电动自行车和MP3将成今年最热的基于MCU的嵌入式应用

上网时间: 2005年03月01日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:税控机? 汽车? 电动自行车?

2005将继续成为基于MCU的嵌入式应用在中国市场上蓬勃发展的一年,除了仍在快速增长中的MP3播放机、智能卡(包括第二代数字身份证卡)、U盘、POS机和家用电器以外,汽车、电机控制应用(如电动自行车、电饭煲、热水器、空调和洗衣机)、税控机和USB密钥市场也开始显现巨大的增长潜力。

飞思卡尔汽车及标准产品部亚太区高级市场经理黄耀军表示:“2005年的中国汽车市场对于基于MCU的嵌入式应用来说将是一个关键的推动力量。”他指出,第一,随着中国根据WTO协议不断调低关税(2004年低已调降到34%),以及中国经济继续快速增长,2005年的中国汽车市场仍将高速增长;第二,汽车本身对远程信息通信、安全、娱乐和操控的更高需求导致每部车的MCU的应用数量已快速上升到几十片;第三,汽车电子系统的设计越来越多地转入中国。

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Cypress的Daniel Chao: 2005年电动自行车市场可望有一个高速增长。

Cypress(赛普拉斯半导体)公司亚太地区FAE经理Daniel Chao也预测道:“5年后汽车中的电子器件成本将占总成本的50%,而目前仅为20%。MCU是其中关键的元器件之一。”

根据Strategy Analytics市场咨询顾问公司的研究报告,汽车安全系统、资讯娱乐系统、车身及车灯控制系统在未来五年内的年平均复合增长率分别为13.4%、24%和7.3%,到2007年,这三大系统的市场总量分别为22亿、20亿和28亿美元。

目前,8位MCU因成本优势主宰着车身控制和传感器应用领域,16位MCU主要用于完成噪声环境下的高速、多重数据传输,32位MCU的应用主要集中在发动机控制、汽车导航、远程信息通信和多媒体影音娱乐系统和汽车安全及防盗。

除了汽车以外,电动自行车也已在2004年显露出强劲的增长潜力。Daniel Chao说:“2005年电动自行车市场可望有一个高速增长,从去年的5百万辆快速增长到今年的8百万辆。”不过,他认为,家用电器对MCU来说已是一个成熟市场,其未来的增长将趋于平缓。

根据WSTS,未来几年家用电器(如DVD播放机和数码相机)和工业应用市场(如POS机)的销售量平均增长率分别在30%和14%左右。中国政府税制改革也将带来数百万的税控机新业务,因为它迫使众多的中国公司采用基于读卡器的解决方案,并以税控机全面取代现有的POS机和收款系统。针对家用PC和企事业高层用笔记本电脑的USB密钥也将是一个非常有发展潜力的大市场。

Atmel亚太区产品支持部高级总监Jim Panfil则看好智能卡的未来。他强调:“基于MCU的智能卡创造了一系列迅猛发展的应用,从GSM手机中的SIM卡、身份识别卡到提供各种金融服务的银行卡(包括信用卡和借记卡)。”

自动提款机和零售点POS机等对安全性要求极高的MCU应用也越来越普及到中国家居、办公和零售市场的各个角落,无线POS终端将是该领域的一个新的技术发展趋势。Oki先进数字消费类业务部总经理Yoshi Aida认为:“2008年北京奥运会将增大无线POS终端和IC读卡器在中国零售市场的商业发展潜力,未来的三年将是中国市场增长的一个巅峰期,许多领域都将有一个很大的增长。”

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Microchip的Steve Sanghi: MCU未来的主要应用趋势是现场可编程MCU,特别是闪存MCU。

Microchip首席执行官Steve Sanghi也指出:“2005年,照相手机、数码相机和HDTV三大含有MCU的嵌入式应用仍将保持目前的高速增长态势。一个值得关注的新兴应用是电视手机。”

“消费电子正在创造着下一波电子工业革命的曙光,其推动力将是能够提供易用性、融合性和互操作性的解决方案。”美国Silicon Labs公司MCU产品部副总裁Derrell Coker表示,“今年,下一代8位8051 MCU将继续通过对消费电子设备进行系统分割和集成支持这一演进。”该公司改进后的8051 MCU的处理能力已提高到100MIPS。

