智能仪表领域的全新选择 —— 瑞萨EK-RA4C1套件评测

在当前智能仪器仪表向高精度、低功耗与强互联演进的背景下，专用低功耗、高性能芯片已成为了产品竞争力的核心。为了满足客户不同场景的需求，各大厂商都在持续地进行改进。瑞萨作为专业的MCU制造商，在智能仪表领域有着深厚的积累，今天给大家带来的就是瑞萨公司针对智能仪表领域应用而全新推出的评估套件RTK7EKA4C1S01001BE。

开箱介绍

套件依然采用瑞萨经典的蓝白风格包装，简约而大气。包装的正面是瑞萨公司的LOGO，而在侧面则清晰地表明了该评估板的具体信息。

图1 评估板的正面

图2 评估板的侧面

打开包装盒，首先映入眼帘的是一张介绍卡片，上面详细的说明了该评估板的具体情况，包括本评估套件的设计目的、相关资料的下载地址。通过这些信息工程师们可以很容易地就下载到所需的开发资料，节省他们宝贵的时间。

图3 评估板中的介绍卡片

在介绍卡片的下面，就是我们今天的主角EK-RA4C1评估板及相关配件了。它们分三层摆放，第一层为评估板主体，第二层为LCD屏幕及用于其支撑的尼龙脚柱，第三层则为两根USB电缆。

图4 EK-RA4C1评估套件全家福

硬件介绍

下面就让我们来看看今天的主角RA4C1开发板，整个板子大小为150mm*84mm，采用深蓝色阻焊剂，彰显厚重沉稳。在开发板的正面部署着各种IC，电阻电容、按键以及接口，而在开发板的反面则没有任何元器件，取而代之的是布置了很多充当跳线的焊盘用于某些特殊应用的评估。另外，为了更好地保护板卡，瑞萨公司还贴心安装了四个橡胶脚垫。

图5 评估板的正面和背面

整个评估板分为三个分区，分别为原生引脚区（Native Pin Access Area）、特色功能区(Special Feature Access Area)以及系统控制与生态系统区（System Control and Ecosystem Access Area），具体如下图所示：

图6 评估板分区示意图

而下图则是整个RA4C1评估板的功能结构框图，从图中我们可以清晰地了解上述三个区域包含了哪些具体的功能和模块，如：32MB（256Mb）外部 Quad-SPI 闪存，Debug调试接口，用户LED灯、2个用户按键以及5个最受欢迎的生态系统扩展等。

图7 RA4C1评估板的功能结构框图

首先让我们来看看原生引脚区（Native Pin Access Area）部分，该部分实际上是一个最小系统，包括主控MCU RA4C1、晶振、必要的电阻、电容等器件。同时，为了方便用户对MCU进行评估，在该区域通过预留的2.54mm间距焊孔引出了MCU的引脚，特别值得一提的是，该区域还提供了一个25*2的排针用于连接段码 LCD，便于用户评估段码 LCD模块。

图8 原生引脚区

在整个原生引脚区最核心的当然是主控芯片了，通过查阅相关资料我们可以知道，整个瑞萨RA系统的MCU可以分为RA8、RA6、RA4、RA2以及RA0 5个系列，而RA4系列主要面向需要兼顾安全、性能和功耗的应用场景，其中又包括了多个子系列，分别应对主流应用（M1,M2,M3）、低功耗应用(L1)、入门级应用(E1,E2)、电机控制应用(T1)以及无线应用(W1),如下图所示。由于RA4C1芯片与RA4L1同属一列，因此，RA4C1芯片也适用于低功耗领域。

图 9 RA4系列MCU介绍

通过查阅资料，RA4C1芯片均为LFQFP封装,但引脚有64和100两种选择，分别对应10mm*10mm以及14mm*14mm大小。我们评估板上这块RA4C1芯片的完整型号为R7FA4C1BD3C,为100引脚的版本，具有以下特点：

