第二章 WSN 與 RFID 硬體設計與規劃

第二章WSN與RFID硬體設計與規劃

章節大綱 • 2.1 MCU選用標準 • 2.2RF選用標準 • 2.3Smart Sensor Interface

2.1 MCU選用標準 • 2.1.1 MSP430 家族 • 2.1.2 PIC 家族 • 2.1.3 AVR 家族 • 2.1.4 結論

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 簡介 • 德州儀器(Taxes Instruments, TI)於1996年推出MSP430族系的混合信號單晶片微控器(mixed-signal, MCU)，為了因應各種不同的需求，所以MSP430系列也發展出數種不同的族系並以不同的型號來區分。MSP430系列微控器的軟硬體結構，除了硬體的結構之外，也學習其定址模式(addressing mode)與指令集(instruction set)。硬體架構的學習首重記憶體、暫存器的組識，這是微控器程式設計者必須先了解的重要關鍵。另外，學習定址模式的目的是要了解指令存取運算元的方法，以便程式設計時能夠靈活運用各種運算元存取的技巧；學習微控器的指令集可以充分了解指令運用的限制，於程式時可以提高程式設計技巧。

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 微控器架構圖

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 簡介 • MSP430晶片內包含一個16-bit精簡指令集電腦(Reduced Instruction Set Computer , RISC) CPU，周邊模組及一個具有彈性的時脈模組。MSP430使用馮紐曼架構的位址記憶體匯流排(memory address bus, MAB)及資料記憶體匯流排(memorydata bus, DAB)來連接周邊模組與核心處理器。

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 特徵 • 主要特徵分類說明如下： • 1.極省電架構可延長電池壽命 • 0.1-uA隨機記憶體保存關機模式(power down mode) • 0.8-uA待機模式(stand by mode) • 250-uA/MIPS工作模式(run time mode) • 2.類比量測精確度的完善表現 • 12位元數位類比轉換器(DAC) • 12位元或10位元的類比數位轉換器(ADC)的取樣速率可達每秒20萬次(200kps)

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 特徵 • 3.具有現代16位元RISC核心處理器 • 擁有較大的暫存器空間 • 核心簡潔的設計來減少功率消耗及降低成本 • 具有現代化高效能程式設計編譯的能力 • 強大的中斷向量能力 • 效能可達每秒16MPIS(million instructions per second)

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 特徵 • 4.嵌入式模擬 • 系統內建可程式快閃記憶體(flash memory)，能夠彈性的對程式碼做修改更新，和檔案升級及記錄資料。使用本身的內建模擬電路，可以透過JTAG介面來連接而不需要用到額外的系統資源。使用內建模擬電路的好處包括： • 可支援全進執行、中斷點及單步執行 • 可支援全進執行、中斷點及單步執行 • 混合訊號的完整性被保存，不被其他干擾

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 特徵 • 5.具有彈性的時脈模組 • 為了能符合一些以電池為電源的應用，MSP430的時脈模組被特別設計。低頻輔助時脈(low-frequency auxiliary clock, ACLK)由32kHz石英振盪產生，提供自我喚醒功能為背景的即時時鐘(real-time clock, RTC)使用。高速的數位控制振盪器(digital control oscillator, DCO)產生主時脈(master clock, MCLK), 供給CPU及高速的周邊模組使用。 • 低頻輔助時脈(low-frequency auxiliary clock)通常用於極低功率的待機模式 • 高速主時脈(high-speed master clock)通常用於需要高效能的訊號處理上

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 特徵 • 5.具有彈性的時脈模組 • 時脈模組架構圖

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 特徵 • 6.定址空間 • MSP430 採用馮紐曼架構，其定址空間分配給特殊功能暫存器(special function register, SFR)、硬體周邊(memory mapping I/O)、隨機存取記憶體(RAM)及Flash/ROM。 • MSP430 記憶體儲存資料的格式分bit、byte 及word 三種.記憶體是以位元組為單位(byte addressable)，所以word 格式的資料必須符合little endian方式儲存在記憶體位置 • Flash/ROM • RAM • 周邊模組(Peripheral Modules) • 特殊功能暫存器(Special Function Register, SFRs)

