【原創】專用MCU是本土廠商突破機會?信號鏈MCU大有可為

winniewei 提交于 周四, 03/26/2020
【原創】專用MCU是本土廠商突破機會?信號鏈MCU大有可為

作者:張國斌

自從20世紀90年代被發明以后,MCU(又稱為微控制器/單片機)已經走過了近20年的發展歷程,MCU按應用可分成通用和專用型,通用只針對大多說標準應用領域,專用是一些特定應用領域例如我們熟悉的額溫槍、白家電、電機控制、車載應用等。MCU多數為通用型,據IC Insights研究報告預測,2019年全球MCU市場規模達204億美元、出貨量達342億顆,IC Insights預測2020年MCU的出貨量將會提升7%!IC Insights預測2018至2023年的MCU銷售額復合年均增長率(CAGR)增長3.9%,到2023年出貨可望達到382億顆。不過,隨著物聯網深入發展,筆者注意到更多MCU玩家開始從通用轉向專用發展了。

圖1  IC Insights研究報告預測MCU出貨

圖1? IC Insights研究報告預測MCU出貨

其實MCU架構很簡單,主要由CPU系統、程序存儲器、數據存儲器、各種I/O端口、基本功能單元(定時器/計數器等)以及外設單元組成,通用型MCU一般都集成了一般MCU所需要的功能,例如12位ADC、電源管理、時鐘單元等,而專用MCU則針對特定應用進行優化例如電機類應用增加了DSP單元,或者集成了藍牙協議棧成為一款無線MCU ,有的甚至固化了針對應用的算法,測溫應用的MCU則增加了對傳感器的信號處理等硬件單元等。

圖2  MCU組成框圖

圖2? MCU組成框圖

隨著嵌入式智能化應用的深入,基于場景化應用的MCU需求增加,越來越多的MCU廠商傾向于提供專用解決方案。如在射頻領域名震天下的Qorvo就通過收購Active-Semi,從射頻領域殺入到電機控制專用MCU領域,等于是把射頻領域的專長和電源管理、馬達控制結合,催生出一個電機專用MCU。

專用MCU漸成熱點

從目前全球MCU發展來看,市場主要被國外企業占領,反觀國內MCU廠商,不論是市場份額還是技術先進性都無法和國外企業相比。國內MCU應用領域多集中在低中端電子產品,中高端電子產品市場還國外廠商手里。所以有業內人士認為國外MCU廠商在通用MCU領域布局已經很久,國內MCU廠商可以通過專用實現超越,據不完全統計,目前本土MCU廠商已經超過了一百家,其中不少廠家是瞄著國產替代國外MCU的商機去的,這樣的定位必然走不遠,要長久發展必須有長期規劃和投入,而專用領域必須這樣玩。

在去年的ELEXCON 2019深圳國際電子展上我注意到很多本土MCU提供給了專用方案,例如靈動微電子在電機控制、筋膜槍領域深耕。而華大半導體則在ETC設備以及白家電和水表燃氣表方面加大投入。2019年正式進入MCU領域的國民技術則在則安全和電機控制領域重點布局,國民技術的智能鎖方案和雙電機空調方案都獲得了參觀者的青睞。

本土深耕ADC領域的芯??萍甲鳛閲鴥刃盘栨淢CU領跑者,提出了信號鏈IC的口號,推出了搭載24位ADC的信號鏈MCU ,提出了從精準感知到精準控制的理念,芯??萍嫉男盘栨淢CU概念還得到了國內嵌入式領域資深專家何小慶教授的肯定。

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信號鏈MCU源于芯??萍级嗄陙碓谛盘枩y量和控制領域的積累,芯??萍糃EO盧國建指出AIoT設備采集原始數據的精準度不夠,AI算法對信息精準處理欠缺,這都會導致AIoT設備不夠"精準"智能;以及跨多技術的AIoT方案開發周期長,投入大,導致普及的速度慢,這是產業普遍的痛點。如果國產MCU集成了其他屬性比如高精度ADC、低漂移放大器、低漂移基準,再配合通用MCU的開發生態,它就變成在不同專用領域都很有優勢的信號鏈MCU了,因為集成度高了,整體功耗小了,也滿足未來硬件小型化一體化和快速開發的需要。

圖3  芯??萍夹盘栨淢CU專注信號處理

圖3? 芯??萍夹盘栨淢CU專注信號處理

信號鏈是連接真實世界和數字世界的橋梁,任何一個電子設備都需要通過信號鏈將數字世界與真實世界聯系在一起。一個完整信號鏈的工作原理為:從傳感器探測到真實世界實際信號,如電磁波、聲音、圖像、溫度、光信號等并將這些自然信號轉化成模擬的電信號,通過放大器進行放大,然后通過ADC把模擬信號轉化為數字信號,經過MCU或CPU及DSP等處理后,再經由DAC還原為模擬信號。芯??萍紦碛型暾男盘栨溞酒O計能力,核心技術為低速高精度的ADC技術及高可靠性MCU技術。

