在設(shè)計(jì)時(shí)如何選擇適合的MCU開發(fā)套件

目前，許多供應(yīng)商都在生產(chǎn)面向特定應(yīng)用的 MCU 開發(fā)套件。 通用套件主要側(cè)重于一般培訓(xùn)活動(dòng)，通常包括簡單的 LED 閃爍樣例。有針對性的開發(fā)套件與通用套件不同，會配備足夠的硬件和軟件，讓您在實(shí)際設(shè)計(jì)中有一個(gè)非常良好的開端。 針對電機(jī)控制、智能化電能計(jì)量、保健監(jiān)視、音頻處理以及其它大量應(yīng)用的套件能夠顯著加速產(chǎn)品上市。

為創(chuàng)建此類型套件，制造商選擇了不同的策略，這些策略各有優(yōu)劣。 一些供應(yīng)商創(chuàng)建特定的硬件優(yōu)化板，另一些供應(yīng)商則制造非常通用的 MCU 主板，后者在這些主板上采用了可用于創(chuàng)建各種各樣面向應(yīng)用捆綁包的插件模塊。 了解這些策略及其優(yōu)劣，有助于您更好地根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求選擇合適的開發(fā)套件。 介紹完最常見的開發(fā)套件策略類型后，我們還將介紹一些典型的設(shè)計(jì)樣例，幫您了解在實(shí)施這些樣例時(shí)如何利用一些現(xiàn)成的開發(fā)套件。

基于模塊化平臺的方法

基于平臺的方法通常性價(jià)比極高，是制造商的常用策略。 通常用作開發(fā)起點(diǎn)的是一塊比較通的的 MCU 板，且?guī)缀醪粠О遢d專用硬件。 這種板具有大量標(biāo)準(zhǔn)接口連接器，可滿足來自設(shè)備的所有外設(shè)和通用 I/O 的連接要求。 接口連接器的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)使得為各種外設(shè)構(gòu)建輕松插入型擴(kuò)展卡成為可能。 如希望連接以太網(wǎng)，只需使用以太網(wǎng)擴(kuò)展卡，將接口連接器以及任何所需的磁性元件或者其他物理層元件轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)插孔。 這些突破了接口限制的板不僅價(jià)格十分低廉，而且配置極其靈活。

許多制造商也為配套器件提供擴(kuò)展模塊。 需要加速計(jì)嗎？ 這類器件可能以擴(kuò)展卡的形式出現(xiàn)。 大多數(shù)擴(kuò)展卡也都帶有向現(xiàn)有系統(tǒng)添加所需功能所必需的驅(qū)動(dòng)程序和樣例軟件程序。 有些情況下，樣例代碼實(shí)際上就是參考設(shè)計(jì)的一部分，能讓您很容易地在項(xiàng)目上占得先機(jī)。

您可了解制造商們是如何從基于平臺的方法獲益的。 擴(kuò)展卡可用在多個(gè)參考設(shè)計(jì)中，并能夠在多個(gè)目標(biāo)應(yīng)用之間均衡開發(fā)成本。 在多個(gè)應(yīng)用目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、測試以及更高級功能方面，也可以均衡工作且所需改動(dòng)通常最小。 當(dāng)制造商在擴(kuò)展卡上加入自己的一些配套器件時(shí)，會創(chuàng)造更多潛在的銷售機(jī)會，這些器件可以是模擬轉(zhuǎn)換器、存儲器、物理層元件或者甚至是無源元件。 有其它銷售機(jī)會證明各種板、固件和輔助材料的開發(fā)成本是合理性的。

模塊化平臺樣例：Freescale 塔式系統(tǒng)

Freescale 塔式系統(tǒng)向我們清晰地展示了一種基于平臺的方法。 這種模塊化方法（圖 1）采用一個(gè)或兩個(gè)側(cè)板來連接一個(gè)主板和最多三個(gè)擴(kuò)展板。 主板也配置一個(gè)頂部插接式連接器，方便直接添加帶有小鍵盤、加速計(jì)或者旋轉(zhuǎn)式觸控板的兼容型插入式模塊，而無需占用寶貴的擴(kuò)展板插槽。 請注意，側(cè)板可采用外加連接器，以便在需要更多功能時(shí)使用 LCD 板等側(cè)面安裝型外設(shè)板。 有了模塊化設(shè)計(jì)方法，幾乎能很容地通過任何特性組合來構(gòu)建系統(tǒng)。

