Kinetis M微控制器：面向计量方案的攻城利器

　　如果您观察周围，就会发现日常生活中计量设备无处不在。我说的是家里安装的所有电表、燃气表、水表以及计热表，更别提加油站和购物中心的流量表、秤和注册系统了。目前生产的计费设备由微控制器进行电子控制。

　　在微控制器控制的典型计量应用中，计费数据的准确性首先取决于模数转换器的精度（A/D）、采样频率和足够的计量计算动态范围。另外，它还取决于软件的可靠性，所以必须关注软件对金融交易的影响。因此，半导体公司的目标是，开发的微控制器不仅能满足测量精度、计算吞吐量和能源消耗等基本技术要求，而且还具有足够的灵活性，可以提供将“合法”计量从应用的其他部分隔离的选项。

　　2013年10月，飞思卡尔推出了一个采用ARM® Cortex®-M0+内核的全新微控制器系列 — Kinetis® M。除了许多高分辨率的模拟外设、数字定时器、通信接口和带独立电源和温度补偿的实时时钟外，这些微控制器还配备了硬件，控制接入存储器、外设和集成在芯片上的I/O端口。

　　特性

　　图1显示了Kinetis M微控制器框图。

图 1 – 框图

　　从上图可以清楚看出，除了32位ARM Cortex-M0+外，微控制器还提供四个独立的24位A/D转换器（SD ADC），内置可编程的放大器（PGA），转换速度可达100 ksps。转换器设计，再加上作原理（二阶Sigma-Delta调制器），支持在所有通道同时或采用精确定义的延迟来测量双极模拟信号，范围从几微伏到一伏。

　　包含的其他模拟模块是两个高速模拟比较器（HSCMP），拥有可编程的磁滞5-30 MV，一个12通道的16位SAR A/D转换器，以及一个拥有精确的1.2 V电压参考，温度系数为33 ppm/°C。设计该参考电压的目的不仅是适用于提到的所有模拟模块，而且通过一个内部放大器缓冲，它还可以用作板卡上其他电路的电压参考源。但是，如果内部参考电压的参数不够的话，微控制器的模拟模块可以由外部1.2 V参考电压供电。

　　飞思卡尔的目标是设计非常适合计量应用的可编程器件。因此，该Kinetis M微控制器系列不仅包括Kinetis家族的标准模块，还包括其他产品线的典型模块。例如，互连矩阵中的内部信号、器件的输入和输出（XBAR）和四通道定时器（Quad Timer）是通常用于数字信号控制器（DSC）中的模块。这些模块允许应用开发人员更精密地连接内部外设，定义被测样品之间的时间序列，还提供监测内部外设工作的选项。片上外设和I/O引脚连接XBAR模块如图2所示。

图 2 – XBAR 信号和连接

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　　例如，这些模块在一个典型的三相电表应用中可以用于从相电流测量（三个24位SD ADC）触发相电压测量（三个16位SAR ADC通道）。其他使用领域包括自主测量模拟信号周期（频率），检测RS-485和RS-232链路、调制的IEC 1107和38K红外通信的通信速度，连接外部模拟sigma-delta调制器和生成高稳定性的校准脉冲。

　　内部时钟生成模块包含锁频环（FLL）、锁相环（PLL）、低频振荡器（OSC32K）、高频振荡器（OSCMHZ）、32 kHz 和4/2 MHz的内部参考时钟（IRC）模块。

　　最后还有重要的一点，我必须提到有助于应用安全的模块，包括符合家用电器安全标准（IEC 60730）的“看门狗”定时器、循环冗余校验（CRC）加速器、随机数发生器（RNGA）和侵入检测（Tamper）。

　　Kinetis M微控制器系列提供两种存储器配置和三种封装。应用开发人员可以选择的存储器配置有64 KB或128 KB Flash，封装有44 LGA、64和100 LQFP。采用64和100 LQFP封装的器件衍生产品均包括一个标准的LCD控制器，可以处理的LCD段数分别为160段和288段。制造商保证温度在–40°C 至+85°C范围内、电源电压为1.71 V至3.6 V时，所有零部件都能正常工作。

　　表1列出了该器件的衍生产品、封装和基本特性。

表1 – 器件的衍生产品和封装

　　支持明确隔离相关合法软件

　　国际法制计量组织（the International Organization of Legal Metrology，OIML）和欧洲国家法制计量合作组织（the European Cooperation in Legal Metrology，WELMEC）等国际组织为编写软件控制的计量仪器应用程序提供咨询指导，即针对用软件将影响计费数据的那部分应用程序与该应用程序的其他部分隔离而制定了条例。如果制造商根据这些指导方针开发了一个计量仪器，并在初始审核和验证过程中向被通知机构（notified Body）提供了合规证明，那么它可以修改应用程序的其他部分，而不需要重新审核，因而获得了灵活性，大大节约了成本。

