基于MC9S08QG4的煙霧傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)

控制器聯(lián)網(wǎng)（CAN）總線(xiàn)
環(huán)行板
帶有24V 電源的探測(cè)器總線(xiàn)
中央處理器
煙霧探測(cè)器
執(zhí)行模塊
告警按鈕
24V DC電源
液晶顯示器
鍵盤(pán)
報(bào)警器
不間斷電源

·中央處理器

中央處理器控制整個(gè)系統(tǒng)，定時(shí)詢(xún)問(wèn)每個(gè)煙霧探測(cè)器和告警按鈕的狀態(tài)，并通過(guò)環(huán)路板向每個(gè)執(zhí)行模塊發(fā)送命令。而且，它還提供帶有TFT液晶顯示器和鍵盤(pán)的操作員接口，如果出現(xiàn)火情，就顯示位置并報(bào)警。

·環(huán)路板

通常在火警安全系統(tǒng)中有10個(gè)或更多的環(huán)路板。環(huán)路板與中央處理器連接。RS485以前是環(huán)路板和中央處理器之間最常用的連接方法，但是控制器聯(lián)網(wǎng)總線(xiàn)目前成為最現(xiàn)代的新型設(shè)計(jì)解決方案。

每個(gè)環(huán)路板都提供一個(gè)帶有模塊數(shù)據(jù)的探測(cè)器總線(xiàn)，并在兩條線(xiàn)上提供24V直流電源。根據(jù)不同生產(chǎn)商的產(chǎn)品不同，最多可以有240個(gè)煙霧探測(cè)器、告警按鈕和執(zhí)行模塊連接在一個(gè)環(huán)路上。

·執(zhí)行模塊和告警按鈕

執(zhí)行模塊是執(zhí)行設(shè)備，如遇到火災(zāi)時(shí)根據(jù)探測(cè)器總線(xiàn)傳來(lái)的的命令打開(kāi)灑水器。一般來(lái)說(shuō)，這些模塊包括一個(gè)或多個(gè)由MCU多點(diǎn)控制單元的GPIO通用輸入/輸出接口控制的中繼。通常情況下，執(zhí)行模塊使用與煙霧探測(cè)器相同種類(lèi)的MCU多點(diǎn)控制單元。

告警按鈕安裝在走廊上，一旦遇到火災(zāi)或緊急事件，人們可以打破蓋板，按下按鈕進(jìn)行報(bào)警。有時(shí)為了降低成本，使用更簡(jiǎn)單的MCU。

執(zhí)行模塊和煙霧探測(cè)器的數(shù)量比是1：2或更少，系統(tǒng)中的告警按鈕數(shù)量比執(zhí)行模塊數(shù)量少。

·電源

整個(gè)火災(zāi)控制系統(tǒng)的電源是由UPS（不間斷電源）提供的。24V直流電提供給中央處理器和每個(gè)環(huán)路板，然后環(huán)路板通過(guò)探測(cè)器總線(xiàn)將24V的直流電源提供給所有煙霧探測(cè)器、執(zhí)行模塊和告警按鈕。通信數(shù)據(jù)可以在每根總線(xiàn)上調(diào)制。

·探測(cè)器的總線(xiàn)

探測(cè)器總線(xiàn)是一種裝有兩條線(xiàn)的特殊控制總線(xiàn)，帶有24V直流電源和調(diào)制數(shù)據(jù)。圖2顯示了探測(cè)器總線(xiàn)上的常見(jiàn)波形，但沒(méi)有更具體的波形，因?yàn)椴煌纳a(chǎn)商定義不同的通信協(xié)議。

