RL78快速解决方案加快热门应用的原型设计

摘要

瑞萨电子RL78微控制器单元（MCU）非常适合实现众多不同的消费和工业应用，这些应用需要很高的CPU性能和较低的功耗。结合高度集成的架构、强大的开发支持、卓越的设计工具和内置的安全功能，RL78 MCU让设计工程师能够充满信心地快速构建紧凑型高能效系统，并且降低成本。一些RL78应用可以作为快速解决方案使用，它们是充分开发的参考套件，可以加快关键嵌入式应用的产品开发。RL78快速解决方案旨在满足一系列热门应用类型的需求，能够显著加快原型设计速度，还提供了可下载的文档库，例如用户手册、示例软件源代码、电路图、印刷电路板（PCB）布局、Gerber文件和物料清单。

瑞萨电子RL78 MCU简介

瑞萨电子16位RL78族嵌入式微控制器将先进的低功耗技术和出色的性能集于一身，这是因为它采用了先进的电源管理系统，可促进高效利用电源，延长便携式应用的电池使用寿命。RL78族MCU非常适合多个目标市场的各种不同的应用开发，例如家用电器、小型电器、工业和楼宇自动化、家用医疗诊断设备、个人医疗保健设备和消费型电子产品。与同类微控制器相比，RL78 MCU具有更高的能效和更长的电池使用寿命，因而为物联网（IoT）传感器系统提供了理想的平台，能够在更靠近网络边缘的位置进行数据和信号处理，从而减少延迟，实现实时报告。

RL78 MCU关键特性概述：
•        真正的低功耗工作，在待机-Stop模式下的功耗低至0.23μA，提供三种低功耗工作模式，以便达到最高效的能耗水平，最大程度地延长电池使用寿命。
•        高处理性能，RL78/G14可在32MHz的频率下提供高达51.2 DMIPS的性能。
•        广泛的可扩展性，提供超过1000种器件，10至128个引脚封装，以及1 KB至512 KB的闪存。
•        内置的片上外设功能，可降低总系统成本，消除空间限制。
•        出色的质量、可靠性和安全性，符合UL/IEC 60730标准。

瑞萨电子提供全面的生态系统，包括开发工具、解决方案套件、在线资源和合作伙伴网络，帮助客户最大程度地降低设计和开发成本，加快产品上市时间。

可降低能耗的真正的低功耗元器件

RL78族产品主要通过两种方式提供真正的低功耗：降低MCU自身的能耗；帮助实现终端系统的更高效能源管理。

瑞萨电子RL78 MCU在待机-Stop模式下（在Stop模式下，没有时钟工作，RAM内容保留）仅有0.23μA的超低功耗，而在CPU运行模式下，在运行NOP指令和产生144μA/MHz工作电流时，仍能达到66μA/MHz的低功耗。因此，它在32MHz的工作频率下可以提供高达51.2 DMIP的性能，同时保持高能效。RL78族产品的性能远高于市面上的其他8位和16位微控制器。

RL78 MCU拥有能源管理系统，可进一步促进高效利用电源，这一点对于延长便携式应用的电池使用寿命至关重要。由于RL78 MCU本身的功耗不高，使用+3V电源且启用所有外设时，在32MHz的工作频率下，其功耗一般低于20毫瓦，因此它很容易达到电器行业的待机功率要求，即从交流线路获取的功率小于100毫瓦。当处于任一种低功耗工作模式（Snooze、Halt和Stop）下时，RL78 MCU的功耗可以进一步降低，通过禁用CPU和未使用的外设，能够最大限度地延长电池使用寿命。

最大程度延长电池使用寿命的关键要素之一是确保CPU尽可能处于空闲状态，并且在活动状态下时具有灵活性，尽可能提高工作效率。在CPU Run模式下，当不需要最高性能时，RL78的内部振荡器甚至能够向下扩展到更低的频率，以节省MCU电流消耗。Halt模式会暂停CPU处理，但允许所有外设运行。这种模式会保持进入Halt模式前正在运行的系统时钟状态，让CPU能够快速重新恢复工作，无需等待系统时钟启动。与CPU运行时相比，Halt模式能够节省多达80%的MCU总电流。在Stop模式下，看门狗定时器和电压检测器（例如上电复位（POR）电路）均在保留所有RAM数据的情况下工作，而系统仅消耗0.53μA电流（典型值）。此外，15kHz低速时钟和32kHz次级时钟仍能运行，支持日期/时间实时计数器、LCD控制器驱动器升压电路以及定时事件的8位或12位间隔定时器运行。所有这些低功耗外设都可在Stop模式下使用，总消耗电流不超过1微安。

RL78增加了一种特殊的低功耗模式，称为Snooze模式，前几代低功耗MCU中都没有这种模式。Snooze模式允许串行通信和ADC转换器通过高速内部振荡器时钟从Stop模式启动，而无需给CPU时钟定时。因此，Snooze模式与Halt模式类似，在数据采集之前都无需CPU介入，从而节省了电流消耗。这种模式非常适合电池供电系统，因为它可以显著地提高电池使用寿命。