　　飞思卡尔在器件开发过程中很好地意识到了这点，因此我们增加了硬件来控制所有集成式存储器、外设、I/O端口（参见图3）的接入，充分利用这一优势。

图 3 – 平台

　　Kinetis M平台由ARM Cortex-M0+内核和两个DMA控制器组成。这些主动模块（总线主机）以“用户”或“特权”模式接入其他被动模块（总线从机）。被称为杂项控制模块（MCM）的这个额外模块根据进程标识符（PID）的设置增加了指示“安全”或“不安全”状态的访问属性。其结果是出现了硬件强制的三种状态访问的优先模型：特权（安全）》安全用户》非安全用户。在计量应用中，与“合法”计量相关的所有任务以“特权”模式处理，而应用的其他部分以“用户”模式运行。

　　瞬时访问由ARM Cortex-M0+内核执行，DMA控制器由存储器保护单元（MPU）、外设桥（AIPS）和通用输入输出（GPIO）模块进行评估， 这样根据用户指定的标准，允许或拒绝访问芯片硬件，即存储器段、外设，I/O端口。

　　如果设计人员设计了访问控制，同时根据应用需要设置了访问属性，则微控制器平台将自主排除任何会影响“合法”计量应用部分的其他应用部分的访问。

　　开发工具

　　对于新的应用开发，飞思卡尔提供TWR-KM34Z50M开发套件。该套件使用带内置虚拟串口的SWD（OpenSDA） 集成调试接口，能快速、容易地开发应用。虚拟串口加上FreeMASTER驱动和PC机应用程序可以监测在微控制器器件上运行的应用所出现的任何静态变量和全局变量 。

　　除了连接微控制器的连接器，80×90 mm的印刷电路板还包括以下线路：160段LCD，MMA8491Q 三轴加速度传感器，一个带USB接口的七通道可编程正弦波发生器，NTC型IRDA温度传感器，几个LED和按键。开发套件可以单独使用或与TowerTM模块系统的其他I/O卡一起使用（见图4）。

图 4 – TWR-KM34Z50M 开发套件

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　　可以通过支持ARM Cortex-M0+内核的开发工具轻松地配置微控制器。例如，您可以使用面向ARM 6. 70的IAR Embedded Workbench开发工具。即，该工具的Kickstart版（IAR系统免费提供），使您能够创建一个16KB或更小的应用。对于代码达64KB的更高应用，您可以使用CodeWarrior® IDE for MCU’s 10.5特别版。免费工具包含一个C编译器、汇编器、链接器和调试器工具，可从Eclipse IDE内获得（见图5）。

图5 – CodeWarrior IDE for MCU’s 10.5 开发环境

　　CodeWarrior开发工具的商业版以及免费版的一个主要部分是处理器专家（Processor Expert®）软件。使用该工具，您只需用鼠标选择参数就可以编写应用程序。处理器专家软件建模工具不断检查参数设置、生成C代码。不仅初学者，就连有经验的程序员也经常使用该工具来预置微控制器。使用该工具，您可以创建一个简单的应用，无需架构知识和特定微控制器的寄存器。此外，所生成的代码不会包含过多的冗余代码。

　　显然，使用处理器专家软件建模工具，，您可以不用像利用C预处理器亲手编写程序一样编写那样的有效代码。这种类型的编程主要供那些掌握了微控制器架构和片上外设的有经验的用户使用。如果您属于这一类程序员，您肯定会同意我的看法：要开发一个应用程序，有一个包括“启动”模块、中断矢量定义表、连接器命令文件并经良好测试的软件示例以及片上外设裸金属软件驱动就够了。

　　被称为“Kinetis M裸金属驱动和软件示例” 安装软件包提供众多软件示例。当前版本（EAR2.2）支持CodeWarrior IDE for MCU’s 10.5、IAR Embedded Workbench for ARM 6.70和Rowley CrossWorks for ARM 2.3开发工具。

　　片上外设软件驱动已被写入，主要关注快速代码执行，与实例一起以源代码的形式提供。安装软件包还能简单实用地创建一个新项目。图6显示一张包含部分安装软件包的示例表。

图 6 – 软件示例表

　　小结

　　飞思卡尔Kinetis M微控制器系列基于90-nm的薄膜存储器（TFS）工艺技术。它由时钟频率高达50 MHz的ARM Cortex-M0+内核控制。内部时钟生成模块包括锁频环（FLL）、锁相环（PLL）、低频振荡器（OSC32K）、高频振荡器（OSCMHZ）和32 kHz和4/2 MHz的内部参考时钟（IRC）模块。除了许多用于处理模拟信号的外设、数字定时器、LCD控制器、通信接口和实时时钟外，这些器件还包括一个“看门狗”定时器、16／32位CRC加速器、随机数发生器和一个用于侵入检测的电路。Kinetis M微控制器系列提供64/128KB两种存储器配置和三种封装：44 LGA、64和100 LQFP。

　　片上外设、封装选项，以及最重要的、用于将影响计费数据的那部分应用与其他应用部分隔离的硬件，使这些微控制器特别适合计费计量设备。飞思卡尔目前提供一些参考设计，在单相、两相和三相电表应用中证明了这些器件的能力。

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