飛思卡爾S08QE系列低功耗微控制器分析

隨著消費(fèi)電子行業(yè)向超移動(dòng)便攜式設(shè)計(jì)演進(jìn)，提高性能和降低功耗已成為基本的設(shè)計(jì)要求。為了響應(yīng)這些需求，2008年3月份拉開帷幕的飛思卡爾技術(shù)論壇設(shè)計(jì)應(yīng)用大獎(jiǎng)賽（FTF Design Challenge）在日本、歐洲、中國和印度相繼舉行，該賽事致力于鼓勵(lì)各界設(shè)計(jì)高手設(shè)計(jì)一款有益于環(huán)境的產(chǎn)品，使世界變得更干凈、更環(huán)保。

作為此次設(shè)計(jì)應(yīng)用大獎(jiǎng)賽的指定參賽芯片，飛思卡爾半導(dǎo)體的超低功率8位微控制器S08QE8旨在增強(qiáng)各種嵌入式應(yīng)用的便攜性能，提高能效。節(jié)能的QE系列采用了Eterna技術(shù)在電池供電的應(yīng)用中延長電池的使用壽命，它所采用的超低功耗方法和優(yōu)化的外圍器件可以達(dá)到很高的功率性能。

S08QE8是飛思卡爾QE系列中的一員，其32引腳LQFP封裝微控制器與S08QE128和ColdFire V1系列微控制器是引腳兼容的，這為用戶提供了很大的設(shè)計(jì)、移植靈活性。S08QE8有個(gè)不到1微安電流消耗的超低功率32 kHz振蕩器，還包括電池節(jié)電功能，如兩種超低功耗停止模式、新的低功耗運(yùn)行和等待模式、將CPU從停止3模式下喚醒僅需6μs、用戶可通過寫禁用時(shí)鐘寄存器隨意設(shè)定禁用外圍模塊的時(shí)鐘。此外，QE8還提供了多達(dá)8KB的閃存和一個(gè)10通道、12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
 
圖1 S08QE8/4的結(jié)構(gòu)框圖

S08QE8還有低至1.8V的電源電壓、20MHz的CPU內(nèi)核、兩個(gè)定時(shí)器、UART、SPI、I2C和兩個(gè)模擬比較器—非常適合于高性價(jià)比的便攜式醫(yī)療保健類應(yīng)用。

S08QE8特性及優(yōu)勢

節(jié)能特性：兩種超低功耗(ULP)停止模式，其中一種允許有限使用外圍設(shè)備；新的低功耗運(yùn)行和等待模式；停止3模式下的典型喚醒時(shí)間為6μs。這樣的優(yōu)點(diǎn)是：允許應(yīng)用程序在低功耗狀態(tài)下繼續(xù)采樣，從而延長電池使用壽命；允許在低功耗狀態(tài)下使用所有的片上外圍設(shè)備；可以從停止模式快速啟動(dòng)。可關(guān)閉閑置不用的外圍設(shè)備時(shí)鐘的門控時(shí)鐘，提供單獨(dú)關(guān)閉各模塊的極大靈活性，最大限度降低功耗。

8位HCS08 CPU： 1.8~3.6V時(shí)高達(dá)20MHz的HCS08 CPU，溫度范圍從-40℃~+85℃。這就使得在電池供電的應(yīng)用中，即使在低電壓下仍然有高性能；1.8V~3.6V范圍內(nèi)提供10MHz的總線速度。HCS08指令集，增加了BGND指令，向下兼容68HC08和68HC05的目標(biāo)代碼，從而可以重復(fù)利用現(xiàn)有的軟件資源；也可以用匯編或C編譯器進(jìn)行高效緊湊的模塊編碼；同時(shí)，BGND允許用戶進(jìn)入后臺(tái)調(diào)試模式，充分利用內(nèi)置在線調(diào)試器(ICE)的功能。

片內(nèi)存儲(chǔ)器：在整個(gè)工作電壓和溫度范圍內(nèi)，可對(duì)多達(dá)8KB的閃存進(jìn)行讀/編程/擦除操作。顯然，這就允許用戶能夠在幾乎任何環(huán)境中進(jìn)行在線編程。片內(nèi)有512字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)，安全電路可防止對(duì)RAM和閃存的非法訪問，以降低系統(tǒng)功耗。

系統(tǒng)保護(hù)：計(jì)算機(jī)運(yùn)行正常的看門狗(COP)，可選擇采用專用的1kHz內(nèi)部時(shí)鐘源或總線時(shí)鐘進(jìn)行復(fù)位。這可以使器件能識(shí)別跑飛代碼(死循環(huán))并復(fù)位處理器以避免鎖死狀態(tài)。帶復(fù)位或中斷的低電壓檢測，觸發(fā)電壓可選?？梢岳么诵阅軄碓陔妷旱渲琳９ぷ鞣秶酝鈺r(shí)發(fā)出警告。帶復(fù)位的非法代碼和地址檢測，使器件能夠識(shí)別錯(cuò)誤代碼并復(fù)位處理器以避免鎖死狀態(tài)。閃存塊保護(hù)，可以防止對(duì)受保護(hù)閃存進(jìn)行意外編程，這將極大地降低損壞商業(yè)程序中的重要系統(tǒng)代碼的概率。

