PAD复用电路、MCU及控制方法与流程

pad复用电路、mcu及控制方法
技术领域
1.本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种pad复用电路、mcu及控制方法。


背景技术：

2.微控制器(mcu)是一种将中央处理器(cpu)，内存，数模转换器(adc)以及外围接口集成在单片上的超大规模集成电路(vlsi)。为了满足不同的应用组合，mcu通常具有丰富的外围接口，比如音视频接口，触摸屏接口，以太网接口，信号采集接口等，这些接口会占用大量的引脚资源。
3.另一方面，随着半导体制造技术的微缩发展，关键尺寸已经做到7nm及以下，芯片内的逻辑核心电路面积大大降低，而外围输入/输出电路(io pad)的面积却不能成比例下降，这是先进制程mcu普遍遇到的问题，即芯片总面积是受pad面积限制(pad limit)的。
4.带电阻触摸屏(rtp)接口的mcu通常应用在人机交互的产品中，方便操作人员以触摸操作面板的形式对机器进行控制，降低操作难度。rtp包含上下叠合的两个透明层，当触摸屏表面受到的压力(如通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会产生接触。mcu通过测量水平x方向坐标和垂直y方向坐标来确定触摸屏上的按压位置，通过测量压力来感知按压力度。rtp采用电阻分压器原理来产生代表x坐标和y坐标的电压，以4线rtp为例(图1)，一共有4个io引脚x ，x
‑
，y ，y
‑
，当检测到按压后，rtp内的电阻形成分压器。mcu测量x坐标时，x 和x
‑
两个引脚分别接到mcu内部adc的正参考电压vref 和负参考电压vref
‑
，mcu内部x 的上拉开关管psw1和x
‑
的下拉开关管nsw1导通，mcu内部y 的上拉开关管psw2和y
‑
的下拉开关管nsw2断开，同时adc通过y 测量此时对应的分压值，从而确定x坐标。同理可以测量y坐标和进行压力测量。除了4线rtp，常见的还有5线，7线，8线。对于8线rtp，mcu需要分配8个专用io pad。
5.adc是mcu中必不可少的模拟电路模块，主要功能是采样芯片外部连续的模拟信号并转换为离散的数字信号，通常需要分配5到10个模拟io pad；除此之外，adc也会用于采集芯片内部的温度信息，对芯片温度进行监控和异常处理。
6.通用输入/输出(gpio)是mcu内用于数字信号输入和输出的一类pad，这类io pad的电气特性满足晶体管
‑
晶体管逻辑电平(ttl)，信号具有满摆幅，大摆率和大驱动能力的特点，同一个电源域内的多个gpio同时工作会在相应电源线和地线上产生显著的噪声(bouncing)。bouncing直接叠加在adc等模拟电路上，会严重影响其性能。
7.参照图2，是支持rtp检测和8个通道模拟信号采集的mcu使用的传统技术。因无法解决倒灌电流问题(图3)，信号翻转噪声问题(图4)，以及电源bouncing问题(图5)，需要单独分配12个专用io pad和至少1个电源pad，至少1个地pad。然而在某些mcu应用方案中，不需要支持rtp触摸检测功能，或者模拟信号采集的通道数小于8，那么这多出来的14个pad会显著增加芯片总面积，由pad本身增加的面积和pad limit引起额外增加的面积占芯片总面积10％以上。
8.图2中，vccio是gpio独立的电源pad，作用是给gpio pad提供电源电位；vssio是
gpio独立的地pad，作用是给gpio pad提供地电位；gpio1～gpio12是12个gpio pad；ana io1～ana io8是8个模拟io pad，用于芯片外模拟信号采集；rtp io x 是rtp io pad，用于对接4线rtp的x 引脚；rtp io x
‑
是rtp io pad，用于对接4线rtp的x
‑
引脚；rtp io y 是rtp io pad，用于对接4线rtp的y 引脚；rtp io y
‑
是rtp io pad，用于对接4线rtp的y
‑
引脚；sw1～sw12代表12个adc采样通道的选通开关；avcc和avss分别代表模拟电源pad和模拟地pad，作用是给adc，sw1～sw12，ana io1～ana io8以及4个rtp io pad提供电源和地电位；vref 和vref
‑
是adc的差分参考电压，当adc对ana io1～ana io8采样时，vref 和vref
‑
分别连接到avcc和avss上，当adc对rtp io y 采样时，vref 和vref
‑
分别连接到rtp io x 和rtp io x
‑
上。temperature sensors和swt分别表示mcu内部的温度传感器和相应的选通开关，上述所有的选通开关的一端都连接到adc的输入，可采用分时段复用adc的策略对多路数据进行采样转换。
