工业应用微控制器在三个方面的竞争优势

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工业电子器件市场是全球增长最稳定的市场之一。几十年来，欧洲一直是工业电子器件市场的潮流引领者。在与来自新兴市场的低成本供应商的竞争中，创新、产品的持续改进以及开发成本发挥着关键的作用。微控制器等核心组件制造商，不断进行自我调整，以便以最佳方式确立自己在这三个方面的竞争优势。

近二十年来，微控制器已成为一种无处不在的器件：据WSTS统计，2007年微控制器的销量达到100亿枚。自1991年起，这种器件的销量的年均复合增长率（CAGR）约为12％（图1）。过去几年来计算能力的对比也非常令人吃惊：过去，一架航天飞机的整个飞行控制系统的计算能力约为2.5 MIPS，而如今普通洗衣机电机微控制器的计算能力已达到5 MIPS左右。由此可得出以下三个结论：首先，持续降低微控制器成本可使它们应用于更多的成本敏感型产品；其次，内核的计算能力不能完全代表系统中处理器或微控制器的性能——还必须考虑系统架构和片上外设；第三，要想进军其它应用市场，包括利基市场，关键是降低微控制器客户的开发工作量。这些因素对于工业客户来说尤为重要，因为他们与汽车、消费类产品和数据处理行业不同，常常只有很小的项目团队和很少的项目预算。总而言之，这些客户对微控制器的要求是：更低的价格、更高的性能、更简单的设计（图2）。

更低的价格：系统层面

每一代微控制器都会大幅改进性价比。然而，要想了解成本降低情况，不仅要对比不同微控制之间的性能数据，更重要的是对比它们所控制的系统解决方案的性能和成本。例如，选用昂贵的微控制器可能会降低总体成本，因为它可节省其它外部组件。英飞凌16位实时信号控制器XE166系列经过专门改进，可节省系统成本。该产品系列包含一个只需3V到5V电压的嵌入式稳压器；引脚焊块上的两个可选电源域在无电平转换器条件下，可同时处理3V和5V信号；一个内部振荡器，可使许多应用无需采用外部晶振。EEPROM仿真功能，避免采用外部EEPROM；等等。这些功能集成在一枚芯片上，节省了外部组件，可使系统成本降低1至2欧元。将来，进一步提高集成度这一趋势还将继续下去。对于用户而言，不从组件的角度，而是从系统角度选择最具成本优势的微控制器将越来越难。

更高的性能：性能的不同方面

在衡量微控制器的性能时，主要是高端伺服驱动器等相对较小的细分市场，决定计算能力要求。英飞凌TriCore产品系列具备超过300 MIPS的出色计算能力、百万字节大型内存和集成化DSP单元，可满足该细分市场的要求。

然而，大部分工业市场并不需要最大的计算能力，而是希望以较低的单位成本，获得出类拔萃的实时性能。例如，他们可能要求每隔10微秒对模拟信号进行一次检查，以满足限值要求。利用CPU进行检查，由于需要频繁完成转换任务，会迅速占用20％至30％的计算能力。与此不同的是，集成模数转换器的解决方案可自行进行分析，只有在超出限值时，才需调用CPU。英飞凌推出的所有8位、16位和32位微控制器系列都搭载这种智能外设。它们可以取代那些计算能力更强但往往价格更高的微控制器。

安全敏感型应用提供了另一个范例。今后集成解决方案，即多核解决方案，需要采用搭载两个或多个冗余微控制器的系统。要想提高可靠性，一种显而易见的方法是在一个芯片内集成两个相同的内核，两个内核都运行相同的代码，然后对比两个内核的运行结果。这些所谓的对称双核解决方案乍一看似乎很简单，其实存在缺陷，例如，两个内核中的一个、编译器或软件错误可导致相同的结果，致使无法检测。这种错误可通过采用英飞凌TriCore架构的非对称概念，以系统化的方式避免——即将两个不同的内核集成至同一个芯片上。这样，两个内核中的任何一个、编译器和软件的错误就会各不相同。

衡量微控制器架构的性能的另一个指标是它们的可靠性。一般工业项目每年需要使用20,000个微控制器，如果交付的微控制器的质量达到1 dppm或100 dppm（每百万缺陷率），这个数值似乎可以忽略不计。不过，让我们假设价值几百万的工厂位于靠近原材料产地的偏远地区，相对难以更换的微控制器常常是它们的中心组件，这时确保组件具备出色的质量至关重要。主攻工业和汽车行业的英飞凌等供应商在此领域占据领先地位。英飞凌一直在朝着“零缺陷”目标迈进。例如，2007年微控制器的故障率被降至1dppm以下。

上面所举的例子证明了必须考虑的微控制器性能的多面性。特别是架构、外设和可靠性优化，将对工业应用越来越重要。

更加简单的设计：

欧洲工业市场的特色是高度专业化的中小型企业和嵌入式软件项目。创新是他们战略的核心。微控制器厂商可通过以下两种主要途径支持创新：不断改进产品、让客户轻松获取各种强大技术。

始终如一地改进现有产品系列，可使客户的开发团队专注于核心功能（例如系统集成），而无需费力熟悉全新的产品系列（图3）。相对于采用标准内核而言，始终如一地开发面向特定应用的片上外设具有更重要的意义。如今，由于采用C语言等高级编程语言和编译器，在实际应用中，不同内核对于用户而言实际上是透明的。然而，要想最有效地使用外设单元，需要掌握大量的技能。针对具体应用对外设单元进行的优化，将成为决定半导体制造商竞争力的主要因素。即使进行产品移植，例如从8位移植到16位架构，如果外设单元保持不变，开发工作量仍然可以很好地控制。英飞凌始终遵循这种理念，例如在8位、16位和32位微控制器系列上采用相同的外设单元，生成脉宽调制信号，控制电动机。

为了让简单的8位微控制器完成日益复杂的任务，必须不断扩展片上外设单元。这样，它们内在的复杂性会不断提高。虽然如此，应用套件对于缩短评估时间，从而发挥这种微控制器的最大功效，非常有益。开发人员从半导体厂商获得的开发环境，能够让他们立即着手进行系统评估和集成（图4）。例如，英飞凌提供一个应用套件，用于控制采用场驱动控制电路（搭载在8位微控制器上）的3相电机。除通过电流隔离提供调试功能的微控制PCB之外，该工具套件还包括功率级、磁场定向控制代码和监控器和参数化软件。另外它还提供免费的编译器和调试器，使开发人员能够立即修改或扩展现有的软件。这样即使小型开发团队也可以较低的成本，轻松为硬件开发出功能强大的高级算法。

今后，主攻工业市场的微控制器厂商的重点之一是，让高中低端客户获得日趋复杂的产品。目前，这个大幕已经拉开。

（插图标题））
图1：据WSTS统计，2007年微控制器的销量约为100亿枚。自1991年起，微控制器销量的年均复合增长率约为12％
图2：微控制器厂商通过不断改进产品，让客户轻松获取各种强大技术，支持高度专业化的中小企业和嵌入式软件项目实现创新。
图3：英飞凌XC878系列8位微控制器具备功率因数校正（PFC）和磁场定向控制（FOC）功能。XC878 MCU改进了工业、汽车应用以及空调、泵和风扇等成本敏感型应用的电机与引擎的扭矩、噪音性能和能源效率。
图4：USCALE开发套件能够让开发人员评估所有重要功能和3个8位微控制器（XC866、XC886和XC888）的硬件信号，从而为开展广泛的性能测试和评估创造了条件。

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