采用混合信号控制器进行混合工作
为了在相同的系统中满足高性能模拟与低成本数字控制这对相互矛盾的要求,我们在许多电池供电的嵌入式测量应用中均采用了专门针对应用设计的模拟前端 (AFE) 电路与分离数字微控制器 (MCU) 相结合的办法。这种提取并将模拟功能集成到特殊电路中的办法既优化了专门的功能集,又实化了系统通用的数字控制。但是,随着现代深亚微米硅技术的到来,通常其最低量产为 10 万单位,一套掩模的一次性工程设计成本 (NRE) 接近100万美元,加上设计超大型的定制电路有风险,而且也面临着加快产品上市时间的压力,因此专门定制的解决方案对除了用于少数高容量应用之外,在其他情况下都是不现实的。
目前的趋势不是采用定制的 AFE,而是采用针对具体应用的标准产品 (ASSP),在低成本、可重复使用的系统中平衡了高性能模拟、低成本数字控制并缩短投放市场的时间等多项要求。ASSP 作为优化的外设提供了可配置的混合信号模拟特性,而设备其他部分则作为可重复使用的功能实施,可跨越许多平台共享。快闪微控制器单元 (MCU) 是共享功能的主机与解决方案。混合信号快闪 MCU 的集成功能显示于 图1 的 MSP430FG43x 中。除了作为计时器及串行端口等数字外设的完全配套之外,我们现在还可以在单一的 ASSP 上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) 以及液晶显示驱动程序等。利用混合信号基于快闪 MCU 的 ASSP,设计工程师不必再为高风险完全定制硬件实施集中投入其资源,而是可以开发灵活的、可编程的功能,并能快速地将其投放市场。
典型的混合信号 MCU 解决方案
ASSP可在其中发挥很好作用的混合信号应用常见实例就是手持式医疗设备。典型的手持式医疗设备要求精确的传感器接口电路、用户显示、日历功能、非易失性存储器、通信特性、电源管理以及可编程的快闪 MCU 等。图2 显示了现代单片血糖测量仪的结构图。
我们用生物催化剂试件测量小血样的葡萄糖含量。应用血样时,应用参考电压将试件生成的电子转化为电流。用于试件的参考电压从混合信号快闪 MCU 的两个内部 12 位 DAC 之一提供。生物催化剂产生的电流很小,其范围在 uA 再降至 nA 之内。为了将传感器的小电流输出转化为电压,我们采用其中的一个集成运算放大器实施互阻抗功能。运算放大器的输出放大至一定的范围时,可由采用反馈电阻器的嵌入式 12 位 ADC测量。
试件的化学反应是温度敏感型的,而测量周期可能长达 30 秒,这也使情况复杂化。例如,血样可能在温暖的环境中放在试件上,比如在用户的家中,而转换结果则是在外部冬天的环境中完成的。有鉴于此,必须在测量周期开始与结束时测量温度,而如果二者之间温差太大,那么测试结果就会作废,应当提醒用户注意到这种情况。我们采用嵌入式 12 位 ADC 中的集成温度传感器测量温度。