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 特徵 • 6.定址空間 • 記憶體配置圖

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 F1XX 族系 • MSP430F1XX族系的微控器提供不同的解決方案給應用系統的發展者做極有彈性的選擇，這個族系最小的版本是僅有一個比較器功能低功率控制器；當然也有包含完整系統於一個晶片的選擇，這樣的晶片包含高效能資料轉換(high-performance data converters)、周邊介面及乘法器，符合一個較大系統發展的需要。

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 F2XX 族系 • MSP430F2XX系列為2004年德州儀器所發表新一代的族系，擁有16MHz的時脈頻率使其處理效能提升兩倍以上，而待機的功率消耗減半且改善低功耗的可靠度。此外，此族系增強了晶片內部份功能，如晶片內振盪器、軟體可選擇的內部昇/下拉電阻(pull up/down resistors)、增加類比輸入的數量等，對於減少晶片外加元件數量的需求及降低應用系統整體的直接成本助益頗大。晶片為64bytes，每個byte17微秒的快速燒錄時間及低達2.2伏特的燒錄電壓，所以大號MSP430F2131每顆僅1.7美金、MSP430F2101則只要0.89美金。極適合應用在大量且低價的消費性裝置。

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 F4XX 族系 • MSP430F4XX都有一個LCD控制器，這個族系的某些晶片會提供一些以應用為主(application-based)的周邊模組，如flow-meter、E meter、OP AMP及DAC12等。使得一些量測方面的應用可以單一晶片的方式完成，這樣可以降低晶片的數量、系統的成本及功率的消耗。此族系的價格稍高，大約介於美金1.9元至7.95元，但是因為內含特殊應用的周邊模組及LCD模組驅動介面，所以其價格仍然具有極大的競爭力。

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 F4XX 族系主要特徵 • 工作電壓由1.8V~3.6V。 • 超低功率消耗：一般模式下工作電流僅有280μA (1MHz, 2.2V) • 省電模式下工作電流僅有1.1μA。 • 5 種省電模式，從待機恢復所需的時間小於6μs。 • 16 位元RISC 架構，指令週期僅需125ns。 • 60KB 程式記憶體，2048B 資料記憶體。 • 8 個通道(channel)的12-bit ADC，其轉換速率最高可達每秒20 萬次取樣 • 基本計時器可做8-bit 計時/計數。 • 計時器A 可做16-bit 計時/計數器，包含3 組抓取/比較暫存器。 • 計時器B 可做8~16-bit 計時/計數器，包含7 組抓取/比較暫存器 • 內建獨立的硬體乘法器(hardware multiplier)，提供高速的乘加(multiply accumulate calculation, MAC)運算以支援數位信號處理的需求。 • 支援多達160 段(segment)的LCD 驅動介面。

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 F4XX 族系編號與區別原則

2.1.1 MSP430 家族 • MSP430 命名規則

2.1.2 PIC 家族 • PIC簡介 • 在複雜指令集CISC (complex instruction set code)掛帥的單晶片市場中，美國MICROCHIP公司獨出一幟推出了PIC-16C5X列單晶片，它是類精簡指令集RISC-like (Reduce Instruction Set Code-like)的架構，資料匯流排8位元，也就是8位元的CPU，指令只有33個，但可不要小看這幾個指令，但可不要小看這幾個指令，PIC的指令效率是一般單晶片指令的好幾倍，拿8051來說，8051接上12MHz的振盪器執行最短的指令需要1us，而PIC只需要1/3振盪頻率—4MHz就可跑到1us，而PIC除了分支的指令佔兩個指令週期外，所有的指令都只須一個指令週期。

2.1.2 PIC 家族 • PIC簡介 • 在程式效益上，PIC因為是精簡指令集架構，所有的指令都只佔一個WORD，並且PIC所有暫存器都可直接定址做邏輯或數學運算，這可在程式的撰寫方面非常方便，程式設計師就不須要用暫存器指位器在暫存指來指去，跳來跳去了。 • 在保護方面，PIC提供了程式保護熔絲，防止產品被人隨意抄襲和拷貝，這在今日注重智慧財產權的社會，提供了一項非常有用的保護功能。另外PIC有一組佔4個位元組的辨識碼，可燒錄產品的編號、CHECK-SUM或是提供使用者管理IC之用

