADUC7060（參見圖 1）來自 Analog Devices，它為標準化的 ARM7? 內核 MCU 帶來了高性能信號路徑。這些單芯片解決方案具有多種功能，旨在解決高傳感器數量的工業應用空間。

　　圖 1：Analog Devices 的 ADUC7060 框圖。（由模擬設備公司提供。）

　　Analog Devices 的 ADuC7060 是一款完全集成的 8 ksps 24 位數據采集系統，包含高性能多通道 Σ-Δ （Σ-Δ） 模數轉換器 （ADC），以及片上振蕩器和 PLL產生高達 10.24 MHz 的內部高頻時鐘。MCU 內核是 ARM7TDMI，16 位/32 位 RISC 機器，提供高達 10 MIPS 的峰值性能；4 kB 的 SRAM；和 32 kB 非易失性 Flash/EE 存儲器，均在片內提供。ARM7TDMI 內核將所有內存和寄存器視為單個線性陣列。

　　數據采集??和傳感器接口子系統由一個 5 通道主 ADC 和一個最多 8 通道輔助 ADC 組成。ADC 在單端或差分輸入模式下運行。片上提供單通道緩沖電壓輸出 DAC。DAC 輸出范圍可編程為兩個電壓范圍之一。

　　由于該器件專為實時傳感器接口和信號解釋而設計，因此 ADuC7060 包含一個高級中斷控制器。矢量中斷控制器 （VIC） 允許為每個中斷分配一個優先級。它還支持每個 IRQ 和 FIQ 最多 8 個嵌套中斷。當 IRQ 和 FIQ 中斷源組合在一起時，總共支持 16 個嵌套中斷級別。片上工廠固件支持通過 UART 串??行接口端口進行在線串行下載和通過 JTAG 接口進行非侵入式仿真。這些部件的工作電壓為 2.375 至 2.625 V，工業溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

　　數字接口傳感器和控制器開發選項

　　除了需要數據采集模塊的模擬接口外，還有以SPI、RS232、USB格式出現的傳統串行數據接口。德州儀器（TI） 的MSP-EXP430FG4618實驗板等評估和開發系統專為通用數字輸入和一到兩個模擬傳感器應用而設計。圖 2 顯示了帶有嵌入式電容觸摸板的評估板。圖 3 顯示了該設計的功能框圖。

　　圖 2：TI 帶有觸摸傳感器的 MSP-EXP430FG4618 實驗板（德州儀器提供）。

　　圖 3：TI 的 MSP-EXP430FG4618 實驗板功能框圖（由 Texas Instruments 提供）。

　　該實驗板針對外部數字接口進行了優化，具有大多數嵌入式控制應用所需的典型模塊。這些模塊包括一個 4-Mux LCD 顯示屏、兩個瞬時開啟按鈕開關、四個可用于顯示狀態的 LED，其中兩個可跳線以用于低功率應用、一個從數字 I/ 運行的蜂鳴器O 端口，一個“4”形電容式觸摸板，連接到用于單點觸摸感應的數字 I/O 端口，一個帶 UART 的 RS-232 端口；和一個 I2S/SPI 連接，用于通過兩個 JTAG 端口進行處理器間通信。在模擬端，有一個麥克風輸出到一組模擬濾波器、數據轉換器以及驅動模擬輸出的有源 LPF 和緩沖放大器。該模擬信號鏈如圖 4 所示。最后，

　　圖 4：TI 的 MSP-EXP430FG4618 實驗板模擬信號路徑（由 Texas Instruments 提供）。

　　該板設計有一個中央處理塊，該塊是軟件編程用于管理嵌入式系統應用程序。直接數字輸入直接到達處理器并利用中斷控制器。在從模擬域轉換后，同一內核對來自圖 4 所示模擬路徑的信號進行數字處理。該評估/開發板可用作多個項目的平臺，因為打開系統功能的接口代碼和開銷獨立于最終應用程序。這允許軟件核心模塊處理通用 GUI 和開發方法，以便媒體控制、工業控制、機器人和環境控制系統都可以使用相同的流程進行設計。

　　擴展無線開發

　　雖然 MSP430FG4618 以核心處理器路徑中的多個傳感器控制為目標，但 Texas Instruments 的eZ430-RF2500開發套件是一款基于 USB 的無線開發產品，使用相同的 MSP430 應用開發軟件。該套件是一個完整的無線開發工具，提供用于評估 MSP430F2274 微控制器和 CC2500 2.4 GHz 無線收發器的所有硬件和軟件。

　　eZ430-RF2500 使用 IAR Embedded Workbench? IDE 或 TI 的 Code Composer Essentials （CCE） 來編寫、下載和調試應用程序。調試器不顯眼，允許用戶使用硬件斷點全速運行應用程序，同時提供單步執行功能并且不消耗額外的硬件資源。

　　TI的eZ430-RF2500T目標板是一種開箱即用的無線系統，可與 PC 的 USB 調試接口一起使用，作為帶或不帶外部傳感器的獨立系統，或者可以合并到現有設計中。 新的 USB 調試接口使 eZ430-RF2500 能夠使用 MSP430 應用 UART 從 PC 遠程發送和接收數據。

　　eZ430-RF2500（參見圖 5）具有 USB 調試和編程接口，具有無驅動安裝和應用反向通道，共有 21 個用于外部連接的可用開發引腳，具有 16 MHz 性能的超低功耗 MSP430 MCU，兩個通用數字 I/O 引腳連接到綠色和紅色 LED，以及用于用戶反饋的中斷按鈕。

