部署處理特定任務(wù)的單片機(jī)來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜設(shè)計(jì)

摘要：處理特定任務(wù)的單片機(jī)可減輕主單片機(jī)或微處理器的任務(wù)和工作負(fù)荷，從而有助于簡(jiǎn)化各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)流程。

如今，運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的大型32位單片機(jī)（MCU）和微處理器（MPU）日益普及。不過(guò)，如果使用一個(gè)大型單片機(jī)處理復(fù)雜的應(yīng)用，可能會(huì)在執(zhí)行小型后臺(tái)處理任務(wù)時(shí)遇到CPU資源方面的問(wèn)題，這些任務(wù)雖然并不復(fù)雜，但十分耗時(shí)。8位和16位MCU等小型器件可用于減輕32位器件的工作負(fù)荷。

試想一下這樣一個(gè)示例：將一個(gè)32位MCU用于控制汽車的非安全功能，如娛樂(lè)系統(tǒng)、環(huán)境照明和空調(diào)。此32位器件必須對(duì)其資源進(jìn)行分配，以便處理與這些功能相關(guān)的所有任務(wù)。這樣的任務(wù)還包括測(cè)量駕駛室內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的溫度、打開(kāi)/關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)、更新圖形顯示、處理用戶輸入、調(diào)整照明條件和播放音樂(lè)。即使對(duì)于大型32位器件，這些工作量也過(guò)于繁重。

但是，如果32位器件將部分任務(wù)負(fù)荷轉(zhuǎn)移給幾乎不需要監(jiān)控的子處理器，每個(gè)子處理器僅負(fù)責(zé)處理其中的1或2個(gè)任務(wù)，那么這些任務(wù)會(huì)更易于管理。這可以釋放主處理器上的CPU資源，從而降低軟件的復(fù)雜性，同時(shí)提高性能并縮短執(zhí)行時(shí)間。

這種解決方案與單片機(jī)中的外設(shè)有異曲同工之妙。外設(shè)是專用硬件的小型模塊，可以添加新功能（例如運(yùn)算放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器），也可以減少執(zhí)行給定功能時(shí)CPU必須承擔(dān)的工作量。在某些情況下，初始化后，外設(shè)可獨(dú)立于CPU運(yùn)行。

為了說(shuō)明外設(shè)的優(yōu)勢(shì)，我們以產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)為例。要在沒(méi)有專用外設(shè)的情況下產(chǎn)生PWM，只需將I/O線設(shè)為高電平，等待一定數(shù)量的周期后，將其設(shè)為低電平，再等待一段時(shí)間，然后重復(fù)操作。這會(huì)占用大量CPU周期，并且對(duì)于某些功能（如RTOS）來(lái)說(shuō)，難以可靠地執(zhí)行。相比之下，PWM外設(shè)允許CPU在執(zhí)行其他任務(wù)的同時(shí)設(shè)置所需的波形參數(shù)。

本文中介紹的第一個(gè)示例說(shuō)明了減輕CPU密集型任務(wù)負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)。在該案例中，使用了一個(gè)8位MCU來(lái)創(chuàng)建I/O擴(kuò)展器。I/O擴(kuò)展器并不復(fù)雜；然而，由于需要頻繁處理中斷，因此它們會(huì)占用大量的CPU時(shí)間。通過(guò)使用專用MCU來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)，大型32位器件可以減少I/O使用和需要處理的中斷次數(shù)。此外，I/O擴(kuò)展器的功能集可在軟件中設(shè)置，因此支持針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行定制和調(diào)整。

本文中的第二個(gè)示例以創(chuàng)建獨(dú)立于CPU運(yùn)行的電壓頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器為例，展示了獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)的性能。在這個(gè)示例中，CPU的唯一功能是初始化外設(shè)并將調(diào)試打印消息發(fā)送到UART。在大型系統(tǒng)中，當(dāng)V/F在后臺(tái)運(yùn)行時(shí)，CPU可以執(zhí)行另一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

I/O擴(kuò)展器

使用8位MCU創(chuàng)建I/O擴(kuò)展器的最大好處是提高靈活性。I/O擴(kuò)展器ASIC的功能集已嵌入到器件中，而MCU可基于其執(zhí)行的軟件定義其行為。這種靈活性使基于MCU的版本能夠滿足最終應(yīng)用的需求。

實(shí)現(xiàn)高級(jí)I/O擴(kuò)展器

在器件內(nèi)部，高級(jí)I/O擴(kuò)展器在基于查找表的結(jié)構(gòu)上運(yùn)行。在讀取或?qū)懭胫?，?huì)發(fā)送一個(gè)虛擬地址。該地址與單片機(jī)上的寄存器無(wú)關(guān)——僅特定于查找表。這意味著，可以透明地添加不在單片機(jī)硬件寄存器中的功能。此外，還可以針對(duì)特定用途，輕松地重新排列表格中的條目。這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，能夠向查找表添加權(quán)限。例如，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)只讀寄存器，只需省略查找表的寫條目即可。

