低功耗模式下微控制器時鐘配置應(yīng)用

　　在微控制器的低功耗應(yīng)用中，對時鐘的設(shè)置是很重要的一個方面。不同類型的微控制器在低功耗模式下對時鐘的配置也各有不同。飛思卡爾公司推出的增強(qiáng)型8位微控制器 HCS08系列具有很強(qiáng)的低功耗性能。其中，HCS08系列里的MC9S08QG8在同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上對低功耗應(yīng)用下的時鐘又有了進(jìn)一步的改進(jìn)。

　　1 MC9S08QG8及其內(nèi)部時鐘模塊介紹

　　微控制器MC9S08QG8是飛思卡爾公司新推出的一款8位增強(qiáng)型微控制器。它是小封裝、低功耗的產(chǎn)品，但這并不意味著它是“低端”的產(chǎn)品；相反，它是一個高度集成的、功能豐富的、適用于各種應(yīng)用的低價位單片機(jī)。MC9S08QG8采用高性能、低功耗的HCS08內(nèi)核，具有很高的集成度，還包括更長的電池壽命(即使工作電壓低至1．8V，也能發(fā)揮最大效能)、業(yè)界領(lǐng)先的Flash技術(shù)以及創(chuàng)新的開發(fā)支持。MC9S08QG8集成了背景調(diào)試系統(tǒng)(BDM)以及可進(jìn)行實時總線捕捉的內(nèi)置在線仿真(ICE)功能，具有單線的調(diào)試及仿真接口。

　　MC9S08QG8微控制器的運(yùn)行模式有很多種，包括正常運(yùn)行模式、等待模式、背景調(diào)試模式以及停止模式。其中，與低功耗應(yīng)用關(guān)系密切的停止模式又分為3個階段：

　　停止模式l——內(nèi)部電路全部斷電，以最大限度地節(jié)省電源；

　　停止模式2——可選擇部分?jǐn)嚯?，RAM內(nèi)容保持；

　　停止模式3——內(nèi)部電路都可快速恢復(fù)運(yùn)行，RAM、Flash內(nèi)容保持。

　　MC9S08QG8內(nèi)部時鐘模塊由4個子模塊組成：鎖頻環(huán)、內(nèi)部參考時鐘、外部振蕩器、時鐘選擇邏輯模塊，如圖l所示。

　　鎖頻環(huán)的輸出頻率為參考時鐘頻率的512倍，包括3個主要部分：參考頻率選擇、數(shù)字控制振蕩器和用于比較這兩個部分輸出的濾波器。

　　鎖頻環(huán)是通過比較數(shù)字控制振蕩器時鐘與參考時鐘的頻率來工作的。鎖頻環(huán)對一個參考時鐘周期內(nèi)的數(shù)字控制振蕩器時鐘脈沖邊沿數(shù)進(jìn)行計數(shù)，因此，對于512倍的倍頻器，鎖頻環(huán)應(yīng)該在參考時鐘的每兩個上升沿之間得到512個數(shù)字控制振蕩器輸出的上升沿。鎖頻環(huán)的實現(xiàn)大多借助數(shù)字邏輯電路，不需要外部濾波器件。

　　內(nèi)部參考時鐘是一個可調(diào)整的內(nèi)部參考時鐘信號，既可用作鎖頻環(huán)的參考時鐘，也可直接用作CPU和總線時鐘的時鐘 
源。這個內(nèi)部參考時鐘不需要諸如調(diào)整電容或電阻等外部元件。內(nèi)部參考時鐘由寄存器中的一個9位數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，解析度典型值能達(dá)到未調(diào)整內(nèi)部參考時鐘頻率的O．1％。與許多其他的內(nèi)部參考時鐘不同，這個內(nèi)部參考時鐘可將頻率在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，從31．25 kHz變到39．06 kHz。當(dāng)用作鎖頻環(huán)的參考時鐘時，允許用戶用O．1％的解析度，把總線頻率設(shè)定為8 MHz～10 MHz的任意值。

