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嵌入式系統的周邊元件選擇
2024-03-25
嵌入式系統除了最重要的為處理器選擇之外，配合的相關周邊元件也是嵌入式系統的重要組成部分，包括記憶體、時鐘（振盪器）、計時器、通訊介面、輸入／輸出、類比數位轉換等元件，都可視系統的實際需求來進行選擇。本文將為您介紹上述周邊元件的類型與選擇的考量要素。
記憶體的種類眾多且特性不同
記憶體
在嵌入式系統中，記憶體是一個關鍵的元件，它用於儲存程式碼、資料，以及系統運行所需的其他訊息。除了微控制器在IC封裝中內建的記憶體和儲存空間之外，也可以增加外部記憶體，且記憶體的類型相當多樣，每種類型的記憶體都有其獨特的用途。
首先，嵌入式系統中常見的快閃記憶體是一種非揮發性記憶體，這意味著如果系統重置或斷電也不會被擦除，通常用於儲存程式碼、韌體和其他常駐應用數據。它具有快速讀取速度，且相對較低的功率消耗。快閃記憶體有不同類型，包括NOR和NAND，具有不同的讀寫特性和應用場景。
另一種常見的記憶體則是隨機存取記憶體（RAM），RAM是一種揮發性記憶體，用於臨時儲存程式運行所需的數據。它具有快速的讀寫速度，但系統重置或斷電後會失去儲存的數據。在嵌入式系統中，常見的RAM類型包括SRAM（靜態隨機存取記憶體）和DRAM（動態隨機存取記憶體）。
EEPROM（可擦除可規劃式唯讀記憶體）則是一種可擦除並且不易失去數據的記憶體，這意味著如果系統重置或斷電也不會被擦除，通常用於儲存配置訊息、校正數據和其他需要保留的非揮發性數據。
另外，有些系統還可外接記憶體卡和嵌入式多媒體卡，包括SD卡、MicroSD卡等外部記憶體裝置，它們通常用於擴展嵌入式系統的儲存容量。
由於不同類型的記憶體有不同的價格，因此成本是一個重要的考慮因素。此外記憶體的讀取和寫入速度影響系統的性能，特別是對於需要高效率的應用，便必須選擇速度較快的記憶體。
系統所需的記憶體容量也應符合應用的需求，進而確保足夠的空間來存放程式碼、數據和其他必要的訊息。此外，不同類型的記憶體有不同的功率消耗特性，特別是對於行動和電池供電的嵌入式系統，通常需要採用功率消耗較低的記憶體。
嵌入式系統通常要求耐久性，有些應用需要記憶體具有較長的生命週期，並能夠承受多次寫入和擦除。另一方面，部分嵌入式系統可能需要在單一晶片上整合多種類型的記憶體，這將有助於節省空間和簡化設計，一些應用也可能需要支援外部記憶體裝置，例如記憶卡，以滿足擴展性需求。
時鐘來源可確保同步系統中的各種操作
時鐘來源可確保同步系統中的各種操作
在嵌入式系統中使用的微控制器可能包含內部電阻、電容、電路振盪器（RC振盪器），或依賴某種類型的外部頻率來源來保持時間和週期一致。在嵌入式系統中，時鐘來源是一個關鍵的元件，用於同步系統中的各種操作，包括處理器的運算、外部裝置的通訊等，以下為您介紹各種不同特性的時鐘來源。
RC振盪器（RC oscillator）是一種只用電阻和電容構成的振盪器，其與溫度相關，時脈訊號可能有1-5%的變化，它們確實可以滿足一些較慢頻率定時需求（例如低頻類比數位轉換）。
晶體振盪器（Crystal Oscillator）常見於外部振盪器電路，具有精確度高、穩定性好的特性，晶體振盪器通常以百萬分之一（PPM）為單位測量其變化，而不是百分比（如RC振盪器），通常用於需要高精確度時序的應用，常搭配微控制器、微處理器和其他需要穩定時序的元件。
陶瓷振盪器（Ceramic Resonator）的成本較低，但精確度和穩定性可能較晶體振盪器差，陶瓷振盪器的公差在十分之一範圍內，因此適用於對時序要求不苛刻的應用，以及對成本較為敏感的場合。
MEMS振盪器（Micro-Electro-Mechanical Systems Oscillator）則具備體積小、耐震動、低功率消耗的特性，但精確度一般較晶體振盪器差，適用於尺寸有限、低功率消耗、耐震動的應用，如行動裝置和嵌入式感測器。
振盪器模組（Oscillator Module）則整合了振盪器和相關的電路元件，提供方便的外部時鐘來源，可簡化系統設計，常見於一些整合度高的嵌入式系統。
另一種GP模組則是通過接收全球定位系統（GPS）訊號，來提供高精確度的時鐘同步，常用於需要高度精確同步的應用，例如通訊系統、科學儀器等。
即時時鐘RTC（Real-Time Clock）則是具有低功率消耗的特性，能在掉電狀態下保持時間計數，主要用於需要在斷電時保持時間計數的應用。
