微控制器灵活的外设可提高设计的经济性和能源效率

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嵌入式控制应用的快速增长，对当今的微控制器提出了极为苛刻的要求。由于大量的数字/模拟输入信号的复杂控制算法都必须在一个界定的较短响应时间内进行处理，而且生成适当的输出信号。嵌入式控制应用对于电路板空间、功耗和整体系统成本往往也提出了苛刻的要求。因此，微控制器除需要提供足够的CPU和DSP性能外，还要求高度系统集成，从而避免扩展额外的外设。此外，它还能提供系统安全机制和降低器件功耗的特性。
支持电机控制设计的捕获/比较单元

CCU6是一个高分辨率的16位捕获/比较单元，采用特定应用模式，主要面向交流驱动控制或变频器。特殊运行模式支持采用霍尔传感器或反电势检测来控制无刷直流电动机。CCU6还支持通过输入同时启动若干个定时器，这是单芯片上的多个CCU6模块共有的一个重要的特性。CCU6单元由一个包含3个捕获/比较通道的定时器T12功能块，与一个包含1个比较通道的定时器T13功能块组成。T12通道能够独立生成PWM信号，或接受捕获触发信号，它们也可以共同生成控制信号序列，以驱动交流电机或变频器。以XE166系列控制器为例，它集成了多达4个CCU6模块，因此使用一片XE166控制器最多可以同时独立控制4台三相电机，如图1所示。



图1 XE166功能框图

CCU6 PWM单元可以和两个高精度模数转换器紧密联动，适用于采用闭环算法，如磁场定向控制（FOC）的高端电机控制，如图2所示。闭环算法需要来自电机的反馈信息，如相电流等。这个相电流值需要在PWM生成的界定状态下测定。由定时器T12的三个比较通道可以生成6路PWM信号，加上自动插入死区时间功能，可以控制三个的功率半桥。再加上计时器T13，CCU6 能够在已定义的PWM开关状态下产生硬件触发事件触发模数转换器。



图2 CCU6用于电机控制应用，产生自主PWM信号
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灵活的串行接口和更低的CPU负荷

通用串行接口通道（USIC）是一个灵活的接口模块，支持ASC、SSC、LIN、IIC和IIS等协议，如图3所示。每个USIC模块有两个独立信道，每个信道均可配置为所支持的协议之一。以往，客户不得不使用指定的引脚来实现专用的输入/ 输出连接。有了USIC，每个信道的输入/输出信号可以单独地指派至几个端口引脚，从而进一步提高设计的灵活性。XE 166搭载至多3个USIC模块，能够支持6通道的片上输入/输出接口。每个信道都可以支持独立的可编程波特率配置，还可以采用面向发送和接收的FIFO缓冲器。即使在运行期间，用户仍然可以选择或改变所配置的每个协议，而不需要芯片进行复位操作。USIC可支持以下协议：UART（异步串行通道（ASC），1.2kBaud～3.5MBaud）；硬件实现的LIN支持（低成本网络，最高20kBaud）；SSC/SPI（同步串行通道，2kBaud～10MBaud）；IIC（100～400kBaud）；IIS（信息娱乐音频总线，最高26Mbaud）。



图3 灵活的通信

除了可以灵活选择通信协议之外，USIC架构还能降低系统负荷（CPU负荷），实现非常高效的数据处理（支持全双工数据传输）。每个USIC通道包含一个专用波特率生成器。波特率生成既可以基于内部系统时钟也可以由外部时钟输入。这种架构可支持频率无法由内部生成的数据传输，例如同步几个通信设备等。再加上非常灵活的信号引脚接口，USIC为各种应用需要提供了完善的通信接口。

模拟/数字转换器

为测量模拟信号，XE166集成了包含24个（16+8）复用输入通道的两个高速可同步10位模数转换器（ADC0、ADC1）模块，每个模块分别集成了采样保持电路。它们使用逐次逼近算法，在80MHz系统时钟下实现低至0.675μs的转换时间。采样时间（用于电容器加载）和转换时间都是可编程的，因此可以根据外部电路进行调整。这些模数转换器也可以在8位转换模式下运行，从而进一步缩短转换时间。

