家用电器开发中微控制器的选型要点

本文的关键要点

1. 越来越多的家用电器使用语音播放作为用户界面。

2. 对于耗电量大的设备，需要考虑引入低功耗的控制方式和高效的供电系统。对于电池供电系统，可以利用微控制器的待机模式节省电力。

3. 尽量减少微控制器的外置元器件数量，可以降低材料成本和制造成本。

4. 评估开发环境时，不仅要看集成开发环境和评估板，还要确认是否有易于使用的实用工具。

ROHM提供融入自有低功耗技术优势的丰富的低功耗微控制器产品。通过供应微控制器产品，为从事电池供电的小型设备、家用电器、工业设备、社会基础设施、车载设备等各种系统开发的微控制器用户提供支持。本文以回答希望使用微控制器的开发人员问题的形式，为微控制器引入和微控制器设计提供有用的信息。此外，ROHM还发布了一系列的“微控制器小知识”视频，从中可以学习微控制器的基础知识，微控制器初学者也可以参考这些视频。

想进军厨房电器市场，然而…

前几天，某设备制造商向我咨询引入微控制器的相关事宜，我们暂且称他为“A先生”。

A先生所在的公司是一家为食品工厂等提供商用烹饪和厨房系统的制造商，正在考虑进入普通消费者使用的厨电市场。公司内部成立了一个负责规划和开发通过微控制器控制的厨房电器的团队，A先生的任务是研究设备中配备的微控制器，并设计和安装微控制器软件。

虽然A先生在处理商用系统中配备的工业级处理器方面有丰富的经验，但几乎没有使用过安装在家用电器中的小型微控制器，周围也没有具有微控制器设计经验的前辈或同事。A先生咨询的问题是“在家用电器开发中，应该从哪些方面对微控制器进行评估和选择?”

家用电器开发的四大课题

近年来，人们对家用电器提出了很多要求，其中 “舒适的用户界面”和“节能省电”是对大多数产品的共同要求。同时，家用电器开发迫切需要“降低材料成本和制造成本”。此外，“改善开发环境”以减轻微控制器设计的复杂性和工作量也很重要。

本文中我们以家用电器中的家用面包机开发为例，介绍家用电器开发的四大课题以及评估和选择相应微控制器时的要点。

厨房电器由微控制器控制

首先，我们介绍一下家用面包机。家用面包机是一种利用面粉和黄油等原料自动制作面包的机器，其结构与图1中所示的结构类似。壳体上装有温度传感器、发热管和电机，内部安装容纳面包原料的内胆。

图1家用面包机的结构

家用面包机对内胆中的面包原料执行“揉面”、“醒面”、“发酵”和“烘烤”四道工序。根据制作的面包种类(吐司面包、快速面包、法式面包、全麦面包等)、烤色和室温等因素，每道工序的处理时间、执行次数以及添加干酵母和配料的时机都会有所不同。图2举例说明了家用面包机的工作过程。

除了管理工作过程外，微控制器还执行通过传感器进行温度测量、内胆的温度控制、用于面包原料搅拌的电机控制以及用户界面处理等任务。表1为家用面包机的需求规格示例。

表1家用面包机的需求规格

制作过程的处理时间、揉面过程的搅拌控制以及发酵和烘烤过程的加热控制等方面，都凝聚了各制造商的技术诀窍。例如，有些产品配备了直接测量面团温度的传感器，有些则配备了高功率IH加热器（感应加热线圈）。

引入微控制器时的注意事项

下文将介绍评估和选择微控制器时需要考虑的事项。

1) 用户界面问题——语音向导让用户更轻松

许多家用电器都配备输入按钮和显示设备状态的LED指示灯，有些还配备液晶屏，通过文字和图形提供更丰富的信息。

本文示例的家用面包机配备有多个按钮和一个液晶屏。按钮连接到微控制器的GPIO(通用输入输出)端口以判断开/关状态。液晶屏通过连接到微控制器内置的LCD驱动器进行控制。

如今，越来越多的产品采用屏幕显示和语音播放相结合的方式来引导用户。对于老年用户来说，“显示屏文字太小看不清”或者“下一步操作不够直观易懂”等情况时有发生。在这种情况下，语音向导功能就能发挥有效作用。

使用微控制器进行语音播放时，通常使用中间件进行音频解码。通过CPU对压缩的音频数据进行解码，并通过D-A转换器或PWM生成音频信号，输出到外部放大器或扬声器。有些微控制器内置音频解码电路，这类微控制器可在不消耗CPU资源的情况下进行语音播放。

