本文的關(guān)鍵要點

1. 越來越多的家用電器使用語音播放作為用戶界面。

2. 對于耗電量大的設(shè)備，需要考慮引入低功耗的控制方式和高效的供電系統(tǒng)。對于電池供電系統(tǒng)，可以利用微控制器的待機模式節(jié)省電力。

3. 盡量減少微控制器的外置元器件數(shù)量，可以降低材料成本和制造成本。

4. 評估開發(fā)環(huán)境時，不僅要看集成開發(fā)環(huán)境和評估板，還要確認是否有易于使用的實用工具。

ROHM提供融入自有低功耗技術(shù)優(yōu)勢的豐富的低功耗微控制器產(chǎn)品。通過供應(yīng)微控制器產(chǎn)品，為從事電池供電的小型設(shè)備、家用電器、工業(yè)設(shè)備、社會基礎(chǔ)設(shè)施、車載設(shè)備等各種系統(tǒng)開發(fā)的微控制器用戶提供支持。本文以回答希望使用微控制器的開發(fā)人員問題的形式，為微控制器引入和微控制器設(shè)計提供有用的信息。此外，ROHM還發(fā)布了一系列的“微控制器小知識”視頻，從中可以學習微控制器的基礎(chǔ)知識，微控制器初學者也可以參考這些視頻。

想進軍廚房電器市場，然而…

前幾天，某設(shè)備制造商向我咨詢引入微控制器的相關(guān)事宜，我們暫且稱他為“A先生”。

A先生所在的公司是一家為食品工廠等提供商用烹飪和廚房系統(tǒng)的制造商，正在考慮進入普通消費者使用的廚電市場。公司內(nèi)部成立了一個負責規(guī)劃和開發(fā)通過微控制器控制的廚房電器的團隊，A先生的任務(wù)是研究設(shè)備中配備的微控制器，并設(shè)計和安裝微控制器軟件。

雖然A先生在處理商用系統(tǒng)中配備的工業(yè)級處理器方面有豐富的經(jīng)驗，但幾乎沒有使用過安裝在家用電器中的小型微控制器，周圍也沒有具有微控制器設(shè)計經(jīng)驗的前輩或同事。A先生咨詢的問題是“在家用電器開發(fā)中，應(yīng)該從哪些方面對微控制器進行評估和選擇?”

家用電器開發(fā)的四大課題

近年來，人們對家用電器提出了很多要求，其中 “舒適的用戶界面”和“節(jié)能省電”是對大多數(shù)產(chǎn)品的共同要求。同時，家用電器開發(fā)迫切需要“降低材料成本和制造成本”。此外，“改善開發(fā)環(huán)境”以減輕微控制器設(shè)計的復雜性和工作量也很重要。

本文中我們以家用電器中的家用面包機開發(fā)為例，介紹家用電器開發(fā)的四大課題以及評估和選擇相應(yīng)微控制器時的要點。

廚房電器由微控制器控制

首先，我們介紹一下家用面包機。家用面包機是一種利用面粉和黃油等原料自動制作面包的機器，其結(jié)構(gòu)與圖1中所示的結(jié)構(gòu)類似。殼體上裝有溫度傳感器、發(fā)熱管和電機，內(nèi)部安裝容納面包原料的內(nèi)膽。

圖1家用面包機的結(jié)構(gòu)

家用面包機對內(nèi)膽中的面包原料執(zhí)行“揉面”、“醒面”、“發(fā)酵”和“烘烤”四道工序。根據(jù)制作的面包種類(吐司面包、快速面包、法式面包、全麥面包等)、烤色和室溫等因素，每道工序的處理時間、執(zhí)行次數(shù)以及添加干酵母和配料的時機都會有所不同。圖2舉例說明了家用面包機的工作過程。

除了管理工作過程外，微控制器還執(zhí)行通過傳感器進行溫度測量、內(nèi)膽的溫度控制、用于面包原料攪拌的電機控制以及用戶界面處理等任務(wù)。表1為家用面包機的需求規(guī)格示例。

表1家用面包機的需求規(guī)格

制作過程的處理時間、揉面過程的攪拌控制以及發(fā)酵和烘烤過程的加熱控制等方面，都凝聚了各制造商的技術(shù)訣竅。例如，有些產(chǎn)品配備了直接測量面團溫度的傳感器，有些則配備了高功率IH加熱器（感應(yīng)加熱線圈）。

引入微控制器時的注意事項

下文將介紹評估和選擇微控制器時需要考慮的事項。

1) 用戶界面問題——語音向?qū)ё層脩舾p松

許多家用電器都配備輸入按鈕和顯示設(shè)備狀態(tài)的LED指示燈，有些還配備液晶屏，通過文字和圖形提供更豐富的信息。

本文示例的家用面包機配備有多個按鈕和一個液晶屏。按鈕連接到微控制器的GPIO(通用輸入輸出)端口以判斷開/關(guān)狀態(tài)。液晶屏通過連接到微控制器內(nèi)置的LCD驅(qū)動器進行控制。

如今，越來越多的產(chǎn)品采用屏幕顯示和語音播放相結(jié)合的方式來引導用戶。對于老年用戶來說，“顯示屏文字太小看不清”或者“下一步操作不夠直觀易懂”等情況時有發(fā)生。在這種情況下，語音向?qū)Чδ芫湍馨l(fā)揮有效作用。

使用微控制器進行語音播放時，通常使用中間件進行音頻解碼。通過CPU對壓縮的音頻數(shù)據(jù)進行解碼，并通過D-A轉(zhuǎn)換器或PWM生成音頻信號，輸出到外部放大器或揚聲器。有些微控制器內(nèi)置音頻解碼電路，這類微控制器可在不消耗CPU資源的情況下進行語音播放。

