使用8位元微控制器的物聯網控制應用
作者 : Joshua Bowen，Microchip Technology 8位元MCU產品行銷工程師
多年來，8位元微控制器(Micro Controller, MCU)一直在發展並保持競爭力的原因在於它能夠為用戶提供價值。這是通過在多個方面持續創新而實現的，特別是記憶體、功耗、封裝和獨立於核心的周邊裝置(Core Independent Peripherals, CIP)等方面。
追溯到20世紀70年代，MCU在控制各種汽車、消費品和工業產品方面發揮了重要作用。如今，MCU的應用已擴展到包括可攜式、無線和可穿戴物聯網 (IoT)產品。除了IoT以外，醫療保健行業也出現了大規模發展，各種應用中都採用了8位元MCU。
具有8位元MCU的嵌入式電子產品需要在規模經濟中具有競爭力的設備(每個應用需要數十萬甚至數百萬個元件)。例如，在汽車應用中，8位元MCU控制許多子系統，如電動座椅和車窗、智慧門把手，甚至輪胎壓力感測器。這意味著幾分美金的價格差相當重要。應用成本的另一方面是數百萬設備的維護成本，在設計階段通常會忽視這一點。可靠性和設備耐用性可以通過簡化代碼和硬體來提高，而不需要軟體冗餘(Redundancy)。
8位元MCU的顯著改進
隨著如今對IoT關注度的提升，同時整個城市都在使用智慧設備進行升級，大規模實現智慧的能力對於許多行業變得至關重要。這些升級包括智慧路燈以及每個停車點的停車場探測器，而不僅僅是入口處的一個計數器。需要MCU的某些功能來打造支援IoT的環境。具體可以歸結為三個功能：收集資料、處理資料，以及隨後將資料傳輸給其他聯網設備的能力。
在許多情況下，資料的收集、處理和傳輸可以由具有內建類比數位轉換器(ADC)的8位元MCU完成，而設備的核心會保持低功耗模式。例如，智慧停車場中的感測器/指示器、聯網路燈、自動化城市園藝和植物監測等，都會用到該方法。當系統日夜運轉時，每mW電力乘以數千倍實際上可以積累起來。
小型設備的優勢和價值不僅體現在其降低的功耗方面，更體現在其更小巧的外形上，這使它們非常適合空間受限的可擕式電池供電類物聯網產品。
最新一代MCU的開發正是基於這種價值理念。這些MCU採用新的流程，允許以低成本實現更大的記憶體，在為應用提供所需功能的同時還會兼顧到用戶的成本。
記憶體
幾年前的MCU與目前市場上的元件有很大區別。這些MCU在當時是革命性的產品，改變了嵌入式電路的適用範圍。如今，由於快閃記憶體(Flash Memory)的迅猛發展，通過程式設計使得MCU幾乎可以適用所有領域。
隨著應用程式越來越複雜，新程式需要更多空間/記憶體。因此，新一代MCU在必要時會提供更大的記憶體，以滿足日益增長的程式碼空間需求。
經過嚴苛汽車測試的證實，嵌入式Flash Memory可持續數年滿足要求，且具有極高的耐擦寫能力。這些功能為8位元MCU的價值定位增加了新的維度。如今，8位元MCU的記憶體大小範圍為最低384 bit到最高128 KB甚至更高，可滿足日益增長的應用數量要求。
功耗
由於電池供電類應用中用到了許多8位元MCU，因此出現的重大變化之一是追求最低功耗。
例如，nanoWatt XLP超低功耗PIC® MCU包括專為電池供電類產品而設計的系統監控電路。這意味著這些MCU可以為「運行」和「休眠」模式提供業界最低的電流，而超低功耗應用中有90%-99%的時間都處於「運行」和「休眠」模式。「周邊模組禁止」等電路從電源軌和時鐘樹中完全移除了周邊裝置，以實現零功耗洩漏。nanoWatt XLP技術的優勢包括：
- 休眠電流低於20nA
- 欠壓復位電流低至45nA
- 看門狗計時器(Watchdog Clock)電流低至220nA
- 即時時鐘/日曆電流低至470nA
- 運行電流低至50μA/MHz
- 完全模擬和自寫能力低至1.8V
這些低電流加起來可以延長電池壽命，非常適合可攜式應用。通過優化的周邊裝置，可以提高節能效果，這將在後面加以討論。
封裝
