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微控制器設計的挑戰
上網與連線功能

【作者: Rodger Richey】   2002年07月05日 星期五

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連結網路的需求正橫跨所有市場區隔而蔓延開來,從電冰箱一直到公共設施計量表,產品紛紛因應內嵌 Internet以達連線上網的要求而設計。聽到行銷部人員在不經意的情況下吐露出幾個字:「希望我的產品能增添連線功能」,成為設計者畢生一大樂事,不禁興奮得渾身打顫,終於有機會一窺連線黑盒子內部的真面目,著實令人雀躍。經過幾週的研究之後,隨著黑盒子拆開,設計師體認出,依照實現連線功能所需資源看來,實際應用的希望渺茫,原先的振奮精神已轉為挫折。


連線能力的挑戰

連線能力大量消耗處理器(MPU)或微控制器(MCU)的核心資源,需要更大的記憶容量、更大的資料記憶體及更高的工作時脈。過去,通常需要32位元MCU才能提供連線功能所需的運算,相對的其整體成本自然也高;目前MCU 製造廠商已經著手設計具有更大記憶體、更高工作時脈,而且具有通訊處理能力的 8 位元 MCU。


傳輸媒介

連線功能環繞設計的兩個層面,首先是傳輸訊息所走的媒介,有線連線包括乙太網路、電話及電線,無線連線則包括標準 RF 傳輸、展頻及行動通訊等。內嵌設備連網的需求中,家庭市場有最大的成長潛力,由於大部分的家庭並未實施乙太網路連線,因此必須連線方式必須以電話線、電源線等有線或某種短距離無線通訊作為媒介。雖然有部份MCU並不需要有硬體直接在媒介中收發訊息,但傳輸處理上仍須要能與其配合;當資料傳輸速率超過 1Gbps ,MCU 的工作頻率也必須快到足以處理資訊才行。


通訊協定

內嵌設備連線設計的第二個層面在於所用的通訊協定,重要的不單只是資訊的控制與路徑選擇協定,還有一些媒體需要鑑別、安全維護及加密。處理這些通訊協定及應用程式碼的軟體需要更快的傳輸速率及更大的記憶體,因此處理器的運算速度更形重要。短距離無線通訊系統需要傳輸訊息用的基本通訊協定及其個別系統之間的某種鑑別方法。住家當中的無線保全警鈴便是一例,每扇窗都裝設有感應器,窗戶開啟時便會觸動。此系統必須將窗戶的感應器對主控制系統實施鑑別,使得同一警報系統內的屋主系統不致於造成鄰居家中警鈴大作。另一個例子就是汽車的車胎裡頭,用以監測氣壓的系統。每個車胎都裝有感應器,不斷地傳送壓力的資訊到接收端,車主如果發現機組所讀取的是另一輛車的胎壓,心頭的挫折可想而知。


記憶體需求

有人開玩笑的說,8 位元 MCU 必須做成像個電子生化人(Bionic Man)才能處理這些工作,也就是更大、更強、更快才行。三十年前,阿波羅太空船登錄月球控制整艘太空船所用的程式記憶體也不比目前電腦所連接的一般滑鼠多出多少。十年前,典型的 8 位元 MCU 鮮少有超過 4KB的程式記憶體,但目前MCU 有128KB以上的記憶體已很尋常。


資料記憶體是程式記憶體的互補搭檔,傳送的資料封包可能相當大,例如乙太網路中可超過 1500 位元組。以往一般典型的 MCU 只有 100 位元組以下的 RAM。含整合 RAM 的乙太網路控制器通常擁有 8KB到 20KB之間的 RAM 來容納許多資料封包。若未擴大記憶體容量,鑑別、加密及訊息傳輸等通訊協定會佔用大部分的記憶體空間,只剩下零星幾處留給實際的應用程式。


工作時脈

另一項同樣重要的特色就是 MCU 的工作時脈。為能夠處理訊息、並且趕上資料傳輸速率,MCU 必須執行得更快。提高 MCU 工作時脈,並將指令集重編為更強大卻更簡短的指令 ,都能夠增進資料處理能力。精簡指令集(RISC)MCU 便具有強大、卻小巧的指令集。透過工作頻率及指令集來提高裝置處理能力。


