半导体

高集成度MCU迎合大容量市场特性

作者:冯晓伟 冯健来源:中国电子报发布时间:2010-07-27 13:00我要评论



 
智能电表、汽车电子、无刷电机、触控等大容量应用市场都对MCU提出了新的要求,与此同时,MCU性能的提升、功耗的降低、外设资源的丰富,使之可以更好地服务这些应用市场。(详见11、12版)

汽车电子
MCU对于汽车节能减排有重要作用

●半导体在提高燃油经济、减少排放、提高安全和保持最低总成本方面有非常重要的作用。
●飞思卡尔PowerArchitecture发动机控制系统平台提供了先进的发动机控制解决方案。




 
对于汽车行业,不断上涨的油价增加了对更高燃油效率车辆的需求。同时,汽车必须符合日益严格的排放标准。飞思卡尔工业和多元市场微控制器部亚太区市场经理曾劲涛介绍说,汽车制造商发现半导体在提高燃油经济、减少排放、提高安全和保持最低总成本方面有非常重要的作用。传统的两冲程发动机中的30%%-40%%的燃油没有燃烧就直接排放到废气中。车辆上的电子燃油喷射可以减少大约75%%的一氧化碳排放和大约90%%的碳氢化物排放。同时,燃油使用也可以减少35%%。飞思卡尔已经投入了超过220万美元,支持基于PowerArchitecture技术微控制器的硬件开发工具、软件的开发和培训工作,该控制器是通用汽车在全世界范围内的发动机控制系统平台。
飞思卡尔不仅是电子汽油发动机管理领域的全球领导者,而且不断把先进的发动机控制技术引入到电动车和混合动力汽车的控制和管理中,基于PowerArchitecture的飞思卡尔处理器MPC55/56xx系列提供了许多最先进的发动机控制、整车管理、电机驱动和电池管理等解决方案。

高性能8位MCU支持四大类汽车应用
●MCU在汽车产业主要关注绿色引擎控制、安全系统等四个应用领域。
●SiliconLabsC8051F5xx汽车MCU系列产品目前有超过100种8位器件。

SiliconLabs亚太区微控制器事业经理彭志昌告诉记者,MCU在汽车产业主要关注四个应用领域。第一,绿色引擎控制(提高燃油经济性和减少有害气体排放);第二,安全系统(辅助驾驶和车辆控制);第三,信息娱乐和远程信息处理系统(高级驾驶辅助信息和无线连接);第四,车身电子控制(门窗升降和坐椅控制、汽车照明、空调控制以及这些节点的集中控制模块和网关)。
他表示,作为汽车市场积极的参与者,SiliconLabs汽车MCU为大量汽车应用提供高性能、低成本的解决方案。这些应用包括车身电子控制、绿色引擎控制、辅助驾驶功能和一部分娱乐和远程信息处理系统。
SiliconLabsC8051F5xx汽车MCU系列产品目前已经有超过100种8位器件,而所有器件完全符合汽车标准AEC-Q100Grade1。这些MCU具有汽车闪存技术(最大达128kB)、高集成度混合信号设计和低漏电CMOS工艺技术特性,在所有工作模式下都能提供非常低的功耗。C8051F5xxMCU产品集成了硬件CAN2.0B和LIN2.1串行接口而非由软件实现,因此可以释放更多内存空间用于执行其他处理任务。这些产品提供了8位MCU市场上最高的功能密度,并且有超小型管脚封装设计,芯片的高度集成也有助于降低系统BOM成本。

LCD汽车仪表对MCU提出新需求
●汽车电子向舒适、环保、安全方向发展,对MCU提出了新的要求。
●富士通全系列MCU产品可满足汽车仪表、汽车娱乐信息系统向多元化的发展要求。