2.1.2 PIC 家族 • PIC簡介 • 在PIC系統架構穩定性方面，IC內部有一個看門狗計時器，WDT (Watch Dog Timer)。所謂看門狗計時器我們可以把它想像是一條忠心的看門狗，當有異狀或陌生人闖入時就會大聲吠叫，警告主人。所以當程式執行發生問題無法正確執行慧，WDT偵測到異狀便會將IC重置(Reset)，讓程式重新回到正確流程。 • PIC系列單晶片都包含有四種型號的IC可選擇，分別為RC、XT、HS、LP。 • RC只需外加電阻電容振盪線路 • XT、HS、LP都可使用晶體或陶瓷振盪器，但LP的速度只能到40KHz，而HS可執行到20MHz。 • 業界使用率高的是RC和XT

2.1.2 PIC 家族 • PIC支援晶片與設備 • PIC-16C5X系列除了有常用的PIC-16C54、PIC-16C55、PIC-16C56、PIC16C57等不同大小的晶片及記憶體外，還提供了多種選擇的型態，包括可用紫外燈清除式的EPROM，用來作為發展時的實驗晶片，萬一程式寫錯了或是發現程式邏輯有問題時，可用紫外燈將程式清除等到BUG抓出來時重新燒錄一次就可以了。但因為屬於發展時的實驗晶片，可重複使用，相對價格非常高。當我們很辛苦的測試再測試，把那些BUG除完之後，沒有問題了，希望能夠做個幾百或幾千台產品到市場探一探反應如何，PIC也提供OTP (One Time Programmable)型態的晶片，就是只能燒一次程式的晶片，所以價格也低了許多，當產品丟到市場上發覺反應不錯，就能夠大量生產。最終結果就是把程式丟到光罩廠，直接完成一顆IC，這IC型態稱做QTP (quick-turnaround-production)型態，MASK TYPE。

2.1.2 PIC 家族 • PIC支援晶片與設備 • PIC有許多優點，但在一些架構方面似乎稍遜一截。PIC沒有插斷，堆疊只有兩階，所以不能呼叫太多層副程式，RTCC時的計時溢位也沒有產生任何訊息，程式必需要偵測溢位，暫存器需要用切BANK的方式，使用上稍嫌麻煩，程式記憶體也需要換頁的方式才能定址到需要的位址，CALL指令也貫能呼叫每一頁的前256字組，如果記憶體採用連續架構，相信會方便不少。 • PIC無論在速度，程式設計，晶片支援上以及價格上都可圈可點，雖然有一些小缺點，但整體看來，還是優點多於缺點，而且站在價格的考量來看，依此價格所穫得的功能，是非常值得的。

2.1.2 PIC 家族 • PIC-16C 54、55、56、57 功能及特性 • 僅有33個指令，12-20個I/O可獨立設定 • 除了分支指令佔兩個指令週期，所有指令只需一個週期完成 • 工作速度：DC-20MHz振盪頻率輸入、DC-200ns指令週期 • 12位元寬度的指令、8位元的資料寬度 • 25至72個8位元的通用暫存器、7個特殊用途硬體暫存器 • 8位元可預除的時間/事件計數器RTCC (real time clock/counter) • 電源開啟重置(reset)、睡眠(sleep)模式 • 振盪器起始計時器(start-up timer)、獨立系統看門狗計時器WDT • EPROM的保護熔絲，提供程式碼保護 • 可選擇振盪模式的EPROM位元 (RC振盪、晶體…)

2.1.2 PIC 家族 • PIC-16C 71功能及特性 • 有35個指令，13個I/O可獨立設定 • 除了分支指令佔兩個指令週期，所有指令只需一個週期完成 • 工作速度：DC-20MHz振盪頻率輸入、DC-200ns指令週期 • 14位元寬度的指令、8位元的資料寬度 • 36個8位元的通用暫存器、15個特殊用途硬體暫存器 • 8階的堆疊深度，有直接、間接及相對定址法 • 1024*14的內部EPROM程式記憶體 • 四種中斷來源：INT腳、RTCC溢位、A/D轉換器完成、I/O • 具有大電流輸出來驅動LED • A/D轉換器模組

