嵌入式智能已成为向应用添加计算的最具性价比的方式。但是仅仅添加简单的嵌入式智能还不足以引入一些分立元件，例如运算放大器或简单的逻辑门。这就是片上硬件外设发挥作用的地方。
这些硬件外设可以降低CPU利用率、集成设计功能并降低设计的总BOM成本。为了展示这些外设提供的广泛功能，我们开发了一种智能珀耳帖冷却板，它在单个20引脚8位MCU PIC16F17146上使用了23个片上硬件外设。有关此设计的完整详细信息，请参见Github和应用笔记“AN4889: Using Core Independent Peripherals (CIPs) to Implement a Peltier Cooled Metal Plate”。
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Microchip将这些专用硬件块称为核心独立外设(CIP)，它们可以提高性能、降低功耗和/或增加器件功能。本设计中使用的CIP有多种类型，从I2C控制器和PWM发生器到12位差分ADC和通用运算放大器。借助我们简称为冷板的智能珀耳帖冷却板，CIP使低功耗MCU等效于功能更强大的器件。
图1：组装好的冷板演示。
我们的灵感来自厨房电器，它可以让用户在接触冷表面时冷冻冰淇淋，因此我们的目标是使表面温度达到0℃。市场上的商业版本使用气体压缩机和制冷剂，出于安全原因，我们不能使用这些东西。因此，我们的版本改为使用固态珀耳帖热泵，这是一种将热量从热泵的一侧传递到另一侧的半导体。如图1所示，将珀耳贴元件连接到顶部的金属板，就可以将热量从金属板泵入设计中间的巨型散热器。然后用散热器上的风扇将热量吹走，就可以将更多的热量从顶板上移走。
当用户打开冷板电源时，会看到一条显示当前冷板温度和设定温度的待机消息。使用用户界面(UI)，用户可以将设定温度调低至0℃，然后启动冷板。几分钟之内，放在盘子上的任何东西都会冷却到设定的温度。
监控冷板温度，可以让MCU在达到设定温度时关闭珀耳帖元件。通过监控散热器温度，可以对风扇进行智能速度控制，而不是让其以全功率运行，从而降低相对低温时的运行噪声。这也是内置的安全功能之一。如果散热器过热，或冷板冷却到了安全温度以下，系统将会关闭以实现自我保护。
温度感测是通过将负温度系数(NTC)热敏电阻连接到冷板和散热器来执行的。每个NTC都用作分压器的一部分，其电压由带计算的模数转换器(ADCC) CIP进行测量。然后使用ADCC值与NTC温度的查找表计算出温度。
图2：NTC测量电路。
然后将每个NTC的温度记录下来以供MCU进行遥测和监控。定期自检功能会监控NTC是否存在异常值，这可能会由与NTC的电气连接不良所引起。如果发生这类情况，该演示也会自我保护而关闭。
添加的另一个安全系统是电流监控。该实现中使用了六个互连的CIP来创建系统，它会将抽取的电流进行返回，并返回两个状态位，用来指示电流是否过低(说明电线断开)或者电流是否过高(说明短路)。
为实现这一点，我们从低边电流分流电阻开始。这会产生一个与流过珀耳帖的电流成正比的电压。但是，信号非常小(10A时为100mV)，这就会降低监控和测量电路的分辨率。
为了克服这个问题，我们使用了MCU的片上运算放大器(OPAMP)外设，作为电流检测放大器。该MCU上的OPAMP包括一个内部电阻网络，而使我们无需添加分立元件即可设置OPAMP的增益。电流监控器是使用内部模拟比较器(CMP) CIP实现的，它们会将OPAMP的输出与每个数模转换器(DAC) CIP上的设定电平进行比较(DAC1值小，DAC2值大)。然后，在执行定期自检时，MCU只需轮询每个比较器的位，即可查看电流是否超出限制。
图3：电流监控和测量系统。
集成式OPAMP的另一个好处，是能够在启动时执行简单的自检。自检能够验证内部梯形电阻的增益以确保其在指定的容差范围内。这样就能确保固件对OPAMP的正确配置。
MCU还具有功能安全(FuSa)就绪CIP，例如窗口看门狗定时器(WWDT)和带内存扫描器(CRC)的循环冗余校验模块。WWDT用于确保在系统处于活动状态时运行定期自检，并确保任何事物都不会阻止MCU处理时间敏感型任务，例如电流监控或温度感测。如果有任何事物使MCU停滞并阻止其对WWDT重置，则MCU将会重置关闭珀耳帖元件并返回到良好状态。
定期自检的一部分是验证主冷却风扇是否正在运行。珀耳帖元件所产生的热量，在没有有源气流的情况下，足以导致即使是相当大的CPU散热器也能迅速升温。如前所述，MCU会根据散热器温度调整风扇速度。当风扇运行时，冷却风扇的转速计输出由一个定时器CIP进行计数。如果未检测到脉冲，则会假定风扇发生故障，进而导致系统自我保护关闭。
使用的另一个安全功能是CRC扫描器，它会根据向内存馈入或从中读取的字节序列生成CRC校验和。在此应用中，CRC扫描器用于确保EEPROM中的用户设置有效。用户可以设置目标温度、显示温度单位(C或F)和温度滞后参数。这些值存储在EEPROM存储器中并在启动时加载。为确保设置有效，系统会验证CRC校验和。对CRC扫描器进行配置，即可对所使用的EEPROM进行扫描并执行CRC操作。
//Runs a CRC and returns the checksum
uint8_t settings_verifyCRC(void)
{
//Setup access to the output
CRCCON0bits.SETUP = 0b00;
//Clear Output and set SEED value
CRCOUT = 0xFF;
//Configure EEPROM Scan Range
CRC_SetScannerAddressLimit((SETTINGS_EEPROM_STOP + 1), SETTINGS_EEPROM_START);
//Start CRC Scanner
CRC_StartScanner();
//Wait for the scanner...
