發布日期：2022-07-14 點擊率：41
由于在三表、醫療、短距離無線聯網、安防、家電甚至遠程控制方面都具有相當誘人的應用前景，超低功耗MCU技術正在受到各大半導體廠商的關注，Freescale與TI最近相繼發布了其在此項技術方面的最新突破。巧合的是，兩家公司似乎在有意回避來自對手的競爭——前者發布的兩款Flexis系列MCU分別采用了8位和32位的架構，后者帶來的則是16位的MSP430 MCU。此外，瑞薩科技也早已在超低功耗MCU領域耕耘多年，而憑借母公司Swatch集團在手表行業所積累的經驗，來自瑞士的EM Microelectronic也加入了競爭者的行列。
錯位競爭
TI的首款MSP430系列產品F/C11xx于2000年面世，此后該公司又相繼推出了F12xx、F13x-F14x、F15x-F16x等型號，從而將DA、AD以及乘法器等功能漸漸囊括進來，逐漸形成了較為全面的1系列產品線。不過，為了滿足特殊儀表的需求，該公司又在1系列基礎上添加了LCD驅動模塊，并進行了一定的細分，4系列產品線架構開始成型：針對血糖儀的FG46x、針對熱表/水表的F41x、針對電表的FE系列以及針對流量表的FW系列。盡管應用方向上有所區分，但1系列與4系列MSP430都同屬8MIPS陣營。然而很快，對于更高性能的需求出現了，這催生了運算速度高達16MIPS但功耗卻只有1系列一半的2系列MSP430的出現。
最新加入MSP430大家族的兩款產品型號分別為MSP430F47x4和MSP430FG42x0。其中，擁有100個管腳的MSP430F47x4頻率高達16MHz，內含60KB閃存和的RAM。特別需要指出的是，它還創造了MSP430家族4系列產品線中的四個“第一”：第一款具有16MIPS性能、第一款擁有4個16位∑-⊿ AD轉換器、第一款配置了32x32位硬件乘法器以及第一款提供了2個USCI的4系列產品。據稱，該芯片最早定位于日本的2相電表市場，但目前已經能夠用于其他需要4個16位∑-⊿ AD轉換器以及32x32位硬件乘法器的應用，比如具備防竊電功能的電表。
與功能強大的MSP430F47x4相比，MSP430FG42x0所對應的市場要更加細分一些。這款面向中低端成本血糖儀市場提供的MCU擁有中型片上系統，內含32KB閃存和256B的RAM。其RTC電流低于2μA，這意味著高達10年的電池壽命。MSP430FG42x0的其他亮點還包括：零功耗的欠壓保護(BOR)、2個功率放大器、12位數模轉換器、SD16_A模數轉換器以及32 個GPIO總線接口。
TI將在2007年第三季度開始供應上述兩款芯片的樣片。但選擇這個時候可能就要面臨來自飛思卡爾公司的競爭。在不久前舉行的飛思卡爾技術論壇上，后者發布了其兩款同樣以超低功耗為應用目標的Flexis系列MCU。飛思卡爾表示，將在今年7月份推出兩款產品的早期樣片，并于11月份開始量產。這顯然和MSP430的新品發布撞了檔期。
飛思卡爾的兩款超低功耗MCU分別是：第一款帶128KB閃存基于S08內核的MC9S08QE128和第一款基于ColdFire V1內核的器件MCF51QE128。該公司稱，Flexis系列是其Controller Continuum路景圖中8至32位的兼容連接點——設計人員可以將研究成果在8位MCU和更高性能的32位MCU之間進行相互移植。毫無疑問，打頭陣的兩款產品無疑具有重要的市場戰略意義。“隨著普通消費與工業設備變的越來越小、越來越先進和便于攜帶，提高功效和延長電池壽命就成了關鍵的要求，而設計Flexis QE128的目的就是通過可降低運行電壓和電流的優化外設來滿足這些要求。”
