王津飛 居水榮 白爍 郭凱鵬
摘? 要:首先介紹了作者所設(shè)計(jì)的MC008X系列8位MCU的特點(diǎn)及功能框圖,然后具體介紹了該系列微控制器的外圍資源設(shè)計(jì),包括晶振驅(qū)動電路、RC振蕩器、低電壓復(fù)位電路、電流型DAC、差分放大和恒流源輸出。
關(guān)鍵詞:微控制器;外圍資源;RC振蕩器;電流型DAC
中圖分類號:TP332? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號:2095-2945(2019)06-0048-03
1 概述
通常的微控制器除了CPU內(nèi)核之外,還應(yīng)該包括以下外圍資源:存儲器(ROM、RAM)、顯示驅(qū)動電路(如LCD驅(qū)動、LED驅(qū)動等)、語音輸出(包括DAC轉(zhuǎn)換、PWM控制等)、輸入/輸出端口、振蕩器(如晶振、RC振蕩器等)、上電復(fù)位電路和低電壓檢測電路等等。本文以一種8位低成本、低功耗微控制器——MC008X為例,具體介紹在盡量控制芯片成本的前提下,如何設(shè)計(jì)微控制器的這些外圍資源,使得這顆微控制器的用戶在使用過程中方便、好用、應(yīng)用面廣等。
2 MC008X系列MCU綜述
在介紹MC008X系列微控制器的外圍資源設(shè)計(jì)之前,為了對這個系列的MCU能夠有一個比較全面、清楚的認(rèn)識,先介紹一下這個系列MCU的特點(diǎn):
(1)CPU:8-bit CISC微控制器。
(2)工作電壓:2.4V~6.0V。
(3)工作電流:120μA/100kHz @3.0V(工作);<8μA@(睡眠模式)。
(4)工作頻率:2MHz @ 3.0V。
(5)定時器/計(jì)數(shù)器:10-bit 定時器/計(jì)數(shù)器。
(6)LCD 點(diǎn)陣:LCD matrix
34x4或30x8。
(7)語音/音調(diào):8-bit DAC 語音/音調(diào)或數(shù)字信號輸出。
(8)看門狗:內(nèi)建2Hz的看門狗定時器。
(9)喚醒:包括鍵盤輸入喚醒、定時器喚醒。
(10)時鐘源:雙振蕩器(32768晶振l、RC振蕩器)。
(11)RAM/ROM:128x8 bits(RAM);7680x8 bits (ROM)。
(12)中斷源:三種時基中斷、定時器中斷、外部中斷。
(13)8個輸入口:有鍵盤喚醒功能,并且包含四種組態(tài)。
(14)雙向口:8個通用的雙向口,8個特殊用途的雙向口可用來開發(fā)各種應(yīng)用。
(15)系統(tǒng)復(fù)位:外部復(fù)位;看門狗復(fù)位;上電復(fù)位、低電壓復(fù)位。
MC008X系列微控制器功能框圖如圖1所示。
本文不涉及圖中的CPU內(nèi)核部分,而是把關(guān)注點(diǎn)放在其它的一些外圍資源模塊上。
3 外圍資源的設(shè)計(jì)
3.1 具有較寬動態(tài)工作范圍的晶振驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
該微控制器的晶振模塊的構(gòu)架如圖2所示。
當(dāng)用戶使用R-OSC來代替晶振時,圖2中的Strong/Weak將不起作用,時基將不精確。復(fù)位程序執(zhí)行完成后應(yīng)該至少保持1秒的Strong模式,然后轉(zhuǎn)入Weak模式以節(jié)省功耗。
為節(jié)約能源、降低功耗,本電路的晶振有Strong和Weak兩種工作模式,由信號h122控制:h122=0時,電路工作于Weak模式;h122=1時,電路工作于Strong模式。兩種模式的功耗大約相差15倍。
Strong模式的起振時間為45?滋s,Weak模式的起振時間為260?滋s。
