在設計時如何選擇適合的MCU開發(fā)套件

目前，許多供應商都在生產(chǎn)面向特定應用的 MCU 開發(fā)套件。 通用套件主要側重于一般培訓活動，通常包括簡單的 LED 閃爍樣例。有針對性的開發(fā)套件與通用套件不同，會配備足夠的硬件和軟件，讓您在實際設計中有一個非常良好的開端。 針對電機控制、智能化電能計量、保健監(jiān)視、音頻處理以及其它大量應用的套件能夠顯著加速產(chǎn)品上市。

為創(chuàng)建此類型套件，制造商選擇了不同的策略，這些策略各有優(yōu)劣。 一些供應商創(chuàng)建特定的硬件優(yōu)化板，另一些供應商則制造非常通用的 MCU 主板，后者在這些主板上采用了可用于創(chuàng)建各種各樣面向應用捆綁包的插件模塊。 了解這些策略及其優(yōu)劣，有助于您更好地根據(jù)自己的設計要求選擇合適的開發(fā)套件。 介紹完最常見的開發(fā)套件策略類型后，我們還將介紹一些典型的設計樣例，幫您了解在實施這些樣例時如何利用一些現(xiàn)成的開發(fā)套件。

基于模塊化平臺的方法

基于平臺的方法通常性價比極高，是制造商的常用策略。 通常用作開發(fā)起點的是一塊比較通的的 MCU 板，且?guī)缀醪粠О遢d專用硬件。 這種板具有大量標準接口連接器，可滿足來自設備的所有外設和通用 I/O 的連接要求。 接口連接器的機械標準使得為各種外設構建輕松插入型擴展卡成為可能。 如希望連接以太網(wǎng)，只需使用以太網(wǎng)擴展卡，將接口連接器以及任何所需的磁性元件或者其他物理層元件轉換為以太網(wǎng)插孔。 這些突破了接口限制的板不僅價格十分低廉，而且配置極其靈活。

許多制造商也為配套器件提供擴展模塊。 需要加速計嗎？ 這類器件可能以擴展卡的形式出現(xiàn)。 大多數(shù)擴展卡也都帶有向現(xiàn)有系統(tǒng)添加所需功能所必需的驅動程序和樣例軟件程序。 有些情況下，樣例代碼實際上就是參考設計的一部分，能讓您很容易地在項目上占得先機。

您可了解制造商們是如何從基于平臺的方法獲益的。 擴展卡可用在多個參考設計中，并能夠在多個目標應用之間均衡開發(fā)成本。 在多個應用目標的驅動程序開發(fā)、測試以及更高級功能方面，也可以均衡工作且所需改動通常最小。 當制造商在擴展卡上加入自己的一些配套器件時，會創(chuàng)造更多潛在的銷售機會，這些器件可以是模擬轉換器、存儲器、物理層元件或者甚至是無源元件。 有其它銷售機會證明各種板、固件和輔助材料的開發(fā)成本是合理性的。

模塊化平臺樣例：Freescale 塔式系統(tǒng)

Freescale 塔式系統(tǒng)向我們清晰地展示了一種基于平臺的方法。 這種模塊化方法（圖 1）采用一個或兩個側板來連接一個主板和最多三個擴展板。 主板也配置一個頂部插接式連接器，方便直接添加帶有小鍵盤、加速計或者旋轉式觸控板的兼容型插入式模塊，而無需占用寶貴的擴展板插槽。 請注意，側板可采用外加連接器，以便在需要更多功能時使用 LCD 板等側面安裝型外設板。 有了模塊化設計方法，幾乎能很容地通過任何特性組合來構建系統(tǒng)。

圖 1：Freescale 的塔式系統(tǒng)模塊化開發(fā)平臺。

塔式系統(tǒng)能與具有 8 位、16 位和 32 位 Freescale MCU 和 MPU 的各類型控制器/處理器模塊配合使用。 這些控制器模塊為我們帶來了易于上手的設計起點。 包括 USB 和串行端口連接器在內(nèi)，許多常用外設都屬于控制器模塊上的自帶外設，因此只有應用特定型外設才需要擴展板。

塔式系統(tǒng)包括軟件，以便讓您充分利用底層驅動程序和 API，以及 RTOS、TCP/IP、USB 堆棧和文件系統(tǒng)。 此外，還有豐富的樣例程序和參考設計，讓您的軟件設計構建過程成為一個模塊化過程，就如同構建硬件平臺一樣。

利用塔式系統(tǒng)的軟硬件可輕松構建完整的網(wǎng)絡服務器演示設計（TWR-K60F120M-KIT）。 通過采用針對每一個關鍵功能的模塊化軟件堆棧，該系統(tǒng)可提供各種網(wǎng)頁。 傳感器內(nèi)插板可輕松將網(wǎng)絡服務器轉換為基于網(wǎng)絡的遠程測量和控制系統(tǒng)。 利用塔式系統(tǒng)便利的外形，即使稍顯笨重，也可對遠程傳感器控制系統(tǒng)進行原型開發(fā)和測試，因為針對現(xiàn)場測試中的遠程傳感器限制通常最小。 但是，可以進行大量測試，且實施模塊化意味著傳感器和控制接口可重新配置或者換入和換出，以驗證不同的功能組合。 當各種不同的系統(tǒng)配置需要在實驗室或者現(xiàn)場試用中進行測試時，模塊化方法的靈活性便成為一個關鍵優(yōu)勢。

