Giảm số lượng chân MCU của bạn: Chuyển các tác vụ analog sang GreenPAK

Việc các nhà thiết kế cố gắng dồn mọi thứ vào một bộ xử lý duy nhất là điều quá phổ biến, và điều này đặc biệt đúng với vi điều khiển. Các vi điều khiển ngày nay tích hợp nhiều giao diện và tính năng đa dạng, thường được phát triển phối hợp với các khách hàng lớn hoặc để hỗ trợ những ứng dụng cụ thể. Điều này khiến số lượng chân của nhiều vi điều khiển phổ biến trở nên cao một cách không cần thiết, và các linh kiện này cũng thường có kích thước vật lý khá lớn để chứa được số chân đó.

Nếu vi điều khiển của bạn đang được dùng trong một hệ thống tín hiệu hỗn hợp và bạn đang sử dụng các chân analog của nó, hãy cân nhắc chuyển toàn bộ phần xử lý analog đó sang một bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp. Những linh kiện này có thể giúp giảm tổng chi phí BOM bằng cách giảm kích thước vi điều khiển cần dùng.

Những chân MCU nào bạn có thể loại bỏ?

Những ứng viên đầu tiên là các chân hỗ trợ những chức năng analog hoặc logic tương đối đơn giản, không cần MCU xử lý trực tiếp. Một GreenPAK có thể nằm giữa mạch ngoài và MCU, thực hiện việc điều hòa tín hiệu hoặc đưa ra quyết định cần thiết, rồi cung cấp cho bộ xử lý một số lượng nhỏ hơn các kết quả số. Điều này có thể loại bỏ các đầu vào analog chuyên dụng và giảm số GPIO bị dùng cho các chức năng phụ trợ.

Các ứng viên điển hình bao gồm:

• Đầu vào bộ so sánh analog dùng để phát hiện ngưỡng  
• Đầu vào GPIO dùng cho công tắc, nút nhấn hoặc tín hiệu trạng thái rời rạc  
• Đầu ra GPIO dùng cho tín hiệu cho phép, reset hoặc các tín hiệu điều khiển đơn giản  
• Đầu vào ngắt được tạo ra từ nhiều điều kiện bên ngoài  
• Đầu ra PWM dùng cho các chức năng định thời hoặc điều khiển lặp lại  
• Tín hiệu reset và giám sát  
• Đầu vào xung, tần số hoặc phát hiện cạnh  
• Các tín hiệu trình tự và liên động đơn giản

Các chức năng bộ so sánh là mục tiêu đặc biệt hữu ích. Nếu MCU chỉ đang lấy mẫu một điện áp analog để xác định xem nó cao hơn hay thấp hơn một ngưỡng, thì quyết định đó có thể được thực hiện ở bên ngoài. Khi đó, GreenPAK có thể cung cấp một trạng thái số hoặc tín hiệu ngắt, cho phép việc chọn MCU dựa trên các giao diện và tài nguyên xử lý mà ứng dụng thực sự cần.

Việc gom nhóm GPIO có thể tạo ra kết quả tương tự. Nhiều tín hiệu trạng thái hoặc điều khiển có thể được kết hợp thông qua logic cấu hình được, bộ định thời, bộ đếm và các phần tử trạng thái trước khi đến MCU. Thay vì phải cấp từng chân bộ xử lý riêng cho mọi sự kiện, GreenPAK có thể phân loại các sự kiện đó và chỉ báo cáo những điều kiện thực sự cần firmware xử lý.

Mức độ giảm số chân phụ thuộc vào ứng dụng, nhưng mục tiêu kiến trúc thì rất rõ ràng. Việc giám sát analog lặp đi lặp lại và điều khiển tất định không nên buộc bạn phải dùng gói MCU lớn hơn khi các chức năng đó có thể được triển khai trong một thiết bị tín hiệu hỗn hợp nhỏ.

