【工业开发者论坛精彩笔录】嵌入式智能 实现智能能源

中心议题：
     * 2011西部工业开发者论坛精彩笔录

本文整理自Microchip Technology公司技术工程师殷俊国在2011西部工业开发者论坛上的演讲。

现在大家每天和同事、朋友聊天，可能都会讲到新能源、智能能源，因为能源的压力已经深深的影响到我们每个人了，大家都能感受得到。我们看一下Microchip在这方面提供了哪些应用，以及哪些资源，可以让大家实现这方面的理想，想法。我们看什么是智能能源？以前的能源是不是智能能源呢？现在为什么称之为智能能源？我们看一下它怎么定义的，智能能源是以电子和电子技术形式在能源生成、分配和消耗环节纳入智能因素，提高成本效益、能源效率的生态效益。我们现在常用的一些能源，比方说煤炭、石油、天然气以及核电，根据地球上的资源测算一下，如果我们还使用煤炭的话，也只能再使用250年；石油也只能是再用40年的时间；用核能的话，可能还需要200年，中国的核原料其实并不是很富足；天然气可能还有60年的使用时间。从这些数字可以看到，其实我们对能源的需求非常大，使用再生能源的紧迫感，我们每个人都可以从身边感受到。这种芯片的制造厂商、分销商以及在座的电子设计者，可能不太能开发出新的能源。但是我们可以用我们的技术实力、技术资源，尽量减少使用能源，这样也会让我们使用能源的时间变长一点。我们可以看一下，如果产生更多的再生能源，传统的能源已经很有限了，可以开发的能源已经不是很多了。我们可以引用新型的再生能源，比方说太阳能。因为西安可能要打造一个太阳能的产业基地，所以在西安的研发工程师可能最早感受到，我们对太阳能、新的逆变智能、逆变产品知识的渴求非常紧迫。还有风能，西北这个地方非常适合使用风能。除此之外，政府也可以做一些措施，政府的一些规定，比方说室内空调不能高于多少，灯光不能超过多少亮度，这些也是可以节约能源的。还有技术的进步，以及技术进步给新能源的利用带来什么优势。

我们看一下能源的管理，利用嵌入式智能进行创新的时候，首先看到的就是能源的管理。比如说智能能源是如何管理的，我们要高效率的管理这些能源，在现今的基础上增加更多的设备以及更好更高效的设备。其次，我们要管理能源的利用高峰，还可以进行一些巨大的技术投入。还有就是比新能源更廉价更快捷，我们在这些方面做更新，比我们开发一个新能源更快捷，而且技术上更廉价。

目前，我们家里每天用的三表——气表、水表、电表，也是管理能源的一个方式。但在整个能源链里面，仪表类仅仅是是这整个冰山的一角。我们还有很多智能的产品、技术和方案可以用来实现智能能源，比如说恒温器、能源的监控、电动汽车、太阳能、风能，这些都可以用智能的产品来管理。

 

对于能源的管理，有几个关键的技术。首先，要管理能源，需要一个人际界面。要知道这个时候机器以及它的探测设备给我们返回的一些信息，我们要输入一些参数，输入一些时间段的参数，这时候就需要一个人际界面。之前我们可能会用到数码管，现在随着我们对视觉的要求越来越高，我们可能会用到彩屏，另外就是触摸技术。现在我们大家用得最多的苹果的iPhone上，以及手机上都是用触摸屏了。还有通信，不管是有线的还是无线的，我们要知道随时哪一个结点，哪一个能源产生和利用结点的信息我们都要集中到中央处理器，以及中央控制室里来。所以我们要及时的观察修改观测这些内容。这些技术的实现都要一些创新的单片机、MCU、DSP、LPD，都要比以前更好，效率更高，能源需要更低的一些MCU来实现。除此之外，性能更高的还有外设，比方说通信、ADC和DEC，这些外设都需要是一些更好的，更新的适用这种技术的一些外设。除MCU以外，我们可能还需要一些更低的模拟产品，以及存储产品。

 
 

 

下面我简短的根据能源的利用分几个Topic，一个电源效率，第二个是智能能源的监控，第三个是采用图形化和触摸传感的用户界面，第四个是嵌入式连接，第五个是在里面增加USB。USB是连接里面的一部分，只是它是短距离的速度更快的连接。最后再给大家介绍一下Microchip  IDE的集成开发环境以及工具。

电源设计的效率，就是我们刚才讲的，要选一个超低功耗的MCU，选择一个超低功耗的外围设备。看一个简单的例子，以前我们用一个MCU，MCU的电压都是2点几伏，而Microchip最高产品都是2伏以上才工作。所以用一节电池的时候可能不能让MCU工作，因为电池的电压只有0.5伏，这时候就需要DCDC升压。如果DCDC升压的效率更高一些，而工作的电压更低一些，是不是可以让这个电池的电压里面的电量释放的更多一些？