他指出,去年市场对8位MCU的需求量达到了历史最高点,今年预计还将继续增长。今天很多工业分析家已经预言,8位MCU市场仍代表着很多的商业机会,2007年8位MCU的出货量有望超过42亿片。

嵌入式应用最新技术趋势

当今嵌入式应用正越来越多地集成更多的外设,如USB2.0、电机控制模块和RF模块。例如,Yoshi Aida就表示:“未来的PHS基带控制器上将集成一些新的功能,如JPEG或数字音频。另外,未来的数字音频产品除了要求增加多音频CODEC和DRM10功能外,而且还将要求加入JPEG或MPEG解码功能,以便在LCD屏幕上观看照片或电影,预计这一趋势还将扩展到低端产品上。”

在绿色家用电器领域,智能化和低功耗是两大技术发展趋势。家用电器总的发展趋势是机电设计向固态嵌入式控制设计转变,它将主要依靠采用MCU为家用电器(像烤面包机、电熨斗、搅拌机和热量计等)增加更多的智能。随着智能化程度的进一步提高,设计师将面临的技术挑战主要集中在人机接口和易用性两方面。此外,集成了一些数字信号处理能力的DSC(数字信号控制器)越来越多地被用于降低系统总体功耗。

在工业应用领域,PC外设将越来越多地采用带有MCU内核的SoC和集成无线通信功能,而32位ARM MCU正开始集成到POS机中,无线POS终端将会成为一个新概念产品。

在汽车电子领域,MCU越来越多地应用于低成本的LIN总线连接,以及增强汽车安全性的TPMS(汽车轮胎压力监测系统)应用。汽车电子市场使用的MCU最强调的是可靠性,随着成本意识的提高,单片解决方案也已成为一种应用趋势,特别是新兴的电动自行车应用。此外,MCU之间的通信能力和MCU与外部世界的通信能力也日益成为一个重要的选择依据。

Daniel Chao也表示:“MCU的可靠性和成本长期以来一直是关键的判断依据,并将进一步得到强调。今后设计/制造的灵活性和高集成度将变成选择MCU的主导因素。”Steve Sanghi也指出:“未来的主要应用趋势是越来越多地使用现场可编程MCU,特别是闪存MCU。其次则是越来越多地使用低功耗MCU,特别是大量基于电池的应用。”

总的来说,Jim Panfil认为:“设计师正在要求MCU具有更高的集成度、更大的存储空间、更低的功耗、更强的防静电和EMI能力。”

主要技术挑战和解决方案

对于要求上市周期尽可能短的基于MCU的嵌入式应用来说,业界普遍认为,最大的技术挑战将主要来自低功耗、低成本、易用性和可靠性。例如,Cypress的Daniel Chao说:“集成度/灵活度/易用性、低成本和高可靠性是前三大技术挑战。”ST公司也认为,基于MCU的嵌入式应用的前三大技术挑战是:电磁干扰、低功耗和固件灵活性。

“如何最小化电池供电应用的功耗、如何通过挖掘MCU的潜力将系统成本降到最小、以及如何在很短的时间内开发复杂的软件将是工程师面对的前三大技术挑战。”Microchip的Steve Sanghi指出。

Silicon Labs的Derrell Coker也强调:“工程师在开发消费类电子产品时面对的前三大技术挑战是,如何在降低系统总成本和加快上市周期的同时,在更小的空间内开发出更多的功能。”

为了满足系统灵活性技术挑战,Cypress更是提出了可编程系统级芯片的概念。PSoC 架构是集成了微控制器和相关外围模拟、数字外设功能的可配置混合信号阵列。在采用易用型开发工具的情况下,设计师选择可配置、预先经过特性分析的程序库元素来提供模拟功能(比如放大器、ADC、DAC、滤波器和比较器)和数字功能(例如定时器、计数器、PWM、SPI和UART)。PSoC的模拟性能是仪表品质的,包括轨至轨输入、可编程增益、14位ADC以及极低的噪声、输入漏电流和电压失调。

