USB連結(jié)是許多嵌入式應(yīng)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(jìn)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(jì)。
加入更多功能/周邊降低整體成本
USB在工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用中迅速獲得采用，同時(shí)也為嵌入式解決方案的設(shè)計(jì)人員帶來挑戰(zhàn)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(dāng)USB剛推出時(shí)，這些元件在推動(dòng)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(dāng)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(jì)整個(gè)系統(tǒng)。不過，對(duì)于一些成本敏感的應(yīng)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(dāng)組合的周邊裝置，還能確保這些功能強(qiáng)大到足以支援重要的應(yīng)用需求。雖然應(yīng)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(yīng)用主要須涵蓋三個(gè)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(shí)世界訊號(hào)連結(jié)的要角;最后，由于各種應(yīng)用對(duì)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(shí)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(huì)采用先進(jìn)先出(FIFO)的方式來管理進(jìn)出的封包，而CPU可將資料存取于緩沖器內(nèi)，并同時(shí)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(yīng)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(yīng)該要能從UART介面擷取資料，并存入U(xiǎn)SB FIFO中，反之亦然。不過，要是同樣此應(yīng)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(fù)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(fù)雜的運(yùn)算，而這須要經(jīng)過特別的處理才能妥善管理，于是對(duì)CPU所造成的負(fù)擔(dān)便愈來愈大。
一般的協(xié)定橋接都是把一個(gè)周邊裝置的資料傳往另一個(gè)，并且?guī)捉磿r(shí)，所以CPU須具備必要的效能來讀寫及運(yùn)作資料，延遲時(shí)間也要縮短到能讓人接受。芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)推出一系列的微控制器，為低價(jià)USB解決方案中較佳的范例，該系列微控制器具備強(qiáng)化的高速CPU，能夠在一或二個(gè)系統(tǒng)時(shí)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(yīng)用的需求，還能支援其他大部分的高速USB應(yīng)用。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，高速CPU能在較短的時(shí)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(shí)間運(yùn)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(shí)間
因應(yīng)不同需求微控制器內(nèi)建ADC已成趨勢(shì)
很多應(yīng)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(fù)雜的資料擷取系統(tǒng)，每個(gè)應(yīng)用都須使用ADC和比較器來支援廣泛的應(yīng)用，而ADC和比較器必須具備強(qiáng)大的效能，以因應(yīng)各種不同的需求，同時(shí)還必須價(jià)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(shí)間是追蹤一次500ksps，并具有能在ADC每次轉(zhuǎn)換后，插入時(shí)脈循環(huán)的能力。
具體來說，當(dāng)轉(zhuǎn)換的訊號(hào)出現(xiàn)后，每次轉(zhuǎn)換前都會(huì)有一段三個(gè)ADC時(shí)脈循環(huán)的追蹤期(圖2)。當(dāng)有好幾個(gè)ADC頻道在運(yùn)作時(shí)，這種模式就非常有用，因?yàn)樗芙⒄_轉(zhuǎn)換時(shí)所不可或缺的適當(dāng)安定時(shí)間。此外，偵測可編程窗口的效能也可用來比對(duì)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(yīng)用，因?yàn)槭褂谜呖上拗齐姵卮媪恳蕉嗟蜁r(shí)才發(fā)出警示。另外，由于不須動(dòng)用到CPU的任何效能，因此延遲期間非常短，可進(jìn)一步提高電池應(yīng)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(yùn)用在許多應(yīng)用中，如血糖機(jī)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(jī)機(jī)制以防止電泵當(dāng)機(jī)。在這兩個(gè)例子中，比較器的反應(yīng)時(shí)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(jìn)的微控制器可提供可編程反應(yīng)時(shí)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(diǎn)來看，微控制器的裝置，其所達(dá)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(dāng)USB的微控制器整合高效能類比效能時(shí)，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。
確保USB連結(jié)可靠性內(nèi)建振蕩器勢(shì)在必行
若是要把USB整合到單晶片微控制器解決方案里，要如何做才能最佳化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，可能需要不同的想法。比方說，在設(shè)計(jì)中如果加入U(xiǎn)SB，可能會(huì)對(duì)時(shí)脈樹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)造成不小的影響。如果要確保USB連結(jié)時(shí)的可靠性，維持USB時(shí)脈的準(zhǔn)確性就顯得更為重要。
一般USB微控制器都須要設(shè)計(jì)人員加入外部晶體和相關(guān)元件，才能讓USB時(shí)脈達(dá)到準(zhǔn)確度的要求。這種做法不僅會(huì)提高解決方案的成本，也會(huì)擴(kuò)大印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)復(fù)雜度與總體尺寸。此外，USB的速度多半要靠外部的終端電阻來確認(rèn)，這也進(jìn)一步提高USB的建置成本。
將時(shí)脈的恢復(fù)能力整合到USB微控制器元件中，這是創(chuàng)新效能的最佳典范。它剔除其他USB微控制器常用的外部晶體，并靠內(nèi)部振蕩器針對(duì)載入的USB資料串列自行調(diào)節(jié)。如此一來，透過內(nèi)部振蕩器就能滿足USB時(shí)脈需求。除移除外部元件降低成本外，剔除外部晶體還有另一個(gè)主要好處，即是把跟時(shí)脈相關(guān)的噪音排放消除后，電磁干擾(EMI)就會(huì)大幅減少。此外，這些解決方案所整合的終端電阻完全是靠軟體來控制;剔除外部晶體和相關(guān)元件以及把終端電阻整合進(jìn)來是很大相當(dāng)大的突破，因?yàn)楫?dāng)設(shè)計(jì)人員把USB加入設(shè)計(jì)中時(shí)，這可助于降低成本與復(fù)雜性。
USB設(shè)計(jì)還有一個(gè)常見的挑戰(zhàn)，即軟體開發(fā)既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)。而隨手可得的USB驅(qū)動(dòng)程式和程式碼范例則可克服此難題，并大幅縮短開發(fā)時(shí)間。比方說，有些廠商的USB微控制器開發(fā)工具就包含生產(chǎn)所需的主機(jī)和USB裝置的驅(qū)動(dòng)程式。使用時(shí)并不需要USB協(xié)定或主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程式的專門技術(shù)，使USB連結(jié)能以迅速簡單的方式來建置。
USB連結(jié)是許多嵌入式應(yīng)用的重要需求，高度整合的USB微控制器解決方案不僅能以最簡易的方式建立USB連結(jié)，為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員大幅簡化設(shè)計(jì)，還能提供高效能的CPU功能，其所附帶的整合式類比效能則有助于降低元件數(shù)量和材料清單成本(BOM)，進(jìn)一步滿足市場需求。