飞思卡尔S08QE系列低功耗微控制器分析

随着消费电子行业向超移动便携式设计演进，提高性能和降低功耗已成为基本的设计要求。为了响应这些需求，2008年3月份拉开帷幕的飞思卡尔技术论坛设计应用大奖赛（FTF Design Challenge）在日本、欧洲、中国和印度相继举行，该赛事致力于鼓励各界设计高手设计一款有益于环境的产品，使世界变得更干净、更环保。

作为此次设计应用大奖赛的指定参赛芯片，飞思卡尔半导体的超低功率8位微控制器S08QE8旨在增强各种嵌入式应用的便携性能，提高能效。节能的QE系列采用了Eterna技术在电池供电的应用中延长电池的使用寿命，它所采用的超低功耗方法和优化的外围器件可以达到很高的功率性能。

S08QE8是飞思卡尔QE系列中的一员，其32引脚LQFP封装微控制器与S08QE128和ColdFire V1系列微控制器是引脚兼容的，这为用户提供了很大的设计、移植灵活性。S08QE8有个不到1微安电流消耗的超低功率32 kHz振荡器，还包括电池节电功能，如两种超低功耗停止模式、新的低功耗运行和等待模式、将CPU从停止3模式下唤醒仅需6μs、用户可通过写禁用时钟寄存器随意设定禁用外围模块的时钟。此外，QE8还提供了多达8KB的闪存和一个10通道、12位的模数转换器(ADC)。
 
图1 S08QE8/4的结构框图

S08QE8还有低至1.8V的电源电压、20MHz的CPU内核、两个定时器、UART、SPI、I2C和两个模拟比较器—非常适合于高性价比的便携式医疗保健类应用。

S08QE8特性及优势

节能特性：两种超低功耗(ULP)停止模式，其中一种允许有限使用外围设备；新的低功耗运行和等待模式；停止3模式下的典型唤醒时间为6μs。这样的优点是：允许应用程序在低功耗状态下继续采样，从而延长电池使用寿命；允许在低功耗状态下使用所有的片上外围设备；可以从停止模式快速启动。可关闭闲置不用的外围设备时钟的门控时钟，提供单独关闭各模块的极大灵活性，最大限度降低功耗。

8位HCS08 CPU： 1.8~3.6V时高达20MHz的HCS08 CPU，温度范围从-40℃~+85℃。这就使得在电池供电的应用中，即使在低电压下仍然有高性能；1.8V~3.6V范围内提供10MHz的总线速度。HCS08指令集，增加了BGND指令，向下兼容68HC08和68HC05的目标代码，从而可以重复利用现有的软件资源；也可以用汇编或C编译器进行高效紧凑的模块编码；同时，BGND允许用户进入后台调试模式，充分利用内置在线调试器(ICE)的功能。

片内存储器：在整个工作电压和温度范围内，可对多达8KB的闪存进行读/编程/擦除操作。显然，这就允许用户能够在几乎任何环境中进行在线编程。片内有512字节的随机存储器(RAM)，安全电路可防止对RAM和闪存的非法访问，以降低系统功耗。

系统保护：计算机运行正常的看门狗(COP)，可选择采用专用的1kHz内部时钟源或总线时钟进行复位。这可以使器件能识别跑飞代码(死循环)并复位处理器以避免锁死状态。带复位或中断的低电压检测，触发电压可选。可以利用此性能来在电压跌落至正常工作范围以外时发出警告。带复位的非法代码和地址检测，使器件能够识别错误代码并复位处理器以避免锁死状态。闪存块保护，可以防止对受保护闪存进行意外编程，这将极大地降低损坏商业程序中的重要系统代码的概率。

开发支持：单线后台调试接口：使开发人员能够在S08和ColdFire V1平台之间使用相同的硬件连接器。断点设置：在线调试过程中可设置一个断点(外加内置调试模块中的另三个断点)。包含三个比较器和九种触发方式的ICE调试模块。八级深度的先进先出缓存，用于保存流程变化地址和单事件数据——调试模块支持标记和强制断点。提供内置的全仿真功能，无需使用昂贵的传统仿真器。具有ΜSB接口，用于S08系列单片机开发的开源BDM调试器TBDML也可用于S08QE8单片机的开发。

S08QE8外围设备及特点分析

S08QE8/4的结构框图如图1所示，下面具体分析各模块的特性。

10通道12位精度ADC ：单通道A/D转换时间2.5μs，有自动比较功能，内部集成了1个1.7mV/℃的温度传感器。内部还有其他它通道用于采集温度传感器、内部参考电压等信息、可在停止3模式下运行。其优点在于可用极高速度对多达10个模拟信号采样，在MCU从1.8V到3.6V的整个工作电压范围内都可以运行。
两个3通道(TPM1和TPM2)定时器：每个通道可选为输入捕捉、输出比较或带缓存的边沿/中心对齐PWM。这两个TPM可使用不同的时基，总共可达12个定时器通道。

实时时钟计数器(RTC)：基于二进制或十进制预分频的8位模数计数器，可由外部时钟提供精确时基，完成时间、日历或任务调度功能。自由运行的1kHz片上低功耗振荡器无需外部器件即可提供周期性唤醒功能。

串行通信接口(SCI)：提供异步通信，可产生13位间隔符，具有灵活的波特率发生器，双缓存收发及可选的硬件奇偶校验生成器。这为用户提供了标准的UART通信设备，允许MCU与远程设备通信，同时，其接收中断可在低功耗模式下唤醒MCU。

两个模拟比较器：可选择与内部参考电压比较，将输出连接到定时/脉宽调制器(PWM)上作为输入捕捉的触发信号。这样仅需1个引脚用于输入，另5个管脚可作它用；同时系统中的其它模块能以最小的延迟得到比较结果；模拟比较器还可用于单斜率ADC和RC时间常数测量。

同步串行外设接口(SPI)：该模块具有全双工或单线双向通信方式，双缓存收发、主/从模式、高位优先(MSB-first)或低位优先(LSB-first)切换。这就允许与其它CPU或外设，如MC1319x射频收发器等高速通信(高达5Mbps)。

高速I2C总线：高速I2C总线在最大负荷下仍可达到100kbps的速度。多主机操作、可编程的从机地址、中断驱动的逐字节数据发送、支持广播模式和10位寻址等特点。这就允许用户通过添加I2C EEPROM来扩大系统内存，当然也可以添加更多其它I2C器件。

输入/输出口(GPIO)：S08QE8有27路通用输入/输出(GPIO)和1个单输入、1个单输出端。8个极性可选的键盘中断(KBI)引脚，可用于键盘输入或其他中断。

S08QE8典型应用

作为飞思卡尔超低功率QE系列的成员，MC9S08QE8休眠态功耗不到300纳安，运行电流低至7微安。这种低功率运行使QE8器件非常适合于低端节能应用，例如中低端医疗设备，血压监控器、妊娠试验仪等；其他便携设备，如PDA和手机配件；低功率无线类应用、安全系统、烟雾报警、安全探测、电子玩具等领域。■(更多关于飞思卡尔技术论坛设计应用大奖赛参赛芯片的信息，请访问：www.freescale. com.cn/designchallenge)