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摘要：MAXQ3210是一款高性能、低功耗16位RISC微控制器，非常適合環(huán)境監(jiān)測和報警系統(tǒng)。器件內(nèi)置5V至9V穩(wěn)壓器、喚醒定時器、停機模式和環(huán)形振蕩器，能夠工作在低功耗模式。集成模擬比較器、壓電揚聲器驅(qū)動器和精密電壓基準大大降低了系統(tǒng)元件數(shù)量。本應用筆記說明如何使用MAXQ3210構(gòu)建一個水位監(jiān)測和音頻報警系統(tǒng)，還提供了完整的匯編程序。
本應用筆記提供了一個利用MAXQ3210微控制器實現(xiàn)水位監(jiān)測及音頻報警的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用礦物質(zhì)對水的電導率的影響來檢測水位，并在必要時給出報警信號。本文介紹的方案還不能直接用作最終產(chǎn)品，只是說明有效利用MAXQ3210功能的案例。實例中使用的水位檢測機制并未在極端環(huán)境下進行可靠性測試，也沒有對其長期工作的有效性進行評估。本應用筆記提供的只是一個簡單案例，可以對自來水進行有效的監(jiān)測。
本應用筆記中的程序針對MAXQ3210編寫，并進行了測試，也可以運行在包含類似資源的其它MAXQ?器件，如MAXQ3212。例程開發(fā)環(huán)境是MAX-IDE 1.0版和MAXQ3210評估板修訂版B版。關于評估套件的詳細信息，請參見MAXQ3210EVKIT。
以下部分說明MAXQ3210的一些功能及在本應用如何有效利用這些功能，并對這些功能的結(jié)構(gòu)、設置進行說明。
圖1. 水監(jiān)測探頭
圖2. 水監(jiān)測原理圖
水監(jiān)測傳感器探頭與處理器的連接原理圖如圖2所示。傳感器一端連接至MAXQ3210的內(nèi)部模擬比較器輸入端CMPI，P0.5。該輸入還與1.0MΩ電阻相連，電阻的另一端接處理器的端口引腳，P0.6。軟件將P0.6配置為輸出，并在系統(tǒng)初始化部分將其置為高電平。由于比較器具有高輸入阻抗，這種配置在正常條件下使CMPI接近于VCC (例如，傳感器電極沒有浸入水中)。傳感器的另一端連接至端口P0.4，P0.4配置為輸出引腳并置為低電平。當兩個傳感器電極都浸入水中時，水的電導率強行比較器輸入下拉至地。發(fā)生這種情況時，比較器輸出CMPO改變。關于模擬比較器及其工作的詳細信息將在本文的后續(xù)內(nèi)容討論。
實際工作環(huán)境下，水位變化非常慢。因此，處理器在絕大部分時間內(nèi)可處于停機模式，只需在較長的時間間隔內(nèi)喚醒一次簡單的傳感器檢測操作。實例中，選擇一分鐘作為傳感器的采樣周期。該時間間隔既不會錯過報警，也能夠有效利用處理器的停機狀態(tài)，充分延長電池的使用壽命。如果這個周期對于特定的應用過長或過短，可將軟件中的喚醒延時常數(shù)(WUDel)改為所要求的數(shù)值，然后重新編譯程序。以下喚醒定時器周期公式給出了這個時間間隔的計算方式：
當處理器時鐘控制寄存器的STOP位，CKCN.4，置1時，處理器立即進入停機模式。如發(fā)生以下任何條件，處理器將退出停機模式：
通過WUT寄存器，處理器及其軟件可訪問20位定時器的前16位，低4位只允許定時器硬件訪問。盡管如此，任何情況下只要軟件對WUT寄存器進行寫操作，其低4位也將清零。喚醒定時器的周期由以式給出：
喚醒定時器周期 = (源時鐘周期) x WUT[19:4] x 16