2.1.2 PIC 家族 • PIC-16C 42功能及特性 • 全靜態設計，四種工作模式：微電腦、保密、外部擴充、微電腦(存取外部記憶體模式) • 250ns週期時間(16MHz振盪時) • 64K*16的可定址程式記憶空間 • 16位元寬度的指令、8位元的資料寬度，所有指令1WORD • 232*8個一般用途暫存器、48個特殊用途硬體暫存器 • 16*16階的堆疊深度，有直接、間接及相對定址法 • 11種外部/內部來源的插斷向量、33個I/O腳位 • 3個16位元的計時/計數器，2個16位元的捕捉暫存器 • 2個高速的PWM輸出(解析度10位元，最高頻15.6KHz) • 全功能同步，非同步串列埠(USART)、鮑率產生器 • 11種插斷模式：INT、RTCC、RT、PORT B、Timer 1/2/3 、捕捉器1/2 /3 、串列埠傳輸/接收插斷

2.1.3 AVR 家族 • AVR 簡介 • 美國Atmel公司對應Flash記憶體的製造設計技術都居於領導地位，自從將8051族系之程式記憶體(Programmer Data Memory)以Flash記憶體予以移入，而推出AT89C51/52/53/55/8252等一系列Flash的C/MOS單晶片微控器以及89C1051和89C2051等20pin的小系統8051族系微控器已取代以往的80H51，80C51等單晶微控器而主導市場，然後對應Microchip所推出的類精簡(RISC Like)指令架構之PIC單晶片卻席捲微控器市場，此PIC是因應須以攜帶式省電型製作較為便捷的產品而研發出的C/MOS單晶片微電腦PIC 16C5X/6X/7X一系列產品，尤其快速指令，高的I/O驅動能力以及可設定三態輸入和低的晶片消耗功率，同時具有工業控制所需的看門狗WDT監控系統等，多組的計數計時器CTC同時具有比較器(COMPARE)和計數補抓器(CAPTURE)和PWM輸出控制。

2.1.3 AVR 家族 • AVR 簡介 • 串列埠除了UART外仍具有SPI週邊之SCI全多工雙向串列同步傳輸界面，平均一顆新台幣50元左右，已逼近開ASIC或NMASK ROM型價格，對應少量產品之生洃並可避免長時間對IC製造來回耗時的訂購時間，在競爭相當激烈且無法把握時效及搶先市場先機情況下可採用OTP產品具有其相當的重要性，因此在競爭的環境下降低成本提高產品品質為世界各工業國家所追求之目標。於是針對PIC及8051族系的優點加以採用並改良，對此於1997年研發而推出AVR增強型精簡微控器(AVR ENHANCED RISC MICROCONTROLLER)系列，除了對應PIC之上述特點外，將OTP改成FLASH架構可重複燒洗1000次以上，如此大大提高其更改程式之使用次數，AVR在其快速硬體執行結構技術上不需以四個時脈作資料栓鎖而直接地依序一次快速執行，同樣也是一個管線結並不會影響資料存取序。

2.1.3 AVR 家族 • AVR 簡介 • AVRAT90S1200/2313等20隻接腳的小微控器，以及40隻接腳的對應8051族系對等的AVR AT90S4144和ATS8515系列快速多力能且可作系統電路中作程式及記憶體規劃燒錄之ISP微控器，多種串列功能之全多工同步，非同步UART串列埠，SCI串列埠，及多功厲計數開時CTC控制週邊，並具補抓、比較和PWN控制功能，且具多功能I/O接腳特性設定及高驅動力之並列I/O埠，1997年正式推山AT90S系列之強檔單晶片微控器，為20PIN/40PIN之IC，20PIN具有PB0-PB7和PD0-PD6的多重功能之並列I/O埠共15個，除此外40PIN的AT90S4414/8515仍多具有PA0-PA7，PC0-PC7外PD則增為PD0-PD7且接腳與8051完全對等同樣有4*8個並列I/O埠，為當今功能最強最簡捷快速省電之單晶片微控器。

