隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜，物聯(lián)網(wǎng)端點邊緣處理的復(fù)雜度亦水漲船高。因而可能需要使用新系統(tǒng)來升級現(xiàn)有的端點，這個系統(tǒng)的微控制器需要更快的時鐘速度、更大的存儲器，處理器內(nèi)核要更強大。

　　此外，也許還需要高精度的傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），并且這些器件可能還需要定期校準(zhǔn)。對于線性誤差，使用公式即可輕松補償。然而，非線性誤差與傳感器讀數(shù)之間不存在任何固定偏差模式，因此不能簡單地用數(shù)學(xué)方法進行補償。通常，補償固件非線性誤差的最簡單方法就是，使用數(shù)據(jù)查找表將所需的校正數(shù)據(jù)存儲在存儲器中。

　　本文將簡要介紹傳感器誤差和 ADC 誤差，并討論使用數(shù)據(jù)查找表來校正此類誤差的優(yōu)勢。此外，本文還將闡釋在基于 STMicroelectronics 的 STM32L496VG 微控制器的系統(tǒng)中，如何使用 ON Semiconductor 的外部 LE25S161PCTXG 串行外設(shè)接口 （SPI） 閃存芯片，來實現(xiàn)實用的、高性價比數(shù)據(jù)閃存查找表。

　　傳感器誤差

　　對于能檢測溫度、壓力和電壓等模擬量的傳感器，都可能存在非線性誤差。在項目開發(fā)階段，對照精確基準(zhǔn)來測試傳感器，并將傳感器數(shù)字輸出與基準(zhǔn)值進行比較，這一點尤為重要。由此開發(fā)人員可以盡早確定是否存在任何傳感器基準(zhǔn)值偏離，以及就應(yīng)用要求而言這些偏差可否接受。然后開發(fā)人員就能決定是否有必要補償任何偏差，如有必要，則是否應(yīng)該在硬件或固件中補償偏差。

　　某些傳感器誤差或許是可預(yù)測的線性誤差。這類誤差補償很簡單，只需對傳感器輸出加上或減去某個常數(shù)即可。有時這類誤差可能會隨傳感器量程而變化。例如，從零到三分之一量程，可能需要加上某個常數(shù)；從三分之一到二分之一量程，可能就需要不同的常數(shù)。

　　這些誤差均可進行預(yù)測，顯然也很容易校正，但是，精確讀數(shù)的偏差可能會隨時間推移而發(fā)生變化。此外，由于傳感器暴露于極端溫度、環(huán)境濕度大或傳感器老化等原因，日后可能還會出現(xiàn)新的誤差。是否需要校正這些誤差則始終取決于應(yīng)用?；蛟S有必要在極端溫度、壓力和濕度條件下測試系統(tǒng)，以確定傳感器性能。汽車、軍事和某些工業(yè)系統(tǒng)等應(yīng)用需要對這些環(huán)境進行檢測。然而，如今許多新的物聯(lián)網(wǎng)端點已然延伸至傳感器應(yīng)用范圍之外，因此傳感器測試可能成為一項新要求。

　　與模擬傳感器一樣，諸如 ADC 之類常用微控制器模擬外設(shè)可能也需要定期進行在系統(tǒng)校準(zhǔn)。ADC 誤差并不總是可預(yù)測，即便可以使用算法校正初始誤差，誤差也可能隨著時間推移而發(fā)生變化，并可能變得無法通過算法來輕松校正。這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)無法再以所需精度繼續(xù)運行，從而導(dǎo)致高昂的更換成本。

　　使用數(shù)據(jù)查找表進行模擬傳感器誤差校正的優(yōu)勢

　　數(shù)據(jù)查找表是一種實用、有效的方法，可以快速執(zhí)行一些常見計算，諸如三角函數(shù)等復(fù)雜計算，或者字節(jié)的位反轉(zhuǎn)或格雷碼轉(zhuǎn)換等簡單計算。與在固件中執(zhí)行位反轉(zhuǎn)相比，使用 256 字節(jié)的查找表進行字節(jié)位反轉(zhuǎn)速度明顯更快。將此查找表存儲在程序或數(shù)據(jù)閃存中很安全，因為它占用空間很小而且永遠(yuǎn)不需要更改。

