低功耗混合信号ASSP(专用标准产品)实现便携式消费电子的低成本和高性能

摘 要：本文主要介绍全新高速安全微控制器的结构特征与优势，并从中指出它的发展与应用前景
关键词：高速微控制器；嵌入式系统；非易失存储器；

     加密密钥要在大量的消费类应用中同时实现高性能与低成本，全定制的模拟前端 (AFE) 与普通的数字信息处理器相结合是唯一的选择。为了在同一系统中同时满足高性能模拟与低成本数字控制这两个相互矛盾的需求，当今的发展趋势是利用专用标准产品 (ASSP)。ASSP 的优势是用一个可重复使用的低成本系统提供高性能模拟、低成本数字控制以及缩短上市进程。这些 ASSP 提供可配置的混合信号模拟功能作为优化的外设模块，器件的其余部分作为许多平台共享可重复使用的模块。快闪微控制器 (MCU) 是实现共享功能的晶核 (host)。单个 ASSP 除了全部补充有计时器与串行端口等数字外设之外，现在还可集成高精度模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC)、运算放大器 (OA)、电源电压监控器 (SVS) 以及液晶显示驱动器。在图 1 中我们用 MSP430FG43x 显示了混合信号快闪 MCU 的集成性能。
---凭借基于 ASSP 的混合信号快闪 MCU，设计工程师就不必将他们的资源集中到风险大的全定制硬件实施上，从而可以开发出能够快速投放市场的灵活的可编程功能。

混合信号 ASSP MCU 解决方案
---ASSP 非常适用于便携式医疗设备。一台典型的设备需要一个精密传感器接口电路、通信功能、实时时钟功能、患者数据的非易失性存储器、较长的电池使用寿命以及在应用中可对快闪 MCU 进行编程的灵活性。图 2 显示了单芯片葡萄糖测量仪的结构图。
---用一个生物催化剂试验片来测量一小份血样的葡萄糖含量。当血样加到试验片上时，将产生 μA （微安）级的小电流，而且与葡萄糖成比例。然后由快闪 MCU 内部的一个 12 位 DAC 向试验片提供偏置电压。我们利用以一个集成快闪 MCU 的运算放大器实施的互阻抗放大器，将生物催化剂产生的电流转化为电压。我们利用一个可编程反馈电阻阵列将运算放大器的输出调到可通过嵌入式 12 位 ADC 进行测量的范围，该可编程反馈电阻阵列可由快闪 MCU 从内部提供，不再需要外部组件。
---生物催化剂对温度很敏感，由于测量周期可能持续达 30 秒，使得这一情况更为复杂。例如，测量周期可能从用户室内等暖和的环境开始，而转换结果却在寒冬的室外环境中完成。为此，我们用内部温度来衡量测量周期开始与结束时的温度，如果二者之间的温差过大，读数将弃用，并向用户报警。
---随后通常将记录并传送患者的测量数据，供用户或者医师进行分析。由于快闪 MCU 存储器是系统内可编程的 (ISP) ，因此一部分快闪被直接分配用于数据记录。使用 MCU 存储器的一部分来进行记录，就不需要外部数据存储器了。现代嵌入式快闪可擦除与改编程序多达 10 万次，高于仪器的工作寿命。

功率监控 (Power Aware) 的应用
---为了延长工作寿命，工程师在设计电池供电仪器时必须认识到功率问题。正常的运行模式必须是省电的低功耗待机模式。为了节电，必须对整个系统进行分析，只运行必需的任务。不必要的任务会浪费功率，应彻底删除。不用的外设模块必须禁用。利用 ASSP，所有的外设模块均嵌入快闪 MCU 中，并且完全采用软件控制，易于操作。禁用电路被简化为软件操作，只需在外设控制寄存器中设定位即可。
---除最低功耗之外，随选性能以及操作状态间的快速切换能力通常都是必需的。系统的计时必须具有足够的灵活性，以满足下列相互矛盾的需要：
---● 精确时基所需的稳定性
---● 延长电池寿命所需的低功耗
---● 高性能所需的速度
---● 对事件做出快速反应的灵敏性
---最佳的时钟解决方案是以下两种计时方式的结合：一种是采用外部32kHz 表面晶体作为辅助时钟 (ACLK)，实现低功耗与稳定性；另一种是采用快速启动、高速片上数控振荡器 (DCO) 作为系统的主时钟 (MCLK)。ACLK 始终保持开启状态，只对一个 LCD 驱动器以及一个用于实时中断的计时器进行计时。高速 MCLK 对 CPU 以及高速外设进行计时，以增强处理能力及对事件的快速反应能力。DCO 是一种接近“零时延”的低 Q、RC 型振荡器，可在不到 6μs 的时间内启动。