高級(jí)I/O擴(kuò)展器的查找表

這種較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也適用于非標(biāo)準(zhǔn)功能?！癕EM OP”功能允許MCU將其當(dāng)前的通用輸入和輸出（GPIO）配置保存或加載到存儲(chǔ)器中。

器件中的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)

MEM OP也可以將GPIO配置重置為編譯時(shí)設(shè)置的參數(shù)。

注：并非所有字段均可用于所有操作

MEM OP的功能

此外，也可以選擇將單片機(jī)設(shè)置為在上電時(shí)加載保存的設(shè)置。如果已使能，單片機(jī)會(huì)嘗試加載配置0中的設(shè)置。如果配置執(zhí)行校驗(yàn)和驗(yàn)證失敗，則MCU將恢復(fù)為編譯時(shí)常數(shù)。如果不需要，可以在軟件中禁用此功能。

該解決方案的要點(diǎn)

基于MCU的解決方案的優(yōu)勢(shì)在于出色的靈活性。與市場(chǎng)上的ASIC不同，我們可以為MCU配置特定于應(yīng)用場(chǎng)景的非標(biāo)準(zhǔn)功能。此應(yīng)用程序針對(duì)通用PIC16F15244系列MCU開(kāi)發(fā)。

如需深入了解該實(shí)現(xiàn)或想要試用該示例，請(qǐng)參見(jiàn)源資源庫(kù)中的README文件。此外，還提供帶有Arduino的高級(jí)I/O擴(kuò)展器的演示。

源代碼、文檔和演示：https://github.com/microchip-pic-avr-examples/pic16f15244-family-advanced-i2c-io-expander

電壓頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器

通過(guò)降低物料清單（BOM）成本，進(jìn)而減小設(shè)計(jì)面積，電壓頻率轉(zhuǎn)換器可改進(jìn)傳統(tǒng)的模擬解決方案。市場(chǎng)上的許多V/F轉(zhuǎn)換器需要配備外部電阻和電容才能運(yùn)行，而單片機(jī)只需使用通用去耦和上拉組件（所有MCU的必備組件）即可運(yùn)行。

TC9400/TC9401/TC9402 10 Hz至100 kHz V/F轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用原理圖

MCU不使用模擬技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化，而是使用獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)和功能的組合。MCU使用內(nèi)部帶計(jì)算功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCC）測(cè)量輸入信號(hào)，然后對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，以創(chuàng)建可變頻率輸出。在該示例中，外設(shè)已設(shè)置為在初始化后獨(dú)立于CPU運(yùn)行。這意味著，CPU可以用于最終應(yīng)用中的其他任務(wù)。

對(duì)于基于MCU的方案，其挑戰(zhàn)在于性能不如模擬解決方案。輸出的分辨率本身受到ADCC的限制。表面上看，ADCC為12位，但它會(huì)以配置為過(guò)采樣的14位分辨率運(yùn)行，具體取決于程序的配置方式。同樣，用于合成輸出頻率的片內(nèi)數(shù)控振蕩器（NCO）具有有限的分辨率，并且其輸出中可能存在抖動(dòng)，具體取決于ADC測(cè)得的值。

基于MCU的解決方案可以分為三個(gè)不同的外設(shè)模塊——模擬采樣模塊、輸出振蕩器模塊和占空比發(fā)生器。

解決方案框圖

模擬采樣模塊

模擬采樣模塊實(shí)現(xiàn)

模擬采樣模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了在器件的頻率限制下實(shí)現(xiàn)100 kHz的輸出，已將ADCC配置為過(guò)采樣，然后通過(guò)平均值處理獲得14位結(jié)果。

這種過(guò)采樣配置有一個(gè)缺點(diǎn)，即向結(jié)果中增加額外的統(tǒng)計(jì)噪聲，可采取計(jì)算過(guò)采樣的平均值并增加滯后的方法來(lái)補(bǔ)償噪聲。要實(shí)現(xiàn)滯后，可使用ADCC的閾值中斷功能。（為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將僅介紹有關(guān)此示例如何使用閾值中斷功能的細(xì)節(jié)。）

在ADCC完成過(guò)采樣的平均值計(jì)算后，將得出的值與外設(shè)中的設(shè)定值寄存器進(jìn)行比較。如果兩者之差大于或小于設(shè)定閾值，則觸發(fā)中斷。CPU可屏蔽此中斷且不受影響，然而，此中斷會(huì)觸發(fā)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA），將經(jīng)過(guò)平均值處理的過(guò)采樣結(jié)果復(fù)制到ADCC的設(shè)定值寄存器，從而產(chǎn)生滯后。如果未超過(guò)閾值，則不會(huì)發(fā)生DMA復(fù)制，從而不會(huì)觸發(fā)輸出振蕩器模塊的DMA更新。