2) 节能省电问题——系统级和部件级的双重省电设计

使用热交换的空调设备、大功率的厨房电器、洗烘一体机、电熨斗等家用电器中，有些设备的功耗超过1000W。开发此类设备时，低功耗设计至关重要。

家用面包机也是大功率的厨房电器之一，加热器连续运行的烘烤过程大约需消耗350～700W的电力。因此，在系统设计阶段，需要考虑降低加热器控制方式和电机控制方式的功耗，并提高供电系统的效率。

此外，低功耗设计对于电池供电的设备也很重要。为了延长连续使用时间，需要降低微控制器和其他元器件的功耗。有些厨房电器(如家用面包机)从UX(user experience;用户体验)设计的角度出发，即使从插座上拔掉电源线，也能通过内置电池继续维持液晶屏的显示并保留之前的设置信息。在这种情况下，也需要像电池供电设备一样注重省电设计。

要降低微控制器本身的功耗，可以利用微控制器的电源管理功能。很多微控制器都有多种待机模式，通过让微控制器以“工作→待机→工作→待机”的方式间歇性地工作，增加待机时间以降低功耗。表2为微控制器待机模式的示例。

表2微控制器待机模式示例(使用ROHM的ML62Q2700时)

注：所有模式下，RAM和SFR(特殊功能寄存器)的数据均被保留。

可以控制每个外围功能电路块的时钟门控和复位。

3) 材料和制造成本问题——减少外置元器件，降低成本

与工业设备等相比，家用电器的市场竞争更为激烈，价格往往设定得较低。因此，迫切需要降低材料成本和制造成本。

根据一次处理数据的位宽，微控制器可分为8位、16位、32位三类。位数越大，运算能力越强，但芯片价格也越高。因此，家用电器中通常使用8位或16位的低价微控制器。

另外，微控制器配备多种外围功能，如果所用微控制器的外围功能符合开发目标的要求(功能和性能上无多余或不足)，就可以减少外置元器件的数量，降低元器件成本。元器件数量减少，通常电路板面积也会变小，从而降低电路板成本。但需要注意的是，微控制器内置的外围功能在性能、精度和分辨率方面可能不如外置元器件。图3为家用电器中使用的外围功能示例。

图3 家用电器中使用的微控制器外围功能

其他外置元器件中需要考虑的是时钟产生问题。使用外置的晶振或振荡器会增加元器件成本，但能提高时钟质量;而使用微控制器内置的振荡电路可以降低元器件成本，但时钟质量会下降。

ROHM的16位微控制器可以在内部进行时钟校正，并且校正后的时钟频率误差可控制在±1.5%以内。对于需要时钟功能、精确测量时间以及频率精度要求较高的系统，需要使用外置晶体振荡器，否则可以考虑使用微控制器内置的振荡电路。

以家用面包机为例，微控制器与外围元器件的连接如图4所示。这里使用的是ROHM的16位微控制器ML62Q2700。ROHM的16位微控制器不仅用于电饭煲、微波炉、咖啡机等厨房电器，还用于冰箱、洗衣机、吸尘器、空调和LED照明等设备。

图4 家用电器的微控制器与外围元器件的连接

如图4所示，ML62Q2700内置有音频解码器(ADPCM/PCM方式)、段码式LCD驱动器(最高480像素，通过电容分压产生驱动电压)、12位A-D转换器和PWM，从而减少了外置元器件的数量，而时钟产生使用了外置晶体振荡器，这是因为需要时钟功能管理家用面包机的面包制作完成时间。

4)开发环境问题——彰显供应商特色的实用工具

微控制器供应商提供与其微控制器相应的集成开发环境(IDE)、调试探针(仿真器)、评估板和实用工具。微控制器供应商提供的IDE通常是使用开源软件(如Eclipse)构建的，可以免费或以较低价格获得。

实用工具包括生成微控制器配置文件和初始化代码的工具、辅助创建微控制器使用的音频和图像数据的工具以及辅助电机控制设计的工具等。在实用工具支持方面，往往能体现出各供应商的差异化竞争力。拥有易于使用的工具(即所谓的“贴心工具”)可以减轻开发人员的负担。图5为实用工具的示例。

(a) 创建音频数据(ADPCM/PCM)的工具(ROHM的Speech LSI Tools)

(b) 确认液晶屏显示工作的工具(ROHM的LCD图像工具)

图5 实用工具示例

同时，也要确认是否有讲解微控制器使用方法的操作说明书或视频。