時(shí)鐘
托管數(shù)據(jù)
主機(jī)數(shù)據(jù)
設(shè)備電流
代碼1
代碼0
OPEN

調(diào)時(shí)決定了總線(xiàn)MCU頻率的要求。

雖然它是個(gè)三態(tài)代碼，但是只使用兩種狀態(tài)來(lái)傳輸總線(xiàn)數(shù)據(jù)，1和0（24V和0V）。第三種狀態(tài)OPEN用來(lái)表示主機(jī)等待某一設(shè)備響應(yīng)的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，總線(xiàn)被設(shè)置為一個(gè)恒定的中間電壓，例如12V，然后設(shè)備可從總線(xiàn)獲得電流，總線(xiàn)此狀態(tài)下作為一個(gè)電流回路。通過(guò)改變總線(xiàn)電流來(lái)代表邏輯1和0進(jìn)行通信。

·煙霧探測(cè)器

圖3顯示常用煙霧探測(cè)器的塊狀圖

環(huán)路中的每個(gè)煙霧探測(cè)器都有獨(dú)特的地址代碼。詢(xún)問(wèn)命令定時(shí)通過(guò)總線(xiàn)發(fā)射（例如：每三秒鐘）這種詢(xún)問(wèn)命令是一個(gè)廣播，可以由所有的煙霧探測(cè)器接收的。如果一個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到火情，它會(huì)將信息發(fā)送給控制器進(jìn)行報(bào)告。

MCU所需的資源和功能

以下是煙霧探測(cè)器應(yīng)用所需的要求：

·非常低的功耗，對(duì)整個(gè)電路板所需的功率不超過(guò)400 uA
·一個(gè)信道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）
·7個(gè)GPIO通用輸入/輸出接口
·一個(gè)用于定時(shí)功能的8位計(jì)時(shí)器
·監(jiān)控器、計(jì)時(shí)器和低電壓檢測(cè)，用于保證系統(tǒng)安全
·16位的EEPROM電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)如地址和配置
·2K的閃存，80字節(jié)的內(nèi)存

停止模式

QG4有四種操作模式，激活、等待、停止3、停止2和停止1。

激活背景模式用于代碼開(kāi)發(fā)

·等待模式：
。CPU停止操作來(lái)節(jié)約功率
。系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行
。保持全電壓調(diào)節(jié)
·停止模式：CPU和總線(xiàn)時(shí)鐘停止
。停止1：內(nèi)部電路完全停止，以最大限度地節(jié)約功率。
。停止2：內(nèi)部電路功率部分停止，保持內(nèi)存內(nèi)容。
。停止3：所有內(nèi)部電路可以快速恢復(fù)，保持內(nèi)存和注冊(cè)器中的內(nèi)容。

重啟后，操作的正常模式是運(yùn)行模式，并且在此模式中CPU被激活并且外圍設(shè)備可使用。通過(guò)執(zhí)行一個(gè)等待命令，MCU進(jìn)入等待模式。在等待模式中所需功率減小，因?yàn)镃PU沒(méi)有計(jì)時(shí)。為了進(jìn)一步減少功率消耗，可以使用停止模式。當(dāng)執(zhí)行停止命令時(shí)，就輸入三個(gè)停止模式中的一個(gè)。停止1、停止2和停止3，每一種都具有不同級(jí)別的操作可減少功率的損耗。表1A描述了停止模式的行為。一般來(lái)說(shuō)，停止模式的電源供應(yīng)（3V供應(yīng)）如下：

·停止1模式供應(yīng)電流, 475 nA
·停止2模式供應(yīng)電流, 600 nA
·停止3模式供應(yīng)電流, 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
·振蕩器加法器在停止3模式下，5 uA

*ATD停止模式或功率的減少都根據(jù)ATDPU的狀態(tài)決定
**晶體振蕩器可配置運(yùn)行停止3。請(qǐng)見(jiàn)ICG注冊(cè)器。

