一种8位微控制器的外围资源设计

王津飞 居水荣 白烁 郭凯鹏

摘  要：首先介绍了作者所设计的MC008X系列8位MCU的特点及功能框图，然后具体介绍了该系列微控制器的外围资源设计，包括晶振驱动电路、RC振荡器、低电压复位电路、电流型DAC、差分放大和恒流源输出。

关键词：微控制器;外围资源;RC振荡器;电流型DAC

中图分类号：TP332         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0048-03

1 概述

通常的微控制器除了CPU内核之外，还应该包括以下外围资源：存储器（ROM、RAM）、显示驱动电路（如LCD驱动、LED驱动等）、语音输出（包括DAC转换、PWM控制等）、输入/输出端口、振荡器（如晶振、RC振荡器等）、上电复位电路和低电压检测电路等等。本文以一种8位低成本、低功耗微控制器——MC008X为例，具体介绍在尽量控制芯片成本的前提下，如何设计微控制器的这些外围资源，使得这颗微控制器的用户在使用过程中方便、好用、应用面广等。

2 MC008X系列MCU综述

在介绍MC008X系列微控制器的外围资源设计之前，为了对这个系列的MCU能够有一个比较全面、清楚的认识，先介绍一下这个系列MCU的特点：

（1）CPU：8-bit CISC微控制器。

（2）工作电压：2.4V～6.0V。

（3）工作电流：120μA/100kHz @3.0V（工作）;<8μA@（睡眠模式）。

（4）工作频率：2MHz @ 3.0V。

（5）定时器/计数器：10-bit 定时器/计数器。

（6）LCD 点阵：LCD matrix

34x4或30x8。

（7）语音/音调：8-bit DAC 语音/音调或数字信号输出。

（8）看门狗：内建2Hz的看门狗定时器。

（9）唤醒：包括键盘输入唤醒、定时器唤醒。

（10）时钟源：双振荡器（32768晶振l、RC振荡器）。

（11）RAM/ROM：128x8 bits（RAM）;7680x8 bits （ROM）。

（12）中断源：三种时基中断、定时器中断、外部中断。

（13）8個输入口：有键盘唤醒功能，并且包含四种组态。

（14）双向口：8个通用的双向口，8个特殊用途的双向口可用来开发各种应用。

（15）系统复位：外部复位;看门狗复位;上电复位、低电压复位。

MC008X系列微控制器功能框图如图1所示。

本文不涉及图中的CPU内核部分，而是把关注点放在其它的一些外围资源模块上。

3 外围资源的设计

3.1 具有较宽动态工作范围的晶振驱动电路设计

该微控制器的晶振模块的构架如图2所示。

当用户使用R-OSC来代替晶振时，图2中的Strong/Weak将不起作用，时基将不精确。复位程序执行完成后应该至少保持1秒的Strong模式，然后转入Weak模式以节省功耗。

为节约能源、降低功耗，本电路的晶振有Strong和Weak两种工作模式，由信号h122控制：h122=0时，电路工作于Weak模式;h122=1时，电路工作于Strong模式。两种模式的功耗大约相差15倍。

Strong模式的起振时间为45？滋s，Weak模式的起振时间为260？滋s。

晶振驱动电路中有两个电阻R2、R3，其作用就是在Weak模式下降低电路的工作电流，从而降低本电路的功耗。基于其作用，这两个电阻的取值不必过于精确，但是也不能过大，否则晶振将由于振幅过小而导致得不到时钟信号。

晶振驱动中设置倒比管P10和N10作为晶振的反馈电阻，如果P10和N10的长度太小（<70？滋m），晶振将无法起振;太大又会导致起振时间的延长。

3.2 恒流源作偏置的RC振荡器

MC008X中的RC振荡器由延时控制电路、恒流偏置电路和多谐振荡电路三部分组成。

（1）控制延时电路：该电路的作用主要是在h110由高变低时，产生一个约0.16？滋s的延时脉冲，开启N7，将B78拉为低电平，在延时脉冲结束后，振荡器起振。由于上电时B78由零电平开始上升，因此实际上该延时功能只在SLEEP→WAKEUP时才起作用。

（2）偏置电路：由Rosc（外接）、R2、N8、N9、N10、C8和P1、N3、N2、P5、N5组成。Rosc（50K）为偏置电路提供直流通路，N8、N10利用自身负反馈将B78点电位稳定于1.05V，供其他偏置电路使用。C8接于N10栅极起稳定作用。N3在B78的控制下作为恒流源为P6、P5提供偏置，使其作为振荡器负载工作于线性区以利于频率的提高。P2接成二极管起限幅作用。C1起稳定工作点、消除干扰的作用。

（3）振荡器部分由I19、I18、I0、I21、I4、

P0、N0、N1、P6、P3、P5、N4、C0、C2组成，其中I18、I0构成多谐振荡器，C0、C2为定时电容：P0导通时，C0放电，P0关闭时，C0充电，使N1瞬间关闭，产生一脉冲触发RS触发器，实现翻转振荡，h111输出4MHz的时钟信号。

