从硅晶到软件 - 设计低功耗嵌入式系统

第一部分 硅晶选择

简介
设计低功耗系统时,我们需要重视一些非传统因素,这些因素涉及范围从硅晶生产制程技术,到基于 MCU 的嵌入式平台上所执行的软件。透过对系统层面的深入分析,本文讨论决定 MCU 能源效率的三个关键参数:工作模式耗电、待机模式耗电和工作周期(Duty Cycle)–决定各种状态下所占用的时间比率,由软件本身来决定。

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普通电表向智能电表过渡 拥有真正的智能家庭

5 年前,我们开始对"电子式电能表"(即 eMeter)有所耳闻。为什么我们会关注这项技术呢?那是因为,与其传统的机械式电能表相比,eMeter 能够更快、更便宜和更可靠地报告用电量。对于公用事业公司而言,采用 eMeter 所实现的长期成本节省将可以抵消由于全系统范围的基础设施升级所产生的高昂费用。于是,政府给予一定的扶持与激励政策以帮助完成从机械式电能表向电子式电能表的过渡也就顺理成章了。

首批 eMeter 基于 8 位或 16 位微控制器 (MCU),如德州仪器 (TI) 的超低功耗 MSP430,并针对用电量测量(计量)或不同的通信类型(取决于所处的地理位置)以及公用事业公司的其他要求和总体目标(包括降低能耗)采用嵌入式或分立式模拟电路。

图 1 PLC 解决方案应用范围(高达 500kHz 的低频窄带)

图 1 PLC 解决方案应用范围(高达 500kHz 的低频窄带)

HOLTEK新推出HT45F56具震动检测功能MCU

HT45F56Holtek推出全新系列具震动检测功能低成本的MCU:HT45F56,该IC为8-pin SOP封装。HT45F56符合工业上-40℃~ 85℃工作温度与高抗噪声之性能要求。OPA部份可提供1~1000倍共15段的放大倍率。OPA输入由SEN脚位输入。内含比较器可选择判断比较电压由AD1/AD2/内部DAC选出。侦测传感器微弱模拟信号经MCU处理后,透过GPIO将检测讯息传出。由于单片机集成OPA、CMP、DAC使外部使用组件数量大为缩减,使得整个板材体积缩小并降低方案成本。

解决可穿戴创新产品超长电池续航难题

荣获“CES 2014创新设计与工程奖”的Magellan Echo智能运动手表就是一个亮点,因其创新设计及优异续航力(可以在单节CR2032纽扣电池供电条件下运行长达11个月)而脱颖而出。

这听起来有点不可思议,在单节CR2032纽扣电池供电条件下运行长达11个月!并且性能还远超过其他同类设备,也就意味着Echo并不是通过牺牲性能而换取超低功耗。莫非是能量不守恒了?当然不是!Silicon Labs(芯科实验室有限公司)在中国的核心代理商世强产品经理Steven Zhang向我们揭开了极长电池续航背后的秘密。

EFM32——全球最高能效32位Cortex-M MCU是幕后英雄

“基于ARM Cortex-M3内核的32位Giant Gecko MCU在运动手表Echo的能效方面扮演着极其关键的角色。通过优化Giant Gecko MCU的五种不同能耗模式以及利用MCU的低功耗传感器接口(LESENSE)和外设反射系统(PRS)实现他们的超低功耗目标。这些特性使得节能且自治的外设可以在没有CPU参与的情况下处理定时和传感器控制。” Steven解释道。

MCU厂商基本实现了物联网云连接即插即用

互联网一词就像经常用来表示它的波浪线圆圈一样一直是模糊不清。 直观地说,我们知道“云”和“物联网 (IoT)”是同一个通用概念的不同表述。 嵌入式系统设计的关键是做到更明确的区分并理解其因果关系。

物联网是云的子集。 从硬件角度看,物联网中充满了嵌入式系统和手机等其它边缘设备,而在云的完整清单中,则包括网络服务器、应用服务器、数据服务器、路由器、网关和边缘设备。

