“聚少积多”——为物联网应用选择合适的8位MCU通信接口

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关键字：8位MCU   通信接口   人机接口   物联网  
Silicon Labs已经在“采集、计算和通信”的指导思想下开发出各类兼容8051内核的8位MCU。在之前的文章中，我们已经对模拟采集接口和8051计算引擎有关的主题进行过详细论述。本文主要讨论内建在基于8051内核MCU之中的通信接口如何满足当今快速涌现的物联网应用的需求。
简介

通信接口按照使用场景通常分为两类：机器对机器（M2M）和人与机器（HMI）。M2M接口种类众多，从普通型的SPI/I2C/UART串行接口到更复杂的定制串行接口、免晶体USB和无线电。HMI常见于微控制器（MCU）中的内置接口，例如电容触摸感应、LCD、图形驱动器、手势和接近感应。M2M和HMI性能 — 以及支持它们的MCU — 已经成为当今物联网中大多数可连接设备应用的关键所在。

提供M2M和HMI接口的8位引擎不能为所有嵌入式系统使用案例提供最佳解决方案，尤其是那些需要密集计算、32位数据处理和超大Flash空间选择的基于ARM的MCU的系统。然而，需要确定性行为和严格实时控制的应用能够受益于带有这些通信接口的8位引擎。

通信接口

通用接口

许多8051 MCU有至少1个UART、1个I2C接口以及1个SPI接口。更先进的8位MCU架构，例如Silicon Labs提供的那些MCU，能够同时支持这些接口，并且能够通过I/O Crossbar无缝的分配到外部引脚。I/O Crossbar提供一种机制，可以通过带优先级的Crossbar把任意外设映射到任意引脚。Silicon Labs的8位MCU集成有2%精确度的内部振荡器，这使得MCU可以在没有片外晶体的情况下正常工作，同时满足UART通信的精确度要求。

在高速设备中，预分频器使得这些外设可以运行在适当的速率。这类UART的高级版本也集成了波特率发生器，从而无需定时器类资源，并且允许支持更宽的波特率。

对于许多高速8位单片机来说，有大量需要“位反转”的总线接口。就8051架构的本质和它的响应时间而言，能够实现30ns以下的外部引脚反转。在其他一些情况下，中断层次结构能够带来延迟，这使得具有“位反转”能力的接口不适合那些需要快速总线反转的情形。

免晶体USB

更复杂的通信接口之一是“免晶体”USB，这是Silicon Labs首家开发并获得专利的一项创新技术。这一突破性创新技术支持全速USB设备接口，无需外部晶体，因此对于大多数嵌入式系统开发人员来说这项技术能够降低BOM成本。

无晶体USB实现的秘诀在于时钟恢复技术。采用锁相环（PLL）的全模拟解决方案容易受到泄漏引起的漂移的影响，而全数字解决方案需要快速本地时钟以减少输出抖动和锯齿影响。最佳的解决方案是使用混合信号方式，由数字反馈控制器和可调整的模拟振荡器组成。这需要本地时钟和参考时钟之间的相对误差从不增加。这也是完全数据无关的（即不需要任何特别的USB通信），并且与传统的基于晶体的解决方案相比，附加一个好处是更加节能。

RF通信

8位MCU上最复杂的通信接口是在超低功耗8051内核上集成最大传输速率256kbps、最大输出功率20dBm的sub-GHz收发器。这类器件，又称为sub-GHz无线MCU，通过对敏感的模拟信号在源端进行感应，然后利用无线电发送到集中设备或节点，从而为许多远程传感应用提供了最佳解决方案。8位无线MCU的低功耗特性使得该类器件非常适用于电池供电的操作环境，例如物联网传感器节点应用。该类器件凭借其低功耗处理、无线连接和远程传感能力，会非常适用于物联网。

LIN/CAN接口

两种特别针对汽车应用的工业标准接口，LIN2.1（主/从）和CAN2.0，也已经集成在面向各种汽车应用的8位器件之中。Silicon Labs的汽车级8位MCU集成±0.5％的精确度振荡器（全电压和温度范围内），这使得CAN接口能够在无需片外晶体的情况下正常工作。这种性能也是同类器件中独一无二的。这种精度可调节的片上振荡器的另一好处是可以生成高精确度PWM边沿信号（120ps量级），这在小电机控制应用和一些电源控制应用中已被证明非常实用。