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羡崎任
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基于 MC9S08QG4 的烟雾传感器应用设计作者 : 師英飞思卡尔半导体公司 8/16 位应用工程師在消防安全报警系统中, 烟雾传感器设计的主要要求为 : 低功耗, 低成本, 高可靠性飞思卡尔半导体推出的 MC9S08QG4 的具有高集成度高性能, 低功耗, 高性价比和优异的可靠性, 非常适合用于烟雾传感器的设计 MC9S08QG4 是采用高性能低功耗的 HCS08 内核的飞思卡尔

1 基于 MC9S08QG4 的烟雾传感器应用设计作者 : 師英飞思卡尔半导体公司 8/16 位应用工程師在消防安全报警系统中, 烟雾传感器设计的主要要求为 : 低功耗, 低成本, 高可靠性飞思卡尔半导体推出的 MC9S08QG4 的具有高集成度高性能, 低功耗, 高性价比和优异的可靠性, 非常适合用于烟雾传感器的设计 MC9S08QG4 是采用高性能低功耗的 HCS08 内核的飞思卡尔 8 位微控制器系列中具有很高的集成度的器件 MC9S08QG MCU 集成了那些通常只有较大较昂贵的元器件才具有的性能, 包括背景调试系统以及可进行实时总线捕捉的内置在线仿真 (ICE) 功能, 具有单线的调试及仿真接口该产品的特色还包括一个可编程的 16 位定时器 / 脉冲宽度调制 (PWM) 模块 (TPM), 是同类产品中最灵活又最经济的模块之一结构紧凑高集成度的 MC9S08QG4 提供了飞思卡尔丰富的外设与 HCS08 内核卓越性能的多功能组合, 包括更长的电池寿命 ( 即使工作电压低至 1.8V, 也能发挥最大效能 ) 业界领先的 FLASH 技术以及创新的开发支持对于诸如无线通讯手持式设备小家电基于简化型媒体访问控制器 (SMAC) 的应用, 以及玩具等对功耗和尺寸要求较高的应用,MC9S08QG4 是出色的解决方案块状图火警安全系统全系统块状图如图 1 中所示 : 图 1: 火灾控制系统的块状图 1

2 控制器联网 (CAN) 总线环行板带有 24V 电源的探测器总线中央处理器烟雾探测器执行模块告警按钮 24V DC 电源液晶显示器键盘报警器不间断电源中央处理器中央处理器控制整个系统, 定时询问每个烟雾探测器和告警按钮的状态, 并通过环路板向每个执行模块发送命令而且, 它还提供带有 TFT 液晶显示器和键盘的操作员接口, 如果出现火情, 就显示位置并报警环路板通常在火警安全系统中有 10 个或更多的环路板环路板与中央处理器连接 RS- 485 以前是环路板和中央处理器之间最常用的连接方法, 但是控制器联网总线目前成为最现代的新型设计解决方案每个环路板都提供一个带有模块数据的探测器总线, 并在两条线上提供 24V 直流电源根据不同生产商的产品不同, 最多可以有 240 个烟雾探测器告警按钮和执行模块连接在一个环路上执行模块和告警按钮执行模块是执行设备, 如遇到火灾时根据探测器总线传来的的命令打开洒水器一般来说, 这些模块包括一个或多个由 MCU 多点控制单元的 GPIO 通用输 2

入 / 输出接口控制的中继通常情况下, 执行模块使用与烟雾探测器相同种类的 MCU 多点控制单元告警按钮安装在走廊上, 一旦遇到火灾或紧急事件, 人们可以打破盖板, 按下按钮进行报警有时为了降低成本, 使用更简单的 MCU 执行模块和烟雾探测器的数量比是 1:2 或更少, 系统中的告警按钮数量比执行模块数量少电源整个火灾控制系统的电源是由 UPS( 不间断电源 ) 提供的 24V

