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德州仪器:厚积薄发 活跃MCU市场



德州仪器(TI)在半导体行业有着70多年的悠久历史。在半导体行业70余载的跌宕起伏中,TI通过不懈的努力和创新,淀积了厚实的技术基础,同时对行业脉搏的也把握有着超凡的睿智。多年来,除了在通信、电源、DLP数字显示技术等领域引领潮流外,TI在微控制器领域也是行业的佼佼者,为整个MCU市场的活跃贡献了不小的力量。

在控制器领域,TI有着从低端到高端非常全面的解决方案。纵观TI微控制器产品版图,主要有MSP430系列、TMS470系列和TMS320C2000系列三大板块。

图1 TI从低端到高端完备的控制产品系列


MSP430:开创低成本、低功耗新革命

8位MCU主要面向的是低端应用,该领域厂商众多,竞争激烈,产品的价格也在不断下跌。而低功耗则是任何产品的共同发展趋势。无疑,低成本、低功耗将是制胜低端MCU市场的最关键因素。

MSP430是TI推出的面向传统8/16位MCU应用市场产品系列,该系列从器件最根本的架构上着手来降低成本和功耗。对此,TI MSP430产品亚洲市场开发经理陈维哲先生做出了详细的技术分析。

TI 10多年钱就开始研究怎样才能为通常由 8 位 MCU 支持的应用提供最佳架构。从架构上看,目前8位CPU实际上执行的是16位操作,因此性能会受到一定的影响,其中比较明显的就是寻址空间。因为寻找空间有限,在编写的程序涉及跳转、表格以及复杂的寻址计算时,8位MCU的效率就会相当低下。另外,在数据处理方面,大多数 MCU 均采用 10 位ADC 和 16 位定时器。如果要从 ADC 读取或处理信号,或者向定时器输出 PWM 数据时,为了实现简单的读写操作,不得不处理麻烦而混乱的多字节指令,这必然会影响程序空间与功耗。

如果从硅芯片尺寸方面来考虑成本问题的话,可以发现,在先进的 MCU 中, CPU 内核所占芯片面积的比例是非常小的(根据器件不同,平均占10%或更少)。占用大多数硅芯片面积的实际上是 ROM 和 RAM 存储器。不管位宽是多少,架构的代码效率越高,成本就越低。

因此,如果架构能处理较大的寻址空间,自身能够支持 10 至 16 位数据且单项功能所占 ROM 容量较小,那么它显然就在成本和功耗方面具有相当的优势。TI在深入研究了 4 位、8 位、16 位、20 位和 32 位的不同情况后,最终发现最佳的架构是 16 位架构,并将其命名为 MSP430。

MSP430 系列的专用领域是超低功耗电表与便携仪表应用,在效率上高于传统的MCU,并且以低功耗而闻名。在待机模式下耗电仅为0.8 A,RAM保持模式低至0.1 A,运行时为250 A/MIPS,仅需不到6 S时钟启动, 引脚漏电流不超过50nA。它非常适合于智能传感器、系统电源监控器、智能数据采集等应用。据介绍,MSP430能使钮扣电池的使用寿命长达近 10 年,可使电子电表、燃气表和水表等计量设备的电池使用寿命长达 20 年。MSP430的单价仅为 0.49 美元,最近TI又为其推出了售价20美元的超小型完整易用开发工具。相信MSP430将会开启低成本、低功耗计量、便携仪表应用领域的新一轮革命。

TMS470:看好汽车电子应用

目前,32位MCU市场正在进一步呈现出采用ARM架构的发展趋势。对于汽车电子、工业控制、医疗器械等高端应用而言,ARM架构因其具有高效的内核、低成本的开发工具、丰富的开放式源代码和专用材料资源等特点,在激烈的竞争中占据着相当的优势。32位MCU市场依然呈现出快速增长的势头。

TI的TMS470正是基于业界标准的ARM7架构的32位MCU,最初主要是为32/16位车载应用而开发的,也比较适合各种工业应用的通用器件,如医疗仪表、销售点终端以及通信网关等。

汽车产业仍然以稳定的速度增长着,随着消费者对汽车安全性、舒适性的要求增高,汽车中消费的MCU在不断增多,市场前景诱人。TI自然不会放过这块利好市场。TMS470系列产品能充分满足了大多数车载应用的需求,该产品已被用于HVAC、汽车底盘、车身控制、仪表和安全气囊等应用。据悉,TMS470已经占据了汽车底盘和刹车市场65%的市场份额和安全气囊市场40%的市场份额。


TMS320C2000:DSP与MCU的完美结合

MCU擅长信号控制,DSP则擅长复杂密集的信号处理。随着消费者对产品性能要求的逐渐提升,在高端应用领域,融合DSP处理内核的MCU将是未来的发展趋势。TI敏锐地把握到了这一行业趋势,推出TMS320C2000系列数字信号控制器来满足市场需求。

传统的MCU具有优化的控制内核,控制代码效率高,同时还具有灵活、可靠的外设闪存和外设配置,但是其信号处理能力弱,数学代码效率低。而传统的DSP则具有高效的数学代码效率,非常擅长各种复杂算法处理,但是它不具备做控制应用的各种外设和存储器,控制代码效率低。TI的C2000系列则实现了DSP与MCU的完美结合,兼具高效的控制能力和高效的处理能力。

图2 C2000系列控制器实现了DSP的高性能和MCU的易用性的完美结合

TI C2000控制器有着宽泛的产品系列,内核性能从40~150MIPS不等,具有高速片上存储单元和丰富的外围器件,面向的主要应用领域包括马达控制、智能传感控制、汽车电子和数字电源控制等。

在变频空调控制中,利用C2000能够实现数字PFC与VF压缩机制,改进压缩机控制技术,无需位置、速度传感器,就能实现BLDC/PMSM无位置传感器控制,在应用可靠性、成本、效率、噪声等方面较有优势。另外,C2000系列还广泛用于电动自行车等交通工具中的马达控制,特别是目前在美国兴起的一种采用C2000控制的两轮手扶个人交通工具,颇受消费者的关注。据透露,在不久的将来,TI将会为电动自行车的控制带来一场新的技术革新。

在对数字电源的控制中,C2000高度集成的可编程性,大大简化系统设计,获得更高的电源转换效率。据介绍,澳大利亚Monash大学的一名学生基于C2000产品开发的电源转换器,以90%的转换效率在“2005 IEEE 电源开发竞赛”中一举夺魁。近期,TI还将推出基于C2000系列的数字电源开发套件加速设计工作。

在高级传感控制方面,C2000也有着出色的表现。它能够执行密集型数学算法,在单回路中执行更多计算,32位单周期精度能降低量化、舍入、截位、溢出等误差数值,进而确保控制的快速、精确。其中C2000的一个很好的应用实例是SawStop公司的电锯。C2000使这种电锯能够区分木头和手指,如在操作中遇到手指,电锯能在5毫秒内停止,从而避免造成重大的人身伤害。据SawStop公司的客户反映,C2000控制器已经挽救了很多人的手指。此外,在医疗仪表、消费/零售和车载传感等方面,C2000也有着施展技能的广泛的空间。

另外一个更吸引用户的消息是,TI 的控制器产品从低端到高端都在不断降低成本。从面向8/16位应用的0.49 美元的MSP430,到刚刚推出的最低价3.25美元的32位F280x系列,都在价格上加大了吸引力。TI表示,今后还会有更低价、更多品种的控制产品面世。掌控性能、价格的双重优势,相信历史悠久,实力雄厚的TI,将会使整个MCU市场更加活跃。 (庞会荣)

《世界电子元器件》2006.8
         
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