while (CRC_IsScannerBusy());
//We already set the setup bits to access CRCOUT
return CRCOUTL;
}
在硬件中计算校验和，可以节省程序内存并提高软件实现的性能。扫描完成后，MCU可以检查CRC输出寄存器以了解内存是否有效。
在这些安全系统之外，MCU还会负责处理用户界面，后者由OLED字符显示器、带按钮的旋转编码器和2个LED组成。
图4：用户界面。
MCU会使用其MSSP CIP通过I2C与显示器通信以避免发生位碰撞。对于旋转编码器，正交编码输出由两个可配置逻辑块(CLC) CIP进行解码。CLC就像一个可编程逻辑单元。在许多情况下，MCU周围的少量胶合逻辑(分立式逻辑门和触发器等)可以用该外设代替，从而进一步减少BOM和设计面积。
在此应用中，CLC用于将正交编码信号转换为顺时针或逆时针脉冲。将这些脉冲送入定时器CIP，后者就会对产生的脉冲数进行计数。然后MCU就会计算自上次计时器读取以来的净旋转变化。
图5：正交解码器在硬件中的实现。
// Return total encoder moves since last poll
int16_t encoderControl_getMoves(void){
static uint16_t oldTimer1 = 0;
static uint16_t oldTimer3 = 0;
uint16_t newTimer1, newTimer3, netTimer1, netTimer3;
int16_t encoder;
newTimer1 = Timer1_Read();
newTimer3 = Timer3_Read();
netTimer1 = 0;
netTimer3 = 0;
if(newTimer1 < oldTimer1){
// Rollover occurred
// Add an offset to the net value and clear the old value
netTimer1 = 0xFFFF - oldTimer1;
oldTimer1 = 0;
}
if(newTimer3 < oldTimer3){
// Rollover occurred
// Add an offset to the net value and clear the old value
netTimer3 = 0xFFFF - oldTimer3;
oldTimer3 = 0;
}
//Find the net change
netTimer1 += newTimer1 - oldTimer1;
netTimer3 += newTimer3 - oldTimer3;
// Calculate the net encoder change
encoder = (int16_t)(netTimer3 - netTimer1);
oldTimer1 = newTimer1;
oldTimer3 = newTimer3;
return encoder;
}
根据我们的统计，我们在此示例中使用了23个CIP——作为参考，有18个物理I/O引脚，外加2个电源引脚。CIP简化了CPU任务，通过集成功能减少了设计面积，并增强了设计的安全性。有关此演示的更多信息，可以在此处找到我们的应用笔记或在查看完整的原理图、代码和CAD作品。
Robert Perkel是Microchip的应用工程师。在此职位上，他负责开发技术内容，例如应用笔记以及供稿文章和视频。他还负责分析外设的用例以及代码示例和演示的开发。Perkel毕业于弗吉尼亚理工大学，获得了计算机工程理学学士学位。
Josh Booth是一名专业的计算机工程师，在硬件和软件工程、嵌入式系统、原型设计、系统管理、信息技术和FDM打印方面有着丰富的经验。Booth目前在Microchip担任技术工程师，负责为Microchip的全球客户群开发教程和培训内容。他是宾州西盆斯贝格大学校友，拥有计算机工程学士学位。
（原文刊登于EDN姐妹网站Embeded，参考链接：Reducing BOM cost in embedded systems using advanced MCU peripherals，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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