晶振驅(qū)動電路中有兩個電阻R2、R3,其作用就是在Weak模式下降低電路的工作電流,從而降低本電路的功耗?;谄渥饔?,這兩個電阻的取值不必過于精確,但是也不能過大,否則晶振將由于振幅過小而導(dǎo)致得不到時鐘信號。
晶振驅(qū)動中設(shè)置倒比管P10和N10作為晶振的反饋電阻,如果P10和N10的長度太?。?lt;70?滋m),晶振將無法起振;太大又會導(dǎo)致起振時間的延長。
3.2 恒流源作偏置的RC振蕩器
MC008X中的RC振蕩器由延時控制電路、恒流偏置電路和多諧振蕩電路三部分組成。
(1)控制延時電路:該電路的作用主要是在h110由高變低時,產(chǎn)生一個約0.16?滋s的延時脈沖,開啟N7,將B78拉為低電平,在延時脈沖結(jié)束后,振蕩器起振。由于上電時B78由零電平開始上升,因此實(shí)際上該延時功能只在SLEEP→WAKEUP時才起作用。
(2)偏置電路:由Rosc(外接)、R2、N8、N9、N10、C8和P1、N3、N2、P5、N5組成。Rosc(50K)為偏置電路提供直流通路,N8、N10利用自身負(fù)反饋將B78點(diǎn)電位穩(wěn)定于1.05V,供其他偏置電路使用。C8接于N10柵極起穩(wěn)定作用。N3在B78的控制下作為恒流源為P6、P5提供偏置,使其作為振蕩器負(fù)載工作于線性區(qū)以利于頻率的提高。P2接成二極管起限幅作用。C1起穩(wěn)定工作點(diǎn)、消除干擾的作用。
(3)振蕩器部分由I19、I18、I0、I21、I4、
P0、N0、N1、P6、P3、P5、N4、C0、C2組成,其中I18、I0構(gòu)成多諧振蕩器,C0、C2為定時電容:P0導(dǎo)通時,C0放電,P0關(guān)閉時,C0充電,使N1瞬間關(guān)閉,產(chǎn)生一脈沖觸發(fā)RS觸發(fā)器,實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)振蕩,h111輸出4MHz的時鐘信號。
仿真結(jié)論:
(1)Rosc、R2的變化對頻率有影響,但是影響不大,因此可以通過調(diào)節(jié)R2來對振蕩器頻率進(jìn)行微調(diào):
(2)C0、C2對振蕩頻率影響較大。
3.3 利用電壓比較器的低電壓復(fù)位結(jié)構(gòu)
MC008X總共有三種復(fù)位方式:上電復(fù)位和低電壓復(fù)位。
上電時,h127為“0”,w1有一個從低電平上升到高電平的過程,這個低電平使h16上升為高電平,從而使系統(tǒng)內(nèi)部開始復(fù)位;在RC振蕩器時鐘持續(xù)16個周期后,h127上升為高電平,使得h16降為低電平,上電復(fù)位結(jié)束,在這之后h127保持為32分頻的周期性脈沖信號,在沒有其他兩種方式復(fù)位時,使h16保持低電平。上電復(fù)位時間為4?滋s。
低電壓復(fù)位是指電路在工作過程中由于VDD的降低而引起的電路復(fù)位。電路的基本原理是:用1/3VDD與0.8V進(jìn)行比較,若前者大于后者,則電路正常工作;否則電路復(fù)位。具體到邏輯圖,1/3 VDD由R4、R5分壓得到,0.8V則由二極管D0提供,因此電路的正常工作電壓為>2.4V。當(dāng)VDD>2.4V時,W10>0.8V,差動放大電路輸出W4為低電平,使W6=0,net142保持為高電平,W1=1,從而h16保持為“0”;當(dāng)VDD<2.4V時,W10<0.8V,差動輸出W4為高電平,使W6=1,在隨后到來的h127的第二個下降沿,net142由“1”變“0”,W1也就下降為“0”,h16上升為“1”,電路復(fù)位。如果以后VDD又上升到>2.4V,則電路又將轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。由以上分析可知,電阻R4/R5=1:2要求盡量準(zhǔn)確。