嵌入式系统设计人员很容易认为云是如此之简单,就像为了在边缘设备和服务器、计算机或数据库之间移动数据而提供连接功能一样。 他们不可避免地会发现,尽管互联网可能仅被视为嵌入式系统和服务器之间的“一条管道”,但云不是。 如果到设计结束时才意识到这点,可能就要付出巨大代价,这就是为什么项目工程师或者管理人员在调研自己的项目时,需要确保调查到与信息技术(或 IT)运营合理相关的各方。

将各种产品与云连接会给嵌入式设计人员增加多层设计工作,尤其在安全和隐私方面。 除了云架构要建立通用、稳健的虚拟计算系统外,还有越来越多的法律对安全和隐私提出要求。 其中的原因更多地可能与社会媒体有关,而非嵌入式系统,但这一规则适用于所有数据。

LTC6802与MCU的连接器电路设计详解

 随着环境和能源问题日益严峻,电动汽车及混合动力汽车已经成为了当今世界关注的焦点。蓄电池是EV的动力环节,但其单体端电压及容量都较小,比如广泛应用的磷酸铁锂(LiFePO4)电池端电压一般不超过3.65 V,因此常需多单体串并联组合使用来满足车辆的需求。对于车载电池包而言,一个功能完备的监控系统是非常必要的。目前国内的电池组监控设备存在两大问题:一是电池电压检测精度不高,二是电池组均衡控制的实现较复杂。针对这些问题,本文应用Linear Technology 公司新推出的电池组监控芯片LTC6802,设计了一套面向锂离子电池组的硬件监控平台。该平台设计实现的功能包括单体电压/ 温度检测、电池组均衡以及分布式CAN 通信等。

  电池监控系统整体结构

  电池组监控平台的整体结构如图1 所示。本平台设计采用分布式CAN 总线结构,首先,LTC6802用于实现对单体电压的采集以及串联电池组的被动均衡控制;主控芯片负责接收来自LTC6802 的电压采集信息,并对LTC6802 的相关参数进行设置,此外MCU 还用于实现电池包节点温度以及电流的采集;最后MCU 将电池包的组态信息发送到CAN 通信网络。

了解具有以太网功能的MCU并用于您的下一个应用

MCU 可提供非常广泛的以太网连接选择。 随着大多数应用要求互联网连接,在您的下一个基于 MCU 的设计中极有可能需要某些类型的网络连接功能。 无论您的新设计是一个需要在以太网链路上合并数据并进行数据通讯的传感器,一个需要通过以太网连接定期发送更新代码且与该网络连接的安防监控头,还是一个需要使用稳健型工业以太网连接的工业控制器,要获得成功设计所需的各种功能,关键是要选择具有以太网功能的 MCU。

连接无处不在

自从出现电报以来,Ethernet 可能是最成功、最普及的数据通讯标准。 这一标准历经多年的改进和修改,已从最初的 10 Mb/s 规范一直发展到 100 Gb/s 及以上。 现在,已出现如工业以太网等可靠性更强的版本,以及用于传输音视频等实时数据的同步能力更好的版本。 随着嵌入式系统逐渐成为黑客和病毒的目标,安全增强型以太网正在迅速发展。 我们来看一下支持以太网的 MCU 及其目标应用方面的一些例子,让您在为嵌入式应用选择合适的 MCU 时更好地了解自己所做的选择。

廉价以太网实现

基于ATmega8的无线扩音系统设计

摘要

无线扩音系统能解决许多实际工程中的布线和移动使用的难题。无线传输的方式也从传统的U段、V段无线扩音发展到包括红外线、蓝牙和2.4GHz频段在内的无线数字传输方式。数字无线扩音系统可广泛应用在教学、会场、现代办公、家居等领域。文中介绍基于ATmega8的低成本无线智能跳频数码扩音系统设计,利用智能跳频询址技术,可使发射机可更迅速地自动被接收机识别,任意发射机可以匹配任意接收机。

无线扩音系统的广泛应用,解决了实际工程中的布线和移动使用的难题。无线传输方式也从传统的U段、V段无线扩音发展到今天的红外线、蓝牙和2.4 GHz频段的无线数字传输方式。传统的模拟信号无线扩音设备发射器的使用会受到同频、邻频或外界电波干扰,扩音的回输较大,而且高频电波辐射大,扩音回输会对人的耳膜造成一定的伤害。音频在数字信号传输过程中受干扰的可能性小、抗干扰能力强。数字无线扩音系统可广泛应用于教学、会场、现代办公、家居生活等领域。