　　此外，將數(shù)據(jù)查找表用于存儲傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，也是一種行之有效的方法。像內(nèi)置 ADC 這樣的微控制器模擬外設(shè)可能需要定期校準(zhǔn)，方法與模擬傳感器校準(zhǔn)完全相同。大多數(shù)微控制器中的 ADC 精度均可達到 ±2 或 ±3 個最低有效位 （LSB）。盡管對于大多數(shù)應(yīng)用而言這已足夠，但是對于要求高精度的系統(tǒng)，定期校準(zhǔn) ADC 意義重大。

　　用于校正 24 位數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)查找表片段可能如表 1 所示。

　　傳感器讀數(shù) 傳感器校正值

　?。?：

　　01 AB 24h 00 01 AB 21h

　　01 AB 25h 00 01 AB 22h

　　01 AB 26h 00 01 AB 24h

　?。?：

　　表 1：24 位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)查找表示例片段。原始輸入值是需要進行誤差校正的源讀數(shù)。然后，原始值將作為 24 位地址用于查找相應(yīng)的 32 位校正值，其中最高有效字節(jié)始終為 00h。（表數(shù)據(jù)來源：Digi-Key Electronics）

　　此例中，原始輸入值是需要進行誤差校正的源讀數(shù)。然后，原始值將作為 24 位地址用于查找相應(yīng)的 32 位校正值，其中最高有效字節(jié)始終為 00h。如果查找表不是從地址零開始的，則可以為原始輸入值添加偏移。

　　在決定查找表的存儲位置之前，務(wù)必確定查找表的大小及是否需要重寫。這兩點都重要。若永遠(yuǎn)不需要重寫，則可以將查找表存儲于微控制器的可用片上閃存中。但是如果傳感器需要定期重新校準(zhǔn)，那么就要重寫內(nèi)部閃存，即要求擦除數(shù)據(jù)表所在的整個閃存扇區(qū)并重新編程。

　　如果該閃存扇區(qū)與程序存儲器共用空間，則可能需要重新編譯代碼。即使查找表位于獨立專用扇區(qū)，日后存儲器要求可能會更改或需要擴展，從而導(dǎo)致部分查找表扇區(qū)空間重新調(diào)整用于其他代碼。這使現(xiàn)場傳感器校準(zhǔn)變得復(fù)雜，而且要求通過網(wǎng)絡(luò)下載重新編譯的代碼，也會使物聯(lián)網(wǎng)端點無法獨立進行自校準(zhǔn)。如果涉及多個傳感器，那么問題將進一步復(fù)雜化。

　　對于片上閃存程序存儲器而言，使用大型查找表（如含 16，777，216 個條目）進行 24 位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)校準(zhǔn)是不現(xiàn)實的，甚至無法實現(xiàn)。如果隔一個條目存儲一次，并將缺失條目插入現(xiàn)有的表數(shù)據(jù)，則可將查找表大小減半。這種方法帶來的性能損失較小，精度損失可能為 ±1 LSB。但是，即便是含 8，388，608 個條目的查找表也不可能存儲在內(nèi)部閃存中。

　　在基于微控制器的系統(tǒng)中，使用這種大型數(shù)據(jù)查找表的最佳解決方案是使用外部閃存。這為添加數(shù)兆字節(jié)的查找表提供了簡便方法，而不會犧牲內(nèi)部閃存程序存儲器。同時，系統(tǒng)也能輕松重寫查找表，而不會影響微控制器的內(nèi)部閃存。

　　對于高性能系統(tǒng)，添加外部并行閃存來擴展程序和數(shù)據(jù)存儲器是常用方法。但是，這要求微控制器具有外部數(shù)據(jù)總線。額外的地址和數(shù)據(jù)總線以及所需的控制信號需要占用微控制器 36 個或更多引腳。這項要求限制了應(yīng)用可用的微控制器。此外，外部總線會占用更多印刷電路板空間，可能還會增加系統(tǒng)的電磁干擾 （EMI）。

　　對于大多數(shù)系統(tǒng)，最佳解決方案是使用外部串行數(shù)據(jù)閃存。這類閃存使用串行外設(shè)接口 （SPI） 進行數(shù)據(jù)傳輸，只需占用四個微控制器引腳。

　　ON Semiconductor 的 LE25S161PCTXG 就是這種閃存器件的典型實例。這款 16 Mbit 串行閃存器件支持 70 MHz 的 SPI 時鐘。同時，還支持雙通道 SPI 模式，數(shù)據(jù)傳輸速度最快可達 140 Mb/s。內(nèi)部狀態(tài)寄存器可用于配置器件的讀、寫和低功耗模式。