多个独立的转换结果寄存器、可选择的中断请求以及高度灵活的转换序列，提高了XE166的可编程性，满足不同应用的要求。两个模块可以同步，支持两个输入通道的并行采样。对于需要更多模拟输入通道的应用，外部模拟多路复用器可以自动控制。对于需要较少模拟输入通道的应用，多余的通道输入可以用作数字输入端口引脚。

极限/边界检查或结果累加等减少数据的特性，可以减少CPU的调用次数，从而即使在CPU速度很低的情况仍可实现精确的模拟输入评估（高转换率）。运用极限检查可减少中断负荷（例如温度测量或过载检测），因为只有在可编程边界之外的转换结果才会导致中断。
电源

XE166支持/提供非常独特的3～5.5V的灵活输入/输出电压，并可允许选择两个不同的电平（5V面向模拟精度、3.3V面向标准外设IC），如图4所示。内核工作电源电压为1.5V。片内已嵌入专用的调压器，从输入/输出供电电压直接为内核提供稳压，因此无须另外配备一个稳压器。这种设计的好处在于为模拟信号（将5V的传感器信号连接至模数转换器）和数字功能（数字逻辑、ASIC等）都提供了最佳的供电方式。对大多数应用而言，这可省去用于板上不同电压级别之间的信号转换的电平转换器。



图4 灵活的具有两个独立工作电平的电源

输入/输出供电电压通过一个具备内部上电检测功能的看门狗监视器进行监控，而且该器件无须外部上电复位电路便可启动。两个完全独立的阈值电平和比较器用来验证用户设定的欠压和过压电平。在2.9V和5.5V之间有共计16个阈值电平可供选择。供电电压看门狗还监控EVR的电源电压是否足以在所有运行条件生成一个有效的内核电压。外部电压监测功能只需使用一个低成本的调节器，而无须额外的状态信号。此外XE166还支持VDDI引脚上的短路保护。
灵活可靠的时钟源



图5 灵活可靠的时钟模式，可在外部石英晶体失效时启动片上振荡器

XE166系列的时钟采用一种非常灵活的设计理念，提供多个时钟源，以确保安全运行，如图5所示。时钟生成单元基于一个多预分频器的可编程片上锁相环电路（PLL），以非常灵活的方式为XE166生成时钟信号。系统时钟可以从若干个内部和外部时钟源（如晶体振荡器）提取。外设可以可时钟信号暂时断开以节省功率；如果它们一直没有被使用，也可永久断开。片上高精度振荡器电路（OSC-HP，4～25MHz，最高精度0.5mA）可连接一个外部晶体或输入一个高精度的外部时钟信号。其他时钟源来自一个电流控制的片上振荡器（OSC-LP，5MHz，快速启动）。因此，用户可以选择最适当的时钟模式，获得相关时钟信号确保稳定运行。不同时钟源模式之间的切换是由软件实现的。一个内部“紧急”时钟源可以保证在任何情况下都能提供时钟信号（而不需要使用一个外部晶体）。振荡器看门狗（OWD）监控输入时钟并在输入时钟出现不稳定的情况下启动紧急时钟。
结论

基于增强型C166S V2架构的XE166系列微控制器，不仅具有出色的CPU性能、更强的输入输出能力和灵活的电源选择，而且支持USIC等全新外设。该系列包含多种型号，广泛适用于诸如电机控制、电源、运输和通信等要求苛刻的工业应用领域。片内集成的稳压器、使用了额外闪存模块的仿真EEPROM和多个时钟源优化了系统成本。此外，这一系列还得到了全套开发工具的支持，包括评估板、调试器、编译器和相关文档。此外，英飞凌的合作伙伴Altium公司提供一年免许可费的Tasking XE166编译工具。