圖 1：Freescale 的塔式系統(tǒng)模塊化開發(fā)平臺。

塔式系統(tǒng)能與具有 8 位、16 位和 32 位 Freescale MCU 和 MPU 的各類型控制器/處理器模塊配合使用。 這些控制器模塊為我們帶來了易于上手的設(shè)計(jì)起點(diǎn)。 包括 USB 和串行端口連接器在內(nèi)，許多常用外設(shè)都屬于控制器模塊上的自帶外設(shè)，因此只有應(yīng)用特定型外設(shè)才需要擴(kuò)展板。

塔式系統(tǒng)包括軟件，以便讓您充分利用底層驅(qū)動(dòng)程序和 API，以及 RTOS、TCP/IP、USB 堆棧和文件系統(tǒng)。 此外，還有豐富的樣例程序和參考設(shè)計(jì)，讓您的軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建過程成為一個(gè)模塊化過程，就如同構(gòu)建硬件平臺一樣。

利用塔式系統(tǒng)的軟硬件可輕松構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器演示設(shè)計(jì)（TWR-K60F120M-KIT）。 通過采用針對每一個(gè)關(guān)鍵功能的模塊化軟件堆棧，該系統(tǒng)可提供各種網(wǎng)頁。 傳感器內(nèi)插板可輕松將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器轉(zhuǎn)換為基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程測量和控制系統(tǒng)。 利用塔式系統(tǒng)便利的外形，即使稍顯笨重，也可對遠(yuǎn)程傳感器控制系統(tǒng)進(jìn)行原型開發(fā)和測試，因?yàn)獒槍ΜF(xiàn)場測試中的遠(yuǎn)程傳感器限制通常最小。 但是，可以進(jìn)行大量測試，且實(shí)施模塊化意味著傳感器和控制接口可重新配置或者換入和換出，以驗(yàn)證不同的功能組合。 當(dāng)各種不同的系統(tǒng)配置需要在實(shí)驗(yàn)室或者現(xiàn)場試用中進(jìn)行測試時(shí)，模塊化方法的靈活性便成為一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。

專用方法

用于構(gòu)建目標(biāo)開發(fā)平臺的專用方法主要在硬件實(shí)施方面不同。 專用方法提供目標(biāo)應(yīng)用所需的硬件，但其擴(kuò)展能力遠(yuǎn)遜于模塊化平臺方法。 在制造商看來，專用方法可能需要更多的工作，而采用模塊化方法進(jìn)行開發(fā)時(shí)則可多次使用以前開發(fā)成功的模塊。 不過，制造商的優(yōu)勢在于目標(biāo)系統(tǒng)更能接近最終設(shè)計(jì)。 實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員可以在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中直接利用一些電路板設(shè)計(jì)（通常由制造商提供）和物料清單。 如果物料清單中絕大多數(shù)元件由制造商采購，那么這對設(shè)計(jì)人員而言是一個(gè)很好的機(jī)會，即無需他們指定最終生產(chǎn)產(chǎn)品中的所有制造商器件。

電機(jī)控制是經(jīng)常使用專用方法的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。 要求高功率的應(yīng)用通常是專用型的，因?yàn)楦吖β试诒ＷC可靠運(yùn)行方面至關(guān)重要，諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 TRIAC、電源轉(zhuǎn)換器和相關(guān)的電容器、電感器等。 STEVAL-IHM029V1 2，000 W 通用電機(jī)控制器（來自 STMicroelectronics）便是此類型方法中一個(gè)很好的例子（圖 2）。 控制電機(jī)所需的所有電子元件均置于同一塊 PCB 上。 該板的輸入采用 50 Hz 或 60 Hz 的 90 V 或 250 VAC 電網(wǎng)電壓，與通用電機(jī)的一個(gè)簡單連接則作為輸出。

圖 2：STMicroelectronics 通用電機(jī)控制演示板。

STM8S103F2P6 是一款 8 位 MCU，用于控制演示板和管理電機(jī)控制算法。 這塊板還采用了 STMicroelectronics 的其他器件，以符合使用相關(guān)元件時(shí)的專用平臺策略要求，這些器件包括 VIPer16LN 電源轉(zhuǎn)換器、T1235H-6I TRIAC 和 L7905CP 線性穩(wěn)壓器。 該板的說明文檔還包括針對關(guān)鍵電機(jī)控制特性的詳細(xì)設(shè)計(jì)（Gerber 文件）和各種測試程序和結(jié)果，具體特性如軟啟動(dòng)、低功耗運(yùn)行、高功耗運(yùn)行、零電壓切換和 EMC 測試結(jié)果。 設(shè)計(jì)本身的小體積能夠很容易地被用作生產(chǎn)產(chǎn)品的起點(diǎn)、大多數(shù)專用平臺方法的目標(biāo)。

