【经验】使用Simplicity Studio V4正确配置嵌入式系统的时钟
在常见的物联网终端设备应用中，由于没有外部电源供电，更换电池维护成本大，所以设计上要尽可能延长电池的供电时间。SILICON LABS的EFM32™32位微控制器是业界最节能的微控制器，特别适合用于低功耗和对能源敏感的应用。考虑到其出色的低功耗特性，在最近设计的一款物联网终端设备中，选用Silicon Labs的EFM32GG230F512G-E-QFN64R作为主控芯片，该方案MCU部分原理图如图1所示。
图1. EFM32GG230F512G主MCU部分应用原理图
在嵌入式系统中，时钟电路的设计和配置是整个电路稳定工作的基础和关键，本方案中配有两路无源晶振电路，一路为32.768KHz，为系统提供实时时钟；另外一路为48MHz，作为系统的主晶体。设计时采用Simplicity Studio V4相关功能进行硬件配置，并自动生成代码，通过该软件的相关功能，不但能生成正确的代码而且可以对无源晶振电路进行验证，保证设计的正确性。设计步骤如下：
1、新建工程后，点击Project Explorer窗口的EFM32GG230F512.hwconf文件，进入属性配置页面，并勾选Clocking模块下的HFXO，LFXO小窗体。勾选的目的是确保该部分功能代码能被正确的生成。
图2. EFM32GG230F512G外设配置界面
表一.某厂家48MHz晶体参数：
2、配置HFXO（高频外部晶体）。点击HFXO窗体，在右侧属性栏弹出相关的配置选项，根据设计的电路原理图和晶体的数据册正确配置相关选项。
图3. HFXO配置界面
选项说明：
l Use oscillator source：选择External crystal 。该选项有External sine wave（外部正弦波发生器）、External digital clock（外部数字时钟）选项，本方案选用的无源晶振，所以选择External crystal。
l Oscillation Frequency（振荡器频率）：根据原理图填入48MHz。
l Equivalent Series Resistance in crystal（等效串联阻抗）：该晶体的生成厂家的数据册一般都会给出，如表一所示为40Ω。
l Shunt Capacitance（pF）：杂散电容, 为无源晶体两个管脚之间的寄生电容，用符号Cs表示，一般的晶体规格书中会提供具体数值，如表一所示为7pf。
l Estimated parasitic capacitance（PCB and pins：pF）：PCB走线电容Cpcb和芯片引脚寄生电容Cpin两部分估计值之和，通常为几个皮法。这里我们取Cpcb=4pF，Cpin=5pF，其和为9pF。
l Load Capacitor CL1（pF），Load Capacitor CL2（pF）是我们设计的晶体外接的匹配电容。
关于这部分几个电容的关系说明如下：如下计算式所示，CL为根据各部分电容计算出来等效负载电容：
其中Cg=Cd=Cpcb+Cpin+CL1(2)。为保证电路的对称性，通常CL1=CL2。设计的目的是通过调整外接匹配电容CL1(2)使得计算出来的CL与厂家给出的晶体标称负载电容值相等或近似，以降低晶体频率的偏差。
图4. 晶体等效电容模型
Simplicity Studio V4会根据设置的相关参数，自动计算出等效负载电容阻抗值，如图3所示的Calculated CL(pF)，设计者可以根据该处结果很方便的判定自己设计的匹配电容是否合适。根据计算出来的CL值为10.5，与厂家给出的Load Capacitance(pF)12pF（注：本次设计选用的晶体指定为12pF的负载电容）非常靠近，基本满足设计的要求。
l -R neg/ESR max Ratio : 晶体的负性阻抗与等效串联电阻的最大比率。该部分参数说明如下：负性阻抗（-R）是指从石英晶体共振子的二个端子往振荡线路看过去，振荡线路在振荡频率时的阻抗特性值。一个稳定的振荡回路，振荡电路的负性阻抗必须大于晶体的ESR，通常要求负性阻抗是ESR的3~5倍，有些厂商要求是5~10倍。Simplicity Studio V4会自动根据配置的参数对负性阻抗进行计算，方便设计者对自己设计的晶体电路方案进行验证，如下图所示计算结果为：
经过计算可见，上面设计的匹配电容可以满足-R neg/ESR max Ratio的比值在5~10的范围能，晶体能可靠的起振。
l 晶体驱动功率增益
晶体的驱动功率等级与晶体稳定工作密切相关，计算公式如下：
DL=ESR*I²，
其中I是流过晶体电流的有效值。Simplicity Studio V4 同样会对晶体的增益给出推荐值，方便编程设计，如下所示。
3、对于32.768KHz外部低频无源晶振，配置过程相同，不再重复。
4、Simplicity Studio V4生成初始化代码。
点击编译按钮，编译器会自动生成相关代码，如下所示：
其中，CMU_CTRL_HFXOBOOST_50PCENT为增益配置宏定义。SystemHFXOClockSet()函数为系统配置高频晶体的初始化函数。
验证
在程序中设置1秒延时，并驱动开发板发光二极管交替闪烁，快速验证配置的正确性。
总结：在电路晶体的相关原理图的设置中，通常需要考虑晶体的三个关键参数：频率精度、负性阻抗与ESR比值、驱动功率。从上面的调试过程我们可以看见，采用Simplicity Studio V4的会对上面的关键参数进行验证，并自动生成相关代码，提高设计质量，并降低工程师编程时间。
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