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エンジニアは、手持ちのアプリケーションを統合するために必要な周辺機器の観点からマイクロコントローラ（MCU）を考慮することが多いが、多くの場合、MCUの外部に機能を追加する必要があります。たとえば、MCUから離れて物理的に外部デバイスに近い位置にセンサーやアクチュエータを置く必要がある場合があります。あるいは、ローエンドMCUが周辺デバイスの一部と組み合わされていることがわかり、特定のアプリケーションにコストとシステム占有スペースの組み合わせを提供することができます。いずれにしても、ICやSPI（シリアル周辺機器インタフェース）などのインタフェースのMCU周辺機器の数は増加しています。本文はいくつかの典型的な周辺機器を研究し、そしてどのようにそれらを流行しているMCUと一緒に使用するかを研究します。

MCUはICとSPIを広く支持しています。場合によっては、MCUがICまたはSPIをサポートするために同じオンチップリソースを使用しているため、どちらかを選択する必要があります。また、シリアルバスプロトコルを処理するために必要なソフトウェアがありますが、MCUベンダーのほとんどが既存のソフトウェアサポートを持っています。

ICは、より少ない信号線とより少ないMCUピンを使用する利点があります。ほとんどの実装では、半二重通信をサポートする双方向データ線とクロック線があります。一般的に、MCUは、いくつかの実装がバス上の複数のプライマリデバイスの柔軟性を確実にサポートするにもかかわらず、複数のスレーブデバイスに接続できるプライマリデバイスとして機能します。マスタ装置は、送信開始時に特定のスレーブ装置を特定するためにアドレスビットを使用するので、専用のスレーブ装置選択信号を必要としません。

SPIバスには通常、少なくとも3～4本の線が必要です。SPIは、個々の日付線を使用して全二重通信を行います。また、専用のスレーブ選択信号線を使用しているため、システムにSPI周辺機器が多数含まれている場合は、選択信号としてMCU上のI/Oポートを簡単に使い切ることができます。

SPIは、より高いデータ転送速度と全二重通信に基づいて、通常はより高いパフォーマンスを発揮します。SPIクロック周波数は20～40 MHzの範囲にあることがわかります。ほとんどのIC実装はいずれも10〜100−kbit／sの範囲内であるが、いくつかの実装で使用されるMCUはより速く実行されます。

動機と特徴

シリアルインタフェースを介してMCUに接続された周辺デバイスを使用したい可能性がある理由と使用可能な機能のタイプについて説明します。データ変換器には、使用可能な周辺デバイスタイプの主な例があります。外部コンバータを使用する理由の1つとして、選択したMCUに統合されたコンバータよりも高い精度を提供する必要がある可能性があります。

凌力特のいくつかのコンバータを考えてみましょう。同社はIC A/D変換器、IC D/A変換器、SPI A/D変換器、SPI D/A変換器。さらに、これらはすべて、典型的なMCUに統合されたコンバータよりも高い精度を有します。例えば、16ビットMCUにおける同社の製品である比較的新しいルネサスエレクトロニクスRL 78 MCUシリーズを考えます。これまで、使用可能なシリーズメンバーのほとんどは8ビットA/D変換器を提供してきましたが、10ビット変換器を提供するものもあります。対照的に、分立式凌力特A／D変換器の精度範囲は8〜24ビットであり、D／A変換器の精度範囲は8〜18ビットです。8ビットまたは16ビットシステムでも、より精度の高い単一のセンサーを簡単に所有できます。

LTC 245116ビットA／D変換器という特定の製品例を考えます。I Cベースのデバイスを図1に示します。コンバータはコンバータコアとしてデルタシグマ変調器に依存し、毎秒30または60回の変換を実行することができる。16ビット変換器は4つの有効ビットのフルレンジ誤差を提供し、1つのサンプル変換時間内に多重化動作を確立します。また、このデバイスは非常に小さく、サイズは2 x 3 mmで、8ピンSOT-23パッケージを採用しています。 

