加入收藏
 免费注册
 用户登陆
首页 展示 供求 职场 技术 智造 职业 活动 视点 品牌 镨社区
今天是:2024年7月18日 星期四   您现在位于: 首页 →  智造 → 白皮书店(汽车电子)
如何在复杂设计中部署处理特定任务的单片机(MCU)?
日期:2022/5/13 11:11:47   作者:
如今,运行实时操作系统(RTOS)的大型32位单片机(MCU)和微处理器(MPU)日益普及。不过,如果使用一个大型单片机处理复杂的应用,可能会在执行小型后台处理任务时遇到CPU资源方面的问题,这些任务虽然并不复杂,但十分耗时。8位和16位MCU等小型器件可用于减轻32位器件的工作负荷。 

试想一下这样一个示例:将一个32位MCU用于控制汽车的非安全功能,如娱乐系统、环境照明和空调。此32位器件必须对其资源进行分配,以便处理与这些功能相关的所有任务。这样的任务还包括测量驾驶室内多个点的温度、打开/关闭空调系统、更新图形显示、处理用户输入、调整照明条件和播放音乐。即使对于大型32位器件,这些工作量也过于繁重。 

但是,如果32位器件将部分任务负荷转移给几乎不需要监控的子处理器,每个子处理器仅负责处理其中的1或2个任务,那么这些任务会更易于管理。这可以释放主处理器上的CPU资源,从而降低软件的复杂性,同时提高性能并缩短执行时间。 

这种解决方案与单片机中的外设有异曲同工之妙。外设是专用硬件的小型模块,可以添加新功能(例如运算放大器或模数转换器),也可以减少执行给定功能时CPU必须承担的工作量。在某些情况下,初始化后,外设可独立于CPU运行。 

为了说明外设的优势,我们以产生脉宽调制(PWM)信号为例。要在没有专用外设的情况下产生PWM,只需将I/O线设为高电平,等待一定数量的周期后,将其设为低电平,再等待一段时间,然后重复操作。这会占用大量CPU周期,并且对于某些功能(如RTOS)来说,难以可靠地执行。相比之下,PWM外设允许CPU在执行其他任务的同时设置所需的波形参数。

本文中介绍的第一个示例说明了减轻CPU密集型任务负荷的优势。在该案例中,使用了一个8位MCU来创建I/O扩展器。I/O扩展器并不复杂;然而,由于需要频繁处理中断,因此它们会占用大量的CPU时间。通过使用专用MCU来完成这项任务,大型32位器件可以减少I/O使用和需要处理的中断次数。此外,I/O扩展器的功能集可在软件中设置,因此支持针对应用进行定制和调整。  

本文中的第二个示例以创建独立于CPU运行的电压频率(V/F)转换器为例,展示了独立于内核的外设的性能。在这个示例中,CPU的唯一功能是初始化外设并将调试打印消息发送到UART。在大型系统中,当V/F在后台运行时,CPU可以执行另一个简单的任务。


I/O扩展器


使用8位MCU创建I/O扩展器的最大好处是提高灵活性。I/O扩展器ASIC的功能集已嵌入到器件中,而MCU可基于其执行的软件定义其行为。这种灵活性使基于MCU的版本能够满足最终应用的需求。


实现高级I/O扩展器


在器件内部,高级I/O扩展器在基于查找表的结构上运行。在读取或写入之前,会发送一个虚拟地址。该地址与单片机上的寄存器无关——仅特定于查找表。这意味着,可以透明地添加不在单片机硬件寄存器中的功能。此外,还可以针对特定用途,轻松地重新排列表格中的条目。这种结构的另一个优势是,能够向查找表添加权限。例如,要创建一个只读寄存器,只需省略查找表的写条目即可。 

这种较为复杂的结构也适用于非标准功能。“MEM OP”功能允许MCU将其当前的通用输入和输出(GPIO)配置保存或加载到存储器中。

MEM OP也可以将GPIO配置重置为编译时设置的参数。此外,也可以选择将单片机设置为在上电时加载保存的设置。如果已使能,单片机会尝试加载配置0中的设置。如果配置执行校验和验证失败,则MCU将恢复为编译时常数。如果不需要,可以在软件中禁用此功能。

