飞思卡尔基于ARM平台全系列MCU引领嵌入式应用新趋势

如果要回顾2012年以及展望2013年，您会选择哪几个词作为电子行业的关键词？相信还没人去做过这样的调查统计，不过不出意外的话，笔者相信至少有这样两个关键词必将入选最热门的关键词：智能终端，移动互联。您同意吗？

近年来，无论是政府还是企业，都在力主推广各种智能化概念——智能电网、智能交通、智能家居、智能监控……同时，基于各种智能便携式终端的移动互联网应用层出不穷。纵观不久前闭幕的2013年消费电子展（CES2013），最热门的展品几乎无不与这两个关键词相关——今年CES最热门的产品为智能手机和平板电脑，各种智能家电产品也数不胜数，甚至还有吃饭的叉子和汤匙也“被智能化”。

智能化和移动互联网的发展趋势带动了传统的电器产品设计转变，正如在近期召开的易维讯“2013产业和技术展望媒体研讨会”的主题演讲中，飞思卡尔亚太区市场营销和业务拓展经理黄耀君所指出——随着应用复杂度的增加，32位微控制器（MCU）正在很多领域替代传统的8位和16位MCU。而该转变趋势背后，还有很多难以从8位、16位和32位这样简单数字变化所能包含的更多技术发展新趋势。

超过50%的新推MCU基于ARM平台

正如黄耀君所言，32位微控制器越来越多地进入传统8位和16位控制器所长期占据的市场，特别是近年来智能终端的爆发下，这种趋势尤其明显。“32位控制器成本的迅速降低也促成了这种转变，目前一些32位微控制器成本已经进入50美分以下的区间。除了替代8/16位控制器外，一些中端、高端的MCU产品也正在一些传统DSC具有优势的领域中逐渐占据上风。”黄耀君指出，“目前全球新推的32位MCU中，几乎超过50%的产品是基于ARM平台的。”

复杂的嵌入式系统将涉及到实时操作系统、中间件、应用程序、硬件电路，等等，几乎没有一家公司能完成所有的设计，只有基于像ARM这样的开放的公共处理器平台才能形成如此良好、丰富的生态系统，所有的公司一起贡献良好的开发环境，实现快速的系统设计和创新。“例如以前基于8位/16位控制器设计，如果因为供货原因需要修改设计，将会很麻烦，而基于ARM内核的32位处理器很方便，有大量第三方提供技术支持。”黄耀君指出。



飞思卡尔针对不同的应用需求，提供丰富的微控制器产品系列

作为全球最大的微控制器产品提供商之一，飞思卡尔公司的PX系列Power Architecture架构微控制器、ColdFire等已经在业界获得广泛应用，甚至已经成为一些行业标准产品。“但这并不影响飞思卡尔提供基于ARM平台的领先控制器，”黄耀君指出，“而且我们是业内率先推出基于Cortex-M0+和M4控制器产品的半导体公司。飞思卡尔的Kinetis系列MCU产品组合共提供了超过200个基于ARM Cortex-M结构的低功耗、高性能、可兼容的微控制器。”

“我们的Kinetis系列从入门级到功能丰富的产品，都提供可支持飞思卡尔塔式开发工具平台以及付赠的MQX RTOS和基于Processor Expert 的CodeWarrior IDE编码自动发生器的高精度混合信号、FlexMemory（EEPROM），低功耗、连接性、人机互交（HMI）和安全等等特性，以及非常齐全的外设选择。并获得业界领先的IAR系统、KEIL、Green Hills以及许多其他合作伙伴的支持。”黄耀君表示。


基于开放的公共处理器平台，良好的生态系统将促进更快的产品技术创新。

广泛的产品组合+更高的产品特性满足设计需求升级

面对快速变化的市场需求，嵌入式系统厂商对半导体产品方案也提出越来越多不同于以往的产品功能和特性需求。“客户的要求越来越高，例如功耗越来越低，封装尺寸越来越小，多个串口，部分应用要求把高压驱动、安全功能、无线模块等功能加入进去。”黄耀君指出。在演讲中，他总结了近年来客户对控制器的需求变化的几大趋势：

要求免费的的操作系统支持，例如Linux、uCOSII、FreeRTOS、MQX，等.