其中WUT[19:4]是20位定時器的前16位。注意，由于在WUT寄存器沒有包含定時器的低4位，周期數(shù)必須乘以16。通過使用這個公式，可看出一般在使用頻率為8kHz的環(huán)形振蕩器時，最大喚醒周期大約為131秒。上文中選擇一分鐘為休眠周期，將倒計數(shù)值30,000 (07530h)裝載到WUT即可產(chǎn)生一分鐘的休眠時間。假設喚醒定時器對環(huán)形振蕩器進行計數(shù)。
配置喚醒定時器時需要對定時器控制寄存器進行一次寫操作，將喚醒寄存器(WTE)的使能位WUTC.0置位以使能定時器。同時，喚醒定時器(WTCS)的時鐘選擇位WUTC.2必須置1，定時器才能對處理器的環(huán)形振蕩器進行計數(shù)。因此，應用程序必須向定時器控制寄存器(WUTC)寫入十六進制數(shù)05初始化定時器。喚醒定時器標志(WTF)的WUTC.1位由定時器硬件置位，但必須由中斷服務程序清除，以防止重復響應同一中斷。
CMO = 0當(VREF < CMPI)時
CMO = 1當(VREF > CMPI)時
由此可見，正常狀態(tài)下比較器輸出CMPO為0。當水監(jiān)測傳感器的電極浸入水中時，兩電極之間的導電性將比較器輸入拉至地電位。這種狀態(tài)下，基準電壓高于CMPI，比較器輸出CMO變?yōu)楦唠娖?。由于比較器的高輸入阻抗，正常情況(無報警)下，只有非常小的電流流入比較器輸入端。當水監(jiān)測傳感器電極浸入水中時，水的電導率和1.0MΩ電阻可以限制傳感器電極之間的電流。
為降低功耗，初始程序?qū)h(huán)形振蕩器配置為處理器的系統(tǒng)時鐘。將環(huán)形振蕩器選擇(RGSL)位CKCN.6置1實現(xiàn)。將該位置位，而處理器運行在晶體振蕩器時(處于系統(tǒng)初始化階段)，時鐘源將立即切換到環(huán)形振蕩器，這時沒有4個時鐘周期的延遲。
環(huán)形振蕩器的工作頻率設置在8kHz，實際頻率可能因不同器件而變化。頻率還會隨著溫度和電源電壓的變化而變化，因此，如果應用需要精確定時，則需考慮這些變化因素。在本應用中，頻率的精確性并不重要。
由于處理器在停機模式時，晶體振蕩器不工作，本應用中喚醒定時器必須設置為工作在環(huán)形振蕩器下(WTCS = WUTC.2 = 1)。系統(tǒng)也可以使處理器工作在晶體振蕩器下，而喚醒定時器則工作在環(huán)形振蕩器下?？紤]到對喚醒定時器寄存器的讀/寫操作存在時序差異，本文沒有采用這種方法。
另外一個需要注意事項是開發(fā)板上的MAX5160LEUA數(shù)字電位器，當跳線J11短路時，這個器件連接至電壓比較器的輸入端CMPI，該設計為在輸入端加載各種不同的電壓提供了便利。電位器的內(nèi)部電阻鏈的末端H連接至評估板電源VCC5；另一端L連接至地，滑動端W連接至CMPI。數(shù)字電位器的H-L端電阻為50kΩ，阻值比CMPI的高阻輸入(FET輸入)低得多。在本應用中，開發(fā)板的短路器J11被去除。數(shù)字電位器沒有與CMPI連接，以充分利用其輸入端的高阻特性。
雖然對本應用并不重要，但在實際工作環(huán)境下，不同類型、品牌的電池在使用時的限制有很大差異。MAXQ3210的低電池電壓檢測門限設置在大約7.2V，這個設定值適合絕大多數(shù)堿性電池的應用。一塊新的9V堿性電池在檢測到低電池電壓后會在一段合理的時間內(nèi)正常報警，而有些電池在極端環(huán)境下可能允許的報警時間非常短。
對于任何最終投產(chǎn)的產(chǎn)品設計，都必須考慮、檢驗電池類型及外部工作環(huán)境。所提供的應用軟件、評估板的揚聲器將通過聲控報警指示電池電量過低，直至電池電量降至系統(tǒng)復位狀態(tài)。此時，電池將被耗盡，為了繼續(xù)工作就必須更換電池。
測試本應用筆記方案時，為了節(jié)省電池功耗，去除了開發(fā)板的電阻R1和R2。這兩個電阻分別是發(fā)光二極管LED D1和D2的限流電阻，該應用不需要LED。