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S系列之優點 • 價格低的可燒洗1000次以上的16位元Flash程式記憶體約50元 • 低耗電(UA)高速度(50ns)具sleep功能及C/MOS技術，每一指令執行速度可達50ns，並具多元時脈(Clock)，而耗電則在1uA至2.5mA之間 • 高保密，可多次燒錄且具有碼保護鎖死功能，因此可低價快速完成產品商品化，且可多次更改程式而不必浪費IC • 工業級(WDT)產品，具大電池10~20mA或40mA(單一輸出)，可直接驅的SSR或繼電器，並有看門狗計時器功能 • 超功能精簡指令，具有32個工作暫存器及128-512個內部靜態SRAM可靈活使用指令加以運算並有完整的C高階語言，易學 • 程式記憶體可並列或SPIBUS串列系統電路中之ISP燒洗

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S系列之優點 • 並列I/O接腳端之輸出入特性可為類同於PIC的HI/LOW輸出及三態高阻抗HI-Z輸入外，也可設計同8051族系之內部拉高電阻抗(PULL HI)作輸入端以便於作各種應用特性所需 • 晶片上的類比比較器可搭配捕抓計數器，作多種類比控制和轉換 • 多種的中斷向量可快速的對應作應變控制 • 內部電源ON之啟動重設計數器，可將負電位重設直接接到VCC端，當源ON時由於利用內部的RC看門狗計時器可延後MCU起動執行程式而處於重設一段時間以便I/O穩定後執行程式，同時也可節省外加延時重設電路 • 具有睡眠之省電及閒置低功率功能

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S系列之優點 • AT90S1200具有內部RC振盪1MHz的工作頻率使其此微控器可工作於0外加元件 • CTC有8位元及16位元二組，可作比較器，計數捕抓器和8，9，10位元PWM控制輸出 • 串列埠有UART及SCI傳輸功能，高速工作鮑率可達576K • AT90S4414及AT90S8515具有可擴充的外加SRAM達64K BYTE • 寬廣的工作電壓為2.7V到6.0V方便各種電源下之工作環境

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S1200 功能及特性 • 程式記憶體512*16=1K*8之FLASH可ISP載入燒洗1000次以上 • EEPROM為64*8可讀寫燒錄10000次以上 • PB0~PB7，PD0~PD6等共15個3態輸出入埠及可拉升電位 • 32*8個通用工作暫存器 • 工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~16MHz • 在16MHz工作頻率下指令執行週期時間為62.5nS • 一個8位元計數計時器並含有可各別設計的預除器 • 具有內部及外部中斷控制來源 • 內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器 • 類比比較器控制、低功耗之閒置及省電模式 • 大的I/O驅動電流可達28mA(最大40mA) • 可選擇採用晶片內部RC振盪作為工作頻率，並具電源啟動重設

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S2313 功能及特性(1/2) • 程式記憶體1024*16=2K*8之FLASH可ISP載入燒洗1000次以上 • EEPROM為128*8可讀寫燒錄10000次以上 • PB0~PB7，PD0~PD6等共15個3態輸出入埠及可拉升電位 • 32*8個通用工作暫存器、128個內含8位元SRAM • 工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~20MHz • 在20MHz工作頻率下指令執行週期時間為50nS • 8位元及16位元計數計時器並含有可各別設計的預除器，16位元計時計數捕抓器 • 全雙多工的UART埠 • 可選擇及設計的8，9，10位元PWM控制輸出 • 內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S2313 功能及特性(2/2) • 類比比較器控制 • 低功耗之閒置及電源省電模式 • 可規劃的軟體安全鎖碼保護措施 • 大的I/O驅動電流可達20mA(最大40mA) • 可選擇採用晶片內部RC振盪作為工作頻率，並具電源啟動重設計數器，輸出驅動電流10mA(5V供電) • 具有ISP規劃載入程式及SPI串列週邊程式載入

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S4414及AT90S8515 功能及特性(1/2) • 程式記憶體AT90S4414 2K*16=4K*8 而AT90S8515則為4K*16=8K*8 之FLASH可戴入燒洗1000次以上 • EEPROMAT90S4414 是128*8 而AT90S8515則為512*8 可讀寫燒錄10000次以上 • PB0~PB7，PD0~PD7及PC0~PC7等共32個三態輸出入埠及可拉升電位作輸入之設計 • 32*8個通用工作暫存器 • 工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~16MHz • 在20MHz工作頻率下指令執行週期時間為50nS • 一個8位元計數計時器並含有可各別設計的預除器 • 一個16位元計數計時器並含有可各別設計的預除器，並有一組16位元計時計數比較器及一組計時計數捕抓器 • 全雙工的UART埠