免费的高质量中间件支持，以及免费提供各种程序及算法库资源

控制器所集成的RAM与FLASH的比例要求已经从1/32、1/16逐渐上升到1/8、1/6，甚至1/4

允许通过串口和USB接口实现程序加载，支持固件在线升级

更强的EMC兼容性——IEC61000-4-4和IEC61000-4-2分别要求最低4.8KV EFT和8KV ESD，一些应用要求10KV、12KV

可灵活扩展的通用控制器，满足各种存储器大小要求以及管脚兼容，以便随系统要求的提高轻松升级

为满足大批量应用提供专用MCU，这些MCU需要尽量多实现功能集成（例如智能电表应用、物联网应用，等）

无线MCU——以SoC或SiP形式，支持各种无线通信方式，如Sub-GHz、ZigBee、蓝牙，等

具备更强的DSP功能以及更多的外设功能，例如集成DSP协处理器、多内核功能

集成人机界面（HMI）及多媒体功能

事实上，设备商在不断追求更强大的功能和极致性能的过程中，嵌入式系统设计对控制器平台提出了越来越苛刻的要求，几乎所有的嵌入式微控制器产品都在试图满足这些需求趋势，当然每款控制器产品的侧重点会有不同。在演讲中，黄耀君重点分享了飞思卡尔的Kinetis通用MCU系列以及专用MCU系列的在满足这些市场需求方面的主要技术特性：

Kinetis L系列微控制器不仅汲取了新型ARM Cortex-M0+处理器的卓越能效和易用性，而且体现了Kinetis 32位微控制器产品优越的性能、多元化的外设、广泛的支持和可扩展性。同时将出色的动态和停止电流与卓越的工艺处理性能、选择广泛的片内闪存密度与丰富的模拟、连接和HMI外设选项相互结合，从8位和16位MCU的限制中释放了关键的功耗设计能力。Kinetis L系列MCU还能够和基于ARM Cortex-M4 Kinetis K系列的硬件和软件相互兼容，为提供性能、存储和特性集成扩展迁移路径。

Kinetis K 系列MCU组合更强调高性能和可兼容性，有超过200个基于ARM® Cortex™-M结构的低功耗产品。它的设计具有可扩展性能，集成连接性、通信、人机互交（HMI）和安全等等特性。这个系列的产品的特性是高集成，它包含多种快速16位模拟/数字转换器、数字/模拟转换器和可编程增益放大器，以及强大、经济有效的信号转换器。还支持飞思卡尔塔式开发工具平台和免费提供的MQX实时操作系统。



飞思卡尔Kinetis系列通用微控制器为各种嵌入式应用提供了丰富的选择。

Kinetis X系列是业界基于ARM® Cortex™-M4内核构建、速度最快的微控制器。该器件系列具有先进的连接特性和HMI外设，内含软件可以支持带有强大图形用户界面的网络系统。Kinetis X系列MCU配置了一系列的软件和工具，其中包括飞思卡尔的塔式系统开发平台、附赠的MQX RTOS和基于Processor Expert的CodeWarrior IDE自动代码生成器和来自IAR Systems、KEIL、Green Hills和其他合作伙伴的广泛支。

Kinetis W 系列专用微控制器主要针对物联网、智能家居等应用。增加了无线连接性支持，扩展了Kinetis K系列基于ARM® Cortex™ -M4的成功之处，将业界领先的 sub-1 GHz和2.4 GHz 射频收发器与Cortex™-M4内核成功集成，并针对无线应用进行了优化，提供了一个强大、可靠、安全的和低功耗的嵌入式无线解决方案。提供了一个可测量移动路径的更高性能的储存器和特征集合。

Kinetis M 系列专门支持广泛的经济高效的单相或两相电表设计而设计，基于32位ARM Cortex-M0+内核微控制器。所有 Kinetis M 系列微控制器都包含一个模拟前端，使 CPU 的电源计算可以达到 0.1% 的精确度。为适应多个地区，模拟前端是可配置的，它包含4个24位Σ-Δ模数转换器、两个低噪声可编程增益放大器，支持2000至1的动态范围、一个带有较低漂移温度范围和相移补偿的精密电压参考以简化精确的功率计算。

