伍衍亮 梁炯輝

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

一般來說，MCU只需用到一個主時鐘源，但遙控器等低功耗設(shè)備的MCU不同，需要用到主時鐘源和副時鐘源，兩個時鐘源是相互獨立的。傳統(tǒng)空調(diào)器等用的遙控器都采用外部32.768 kHz晶振作為副時鐘，隨著芯片技術(shù)的逐步發(fā)展，芯片內(nèi)部低速振蕩器的質(zhì)量可靠性已經(jīng)變得很好，從產(chǎn)品的成本要求和質(zhì)量隱患等方面進(jìn)行考慮，用芯片內(nèi)部低速振蕩器來取代外部32.768 kHz晶振已經(jīng)成為趨勢。

遙控器一般采用干電池供電，最核心的技術(shù)就是低功耗，芯片處于休眠階段時，高速振蕩器和其它部件均不工作，只有副時鐘可以運(yùn)行，所以可以把功耗降到很低。晶振的精度可達(dá)±20 ppm，而芯片內(nèi)部低速振蕩器的精度只有±15%左右，若遙控器設(shè)定了定時功能，傳統(tǒng)遙控器采用外部32.768 kHz晶振，定時時間的精度則可達(dá)到±20 ppm。但采用芯片內(nèi)部振蕩器時，遙控器定時精度會由±20 ppm變?yōu)椤?5%，這會直接影響用戶的使用舒適感。

本文將以瑞薩遙控器RL78芯片為例，探討一種采用芯片內(nèi)部高速振蕩器來對芯片內(nèi)部低速振蕩器進(jìn)行定時校準(zhǔn)的方法。

2 系統(tǒng)框圖

2.1 芯片本身特性

RL78芯片本身特性：內(nèi)置高精度高速振蕩器（1～24 MHz），精度±0.5%；內(nèi)置低功耗低速振蕩器15 kHz，精度±15%；STOP模式下RTC（實時時鐘）可以選擇15 kHz工作。其參數(shù)如表1所示，芯片內(nèi)部高速振蕩器精度-溫度曲線如圖1所示。

圖1 芯片內(nèi)部高速振蕩器精度-溫度曲線

表1 RL78芯片內(nèi)部振蕩器參數(shù)

2.2 芯片時基

MCU時鐘源選擇如圖2所示：主時鐘源選擇內(nèi)部高速振蕩器，在芯片工作時運(yùn)行；副時鐘源由傳統(tǒng)的外部接晶振的方案改為使用內(nèi)部低速振蕩器，在芯片休眠時工作。

圖2 MCU時鐘源選擇框圖

舉例：內(nèi)部高速振蕩器選擇4 MHz，用外部32.768 kHz晶振時，32.768 kHz在經(jīng)過振蕩器特定數(shù)目n的脈沖后得到一個0.5 s的時間脈沖，稱之為RTC時鐘，則采用芯片內(nèi)部低速15 kHz振蕩器方案時，在軟硬件設(shè)置不更改的情況下，經(jīng)過n個脈沖后，產(chǎn)生的RTC時鐘為：

3 校準(zhǔn)方案描述

遙控器設(shè)置定時時間后，要在休眠時進(jìn)行計時，所用時基就是RTC時鐘，用內(nèi)部15 kHz低速振蕩器產(chǎn)生的RTC時間為1.09227 s，誤差為±15%，誤差太大，所以要用精度為±0.5%的高速內(nèi)部振蕩器對定時時間進(jìn)行校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)原理是：內(nèi)部低速振蕩器精度很低，體現(xiàn)在產(chǎn)生的脈寬不能保持恒定和準(zhǔn)確，所以每隔一定時間，就啟動一次高精度振蕩器，用高精度振蕩器作為時間的標(biāo)準(zhǔn)量尺，來測量并校正低速振蕩器的脈寬從而提高定時精度。