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S4414及AT90S8515 功能及特性(2/2) • 可選擇及設定的雙組8，9，10位元PWM控制輸出 • 具有內部及外部中斷控制來源 • 內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器 • 類比比較器控制 • 低功耗之閒置及電源省電模式 • 可規劃的軟體安全鎖碼保護措施 • 大的I/O驅動電流可達28mA(最大40mA)，輸出驅動可達10mA(5V供電) • SPI串列界面埠 • 可外擴充的SRAM作(64K-內部 RAM)*8的讀寫控制 • 具有ISP規劃載入程式及SPI串列週邊作程式載入

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S2333及AT90S4433 功能及特性(1/2) • 程式記憶體AT90S4414 1K*16=2K*8 或 2K*16=4K*8 之FLASH可戴入燒洗1000次以上 • EEPROMAT90S4414 是128*8 或 256 可讀寫燒錄10000次以上 • PB0~PB7，PD0~PD6及PC0~PC7等共23個三態輸出入埠及可拉升電位作輸入之設定 • 32*8個通用工作暫存器 • 128或256個內含8位元SRAM • 工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~20MHz • 在20MHz/10MHz工作頻率下指令執行週期時間為50nS/100nS • 一個8位元計數計時器並含有可各別設計的預除器

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S2333及AT90S4433 功能及特性(2/2) • 一個16位元計數計時器並含有可各別設計的預除器，並有一組16位元計時計數比較器及一組計時計數捕抓器 • 全雙工的UART埠 • 可選擇及設定的雙組8，9，10位元PWM控制輸出 • 具有內部及外部中斷控制來源 • 內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器 • 類比比較器控制 • 低功耗之閒置及電源省電模式 • 可規劃的軟體安全鎖碼保護措施 • 6通道10位元類比對數位轉換器ADC • 大的I/O驅動電流可達20mA(最大40mA)，輸出驅動可達10mA(5V供電)

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S4434及AT90S8535 功能及特性(1/2) • 程式記憶體AT90S4434 2K*16=4K*8 而AT90S8535則為4K*16=8K*8 之FLASH可戴入燒洗1000次以上 • EEPROMAT90S4434 是128*8 而AT90S8535則為512*8 可讀寫燒錄10000次以上 • PB0~PB7，PD0~PD7及PC0~PC7等共32個三態輸出入埠及可拉升電位作輸入之設計 • 32*8個通用工作暫存器 • 工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~20MHz • 在20MHz工作頻率下指令執行週期時間為50nS • 一個8位元計數計時器並含有可各別設計的預除器 • 一個16位元計數計時器並含有可各別設計的預除器，並有一組16位元計時計數比較器及一組計時計數捕抓器 • 全雙工的UART埠

2.1.3 AVR 家族 • AVR AT90S4434及AT90S8535 功能及特性(2/2) • 可選擇及設定的雙組8，9，10位元PWM控制輸出 • 具有內部及外部中斷控制來源 • 內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器 • 類比比較器控制 • 低功耗之閒置及電源省電模式 • 可規劃的軟體安全鎖碼保護措施 • 大的I/O驅動電流可達28mA(最大40mA)，輸出驅動可達10mA(5V供電) • SPI串列界面埠 • 可外擴充的SRAM作(64K-內部 RAM)*8的讀寫控制 • 8通道10位元類比對數位轉換器ADC

2.1.3 AVR 家族 • ATmega128功能及特性 • 高性能、低功耗的 AVR 8 位元微處理器 • RISC 結構 • 133 條指令大多數可以在一個時鐘週期內完成 • 32 x 8 通用工作寄存器 + 外設控制寄存器 • 全靜態工作 • 工作於16 MHz 時性能高達16 MIPS • 只需兩個時鐘週期的硬體乘法器 • 非易失性的程式和資料記憶體 • 128K 位元組的系統內可編程Flash • 壽命: 10,000 次寫/ 擦除週期 • 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區