所有的PSoC器件都是可动态重构的,从而使得设计人员能够随意创建新的系统功能。由于能够在不同的时钟周期将同一硅片重复应用于不同的功能,因此,设计人员在许多情况下可以实现超过120%的硅片利用率。Microchip开发的全系列PIC MCU和dsPIC数字信号控制器也都能满足现场可编程要求。

为了满足更低成本技术挑战,供应商正在MCU上集成越来越多的功能,包括Flash、LCD驱动器、ADC/DAC、MP3解码器、存储控制器和I/O等。例如,Silicon Labs就在其MCU上完整地集成了ADC和DAC,而且它们的性能完全可以媲美分立模拟解决方案的性能,这使得系统设计师不必再选用独立的模拟IC,从而提高了系统集成度、降低了系统总成本和改善了系统性能。Silicon Labs的MCU上集成的模拟外设还包括60V可编程增益运放、时钟恢复电路和高达16位的1Msps ADC。

Silicon Labs最新推出的C8051F系列混合信号MCU集成了100 MIPS的高速8051 CPU内核、ISP闪存和JTAG调试接口。此外,新推出的首款基于双SAR16位的MCU不仅集成了高速闪存MCU内核,还集成了2%精密内部振荡器,无需使用外部晶体或振荡器。

为了满足对更低功耗的要求,Microchip推出了带有纳瓦技术的PIC 系列及低功耗模拟产品系列。纳瓦技术指的是采用了Microchip独有制造工艺的先进PMOS电擦除单元(PEEC)处理技术以及电路设计。在纳瓦技术中设有功耗管理模式,在运行时,开启CPU和外设,在空闲时,开启外设、关闭CPU,而在休眠时,则关闭CPU和外设,这种灵活的方案可用软件选择时钟以最低功耗实现要求的性能。Steve Sanghi指出:“纳瓦技术正如它字面上的意思一样,在待机状态只消耗纳安级电流。”

Atmel则推出了集成一整套电源管理IP模块的单片电源管理IC,它可替代一定数量的分离元件,从而减少了印刷板的空间和费用。它的微型控制器接口使MCU 可以优化系统的功耗。电源管理IP 模块包括电池充电控制器、一个“电源好”的复位发生电路、功率放大器和音频放大器、电源I/Os 和一系列的低压差电压调整器, 其每个被设计成为便携设备的一个具体模块供应电源。

为了满足更高系统可靠性的技术挑战,各供应商采取了不同的抗电磁干扰措施,有的公司在内部增加了抗EMI电路与“看门狗”的性能;有的则推出了低噪声的LN系列MCU;有的公司从可编程存储器入手,开发防止未经许读取数据的保护功能,增加了防止未经许可读取数据的安全性。可有的在还有的公司在MCU的I/O端口上采用了抗干扰技术:如去毛刺功能、中耐压输入缓冲和对大功率输出引脚采用小功率管并联技术等。

EFT技术就是上述所提到的一种抗干扰技术。在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时,其波形上会迭加各种毛刺信号,如果使用施密特电路对其整形,则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟,在交替使用施密特电路和RC滤波电路时,就可以消除这些毛否则令其作用失效,从而保证系统的时钟信号正常工作。这样,就提高了单片机工作的可靠性。

而MCU的防静电(ESD)和电磁干扰(EMI)能力则随着MCU时钟频率的提高,逐渐成为供应商考虑的问题。松翰科技的总经理熊健怡透漏,强化MCU的抗干扰与低耗电功能,是松翰一直以来追求的重点,并取得了一定结果。

对于具有变频功能的洗衣机、空调等白色家电以及电动车等需要马达控制功能的应用来说,MCU除了必须具有通用控制器的功能外,还必须有专用于马达驱动的特殊功能,如波形发生、驱动电路等,并且还需要非常精确及极具能源效益的操作。

ST针对这类应用推出的 8位ST7MC专门用于控制三相感应和永磁无刷电机(包括压缩机),其最大特色就是单片电机控制外设MTC。MTC主要由一个通过6个高反向电流输出进行多路传输的三相脉宽调制器组成,还包括一个高度灵活的对永磁直流无刷电机进行无传感器控制的反电动势(BEMF)零交检测器及协处理器。MTC的输入引脚还可以进行霍尔、转速计或编码器的传感配置,此外,复合滤波器及设置还可以通过各种控制拓扑来控制任何12到240V的星形或三角形绕组电机。