　　實際上，外部振蕩器參考時鐘把三個外部時鐘源合并在一個里面。它有一個采用32 kHz～38．4 kHz晶振或諧振器的低頻振蕩器，還有一個采用1 MHz～16 MHz晶振或諧振器的高頻振蕩器。這兩個振蕩器需要兩個引腳(即XTAL和EXTAL)來生成時鐘信號。外部振蕩器還有一種外部時鐘模式。該模式簡單地把一個外部時鐘信號引入MCU。在此模式中，只需要EXTAL腳，而XTAL腳可用作通用I／O。輸入頻率可以是OHz～20MHz之間的任意值。由于引腳的限制，有些MCU可能沒有外部振蕩器。

　　時鐘選擇邏輯只是簡單地選擇鎖頻環(huán)、外部參考時鐘或內(nèi)部參考時鐘作為內(nèi)部時鐘源模塊的輸出。此外，還采用了一個時鐘分頻器電路，可以對輸出進(jìn)行1倍、2倍、4倍或8倍分頻，用以降低輸出時鐘的頻率。

　　2 內(nèi)部時鐘源的工作模式

　　2．1 關(guān)斷模式

　　當(dāng)進(jìn)入微控制器的任何一種低功耗停止模式時，內(nèi)部時鐘源模塊將被關(guān)斷。在關(guān)斷模式中，鎖頻環(huán)是關(guān)閉的，以節(jié)省功耗；然而，在停止3模式中，可以選擇將外部參考時鐘、內(nèi)部參考時鐘或二者都保持在運(yùn)行狀態(tài)。這項功能使某些模塊可以在停止3模式中繼續(xù)運(yùn)行。比如，實時中斷模塊等，它能繼續(xù)用外部參考時鐘作為其參考時鐘。如果在應(yīng)用中沒有需要繼續(xù)使用的模塊，參考時鐘應(yīng)關(guān)閉，以得到最低的運(yùn)行功耗。

　　2．2 FEI模式

　　FEI(FLL啟用、選用內(nèi)部參考時鐘)模式是芯片復(fù)位后的缺省模式，鎖頻環(huán)處于運(yùn)行狀態(tài)可驅(qū)動CPU和總線時鐘，采用內(nèi)部時鐘源作為其參考時鐘。FEI模式下的總線頻率可按下式計算：

　　MC9S08QG8的內(nèi)部參考時鐘頻率可以在3l.25kHz～39.06 kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，因此經(jīng)過512倍頻后，可以輸出16 MHz～20MHz。與其他同類產(chǎn)品不同的是，在復(fù)位發(fā)生后，上述時鐘分頻器會給輸出時鐘一個強(qiáng)制的2分頻。這是為了在內(nèi)部時鐘模塊未經(jīng)調(diào)整且運(yùn)行頻率高于31．25kHz的時候，對系統(tǒng)提供保護(hù)。如果運(yùn)行頻率高于8 MHz，就超出了MC9S08QG8低電壓(小于2．1V)的最大頻率規(guī)定值。　　

　　每一次上電復(fù)位后，內(nèi)部參考時鐘都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，以得到精確的頻率。

　　2.3 FEE模式

　　FEE(FLL啟用、選用外部參考時鐘)模式下，鎖頻環(huán)處于運(yùn)行狀態(tài)，可驅(qū)動CPU和總線時鐘，采用外部時鐘源作為其參考時鐘。為了讓系統(tǒng)正常運(yùn)行，鎖頻環(huán)的輸出要求在16 MHz～20MHz之間。這樣外部參考時鐘會受到限制。內(nèi)部時鐘源模塊有一個參考時鐘分頻器，可用于降低外部參考時鐘的頻率，表l列出了根據(jù)分頻設(shè)置所能容許的外部頻率。

　　FEI模式下的總線頻率可按下式計算：

　　2．4 FBI和FBILP模式

　　FBI(鎖頻環(huán)旁路、內(nèi)部參考時鐘)和FBILP(鎖頻環(huán)旁路、內(nèi)部參考時鐘低功耗)模式均旁路鎖頻環(huán)，而直接采用內(nèi)部時鐘源生成時鐘信號。不同之處在于，F(xiàn)BI模式讓鎖頻環(huán)保持運(yùn)行，而FBILP模式則關(guān)閉鎖頻環(huán)，從而降低更多的功耗。 FBILP是通過配置為FBI并設(shè)定ICS控制寄存器2(ICSC2)中的LP位來啟動的。