2.1.3 AVR 家族 • ATmega128功能及特性 • 4K位元組的EEPROM • 4K 位元組的內部SRAM • 多達64K 位元組的優化的外部記憶體空間 • 可以對鎖定位元進行編程以實現軟體加密 • 可以通過SPI 實現系統內編程 • · JTAG 介面( 與IEEE 1149.1 標準相容) • 兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8 位計時器/ 計數器 • 兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位計時器/ 計數器具有獨立預分頻器的即時時鐘計數器

2.1.3 AVR 家族 • ATmega128功能及特性 • 兩路8 位PWM 6路解析度可編程（2 到16 位）的PWM • 輸出比較調製器 • 8路10 位ADC • 8 個單端通道7 個差分通道 • 2 個具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 • 面向位元組的兩線介面 • 兩個可編程的串列USART • 可工作於主機/ 從機模式的SPI 串列介面 • 具有獨立片內振盪器的可編程看門狗計時器 • 6種睡眠模式: 空閒模式、ADC 雜訊抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby 模式

2.1.4 總結 • MCU比較圖

2.1.4 結論 • MCU選用 • 要選擇一個適合實作的MCU，不是一件容易的事情，每一顆MCU都有他的特點，然後我們該選擇哪一個廠牌、哪一個規格，都是一個問題？我們該選擇的是一顆省電的MCU、還是效能好的MCU、多工能力非常好的MCU？以下列出選擇一顆MCU該考慮的因素，在根據這些因素去選擇適合自己的IC • 價錢：晶片本身的價錢、系統的價錢、開發的成本等 • 可靠性：包括工作溫度範圍、抗幹擾性及後期維護等 • 功能：是否考慮預留功能以利後續的擴展 • 容易得到：包括開發期間的開發環境、資料及技術支援等 • 供貨保障：包括供貨週期、供貨數量等。 • 易用性：容易上手，只需較少的時間學習

2.2 RF選用標準 • 2.1.1 前言 • 2.2.2 Nordic 家族 • 2.2.3 Chipcon 家族 • 2.2.4 UBEC 家族 • 2.2.5 總結

2.2.1 前言 • RF IC選用前言 • 一般來說，整個無線通訊IC 依功能可以分成三部分：首先為負責接收/發送射頻訊號的RF IC，此部分屬於射頻前端，為純粹的類比電路設計；其次為負責二次昇/降頻與調變/解調功能的IF IC，以及與鎖相迴路（PLL）、頻率合成器（Synthesizer）等元件，目前此段多屬於類比/數位的混合模式(mixed mode)的電路；最後則是負責A/D、D/A、信號處理器及CPU 等純數位部分的Baseband IC。由於 Baseband IC 部分以處理數位訊號為主，且其內部元件多為主動元件、線路分佈極為密集，故向來以微細化與高集積度的純矽CMOS 製程為主。無線通訊對於RF IC 的規格要求相當嚴格，且高頻電晶體的功能不同，其線路設計理念也不盡相同，因此，如何選擇不同的材料與製程，以使無線通訊用積體電路的線路功能與價格達到平衡或是最佳化，往往是無線通訊用積體電路製造最重要的課題

2.2.1 前言 • Low-Noise Amplifier • LNA 是RF 效能優劣的第一道關卡，因為要能將來自天線眾多混亂信號中取出所要信號，LNA 需要具有低雜訊（Low noise）、高線性（High linearity）特性，其分別指標為Noise figure（dB）、Third-order input intercept point（IIP3）；另外高增益（High gain）、低功率消耗（Low dc power consumption）亦是必須考慮的參數。電晶體要獲得低雜訊，其Input resistance (rb/g)要儘可能降低，同時拉高Cut-off frequency。一般來說(rg)MESFET ＜ (rb)BJT ＜ (rg)MOSFET，提昇Si-RF 特性必需降低rb/g值，Bipolar 除可由水平方向縮小尺寸降低寄生基極電阻外，另外亦可藉Base-engineering 來提高基極濃度，進一步降低rb 值；MOSFET‘s 則要降低poly- gate 電阻，常用方法為 Polycide gate，最近更有人提出“T-gate”結構，使其rg 快逼近MESFET's。

第二章 WSN 與 RFID 硬體設計與規劃