在選擇嵌入式系統中的時鐘來源時，應先考慮時鐘來源的精確度和穩定性，此外，成本、功率消耗、整合度與應用的外部環境條件（如溫度、震動），都會影響時鐘來源的選擇。
在嵌入式系統中，計時器則是一種常見的硬體模組，用於產生準確的時間基準，以執行定時和計數操作。常見的計時器如定時器（Timer），其用於執行定時操作，例如產生精確的時間延遲、計算時間間隔等，常見於需要時間控制的應用，如通訊協議、感測器讀取等。
計數器（Counter）則用於計數外部事件的發生次數，例如脈衝計數、頻率計數等，常用於需要計算事件發生頻率或計數的場景中使用，如計步器、計量儀表。
在選擇嵌入式系統中的計時器時，應先考慮計時器的精確度，不同的計時器具有不同的精確度，選擇時應根據應用需求確定精確度水平。另外，計時器的計時範圍（定時器和計數器）也應該滿足應用的時間要求。
實現不同硬體之間數據交換的通訊介面
在嵌入式系統中，通訊介面是實現不同硬體模塊之間數據交換的重要零組件，通常可以分成平行通訊和序列通訊兩種類型。平行通訊同時發送多位元的數據，因此需要數據匯流排硬體，通常由多條線路組成，在允許更快的數據傳輸的同時，平行通訊還使用所連接裝置的更多I/O埠，並且需要複雜的佈線配置。序列通訊則透過一條電線在配對裝置上一次只發送一位元數據，裝置通訊僅使用一個I/O埠，可降低裝置整體複雜度和成本。
序列通訊可以進一步分為兩個子組，這取決於它們是否使用時脈訊號來控制和同步連結裝置之間的資料通訊（稱為同步和非同步）。非同步序列意味著資料可以在不需要時脈訊號的情況下傳輸。同步序列則需要所有裝置之間共用時脈訊號來控制資料通訊。雖然同步序列確實需要跨所有裝置的另一個定時訊號，但它確實使通訊速度更快。
在傳輸模式上，又可分成單工、半雙工和全雙工，單工是從來源到目的地的單向數據流，半雙工則允許從配對裝置雙向傳輸數據，但在給定時間內只能傳輸一個方向，全雙工則可允許兩個裝置可以同時在兩個方向上傳輸和接收資料。
積體匯流排電路（I²C）協定
常見的通訊協議包括積體匯流排電路（I²C）協定，這是一種兩線序列連接，旨在允許多個端點與一個或多個控制器進行通訊。I²C是一種半雙工協議，允許控制器單元和許多端點發送和接收資料。該協議的速度範圍為0.1至5 Mbit/s（取決於匯流排配置），常見於連接低速周邊，例如溫度感測器、EEPROM等。
序列周邊介面（SPI）協定
序列周邊介面（SPI）則是一種全雙工、同步序列連接，需要3線或4線連接。SPI連線需要在匯流排上所有參與者共享的同步時脈訊號，這樣可以實現更高的資料速率。當兩個點彼此靠近時，可以達到高達60 Mbps的速度。SPI的缺點是需要更多I/O接腳和連接，常用於連接具有SPI介面的元件，如記憶體、感測器、顯示器等。
通用非同步接收器／發送器（UART）協定
通用非同步接收器／發送器（UART）則是雙向非同步序列連接，可設定為單工、半雙工或全雙工。數據速度較慢且僅充當一對一通訊，有些裝置可能有多個UART電路，允許多個裝置進行通訊，常見於連接嵌入式系統和外部裝置，例如感測器、GPS模組等。
其他常見的通訊協議還包括CAN（Controller Area Network）、Ethernet（乙太網路）、USB（Universal Serial Bus）、無線通訊介面等，在設計時選擇通訊介面時，可依據應用所需的數據速率、傳輸距離、功率消耗、成本、整合度、即時性等，根據具體應用需求來選擇適合的通訊介面，例如嵌入式控制系統、感測器網路、通訊裝置等。
嵌入式系統中的輸入／輸出（I/O）介面是用來連接和控制外部裝置、感測器、顯示器等的關鍵元件。常見的I/O介面如GPIO（通用輸入／輸出）具有通用性，可設置為輸入或輸出模式，用於連接各種外部裝置，是通用用途的I/O連接介面，如按鈕、LED、開關等。
此外，還需要使用ADC（類比數位轉換器）來將類比訊號轉換為數位訊號，用於感測器數據的讀取，如溫度、光照等。反之，還有DAC（數位類比轉換器），用於將數位訊號轉換為類比訊號，用於產生類比輸出，如音訊輸出。
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結語
嵌入式系統所需的周邊元件相當廣泛，選擇也相當多樣化，可依照具體應用需求來挑選合適的元件。DigiKey提供了多種廣泛的產品線可供客戶選擇，並提供完整的技術支援，設計師可以到DigiKey的應用與技術網頁參考更詳細的資訊，若有更多需求，也可與DigiKey聯繫以獲得更多詳細的訊息。
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