上文介紹的通用電機(jī)控制演示板可方便地用于小型電機(jī)控制系統(tǒng)的原型開發(fā)，如食品加工、咖啡豆研磨機(jī)/咖啡機(jī)或其他小型家電中的電機(jī)控制系統(tǒng)。 與更大型的模塊化開發(fā)平臺相比，更小的體積可能構(gòu)建出在體積上與最終產(chǎn)品相差無幾的原型。 通過板載 MCU 實(shí)施簡單的用戶接口并利用各種不同的電機(jī)控制算法，可以迅速構(gòu)建一個(gè)原型系統(tǒng)。 這可以用來集中成組或單獨(dú)地進(jìn)行客戶測試。 當(dāng)通過客戶的實(shí)際使用體驗(yàn)獲得反饋時(shí)，就可以找到在實(shí)驗(yàn)室測試期間沒有出現(xiàn)的功能性問題。 另外，客戶反饋能給預(yù)期的產(chǎn)品使用模型提出寶貴建議。 客戶通常希望看到全新或者不同的用途，并且這樣會開辟全新市場領(lǐng)域或者創(chuàng)建全新應(yīng)用。 只有在有一套工作系統(tǒng)的情況下，這些才是一種無可估量的寶貴信息。

帶有 Twist 的專用平臺

有時(shí)我們會發(fā)現(xiàn)，沒有某些配置能力時(shí)專用方法是使用不了的。 我們以帶有 Microchip 的 PIC32MX250F128B-I/ML-ND 的 Microchip PIC32 藍(lán)牙音頻開發(fā)套件（圖 3）為例。 主板上不僅含有許多應(yīng)用所需的資源，而且還提供兩個(gè)子板位置（從板左側(cè)看）用于增加功能。 如圖所示，這兩塊子板分別是藍(lán)牙 HCI 音頻模塊子板和 24 位立體聲 DAC 線路輸出/耳機(jī)放大器子板。

圖 3：Microchip PIC32 藍(lán)牙音頻開發(fā)套件。

有了這兩塊附加子板，就可以滿足更多的應(yīng)用要求，并且意味著出現(xiàn)可能是支持不同的標(biāo)準(zhǔn)新配套器件時(shí)，不必為每一種新配套器件重新設(shè)計(jì)基板。 當(dāng)各種標(biāo)準(zhǔn)仍在變化不定或者需要支持一些常見的實(shí)施選項(xiàng)時(shí)，這種照顧設(shè)計(jì)模塊化的情況并不多見。

以上開發(fā)套件附帶全功能演示程序以及可用來定制特定實(shí)施方法的軟件程序。 這些軟件含有完整的成套代碼，并包括針對多種協(xié)議和規(guī)范的支持功能，具體包括串行接口規(guī)范、服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用規(guī)范、高級音頻分配規(guī)范、A/V 遠(yuǎn)程控制規(guī)范、AAC 解碼庫以及相關(guān)的協(xié)議和控制器接口。 這種成套代碼的說明文檔給出了演示設(shè)計(jì)所需的閃存和 SRAM 存儲器容量。

該套件還附帶大量的測試程序和已發(fā)布的結(jié)果。 測試結(jié)果是一系列測量值，針對一個(gè)未壓縮理想音調(diào)的 1 kHz 幀總諧波失真，而這種音調(diào)經(jīng)由帶和不帶藍(lán)牙堆棧或音頻 DAC 的 I2S 端口發(fā)送。 對于許多測試開發(fā)比應(yīng)用開發(fā)更耗時(shí)的應(yīng)用，這些系統(tǒng)測量類型會特別有用。

具有數(shù)字音頻處理能力的音頻流控制器便是采用藍(lán)牙音頻套件的一個(gè)直觀的例子。 這種控制器能通過藍(lán)牙連接傳輸內(nèi)容，并將這些內(nèi)容作為 MP3 文件實(shí)時(shí)播放和/或保存在一個(gè)與之連接的 USB 閃存驅(qū)動(dòng)器中。 采用觸控式 LCD 顯示屏作為圖形化用戶界面 （GUI），用于選擇不同的菜單項(xiàng)。 輸出插孔可連接至揚(yáng)聲器、耳機(jī)或音頻系統(tǒng)的線路輸入連接端。 PIC32MX 系列器件具有專用乘/除單元以及進(jìn)行乘除運(yùn)行的獨(dú)立流水線。 這樣，就能非常有效地執(zhí)行數(shù)字音頻處理功能，從而增加高級均衡和室內(nèi)效果特性。 來自客戶的重要反饋特別有助于提升高級音頻特性，因?yàn)檫@些特性極易受主觀因素影響，且很難僅通過實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)置就能實(shí)現(xiàn)量化。 請注意，利用含有軟件的套件（涵蓋所有外設(shè)、文件管理和標(biāo)準(zhǔn)音頻編碼功能），就可將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在增值型音頻處理功能方面，將其作為代碼開發(fā)工作的關(guān)鍵區(qū)分指標(biāo)和重中之重。