 支持 TrustZone 的 80MHz Arm Cortex-M33内核
 支持 BGO 的 512KB 双区块闪存
 支持 64KB 奇偶校验和 32KB ECC 的 96KB SRAM
 8KB 数据闪存
 工作电压低至1.6V，168µA/MHz 工作电流、1.73µA 待机电流
 3.5µS 内快速唤醒（从 MOCO）
 6 个 SCI 多功能串口（UART、简单 SPI、简单 I2C）
 具备CAN FD接口
 32 位和 16 位定时器，32 位超低功耗定时器
 2 x 看门狗定时器
 12 位 ADC
 精度为 1% 的温度传感器
 8 x 44 段码 LCD 驱动器
 高级安全引擎支持：TRNG、唯一ID、AES、ECC、SHA
 满足表计DLMS-SUITE2安全规范

另外，为了方便工程师们对区域内RA4C1芯片的电流进行评测，原生引脚区（Native Pin Access Area）还给出了2个测试点(TP1和TP3)用于MCU电流测试，通过测量电压和欧姆定律计算出消耗电流。其具体原理如下图所示。最后，在原生引脚区（Native Pin Access Area）内还包含了与段式显示器连接的排针接口J2，通过该接口RA4C1芯片可以与段码 LCD显示屏进行连接。

图10 MCU电流测量接口及原理图

考虑到RA4C1和RA4L1同属一个系列的低功耗产品，为了方便工程师们后续选型，瑞萨公司还给出了上述两款芯片之间具体的差别，可以看出RA4C1提供了更加丰富的接口，而RA4L1则提供了多种封装共用户选择。

图11 RA4C1和RA4L1对比

与原生引脚区（Native Pin Access Area）相邻的是特殊功能区(Special Feature Access Area)，在该区域内包含了32MB（256Mb）外部 Quad-SPI 闪存，3针的CAN-FD接头，外部电池接头以及用于配置的拨码开关。该拨码开关共有8路，每一路都有特殊的用途，下图是对该拨码开关每一路用途的描述，可以看到通过拨动该开关可以对包括Pmod、CAN、Debug在内的多个模块或功能进行设置。

图12 特殊功能区

图12 SW4拨码开关功能

紧邻着特色功能区(Special Feature Access Area)的是系统控制与生态系统区（System Control and Ecosystem Access Area），该部分也是功能最多最复杂的区域。为了便于工程师们更好地评RA4C1芯片的强大的功能，该区域包含了多种不同的主流接口。

图13 系统控制与生态系统区

首先是DEBUG模块，它位于开发板的右边，包含了一个Type-C USB接口、多个跳线以及Debug仿真芯片。为了做到兼容性，评估板包括了Debug on-board/Debug in/Debug out三种工作模式，即用板载的仿真器调试开发板上的主控，用外部的仿真器调试开发板上的主控以及用板载的仿真器调试其他外部主控，它们通过评估板上的J6,J8,J9以及SW4-4来实现。

图14 Debug接口

为了便于工程师们使用，开发板上还提供了3个可以控制的LED(LED1,LED2,LED3)以及2个用户按键（S1,S2）,其中S1,S2分别与MCU的P513和P105引脚连接，对应中断 IRQ15和IRQ0, 而LED1,LED2,LED3则分别与MCU的P610,P407,P404相连。

图15 LED和按键

而J16跳线为MCU 引导模式选择跳线。当需要选择单芯片工作模式时，将该跳线2-3引脚短接即可，而当需要选择SCI或USB启动模式时，则需要将J16上的1-2引脚短接。

图16 引导模式选择跳线

除了上述基本功能外， RA4C1评估板最有特色的就是支持各种嵌入式生态系统，包括
 2个Grove 接口
 1个 Qwiic 接口
 2个 Digilent Pmod接口
 Arduino接口
 mikroBUS接口