8位元MCU與16位元或32位元MCU的另一個主要區別是小型封裝，這使8接腳的元件(Pin)非常適合安裝在空間受限的無線/可攜式和可穿戴產品的狹小空間中。例如，8 Pin SOIC或8 Pin DFN。常見的封裝是20 Pin超薄正方扁平無引線封裝 (VQFN)，其尺寸為3×3mm。因為增加更多功能需要更多連接和更大封裝，但具有足夠功能的8位元MCU可以安裝在無法使用16位元或32位元MCU的電路板空間中。
如果由於8位元MCU功能的增加而使系統複雜性提高，導致需要更大區域和更多連接，那麼也會使用更大的封裝，包括40 Pin PDIP和VQFN以及44 Pin TQFP版本。
獨立於核心的周邊裝置
將MCU的某些功能從中央核心中分離出來，可提供獨立於核心的自主性和一些優勢，尤其適合低功耗/低成本設計。這些獨立於核心的周邊裝置增加了內建功能來降低功耗，並通過模組化設計簡化了觸控介面的實現、感測器資料累積和調節，以及將複雜的軟體實現簡化到硬體中等。
CIP設計了額外的功能來處理各種任務，無需MCU中央處理單元(CPU)的干預。這種設計方法提供了一種基於周邊裝置的預封裝式事件程式設計。例如，事件系統可以在多個通道上基於通用輸入/輸出(GPIO)或程式中斷來觸發事件。
圖1按周邊裝置類別以顏色區分顯示了8位元PIC®和AVR®MCU目前可用的CIP。這八個類別及其子類別實現了經濟高效型嵌入式控制器中預期的大部分功能。請注意，綠色部分為前面提到的部分提供了額外的降低功耗可能性。
圖1：獨立於核心的周邊裝置適用於各種8位元MCU設計領域。
CIP通過降低程式碼開銷來提高可靠性。利用硬體結構實現的功能避免了潛在的軟體衝突。此外，硬體中的周邊裝置互連減少了外部連接，從而提高了終端系統的可靠性。隨著組件可靠性的提高，整個項目生命週期內的成本也會降低。
許多新的8位元系列在記憶體和接腳數方面提供了大量選項。這些選項允許在大型設備上完成開發，並且實際程式碼大小經過優化後，可將生產規模降低為適合使用小型設備。
例如，在用於成本敏感型感測器和即時控制應用的各種產品中，PIC16F152XXMCU系列的簡化功能集包括10位元ADC、周邊裝置接腳選擇(PPS)、數位通信周邊裝置和計時器。記憶體功能包括記憶體訪問分區(MAP)，可在資料保護和自舉程式中為使用者提供支援。
加速和簡化設計導入的設計工具
隨著開發工具的進步，許多必須硬編碼的過程可通過適當的設計工具簡化和產生，例如MPLAB®程式碼配置器(MCC)。這樣可帶來諸多好處，不但有助於減少開發應用程式所需的時間，還能夠實現更精簡的程式碼，這樣開發人員便無需進行多次程式碼反覆運算或從頭開始編寫彙編程式碼即可進行開發。例如，具有完整程式設計和調試功能的PIC16F15244 Curiosity Nano評估工具包(部件編號：EV09Z19A)可為新設計提供全面支援。
圖2：Curiosity Nano評估工具包簡化設計中的PIC 16F15244 Curiosity Nano評估板和2個100mil, 1×15接腳排針。
最後，MPLAB X整合式開發環境(IDE)為8位元(以及16位元和32位元)MCU程式碼開發提供了免費的開發環境，用來類比、與硬體工具介面和訪問Microchip以及協力廠商外掛程式。
廣闊(和經濟高效的)前景
MCU歷史悠久，8位元MCU通過在記憶體、功耗、封裝和周邊裝置方面的進步，展示出巨大的靈活性和應用創新。它們不僅具有複雜應用所需的較大記憶體，而且還能提供用於簡化複雜應用的各種方法。這種簡化既可以減少開發項目所花費的金錢/時間，也可以降低MCU投入生產時的成本。
如今，8位元MCU不僅僅用於資料收集，還支援在大量物聯網應用中收集、處理和傳輸資料。全新的8位元產品顯著增加了記憶體大小並優化了周邊裝置，可滿足日益複雜的應用需求。不過，小型和經濟高效型設計(包括感測器和簡單即時控制應用)均可從8位PIC16F152xx系列的簡化功能集中受益。憑藉其獨立於內核的周邊裝置，這些MCU顯然是大多數設計人員的理想選擇。
原文刊登於EDN China網站
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