9.参照图3，图3是实现rtp io pad(或ana io pad)和gpio pad复用所面临的倒灌电流问题示意图。图3中，将gpio pad简化成两个晶体管，ndrv和pdrv代表gpio的输出驱动晶体管，pdrv的源极接gpio电源vccio，ndrv的源极接gpio地vssio，pdrv的漏极和ndrv的漏极相连，连接到io输出引脚pin上；将rtp io pad简化成一个晶体管，psw代表rtp io x 内的上拉开关晶体管，psw的源极接模拟电源avcc，psw的漏极接到io输出引脚pin。sw代表adc选通开关，开关的两个端口分别连接到io输出引脚pin和adc的输入端口vin上；adc的电源电压和正参考电压都连接到avcc。当vccio电压高于avcc电压，且gpio驱动高电平“1”时，就会形成vccio到avcc的倒灌电流，这个电流是芯片内的异常电流，会引起avcc电压异常升高等问题。
10.参照图4，图4是实现rtp io pad(或ana io pad)和gpio pad复用所面临的信号翻转噪声问题示意图。图中，cpar表示sw的寄生电容，cpar与sw是并联连接。当gpio pad上有高频方波信号翻转时，高频信号的一部分就会通过cpar耦合到adc的输入vin，如果此时adc正在对内部温度进行采样，耦合噪声就会对adc采样值造成严重影响。
11.参考图5，图5是实现rtp io pad(或ana io pad)和gpio pad复用所面临的电源bouncing问题示意图。为了解决图3中的倒灌电流问题，需要将rtp pad中的上拉开关管psw的漏极以及adc的电源和参考电压连接到gpio pad的电源vccio上。但上述gpio电源boucing问题会引起adc电源和参考电压的抖动，一般而言，50mv的抖动就会引起mcu内部温度测量5℃的偏差。


技术实现要素：

12.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种pad复用电路，能够减少芯片总面积。
13.本发明还提出一种mcu。
14.本发明还提出一种复用pad的控制方法。
15.根据本发明的第一方面实施例的pad复用电路，包括：adc、adc选通开关、下拉使能晶体管、第一开关、第二开关、第三开关和io引脚；所述io引脚与通用输入输出接口的第一输出驱动晶体管的漏极以及所述通用输入输出接口的第二输出驱动晶体管的漏极连接；所述adc选通开关的第二端与所述io引脚连接；所述下拉使能晶体管的源极接地，漏极与所述
adc选通开关的第一端连接；所述第一开关的第一端连接所述adc的输入端口，第二端连接所述adc选通开关的第一端；所述第二开关的第一端连接所述通用输入输出接口的供电电源引脚，第二端连接所述adc的正参考电压端口；所述第三开关的第一端连接所述adc的正参考电压端口，第二端连接所述adc的电源端口和模拟电源引脚。
16.根据本发明实施例的pad复用电路，至少具有如下有益效果：
17.1.节省了rtp专用io pad和adc采集模拟io pad，间接减少芯片总面积10％以上；
18.2.消除了gpio的bouncing对adc性能的影响；
19.3.避免了因gpio电源电压和adc参考电压不一致引起的倒灌电流问题；
20.4.解决了gpio信号翻转噪声对adc输入采样精度的影响。
21.根据本发明的一些实施例，所述io引脚与电阻式触摸屏的一个开关晶体管的漏极连接；所述开关晶体管的源极连接所述通用输入输出接口的供电电源引脚。
22.根据本发明的一些实施例，所述电阻式触摸屏为4线电阻式触摸屏，包括4个开关晶体管，分别连接4个io引脚。
23.根据本发明的第二方面实施例的mcu，包括：adc、若干个adc选通开关、gpio电源pad、gpio地pad、模拟电源pad、模拟地pad、若干个模拟信号采集和gpio复用pad、若干个电阻式触摸屏io和gpio复用pad、温度传感器、温度传感器的选通开关、第二开关、第三开关以及各个复用pad的选通开关；所述第二开关用于导通所述模拟电源pad和所述adc的正参考电压端口；所述第三开关用于导通所述adc的正参考电压端口以及gpio电源pad；每个复用pad均包括第一开关、下拉使能晶体管和io引脚，所述第一开关的第一端连接所述adc的输入端口，第二端连接该复用pad的选通开关；所述下拉使能晶体管的漏极连接所述第一开关的第二端，源极连接地电位。
24.根据本发明实施例的mcu，至少具有如下有益效果：
25.1.节省了rtp专用io pad和adc采集模拟io pad，间接减少芯片总面积10％以上；