仿真结论：

（1）Rosc、R2的变化对频率有影响，但是影响不大，因此可以通过调节R2来对振荡器频率进行微调：

（2）C0、C2对振荡频率影响较大。

3.3 利用电压比较器的低电压复位结构

MC008X总共有三种复位方式：上电复位和低电压复位。

上电时，h127为“0”，w1有一个从低电平上升到高电平的过程，这个低电平使h16上升为高电平，从而使系统内部开始复位;在RC振荡器时钟持续16个周期后，h127上升为高电平，使得h16降为低电平，上电复位结束，在这之后h127保持为32分频的周期性脉冲信号，在没有其他两种方式复位时，使h16保持低电平。上电复位时间为4？滋s。

低电压复位是指电路在工作过程中由于VDD的降低而引起的电路复位。电路的基本原理是：用1/3VDD与0.8V进行比较，若前者大于后者，则电路正常工作;否则电路复位。具体到逻辑图，1/3 VDD由R4、R5分压得到，0.8V则由二极管D0提供，因此电路的正常工作电压为>2.4V。当VDD>2.4V时，W10>0.8V，差动放大电路输出W4为低电平，使W6=0，net142保持为高电平，W1=1，从而h16保持为“0”;当VDD<2.4V时，W10<0.8V，差动输出W4为高电平，使W6=1，在随后到来的h127的第二个下降沿，net142由“1”变“0”，W1也就下降为“0”，h16上升为“1”，电路复位。如果以后VDD又上升到>2.4V，则电路又将转入正常工作状态。由以上分析可知，电阻R4/R5=1：2要求尽量准确。

3.4 等值恒流源电流型D/A

MC008X是一带语音/音调输出的8-bit 微控制器，它提供以电流型DA作为语音和单音曲调输出方式，可以直接驱动晶体管;除此之外，还提供了音调输出，可以直接驱动蜂鸣器，这两种模式共用一个AUD输出端。在电流型DA模式，为了减小关断电流型DA的噪声，应该平缓地关掉电流型DA输出至输出电流，直至为零，为了节省功耗，在电流型DA不用时应该关断它。音调输出是一个全幅（VDD和VSS）信号，它的频率源是定时器进位的频率除以2。

为了更清楚地说明这部分电路的功能，笔者详细地画出了这部分电路图，如图3所示。

图3就是一个电流标度的D/A轉换电路，共有三种工作方式：音调（TONE）模式、语音（Speech）模式、单音曲调（Melody）模式，下面将对这三种方式依次进行分析：

（1）TONE方式：在这种方式下，首先d<6>=0并被锁存，电路处于TOG状态，下面一路被选通，在周期性脉冲信号h47的作用下，AUD输出高、低电平分别为3V、0V的方波。

（2）Speech方式：首先寄存器$1E被选中，d<6>=1被锁存，电路处于DAC状态，这时最后一级倒向器的P管和N管都被关闭，AUD由D/A转换电路提供比例电流。D<6：1>的值越大，从AUD端输出的电流也越大，并且对于d<6：1>的某一个值，输出电流是恒定的。

（3）Melody：与Speech大致相同。不同之处在于，用于产生比例电流的只有d<5：1>，并且对于d<5：1>的某一个值，在AUD输出的电流是方波，其频率与h47的频率相同。假定某一个值在 Speech方式下的输出电流为I0，那么在Melody状态下，输出电流的振幅为（I0，Imax-I0）。I0的最大值为33/65Imax。

3.5 差分放大器作灵敏放大

H42为RAM写信号，h43为RAM读信号、差动放大器刷新信号。在每一次读写之前，H44为“1”，将RAM的数据线net84和net108刷新为1.83V，以提高RAM的读写速度。由于RAM中存储的高电平只有1.7V，因此在读出数据时有必要经过差动放大器的处理，从而在数据总线上得到正确的电平。在写RAM的同时灵敏放大器被刷新。而每一次读、写后RAM的数据线都将被刷新（h44=1）。

3.6 利用恒流源作ROM输出

从逻辑上看，D=DI，该部分电路一大堆复杂的逻辑，目的只是为了提高ROM输出的抗干扰能力。倒相器I24和latrom中的传输门的宽长比必须满足一定要求，现取1.8/0.6，当这些管子的宽长比为2.5/2.5时，会导致输出电平损失过大，使后级电路无法翻转，从而造成输出D恒为高电平。

4 结束语

微控制器的外围设计是相对于其CPU部分来说的。外围资源的丰富程度决定了该微控制器的使用范围，但外围资源的增加同时也会使得整个微控制器的芯片成本增加。本文给出了一种8位微控制器的外围资源设计实例，对于常见的8位微控制器设计有典型的参考意义。

参考文献：

[1]居水荣.一种带LCD驱动的8位微控制器[J].半导体技术，2002，27（1）.

[2]居水荣.MC810X系列单片机及其应用特点[J].单片机与嵌入式系统应用，2002，16.

[3]朱建卫，等.一种可嵌入MCU的8位高速乘法器的设计[J].微电子学，2010，6.