 

这里有一个芯片叫MCP1624，这个芯片只要有0.36伏就可以启动工作了。一节电池就可以为一个小的便携式的或者低控的设备提供能源，这样我们就省了一个电池。像这种Microchip的DCDC升压器，以及其他厂家效率更高电压更低的DCDC升压器，可以使用耿绍的电池，当然也更加环保，而且这种产品的价格也非常低，它适合2.5V-5.5V稳定输出的电压，最小是.35V-1.8V的输出电压。电压大于0.35V时，这个DCDC就可以工作了，就可以为后续输出2V-5V的恒定电压。

 

 

刚才说的是能源的利用，现在我们讲一下能源的搜集，其实社会上有一种新的能源搜集方式。能源不仅仅是电池，我们身边很多地方可能都有能源，比方说光、震动、温度等。现在很多国家都把很大的精力投入温度的转换，我们把一个很小的东西贴到身上，这个东西就可以从我们身体源源不断的吸收热量，转化成电能，来为我们身上所带的某些便携式设备提供能源。这些技术很多国家都在研究，都在开发。我了解到，现在市面上有一种运动鞋，在跑步的时候是不需要给它加电池的，它可以把一些信息记录在鞋子里面的一些小芯片里，我们通过有线或者无线的东西就可以把跑步的时候，我们的跑步频率、我们的脚的压力等这些信息传输进来。从这些信息我们就可以知道我们身体的状况，我们是不是肥胖，我们在跑步的过程中是不是有些心率或者血压的变化，这些信息也可以给我们健康性的医疗提供一些参考。我们知道现在空间中很多不同频率的一些频率，其实，这些频率我们可以搜集和利用。举一个很简单的例子，当你拿着车钥匙在路边走的时候，其实有很多车给你发射射频，只是拥有和我相同的密码的车子才会响应。车钥匙这一路上都在不停的接受这些能源，我们可以把这些能源搜集起来。当然实现这些能量的搜集需要很多模拟器件，以及很多能量的感应产品来做到这一点。

搭建一个能量收集框图的话，主要模块无非这几种。第一个我们首先想到的还是MCU，因为没有MCU，我们没有办法进行逻辑判断，是吸收能源还是释放能源。接下来就是环境中的能源，声能、光能、热能、电波这些都可以作为能源。能量搜集以及能量的存储与管理，还有低功耗的一方会记录我们这些信息。再一个传感器，传感器在这里一定用得到。比如，热能搜集的时候，热量可能会很高，这时我们有必要对MCU以及对外围所有的电路做一些选择。最后是传送，这些能量一旦吸收到了，达到了可以利用的条件的时候，要给我们一个信息，不管是通过显示的方式还是通过无线的方式，我们一定要知道这个信息，否则我们不知道这个东能量可不可以用。这就是一个简单的能量搜集的逻辑框图。我相信不久的将来，这种产品就会在我们身边出现。

 

 

这里是一个智能能源的管理，这里是一个小区，能源产生的地方，家庭的住户，可能还有太阳能电池板这些，都可以形成能源的循环。我们看在这里面我们能做什么东西。

 

传感器，对任何东西进行测量和控制的时候，一定要有传感器，因为我们要感知它。这种传感器可能有压力、温度、声光、频率的等等。传感器的信息过来以后，信号可能有两种，一种是模拟信号，另一种是数字信号。如果是模拟信号，我们需要怎么测量？可能需要一帮模拟的东西包括数字的东西，可能用的是ADC。此外还有电能的一些计算。再后面就是一些控制，比方说存储，以及切断，电量的使用，还有无线通信或者有线通信，以及人机界面。

 

 

最简单的一个例子就是家庭的电表，我们每家可能都有一个电表，电表有些是没有通信功能的，也有些电表是有通信功能的。将来的电表我们可以设计，什么时候用电的时候蓄电，在用电高的时候可以少用电，这些产品以后都会陆陆续续推出。如果采用Microchip的产品进行电能的测量，我们推出了一个非常好的MCU，还有几个非常好的AD转换器。在模拟前端，我们可能用MCP390X、3901、3909、3905、3906去做AD前端的采样，这些测电压电流的精度都比较高。

 

这是3901的一个模拟前端设计，技术非常尖端，就是两路的带PDA的采样，它的速度非常快，位数非常高。最低也是16位的AD采样，而且都是差分输入，非常适合这种电能的测量。

 

还有一个就是我们的MCU，这个是18F8CJ22。这个MCU在普通的MCU里面集成了一颗AD采样的模拟前端。这个前端AD采样的位数是从16位到24位，我们还可以自行选择的。我们可以动态的配制它，如果电流很小，16位的采样已经不够了，我们可以扩展到18位。如果电流比较大，我们也没必要用18位的采样，可以用16位的采样。而且内部还有自己的PDA，我们可以随时调控它的放大。

