微控制單元(Microcontroller Unit;MCU) ，又稱單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer )或者單片機(jī)，是把中央處理器(Central Process Unit;CPU)的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存(memory)、計(jì)數(shù)器(Timer)、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。諸如手機(jī)、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。

32位MCU可說是MCU市場(chǎng)主流，單顆報(bào)價(jià)在1.5~4美元之間，工作頻率大多在100~350MHz之間，執(zhí)行效能更佳，應(yīng)用類型也相當(dāng)多元。但32位MCU會(huì)因?yàn)椴僮鲾?shù)與內(nèi)存長(zhǎng)度的增加，相同功能的程序代碼長(zhǎng)度較8/16bit MCU增加30~40%，這導(dǎo)致內(nèi)嵌OTP/FlashROM內(nèi)存容量不能太小，而芯片對(duì)外腳位數(shù)量暴增，進(jìn)一步局限32bit MCU的成本縮減能力。

一、引言

在嵌入式系統(tǒng)和微控制器(MCU)的應(yīng)用中，時(shí)鐘電路是關(guān)鍵部分之一。它為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，確保各個(gè)部分的協(xié)調(diào)運(yùn)行。本文將介紹如何基于MCU器件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)。

二、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)基本原理

時(shí)鐘電路的主要功能是產(chǎn)生一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，為MCU及其它數(shù)字組件提供同步時(shí)鐘。時(shí)鐘信號(hào)的頻率決定了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和性能。常見的時(shí)鐘電路由晶體振蕩器(XTAL)、鎖相環(huán)(PLL)和濾波電容等元件組成。

晶體振蕩器(XTAL)

晶體振蕩器是時(shí)鐘電路的核心元件，它產(chǎn)生一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)晶體振蕩器的不同，時(shí)鐘信號(hào)的頻率范圍可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲。選擇合適的晶體振蕩器需要考慮系統(tǒng)的需求、功耗、穩(wěn)定性和成本等因素。

鎖相環(huán)(PLL)

鎖相環(huán)是一種用于時(shí)鐘信號(hào)的頻率合成器，它可以將晶體振蕩器的頻率進(jìn)行倍頻或分頻，以滿足系統(tǒng)對(duì)不同頻率的需求。通過調(diào)整鎖相環(huán)的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率的精確控制。

濾波電容

濾波電容在時(shí)鐘電路中起到平滑電壓的作用，以減少噪聲和干擾。根據(jù)電路的需求，可以選擇普通電容或鉭電容等不同類型的電容。

三、基于MCU器件的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)實(shí)例

本節(jié)以STM32F103C8T6 MCU為例，介紹如何實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)。該MCU采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72MHz。

硬件連接

將XTAL與PLL輸入端子相連，PLL輸出端子連接到MCU的時(shí)鐘輸入端子(如GPIO口)，濾波電容連接在XTAL兩端。

配置PLL

根據(jù)MCU的數(shù)據(jù)手冊(cè)，配置PLL的參數(shù)。例如，設(shè)置分頻因子為8，則MCU的時(shí)鐘頻率為72MHz/8=9MHz?？梢酝ㄟ^編程方式修改PLL的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

軟件編程

在程序中，通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器來啟用PLL和選擇時(shí)鐘源。例如，在STM32F103C8T6 MCU中，可以通過設(shè)置RCC_CFGR寄存器的PLLEN位來啟用PLL，并設(shè)置HSE、HSI或MSI為時(shí)鐘源。此外，還需要配置中斷系統(tǒng)以處理時(shí)鐘異常事件。

四、調(diào)試與測(cè)試

完成時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試以確保其正常工作?？梢酝ㄟ^示波器等工具觀察XTAL和PLL輸出端子的波形，檢查時(shí)鐘信號(hào)的頻率和穩(wěn)定性是否符合要求。同時(shí)，還需要測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性，以確保時(shí)鐘電路的正常工作。

五、優(yōu)化與改進(jìn)

根據(jù)應(yīng)用需求和性能要求，可以對(duì)時(shí)鐘電路進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。例如，增加緩沖電路可以改善時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量;采用低功耗元件可以降低系統(tǒng)的功耗;采用溫度傳感器可以監(jiān)測(cè)時(shí)鐘電路的工作溫度并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。此外，還可以考慮采用小數(shù)分頻技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)提高時(shí)鐘信號(hào)的精度和穩(wěn)定性。

六、結(jié)論

本文介紹了基于MCU器件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)方法。通過選擇合適的元件、配置相應(yīng)的參數(shù)以及軟件編程，可以設(shè)計(jì)出滿足系統(tǒng)需求的時(shí)鐘電路。同時(shí)，還需要進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試以確保其正常工作。在未來發(fā)展中隨著科技的進(jìn)步和應(yīng)用的不斷變化要求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷改進(jìn)以優(yōu)化系統(tǒng)性能并滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。