内容介绍
市场情况
混合信号MCU（Mixed-Signal MCU）在市场上的表现有几个值得关注的点。首先，混合信号MCU集成了数字和模拟功能，这使得它们在处理复杂的电子系统时具有优势，尤其是在需要同时处理数字和模拟信号的应用中。这种集成度不仅减少了系统组件的数量，降低了成本，还提高了系统的性能和可靠性。
混合信号微控制器（Mixed-Signal MCU）与普通微控制器（通常指仅包含数字逻辑的MCU）相比，具有以下优势：
- 集成模拟功能：混合信号MCU集成了模拟组件，如ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）、比较器、运算放大器等，这使得它们可以直接处理模拟信号，无需外部组件。
- 降低系统成本：由于集成了模拟组件，混合信号MCU可以减少对外部模拟电路的依赖，从而降低系统的整体成本和复杂性。
- 减小尺寸和功耗：集成更多的功能到单个芯片上可以减小系统的尺寸，并可能降低功耗，这对于便携式和空间受限的应用尤为重要。
- 提高系统性能和稳定性：内部集成的模拟组件通常与数字逻辑部分有更好的匹配和协同，这可以提高系统的整体性能和稳定性。
- 简化设计和生产流程：使用混合信号MCU可以简化电路设计、生产测试和维护，因为减少了外部组件的数量和种类。
混合信号MCU因其独特的优势，在需要处理模拟信号的同时进行数字信号处理的多种应用场合中具有重要价值：
- 工业控制：混合信号MCU在工业控制领域非常受欢迎，用于监控和控制生产线上的各种参数，如温度、压力、流量等。
- 医疗设备：在医疗设备中，混合信号MCU用于处理生理信号，如心电图（ECG）、血压测量等。
- 消费电子：许多消费电子产品，如智能家电、穿戴设备等，使用混合信号MCU来处理用户输入和环境传感器数据。
- 汽车电子：在汽车领域，混合信号MCU用于引擎控制、驾驶辅助系统、车身电子等，以处理各种模拟信号。
- 通信系统：混合信号MCU在通信设备中用于信号调制、解调以及电源管理。
- 电源管理：电源转换和控制设备，如充电器、不间断电源（UPS）等，使用混合信号MCU来监测和控制电源参数。
根据市场分析，混合信号SoC（系统级芯片）的市场需求正在增加。这种增长部分得益于混合信号SoC在缩减解决方案尺寸和成本、提高系统可靠性以及缩短系统开发时间方面的优势。混合信号SoC的设计和制造挑战包括在同一颗芯片上平衡数字和模拟电路的需求，以及处理模拟和数字信号的复杂性。
目前，已经有不少厂商发布了自家带有数字信号处理（DSP）和浮点单元（FPU）指令的混合信号微控制器单元的系列型号，以下是总结的一些广为人知的厂家以及提供的DSP和FPU功能的混合信号MCU，这些系列芯片除了具有一般混合信号MCU的特性，也各自往不同应用方向添砖加瓦，集成了自家独到特殊的“黑科技”：
- STM32系列 - STMicroelectronics的STM32系列中的某些型号，如STM32F4和STM32F7系列，包含了ARM Cortex-M4和Cortex-M7内核，这些内核带有硬件浮点支持和DSP扩展。
- TI MSP432 - Texas Instruments的MSP432系列是基于ARM Cortex-M4F内核，提供了DSP指令和单精度浮点运算单元。
- PIC32MZ系列 - Microchip的PIC32MZ系列MCU搭载了MIPS M14K内核，支持浮点运算和DSP指令。
- ADSP系列 - Analog Devices的ADSP系列，例如ADSP-SC58x系列，它们基于SHARC+ ARM架构，结合了强大的DSP能力和ARM处理器的通用性。
- Kinetis系列 - NXP的Kinetis系列中的一些型号，如Kinetis K系列，基于ARM Cortex-M4和M7内核，并具有DSP和FPU功能。
- TMS320C28x系列 - Texas Instruments的TMS320C28x系列是专门为控制应用设计的，具有硬件浮点和DSP功能。
- RH850/P1H-C系列 - Renesas的RH850/P1H-C MCU系列，搭载双核Cortex-R52和Cortex-M33，支持浮点运算和DSP指令。