图17 生态系统接口

软件介绍

除了丰富的硬件资源外，瑞萨公司为RA4C1评估套件提供的软件工具也是非常多的。由于该芯片是基于ARM内核的，所以有很多调试工具、软件都是可以使用的，如下图所示：

图18 评估板支持的开发工具

当然，瑞萨公司为了便于工程师们进行快速开发，也提供了一套完整的编译、调试软件，即FSP软件开发包，可以在如下网址中免费下载（https://www.renesas.com/en/software-tool/flexible-software-package-fsp#overview），该FSP开发板约有1.85G，目前最新版本为6.1.0。在该开发包中包括了调试器驱动，e2 studio等开发调试所需的各种软件，用户只需要直接安装即可。

图19 FSP下载页面

除了下载并安装调试工具之外，相关的例程也是必不可少的，在下面链接（https://www.renesas.cn/zh/products/ra4c1?tab=software-tools&sampleCode=true）中用户可以下载到评估板的多个示例。

图20 例程下载页面

上电测试

在下载完所需要的开发工具和基本例程之后我们就可以开始动手实践了。由于开发板内部就自带有测试程序，因此还需要下载串口终端软件，在这里推荐Tera Term，这是一款开源的虚拟终端软件，支持TCP/IP和串口连接方法。然后，使用套件内的USB电缆通过DEBUG接口连接电脑与开发板，由于我们在这里使用的开发板内置的调试器，所以要确保J6,J8,J9以及SW4-4跳线正确。

图21 评估板与电脑连接示意图

插上USB电缆以后，系统会自动识别出一个新的串口（如图中的红框处，会根据电脑有所不同），点击OK后确定选择此串口

图22 串口选择

随后，点击“设置”->”串口”菜单，在弹出的对话框中选择115200波特率，点击“New setting”进行设置。

图23 串口参数选择

按下评估板上的红色重启按钮后，Tera Term终端随即显示出评估板内置程序提供的菜单。此时用户可以根据菜单的提示，输入1-5，测试开发板对应的功能，包括SPI速度测试、LCD显示测试，低功耗模式测试等等。

图24 终端显示输出界面

如果要对评估板进行开发，则首先需要下载并安装好FSP软件开发包以及对应的例程文件。运行e2 studio软件，首先设置我们的项目即将放置的位置：

图25 设置项目路径

随后选择导入项目：

图26 选择导入项目

在弹出的界面中选择“Existing Projects into Workspace”准备将已经有的项目导入到工作区中：

图27 选择导入已有项目

选择“Select root directory”, 导入我们下载的例程的目录，并选择Finish。此后，我们就可以根据项目的实际情况对例程进行修改了。

图28导入已有项目

在导入项目后，选择例程目录下的configuration.xml文件，

图29 选择configuration.xml文件

随后我们选择需要修改的模块配置，然后点击下方的属性，可以看到可以对通用信息、中断等情况进行修改。修改完成后，点击上方的“Generate Project Content”即可更新配置。

图30 配置修改configuration.xml文件

配置完成后，点击“Project”菜单栏下的”Build”按钮对项目进行编译，能够生成“elf”文件这说明编译成功。

图31 编译正确结果

随后对Debug方式进行配置，点击如下菜单中的Debug Configurations，进入Debug配置菜单，按照下图中的显示进行配置。

图32 调试项目

点击上图中的Debug按钮后，开始对项目进行调试，用户可以按F6或F5按钮进行单步调试。

总结

RA4C1芯片性能优越，接口丰富，适合在多个场合使用，而RTK7EKA4C1S01001BE评估套件上也集成了PMOD，Qwiic等5个主流的开源硬件端口和Debug调试器供工程师们对芯片的功能进行全方位的评估。同时，瑞萨公司也为其提供了丰富的软件配套资源，从软件开发包到配套的例程源码，应有尽有。这些资源都能够极大地降低工程师们对RA4C系列MCU的评估成本，同时芯片的兼容性还使得在RA4系列其他芯片中开发的程序可以很容易迁移过来，轻松实现各种创意。相信在不远的将来瑞萨RA4C1系列MCU将会在嵌入式行业,尤其是智能仪表领域大放异彩。