汽车电子正在向舒适、环保、安全的方向发展。富士通微电子产品经理彭涛介绍说,LED、LCD仪表盘的出现,对于MCU也提出了新的要求。据市场估测,到2011年,电子式的LCD汽车仪表将取代机械式的仪表成为市场的主流,到2013年,TFT屏显示加步进电机的中档仪表将会增长到26%%左右的市场份额,到2015年,全TFT屏显示虚拟仪表将会达到3%%左右的市场份额。
富士通根据市场需求,可提供8位MCU仪表系列、16位MCU仪表系列和32位MCU仪表系列的产品,不同类型的产品可充分满足客户的设计要求。
彭涛表示,汽车的多媒体娱乐系统也朝着多元化的市场发展。富士通在2010年推出了低成本的CD-less数字MP3和WMA多媒体汽车音响,并为中国客户提供单芯片解决方案,这种方案同时集成了MCU控制功能和audio解码器。
针对日益复杂的汽车多媒体信息系统,富士通新一代针对车载多媒体信息娱乐系统所开发的微处理器和图形控制器产品,沿用一贯的汽车电子产品的品质理念,在开发设计阶段就注重对产品的品质管理,并对产品将来所面临的缺陷做预先的预防,以保证产品能够满足严格的汽车电子指标。同时,加大对系统级芯片的开发,并完善底层软件和中间件软件的开发。除此之外,富士通也在加大本地技术开发的投入。

  无刷电机
直流无刷电机将在家电中广泛应用

●直流无刷电机的变频控制,是未来几年家电产品的一个技术趋势。
●富士通在推出MCU产品的同时,积极开展了与家电企业的多种合作模式。

“直流无刷电机的变频控制,是未来几年家电产品的一个技术趋势。”富士通微电子产品经理彭涛告诉记者,家电企业需要稳定可靠的技术方案,针对这一需求,富士通在推出MCU产品的同时,积极开创与家电企业的多种合作模式。如提供变频控制方案,共同研发变频家电产品,建立联合实验室开展长期技术合作交流等。在今年6月,“美的—富士通半导体联合实验室”揭牌仪式在美的洗衣机无锡基地隆重举行,联合实验室将建立双方在变频控制技术、物联网技术、多媒体技术等领域的研发交流平台,研究方向涉及三相交流变频项目、直驱(DD)项目、单芯片变频方案项目、物联网项目等。
他表示,通过这种合作方式,富士通将半导体行业最先进的技术、产品和理念输入美的洗衣机,为其产品研发提供硬件和软件环境支持。在产品方面,富士通在今年相继推出了新的8位MCUMB95F330系列和32位MCUMB91F492系列,它们具备了高处理速度、丰富的外设,并内置了硬件马达控制模块,具有易于开发的特点。而且它们同时支持相应的120度和180度直流变频控制软件算法。此外,富士通应用开发团队也提供相应的解决方案,这一系列MCU产品将能很好适应直流无刷电机的变频控制应用。

  MCU与DSP竞争直流无刷电机控制市场
●目前电机应用的效率不高,开始有越来越多的应用转向直流无刷电机或永磁同步直流无刷电机。
●STM32的灵活性更高,具备更多的外设,集成了更多的存储器,非常适合直流无刷电机控制应用。

全球有1/3的能量是用于与电机相关的一些应用。目前电机应用的效率不是特别高,为此,开始有越来越多的应用转向直流无刷电机或永磁同步(PMSM)直流无刷电机,而这样的转变需要一些新的载体。意法半导体微控制器与微处理器华东区市场部经理曹锦东表示,过去3年中,从客户使用STM32的经验来看,STM32非常适合直流无刷电机控制应用。今天意法半导体在直流无刷电机中已经有很多的成功案例。
他表示,随着终端产品能效标准的提高,更多的终端产品采用了变频技术,因此需要应用直流无刷电机。过去直流无刷电机的控制较多基于DSP或16位MCU,其中一个原因是市场上没有什么其他的选择。但是在STM32出现以后,这个市场有了改变。与DSP相比,STM32的灵活性更高,具备更多的外设,而且有更多的封装类型可以选择。产品集成了更多的存储器,性价比更高。与16位MCU相比,32位MCU的处理能力更强,效率也获得提升。
变频控制一般是矢量算法,MCU核效率的提高会更好地实现一些算法计算。变频应用的电机控制还需要一些外设的配合,例如更高精度的输出,更快、更高精度的AD转换以及其他辅助应用。STM32也集成了这些相关的资源。同时,STM32针对电机控制开发出一些库,包括电机开发套件,方便了客户更快地开发产品。

