工業(yè)用可攜式裝置須同時(shí)兼具低功耗、高可靠度和高性能要求，因此設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，須選用支援低電壓操作與具備時(shí)脈監(jiān)控功能的工規(guī)微控制器（MCU），以延長(zhǎng)可攜式產(chǎn)品電池使用壽命，同時(shí)避免因頻率不穩(wěn)而造成性能降低的問(wèn)題發(fā)生。

　　工業(yè)領(lǐng)域中的可攜式應(yīng)用均要求低功耗、高可靠度和高性能。這類(lèi)工業(yè)應(yīng)用的例子包括條碼器、出貨數(shù)據(jù)記錄器、高速公路追蹤設(shè)備、降噪耳機(jī)、小型馬達(dá)控制以及電池充電器。

　　那么，設(shè)計(jì)人員如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)？本文將介紹最新的工業(yè)應(yīng)用微控制器（MCU）特性和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以協(xié)助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)上述要求。

　　使微控制器在盡可能長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持最低功耗是維持電池壽命的主要目標(biāo)。運(yùn)行速度快、喚醒時(shí)間短也就意味著平均功耗低（圖1）。微控制器在高功率狀態(tài)下完成工作的速度越快，保持低功耗狀態(tài)的時(shí)間就越長(zhǎng)。

　　圖1 MCU電流消耗與時(shí)間曲線

　　支援低電壓工作　微控制器省電性能更出色

　　但是，要延長(zhǎng)電池壽命，降低功耗只完成一半，還應(yīng)充分利用電池。為此，採(cǎi)用能支援低電壓工作的微控制器是非常重要的。圖2顯示勁量（Energizer） 提供的鹼性電池和鈕扣式鋰電池在典型數(shù)據(jù)記錄器中的使用壽命。此應(yīng)用大多數(shù)時(shí)間處于低功耗狀態(tài)，偶爾喚醒以處理資訊。鹼性AAAA電池的建議保存期為5 年。可以看到，鹼性電池和鋰電池均從低工作電壓中受益。在此例中，以1.8伏特（V）工作的微控制器與等效的2伏特微控制器相比，1.8伏特的微控制器會(huì)額外增加6個(gè)月的電池壽命，這也顯示出低電壓微控制器在可攜式應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)。

　　圖2 數(shù)據(jù)記錄器電池性能範(fàn)例　資料來(lái)源：Energizer @Eveready Battery Company， Inc.

　　時(shí)脈監(jiān)視器提升MCU可靠度

　　設(shè)計(jì)高性能和穩(wěn)定的工業(yè)應(yīng)用的另一注意事項(xiàng)是微控制器的振蕩器（Oscillator）特性，其重要性經(jīng)常被低估。振蕩器特性會(huì)影響許多方面，包括性能、系統(tǒng)成本、可制造性和可靠性。

　　新型微控制器以更高的速度工作，并且能夠在沒(méi)有外部時(shí)脈源的情況下使內(nèi)部時(shí)脈全速運(yùn)行，內(nèi)部時(shí)脈也可提供多種時(shí)脈頻率的選擇。這樣軟體可以隨著電壓下降而切換到較低頻率，以保持在工作規(guī)范范圍內(nèi)，或者在連接外部電源后提高速度。

　　制造過(guò)程中另一個(gè)常見(jiàn)挑戰(zhàn)是石英晶體振蕩器有時(shí)不能產(chǎn)生可靠的起振或起振時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。造成這問(wèn)題的常見(jiàn)原因有元件品質(zhì)變化、助焊劑殘留和布線疏忽。選擇高品質(zhì)石英晶體振蕩器以及實(shí)施布線和測(cè)試技術(shù)（如負(fù)電阻測(cè)試）可以避免很多問(wèn)題，這些技術(shù)可從石英晶體振盪器和微控制器制造商處獲取。此外，對(duì)低頻電路的可配置偏壓亦可解決上述問(wèn)題。此舉將允許增加偏壓，以確保在各種條件下石英晶體振蕩器均能可靠起振，或者減少偏壓以降低功耗。這些額外的努力將幫助制造商避免類(lèi)似棘手問(wèn)題。

　　故障保護(hù)時(shí)脈監(jiān)視器為提高時(shí)脈振蕩可靠性的出色功能，其可持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)脈振蕩。一旦錯(cuò)過(guò)幾次振蕩，它會(huì)自動(dòng)將時(shí)脈源切換到內(nèi)部振蕩器，并讓中央處理器（CPU）進(jìn)入中斷函數(shù)處理此事件，如此一來(lái)，微控制器可保持關(guān)鍵功能并執(zhí)行有序關(guān)閉。

　　盡管低電壓微控制器經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可用于高可靠性應(yīng)用，但有時(shí)仍需要5伏特電壓以維持工作。低電壓微控制器可以簡(jiǎn)化電路板布線、提高抗雜訊能力并提高對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的支持，但是，隨著設(shè)計(jì)尺寸減小，新的5伏特微控制器的可用性也在降低。芯片制造商意識(shí)到對(duì)這些元件的需求仍然很大，因而開(kāi)發(fā)出新的高電壓工作技術(shù)，找到了使更小、更廉價(jià)的微控制器以較高電壓運(yùn)行的新方法，這對(duì)于尋求5伏特工作優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息。

　　為了進(jìn)一步提高抗雜訊能力，介面和周邊接腳使用多個(gè)輸入緩沖器，盡管緩沖器在同一個(gè)接腳上共用，不同的功能可能有不同的輸入類(lèi)型。舒密特觸發(fā)器 （Schmitt Trigger）的輸入可提供比同類(lèi)電晶體-電晶體邏輯（TTL）元件更寬廣的輸入臨界值范圍，并可提高系統(tǒng)的雜訊容限。

　　較高的端口驅(qū)動(dòng)能力是另一個(gè)重要的電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。這不僅僅直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極體（LED），較高的端口驅(qū)動(dòng)能力可以防止容易引入雜訊的電路（如開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器和高速脈波寬度調(diào)變（PWM）訊號(hào)）附近產(chǎn)生無(wú)用耦合，但潛在的代價(jià)是會(huì)增大輻射雜訊，接腳上的小型RC濾波器將有助于抵消這些效果，同時(shí)保持高驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)勢(shì)。