3 入 / 输出接口控制的中继通常情况下, 执行模块使用与烟雾探测器相同种类的 MCU 多点控制单元告警按钮安装在走廊上, 一旦遇到火灾或紧急事件, 人们可以打破盖板, 按下按钮进行报警有时为了降低成本, 使用更简单的 MCU 执行模块和烟雾探测器的数量比是 1:2 或更少, 系统中的告警按钮数量比执行模块数量少电源整个火灾控制系统的电源是由 UPS( 不间断电源 ) 提供的 24V 直流电提供给中央处理器和每个环路板, 然后环路板通过探测器总线将 24V 的直流电源提供给所有烟雾探测器执行模块和告警按钮通信数据可以在每根总线上调制探测器的总线探测器总线是一种装有两条线的特殊控制总线, 带有 24V 直流电源和调制数据图 2 显示了探测器总线上的常见波形, 但没有更具体的波形, 因为不同的生产商定义不同的通信协议时钟托管数据主机数据设备电流代码 1 图 2: 探测器总线调时 3

代码 0 OPEN 调时决定了总线 MCU 频率的要求虽然它是个三态代码, 但是只使用两种状态来传输总线数据,1 和 0(24V 和 0V) 第三种状态 OPEN 用来表示主机等待某一设备响应的状态在这种状态下, 总线被设置为一个恒定的中间电压, 例如 12V, 然后设备可从总线获得电流, 总线此状态下作为一个电流回路通过改变总线电流来代表逻辑 1 和 0 进行通信烟雾探测器图 3

4 代码 0 OPEN 调时决定了总线 MCU 频率的要求虽然它是个三态代码, 但是只使用两种状态来传输总线数据,1 和 0(24V 和 0V) 第三种状态 OPEN 用来表示主机等待某一设备响应的状态在这种状态下, 总线被设置为一个恒定的中间电压, 例如 12V, 然后设备可从总线获得电流, 总线此状态下作为一个电流回路通过改变总线电流来代表逻辑 1 和 0 进行通信烟雾探测器图 3 显示常用烟雾探测器的块状图环路中的每个烟雾探测器都有独特的地址代码询问命令定时通过总线发射 ( 例如 : 每三秒钟 ) 这种询问命令是一个广播, 可以由所有的烟雾探测器接收的如果一个探测器检测到火情, 它会将信息发送给控制器进行报告图 3: 烟雾探测器块状图 MCU 所需的资源和功能以下是烟雾探测器应用所需的要求 : 非常低的功耗, 对整个电路板所需的功率不超过 400 ua 4

5 一个信道模拟数字转换器 (ADC) 7 个 GPIO 通用输入 / 输出接口一个用于定时功能的 8 位计时器监控器计时器和低电压检测, 用于保证系统安全 16 位的 EEPROM 电可擦写可编程只读存储器用于存储配置数据如地址和配置 2K 的闪存,80 字节的内存停止模式 QG4 有四种操作模式, 激活等待停止 3 停止 2 和停止 1 激活背景模式用于代码开发等待模式 : CPU 停止操作来节约功率系统时钟运行保持全电压调节停止模式 :CPU 和总线时钟停止停止 1: 内部电路完全停止, 以最大限度地节约功率停止 2: 内部电路功率部分停止, 保持内存内容停止 3: 所有内部电路可以快速恢复, 保持内存和注册器中的内容重启后, 操作的正常模式是运行模式, 并且在此模式中 CPU 被激活并且外围设备可使用通过执行一个等待命令,MCU 进入等待模式在等待模式中所需功率减小, 因为 CPU 没有计时为了进一步减少功率消耗, 可以使用停止模式当执行停止命令时, 就输入三个停止模式中的一个停止 1 停止 2 和停止 3, 每一种都具有不同级别的操作可减少功率的损耗表 1A 描述了停止模式的行为一般来说, 停止模式的电源供应 (3V 供应 ) 如下 : 停止 1 模式供应电流, 475 na 停止 2 模式供应电流, 600 na 5

6 停止 3 模式供应电流, 750 na RTI 加法器在停止 1 停止 2 或停止 3 模式下, 300 na LVI 加法器在停止 3 模式下 (LVDE = LVDSE = 1),70 ua 振荡器加法器在停止 3 模式下,5 ua 表 1B 描述了如何通过配置不同注册器的字节以及每个停止模式的结束条件来选择停止模式模式 CPU, RAM ICG ATG KBI 稳压器 I/O PIN RTI 数字外围禁止或脚是闪存停止 1 关闭关闭关闭 * 关闭关闭重设关闭停止 2 关闭备用关闭禁止关闭备用状态保持可选择打开停止 3 备用备用备用 ** 禁止可选择打开备用状态保持可选择打开 *ATD 停止模式或功率的减少都根据 ATDPU 的状态决定 ** 晶体振荡器可配置运行停止 3 请见 ICG 注册器表 1A: 停止模式行为 STOPE ENBDEM LVDE LVDSE PDC PPDC 停止模式退出 0 x x x x 禁用停止无模式 1 1 X X X 支持 IRQ RST 1 0 两个字节都必须是 1 x x BDM 的停止模式 RTI KBI 带有电压调节器激活的停止 3 6