Microchip也推出了针对马达控制应用的8位PIC18Fxx31系列Flash MCU,它们能够提供先进仿真和数码回馈,以及三相互补脉冲宽度调制(PWM)的控制。该系列MCU的特色在于三个专为先进运动及功率控制应用而设计的模块,功率控制模块配备三相PWM结构;动态回馈模块包含正交编码器接口;而第三个模块则由快速模数转换器(ADC)组成,工作频率为200ksps,并可与PWM同步操作。

最近有着强大计算能力的DSP在马达控制中也大显身手。针对马达用的MCU与DSP在特征上各有不同,MCU侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小,所以MCU非常适用于有大量I/O操作的场合;而DSP特长高速运算,侧重于运算速度。将DSP与MCU结合的MCU架构也将是微控制器的一种发展趋势。

为了满足新兴的电子身份识别市场的需要,Atmel最新推出了独特的AVR MCU解决方案AT90SC12872RCFT,该片接触/非接触式安全MCU特别强调安全性,具有容量为72KB防篡改非易失性EEPROM内存,用于存储身份数据。也可以用小一部分存储程序,剩余6?KB多的容量存储数据。因而适合于灵活的Java Card操作系统。这种控制器芯片还具有128KB ROM和5Kb RAM内存。它也具备Atmel的secureAVR系列产品共有的特点,包括性能良好的8位/16位RISC核心,强大的安全机制、防电力分析攻击的DES/TripleDES引擎以及Atmel 能实现性能和功耗之间平衡的新型AdvX密码加速器。

目前,ST正在与一些合作伙伴就POS机的完全解决方案进行研究,并于前不久发布了一款带有2KB EEPROM的非接触智能卡微控制器――ST19WR02。ST19WR02带有高速ISO14443快速非接触式接口,片上安全性能与加密硬件,采用0.18微米工艺技术制造。除了2KB EEPROM版外,新器件还包括内置6?KB ROM和1KB用户RAM版本。程序库支持对称算法的硬件DES加密处理器配备一套高级存储和防入侵安全功能。

而在汽车电子市场,MCU需要在极苛刻的环境下运行,如可能要工作在-40度到+120度的环境中,这就要求车用MCU有很高的可靠性和稳定性。除此外,内置闪存、支持控制器局域网(CAN)和本地互联网(LIN)总线标准、以及复杂化都是车用MCU发展的趋势。

飞思卡尔已将车用32位MCU的内置闪存容量提高到了1MB,而且针对车用MCU的不同需求,提出了不同解决方案。以CAN网络为例,对于动力总成系统,飞思卡尔的32位MCU采用了TouCAN或FlexCAN硬件模块,来与CAN总线进行通信;而对于车身电子这类不可预测的网络,则采用可扩展CAN(msCAN)架构。为满足多种类型的CAN物理层的需求,飞思卡尔提供了一系列CAN物理层器件,来满足或超越ISO或SAE制订的性能标准。不仅如此,飞思卡尔还设计了系统基础芯片(SBC)。SBC集成了CAN物理层所需要的电压调整、独立的看门狗定时器、本地激活电路,以便能用更少的元器件获得更大的灵活性。

ST近日也推出了集成了CAN和LIN总线接口和60KB闪存的8位微控制器ST72F561。该产品具有功能强大的CAN单元,完全支持29位标识符,有增强的信息滤波功能,以降低在复杂的CAN网络中的软件动态备份空间和CPU负载,并提供优异的联网性能。视窗看门狗(Window Watchdog)提供了比传统简单看门狗模块更高的系统监视功能;有内置LIN协议帧中断支持的两个LINSCI接口;与基于UART解决方案相比,还提供了降低CPU加载的LIN通信。LIN是用在汽车通信的主/从配置总线,有12V智能传感器和执行器。目前,ST已开发出下列基于MCU的完整参考设计方案:车用空调、电动自行车、PFD和数字电表。

Cypress则针对汽车和家用电器应用市场的人机接口开发了CY8C21x34系列,它带有8KB闪存和多路复用器,非常适合于实现电容性触摸输入板。

作者:唐晓琪,陈路

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