MSP430x4xx系列微控制器的獨(dú)特時(shí)鐘設(shè)計(jì)

微控制器時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于系統(tǒng)的全局性能是十分關(guān)鍵的。為了得到廉價(jià)、準(zhǔn)確而穩(wěn)定的時(shí)鐘，在大多數(shù)情況下，可采用石英晶體或者是陶瓷振蕩器作為參考時(shí)鐘。這些器件的典型工作頻率范圍為100kHz到10MHz。然而，它們都有一些缺點(diǎn)，即振蕩器消耗的電流會(huì)隨振蕩器的振蕩頻率的增加而增加，因此，若采用的石英晶體振蕩器具有高Q值，那么，在系統(tǒng)上電后，將需要一個(gè)較長的時(shí)間才能使頻率和幅度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，所以，石英晶體振蕩器不能為中斷提供快速的響應(yīng)。

對于一個(gè)電池供電的系統(tǒng)，最基本的要求就是功耗要低。但同時(shí)又會(huì)出現(xiàn)一些相互矛盾的問題，因?yàn)椴捎玫皖l時(shí)鐘雖然可以達(dá)到節(jié)能和延長電池使用時(shí)間的要求，但采用高頻時(shí)鐘卻可以實(shí)現(xiàn)對事件的快速反應(yīng)，并增強(qiáng)處理突發(fā)事件的能力；另外，在某些情況下，還會(huì)要求時(shí)鐘具有很高的穩(wěn)定度。

由于MSP430x4xx系列微控制器是采用一個(gè)增強(qiáng)型的鎖頻環(huán)FLL＋（Frequency－Locked Loop Plus）來為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，因此，可以較好地解決以上矛盾，從而使系統(tǒng)成本、功耗、處理能力以及穩(wěn)定度得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。

1 MSP430微控制器簡介

MSP430系列是由美國德州儀器（TI）公司推出的16位超低功耗微控制器。該系列微控制器具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、指令簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并具有靈活而簡單的外圍設(shè)備，由于采用了JTAG技術(shù)、FLASH在線編程技術(shù)、 BOOTSTRAP等諸多先進(jìn)技術(shù)，因此具有很高的性價(jià)比。MSP430系列器件采用3V電源供電，工作頻率為1MHz，其單周期16位指令的速度可以達(dá)到1MIPS（million instructions persecond），電流消耗僅為400μA。事實(shí)上，MSP430從低功耗模式3（電流消耗僅為1．5μA）到完全激活狀態(tài)僅需6μs，因此可以很好地實(shí)時(shí)處理中斷。MSP430的這些優(yōu)越的特點(diǎn)主要源于它兩方面的設(shè)計(jì)，即16位精簡指令體系結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)。

MSP430x4xx系列產(chǎn)品的時(shí)鐘系統(tǒng)采用FLL而沒有采用傳統(tǒng)的PLL（Phase－Locked Loop）設(shè)計(jì)，這主要是考慮到FLL能夠快速的啟動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定。PLL達(dá)到鎖定狀態(tài)需要幾百甚至上千個(gè)時(shí)鐘周期，而FLL＋經(jīng)過預(yù)先準(zhǔn)確設(shè)置后，可以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)立即鎖定，從而為快速響應(yīng)中斷提供了保障。并且PLL通常是用模擬元件來實(shí)現(xiàn)的，因此需要不斷的消耗能量。而FLL是純數(shù)字系統(tǒng)，可以用軟件來控制。它在非激活模式下，其電流消耗為0。

2 FLL＋模塊的組成

MSP430x4xx系列的FLL＋時(shí)鐘模塊是MSP430x3xx系列FLL結(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)展，但卻與MSP430x1xx系列的時(shí)鐘系統(tǒng)有很大的不同，后者沒有硬件FLL，因此，要想獲得較精確的時(shí)鐘，需用軟件進(jìn)行DCO頻率校準(zhǔn)，這也就是所謂的“軟鎖頻”。由于FLL＋支持的頻率范圍更大，因而可以采用手表晶振或者高頻晶振。圖1所示是FLL＋模塊的基本組成，從圖中可以看出： FLL＋主要由LFXT1振蕩器、LFXT2振蕩器、DCO振蕩器和鎖頻環(huán)以及時(shí)鐘緩沖輸出組成。

2．1 LFXT1振蕩器

LFXT1產(chǎn)生的信號稱為 ACLK。通過配置與之相關(guān)的寄存器和外接不同的晶體或者諧振器，LFXT1可以工作在兩種操作模式：低頻或高頻模式。低頻通常采用32768Hz的手表晶振，高頻的頻率范圍則為455kHz～8MHz。在絕大多數(shù)情況下，LFXT1運(yùn)行于低頻模式，其主要原因如下：
    （1）工作頻率低，功耗小。在進(jìn)入低功耗模式3時(shí)，只有手表晶振處于激活狀態(tài)。此時(shí)典型的電流消耗僅為1．5μA；
    （2）穩(wěn)定度高；
    （3）價(jià)格低廉；
    （4）體積小；
    （5）電路簡單，外接手表晶振時(shí)，不需要外接電容。

