飛思卡爾S08QE系列低功耗微控制器分析

隨著消費電子行業向超移動便攜式設計演進，提高性能和降低功耗已成為基本的設計要求。為了響應這些需求，2008年3月份拉開帷幕的飛思卡爾技術論壇設計應用大獎賽（FTF Design Challenge）在日本、歐洲、中國和印度相繼舉行，該賽事致力于鼓勵各界設計高手設計一款有益于環境的產品，使世界變得更干凈、更環保。

作為此次設計應用大獎賽的指定參賽芯片，飛思卡爾半導體的超低功率8位微控制器S08QE8旨在增強各種嵌入式應用的便攜性能，提高能效。節能的QE系列采用了Eterna技術在電池供電的應用中延長電池的使用壽命，它所采用的超低功耗方法和優化的外圍器件可以達到很高的功率性能。

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計、移植靈活性。S08QE8有個不到1微安電流消耗的超低功率32 kHz振蕩器，還包括電池節電功能，如兩種超低功耗停止模式、新的低功耗運行和等待模式、將CPU從停止3模式下喚醒僅需6μs、用戶可通過寫禁用時鐘寄存器隨意設定禁用外圍模塊的時鐘。此外，QE8還提供了多達8KB的閃存和一個10通道、12位的模數轉換器(ADC)。
 
圖1 S08QE8/4的結構框圖

S08QE8還有低至1.8V的電源電壓、20MHz的CPU內核、兩個定時器、UART、SPI、I2C和兩個模擬比較器—非常適合于高性價比的便攜式醫療保健類應用。

S08QE8特性及優勢

節能特性：兩種超低功耗(ULP)停止模式，其中一種允許有限使用外圍設備；新的低功耗運行和等待模式；停止3模式下的典型喚醒時間為6μs。這樣的優點是：允許應用程序在低功耗狀態下繼續采樣，從而延長電池使用壽命；允許在低功耗狀態下使用所有的片上外圍設備；可以從停止模式快速啟動。可關閉閑置不用的外圍設備時鐘的門控時鐘，提供單獨關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時高達20MHz的HCS08 CPU，溫度范圍從-40℃~+85℃。這就使得在電池供電的應用中，即使在低電壓下仍然有高性能；1.8V~3.6V范圍內提供10MHz的總線速度。HCS08指令集，增加了BGND指令，向下兼容68HC08和68HC05的目標代碼，從而可以重復利用現有的軟件資源；也可以用匯編或C編譯器進行高效緊湊的模塊編碼；同時，BGND允許用戶進入后臺調試模式，充分利用內置在線調試器(ICE)的功能。

片內存儲器：在整個工作電壓和溫度范圍內，可對多達8KB的閃存進行讀/編程/擦除操作。顯然，這就允許用戶能夠在幾乎任何環境中進行在線編程。片內有512字節的隨機存儲器(RAM)，安全電路可防止對RAM和閃存的非法訪問，以降低系統功耗。

系統保護：計算機運行正常的看門狗(COP)，可選擇采用專用的1kHz內部時鐘源或總線時鐘進行復位。這可以使器件能識別跑飛代碼(死循環)并復位處理器以避免鎖死狀態。帶復位或中斷的低電壓檢測，觸發電壓可選。可以利用此性能來在電壓跌落至正常工作范圍以外時發出警告。帶復位的非法代碼和地址檢測，使器件能夠識別錯誤代碼并復位處理器以避免鎖死狀態。閃存塊保護，可以防止對受保護閃存進行意外編程，這將極大地降低損壞商業程序中的重要系統代碼的概率。

開發支持：單線后臺調試接口：使開發人員能夠在S08和ColdFire V1平臺之間使用相同的硬件連接器。斷點設置：在線調試過程中可設置一個斷點(外加內置調試模塊中的另三個斷點)。包含三個比較器和九種觸發方式的ICE調試模塊。八級深度的先進先出緩存，用于保存流程變化地址和單事件數據——調試模塊支持標記和強制斷點。提供內置的全仿真功能，無需使用昂貴的傳統仿真器。具有ΜSB接口，用于S08系列單片機開發的開源BDM調試器TBDML也可用于S08QE8單片機的開發。

S08QE8外圍設備及特點分析

S08QE8/4的結構框圖如圖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轉換時間2.5μs，有自動比較功能，內部集成了1個1.7mV/℃的溫度傳感器。內部還有其他它通道用于采集溫度傳感器、內部參考電壓等信息、可在停止3模式下運行。其優點在于可用極高速度對多達10個模擬信號采樣，在MCU從1.8V到3.6V的整個工作電壓范圍內都可以運行。
兩個3通道(TPM1和TPM2)定時器：每個通道可選為輸入捕捉、輸出比較或帶緩存的邊沿/中心對齊PWM。這兩個TPM可使用不同的時基，總共可達12個定時器通道。

實時時鐘計數器(RTC)：基于二進制或十進制預分頻的8位模數計數器，可由外部時鐘提供精確時基，完成時間、日歷或任務調度功能。自由運行的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，可產生13位間隔符，具有靈活的波特率發生器，雙緩存收發及可選的硬件奇偶校驗生成器。這為用戶提供了標準的UART通信設備，允許MCU與遠程設備通信，同時，其接收中斷可在低功耗模式下喚醒MCU。

兩個模擬比較器：可選擇與內部參考電壓比較，將輸出連接到定時/脈寬調制器(PWM)上作為輸入捕捉的觸發信號。這樣僅需1個引腳用于輸入，另5個管腳可作它用；同時系統中的其它模塊能以最小的延遲得到比較結果；模擬比較器還可用于單斜率ADC和RC時間常數測量。

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

高速I2C總線：高速I2C總線在最大負荷下仍可達到100kbps的速度。多主機操作、可編程的從機地址、中斷驅動的逐字節數據發送、支持廣播模式和10位尋址等特點。這就允許用戶通過添加I2C EEPROM來擴大系統內存，當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個單輸入、1個單輸出端。8個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典型應用

作為飛思卡爾超低功率QE系列的成員，MC9S08QE8休眠態功耗不到300納安，運行電流低至7微安。這種低功率運行使QE8器件非常適合于低端節能應用，例如中低端醫療設備，血壓監控器、妊娠試驗儀等；其他便攜設備，如PDA和手機配件；低功率無線類應用、安全系統、煙霧報警、安全探測、電子玩具等領域。■(更多關于飛思卡爾技術論壇設計應用大獎賽參賽芯片的信息，請訪問：www.freescale. com.cn/designchallenge)