智能电表
走SoC之路是降低电表成本捷径

●各电表厂家面临的成本竞争压力越来越大,每家都在想尽办法争取最优的成本控制。
●走SoC之路将是唯一一条在短期内能够实现成本明显改善的途径。




 
随着国家电网电表的批量采购统一招标,各厂家面临的成本竞争压力越来越大,每家都在想尽办法争取最优的成本控制。飞思卡尔工业和多元市场微控制器部亚太区市场经理曾劲涛认为,从半导体元器件角度看,走SoC之路将是唯一一条在短期内能够实现成本明显改善的途径。
从国网电表产品标准的制定角度看,也完全摒弃了以前那些不合理的芯片选型规定,转而强调明确功能要求和设定统一的技术规范。只要SoC方案完全符合标准中所规定的功能和技术要求,就可以被采用。他认为,SoC方案目前在国内市场得到应用已经没有任何阻力,唯一剩下的问题是众多电表厂家的研发团队如何迅速掌握SoC方案设计并将之转化为实际产品。正是考虑到这一点,飞思卡尔在推出全新的电表SoC芯片的同时,同步推出了功能完善的实际样表供客户工程师进行功能和性能评估。飞思卡尔也尽最大可能向用户开放硬件和软件等相关设计资料,帮助他们降低设计门槛,缩短研发周期,加快产品的上市时间。
曾劲涛表示,飞思卡尔基于业界成熟且领先的汽车电子半导体设计制造技术,为各类电表产品设计提供高可靠的8位或32位处理器,其ESD和EMC性能优异,从根本上保证了电表长时间稳定工作于严苛复杂的环境。对于SoC方案中的内部实时时钟模块,飞思卡尔也做了很多可靠性方面的特殊处理:RTC模块完全独立于MCU而运行。只要电源正常,一旦启动计时,无论MCU处于运行、休眠或复位状态,RTC照样维持正常工作。为系统安全考虑,RTC模块中的关键寄存器都有特殊的写保护机制,只有满足特定条件且在给定的时间窗口内才可以对寄存器进行修改。这样就有效地防止了因为用户代码跑飞而意外更改RTC模块的配置或日历时间值。

电表MCU要满足复杂功能需求
●与传统的电表相比,智能电表功能更为丰富,需要对电流、电压等进行监控,而不仅仅是计量。
●TI的SoC不仅是数字技术的集成,而且集成了A/D转换等模拟技术。

传统的机械电表正逐渐被智能电表所取代。与传统的电表相比,智能电表功能更为丰富,需要对电流、电压等进行监控,而不仅仅是计量,因此对电表的可靠性要求非常高。另外,智能电网有互联互通的需求,这就要求电表具有通信功能。“要适应上述变化,就必须提高电表的电能测量、数据处理和通信传输的能力,所以,电表中使用的MCU功能也会越来越复杂,资源要求也会越来越丰富。”TIMSP430市场工程师孙东表示。
他介绍说,低功耗是智能电表芯片必须满足的要求,这将帮助整个智能电网降低能耗。除了节能之外,在一些三相智能电表中还有失压计量的要求,就是在电力线电压下降到一定程度的时候,要求电表还能正常工作,因此对MCU的低功耗也有一定的要求。
高集成度是对智能电表芯片的另一个要求。高集成度的产品不仅能帮助用户降低成本和功耗,而且可以帮助智能电网提高稳定性。智能电表是整个智能电网的神经末梢,如果神经末梢的可靠性不高,整个电网的可靠性和抗冲击性就会降低。系统的稳定性跟电子元器件的个数成反比,元器件个数越少,系统稳定性越高,因此,高集成度的方案对提高电网稳定性非常重要。TI是全球范围内率先推出SoC电表解决方案的企业,把计量芯片、MCU、液晶显示驱动、实时时钟(RTC)芯片等资源集成到一个SoC中,从而帮助客户实现系统的优化。此外,对系统厂商而言,集成度提高之后,元器件个数减少,会降低库存管理的成本。
他表示,TI在数字技术和模拟技术领域都有很强的实力。TI把这些优势技术整合起来,用在智能电表领域,帮助客户开发出有竞争力的产品。TI的SoC不仅是数字技术的集成,而且集成了A/D转换等模拟技术。
除了提供硬件的计量模块之外,TI也可以根据客户的需要,提供基于TI算法的软件包,用于SoC或分立方案。客户可以基于这个软件包进行二次开发,满足其所需的个性化要求。
在中国,电表应用是MCU的一个非常重要的细分市场,TI的MSP430MCU由于具有低功耗、高速度、内置乘法器以及接口丰富等优势,在国网三相智能电表中得到应用。
与此同时,TI也积极与标准制定机构(如中国电力科学研究院)合作,建立联合实验室,了解标准和技术动态,从而快速地进行芯片的优化。TI与客户的合作也非常密切,除了支持主流客户进行方案的设计之外,也为一些中小客户提供参考设计,向他们提供turn-key的解决方案。