2) 節(jié)能省電問題——系統(tǒng)級和部件級的雙重省電設(shè)計

使用熱交換的空調(diào)設(shè)備、大功率的廚房電器、洗烘一體機、電熨斗等家用電器中，有些設(shè)備的功耗超過1000W。開發(fā)此類設(shè)備時，低功耗設(shè)計至關(guān)重要。

家用面包機也是大功率的廚房電器之一，加熱器連續(xù)運行的烘烤過程大約需消耗350～700W的電力。因此，在系統(tǒng)設(shè)計階段，需要考慮降低加熱器控制方式和電機控制方式的功耗，并提高供電系統(tǒng)的效率。

此外，低功耗設(shè)計對于電池供電的設(shè)備也很重要。為了延長連續(xù)使用時間，需要降低微控制器和其他元器件的功耗。有些廚房電器(如家用面包機)從UX(user experience;用戶體驗)設(shè)計的角度出發(fā)，即使從插座上拔掉電源線，也能通過內(nèi)置電池繼續(xù)維持液晶屏的顯示并保留之前的設(shè)置信息。在這種情況下，也需要像電池供電設(shè)備一樣注重省電設(shè)計。

要降低微控制器本身的功耗，可以利用微控制器的電源管理功能。很多微控制器都有多種待機模式，通過讓微控制器以“工作→待機→工作→待機”的方式間歇性地工作，增加待機時間以降低功耗。表2為微控制器待機模式的示例。

表2微控制器待機模式示例(使用ROHM的ML62Q2700時)

注：所有模式下，RAM和SFR(特殊功能寄存器)的數(shù)據(jù)均被保留。

可以控制每個外圍功能電路塊的時鐘門控和復位。

3) 材料和制造成本問題——減少外置元器件，降低成本

與工業(yè)設(shè)備等相比，家用電器的市場競爭更為激烈，價格往往設(shè)定得較低。因此，迫切需要降低材料成本和制造成本。

根據(jù)一次處理數(shù)據(jù)的位寬，微控制器可分為8位、16位、32位三類。位數(shù)越大，運算能力越強，但芯片價格也越高。因此，家用電器中通常使用8位或16位的低價微控制器。

另外，微控制器配備多種外圍功能，如果所用微控制器的外圍功能符合開發(fā)目標的要求(功能和性能上無多余或不足)，就可以減少外置元器件的數(shù)量，降低元器件成本。元器件數(shù)量減少，通常電路板面積也會變小，從而降低電路板成本。但需要注意的是，微控制器內(nèi)置的外圍功能在性能、精度和分辨率方面可能不如外置元器件。圖3為家用電器中使用的外圍功能示例。

圖3 家用電器中使用的微控制器外圍功能

其他外置元器件中需要考慮的是時鐘產(chǎn)生問題。使用外置的晶振或振蕩器會增加元器件成本，但能提高時鐘質(zhì)量;而使用微控制器內(nèi)置的振蕩電路可以降低元器件成本，但時鐘質(zhì)量會下降。

ROHM的16位微控制器可以在內(nèi)部進行時鐘校正，并且校正后的時鐘頻率誤差可控制在±1.5%以內(nèi)。對于需要時鐘功能、精確測量時間以及頻率精度要求較高的系統(tǒng)，需要使用外置晶體振蕩器，否則可以考慮使用微控制器內(nèi)置的振蕩電路。

以家用面包機為例，微控制器與外圍元器件的連接如圖4所示。這里使用的是ROHM的16位微控制器ML62Q2700。ROHM的16位微控制器不僅用于電飯煲、微波爐、咖啡機等廚房電器，還用于冰箱、洗衣機、吸塵器、空調(diào)和LED照明等設(shè)備。

圖4 家用電器的微控制器與外圍元器件的連接

如圖4所示，ML62Q2700內(nèi)置有音頻解碼器(ADPCM/PCM方式)、段碼式LCD驅(qū)動器(最高480像素，通過電容分壓產(chǎn)生驅(qū)動電壓)、12位A-D轉(zhuǎn)換器和PWM，從而減少了外置元器件的數(shù)量，而時鐘產(chǎn)生使用了外置晶體振蕩器，這是因為需要時鐘功能管理家用面包機的面包制作完成時間。

4)開發(fā)環(huán)境問題——彰顯供應(yīng)商特色的實用工具

微控制器供應(yīng)商提供與其微控制器相應(yīng)的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、調(diào)試探針(仿真器)、評估板和實用工具。微控制器供應(yīng)商提供的IDE通常是使用開源軟件(如Eclipse)構(gòu)建的，可以免費或以較低價格獲得。

實用工具包括生成微控制器配置文件和初始化代碼的工具、輔助創(chuàng)建微控制器使用的音頻和圖像數(shù)據(jù)的工具以及輔助電機控制設(shè)計的工具等。在實用工具支持方面，往往能體現(xiàn)出各供應(yīng)商的差異化競爭力。擁有易于使用的工具(即所謂的“貼心工具”)可以減輕開發(fā)人員的負擔。圖5為實用工具的示例。

(a) 創(chuàng)建音頻數(shù)據(jù)(ADPCM/PCM)的工具(ROHM的Speech LSI Tools)

(b) 確認液晶屏顯示工作的工具(ROHM的LCD圖像工具)

圖5 實用工具示例

同時，也要確認是否有講解微控制器使用方法的操作說明書或視頻。