適用于智能電池的微控制器存儲器技術 (轉)
適用于智能電池的微控制器存儲器技術
Microchip公司 Ron Cates  
  
  大多數智能電池都要用到微控制器(MCU).MCU的體系結構不但會影響電池本身的性能,甚至會間接影響到電池供電的設備.因此,設計人員在選擇MCU時不能掉以輕心,必須要考慮到多方面的因素,像價格、處理速度、代碼兼容性、可移植性,以及是否有實用的應用資料、在相關產品中的應用情況、開發環境的多寡都是決策時的重要依據.

  程序存儲器的類型——如ROM,EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)和Flash——也是要考慮的一個因素.對于某一類應用,各種存儲器都有其優點和不足.顯然,如果一個微控制器廠商的產品品種比較全,包含了各種類型的存儲器,那么在選用其器件時的余地就很大,可以最大程度地滿足具體項目的需要.

  有些電池的充電算法和控制程序一旦確定就不會輕易改變,這種電池適合使用帶ROM(只讀存儲器)的MCU.ROM的內容是由器件廠商在生產過程中用掩膜的方式編程的,根據訂貨周期和制造成本的不同,掩膜的工藝會有一些差別.通常,源程序送交器件廠商后4到6周即可拿到樣片,正式產品的訂貨周期為6到12周,而且有最小批量的要求(10~20千只).ROM的制作工藝復雜度最低,硅片處理費用也是最低的.由于掩膜后芯片內容不能更改,所以這種方式制成的芯片只能供特定的用戶、特定的產品使用.這種技術非常適合那些技術成熟、生產周期長、更新換代慢、不需要任何改進的產品.

  很多時候,電池供電產品本身需要不斷改進,而且要適應不同電池廠商的電池,為了提高設計的靈活性,比如經常調整充電算法,就需要使用能夠自行編程的MCU微控制器,OTP(一次性可編程)技術和 Flash技術應運而生.

  OTP類型的MCU使用起來比較靈活,既可以由MCU廠商掩膜生產,也可以在產品裝配時逐個編程,即使器件已經裝配到電路板上,也可以對其編程.由于OTP MCU是標準產品,因此訂貨批量方面也比較靈活.OTP技術非常適合用于市場變化快、開發周期短、更新換代迅速、產品市場壽命短并且不需要大規模改動的產品.OTP MCU采用業界標準的在線編程(in-circuit programming,ICP)技術,對程序的改動可以存放在EPROM空閑的存儲單元中,這為可編程應用產品增加了適應性.

  Flash類型的MCU可以多次編程,使用時更加靈活,升級換代時也更加方便.一個系統產品運行一段足夠長的時間后(通常不短于3年),維護就會成為很重要的問題.在進行局部改進前應該全面考慮各種因素,比如要開發改進程序、設計更多的接口、防止編程失敗時系統崩潰以及更新過程中的容錯/糾錯等等.智能電池常常要調整內部MCU的充電算法和剩余容量測量算法,因此Flash技術適用于SMBus(Smart Battery Bus,智能電池總線)這樣的應用.

  Flash存儲器的編程時間比較長(通常10ms,EPROM為10 μs),會影響大批量生產的速度.為了獲得與OTP器件相當的生產率,生產商必須大大提升編程工序的效率.另外,Flash存儲器雖然在可多次編程方面優于OTP存儲器,但是,實現系統級MCU存儲器讀寫會增加產品的復雜度,因此到目前為止,并沒有多少產品用到Flash存儲器的現場更新功能.使用這種功能的產品必須要能適應更新過程中可能發生的各種情況,比如調制解調器信道中斷,或者電源在擦除操作前/后中斷等等.采用Flash技術的產品在進行更新時,通常需要廠家指派現場工程師來配合,以解決各種可能出現的問題.

  在構思現場可編程設計方案時應該知道,出眾的CPU性能對于MCU的應用靈活性是至關重要的.業界有一種觀點,認為微控制器中的CPU只是用于控制外圍電路完成控制功能,于是將微控制器硅片的大部分面積都設計成外圍模塊,CPU性能則較低. 另外一些微控制器的技術路線正好相反,將設計重點放在了CPU性能上,利用空閑的I/O引腳和程序存儲器實現軟件模擬功能,可以用軟件來模擬諸如UART、PWM發生器等外圍電路,增加功能的同時并沒有增加成本.

  假如要對已經安裝在電路板上的OTP器件或Flash器件進行編程操作,那么在線串行編程(In-Circuit Serial Programming,ICSP)技術是非常理想的選擇.有了ICSP技術,產品在裝配前不再必須經過編程過程,可以加快生產速度.

  要讓用戶發揮現場編程器件的靈活性,必要的一點就是提供通用的、多種語言版本的開發工具.如果用戶總是要花費很多時間去熟悉同一種器件的不同版本的開發工具,那么用戶的應用水平就難以很快提高.

  用同樣數目的引腳提供更大的內存空間,這是一項很好的功能.近幾年來,用戶對于程序存儲器和數據存儲器容量的需求在迅速擴大,不過很多MCU系列并沒有推出改進型產品.這里再次提醒讀者,應該選擇那些能提供多種程序存儲器類型和大小的生產商.

  設計智能電池時,除了要注意選擇恰當的MCU存儲器之外,還要認真考慮集成的外圍電路.目前有不少微控制器廠商都在MCU內集成了成熟的模擬電路,例如PIC16C774型MCU就帶有1個12位模數轉換器、1個可編程節電復位器、1個可編程電源電壓監測器和1個電壓基準.采用這些功能完善的芯片,可以在顯著提高產品綜合性能的同時,減少器件數目,縮小電路板尺寸,降低產品綜合成本.除了那些帶有模擬電路的器件外,還有些模擬集成電路可以獨立實現某種充電算法,只需要改變外接電阻的大小就可以調整充電參數.當然,采用類似MCU內核的專用電池充電芯片也已經出現,不過這種芯片不能由用戶編程.

  智能電池的設計者在選擇MCU的存儲器類型時要考慮多方面的因素,因為ROM、OTP和Flash三種技術各有其優點和不足.有經驗的設計者會選擇那些能夠提供多種存儲器類型的廠商,為產品選出最恰當的MCU.