除了以上提到的知名国际厂商，中国的混合信号MCU市场也正在迅速发展。尤其是在中美科技竞争和缺芯潮的背景下，中国的大型OEM厂商开始寻求国产替代方案和本土芯片供应商，这为中国的MCU厂商提供了巨大的机遇。
在中国混合信号MCU领域，有许多本土芯片供应商在技术、产品线和市场影响力方面展现出竞争力，例如3PEAK（思瑞浦微电子科技），一家专注于高性能模拟信号链的IC设计公司，在运算放大器、视频滤波、音频驱动、数模转换、模数转换、接口芯片等领域积累了大量的正向设计IP，公司的产品广泛应用于工业、医疗、通信系统等领域。23年12月，3PEAK公司正式发布了MCU TPS32混合信号工业微控制器家族的主流系列产品。
TPS32混合信号微控制器家族采用了先进的32位ARM®v8M架构，具备卓越的混合信号处理能力，高效的功耗管理和丰富的功能特性，可以满足多样化的应用需求。TPS32混合信号微控制器依托3PEAK出色的模数混合信号处理技术能力，围绕垂直应用开发产品，优化产品设计，助力客户实现终端产品的差异化。3PEAK提供完整的开发生态系统支持，包含简单易用的配套嵌入式软件包、硬件和软件开发工具，以及第三方合作生态系统，为用户在整个设计和开发周期中提供全方位的支持，缩短客户产品的设计周期，确保流畅的用户体验。TPS32混合信号微控制器系列在整个设计流程严格遵循工业质量标准，是泛工业应用领域的理想之选。
除了自身实力够硬，开发产品不可避免的需要考虑到成本。文内提到过的几家知名厂商芯片，低价位在单片十美金上下，高价位单片更是在一百美金之上。TPS325系列微控制器通过优化设计和制造过程，以及与国内供应商的合作，实现了成本的有效控制，同时保持了良好的性能和可靠性。这些优势使得国产TPS325M5系列微控制器成为国内市场的一个有吸引力的选择，特别是在预算有限但需要高性能和可靠性的应用中。通过与3PEAK官方人员交流后了解到，在合适的选型以及批量购买的前提下单片的价格甚至可以压在一美金上下。如此价格优势对于产品的开发必不可少，这也是国产芯片能有一定竞争力的重要原因。
3PEAK官方的硬件评估板TPS325M51-A Prime Board 搭载了TPS325M5系列芯片，用于进行快速功能验证和原型开发。Prime board非常易于上手，配有用户指南、设计文件、开发工具和丰富的软件代码例程。Prime board既可以作为单独使用，也可与3PEAK 提供的Expansion Board，以及多种ARDUINO® shields配合使用，来灵活方便实现更多功能。之后本文也将使用此评估板体验TPS325M5芯片的开发流程。
产品特点
基本信息
- 基于Arm v8-M架构的32位STAR-MC1内核，兼容ARM Cortex-M33指令集，工作频率高达156 MHz
- 512KB至2MB Flash存储器；128KB-336KB SRAM存储器
- 支持低至5μA的超低功耗电容触摸模式，具有高效的IO使用效率，最多可支持87个IO端口
- TPSensor 电容传感接口支持多达 17 个外部通道
- 一个 12 位 ADC，具有 14 个外部通道和 6 个内部通道。分辨率高达 12 位@2.5Msps
- 一个 12 位DAC，2个缓冲外部通道 @1 Msps
- 两个快速rail-to-rail模拟比较器(CMP)，内置 6 位 DAC，用于内部电压参考
- 两个运算放大器（OA），可用于 PGA/buffer/GP 模式
- 2 x I2C; 7 x UART; 3 x SPI; Quad SPI; CAN 2.0B
- 5 x 16-bit and 1 x 32-bit 通用定时器,3 x16-bit 高级定时器, IWDG, WWDG, SysTick Timer, Real Time Clock with Calendar
- 循环冗余校验 (CRC32)
- 真随机数生成器 (TRNG)
- AES: 128/192/256位密钥加密硬件加速器
- HASH: SHA-1/SHA-2,MD5
存储容量选项