專用方法

用于構建目標開發(fā)平臺的專用方法主要在硬件實施方面不同。 專用方法提供目標應用所需的硬件，但其擴展能力遠遜于模塊化平臺方法。 在制造商看來，專用方法可能需要更多的工作，而采用模塊化方法進行開發(fā)時則可多次使用以前開發(fā)成功的模塊。 不過，制造商的優(yōu)勢在于目標系統(tǒng)更能接近最終設計。 實際上，設計人員可以在生產(chǎn)設計中直接利用一些電路板設計（通常由制造商提供）和物料清單。 如果物料清單中絕大多數(shù)元件由制造商采購，那么這對設計人員而言是一個很好的機會，即無需他們指定最終生產(chǎn)產(chǎn)品中的所有制造商器件。

電機控制是經(jīng)常使用專用方法的一個應用領域。 要求高功率的應用通常是專用型的，因為高功率元件在保證可靠運行方面至關重要，諸如電機驅動器 TRIAC、電源轉換器和相關的電容器、電感器等。 STEVAL-IHM029V1 2，000 W 通用電機控制器（來自 STMicroelectronics）便是此類型方法中一個很好的例子（圖 2）。 控制電機所需的所有電子元件均置于同一塊 PCB 上。 該板的輸入采用 50 Hz 或 60 Hz 的 90 V 或 250 VAC 電網(wǎng)電壓，與通用電機的一個簡單連接則作為輸出。

圖 2：STMicroelectronics 通用電機控制演示板。

STM8S103F2P6 是一款 8 位 MCU，用于控制演示板和管理電機控制算法。 這塊板還采用了 STMicroelectronics 的其他器件，以符合使用相關元件時的專用平臺策略要求，這些器件包括 VIPer16LN 電源轉換器、T1235H-6I TRIAC 和 L7905CP 線性穩(wěn)壓器。 該板的說明文檔還包括針對關鍵電機控制特性的詳細設計（Gerber 文件）和各種測試程序和結果，具體特性如軟啟動、低功耗運行、高功耗運行、零電壓切換和 EMC 測試結果。 設計本身的小體積能夠很容易地被用作生產(chǎn)產(chǎn)品的起點、大多數(shù)專用平臺方法的目標。

上文介紹的通用電機控制演示板可方便地用于小型電機控制系統(tǒng)的原型開發(fā)，如食品加工、咖啡豆研磨機/咖啡機或其他小型家電中的電機控制系統(tǒng)。 與更大型的模塊化開發(fā)平臺相比，更小的體積可能構建出在體積上與最終產(chǎn)品相差無幾的原型。 通過板載 MCU 實施簡單的用戶接口并利用各種不同的電機控制算法，可以迅速構建一個原型系統(tǒng)。 這可以用來集中成組或單獨地進行客戶測試。 當通過客戶的實際使用體驗獲得反饋時，就可以找到在實驗室測試期間沒有出現(xiàn)的功能性問題。 另外，客戶反饋能給預期的產(chǎn)品使用模型提出寶貴建議。 客戶通常希望看到全新或者不同的用途，并且這樣會開辟全新市場領域或者創(chuàng)建全新應用。 只有在有一套工作系統(tǒng)的情況下，這些才是一種無可估量的寶貴信息。

帶有 Twist 的專用平臺

有時我們會發(fā)現(xiàn)，沒有某些配置能力時專用方法是使用不了的。 我們以帶有 Microchip 的 PIC32MX250F128B-I/ML-ND 的 Microchip PIC32 藍牙音頻開發(fā)套件（圖 3）為例。 主板上不僅含有許多應用所需的資源，而且還提供兩個子板位置（從板左側看）用于增加功能。 如圖所示，這兩塊子板分別是藍牙 HCI 音頻模塊子板和 24 位立體聲 DAC 線路輸出/耳機放大器子板。

圖 3：Microchip PIC32 藍牙音頻開發(fā)套件。

有了這兩塊附加子板，就可以滿足更多的應用要求，并且意味著出現(xiàn)可能是支持不同的標準新配套器件時，不必為每一種新配套器件重新設計基板。 當各種標準仍在變化不定或者需要支持一些常見的實施選項時，這種照顧設計模塊化的情況并不多見。

以上開發(fā)套件附帶全功能演示程序以及可用來定制特定實施方法的軟件程序。 這些軟件含有完整的成套代碼，并包括針對多種協(xié)議和規(guī)范的支持功能，具體包括串行接口規(guī)范、服務發(fā)現(xiàn)應用規(guī)范、高級音頻分配規(guī)范、A/V 遠程控制規(guī)范、AAC 解碼庫以及相關的協(xié)議和控制器接口。 這種成套代碼的說明文檔給出了演示設計所需的閃存和 SRAM 存儲器容量。

