【導(dǎo)讀】電機(jī)控制（或其他高速控制）系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵功能是能夠在遇到一些災(zāi)難性的外部或內(nèi)部事件（例如過(guò)流情況）時(shí)關(guān)閉電機(jī)。這種“終止”功能應(yīng)關(guān)閉 PWM 引擎，將控制信號(hào)置于已知的良好狀態(tài)，并將 I/O 焊盤配置為已知的良好狀態(tài)，以防止損壞外部電路。
通用 32 位微控制器 (MCU) 在我們生活的互聯(lián)、傳感器豐富的嵌入式世界中無(wú)處不在。嵌入式智能和連接性幾乎滲透到我們生活的各個(gè)方面，催生了功能日益強(qiáng)大的 32 位 MCU，以及更的板載傳感器。
使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的電機(jī)控制、無(wú)線電控制、音頻樣本生成和波形生成是需要具有更高精度模擬功能的 MCU 的典型應(yīng)用。由于 MCU 并不是無(wú)線電的天然配套設(shè)備，因此它們通常需要專門的高精度模擬組件或外設(shè)，才能在無(wú)線電信號(hào)存在的情況下“表現(xiàn)良好”。涉及無(wú)線電或電機(jī)控制技術(shù)的終產(chǎn)品通常受益于使用具有高精度外設(shè)和系統(tǒng) IP 的 MCU。
例如，具有高精度脈寬調(diào)制（PWM）發(fā)生器的電機(jī)控制器能夠更有效地控制電機(jī)，從而節(jié)省電力并延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。具有包含精細(xì)可控鎖相環(huán) (PLL) 的 MCU 的無(wú)線電系統(tǒng)需要更少的外部資源來(lái)減少信號(hào)干擾，從而帶來(lái)更好的終用戶體驗(yàn)和更高的價(jià)值。簡(jiǎn)而言之，具有一流精密模擬外設(shè)的 32 位 MCU 可以為各種應(yīng)用帶來(lái)更高的價(jià)值。
具有高分辨率功能和安全狀態(tài)功能的 PWM 引擎
典型的 MCU 幾乎總是包含 PWM 信號(hào)發(fā)生器。這些信號(hào)發(fā)生器在與外部電阻電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用時(shí)非常有用，可生成音頻音調(diào)或其他正弦波形。 PWM 信號(hào)還用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路。因此，PWM 邊沿的放置對(duì)于生成具有更精細(xì)的頻率和相位控制的更平滑的正弦波形以及以更精細(xì)的效率控制電機(jī)至關(guān)重要。
典型的具有電機(jī)控制功能的 PWM 引擎會(huì)生成中心對(duì)齊和邊緣對(duì)齊的 PWM 信號(hào)。它還支持具有死區(qū)時(shí)間插入的差模功能，適用于需要“先斷后合”功能的應(yīng)用。典型的 PWM 信號(hào)發(fā)生器的分辨率至少應(yīng)為器件的工作頻率。
例如，對(duì)于 Silicon Labs 的 SiM3U1xx/SiM3C1xx Precision32 MCU，PWM 發(fā)生器以 50 MHZ 的頻率運(yùn)行，從而允許生成分辨率為 20 ns 的 PWM 邊沿。這些 32 位 MCU 還實(shí)現(xiàn)了一種模式，其中 PWM 邊沿可以放置在器件工作頻率時(shí)鐘的兩個(gè)邊沿上，從而實(shí)現(xiàn) 10 ns 的邊沿分辨率，如圖 1所示。對(duì)于大多數(shù)非電源相關(guān)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種分辨率已經(jīng)足夠了。
圖 1. PWM 發(fā)生器的 10 ns 邊沿分辨率
電機(jī)控制（或其他高速控制）系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵功能是能夠在遇到一些災(zāi)難性的外部或內(nèi)部事件（例如過(guò)流情況）時(shí)關(guān)閉電機(jī)。這種“終止”功能應(yīng)關(guān)閉 PWM 引擎，將控制信號(hào)置于已知的良好狀態(tài)，并將 I/O 焊盤配置為已知的良好狀態(tài)，以防止損壞外部電路。
SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 包含六個(gè)高驅(qū)動(dòng)焊盤，每個(gè)焊盤能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 150 mA 的電流，或總共驅(qū)動(dòng)高達(dá) 400 mA 的電流。如果所有焊盤同時(shí)驅(qū)動(dòng)且不受控制，則外部電路可能會(huì)損壞。高驅(qū)動(dòng)墊可與 PWM 發(fā)動(dòng)機(jī)配合使用，直接驅(qū)動(dòng)小型電機(jī)。如果收到終止信號(hào)，高驅(qū)動(dòng)焊盤具有“安全狀態(tài)”功能，使焊盤恢復(fù)到三種預(yù)編程狀態(tài)之一：三態(tài)、拉高或拉低。這些安全狀態(tài)配置寄存器僅在系統(tǒng)加電時(shí)重置，否則一旦被軟件寫入并鎖定，就保持不受干擾。任何其他重置都不會(huì)影響它們。
精細(xì) PLL 調(diào)整能力
在典型的 MCU/無(wú)線電集成器件中，噪聲抑制是有效使用無(wú)線電的關(guān)鍵考慮因素。在這些集成應(yīng)用中，當(dāng)無(wú)線電處于接收模式時(shí)，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)微控制器完全關(guān)閉，具體取決于發(fā)送模式下的使用情況，以避免來(lái)自 MCU 的噪聲污染。如果無(wú)線電是經(jīng)常使用的設(shè)備，則對(duì) MCU 性能的影響可能會(huì)很嚴(yán)重。
