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摘要 瑞薩電子RL78微控制器單元（MCU）非常適合實現眾多不同的消費和工業應用，這些應用需要很高的CPU性能和較低的功耗。結合高度集成的架構、強大的開發支持、卓越的設計工具和內置的安全功能，RL78 MCU讓設計工程師能夠充滿信心地快速構建緊湊型高能效系統，并且降低成本。一些RL78應用可以作為快速解決方案使用，它們是充分開發的參考套件，可以加快關鍵嵌入式應用的產品開發。RL78快速解決方案旨在滿足一系列熱門應用類型的需求，能夠顯著加快原型設計速度，還提供了可下載的文檔庫，例如用戶手冊、示例軟件源代碼、電路圖、印刷電路板（PCB）布局、Gerber文件和物料清單。 瑞薩電子RL78 MCU簡介 瑞薩電子16位RL78族嵌入式微控制器將先進的低功耗技術和出色的性能集于一身，這是因為它采用了先進的電源管理系統，可促進高效利用電源，延長便攜式應用的電池使用壽命。RL78族MCU非常適合多個目標市場的各種不同的應用開發，例如家用電器、小型電器、工業和樓宇自動化、家用醫療診斷設備、個人醫療保健設備和消費型電子產品。與同類微控制器相比，RL78 MCU具有更高的能效和更長的電池使用壽命，因而為物聯網（IoT）傳感器系統提供了理想的平臺，能夠在更靠近網絡邊緣的位置進行數據和信號處理，從而減少延遲，實現實時報告。 RL78 MCU關鍵特性概述： • 真正的低功耗工作，在待機-Stop模式下的功耗低至0.23μA，提供三種低功耗工作模式，以便達到最高效的能耗水平，最大程度地延長電池使用壽命。 • 高處理性能，RL78/G14可在32MHz的頻率下提供高達51.2 DMIPS的性能。 • 廣泛的可擴展性，提供超過1000種器件，10至128個引腳封裝，以及1 KB至512 KB的閃存。 • 內置的片上外設功能，可降低總系統成本，消除空間限制。 • 出色的質量、可靠性和安全性，符合UL/IEC 60730標準。 瑞薩電子提供全面的生態系統，包括開發工具、解決方案套件、在線資源和合作伙伴網絡，幫助客戶最大程度地降低設計和開發成本，加快產品上市時間。 可降低能耗的真正的低功耗元器件 RL78族產品主要通過兩種方式提供真正的低功耗：降低MCU自身的能耗；幫助實現終端系統的更高效能源管理。 瑞薩電子RL78 MCU在待機-Stop模式下（在Stop模式下，沒有時鐘工作，RAM內容保留）僅有0.23μA的超低功耗，而在CPU運行模式下，在運行NOP指令和產生144μA/MHz工作電流時，仍能達到66μA/MHz的低功耗。因此，它在32MHz的工作頻率下可以提供高達51.2 DMIP的性能，同時保持高能效。RL78族產品的性能遠高于市面上的其他8位和16位微控制器。 RL78 MCU擁有能源管理系統，可進一步促進高效利用電源，這一點對于延長便攜式應用的電池使用壽命至關重要。由于RL78 MCU本身的功耗不高，使用+3V電源且啟用所有外設時，在32MHz的工作頻率下，其功耗一般低于20毫瓦，因此它很容易達到電器行業的待機功率要求，即從交流線路獲取的功率小于100毫瓦。當處于任一種低功耗工作模式（Snooze、Halt和Stop）下時，RL78 MCU的功耗可以進一步降低，通過禁用CPU和未使用的外設，能夠最大限度地延長電池使用壽命。 最大程度延長電池使用壽命的關鍵要素之一是確保CPU盡可能處于空閑狀態，并且在活動狀態下時具有靈活性，盡可能提高工作效率。