　　LE25S161PCTXG 的 SPI 信號通常用于時鐘、數(shù)據(jù)和片選（圖1）。它還具有兩個額外引腳。WP\ 是低電平有效寫保護信號，用于防止寫入器件的狀態(tài)寄存器。這可用于防止低優(yōu)先級固件任務(wù)未經(jīng)授權(quán)重寫設(shè)備。HOLD\ 可暫停正在進行的數(shù)據(jù)傳輸。如果微控制器在數(shù)據(jù)傳輸過程中必須執(zhí)行中斷，這一功能將十分有用。數(shù)據(jù)傳輸將暫停直至中斷處理完畢，然后從中斷處繼續(xù)傳輸。

　　圖 1：ON Semiconductor 的 LE25S161PCTXG 串行閃存采用 8 引腳 UDFN 封裝，具有 3 x 4 mm 的超小尺寸，提供用于時鐘、數(shù)據(jù)和片選的通常 SPI 信號。（圖片來源：ON Semiconductor）

　　若要讀取存儲于此器件中的簡單兩列查找表，最簡單的方法是獲取傳感器讀數(shù)，添加存儲器偏移，然后讀取該地址位置對應(yīng)的存儲器內(nèi)容。該地址對應(yīng)的存儲器內(nèi)容表示傳感器校正讀數(shù)。

　　高性能物聯(lián)網(wǎng)端點要求時鐘速度更快、處理器性能更出色、SPI 更靈活。針對這些應(yīng)用，STMicroelectronics 推出了 STM32L4 高性能微控制器系列。例如，STM32L496VG 是 STM32L4 產(chǎn)品系列中的一款微控制器，工作頻率為 80 MHz，具有帶浮點單元 （FPU） 的 Arm? Cortex?-M4 內(nèi)核。該器件具有 8 Mbit 的閃存和 320 KB 的 SRAM，支持 1.71 至 3.6 V 的工作電壓，與 ON Semiconductor 的 LE25S161PCTXG 的 1.65 至 1.95 V 工作電壓重疊。

　　STM32L496VG 帶有全套適合高性能物聯(lián)網(wǎng)端點的外設(shè)，包括帶有日歷功能的實時時鐘 （RTC）、三個采樣率達每秒 5 MSPS 的 ADC、雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）、兩個控制器局域網(wǎng) （CAN） 接口和四個 I2C 接口（圖 2）。此外，還有三個標(biāo)準(zhǔn) SPI 接口和一個四通道 SPI 接口。

　　圖 2：STM32L496 微控制器基于帶 FPU 的 80 MHz Arm Cortex-M4，帶有包括 40 MHz 四通道 SPI 接口在內(nèi)的全套外設(shè)。（圖片來源：STMicroelectronics）

　　STM32L496G-DISCO 開發(fā)板為 STM32L496VG 的開發(fā)提供了有力支持（圖3）。這款物聯(lián)網(wǎng)終端開發(fā)板功能全面，包括立體聲微機電系統(tǒng) （MEMS） 麥克風(fēng)、8 位攝像頭連接器、八個 LED、四向操縱桿和 240 x 240 像素彩色 LCD。連接器引腳可用作 ADC 輸入、四通道 SPI 引腳和大多數(shù) I/O。

　　圖 3：STM32L496G-DISCO 開發(fā)板可為 ST32L496VG 硬件和固件開發(fā)提供完善的評估環(huán)境。（圖片來源：STMicroelectronics）

　　STM32L496VG 的四通道 SPI 支持 40 MHz 最大 SPI 時鐘，同時也支持標(biāo)準(zhǔn)和存儲器映射 SPI 模式。四通道 SPI 支持雙通道 SPI 模式，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 80 Mb/s。

　　STMicroelectronics 的四通道 SPI 可與串行數(shù)據(jù)閃存器件快速連接。在標(biāo)準(zhǔn) SPI 模式下，所有操作均使用 SPI 寄存器執(zhí)行。數(shù)據(jù)通過讀寫 SPI 數(shù)據(jù)寄存器進行傳輸。收到數(shù)據(jù)后會產(chǎn)生中斷。這與 STM32L496VG 的三種標(biāo)準(zhǔn) SPI 工作模式相同。標(biāo)準(zhǔn) SPI 模式支持單通道、雙通道和四通道數(shù)據(jù)傳輸。ON Semiconductor 的 LE25S161 支持單通道和雙通道 SPI 模式，并且在雙通道 SPI 模式下可與 STM32L496VG 輕松連接（圖 4）。