7 1 0 任何字节都是 0 0 x 停止任何字节都是停止 2 IRQ/RST/RTI 1 0 任何字节都是停止 1 IRQ/RST 表 1B: 停止模式的选择和退出条件当使用停止 2 时要考虑以下几个因素来确保正确操作 IRQ PIN 中断请求脚必须激活或从外部拉起 LVD 低压差动传输模式必须在停止模式中禁用 (LVDSE = 0) 如果使用 RTI, 只有内部时钟源在停止 2 模式下生效 OSCSTEN 字节在停止 2 模式中无效, 此时钟参考将总是消耗电源只有 RAM 保持功率, 所有其它的 I/O 注册器将在唤醒状态下重新设置在 I/O 针脚从停止 2 模式进入状态被修改前,PPDF 标记必须被清除从停止模式恢复需要时间在 3V 电压时, 停止 1 和停止 2 的停止恢复时间大约为 50 us, 停止 3 的恢复时间根据时钟定义的不同而变化如果使用内部参考时钟, 启动时间大约为 100 us, 而如果使用外部 32KHz 水晶, 如果振荡器在停止模式下激活 ( 设置为 OSCSTEN), 则是 2.4ms 如果振荡器在停止模式下禁用 (OSCSTEN 被清除 ), 则是 180 ms 到 300 ms 不幸的是, 虽然使用停止模式可以大量节约功率, 但是许多烟雾探测器的设计师都不能接受停止模式, 因为它需要一直保持 MCU 工作, 以从总线获得响应从停止模式恢复的时间使其很困难或甚至不可能低功耗设计的 ICS 网络联机共享配置和操作模式建议使用 ICS 配置和操作模式由一般总线调时确定, 至少需要 100KHZ 总线频率 7

8 根据不同的 ICS 配置,QG4 有六种操作模式 :FEI FEE FBI FBILP FBE 和 FBELP 因为 FBE 模式有最低的功耗和最准确的时钟, 所以建议用于烟雾探测器的应用遗憾的是, 由于生产商使用不同的总线计时, 所以有时可能无效例如 : 有些总线计时需要 1MHz 的总线频率,QG4 需要一个外部 2MHz 晶体振荡器用于 FBE 模式, 许多客户不愿意支持额外的 2 个 MHz 晶体振荡器成本, 有些总线需要很低的总线频率 ( 如 16Hz), 然后可以选择 FBI 模式 QG4 的内部 32KHz 时钟具有典型的的 0.2% 的准确性和在整个操作温度范围有 2% 的误差非常普遍而且低成本低功率的配置是使用一个 455KHz 震荡电路, 用于 FBELP 模式总线频率是 227.5KHz( 可以分开为 KHz) 如果供应电压是 3V, 227.5KHz 频率下的 (BDIV = 0) 的 QG4 的电流供应就是 240μA, 而 KHz (BDIV=1) 的电流供应是 200 μa,28.4 KHz(BDIV=4) 的电流供应是 170 UA 表 1 显示所有适合烟雾探测器应用的操作模式, 考虑到功率损耗和成本问题而且考虑以下因素用于计算不同模式的总线频率 FEI:Fbus = Firc * 512 / (2 * 总线分配器 ) FBI:Fbus = Firc / (2 * 总线分配器 ) FBE:Fbus = Ferc / (2 * 总线分配器 ) 模式 Fbus 优势劣势备注 FBELP 低成本, 高准成本高于内部建议采用的解决方案振荡器的 KHz 确度, 低电流参考时钟启动时间是 5MS( 大范围低功供应耗, 并且电流供应是 5μA) FBILP 16 KHz 最低的成本非常低的总线只有总线时间接受内部晶体振荡 8

