*頁面標題上有系列標題時填寫 家電開發過程中的微控制器選用要點

ROHM提供了融合自有技術優勢的低功耗微控制器產品。藉由這些微控制器產品，為電池供電的小型設備、家電、工業設備、社會基礎設施、車載設備等各種系統開發的微控制器使用者提供支援。本文以回答希望使用微控制器的開發人員問題的形式，為微控制器引入和微控制器設計提供有用的資訊。此外ROHM還發佈了一系列的“微控制器小知識”影片，從中可以學習微控制器的基礎知識，微控制器初學者也可以多多參考。

想進軍廚房電器市場，然而…

前幾天，某設備製造商向我諮詢導入微控制器的相關事宜，我們稱他為A先生。

A先生所在的公司是一家為食品工廠等提供商用烹飪和廚房系統的製造商，正在考慮進入一般消費者使用的廚房電器市場。公司內部成立了一個負責規劃和開發透過微控制器控制的廚房電器的團隊，A先生的任務是研究設備中配備的微控制器，並設計和安裝微控制器軟體。

雖然A先生在處理商用系統中配備的工業級處理器方面有豐富經驗，但幾乎沒有使用過安裝在家電中的小型微控制器，周圍也沒有具有微控制器設計經驗的前輩或同事。

A先生諮詢的問題是“在家電開發中，應該從哪些方面對微控制器進行評估和選擇？”

家電開發的四大課題

近年來，人們對家電提出了很多要求，其中 “舒適的使用者介面”和“節能省電”是對大多數產品的共同要求。同時家電開發迫切需要“降低材料成本和製造成本”。此外“改善開發環境”以減輕微控制器設計的複雜性和工作量也很重要。

本文中我們以家電中的家用麵包機開發為例，介紹家電開發的四大課題以及評估和選擇微控制器時的要點。

廚房電器由微控制器控制

首先，我們介紹一下家用麵包機。家用麵包機是一種利用麵粉和奶油等原料自動製作麵包的機器，其結構與圖1中所示的結構類似。殼體上裝有溫度感測器、發熱管和馬達，內部安裝容納麵包原料的內膽。

圖1　家用麵包機結構

家用麵包機對內膽中的麵包原料執行“揉麵”、“醒麵”、“發酵”和“烘烤”四道程序。根據製作的麵包種類（吐司麵包、法式麵包、全麥麵包 等）、烤色和室溫等因素，每道程序的處理時間、執行次數以及添加乾酵母和配料的時機都會有所不同。圖2說明了家用麵包機的工作流程。

圖2　家用麵包機的工作流程

除了管理工作過程外，微控制器還執行透過感測器進行溫度測量、內膽的溫度控制、用於麵包原料攪拌的馬達控制以及使用者介面處理等任務。表1為家用麵包機的需求規格示例。

表1　家用麵包機的需求規格

製作過程的處理時間、揉麵過程的攪拌控制，以及發酵和烘烤過程的加熱控制等方面，都集結了各家製造商的技術訣竅。例如有些產品配備了直接測量麵團溫度的感測器，有些則配備了高功率IH加熱器（感應加熱線圈）。

導入微控制器時的注意事項

下文將介紹評估和選擇微控制器時需要考慮的事項。

1）使用者介面問題—語音導引讓使用者更輕鬆

許多家電都配備輸入按鈕和顯示裝置狀態的LED指示燈，有些還配備液晶螢幕，透過文字和圖形提供更豐富的資訊。

本文示例的家用麵包機配備有多個按鈕和一個液晶螢幕。按鈕連接到微控制器的GPIO（通用輸入輸出）埠以判斷開/關狀態。液晶螢幕透過連接到微控制器內建的LCD驅動器進行控制。

如今，越來越多的產品採用螢幕顯示和語音播放相結合的方式來引導使用者。對於老年使用者來說，“顯示幕文字太小看不清”或者“下一步操作不夠直觀易懂”等情況時有發生。在這種情況下，語音導引功能就能發揮有效作用。

使用微控制器進行語音播放時，通常使用中介軟體進行音訊解碼。透過CPU對壓縮的音訊資料進行解碼，並透過D-A轉換器或PWM生成音訊訊號，輸出到外部放大器或揚聲器。有些微控制器內建音訊解碼電路，這類微控制器可在不消耗CPU資源的情況下進行語音播放。

