资深工程师:如何对理想MCU进行绿色设计?

来源:http://www.yxfic.net/chinese/det    时间:2011-05-11

面对市场上琳琅满目的MCU(微控制器)产品,工程师选择时主要考虑哪些因素?“绿色设计”正当道,工程师行业内所谈的绿色设计概念到底如何? MCU市场中,目前产品呈现哪些特点?为什么8位市场并没有向很多分析家所判断的那样迅速被抛弃,而是充满了活力?“减碳”和“绿色”正成为社会共识,因此用户也要求MCU厂家提供“绿色MCU”,这“绿”又体现在哪些方面?

  有业内资深人士说:MCU的工程师和客户在选择MCU时一般会考虑以下几个因素:首先制造商为推出迎合市场“低碳”需求的产品,所强调的MCU是否具备更低功耗;其次,MCU的选择是否提供低的总体系统成本、可重复使用性、芯片性能(包括处理能力、功耗、外设等);其三,不同MCU的熟悉程度和是否易于开发,MCU供应商是否提供完善的技术支持、软件、工具及配套产品。

 

  “绿色设计”是不可回避的时代命题

 

  中国科学院院士、北京大学微电子研究院首席科学家王阳元在其主编的《绿色微纳电子学》一书中有这样一段论述:未来集成电路产业和科学技术发展的驱动力是降低功耗,不再仅以提高集成度,即减小特征尺寸为技术节点,而以提高器件、电路与系统的性能与功耗比作为标尺。

  因此,对于先进电子产品的设计工程师来说,如何采用更为先进的电子器件,为人类提供更为节能的电子产品,已经成为新的历史使命。可以说,“绿色设计”正成为一道不可回避的“时代命题”。

  对于应用电子工程师而言,首先,“绿色设计”不仅仅意味着使用符合RoHS环保法规的元器件,更为重要的是设计出工作稳定、性能可靠、功能强大、质量优良、经济耐用的电子产品,以减少电子垃圾和废旧电池,这就需要我们建立新的“绿色设计”理念。

  记者采访了安阳工学院电子信息与电气工程学院副院长秦长海教授。秦教授认为,真正做到“绿色设计”并不容易,一方面要求工程师拥有深厚的设计理念和设计水平,同时要把它当成一种习惯。这需要从学生时代就要开始进行“绿色设计”理念的教育,养成节能为先的设计习惯。

  而一位资深工程师——深圳应用电子工程的戴上举先生则表示,现在各种电子产品都有节能方面的市场准入标准,如果达不到标准就无法进入市场。这些也迫使工程师们要尽量选用低功耗的电子元器件,运用更为合理的电路设计来达到系统低功耗的目标,最终做到“绿色设计”。

  因此,不论是现在搞电子设计的工作者还是准备学习电子技术的初学者,在搞电子产品设计的同时,要倡导“绿色设计”的理念,设计出更多的“环保产品”和“节能产品”,这也是从事电子设计的工程师们为了保护地球应尽的特殊义务。

MCU——绿色节能的先锋官

 

  应用电子工程师在实现绿色电子设计的过程中,离不开低功耗的电子零部件,作为电子系统的核心部件,MCU当仁不让地成为节能先锋。

  因此,围绕MCU来做好系统节能设计,成为这些工程师必须率先考虑的项目。

  戴上举工程师用自己的开发经历证明,购买一款高性能、低功耗的MCU替代原有器件,虽然单个器件的成本可能会增加,但是由于新型MCU可能会减少其他元器件的数量,从而使总体成本TCO得到降低,同时还得到了系统性能的提升。

  而以瑞萨电子为代表的跨国生产商,为了满足应用工程师们所关注的——“绿色设计”、“低TCO”和平台化应用,目前正不断推出低功耗、高性能的MCU产品,从而推动着MCU的应用不断深化。

  比如,2010年12月2日,瑞萨电子(中国)宣布在大中国区推出超低功耗的新型RL78族微控制器(MCU),这一产品群可实现更低的功耗、更优的性能和更高的集成度,并可提供强大的移植路径,适用于包括电池供电设备和家用电器在内的大量应用。

  ——显然,在实现更高性能的基础上,RL78族明显是为了满足工程师们以上3大必答命题作业“含匙而诞”的。为让更多工程师了解这一族新品,本报记者专门走访了瑞萨电子大中国区MCU产品中心的邱雯佳工程师。

  邱工程师在接受本报记者采访时首先说,“新MCU完美融合了原瑞萨科技R8C族的高性能外围功能与原NEC电子78K的低功耗、高性能架构。凭借该族产品,瑞萨电子将能提供满足地球环境与市场所需的解决方案,即:实现超低功耗、更广泛的产品种类及更优化的系统性价比”。

  RL78族在其运行模式下实现了70uA/MHz、RTC+ LVD活动状态下的0.7uA超低功耗。

  “最低功耗”首先依托于生产工艺的提升。邱工程师告诉记者,RL78族基于瑞萨电子最新的130纳米(nm)工艺,设计能效高——在32MHz的工作频率下,可达到41 DMIPS的性能。