　　圖 4：雙通道 SPI 模式下，STMicroelectronics 的 STM32L496VG 四通道 SPI 串口可與 ON Semiconductor 的 LE25S161 連接，SIO0 和 SIO1 可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，SCLK 可達 40 MHz，速率為 80 Mb/s。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　若選擇 ON Semiconductor 和 STMicroelectronics 的元器件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查找表就變得非常簡單。四通道 SPI 還具有 FIFO，可用于批量數(shù)據(jù)傳輸。但是，如果查找表一次只需訪問一個存儲器位置，則建議禁用 FIFO，原因是不需要這項功能，甚至可能會造成不必要的延遲。

　　具有存儲器映射模式的四通道 SPI

　　四通道 SPI 還支持存儲器映射模式，可將外部串行閃存映射到微控制器的程序或數(shù)據(jù)存儲空間，從而使微控制器固件能夠訪問外部 SPI 閃存，幾乎與訪問微控制器內(nèi)部存儲器無異，進而使四通道 SPI 操作對固件是透明的。

　　如果無需頻繁訪問查找表，則與標(biāo)準(zhǔn) SPI 模式相比，使用存儲器映射模式實現(xiàn)查找表的優(yōu)勢可能就完全無法凸顯，只是簡化了應(yīng)用固件而已。但是，如需頻繁中斷應(yīng)用，則可能會反復(fù)暫停 SPI 傳輸以處理中斷。若一個四通道 SPI 查找操作中斷另一個查找操作，那么情況可能會變得相當(dāng)復(fù)雜。

　　與標(biāo)準(zhǔn) SPI 模式相比，存儲器映射模式能夠更快速有效地應(yīng)對頻繁訪問查找表和高中斷率的應(yīng)用。這種方法簡化了固件，防止因不同優(yōu)先級的四通道 SPI 同時訪問而導(dǎo)致的問題，以及減少中斷沖突。

　　然而，實現(xiàn)存儲器映射查找表有一點不足，即可能會污染數(shù)據(jù)緩存。雖然 STM32L496 沒有數(shù)據(jù)緩存，但某些針對高性能實時應(yīng)用的微控制器卻具有這種功能。然而，訪問查找表很可能會導(dǎo)致緩存丟失。因為對于大多數(shù)應(yīng)用而言，鮮少需要在同一個線程或子例程中兩次訪問查找表的同一位置，所以在最初設(shè)計中查找表數(shù)據(jù)并無需緩存，并且緩存數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩存中移除。盡管只有性能要求極高的應(yīng)用會出現(xiàn)該問題，但也正是這些高性能應(yīng)用在一開始就需要數(shù)據(jù)緩存。

　　針對查找表數(shù)據(jù)緩存污染的解決方案很少。若硬件允許，可將查找表所在區(qū)域標(biāo)記為不可緩存。另一種解決方案是在訪問查找表之前禁用數(shù)據(jù)緩存，然后在訪問之后重新啟用。如果緩存切換（啟用/禁用）造成的性能損失尚可接受，那么這種方法也就可以接受了。有些數(shù)據(jù)緩存支持特定架構(gòu)的緩存控制指令，這種方式可以防止緩存污染。為特定應(yīng)用尋求數(shù)據(jù)緩存配置的最佳方法時，務(wù)必對系統(tǒng)性能進行基準(zhǔn)測試。

　　串行閃存應(yīng)布置在印刷電路板上，印制線長度不應(yīng)超過 120 mm。為避免干擾，SPI 時鐘信號路徑應(yīng)至少是印刷電路板印制線寬度的三倍，并且遠(yuǎn)離其他信號。兩個雙向數(shù)據(jù)信號線路間的距離應(yīng)保持在 10 mm 以內(nèi)，以避免偏移。

　　總結(jié)

　　在物聯(lián)網(wǎng)端點中，外部 SPI 閃存器件是實現(xiàn)大型數(shù)據(jù)查找表的有效解決方案。這種方法可輕松實現(xiàn)在系統(tǒng)重新編程和升級，并且最大限度地減少微控制器資源的使用。