加入Maxim微控制器討論組http://discuss.dalsemi.com/ (English only)，您可以與同行和專家一起討論MAXQ微控制器的使用經(jīng)驗和應用問題。
概述
MAXQ3210微控制器是一款功能強大的RISC微控制器，器件所具備的功能和特性使其非常適合電池供電的監(jiān)控和音頻報警系統(tǒng)。微控制器內(nèi)部集成了5V至9V穩(wěn)壓器、壓電揚聲器驅(qū)動器和模擬比較器，大大降低了系統(tǒng)的元件數(shù)量。另外，停機模式、喚醒模式等多種低功耗特性使其在9V電池供電時能有效延長工作時間。本應用筆記提供了一個利用MAXQ3210微控制器實現(xiàn)水位監(jiān)測及音頻報警的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用礦物質(zhì)對水的電導率的影響來檢測水位，并在必要時給出報警信號。本文介紹的方案還不能直接用作最終產(chǎn)品，只是說明有效利用MAXQ3210功能的案例。實例中使用的水位檢測機制并未在極端環(huán)境下進行可靠性測試，也沒有對其長期工作的有效性進行評估。本應用筆記提供的只是一個簡單案例，可以對自來水進行有效的監(jiān)測。
本應用筆記中的程序針對MAXQ3210編寫，并進行了測試，也可以運行在包含類似資源的其它MAXQ?器件，如MAXQ3212。例程開發(fā)環(huán)境是MAX-IDE 1.0版和MAXQ3210評估板修訂版B版。關于評估套件的詳細信息，請參見MAXQ3210EVKIT。
工作原理
本應用筆記將詳細討論MAXQ3210的功能及特性，MAXQ3210的內(nèi)部比較器允許使用最少外圍器件實現(xiàn)簡單的水位監(jiān)測系統(tǒng)。通過使用處理器的低功耗休眠模式和喚醒定時器，使電池供電監(jiān)測報警系統(tǒng)在絕大部分時間處于停機模式，只是周期性地喚醒系統(tǒng)檢測水位，判斷是否發(fā)出報警信號。以下部分說明MAXQ3210的一些功能及在本應用如何有效利用這些功能，并對這些功能的結(jié)構(gòu)、設置進行說明。
水監(jiān)測傳感器探頭
水監(jiān)測傳感器探頭如圖1所示，如上所述，該傳感器不是針對最終產(chǎn)品設計的。它由一片塑膠材料固定屏蔽夾子形狀的電極。電極之間的距離可以任選或由具體材料決定。傳感器通過一個間距為0.1的4引腳連接器直接連接到MAXQ3210評估板的J4 (引腳9-P0.4、11-P0.5/CMPI和13-P0.6)。1.0MΩ電阻(圖中靠近連接器的導線部分)作為傳感器電極的一個上拉電阻，該電阻直接焊接到連接器的一個引腳。圖1. 水監(jiān)測探頭
圖2. 水監(jiān)測原理圖
水監(jiān)測傳感器探頭與處理器的連接原理圖如圖2所示。傳感器一端連接至MAXQ3210的內(nèi)部模擬比較器輸入端CMPI，P0.5。該輸入還與1.0MΩ電阻相連，電阻的另一端接處理器的端口引腳，P0.6。軟件將P0.6配置為輸出，并在系統(tǒng)初始化部分將其置為高電平。由于比較器具有高輸入阻抗，這種配置在正常條件下使CMPI接近于VCC (例如，傳感器電極沒有浸入水中)。傳感器的另一端連接至端口P0.4，P0.4配置為輸出引腳并置為低電平。當兩個傳感器電極都浸入水中時，水的電導率強行比較器輸入下拉至地。發(fā)生這種情況時，比較器輸出CMPO改變。關于模擬比較器及其工作的詳細信息將在本文的后續(xù)內(nèi)容討論。
停機模式的重要性