3.4 等值恒流源電流型D/A
MC008X是一帶語音/音調(diào)輸出的8-bit 微控制器,它提供以電流型DA作為語音和單音曲調(diào)輸出方式,可以直接驅(qū)動晶體管;除此之外,還提供了音調(diào)輸出,可以直接驅(qū)動蜂鳴器,這兩種模式共用一個AUD輸出端。在電流型DA模式,為了減小關(guān)斷電流型DA的噪聲,應(yīng)該平緩地關(guān)掉電流型DA輸出至輸出電流,直至為零,為了節(jié)省功耗,在電流型DA不用時應(yīng)該關(guān)斷它。音調(diào)輸出是一個全幅(VDD和VSS)信號,它的頻率源是定時器進(jìn)位的頻率除以2。
為了更清楚地說明這部分電路的功能,筆者詳細(xì)地畫出了這部分電路圖,如圖3所示。
圖3就是一個電流標(biāo)度的D/A轉(zhuǎn)換電路,共有三種工作方式:音調(diào)(TONE)模式、語音(Speech)模式、單音曲調(diào)(Melody)模式,下面將對這三種方式依次進(jìn)行分析:
(1)TONE方式:在這種方式下,首先d<6>=0并被鎖存,電路處于TOG狀態(tài),下面一路被選通,在周期性脈沖信號h47的作用下,AUD輸出高、低電平分別為3V、0V的方波。
(2)Speech方式:首先寄存器$1E被選中,d<6>=1被鎖存,電路處于DAC狀態(tài),這時最后一級倒向器的P管和N管都被關(guān)閉,AUD由D/A轉(zhuǎn)換電路提供比例電流。D<6:1>的值越大,從AUD端輸出的電流也越大,并且對于d<6:1>的某一個值,輸出電流是恒定的。
(3)Melody:與Speech大致相同。不同之處在于,用于產(chǎn)生比例電流的只有d<5:1>,并且對于d<5:1>的某一個值,在AUD輸出的電流是方波,其頻率與h47的頻率相同。假定某一個值在 Speech方式下的輸出電流為I0,那么在Melody狀態(tài)下,輸出電流的振幅為(I0,Imax-I0)。I0的最大值為33/65Imax。
3.5 差分放大器作靈敏放大
H42為RAM寫信號,h43為RAM讀信號、差動放大器刷新信號。在每一次讀寫之前,H44為“1”,將RAM的數(shù)據(jù)線net84和net108刷新為1.83V,以提高RAM的讀寫速度。由于RAM中存儲的高電平只有1.7V,因此在讀出數(shù)據(jù)時有必要經(jīng)過差動放大器的處理,從而在數(shù)據(jù)總線上得到正確的電平。在寫RAM的同時靈敏放大器被刷新。而每一次讀、寫后RAM的數(shù)據(jù)線都將被刷新(h44=1)。
3.6 利用恒流源作ROM輸出
從邏輯上看,D=DI,該部分電路一大堆復(fù)雜的邏輯,目的只是為了提高ROM輸出的抗干擾能力。倒相器I24和latrom中的傳輸門的寬長比必須滿足一定要求,現(xiàn)取1.8/0.6,當(dāng)這些管子的寬長比為2.5/2.5時,會導(dǎo)致輸出電平損失過大,使后級電路無法翻轉(zhuǎn),從而造成輸出D恒為高電平。
4 結(jié)束語
微控制器的外圍設(shè)計(jì)是相對于其CPU部分來說的。外圍資源的豐富程度決定了該微控制器的使用范圍,但外圍資源的增加同時也會使得整個微控制器的芯片成本增加。本文給出了一種8位微控制器的外圍資源設(shè)計(jì)實(shí)例,對于常見的8位微控制器設(shè)計(jì)有典型的參考意義。
參考文獻(xiàn):
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