Arm? Cortex?-M0+ MCU 如何優化通用處理、傳感和控制
2023-03-31 14:44:43 德州儀器嵌入式系統中的微控制器 (MCU) 像是繁忙機場的空中交通管制系統。MCU 可以感知所在的工作環境，根據感知結果采取相應操作，并與相關系統進行通信。MCU 可以管理和控制從數字溫度計到煙霧探測器，再到暖通空調電機等幾乎各種電子設備中的信號。
為了確保系統的經濟性和使用壽命，嵌入式設計人員在設計過程中需要更大的靈活性。如果采用目前市面上的 MCU 產品系列，設計人員在當前和未來設計中可以重復使用的硬件和代碼數量將很有限，并且計算、集成模擬和封裝選項也很有限。這種有限的靈活性通常意味著設計人員必須向多家制造商采購 MCU，并需要花費額外的時間進行重新編程才能滿足每個設計的獨特需求，因此會增加開發成本以及整體系統成本和復雜性。
mcus-processors/arm-based-microcontrollers/arm-cortex-m0-mcus/overview.html">MSPM0 Arm? Cortex?-M0+ MCU 為設計人員提供更多的選擇、更大的設計靈活性以及更直觀的軟件和工具，可幫助解決這些難題。本文將探討所謂的“更”在這里的真正含義，以及這些 MCU 憑借更多的集成模擬選項和處理能力可能適用的潛在應用。
更多的計算選項
雖然 Arm Cortex-M0+ 為 8 位和 16 位應用帶來了 32 位計算能力，但設計人員仍在尋求盡可能強大的計算性能，包括增加軟件抽象層以實現代碼復用和延長壽命，在具有超低時延要求的算法中加強分析能力，以及提高安全性。
執行計算工作的 MSPM0 MCU 選項有很多，從適用于簡單應用的 32 MHz Arm Cortex-M0+ 中央處理器 (CPU)，一直到具有硬件加速數學函數（包括加速除法、求平方根、乘法累加和三角函數 [正弦、余弦、x 的反正切、y/x 的反正切]）的 80 MHz CPU。
MSPM0 G 系列（包括 MSPM0G3507）MCU 在兩種閃存等待狀態下具有 80 MHz 的計算能力，因此可以在如下應用中采用此類低成本 MCU：
· 運行頻率大于 30 kHz 的無傳感器磁場定向控制 (FOC) 電機驅動應用，由于數學加速，控制環路時延更低（應用示例如圖 1 所示）。
· 電網基礎設施中的多相電能計量計算。
圖 1：FOC 電機驅動應用示例（工業電機、無繩電鉆和家用電器）
更多的集成模擬選項
借助于 MSPM0 MCU 的集成構建塊以及靈活的可編程片上連接，包括逐次逼近寄存器 (SAR) 模數轉換器 (ADC)、比較器和數模轉換器，可以幫助提高傳感電路的精度。這些構建塊還包括具有零交叉失真的零漂移、斬波穩定型、可編程增益運算放大器。集成的跨阻放大器具有用于實現光電二極管電路的超低輸入偏置電流 (150pA)。
在低成本傳感應用中，通過降低作為誤差源的輸入失調電壓，可以實現更高的傳感器信號增益，同時在整個溫度范圍內保持較低的殘余輸入失調電壓誤差（如圖 2 所示），從而提高以下應用中的精度：
· 電力輸送應用，如電池充電和電量監測。
· 監測和實時控制應用，例如電器、電動和園藝工具中的有刷直流和無刷直流電機驅動器。
· 醫療監護信號鏈，包括血壓監測儀、脈搏血氧儀和溫度計。
· 樓宇自動化應用，包括煙霧探測器和被動紅外傳感器。
圖 2：在最大值 ±2 mV 和 ±300 μV 下的輸入失調電壓誤差比較
集成的 SAR ADC 支持高達 4MSPS 的單調 12 位運算和高達 250kSPS 的 14 位運算，并支持同步采樣以同步測量兩個信號。此功能可在住宅和企業應用中進行能源監測，對電源電壓和電流進行 14 位同步采樣，以及在壓縮機、泵和風扇等電機驅動器中進行高速低時延采樣 (250ns)。
結語
在成本敏感的嵌入式系統中添加和改進功能取決于符合設計人員預算的 MCU 的傳感精度和計算能力。隨著越來越多的設計人員采用平臺軟件開發方法、對多個應用使用同一個軟件框架，基于具有可擴展功能的 MCU 產品系列進行開發比以往任何時候都更加重要，這樣能確保每個產品都使用具有必要檢測和處理功能并經過成本優化的 MCU。采用現代 MCU 產品系列，設計人員可以在不增加成本的情況下添加新功能，或者在保留現有功能集的情況下降低成本，同時還可以開發在未來設計中可重復使用的可擴展軟件。
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