除斷電狀態(tài)外，停機模式是MAXQ3210的最低功耗模式。停機模式下禁止處理器內(nèi)部環(huán)形振蕩器、喚醒定時器(如果使能)以外的所有電路工作。片上時鐘、定時器和外設電路都將停止工作，程序也會停止運行。一旦進入停機模式，MAXQ3210的絕大部分時間處于靜止狀態(tài)，其功耗主要由漏電流決定。結(jié)合喚醒定時器使用停機模式，可實現(xiàn)低功耗工作。實際工作環(huán)境下，水位變化非常慢。因此，處理器在絕大部分時間內(nèi)可處于停機模式，只需在較長的時間間隔內(nèi)喚醒一次簡單的傳感器檢測操作。實例中，選擇一分鐘作為傳感器的采樣周期。該時間間隔既不會錯過報警，也能夠有效利用處理器的停機狀態(tài)，充分延長電池的使用壽命。如果這個周期對于特定的應用過長或過短，可將軟件中的喚醒延時常數(shù)(WUDel)改為所要求的數(shù)值，然后重新編譯程序。以下喚醒定時器周期公式給出了這個時間間隔的計算方式：
當處理器時鐘控制寄存器的STOP位，CKCN.4，置1時，處理器立即進入停機模式。如發(fā)生以下任何條件，處理器將退出停機模式：
- P1.1//RESET出現(xiàn)低電平有效復位(如果沒有禁止)
- 上電復位(如果沒有禁止)
- P0.6/INT出現(xiàn)外部中斷(如果使能)
- 喚醒定時器計時到0(如果使能)及中斷被響應
喚醒定時器
MAXQ3210的喚醒定時器是一個20位的定時器，可設置為系統(tǒng)時鐘遞減計數(shù)，也可以設置為對處理器內(nèi)部環(huán)形振蕩器計數(shù)。應用軟件將初始值裝入喚醒定時器寄存器(WUT)，隨后定時器從這個設定值開始遞減計數(shù)。當定時器計數(shù)值達到0時，休眠周期結(jié)束，喚醒定時器控制(WTCN.1)寄存器的中斷標志位(WTF)置位。如果中斷使能，該標志將觸發(fā)一次中斷，使處理器退出中斷模式。如果屏蔽中斷，處理器將不退出停機模式。通過WUT寄存器，處理器及其軟件可訪問20位定時器的前16位，低4位只允許定時器硬件訪問。盡管如此，任何情況下只要軟件對WUT寄存器進行寫操作，其低4位也將清零。喚醒定時器的周期由以式給出：
喚醒定時器周期 = (源時鐘周期) x WUT[19:4] x 16
其中WUT[19:4]是20位定時器的前16位。注意，由于在WUT寄存器沒有包含定時器的低4位，周期數(shù)必須乘以16。通過使用這個公式，可看出一般在使用頻率為8kHz的環(huán)形振蕩器時，最大喚醒周期大約為131秒。上文中選擇一分鐘為休眠周期，將倒計數(shù)值30,000 (07530h)裝載到WUT即可產(chǎn)生一分鐘的休眠時間。假設喚醒定時器對環(huán)形振蕩器進行計數(shù)。
配置喚醒定時器時需要對定時器控制寄存器進行一次寫操作，將喚醒寄存器(WTE)的使能位WUTC.0置位以使能定時器。同時，喚醒定時器(WTCS)的時鐘選擇位WUTC.2必須置1，定時器才能對處理器的環(huán)形振蕩器進行計數(shù)。因此，應用程序必須向定時器控制寄存器(WUTC)寫入十六進制數(shù)05初始化定時器。喚醒定時器標志(WTF)的WUTC.1位由定時器硬件置位，但必須由中斷服務程序清除，以防止重復響應同一中斷。
模擬比較器
MAXQ3210內(nèi)置1位模數(shù)比較器及其2.5V的電壓基準，這些電路是本應用的關鍵。比較器有兩個輸入端，＋和－，如圖2所示。比較器輸出是兩個輸入端模擬電壓之差的函數(shù)。本應用中，2.5V基準連接至“+”輸入端，“-”輸入端連接至傳感器的一端。如圖所示，“-”輸入端通過一個1.0MΩ電阻由設置為高電平的端口P0.5上拉至高電平。因此，在正常狀態(tài)下，“-”輸入端電壓接近于5V，高于“+”輸入端2.5V基準電壓。比較器的極性選擇(CPOL)位CMPC.1在本應用中設置為0。比較器輸出結(jié)果CMO如下：CMO = 0當(VREF < CMPI)時