 

  由于使用方便且增添了趣味性,触控技术在消费、工业类产品中的应用受到广泛的欢迎,特别是可实现多点触控的电容式触控技术最近几年也得到了快速发展。由于MCU在触控解决方案中发挥着重要作用,此市场引起了众多MCU厂商的关注,他们正在不断改进MCU设计,支持触控应用的普及。


  无刷电机
  传统触摸应用向“非接触式”迁移
  ●非接触式控制界面使用户能够通过简单、直观的非接触式手势控制电子产品。
  ●触摸式人机界面正向具有更高灵敏度界面的方向发展,对于能够感应其塑料薄膜和金属屏之外操作环境能力的需求也在不断增加。


人机界面市场上创新型技术的应用时机已经成熟,这使消费电子产品开发者可以从传统的触摸感应(甚至是多点触控)界面向令人兴奋的“非接触式”控制界面转移——非接触式控制界面使最终用户能够通过简单、直观的非接触式手势控制电子产品。
  Silicon Labs亚太区微控制器事业经理彭志昌介绍说,Silicon Labs携其QuickSense系列产品进入触摸感应和非接触式人机界面市场,它包括电容触摸感应MCU和高性能非接触式红外(IR)和环境光传感器。目前还没有其他MCU供应商提供这种触摸感应MCU和非接触式IR/环境光传感器的独特产品组合。
Silicon Labs C8051F700和C8051F800 MCU集成了专利技术的电容数字信号转换器(CDC),具有业界最快的电容式触摸感应功能。40ms的捕获时间、高精度CDC提供快速响应的触摸感应功能,可替代机械式按键、滑动条和滚轮。Silicon Labs QuickSense MCU的下一代产品将包括超低功耗组件,提供少于1微安的电容式触摸唤醒平均电流,使得这些产品成为业界最节能的触摸感应MCU。电容式触摸感应MCU被广泛应用于各类消费电子产品,如便携式媒体播放器、便携式导航设备和大型家用电器中,使最终用户能够轻松直观地与这些产品互动。
他表示,Silicon Labs的QuickSense产品系列还包括Si1102接近传感器和Si1120接近感应和环境光传感器,这是业界最快的红外传感解决方案。这些Si11xx传感器采用了拥有专利的单脉冲感应测量技术,可大幅降低整体系统功耗。他们可在多种光照条件下获得扩展的感应距离,从而可以利用普通和成本较低的LED。Si11xx传感器搭配F700/F800 MCU,开发人员可以设计出创新的非接触式接近感应滑动条,通过智能动作感应从根本上提升人机界面的使用体验。
触摸式人机界面正向具有更高灵敏度界面的显示器方向发展,除了提供更先进的触摸控制,便携式电子产品对于能够感应其塑料薄膜和金属屏之外操作环境能力的需求也在不断增加。显示器能够不断感应外部环境光并调整背景灯,以便节能或给用户提供更好的体验感受。通过使用环境光和红外感应技术,例如Silicon Labs Si1102和Si1120传感器,新型电子产品将有能力感应环境光的类型,也能感应用户是否在附近、手持着便携设备或是把其放在口袋中。不久非接触式界面将广泛出现在消费类电子产品中,最终用户可以通过简单的手势控制设备,设备可以自动检测用户的靠近而激活特定功能(例如通过挥手使得VoIP电话开机)。非接触控制正在成为继触摸技术之后的前沿技术,使得日常电子产品的使用更容易、更便捷。