　　圖 5：TI 的 eZ430-RF2500 USB 無線開發套件。（德州儀器提供。）

　　這種無線優化的 MSP430 設計包含一個芯片天線和完整的無線系統，以及一個具有通用軟件控制的模擬傳感器子系統。模擬傳感器子系統包括一個 200 ksps 10 位 SAR ADC、兩個內置運算放大器、一個看門狗定時器、16 位 Timer_A3 和 Timer_B3、一個支持 UART/LIN、SPI、I2C 或 IrDA 接口的 USCI 模塊以及軟件低功耗模式的控制，導致待機模式下的電流消耗低至 700 nA。

　　eZ430-RF2500 開發套件隨附一張 CD，其中包含兩種不同的 MSP430 開發軟件工具：IAR Embedded Workbench KickStart 和 Code Composer Essentials （CCE）。KickStart 版本是完整 CCE 工具的縮減內存子集。CCE 工具可用于購買任何 MSP430 系列 MC。

　　高速連接開發

　　遵循多傳感器和多輸入系統統一開發的趨勢，Zilog已將其核心 Z80 處理器更新為連接優化 ASSP 中的單板計算機 （SBC） 系統。EZ80F917050SBCG（參見圖 6）是用于 eZ80AcclaimPlus！? 連接 ASSP 的 Zilog 的 Zdots? SBC 的實現。與傳統的開發系統不同，該系統針對媒體和互聯網/內聯網控制和數據處理進行了優化。

　　用于連接 ASSP 的 SBC 具有帶 RJ45 連接器的 10/100 Base-T 以太網 PHY、512 KB 快速 SRAM 以及 256 KB 片上閃存、1 MB 片外 NOR 閃存、電池供電實時時鐘; 具有 32 個通用 5V 容限 I/O 引腳的輸入/輸出連接器和 Zilog 的 ZHX1810 IrDA 收發器。板載連接器為 I/O 總線提供外部外圍連接（IRQ、CS、24 地址和 8 個數據），并通過兩個 2x30 針接頭和 3.3 V 電源提供與載板的低成本連接。

　　與 TI 器件一樣，Zilog ASSP 具有內部閃存、多種低功耗模式、兩個獨立的 UART、I2C 和 SPI 接口以及獨立的時鐘發生器、符合 IrDA 標準的紅外編碼器/解碼器、片上實時時鐘振蕩器、四個 16 位計數器/定時器、一個看門狗定時器、JTAG 和 ZDI 調試接口以及 32 位 GPIO。主要區別包括具有 8 KB 幀緩沖區的 10/100 Mbps 以太網 MAC 和單周期取指令流水線 eZ80 CPU 內核。圖 7 顯示了 ASSP 的框圖。

　　圖 ：Zilog 的 eZ80AcclaimPlus！ASSP 功能框圖。（由 Zilog 提供。）

　　eZ80 內核的架構和 SBC 的一般應用都需要包含快速緩沖器。快速緩沖器的存在是為了防止由于模塊外部 Flash 的慢關斷時間與 eZ80F91 的快速總線周轉時間之間的時序差異而發生的總線爭用。在 NATIVE eZ80 模式下使用 eZ80 系列微處理器時與總線爭用相關的問題在 eZ80F91 的開發套件和產品規范中有詳細記錄。

　　當兩個或更多設備驅動一個公共總線（例如多個 GPIO 通道、UART 或以太網控制器）時，就會發生總線爭用。一些外部設備比 eZ80F91 的本機單周期執行時間要慢。這可能導致閃存關閉時間比總線周期時間長三到四倍，進而導致閃存輸出驅動器進入高阻模式。這將導致 eZ80F91 對 Flash 的讀取訪問將 CPU 周期時間加上 Flash 關閉時間的總和作為 Flash 停止驅動數據總線之前的活動時間。此時，eZ80F91 器件已經進入下一個總線周期，導致數據爭用。由于總線上混合了高速以太網流量和標準低速傳感器信號，而且傳感器流量是異步的，

　　本文中描述的通用平臺開發方法需要統一的軟件代碼庫以及可以處理多個外部傳感器的應用開發板。這些傳感器具有多種接口，包括模擬和數字接口。這些接口不僅在發送數據的大小和精度方面有所不同，而且在速度方面也有所不同。在保持通用 GUI、應用程序界面和存儲在軟件中的獲取數據的同時控制和調整系統時序是從單個 MCU 基礎開發多個產品的關鍵。

　　概括

　　隨著基于傳感器的系統功能的增加，嵌入式微控制器的結合正在成為一種主流趨勢。這些設備具有對固件和軟件進行現場編程的能力，是系統設計的基礎。這些系統在系統核心使用基于 FPGA 的核心微控制器和低功耗獨立微控制器的組合。然而，傳感器和物聯網 （IOT） 世界需要信號處理應用程序，因此，它們需要在適當的設計原型中進行實際測試，以檢查它們的實時性和設計的信號完整性。大多數供應商和眾多第三方合作伙伴都創建了基于微控制器的開發系統，這些系統與 SDK 一起作為核心處理器組件提供。