基于MCU、MPU或FPGA的嵌入式M2M系统安全解决方案

基于使用机器到机器(M2M)等协议的联网设备不断普及的发展趋势,网络(特别是无线网络)的安全性越来越受人们的关注。外面的世界危险无处不在,仍有许多人想要破坏建立这些连接所需的社会性和关键性基础设施。

针对基于MCU、MPU或FPGA的嵌入式无线或有线M2M系统,特别是在当今普遍联网但易受攻击的世界中,良好的安全性要求采取以下这些全部使用了标准加密算法的措施:

使用TLS的网络通信安全
使用IPSec的虚拟专用网安全(VPN)
使用SSH的安全登录和系统交互
使用SFTP的安全文件传送
安全的电子邮件——加密的电子邮件和安全的邮件服务器链路
安全的网站服务器——https
安全的管理——SNMP v3
使用加密和检查过的映像进行安全启动

本文简要讨论了上述各项安全措施应用到M2M的情况以及总的系统级考虑因素。M2M系统要求高度的安全性来保护信息和系统。没有这种无缝的集成和测试,就会存在安全漏洞,系统很容易受到攻击,并可能发生可怕的后果。

使用TLS进行网络通信

高能效UV指数传感器抢占可穿戴市场商机

随着苹果发布iWatch智能手表的脚步日益临近,有关iWatch猜测、爆料也越来越猛。例如,巴克莱分析师Blayne Curtis日前就爆料:iWatch将采用Silicon Labs公司的紫外线指数传感器芯片。而最近又有一系列文章预测,iWatch还将整合最少10种传感器......毫无疑问,传感器的应用已成为可穿戴市场关注的一大焦点。

“Silicon Labs不仅推出了全球首款单芯片紫外线指数传感器,还提供各类高能效传感器,如温湿度、红外接近、环境光、手势感应等,能满足众多应用的需求,并且新产品还在不断推出。正如Silicon Labs一贯的产品性能特点,高性能、低功耗、小封装同样是这些混合信号智能传感器的最主要优势。” Silicon Labs核心代理商——世强资深技术主管廖华平表示。

图1. 世强代理的Silicon Labs传感器产品概览。

图1. 世强代理的Silicon Labs传感器产品概览。

汽车电子混合信号的测试方案

汽车电子的复杂性正随着数字电路和串行信号越来越多的应用而提高,确定一个最佳的测试工具就变的越来越模糊了,工程师大量需要处理和分析这种包含数字技术和模拟技术组合的所谓混合技术信号,那么就需要能够用一台仪器就可以实现和完成数字和模拟信号的测试和分析的工具。

传统上,对于这种混合信号是采用独立的示波器和逻辑分析仪的方式,这无疑增加了工程师的测试过程复杂性,因此,这种方式并不实用。泰克科技的使命就是扩大与改进工程师的测试平台与工具,推出了能够满足混合信号和串行协议测试的混合示波器,它能够同时在一台仪器上实现对模拟信号和数字信号的捕捉和分析,更为重要的是能同时分析数字信号和模拟信号的时间关系,真正改善了工程师的测试环境和工具,是工程师能够轻松应对更为复杂的混合信号设计。

一个典型的ECU 混合信号系统如下图所示, 它包含了AD/DA/MCU 等混合信号的器件。

器件

2、混合信号的测试方案及配置

MCU厂商基本实现了物联网云连接即插即用

互联网一词就像经常用来表示它的波浪线圆圈一样一直是模糊不清。 直观地说,我们知道“云”和“物联网 (IoT)”是同一个通用概念的不同表述。 嵌入式系统设计的关键是做到更明确的区分并理解其因果关系。

物联网是云的子集。 从硬件角度看,物联网中充满了嵌入式系统和手机等其它边缘设备,而在云的完整清单中,则包括网络服务器、应用服务器、数据服务器、路由器、网关和边缘设备。

