采用混合信號控制器進(jìn)行混合工作
為了在相同的系統(tǒng)中滿足高性能模擬與低成本數(shù)字控制這對相互矛盾的要求,我們在許多電池供電的嵌入式測量應(yīng)用中均采用了專門針對應(yīng)用設(shè)計的模擬前端 (AFE) 電路與分離數(shù)字微控制器 (MCU) 相結(jié)合的辦法。這種提取并將模擬功能集成到特殊電路中的辦法既優(yōu)化了專門的功能集,又實化了系統(tǒng)通用的數(shù)字控制。但是,隨著現(xiàn)代深亞微米硅技術(shù)的到來,通常其最低量產(chǎn)為 10 萬單位,一套掩模的一次性工程設(shè)計成本 (NRE) 接近100萬美元,加上設(shè)計超大型的定制電路有風(fēng)險,而且也面臨著加快產(chǎn)品上市時間的壓力,因此專門定制的解決方案對除了用于少數(shù)高容量應(yīng)用之外,在其他情況下都是不現(xiàn)實的。
目前的趨勢不是采用定制的 AFE,而是采用針對具體應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP),在低成本、可重復(fù)使用的系統(tǒng)中平衡了高性能模擬、低成本數(shù)字控制并縮短投放市場的時間等多項要求。ASSP 作為優(yōu)化的外設(shè)提供了可配置的混合信號模擬特性,而設(shè)備其他部分則作為可重復(fù)使用的功能實施,可跨越許多平臺共享�？扉W微控制器單元 (MCU) 是共享功能的主機與解決方案。混合信號快閃 MCU 的集成功能顯示于 圖1 的 MSP430FG43x 中。除了作為計時器及串行端口等數(shù)字外設(shè)的完全配套之外,我們現(xiàn)在還可以在單一的 ASSP 上集成高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、運算放大器 (OA)、電源電壓監(jiān)控器 (SVS) 以及液晶顯示驅(qū)動程序等。利用混合信號基于快閃 MCU 的 ASSP,設(shè)計工程師不必再為高風(fēng)險完全定制硬件實施集中投入其資源,而是可以開發(fā)靈活的、可編程的功能,并能快速地將其投放市場。
典型的混合信號 MCU 解決方案
ASSP可在其中發(fā)揮很好作用的混合信號應(yīng)用常見實例就是手持式醫(yī)療設(shè)備。典型的手持式醫(yī)療設(shè)備要求精確的傳感器接口電路、用戶顯示、日歷功能、非易失性存儲器、通信特性、電源管理以及可編程的快閃 MCU 等。圖2 顯示了現(xiàn)代單片血糖測量儀的結(jié)構(gòu)圖。
我們用生物催化劑試件測量小血樣的葡萄糖含量。應(yīng)用血樣時,應(yīng)用參考電壓將試件生成的電子轉(zhuǎn)化為電流。用于試件的參考電壓從混合信號快閃 MCU 的兩個內(nèi)部 12 位 DAC 之一提供。生物催化劑產(chǎn)生的電流很小,其范圍在 uA 再降至 nA 之內(nèi)。為了將傳感器的小電流輸出轉(zhuǎn)化為電壓,我們采用其中的一個集成運算放大器實施互阻抗功能。運算放大器的輸出放大至一定的范圍時,可由采用反饋電阻器的嵌入式 12 位 ADC測量。
試件的化學(xué)反應(yīng)是溫度敏感型的,而測量周期可能長達(dá) 30 秒,這也使情況復(fù)雜化。例如,血樣可能在溫暖的環(huán)境中放在試件上,比如在用戶的家中,而轉(zhuǎn)換結(jié)果則是在外部冬天的環(huán)境中完成的。有鑒于此,必須在測量周期開始與結(jié)束時測量溫度,而如果二者之間溫差太大,那么測試結(jié)果就會作廢,應(yīng)當(dāng)提醒用戶注意到這種情況。我們采用嵌入式 12 位 ADC 中的集成溫度傳感器測量溫度。
