一種8位微控制器的外圍資源設(shè)計

王津飛 居水榮 白爍 郭凱鵬

摘? 要：首先介紹了作者所設(shè)計的MC008X系列8位MCU的特點及功能框圖，然后具體介紹了該系列微控制器的外圍資源設(shè)計，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：

（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/計數(shù)器：10-bit 定時器/計數(shù)器。

（6）LCD 點陣：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)注點放在其它的一些外圍資源模塊上。

3 外圍資源的設(shè)計

3.1 具有較寬動態(tài)工作范圍的晶振驅(qū)動電路設(shè)計

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。基于其作用，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、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)計實例，對于常見的8位微控制器設(shè)計有典型的參考意義。

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