針對(duì)智能水表、電表、遙控器等需要長(zhǎng)時(shí)間使用的應(yīng)用，任何MCU廠商都會(huì)以“低功耗”來(lái)大做文章，8 bit、16 bit和新晉的32 bit MCU都在分食低功耗應(yīng)用市場(chǎng)，并且廝殺得越來(lái)越激烈。德州儀器(TI)MSP430一直是業(yè)界的明星產(chǎn)品，MSP430 FRAM系列MCU問世之后，更是頻頻打破低功耗的極限，同時(shí)也成為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手爭(zhēng)先對(duì)比和“攻擊”的對(duì)象。我們不要再聽廠商們“王婆賣瓜自賣自夸”，先來(lái)看看權(quán)威第三方機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證結(jié)果。

嵌入式微處理器基準(zhǔn)評(píng)測(cè)協(xié)會(huì)(EEMBC)，基本上涵蓋80%~90%的MCU的廠家都是其成員，他們一起做了評(píng)估，此次評(píng)估囊括了8 bit、16 bit和32 bit MCU,評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)值稱為ULP -MAX(Bench)，該值是一個(gè)綜合評(píng)估值，比較全面地權(quán)衡各種狀態(tài)下的功耗和性能，這個(gè)最能體現(xiàn)超低功耗的總體性能，值越大代表越好。MSP430的ULP -Bench值大約為119.2，跟其他的供應(yīng)商(再次強(qiáng)調(diào)包括8 bit低功耗單片機(jī))相比具有巨大的優(yōu)勢(shì)，第二名僅為80左右。

圖1 ULP -Bench用戶界面

日前，TI再次重磅推出兩款產(chǎn)品MSP430FR4x/FR2x FRAM MCU,以完善FR家族產(chǎn)品，滿足細(xì)分市場(chǎng)需求。德州儀器半導(dǎo)體事業(yè)部MSP430業(yè)務(wù)經(jīng)理夏樹榮攜德州儀器MSP430中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇頂住霧霾壓力，來(lái)京向記者分享了這兩款產(chǎn)品以及開發(fā)工具的“殺手锏”。MSP430FR4x/FR2x是夏經(jīng)理帶領(lǐng)的中國(guó)的MSP430團(tuán)隊(duì)，利用中國(guó)的設(shè)計(jì)理念，針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)本土開發(fā)出來(lái)的適合中國(guó)市場(chǎng)的產(chǎn)品。

圖2 德州儀器半導(dǎo)體事業(yè)部MSP430業(yè)務(wù)經(jīng)理夏樹榮

解析“殺手锏”

針對(duì)低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)，用戶常見問題主要有以下幾點(diǎn)。(1)應(yīng)用能耗，如客戶以削減或同等的能量預(yù)算來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的增加。例如超市電子標(biāo)簽，要做得很大很薄，就需要用紙電池替代紐扣電池，但是電池壽命要求一樣，這時(shí)MSP430就有用武之地了。(2)調(diào)試問題，設(shè)計(jì)人員要完成功耗設(shè)計(jì)要求，往往會(huì)花費(fèi)75% 以上的工作時(shí)間來(lái)查找系統(tǒng)中的電能‘漏失’，明顯浪費(fèi)了人力資源;(3)復(fù)雜性，嵌入式軟件正變得日益復(fù)雜，因而增加了內(nèi)存要求、能量預(yù)算和產(chǎn)品上市時(shí)間;(4)未來(lái)開發(fā)，客戶依賴于一個(gè)可擴(kuò)展的產(chǎn)品系列，以在未來(lái)項(xiàng)目中能重復(fù)使用之前的硬件與軟件。

刁勇先生表示：TI整體超低功耗MCU平臺(tái)的設(shè)計(jì)初衷是節(jié)省能源并實(shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)電池的世界，不斷解決用戶問題。針對(duì)以上問題，TI采取的相應(yīng)對(duì)策。

超低功耗(ULP)架構(gòu)。MSP430 FRAM MCU是業(yè)界功耗最低的MCU，與采用Flash的MSP430相比，其功耗降低了一半。具有集成式液晶顯示驅(qū)動(dòng)器以延長(zhǎng)電池壽命，超低運(yùn)行功耗，對(duì)比度保持均衡的LCD待機(jī)功耗極低，精確實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)電流低于1 µA。