在CPU Run模式下，當不需要最高性能時，RL78的內部振蕩器甚至能夠向下擴展到更低的頻率，以節省MCU電流消耗。Halt模式會暫停CPU處理，但允許所有外設運行。這種模式會保持進入Halt模式前正在運行的系統時鐘狀態，讓CPU能夠快速重新恢復工作，無需等待系統時鐘啟動。與CPU運行時相比，Halt模式能夠節省多達80%的MCU總電流。在Stop模式下，看門狗定時器和電壓檢測器（例如上電復位（POR）電路）均在保留所有RAM數據的情況下工作，而系統僅消耗0.53μA電流（典型值）。此外，15kHz低速時鐘和32kHz次級時鐘仍能運行，支持日期/時間實時計數器、LCD控制器驅動器升壓電路以及定時事件的8位或12位間隔定時器運行。所有這些低功耗外設都可在Stop模式下使用，總消耗電流不超過1微安。 RL78增加了一種特殊的低功耗模式，稱為Snooze模式，前幾代低功耗MCU中都沒有這種模式。Snooze模式允許串行通信和ADC轉換器通過高速內部振蕩器時鐘從Stop模式啟動，而無需給CPU時鐘定時。因此，Snooze模式與Halt模式類似，在數據采集之前都無需CPU介入，從而節省了電流消耗。這種模式非常適合電池供電系統，因為它可以顯著地提高電池使用壽命。 
圖 1. RL78提供三種低功耗工作模式，以最大限度延長電池使用壽命 出色的性能支持在網絡邊緣進行更多數據處理 RL78 MCU提供無與倫比的功耗性能比。RL78使用經過優化的16位CPU，采用哈佛架構，為RAM、控制寄存器和外設提供完全的16位數據總線。此外，還提供三級管道，可在單個處理器內實現指令級并行處理。86%的指令均可在一個或兩個時鐘周期內執行，最大時鐘速度可達到32MHz。這種高性能在Dhrystone基準測試中的測試結果為1.6 DMIPS/MHz，也就是說，在32MHz頻率下的處理性能大約為51.2 DMIP。RL78族產品還提供同類產品中最大的工作電壓范圍：1.6V至5.5V。 另外，RL78 MCU為乘法、乘積累加、除法函數提供硬件支持。乘法和乘積累加運算分別在一個或兩個周期內執行。借助多達四個獨立的DMA通道，它可在兩個時鐘周期內在RAM內存和外設之間進行數據傳輸。但是，部分RL78 MCU產品群具有DTC（數據傳輸控制）功能，可為外設數據傳輸功能提供更高的靈活性和更多的通道。 大量可選器件提供可擴展性 瑞薩電子RL78族產品提供的MCU產品線是行業內最廣泛的MCU產品線之一，共有超過1000種器件，具有10至128個引腳之間的17種不同的引腳數，提供1KB至512KB的閃存。G系列型號采用了通用型MCU，L系列的MCU則提供LCD控制器驅動器功能。F系列可滿足汽車應用需求。I系列則可滿足工業應用需求，例如照明、計量或檢測。設計人員可在同一系列產品中，從最小代碼閃存容量輕松擴展至最大代碼閃存容量，能夠通過遷移至更大引腳數器件，輕松地添加更多的I/O和功能，而無需重新編寫以前編寫和調試的代碼驅動程序。軟件代碼可以在整個RL78族產品中重復使用。例如，在小引腳數RL78 MCU上運行的任何內部集成電路總線（I2C）、通用異步接收器/收發器（UART）或模數轉換器（ADC）驅動軟件無需經過代碼更改，即可在大引腳數的器件上使用，甚至可在不同RL78系列類型之間通用。此外，I/O端口引腳和外設功能引腳可從最小引腳數擴展至最大引腳數，同時隨著引腳數增加，保持邏輯端口引腳編號，保持相同順序位置的外設引腳物理PCB布局。 