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MC9S08LL 系列是飛思卡爾最新推出的內置LCD 驅動，極低功耗的單片機。 非常適合于在水表氣表中的設計應用。 本文介紹MC9S08LL16 在智能氣表的設計應用。由于水表與氣表的工作原理非常相似，本文也可適用于水表的設計。 MC908LL16的主要功能 MC908LL16 是Freescale 基于HCS08 核的8 位單片機。具有極低功耗，內置LCD 驅動及豐富的外圍接口。LL16 的主要特性如下： · 低工作電壓1.8V-3.6V · 最大總線頻率10Mhz · 內置瑣頻環電路FLL · 16K FLASH程序空間 · 2K字節RAM · 2個16位定時器 · 實時時鐘計數器 TOD · 8路12位A/D · 模擬比較器 · 內置LCD驅動，可配置為8*24 或4*28模式 · 1個外部中斷和8個外部鍵盤中斷KBI · 內部RC振蕩器的看門狗 · 低電壓檢測電路LVI · 1個SPI，I2C，SCI MC9S08LL16的低功耗特性 在水表氣表中的應用中， 都是電池供電， 所以低功耗是設計中首要考慮的因素。系統功耗由兩部分組成： 單片機本身的功耗和外部電路的功耗。 由于外部電路的功耗基本上是固定的，因此選用低功耗的單片機至關重要。LL16是目前業界功耗最低的單片機之一。 單片機本身的功耗包括正常運行時的功耗和睡眠時的功耗。 在水表氣表中的應用中，單片機大部分時間工作于睡眠狀態， 因此睡眠時的電流至關重要， 睡眠時的功耗主要決定系統的平均功耗。下圖為LL16各種模式下的電流參數表： 從表中看出， 睡眠3(STOP3 )模式的電流為 400nA， 睡眠2(STOP2 )模式的電流為 350nA。由于STOP2 與STOP3功耗相差不大，但是STOP2下可以保持工作的外設很少，并且從STOP2喚醒的條件嚴格得多，從STOP2喚醒后，程序也會從復位處重新執行，且所有寄存器設置會回到默認狀態，在實際應用中沒有STOP3模式方便, 因此建議采用STOP3模式。 在水表氣表中的應用中， 進入睡眠時， LCD屏需要常亮， 外部32.768 kHz的晶振不能停振，因為TOD模塊采用外部32.768 kHz的晶振作為時鐘源實現軟時鐘。 把這些模塊的功耗考慮進去， 那么進入睡眠狀態時， LCD常亮， TOD模塊工作（定時喚醒MCU），外部32.768 kHz的晶振工作， MCU本身的功耗僅為2uA左右。 另外有一個參數對系統功耗的影響也非常重要， 即從睡眠模式喚醒的時間。 喚醒時間越短越好， 因為喚醒的過程中， 功耗會比較大。 LL16從睡眠3（STOP3 ）模式喚醒的時間非常短， 只有6uS， 大大低于業界的大部分同類產品。 下面將以LL16在預付費IC卡氣表中的應用為例， 介紹各模塊的使用。 IC卡氣表的原理框圖 下圖為預付費IC 卡氣表的原理框圖： 電源電路 氣表和水表采用電池供電，氣表一般采用堿性電池或鋰電池。 如果采用堿性電池，一般使用四節。 因此電池電壓需經LDO降壓到3V供給MCU。 由于IC卡工作電壓有5V或3V的，如果采用工作電壓為5V的IC卡， 電池電壓需經另一LDO降壓到5V供給IC卡。 在水表普遍采用鋰電池供電, 鋰電池電壓可以不需需經LDO降壓直接供給MCU,因為LL16工作電壓范圍為1.8V-3.6V. 晶振電路 LL16內部有瑣頻環電路(FLL)可以把MCU運行的總線頻率倍頻上去， 最高可以倍頻到20Mhz。 同時LL16內部有RC振蕩器， 校準后的精度可以達到±2%（±2%為全溫度范圍的最大誤差。常溫下該精度為±0.2%）。 由于在大部分設計中使用軟時鐘而省去外部的專用RTC芯片以節省時間成本, 所以選擇外接32.768k的晶振，以保證時鐘的精度。時鐘模塊的初始化程序如下： void ICS_init(void) { ICSC1 = 0x00; ICSC2 = 0x47; ICSSC_DRST_DRS=0; while((ICSSC & 0xC0) != 0x00) { } } EEPROM接口電路 由于在氣表水表應用中，需要不斷地保存信息，例如：時間，當前用氣/水量，剩余用氣/水量等。因此需要EEPROM來保存這些數據。LL16的FLASH可以自我擦寫,可以用來模擬EEPROM. 