图 1. RL78提供三种低功耗工作模式，以最大限度延长电池使用寿命

出色的性能支持在网络边缘进行更多数据处理

RL78 MCU提供无与伦比的功耗性能比。RL78使用经过优化的16位CPU，采用哈佛架构，为RAM、控制寄存器和外设提供完全的16位数据总线。此外，还提供三级管道，可在单个处理器内实现指令级并行处理。86%的指令均可在一个或两个时钟周期内执行，最大时钟速度可达到32MHz。这种高性能在Dhrystone基准测试中的测试结果为1.6 DMIPS/MHz，也就是说，在32MHz频率下的处理性能大约为51.2 DMIP。RL78族产品还提供同类产品中最大的工作电压范围：1.6V至5.5V。

另外，RL78 MCU为乘法、乘积累加、除法函数提供硬件支持。乘法和乘积累加运算分别在一个或两个周期内执行。借助多达四个独立的DMA通道，它可在两个时钟周期内在RAM内存和外设之间进行数据传输。但是，部分RL78 MCU产品群具有DTC（数据传输控制）功能，可为外设数据传输功能提供更高的灵活性和更多的通道。

大量可选器件提供可扩展性

瑞萨电子RL78族产品提供的MCU产品线是行业内最广泛的MCU产品线之一，共有超过1000种器件，具有10至128个引脚之间的17种不同的引脚数，提供1KB至512KB的闪存。G系列型号采用了通用型MCU，L系列的MCU则提供LCD控制器驱动器功能。F系列可满足汽车应用需求。I系列则可满足工业应用需求，例如照明、计量或检测。设计人员可在同一系列产品中，从最小代码闪存容量轻松扩展至最大代码闪存容量，能够通过迁移至更大引脚数器件，轻松地添加更多的I/O和功能，而无需重新编写以前编写和调试的代码驱动程序。软件代码可以在整个RL78族产品中重复使用。例如，在小引脚数RL78 MCU上运行的任何内部集成电路总线（I2C）、通用异步接收器/收发器（UART）或模数转换器（ADC）驱动软件无需经过代码更改，即可在大引脚数的器件上使用，甚至可在不同RL78系列类型之间通用。此外，I/O端口引脚和外设功能引脚可从最小引脚数扩展至最大引脚数，同时随着引脚数增加，保持逻辑端口引脚编号，保持相同顺序位置的外设引脚物理PCB布局。

另一方面，借助RL78的外设I/O重定向寄存器（PIOR）功能，设计人员能够将物理引脚连接重新映射到选定外设，从而优化外设引脚功能。由于布局或外设引脚共享限制，现有的外设I/O分配可能出现冲突。在这种情况下，PIOR可以通过减少引脚上的功能瓶颈，来优化外设引脚功能。

利用更强大的MCU来降低系统成本

RL78 MCU实现了高度集成，而且内置了高级外设，通过采用以下片上元器件消除了外部元器件，从而降低系统成本：
•        高速系统振荡器，频率精确度为±1%，带有校准寄存器。
•        看门狗定时器。
•        低电压检测复位电路。
•        数据闪存，用于存储用户偏好、机器参数和日志数据，因此无需外部EEPROM。RL78数据闪存支持一百万个擦除/写入周期，与典型EEPROM的使用寿命相匹配。
•        温度传感器，量程为-40℃至+85℃。
•        多电源接口。


图 2. RL78 MCU在芯片内部集成了更多的外设功能，降低了总成本，并且减少了元器件占用空间

内置质量和安全性

RL78 MCU具有多种安全功能，能够确保器件正常工作，增强系统可靠性。

RL78 MCU为存储在闪存中的软件代码和数据提供“始终开启”保护。RL78闪存采用经过验证的130纳米闪存单元结构，可实现最低功耗纠错编码（ECC），在每个32位闪存上进行38位编码。如果闪存的修改状况超出了ECC纠错的能力，RL78 CRC（循环冗余校验码）功能模块可识别严重错误，让软件能够即时做出反应，安全地关闭MCU。

此外，RL78闪存支持片上调试（OCD）功能，该功能可提供密码保护，防止黑客对客户应用程序代码进行反向工程。但是，提供正确密码的授权用户可以查看代码闪存以获取修订版本号，或者确认自编程代码更改。

对于外部RL78闪存编程，可以针对不同的保护策略，设置三个独立的闪存安全位：
•        擦除保护防止闪存编程器重新映像代码和重用硬件。
•        写入保护防止采用后门方法重新映像单个1k代码块。
•        引导集群保护防止外部芯片擦除操作进行擦除，但也会按照用户代码自编程顺序来控制引导加载程序操作的各个方面。

RL78 MCU采用了经过UL/IEC 60730认证的硬件模块，因此它们能够自我识别故障和安全关闭。此外，RL78自测库软件模块也经过了UL和IEC的认证。客户可在他们的应用系统中快速实现这些UL和IEC要求。

