深入解析Freescale MC9S08QE128系列微控制器

在电子设计领域，微控制器扮演着至关重要的角色。Freescale的MC9S08QE128系列微控制器以其丰富的功能和出色的性能，在众多应用场景中得到广泛应用。本文将对该系列微控制器进行详细解析，帮助电子工程师更好地了解和使用这款产品。

文件下载：PC9S08QE64CLH.pdf

一、QFN封装迁移补充说明

Freescale提供了新QFN封装迁移的补充说明。由于部分封装从金线迁移到铜线，98A外壳轮廓编号发生了变化。文档中给出了旧（金线）封装与新（铜线）封装的对应表格，方便工程师查阅。例如，MC68HC908JW32的48 QFN封装，旧的文档编号为98ARH99048A，新的为98ASA00466D。若要查看新的图纸，可前往Freescale官网，搜索设备的新98A封装编号。对于QFN封装的使用，可参考EB806文档获取相关电气连接建议。

二、MC9S08QE128系列概述

2.1 核心特性

• CPU性能：采用8位HCS08中央处理器单元（CPU），在不同电压和温度范围内具有不同的运行频率。例如，在2.4V以上可达到50.33 - MHz，2.1V以上为40 - MHz，1.8V以上为20 - MHz。支持HC08指令集并新增BGND指令，可支持多达32个中断/复位源。
• 片上内存：具备闪存（Flash），可在全工作电压和温度范围内进行读取、编程和擦除操作；还有随机存取存储器（RAM），并配备安全电路，防止未经授权访问RAM和闪存内容。
• 节能模式：拥有两种低功耗停止模式和降低功耗的等待模式。外设时钟使能寄存器可禁用未使用模块的时钟，降低电流消耗；在stop3模式下，可保持特定外设的时钟开启。还配备超低功耗外部振荡器，为活动外设提供精确时钟，以及超低功耗实时计数器，可在运行、等待和停止模式下使用内部和外部时钟源，典型唤醒时间为6 μs。
• 时钟源选项：提供振荡器（XOSC）和内部时钟源（ICS）两种选择。XOSC为环路控制皮尔斯振荡器，支持31.25 kHz至38.4 kHz或1 MHz至16 MHz的晶体或陶瓷谐振器；ICS由内部或外部参考控制的FLL控制，内部参考的精确微调可实现0.2%的分辨率和2%的偏差，支持2至50.33 MHz的CPU频率。
• 系统保护：具备看门狗计算机运行正常（COP）复位功能，可选择从专用的1 - kHz内部时钟源或总线时钟运行；支持低电压检测，可选择复位或中断，并具有可选的触发点；具备非法操作码检测和复位功能，以及闪存块保护功能。
• 开发支持：提供单线背景调试接口，具备断点功能，可在在线调试时设置单个断点（另外还有两个断点），片上在线仿真器（ICE）调试模块包含两个比较器和九种触发模式。

2.2 外设模块

• ADC：24通道，12位分辨率，转换时间为2.5 μs，具有自动比较功能，内置1.7 mV/°C温度传感器和内部带隙参考通道，可在stop3模式下工作，在3.6V至1.8V电压范围内功能完整。
• ACMPx：两个模拟比较器，可选择在比较器输出的上升、下降或任意边沿产生中断，可与固定的内部带隙参考电压进行比较，输出可选择路由到TPM模块，可在stop3模式下工作。
• SCIx：两个SCI，支持全双工非归零（NRZ）通信，具备LIN主扩展中断生成和LIN从扩展中断检测功能，可在活动边沿唤醒。
• SPIx：两个串行外设接口，支持全双工或单线双向通信，具备双缓冲发送和接收功能，可选择MSB - first或LSB - first移位。
• IICx：两个IIC，最高支持100 kbps的通信速率，支持多主操作，可编程从地址，支持中断驱动的逐字节数据传输，支持广播模式和10位寻址。
• TPMx：一个6通道和两个3通道定时器/脉宽调制器（PWM），每个通道可选择输入捕获、输出比较或缓冲边沿或中心对齐PWM。
• RTC：8位模数计数器，具有基于二进制或十进制的预分频器，可使用外部时钟源提供精确的时间基准，用于日期、日历或任务调度功能，还可使用片上低功耗振荡器（1 kHz）实现无外部组件的循环唤醒。
• 输入/输出：拥有70个通用输入输出（GPIO）引脚，1个仅输入引脚和1个仅输出引脚，16个KBI中断，可选择极性。所有输入引脚具有迟滞和可配置上拉设备，所有输出引脚可配置压摆率和驱动强度，部分引脚（PTC和PTE）具备SET/CLR寄存器。