因手表晶振的功耗很小，所以它可以連續(xù)工作，這樣就避免了啟動(dòng)和穩(wěn)定所需要的時(shí)延。并且32768Hz的時(shí)鐘一直有效也意味著當(dāng)其它系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的一些片上外圍設(shè)備可以繼續(xù)處于激活狀態(tài)。例如，LCD或者用作實(shí)時(shí)時(shí)鐘的某一個(gè)定時(shí)器等都可以處于激活狀態(tài)。

在有特別需要的情況下，LFXT1也可以通過外接高速晶體或者諧振器工作于高頻模式。不過此時(shí)需要外接電容。

2．2 LFXT2振蕩器

LFXT2為高頻振蕩器，其工作頻率也為455kHz～8MHz。LFXT2結(jié)構(gòu)比較簡單，若是系統(tǒng)需要穩(wěn)定度很高的高頻時(shí)鐘可以采用它，不需要時(shí)可以通過軟件將其關(guān)閉。不過高頻振蕩器的兩個(gè)引腳必須要接外部電容。

2．3 DCO振蕩器和鎖頻環(huán)（FLL）

MSP430x4xx系列FLL＋模塊的DCO（Digitally－Controlled Oscillator）振蕩器是一個(gè)集成的RC振蕩器。產(chǎn)生的時(shí)鐘信號稱為DCOCLK，經(jīng)過FLL調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)后可用作系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK）和外圍設(shè)備的時(shí)鐘（SMCLK）。這個(gè)模塊是整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)的核心。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．4時(shí)鐘緩沖輸出

由于MSP430提供有時(shí)鐘緩沖輸出（見圖1）。因此可以通過軟件編程來控制其分頻比FLL DIV，以對ACLK進(jìn)行1、2、4、8等分頻。分頻后的輸出可以用來為外圍電路提供時(shí)鐘。

3 FLL＋的工作原理

對于RC振蕩器，由于其頻率會(huì)隨溫度和電壓的變化而變化，因此在對時(shí)鐘精度要求較高的情況下，DCOCLK通常要通過FLL進(jìn)行校頻后，才能用于系統(tǒng)時(shí)鐘。

3．1倍頻方案

在需要較高數(shù)據(jù)處理速度時(shí)，ACLK就不能單獨(dú)勝任，在這種情況下，就要用到倍頻技術(shù)。為了支持更大范圍的頻率變化，F(xiàn)LL＋的倍頻方案增加了DCO＋控制位。當(dāng)DCO＋取0、1時(shí)，fDCOCLK輸出時(shí)鐘頻率不同，具體如下：

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式中，fACLK取32768Hz。可見，通過改變N、D和DCO＋，可以很容易地調(diào)節(jié)用作MCLK／SMCLK的DCO頻率。但要注意，最后得到的MCLK不能超過器件的工作頻率。

3．2頻率抽頭

DCO的輸出時(shí)鐘為DCOCLK，這個(gè)時(shí)鐘被（D×（N＋1））分頻后應(yīng)與ACLK進(jìn)行比較。若DCOCLK用于系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK，則同步器將對 ACLK和MCLK／（D×（N＋1））進(jìn)行比較，然后用比較所得的差值來對一個(gè)10位的頻綜器進(jìn)行“up”或者“down”模式計(jì)數(shù)。這樣， MCLK／SMCLK就可以在1024種可能的設(shè)置上不斷地進(jìn)行調(diào)節(jié)。一旦頻率被鎖定，同步器輸出的誤差信號就變?yōu)?，此時(shí)有MCLK＝N×ACLK。在頻綜器的10位輸出中，5位用于DCO頻率抽頭（NDCO），另外的5位用于頻率調(diào)整（NDCOMOD）。5個(gè)抽頭可組成29種頻率（28，29，30和31抽頭是一樣的），每一個(gè)抽頭比前一個(gè)要高約10％。

明顯可以看到：DCO只能產(chǎn)生一些離散的頻率分量。所以說僅僅依靠改變N、D和DCO＋無法使同步器的輸出達(dá)到嚴(yán)格的0。

3．3頻率調(diào)整

DCO頻率調(diào)整器的作用是通過混合相鄰的DCO周期來減小長期的累計(jì)周期變化。換句話說，就是通過控制fn＋1在一個(gè)調(diào)整周期內(nèi)所占的比率來減小輸出頻率與所需頻率之間的誤差。具體的頻率調(diào)整器跳變模式如圖3所示。圖中，調(diào)整器以32個(gè)DCO時(shí)鐘周期為一個(gè)周期。NDCOMOD可用于定義需要混合的fn＋1的比例常數(shù)。

下面的公式定義了DCO長期輸出頻率與相鄰跳變頻率之間的關(guān)系：

由此可見，頻率調(diào)整器通過為每個(gè)DCO周期獨(dú)立地選擇fn或者fn＋1，來調(diào)整DCO的輸出頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)抽頭的目的。