電力消耗

連線能力所驅策的最後一項特色是電力消耗量。許多國家正在制定管理電力使用的法規,研發人員在開發新產品時,被要求必須具備一切先前已有的特色,例如更大的記憶體、更快的工作時脈,但電壓必須降低。要讓 MCU 於較低的操作電壓之下加快工作,唯一的辦法只有縮小製程;該方法雖然使裝置面積變小,功能卻增強許多,也能達成低電壓、高工作時脈的目標。過去工作時脈16MHz、操作電壓5V的Intel 80386處理器,再與已小了許多製程生產的Pentium III處理器比較,目前後者卻能在1.8V的電壓下以超過1GHz的時脈工作。


半導體的一些相關物理定律有:距離越短,負荷越輕,就能推得越快,8 位元 MCU 也是同樣道理。隨著 MCU 的幾何形式開始往 0.5 微米製程以下推擠,設計師也就發現,一般說來,工作頻率會升高,操作電壓會下降。幸而,多半的週邊裝置如快閃記憶體已有操作電壓 2.7V 到 3.3V可供選用。


需求帶動技術發展

有項應用經歷由純粹機械式成為電氣式的轉變過程,那就是水、電、瓦斯等公用設施計量表。每個家庭都有瓦特小時的計量表,用來測量耗電量;這種計量表在過去 20 年來緩慢地從機械式轉變為電氣式,許多家庭裝設的計量表有雙費率功能,第一種屬於離峰時段,比第二種尖峰時段費率便宜許多,其想法是基於如果尖峰用電比較昂貴,大家就會少用一些,如此有助於分散公共事業的日常負荷,不必只為了支應尖峰需求而額外開採資源。


隨著自然資源缺情形日益嚴重,以及許多其他地區醞釀撤銷管制,電力公司已在尋求如何有效分配資源,管理負荷的方法。一種解決方案是設置電錶以短暫的間隔記錄下資料,例如 15 分鐘,然後每月將資訊傳送到公共事業。這種資訊有助於電力公司預估開發新電廠及設施,以便更有效地創造及分送電力。連線功能目前在傳輸與儲存資料方面扮演更重要的角色。(圖一)所示為一般典型的瓦特小時電錶。與其等候一個月再從電錶擷取資料,公共事業正尋求解決之道,可每天或更即時地傳送所記錄資料的串流。



《圖一 公用設施量表內部架構》
《圖一 公用設施量表內部架構》

上圖中,PIC18F452 從瓦特小時量表的旋轉盤讀取脈衝後,將電源用量記載於序列EEPROM。公用設施量表會定期將此預存資訊傳輸至公用事業,利用Keeloq來鑑別、TCP/IP來傳輸資料,並以AES/Rijndael為資料加密。量表另外也使用10位元ADC來偵測電源故障,斷電期間由 Supercap 電容器供電。


傳輸資料有幾種方法,一種已經備便可用的媒界是電話線,因為基礎建設已經完成,是具有成本效益的媒體。幾乎所有的情況都是,電話線離瓦特小時電錶相去不遠。計量表可撥電話到當地的Internet服務提供業者,使用點對點協定(PPP)與伺服器連線,然後用TCP/IP堆疊及郵件程式傳送電子郵件。第二種媒體是使用行動電話或無線射頻裝置。雖然基礎建設方面需要更多成本,不過此法也有電話線的相同功能,可達成 PPP 連線,並使用TCP/IP傳輸資料。


另一種直到最近才令人容易想起的媒體就是電線本身。使用電線的限制因素在於區域性的變壓器會干擾通信,不過許多新技術,例如展頻收發機已克服此一限制。以上這些媒體都可以運用在目前的8位元MCU,因為後者已提升記憶體容量與工作時脈,可處理TCP/IP堆疊或無線射頻通訊。


結論

連線功能內嵌至應用設施當中並非簡易的程序,而且大部分的MCU製作都不相同,有些完全無法執行連線相關工作。工程師應根據所需通訊類型和傳輸訊號所用的媒體來慎選MCU。幸而,許多MCU製造商不只供應硬體,也提供軟體方案,有助於加速產品上市時程。(作者為Microchip應用經理)


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