德州儀器 mark buccini

     摘 要：本文主要介紹全新高速安全微控制器的結(jié)構(gòu)特征與優(yōu)勢(shì)，并從中指出它的發(fā)展與應(yīng)用前景

     關(guān)鍵詞：高速微控制器；嵌入式系統(tǒng)；非易失存儲(chǔ)器；加密密鑰

     要在大量的消費(fèi)類應(yīng)用中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能與低成本，全定制的模擬前端 (afe) 與普通的數(shù)字信息處理器相結(jié)合是唯一的選擇。為了在同一系統(tǒng)中同時(shí)滿足高性能模擬與低成本數(shù)字控制這兩個(gè)相互矛盾的需求，當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)是利用專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (assp)。assp 的優(yōu)勢(shì)是用一個(gè)可重復(fù)使用的低成本系統(tǒng)提供高性能模擬、低成本數(shù)字控制以及縮短上市進(jìn)程。這些 assp 提供可配置的混合信號(hào)模擬功能作為優(yōu)化的外設(shè)模塊，器件的其余部分作為許多平臺(tái)共享可重復(fù)使用的模塊。快閃微控制器 (mcu) 是實(shí)現(xiàn)共享功能的晶核 (host)。單個(gè) assp 除了全部補(bǔ)充有計(jì)時(shí)器與串行端口等數(shù)字外設(shè)之外，現(xiàn)在還可集成高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (adc)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (dac)、運(yùn)算放大器 (oa)、電源電壓監(jiān)控器 (svs) 以及液晶顯示驅(qū)動(dòng)器。在圖 1 中我們用 msp430fg43x 顯示了混合信號(hào)快閃 mcu 的集成性能。 憑借基于 assp 的混合信號(hào)快閃 mcu，設(shè)計(jì)工程師就不必將他們的資源集中到風(fēng)險(xiǎn)大的全定制硬件實(shí)施上，從而可以開發(fā)出能夠快速投放市場(chǎng)的靈活的可編程功能。 混合信號(hào) assp mcu 解決方案

     assp 非常適用于便攜式醫(yī)療設(shè)備。一臺(tái)典型的設(shè)備需要一個(gè)精密傳感器接口電路、通信功能、實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能、患者數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器、較長(zhǎng)的電池使用壽命以及在應(yīng)用中可對(duì)快閃 mcu 進(jìn)行編程的靈活性。圖 2 顯示了單芯片葡萄糖測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)圖。

     用一個(gè)生物催化劑試驗(yàn)片來測(cè)量一小份血樣的葡萄糖含量。當(dāng)血樣加到試驗(yàn)片上時(shí)，將產(chǎn)生 μa （微安）級(jí)的小電流，而且與葡萄糖成比例。然后由快閃 mcu 內(nèi)部的一個(gè) 12 位 dac 向試驗(yàn)片提供偏置電壓。我們利用以一個(gè)集成快閃 mcu 的運(yùn)算放大器實(shí)施的互阻抗放大器，將生物催化劑產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)化為電壓。我們利用一個(gè)可編程反饋電阻陣列將運(yùn)算放大器的輸出調(diào)到可通過嵌入式 12 位 adc 進(jìn)行測(cè)量的范圍，該可編程反饋電阻陣列可由快閃 mcu 從內(nèi)部提供，不再需要外部組件。

     生物催化劑對(duì)溫度很敏感，由于測(cè)量周期可能持續(xù)達(dá) 30 秒，使得這一情況更為復(fù)雜。例如，測(cè)量周期可能從用戶室內(nèi)等暖和的環(huán)境開始，而轉(zhuǎn)換結(jié)果卻在寒冬的室外環(huán)境中完成。為此，我們用內(nèi)部溫度來衡量測(cè)量周期開始與結(jié)束時(shí)的溫度，如果二者之間的溫差過大，讀數(shù)將棄用，并向用戶報(bào)警。

     隨后通常將記錄并傳送患者的測(cè)量數(shù)據(jù)，供用戶或者醫(yī)師進(jìn)行分析。由于快閃 mcu 存儲(chǔ)器是系統(tǒng)內(nèi)可編程的 (isp) ，因此一部分快閃被直接分配用于數(shù)據(jù)記錄。使用 mcu 存儲(chǔ)器的一部分來進(jìn)行記錄，就不需要外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器了�，F(xiàn)代嵌入式快閃可擦除與改編程序多達(dá) 10 萬次，高于儀器的工作壽命。功率監(jiān)控 (power aware) 的應(yīng)用

     為了延長(zhǎng)工作壽命，工程師在設(shè)計(jì)電池供電儀器時(shí)必須認(rèn)識(shí)到功率問題。正常的運(yùn)行模式必須是省電的低功耗待機(jī)模式。為了節(jié)電，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，只運(yùn)行必需的任務(wù)。不必要的任務(wù)會(huì)浪費(fèi)功率，應(yīng)徹底刪除。不用的外設(shè)模塊必須禁用。利用 assp，所有的外設(shè)模塊均嵌入快閃 mcu 中，并且完全采用軟件控制，易于操作。禁用電路被簡(jiǎn)化為軟件操作，只需在外設(shè)控制寄存器中設(shè)定位即可。 除最低功耗之外，隨選性能以及操作狀態(tài)間的快速切換能力通常都是必需的。系統(tǒng)的計(jì)時(shí)必須具有足夠的靈活性，以滿足下列相互矛盾的需要：

     ● 精確時(shí)基所需的穩(wěn)定性

     ● 延長(zhǎng)電池壽命所需的低功耗

     ● 高性能所需的速度

     ● 對(duì)事件做出快速反應(yīng)的靈敏性

     最佳的時(shí)鐘解決方案是以下兩種計(jì)時(shí)方式的結(jié)合：一種是采用外部32khz 表面晶體作為輔助時(shí)鐘 (aclk)，實(shí)現(xiàn)低功耗與穩(wěn)定性；另一種是采用快速啟動(dòng)、高速片上數(shù)控振蕩器 (dco) 作為系統(tǒng)的主時(shí)鐘 (mclk)。aclk 始終保持開啟狀態(tài)，只對(duì)一個(gè) lcd 驅(qū)動(dòng)器以及一個(gè)用于實(shí)時(shí)中斷的計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。高速 mclk 對(duì) cpu 以及高速外設(shè)進(jìn)行計(jì)時(shí)，以增強(qiáng)處理能力及對(duì)事件的快速反應(yīng)能力。dco 是一種接近“零時(shí)延”的低 q、rc 型振蕩器，可在不到 6μs 的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)。

     為了實(shí)現(xiàn) dco 時(shí)鐘穩(wěn)定的輸出，不隨溫度和電壓而改變，我們使用了一個(gè)鎖頻環(huán) (fll)。fll是一個(gè)連續(xù)的頻率積分器 (frequency integrator)，始