低功耗混合信号专用标准产品 (ASSP) 实现成本、性能以及上市进程的合理平衡

要在大量的消费类应用中同时实现高性能与低成本，全定制的模拟前端 (AFE)
与普通的数字信息处理器相结合是唯一的选择。这种想法就是要使应用模拟最优化，同时以尽可能低的成本使数字部分商品化。但是深亚微米硅技术通常生产批量最小，多数只有100k，一个掩模组的非经常性工程成本 (NRE) 将近 100
万美元，随着向现代深亚微米硅技术的升级，除了少量产量极高的应用外，全定制的解决方案过于昂贵而且不切实际。

为了在同一系统中同时满足高性能模拟与低成本数字控制这两个相互矛盾的需求，当今的发展趋势是利用专用标准产品 (ASSP)。ASSP 的优势是用一个可重复使用的低成本系统提供高性能模拟、低成本数字控制以及缩短上市进程。这些 ASSP 提供可配置的混合信号模拟功能作为优化的外设模块，该器件的其余部分作为许多平台共享可重复使用的模块。快闪微控制器 (MCU) 是实现共享功能的晶核 (host)
与精选的解决方案。单个 ASSP 除了全部补充有计时器与串行端口等数字外设之外，现在还可集成高精度模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC)、运算放大器
(OA)、电源电压监控器 (SVS) 以及液晶显示驱动器。我们用 MSP430FG43x 显示了混合信号快闪 MCU 的集成性能。

凭借基于 ASSP 的混合信号快闪 MCU，设计工程师就不必将他们的资源集中到风险大的全定制硬件实施上，从而可以开发出能够快速投放市场的灵活的可编程功能。

混合信号 ASSP MCU 解决方案

ASSP 非常适用于便携式医疗设备。一台典型的设备需要一个精密传感器接口电路、通信功能、实时时钟功能、患者数据的非易失性存储器、较长的电池使用寿命以及在应用中可对快闪 MCU 进行编程的灵活性。

我们用一个生物催化剂试验片来测量一小份血样的葡萄糖含量。当血样加到试验片上时，将产生 uA （微安）级的小电流，而且与葡萄糖成比例。然后由快闪 MCU
内部的一个 12 位 DAC 向试验片提供偏置电压。我们利用以一个集成快闪 MCU
的运算放大器实施的互阻抗放大器，将生物催化剂产生的电流转化为电压。我们利用一个可编程反馈电阻阵列将运算放大器的输出调到可通过嵌入式 12 位 ADC
进行测量的范围，该可编程反馈电阻阵列可由快闪 MCU 从内部提供，不再需要外部组件。

生物催化剂对温度很敏感，由于测量周期可能持续达 30 秒，使得这一情况更为复杂。例如，测量周期可能从用户室内等暖和的环境开始，而转换结果却在寒冬的室外环境中完成。为此，我们用内部温度来衡量测量周期开始与结束时的温度，如果二者之间的温差过大，读数将弃用，并向用户报警。

随后通常将记录并传送患者的测量数据，供用户或者医师进行分析。由于快闪 MCU 存储器是系统内可编程的 (ISP) ，因此一部分快闪被直接分配用于数据记录。使用MCU 存储器的一部分来进行记录，就不需要外部数据存储器了。现代嵌入式快闪可擦除与改编程序多达 10 万次，高于仪器的工作寿命。

功率监控 (Power Aware) 的应用

为了延长工作寿命，工程师在设计电池供电仪器时必须认识到功率问题。正常的运行模式必须是省电的低功耗待机模式。为了节电，必须对整个系统进行分析，只运行必需的任务。不必要的任务会浪费功率，应彻底删除。不用的外设模块必须禁用。利用 ASSP，所有的外设模块均嵌入快闪 MCU 中，并且完全采用软件控制，易于操作。禁用电路被简化为软件操作，只需在外设控制寄存器中设定位即可。除最低功耗之外，随选性能以及操作状态间的快速切换能力通常都是必需的。系统的计时必须具有足够的灵活性，以满足下列相互矛盾的需要：