2）節能省電問題—系統級和零件級的雙重省電設計

使用熱交換的空調設備、大功率的廚房電器、洗脫烘一體機、電熨斗等家電中，有些設備的功耗超過1000W。開發此類設備時，低功耗設計至關重要。

家用麵包機也是大功率的廚房電器之一，加熱器連續運行的烘烤過程大約需消耗350～700W的電力。因此在系統設計階段，需要考慮降低加熱器控制方式和馬達控制方式的功耗，並提高供電系統的效率。

此外低功耗設計對於電池供電的設備也很重要。為了延長連續使用時間，需要降低微控制器和其他元件的功耗。有些廚房電器（如家用麵包機）從UX（user experience；使用者體驗）設計的角度出發，即使從插座上拔掉電源線，也能透過內建電池繼續維持液晶螢幕的顯示，並保留之前的設置資訊。在這種情況下，也需要像電池供電設備一樣注重省電設計。

要降低微控制器本身的功耗，可以利用微控制器的電源管理功能。很多微控制器都有多種待機模式，透過讓微控制器以“工作→待機→工作→待機”的方式間歇性地工作，增加待機時間以降低功耗。表2為微控制器待機模式的示例。

表2　微控制器待機模式示例（使用ROHM的ML62Q2700時）

備註：所有模式下，RAM和SFR（特殊功能寄存器）的資料均被保留。
可以控制每個週邊功能電路塊的時鐘門控和重設定。

3）材料和製造成本問題—減少外接元件，降低成本

與工業設備等相比，家電的市場競爭更為激烈，價格往往設定得較低。因此需要降低材料成本和製造成本。

根據一次處理資料的位元寬，微控制器可分為8位、16位、32位三類。位數越大，運算能力越強，但晶片價格也越高。因此家電中通常使用8位或16位的低價微控制器。

另外微控制器配備多種週邊功能，如果所用微控制器的週邊功能符合開發目標的要求（功能和性能上無多餘或不足），就可以減少外接元件的數量，降低元件成本。元件數量減少，通常電路板面積也會變小，進而降低電路板成本。但需要注意的是，微控制器內建的週邊功能在性能、精度和解析度方面可能不如外接元件。圖3為家電中使用的週邊功能示例。

圖3 家電中使用的微控制器週邊功能

其他外接元件中需要考慮的是時鐘產生問題。使用外接的晶振或振盪器會增加元件成本，但能提高時鐘品質；而使用微控制器內建的振盪電路可以降低元件成本，但時鐘品質會下降。

ROHM的16位元微控制器可以在內部進行時鐘校正，並且校正後的時鐘頻率誤差可控制在±1.5%以內。對於需要時鐘功能、精確測量時間以及頻率精度要求較高的系統，需要使用外接晶體振盪器，否則可以考慮使用微控制器內建的振盪電路。

以家用麵包機為例，微控制器與週邊元件的連接如圖4所示。這裡使用的是ROHM的16位微控制器ML62Q2700。ROHM的16位微控制器不僅用於電子鍋、微波爐、咖啡機等廚房電器，還用於冰箱、洗衣機、吸塵器、空調和LED照明等設備。

圖4 家電的微控制器與週邊元件的連接

如圖4所示，ML62Q2700內建有音訊解碼器（ADPCM/PCM方式）、段碼式LCD驅動器（最高480畫素，透過電容分壓產生驅動電壓）、12位元A-D轉換器和PWM，從而減少了外接元件的數量，而時鐘產生使用了外接晶體振盪器，這是因為需要時鐘功能管理家用麵包機的麵包製作完成時間。

4）開發環境問題—彰顯供應商特色的實用工具

微控制器供應商提供與其微控制器相應的整合式開發環境（IDE）、調試探針（模擬器）、評估板和實用工具。微控制器供應商提供的IDE通常是使用開源軟體（如Eclipse）構建的，可以免費或以較低價格獲得。

實用工具包括生成微控制器設定檔和初始化代碼的工具、輔助創建微控制器使用的音訊和圖像資料的工具，以及輔助馬達控制設計的工具等。在實用工具支援方面，往往能體現出各供應商的差異化競爭力。擁有易於使用的工具（即所謂的“貼心工具”）可以減輕開發人員的負擔。圖5為實用工具的示例。

(a) 創建音訊資料（ADPCM/PCM）的工具（ROHM的Speech LSI Tools）

(b) 確認液晶螢幕顯示工作的工具（ROHM的LCD圖像工具）
圖5 實用工具示例

同時，也要確認是否有講解微控制器使用方法的操作說明書或影片。