MSP430x4xx系列微控制器的獨特時(shí)鐘設計

微控制器時(shí)鐘系統的設計對于系統的全局性能是十分關(guān)鍵的。為了得到廉價(jià)、準確而穩定的時(shí)鐘，在大多數情況下，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，在系統上電后，將需要一個(gè)較長(cháng)的時(shí)間才能使頻率和幅度達到穩態(tài)，所以，石英晶體振蕩器不能為中斷提供快速的響應。

對于一個(gè)電池供電的系統，最基本的要求就是功耗要低。但同時(shí)又會(huì )出現一些相互矛盾的問(wèn)題，因為采用低頻時(shí)鐘雖然可以達到節能和延長(cháng)電池使用時(shí)間的要求，但采用高頻時(shí)鐘卻可以實(shí)現對事件的快速反應，并增強處理突發(fā)事件的能力；另外，在某些情況下，還會(huì )要求時(shí)鐘具有很高的穩定度。

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

1 MSP430微控制器簡(jiǎn)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、運行速度快、指令簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并具有靈活而簡(jiǎn)單的外圍設備，由于采用了JTAG技術(shù)、FLASH在線(xiàn)編程技術(shù)、 BOOTSTRAP等諸多先進(jìn)技術(shù)，因此具有很高的性?xún)r(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計，即16位精簡(jiǎn)指令體系結構和獨特的時(shí)鐘系統。

MSP430x4xx系列產(chǎn)品的時(shí)鐘系統采用FLL而沒(méi)有采用傳統的PLL（Phase－Locked Loop）設計，這主要是考慮到FLL能夠快速的啟動(dòng)并達到穩定。PLL達到鎖定狀態(tài)需要幾百甚至上千個(gè)時(shí)鐘周期，而FLL＋經(jīng)過(guò)預先準確設置后，可以在系統啟動(dòng)時(shí)立即鎖定，從而為快速響應中斷提供了保障。并且PLL通常是用模擬元件來(lái)實(shí)現的，因此需要不斷的消耗能量。而FLL是純數字系統，可以用軟件來(lái)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結構的一種擴展，但卻與MSP430x1xx系列的時(shí)鐘系統有很大的不同，后者沒(méi)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，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(chēng)為 ACLK。通過(guò)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。在絕大多數情況下，LFXT1運行于低頻模式，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）穩定度高；
（3）價(jià)格低廉；
（4）體積??；
（5）電路簡(jiǎn)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，所以它可以連續工作，這樣就避免了啟動(dòng)和穩定所需要的時(shí)延。并且32768Hz的時(shí)鐘一直有效也意味著(zhù)當其它系統處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統的一些片上外圍設備可以繼續處于激活狀態(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(guò)外接高速晶體或者諧振器工作于高頻模式。不過(guò)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結構比較簡(jiǎn)單，若是系統需要穩定度很高的高頻時(shí)鐘可以采用它，不需要時(shí)可以通過(guò)軟件將其關(guān)閉。不過(guò)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(chēng)為DCOCLK，經(jīng)過(guò)FLL調節和校準后可用作系統時(shí)鐘（MCLK）和外圍設備的時(shí)鐘（SMCLK）。這個(gè)模塊是整個(gè)時(shí)鐘系統的核心。其基本結構如圖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(jiàn)圖1）。因此可以通過(guò)軟件編程來(lái)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(lái)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(guò)FLL進(jìn)行校頻后，才能用于系統時(shí)鐘。

3．1倍頻方案

在需要較高數據處理速度時(shí)，ACLK就不能單獨勝任，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，FLL＋的倍頻方案增加了DCO＋控制位。當DCO＋取0、1時(shí)，fDCOCLK輸出時(shí)鐘頻率不同，具體如下：