図1：Linear Technologyの8ピンLTC 2451 A／D変換器は16ビット精度を提供し、ICシリアル相互接続を介してMCUに接続する。

スモールシステムの占有スペース

外部周辺機器は、システムの占有空間を実現する方法を提供することもできます。これは直感に反しているようです。なぜなら、私たちは通常、統合周辺機器を小型化の道と見なしているからです。しかし、データ変換器については引き続き議論し、MCUとMicrochipのA/D変換器のペアの例について議論してみましょう。

Microchipは長い列ICを提供しますか？ A/D変換器およびD/A変換器とその両方のSPIベースのバージョンです。具体例を例にとると、MCP 3021 10ビットA／D変換器はI？Cを使用し、逐次近似変換トポロジを使用します。このマイクロデバイスはSOT-23パッケージを採用しており、5つのピンしかありませんが、多くのローエンドMCUコンバータよりも高い精度を提供しています。

Microchipと他のベンダーの6ピンと8ピンの8ビットMCUを選択することもできます。例えば、Microchip PIC 10 MCUシリーズは、6ピンSOT−23でカプセル化されたMCUを多く含む。ミニMCUと同じミニデータ変換器の組み合わせは、アプリケーションの要件に合った変換器を統合したMCUよりも小さく、コストが低い可能性があります。

周辺機器の柔軟性

MCUベースの設計にシリアルインタフェースを介して追加できるその他のタイプの周辺機器はどれですか。リストが長い。簡単な例はI/Oポートエクスパンダです。多くのローエンドMCUはピン制限を受けています。また、大量のI/Oを持つMCUがあっても、センサーに近づくなど、いくつかのI/OピンをMCUから物理的に離れた位置に置く必要があることがわかります。

半導体PCA 9502 I/Oポート拡張器を使用し、SPIやICホストは一緒に動作します。このICは8本のI/Oラインを提供します。また、サイズは4.1 x 4.1 mmと非常にコンパクトで、SOT 616パッケージを採用しています。NXPはまた、SC 16 IS 740/50/60 UARTを提供し、設計に5-Mbit/sのシリアルインタフェースを追加することができます。SC 16 IS 750およびSC 16 IS 760のバリエーションは、8ビットI/Oエクスパンダも含みます。

それでも、より有用な周辺デバイスは、特定のアプリケーション機能を持つ周辺デバイスである可能性があります。例えば、Microchipは幅広いICデジタルポテンショメータを提供します。温度感知アプリケーションでは、この製品をサーミスタと組み合わせて使用することができます。図2は、Microchip MPC 4018ポテンショメータがサーミスタを較正し、サーミスタの非線形動作を考慮するために使用される例を示しています。 

図2：Microchipの直列デジタルポテンショメータは、較正図に示された回路における非線形サーミスタのような様々な用途に使用することができる。

より安定した温度中心のアプリケーションのために、Microchipは温度センサICを提供します。例えば、MCP 9808デジタル温度センサは、−20°C〜100°Cの範囲内で±0.5°Cの精度を提供します。また、このICは多種の2 x 3-mmパッケージを採用しています。

シリアル周辺デバイスの範囲は、ユーザーインタフェースまたはヒューマンインタフェース（HMI）アプリケーションまで延びています。例えば、MicrochipはAR 1000タッチスクリーンコントローラ（図3）とSPIとIC互換。シリアルインタフェースはMCUをコントローラにリンクします。AR 1000は、複数のベンダーから4ライン、5ライン、8ラインのタッチスクリーンセンサを接続することができます（図3）。ICはシリアルインタフェースを介してMCUに直接デジタル座標を提供します。 

図3：Microchip AR 1000 ICはHMIアプリケーション用のタッチスクリーンセンサにリンクされている。

ご覧のように、シリアル相互接続はMCUベースの設計において、かなりの柔軟性を提供します。場合によっては、SPIとICは、MCUに統合できない機能を実装するための単なる有用な方法かもしれません。ただし、シリアル・バスに関する考慮事項をこのようなインスタンスに限定しないでください。外部周辺機器がシステムの占有スペース、消費電力、コストにどのように影響するかを考慮します。また、オンチップ周辺機器と実際のインタフェース間の長信号動作によって忠実度が犠牲にならないようにし、ローカル周辺機器は忠実度の面で価値を高めることができます。分散周辺機器には、占有スペースが小さく、より正確なシステム仕様などの利点があることがわかります。