美国得克萨斯州达拉斯，德州仪器公司总部负责全球市场营销及应用的经理  Mark Buccini

在许多嵌入式混合信号应用中，为了在同一系统中同时满足高性能模拟以及低成本数字逻辑这对相互冲突的要求，手工 (handcrafted) 专用集成电路(ASIC)常常是唯一实际可用的设计选择。该概念旨在将作为ASIC的复杂特定用途应用模拟从系统的数字商品部分分离开来。将模拟提取并整合到特定ASIC能够优化复杂特性，并将系统的通用特性进行商品化。

尽管会出现非重复设计(NRE)本以及较长的生产间隔时间等问题，但将模拟与数字分开在许多情况下还是有其经济意义的。不过随着如今现代芯片制造技术已经达到或低于0.5um的程度，最低批量达10万套时，通常完全定制的模拟电路其NRE为50多万美元。此外，经济与额外的设计风险以及缩短产品上市进程的压力使手工解决方案几乎一点都不现实。

当今潮流是采用专用标准产品 (ASSP) 在单个系统中平衡高性能模拟、低成本数字以及缩短产品上市时间。这些 ASSP 可提供专用混合信号模拟特性作为优化外设，同时实施的器件可在许多平台上共享可重复使用的功能。快闪微控制器 (MCU) 是最佳的共享功能解决方案选择。设计人员不再需要集中其资源进行风险极大的定制硬件实施，而是开发具有灵活性的、可编程的功能以便能迅速将其投入市场。

电子电表解决方案

ASSP能很好发挥作用的嵌入式混合信号应用的一个常见实例是电子电表。电子电表要求电路系统在广泛的动态范围内具备精确的电压与电流转换、可编程的快速MCU、计时功能、非易失存储，以及灵活的显示与通信特性。图1显示了常见的第一代电子电表的构造块。

执行能量转换功能需要具备可编程增益放大器(PGA)的独立模数转换器(ADC)。被转换的线电压和电流信号可进行数字处理，提供能量和线路时段测量、负电流动显示、峰值电压与电流等。数字信号处理器(DSP)可执行必要的计算以提供准确的活动能量、RMS电压、电流以及波形采样。

嵌入式信号处理器

就简化的系统设计方法而言，诸如MSP430FE42x"电表芯片"等混合信号ASSP集成了测量功能，作为随时可用的嵌入式信号处理器 (ESP)。可将ESP看作是一种固定功能外设，是专门为电子电表应用而量身定制。ESP作为一种外设可提供所有测量功能，如图2所示。我们使用具备同时采样和保持的三个独立的16位Δ-Σ ADC-PGA 对。其中一个ADC用作电流测量，一个用作电压测量，第三个则用作火线与零线 (line-to-neutral) 电流比较，以进行窜改检测。

我们可对嵌入式16位DSP进行编程，该器件采用优化的CPU、硬件乘法器、RAM以及ROM。也集成了精确的电压参考与温度感应器，用以减少外部组件。对设计工程师而言，ESP可方便地初始化，而无需应用软件。与主要的16位CPU的通信是通过现有的存储器和数据地址总线作为可读写邮箱寄存器完成的。数字校准在制造过程中执行，无需其它的软件支持。

为了满足严格的准确性要求，测量功能可在1000至1的动态电流范围内提供精确到 0.1% 的能量测量，大大超过了典型机械电表 2% 的一般精确度。由于具备每秒4096的高采样率，可以以数字的方式去除第20阶的50或60Hz市电电源谐波，特别是在快速开关瞬变负载环境中实现了更高的精确度。由于完全通过ESP管理关键的能量计算，用户可以使用MCU来实施独特的特性，如显示和自动读表（AMR）。

单片方法

从芯片角度看，除了专用ESP之外，ASSP的主要吸引力还在于将所有其他功能可作为通用外设提供。在电表芯片实例中，主CPU可以完全访问32kB系统内部可编程 (isp) 闪存和1kB RAM，以开发应用特性。凭借ISP，一般用作校准和单元识别序列号的外部非易失存储器可以取消，而代之以保存在正常的闪存中。周期性消耗数据也可记录在ISP闪存中。

图3显示了完整的片上电表。两款业界标准的16位计时器、USART串行通讯接口以及LCD驱动器可为每个应用实施独特的特性。作为业界标准的外设，一般软件库可重复使用，从而减少了总体项目开发时间。

就长期可靠性而言，系统中发生故障的最常见的项目之一就是晶体 (crystal)，其本质上是一种机械元素。因此，电表ASSP只使用单个低频率的32 kHz 表面晶体 (watch crystal) 作为计时之需，并能在断电情况下进入超低功耗的睡眠模式。高速系统时钟独立于晶体在片上进行数字生成，如果发生外部晶体故障，它可提供故障安全模式，以允许MCU在最小级别上继续工作。对于诸如电表等应用而言，可靠性是最优考虑的因素，因为这需要部署数十年之久。

与离散解决方案相比，电表ASSP将芯片数从五片降至了一片。芯片数的降低不仅节约了成本，而且还优化了制造，改善了长期可靠性。

合而为一

如今，开发基于嵌入式 MCU、能快速投入市场、具有紧密封装以及更高精确度模拟的 ASSP 要求富有全新的思维方式。一流的 MCU 式线上电路模拟器 (ICE) 被嵌入式模拟所取代。小型嵌入式模拟逻辑内核驻留在实际的 ASSP 自身上，通过业界标准的 JTAG 接口可对其进行不间断访问。嵌入式模拟对高性能混合信号系统变得日益重要，这些系统必须保持微伏模拟信号（如电子电表）的完整性。笨重的 ICE 几乎不可能实现信号完整性，它对连线干扰非常敏感。

从开发一开始，固件工程师就在默默地开发实际的生产系统并进行调试。将ISP闪存的卓越灵活性与普通的嵌入式模拟相结合，使设计一开始就实现了系统级开发，从而减少了反复开发工作与时间。如果需要的话，还可在生产系统中进行最后一分钟软件升级，并不管在是否经过远程计划安排的情况下都可进行更新。

作者简介
Mark Buccin是 MSP430的全球产品线经理，负责应用与战略市场营销。在TI的模拟、DSP、ASIC和MSP430等领域的实际设计和应用方面拥有 15年的丰富经验。除了负责产品线而外，他还撰写了大量应用报告、论文以及四份年度全球研讨会系列材料。他拥有奥克兰大学（密歇根州Rochester）的电子工程学士学位。