另一方面，借助RL78的外設I/O重定向寄存器（PIOR）功能，設計人員能夠將物理引腳連接重新映射到選定外設，從而優化外設引腳功能。由于布局或外設引腳共享限制，現有的外設I/O分配可能出現沖突。在這種情況下，PIOR可以通過減少引腳上的功能瓶頸，來優化外設引腳功能。 利用更強大的MCU來降低系統成本 RL78 MCU實現了高度集成，而且內置了高級外設，通過采用以下片上元器件消除了外部元器件，從而降低系統成本： • 高速系統振蕩器，頻率精確度為±1%，帶有校準寄存器。 • 看門狗定時器。 • 低電壓檢測復位電路。 • 數據閃存，用于存儲用戶偏好、機器參數和日志數據，因此無需外部EEPROM。RL78數據閃存支持一百萬個擦除/寫入周期，與典型EEPROM的使用壽命相匹配。 • 溫度傳感器，量程為-40℃至+85℃。 • 多電源接口。
圖 2. RL78 MCU在芯片內部集成了更多的外設功能，降低了總成本，并且減少了元器件占用空間 內置質量和安全性 RL78 MCU具有多種安全功能，能夠確保器件正常工作，增強系統可靠性。 RL78 MCU為存儲在閃存中的軟件代碼和數據提供“始終開啟”保護。RL78閃存采用經過驗證的130納米閃存單元結構，可實現最低功耗糾錯編碼（ECC），在每個32位閃存上進行38位編碼。如果閃存的修改狀況超出了ECC糾錯的能力，RL78 CRC（循環冗余校驗碼）功能模塊可識別嚴重錯誤，讓軟件能夠即時做出反應，安全地關閉MCU。 此外，RL78閃存支持片上調試（OCD）功能，該功能可提供密碼保護，防止黑客對客戶應用程序代碼進行反向工程。但是，提供正確密碼的授權用戶可以查看代碼閃存以獲取修訂版本號，或者確認自編程代碼更改。 對于外部RL78閃存編程，可以針對不同的保護策略，設置三個獨立的閃存安全位： • 擦除保護防止閃存編程器重新映像代碼和重用硬件。 • 寫入保護防止采用后門方法重新映像單個1k代碼塊。 • 引導集群保護防止外部芯片擦除操作進行擦除，但也會按照用戶代碼自編程順序來控制引導加載程序操作的各個方面。 RL78 MCU采用了經過UL/IEC 60730認證的硬件模塊，因此它們能夠自我識別故障和安全關閉。此外，RL78自測庫軟件模塊也經過了UL和IEC的認證。客戶可在他們的應用系統中快速實現這些UL和IEC要求。 RL78 MCU能夠在極端溫度下安全工作，工作溫度范圍為-40℃到+105℃。 生態系統提供豐富資源，幫助加快產品上市時間 瑞薩電子提供了完整的開發支持生態系統，旨在幫助設計人員更快速地交付系統，并且減少錯誤。這個生態系統包括： • 硬件工具，例如瑞薩電子推廣板；瑞薩電子入門套件；適用于RL78族產品的高性能全規格模擬器IECUBE；E1/E2和EZ-cube等片上調試器。 • 軟件工具，例如IAR Embedded Workbench，它完全支持C和C++語言，帶有MISRA C語言規則檢查工具；基于Eclipse的e2 studio IDE，為瑞薩電子MCU提供了集成開發環境；Applilet代碼生成器；以及各種實時操作系統。 • 豐富的在線資源，例如Renesas Rulz，一個在線社區，開發人員可在其中尋求同行的支持；My Renesas，一種免費的在線訂閱服務，用于文檔下載和提醒；Renesas Interactive，提供自訂進度的在線培訓課件。
