高整合USB微控制器簡化嵌入式系統(tǒng)連結(jié)設(shè)計

　　USB連結(jié)是許多嵌入式應用的重要規(guī)格;高度整合的USB微控制器解決方案，不僅能以最簡易的方式為嵌入式系統(tǒng)建立USB連結(jié)，還能提供高效能的CPU功能;其所附帶的整合式類比周邊更有助于降低元件數(shù)量和材料清單成本，進一步滿足市場需求。　　

?

　　高整合度USB微控制器可以高成本效益，完成嵌入式連結(jié)功能設(shè)計。

　　加入更多功能/周邊　降低整體成本

　　USB在工業(yè)和消費應用中迅速獲得采用，同時也為嵌入式解決方案的設(shè)計人員帶來挑戰(zhàn)，因為設(shè)計人員須把USB連結(jié)融入產(chǎn)品中，且還要維持或者降低整體成本。早期版本的USB微控制器是為增設(shè)USB介面所開發(fā)，但它沒有能力支援其他的功能或周邊設(shè)備。當USB剛推出時，這些元件在推動USB介面的全面普及上扮演重要的角色，即使到今天，這些橋接元件也可當作有效解決方案。只要透過輔助晶片，即可迅速增添全速型USB，而不必重新設(shè)計整個系統(tǒng)。不過，對于一些成本敏感的應用，這種做法或許不盡理想。

　　為克服成本上的難題，新一代的USB微控制器加入更多的功能與周邊裝置。不過，具備不同周邊功能的USB微控制器雖然在市場上大幅成長，但還是不及高度整合的解決方案。高整合度的USB解決方案不僅能加入適當組合的周邊裝置，還能確保這些功能強大到足以支援重要的應用需求。雖然應用需求深受終端產(chǎn)品的特性與功能所影響，但大部分的應用主要須涵蓋三個共通的層面。

　　首先是中央處理器(CPU)的效能以及把USB并入周邊裝置的影響;第二須考量的層面是，在類比功能或周邊裝置上扮演真實世界訊號連結(jié)的要角;最后，由于各種應用對成本幾乎都很敏感，因此可消除外部元件需求以降低成本的USB建置便十分理想。

　　CPU主要的功能為執(zhí)行用戶碼，所以它能不能及時執(zhí)行指令并處理資料便至關(guān)重要。一般符合成本效益的USB控制器都會采用先進先出(FIFO)的方式來管理進出的封包，而CPU可將資料存取于緩沖器內(nèi)，并同時執(zhí)行其他的作業(yè)。

　　CPU/USB功能交互作用難題迎刃解

　　在橋接應用的例子中，假設(shè)需求是要把序列式的通用異步收發(fā)器(UART)橋接到USB的系統(tǒng)上。最簡單的方法，CPU應該要能從UART介面擷取資料，并存入USB FIFO中，反之亦然。不過，要是同樣此應用須執(zhí)行其他簡單的功能，像是反轉(zhuǎn)字節(jié)排序，或者執(zhí)行復雜的功能，如套用軟體過濾程式，該怎么辦?一開始的簡單作業(yè)突然變成極為復雜的運算，而這須要經(jīng)過特別的處理才能妥善管理，于是對CPU所造成的負擔便愈來愈大。

　　一般的協(xié)定橋接都是把一個周邊裝置的資料傳往另一個，并且?guī)捉磿r，所以CPU須具備必要的效能來讀寫及運作資料，延遲時間也要縮短到能讓人接受。芯科實驗室(Silicon Labs)推出一系列的微控制器，為低價USB解決方案中較佳的范例，該系列微控制器具備強化的高速CPU，能夠在一或二個系統(tǒng)時脈周期就能執(zhí)行七成的指令。這種效能不僅足以滿足協(xié)定橋接應用的需求，還能支援其他大部分的高速USB應用。另一個優(yōu)點是，高速CPU能在較短的時間內(nèi)執(zhí)行較多的工作，所以能降低整體的耗電量，并使系統(tǒng)在低功耗模式中維持較長時間運作(圖1)。

?

　　圖1 高效能微控制器可使系統(tǒng)在低功耗模式下延長作業(yè)時間

　　因應不同需求　微控制器內(nèi)建ADC已成趨勢

　　很多應用都有采用類比式的功能或周邊裝置，像是類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)和比較器，例如從基礎(chǔ)的電池管理到高速感測介面中，極為復雜的資料擷取系統(tǒng)，每個應用都須使用ADC和比較器來支援廣泛的應用，而ADC和比較器必須具備強大的效能，以因應各種不同的需求，同時還必須價格低廉以便整合到USB微控制器中。

　　有些廠商的微控制器就具備內(nèi)建高效能的ADC，而這些ADC的轉(zhuǎn)換時間是追蹤一次500ksps，并具有能在ADC每次轉(zhuǎn)換后，插入時脈循環(huán)的能力。

　　具體來說，當轉(zhuǎn)換的訊號出現(xiàn)后，每次轉(zhuǎn)換前都會有一段三個ADC時脈循環(huán)的追蹤期(圖2)。當有好幾個ADC頻道在運作時，這種模式就非常有用，因為它能建立正確轉(zhuǎn)換時所不可或缺的適當安定時間。此外，偵測可編程窗口的效能也可用來比對ADC的輸出暫存器和使用者所編程的限制。這種效能尤其適用于電池管理的應用，因為使用者可限制電池存量要到多低時才發(fā)出警示。另外，由于不須動用到CPU的任何效能，因此延遲期間非常短，可進一步提高電池應用的安全性。

?

　　圖2 類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器追蹤模式

　　比較器提供另一種非常有用的類比功能，并廣泛運用在許多應用中，如血糖機中的比較器是用來檢測試紙的置入，或者像胰島素泵則須要快速關(guān)機機制以防止電泵當機。在這兩個例子中，比較器的反應時間與耗電量就顯得格外重要。

　　在傳統(tǒng)的USB裝置中比較器的規(guī)格都很寬松，而先進的微控制器可提供可編程反應時間短至100奈秒(ns)。耗電量也可由使用者來選定，以低到1微安培(μA)這點來看，微控制器的裝置，其所達到的類比效能數(shù)值跟一般的離散式類比積體電路(IC)可說是不相上下。當USB的微控制器整合高效能類比效能時，它就能提供符合成本效益的單晶片解決方案，并替代外部類比元件。