  增添硬模块优化算法 MCU触控更显优势
  ●触控应用要求满足高灵敏、高可靠和低功耗需求,同时还要求总体实现成本有足够的竞争优势。
  ●触控技术的迅猛发展正是得益于MCU在相关硬件模块上的功能提升和软件算法方面的不断优化。


触控应用在要求满足最基本的高灵敏、高可靠和低功耗需求的同时,还要求总体实现成本有足够的竞争优势。
  飞思卡尔工业和多元市场微控制器部亚太区市场经理曾劲涛表示,最近一段时间触控技术的迅猛发展正是得益于其核心控制部件MCU在相关硬件模块上的功能提升和软件算法方面的不断优化。对于最基本的触控应用,利用MCU的普通IO引脚配合内部的定时器等资源,基于触控动作形成的微弱电容变化转换成充放电时间的变换,再通过特定的软件算法即可实现各类触控按键的检测。这样的实现方案最灵活,成本最低,但占用一定比例的MCU代码运行带宽,低功耗性能也稍差,不能实现触控动作主动唤醒处于低功耗休眠状态下的MCU。为提高触摸按键解码效率和实现低功耗需求,现在针对触控应用的MCU片内都增加了专门的硬件模块,由该模块独立负责对外接的触摸按键的检测,并向MCU提供部分解码数字化的按键信息。这样MCU就可以腾出更多的运行带宽来执行其他关键任务,需要低功耗时MCU自身还可以长时间处于低功耗休眠模式,当有触控动作发生时,触控硬件模块能主动唤醒MCU。
与此同时,软件算法在触控应用中起着非常关键和特殊的作用。正是基于高效优秀的软件算法,我们才能用普通的MCU实现从简单单个的触摸按键输入,到相对复杂的滑动条和转盘功能,甚至是更复杂的多点触控技术。目前业界厂商除了竞相推出有针对性的MCU芯片之外,还在提供触控应用的软件算法和开发平台上进行竞争。
曾劲涛表示,飞思卡尔针对不同的触控应用需求,推出了三大类产品。第一类是专用触控检测芯片,它能直接检测外接的各个触摸按键状态,通过芯片内部电路将外部触摸动作转化为对应按键的开关状态,直接在另一侧的引脚输出或存入内部的按键状态寄存器中。此类芯片可以作为触摸按键和MCU之间的接口,MCU可以直接读取对应引脚的状态,或通过SPI或I2C总线读取内部按键寄存器内容,用户无需在MCU上进行任何特殊的软件开发。第二类为成套软件解决方案,可配合650多种中任何一款飞思卡尔的8位或32位的MCU,硬件上仅利用MCU的若干普通IO引脚和一个内部定时器资源,利用此软件包提供的高效可靠的算法,即可将触摸键检测和控制的功能无缝地糅合进用户自己的应用代码中。此软件包为完全免费,因此用户可以在不增加任何硬件成本的前提下,灵活实现各种触控按键输入,包括普通按键、滑动条、转盘和触控面板坐标定位功能等。第三类是在最新开发的MCU上提供片内触控输入IP模块,利用硬件电路独立进行触控检测,然后将解析所得的数字信息提交给MCU,通过软件进行下一步的按键功能和动作模式解读,基于这种硬件和软件的相互配合,实现高可靠和低功耗的触控应用。


 


责任编辑:电子信息产业网
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