•    精确时基所需的稳定性
•    延长电池寿命所需的低功耗
•    高性能所需的速度
•    对事件做出快速反应的灵敏性

最佳的时钟解决方案是以下两种计时方式的结合：一种是采用外部 32 KHz 表面晶体作为辅助时钟(ACLK)，实现低功耗与稳定性；另一种是采用快速启动、高速片上数控振荡器 (DCO) 作为系统的主时钟(MCLK)。ACLK 始终保持开启状态，只对一个 LCD 驱动器以及一个用于实时中断的计时器进行计时。高速MCLK 对 CPU 以及高速外设进行计时，以增强处理能力及对事件的快速反应能力。DCO 是一种接近"零时延"的低 Q、RC 型振荡器，可在不到 6us 的时间内启动。

为了实现 DCO 时钟稳定的输出，不随温度和电压而改变，我们使用了一个锁频环 (FLL)。FLL 是一个连续的频率积分器 (frequency integrator)，始终在后台将 DCO 频率调整为一个稳定的参考 ACLK 的分数。将经过调整的 DCO 与ACLK
进行比较，反馈至一个上/下计数器，该计数器可自动增加或者减少 DCO 的输出，使DCO 的频率与 ACLK 的频率相匹配。这与将 DCO 频率增加到 ACLK
频率的效果相同。

DCO/FLL 的结合勾画出功率监控超低功耗活动的轮廓，在节电待机模式下可延长使用时间而且还不影响性能。当事件驱动中断需要系统服务时，DCO 自动启用，CPU 激活。高速 DCO 时钟系统将尽快满足需求，然后返回待机状态。

始终开启的 ACLK 时钟计时器提供了便捷的嵌入式实时计时功能。利用 32 KHz 表面晶体进行计时，计时器将信号源以 2^15 分隔，正好每秒触发一次中断。因为此时根本没有为 CPU 和软件计时 DCO 的启动时间，所以嵌入式实时计时功能可作为一次简单的中断而得以实现，对整体性能毫无影响。基本实时计时功能所需的 CPU 周期应低于 100。如果以额定的 1MHz 频率对 CPU 进行计时，则实时计时功能的工作时间为每秒钟 100us（即百分比为 0.0001）。假如处于工作状态的 CPU 电流为
250uA，实时计时功能使整个系统功耗预算的增加不到 25nA。

电池的选择

便携仪器使用的电池技术是一个重要的决定因素，对系统的工作寿命影响很大。我们广泛采用一对稳压的"AAA"1.5V 串联碱性电池作为 3V 电源。碱性电池易于更换并且在世界各地均可获得。

为了使成本最低同时彻底免去更换电池的麻烦，设计人员正在探索永久安装电池的可能性，这是一大市场卖点，同时还能免去客户更换电池时错误安装所造成的相关客户服务及责任。单个CR2032 钮扣式锂电池通常是最佳选择。选择锂电池作为电源的依据在于，此类电池具有较平的内在放电曲线以及极低的泄漏。锂电池较平的放电曲线实际上使得无需调节漏电流，就能使用所有的电池容量。

假设一台仪器的工作电压为 3V 左右，最低 Vcc 为 2.7V，我们对两种电池供电的选择方案进行评估：

•   一对 1Ah 1.5 AAA 碱性电池，利用一个微功耗 20uA 稳压器进行调节。
•   直接用一个 220mAh CR2032 3V 锂电池供电。

在这两种情况下，包括一个实时计时功能与 LCD 在内，基于 MCU 的超低功耗系统的平均电流消耗大约 2uA。在碱性电池供电的系统中，额外需要 20uA 用于稳压器，这样总共需要22uA。由于两节串联碱性电池只能放电到 2.7V，因此只有 20％ 的电池容量能够被有效利用，总共大约有 400mAh 的容量。该值除以 22uA 的平均电流消耗，得出碱性电池供电应用的工作时间为两年。

相反，一个普通 220mAh CR2032 钮扣式锂电池的放电较平稳，可达到总容量的 90%，在降至 2.7V 之前有一段可预测几乎恒定的 2.8V 输出电压。除以只有 2uA 的平均电流消耗，得出单个锂电池供电仪器的工作时间为 10 年以上。使用单个锂电池，还可实现封装更加小巧的仪器。

混合信号的灵活性

在集成方面混合信号快闪 MCU 的性能令人赞叹，但是几乎没有应用会牺牲集成度来获得模拟性能以及设计的灵活性。提供应用空间尽可能广阔的产品获得更高的投资回报，从芯片制造商的角度看是最理想的。为了解决灵活性问题，混合信号快闪
MCU 利用内在的可编程性，提供了对应于固定功能的可配置软件模拟外设。