TPS325M5系列提供不同的存储容量选项，最高可达2MB Flash和336KB SRAM。这样的存储容量可以满足大多数工业控制和消费电子应用的需求。较大的Flash存储空间允许产品开发者集成更多的功能和算法，从而使产品更加智能化和多功能化。336KB的SRAM可以支持复杂的数据处理和多任务操作，这对于提高产品的响应速度和实时性能至关重要。
TPS325系列部分选型表
内置加密引擎和高级加密标准模块
此外，该系列还集成了内置的加密引擎，具有真随机数生成器(TRNG)，高级加密标准(AES)和HASH (SHA1/SHA2, MD5)模块，为产品的设计提供了强大的数据加密和安全通信功能。它能够确保产品在处理敏感信息时，如用户数据、财务记录和机密文件，实现高级别的数据安全和隐私保护。
通过利用AES算法，开发的产品可以建立安全的通信链路，防止数据在传输或存储过程中被截获和篡改。此外，AES模块还可用于固件保护，防止未经授权的复制和修改，保护知识产权。在某些需要满足严格安全标准的行业，如金融、医疗和政府机构，AES的集成可以确保开发的产品满足这些安全要求。
针对不同应用场景集成多种高性能外设
TPS325M5功能框图
丰富的外设也是该系列的一大优势，使得TPS325M5系列微控制器非常适合于工业控制、智能家居、消费电子和汽车电子等领域的高性能应用：
- 多功能ADC：TPS325M5系列提供了高精度的12位ADC，能够实现快速、准确的模拟信号采集，适用于各种工业和消费电子应用中的传感器数据采集。
- 比较器和运算放大器：内置的比较器和运算放大器支持多种应用，如信号检测、模拟信号处理、电机控制等，增强了产品的应用灵活性。
- 丰富的通信接口：支持多种数字通信接口，如UART、I2C、SPI、CAN 2.0B等，使得TPS325M5系列能够轻松与其他设备或系统进行数据交换和通信。
- 电容触摸感应：集成TPSensor电容感应技术，支持多点触摸和接近感应，适用于智能家居、人机界面等需要触摸交互的应用。
- 定时器和PWM功能：内置定时器和PWM功能，支持精确的时间控制和电机驱动，适用于工业控制和智能设备。
- 安全特性：可能包含加密和安全特性，如硬件安全模块，确保数据的安全传输和存储。
- 低功耗模式：支持低功耗模式，如待机模式和休眠模式，有助于延长电池寿命，适用于便携式设备和电池供电的应用。
- 高效率IO：提供多达87个IO端口，支持多种驱动能力，满足不同的外设连接需求。
基于Arm®v8-M架构的STAR-MC1内核
TPS325M5系列作为TPS32混合信号工业微控制器家族的主流产品线成员，采用了基于Arm®v8-M架构的STAR-MC1内核，与Arm® Cortex®-M33内核指令集兼容。STAR-MC1作为“星辰”系列产品的第一款产品，支持现有的Armv8-M架构的所有特点以及最新的指令扩展。该款处理器是一款非常紧耦合性的高效微处理器，性能达到1.5DMIPS/ MHz -4.02Coremark/MHz，同时继承Armv7和Armv8架构的DSP指令和浮点计算单元(FPU)。同上一代Arm处理器相比较，在同一主频下，这些新结构体系的升级可以使STAR-MC1的性能提升20%。
对于客户而言，尽管“星辰”处理器相当于一款全新的产品，但完全不用担心使用习惯以及生态上的改变，因为二者都是基于Armv8-M架构的处理器，Arm繁荣而完善的生态系统、应用程序、工具层的优势同样可以被完全利用，IP、CMSIS标准软件库的支持、TCM接口的集成以及整个低功耗的管理方法也都相同。因此，用户和芯片客户在使用“星辰”处理器时也无需因为变化而承担风险和困难。
卓越的TPSensor®电容感应专利技术
TPS325M5系列集成了卓越的TPSensor®电容感应专利技术。3PEAK独特的电容触摸技术拥有自主知识产权及多项专利，支持超低功耗电容触摸唤醒，强抗噪声干扰 IEC61000-4-x测试性能优越。其高性能，高可靠性等特点能够满足多样化的工业应用需求。这项技术集成在微控制器中，可用于开发各种交互式应用，如触摸屏、触摸按钮、接近传感器等。
例如搭载了该系列芯片的智能门锁产品拥有以下特色卖点：
- 高灵敏度，低功耗，抵抗强噪声干扰
