作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

對于電子應用而言，若想在審批時獲得「綠燈」并成功完成開發(fā)，可能就要對成本錙銖必較。這就是為什么工程師在選擇合適的微控制器單元 (MCU) 時，經(jīng)常會面臨艱難的挑戰(zhàn)，他們需要在性能與價格之間尋求平衡點。為了讓選擇變簡單，[Renesas Electronics Corporation] 面向成本敏感型嵌入式應用推出了一款基于 [Arm? ]的超低功耗 MCU。

為了開發(fā)高能效、低成本的應用，工程師面臨著難以想象的壓力。競爭問題、消費者和企業(yè)客戶的期望，以及快速的創(chuàng)新步伐，這些全都會增加因對成品成本或 MCU 性能的輕微誤判而導致失敗的風險。

MCU 只是一個組件，但對確定系統(tǒng)總成本至關重要。如果每件產品的價差為 50 美分，則在計劃生產 100,000 件最終產品的情況下，可能會額外增加 50,000 美元成本。

這還可能只是冰山一角：除了 MCU 的實際單位成本外，開發(fā)人員還必須考慮各種可能影響項目預算的潛在隱性成本因素，例如：

• 軟件工具和開發(fā)環(huán)境的許可費用
• 培訓時間
• 測試和故障排除
• 外圍元器件需求
• 固件開發(fā)
• 電源管理
• 合規(guī)和認證

對于生產量較小的產品，雖然 MCU 的價差可能不會導致成本增加很多，但由于生產單位數(shù)量較少，相關的額外成本往往會相對更高。這可能使項目獲批成為泡影。

功耗和熱管理會使選擇合適的 MCU 變得更加復雜。

MCU 的功耗越大，設計人員就越有可能需要為移動和便攜式應用配備額外元器件和可能更昂貴的電池。類似地，功耗越大，產生的熱量就越多，因此可能還需要額外的冷卻技術。

沒有人愿意為性能超出需求的元器件支付過高的價格。但是，他們也不希望創(chuàng)造的應用在部署時表現(xiàn)不佳。因此，實現(xiàn)成本與性能之間的最佳平衡決定著應用的成敗。

實現(xiàn)最佳平衡

MCU 的選擇顯然必須符合計劃應用的具體特性和功能要求。除此之外，還需要符合預算要求，價格敏感型應用尤為如此。這就需要找到性能、功耗和集成外設的最佳組合。

在價格方面，有些應用更加敏感。例如，家用物聯(lián)網(wǎng)設備往往面臨激烈的價格競爭壓力，這反映了消費者對低成本設備的期望。工業(yè)自動化應用通常需要更堅固耐用、可靠性更高的設備，以便在無人值守的情況下使用，但仍然很可能在價格和其他考慮因素方面面臨競爭。

要在價格和性能之間找到合適的平衡點，首先要選擇合適的 MCU，既能滿足性能要求，又具有高能效，還能為應用設計人員提供靈活性。

通常，高性能應用可提供更強大的處理能力、更高的時鐘速度，并且能夠完成更復雜的任務。這些更昂貴的 MCU 通常會加入多個集成外設，從而能夠減少對附加元器件的需求，但軟件開發(fā)和調試的費用往往也會更高。

為成本敏感型應用設計的 MCU 通常會存在集成外設較少、內存有限和設計靈活性較低的缺點。不過，它們也有功耗低和電池續(xù)航時間長的優(yōu)點。

Renesas 針對價格敏感型應用推出了功能豐富的 MCU

為了簡化低成本應用的選型過程，Renesas 推出了 [RA0E1]系列 MCU，該系列 MCU 功能豐富，具有極低的功耗和經(jīng)過優(yōu)化的外設，為開發(fā)人員提供了一種以較低物料成本優(yōu)化設計的方法。

RA0E1 MCU 采用高能效 Arm Cortex-M23 內核，不僅配備了一套出色的集成定時器，而且還具有串行通信、模擬功能以及安防和安全功能，直接面向成本敏感型應用市場。