有趣的是，兩家公司“很有默契的”選擇了對方沒有進入的領域，從而形成了TI以16位MCU為主打而飛思卡爾耕耘8位和32位產品的錯位競爭局面。不過，TI MSP430微控制器總監Mark Witt卻表示，TI之所以選擇從16位產品切入，是因為“有太多競爭者在提供8位產品。”他指出，16位產品比8位具有更多的有點，而且對于8位市場也同樣適用。
超低功耗MCU市場潛力無限。
低功耗技術各顯神通
超低功耗MCU市場不僅僅只有TI和飛思卡爾兩家競爭者。在此之前，瑞薩科技就已經推出了H8/300L、H8/300H、H8S/2268組和H8S/2264組三個系列的超小功率(SLP)MCU。其中除了H8/300L為8位產品之外，其他皆為16位架構。此外，該公司還在幾個月前表示，正在研發新的CPU架構，其中就有基于現有H8S 16位CPU進行的創新。據稱，新的CPU架構將進一步擴展在低功耗上的性能。“通過使用這種新的架構，瑞薩旨在將代碼大小減少30%，CPU功耗降低50%。”
來自瑞士的EM Microelectronics也是超低功耗MCU市場的有力競爭者之一。該公司的EM6812就是面向以電池供電長時間工作的應用。據稱，這個8位的RISC架構產品執行每條指令只需2個時鐘周期，且在使用5M晶振時，可能達到的速度。此外，其功耗也很有競爭力，可達到2200MIPS/WATT。而內置的掉電檢測和電源檢測功能確保設備工作在低電壓環境。，
為了盡可能的降低Flexis QE128的功耗，飛思卡爾所作的工作可謂不遺余力。首先，MC9S08QE128與MCF51QE128能夠運行一個外部32千赫的可編程、消耗電流小于1μA的振蕩器。其次，兩款芯片還配備了一個內部電壓調節器，可幫助將系統從停止模式下快速喚醒(喚醒時間6μs)。另外，Flexis QE128設備在停止模式下的功耗也相當具有競爭力——最低功耗停止模式下所需的電流僅為370nA。最后，采用時鐘門控技術后，通過將時鐘關閉到未啟用模式，還可將運行模式的功耗再降低三分之一。
要想在強手如林的超低功耗MCU市場取得一席之地，顯然不是一件容易的事。不過，TI認為自己有著與眾不同的地方。“當人們在談論到低功耗MCU時，大多數情況下都沒有將模擬部分包括在內，而只是僅限于處理器。”Witt指出，MSP430在片上集成了很多低功耗的模擬以及混合信號處理所需的放大器、AD轉換以及DA轉換器。此外，MSP430還提供了許多競爭產品并不具備的DMA，能夠在CPU不工作時移動數據。“我們的ADC還具有自動掃描功能，可在CPU不工作時實現AD采樣，并能夠通過中斷方式來喚醒CPU。”他說。
TI已經有了清晰的超低功耗MCU產品路景圖。Witt表示，接下來的5系列產品將會具有20MIPS的運算性能，并配有256KB的閃存。此外，還將提供包括RF接口在內的更多更新的選項。
無線創造無限
利用Chipcon的Zigbee技術來提供整體解決方案的做法無疑是此次TI在MSP430上升級換代上的一次創新。在收購了RF收發器和系統芯片設計公司ChipCon之后，該公司便將前者在低功耗無線技術Zigbee上的特長毫無保留的應用其中，這為該產品在更多需要短距離無線聯網技術領域的應用打開了一扇大門。
采用MSP430的血壓計電路模塊圖