9 一般 0.2%, 最差 2% 的准确度, 快速启动 FEI 1MHz 最低的成本, 一般 0.2%, 最差 2% 的准确度频率, 可用于一些特殊设计 3V 的 1MHz 时使用 2mA 的电流器的低 Fbus 为 60 us 才有用有些总线规定需要 1MHz Fbus 才能进行正常通信虽然 Fbus 可的通过旁路和禁止的转换到更低的频率, 甚至当总线空闲时, MCU 也可能被停止, 恢复时间可能与应用不匹配,FLL 的启动时间是 ms FLL 本身使用电流为 210~300 ua 表 2: 烟雾探测器所建议使用的操作模式与外部 455KHz 震荡电路共同使用当 MCU 与外部 455KHz 振荡电路共同使用, 获得功率损耗系统成本时钟准确度和总线频率的最佳平衡时, 必须考虑振荡电路组件的选择以使其可靠图 4 显示典型的 455KHz 振荡器电路 C1,C2 是指生产商的建议值, 通常 80 到 100 pf 图 4:455KHz 的振荡器电路 9

10 在 QG4 的数据表上, 规定了两种特点, 低范围是 32 到 38.4KHz, 高范围超过 1MHz 但是 QG4 可以与 455KHz 震荡电路共同使用 ; 虽然在电路特点中没有具体说明通过此配置, ICSC2 注册器 5 位的范围应该设置为 ICS 的高范围模式高电流应该于 POR QG4 进行重新设置时的电源,ICS 的默认模式总是 FEI, 在此模式中总线频率是 4Hz, 大约从电源消耗 2mA 的电流, 不适用于烟雾探测器应用建议在 POR 之后立即设置 ICS 到 FBI 模式虽然高电流状态一直存在于 POR, 但是用户可以通过此方法缩短几个说明周期的时间在 Tcsth 之后, 晶体振荡器启动时间 (5 ms 用于高范围, 低的振荡器功率模式 ), 用户可以将 ICS 转换到最终工作模式, 对 FBE 进行正确操作在 Tcsth 的过程中, 用户可以完成对系统初始工作, 这对计时并不重要使用内部模块的电流供应每个内部模式在工作时都从电源获得电流, 可以禁止某些未使用的模块以节约电源, 但是已使用的模块的电流供应必须考虑系统的电源损耗, 以下是 QG4 内部模块的电流供应列表 RTI: 300 na LVD: 70 ua ACMP: 20 ua ADC: 120 ua( 取样时间长, 低电流模式 ) OSC: 5 ua( 范围低低电源模式 ) IRG: 100 ua FLL: 210 ua ~ 300 ua( 根据频率和电压的供应决定 ) FLL: 210 ua ~ 300 ua( 根据频率和电压的供应决定 ) MCU 的 I/O 针脚必须正确设置来节约电源所有未使用的 I/O 必须通过挂起或下拉的输入来设置, 或简单的输出模式可输出禁止外部电路的状态 10

11 带有闪存的 EEPROM 仿真烟雾探测器使用 EEPROM 存储数据, 如地址和系统配置 16 位对于这些数据足够了 QG4 的闪存可轻松用于模拟 EEPROM 通过内部 Vpp 充电泵, 无需外部 Vpp QG4 的闪存可擦写 / 编程次, 是 HC08 Flash MCU 的 10 倍还多而且建议采用一些解决方案来延长闪存的生命周期闪存擦写 / 编程代码样本如何消除 / 编程闪存的样本代码可在 CW5.x 的样本目录中找到在 Vpp 状态时,CPU 使用不安全, 那些闪存擦写 / 编程代码必须在 RAM 上执行, 而不是在闪存上执行, 为此用户可以限定一个阵列, 包含上述 C 语言源代码所编辑的二位代码, 并且称 RAM 中的这个阵列为子程序 PGM[21] 总是闪存操作命令以下 macros 操作可以被定义以使 RAM 中的这些代码更容易做为子程序而被调用 11

以下实例显示如何调用函数在闪存可以正确擦写或编程前,FCLK 必须设置在 150KHz 到 200 KHz 之间的正确值在 227.

此寄存器的六位必须被清除 ffclk = fbus / (DIV + 1) 通过外部 455 KHz FBE 模式, 在此模式中总线频率是 227.5KHz Ffclk 只能被设置为 227.