輸出振蕩器模塊

輸出振蕩器模塊的結(jié)構(gòu)

該解決方案的輸出振蕩器模塊負(fù)責(zé)以所需輸出頻率產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。該輸出信號(hào)在內(nèi)部連接到占空比發(fā)生器，該元件將輸出頻率減半，但會(huì)產(chǎn)生50%的占空比輸出。因此，輸出振蕩器模塊以輸出頻率的兩倍運(yùn)行。

輸出振蕩器模塊的核心是數(shù)控振蕩器（NCO）。NCO外設(shè)的工作原理是在輸入時(shí)鐘的上升沿向累加器添加增量值，然后根據(jù)累加器溢出導(dǎo)出外設(shè)的輸出。（有關(guān)NCO的完整說(shuō)明，請(qǐng)參見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)。）

在該示例中，已將NCO2設(shè)置為在內(nèi)部創(chuàng)建所需的輸入時(shí)鐘頻率，以通過(guò)14位輸入獲得100 kHz輸出。之所以使用14位結(jié)果，是因?yàn)锳DCC本身的12位結(jié)果不足以在沒(méi)有外部時(shí)鐘源的情況下產(chǎn)生100 kHz輸出。

100 kHz V/F轉(zhuǎn)換器的理想輸出（看門狗已關(guān)閉）

如果改變NCO2的輸出頻率或使用備用源，則輸出頻率將調(diào)整為不同的輸出范圍。例如，如果NCO2的頻率降低到1.28 MHz，則輸出最大為10 kHz。

10 kHz V/F轉(zhuǎn)換器的理想輸出（看門狗已關(guān)閉）

占空比發(fā)生器

占空比發(fā)生器框圖

該解決方案的占空比發(fā)生器模塊負(fù)責(zé)創(chuàng)建50%的占空比輸出。這是一個(gè)可選功能——可以直接使用NCO的輸出，但這樣做會(huì)增加占空比的變化幅度。

該生成器使用一個(gè)可配置邏輯單元（CLC）實(shí)現(xiàn)。CLC是可配置邏輯的小型模塊，類似于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的一個(gè)單元。CLC可用作離散邏輯門（例如AND-OR或OR-XOR），也可以配置為鎖存器或觸發(fā)器。在該解決方案中，CLC實(shí)現(xiàn)為帶復(fù)位功能的J-K觸發(fā)器。J和K保持在邏輯高電平。輸出振蕩器模塊用作觸發(fā)器的時(shí)鐘。每個(gè)輸入時(shí)鐘脈沖均會(huì)導(dǎo)致輸出翻轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生50%的占空比。注意：輸出振蕩器模塊的頻率抖動(dòng)將對(duì)占空比產(chǎn)生影響。

Timer6用作不穩(wěn)定的“看門狗”定時(shí)器。如果輸出沒(méi)有產(chǎn)生邊沿（上升沿或下降沿），則定時(shí)器將溢出，并將產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖發(fā)送到CLC，這可以控制輸出頻率范圍的下限。輸出翻轉(zhuǎn)到定時(shí)器頻率的一半（輸出為6 Hz），而不是達(dá)到直流。

該解決方案的要點(diǎn)

該示例表明，要使用硬件外設(shè)創(chuàng)建獨(dú)立于內(nèi)核的功能，通常必須使用外部集成電路。這種配置的一個(gè)最大優(yōu)勢(shì)在于，外設(shè)操作可在軟件中設(shè)置，這樣便可輕松地根據(jù)最終應(yīng)用調(diào)整示例。由于使用了大量外設(shè)，因此選擇PIC18-Q43系列MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)該示例。

有關(guān)該示例的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)示例資源庫(kù)中的README文檔。此外，示例資源庫(kù)還包含頻率電壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)，可與電壓頻率轉(zhuǎn)換器在同一個(gè)器件上實(shí)現(xiàn)。

單擊以下鏈接獲取源代碼和文檔：https://github.com/microchip-pic-avr-examples/pic18f57q43-v-to-f-mplab-mcc

總結(jié)

盡管高性能單片機(jī)和微處理器都有一席之地，但在執(zhí)行小型專門任務(wù)時(shí)，8位和16位MCU的作用不容小覷。這類任務(wù)并不一定十分復(fù)雜，但可能十分耗時(shí)，或者是時(shí)間關(guān)鍵型任務(wù)。任務(wù)負(fù)荷減輕后，32位器件可擁有更簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，從而提高可靠性、減少存儲(chǔ)器占用率并降低功耗。