Vybrid系列提供基于ARM Cortex A5+Cortex M4多核或ARM Cortex A5单核的产品选择，涵盖产品让客户由Kinetis MCU入门级产品升级到带有片上SRAM的MPU，以及适用于工业市场高度集成、异构双核的MPU产品。 每一种Vybrid系列器件都含有成套参考设计、应用笔记、板级支持包(BSP)和中间件。Vybrid平台支持客户构建既可以单独或同时运行如Linux或MQX等高级操作程序的系统。这样，结合丰富域与实时域之间的通信API，以及便于调试这类系统的工具链，可以显著缩短客户实现收入的时间。

应用案例分析——Kinetis K53在心电监测仪上的应用

作为全球最主要的微控制器供应商之一，飞思卡尔的微控制器产品研发上具有丰富IP和应用开发经验，特别是在各种算法资源、OS（免费提供强大的MQX RTOS）以及强大的技术支持团队上。“飞思卡尔200多款Kinetis系列微控制器广泛应用在消费电子、工业控制、医疗保健和网络通信等领域，这些产品针对主要的应用在外设集成、功能和性能优化上均有业界领先的优势。”黄耀君指出。在研讨会上，黄耀君还重点分享了几个典型的应用案例，下面介绍其中基于Kinetis K53的心电图仪应用。

如图所示，通过飞思卡尔Kinetis K53处理器，患者不需要去医院里面去做心电图，只需要用苹果的iPhone智能手机或iPad平板电脑，通过飞思卡尔的控制板以及几根电极，就可以轻松地实现心电图的自我检测应用，把心电图形和心率在手机中清楚地显示出来。


通过飞思卡尔的控制板以及几根电极，就可以轻松地实现心电图的自我检测

该Demo针对的应用主要是实现心电监测的家用便携式医疗保健产品，便携式产品的首要要求就是低功耗和便携性，Kinetis K50系列针对便携式医疗应用进行优化设计的一些独特的功能特性优势使其成为此类应用的理想之选。Kinetis K50系列基于Cortex-M4内核，在实现了高性能和高集成度条件下，本身就具备了非常好的低功耗特性。所集成的DSP和浮点单元功能让设计工程师可以实现轻松快速实现复杂算法，较短的时间内实现心电图监测，使设备大部时间内处于休眠模式从而节省功能。

Kinetis K50系列高集成度还使其在便携式医疗应用上具备整体尺寸以及BOM成本上的优势。内部集成了模拟测量引擎，包括嵌入运算放大器与跨阻抗放大器，以及高分辨率的模数转换器和数模转换器。16位模数转换器提供了所有心电监测或类似家庭健康监测应用所需的高分辨率和精確度。而K50内置的运算放大器和跨阻抗放大器可以很方便设计师实现采集信号的调理，不仅设计上更简单，而且有助于降低噪声干扰。

K50系列器件內含128～512KB的Flash，以及最多128KB的SRAM，并且结合飞思卡尔在K50系列中使用的创新FlexMemory技术，可以将这部分设置为EEPROM和/或Flash，并可以同时作为主程序的存储器。这对于像心率监测仪、血糖仪等便携式医疗设备而言非常重要，因为必须持续进行监测数据的写入。 



Kinetis K50微控制器系列内部集成了大量便携式医疗应用所需的外设。

本文总结：

“2013年，32位MCU的性能将进一步提高：内核方面，Cortex-M0会向M0+升级，Cortex-M3会向M4升级；资源上向多核和多存储方向演进，而高端的Cortex-A8/A9/A15会向A5X（ARM V8架构）升级。”黄耀君指出，“目前飞思卡尔已经有相关的新品研发，相信很快就会有新产品推出。”越来越丰富的ARM生态系统正在为工程师带来便利，我们期待飞思卡尔在新的一年有更给力的微控制器产品提供给工程师。