12 以下实例显示如何调用函数在闪存可以正确擦写或编程前,FCLK 必须设置在 150KHz 到 200 KHz 之间的正确值在 KHz FCLK 下正确操作 QG4 的 Ffclk 特性是在 150KHz 到 200 KHz 之间 FCDIV 的注册器必须被写入正确的值以设置正确的 Ffclk 如果是 PRDIV8, 此寄存器的六位必须被清除 ffclk = fbus / (DIV + 1) 通过外部 455 KHz FBE 模式, 在此模式中总线频率是 227.5KHz Ffclk 只能被设置为 KHz( 不分开 ) 或 KHz( 两分 ), 它最接近特定的 Ffclk 对于可靠的操作来说, 建议采用带有 KHz Ffclk 的突发编程模式闪存请注意突发编程与 byte 编程略有不同, 所以源代码应该为突发模式重写 12

13 另一方面, 当闪存编程 / 擦写时电源消耗更大,FLL 加法器的供应电流可以被忽略, 所以另一个建议是使 FLL 获得更高的总线频率, 然后在完成闪存操作后回到正常的设置模拟 EEPROM 的生命周期延长闪存只能被擦除为页 QG4 闪存的页面大小是 512 个字节, 由于只有少量字节用于烟雾探测器, 所以可采用一些解决方案来延长模拟 EEPROM 的生命周期解决方案之一就是存储记录数据在整个 EEPROM 上 ( 参考图 5) 每个记录有 n 个字节数据和 1 个字节标记组成, 这个标记字节说明这 n+1 个字节地址是否被使用如果没被使用, 用户代码可将新的数据写入此位置 ; 如果已被使用, 那么将数据写入下一个位置当阅读虚拟 EEPROM 时, 用户代码应该首先检测这个标记, 然后从最后一个已使用位置上读取数据, 它包含最新的数据当所有的地址 ( 页面尺寸 / 记录尺寸 ) 被使用时, 下一个写操作应该从页面的第一个地址重新开始, 结果闪存这一页的生命周期就被 ( 页面尺寸 / 记录尺寸 ) 成倍延长了图 5 存储配置数据作为记录如果 15 个字节被要求存储地址代码和配置数据, 那么要使用额外的一个字节作为标记, 所以记录的尺寸是 16 个字节, 一页可被使用 512/16=32 次, 其生命周期可延长至 32*100,000=3,200,000 循环当闪存擦写 / 重新编程时的电流 13

当删除 / 编程闪存时要考虑提供电流当 Vdd = 3.2V, Ffclk = 227.5 khz, 擦除页使用 5.78 ma, 并且花费 4000Tfcyc, 也就是 17.58 ms 特定的 FCLCK 范围客户的 FCLK 范围单位参数 FCLK 循环 200 150 227.5 113.75 khz 字节编程 9 45.00 60.00 39.56 79.

14 当删除 / 编程闪存时要考虑提供电流当 Vdd = 3.2V, Ffclk = khz, 擦除页使用 5.78 ma, 并且花费 4000Tfcyc, 也就是 ms 特定的 FCLCK 范围客户的 FCLK 范围单位参数 FCLK 循环 khz 字节编程 μs 字节编程 ( 突发 ) μs 页面擦除 ms 大量擦除 ms 表 3: 闪存编程 / 擦写时间闪存块保护由于 Flash 编程 / 删除代码包括在用户代码中, 所以闪存必须被块保护以避免由于程序运行错误所导致的意外内存操作要块保护闪存, 用最后一个未被保护内存的地址来设置 NVPROT 寄存器例如, 要通过 0xFFFF 保护 0xFA00,0xF9FF 是最后一个未保护地址, 所以 0xF8 必须向 NVPROT 写为 15 位到 9 位的内存地址 (8 位到 0 位都是逻辑 1) 如果支持块保护, 确保向量是否被重新导向如果向量被清除 NVOPT 寄存器内的 FNORED 位进行重新导向, 用户代码必须改变, 以从新的向量位置分配和接入向量如果引导装入程序被在系统内编程或更新使用, 它就是块保护, 向量必须重新导向, 或者引导装入不能编辑默认的向量位置, 因为如果只支持块保护, 这些也被保护正常情况下, 中断服务的方式如下 : 14

