第2章初識(shí)瑞薩RA系列芯片

2.1什么是ARM微控制器

微控制器

MCU

俗稱單片機(jī)，如果有學(xué)過(guò)微機(jī)原理就會(huì)很熟悉這個(gè)概念了。而ARM微控制器，顧名思義，就是基于ARM的微控制器，或者說(shuō)搭載了ARM處理器內(nèi)核的微控制器。

ARM處理器是英國(guó)ARM公司設(shè)計(jì)的一種低功耗RISC微處理器。ARM全稱為AdvancedRISC Machine，而RISC的全稱是“精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)”（reducedinstruction set computer）。

由于RISC處理器支持的指令比較簡(jiǎn)單，所以功耗小、價(jià)格便宜。同時(shí)，ARM處理器經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，也已具備了很高的性能。實(shí)際上，ARM公司并不生產(chǎn)其ARM處理器或者ARM微控制器，而是以一種技術(shù)IP授權(quán)的方式，將其設(shè)計(jì)的ARM處理器內(nèi)核授權(quán)給芯片生產(chǎn)廠家（比如瑞薩、NXP、ST等半導(dǎo)體公司），讓它們生產(chǎn)實(shí)際的ARM芯片。

瑞薩RA系列的微控制器，其處理器內(nèi)核是基于ARMCortex-M，因此也屬于ARM微控制器的范疇。

2.2瑞薩RA系列MCU概覽

發(fā)展?fàn)顩r

瑞薩的RA產(chǎn)品家族單片機(jī)（MCU）于2019年10月推出，豐富了瑞薩的32位MCU系列產(chǎn)品。瑞薩除了RA系列之外的32位MCU產(chǎn)品還有RX系列（CPU使用瑞薩自家RX內(nèi)核）和Renesas Synergy平臺(tái)MCU。Renesas Advanced（RA）32位MCU是采用ArmCortex-M33、-M23和-M4處理器內(nèi)核，并經(jīng)過(guò)PSACertified1級(jí)認(rèn)證的、行業(yè)領(lǐng)先的32位MCU。

注解:

PSA認(rèn)證，即面向物聯(lián)網(wǎng)安全的“平臺(tái)安全架構(gòu)（PSA）”認(rèn)證。平臺(tái)安全架構(gòu)（PSA）是Arm公司于2017年推出的行業(yè)通用框架，旨在打造各種安全的互聯(lián)設(shè)備。許多業(yè)界領(lǐng)先企業(yè)已宣布支持該架構(gòu)的基礎(chǔ)原則，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和解決方案加入令人信任的安全級(jí)別。

RA系列的所有MCU在功能上和大部分引腳上都是兼容的。小型器件上的外設(shè)大體上是大型器件上外設(shè)的子集。這便于實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和不同器件之間的代碼重用。對(duì)于不同系列的類似封裝，其引腳排列幾乎相同。這樣一來(lái)，開(kāi)發(fā)人員便不必在一開(kāi)始就選好最終使用的器件，因?yàn)楹竺婵梢愿挠闷渌骷?。此外，?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/82/" target="_blank">PCB布線時(shí)在器件封裝內(nèi)創(chuàng)建多種尺寸的封裝，可為最終產(chǎn)品的制造提供靈活的選項(xiàng)。

瑞薩RA系列產(chǎn)品家族包括：

?RA0系列，入門級(jí)產(chǎn)品；

?RA2系列，適用于低功耗應(yīng)用；

?RA4系列，適用于需要低功耗、高性能和高安全性的設(shè)備；

?RA6系列，具有卓越的連接性能和安全性能；

?RA8系列，可以為采用人機(jī)界面、連接、安全和模擬功能的應(yīng)用提供出色性能。

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具體特性如下：

RA0系列–入門級(jí)：

基于Arm Cortex-M23內(nèi)核，1.6V-5.5V的寬電源電壓范圍，超低功耗及超低BOM成本。

RA2系列–低功耗：

基于Arm Cortex-M23內(nèi)核，最高頻率48MHz，擁有高達(dá)512KB的閃存和64KB的SRAM。電源電壓范圍為1.6V到5.5V。外設(shè)包括全速USB、CAN、24位∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、電容式觸摸感應(yīng)以及安全功能。

RA4系列–高性能和出色的功耗：

基于支持TrustZone的Arm Cortex-M33F內(nèi)核或Arm Cortex-M4F內(nèi)核構(gòu)建，最高頻率100MHz。高達(dá)1MB的閃存和128KB的SRAM。電壓范圍為1.6V到5.5V。外設(shè)包括電容式觸摸感應(yīng)、段碼式LCD控制器、全速USB、CAN、安全功能以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和定時(shí)器。RA4W1系列器件還額外配備了Bluetooth低功耗（BLE）5.0。

RA6系列-高性能：

基于支持TrustZone的Arm Cortex-M33F內(nèi)核或ArmCortex-M4F內(nèi)核。最高頻率200MHz。高達(dá)2MB的閃存和640KB的SRAM。電壓范圍為2.7V到3.6V。外設(shè)包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、外部存儲(chǔ)總線、以太網(wǎng)、全速和高速USB、CAN、安全功能、電容式觸摸感應(yīng)和用于TFT顯示的圖形LCD控制器，以及一個(gè)2D圖形引擎。RA6T1系列器件帶有用于電機(jī)控制的增強(qiáng)型外設(shè)，如高分辨率PWM定時(shí)器或高級(jí)模擬模塊。