該套件還附帶大量的測試程序和已發(fā)布的結果。 測試結果是一系列測量值，針對一個未壓縮理想音調(diào)的 1 kHz 幀總諧波失真，而這種音調(diào)經(jīng)由帶和不帶藍牙堆?；蛞纛l DAC 的 I2S 端口發(fā)送。 對于許多測試開發(fā)比應用開發(fā)更耗時的應用，這些系統(tǒng)測量類型會特別有用。

具有數(shù)字音頻處理能力的音頻流控制器便是采用藍牙音頻套件的一個直觀的例子。 這種控制器能通過藍牙連接傳輸內(nèi)容，并將這些內(nèi)容作為 MP3 文件實時播放和/或保存在一個與之連接的 USB 閃存驅動器中。 采用觸控式 LCD 顯示屏作為圖形化用戶界面 （GUI），用于選擇不同的菜單項。 輸出插孔可連接至揚聲器、耳機或音頻系統(tǒng)的線路輸入連接端。 PIC32MX 系列器件具有專用乘/除單元以及進行乘除運行的獨立流水線。 這樣，就能非常有效地執(zhí)行數(shù)字音頻處理功能，從而增加高級均衡和室內(nèi)效果特性。 來自客戶的重要反饋特別有助于提升高級音頻特性，因為這些特性極易受主觀因素影響，且很難僅通過實驗室測試設置就能實現(xiàn)量化。 請注意，利用含有軟件的套件（涵蓋所有外設、文件管理和標準音頻編碼功能），就可將設計重點放在增值型音頻處理功能方面，將其作為代碼開發(fā)工作的關鍵區(qū)分指標和重中之重。

除了音頻功能方面的客戶測試外，還可為針對最終產(chǎn)品的 GUI 進行客戶測試。 這有助于獲取客戶對 GUI 運行情況的反饋，發(fā)現(xiàn)任何令人誤解或難以理解的指令或過程。 可能與音頻特性一樣，很難在測試試驗室中對直觀且易于使用的 GUI 進行客觀評估。 在典型設置過程中進行客戶試用能獲得更多信息，但完成這種試用的條件是目標平臺在測試期間不能從客戶體驗中剝離。 模塊化程度更大的平臺因體積龐大而很難用于獲取此類詳細反饋信息。

系統(tǒng)設計樣例

構建一個用于驗證概念或原型的完整工作系統(tǒng)，是最新一代全功能開發(fā)平臺更強大的用途之一。 進行現(xiàn)場試用（也許在苛刻環(huán)境中）是原型系統(tǒng)的常見用途。 在一個典型的系統(tǒng)實施過程中可能會用到多塊板，且每塊板都針對整體系統(tǒng)的某一部分進行了優(yōu)化。 例如，Digi-Key 工程師將 Texas Instruments 的 MSP430 Launchpad 模塊化開發(fā)套件作為關鍵元件構建了一個類似的工作系統(tǒng)。 該系統(tǒng)與 CC430 低功耗無線開發(fā)套件配合使用，構建出一個具有音頻支持功能的火箭發(fā)射控制器無線遙控模型。 這些套件如圖 4 和圖 5 所示。

圖 4：MSP430 Launchpad 評估套件。

圖 5：TI CC430 低功耗評估套件。

在系統(tǒng)實施過程中，CC430 無線套件緊鄰火箭模型，并通過光電隔離式 MOSFET 控制流入火箭點火系統(tǒng)的電流。 位于火箭模型數(shù)米遠的另一類似套件與一臺已接入互聯(lián)網(wǎng)的筆記本電腦相連。 這臺筆記本電腦可遠程登錄，并能通過終端機和有線串行鏈路向 CC430 無線套件發(fā)送代碼。 這兩個 CC430 套件之間采用無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)。 與筆記本連接的套件控制支持智能手機的伺服系統(tǒng)，其中智能手機用來遠程定位并將實時視頻回傳至位于 Digi-Key 總部的發(fā)射控制器。

在發(fā)射控制器中，利用配備電容式 BoosterPack 觸控板的 TI MSP430 組成用戶界面。 這種用戶接口硬件通過有線式串行端口與一臺筆記本電腦連接，這臺筆記本電腦通過互聯(lián)網(wǎng)與位于遠程發(fā)射地的筆記本電腦連接。 用戶可通過觸控傳感器移動遙控伺服系統(tǒng)，以便智能手機的攝像頭能掃描發(fā)射場地，確?；鸺踩l(fā)射。 一切都準備就緒后，即可用觸控板發(fā)送火箭發(fā)射指令。 有關該系統(tǒng)及其運行情況，可在Digi-Key 視頻庫中觀看相應的視頻內(nèi)容。

總結

MCU 是功能強大的系統(tǒng)元件，當與全功能開發(fā)套件及相關參考設計組合使用時，能在創(chuàng)紀錄地時間內(nèi)完成系統(tǒng)開發(fā)。 供應商們在創(chuàng)建這些開發(fā)平臺時，會利用各種不同的策略方法；您在了解每種方法的優(yōu)劣后，能更好地選擇滿足自己設計要求的合適平臺。