減輕這種影響的一種方法是改變 MCU 的工作頻率，以確保其時(shí)鐘生成的任何噪聲雜散出現(xiàn)在感興趣的無(wú)線電頻段之外。這意味著 MCU 的 PLL 具有微調(diào)粒度，以便可以修改其頻率，將這些噪聲雜散置于無(wú)線電感興趣的頻帶之外。
Precision32 MCU 中使用的 PLL 能夠以大約 200 kHz 的步長(zhǎng)在 23 至 80 MHz 之間移動(dòng)其工作頻率。這種精細(xì)的分辨率簡(jiǎn)化了 SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 與任何無(wú)線電設(shè)備的集成，而不會(huì)因工作頻率或事件循環(huán)大幅降低而造成性能損失。
DMA 無(wú)所不在
直接內(nèi)存訪問(wèn) (DMA) 是一種常用于在內(nèi)存和外設(shè)之間移動(dòng)數(shù)據(jù)的機(jī)制。該技術(shù)使 CPU 不再承擔(dān)這項(xiàng)瑣碎的任務(wù)，并釋放更多的 MIPS 來(lái)完成其他有用的工作。
MCU 上的典型 DMA 實(shí)現(xiàn)在設(shè)備上具有固定數(shù)量的源和目標(biāo)，從而限制了 DMA 引擎的實(shí)用性。鑒于通用 MCU 的性質(zhì)，很難預(yù)測(cè)哪些外設(shè)需要 DMA。一般規(guī)則是將 DMA 應(yīng)用于高帶寬外設(shè)并忽略所有其他外設(shè)。然而，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，無(wú)論帶寬如何，提供對(duì)機(jī)器上所有地址的 DMA 訪問(wèn)都是有益的。
例如，SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 就實(shí)現(xiàn)了這樣的系統(tǒng)。雖然只有一定數(shù)量的外設(shè)具有顯式 DMA 支持（即，它們可以配置為具有 FIFO 和中斷邏輯的 DMA 主設(shè)備，以支持詳細(xì)的帶寬管理），但所有外設(shè)都可以通過(guò) DMA 訪問(wèn)。那些沒(méi)有顯式 DMA 支持的外設(shè)必須通過(guò)軟件進(jìn)行帶寬管理，并且在出現(xiàn)緩沖區(qū)錯(cuò)誤情況時(shí)沒(méi)有向 CPU 發(fā)送信號(hào)的機(jī)制。例如，端口脈沖發(fā)生器可以由這樣一個(gè)具有一些軟件開(kāi)銷的系統(tǒng)來(lái)控制，從而使得可以更地控制任意波形發(fā)生器。
該 DMA 引擎還可用于使用基于無(wú)線電流量的 DMA 鏈接來(lái)控制 MCU 的 PLL。例如，如果無(wú)線電通知 MCU 即將發(fā)送數(shù)據(jù)包，則可以使用軟件 DMAtrigger 發(fā)出 DMA 請(qǐng)求，該請(qǐng)求將向 PLL 加載改變其頻率的相關(guān)參數(shù)，從而減少其無(wú)線電干擾足跡。
更高精度的電流 DAC
ADAC 在提供數(shù)字代碼時(shí)生成模擬電壓。非典型 DAC 將具有可以達(dá)到的一定位精度，具體取決于設(shè)計(jì)。因此，10 位 DAC 會(huì)將 10 位數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換為給定范圍內(nèi)的電壓（或電流）。
MCU 上集成的 DAC 可用于多種用途，例如偏置電流發(fā)生器、任意波形發(fā)生器，或者在電流 DAC（也稱為 IDAC）的情況下，用作相對(duì)抗噪聲的通信介質(zhì)。
考慮到 DAC 的波形生成能力，典型的實(shí)現(xiàn)方式允許 DAC 具有 DMA 可訪問(wèn)性，并可用作具有伴隨的 FIFO 的 DMA 主設(shè)備。例如，這種布置允許使用 DMA 從存儲(chǔ)器中定義的波形生成波形。
SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 將這一 DAC 概念更進(jìn)一步。 FIFO 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)功能，通過(guò)在相鄰 10 位值之間進(jìn)行插值而無(wú)需 DMA 干預(yù)，可將 IDAC 的精度以四分之一的數(shù)據(jù)速率從 10 位擴(kuò)展到 12 位。例如，如果 IDAC 輸出三個(gè)相同的值“x”和第四個(gè)值“x+1”，則在封裝引腳處測(cè)量的 IDAC 輸出將是 12 位精度值，如圖 2所示。此功能可用于生成 12 位偏置電流。
結(jié)論
擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模擬功能精度的技術(shù)提高了 32 位混合信號(hào) MCU 在涉及無(wú)線電和電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用中的價(jià)值。高精度 PWM 引擎、精細(xì) PLL 調(diào)整和高精度 IDAC 體現(xiàn)了擴(kuò)展精度功能，可提供32 位 MCU 在應(yīng)用中具有這些設(shè)備無(wú)法提供的更多功能。 DMA 至一切功能可為 MCU 提供更精細(xì)的控制和外設(shè)使用，以進(jìn)一步提升價(jià)值。當(dāng)今 32 位 MCU 中實(shí)現(xiàn)的更高精度幾乎總是會(huì)通過(guò)更好的可用性和適用性帶來(lái)更高的價(jià)值。
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