高整合USB微控制器简化嵌入式系统连结设计

　　USB连结是许多嵌入式应用的重要规格;高度整合的USB微控制器解决方案，不仅能以最简易的方式为嵌入式系统建立USB连结，还能提供高效能的CPU功能;其所附带的整合式类比周边更有助于降低元件数量和材料清单成本，进一步满足市场需求。　　

 

　　高整合度USB微控制器可以高成本效益，完成嵌入式连结功能设计。

　　加入更多功能/周边　降低整体成本

　　USB在工业和消费应用中迅速获得采用，同时也为嵌入式解决方案的设计人员带来挑战，因为设计人员须把USB连结融入产品中，且还要维持或者降低整体成本。早期版本的USB微控制器是为增设USB介面所开发，但它没有能力支援其他的功能或周边设备。当USB刚推出时，这些元件在推动USB介面的全面普及上扮演重要的角色，即使到今天，这些桥接元件也可当作有效解决方案。只要透过辅助晶片，即可迅速增添全速型USB，而不必重新设计整个系统。不过，对于一些成本敏感的应用，这种做法或许不尽理想。

　　为克服成本上的难题，新一代的USB微控制器加入更多的功能与周边装置。不过，具备不同周边功能的USB微控制器虽然在市场上大幅成长，但还是不及高度整合的解决方案。高整合度的USB解决方案不仅能加入适当组合的周边装置，还能确保这些功能强大到足以支援重要的应用需求。虽然应用需求深受终端产品的特性与功能所影响，但大部分的应用主要须涵盖三个共通的层面。

　　首先是中央处理器(CPU)的效能以及把USB并入周边装置的影响;第二须考量的层面是，在类比功能或周边装置上扮演真实世界讯号连结的要角;最后，由于各种应用对成本几乎都很敏感，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主要的功能为执行用户码，所以它能不能及时执行指令并处理资料便至关重要。一般符合成本效益的USB控制器都会采用先进先出(FIFO)的方式来管理进出的封包，而CPU可将资料存取于缓冲器内，并同时执行其他的作业。

　　CPU/USB功能交互作用难题迎刃解

　　在桥接应用的例子中，假设需求是要把序列式的通用异步收发器(UART)桥接到USB的系统上。最简单的方法，CPU应该要能从UART介面撷取资料，并存入USB FIFO中，反之亦然。不过，要是同样此应用须执行其他简单的功能，像是反转字节排序，或者执行复杂的功能，如套用软体过滤程式，该怎么办?一开始的简单作业突然变成极为复杂的运算，而这须要经过特别的处理才能妥善管理，于是对CPU所造成的负担便愈来愈大。

　　一般的协定桥接都是把一个周边装置的资料传往另一个，并且几近即时，所以CPU须具备必要的效能来读写及运作资料，延迟时间也要缩短到能让人接受。芯科实验室(Silicon Labs)推出一系列的微控制器，为低价USB解决方案中较佳的范例，该系列微控制器具备强化的高速CPU，能够在一或二个系统时脉周期就能执行七成的指令。这种效能不仅足以满足协定桥接应用的需求，还能支援其他大部分的高速USB应用。另一个优点是，高速CPU能在较短的时间内执行较多的工作，所以能降低整体的耗电量，并使系统在低功耗模式中维持较长时间运作(图1)。

　　

 

　　图1 高效能微控制器可使系统在低功耗模式下延长作业时间

　　因应不同需求　微控制器内建ADC已成趋势

　　很多应用都有采用类比式的功能或周边装置，像是类比数位转换器(ADC)和比较器，例如从基础的电池管理到高速感测介面中，极为复杂的资料撷取系统，每个应用都须使用ADC和比较器来支援广泛的应用，而ADC和比较器必须具备强大的效能，以因应各种不同的需求，同时还必须价格低廉以便整合到USB微控制器中。

　　有些厂商的微控制器就具备内建高效能的ADC，而这些ADC的转换时间是追踪一次500ksps，并具有能在ADC每次转换后，插入时脉循环的能力。

　　具体来说，当转换的讯号出现后，每次转换前都会有一段三个ADC时脉循环的追踪期(图2)。当有好几个ADC频道在运作时，这种模式就非常有用，因为它能建立正确转换时所不可或缺的适当安定时间。此外，侦测可编程窗口的效能也可用来比对ADC的输出暂存器和使用者所编程的限制。这种效能尤其适用于电池管理的应用，因为使用者可限制电池存量要到多低时才发出警示。另外，由于不须动用到CPU的任何效能，因此延迟期间非常短，可进一步提高电池应用的安全性。

　　

 

　　图2 类比数位转换器追踪模式

　　比较器提供另一种非常有用的类比功能，并广泛运用在许多应用中，如血糖机中的比较器是用来检测试纸的置入，或者像胰岛素泵则须要快速关机机制以防止电泵当机。在这两个例子中，比较器的反应时间与耗电量就显得格外重要。

　　在传统的USB装置中比较器的规格都很宽松，而先进的微控制器可提供可编程反应时间短至100奈秒(ns)。耗电量也可由使用者来选定，以低到1微安培(μA)这点来看，微控制器的装置，其所达到的类比效能数值跟一般的离散式类比积体电路(IC)可说是不相上下。当USB的微控制器整合高效能类比效能时，它就能提供符合成本效益的单晶片解决方案，并替代外部类比元件。