嵌入式系统设计人员很容易认为云是如此之简单,就像为了在边缘设备和服务器、计算机或数据库之间移动数据而提供连接功能一样。 他们不可避免地会发现,尽管互联网可能仅被视为嵌入式系统和服务器之间的“一条管道”,但云不是。 如果到设计结束时才意识到这点,可能就要付出巨大代价,这就是为什么项目工程师或者管理人员在调研自己的项目时,需要确保调查到与信息技术(或 IT)运营合理相关的各方。

将各种产品与云连接会给嵌入式设计人员增加多层设计工作,尤其在安全和隐私方面。 除了云架构要建立通用、稳健的虚拟计算系统外,还有越来越多的法律对安全和隐私提出要求。 其中的原因更多地可能与社会媒体有关,而非嵌入式系统,但这一规则适用于所有数据。

新能源汽车核心技术详解:电池包和BMS、VCU、 MCU

2014年国内新能源汽车产销突破8万辆,发展态势喜人。为了使新能源爱好者和初级研发人员更好地了解新能源汽车的核心技术,笔者结合研发过程中的经验总结,从新能源汽车分类、模块规划、电控技术和充电设施等方面进行了分析。

  1 新能源汽车分类

  在新能源汽车分类中,“弱混、强混”与“串联、并联”不同分类方法令非业内人士感到困惑,其实这些名称是从不同角度给出的解释、并不矛盾。

  1.1消费者角度

  消费者角度通常按照混合度进行划分,可分为起停、弱混、中混、强混、插电和纯电动,节油效果和成本增等指标加如表1所示。表中“-”表示无此功能或较弱、“+”个数越多表示效果越好,从表中可以看出随着节油效果改善、成本增加也较多。

  

表1 消费者角度分类

  1.2技术角度

手机磁条卡读卡器参考设计应用报告

以前的银行系统中,读取卡片的工作主要交给收银机或者 ATM 以及销售终端来完成,这些设备都是由商家提供的,维护成本较高。这一切随 2009 年出现在美国的方形支付(square)而出现改变,方形支付使用非常廉价的小型终端,这些终端非常小巧,售价低廉甚至免费提供给客户,利用客户的智能手机进行银行交易。仅仅 2 年时间,这一新的商业形式得到大规模发展,并且在国内出现了多家类似生产厂商且已经成功推出一系列产品。因为这种商业模式中重头还是在网银平台支持,本参考设计仅关注终端本身的设计。

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基于Kinetis微控制器的三相电表设计

 1 概述

  目前,高效能源管理和输配电方面存在各种挑战,而嵌入式控制和集成连接功能将成为未来智能电网成功的关键,而智能三相电表是智能电网的终端环节和最重要的基本构建。

  飞思卡尔三相电表方案按照中国电网标准GB/T 17215.322-2008/ IEC 62053-22:2003设计。方案采用飞思卡尔最新的基于ARM Cortex-M0+ 内核44引脚的Kinetis M系列,KM14作为计量芯片,其基于ARM Cortex-M0+ 内核100引脚的Kinetis L系列,KL36作为系统芯片。该方案可以简化并加速设计者的设计流程,降低研发风险及成本,缩短研发时间,确保客户并在此基础上开发出有竞争力的产品。

  2 系统组成

  2.1 系统图

  系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

图1 系统原理框图

自动报警 基于MCU的家庭防盗报警系统的设计

从实际出发,设计一种家庭用、与电话线连接、操作简单、工作稳定可靠的远程智能防盗报警装置。当人们外出时,往往希望实施自动监测报警以使家庭财产免受损失。

  针对这一需求,研制出了一系列自动报警系统,如门磁式、触摸式和红外线监测自动报警系统等。本文将介绍的远程智能防盗报警装置,可同时监视多个重要点(如门、窗等),发现盗情及时拨叫号码,并能利用普通电话线进行告警信号呼叫,其性能稳定可靠,实用性、适用性强,且具有较高的灵活性。

图1

图1

Intersil关键技术应对下一代汽车电源系统的挑战

当你实现更严格的排放和燃油经济性标准、48V锂离子电池技术、能量收集,以及诸如电子助力转向(EPS)、线控制动(BBW)和暖通空调(HVAC)系统等大功率应用时,你会从中得到什么?你会得到针对汽车电池系统发生根本改变的完美环境,它在未来十年将给半导体供应商创造巨大的有利机会。

