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

32位MCU可說是MCU市場主流，單顆報價在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，應用類型也相當多元。但32位MCU會因為操作數(shù)與內(nèi)存長度的增加，相同功能的程序代碼長度較8/16bit MCU增加30~40%，這導致內(nèi)嵌OTP/FlashROM內(nèi)存容量不能太小，而芯片對外腳位數(shù)量暴增，進一步局限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)的應用中，時鐘電路是關(guān)鍵部分之一。它為整個系統(tǒng)提供時間基準，確保各個部分的協(xié)調(diào)運行。本文將介紹如何基于MCU器件實現(xiàn)時鐘電路的設計。

二、時鐘電路設計基本原理

時鐘電路的主要功能是產(chǎn)生一定頻率的時鐘信號，為MCU及其它數(shù)字組件提供同步時鐘。時鐘信號的頻率決定了系統(tǒng)的運行速度和性能。常見的時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)

晶體振蕩器是時鐘電路的核心元件，它產(chǎn)生一定頻率的時鐘信號。根據(jù)晶體振蕩器的不同，時鐘信號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)是一種用于時鐘信號的頻率合成器，它可以將晶體振蕩器的頻率進行倍頻或分頻，以滿足系統(tǒng)對不同頻率的需求。通過調(diào)整鎖相環(huán)的參數(shù)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的時鐘頻率的精確控制。

濾波電容

濾波電容在時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器件的時鐘電路設計實例

本節(jié)以STM32F103C8T6 MCU為例，介紹如何實現(xiàn)時鐘電路的設計。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，配置PLL的參數(shù)。例如，設置分頻因子為8，則MCU的時鐘頻率為72MHz/8=9MHz。可以通過編程方式修改PLL的參數(shù)，實現(xiàn)時鐘頻率的動態(tài)調(diào)整。

軟件編程

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

四、調(diào)試與測試

完成時鐘電路設計后，需要進行調(diào)試和測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，檢查時鐘信號的頻率和穩(wěn)定性是否符合要求。同時，還需要測試系統(tǒng)的運行速度和穩(wěn)定性，以確保時鐘電路的正常工作。

五、優(yōu)化與改進

根據(jù)應用需求和性能要求，可以對時鐘電路進行優(yōu)化和改進。例如，增加緩沖電路可以改善時鐘信號的質(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)測時鐘電路的工作溫度并進行相應的調(diào)整。此外，還可以考慮采用小數(shù)分頻技術(shù)等先進技術(shù)提高時鐘信號的精度和穩(wěn)定性。

六、結(jié)論

本文介紹了基于MCU器件實現(xiàn)時鐘電路的設計方法。通過選擇合適的元件、配置相應的參數(shù)以及軟件編程，可以設計出滿足系統(tǒng)需求的時鐘電路。同時，還需要進行調(diào)試和測試以確保其正常工作。在未來發(fā)展中隨著科技的進步和應用的不斷變化要求對設計進行不斷改進以優(yōu)化系統(tǒng)性能并滿足各種應用場景的需求。