CMO = 1當(VREF > CMPI)時
由此可見，正常狀態(tài)下比較器輸出CMPO為0。當水監(jiān)測傳感器的電極浸入水中時，兩電極之間的導電性將比較器輸入拉至地電位。這種狀態(tài)下，基準電壓高于CMPI，比較器輸出CMO變?yōu)楦唠娖?。由于比較器的高輸入阻抗，正常情況(無報警)下，只有非常小的電流流入比較器輸入端。當水監(jiān)測傳感器電極浸入水中時，水的電導率和1.0MΩ電阻可以限制傳感器電極之間的電流。
揚聲器驅(qū)動
MAXQ3210提供了一個板上3引腳壓電揚聲器驅(qū)動接口，該接口可直接驅(qū)動壓電揚聲器。3引腳接口的引腳配置如下：- HORNB (揚聲器銅片)：這個輸出連接至壓電揚聲器的金屬電極。
- HORNS (揚聲器銀片)：這個輸出連接至壓電揚聲器的陶瓷電極。當壓電揚聲器驅(qū)動使能時，這個輸出為HORNB提供互補輸出。
- FEED：該輸入引腳連接至壓電揚聲器的反饋電極。
環(huán)形振蕩器
MAXQ3210內(nèi)置一個環(huán)形振蕩器，作為系統(tǒng)上電復位或退出停機模式的默認時鐘源。環(huán)形振蕩器使能后立即開始振蕩，不象晶體振蕩器至少需要65536個時鐘周期才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。從停機模式喚醒時，如果系統(tǒng)延遲65,536個時鐘，在沒有執(zhí)行指令(例如，沒有任務運行)等待這個周期結(jié)束期間將會消耗大量功率。退出停機模式時，使用環(huán)形振蕩器可以避免這種功耗。實際上，退出停機模式時，環(huán)形振蕩器也需要4個時鐘周期達到穩(wěn)定狀態(tài)，但與晶體振蕩器相比，該時間間隔短得多。為降低功耗，初始程序?qū)h(huán)形振蕩器配置為處理器的系統(tǒng)時鐘。將環(huán)形振蕩器選擇(RGSL)位CKCN.6置1實現(xiàn)。將該位置位，而處理器運行在晶體振蕩器時(處于系統(tǒng)初始化階段)，時鐘源將立即切換到環(huán)形振蕩器，這時沒有4個時鐘周期的延遲。
環(huán)形振蕩器的工作頻率設置在8kHz，實際頻率可能因不同器件而變化。頻率還會隨著溫度和電源電壓的變化而變化，因此，如果應用需要精確定時，則需考慮這些變化因素。在本應用中，頻率的精確性并不重要。
由于處理器在停機模式時，晶體振蕩器不工作，本應用中喚醒定時器必須設置為工作在環(huán)形振蕩器下(WTCS = WUTC.2 = 1)。系統(tǒng)也可以使處理器工作在晶體振蕩器下，而喚醒定時器則工作在環(huán)形振蕩器下?？紤]到對喚醒定時器寄存器的讀/寫操作存在時序差異，本文沒有采用這種方法。
低電池電壓檢測
MAXQ3210配備了低電池電壓檢測電路，將低電池電壓檢測(LBDE)使能位PWCN.1置1，一旦輸入電源VDD降至低電池電壓門限VBF以下，低電池電壓中斷標志位(LBF) PWCN.3將由處理器的硬件置位。如果中斷使能，該中斷標志位將觸發(fā)一次中斷，但該中斷在此應用中沒有使用。每次處理器退出停機模式并檢測水位傳感器時，會檢測一次中斷標志位。如果電池電量過低，揚聲器將每次發(fā)出8聲蜂鳴聲，然后停止一分鐘，并如此循環(huán)。評估板注意事項