圖 3. 全套工具可為快速高效的開發提供支持 RL78快速解決方案簡介 快速解決方案是易于構建的參考套件，可協助設計人員在很多最熱門的嵌入式系統市場上進行基于RL78的產品開發。我們目前提供了20種快速解決方案，幫助客戶應對多個目標應用領域的開發挑戰和把握機遇，例如家用電器、便攜式醫療和個人醫療保健解決方案、樓宇和工業自動化及消費類電子產品。 RL78快速解決方案可以解決開發人員在試圖快速進行新型物聯網和嵌入式應用的原型設計時面臨的最具挑戰的設計問題。這些挑戰包括配置物聯網傳感器節點的無線功能，或者優化低功耗功能以延長遠程設備的電池使用壽命。 RL78快速解決方案可從瑞薩電子網站下載，包括用戶手冊、原理圖、物料清單、源代碼和項目文件，涵蓋設計人員輕松快捷地完成新產品原型設計所需的一切資源。 下面是RL78智能解決方案如何加快熱門目標市場中的設計過程的實例。 RL78快速解決方案用于設計使用便攜式電池的細顆粒物2.5監控設備 該快速解決方案設計參考提供了背景文檔和源代碼，用于設計低成本、低功耗的便攜式設備，可以實時測量和檢測細顆粒物2.5（PM2.5）的濃度。 PM2.5顆粒物的直徑小于2.5微米，大約為人體頭發直徑的3%。PM2.5顆粒物的自然來源包括海鹽、森林火災、花粉和霉菌。它們是自然產生的，因而很難控制，通常沒有受到監管。PM2.5顆粒物的人類來源，例如燃料燃燒、工業燃燒過程和汽車排放，它們可以進行監管。測量和監控PM2.5水平在很多環境中至關重要，包括工業自動化、建筑和農業。 該快速解決方案中的空氣質量監控器采用了48引腳的RL78/L12。由于這款MCU包括片上區段LCD控制器/驅動器，因此空氣質量測量數據能夠在易讀的LCD顯示屏上顯示。4位LCD面板由12個線路驅動，包括8個段線路和4個共用線路。48引腳配置允許實現優化設計，僅留4個未使用的MCU引腳。 LCD顯示屏可以指示空氣質量，同時一個多彩LED可以顯示相對應的空氣質量等級。如果超過了預設的閾值，或者電池電壓降低到2.8V以下，則會激活蜂鳴器。 RL78/L12的其他重要特性包括I/O端口、用于煙霧/微粒讀數的A/D轉換器、蜂鳴器、LCD控制器、Stop模式，以及適用于小型家用電器的其他特性。閾值和PM2.5濃度數據可以保存在外部EEPROM中（如果數據量小于2KB，也可保存在MCU的內部數據閃存中）。此外，DC-DC轉換器IC控制電池放電，電池充電器IC控制充電，提供很低的待機功率，以最大程度延長電池充電續航時間。待機電流低至0.56μA。
圖 4. 基于快速解決方案而設計的使用RL78 L12的PM2.5監控器的硬件原型 結論 瑞薩電子RL78族產品包括大量通用型MCU以供用戶選擇，可用作各種不同應用特定設計的平臺。RL78 MCU真正實現了低功耗，在活動模式下的電流消耗為66μA/MHz至144μA/MHz，待機電流為0.5μA至0.6μA，使用低速時鐘和低功耗定時器工作。它們可提供最高1.6 DMIPS/MHz的高性能，在32MHz的CPU工作頻率下性能最高可達51.2 DMIP。RL78 MCU提供了廣泛的可擴展性，包括在代碼存儲器容量和引腳數方面，同時還提供了高度的片上集成，幫助降低系統成本。它們提供高級硬件安全功能，以及經過UL/IEC認證的自測試軟件庫，以便符合UL/IEC 60730標準。豐富的開發工具環境、第三方合作伙伴、在線資源可以幫助系統設計人員快速精確地滿足快速增長的嵌入式系統市場的需求。 另一種非常重要的資源是瑞薩電子RL78快速解決方案設計，它們可以顯著加快原型開發，并且提供可下載的設計文檔庫。快速解決方案面向一些最熱門的嵌入式設備和物聯網市場，幫助設計人員更加快速簡單地構建緊湊的高能效系統。 |