作為一個(gè)普通消費(fèi)者，記者特別了解了一下“對(duì)比度保持均衡”的問題?？照{(diào)遙控器之類的顯示控制器在電池快沒電之前，顯示碼會(huì)變暗，影響了用戶的使用。TI MSP430FR4x/ FR2x有一個(gè)片上電荷泵，使得不管電池提供的電壓是多少，輸入到所有LCD驅(qū)動(dòng)的電壓是恒定的，這樣對(duì)比度就會(huì)很好地控制了。夏總表示：“我們的產(chǎn)品即使是在待機(jī)的時(shí)候，還能正常顯示溫度、風(fēng)量等需要的信息，同時(shí)電池放得再久、時(shí)間再長(zhǎng)，也要達(dá)到與正常使用時(shí)是一致的，對(duì)比度不會(huì)下降。”

EnergyTrace技術(shù)。使用MSP430FR4133 LaunchPad或MSP-FET編程器/調(diào)試器，可免費(fèi)提供獨(dú)特的能量測(cè)量技術(shù)，開發(fā)人員可輕松對(duì)代碼執(zhí)行作出明智判定并基于功率分布圖進(jìn)行優(yōu)化。夏經(jīng)理表示：“開發(fā)人員最大的問題不是解決問題，而是根本找不到問題所在。”EnergyTrace能夠幫助他們看在每一步、每一個(gè)時(shí)間段、每一個(gè)外設(shè)的功耗，問題馬上無(wú)所遁形。夏總說他之前去拜訪一個(gè)客戶，對(duì)方花了2個(gè)月時(shí)間去找功耗問題，用了EnergyTrace以后，1天就找到問題，真是相見恨晚。

集成式LCD和紅外(IR)邏輯。片上LCD控制器和IR調(diào)制邏輯可簡(jiǎn)化硬件配置和軟件設(shè)計(jì)，軟件可配置引腳能簡(jiǎn)化LCD板布局，紅外IR調(diào)制硬件則可減少軟件需求。

管腳的靈活配置是針對(duì)中國(guó)用戶需求而特別設(shè)計(jì)的。夏總表示：“國(guó)外電路板現(xiàn)在都是6~8層板為主，而中國(guó)用戶用的最多的還是單層板和雙層板，布局太麻煩。既要用LCD，又要有存儲(chǔ)的接口，還要復(fù)位鍵，MSP430FR4133 LaunchPad的好處是40個(gè)管腳通過軟件任意地選，這樣到下一代產(chǎn)品電路板很難布局的時(shí)候，只需要把軟件改一下。這樣的自由配置驚呆了我們的小伙伴們。因?yàn)樗麄冃薷碾娐钒逵布脑O(shè)計(jì)、驗(yàn)證、生產(chǎn)，周期最快也要兩周，而TI可以幫助他們無(wú)需改動(dòng)硬件的布局，用軟件就能實(shí)現(xiàn)。我個(gè)人對(duì)我的開發(fā)團(tuán)隊(duì)非常地自豪。這是在針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的需求，在中國(guó)定義、中國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成的。我們寫了一個(gè)可配置的邏輯，這個(gè)確實(shí)是很挑戰(zhàn)，既要集成模擬也要集成數(shù)字的，可以集成在一個(gè)I/O口上。另外我們也談到了紅外遙控器，我們說最低功耗的LCD控制器，這就是說我們?cè)诖龣C(jī)模式的時(shí)候是要看工作的，而且是最低的功耗。”

可擴(kuò)展的產(chǎn)品組合。TI的MSP430產(chǎn)品組合現(xiàn)在可提供基于4 KB ~128 KB FRAM的超低功耗MCU。這個(gè)也是一個(gè)亮點(diǎn)，用戶可以用軟件按需將芯片內(nèi)部的FRAM自由配置為Flash、SRAM、EEPROM三者任意的組合以及所占的內(nèi)存比。針對(duì)不同應(yīng)用開發(fā)，提供超過10種封裝形式。100多種FRAM MCU已投入批量生產(chǎn)，并且引腳和代碼兼容。

應(yīng)用亮點(diǎn)

MSP430 FRAM MCU適用的應(yīng)用包括智能計(jì)量?jī)x表、遙控器、能量收集、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)和遠(yuǎn)程傳感器等，適用于需要延長(zhǎng)電池壽命、擴(kuò)展產(chǎn)品功能同時(shí)又要縮短開發(fā)周期的開發(fā)人員。

夏總舉例到：“針對(duì)智能計(jì)量應(yīng)用，例如智能水表，現(xiàn)在的新需求是用鈕扣電池讓其工作8年以上。再如在工業(yè)控制上，不能每天在管道里面拿一個(gè)表測(cè)一次，而是做一個(gè)浮動(dòng)流量劑放在管道中進(jìn)行計(jì)量，并保證工作10年，這對(duì)低功耗的要求是非?？量痰?。”[!--empirenews.page--]