表1B描述了如何通過(guò)配置不同注冊(cè)器的字節(jié)以及每個(gè)停止模式的結(jié)束條件來(lái)選擇停止模式。

當(dāng)使用停止2時(shí)要考慮以下幾個(gè)因素來(lái)確保正確操作。
IRQ PIN中斷請(qǐng)求腳必須激活或從外部拉起
LVD低壓差動(dòng)傳輸模式必須在停止模式中禁用（LVDSE = 0）
如果使用RTI，只有內(nèi)部時(shí)鐘源在停止2模式下生效。
OSCSTEN字節(jié)在停止2模式中無(wú)效，此時(shí)鐘參考將總是消耗電源
只有RAM保持功率，所有其它的I/O注冊(cè)器將在喚醒狀態(tài)下重新設(shè)置
在I/O 針腳從停止2模式進(jìn)入狀態(tài)被修改前，PPDF標(biāo)記必須被清除。

從停止模式恢復(fù)需要時(shí)間。在3V電壓時(shí)，停止1和停止2的停止恢復(fù)時(shí)間大約為50 us，停止3的恢復(fù)時(shí)間根據(jù)時(shí)鐘定義的不同而變化。如果使用內(nèi)部參考時(shí)鐘，啟動(dòng)時(shí)間大約為100 us，而如果使用外部 32KHz水晶，如果振蕩器在停止模式下激活（設(shè)置為OSCSTEN），則是2·4ms。如果振蕩器在停止模式下禁用（OSCSTEN被清除），則是180 ms到300 ms。

不幸的是，雖然使用停止模式可以大量節(jié)約功率，但是許多煙霧探測(cè)器的設(shè)計(jì)師都不能接受停止模式，因?yàn)樗枰恢北３諱CU工作，以從總線(xiàn)獲得響應(yīng)。從停止模式恢復(fù)的時(shí)間使其很困難或甚至不可能。

低功耗設(shè)計(jì)的ICS網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)共享配置和操作模式

·建議使用ICS配置和操作模式由一般總線(xiàn)調(diào)時(shí)確定，至少需要100KHZ總線(xiàn)頻率。

根據(jù)不同的ICS配置，QG4有六種操作模式：FEI、FEE、FBI、FBILP、FBE和FBELP。因?yàn)镕BE模式有最低的功耗和最準(zhǔn)確的時(shí)鐘，所以建議用于煙霧探測(cè)器的應(yīng)用。遺憾的是，由于生產(chǎn)商使用不同的總線(xiàn)計(jì)時(shí)，所以有時(shí)可能無(wú)效。例如：有些總線(xiàn)計(jì)時(shí)需要1MHz的總線(xiàn)頻率，QG4需要一個(gè)外部2MHz晶體振蕩器用于FBE模式，許多客戶(hù)不愿意支持額外的2個(gè)MHz晶體振蕩器成本，有些總線(xiàn)需要很低的總線(xiàn)頻率（如16Hz），然后可以選擇FBI模式。

QG4的內(nèi)部32KHz時(shí)鐘具有典型的的0·2%的準(zhǔn)確性和在整個(gè)操作溫度范圍有2%的誤差。

非常普遍而且低成本、低功率的配置是使用一個(gè)455KHz震蕩電路，用于FBELP模式?？偩€(xiàn)頻率是227·5KHz（可以分開(kāi)為113·75KHz）。如果供應(yīng)電壓是3V，227·5KHz頻率下的(BDIV = 0)的QG4的電流供應(yīng)就是240μA，而113·75 KHz（BDIV=1）的電流供應(yīng)是200 μA，28·4 KHz（BDIV=４）的電流供應(yīng)是170UA。

表2顯示所有適合煙霧探測(cè)器應(yīng)用的操作模式，考慮到功率損耗和成本問(wèn)題。而且考慮以下因素用于計(jì)算不同模式的總線(xiàn)頻率。

·FEI：Fbus= Firc * 512 / (2 * 總線(xiàn)分配器)
·FBI：Fbus = Firc / (2 *總線(xiàn)分配器)
·FBE：Fbus = Ferc / (2 *總線(xiàn)分配器)

·與外部455KHz震蕩電路共同使用

當(dāng)MCU與外部455KHz振蕩電路共同使用，獲得功率損耗、系統(tǒng)成本、時(shí)鐘準(zhǔn)確度和總線(xiàn)頻率的最佳平衡時(shí)，必須考慮振蕩電路組件的選擇以使其可靠。