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必須明確的是，MCLK的精度只是建立在平均的基礎(chǔ)上。對于短期精度，由于每個(gè)周期來自相鄰的DCO頻率抽頭，因此是不精確的；而對于長期精度，由于經(jīng)過了累加平均，因而相對誤差被減小了。實(shí)際上，由于調(diào)整器的周期為32，每次調(diào)整量為每一頻率段的10％，因此相對誤差可降到低于0．33％。

也可以通過軟件編程N(yùn)DCOMOD來確定DCO的輸出頻率，以便用FLL鎖頻時(shí)達(dá)到快速鎖定的目的；而在不用FLL時(shí)，可不用外部晶振來產(chǎn)生所需頻率。假如所需頻率f為100Hz，并假定DCO在0抽頭時(shí)的頻率為f0＝700Hz。則與f相鄰的兩個(gè)頻率為：

將這兩個(gè)頻率代入上面的公式中，便可以求得NDCOOD＝24。所以，若DCO中心頻率為1MHz，那么，將24寫入與NDCOMOD相應(yīng)的寄存器中，即可在無外接晶振的條件下獲得所需時(shí)鐘。在這種應(yīng)用條件下，需要注意幾點(diǎn)：

●FLL和調(diào)整器在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)默認(rèn)為允許，要工作在這種狀態(tài)，必須首先禁止FLL。否則DCO會(huì)自動(dòng)鎖定到f0；

●f0是不確定的，在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)先測定，然后再用它來計(jì)算所需的相鄰頻率。

●由于DCO的輸出頻率會(huì)隨著穩(wěn)定度和電壓的變化而漂移，所以不能應(yīng)用于對時(shí)鐘精度要求較高的場合。

3．4 DCO頻率范圍控制

在通過調(diào)節(jié)倍頻因子N改變MCLK時(shí)，F(xiàn)LL＋調(diào)節(jié)DCO的頻率將趨于目標(biāo)頻率。當(dāng)MCLK穩(wěn)定在新的頻率抽頭之前，每向下一個(gè)DCO抽頭，其變化一次需要1024個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)?？梢钥吹?，對于MCLK的大范圍頻率變化，將需要很大的時(shí)延才能達(dá)到穩(wěn)定。對此，MSP430x4xx系列采用了一種頻率分段的機(jī)制來處理這種大范圍的頻率變化。即將DCO輸出的700kHz～40MHz分為5段，每一段的中心頻率基于典型頻率fnominal（2MHz）的倍數(shù)。使用時(shí)可以通過控制寄存器SCFI0的FN＿8、FN＿4、FN＿3、FN＿2等四位對它進(jìn)行控制。表1列出了DCO的頻率范圍控制方法。由表中可見，通過控制這些位可在不改變當(dāng)前抽頭設(shè)置的情況下改變DCO的輸出頻率MCLK（實(shí)際上是立即選擇了相鄰的抽頭，而不是逐個(gè)調(diào)節(jié)）。因此，在這種方式下，DCO調(diào)節(jié)到所需頻率的時(shí)間比僅僅通過調(diào)節(jié)倍頻因子要短得多。所以首先應(yīng)根據(jù)所需頻率來調(diào)整DCO的中心頻率，或者在MCLK變化較大時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié) DCO的中心頻率。

4用FLL＋優(yōu)化系統(tǒng)性能

MSP430x4xx正是由于采用了上述FLL＋時(shí)鐘模塊，才使它的全局性能得到了優(yōu)化。同時(shí)，它還提供有靈活的時(shí)鐘配置選擇，各個(gè)模塊的時(shí)鐘都可用軟件選擇。也可以根據(jù)系統(tǒng)的具體要求來動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，進(jìn)而優(yōu)化它的性能。 使用時(shí)，一般可按照以下原則來進(jìn)行：

●若需要穩(wěn)定而精確的低頻時(shí)鐘，可以采用LFXT1時(shí)鐘；

●若需要穩(wěn)定而精確的高頻時(shí)鐘，可以采用LFXT2時(shí)鐘；

●若需要系統(tǒng)能夠快速地從節(jié)能模式切換到激活模式，可以采用DCO經(jīng)鎖頻后為系統(tǒng)提供時(shí)鐘MCLK／SMCLK。FLL＋的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是能夠快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能地選擇較低的工作頻率來降低系統(tǒng)的功耗。此外，系統(tǒng)還提供有5種可編程的節(jié)能模式，以便更好地降低系統(tǒng)功耗。

另外，F(xiàn)LL＋的振蕩器具有自動(dòng)切換功能，當(dāng)DCO沒有用于MCLK或SMCLK時(shí)，利用該功能可自動(dòng)關(guān)閉DCO。但是一旦DCOCLK信號被用于 MCLK／SMCLK，DCO就會(huì)立即自動(dòng)開啟。而當(dāng)外接晶振或者諧振器出現(xiàn)錯(cuò)誤或停振時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘也會(huì)自動(dòng)切換到DCO模式，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)
1．MSP430x4xx Family User＇s Guide（SLAU056B）
2．The MSP430x3xx Clock System（SLAA080）
3．胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位單 片機(jī)．北京航空航天大學(xué)出版社，2001