具體校準(zhǔn)步驟介紹如下：

內(nèi)部低速15 kHz低速振蕩器作為副時鐘源，產(chǎn)生RTC為1.09227 s；

設(shè)置定時后，芯片每1.09227 s從休眠模式喚醒，進(jìn)行校準(zhǔn)；

用芯片的一個定時器TIMER1來測量脈寬，時鐘源為4 MHz高速振蕩器，測量對象為15 kHz脈寬寬度，即可理解為頻率為15 kHz的方波，一個方波的時間為

連續(xù)測量31次15 kHz的方波，因一直在運(yùn)行，所以第一個方波是不完整的，故拋棄第一個方波，理論用時為：

計算同樣2 ms內(nèi)4 MHz的理論方波數(shù)為：

用定時器TIMER1在測量30個15 kHz的方波，得到實際上4 MHz的方波個數(shù)，從而得到實際誤差：

以4 MHz的誤差Δ代替1.09227 s的誤差，每次累計，得到sum（Δ）；

以15 min為一個校準(zhǔn)基數(shù)，用15 kHz計時15 min，理論上要跑的RTC次數(shù)位：

即：休眠時運(yùn)行824個1.09227 s就是15 min；

每次測量的2 ms均累計誤差，如果sum（Δ）＞8000，說明4 MHz多跑了一個2 ms，則RTC理論上要跑的次數(shù)C=C-1，sum（Δ）數(shù)值要減掉8000；

同理，如果sum（Δ）＜8000，說明4 MHz少跑了一個2 ms，則C=824+1，sum（Δ）數(shù)值要加上8000。

當(dāng)實際上RTC的運(yùn)行個數(shù)等于C時，則說明15 min計時完成，其計時精度=芯片內(nèi)部高速振蕩器精度±0.5%。

4 實驗驗證

表2為定時時間誤差理論值，表3為常溫下的實測數(shù)據(jù)。從測試數(shù)據(jù)可以看出，芯片的計時誤差范圍在0.3%以內(nèi)，小于內(nèi)部高速振蕩器的±0.5%，說明本文所述校準(zhǔn)算法是有效的。

表2 定時時間誤差理論值

表3 常溫下實測數(shù)據(jù)

5 待機(jī)功耗的驗證

帶顯示的遙控器，在休眠時，會每隔一段時間跳出休眠喚醒芯片，跑一次主循環(huán)，判斷是否要更新顯示。

原副時鐘采用外部32.768 kHz晶振的遙控器，RTC為0.5 s，即每隔0.5 s會喚醒一次芯片。

副時鐘采用內(nèi)部15 kHz低速振蕩器后，RTC為1.09227 s，即每隔

1.09227 s會喚醒一次芯片，相比較外部32.768 kHz晶振的方案，喚醒的間隔變長了，芯片處于休眠的時間變多了，故無需定時校準(zhǔn)時，芯片的待機(jī)電流會比外部32.768 kHz晶振的方案要低。從這也可以看出，若對顯示實時性要求不高的產(chǎn)品，可以適當(dāng)延長喚醒的間隔，降低待機(jī)電流，延長電源壽命。

若開定時等需要計時的功能后，采用內(nèi)部15 kHz低速振蕩器的方案就需要進(jìn)行定時校準(zhǔn)，需在每個喚醒周期內(nèi)加2 ms的校準(zhǔn)程序，且校準(zhǔn)期間，芯片需多打開一個計時器TIMER1對2 ms進(jìn)行計時，故喚醒期間的電流是變大的。

以15 min為一個基準(zhǔn)，理論計算待機(jī)功耗，假設(shè)校準(zhǔn)前待機(jī)6 uA，芯片喚醒時全速運(yùn)行1200 uA，則：

休眠時待機(jī)功率：900×998×6=5389200 W；

芯片喚醒期間的運(yùn)行功率：824×2×1200=1977600 W；

定時校準(zhǔn)時的功耗：（1977600+5389200）/900000 = 8.18 uA，比無校準(zhǔn)時多2.12 uA的待機(jī)電流。

考慮到采用內(nèi)部15 kHz低速振蕩器后，芯片喚醒的時間間隔是采用外部32.768 kHz晶振方案時間間隔的一倍多，綜合評估其待機(jī)功率是相當(dāng)?shù)摹?/p>

用高精度的萬用表實際測試開定時校準(zhǔn)后的待機(jī)電流情況如表4。

表4 實測待機(jī)電流情況

從測試情況可以看出，開定時校準(zhǔn)后，采用內(nèi)部15 kHz低速振蕩器方案比采用外部32.768 kHz晶振方案待機(jī)電流只升高約0.3 uA，不會對干電池壽命產(chǎn)生影響。

6 總結(jié)

本文介紹了用高精度的高速振蕩器來對低精度的低速振蕩器計時進(jìn)行校準(zhǔn)的算法，校準(zhǔn)后使低速振蕩器的計時精度等于高速振蕩器的精度，解決了取消外部晶振方案的一大難題。取消外部晶振方案既降低了產(chǎn)品成本，又消除了產(chǎn)品上使用的晶振損壞隱患，降低產(chǎn)品的故障率。同時，此方案不會增大待機(jī)電流，可滿足用戶的使用需求，在遙控器等需要休眠的產(chǎn)品設(shè)計上有參考意義。