圖4顯示典型的455KHz振蕩器電路。

C1，C2是指生產(chǎn)商的建議值，通常80到100 pF

在QG4的數(shù)據(jù)表上，規(guī)定了兩種特點(diǎn)，低范圍是32到38·4KHz，高范圍超過(guò)1MHz。但是QG4可以與455KHz震蕩電路共同使用；雖然在電路特點(diǎn)中沒(méi)有具體說(shuō)明。通過(guò)此配置， ICSC2 注冊(cè)器5位的范圍應(yīng)該設(shè)置為ICS的高范圍模式。

·高電流應(yīng)該于POR

G4進(jìn)行重新設(shè)置時(shí)的電源，ICS的默認(rèn)模式總是FEI，在此模式中總線(xiàn)頻率是4Hz，大約從電源消耗2mA的電流，不適用于煙霧探測(cè)器應(yīng)用。建議在POR之后立即設(shè)置ICS到FBI模式。雖然高電流狀態(tài)一直存在于POR，但是用戶(hù)可以通過(guò)此方法縮短幾個(gè)說(shuō)明周期的時(shí)間。在Tcsth之后，晶體振蕩器啟動(dòng)時(shí)間（5 ms用于高范圍，低的振蕩器功率模式）,用戶(hù)可以將ICS轉(zhuǎn)換到最終工作模式，對(duì)FBE進(jìn)行正確操作。在Tcsth的過(guò)程中，用戶(hù)可以完成對(duì)系統(tǒng)初始工作，這對(duì)計(jì)時(shí)并不重要。

·使用內(nèi)部模塊的電流供應(yīng)

每個(gè)內(nèi)部模式在工作時(shí)都從電源獲得電流，可以禁止某些未使用的模塊以節(jié)約電源，但是已使用的模塊的電流供應(yīng)必須考慮系統(tǒng)的電源損耗，以下是QG4內(nèi)部模塊的電流供應(yīng)列表。

·RTI: 300 nA
·LVD: 70 uA
·ACMP: 20 uA
·ADC: 120 uA（取樣時(shí)間長(zhǎng)，低電流模式）
·OSC: 5 uA（范圍低、低電源模式）
·IRG: 100 uA
·FLL: 210 uA ~ 300 uA（根據(jù)頻率和電壓的供應(yīng)決定）
·FLL: 210 uA ~ 300 uA（根據(jù)頻率和電壓的供應(yīng)決定）

MCU的I/O 針腳必須正確設(shè)置來(lái)節(jié)約電源。所有未使用的I/O必須通過(guò)掛起或下拉的輸入來(lái)設(shè)置，或 簡(jiǎn)單的輸出模式可輸出禁止外部電路的狀態(tài)。

帶有閃存的EEPROM仿真

煙霧探測(cè)器使用EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如地址和系統(tǒng)配置。16位對(duì)于這些數(shù)據(jù)足夠了。QG4的閃存可輕松用于模擬EEPROM。通過(guò)內(nèi)部Vpp充電泵，無(wú)需外部Vpp。QG4的閃存可擦寫(xiě)/編程10000次，是HC08 Flash MCU的10倍還多。而且建議采用一些解決方案來(lái)延長(zhǎng)閃存的生命周期。

·閃存擦寫(xiě)/編程代碼樣本

如何消除/編程閃存的樣本代碼可在CW5·x的樣本目錄中找到。

在Vpp狀態(tài)時(shí)，CPU使用不安全，那些閃存擦寫(xiě)/編程代碼必須在RAM上執(zhí)行，而不是在閃存上執(zhí)行，為此用戶(hù)可以限定一個(gè)陣列，包含上述 C語(yǔ)言源代碼所編輯的二位代碼，并且稱(chēng)RAM中的這個(gè)陣列為子程序。