26.2.消除了gpio的bouncing对adc性能的影响；
27.3.避免了因gpio电源电压和adc参考电压不一致引起的倒灌电流问题；
28.4.解决了gpio信号翻转噪声对adc输入采样精度的影响。
29.根据本发明的一些实施例，所述mcu还包括低压差线性稳压器和稳压电容；所述低压差线性稳压器的电源端口连接gpio电源pad，地端口连接gpio的地pad，输出端口连接所述adc的正参考电压端口；所述稳压电容一端连接所述低压差线性稳压器的输出端口，一端连接所述gpio的地pad。
30.根据本发明的一些实施例，所述模拟信号采集和gpio复用pad包括gpio的第一输出驱动晶体管和第二输出驱动晶体管；所述第一输出驱动晶体管的源极与所述gpio电源pad连接，漏极与所述io引脚连接；所述第二输出驱动晶体管的源极与所述gpio地pad连接，漏极与所述io引脚连接。
31.根据本发明的一些实施例，所述电阻式触摸屏io和gpio复用pad包括：电阻式触摸屏的一个开关晶体管、gpio的第一输出驱动晶体管和第二输出驱动晶体管；所述开关晶体管的源极与所述gpio电源pad连接，漏极与所述io引脚连接；所述第一输出驱动晶体管的源极与所述gpio电源pad连接，漏极与所述io引脚连接；所述第二输出驱动晶体管的源极与所述gpio地pad连接，漏极与所述io引脚连接。
32.根据本发明的第三方面实施例的复用pad控制方法，用于本发明的第二方面实施例中任一项所述的mcu，包括以下步骤：当复用pad用作gpio传输高频方波信号时，对应的选通开关和第一开关均断开，下拉使能晶体管导通；当adc用于mcu内部温度测量或外部模拟信号测量时，第二开关闭合，第三开关断开，adc的正参考电压端口连接到模拟电源；当adc用于电阻式触摸屏测量时，第二开关断开，第三开关闭合，adc的正参考电压端口连接到gpio的供电电源。
33.根据本发明实施例的复用pad控制方法，至少具有如下有益效果：本发明实施例通过控制第一开关、第二开关和第三开关的断开和闭合，实现rtp专用io pad，adc采集模拟io pad和gpio pad复用。
34.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
35.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
36.图1为测量电阻式触摸屏x坐标时的等效电路图。
37.图2为支持rtp检测和8个通道模拟信号采集的mcu的示意图。
38.图3为rtp io pad和gpio pad复用需解决的倒灌电问题示意图。
39.图4为rtp io pad和gpio pad复用需解决的信号翻转噪声问题示意图。
40.图5为rtp io pad和gpio pad复用需解决的电源bouncing问题示意图。
41.图6为本发明实施例的pad复用电路示意图。
42.图7为本发明实施例的mcu整体方案示意图。
43.图8为本发明实施例的mcu使用内部参考电源的整体方案示意图。
具体实施方式
44.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
46.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
47.参照图6，本发明实施例提出单个rtp io pad(或ana io pad)复用单个gpio pad的pad复用电路，包括：adc、adc选通开关sw、下拉使能晶体管npd、开关sw1、开关sw2、开关sw3和io引脚pin；io引脚与gpio的第一输出驱动晶体管ndrv的漏极以及第二输出驱动晶体管pdrv的漏极连接；adc选通开关sw的第二端与io引脚pin连接；下拉使能晶体管npd的源极
接地，漏极与adc选通开关sw的第一端连接；开关sw1的第一端连接adc的输入端口vin，第二端连接adc选通开关sw的第一端；开关sw2的第一端连接gpio的供电电源引脚vccio，第二端连接adc的正参考电压端口vref ；开关sw3的第一端连接adc的正参考电压端口vref ，第二端连接adc的电源端口vcc和模拟电源引脚avcc。io引脚pin与电阻式触摸屏rtp的一个开关晶体管(上拉开关晶体管psw)的漏极连接；开关晶体管psw的源极连接gpio的vccio。