RL78 MCU能够在极端温度下安全工作，工作温度范围为-40℃到+105℃。

生态系统提供丰富资源，帮助加快产品上市时间

瑞萨电子提供了完整的开发支持生态系统，旨在帮助设计人员更快速地交付系统，并且减少错误。这个生态系统包括：
•        硬件工具，例如瑞萨电子推广板；瑞萨电子入门套件；适用于RL78族产品的高性能全规格模拟器IECUBE；E1/E2和EZ-cube等片上调试器。
•        软件工具，例如IAR Embedded Workbench，它完全支持C和C++语言，带有MISRA C语言规则检查工具；基于Eclipse的e2 studio IDE，为瑞萨电子MCU提供了集成开发环境；Applilet代码生成器；以及各种实时操作系统。
•        丰富的在线资源，例如Renesas Rulz，一个在线社区，开发人员可在其中寻求同行的支持；My Renesas，一种免费的在线订阅服务，用于文档下载和提醒；Renesas Interactive，提供自订进度的在线培训课件。


图 3. 全套工具可为快速高效的开发提供支持

RL78快速解决方案简介

快速解决方案是易于构建的参考套件，可协助设计人员在很多最热门的嵌入式系统市场上进行基于RL78的产品开发。我们目前提供了20种快速解决方案，帮助客户应对多个目标应用领域的开发挑战和把握机遇，例如家用电器、便携式医疗和个人医疗保健解决方案、楼宇和工业自动化及消费类电子产品。

RL78快速解决方案可以解决开发人员在试图快速进行新型物联网和嵌入式应用的原型设计时面临的最具挑战的设计问题。这些挑战包括配置物联网传感器节点的无线功能，或者优化低功耗功能以延长远程设备的电池使用寿命。
RL78快速解决方案可从瑞萨电子网站下载，包括用户手册、原理图、物料清单、源代码和项目文件，涵盖设计人员轻松快捷地完成新产品原型设计所需的一切资源。

下面是RL78智能解决方案如何加快热门目标市场中的设计过程的实例。

RL78快速解决方案用于设计使用便携式电池的细颗粒物2.5监控设备

该快速解决方案设计参考提供了背景文档和源代码，用于设计低成本、低功耗的便携式设备，可以实时测量和检测细颗粒物2.5（PM2.5）的浓度。

PM2.5颗粒物的直径小于2.5微米，大约为人体头发直径的3%。PM2.5颗粒物的自然来源包括海盐、森林火灾、花粉和霉菌。它们是自然产生的，因而很难控制，通常没有受到监管。PM2.5颗粒物的人类来源，例如燃料燃烧、工业燃烧过程和汽车排放，它们可以进行监管。测量和监控PM2.5水平在很多环境中至关重要，包括工业自动化、建筑和农业。

该快速解决方案中的空气质量监控器采用了48引脚的RL78/L12。由于这款MCU包括片上区段LCD控制器/驱动器，因此空气质量测量数据能够在易读的LCD显示屏上显示。4位LCD面板由12个线路驱动，包括8个段线路和4个共用线路。48引脚配置允许实现优化设计，仅留4个未使用的MCU引脚。

LCD显示屏可以指示空气质量，同时一个多彩LED可以显示相对应的空气质量等级。如果超过了预设的阈值，或者电池电压降低到2.8V以下，则会激活蜂鸣器。

RL78/L12的其他重要特性包括I/O端口、用于烟雾/微粒读数的A/D转换器、蜂鸣器、LCD控制器、Stop模式，以及适用于小型家用电器的其他特性。阈值和PM2.5浓度数据可以保存在外部EEPROM中（如果数据量小于2KB，也可保存在MCU的内部数据闪存中）。此外，DC-DC转换器IC控制电池放电，电池充电器IC控制充电，提供很低的待机功率，以最大程度延长电池充电续航时间。待机电流低至0.56μA。


图 4. 基于快速解决方案而设计的使用RL78 L12的PM2.5监控器的硬件原型

结论

瑞萨电子RL78族产品包括大量通用型MCU以供用户选择，可用作各种不同应用特定设计的平台。RL78 MCU真正实现了低功耗，在活动模式下的电流消耗为66μA/MHz至144μA/MHz，待机电流为0.5μA至0.6μA，使用低速时钟和低功耗定时器工作。它们可提供最高1.6 DMIPS/MHz的高性能，在32MHz的CPU工作频率下性能最高可达51.2 DMIP。RL78 MCU提供了广泛的可扩展性，包括在代码存储器容量和引脚数方面，同时还提供了高度的片上集成，帮助降低系统成本。它们提供高级硬件安全功能，以及经过UL/IEC认证的自测试软件库，以便符合UL/IEC 60730标准。丰富的开发工具环境、第三方合作伙伴、在线资源可以帮助系统设计人员快速精确地满足快速增长的嵌入式系统市场的需求。

另一种非常重要的资源是瑞萨电子RL78快速解决方案设计，它们可以显著加快原型开发，并且提供可下载的设计文档库。快速解决方案面向一些最热门的嵌入式设备和物联网市场，帮助设计人员更加快速简单地构建紧凑的高能效系统。