“低功耗無線技術的很多應用都與MSP430的定位相一致。”Witt指出，搭載Zigbee無線技術的超低功耗MCU無疑將具有無窮的潛力，拜其所賜，許多創新產品將加快速度進入市場。這些創新產品包括：在工業和樓宇自動化控制、無線煙霧/一氧化碳探測器、無線家庭安防、恒溫器、照明和窗簾控制器、老年與殘疾人便攜呼叫按鈕、萬能遙控器、無線鍵盤、鼠標、游戲手柄等。此外他還提到了近期較為熱門的無線抄表技術(AMR)。由于提供了SPI通訊口，新的MSP430器件可配合TI Chipcon芯片，幫助計量表廠商輕松實現AMR方案。
TI的MSP430+Chipcon技術已經能夠滿足高、中、低端三類市場的需求。Witt介紹，MSP430F22xx和MSP430F41x系列主要面向成本敏感的低端應用，而MSP430F16x/F23x/F24x則可滿足大多數的應用需求，至于對性能要求較高的高端應用，MSP430FG461x/F261x應該是理想的選擇。至于可搭載的低功耗無線芯片則包括了CC1xxxx(CC1101)和CC2xxxx(CC2420、CC2500)兩個系列的收發器。前者適合頻率低于1GHz的歐洲和美國市場，后者面向頻段為的全球其他地區。
醫療電子，下一個金礦？
醫療電子，低功耗MCU的下一個金礦？
Databeans的調查顯示，2005年的全球醫療電子終端設備市場規模已達890億美元。其中，醫療成像(X光、CT/MRI/PET掃描、ECG、超聲波)、家用醫療電子(血糖儀、數字體溫計、數字血壓計、膽固醇監測器)、醫院診療(移植手術設備、診斷儀器、病患監護、自動體外心臟除顫器)各占330、190以及370億。而IMS Research、GE醫療部門和TI聯合提供的數據則稱，2005年醫療電子半導體市場已達11.2億美元，而在接下來的10年中將保持16%的年均復合增長率，在2015年達到49.4億美元。
醫療電子市場正在呈現的一些趨勢足以讓半導體廠商認為，他們已經找到了繼通信與消費類電子之后的下一個業務增長的引擎。首先，越來越多的家庭正在開始購買這種產品。電子助聽器以及在電視廣告上頻頻露面的電子血糖儀、數字體溫計就是明證。其次，超聲波、病患護理所需的復雜成像和監護系統正在日益走向便攜化。而對長期服役的微型化可移植設備的需求也在不斷上升。與此同時，功能融合的趨勢也在加速，比如將血壓計和血糖儀的功能集成在一起。除此之外，為了方便醫護人員對病患進行全天24小時的監控，一些設備還對網絡和無線技術提出了要求。最后則是以中國、印度為代表的新興市場的巨大潛力。在接下來的數年內，這些市場對醫療電子的需求將會出現爆炸性增長。
Microchip已經在去年成立了醫療產品部。Intel也希望在醫療電子市場分得一杯。不過，對于便攜式或具有簡單功能的醫療電子來說，超低功耗則是必須的。瑞薩科技就將血糖儀、心率監視器、溫度計和體重計等作為超低功耗MCU的目的應用之一，而飛思卡爾的Flexis也同樣盯上了醫療電子市場。Witt表示，TI已經在低功耗無線技術、高性能DSP、低功耗DSP、低功耗數據轉換器上擁有能夠適應上述市場趨勢的一系列半導體方案。此外，超低功耗的MSP430也將AD、DA、閃存、SPI、USB接口、LCD驅動以及等各種功能集成在了一起，為便攜式低功耗醫療電子帶來完整的解決方案。這家公司已經將所有同醫療電子相關的產品資料歸納在了一起，推出了包括CPU、DSP等在內的全新的醫療電子指南。
然而，中國的醫療電子市場還沒有真正起飛。因此對于MSP430來說，目前中國市場最大的潛在應用也許是電表。但如何在已經牢牢扎根中國電表市場的ADI以及后起之秀上海貝嶺展開競爭，就不是純粹的技術競爭那么簡單了。
作者：王彥