PGM[21]總是閃存操作命令。以下macros操作可以被定義以使RAM中的這些代碼更容易做為子程序而被調(diào)用。

以下實(shí)例顯示如何調(diào)用函數(shù)。

在閃存可以正確擦寫(xiě)或編程前，F(xiàn)CLK必須設(shè)置在150KHz到200 KHz之間的正確值。

·在227·5 KHz FCLK 下正確操作。

QG4的Ffclk特性是在150KHz到200 KHz之間。FCDIV的注冊(cè)器必須被寫(xiě)入正確的值以設(shè)置正確的Ffclk。如果是PRDIV8，此寄存器的六位必須被清除。

·fFCLK = fBus / (DIV + 1)

通過(guò)外部455 KHz FBE模式，在此模式中總線(xiàn)頻率是227·5KHz。Ffclk只能被設(shè)置為227·5 KHz（不分開(kāi)）或113·75 KHz（兩分），它最接近特定的Ffclk。

對(duì)于可靠的操作來(lái)說(shuō)，建議采用帶有113·75 KHz Ffclk的突發(fā)編程模式閃存。請(qǐng)注意突發(fā)編程與byte編程略有不同，所以源代碼應(yīng)該為突發(fā)模式重寫(xiě)。

另一方面，當(dāng)閃存編程/擦寫(xiě)時(shí)電源消耗更大，F(xiàn)LL加法器的供應(yīng)電流可以被忽略，所以另一個(gè)建議是使FLL獲得更高的總線(xiàn)頻率，然后在完成閃存操作后回到正常的設(shè)置。

·模擬EEPROM的生命周期延長(zhǎng)

閃存只能被擦除為頁(yè)。QG4閃存的頁(yè)面大小是512個(gè)字節(jié)，由于只有少量字節(jié)用于煙霧探測(cè)器，所以可采用一些解決方案來(lái)延長(zhǎng)模擬EEPROM的生命周期。解決方案之一就是存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)在整個(gè)EEPROM上（參考圖5）。每個(gè)記錄有n個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)標(biāo)記組成，這個(gè)標(biāo)記字節(jié)說(shuō)明這n+1個(gè)字節(jié)地址是否被使用。如果沒(méi)被使用，用戶(hù)代碼可將新的數(shù)據(jù)寫(xiě)入此位置；如果已被使用，那么將數(shù)據(jù)寫(xiě)入下一個(gè)位置。當(dāng)閱讀虛擬EEPROM時(shí)，用戶(hù)代碼應(yīng)該首先檢測(cè)這個(gè)標(biāo)記，然后從最后一個(gè)已使用位置上讀取數(shù)據(jù)，它包含最新的數(shù)據(jù)。當(dāng)所有的地址(頁(yè)面尺寸/記錄尺寸)被使用時(shí)，下一個(gè)寫(xiě)操作應(yīng)該從頁(yè)面的第一個(gè)地址重新開(kāi)始，結(jié)果閃存這一頁(yè)的生命周期就被(頁(yè)面尺寸/記錄尺寸)成倍延長(zhǎng)了。

如果15個(gè)字節(jié)被要求存儲(chǔ)地址代碼和配置數(shù)據(jù)，那么要使用額外的一個(gè)字節(jié)作為標(biāo)記，所以記錄的尺寸是16個(gè)字節(jié)，一頁(yè)可被使用512/16=32次，其生命周期可延長(zhǎng)至32*100,000=3,200,000循環(huán)。

·當(dāng)閃存擦寫(xiě)/重新編程時(shí)的電流

當(dāng)刪除/編程閃存時(shí)要考慮提供電流。當(dāng)Vdd = 3·2V, Ffclk = 227·5 kHz，擦除頁(yè)使用5·78 mA，并且花費(fèi)4000Tfcyc，也就是17·58 ms。

·閃存塊保護(hù)

由于Flash編程/刪除代碼包括在用戶(hù)代碼中，所以閃存必須被塊保護(hù)以避免由于程序運(yùn)行錯(cuò)誤所導(dǎo)致的意外內(nèi)存操作。要塊保護(hù)閃存，用最后一個(gè)未被保護(hù)內(nèi)存的地址來(lái)設(shè)置NVPROT寄存器。例如，要通過(guò)0xFFFF保護(hù)0xFA00，0xF9FF是最后一個(gè)未保護(hù)地址，所以0xF8必須向NVPROT寫(xiě)為15位到9位的內(nèi)存地址（8位到0位都是邏輯1）。