如今熱門的是智能家居或者物聯(lián)網(wǎng)，最終用戶關(guān)心的是什么?是人機(jī)界面?，F(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì)是洗衣機(jī)、空調(diào)這些白色家電都可以通過ZigBee或者Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)(TI在這兩方面都有強(qiáng)大的產(chǎn)品)，用戶可以通過遠(yuǎn)程來(lái)控制家電，同時(shí)能衡量家電的能耗。以冰箱為例，我們?cè)趺礃庸?jié)約能源?現(xiàn)在比較流行的是三層冰箱：冷藏、冷凍、零度，目前大多只求是否達(dá)到溫度效果，往往會(huì)出現(xiàn)過量供電的現(xiàn)象，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。通過一個(gè)數(shù)據(jù)采集和控制就會(huì)達(dá)到一個(gè)很好的能量分配，能進(jìn)一步地節(jié)省能源，同時(shí)可以通過遠(yuǎn)程控制或者信息采集自動(dòng)地把過去幾個(gè)月的冰箱使用習(xí)慣、洗衣機(jī)的使用習(xí)慣等搜集起來(lái)，反饋給家電，讓它進(jìn)行智能的控制。

下圖上為智能水表的演示，中左圖為遙控器演示、中右為空調(diào)遙控器LCD顯示的演示、最下部圖為簡(jiǎn)單的觸摸演示。

圖3 案例演示

FRAM與低功耗的“密戀”

很多人會(huì)問，F(xiàn)lash用了十幾年了，為什么說FRAM好?TI為什么投入了大量的人力物力在鐵電存儲(chǔ)器上?夏總說是因?yàn)樗_實(shí)是革命性的創(chuàng)新。

MCU的功耗主要包括4種。待機(jī)功耗:大多數(shù)電池供電型應(yīng)用要將使用壽命中超過80%的時(shí)間花費(fèi)在電源備用模式，間歇性地喚醒以實(shí)現(xiàn)低占空比。模擬功耗(外設(shè)功耗):微控制器應(yīng)用通過LCD等復(fù)雜的外設(shè)添加功能。數(shù)據(jù)寫入功耗:微控制器應(yīng)用經(jīng)常在非易失性存儲(chǔ)器中記錄數(shù)據(jù)以滿足應(yīng)用中的需求。運(yùn)行處理功耗: 電池供電型應(yīng)用通常將CPU用于決策、基礎(chǔ)數(shù)學(xué)和控制。

就像EEMBC所測(cè)得的ULP-Bench值一樣，TI MSP430 FRAM MCU這4種功耗綜合起來(lái)是最低的。其中除了MSP430本身具有的低功耗DNA以外，F(xiàn)RAM所起的作用最大，其優(yōu)勢(shì)包括：可寫入更多，寫入速度比閃存快100倍，擁有無(wú)限的可擦寫次數(shù)(1015)，能延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命并淘汰EEPROM;可降低功耗，寫入時(shí)的能耗比閃存低250倍，能延長(zhǎng)電池壽命，通過縮短內(nèi)存更新時(shí)間，最大限度地降低無(wú)線系統(tǒng)功耗;可簡(jiǎn)化開發(fā)，簡(jiǎn)單易用，具有無(wú)與倫比的靈活性遷移指南、代碼示例和應(yīng)用手冊(cè)可加速設(shè)計(jì)。

關(guān)于FRAM的低功耗原理，記者從之前對(duì)TI相關(guān)人士的采訪中簡(jiǎn)單地得到了一些，僅供參考。一般的MCU通常用Flash(閃存)存儲(chǔ)代碼，用EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)需要對(duì)片上Flash 擦寫時(shí)，MCU內(nèi)部需要專門的升壓電路將電源電壓(通常為3.3 V)升至15 V，才能執(zhí)行Flash擦寫操作，因此，MCU在寫Flash的時(shí)候是特別耗電的。FRAM在執(zhí)行擦寫時(shí)不需要升壓到15 V，可以直接寫，而且FRAM寫入速度比一般的Flash快了近1 000倍。基于FRAM的上述兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，MCU在寫FRAM時(shí)的功耗是MCU寫Flash時(shí)功耗的1/250，實(shí)現(xiàn)了最低的內(nèi)存功耗。

MSP430和FRAM兩者對(duì)低功耗的完美詮釋，成就了TI今天的“金剛狼”系列，至于是否會(huì)逐漸把FRAM推廣到其他MCU，我們也將拭目以待。