Chuyển xử lý tín hiệu mức thấp ra khỏi MCU

Giảm số chân chỉ là một phần lợi ích. Nhiều hệ thống tín hiệu hỗn hợp cũng khiến MCU phải gánh các tác vụ xử lý lặp lại mà thực ra không cần firmware. Việc xác nhận ngưỡng, khử dội công tắc, đếm xung, tạo trễ, phát hiện cạnh và các chuyển trạng thái đơn giản có thể được triển khai bằng các khối phần cứng cấu hình được và chạy độc lập với bộ xử lý.

Bộ phát hiện ngưỡng là một ví dụ điển hình. Một bộ so sánh analog có thể phát hiện khi cảm biến vượt qua một mức xác định, trong khi một bộ định thời có thể yêu cầu điều kiện đó phải duy trì hợp lệ trong một khoảng thời gian được chỉ định. Sau đó logic có thể tạo ra một tín hiệu ngắt duy nhất cho MCU. Điều này thay thế việc lấy mẫu ADC liên tục, so sánh bằng phần mềm và mã định thời bằng một chức năng phần cứng chỉ tạo ra đúng sự kiện mà firmware cần.

Phần cứng tương tự cũng có thể xử lý việc khử dội nút nhấn, xác nhận độ rộng xung, đếm tần số hoặc sự kiện, tạo tín hiệu enable có trễ, định thời reset và trình tự cấp nguồn. LUT và các phần tử trạng thái cũng có thể kết hợp nhiều điều kiện số thành các liên động hoặc các trạng thái điều khiển đơn giản. Những chức năng này có tính tất định và nhìn chung không thu được lợi ích gì khi triển khai dưới dạng các vòng lặp firmware.

Việc chuyển các chức năng này ra khỏi MCU làm thay đổi cách chọn linh kiện ở cấp độ hệ thống. Bộ xử lý không còn cần đủ số kênh ADC, tài nguyên timer hoặc GPIO để đáp ứng trực tiếp mọi giao diện mức thấp. Khi đó, một MCU nhỏ hơn có thể đảm nhiệm truyền thông, điều khiển cấp cao hơn và mã ứng dụng, trong khi GreenPAK xử lý các chức năng tín hiệu hỗn hợp cục bộ gần với mạch tạo ra chúng.

Dùng GreenPAK để giảm yêu cầu tài nguyên MCU

GreenPAK có thể tiếp nhận nhiều chức năng mức thấp vốn sẽ tiêu tốn chân MCU và tài nguyên ngoại vi. Các quyết định của bộ so sánh, tạo reset, khử dội công tắc, phát hiện xung, định thời, trình tự, và logic đơn giản đều có thể được xử lý trước khi tín hiệu đến bộ xử lý. Khi đó MCU sẽ nhận được số lượng đầu vào số đã được phân loại ít hơn thay vì mọi tín hiệu thô trong hệ thống.

Điều này có thể ảnh hưởng trực tiếp đến việc chọn MCU. Một thiết kế ban đầu cần nhiều đầu vào ADC, kênh timer, chân ngắt và GPIO có thể chuyển sang dùng bộ xử lý nhỏ hơn sau khi các chức năng đó được gom lại. GreenPAK cũng có thể phân loại sự kiện, kết hợp nhiều điều kiện và tạo đầu ra định thời mà không cần firmware thăm dò liên tục.

Các công cụ Go Configure hỗ trợ cấu hình những chức năng analog, định thời và logic này. Các kỹ sư có thể kết nối bộ so sánh, LUT, bộ đếm, bộ định thời, flip-flop và tài nguyên GPIO theo luồng tín hiệu cần thiết, xác định ngưỡng và hành vi định thời, mô phỏng logic kết quả và nạp cấu hình vào thiết bị GreenPAK đã chọn.

Để tìm hiểu thêm, hãy xem các linh kiện GreenPAK và các ví dụ tham khảo.

• Tìm hiểu thêm về các linh kiện GreenPAK
• Xem các thiết bị và giải pháp AnalogPAK

Dù bạn cần xây dựng hệ thống điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới do Altium cung cấp để hiện thực hóa các giải pháp GreenPAK của bạn. Altium mang đến nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, hoàn chỉnh với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các đội ngũ thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!