0xFDF8:0xFDF9 仍旧从 0xFFF8:0xFFF9 输入中断服务将导致致命错误, 然后中断服务的方法如下

15 3 号或 4 号说明 ISR 函数的绝对向量数量, 例如,QG4 的向量 3 是低电压检测中断, 向量位置是 0xFFF8:0xFFF9 但是如果支持向量的重新导向, 这种情况就不生效在被重新导向后, 模拟比较器向量就转向地址 0xFDF8:0xFDF9 仍旧从 0xFFF8:0xFFF9 输入中断服务将导致致命错误, 然后中断服务的方法如下 : 宣布中断服务的另一种方法是在向量表起始的位置定义一个函数阵列一旦向量被重新导向, 就可以将函数阵列地址改变到新的位置 15

在任何情况下, 重设向量都不被重新导向, 它总是 0xFFFE:0xFFFF 所以, 启动函数地址不能改变单独在 PRM 文件中的定义它的函数地址模数转换器 (ADC) 的配置模数转换器 (ADC) 时钟选择模数转换器 (ADC) 能够使用多点控制单元 MCU 总线时钟一个总线时钟脉冲分为两次或在模块内的本地异步时钟进行转换操作如果总线频率低于 fadck 的频率, 当支持短信号时,

16 在任何情况下, 重设向量都不被重新导向, 它总是 0xFFFE:0xFFFF 所以, 启动函数地址不能改变单独在 PRM 文件中的定义它的函数地址模数转换器 (ADC) 的配置模数转换器 (ADC) 时钟选择模数转换器 (ADC) 能够使用多点控制单元 MCU 总线时钟一个总线时钟脉冲分为两次或在模块内的本地异步时钟进行转换操作如果总线频率低于 fadck 的频率, 当支持短信号时, 连续转化的准确信号时间就不能保证如果总线频率低于 fadck 频率的 1/11, 当支持长信号时, 连续转化的准确信号时间就不能保证当 455kHz 振荡电路被使用, 并且总线频率是 227.5kHz 时, 异步时钟 (ADACK) 应该被选为模数转换器 (ADC) 的时钟源比较表 2 列出烟雾探测仪应用最常使用的 MCU MC9S08QG4 PIC16F676 MSP430F1122 TINY24 典型最大典型最大典型最大典型最大 Supply 490uA* 1mA* 500uA** 780uA** 300uA*** 无 Current@3.0V, ua*** ua 1 MHz 16

17 Supply 455 khz 内部 OSC 的准 200uA^ ^ ^ 无无无无无无 0.20% 2% 1% 无无 5% 1.00% 3% 确度 EEPROM 闪存模拟内部 128 字节闪存模拟内部 128 字节 * 这是为 Vdd=3V Fbus=1 MHz FBE 模式 ( 带有外部 2 MHz 晶振 ) 提供的电流 FLL 使用大约 uA,ICR 一般使用 100uA, 对于 FEI 模式, 一般 =840uA; 同时 OSC 在 LP 模式下使用 5uA, 带有 32kHz 外部表晶体振荡器的 FEE 模式大概是 =745uA ** 这是为 Vdd=3V Fcpu=1 MHz, 带有外部 4 MHz RC 振荡器提供的电流 *** 这是为 Vdd=3V Fmclk=1 MHz, 带有表晶体振荡器提供的电流因此包括 DCO 和振荡器的供应电流 ^FBE 模式,Fbus=455(2*2)=113.75kHz ^^Fmclk=455/4=113.75kHz 表 4:MCU 的比较参考飞思卡尔 MC9S08QG4 数据表飞思卡尔 AN2493 MC9S08GB/GT 低功耗模式 17

2 PIC PIC 1 / CPU PIC MCU PIC RC

2 PIC PIC 1 / CPU PIC MCU PIC RC 2 PIC PIC 1 /... 2-2 2... 2-3 3... 2-4 4... 2-4 5... 2-4 6 CPU... 2-5 7 PIC MCU... 2-6 8 PIC16... 2-6 9... 2-7 10... 2-7 11 RC... 2-7 12... 2-8 13... 2-8 14 NOP... 2-9 15 PMD... 2-9 16... 2-10 17 WDTWDT...