　　采用FBI而非FBILP的原因之一，是為了采用背景調(diào)試模式(BDM)；其二，當(dāng)需要切換到FEI時可節(jié)省鎖頻環(huán)的鎖定時間。鎖頻環(huán)必須處于運(yùn)行狀態(tài)才 
能給背景調(diào)試模式通信提供一個高速時鐘源。鎖定時間的最大規(guī)定值為lms，通常需要約500μs。關(guān)閉鎖頻環(huán)可節(jié)省大約220～310μA的電流。

　　2．5 FBE和FBELP模式

　　FBE(FLL旁路、外部參考時鐘)和FBELP(FLL旁路、外部參考時鐘低功耗)模式與2．4小節(jié)中的FBI和FBILP模式類似。除了是用外部時鐘產(chǎn)生時鐘源，而不是用內(nèi)部時鐘源外，F(xiàn)LL仍被旁路，LP位則在未啟動BDM時關(guān)閉鎖頻環(huán)。

　　3 低功耗模式中的內(nèi)部時鐘源

　　3．1 停止1和停止2模式

　　當(dāng)MCU進(jìn)入停止1或停止2模式時，內(nèi)部時鐘源總是被置于關(guān)斷模式。因此，執(zhí)行STOP指令時。內(nèi)部時鐘模塊所處的模式無關(guān)緊要，也不會影響處于停止l和停止2期間的功耗。

　　由于停止1和停止2模式均導(dǎo)致MCU在停止恢復(fù)時執(zhí)行上電復(fù)位，因此，復(fù)位后的模式總是 FEI，總線分頻被設(shè)置為2分頻，產(chǎn)生大約4MHz的總線時鐘。內(nèi)部時鐘調(diào)整位ICSTRM將被重置為0x80，微調(diào)寄存器的FTRIM位會被清零，所以如果要采用內(nèi)部參考時鐘，則須對它進(jìn)行重新校準(zhǔn)；如果調(diào)整值已保存在Flash存儲器中，則須把保存值重新載入寄存器。

　　3．2 停止3模式

　　當(dāng)進(jìn)入停止3模式后，內(nèi)部時鐘源的大部分(包括鎖頻環(huán))將關(guān)閉。內(nèi)部時鐘源在執(zhí)行STOP指令時所處的模式不會影響停止3的功耗。但是，ICS的兩個控制位，IREFSTEN和EREFSTEN會影響停止3的電流。若置1，則IREFSTEN可使 IRC在停止3模式中保持啟用狀態(tài)；

　　同樣，若置1，則EREFSTEN可使OSC在停止3模式中保持啟用狀態(tài)。將IREFSTEN置位，將產(chǎn)生約100μA的停止3電流；將EREFSTEN置位，將對停止3電流產(chǎn)生不同的影響，取決于OSC的頻率和設(shè)置。

　　如果因復(fù)位而退出停止3，ICS會像停止1或停止2的恢復(fù)那樣回復(fù)至FEI模式。不同之處是調(diào)整值不會重置，除非發(fā)生了上電復(fù)位。

　　4 內(nèi)部時鐘校準(zhǔn)

　　系統(tǒng)經(jīng)過上電復(fù)位后，ICSTRM將被重置為0x80，F(xiàn)TRIM位會被清零。如果要采用內(nèi)部參考時鐘，則需要對其進(jìn)行重新校準(zhǔn)。增大ICSTRM的值，將降低參考時鐘頻率；相反，減小ICSTRM的值，將提高參考時鐘頻率。FTRIM置0或1會更精細(xì)地對頻率進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)這個原理，內(nèi)部時鐘校準(zhǔn)的程序流程框圖如圖2所示。

　　關(guān)于具體的程序町根據(jù)參考文獻(xiàn)編制。待ICGTRM和FTRIM選定后，可存入微控制器的Flash中，下次上電復(fù)位后直接讀取數(shù)值載入即可。

　　結(jié)語

　　恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用時鐘設(shè)置，對于降低微控制器的功耗有很大幫助。在微控制器各種不同的運(yùn)行模式下，時鐘都有不同的配置方法與之配合。同樣的方案也適用于功能類似的微控制器。巧妙地運(yùn)用各種時鐘模式，可以使系統(tǒng)的功耗最低。