- 支持多大 7个串口，能拓展热释电红外, 运动传感器, 人脸检测，后板通讯
- 单芯片大Memory集成，可以存储50+指纹枚数，以及语音数据
- 单DAC支持双channel语音包括门前语音导视和门内门铃
- 集成NFC TypeA 卡读取
- 高效GPIO利用率（79GPIO on QFN88)
- 多合一芯片及智能门锁参考方案，加速客户开发，减少客户开发难度，节约整体成本和功耗
- 独特电容触摸技术，拥有自主知识产权及多项专利
- 支持touch key及接近感应
设计体验
开发板使用方法
在3PEAK的MCU产品页面底部，有官方提供的硬件评估板的资料，里面包含了设计文件、快速使用手册和用户指南。
开发板资料页面
其中跳帽的位置需要根据实际需要改变连接位置，比如选择板卡供电方式、UART接口的连通方式、是否进入BOOT模式等。初次使用可能会稍微花费时间寻找跳帽位置和对应的功能。
板卡的连接处示意图
开发环境的部署
在“软件代码和工具”一栏资料中，能够找到官方为MDK和IAR使用者提供的芯片支持包。本文使用MDK进行开发，因此下载MDK的Pack并安装后即可。
SDK例程编译
官方提供的开发SDK里，针对不同外设的不同使用方法做了详细的分类和说明，这样即使是第一次使用这款芯片也可以非常快速和全面上手体验。
使用MDK5打开“demonstration”中的例程，在弹窗中已经成功显示3PEAK的系列芯片列表，并且已经配置好了工程。点击编译即可生成HEX文件。
使用TPS32 Programmer烧录程序
首先下载安装官方提供的软件安装包，根据说明书提示进入BOOT模式后，连接UART通信，打开生成的HEX文件路径，点击“Start Program”即可烧录至板卡。
烧录前准备完成
烧录进行中
除了烧录以外，软件中还可对存储进行读写等全面的操作功能，对于底层开发十分便利。
Programmer的其他功能页面
使用DAPLink下载调试程序
对于广大电子爱好者和开发者来说，调试功能是必不可缺的，这款芯片支持市面上不少常见的调试器，包括J-Link、DAPLink等。官方也提供了J-Link设备的支持文件，以方便用户进行调试。
本文则使用“十二指神探”做为DAPLink调试器，物美价廉的同时可塑性也极强，只需要将树莓派官网的picoprobe工程自行更改引脚后编译，再把生成的UF2文件烧录进十二指神探即可。
十二指神探做为DAPLink
将供电方式通过跳帽改为调试器供电后，正确连接调试接口的线序，在MDK中可以看到已经识别的调试器和芯片型号。
MDK识别到调试器和芯片
点击“LOAD”按钮即可将程序下载至芯片，点击仿真按钮即可进入仿真页面。
程序正在下载至芯片
MDK的调试界面
连接上位机查看现象
将另一根USB数据线连接至板卡和电脑，出现COM口后连接至上位机，按下板卡上的“RESET”键，即可看到上位机中出现芯片发出的信息。
连接至上位机后出现的信息
根据程序功能的说明，按下板卡的“USER”键可更改板卡LED的闪烁频率并打印在上位机中。
上位机打印出LED的不同闪烁频率
体验总结
对于第一次接触这款芯片的使用者，在官方详细的资料支持下，体验流程非常顺畅。无论是官方提供的针对底层存储修改的软件还是包含了各个外设测试的例程，都可以在其基础上快速地运行、修改。官方提供的板卡可通过跳帽组合不同的功能，初次使用可能需要花费一点时间熟悉位置及功能分布。另外，除了提到的Programmer软件3PEAK官方还提供了TPSensor Designer软件用于辅助用户进行传感器类外设的开发，比如按钮、触摸等等，并且后续会持续更新软件的功能以适配更多外设。
对于需要更高精度的应用场景中，该系列芯片ADC的12位分辨率和数量可能有些不够用。
优势和局限
正如前文市场情况中所提到的，3PEAK的TPS32系列芯片作为国产芯片家族的一员，开发成本的优势是显而易见的。国产内核更是增大了各个方面的便利和自由性，安全性更是足以保障。其上搭载的丰富外设和大存储空间使其在应用领域中游刃有余，搭配自研的电容感应技术可让TPS325M5系列芯片在不同使用环境中也能更好发挥性能做到足够稳定。
设计资源