嵌入式 ADC 实现对输入渠道、采样时间、采样速率以及电压基准源的完全控制。利用软件选择所需的专用功能。DAC 提供了选择输出格式、触发源、多个 DAC 分组的功能，还提供了配置模拟输出缓冲器实现功率与驱动最佳平衡的功能。OA 通常是任何设计中最特殊也是最关键的模拟组件之一，它有数个寄存器，实现包括建立时间、轨至轨输入以及反馈电阻在内的完全可编程性。利用多个嵌入式 OA，可以很容易地实现差分放大器与仪器放大器等复杂电路。

借助基于快闪 MCU 的 ASSP，可以为所有模拟与数字外设模块进行软件配置，这样可以不断增强应用直至最终产品出厂。不仅不会发生较长的 ASIC 供货周期这样令人头痛的事情，而且也不会产生重新设计的成本。此外，利用基于快闪的配置，相同的硬件可重复用于数种最终产品。例如，可能会将一种产品提供给要求不同用户接口的数个不同地区。利用快闪存储器，可以嵌入特定区域配置。基于快闪的产品还可提供现场升级功能，可在以后对其进行编程。

更优的性能表现

将混合信号外设特性直接嵌入基于快闪 MCU 的 ASSP 中可以消除分离外接器件间接口所需的开销，从而提高系统性能。例如，外部数据转换器与 MCU 之间的共用接口就是一个同步外设接口 (SPI) 总线。SPI 至少要占用板级空间，并需要带有四个信号引脚的 MCU 串行端口，这些信号引脚是：芯片选择、时钟、数据输入、数据输出。更高成本在于为 SPI 中断服务子程序提供服务的软件开销，通常在中断开销及存储接收与发送数据所需的 50 个系统 CPU 周期范围内。在 100ksps 的 ADC 采样率与每样本 50 个周期的软件开销情况下，MCU 必须保留 500 万个周期或 MIPS。利用嵌入式数据转换器，软件服务就如同读取单个寄存器然后将读取结果传送至存储器中一样简单，从而将系统周期缩短 50%,也可将功耗进一步降低 50％ 以上。

为了进一步提高性能，同时降低功耗，诸如 MSP430FG43x 等新型 ASSP 均包括了直接内存存取 (DMA) 控制器。DMA 可在嵌入式混合信号外设之间提供最佳结合 (ultimate glue)，从而实现全面可配置的自动化无 CPU 参与数据传输。采用诸如数据转换器这样的外设可以显著增强 DMA 的性能,这些转换器可以周而复始地将数据从存储表中移进移出。利用DMA，每次传输仅要求两个系统周期，与连接外部器件的系统相比，系统开销降低了 25 倍。利用 DMA，可将新的可用系统资源重新分配给更高级的细分功能，或用于实现显著延长的待机时间间隔，降低延长电池使用寿命所需的功耗。

合而为一

如今，开发基于混合信号快闪 MCU、能快速投入市场、具有紧密封装以及更高精确度模拟的 ASSP 要求富有全新的思维方式。一流的 MCU 式线上电路模拟器 (ICE) 被嵌入式模拟所取代。小型嵌入式模拟逻辑内核驻留在实际的 ASSP 自身上，通过业界标准的 JTAG 接口可对其进行访问。嵌入式模拟对高性能混合信号系统变得日益重要，这些系统必须保持微伏模拟信号的完整性。笨重的 ICE 几乎不可能实现高精度信号的完整性，它对连线干扰非常敏感。

借助嵌入式模拟技术，从开发一开始，固件工程师即可潜心开发实际的生产系统并进行调试。将 ISP 快闪存储器的卓越灵活性与普通的嵌入式模拟相结合，使设计一开始就能够实现当今混合信号 ASSP 真正的系统级开发，从而不仅可降低成本而且还能进一步简化开发工作，加速开发进程。

作者简介

Mark Buccini居住在得克萨斯州的达拉斯，现任 MSP430 与 C2000 全球营销总监。在 TI，Mark Buccini 在模拟、DSP、ASIC 与 MSP430 方面的工艺验证 (design-in) 与应用方面拥有 18 年的丰富经验。除了负责生产线以外，他还撰写了大量的应用报告、论文以及全球技术研讨会系列材料。他毕业于密歇根州罗切斯特市的奥克兰大学，获电子工程学士学位 (BSEE)。Mark 出生于密歇根州的底特律。与妻子 Donna 结婚12 年，有一个四岁的儿子，名叫 Vincent。