三、不同型号对比

文档中给出了MC9S08QE128系列不同设备衍生型号的对比表格，包括MC9S08QE128、MC9S08QE96和MC9S08QE64。对比内容涵盖闪存大小、RAM大小、引脚数量、各外设模块的支持情况等。例如，MC9S08QE128的闪存大小为131072字节，RAM大小为8064字节；而MC9S08QE64的闪存大小为65536字节，RAM大小为4096字节。不同型号在引脚数量和外设模块支持上也存在差异，工程师可根据具体需求选择合适的型号。

四、引脚分配

详细描述了不同封装（80 - LQFP、64 - LQFP、48 - QFN、44 - LQFP、32 - LQFP）的引脚分配情况，并给出了相应的表格和图示。表格中列出了每个引脚的编号、端口、替代功能等信息，方便工程师进行硬件设计和布线。例如，在80 - LQFP封装中，引脚1对应PTD1，具有KBI2P1和MOSI2等替代功能。

五、电气特性

5.1 绝对最大额定值

规定了设备的绝对最大额定值，如电源电压VDD范围为–0.3至 + 3.8 V，最大流入VDD的电流IDD为120 mA，数字输入电压VIn范围为–0.3至VDD + 0.3 V，单个引脚的瞬时最大电流ID为± 25 mA，存储温度范围Tstg为–55至150 °C。需要注意的是，这些是应力额定值，在最大值下不能保证功能正常运行，超过规定极限可能影响设备可靠性或造成永久损坏。

5.2 热特性

提供了设备的热特性信息，包括工作温度范围（封装后为–40至85 °C）、最大结温TJM为95 °C，以及不同封装在单层板和四层板上的热阻θJA。通过公式 (T{J}=T{A}+left(P{D} × theta{J A}right)) 可计算芯片的平均结温 (T{J}) ，其中 (T{A}) 为环境温度， (P{D}) 为总功耗， (theta{JA}) 为封装热阻。对于大多数应用， (P{I / O}<{int }) 可忽略不计，通过测量 (P{D}) 和 (T{A}) 可确定常数K，进而计算不同 (T{A}) 下的 (P{D}) 和 (T_{J}) 。

5.3 ESD保护和闩锁免疫

尽管该设备比早期CMOS电路对静电放电（ESD）的损坏更具抵抗力，但仍需采取正常的处理预防措施。设备经过了人体模型（HBM）、机器模型（MM）和电荷设备模型（CDM）的ESD测试，符合AEC - Q100汽车级集成电路应力测试资格要求。同时，还给出了ESD和闩锁测试条件及保护特性，如HBM模式下的ESD电压为± 2000 V，MM模式为± 200 V，CDM模式为± 500 V，在TA = 85 °C时的闩锁电流I LAT为± 100 mA。

5.4 DC特性

包括电源要求和I/O引脚特性，如工作电压范围为1.8至3.6 V，输出高电压和低电压在不同驱动强度和负载电流下的取值，输入高电压和低电压与VDD的关系，输入迟滞、输入泄漏电流、Hi - Z（关态）泄漏电流、上拉电阻等参数。还给出了典型的上拉和下拉电阻值随VDD变化的曲线，以及低侧驱动和高侧驱动的典型特性曲线。

5.5 电源电流特性

详细列出了不同工作模式下的电源电流特性，包括运行模式（FEI模式下所有模块开启或关闭、LPS = 0或1时所有模块关闭且从闪存或RAM运行）、等待模式、停止2模式和停止3模式的电源电流。同时，给出了停止模式的附加电流参数，如LPO、ERREFSTEN、IREFSTEN1等在不同温度下的取值。

