超低功耗微控制器是便携式设备中运动控制的理想之选

2023年01月18日 10:48
来源:Digi-Key
作者:Art Pini

便携式和电池供电型设备无处不在,而且在越来越多地控制着日常功能。采用电机控制机械运动和方向的小型机器人吸尘器就是很好的例子。虽然现在看来这些是一种日常功能,但在面对这类小型机器人内部的电子器件要求时,设计人员需要在打包一个全面的处理工具箱的同时,继续克服小尺寸、重量和电源效率方面的极限挑战。

在把许多必要的电子器件集中在一个 IC 中时,这是有帮助的。Analog Devices 的 MAX32672GTL+ 就是符合这种情况的器件。这是一款非常小的超低功耗、高集成度 32 位微控制器,专门为电池供电型设备和无线传感器而设计。该器件采用了强大的带有浮点单元 (FPU) 的 ARM Cortex M4 处理器,由于具有复杂的传感器处理性能和电池寿命优化能力,使其成为我提到的设备设计的不二选择。

正如你所想,MAX32672GTL+ 的应用包括运动/电机控制、工业传感器和电池供电型医疗设备。该器件的应用还可延伸到光通信模块、安全无线电调制解调器控制器。

MAX32672GTL+ 的功能框图显示了在其小巧外形内的强劲性能和丰富的功能(图 1)。


图 1:MAX32672GTL+ 微控制器的框图显示了其强大的性能和灵活性,从 Arm M4 内核到大内存、安全、电源管理和 I/O 支持能力。(图片来源:Analog Devices Inc.)

就存储器来讲,MAX32672GTL+ 集成了 1 MB 闪存和 200 KB SRAM。具有纠错功能的内部闪存用于非易失性程序和数据的存储。内部闪存分为两个同等大小的存储体,以便为实时固件更新进行边写边执行操作。

内部 200K KB SRAM 支持以低功耗方式保留应用信息和相关的数据。为了增强系统可靠性,可将 SRAM 配置为 160 KB,带有单次纠错功能和双次错误检测 (SEC-DED) 编码,以保护存储设备,避免损坏数据。纠错功能编码很重要:在整个闪存、RAM 和高速缓存上实施,可确保在恶劣环境条件下能够极其可靠地执行代码。

对于极为重要的电源管理和控制,其功能包括多种模式,可提供高性能和低功耗混合选择。其中包括电源电压和断电监控器,可确保在掉电和上电事件以及意外电源瞬变期间正常工作。

MAX32672GTL+ 拥有大量 I/O 带宽和多个串行 I/O 外设,包括 I2C、I2S、SPI 和 UART。双向 I2C 接口实例可在 100 kbps 至 3400 kbps 传输率下工作。SPI 接口能够以 50 Mbps 的速度运行,并支持采用四线配置的全双工操作。双向 I2S 音频总线与音频放大器、编解码器一起工作。

最后,使用具有独立波特率发生器的两线或四线总线配置,UART 接口可实现全双工异步串行通信。低功耗 UART (LPUART) 在功率最低的睡眠模式下工作,以便在促进唤醒活动的同时不会造成任何数据损失。

除了串行接口,外设组合还包括多达 42 个通用 I/O (GPIO) 引脚、多达 4 个 32 位定时器、多达 2 个低功耗 32 位定时器和一个 12 通道、12 位逐次逼近寄存器 (SAR) 模数转换器 (ADC)。

单从硬件支持角度来看,串行数据链路、I/O 引脚和 ADC 组合使得 MAX32672GTL+ 功能强劲,成为电机和其他需要大量数据处理的旋转机器的理想控制器。

灵活的支持功能加速了控制和机器人设计

没有良好的支持工具,硬件就会受限。如果采用 MAX32672GTL+,就不存在这个问题。应用特定型的工具能够监测模拟或数字传感器,以产生脉宽调制信号并对来自正交轴编码器的数据进行解码。我非常喜欢专用于电机控制和机器人应用的工具:这些工具能够显著降低复杂性,使设计更容易启动和运行。

正交解码器接口基于两相信号线(QEA 和 QEB)以及来自轴编码器的分度信号 (QEI),来解读旋转机器轴的轴角和旋转速度。X1、X2 或 X4 的用户选择倒计时功能来控制解码操作的角度分辨率。一个 32 位位置计数器 (QDEC) 会同时跟踪轴的旋转与特定事件,例如到达某个预设位置。QDEC 值表示轴的当前角位置。其他输出表示运动、方向和旋转方向的变化(图 2)。


图 2:正交输入 QEA 和 QEB——由正交时钟锁定,根据旋转方向增加或减少 QDEC 计数器的值。输出信号表示运动 (QDEC_INTFL)、方向 (QDIR) 和方向变化 (QDEC_INTRL)。(图片来源:Analog Devices Inc.)

MAX32672GTL+ 集成了高级加密标准 (AES) 硬件,可确保器件安全。AES 密钥由软件自动生成,并存储在专用闪存区域,以防篡改。该密钥包括一个真正的随机数发生器 (TRNG),为加密种子或强大的加密密钥提供随机数,以确保数据隐私性。

所有这些功能都在尺寸仅为 5 mm x 5 mm x 0.4mm 的小型 40 引脚 TQFN-EP 封装中实现。该器件有五种不同的电源模式,这在最大限度地降低功耗的同时极大地提高了运行灵活性。该微控制器在 1.1 V 电源下工作,在活动模式以及其高达 100 MHz 的最高时钟频率下,每 MHz 的电流消耗仅 61.5 mA

Analog Devices 的 MAX32672EVKIT# 评估套件为评测 MAX32672GTL+ 微控制器的能力提供了一个平台(图 3)。任何想使用这款微控制器的人都会发现这个评估板是进行设计的良好切入点。


图 3:Analog Devices 的 MAX32672EVKIT# 评估套件包括一个 MAX32672GTL+、一个预编程的演示并可获取用户开发的程序。(图片来源:Analog Devices Inc.)

最初上电时,评估板会执行演示程序。除此之外,评估板通过其内部 I/O 端口提供访问,并提供软件开发工具包 (SDK) 用于编写个人程序。

结语

MAX32672GTL+ 是一款小型、灵活、低功耗且功能强大的解决方案,适用于电机/运动控制、工业传感器和电池供电型医疗设备:机器人吸尘器就是一个很好的例子。由于其评估套件和丰富的支持工具,我认为很快就涌现出许多其他基于该解决方案的有趣设计。如果你有什么好的点子,请告诉我。