在汽车的电气化方面并没有什么新东西出现。事实上,在上世纪90年代,一些创新思考者致力于42V标准,使现有12V系统的电压显著提高,并推动了从转向到照明各种子系统的电动机的出现。但使这些应用能够脱离12V电源的其他创新,以及使用更大电池组来支持更高电压的想法,始终未能占据主导地位。

12V转48V系统

盘点可穿戴设备医疗行业十大主流MCU

可穿戴医疗是最被业内人士看好的可穿戴设备应用,随着互联网技术的应用扩大,智能医疗也将逐渐走向人们身边。然而,对于可穿戴医疗设备的设计依然存在众多技术难题,如何实现设备的低功耗特性、便携性以及稳定性仍然是技术人员需要解决的首要问题。

  MCU可以充分满足大多数可穿戴设备的需求,此外,最新MCU可在单个芯片中集成大部分功能,这对降低可穿戴设备的整体尺寸和BOM成本都具有重要作用。可以说,MCU直接决定了设备的整体性能。有鉴于此,笔者专门整合了10款主流的可穿戴医疗MCU(排名不分先后)。

  一、TI MSP430FG47x可穿戴医疗的理想选择

  德州仪器 (TI)致力于为未来医疗电子领域带来革命性变革,以提高医疗设备质量与易用性。TI 正在努力推进创新医疗电子设备的创新,不断提高灵活性与易用性,努力降低成本

开关设备应用中螺线管线圈的驱动方法

引言

所有电源系统的主要目的都是维持高水平的持续供电能力,并在出现不可承受状态时,最小化其影响范围和断电时间。功率损耗、电压下降、过电流和过压总会出现,因为我们无法避免自然事件、物理事故、设备故障或者人为误操作。组合使用一些器件,用于保护电气设备免受这些事件的损害,也即“接电装置”。螺线管和继电器是所有接电装置中不可或缺的组成部分。它们通过线圈通电和接触,连接/断开受保护设备的电源。本文为您介绍继电器、电流接触器和阀门中常见的螺线管线圈的一些特性。另外,文章还介绍了一些驱动它们的方法,并说明有效驱动的发展趋势。本文还列举了一些接电装置应用电路的例子。

过电流保护器件(例如:断路器等),用于保护导体不受过电流的损害。设计这些保护器件的目的是,让电路中的电流保持在一个安全水平,以防止电路导体器过热。电流接触器主要用于连接或者断开导体接触电流。它们用于一些频繁或者长期不变的导通-断开连接。

为了保护电路免受强电流的损害,保护性器件必须知道故障状态何时出现,并能自动将电气设备同电源断开。过电流保护器件必须能够区分过电流与短路的区别,并以正确的方式做出反应。可以允许一定时间的小过电流,但是,随着电流量的增加,保护器件必须能够更加迅速地做出响应,例如:迅即阻止短路。

螺线管线圈特性

超低功耗Zero Gecko MCU最大化产品电池寿命

功耗敏感型(对电池寿命有要求的)应用在选择MCU时,为满足超长电池寿命的要求,应尽可能选择功耗小的产品。在这些应用中,MCU可能大部分时间处于休眠状态,当有任务需要处理时,MCU进入工作状态,处理完成后再次进入休眠状态。因此,MCU的总体能耗等于工作模式能耗与休眠模式能耗之和。要做到低功耗,MCU一方面需要降低休眠模式功耗,一方面需要降低工作模式功耗。

为满足低功耗的要求,同时又提供一定处理能力(32位),Silicon Labs旗下Energy Micro设计了一款基于M0+的MCU产品Zero Gecko。为什么取名叫“Gecko(壁虎)”?Silicon Labs亚太地区MCU资深市场经理彭志昌(Alan Pang)(图1)介绍,是因为壁虎是世界上耗能最低的动物。EFM32 Gecko整个系列的MCU产品(在Zero Gecko之前,Energy Micro已有超过200个基于M3和M4的MCU型号)都是针对功耗而开发的,而Zero的含义则是其功耗几乎为0。

图1:Silicon Labs亚太地区MCU资深市场经理彭志昌(Alan Pang)。