Arm Cortex-M23 是一款入門級 32 位處理器，專為高能效運行而設計。這款 MPU 內核采用易于學習和編程的簡單架構，加入了 Arm 的 TrustZone 安防技術以及調試和跟蹤功能，能夠診斷和優(yōu)化應用，同時支持高能效低功耗模式。

RA0E1 在活動模式下的電流消耗為 84.3 μA/MHz，在睡眠模式下為 0.82 mA，因此非常適合電池供電的能耗敏感型應用。其豐富和高效的功能集適用于各種應用，包括消費電子產品、工業(yè)自動化、安全物聯(lián)網(wǎng)設備、樓宇自動化以及小家電等。

RA0E1 的電源電壓范圍為 1.6 V 至 5.5 V，因此設計人員可直接在 5 V 系統(tǒng)中采用該器件，而無需使用電平位移器或穩(wěn)壓器。RA0E1 還集成了高精度片上振蕩器，因此設計人員無需在設計中添加獨立的振蕩器。該振蕩器不僅可提高波特率準確度，而且能在 -40°C 至 +105°C 的環(huán)境中保持 ±1.0% 的精度。

將多種功能集成到單個芯片中的 MCU 可大幅減少對額外元器件的需求。這種集成簡化了設計，減小了 PCB 基底面，最終降低了系統(tǒng)總成本。為了最大限度減少外部外設，RA0E1 集成了許多元器件，包括：

• 高達 64 KB 的集成代碼閃存和 12 KB 帶奇偶校驗位的高速 SRAM
• 模擬外設，包括 12 位 ADC、溫度傳感器和內部基準電壓
• 通信外設，包括 3 個 UART 接口、1 個異步 UART 接口、3 個簡化串行外設接口 (SPI)、1 個內部集成電路 (IIC) 以及 3 個簡化 IIC
• 安全功能，包括 SRAM 奇偶校驗、無效內存訪問檢測、頻率檢測、A/D 測試、不可變存儲、CRC 計算器以及寄存器寫保護
• 安全功能，包括唯一 ID、真隨機數(shù)發(fā)生器 (TRNG) 和閃存讀保護

開發(fā)環(huán)境和向上兼容性

Renesas 為開發(fā)人員提供了一個通用設計環(huán)境，即[靈活配置軟件包] ，包括生產就緒驅動程序、Azure RTOS、FreeRTOS 以及其他中間件堆棧。該軟件包還為開發(fā)人員提供了將應用遷移到功能更強大的 RA MCU 的途徑。

Arm 內核具有很高的兼容性。Cortex-M23 采用 Armv8-M 指令集，該指令集與其他 Cortex-M 內核架構使用的指令集兼容。

Renesas RA01E MCU 的引腳和外設與 Renesas 的 [RA2E1] 系列 MCU 兼容，后者搭載了 48 MHz Arm Cortex-M23 核心，并整合了高達 128 KB 的代碼閃存和 16 KB SRAM。這使得基于 RA0E1 的設計能夠升級到更高性能的 MCU。

Renesas 還提供了 [FPB-RA0E1 快速原型開發(fā)板] （圖 1），用于評估、原型開發(fā)和開發(fā)基于 RA0E1 MCU 的應用。

圖 1：用于 RA0E1 微控制器應用原型開發(fā)的 FPB-RA0E1 評估板。（圖片來源：Renesas）

該評估板包括一個 [Arduino] UNO R3 接口和兩個 Pmod 連接器。此外，開發(fā)人員還可以充分利用內置 [SEGGER] J-Link? 仿真器電路，無需其他工具即可編寫和調試程序。

結語

Renesas RA01E MCU 為開發(fā)超低功耗、成本敏感型應用提供了一系列出色的功能和集成外設，無需在價格與性能之間做出妥協(xié)。該 MCU 具有多種連接選項和豐富的生態(tài)系統(tǒng)，以及全面的開發(fā)環(huán)境，能夠以更低的物料成本打造應用，同時還提供了后續(xù)將應用遷移到功能更強大的設備的途徑。

審核編輯 黃宇