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簡化復雜設計

（2025年5月10日更新）

現在，運行實時操作系統（RTOS）大型32位單片機（MCU）和微處理器（MPU）它越來越受歡迎。然而，如果使用大型單片機處理復雜的應用程序，在執行小型背景處理任務時可能會遇到CPU雖然這些任務在資源方面并不復雜，但它們非常耗時。8位和16位MCU小型設備可用于減輕32位設備的工作負荷。

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想象一下這樣一個例子：32位MCU用于控制娛樂系統、環境照明和空調等非安全功能。為了處理與這些功能相關的所有任務，必須分配這32位設備的資源。此類任務還包括測量駕駛室多點溫度、打開/關閉空調系統、更新圖形顯示、處理用戶輸入、調整照明條件和播放音樂。即使是大型32位設備，這些工作量也太重了。

然而，如果32位設備將部分任務負載轉移到幾乎不需要監控的子處理器，每個子處理器只負責1或2個任務，那么這些任務將更容易管理。這可以釋放到主處理器上CPU從而降低軟件的復雜性，提高性能，縮短執行時間。

這個解決方案類似于單片機中的外設。外設是一個特殊硬件的小模塊，可以添加新功能（如操作放大器或模數轉換器），也可以減少給定功能的執行CPU必須承擔的工作量。在某些情況下，初始化后，外設可以獨立于CPU運行。

為了說明外設的優點，我們生成脈寬調制（PWM）信號為例。在沒有特殊外設的情況下產生PWM，只需將I/O線設為高電平，等待一定數量的周期，將其設為低電平，等待一段時間，然后重復操作。會占很多CPU對于某些功能(如周期)RTOS）難以可靠執行。相比之下，PWM外設允許CPU設置所需的波形參數，同時執行其他任務。

本文介紹的第一個示例說明了減少CPU密集型任務負荷的優點。在這種情況下，使用了8位MCU來創建I/O擴展器。I/O擴展器并不復雜；然而，它們會占用很多，因為它們需要經常中斷。CPU時間。使用專用MCU為了完成這項任務，可以減少大型32位設備I/O需要處理的中斷次數。此外，I/O軟件中可以設置擴展器的功能集，因此支持定制和調整應用程序。

本文的第二個例子是創建獨立性CPU電壓頻率（V/F）例如，轉換器顯示了獨立于內核的外設的性能。CPU唯一的功能是初始化外設，并將調試打印信息發送到UART。在大系統中，當V/F在后臺運行時，CPU另一個簡單的任務可以執行。

I/O擴展器

使用8位MCU創建I/O擴展器最大的優點是提高靈活性。I/O擴展器ASIC設備中嵌入了功能集，MCU它的行為可以根據其執行軟件來定義。這種靈活性是基于MCU版本可以滿足最終應用程序的需要。

實現高級I/O擴展器

高級設備內部I/O基于搜索表的結構，擴展器運行。虛擬地址將在讀取或寫入之前發送。該地址與單片機上的寄存器無關——僅針對搜索表。這意味著不在單片機硬件寄存器中的功能可以透明地添加。此外，表格中的條目也可以根據特定用途輕松重新排列。該結構的另一個優點是可以向搜索表添加權限。例如，要創建一個只讀寄存器，只需省略搜索表的寫作條目。

存儲器中的存儲器

MEM OP也可以將GPIO編譯時設置的參數是配置重置。

注：并非所有字段都可用于所有操作

MEM OP的功能

此外，還可以選擇將單片機設置為上電時的加載和保存設置。如果可以，單片機將嘗試加載配置0中的設置。如果配置驗證失敗，MCU將恢復到編譯常數。如果不需要，可以在軟件中禁用此功能。

解決方案的要點

基于MCU解決方案的優點是靈活性極佳。在市場上ASIC我們可以做不同的事情MCU特定于應用場景的非標準功能配置。該應用程序針對通用PIC16F15244系列MCU開發。

如果您需要深入了解實現或想嘗試此示例，請參見源資源庫中的示例README此外，還提供帶有文件的文件。Arduino的高級I/O演示擴展器。

電壓頻率（V/F）轉換器

通過減少材料清單（BOM）電壓頻率轉換器可以改進傳統的模擬解決方案，從而降低設計面積。市場上有很多V/F轉換器只需配備外部電阻和電容即可運行，而單片機只需使用通用的去耦和上拉組件(所有MCU必要組件)即可運行。

TC9400/TC9401/TC9402 10 Hz至100 kHz V/F轉換器的應用原理圖

MCU采用獨立于內核的外設和功能組合，而不是數字化模擬技術。MCU模數轉換器采用內部計算功能（ADCC）測Lumissil代理量輸入信號，然后分頻時鐘信號，創建可變頻率輸出。在這個例子中，外設設置在初始化后獨立CPU操作。這意味著，CPU可用于最終應用中的其他任務。