5.6 外部振荡器（XOSC）特性

描述了XOSC的特性，包括振荡器晶体或谐振器的频率范围（低范围和高范围）、负载电容、反馈电阻、串联电阻和晶体启动时间等参数。不同的振荡器设置（RANGE和HGO）会影响这些参数的取值，同时给出了典型的晶体或谐振器电路图示。

5.7 内部时钟源（ICS）特性

给出了ICS的频率规格，包括平均内部参考频率、用户微调的内部参考频率、内部参考启动时间、DCO输出频率范围、分辨率、总偏差、FLL获取时间和长期抖动等参数。这些参数在不同的温度和电压条件下有相应的取值范围，还给出了DCO输出在不同温度和VDD下的偏差曲线。

5.8 AC特性

5.8.1 控制时序

规定了总线频率、内部低功耗振荡器周期、外部复位脉冲宽度、复位低驱动、BKGD/MS设置时间和保持时间、IRQ脉冲宽度、键盘中断脉冲宽度、端口上升和下降时间以及电压调节器恢复时间等控制时序参数。这些参数对于确保设备的正常运行和稳定性至关重要。

5.8.2 TPM模块时序

确定了TPM模块的输入时序，包括外部时钟频率、周期、高时间、低时间和输入捕获脉冲宽度等参数。这些参数与总线时钟频率相关，确保TPM模块能够准确地进行定时和计数操作。

5.8.3 SPI时序

详细描述了SPI系统的时序要求，包括操作频率、SPSCK周期、使能提前时间、使能滞后时间、时钟高或低时间、数据设置时间、数据保持时间、从设备访问时间、从设备MISO禁用时间、数据有效时间、数据输出保持时间、上升时间和下降时间等参数。同时，给出了SPI主模式和从模式在不同CPHA设置下的时序图示。

5.9 模拟比较器（ACMP）电气特性

给出了模拟比较器的电气规格，包括电源电压、电源电流、模拟输入电压、模拟输入偏移电压、模拟比较器迟滞、模拟输入泄漏电流和模拟比较器初始化延迟等参数。这些参数对于设计模拟信号处理电路非常重要。

5.10 ADC特性

详细描述了12位ADC的工作条件和特性，包括电源电压、参考电压、输入电压、输入电容、输入电阻、模拟源电阻、ADC转换时钟频率等参数。还给出了不同工作模式下的ADC特性，如供应电流、转换时间、采样时间、总未调整误差、差分非线性、积分非线性、零刻度误差、满刻度误差、量化误差、输入泄漏误差、温度传感器斜率和电压等。

5.11 闪存规格

提供了闪存的编程/擦除时间和编程 - 擦除耐久性等详细信息。编程和擦除操作仅需正常的VDD电源，无需特殊电源。文档中给出了不同操作（字节编程、页擦除、块擦除）的时间和电流参数，以及闪存的编程/擦除耐久性和数据保留时间。

六、订购信息

列出了MC9S08QE128、MC9S08QE96和MC9S08QE64设备的订购信息，包括飞思卡尔零件编号、内存（闪存和RAM）大小、温度范围和封装类型等。例如，MC9S08QE128CLK的闪存为128K，RAM为8K，温度范围为–40至 + 85 °C，封装为80 LQFP。同时，介绍了设备编号系统，方便工程师理解零件编号的含义。

七、封装信息

详细介绍了不同封装（80 - LQFP、64 - LQFP、48 - QFN、44 - LQFP、32 - LQFP）的描述，包括引脚数量、封装类型、缩写、设计器、案例编号和文档编号等。还提供了各封装的机械图纸，工程师可通过访问Freescale官网获取最新的图纸。

八、产品文档和修订历史

指出可在Freescale官网（http://www.freescale.com）获取所有文档的最新版本。参考手册（MC9S08QE128RM）包含了产品的详细信息，如操作模式、内存、复位和中断、寄存器定义、端口引脚、CPU和所有模块信息。文档还给出了修订历史表格，记录了文档的修订日期和更改描述，方便工程师了解文档的更新情况。

综上所述，Freescale的MC9S08QE128系列微控制器具有丰富的功能和出色的性能，适用于多种应用场景。电子工程师在设计过程中，可根据具体需求选择合适的型号和封装，并参考文档中的电气特性和引脚分配等信息，确保设计的可靠性和稳定性。你在使用这款微控制器的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。