 
该解决方案的要点


基于MCU的解决方案的优势在于出色的灵活性。与市场上的ASIC不同,我们可以为MCU配置特定于应用场景的非标准功能。此应用程序针对通用PIC16F15244系列MCU开发。

如需深入了解该实现或想要试用该示例,请参见源资源库中的README文件。此外,还提供带有Arduino的高级I/O扩展器的演示。源代码、文档和演示:https://github.com/microchip-pic-avr-examples/pic16f15244-family-advanced-i2c-io-expander 


电压频率(V/F)转换器


通过降低物料清单(BOM)成本,进而减小设计面积,电压频率转换器可改进传统的模拟解决方案。市场上的许多V/F转换器需要配备外部电阻和电容才能运行,而单片机只需使用通用去耦和上拉组件(所有MCU的必备组件)即可运行。 

MCU不使用模拟技术进行数字化,而是使用独立于内核的外设和功能的组合。MCU使用内部带计算功能的模数转换器(ADCC)测量输入信号,然后对时钟信号进行分频,以创建可变频率输出。在该示例中,外设已设置为在初始化后独立于CPU运行。这意味着,CPU可以用于最终应用中的其他任务。 

对于基于MCU的方案,其挑战在于性能不如模拟解决方案。输出的分辨率本身受到ADCC的限制。表面上看,ADCC为12位,但它会以配置为过采样的14位分辨率运行,具体取决于程序的配置方式。同样,用于合成输出频率的片内数控振荡器(NCO)具有有限的分辨率,并且其输出中可能存在抖动,具体取决于ADC测得的值。 

基于MCU的解决方案可以分为三个不同的外设模块——模拟采样模块、输出振荡器模块和占空比发生器。 


模拟采样模块


模拟采样模块负责执行模数转换。为了在器件的频率限制下实现100 kHz的输出,已将ADCC配置为过采样,然后通过平均值处理获得14位结果。
这种过采样配置有一个缺点,即向结果中增加额外的统计噪声,可采取计算过采样的平均值并增加滞后的方法来补偿噪声。要实现滞后,可使用ADCC的阈值中断功能。(为简单起见,将仅介绍有关此示例如何使用阈值中断功能的细节。) 
在ADCC完成过采样的平均值计算后,将得出的值与外设中的设定值寄存器进行比较。如果两者之差大于或小于设定阈值,则触发中断。CPU可屏蔽此中断且不受影响,然而,此中断会触发直接存储器访问(DMA),将经过平均值处理的过采样结果复制到ADCC的设定值寄存器,从而产生滞后。如果未超过阈值,则不会发生DMA复制,从而不会触发输出振荡器模块的DMA更新。 


输出振荡器模块


该解决方案的输出振荡器模块负责以所需输出频率产生时钟信号。该输出信号在内部连接到占空比发生器,该元件将输出频率减半,但会产生50%的占空比输出。因此,输出振荡器模块以输出频率的两倍运行。 
输出振荡器模块的核心是数控振荡器(NCO)。NCO外设的工作原理是在输入时钟的上升沿向累加器添加增量值,然后根据累加器溢出导出外设的输出。(有关NCO的完整说明,请参见数据手册。)
在该示例中,已将NCO2设置为在内部创建所需的输入时钟频率,以通过14位输入获得100 kHz输出。之所以使用14位结果,是因为ADCC本身的12位结果不足以在没有外部时钟源的情况下产生100 kHz输出。 
ADC结果 NCO1输出(翻倍) 输出频率
0x0000 0Hz 0Hz
0x0001 12.2Hz 6.1Hz
0x0100 3.1kHz 1.6kHz
0x1000 50kHz 25kHz
0x3FFF 200kHz 100kHz
100 kHz V/F转换器的理想输出(看门狗已关闭)。

如果改变NCO2的输出频率或使用备用源,则输出频率将调整为不同的输出范围。例如,如果NCO2的频率降低到1.28MHz,则输出最大为10kHz。  
ADC结果 NCO1输出频率(翻倍) 输出频率
0x0000 0Hz 0Hz
0x0001 1.2Hz 0.6Hz
0x0100 312.5Hz 156.3Hz
0x1000 5 kHz 2.5kHz
0x3FFF 20kHz 10kHz
10kHz V/F转换器的理想输出(看门狗已关闭)。