需要注意的是LL16 FLASH的擦寫次數有限，常溫下為10萬次. 如果需要更多的擦寫次數, 需要外接EEPROM。下面以外接24LC64為例介紹它的接口應用， 硬件接口電路如下： 為了降低功耗， 24LC64的電源通過I/O口 PTB6控制。當需要讀寫24LC64時，PTB6輸出高電平， 給24LC64供電，否則輸出低電平， 關閉24LC64的電源。 IC卡接口電路 在氣表應用中，根據存儲介質的不同有CPU卡，IC卡，RF卡等。由于IC卡具有保密性強， 數據容量大，使用方便， 成本低等特點， 因此在預付費卡表普遍應用。 目前普遍采用的是SLE442。 這里以SLE4442為例，介紹IC卡如何與LL16進行接口及操作。SLE4442內置256字， 具有寫保護和安全代碼可編程等特點。 由于LL16工作在3V, 如果采用5V工作的SLE4442，需要電平轉換。下圖為LL16 與5V工作的SLE4442的接口電路圖, 如果采用3V工作的SLE442卡, 則可省去電平轉換電路。 PTA1，A2與數據線DATA相連， PTA0與時鐘線CLK相連， PTC7與復位腳RST相連。 PTA3控制SLE4442的電源。 對SLE4442的操作主要包括讀寫SLE4442的主存儲器， 保護區存儲器和安全區存儲器。 對SLE4442寫操作之前，必須先進行安全認證。 如果連續三次認證失敗， 則IC卡被作廢， 再也無法使用。PTA5，A4用于插卡檢測， 檢測IC卡是否插入卡座。 可以采用定時查詢的方式或中斷方式。 下面以讀主存儲器起始地址為0x20的3個字節為例說明它的編程： /************* main function ************/ void main (void) { unsigned char buffer; //read main memory at address 0x20. 21, 22, and stored at buffer Read_4442_main_memory(0x20, 3, buffer); } // read main memory function void Read_4442_main_memory(unsigned char Address, unsigned char number, unsigned char *data) { unsigned char command; command[0] = 0x30; command = Address; send_SLE4442_Command(command); send_SLE4442_Data(number, data); } 電池電壓檢測 由于氣表采用電池供電， 因此需對電池電壓進行監測， 在電池耗盡之前， 報警提醒用戶更換電池。 雖然LL16內部有掉電檢測電路LVI， 但使能該模塊將消耗較大的電流， 所以不宜采用。 可以利用LL16內部模擬比較器或A/D模塊監測電池電壓，A/D模塊或內部模擬比較器會消耗一定的功耗， 為了降低功耗， 可以采用定時檢測的方法， 因為電池電壓是緩慢下降的。 在水表中, 如果采用鋰電池直接供電, 這里介紹一種簡便的方法用于電池電壓檢測:在LL16的內部集成一個1.17V的帶隙基準電壓，此帶隙基準電壓內部連接到ADC的輸入通道AD27； 因此可以不需要任何外部電路，AD模塊只需定時采樣此基準電壓，由此可換算出電池電壓。 這種方法的好處是，不需要外部任何器件, 既節省成本又節省空間，而且可以獲知當前準確的電池電壓。它的原理如下: AD的參考電壓設為VDD, VDD即為電池電壓, 如果AD設為12bit模式 那么:帶隙基準電壓的AD值(AD27)=(1.17V / VDD) *4096 = (1.17V/ 電池電壓) * 4096；所以: 電池電壓= (4096 / 帶隙基準電壓的AD值(AD27)) * 1.17 (V) 電機驅動電路 在氣表應用中，采用直流電機來開關閥門。 其驅動電路普遍采用H橋電路， 如下圖。此電路成本低，可靠性高。 當PTC3，PTC4同時輸出高電平或低電平時， 電機不工作。 當PTC3輸出高，PTC4輸出低時， 電機向一個方向轉動。 當PTC3輸出高， PTC4輸出低時， 電機向反方向轉動。 PTC2用作電機到位檢測。 