RA8系列-更高性能、人機(jī)界面、物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算

2.2.1 瑞薩RA系列MCU能做什么

瑞薩RA系列通用MCU包含豐富的功能以滿足各個(gè)領(lǐng)域的不同應(yīng)用需求。最常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景包括：低功耗應(yīng)用場(chǎng)景、電機(jī)控制應(yīng)用、無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等等。我們?cè)谌鹚_官網(wǎng)中挑了兩個(gè)產(chǎn)品應(yīng)用的成功案例，通過(guò)簡(jiǎn)單講解這些應(yīng)用實(shí)例，來(lái)舉例說(shuō)明瑞薩RA系列MCU的具體應(yīng)用。

示例1：電機(jī)控制和機(jī)器人——高功率BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)

應(yīng)用項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

該項(xiàng)目屬于電機(jī)控制和機(jī)器人領(lǐng)域，用于倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

RA6T2 MCU和RAA227063三相智能柵極驅(qū)動(dòng)器為處理速度和功率效率提供了完美組合，有助于解決受到極小外形尺寸限制并具有高功率需求的牽引電機(jī)的相關(guān)問(wèn)題。該解決方案使用兩個(gè)感應(yīng)式位置傳感器，因此客戶可以更換大型且昂貴的光學(xué)編碼器。

如下圖所示為“高功率BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)”應(yīng)用項(xiàng)目的系統(tǒng)框圖。

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圖中的系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：

1主控芯片選用的是RA系列的RA6T2MCU?！癛A6T2”中的字母“T”代表了該型號(hào)為電機(jī)控制增強(qiáng)型，具有豐富的電機(jī)控制功能。

2MOS橋驅(qū)動(dòng)器芯片采用的是瑞薩RAA227063三相智能柵極驅(qū)動(dòng)器。RAA227063具備電源管理功能，可直接使用電池為驅(qū)動(dòng)器和MCU供電，從而減少整體電路。其可編程性讓客戶能夠優(yōu)化逆變器的功率級(jí)，并通過(guò)簡(jiǎn)單地更改MOSFET和使用軟件調(diào)整轉(zhuǎn)換速率、死區(qū)時(shí)間和柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)處理不同的功率水平。

3三相MOS橋可提供換相的電路機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷電機(jī)。

4傳感器采用的是IPS2200感應(yīng)式位置傳感器。它可以提供絕對(duì)位置信息，并利用RA6T2 MCU12位ADC中的四位來(lái)提供分辨率高達(dá)17位的增量位置感測(cè)。

5電源調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路，為圖中的各個(gè)芯片進(jìn)行供電。

6工業(yè)用途的CAN總線接口連接著CAN收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的可靠通信。

該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于：

? 小型：RA6T2MCU和RAA227063三相驅(qū)動(dòng)器均采用7mmx7mm的48引腳QFN封裝；

? 模擬集成：包括電源管理和電源驅(qū)動(dòng)器，并使用電池直接為MCU提供支持；

? 可編程性允許為逆變器進(jìn)行最佳調(diào)諧：電機(jī)感應(yīng)模式、死區(qū)時(shí)間、轉(zhuǎn)換速率和柵極驅(qū)動(dòng)電壓；

? 加速器：提供優(yōu)化后的電流矢量控制、濾波操作和減少主CPU內(nèi)核（Cortex-M33）負(fù)載，以支持附加功能；

? 兩個(gè)IPS2200感應(yīng)式位置傳感器可以提供絕對(duì)和增量轉(zhuǎn)子位置；

? 該系統(tǒng)旨在最大限度地降低整體BOM成本、縮減尺寸并替換在電機(jī)中占用大量空間且價(jià)格高昂的光學(xué)編碼器。

示例2：智能家居——語(yǔ)音識(shí)別和智能控制

應(yīng)用項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

語(yǔ)音識(shí)別正成為當(dāng)今新型數(shù)字生活方式的一個(gè)重要功能。我們可以利用語(yǔ)音控制房間的照明、空調(diào)、窗簾和其他電器。出于衛(wèi)生原因，只需與語(yǔ)音識(shí)別控制器通話，即可避免接觸酒店或辦公場(chǎng)所的表面，從而實(shí)現(xiàn)非接觸控制。瑞薩電子通過(guò)執(zhí)行實(shí)時(shí)控制（第三方語(yǔ)音識(shí)別引擎）的離線語(yǔ)音識(shí)別算法，成功構(gòu)建成功組合。高級(jí)語(yǔ)音命令識(shí)別引擎同時(shí)支持兩種語(yǔ)言和語(yǔ)音響應(yīng)。有34種全球語(yǔ)言可供選擇，可輕松集成到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中。

如下圖所示為“語(yǔ)音識(shí)別和智能控制”應(yīng)用項(xiàng)目的系統(tǒng)框圖。

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圖中最主要的兩大部分如下：

1主控部分。芯片選用的是RA系列的RA6M5MCU。它的主要功能為接受并處理用戶語(yǔ)音數(shù)據(jù)，再根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果做出相應(yīng)的用戶操作和語(yǔ)音反饋。

2執(zhí)行器部分。主控芯片通過(guò)RS485將指令發(fā)送到執(zhí)行器，由執(zhí)行器做出實(shí)際的控制，比如通過(guò)繼電器控制照明燈的開(kāi)關(guān)、通過(guò)WiFi控制家電等。

該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于：

? 瑞薩電子的語(yǔ)音識(shí)別解決方案可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有酒店空調(diào)、照明控制系統(tǒng)、家用電器的輕松集成。

? 語(yǔ)音命令可通過(guò)高級(jí)語(yǔ)音命令識(shí)別引擎和算法進(jìn)行自定義。

? 支持雙語(yǔ)言和觸發(fā)器命令。

? 低成本。