開發(fā)支持：單線后臺(tái)調(diào)試接口：使開發(fā)人員能夠在S08和ColdFire V1平臺(tái)之間使用相同的硬件連接器。斷點(diǎn)設(shè)置：在線調(diào)試過程中可設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)(外加內(nèi)置調(diào)試模塊中的另三個(gè)斷點(diǎn))。包含三個(gè)比較器和九種觸發(fā)方式的ICE調(diào)試模塊。八級(jí)深度的先進(jìn)先出緩存，用于保存流程變化地址和單事件數(shù)據(jù)——調(diào)試模塊支持標(biāo)記和強(qiáng)制斷點(diǎn)。提供內(nèi)置的全仿真功能，無需使用昂貴的傳統(tǒng)仿真器。具有ΜSB接口，用于S08系列單片機(jī)開發(fā)的開源BDM調(diào)試器TBDML也可用于S08QE8單片機(jī)的開發(fā)。

S08QE8外圍設(shè)備及特點(diǎn)分析

S08QE8/4的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，下面具體分析各模塊的特性。

10通道12位精度ADC ：單通道A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間2.5μs，有自動(dòng)比較功能，內(nèi)部集成了1個(gè)1.7mV/℃的溫度傳感器。內(nèi)部還有其他它通道用于采集溫度傳感器、內(nèi)部參考電壓等信息、可在停止3模式下運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)在于可用極高速度對(duì)多達(dá)10個(gè)模擬信號(hào)采樣，在MCU從1.8V到3.6V的整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)都可以運(yùn)行。
兩個(gè)3通道(TPM1和TPM2)定時(shí)器：每個(gè)通道可選為輸入捕捉、輸出比較或帶緩存的邊沿/中心對(duì)齊PWM。這兩個(gè)TPM可使用不同的時(shí)基，總共可達(dá)12個(gè)定時(shí)器通道。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器(RTC)：基于二進(jìn)制或十進(jìn)制預(yù)分頻的8位模數(shù)計(jì)數(shù)器，可由外部時(shí)鐘提供精確時(shí)基，完成時(shí)間、日歷或任務(wù)調(diào)度功能。自由運(yùn)行的1kHz片上低功耗振蕩器無需外部器件即可提供周期性喚醒功能。

串行通信接口(SCI)：提供異步通信，可產(chǎn)生13位間隔符，具有靈活的波特率發(fā)生器，雙緩存收發(fā)及可選的硬件奇偶校驗(yàn)生成器。這為用戶提供了標(biāo)準(zhǔn)的UART通信設(shè)備，允許MCU與遠(yuǎn)程設(shè)備通信，同時(shí)，其接收中斷可在低功耗模式下喚醒MCU。

兩個(gè)模擬比較器：可選擇與內(nèi)部參考電壓比較，將輸出連接到定時(shí)/脈寬調(diào)制器(PWM)上作為輸入捕捉的觸發(fā)信號(hào)。這樣僅需1個(gè)引腳用于輸入，另5個(gè)管腳可作它用；同時(shí)系統(tǒng)中的其它模塊能以最小的延遲得到比較結(jié)果；模擬比較器還可用于單斜率ADC和RC時(shí)間常數(shù)測量。

同步串行外設(shè)接口(SPI)：該模塊具有全雙工或單線雙向通信方式，雙緩存收發(fā)、主/從模式、高位優(yōu)先(MSB-first)或低位優(yōu)先(LSB-first)切換。這就允許與其它CPU或外設(shè)，如MC1319x射頻收發(fā)器等高速通信(高達(dá)5Mbps)。

高速I2C總線：高速I2C總線在最大負(fù)荷下仍可達(dá)到100kbps的速度。多主機(jī)操作、可編程的從機(jī)地址、中斷驅(qū)動(dòng)的逐字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送、支持廣播模式和10位尋址等特點(diǎn)。這就允許用戶通過添加I2C EEPROM來擴(kuò)大系統(tǒng)內(nèi)存，當(dāng)然也可以添加更多其它I2C器件。

輸入/輸出口(GPIO)：S08QE8有27路通用輸入/輸出(GPIO)和1個(gè)單輸入、1個(gè)單輸出端。8個(gè)極性可選的鍵盤中斷(KBI)引腳，可用于鍵盤輸入或其他中斷。

S08QE8典型應(yīng)用

作為飛思卡爾超低功率QE系列的成員，MC9S08QE8休眠態(tài)功耗不到300納安，運(yùn)行電流低至7微安。這種低功率運(yùn)行使QE8器件非常適合于低端節(jié)能應(yīng)用，例如中低端醫(yī)療設(shè)備，血壓監(jiān)控器、妊娠試驗(yàn)儀等；其他便攜設(shè)備，如PDA和手機(jī)配件；低功率無線類應(yīng)用、安全系統(tǒng)、煙霧報(bào)警、安全探測、電子玩具等領(lǐng)域?！?更多關(guān)于飛思卡爾技術(shù)論壇設(shè)計(jì)應(yīng)用大獎(jiǎng)賽參賽芯片的信息，請(qǐng)?jiān)L問：www.freescale. com.cn/designchallenge)