軟時鐘的實現 由于在氣表水表應用中， 對時鐘的要求并不是特別精確， 因此可以利用LL16的TOD模塊方便地實現軟時鐘， 從而省去外部的實時時鐘芯片， 降低系統成本。 TOD模塊使用非常簡單，下圖為它的內部結構圖： TOD的時鐘源有三個， 即內倍的1 kHz RC振蕩器， ICSIRCK時鐘及外部晶振時鐘。考慮到精度因素， 所以選用外部32.768k晶振作為時鐘源。 TOD模塊對時鐘源進行計數，可產生1S或1/4S中斷。 因此可利用這1秒鐘一次的中斷實現軟時鐘。 同時此中斷把CPU從睡眠模式喚醒， 用來查詢IC 卡座， 流量脈沖計數，以及電池電壓檢 測等。TOD的初始化如下： void TOD_init(void) { TODC = 0x11; TODC_TODEN =1; TODSC=0X08; } TOD的中斷服務程序： void interrupt VectorNumber_Vtod RTC_ISR(void) { TODSC_SECF = 1; // clear 1s interrupt flag Clock_processing(); } TOD 的中斷服務程序： void interrupt VectorNumber_Vtod RTC_ISR(void) { TODSC_SECF = 1; // clear 1s interrupt flag Clock_processing(); } LCD 驅動 LL16內部有LCD驅動模塊， 可配置為24*8，或28*4。 LCD與I/O復用， 多余的段可設為普通I/O。注意，所有和LCD驅動復用的GPIO，在作為I/O功能使用時，其輸出模式為開漏，需要外接上拉電阻。 LCD驅動是LL16的一大特色， 具有許多優越的性能。 · 低功耗， LCD模塊僅消耗900nA的電流 · 可配置為24*8即8COM端驅動模式， 從而節省更多的I/O口 · COM 和SEGMENT可隨意配置， 方便布線， 從而提高EMC性能。 · 具有頻率可調的閃爍功能， MCU在睡眠模式仍然工作， 從而達到更省電的目的。 · 內置電荷泵， 產生LCD驅動所需的偏置電壓 · 內置可調的穩壓電壓源， 此穩壓電壓源可作為LCD的輸入電壓， 通過內置電荷泵， 產生LCD驅動所需的偏置電壓。 當電池電壓降低時, 可保證LCD的對比度不受影響, 這一點對水表設計非常有用。 · LCD的輸入電壓有多個選擇， 可支持3V或5V的LCD屏 LCD驅動模塊的內部結構圖如下： LCD 的外部電路非常簡單，只需幾個電容, 見下圖。 如果采用四節干電池供電, 由于6V的電源電壓經過LDO產生穩定的3V作為MCU的電源， 所以LCD的輸入電源可選為VLL3=VDD。 LCD驅動模塊的初始化如下： void LCD_init(void) { LCDRVC = 0x00; LCDSUPPLY = 0x85; LCDC1=0X00; LCDC0 = 0xA3; } 如果采用鋰電池直接供給MCU, LCD的輸入電源可選為來自于MCU內部的穩壓電源,這樣的好處是, 對比度不會因為電池電壓的降低而受影響。 LCD驅動模塊的初始化如下： void LCD_init(void) { LCDRVC = 0x80; LCDSUPPLY = 0x87; LCDC1=0X00; LCDC0 = 0xA3; } 流量脈沖檢測： 目前普遍采用雙干簧管進行流量檢測，其缺點是沒有霍爾傳感器穩定。 但霍爾傳感器功耗相對要大，成本要高。 隨著成本的逐漸減低，將來霍爾傳感器有取代雙干簧管的趨勢。 雙干簧管把流量信號轉換成脈沖信號， 因此利用I/O口可以很方便地檢測流量脈沖信號。 為了降低功耗， 檢測電路的電源通過IO口進行控制。 由于氣/水表的流量脈沖信號之間的間隔比較長， 因此可以采用定時查詢來計數脈沖個數， 也可以接到鍵盤中斷口利用中斷方式檢測。 下圖為接口電路圖。其中：PTB7 用做斷線檢測。 PTC0，PTC1用做流量脈沖的檢測。 蜂鳴器電路 蜂鳴器電路如下： 結束語 由于LL16具有超低功耗， 內置LCD驅動及豐富的外圍接口， 性價比高等特點， 因此非常適合于在水表氣表中的設計應用。在本參考設計中, 系統功耗在LCD常亮的狀態下, 大約為4.5uA。 在水表氣表設計中， 如何降低功耗，是設計中的要點。 |