  同时,邱工程师还向记者介绍了RL78族 MCU新推出的一种独特的低功耗模式——“贪睡模式”。工程师大都知道,在电池供电的大部分应用中,CPU将很多时间用于功率降低或休眠模式。因此,实现低功耗非常关键的一点是微控制器能提供极具吸引力的电源模式、唤醒源和启动时间选择,以便设计人员能够优化外设活动和恢复时间来满足应用需求,并最大限度地使用现有的可用能源——在RL78族的“贪睡模式”下,可以在贪睡模式和STOP模式之间进行切换,一旦收到了正确的A/D信号或者是串口通信信号的情况下就可以自动切换,唤醒到运行模式。

  “贪睡模式”非常适用于家电当中的传感器应用——因为可以使待机时间更长。比如,在采用了RL78族的数码相机或手机的副控制器中,因为该模式,其所搭载的乘加法器能够在减轻CPU内核工作负荷的同时,进行电机、电源控制所必须的定时器控制,这就使传感器不需要经常唤醒锂电池进行电量检测,或时钟的工作,这就大大节省了电量的消耗。

外围电路集成,帮助用户实现低TCO

 

  尽力降低采购成本永远是用户的期待。瑞萨电子一直在为此努力:如将原先外部的外围电路集成到MCU中,首先可使系统成本得以降低,同时能缩小安装面积,这就同时满足了用户需要提供给消费者功能“越来越多”、尺寸“越来越小”产品的需求和用户自身采购成本不增加的需求。

  邱工程师介绍,具备众多的外围IP一直是瑞萨电子产品的一大优势。比如RL78继承了R8C的高性能外围功能,以及高精度OCO、CPU工作时可高效擦写data flash的BGO(Back Ground Operation)功能、长期以来一直获得业界口碑的DTC(Data Transfer Controller)、在电机及电源控制方面取得众多成绩的高性能定时器等,因而实现了低功耗、高速擦写、小块容量闪存、高性能CPU内核等优势。

  同时,上文所提到的RL78族采用的130纳米(nm)先进工艺可令片上元件达到更高的集成度,例如:能够集成32MHz ±1%的片上振荡器,集成支持后台运行的可擦写100万次的数据闪存,并且支持1.6至5.5伏(V)工作电压。

  其中,邱工程师向记者特别介绍了全新的内置32兆高精度片上振荡器,其精度达到了1%——对于UART通信来说,以往内置串口的精度往往达不到需求,而如今有了RL78族,客户就可以把外置晶振省略了。因此就在不增加用户成本的基础上,圆满解决了这一问题。

  据邱工程师介绍:“目前,国内制造类企业实力明显增强,他们对于‘平台化开发’有着普遍而强烈的需求。而RL78完全考虑到了这一点,产品种类非常广泛。该族首批问世产品系列为RL78/G13和RL78/G12,这2个系列产品被定位为通用产品”。

  其中,20引脚~128引脚,2K~512K字节,RL78族有产品共计302种。目前已问世的RL78/G13系列具有最大32MHz工作、20~128引脚、16k~512k字节的超广泛产品线。RL78/G12系列作为最大24MHz工作、20~30引脚、2k~16k字节的产品范围,其目标是比RL78/G13更为密集的产品线。封装方面,RL78族采用了LGA(Land Grid Array)、FBGA(Fine pitch Ball Grid Array)、QFN(Quad Flat Non-leaded Package)、LQFP(Low Profile Quad Flat Package)、TQFP(Thin Quad Flat Package)、SSOP(Shrink Small Outline Package)等各种封装。据记者了解,预计1年以后,包括封装种类在内,RL78族的产品种类将超过700种。

 

  RL78族,全力为用户开发提供绿色、高效支持

 

  邱工程师强调:“RL78符合欧洲家电安全规格(IEC60730),硬件上搭载了规格基准所必须的功能。可在减轻CPU负荷的同时,实现更高速的软件处理,还集成了可防止存储器异常存取的RAM保护等软件无法处理的功能”。同时,瑞萨电子正致力于可供所有MCU内核使用的通用开发工具的研发。软件开发工具由集成开发环境(IDE:Integrated Development Environment)的驱动器自动生成工具、编译器、调试器等组成。使用简单的GUI可使所有MCU的软件开发在同一操作下完成。硬件开发工具则包括OCD(On-Chip Debugger)、闪存烧写器等,以帮助用户缩短开发周期、提高产品品质。

  据了解,今后瑞萨电子还将会迅速扩大RL78系列产品的阵容,并将其视为为各个市场降低系统功耗与成本的核心产品,包括消费电子、工业设备、汽车、计算机外设。其中,涉及到广受关注的,变频白色家电如变频空调等的产品很快就将推荐给中国用户。如此丰富的产品线不仅使RL78满足“建设绿色智能社会”中更为广泛的应用,也能够使其为用户提供更加细微的需求差异,以给用户所设置的同时“降低使用成本”和“降低采购成本”命题以最圆满的答案。


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