作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

對于電子應(yīng)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(yīng)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(yīng)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?qū)Τ善烦杀净?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(guān)重要。如果每件產(chǎn)品的價差為 50 美分，則在計劃生產(chǎn) 100,000 件最終產(chǎn)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(chǎn)量較小的產(chǎn)品，雖然 MCU 的價差可能不會導致成本增加很多，但由于生產(chǎn)單位數(shù)量較少，相關(guān)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(shè)計人員就越有可能需要為移動和便攜式應(yīng)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(chǎn)生的熱量就越多，因此可能還需要額外的冷卻技術(shù)。

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(yīng)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(yīng)用的成敗。

實現(xiàn)最佳平衡

MCU 的選擇顯然必須符合計劃應(yīng)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(yīng)用尤為如此。這就需要找到性能、功耗和集成外設(shè)的最佳組合。

在價格方面，有些應(yīng)用更加敏感。例如，家用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)備的期望。工業(yè)自動化應(yīng)用通常需要更堅固耐用、可靠性更高的設(shè)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(yīng)用設(shè)計人員提供靈活性。

通常，高性能應(yīng)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(wù)。這些更昂貴的 MCU 通常會加入多個集成外設(shè)，從而能夠減少對附加元器件的需求，但軟件開發(fā)和調(diào)試的費用往往也會更高。

為成本敏感型應(yīng)用設(shè)計的 MCU 通常會存在集成外設(shè)較少、內(nèi)存有限和設(shè)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(yīng)用推出了功能豐富的 MCU

為了簡化低成本應(yīng)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(shè)，為開發(fā)人員提供了一種以較低物料成本優(yōu)化設(shè)計的方法。

RA0E1 MCU 采用高能效 Arm Cortex-M23 內(nèi)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(yīng)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(shè)計。這款 MPU 內(nèi)核采用易于學習和編程的簡單架構(gòu)，加入了 Arm 的 TrustZone 安防技術(shù)以及調(diào)試和跟蹤功能，能夠診斷和優(yōu)化應(yīng)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(yīng)用。其豐富和高效的功能集適用于各種應(yīng)用，包括消費電子產(chǎn)品、工業(yè)自動化、安全物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)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(shè)計人員無需在設(shè)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(shè)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(shè)，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(shè)，包括 12 位 ADC、溫度傳感器和內(nèi)部基準電壓
• 通信外設(shè)，包括 3 個 UART 接口、1 個異步 UART 接口、3 個簡化串行外設(shè)接口 (SPI)、1 個內(nèi)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(nèi)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(shè)計環(huán)境，即[靈活配置軟件包] ，包括生產(chǎn)就緒驅(qū)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(yīng)用遷移到功能更強大的 RA MCU 的途徑。

Arm 內(nèi)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(nèi)核架構(gòu)使用的指令集兼容。

Renesas RA01E MCU 的引腳和外設(shè)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(shè)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(yīng)用。

圖 1：用于 RA0E1 微控制器應(yīng)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(nèi)置 [SEGGER] J-Link? 仿真器電路，無需其他工具即可編寫和調(diào)試程序。

結(jié)語

Renesas RA01E MCU 為開發(fā)超低功耗、成本敏感型應(yīng)用提供了一系列出色的功能和集成外設(shè)，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(yīng)用，同時還提供了后續(xù)將應(yīng)用遷移到功能更強大的設(shè)備的途徑。

審核編輯 黃宇