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周海發，朱曉鋒 --- TI MCU技術支持 摘要 MSP430x09x是TI推出的業界首款名符其實的0.9V微控制器 (MCU)，它的出現讓便攜式設備中真正使用單電池供電成為可能，將推動單節電池供電的、更小巧、更低成本的便攜式產品的發展。與現有號稱0.9V 技術的MCU不同，MSP430x09x能夠以0.9V的低電壓運行所有模擬和數字邏輯，因此該系列MCU無需板載升壓轉換器，從而可為整體系統降低功耗，減少了對外部電路的需求。同時，在降低工作電壓的情況下，仍繼承了MSP430 系列單片機原有的優秀特性和豐富外設，并開創性的設計了功能豐富的模擬功能模塊—模擬功能池（A-Pool）。本文將介紹MSP430x09x系列MCU在電動剃須刀系統中的應用，并著重闡述該系統的軟硬件設計。 1 MSP430x09x 簡介 MSP430x09x 是MSP430 系列單片機中首款0.9V 工作電壓的MCU。 這一系列功能強大，能夠方便的應用于微型電機控制，紅外傳輸以及電源檢測等場合中，另外，其0.9V 工作特性可以在單電池供電的消費類電子中得到廣泛應用。MSP430x09x 包含豐富的功能模塊(見圖1)。該系列解決方案不僅高度整合了16 位定時器、看門狗定時器、11 個帶中斷功能的I/O 以及零功耗低壓復位功能(BOR)，此外還集成了可配置為ADC、DAC、比較器、系統電壓監控器(SVS)以及溫度傳感器的全新模擬功能池外設，全部工作電壓僅為0.9V。16 位的RISC 架構CPU 及其指令集可與現有MSP430 MCU 器件相兼容，工作頻率高達4MHz，而且工作模式下耗電量僅為45μA/MHz。MSP430x09x 系列支持高達 2kB RAM 與 2kB ROM 的 3 種 0.9V MCU 版本 — MSP430L092 (RAM)、MSP430C091(ROM) 與 MSP430C092 (ROM)，可根據需要提供多種選擇。這樣做是因為0.9V 的工作特性無法擦寫FLASH，故其應用模式為研發階段使用EEPROM 配合L092 完成系統設計，待產品化之后使用帶ROM的C09x，無需EEPROM就能正常運行。 
2 模擬功能池(A-Pool) MSP430x09x 開發設計模擬功能池是為了實現0.9V 下的多種模擬功能模塊，具體實現某種功能要基于用戶的軟件設計。整個模擬功能池模塊的參考電壓可以由內部一個256mV 參考電壓或者外部參考電壓提供。多個時鐘源可供它來選擇作為它的時鐘源。總的來說模擬功能池可以實現以下功能： * 比較器 * 8 位數模轉換器(DAC) * 系統電壓監控器 * 內部溫度傳感器 * 超低基準電壓源 模擬功能池看起來很復雜，其實它的核心就是一個比較器和兩個多路復用器。多路復用器用來選擇比較器正向和反向輸入端的的輸入信號以實現不同的功能。此外，ADC 和DAC 模塊的操作可以通過多種觸發手段來實現更加靈活智能的模擬采集轉換功能。可編程A-Pool 可使各種模擬外設配置有序運行，無需用戶干預，從而提高了系統靈活性。A-Pool 還提供了兩種AD 采樣模式—RAMP 和SAR 模式。使用RAMP 模式時，可以工作于無補償模式、過載補償模式、偏置補償模式、全補償模式以及窗口模式等，當然精度越高，所需的采樣周期就越長，因此需根據采樣精度和采樣時間的偏重，合理安排工作模式。另外，當模擬采樣電壓大于參考電壓時，可以通過軟件設定合適的電壓采樣范圍，完成較高電壓的AD 采樣，從而省去了外部分壓電阻，大大方便了用戶。模擬功能池作為一個強大的模擬功能模塊可以實現豐富的模擬功能，為了使它能更好的工作，避免誤操作，請參考其用戶手冊的使用說明。 3 系統結構框圖和總體設計方案
圖2 電動剃須刀系統框圖 本文電動剃須刀系統框圖如上圖所示。本方案中電動剃須刀使用MSP430L092 作為MCU，其超低功耗的特性能夠讓剃須刀使用更持久。MSP430x09x 片上全部功能工作電壓都為0.9V，所以在系統采用單節電池供電的情況下，無需任何升壓芯片，就能使系統正常工作。這樣實現同樣的功能，不僅省去了一節電池，也省去了升壓電路的成本，也使整個系統結構很簡單。整個系統由單節電池給MCU 和0.9V直流電機供電，通過自鎖電路實現單個按鍵完成開機、選擇速度、關機功能，直流電機驅動方面通過配合使用0.9V MOSFET 實現電機驅動（由于單個0.9V MOSFET 額定電流較小，故采用兩個MOSFET 并聯的方法，同時降低了MOSFET 上的壓降），并利用PWM 波控制MOSFET 通斷實現電機調速。由于MSP430x09x 系列MCU 具有功能強大的模擬功能池，可以輕松對系統供電電壓進行監測，在低于一定電壓時，阻止系統繼續工作，以防止過度使用而對充電電池造成永久損傷。另外，在充電時，還能夠通過AD 采樣電池電壓，在充電充滿時，利用PWM 控制充電電路進入涓流充電模式，以實現充電管理。用戶可以利用MSP430x09x 中模擬功能池的比較器，AD,DA，內部溫度傳感器等功能，開發出更高級功能更豐富的產品。鑒于產品研發階段使用MSP430L092，自身只有RAM，所以需外擴EEPROM供用戶程序使用，由于EEPROM 的工作電壓為2.5~5.5V，因此需要用獨立元件搭一個簡單的升壓電路，以供L092 初始化階段從EEPROM中載入運行程序，在最終產品中使用C092 或者C091，外擴EEPROM部分可省去。 4 系統硬件設計 4.1 MCU 引腳分配