占空比发生器


该解决方案的占空比发生器模块负责创建50%的占空比输出。这是一个可选功能——可以直接使用NCO的输出,但这样做会增加占空比的变化幅度。 

该生成器使用一个可配置逻辑单元(CLC)实现。CLC是可配置逻辑的小型模块,类似于现场可编程门阵列(FPGA)的一个单元。CLC可用作离散逻辑门(例如AND-OR或OR-XOR),也可以配置为锁存器或触发器。在该解决方案中,CLC实现为带复位功能的J-K触发器。J和K保持在逻辑高电平。输出振荡器模块用作触发器的时钟。每个输入时钟脉冲均会导致输出翻转,从而产生50%的占空比。注意:输出振荡器模块的频率抖动将对占空比产生影响。 

Timer 6用作不稳定的“看门狗”定时器。如果输出没有产生边沿(上升沿或下降沿),则定时器将溢出,并将产生的时钟脉冲发送到CLC,这可以控制输出频率范围的下限。输出翻转到定时器频率的一半(输出为6Hz),而不是达到直流。


该解决方案的要点


该示例表明,要使用硬件外设创建独立于内核的功能,通常必须使用外部集成电路。这种配置的一个最大优势在于,外设操作可在软件中设置,这样便可轻松地根据最终应用调整示例。由于使用了大量外设,因此选择PIC18-Q43系列MCU来实现该示例。  

有关该示例的更多信息,请参见示例资源库中的README文档。此外,示例资源库还包含频率电压转换器的实现,可与电压频率转换器在同一个器件上实现。单击以下链接获取源代码和文档:https://github.com/microchip-pic-avr-examples/pic18f57q43-v-to-f-mplab-mcc 


总结


尽管高性能单片机和微处理器都有一席之地,但在执行小型专门任务时,8位和16位MCU的作用不容小觑。这类任务并不一定十分复杂,但可能十分耗时,或者是时间关键型任务。任务负荷减轻后,32位器件可拥有更简单的实现,从而提高可靠性、减少存储器占用率并降低功耗。

作者:Robert Perkel
单位:Microchip Technology Inc.
职称:8位单片机产品部
供稿:Vivian,hoffman
→ 『关闭窗口』
 发布人:-----
 [ → 我要发表 ]
上篇文章:ROHM罗姆第4代SiC MOSFET在电动汽车电控系统中的应用
下篇文章:可轻松实现无线供电功能的13.56MHz无线充电模块
→ 主题所属分类:  白皮书店 → 汽车电子
 热门文章
 中航光电(158厂)电连接器产品选型指南 (61546)
 国巨(Yageo)片式电阻电容产品规格书 (56055)
 下一代前传网络接口(NGFI)白皮书 (47857)
 2013年移动经济(The Mobile Economy 2013… (46627)
 使用NFC进行蓝牙配对(Using NFC for Bluet… (43524)
 镭射二极管 (42905)
 mirasol显示器与竞争性显示技术的比较 - Qualco… (40322)
 CodeWarrior Development Studio (40273)
 为滤波电路选择合适的运算放大器 (40218)
 u-blox产品目录(Product Catalog 16… (38866)
 最近更新
 增强型人工智能为Meteor Lake处理器的设计提速 (5月15日)
 教育行业数字化自主创新飞腾生态解决方案白皮书 (4月2日)
 人形机器人设计原则及人类智能和内部身体系统仿真 (2月2日)
 用传感器让中央空调更节能环保,精确测量温湿度、… (1月30日)
 不干胶标签印刷UL认证 (11月22日)
 基于广芯微UM3242F-RET6主控芯片的DC-AC逆… (11月9日)
 实现生成式AI的关键半导体技术 (8月10日)
 大功率、低阻值检流电阻器的基础与应用 (7月18日)
 采用超低损耗 (ULL) 部件来优化短距离单模部署 (6月23日)
 扩展现实设备芯片需求白皮书——arm (6月21日)
 文章搜索
搜索选项:            
  → 评论内容 (点击查看)
您是否还没有 注册 或还没有 登陆 本站?!
关于我们 ┋ 免责声明 ┋ 产品与服务 ┋ 联系我们 ┋ About 365PR ┋ Join 365PR
Copyright @ 2005-2008 365pr.net Ltd. All Rights Reserved. 深圳市产通互联网有限公司 版权所有
E-mail:postmaster@365pr.net 不良信息举报 备案号:粤ICP备06070889号