48.本实施例相较于图3，引入开关sw1和下拉使能晶体管npd解决信号翻转噪声问题，当pad用做gpio传输高频方波信号时，sw和sw1均断开，npd导通，将node g电位置于地电位，pin上的高频噪声无法传递到vin节点。引入开关sw2和sw3解决电源bouncing问题，开关sw2两端分别接adc vref 和模拟电源avcc，开关sw3分别连接adc vref 和gpio电源vccio，当adc用于mcu内部温度测量和外部模拟信号测量时，sw2闭合sw3断开，adc vref 连接到avcc，可以保证adc的参考电压稳定，不影响adc采样精度。当adc用于rtp测量时，sw2断开sw3闭合，adc vref 连接到vccio，可以避免rtp采样动态范围减小。除此之外，psw的漏极和adc的模块电压都连接到vccio可以避免倒灌电流问题。
49.在一些实施例中，电阻式触摸屏为4线电阻式触摸屏，包括4个开关晶体管，分别连接4个io引脚。
50.本发明还提出申请提出一种复用pad整体方案，参照图7，本发明实施例的mcu包括：adc、若干个adc选通开关、gpio电源pad、gpio地pad、模拟电源pad、模拟地pad、若干个模拟信号采集和gpio复用pad、若干个电阻式触摸屏io和gpio复用pad、温度传感器、温度传感器的选通开关swt、开关sw2、开关sw3以及各个复用pad的选通开关sw；开关sw2用于导通模拟电源pad和adc的正参考电压端口；开关sw3用于导通adc的正参考电压端口以及gpio电源pad；每个复用pad均包括开关sw 1、下拉使能晶体管npd和io引脚pin，开关sw 1的第一端连接adc的输入端口，第二端连接该复用pad的选通开关；下拉使能晶体管的漏极连接开关sw 1的第二端，源极连接地电位。
51.本实施例中，模拟信号采集和gpio复用pad包括gpio的第一输出驱动晶体管ndrv以及第二输出驱动晶体管ndrv；第一输出驱动晶体管ndrv的源极与gpio电源pad连接，漏极与io引脚连接；第二输出驱动晶体管pdrv的源极与gpio地pad连接，漏极与io引脚连接。
52.本实施例中，电阻式触摸屏io和gpio复用pad包括：电阻式触摸屏的一个开关晶体管psw、gpio的第一输出驱动晶体管ndrv和第二输出驱动晶体管ndrv；开关晶体管的源极与gpio电源pad连接，漏极与io引脚连接；第一输出驱动晶体管的源极与gpio电源pad连接，漏极与io引脚连接；第二输出驱动晶体管的源极与gpio地pad连接，漏极与io引脚连接。
53.参照图7，在一些实施例中，ana io1～ana io8(模拟信号采集)分别和gpio1～gpio8复用pad，rtp io x (电阻式触摸屏接口)和gpio9复用pad，rtp io x
‑
和gpio10复用pad，rtp io y 和gpio11复用pad，rtp io y
‑
和gpio12复用pad，每组pad复用内部电路结构都采用图6中的技术方案；adc的正参考电压vref 连接模拟电源pad avcc，adc的负参考电压vref
‑
连接模拟地pad avss。此方案一共可以节省12的pad。
54.参照图8，本实施例的mcu还包括低压差线性稳压器和稳压电容；低压差线性稳压器的电源端口连接gpio电源pad，地端口连接gpio的地pad，输出端口连接adc的正参考电压端口；稳压电容一端连接低压差线性稳压器的输出端口，一端连接gpio的地pad。
55.本实施例中，为了进一步减少pad数目，引入了内部ldo(低压差线性稳压器)，ldo
的电源vddl连接gpio电源pad vccio，ldo的地vssl连接gpio的地pad vssio，ldo的输出out连接adc的正参考电压vref ，在ldo的输出out和gpio的地pad vssio之间增加稳压电容cap。这种整体方案能进一步减少至少2个pad，而引入的ldo和电容面积通常小于2个pad面积，因为ldo的负载电流只有百ua量级，因此这种方案特别适用于pad limit问题较严重的芯片设计。
56.本发明还提出一种复用pad控制方法，包括以下步骤：当复用pad用作gpio传输高频方波信号时，对应的选通开关sw和开关sw1均断开，下拉使能晶体管npd导通；当adc用于mcu内部温度测量或外部模拟信号测量时，开关sw2闭合，开关sw3断开，adc的正参考电压vref 连接到模拟电源avcc；当adc用于电阻式触摸屏测量时，开关sw2断开，开关sw3闭合，adc的正参考电压vref 连接到gpio的vccio。
57.尽管本文描述了具体实施方案，但是本领域中的普通技术人员将认识到，许多其它修改或另选的实施方案同样处于本公开的范围内。例如，结合特定设备或组件描述的功能和/或处理能力中的任一项可以由任何其它设备或部件来执行。另外，虽然已根据本公开的实施方案描述了各种例示性具体实施和架构，但是本领域中的普通技术人员将认识到，对本文所述的例示性具体实施和架构的许多其它修改也处于本公开的范围内。
58.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。