除了音頻功能方面的客戶測試外，還可為針對最終產(chǎn)品的 GUI 進(jìn)行客戶測試。 這有助于獲取客戶對 GUI 運(yùn)行情況的反饋，發(fā)現(xiàn)任何令人誤解或難以理解的指令或過程。 可能與音頻特性一樣，很難在測試試驗(yàn)室中對直觀且易于使用的 GUI 進(jìn)行客觀評估。 在典型設(shè)置過程中進(jìn)行客戶試用能獲得更多信息，但完成這種試用的條件是目標(biāo)平臺在測試期間不能從客戶體驗(yàn)中剝離。 模塊化程度更大的平臺因體積龐大而很難用于獲取此類詳細(xì)反饋信息。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)樣例

構(gòu)建一個(gè)用于驗(yàn)證概念或原型的完整工作系統(tǒng)，是最新一代全功能開發(fā)平臺更強(qiáng)大的用途之一。 進(jìn)行現(xiàn)場試用（也許在苛刻環(huán)境中）是原型系統(tǒng)的常見用途。 在一個(gè)典型的系統(tǒng)實(shí)施過程中可能會用到多塊板，且每塊板都針對整體系統(tǒng)的某一部分進(jìn)行了優(yōu)化。 例如，Digi-Key 工程師將 Texas Instruments 的 MSP430 Launchpad 模塊化開發(fā)套件作為關(guān)鍵元件構(gòu)建了一個(gè)類似的工作系統(tǒng)。 該系統(tǒng)與 CC430 低功耗無線開發(fā)套件配合使用，構(gòu)建出一個(gè)具有音頻支持功能的火箭發(fā)射控制器無線遙控模型。 這些套件如圖 4 和圖 5 所示。

圖 4：MSP430 Launchpad 評估套件。

圖 5：TI CC430 低功耗評估套件。

在系統(tǒng)實(shí)施過程中，CC430 無線套件緊鄰火箭模型，并通過光電隔離式 MOSFET 控制流入火箭點(diǎn)火系統(tǒng)的電流。 位于火箭模型數(shù)米遠(yuǎn)的另一類似套件與一臺已接入互聯(lián)網(wǎng)的筆記本電腦相連。 這臺筆記本電腦可遠(yuǎn)程登錄，并能通過終端機(jī)和有線串行鏈路向 CC430 無線套件發(fā)送代碼。 這兩個(gè) CC430 套件之間采用無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)。 與筆記本連接的套件控制支持智能手機(jī)的伺服系統(tǒng)，其中智能手機(jī)用來遠(yuǎn)程定位并將實(shí)時(shí)視頻回傳至位于 Digi-Key 總部的發(fā)射控制器。

在發(fā)射控制器中，利用配備電容式 BoosterPack 觸控板的 TI MSP430 組成用戶界面。 這種用戶接口硬件通過有線式串行端口與一臺筆記本電腦連接，這臺筆記本電腦通過互聯(lián)網(wǎng)與位于遠(yuǎn)程發(fā)射地的筆記本電腦連接。 用戶可通過觸控傳感器移動(dòng)遙控伺服系統(tǒng)，以便智能手機(jī)的攝像頭能掃描發(fā)射場地，確?；鸺踩l(fā)射。 一切都準(zhǔn)備就緒后，即可用觸控板發(fā)送火箭發(fā)射指令。 有關(guān)該系統(tǒng)及其運(yùn)行情況，可在Digi-Key 視頻庫中觀看相應(yīng)的視頻內(nèi)容。

總結(jié)

MCU 是功能強(qiáng)大的系統(tǒng)元件，當(dāng)與全功能開發(fā)套件及相關(guān)參考設(shè)計(jì)組合使用時(shí)，能在創(chuàng)紀(jì)錄地時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)開發(fā)。 供應(yīng)商們在創(chuàng)建這些開發(fā)平臺時(shí)，會利用各種不同的策略方法；您在了解每種方法的優(yōu)劣后，能更好地選擇滿足自己設(shè)計(jì)要求的合適平臺。