五种现代8位微控制器进化,应对最新IoT系统挑战

日期:2024-02-12

从最初的算器开始,微控制器(MCU)已经扩展到整个行,以控制当今使用的多不同类型的汽、消品和工业设备
作者:Microchip Technology8位MCU营销工程师Joshua Bowen
自从第一个微控制器问世以来,已经有50多年的历史了。随着系统变得越来越复杂,许多子系统现在需要数十万甚至数百万的MCU。这使得提供具有高可靠性和耐用性的低成本设备变得更加重要。随着物联网(IoT)的出现和医疗保健行业对8位MCU的积极部署,对它们的需求甚至更大,也需要这些MCU提供额外的功能来控制便携式、无线和可穿戴设备。
现代8位MCU已经迎接了挑战,通过创新和进步的五个关键领域,保持了其成本和可靠性优势,同时扩大了用户价值。
 
驱动新的8位MCU需求
今天的物联网应用面临着大规模实施智能的巨大挑战。整个城市都在升级智能设备,应用范围从智能路灯到车库停车,这不仅涉及入口处的一个柜台,还涉及每个单独停车位的单独探测器。
除了规模(和相关成本)挑战外,物联网应用还引入了许多新的MCU功能要求。这些包括数据收集、处理以及联网设备之间的数据通信。
满足这些功能需求通常可以使用带有片上模数转换器(ADC)的8位MCU,并通过使设备的核心保持在低功率模式来实现。这对于我们提到的智能停车场或联网街道照明等应用非常重要,在这些应用中,每mW的电力使用量都会乘以全天候运行的系统中可能有数千个设备。
最新的8位MCU以其一贯的成本和可靠性优势应对这些挑战。同时,它们为那些使用具有严格功耗限制的便携式电池供电设备的开发应用创造了新的价值。这一新价值来源于内存、功耗、封装、外围设备和设计工具方面的五类进步,这些进步使物联网系统开发人员能够通过现代8位MCU实现以下目标:
  1. 支持需要更多程序代的更复
随着更高密度闪存的出现,8位MCU现在可以支持更复杂的应用。使用增加的内存和利用核心独立外设(CIP)的技术,它们能够满足需要额外代码空间/内存的新程序的要求。
嵌入式闪存的一个主要优点是它的寿命。经过严格的汽车和功能安全测试,它可以持续数年。它还可以承受更多的写入和擦除周期。8位MCU的功能可以从384位到128 KB,甚至更多,这取决于越来越多的应用所需的内容。
  1. 降低池供电应用的功耗
现代8位MCU有几种方式支持电池供电应用的新要求。
一个例子是nanoWatt XLP eXtreme Low Power PIC® MCU,它包括专门为这些产品设计的系统监控电路。这些电路允许MCU为运行和睡眠提供明显更低的电流(在极端低功耗应用中,绝大多数应用的时间至少为90%或更多。这种8位MCU还具有外围模块禁用功能,并将外围设备从电源轨和时钟树中完全移除,以实现零功耗泄漏。因此,睡眠电流保持在20 nA以下,电力减弱重置降至45 nA,看门狗计时器降至220 nA,实时时钟/日历保持在470 nA,运行电流降至50μA/MHz。甚至全模拟和自写能力也被限制在1.8V。
在所有这些功能中保持这些低电流可以延长便携式设备的电池寿命,通过优化的核心独立外设(CIP)的可用性可以进一步提高电池寿命。可定制的CIPs增加了功能,同时进一步降低了功耗。
  1. 利用CIP创造新的系统设计机会                                           
今天的MCU利用各种CIP来提供许多好处,特别是对于低功耗/低成本的设计。这些CIP具有降低功耗的内置功能,以及简化功能实现方式的模块化设计,从触摸接口到传感器数据积累和调节。在众多好处中,CIP可以更容易地将复杂的软件用硬件实现。
CIP可以执行各种任务,而无需微控制器的中央处理单元(CPU)的任何干预。设计者可以使用基于外围设备的预封装方法对事件进行编程,例如触发通用输入/输出(GPIO)或在多个通道上编程中断事件。
图1显示了可用于Microchip的PIC®和AVR®MCU的各种CIP。它们解决了开发人员在经济高效的嵌入式控制器中所期望的大部分功能。
 

1:上面示的微芯片CIP是按外围设备类别编码的。绿目提供了外的功率降低可能性
CIP通过减少代码开销来提高可靠性。当用硬件结构实现功能时,可以避免软件冲突。通过减少外部连接,对外围互连进行同样的处理可以提高系统可靠性。组件可靠性的提高降低了项目生命周期中产生的成本。
 
  1. 4.足无线/便携式和可穿戴品的占地面、引脚数量和内存需求
使用8引脚器件设计的另一个优点是,它能够放入小封装中,以满足当今空间敏感的无线/便携式和可穿戴产品的需求。
一个封装示例是8引脚SOIC或8引脚DFN。另一个流行的封装是20引脚超薄四方无引线扁平封装(VQFN),占地面积为3 x 3 mm。虽然添加更多的功能可能需要更多的连接和更大的封装,但可以将8位MCU安装到16位或32位MCU太大的板空间中。
如果8位微控制器由于其提供的系统复杂性增加而需要更大的面积和更多的连接,那么也可以使用更大的封装,包括40引脚PDIP和VQFN以及44引脚TQFP版本。
许多新的8位系列为引脚数量和内存提供了广泛的选择。当用户希望在较大的器件上完成开发,然后在代码大小优化后将其缩小到较小的生产器件时,这是一个很大的优势。这对于在成本敏感的传感器和实时控制应用中使用的封装来说尤其重要。示例包括Microchip的PIC16F152XX微控制器系列,其功能集从10位模数转换器(ADC)和外围引脚选择(PPS)到定时器和数字通信外围设备。它还包括内存功能,例如用于数据保护和引导加载程序应用的内存访问分区(MAP)。
 
  1. 化和加速设计
更新的8位MCU开发工具简化了以前必须硬编码的过程。代码配置工具减少了应用开发时间,同时实现了更紧凑的代码,而不必在程序集中从头开始编写或多次迭代。
例如,PIC16F15244 Curiosity Nano评估套件提供了完整的编程和调试功能,并完全支持新设计(见图2)。
 

图2:PIC16F15244 Curiosity Nano估套件(零件号:EV09Z19A
 
集成开发环境(IDE)也支持8位MCU,IDE是免费的,并提供用于开发8位(以及16位和32位)MCU的代码的环境。Microchip的MPLAB®X IDE就是一个例子。它支持模拟和与硬件工具的接口,并包括来自Microchip和第三方的访问插件。
 
MCU
随着微控制器的发展,8位MCU表现出了特别强大的弹性,并提供了稳定的应用创新,从内存和功耗的进步到封装和外围设备的新选项。这些器件为复杂的应用提供了更大的内存,并提供了简化具有挑战性的应用的新方法,从而减少了开发资源,降低了MCU投入生产的成本。
最新一代的8位MCU也扩大了它的实用性。这些MCU不再专门用于数据收集,还用于在不同的物联网应用中收集、处理和传输数据。它们还通过提供更大的内存大小和优化的外围设备,在简化日益复杂的物联网应用方面发挥了重要作用。
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