為本應用編寫的程序已在MAXQ3210評估板上進行過測試。在這個開發(fā)環(huán)境下工作時，需要注意以下事項。第一，需注意處理器工作在環(huán)形振蕩器下，通過串口至JTAG板實現(xiàn)與評估板的通信，由處理器調(diào)試/JTAG總線完成。JTAG時鐘不能高于處理器時鐘的1/8。如果工作在環(huán)形振蕩器的處理器違反這條規(guī)定，JTAG接口板將無法與評估板進行通訊。JTAG接口板沒有從評估板上收到恰當信息時，PC機軟件將認為通訊失敗。發(fā)生這種情況時，PC機顯示一個錯誤消息，調(diào)試器被掛起。在將時鐘源更改為環(huán)形振蕩器的程序之前插入一個長延時可以避免這種情況。上電復位時環(huán)形振蕩器選擇位RGSL清零。插入這段延時，調(diào)試器就有時間在環(huán)形振蕩器正常工作之前獲得開發(fā)板的控制權(quán)。提供延時的程序在源文件中被‘加注釋’，但作為一個解決方案實例被保留在文件中。另外一個需要注意事項是開發(fā)板上的MAX5160LEUA數(shù)字電位器，當跳線J11短路時，這個器件連接至電壓比較器的輸入端CMPI，該設計為在輸入端加載各種不同的電壓提供了便利。電位器的內(nèi)部電阻鏈的末端H連接至評估板電源VCC5；另一端L連接至地，滑動端W連接至CMPI。數(shù)字電位器的H-L端電阻為50kΩ，阻值比CMPI的高阻輸入(FET輸入)低得多。在本應用中，開發(fā)板的短路器J11被去除。數(shù)字電位器沒有與CMPI連接，以充分利用其輸入端的高阻特性。
雖然對本應用并不重要，但在實際工作環(huán)境下，不同類型、品牌的電池在使用時的限制有很大差異。MAXQ3210的低電池電壓檢測門限設置在大約7.2V，這個設定值適合絕大多數(shù)堿性電池的應用。一塊新的9V堿性電池在檢測到低電池電壓后會在一段合理的時間內(nèi)正常報警，而有些電池在極端環(huán)境下可能允許的報警時間非常短。
對于任何最終投產(chǎn)的產(chǎn)品設計，都必須考慮、檢驗電池類型及外部工作環(huán)境。所提供的應用軟件、評估板的揚聲器將通過聲控報警指示電池電量過低，直至電池電量降至系統(tǒng)復位狀態(tài)。此時，電池將被耗盡，為了繼續(xù)工作就必須更換電池。
測試本應用筆記方案時，為了節(jié)省電池功耗，去除了開發(fā)板的電阻R1和R2。這兩個電阻分別是發(fā)光二極管LED D1和D2的限流電阻，該應用不需要LED。
例程
該應用筆記相關的軟件包在an3885_sw.zip中，可從Maxim的ftp網(wǎng)站下載該文件，網(wǎng)址是：ftp://ftp.dalsemi.com/pub/microcontroller/app_note_software/。這個文件包含源碼文件Alarm.asm和MAXQ3210寄存器地址的定義文件maxq3210.inc。.zip文件中還包含了MAX-IDE工程文件Alarm.prj和‘裝載’十六進制文件Alarm.hex。將這些文件單獨放入一個文件夾，軟件就能夠在MAXQ3210評估板上編譯、運行。結(jié)論
MAXQ3210微控制器所包含的諸多功能使其不僅適用于化學檢測器、報警系統(tǒng)以及白色家電等注重成本的電池供電應用，還適用于那些要求高性能、低功耗的應用。微控制器內(nèi)部集成的5V至9V穩(wěn)壓器、壓電揚聲器驅(qū)動器和模擬比較器使系統(tǒng)元器件數(shù)量最少。另外，當系統(tǒng)使用單節(jié)9V電池供電時，系統(tǒng)內(nèi)置8kHz的環(huán)形振蕩器、低電池電壓檢測電路、20位喚醒定時器和低功耗停機模式等功能可有效支持系統(tǒng)的低功耗工作，延長系統(tǒng)的工作時間。加入Maxim微控制器討論組http://discuss.dalsemi.com/ (English only)，您可以與同行和專家一起討論MAXQ微控制器的使用經(jīng)驗和應用問題。
工商網(wǎng)監(jiān)
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