如果支持塊保護(hù)，確保向量是否被重新導(dǎo)向。如果向量被清除NVOPT寄存器內(nèi)的FNORED位進(jìn)行重新導(dǎo)向，用戶(hù)代碼必須改變，以從新的向量位置分配和接入向量。如果引導(dǎo)裝入程序被在系統(tǒng)內(nèi)編程或更新使用，它就是塊保護(hù)，向量必須重新導(dǎo)向，或者引導(dǎo)裝入不能編輯默認(rèn)的向量位置，因?yàn)槿绻恢С謮K保護(hù)，這些也被保護(hù)。

正常情況下，中斷服務(wù)的方式如下：

3號(hào)或4號(hào)說(shuō)明ISR函數(shù)的絕對(duì)向量數(shù)量，例如，QG4的向量3是低電壓檢測(cè)中斷，向量位置是0xFFF8:0xFFF9。

但是如果支持向量的重新導(dǎo)向，這種情況就不生效——在被重新導(dǎo)向后，模擬比較器向量就轉(zhuǎn)向地址0xFDF8:0xFDF9。仍舊從0xFFF8:0xFFF9輸入中斷服務(wù)將導(dǎo)致致命錯(cuò)誤，然后中斷服務(wù)的方法如下：

宣布中斷服務(wù)的另一種方法是在向量表起始的位置定義一個(gè)函數(shù)陣列。

一旦向量被重新導(dǎo)向，就可以將函數(shù)陣列地址改變到新的位置。

在任何情況下，重設(shè)向量都不被重新導(dǎo)向，它總是0xFFFE:0xFFFF。所以，啟動(dòng)函數(shù)地址不能改變。單獨(dú)在PRM文件中的定義它的函數(shù)地址。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的配置

·模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）時(shí)鐘選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）能夠使用多點(diǎn)控制單元MCU總線(xiàn)時(shí)鐘、一個(gè)總線(xiàn)時(shí)鐘脈沖分為兩次或在模塊內(nèi)的本地異步時(shí)鐘進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。如果總線(xiàn)頻率低于fADCK的頻率，當(dāng)支持短信號(hào)時(shí)，連續(xù)轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)確信號(hào)時(shí)間就不能保證。如果總線(xiàn)頻率低于fADCK頻率的1/11，當(dāng)支持長(zhǎng)信號(hào)時(shí)，連續(xù)轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)確信號(hào)時(shí)間就不能保證。

當(dāng)455kHz振蕩電路被使用，并且總線(xiàn)頻率是227·5kHz時(shí)，異步時(shí)鐘（ADACK）應(yīng)該被選為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的時(shí)鐘源。

比較

表4列出煙霧探測(cè)儀應(yīng)用最常使用的MCU。

*這是為Vdd=3V、Fbus=1 MHz、FBE模式（帶有外部2 MHz晶振）提供的電流。FLL使用大約220310uA，ICR一般使用100uA，對(duì)于FEI模式，一般490+250+100=840uA；同時(shí)OSC在LP模式下使用5uA,帶有32kHz外部表晶體振蕩器的FEE模式大概是490+250+5=745uA。
**這是為Vdd=3V、Fcpu=1 MHz，帶有外部4 MHz RC振蕩器提供的電流。
***這是為Vdd=3V、Fmclk=1 MHz，帶有32768表晶體振蕩器提供的電流。因此包括DCO和振蕩器的供應(yīng)電流。
^FBE模式，F(xiàn)bus=455(2*2)=113·75kHz。
^^Fmclk=455/4=113·75kHz。

參考

飛思卡爾
MC9S08QG4數(shù)據(jù)表
飛思卡爾AN2493、MC9S08GB/GT低功耗模式