對于基于MCU挑戰是性能不如模擬解決方案。輸出本身的分辨率ADCC的限制。表面上看，ADCC它是12位，但它將以14位分辨率運行，具體取決于程序的配置模式。同樣，數控振蕩器用于合成輸出頻率（NCO）分辨率有限，輸出中可能會有抖動，這取決于ADC測得的值。

基于MCU解決方案可分為模擬采樣模塊、輸出振蕩器模塊和占空比發生器三個不同的外設模塊。

解決方案框圖

模擬采樣模塊

實現模擬采樣模塊

模擬采樣模塊負責模數轉換。在設備頻率限制下實現1000 kHz輸出，已將ADCC配置為過采樣，然后通過平均處理得到14位結果。

這種過采樣配置有一個缺點，即在結果中增加額外的統計噪聲，可以通過計算采樣平均值和增加滯后來補償噪聲。為了實現滯后，可以使用ADCC閾值中斷功能。(為了簡單起見，我們只會介紹如何使用閾值中斷功能的細節。

在ADCC采樣平均值計算完成后，將獲得的值與外設中的設定值寄存器進行比較。如果兩者之間的差異大于或小于設定閾值，則觸發中斷。CPU它可以在不受影響的情況下阻止中斷，但中斷會觸發直接存儲器訪問（DMA），將平均值處理的過采樣結果復制到ADCC設定值寄存器滯后。如果不超過閾值，則不會發生DMA復制，以免觸發輸出振蕩器模塊DMA更新。

輸出振蕩器模塊

結構輸出振蕩器模塊

該解決方案的輸出振蕩器模塊負責以所需的輸出頻率產生時鐘信號。輸出信號連接到內部的空比發生器。該組件將輸出頻率減半，但將產生50%的空比輸出。因此，輸出振蕩器模塊以輸出頻率的兩倍運行。

輸出振蕩器模塊的核心是數控振蕩器（NCO）。NCO外設的工作原理是在輸入時鐘的上升沿累加器增加增量值，然后根據累加器溢出導出外設的輸出。NCO請參見數據手冊的完整說明。

在這個例子中，已將NCO2設置內部創建所需的輸入時鐘頻率，通過14位輸入獲得100 kHz輸出。使用14位結果的原因是ADCC12位本身的結果不足以在沒有外部時鐘源的情況下產生100 kHz輸出。

ADC結果

NCO1輸出(翻倍)

輸出頻率

0x0000

0 Hz

0x0001

12.2 Hz

6.1 Hz

0x0100

3.1 kHz

1.6 kHz

0x1000

50 kHz

25 kHz

0x3FFF

200 kHz

100 kHz

100 kHz V/F轉換器的理想輸出(看門狗已關閉)。

如果改變NCO如果2的輸出頻率或使用備用源，則將輸出頻率調整到不同的輸出范圍。例如，如果NCO2的頻率降低到1.28 MHz，最大輸出為10 kHz。

ADC結果

NCO1輸出頻率(翻倍)

輸出頻率

0x0000

0 Hz

0x0001

1.2 Hz

0.6 Hz

0x0100

312.5 Hz

156.3 Hz

0x1000

5 kHz

2.5 kHz

0x3FFF

20 kHz

10 kHz

10 kHz V/F理想輸出轉換器(看門狗已關閉)。

發生器占空比

占空比發生器框圖

該解決方案的空比發生器模塊負責創建50%的空比輸出。這是一個可直接使用的可選功能NCO輸出，但這樣做會增加比例的變化。

該生成器使用可配置邏輯單元（CLC）實現。CLC可配置邏輯的小模塊類似于現場可編程門陣列（FPGA）單元。CLC例如，可用作離散邏輯門AND-OR或OR-XOR），鎖定器或觸發器也可配置。在解決方案中，CLC實現帶復位功能J-K觸發器。J和K保持在邏輯高電平。用于觸發器的時鐘輸出振蕩器模塊。每次輸入時鐘脈沖都會導致輸出翻轉，從而產生50%的空比。注：輸出振蕩器模塊的頻率抖動會影響空比。

Timer 6用作不穩定的看門狗定時器。如果輸出沒有邊緣（上升或下降邊緣），定時器將溢出并發送時鐘脈沖CLC，這可以控制輸出頻率范圍的下限。輸出轉向定時器頻率的一半(輸出為6 Hz），而不是直流。

解決方案的要點

該示例表明，外部集成電路通常必須使用硬件外設來創建獨立于核心的功能。該配置的最大優點之一是，外設操作可以在軟件中設置，以便根據最終應用程序輕松設置使用調整示例。由于使用了大量的外設，選擇了PIC18-Q43系列MCU實現這個例子。

詳見示例資源庫中的示例資源README文檔。此外，示例資源庫還包括在同一設備上實現頻率電壓轉換器的實現。

總結

雖然高性能單片機和微處理器都有一席之地，但在執行小型專項任務時，有8位和16位MCU作用不容低估。這類任務不一定很復雜，但可能很耗時，或者是關鍵的時間任務。任務負荷減輕后，32位設備可以更容易地實現，從而提高可靠性，降低存儲占用率，降低功耗。