芯??萍汲掷m發力信號鏈MCU

沿著這個方向,芯??萍冀者€推出了集成雙ADC的信號鏈MCU CS32A039,可用于目前最熱門的額溫槍應用,據芯??萍糓CU產品經理王偉介紹,CS32A039基于ARM Cortex-M0內核,集成了5通道DMA、8KB SRAM、64KB Flash、CRC-32計算模塊和96位UNID,處理能力強,開發者可以使用芯??萍?2位通用MCU的開發生態,以及網上海量的開發資源,實現快速、靈活的開發和調試。

圖4  芯海MCU開發生態

圖4? 芯海MCU開發生態

CS32A039采用雙ADC架構:

一個高精度ADC信號鏈,包括多達5個輸入通道、零漂移全差分放大器、24位高精度ΣΔADC、和低溫漂基準電壓等,只需極少的外圍器件,就以滿足高精度紅外測溫等高精度測溫的需求。

一個SAR-ADC信號鏈,包括10個輸入通道、12位SAR-ADC、溫度傳感器、電池電壓測量通道等,可同步測量環境溫度、電池電壓等參數。

圖5 CS32A039功能框圖

圖5?CS32A039功能框圖

信號鏈MCU大顯身手

新冠疫情爆發,測溫產品額溫槍成為熱點中的熱點,大批企業扎堆進入這個市場,市場容量急劇爆發,需求量去年的1000多萬暴漲到5000多萬,不過,隨著大量廠商的涌入(據稱是深圳就有超過2000家額溫槍方案企業),額溫槍市場供應也趨于逐步穩定,額溫槍市場進入下半場開始自我淘汰,測量誤差大、穩定性差、適應性差的方案將逐漸被淘汰,高精度、高集成、適應性好的方案開始受到追捧,芯??萍嫉募呻pADC的信號鏈MCU CS32A039的額溫槍方案一推出就受到了市場的歡迎。

額溫槍的測量誤差主要來源于放大器失調電壓溫漂、增益誤差溫漂、ADC測量誤差、及基準的溫漂。零漂移放大器、高性能ADC和低漂移基準是紅外測溫槍設計的關鍵。CS32A039把上述功能集成在一個芯片內,極大的簡化了額溫槍的設計、生產和測試。

圖6  芯海高集成高精度額溫槍方案

圖6? 芯海高集成高精度額溫槍方案

王偉表示除了紅外測溫客戶外,還有很多工業測量、教育設備等領域的方案商準備用這款信號鏈MCU開發新產品?!靶竞L峁┝薙DK、紅外測溫算法庫、開發套件等完善的開發環境,協助客戶的產品快速上市?!八麖娬{。

王偉強調,隨著疫情的變化,紅外測溫行業會發生變化,除了專用的額溫槍,還會產生很多新的產品形態,譬如:帶藍牙/Wi-Fi、支持掃碼、甚至能識別身份證的智能測溫設備,測溫會成為很多智能設備的標配功能。CS32A039并非額溫槍專用SoC,而是更加通用的信號鏈MCU,除了紅外測溫及其它高精度測量,還可以通過其豐富的接口,擴展藍牙、Wi-Fi、二維碼、身份證識別等多種功能,滿足紅外測溫行業的升級需求。

他還表示其實CS32A039的應用遠不限于額溫槍,在壓力測量、溫度測量等都可以用,理論上所有需要高精度ADC的領域都可以覆蓋,據悉,芯??萍嫉?/span>CS32A039還可以應用到以下場景。

1、鉑電阻傳感器測溫電路,主要應用場景是土壤、水、氣體測溫、工業測溫

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2、K型熱電偶測溫,主要應用場景是工業測溫

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3、催化燃燒式氣體傳感器,主要應用于工業現場的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體濃度檢測。

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4、紅外熱電堆傳感器,主要應用場景是醫用紅外額溫/耳溫槍、工業紅外測溫設備、安防、火災明火檢測等。

5、壓力傳感器,主要應用場景是氣體、液體壓力傳感器,壓力觸控,血壓計。

【原創】專用MCU是本土廠商突破機會?信號鏈MCU大有可為

隨著AIOT的應用走熱,精準測量后實現精準控制是未來的發展趨勢,所以筆者認為搭載高精度外設的信號鏈MCU大有可為。(完)

注:本文為原創文章,轉載請注明作者及來源

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