圖3 MCU 引腳分配 本系統的引腳分配如上圖所示，可以看出MSP430x09x 系列各引腳復用，可供用戶合理分配相應功能，使設計簡便靈活。本系統中使用了通用I/O,SPI,TA0,TA1,A-Pool，BOOST 等功能。 4.2 外部存儲部分
圖4 外擴EEPROM 存儲模塊 上圖為EEPROM模塊和由分立元件構成的BOOST 升壓電路，工作原理在此不再贅述。在開機階段，MSP430L092 需與EEPROM通過SPI 通信將程序載入到RAM中，期間由P1.2 腳控制升壓電路工作，輸出供EEPROM工作的3V 電壓，該部分代碼無需用戶編寫，已固化在IDE 中。 4.3 充電電路控制模塊
圖 5充電控制電路 上圖為系統充電控制模塊。系統外部上電，系統進入充電模式，MCU 得電運行，CHARGE_IN 處低電平，MCU 進入充電模式，通過AD 采樣電池電壓，判斷充飽后切換充電電路進入涓流充電模式，防止電池過充。同時檢測電池電壓，待電池低于1.45V 時再次切換進入充電模式。MSP430x09x 系列特有的模擬功能池的ADC 模塊支持RAMP 和SAR 兩種AD 采樣模式，其中RAMP 模式下還可將AD 模塊設定在不同的誤差補償模式下，以提高采樣精度，詳情請參考MSP430x09x User’s Guide。 4.4 按鍵自鎖部分
圖 6系統自鎖電路 上圖為系統按鍵自鎖電路。按下按鍵，MCU 得電運行，判斷進入工作模式，開機自鎖，按鍵松開系統仍能正常運行；再次按鍵，切換工作模式；再按鍵，系統解除自鎖，關機。另外，MCU 通過A-Pool定期檢測電池電壓，在電池電壓低于1V 時，切斷工作電路，防止欠壓工作時對電池造成永久損傷，影響電池壽命。MCU 還通過配置A-Pool 檢測系統溫度，超過正常工作范圍，則切斷電路。 4.5 電路驅動部分
圖 7直流電機驅動電路 系統的直流電機模塊如圖7 所示，作為單電池系統，為了保證系統在電池較低電壓下也能正常工作，系統選擇工作電壓0.9V 的直流電機以及MOSFET，使整個系統更加節能，運行更持久。由于一些低壓的MOSFET 額定電流較小，單個無法滿足直流電機性能的要求，故將有時需將兩個MOSFET 并聯，增大工作電流的同時，減少了在MOSFET 上的壓降。本設計中MOSFET 分別選用了ROHM 公司的RYU002N05(2個并聯)和VISHAY 公司的Si2342DS(單個) ，都能夠使系統正常工作。 5 系統軟件設計 本系統軟件部分主要需實現主程序主循環，初始化，外部存儲通信，電池充電控制，按鍵處理，LED 指示，直流電機驅動控制，電壓采樣，溫度采樣，睡眠喚醒功能等。系統通過兩種方式得電啟動工作：系統充電與按鍵開機。得電后L092 從EEPROM 中載入程序，開始正常運行，判斷工作模式。系統充電時，系統工作是定期檢測電池充電電壓，根據電池特性，待檢測到電池充滿電后，進入涓流充電模式，防止電池過充，對電池造成損傷，待電池電壓低于1.45V 時，再次進入充電模式。正常使用時，按鍵開機則進入正常工作模式，系統自鎖，保證放開按鍵正常工作，系統輸出PWM 控制電機運行，并通過按鍵改變切換工作模式，繼續按鍵，解除自鎖，系統關機。另外，系統正常工作時，通過ADC 模塊定時檢測電池電壓，低于一定電壓后禁止系統繼續工作，防止欠壓時工作給充電電池帶來的永久性損傷。同時MCU 需記錄前后電池電壓值。因為電機堵轉時，電池電壓會有較大跳變，結合記錄電池電壓值，通過這個特征來判斷電機是否堵轉，堵轉則立即關閉系統。ADC 采樣電池電壓后，再配置A-Pool 進行系統溫度采樣，判斷工作溫度是否在正常范圍內，不正常則立即關閉系統。整個系統通過輸入口以及各中斷處理程序設置系統工作狀態值，在程序大循環中根據不同狀態值，開啟相應功能模塊。
圖 8系統軟件流程圖 6 總結 本文主要介紹了TI 新推出的0.9V 工作電壓的MSP430x09x 系列MCU 在真正單電池供電系統中的應用。MSP430x09x 系列繼承了MSP430 系列單片機低功耗，外設豐富，設計簡單等優勢，并開創性的集成了能夠實現ADC、DAC、比較器、系統電壓監控器以及溫度傳感器的模擬功能池。本文主要闡述了以MSP430x09x 為核心，通過使用其部分片上資源設計完成的電動剃須刀的軟硬件結構并對該系列MCU 做了簡單介紹。從中可見，MSP430x09x 系列MCU 功能強大，適合廣泛應用于電動剃須刀、電動牙刷、玩具、電子汽車香水座以及安全設備等各種應用中，具有很好的實用價值和廣闊的應用前景。 參考文檔 1. MSP430x09x Family User’s Guide (SLAU321) 2. MSP430L092,MSP430C09x Mixed Signal Microcontroller (SLAS673) 3. MSP430x09x Analog Pool: Feature Set and Advanced Use (SLAA475) |