 

 

除此之外，内部可能还有一些其他的通信模块，以及外设来支持芯片的设计。前面讲的是前端的一些采集，现在讲的就是人机界面。如果是一个黑盒子放在这里，我们过来看谁也不知道是什么。但是我必须要知道这个系统是干什么的，它随时的一些数据是怎么样的，以及我们给它输入一些指令的时候，我们从什么地方输入。这里就牵扯到人机界面，因为人的要求是越来越高，之前是红色的数码管再加几个按键，别人看根本不知道的一些代码就代表了某些参数。后来我们涉及到LCD，那种代码是的LCD，因为LCD的功耗很低，而且它可以显示的内容越来越多。但是它是黑白的，而且显示的东西不可以随即变化，是定制的。再后来我们用到点阵式的，现在黑白的点阵式已经不满足我的要求了，现在我们用彩屏的。在彩屏上加一些触摸的，就不需要外部加按键了，我们在屏幕上就可以进行操作。Microchip为这些技术提供了解决方案。之前大家设计的时候可能会用到一个MCU加一个TFT的玻璃瓶，中间一定加一个驱动芯片。现在Microchip把这个驱动芯片集成到MCU里面去了，也就是你只需要一个Microchip和一个2GB的通讯的玻璃瓶就可以实现QVG、TFT的显示，非常简单。成本也非常低，实践起来也很容易。硬件越来越少，我们存在错误的纪律也就越来越少。我们实现起来也就更快更方便。这个芯片我们现在只出了一个PIC 24FJ  DA系列的，是16位的MCU加上一个640×480的TFT的显示驱动器。除了硬件以外，Microchip还提供了完整的一套软件，可以实现三维动画、按键、汉字，当然字体是各种各样都可以。用我们的软件库，你不需要做其他事情，只要写应用代码就可以实现了。

 

 

 

 

下面看一下嵌入式的连接，嵌入式的连接大家用的比较多的可能是串口，当然现在工程师可能已经过了这个阶段。后面用的最远一点是USB，大家如果想设计以太网，我不知道现在有些工程师会不会觉得很困难。之前大家想以太网就想到驱动芯片，就是台式机电脑里面的100多卷的芯片，我们还要装一个网卡。现在Microchip已经把它做的非常小了，非常适合嵌入式的应用。我们看一下，这里是有线的，还有无线的，无线的就是通过Wi-Fi。我们看一下Microchip提供了什么，Microchip提供了单独的以太网的控制芯片，那只有28管脚的，10M的，我们把这个芯片移植到MCU里面去了。外面只需要加几个49欧姆的电阻，再加几个水晶头，里面当然带隔离电器的，就可以设计以太网了。你只要把它下载进去，初步的设计就完成了，你可以在这个基础上设计应用的东西，把有用的东西传输进去就OK了，非常方便。

 

我们还推出了32位单片机，32位单片机里面像6XX/7XX已经集成了百M和10M的自身的以太网。当然这里面也集成了USB的传输网，以及USB的控制器。这个USB还可以实现OTG的方式。

 

除此之外我们还设计了很多Wi-Fi，我们知道大家设计Wi-Fi的时候，重大难点就是无线的部分，因为天线很难设计，天线配套里面内部一些电容以及一些小的电阻频率都非常不好设计。Microchip为了让大家更好的应用，给大家做了一个模块，这个模块大小和一块钱的硬币一样，外围已经放好沿脚了，非常薄非常小，直接放到板子上作为一个芯片用就OK了。我们这种模块已经经过了ETSI、IC、FCC这种测试，也就是说用我们模块的产品直接卖到国外去是没有问题的。而且我们已经替大家申请了它在全球的代码，你可以用这个来生产你们的产品，也是没有问题的。

 

 

除此以外还有一个芯片我想给大家介绍一下，就是我们的MAC地址芯片，这个芯片只有三个管脚到6个管脚，这是一方，里面存了全球唯一的MAC地址。

 

USB我不想多说，我想给大家介绍一下MCU的产品。我们的协议栈，以太网的协议栈、USB协议栈，在我们的网站上都有提供，大家可以下载下来学习，都是C语言的代码，读起来以及学习起来都非常容易。这里是我们的开发工具。Microchip为了大家更好的使用Microchip的MCU，我们已经给大家开发了很多的开发工具，除此之外，Microchip还在全国15个城市，每个Office都设立了一个技术培训中心，大家感兴趣的话可以和朋友到我们公司来，我们提供一些开发板以及笔记本、资源给大家学习Microchip的一些应用。这些应用非常容易学些，非常容易上手。就这么多，大家有没有问题？没有问题的话我这个话题就结束了。稍微耽误了下面一点时间。

本文整理自2011西部工业开发者论坛的演讲内容，欲了解更多详细信息请访问www.52solution.com/data/datainfo/id/5166